Panspermia
Hypotezy i teorie na temat pochodzenia życia
Tradycyjne stanowisko teologii i niektórych filozofii postrzega pochodzenie życia jako wynik nadprzyrodzonego wydarzenia, które jest stale poza możliwościami opisowymi chemii i fizyki. W swojej najbardziej ogólnej formie pogląd ten nie jest koniecznie sprzeczny ze współczesną wiedzą naukową o ewolucji prebiotycznej, chociaż biblijne opisy stworzenia podane w pierwszych dwóch rozdziałach Księgi Rodzaju, brane dosłownie, a nie metaforycznie, są niezgodne ze współczesną wiedzą.
Do połowy XVII wieku przeważała opinia, że Bóg stworzył człowieka wraz z wyższymi zwierzętami i roślinami, ale że proste formy życia, takie jak robaki i owady, powstają stale z błota, odpadów i materii gnilnej w krótkich okresach czasu. Fizjolog William Harvey (1578-1657), który badał reprodukcję i rozwój jeleni, jako pierwszy podważył ten pogląd, postulując, że każde zwierzę pochodzi z jaja („omnia viva ex ovo”) na długo przed tym, jak Karl-Ernst von Baer (1792-1876) odkrył istnienie ludzkich komórek jajowych za pomocą mikroskopu. Włoski naukowiec, Francesco Redi (1626-1698), uznał ideę Harveya za prawdziwą, przynajmniej w odniesieniu do owadów; stwierdził, że larwy w mięsie powstają z jaj much. Później Lazzaro Spallanzani (1729-1799) odkrył, że plemniki są niezbędne do rozmnażania ssaków. Przed Pasteurem, Spallanzani wykazał również, że żywa materia („infuzje”) nie pochodzi z przegotowanych płynów przechowywanych w zamkniętych pojemnikach. Chociaż odkrycia Rediego i Spallanzaniego definitywnie udowodniły, że owady i większe zwierzęta rozwijają się z jaj, dla znacznej większości pozostawało oczywiste, że przynajmniej mikroorganizmy, ze względu na ich wszechobecność, powstają w sposób ciągły z materiału nieorganicznego. Debata na temat tego, czy życie jest spontanicznie generowane z materii nieożywionej czy nie, zakończyła się słynną kontrowersją pomiędzy Louisem Pasteurem i Félixem-Archimède Pouchet (1800-1872), którą Pasteur wygrał triumfalnie. Wykazał on, że nawet mikroorganizmy w płynach pochodzą od zarazków unoszących się w powietrzu, a także udowodnił, że roztwory odżywcze mogą być chronione przed tymi stworzeniami poprzez odpowiednią sterylizację, taką jak filtracja lub gotowanie. Jednak ówcześni naukowcy nie byli usatysfakcjonowani eksperymentami Pasteura, ponieważ pozostawało delikatne pytanie: Jeśli organizmy żywe nie powstają z materii nieożywionej, to jak w ogóle powstało życie?
Pod koniec XIX wieku inną hipotezę zapoczątkował szwedzki chemik Svante Arrhenius (1859-1927). Wierzył on mocno, że cały wszechświat jest uzupełniany żywymi zarodkami, zjawisko, które nazwał „panspermią”. Sugerował, że mikroorganizmy i zarodniki pochodzenia kosmicznego rozprzestrzeniają się z układu słonecznego do układu słonecznego i w ten sposób dotarły na Ziemię. Chociaż pogląd Arrheniusa raczej unika niż rozwiązuje problem pochodzenia życia, i pomimo skrajnie nieprawdopodobnego prawdopodobieństwa, że mikroorganizmy przetrwają międzygwiezdne efekty zimna, próżni i promieniowania, kilku dwudziestowiecznych członków społeczności naukowej powróciło do idei panspermii. Wśród tych naukowców są astronom Fred Hoyle (1915-) i biolog molekularny Francis Crick (1916-), którzy są przekonani, że okres czasu między powstaniem Ziemi a pojawieniem się pierwszych organizmów komórkowych na tej planecie był zbyt krótki, aby życie mogło powstać spontanicznie.
Teoria Darwina „doboru naturalnego jako siły napędowej ewolucji” zaowocowała nowym spojrzeniem na fenomen życia, które jest nadal aktualne. Chociaż Darwin nie zaangażował się w kwestię pochodzenia życia, współcześni naukowcy, tacy jak Thomas Huxley (1825-1895), rozszerzyli jego ideę, twierdząc, że życie może powstać z nieorganicznych związków chemicznych. Kontynuując ten pogląd, Alexander Oparin (1894-1980) był najbardziej wpływowym zwolennikiem sukcesywnego pochodzenia organizmów komórkowych z materii nieożywionej. Podejrzewał, że przejście to nastąpiło w wyniku serii regularnych i postępujących reakcji chemicznych w warunkach fizycznych i chemicznych panujących na wczesnej Ziemi. Wraz z Johnem Scottem Haldane’em (1860-1936) Oparin uznał, że abiologiczna produkcja cząsteczek organicznych w obecnej utleniającej się atmosferze Ziemi jest bardzo mało prawdopodobna. Zamiast tego obaj sugerowali, że początek życia nastąpił w pierwotnie gorących wodach w bardziej redukujących (tj. bogatych w wodór) warunkach. Co więcej, Oparin postulował istnienie przedkomórkowych koakerwatów – globularnych jednostek o błoniastej strukturze powierzchni – które mogą zawierać wysokie stężenia pewnych związków chemicznych. Koakerwaty rzeczywiście tworzą się spontanicznie z koloidalnych roztworów wodnych dwóch lub więcej związków makrocząsteczkowych.
Jednakże wiele podstawowych problemów dotyczących przejścia od materii nieożywionej do żywej pozostało nierozwiązanych. Centralne pytanie dotyczyło roli drugiego prawa termodynamiki, które definiuje równowagę w układzie izolowanym jako stan maksymalnej entropii, co wydaje się przeczyć pochodzeniu i istnieniu wysoko uporządkowanych organizmów żywych. Erwin Schrödinger (1887-1961) udzielił decydującej odpowiedzi na to pytanie, stwierdzając, że „żywa materia unika rozpadu do stanu równowagi” lub śmierci poprzez stałe kompensowanie produkcji entropii. W każdym organizmie osiąga się to poprzez dostarczanie mu darmowej energii lub bogatej w energię materii, która jest wykorzystywana przez maszynerię komórkową do napędzania niezbędnych reakcji chemicznych. Schrödinger i inni zdawali sobie sprawę, że organizmy żywe mogą być termodynamicznie opisane jako systemy otwarte, ale nie potrafili wyjaśnić ogólnych warunków fizycznych dla procesów samoporządkowania. Zostały one dostrzeżone przez Ilję Prigogine (1917-) i Paula Glansdorffa (1904-1999), którzy pracowali nad termodynamiczną teorią procesów nieodwracalnych. Według Prigogine’a, selekcja i ewolucja nie mogą zachodzić w równowagowych lub prawie równowagowych układach reakcyjnych, nawet jeśli obecne są w nich odpowiednie typy substancji. Zamiast tego, pewne kombinacje autokatalitycznych reakcji z procesami transportowymi mogą prowadzić do osobliwych przestrzennych rozkładów partnerów reakcji, zwanych „strukturami dyssypatywnymi”. Te uporządkowane struktury mają znaczenie dla tworzenia się funkcjonalnego porządku w ewolucji życia, szczególnie dla wczesnej morfogenezy. Jednak pierwsze kroki samoorganizacji prawdopodobnie obejmowały niewielką organizację w przestrzeni fizycznej, ale rozległe funkcjonalne uporządkowanie ogromnie złożonej różnorodności związków chemicznych. Manfred Eigen (1927-) wyjaśnił proces porządkowania wśród molekuł poprzez rozszerzenie zasady Prigogina-Glansdorffa o fenomenologiczne rozważania na temat zachowania samoreplikujących się molekuł: Pewna wielkość zbliża się do wartości maksymalnej w każdym systemie otwartym, który replikuje się autokatalitycznie z wystarczającą wiernością, a tym samym nieustannie zużywa energię i materię. Wielkość ta nazywana jest „informacją” i jest ściśle związana z „ujemną entropią” postulowaną przez Schrödingera. Oprócz stworzenia podstaw molekularnej interpretacji informacji biologicznej, Eigen opracował matematyczne modele opisujące „selekcję”. Zgodnie z teorią Eigena, selekcja jest podstawową zasadą naturalną, która wprowadza porządek do każdego przypadkowego układu autokatalitycznie replikujących się gatunków. Z selekcją, informacja jest generowana sukcesywnie, prowadząc do stałej optymalizacji gatunków, które mogą być albo organizmami albo molekułami.
Modele matematyczne opracowane przez Eigena wspierają szczegółową hipotezę pochodzenia życia, która obejmuje wiele, kolejnych kroków przejścia od materii nieorganicznej do żywej. Należy jednak wspomnieć, że niektórzy naukowcy mają teorie na temat powstawania życia, które różnią się od teorii Eigena. Wśród nich jest Stuart Kauffman (1939-), który uważa, że dobór naturalny jest ważny, ale nie jest jedyną zasadą porządkującą świat biologiczny. Zamiast tego uważa on, że spontaniczna samoorganizacja stanowi dominujące źródło naturalnego porządku. Kauffman wykazał, że zestawy powiązanych ze sobą autokatalitycznych reakcji mogą przejść do nowo uporządkowanego (tj. samoorganizującego się) stanu, gdy tylko ich łączność osiągnie pewną wartość progową. Co więcej, Kauffman podkreśla, że zjawisko autokatalizy, które odgrywa główną rolę w jego teorii, nie ogranicza się do kwasów nukleinowych. Dlatego dochodzi on do wniosku, że nawet geny nie były konieczne do powstania życia. W przeciwieństwie do Kauffmana, Eigen odróżnia „przypadkową” autokatalityczną lub samoreplikującą się aktywność, która jest obserwowana dla różnych gatunków molekularnych, od „z natury” samoreplikujących się kwasów nukleinowych. Inherent capability for self-replication, in turn, represents the molecular basis for natural selection according to Eigen’s theory.
Well-defined experiments were invented in order to simulate the principles that were postulated for molecular evolution. Przy pewnych konfiguracjach eksperymentalnych, replikacja i selekcja mogą być przeprowadzone w probówce. Podobnie, warunki chemiczne panujące na pierwotnej Ziemi mogą być naśladowane w laboratorium. Kilku naukowców próbowało eksperymentalnie zweryfikować dwudziestowieczne idee dotyczące biogenezy. Ich eksperymenty są omówione w dalszej części rozdziału.