Panspermia
Ipoteze și teorii privind originea vieții
Postura tradițională a teologiei și a unor filozofii consideră că originea vieții este rezultatul unui eveniment supranatural care se află permanent dincolo de puterile descriptive ale chimiei și fizicii. În forma sa cea mai generală, acest punct de vedere nu este neapărat în contradicție cu cunoștințele științifice contemporane despre evoluția prebiotică, deși descrierile biblice ale creației date în primele două capitole ale Genezei, luate literal și nu metaforic, nu sunt în concordanță cu cunoștințele moderne.
Până la mijlocul secolului al XVII-lea, opinia dominantă era că Dumnezeu a creat omul împreună cu animalele și plantele superioare, dar că formele simple de viață, cum ar fi viermii și insectele, apar în mod constant din noroi, deșeuri și materie putrezită în perioade scurte de timp. Fiziologul William Harvey (1578-1657), care a studiat reproducerea și dezvoltarea căprioarelor, a fost primul care a contestat acest punct de vedere, postulând că fiecare animal provine dintr-un ou („omnia viva ex ovo”), cu mult timp înainte ca Karl-Ernst von Baer (1792-1876) să descopere prin microscopie existența ovocitelor umane. Un om de știință italian, Francesco Redi (1626-1698), a constatat că ideea lui Harvey este adevărată, cel puțin în cazul insectelor; el a descoperit că viermii din carne provin din ouă de muște. Mai târziu, Lazzaro Spallanzani (1729-1799) a descoperit că spermatozoizii sunt necesari pentru reproducerea mamiferelor. Înaintea lui Pasteur, Spallanzani a demonstrat, de asemenea, că materia vie („infuzorii”) nu provine din fluidele fierte păstrate în recipiente închise. Deși descoperirile lui Redi și Spallanzani au dovedit definitiv că insectele și animalele mai mari se dezvoltă din ouă, a rămas evident pentru marea majoritate că cel puțin microorganismele, din cauza ubicuității lor, sunt generate în mod continuu din materie anorganică. Dezbaterea dacă viața este sau nu generată în mod spontan din materie nevie a culminat cu celebra controversă dintre Louis Pasteur și Félix-Archimède Pouchet (1800-1872), pe care Pasteur a câștigat-o în mod triumfător. El a demonstrat că până și microorganismele din lichide provin din germeni care plutesc în aer și a demonstrat, de asemenea, că soluțiile nutritive pot fi protejate împotriva acestor creaturi printr-o sterilizare adecvată, cum ar fi filtrarea sau fierberea. Cu toate acestea, oamenii de știință contemporani nu au fost mulțumiți de experimentele lui Pasteur, deoarece a rămas o întrebare delicată: Dacă organismele vii nu se nasc din materie non-vie, cum a apărut viața?
La sfârșitul secolului al XIX-lea, o altă ipoteză a fost inițiată de chimistul suedez Svante Arrhenius (1859-1927). El credea cu tărie că întregul univers se reaprovizionează cu germeni vii, un fenomen pe care l-a numit „panspermie”. El a sugerat că microorganismele și sporii de origine cosmică s-au răspândit din sistem solar în sistem solar și astfel au ajuns pe Pământ. Deși punctul de vedere al lui Arrhenius evită mai degrabă decât rezolvă problema originii vieții și în ciuda faptului că este extrem de improbabil ca microorganismele să supraviețuiască efectelor interstelare ale frigului, vidului și radiațiilor, câțiva membri ai comunității științifice din secolul al XX-lea au revenit la ideea panspermiei. Printre acești oameni de știință se numără astronomul Fred Hoyle (1915-) și biologul molecular Francis Crick (1916-), care sunt convinși că intervalul de timp dintre originea Pământului și apariția primelor organisme celulare pe această planetă a fost prea scurt pentru ca viața să fi apărut în mod spontan.
Teoria lui Darwin despre „selecția naturală ca forță motrice a evoluției” a dus la o nouă viziune asupra fenomenului vieții, care este încă valabilă. Deși Darwin nu s-a angajat asupra originii vieții, oamenii de știință contemporani, cum ar fi Thomas Huxley (1825-1895), i-au extins ideea, afirmând că viața ar putea fi generată din substanțe chimice anorganice. Urmărind această opinie, Alexander Oparin (1894-1980) a fost cel mai influent susținător al originii succesive a organismelor celulare din materia lipsită de viață. El bănuia că această tranziție a avut loc printr-o serie de reacții chimice regulate și progresive în condițiile fizice și chimice de pe Pământul timpuriu. Împreună cu John Scott Haldane (1860-1936), Oparin a recunoscut că producția abiologică de molecule organice în actuala atmosferă oxidantă a Pământului este foarte puțin probabilă. În schimb, amândoi au sugerat că începutul vieții a avut loc în apele calde primordiale în condiții mai reducătoare (adică bogate în hidrogen). Mai mult, Oparin a postulat existența unor coacervate precelulare – unități globulare cu structuri de suprafață asemănătoare unei membrane – care ar putea avea concentrații ridicate de anumiți compuși chimici. Într-adevăr, coacervatele se formează spontan din soluții apoase coloidale de doi sau mai mulți compuși macromoleculari.
Cu toate acestea, multe probleme fundamentale privind tranziția de la materia nevie la cea vie au rămas nerezolvate. Întrebarea centrală se referea la rolul celei de-a doua legi a termodinamicii, care definește echilibrul într-un sistem izolat ca fiind o stare de entropie maximă care pare să contrazică originea și existența organismelor vii foarte bine ordonate. Erwin Schrödinger (1887-1961) a dat un răspuns decisiv la această întrebare, afirmând că „materia vie evită decăderea spre echilibru” sau moartea prin compensarea constantă a producției de entropie. În orice organism, acest lucru se realizează prin alimentarea acestuia cu energie liberă sau cu materie bogată în energie, care este utilizată de mașinăria celulară pentru a conduce reacțiile chimice esențiale. Schrödinger și alții și-au dat seama, de asemenea, că organismele vii pot fi descrise din punct de vedere termodinamic ca sisteme deschise, dar nu au putut explica condițiile fizice generale pentru procesele de autoordonare. Acestea au fost percepute de Ilja Prigogine (1917-) și Paul Glansdorff (1904-1999), care au lucrat la o teorie termodinamică a proceselor ireversibile. Potrivit lui Prigogine, selecția și evoluția nu pot avea loc în sisteme de reacție echilibrate sau aproape echilibrate, chiar dacă sunt prezente tipurile potrivite de substanțe. În schimb, anumite combinații de reacții autocatalitice cu procese de transport pot duce la distribuții spațiale deosebite ale partenerilor de reacție, numite „structuri disipative”. Aceste structuri ordonate sunt importante pentru formarea ordinii funcționale în evoluția vieții, în special pentru morfogeneza timpurie. Cu toate acestea, primii pași ai autoorganizării au implicat probabil puțină organizare în spațiul fizic, dar o amplă ordonare funcțională a unei varietăți extrem de complexe de compuși chimici. Manfred Eigen (1927-) a explicat procesul de ordonare între molecule prin creșterea principiului Prigogine-Glansdorff cu considerații fenomenologice privind comportamentul moleculelor autoreplicante: O anumită cantitate se apropie de o valoare maximă în orice sistem deschis care se replică autocatalitic cu suficientă fidelitate, consumând astfel în mod continuu energie și materie. Această cantitate se numește „informație” și este strâns legată de „entropia negativă” postulată de Schrödinger. Pe lângă faptul că a pregătit terenul pentru o interpretare moleculară a informației biologice, Eigen a dezvoltat modele matematice pentru a descrie „selecția”. Conform teoriei lui Eigen, selecția este principiul natural fundamental care aduce ordine în orice aranjament aleatoriu de specii care se replică autocatalitic. Prin selecție, informația este generată succesiv, conducând la o optimizare constantă a speciilor, care pot fi fie organisme, fie molecule.
Modelele matematice dezvoltate de Eigen susțin o ipoteză detaliată a originii vieții, care cuprinde mai multe etape succesive pentru trecerea de la materia anorganică la cea vie. Cu toate acestea, trebuie menționat că unii oameni de știință au teorii privind apariția vieții care diferă de teoria lui Eigen. Printre aceștia se numără Stuart Kauffman (1939-), care consideră că selecția naturală este importantă, dar nu este singurul principiu ordonator al lumii biologice. În schimb, el consideră că autoorganizarea spontană reprezintă sursa predominantă a ordinii naturale. Kauffman a demonstrat că seturile de reacții autocatalitice interconectate pot suferi o tranziție către o nouă stare ordonată (adică autoorganizată) de îndată ce conectivitatea lor atinge o anumită valoare de prag. Mai mult, Kauffman subliniază că fenomenul de autocataliză, care joacă rolul central în teoria sa, nu se limitează la acizii nucleici. Prin urmare, el concluzionează că nici măcar genele nu au fost necesare pentru originea vieții. Spre deosebire de Kauffman, Eigen distinge activitatea autocatalitică sau de autoreplicare „aleatorie”, care este observată pentru o varietate de specii moleculare, de acizii nucleici autoreplicanți „în mod inerent”. Capacitatea inerentă de autoreplicare, la rândul ei, reprezintă baza moleculară a selecției naturale, conform teoriei lui Eigen.
Experimente bine definite au fost inventate pentru a simula principiile care au fost postulate pentru evoluția moleculară. Cu anumite setări experimentale, replicarea și selecția pot fi realizate într-o eprubetă. În mod similar, condițiile chimice de pe Pământul primordial pot fi imitate în laborator. Mai mulți oameni de știință au încercat să verifice experimental ideile din secolul al XX-lea privind biogeneza. Experimentele lor sunt discutate în secțiunea următoare.
.