TEMA BROJA

Dr Ana Paunović

I bi život... / Nastanak sveta i početak biološke evolucije

Od meteora, kometa i vode do čoveka

Nastanak života na Zemlji jedno je od najfascinantnijih pitanja u nauci, koje vekovima intrigira biologe, hemičare, astronome i filozofe. Kako je mrtva materija postala živa? Šta je bila iskra koja je pokrenula lanac događaja, pretvarajući jednostavne molekule u složene organizme? Iako još nemamo potpune odgovore, naučne teorije nude fascinantan uvid u proces koji je preoblikovao planetu i stvorio temelje za raznovrsnost života kakvu poznajemo danas.

Pre više od četiri milijarde godina, Zemlja je bila surovo i neprijateljsko mesto. Površinu su prekrivale vulkanske erupcije, lavine gasova i udari asteroida, dok su okeani tek počeli da se formiraju. Atmosfera je bila bogata gasovima poput metana, amonijaka, vodonika i ugljen-dioksida - ali je bila lišena kiseonika. Uprkos naizgled neprijateljskim uslovima, ova „primordijalna čorba“ bila je savršena za hemijske reakcije koje su prethodile nastanku života.
Eksperimenti koji istražuju moguće mehanizme nastanka života na Zemlji poznati su kao eksperimenti abiogeneze. Oni su fokusirani na proučavanje kako se neorganske materije mogla transformisati u organske molekule i, na kraju, u jednostavne oblike života. Jedna od najpoznatijih hipoteza o početku života je Oparin-Haldanova teorija, koja sugeriše da su jednostavni organski molekuli, poput aminokiselina i nukleotida, nastali u prvobitnoj atmosferi pod uticajem energije iz vulkanskih erupcija, sunčevog zračenja i munja. Eksperiment Stenlija Milera i Harolda Jurija iz 1953. godine pružio je snažnu podršku ovoj teoriji, pokazujući da se aminokiseline mogu sintetisati u laboratorijskim uslovima koji imitiraju prvobitnu Zemlju.
Jedan od ključnih koraka u nastanku života bilo je formiranje jednostavnih organskih molekula u složene polimere, poput proteina i nukleinskih kiselina. Ovi molekuli su postali temelj za stvaranje prvih protoćelija - struktura okruženih membranom koje su mogle da razmenjuju materije s okolinom i reprodukuju se. Smatra se da su lipidi, molekuli sa sposobnošću da formiraju dvoslojne membrane, odigrali ključnu ulogu u ovoj fazi.
Postoji i hipoteza hidrotermalnih izvora koja sugeriše da je život mogao nastati oko hidrotermalnih izvora na dnu okeana. Ovi izvori emituju toplotu i hemikalije bogate mineralima, pružajući energiju i supstance potrebne za sintezu složenih molekula. Eksperimenti su pokazali da visoki pritisak i temperatura u ovim uslovima mogu dovesti do formiranja aminokiselina i lipida. A eksperimenti istraživača poput Greama Cairns-Smitha pokazali su da minerali u glini mogu katalizovati formiranje složenih organskih molekula. Površine gline mogu služiti kao „šabloni“ za polimerizaciju molekula poput RNA.
RNA svet, hipotetični period u kojem je ribonukleinska kiselina (RNA) bila ključni molekul za skladištenje genetskih informacija i katalizovanje hemijskih reakcija, često se navodi kao prelazna faza. RNA je jednostavnija od DNK i može samostalno da katalizuje sopstvenu replikaciju, što je činilo idealnim kandidatima za prvi „iskru života“. Eksperimenti su pokazali da lipidi mogu spontano formirati membrane koje nalikuju ćelijskim. Ove „protoćelije“ mogu da zarobe molekule poput RNA, pružajući stabilnu sredinu za reakcije.

Jednom kada su se protoćelije pojavile, evolucija je postala pokretačka sila života. Organizmi su razvili metode za iskorišćavanje energije iz okruženja, poput fotosinteze i hemiosmoze. Fotosinteza je, na primer, transformisala atmosferu planete oslobađajući kiseonik, čime je omogućila razvoj aerobnih organizama i kompleksnih ekosistema.
Treba naglasiti da nijedan eksperiment nije u potpunosti rešio misteriju nastanka života, ali svi oni ukazuju da kombinacija pravih hemijskih uslova, izvora energije i vremena može voditi do stvaranja složenih molekula, a možda i prvih oblika života.

Evoluciona biologija i drvo života

Studiranjem evolucionih procesa koji su proizveli raznovrsnost života na Zemlji bavi se evoluciona biologija. Evolucionarni biolozi proučavaju nasleđivanje vrsta i poreklo novih vrsta. Drvo života je metafora i grafički prikaz koji simbolizuje evolucione odnose među svim živim organizmima. Ovo „drvo“ predstavlja zajedničko poreklo svih oblika života, granajući se kako bi prikazalo divergentnu evoluciju od zajedničkog pretka do raznolikih vrsta koje danas naseljavaju planetu. Koncept drveta života temelji se na idejama Čarlsa Darvina, posebno na njegovom delu „O poreklu vrsta“ iz 1859. godine, gde je prvi put ilustrovao zamisao o životu kao razgranatom stablu. Na dnu drveta nalaze se zajednički preci svih živih organizama, uključujući hipotetički zajednički univerzalni predak (LUCA - Last Universal Common Ancestor). Ovo simbolizuje početak života na Zemlji pre oko 3,5 milijardi godina. Grane drveta predstavljaju evolutivne linije koje se razvijaju iz zajedničkih predaka. Svaka grana odražava diverzifikaciju kroz procese kao što su specijacija i adaptacija. Mesta gde se grane razdvajaju označavaju zajedničke pretke od kojih su potekle dve ili više evolutivnih linija. Na primer, čvor između sisara i ptica označava zajedničkog pretka ovih grupa. Na krajevima grana nalaze se savremeni organizmi, uključujući bakterije, arhee, biljke, životinje i gljive. Svaki list simbolizuje jednu vrstu ili taksonomsku grupu.
Danas se koncept drveta života proširuje zahvaljujući molekularnoj biologiji i genetici. Upotrebom genetičkih podataka, naučnici mogu da rekonstruišu filogenetska stabla koja precizno prikazuju odnose među vrstama. Moderno filogenetsko stablo uključuju sve tri domena života: bakterije, arhee i eukariote, što pruža potpuniju sliku evolucije. Drvo života je ne samo simbol evolucije već i ključni alat za razumevanje odnosa među organizmima. Njegova struktura podseća na zajedničko poreklo svih oblika života i na raznolikost koja je proizašla iz milijardi godina evolutivnih promena. Ovo drvo je svedočanstvo složenosti i lepote prirode, kao i naše povezanosti sa svim živim bićima na planeti.

Lišajevi se nestajala sa stabala...

Mikroevolucija je proces malih, postepenih promena u genetskoj strukturi populacije tokom vremena. Ona se odvija kroz mehanizme kao što su prirodna selekcija, genetski drift, migracije (protok gena) i mutacije. Ove promene ne vode do nastanka novih vrsta, već do adaptacija unutar postojeće populacije. Јedan od najpoznatijih primera mikroevolucije je promena u učestalosti svetlih i tamnih formi leptira, vrste Biston betularia, poznat i kao biberasti moljac, tokom industrijalizacije u Engleskoj.

Pre industrijske revolucije, okolina u kojoj su ovi leptiri živeli bila je uglavnom čista, sa stablima prekrivenim lišajevima. Svetla forma leptira, poznata kao tipica, bila je dobro kamuflirana na ovakvoj podlozi, što ih je štitilo od predatora poput ptica. Tamna forma leptira, poznata kao carbonaria, bila je retka jer su tamni leptiri bili lako uočljivi na svetlim površinama pa su češće postajali plen. Početkom industrijske revolucije u 18. i 19. veku, povećana upotreba uglja dovela je do izbacivanja velike količine čađi u atmosferu. To je rezultiralo zamračivanjem i zagađenjem okoline - lišajevi su nestajali sa stabala, a površine stabala postajale su tamne zbog čađi. U ovom novom okruženju tamna forma leptira, carbonaria, dobila je prednost jer je bila bolje kamuflirana na tamnim površinama. Svetli leptiri su postali lak plen, što je dovelo do smanjenja njihove brojnosti. U ovom periodu, prirodna selekcija je favorizovala tamne leptire. Učestalost alela koji su odgovorni za tamnu boju povećala se unutar populacije, dok su aleli za svetlu boju postali ređi. Ovaj proces adaptacije bio je brz i dobro dokumentovan, a promene u učestalosti tamnih i svetlih formi primećene su širom industrijskih regiona.
Krajem 20. veka, sa smanjenjem zagađenja usled zakona o kontroli emisije i prelaska na čišće izvore energije, okolina se postepeno oporavljala. Lišajevi su se vratili na stabla, a njihova svetla podloga ponovo je postala dominantna. Ovo je rezultiralo obrnutom selekcijom, gde su svetli leptiri ponovo postali manje uočljivi, dok su tamni leptiri postali ranjiviji na predatore. Učestalost svetle forme se povećala, dok je tamna forma postala ređa. Promene u populaciji leptira Biston betularia tokom industrijalizacije i njenog oporavka predstavljaju klasičan primer mikroevolucije i delovanja prirodne selekcije. Ovaj primer pokazuje kako promene u okruženju mogu uticati na genetičku strukturu populacije i podvući dinamičan odnos između organizama i njihovog staništa. Proučavanje ovih procesa omogućava bolje razumevanje evolucijskih mehanizama koji oblikuju biodiverzitet na našoj planeti.

Primeri sa Galapagosa

Makroevolucija se odnosi na evolucione promene koje se događaju na nivou iznad vrste, uključujući procese kao što su specijacija, izumiranje i evolucija većih taksonomskih grupa. Ovi procesi se odvijaju tokom dugih vremenskih perioda i obuhvataju značajne promene u morfologiji, fiziologiji i ponašanju organizama. Jedan od najupečatljivijih primera makroevolucije je evolucija darvinovih zeba (Geospiza spp.), grupa ptica koje su postale simbol za proces specijacije.

Darvinove zebe su grupa vrsta koje naseljavaju Galapagoska ostrva i bliske regione. Pretpostavlja se da su preci ovih ptica stigli na ostrva sa kopna Južne Amerike pre nekoliko miliona godina. Na ostrvima su ptice bile suočene sa različitim ekološkim uslovima, uključujući različite izvore hrane, klime i staništa. Ovi uslovi su pokrenuli proces adaptivne radijacije, pri čemu su potomci originalne populacije divergirali u različite pravce kako bi iskoristili specifične niše. Na Galapagoskim ostrvima danas postoji najmanje 13 vrsta darvinovih zeba, od kojih svaka zauzima specifičnu ekološku nišu. Razlike između ovih vrsta su najvidljivije u veličini i obliku kljuna, koji je prilagođen različitim vrstama hrane. Ove razlike u obliku kljuna nastale su usled prirodne selekcije. Ptice čiji su kljunovi bili bolje prilagođeni lokalnim izvorima hrane imale su veće šanse za preživljavanje i razmnožavanje. Tokom vremena, genetičke razlike između populacija na različitim ostrvima akumulirale su se do tačke kada više nisu mogle međusobno da se pare, čime su formirane nove vrste. Jedan od ključnih faktora koji su omogućili specijaciju darvinovih zeba je ekološka izolacija. Populacije koje su se našle na različitim ostrvima bile su geografski izolovane, što je sprečavalo protok gena između njih. Osim toga, različiti uslovi na svakom ostrvu dodatno su podstakli prilagođavanje specifičnoj sredini. Na primer, na ostrvima s obiljem tvrdih semenki favorizovani su snažni kljunovi, dok su na ostrvima bogatim insektima prednost imali tanji kljunovi.
Evolucija darvinovih zeba pruža dragocen uvid u proces specijacije i adaptivne radijacije. Ovaj primer pokazuje kako razlike u ekološkim uslovima mogu dovesti do divergentne evolucije, što je jedan od ključnih mehanizama makroevolucije. Osim toga, studije darvinovih zeba ilustruju kako male genetičke promene, pod uticajem prirodne selekcije, mogu vremenom dovesti do formiranja novih vrsta. Ovo povezuje mikroevolucione procese (kao što su promene u obliku kljuna) s makroevolucijom (nastanak novih vrsta i diverzifikacija grupa).

Iz vode na kopno

Prvi organizmi koji su kolonizovali kopno bile su biljke. Rane kopnene biljke, poput mahovina i paprati, razvile su procese za apsorpciju i skladištenje vode, kao i kutikulu koja smanjuje gubitak vode. One su stvorile osnovne ekosisteme koji su omogućili dalji razvoj kopnenih staništa. Ove biljke su značajno promenile atmosferu, povećavši koncentraciju kiseonika i smanjivši nivo ugljen-dioksida. Tlo bogato organskim materijama koje su biljke ostavljale postalo je pogodna osnova za razvoj životinjskih populacija.
Jedan od najznačajnijih događaja u istoriji evolucije života na Zemlji bio je prelazak organizama iz vode na kopno. Ovaj prelazak, koji se dogodio pre otprilike 400 miliona godina tokom perioda Devona, označava ključni trenutak u evoluciji i postavlja temelje za dominaciju kopnenih biljaka, beskičmenjaka i kičmenjaka. Ova „iskra života“ nije bila trenutni događaj već složen proces vođen fiziološkim, anatomsko-morfološkim i ekološkim prilagođavanjima.
Prelazak na kopno zahtevao je rešavanje niza izazova. Disanje je predstavljalo problem za organizme prilagođene vodi poput riba kojima je nedostajao efikasan način disanja vazduha - ali je evolucija pluća iz modifikovanih ribljih mehurova omogućila preuzimanje kiseonika iz vazduha. Kretanje na kopnu je takođe predstavljalo problem jer voda pruža podršku telu dok na kopnu gravitacija predstavlja veliki izazov. Razvitak snažnih peraja, koja su se postepeno transformisala u udove bio je ključan za kretanje po čvrstoj podlozi. Dehidratacija je bila ozbiljan rizik u kopnenom okruženju zbog čega su nastale strukture poput keratinizovane kože i jajnih omotača otpornih na sušenje. I sama reprodukcija je zahtevala prilagođavanje, jer su oplodnja i razvoj embriona ranije bili ograničeni na vodeno okruženje i postupno su se prilagodili kopnenim uslovima.

Najvažniji korak u prelasku kičmenjaka na kopno dogodio se kod riba, poput roda Tiktaalik. Ove ribe imale su telesne nastavke koje su bile prelazne između peraja i udova. Tiktaalik, otkriven u sedimentima starim oko 375 miliona godina, imao je snažna peraja koja su omogućavala podizanje tela iznad podloge, pluća i škrge za disanje i u vodi i na vazduhu, kao i vratnu regiju koja je omogućavala pokretljivost glave, što je bilo neophodno za lovljenje plena na kopnu. Ove adaptacije bile su ključne za nastanak prvih tetrapoda, kičmenjaka sa četiri uda, koji su postali preci svih kopnenih životinja, uključujući vodozemce, gmizavce, ptice i sisare.
Prelazak iz vode na kopno bio je ključan za dalji razvoj kopnenih ekosistema. Ovaj proces omogućio je diverzifikaciju života na Zemlji, uključujući evoluciju velikih kopnenih predatora, biljojeda i, na kraju - čoveka.

Pa povratak u vodu...

Jedan od najfascinantnijih primera evolucije u prirodi je sekundarno vraćanje kičmenjaka s kopna u more. Ovaj proces obuhvata povratak predaka kopnenih organizama u vodeno okruženje, pri čemu se njihove anatomije, fiziologije i ponašanja prilagođavaju novim uslovima života. Kitovi (Cetacea), kao moderni predstavnici morskih sisara, pružaju upečatljiv primer ovog fenomena. Njihova evolucija od kopnenih predaka do vodenih džinova otkriva kompleksan proces prilagođavanja, koji se dogodio tokom desetina miliona godina. Preci kitova bili su kopneni sisari iz reda Artiodactyla, u koji spadaju i moderni preživari poput jelena i krava. Fosilni zapisi ukazuju na to da su prvi preci kitova bili slični životinji poznatoj kao Pakicetus, sisaru koji je pre oko 50 miliona godina živeo na obalama drevnih mora. Pakicetus je imao karakteristike tipične za kopnene sisare, poput dugih udova i strukture lobanje prilagođene životu na kopnu. Međutim, već je pokazivao rane adaptacije za život u vodi, uključujući zube prilagođene hvatanju ribe. Kako su ovi preci postajali sve više zavisni od vodenih staništa, njihova tela su se postepeno prilagođavala novim ekološkim nišama. Ovaj proces poznat je kao adaptivna radijacija, pri čemu su evolutivne promene omogućile uspešno preživljavanje i reprodukciju u novom okruženju.
Zašto su preci kitova napustili kopno? Ekološki pritisci, poput konkurencije za resurse, mogli su igrati ključnu ulogu. Voda je nudila nove izvore hrane, poput ribe i mekušaca, kao i zaštitu od kopnenih predatora. Vraćanje u vodu otvorilo je nove ekološke niše koje su omogućile kitovima da se diverzifikuju i postanu dominantni morski sisari. Evolucija kitova ilustruje fleksibilnost i prilagodljivost života. Njihova transformacija iz kopnenih sisara u vodeće morske predatore pokazuje kako prirodna selekcija može oblikovati organizme u skladu s promenama u okruženju. Ovaj process sekundarnog vraćanja u vodu pruža ključne dokaze o načinu na koji evolucija funkcioniše na dugim vremenskim skalama.

Iskra života u širem kosmičkom kontekstu

Pitanje porekla života nije ograničeno samo na Zemlju. Panspermija, ideja da su osnovni gradivni elementi života stigli na Zemlju putem meteora ili kometa, otvara mogućnost da je iskra života univerzalni proces koji se može dogoditi gde god postoje odgovarajući uslovi. Astrobiologija, interdisciplinarna nauka koja istražuje mogućnost života izvan Zemlje, nastoji da odgovori na ovo pitanje, tragajući za tragovima života na Marsu, Evropi, Titanu i drugim nebeskim telima.
Iskra života nije trenutak u vremenu već proces koji se protegao kroz milione godina. Iako mnogi detalji ostaju misterija, naučne teorije i dokazi pružaju uvid u čudesan prelazak od nežive do žive materije. Nastanak života na Zemlji svedoči o moći prirodnih procesa i beskrajnoj sposobnosti Univerzuuma da stvara složenost iz haosa. Svaki oblik života danas, uključujući nas, nosi u sebi deo te praiskonske iskre koja nas povezuje s početkom svega.

Dr Ana Paunović

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"