Planéta Zem bola od svojho vzniku pred 4,6 miliardami rokov nehostinným prostredím. V prvých miliardách rokov sa vyznačovala intenzívnou vulkanickou činnosťou, prívalovými dažďami a silným žiarením, keďže neexistovala ochranná ozónová vrstva. Atmosféra neobsahovala takmer žiadny kyslík a bola nasýtená prudko reaktívnymi molekulami.
Prvé známky života sa podľa novších odhadov objavili už pred približne 4,2 miliardami rokov, čo je len zhruba 200 miliónov rokov po tom, ako sa na Zemi objavila životodarná voda. Predpokladá sa, že všetky žijúce organizmy sú odvodené z jednej primordiálnej bunky, ktorá vznikla pred viac ako 3 miliardami rokov. Formovanie prvých jednoduchých buniek (prokaryotov) prebehlo v období pred 3,5–4 miliardami rokov. Z obdobia pred 3,5–2,5 miliardami rokov, čo zodpovedá archaiku, sú známe najstaršie fosílie prokaryotických organizmov, ako napríklad stromatolity a iné mikroorganizmy. Tieto jednoduché organizmy boli dlhý čas jedinou formou života na planéte. Stromatolity sú vrstvené sedimentárne útvary vytvorené činnosťou siníc a iných mikroorganizmov, ktoré sa usadzovali a mineralizovali. Najstaršie nálezy predstavujú už pomerne zložité mikroskopické bunkové útvary, čo naznačuje, že pôvod života treba hľadať dávno pred samotným obdobím vzniku prvej bunky.
Vlastnosti živého link
Hoci sa jednotlivé druhy od seba značne odlišujú, vyznačujú sa spoločnými základnými vlastnosťami, ktoré definujú život a odlišujú živé organizmy od neživej prírody. Medzi tieto kľúčové vlastnosti patria:
- bunková štruktúra – všetky známe živé organizmy (s výnimkou vírusov) sú zložené z jednej alebo viacerých buniek. Bunka je základnou stavebnou a funkčnou jednotkou života, ktorá je od okolia oddelená plazmatickou membránou.
- komplexné chemické zloženie – telá organizmov tvoria zložité organické molekuly, najmä bielkoviny, sacharidy, lipidy a nukleové kyseliny, čím tvoria zložité nukleoproteínové systémy. Nukleové kyseliny slúžia ako nositelia genetickej informácie, zatiaľ čo bielkoviny plnia dôležité stavebné a regulačné funkcie.
- metabolizmus – živé organizmy sú otvorené sústavy, ktoré z vonkajšieho prostredia neustále prijímajú látky a energiu. Tieto prijaté látky v bunkách chemicky menia za prítomnosti enzýmovej katalýzy, aby získali energiu potrebnú na fungovanie celého systému.
- samoregulácia (homeostáza) – organizmy majú schopnosť udržiavať si stabilné podmienky vnútorného prostredia bez ohľadu na zmeny vo vonkajšom okolí.
- dráždivosť – všetky organizmy dokážu reagovať na podnety z prostredia, napríklad rastliny cielene rastú smerom k zdroju svetla.
- rozmnožovanie a vývin – pre zachovanie druhu je nevyhnutná tvorba nových jedincov (reprodukcia). Organizmy rastú, množia sa a prostredníctvom dedičnosti prenášajú svoje vlastnosti na potomstvo.
- schopnosť evolúcie – živé organizmy interagujú so svojím prostredím a postupne sa prispôsobujú meniacim sa podmienkam, čo vedie k evolučnej adaptácii druhov.
Z chemického hľadiska v živých organizmoch nenájdeme prvky alebo zlúčeniny, ktoré by sa nevyskytovali v neživej prírode alebo by sa nedali pripraviť laboratórne. Rovnako tak fyzikálne deje, ktoré prebiehajú v organizmoch, podliehajú rovnakým zákonom (zákon zachovania hmotnosti a energie, zákony termodynamiky) ako deje v neživej prírode. Živé sústavy tvorí rovnaká hmota ako neživé predmety, avšak s tým rozdielom, že je mimoriadne štruktúrovaná a hierarchicky usporiadaná.
Teórie o vzniku života link
Ľudia si počiatok existencie života na Zemi vysvetľovali rôznymi spôsobmi. V súčasnosti ich môžeme rozdeliť do niekoľkých hlavných hypotéz podľa možnosti ich vedeckého overenia:
Kreacionistická hypotéza link
Podľa tejto predstavy život vznikol zásahom nadprirodzeného tvorcu. Ide o filozofickú a náboženskú teóriu, ktorá sa nedá overiť vedeckými metódami, keďže neumožňuje priame pozorovanie ani experimentálne testovanie.
Hypotéza panspermizmu link
Táto hypotéza predpokladá, že život existuje rozptýlený vo vesmíre a šíri sa prostredníctvom meteoroidov, komét alebo asteroidov. Je čiastočne vedecky testovateľná, napríklad štúdiom extremofilov. Extremofily sú mikroorganizmy, ktoré dokážu prežiť extrémne podmienky (vysoké teploty, radiácia, absolútny nedostatok vody). Takéto organizmy by teoreticky mohli prežiť dlhú cestu vesmírom a „zasiať“ život na vhodnej planéte. Táto teória však nerieši samotný vznik života, len jeho počiatok posúva na iné miesto vo vesmíre.
Hypotéza samoplodenia link
Hypotéza samoplodenia (angl. spontaneous generation) predpokladala, že živé organizmy môžu spontánne vzniknúť z neživej hmoty, napríklad hmyz z hnijúceho mäsa. Jej významným historickým obhajcom bol ARISTOTELES. Táto predstava pretrvala až do 19. storočia, keď LOUIS PASTEUR experimentálne dokázal, že život vzniká iba z existujúceho života, čím hypotézu definitívne vyvrátil.
Hypotéza abiogenézy link
Moderná hypotéza abiogenézy tvrdí, že život vznikol z neživej hmoty prirodzenými chemickými procesmi. Zaoberá sa fázou, keď jednoduché anorganické zlúčeniny reagovali a vytvorili základné organické molekuly, ako sú aminokyseliny a nukleotidy.
V 20. rokoch 20. storočia vyslovili nezávisle na sebe ALEXANDER OPARIN (1894–1980) a JOHN BURDON SANDERSON HALDANE (1892–1964) myšlienku, že ultrafialové žiarenie zo Slnka alebo elektrické výboje reagovali s molekulami pôvodnej atmosféry Zeme, čím vznikli jednoduché organické zlúčeniny ako aminokyseliny, bázy nukleových kyselín a sacharidy. Na rozdiel od nich bol vznik lipidových biologických membrán vo vodnom prostredí v podstate samovoľný.
Abiotická syntéza link
Koacerváty, ktoré sa správajú ako predchodcovia primitívnych buniek, vznikali z koloidných bielkovinových roztokov. Predstavovali otvorené systémy schopné vymieňať si látky s prostredím a je možné ich pripraviť aj experimentálne. Tento proces, známy ako abiotická syntéza, zahŕňa vznik zložitých chemických molekúl výlučne pôsobením fyzikálnych faktorov.
Významným dôkazom tejto hypotézy je Millerov-Ureyho experiment, v ktorom vedci imitovali prehistorické podmienky Zeme. Zo zmesi plynov, ktoré sa vtedy na Zemi nachádzali (CO₂, CH₄, NH₃ a H₂), syntetizovali pôsobením elektrických výbojov dôležité organické molekuly. Vznikol napríklad kyanovodík (HCN) a formaldehyd (HCHO), ale predovšetkým dôležité stavebné látky života – aminokyseliny, cukry, puríny a pyrimidíny, ktoré mali schopnosť spájať sa do polymérov.
Za predpokladaných prebiotických podmienok adenín vzniká kondenzáciou HCN v reakcii katalyzovanej NH₃. Sacharidy sa tvorili polymerizáciou formaldehydu (CH₂O). Všetky tieto molekuly sú kľúčovými zložkami biologických systémov.
Hypotéza chemickej evolúcie link
Chemická evolúcia je nevyhnutným pokračovaním abiogenézy. Kým abiogenéza označuje vznik jednoduchých organických molekúl z anorganických látok, chemická evolúcia zahŕňa ich ďalšiu premenu na zložitejšie štruktúry vedúce k autoreplikujúcim systémom.
Hypotéza chemickej evolúcie predpokladá, že molekuly sa postupne zoskupovali do zložitejších štruktúr (proteíny, lipidy, nukleové kyseliny). Kľúčovým medzikrokom vo vývoji prvých primitívnych buniek mohla byť molekula RNA. Zdroje uvádzajú, že RNA evolučne predchádzala molekule DNA a v prebiotickom období fungovala nielen ako nositeľka informácií, ale mala aj katalytické vlastnosti. Tým mohla riadiť chemické reakcie v rámci takzvaného sveta RNA (angl. RNA world). Až neskôr ju nahradila DNA, ktorá umožnila stabilnejšie uskladnenie genetických informácií.
Aby sa prvé samoreplikujúce sa molekuly RNA ochránili pred okolím a udržali si výhodu pred konkurenciou, museli sa ohraničiť. Predpokladá sa, že amfipatické molekuly (napríklad fosfolipidy) sa vo vodnom prostredí Zeme spontánne zoskupili do dvojvrstvových membrán, čím vytvorili prvé uzavreté vezikuly – primitívne bunky.
Evolúcia bunky a metabolizmu link
Prvé bunky fungovali bez prítomnosti kyslíka, a preto ich hlavným procesom na zisk energie bola primitívna anaeróbna glykolýza. Približne pred 2,7–2,8 miliardami rokov sa vďaka rozvoju fotosyntézy (najmä u siníc) začal v atmosfére hromadiť kyslík. Hoci bol kyslík pre pôvodné organizmy silne toxický, umožnil vznik oveľa efektívnejšieho aeróbneho dýchania.
Eukaryotické bunky, ktoré sú väčšie a majú zložitejšiu vnútornú štruktúru (napríklad pravé jadro a membránové organely), sa vyvinuli z prapôvodných prokaryotických buniek výrazne neskôr. Najstaršie známe eukaryotické bunky sú datované do obdobia proterozoika (starohôr), konkrétne spred 1,8 miliardy rokov, pričom ich celkový vývoj prebehol v období pred 1,5–1,8 miliardami rokov. Kľúčovým medzníkom pri ich vzniku bol proces endosymbiózy, ku ktorému došlo podľa odhadov pred 1–2 miliardami rokov. Hypotéza endosymbiózy predpokladá, že väčšia primitívna anaeróbna bunka pohltila menšiu aeróbnu baktériu. Z tejto pohltenej baktérie sa postupne vyvinula bunková organela – mitochondria, ktorá bunke poskytla schopnosť využívať kyslík na zisk veľkého množstva energie. Podobným pohltením fotosyntetizujúcej sinice (cyanobaktérie) pravdepodobne vznikli chloroplasty, čo bol základ pre vznik rastlín.
