Pánspermia
Hipotézisek és elméletek az élet eredetéről
A teológia és egyes filozófusok hagyományos álláspontja szerint az élet eredete egy természetfeletti esemény eredménye, amely véglegesen meghaladja a kémia és a fizika leíró erejét. Legáltalánosabb formájában ez a nézet nem feltétlenül mond ellent a prebiotikus evolúcióról szóló mai tudományos ismereteknek, bár a Teremtés könyvének első két fejezetében szereplő bibliai leírás a teremtésről – szó szerint és nem metaforikusan véve – nincs összhangban a modern ismeretekkel.
A XVII. század közepéig az volt az uralkodó vélemény, hogy Isten az embert a magasabb rendű állatokkal és növényekkel együtt teremtette, de az egyszerű életformák, például a férgek és rovarok rövid idő alatt folyamatosan keletkeznek sárból, hulladékból és rothadó anyagból. William Harvey (1578-1657) fiziológus, aki a szarvasok szaporodását és fejlődését tanulmányozta, volt az első, aki megkérdőjelezte ezt a nézetet, amikor azt állította, hogy minden állat egy tojásból származik (“omnia viva ex ovo”), jóval azelőtt, hogy Karl-Ernst von Baer (1792-1876) mikroszkópiával felfedezte az emberi petesejtek létezését. Egy olasz tudós, Francesco Redi (1626-1698) igaznak találta Harvey elképzelését, legalábbis a rovarok esetében; megállapította, hogy a húsban lévő férgek légypetékből származnak. Később Lazzaro Spallanzani (1729-1799) felfedezte, hogy a spermiumok szükségesek az emlősök szaporodásához. Pasteur előtt Spallanzani azt is kimutatta, hogy az élő anyag (“infúziók”) nem a zárt edényben tartott főtt folyadékokból származnak. Bár Redi és Spallanzani eredményei egyértelműen bizonyították, hogy a rovarok és a nagyobb állatok petékből fejlődnek, a nagy többség számára nyilvánvaló maradt, hogy legalábbis a mikroorganizmusok – mindenütt jelenlétük miatt – folyamatosan szervetlen anyagból keletkeznek. A vita arról, hogy az élet spontán módon keletkezik-e élettelen anyagból vagy sem, Louis Pasteur és Félix-Archimède Pouchet (1800-1872) híres vitájában csúcsosodott ki, amelyet Pasteur nyert meg diadalmasan. Kimutatta, hogy még a folyadékokban lévő mikroorganizmusok is a levegőben lebegő csírákból származnak, és azt is bizonyította, hogy a tápoldatokat megfelelő sterilizálással – például szűréssel vagy forralással – meg lehet óvni ezektől az élőlényektől. A korabeli tudósok azonban nem voltak elégedettek Pasteur kísérleteivel, mert egy kényes kérdés maradt: Ha az élőlények nem élettelen anyagból nem keletkeznek, hogyan jött létre egyáltalán az élet?
A tizenkilencedik század végén egy másik hipotézist Svante Arrhenius (1859-1927) svéd kémikus kezdeményezett. Erősen hitt abban, hogy az egész világegyetem élő csírákkal van feltöltve, ezt a jelenséget ő “pánspermiának” nevezte. Azt feltételezte, hogy a kozmikus eredetű mikroorganizmusok és spórák naprendszerről naprendszerre terjedtek, és így jutottak el a Földre. Bár Arrhenius nézete inkább elkerüli, mint megoldja az élet eredetének problémáját, és annak ellenére, hogy rendkívül valószínűtlen, hogy a mikroorganizmusok túlélnék a hideg, a vákuum és a sugárzás csillagközi hatásait, a huszadik században a tudományos közösség néhány tagja visszatért a pánspermia gondolatához. E tudósok közé tartozik Fred Hoyle csillagász (1915-) és Francis Crick molekuláris biológus (1916-), akik meg vannak győződve arról, hogy a Föld keletkezése és az első sejtes organizmusok megjelenése között eltelt idő túl rövid volt ahhoz, hogy az élet spontán módon keletkezett volna.
Darwin elmélete a “természetes szelekcióról mint az evolúció mozgatórugójáról” új, máig érvényes nézetet eredményezett az élet jelenségéről. Bár Darwin nem kötelezte el magát az élet eredete mellett, a kortárs tudósok, például Thomas Huxley (1825-1895) kiterjesztette elképzelését, és azt állította, hogy az élet szervetlen vegyi anyagokból is létrejöhet. Ezt a nézetet követve Alexander Oparin (1894-1980) volt a legbefolyásosabb szószólója annak, hogy a sejtes organizmusok nem élő anyagból egymás után keletkeztek. Úgy vélte, hogy ezt az átmenetet a korai Föld fizikai és kémiai körülményei között szabályos és fokozatos kémiai reakciók sorozata folytatta le. John Scott Haldane-nal (1860-1936) együtt Oparin felismerte, hogy a Föld jelenlegi oxidáló légkörében a szerves molekulák abiológiai keletkezése igen valószínűtlen. Ehelyett mindketten azt javasolták, hogy az élet kezdete az ősi forró vizekben, redukálóbb (azaz hidrogénben gazdagabb) körülmények között játszódott le. Oparin továbbá sejtek előtti koacervátumok – membránszerű felületi struktúrával rendelkező gömbszerű egységek – létezését tételezte fel, amelyek bizonyos kémiai vegyületek magas koncentrációját tartalmazhatják. A koacervátumok valóban spontán módon alakulnak ki két vagy több makromolekuláris vegyület kolloid vizes oldatából.
Az élettelen anyagból az élő anyagba való átmenet számos alapvető problémája azonban megoldatlan maradt. A központi kérdés a termodinamika második törvényének szerepére vonatkozott, amely egy izolált rendszerben az egyensúlyt a maximális entrópia állapotaként határozza meg, ami ellentmondani látszik a nagy rendezettségű élő szervezetek eredetének és létezésének. Erwin Schrödinger (1887-1961) adott döntő választ erre a kérdésre, kijelentve, hogy “az élő anyag az entrópia termelésének folyamatos kompenzálásával kerüli meg az egyensúlyi állapotba való bomlást” vagy a halált. Minden szervezetben ezt úgy érik el, hogy szabad energiával vagy energiában gazdag anyaggal táplálják, amelyet a sejtgépezet az alapvető kémiai reakciók működtetésére használ fel. Schrödinger és mások is felismerték, hogy az élő szervezetek termodinamikailag nyílt rendszerekként írhatók le, de nem tudták megmagyarázni az önrendeződési folyamatok általános fizikai feltételeit. Ezeket Ilja Prigogine (1917-) és Paul Glansdorff (1904-1999) érzékelte, akik az irreverzibilis folyamatok termodinamikai elméletén dolgoztak. Prigogine szerint a szelekció és az evolúció nem játszódhat le egyensúlyban lévő vagy közel egyensúlyban lévő reakciórendszerekben, még akkor sem, ha a megfelelő típusú anyagok vannak jelen. Ehelyett az autokatalitikus reakciók és a transzportfolyamatok bizonyos kombinációi a reakciópartnerek sajátos térbeli eloszlásához, úgynevezett “disszipatív struktúrákhoz” vezethetnek. Ezek a rendezett struktúrák fontosak a funkcionális rend kialakulásában az élet evolúciójában, különösen a korai morfogenezisben. Az önszerveződés első lépései azonban valószínűleg kevés fizikai térbeli szerveződéssel, de a kémiai vegyületek rendkívül összetett változatosságának kiterjedt funkcionális rendeződésével jártak. Manfred Eigen (1927-) a molekulák közötti rendeződés folyamatát a Prigogine-Glansdorff-elvnek az önreprodukáló molekulák viselkedésére vonatkozó fenomenológiai megfontolásokkal való kiegészítésével magyarázta: Egy bizonyos mennyiség megközelíti a maximális értéket minden olyan nyitott rendszerben, amely kellő hűséggel autokatalitikusan replikálódik, és ezáltal folyamatosan energiát és anyagot fogyaszt. Ezt a mennyiséget “információnak” nevezik, és szoros kapcsolatban áll a Schrödinger által posztulált “negatív entrópiával”. A biológiai információ molekuláris értelmezésének megalapozása mellett Eigen kidolgozta a “szelekció” leírására szolgáló matematikai modelleket is. Eigen elmélete szerint a szelekció az az alapvető természeti elv, amely rendet teremt az autokatalitikusan replikálódó fajok bármely véletlenszerű elrendeződésében. A szelekcióval az információ egymás után keletkezik, ami a fajok állandó optimalizálásához vezet, amelyek lehetnek szervezetek vagy molekulák.
A Eigen által kifejlesztett matematikai modellek az élet eredetének részletes hipotézisét támasztják alá, amely a szervetlen anyagból az élő anyagba való átmenet több, egymást követő lépéséből áll. Meg kell azonban említeni, hogy egyes tudósoknak az élet keletkezésére vonatkozó elméletei eltérnek Eigen elméletétől. Ezek közé tartozik Stuart Kauffman (1939-), aki szerint a természetes szelekció fontos, de nem az egyedüli rendező elv a biológiai világban. Ehelyett a spontán önszerveződést tartja a természetes rend uralkodó forrásának. Kauffman kimutatta, hogy egymással összefüggő autokatalitikus reakciók halmazai képesek átmenni egy újonnan rendezett (azaz önszerveződő) állapotba, amint kapcsolódásuk elér egy bizonyos küszöbértéket. Kauffman hangsúlyozza továbbá, hogy az elméletében központi szerepet játszó autokatalízis jelensége nem korlátozódik a nukleinsavakra. Ezért arra a következtetésre jut, hogy még a génekre sem volt szükség az élet keletkezéséhez. Kauffmannal ellentétben Eigen megkülönbözteti a “véletlenszerű” autokatalitikus vagy önreprodukáló tevékenységet, amely számos molekulafajnál megfigyelhető, az “eredendően” önreprodukáló nukleinsavaktól. Az önreprodukcióra való eredendő képesség viszont Eigen elmélete szerint a természetes szelekció molekuláris alapját jelenti.
A molekuláris evolúcióra posztulált elvek szimulálására jól definiált kísérleteket találtak ki. Bizonyos kísérleti elrendezésekkel a replikáció és a szelekció egy kémcsőben elvégezhető. Hasonlóképpen, az ősföldön uralkodó kémiai viszonyok laboratóriumban is utánozhatók. Több tudós megkísérelte kísérletileg igazolni a biogenezisről szóló huszadik századi elképzeléseket. Kísérleteiket a következő fejezetben tárgyaljuk.