Pôvod života

Ľudia si počiatok existencie života na Zemi vysvetľovali a dodnes vysvetľujú rôzne. Tak, ako v dávnych časoch, keď biológia nerozlišovala medzi mýtom a vedeckými poznatkami, aj dnes po niekoľkých tisícročiach existujú teórie, resp. hypotézy, ktoré by som si dovolil zhrnúť do 3 skupín podľa možnosti ich vedeckého overenia:

  1. "Vznik života na Zemi je dielom Boha/Stvoriteľa."
    Z hľadiska vedeckého bádania sa nejedná o pravú vedeckú hypotézu, pretože neumožňuje otestovať svoju pravdivosť pomocou pozorovania alebo vedeckého experimentu. Je to skôr vec viery a náboženstva.
  2. "Život sa na Zem dostal z kozmu."
    Hypotéza, že život priniesli na Zem mimozemšťania, je rovnako vedecky neoveriteľná a bezcenná ako prvá hypotéza. Na druhej strane, tzv. hypotéza panspermizmu predpokladá, že život existuje rozstrúsený v celom vesmíre, pričom sa v ňom šíri prostredníctvom meteoroidov a asteroidov. Do určitej miery sa jedná o experimentálne testovateľnú hypotézu. Príkladom, že živé organizmy môžu prežiť extrémne fyzikálne podmienky prítomné v medzihviezdnom priestore, by mohli byť extremofily. Všetky extremofily sú prokaryotické organizmy, ktoré sa zaraďujú medzi baktérie alebo archeóny. Niektoré z nich dokážu prežiť extrémne teploty (do 120°C), pH (pod 3 alebo nad 9), nedostatok kyslíka, prítomnosť ťažkých kovov, neprítomnosť vody alebo vysoké dávky radiácie. Tieto by "zakonzervované" v menšom vesmírnom telese teoreticky mohli prežiť aj dlhú cestu, následne dopadnúť na planétu podobnú chemickými a fyzikálnymi podmienkami ako je naša Zem a "zasiať" na nej život. Akokoľvek by mohla byť táto hypotéza pravdivá, nerieši problematiku ako život vznikol, len odsúva riešenie problému na inú planétu.
  3. "Život na Zemi vznikol z neživej hmoty."
    Aristoteles predpokladal, že živé organizmy (plesne, potkany) vznikajú zo špiny procesom samoplodenia (abiogenézy). Keďže nemal k dispozícii mikroskop a nevedel nič o svete mikroorganizmov, táto teória bola definitívne vyvrátená až v 19. storočí, kedy Pasteur dokázal, že aj tie najmenšie mikroorganizmy nevznikajú z ničoho, ale len z existujúcich mikroorganizmov. Z čoho ale vznikli mikroorganizmy? Odpoveďou by mohla byť chemická evolúcia.

Vlastnosti živého

Dnes už ľahko vieme odlíšiť živú hmotu od neživej. Je to preto, že všetko živé má veľa spoločných znakov:

  • schopnosť získavať energiu zo živín pre svoje životné pochody
  • silu aktívne odpovedať na zmeny prostredia
  • možnosť rastu a diferenciácie
  • schopnosť sa reprodukovať

Život však napriek tomu je pomerne ťažké definovať, lebo nie každý organizmus musí mať bezprostredne všetky uvedené črty.

Po chemickej stránke v živých organizmoch nenájdeme prvky alebo zlúčeniny, ktoré by sa nevyskytovali v neživej prírode alebo by sa nedali pripraviť v laboratórnych podmienkach. Chemické reakcie, ktoré prebiehajú v organizmoch a podliehajú zákonom chemických premien, môžu prebiehať aj mimo organizmu (v neživej prírode). Z hľadiska chémie teda nie je žiadny zásadný kvalitatívny rozdiel medzi živou a neživou prírodou.

Rovnako aj fyzikálne deje, ktoré prebiehajú v živých organizmoch, sú známe z neživej prírody. Platí tu zákon zachovania hmotnosti a energie, zákony mechaniky, termiky, zákony o elektrine a pod., čiže všetky fyzikálne zákony. V organizmoch teda neprebiehajú žiadne fyzikálne deje, ktoré by boli špecifické len pre život.

Z toho vyplýva, že podstata živých organizmov, a teda aj podstata života je hmotná (materiálna). Živé sústavy tvorí rovnaká hmota ako je hmota neživých predmetov, v živých organizmoch platia všetky zákony fyziky a chémie rovnako ako v neživej prírode.

Chemická evolúcia

Chemickou evolúciou sa myslí proces vzniku makromolekúl z jednoduchších chemických molekúl a zlúčenín a ich interakcií až po vznik zložitých živých sústav v podobe, ako ich poznáme dnes.

Prvý náznak existencie vody na Zemi v tekutom skupenstve, na ktorú sa vznik živých sústav vzťahuje, datujeme približne do obdobia pred 3,8 mld rokov. Prvé živé organizmy vznikli teda najpravdepodobnejšie v oceáne v okolí tektonických komínov chŕliacich horúcu vodu bohatú na minerály.

Abiotická syntéza

CHARLES DARWIN (1809-1882), tvorca evolučnej teórie, napísal raz svojmu kolegovi nasledovný dopis:

"Často sa hovorí, že všetky podmienky pre vznik života stále existujú, tak ako existovali skôr. Ale keby bolo možné si predstaviť v niektorom teplom jazierku so všetkými zdrojmi dusíka, zlúčeninami fosforu, svetlom, teplom, elektrinou atď. chemický vznik proteínu, schopného ďalších zložitých zmien, potom v súčasnej dobe by takáto vec bola okamžite rozložená alebo absorbovaná, čomu tak nebolo v dobe, kedy živé organizmy neexistovali."

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 (ktorého je v súčasnej dobe väčšina pohlcovaná ozónovou vrstvou), alebo elektrické výboje spôsobené molekulami pôvodnej atmosféry Zeme, reagovali za vzniku jednoduchých organických zlúčenín ako sú aminokyseliny, bázy nukleových kyselín a cukry. Na rozdiel od týchto zlúčenín bol vznik lipidových biologických membrán vo vodnom prostredí v podstate samovoľný.

Že tento proces vzniku zložitých chemických molekúl pôsobením fyzikálnych faktorov, t.j. abiotická syntéza, je možný, dokázali v roku 1953 STANLEY MILLER (1930) a HAROLD UREY (1893-1981), ktorí simulovali pôsobenie elektrických búrok v pôvodnej atmosfére tým, že vystavili zmes H2O, CH4, NH3 a H2 (teda bežné zložky pôvodnej atmosféry) na niekoľko dní elektrickým výbojom. Výsledný roztok obsahoval značné množstvo vo vode rozpustných organických zlúčenín (hlavne aminokyseliny a karboxylové kyseliny) a spolu s nimi veľké množstvo nerozpustného dechtu (polymerizovaný materiál). Bázy nukleových kyselín sa taktiež tvorili za predpokladaných prebiotických podmienok. Adenín vzniká kondenzáciou HCN, hojnej zložky prebiotickej atmosféry, v reakcii katalyzovanej NH3 (sumárny vzorec adenínu je (HCN)5). Ostatné bázy vznikli podobnými reakciami HCN s H2O. Cukry vznikli polymerizáciou formaldehydu (CH2O). Asi preto nie je náhoda, že tieto látky sú základnými zložkami biologických molekúl.

Nukleové kyseliny, bielkoviny alebo lipidy?

Zástancovia teórie o primárnom vzniku RNA vyzdvihujú v procese chemickej evolúcie úlohu RNA. RNA (oproti DNA) môže mať okrem uchovávania genetickej informácie (RNA vírusy) aj funkčnú úlohu (transferové RNA, malé jadrové a jadierkové RNA, interferujúce RNA). Mohli ale kedysi dávno existovať a množiť sa samostatne bez replikačného mechanizmu, aký v súčasnosti existuje? Hoci sa replikácia nukleových kyselín považuje za už pomerne zložitý, a teda dlho vyvíjajúci sa mechanizmus, objav samoreplikujúcich sa molekúl RNA - ribozýmov - vzbudil domnienku o prvotnej existencii RNA. DNA mohla byť neskorším zlepšením v zmysle presnejšieho uchovávania genetickej informácie. Rýchlejšia mutabilita RNA však mohla byť na začiatok prospešnejšia, pretože umožnila rýchlejšiu selekciu a evolúciu takéhoto systému. Neskoršia interakcia RNA s peptidmi (malými bielkovinami) mohla mať za následok spresnenie procesu replikácie a vznik prvých ribozómov, ktorých presnosť a rýchlosť syntézy sa ďalej zlepšovali.

V prospech tejto teórie by mohla byť aj aktivita enzýmu DNA-ligázy. Tento enzým katalyzuje syntézu fosfodiesterových väzieb v reťazci DNA počas replikácie alebo opravy poškodených molekúl DNA. Na svoju činnosť využíva energiu z molekúl ATP (adenozín-trifosfát), ktoré sa používajú na stavbu RNA. Na druhej strane molekula dATP (deoxyadenozín-trifosfát), ktorá tvorí základnú stavebnú jednotku DNA, pôbosí pre enzým DNA-ligázu ako inhibítor. Mohlo by byť toto správanie evolučným pozostatkom z dávneho sveta RNA?

Napriek týmto záverom si nemožno postaviť existenciu živého systému len na prítomnosti RNA. Zástancovia teórie o primárnom vzniku proteínov môžu namietať, že RNA nemá ani zďaleka toľko predpokladov, aby mohla zabezpečiť energiu a "potravu" - skrátka metabolizmus - pre organizmus ako majú proteíny. To znamená, že horoviť len o modeli samoreplikácie "nahých génov" nestačí. Ako však mohli vzniknúť proteíny bez matrice nukleovej kyseliny? Experimenty ukázali, že za určitých podmienok je možné katalyzovať tvorbu aminokyselín z jednoduchých anorganických molekúl za prítomnosti zlúčenín železa a niklu ako katalyzátorov. Tieto podmienky pravdepodobne v blízkosti hydrotermálnych prameňov bohatých na minerály v minulosti existovali. Existencia priónov dokonca naznačuje, že aj u proteínov môže dochádzať k samorozmnožovaniu bez matrice nukleovej kyseliny.

Existujú aj zástancovia teórie o primárnom vzniku lipidov. Lipidy majú vo vodnom prostredí tendenciu zhlukovať sa a vytvárať membránové štruktúry - lipozómy. Tie majú schopnosť rásť a množiť sa. Hoci samotné lipidy nemajú takú informačnú hodnotu ako bielkoviny alebo nukleové kyseliny, membránové štruktúry, ktoré vytvorili, mohli podliehať evolúcii čo sa týka schopnosti prežívania a reprodukcie. Dlhovekejšie membrány mohli dlhšie tvoriť vhodné mikroprostredie pre evolúciu iných molekúl, napr. RNA. Z pohľadu vzniku života sú tak lipidy skôr pomocné makromolekuly, autonómny svet lipidov veľmi pravdepodobne neexistoval.

Prvé živé sústavy a ich evolúcia

Vznik chemických polymérov (bielkovín, nukleových kyselín) a fosfolipidov spontánne tvoriacich vo vodnom prostredí lipidovú dvojvrstvu biomembrán bol počiatkom vzniku bunkových sústav schopných metabolizmu a samoreplikácie. Pôvodná atmosféra ešte neobsahovala kyslík (O2), takže prvé živé organizmy boli celkom určite anaeróbne a pravdepodobne aj termofilné, pretože celkovo bola Zem oveľa teplejšia ako dnes. Bohaté zásoby všadeprítomných organických látok boli zdrojom energie, ktorú tieto prvé organizmy získavali asi procesom fermentácie (kvasenia). Biosyntéza nových bunkových zložiek a aj samotná replikácia organizmov sa tak zrýchľovala a procesom mutácií genetického materiálu začínali prevažovať organizmy s väčšou biosyntetickou kapacitou. Rozvoju veľmi prispeli nové "verzie" enzýmov (čo sú biomolekuly výhradne bielkovinovej povahy), ktoré dokázali katalyzovať chemické reakcie efektívnejším spôsobom.

Organické zložky sa tak z prostredia vyčerpávali oveľa rýchlejšie, ako bolo možné abiotickou syntézou "vyrobiť" nové. V tomto smere sa považuje za kľúčový krok vznik chemických molekúl - porfyrínov schopných prenosu elektrónov. Tie mohli zabezpečiť novú vlastnosť - anaeróbnu respiráciu (umožňujúcu spracovať aj nefermentovateľné zdroje energie) a v ďalšom kroku aj vznik chlorofylov (bakteriochlorofyl).

Prvá bakteriálna fotosyntéza bola anoxygénna. V tomto prípade je donorom elektrónov vodík, síra alebo organické kyseliny (napr. aminokyseliny).

Oxygénna fotosyntéza sa vyvinula približne pred 3 mld rokov u skupiny cyanobaktérií (sinice), ktoré prežívajú dodnes. Sinice zásadným spôsobom zmenili evolúciu Zeme a ovplyvňujú život na Zemi až doteraz. Pri oxygénnej fotosyntéze je donorom elektrónov voda, ktorá sa oxiduje na molekulový kyslík (O2). Ten spočiatku oxidoval železo prítomné v moriach, čím vznikli zásoby železnej rudy. Neskôr ako plyn začal unikať do atmosféry.

Kyslík v atmosfére zároveň dal za vznik ozónu (O3). Tým sa výrazne redukoval dopad krátkovlnného ultrafialového žiarenia na zemský povrch. Prítomnosť kyslíka mal však taktiež za dôsledok vyhynutie mnohých anaeróbov, pretože na nich pôsobí ako jed. S tým však prichádza nová éra života v podobe prokaryotických aeróbov, eukaryotických organizmov a relatívne krátko na to osídľujú Zem mnohobunkové organizmy, ktoré sa neskôr vyvinuli do podoby vodných a suchozemských živočíchov a rastlín.