Prekambrijské stromatolity v souvrství Siyeh, národní park Glacier. V roce 2002 publikoval William Schopf z UCLA kontroverzní práci ve vědeckém časopise Nature, ve které tvrdil, že geologické útvary, jako je tento, mají 3,5 miliardy let staré zkamenělé řasové mikroby. Pokud by to byla pravda, byly by nejstarším známým životem na Zemi.
Výzkum původu života je omezeným polem výzkumu i přes jeho hluboký vliv na biologii a lidské chápání přírodního světa. Pokrok v této oblasti je obecně pomalý a sporadický, i když stále přitahuje pozornost mnoha lidí kvůli závažnosti zkoumané otázky.
Několik faktů umožňuje nahlédnout do podmínek, v nichž mohl život vzniknout, ale mechanismy, jimiž se z neživota stal život, jsou stále nepolapitelné.
O pozorovaném vývoji života na zemi se podívejte na časovou osu života.
Hlavní článek: Abiogeneze
Výzkum vzniku života je moderním vtělením starověkého konceptu abiogeneze. Abiogeneze je ve svém nejobecnějším smyslu vznik života z neživé hmoty. Tento termín se používá především v kontextu biologie a vzniku života. Abiogeneze byla dlouho považována za velmi častý jev, dokud se v moderní biologii díky práci Louise Pasteura pevně neprosadil zákon biogeneze (omne vivum ex ovo neboli „všechen život z vajíčka“).
Charles Darwin v dopise J.D. Hookerovi z 1. února 1871 naznačil, že život mohl začít v „teplém malém rybníčku, kde jsou přítomny všechny druhy amoniaku a fosforečných solí, světla, teplo, elektřina atd., že chemicky vznikla bílkovinná sloučenina připravená podstoupit ještě složitější změny, v současnosti by taková hmota byla okamžitě pozřena nebo absorbována, což by před vznikem živých tvorů neplatilo.“ Je to tedy samotná přítomnost života, působícího v atmosféře bohaté na kyslík, sama o sobě produktem života, která brání tomu, aby dnes na Zemi docházelo k „samovolnému generování“.
Tato moderní definice abiogeneze se zabývá vznikem nejjednodušších forem života z prvotních chemikálií v prostředí považovaném za podobné tomu v době krátce po vzniku Země. To je výrazně odlišné od konceptu Aristotelovy abiogeneze, který postuloval vznik složitých organismů. Tento článek shrnuje různé hypotézy moderních abiogenetických procesů, které jsou v současné době diskutovány.
Nedávno studii o původu života oživil ruský biochemik Alexandr Ivanovič Oparin ve své knize z roku 1936 nazvané „Původ života na Zemi“. Oparin odmítl teorii panspermie, podle níž byl život vyséván z vesmíru, a kritizoval Pasteurovu nevyvratitelnost spontánní abiogenisis tím, že prokázal, že to byla přítomnost atmosférického kyslíku a dalších sofistikovanějších forem života, co zabránilo řetězu událostí, který by vedl k vývoji života. Oparin tvrdil, že „pravěká polévka“ organických molekul by mohla být vytvořena v atmosféře bez kyslíku, a to prostřednictvím neomezené energie slunečního světla. Ty navrhoval kombinovat složitějším způsobem, až jsou rozpuštěny do kocervátové kapičky. Ty, jak navrhoval, „rostou“ fúzí s jinými kapičkami a „množí se“ štěpením do dceřiných kapiček, a tak mají primitivní metabolismus – v němž přežívají ty faktory, které podporují „celistvost buněk“, a ty, které nevyhynou. Všechny moderní teorie o vzniku života berou Oparinovy myšlenky jako východisko.
Současné modely vzniku života
Neexistuje žádný skutečně „standardní“ model vzniku života, nicméně většina v současnosti uznávaných modelů staví tak či onak na řadě objevů týkajících se vzniku molekulárních a buněčných složek pro život, které jsou uvedeny v hrubém pořadí předpokládaného vzniku:
Původ (viz Původ organických molekul) základních biomolekul sice není ustálený, ale je méně kontroverzní než význam a pořadí kroků 2 a 3. Základními anorganickými chemickými látkami, z nichž vznikl život, jsou metan (CH4), amoniak (NH3), voda (H2O), sirovodík (H2S), oxid uhličitý (CO2) a fosfát (PO43-). Od roku 2004 ještě nikdo nevytvořil „protobuňku“ za použití základních složek, které mají potřebné vlastnosti života (tzv. „přístup zdola nahoru“). Bez takového důkazu principu bývá vysvětlení spíše krátké na specifika. Někteří výzkumníci však v této oblasti pracují, zejména Jack Szostak z Harvardu. Jiní argumentují, že „přístup shora dolů“ je schůdnější. Jeden takový přístup, o který se pokoušel Craig Venter a další z Institutu pro genomický výzkum, zahrnoval inženýrství stávajících prokaryotických buněk s postupně menším počtem genů, pokoušejících se rozpoznat, ve kterém okamžiku bylo dosaženo nejnepatrnějších požadavků na život. Biolog John Desmond Bernal při vytváření termínu Biopoesis pro tento proces naznačil, že existuje řada jasně definovaných „stadií“, která by mohla být rozpoznána při vysvětlování původu života.
Fáze 1: Původ biologických monomerů
Fáze 2: Původ biologických polymerů
Fáze 3: Vývoj od molekul k buňce
Bernal naznačil, že darwinovská evoluce mohla začít brzy, někdy mezi 1. a 2. fází.
Millerův-Ureyův experiment se pokouší v laboratoři znovu vytvořit chemické podmínky primitivní Země a syntetizovat některé stavební kameny života.
„Millerovy experimenty“ (včetně původního Millerova-Ureyho experimentu z roku 1953, který provedli Harold Urey a jeho postgraduální student Stanley Miller) jsou prováděny za simulovaných podmínek, které se podobají těm, o nichž se tehdy myslelo, že existovaly krátce poté, co se Země poprvé akreditovala z prvotní sluneční mlhoviny. Experiment používal vysoce redukovanou směs plynů (metan, amoniak a vodík). Je však třeba poznamenat, že složení prebiotické atmosféry Země je v současné době kontroverzní. Jiné méně redukující plyny produkují nižší výtěžnost a rozmanitost. Kdysi se myslelo, že v prebiotické atmosféře je přítomno znatelné množství molekulárního kyslíku, což by v podstatě zabránilo tvorbě organických molekul; současný vědecký konsenzus však říká, že tomu tak nebylo.
Experiment ukázal, že některé ze základních organických monomerů (například aminokyseliny), které tvoří polymerní stavební kameny moderního života, mohou vznikat spontánně. Jednoduché organické molekuly mají samozřejmě daleko k plně funkční sebereplikující se formě života; nicméně v prostředí bez předchozího života se tyto molekuly mohly nahromadit a poskytnout bohaté prostředí pro chemickou evoluci („teorie polévky“). Na druhou stranu spontánní tvorba komplexních polymerů z abioticky generovaných monomerů za těchto podmínek není vůbec přímočarý proces. Kromě nezbytných základních organických monomerů se během experimentů ve vysoké koncentraci tvořily také sloučeniny, které by tvorbu polymerů zakazovaly. Dále podle Brookse a Shawa (1973) neexistuje v geologických záznamech žádný důkaz, že by nějaká polévka existovala.
Lze tvrdit, že nejzásadnější výzvou, na kterou tato teorie neodpovídá, je to, jak relativně jednoduché organické stavební bloky polymerují a vytvářejí složitější struktury, vzájemně se konzistentně ovlivňují a vytvářejí protobuňku. Například ve vodném prostředí by se upřednostňovala hydrolýza oligomerů/polymerů na jejich základní monomery před kondenzací jednotlivých monomerů na polymery. Millerův experiment také produkuje mnoho látek, které by prošly zkříženou reakcí s aminokyselinami nebo ukončily peptidový řetězec.
Počátkem sedmdesátých let zorganizoval tým vědců shromážděných kolem Manfreda Eigena z Institutu Maxe Plancka velký útok na problém vzniku života. Pokusili se prozkoumat přechodná stádia mezi molekulárním chaosem v prebiotické polévce a přechodná stádia samoreplikujícího se hypercyklu, mezi molekulárním chaosem v prebiotické polévce a jednoduchými makromolekulárními systémy samoreprodukce.
V hypercyklu produkuje systém ukládání informací (případně RNA) enzym, který napomáhá katalyzovat tvorbu jiného informačního systému, v pořadí až do součinu posledních pomůcek při tvorbě prvního informačního systému. Matematicky ošetřené hypercykly by mohly vytvářet kvazispecie, které přirozeným výběrem vstoupily do formy darwinovské evoluce. Posílem teorie hypercyklů byl objev, že RNA se za určitých okolností formuje do ribozymů, formy RNA enzymu.
Nejnovější modifikaci hypotézy železo-síra poskytli William Martin a Michael Russell v roce 2002. Podle jejich scénáře se první buněčné formy života mohly vyvinout uvnitř takzvaných černých kuřáků v zónách šíření na mořském dně v hlubokém moři. Tyto struktury se skládají z mikroskopických jeskyní, které jsou pokryty tenkými membránovými stěnami z kovového sulfidu. Proto by tyto struktury vyřešily několik kritických bodů „čistých“ systémů Wächtershäuser najednou:
Tento model lokalizuje „posledního univerzálního společného předka“ (LUCA) uvnitř černého kuřáka, spíše než aby předpokládal existenci volně žijící formy LUCA. Posledním evolučním krokem by byla syntéza lipidové membrány, která konečně umožní organismům opustit mikrokavernový systém černých kuřáků a začít svůj nezávislý život. Tento předpokládaný pozdní přírůstek lipidů je v souladu s přítomností zcela odlišných typů membránových lipidů u archebakterií a eubakterií (plus eukaryot) s velmi podobnou buněčnou fyziologií všech forem života ve většině ostatních aspektů.
Další nevyřešenou otázkou v chemické evoluci je původ homochirality, tj. všech monomerů majících stejnou „handednost“ (aminokyseliny jsou levoruké a cukry nukleových kyselin jsou praváci). Homochiralita je nezbytná pro tvorbu funkčních ribozymů (a pravděpodobně také proteinů). Původ homochirality by mohl být jednoduše vysvětlen počáteční asymetrií náhodou následovanou společným sestupem. Práce provedená v roce 2003 vědci z Purdue identifikovala aminokyselinu serin jako pravděpodobnou hlavní příčinu homochirality organických molekul. Serin vytváří obzvláště silné vazby s aminokyselinami stejné chirality, což vede ke shluku osmi molekul, které musí být všechny pravoruké nebo levoruké. Tato vlastnost stojí v kontrastu s ostatními aminokyselinami, které jsou schopny vytvářet slabé vazby s aminokyselinami opačné chirality. Ačkoli záhada, proč se levotočivý serin stal dominantním, stále není vyřešena, tento výsledek naznačuje odpověď na otázku chirálního přenosu: jak si organické molekuly jedné chirality udrží dominanci, jakmile je zjištěna asymetrie.
Od organických molekul k protobuňkám
Otázka „Jak jednoduché organické molekuly tvoří protobuňku?“ je z velké části nezodpovězena. Existuje však mnoho různých hypotéz týkajících se cesty, kterou se mohli vydat. Některé z nich předpokládají raný výskyt nukleových kyselin („geny-první“), zatímco jiné předpokládají vývoj biochemických reakcí a cest jako první („metabolismus-první“). V poslední době se objevují trendy k vytváření hybridních modelů, které kombinují aspekty obou.
Modely „Geny na prvním místě“: svět RNA
Hlavní článek: Hypotéza světa RNA
Hypotéza světa RNA například naznačuje, že se mohly spontánně vytvořit relativně krátké molekuly RNA, které by byly schopny katalyzovat svou vlastní pokračující replikaci. Ačkoli spontánní tvorba RNA byla naznačena jako extrémně nepravděpodobná, existují různé teorie o možných způsobech její tvorby. Brzké buněčné membrány se mohly spontánně vytvořit z proteinoidů, proteinům podobných molekul, které vznikají při zahřívání roztoků aminokyselin. Další možnosti zahrnují systémy chemických reakcí probíhajících uvnitř hliněných substrátů nebo na povrchu pyritových hornin. V této době však mají tyto různé hypotézy neúplné důkazy, které je podporují. Mnohé z nich lze simulovat a testovat v laboratoři, ale nedostatek nenarušené sedimentární horniny z tohoto raného období historie Země ponechává jen málo příležitostí určit, co se ve skutečnosti mohlo stát. V této době však tento předpoklad nepotvrdil žádný prebioticky přijatelný experiment. Dále nedávné experimenty naznačují, že původní odhady velikosti molekuly RNA schopné sebereplikace byly s největší pravděpodobností obrovskými podceněními. Horší je, že samotná RNA se nejeví jako prebioticky věrohodná molekula; proto modernější formy teorie RNA World navrhují, že jednodušší molekula byla schopna sebereplikace (že jiný „Svět“ se pak časem vyvinul, aby vytvořil svět RNA).
Modely „Metabolismus na prvním místě“: železo-sírový svět a další
Několik modelů odmítá myšlenku sebereplikace „nahého genu“ a postuluje vznik primitivního metabolismu, který by mohl poskytnout prostředí pro pozdější vznik replikace RNA. Jedna z prvních inkarnací této myšlenky byla předložena v roce 1924 s představou Alexandra Oparina o primitivních samoreplikujících se váčcích, která předcházela objevu struktury DNA. Novější varianty v 80. a 90. letech zahrnují teorii železa a síry Güntera Wächtershäusera a modely zavedené Christianem de Duvem založené na chemii thioesterů. Mezi abstraktnější a teoretické argumenty pro věrohodnost vzniku metabolismu bez přítomnosti genů patří matematický model zavedený Freemanem Dysonem počátkem 80. let a koncept kolektivně autokatalytických množin Stuarta Kauffmana, diskutovaný později v tomto desetiletí.
Myšlenka, že by se uzavřený metabolický cyklus, jako je redukční cyklus kyseliny citronové navržený Günterem Wächtershäuserem, mohl vytvořit spontánně, však zůstává nepodložená. Dále, podle Leslieho Orgela, lídra ve studiích původu života za posledních několik desetiletí, je důvod se domnívat, že toto tvrzení tak zůstane. V článku nazvaném „Self-Organizing Biochemical Cycles“ (PNAS, sv. 97, č. 23, 7. listopadu 2000, p12503-12507) Orgel shrnuje svou analýzu návrhu slovy: „V současné době není důvod očekávat, že by se vícekrokové cykly, jako je redukční cyklus kyseliny citronové, samoorganizovaly na povrchu FeS/FeS2 nebo nějakého jiného minerálu.“
Vlny lámající se na břehu vytvářejí jemnou pěnu složenou z bublin. Vítr ženoucí se přes oceán má tendenci hnát věci ke břehu, podobně jako naplavené dřevo sbírající se na pláži. Je možné, že organické molekuly byly koncentrovány na pobřeží v podstatě stejným způsobem. Mělké pobřežní vody mají také tendenci být teplejší a dále koncentrovat molekuly odpařováním. Zatímco bubliny tvořené převážně vodou rychle praskají, olejovité bubliny jsou náhodou mnohem stabilnější a propůjčují konkrétní bublině více času k provedení těchto zásadních experimentů.
Fosfolipid je dobrým příkladem olejnaté sloučeniny, o které se předpokládá, že byla rozšířena v prebiotických mořích. Protože fosfolipidy obsahují na jednom konci hydrofilní hlavu a na druhém hydrofobní ocas, mají tendenci samovolně vytvářet ve vodě lipidové membrány. Lipidová jednovrstvá bublina může obsahovat pouze olej, a proto není vhodná pro přechovávání ve vodě rozpustných organických molekul. Na druhé straně lipidová dvouvrstvá bublina může obsahovat vodu a byla pravděpodobným předchůdcem moderní buněčné membrány. Pokud se objevila bílkovina, která zvýšila integritu své mateřské bubliny, pak měla tato bublina výhodu a byla umístěna na vrcholu pořadníku přirozeného výběru. Primitivní reprodukci si lze představit, když bubliny prasknou a výsledky experimentu se uvolní do okolního média. Jakmile se do média uvolní dostatek ‚správné látky‘, mohlo by se dosáhnout vývoje prvních prokaryot, eukaryot a mnohobuněčných organismů. Tato teorie je rozvedena v knize „Buňka: Evoluce prvního organismu“ od Josepha Panna Ph.D.
Podobně se za správných podmínek spontánně vytvoří bubliny tvořené výhradně z molekul podobných bílkovinám, zvaných mikrosféry. Nejsou však pravděpodobným předchůdcem moderní buněčné membrány, protože buněčné membrány se skládají především z lipidových sloučenin spíše než ze sloučenin aminokyselin.
Rostoucí uvědomění si nedostatečnosti buď čistě „genes-first“ nebo „metabolismus-first“ modelů vede trend k modelům, které zahrnují aspekty každého z nich.
Hliněná teorie o vzniku života
Hypotézu o původu života založenou na hlíně předložil Dr. A. Graham Cairns-Smith z University of Glasgow v roce 1985 a přijal ji jako věrohodnou ilustraci jen hrstka dalších vědců (včetně Richarda Dawkinse). Clayova teorie postuluje komplexní organické molekuly vznikající postupně na již existující, neekologické replikační platformě – křemičitanových krystalech v roztoku. Složitost v doprovodných molekulách vyvinutých jako funkce selekčních tlaků na typy jílových krystalů je pak exaptována tak, aby sloužila replikaci organických molekul nezávisle na jejich křemičitanové „startovací fázi“.
Cairns-Smith je zarytým kritikem jiných modelů chemické evoluce (viz Genetic Takeover: And the Mineral Origins of Life ISBN 0-52123-312-7). Nicméně připouští, že stejně jako mnoho jiných modelů vzniku života, i ten jeho má své nedostatky (Horgan 1991). Je to skutečně „život ze skály“.
„Deep-hot biosféra“ model Gold
Model Ecopoesis navrhuje, že geochemické cykly biogenních prvků, řízené ranou atmosférou bohatou na kyslík, byly základem planetárního metabolismu, který předcházel a podmiňoval postupný vývoj života organismů.
„Primitivní“ mimozemský život
Alternativou k pozemské abiogenezi je hypotéza, že primitivní život mohl původně vzniknout mimozemsky (všimněte si, že exogeneze s tím souvisí, ale není stejná jako pojem panspermie). Organické sloučeniny jsou ve vesmíru poměrně běžné, zejména ve vnější sluneční soustavě, kde se těkavé látky nevypařují slunečním ohřevem. Komety jsou obaleny vnějšími vrstvami tmavého materiálu, který je považován za látku podobnou dehtu složenou ze složitého organického materiálu vytvořeného z jednoduchých uhlíkatých sloučenin po reakcích iniciovaných většinou ozářením ultrafialovým světlem. Předpokládá se, že déšť kometárního materiálu na rané Zemi mohl přinést značné množství složitých organických molekul a že je možné, že primitivní život sám mohl vzniknout ve vesmíru byl vynesen na povrch spolu s ním. Související hypotéza tvrdí, že život se mohl vytvořit nejdříve na raném Marsu, a byl přenesen na Zemi, když byl kůrový materiál odpálen z Marsu asteroidem a dopady komet, aby později spadl na zemský povrch. Pro obě tyto hypotézy je ještě obtížnější najít důkazy a může se stát, že budou muset počkat na vzorky, které budou odebrány z komet a Marsu ke studiu, a ani jedna z nich vlastně neodpovídá na otázku, jak život poprvé vznikl, pouze ho přesunul na jinou planetu/kometu. Nicméně tato hypotéza ohromně rozšiřuje pole podmínek, za kterých mohl vzniknout život, od raných pozemských přijatelných podmínek až po doslova jakékoliv podmínky ve vesmíru.
Anatomie – Astrobiologie – Biochemie – Bioinformatika – Botanika – Buněčná biologie – Ekologie – Vývojová biologie – Evoluční biologie – Genetika – Genomika – Mořská biologie – Biobiologie člověka – Mikrobiologie – Molekulární biologie – Původ života – Paleontologie – Parazitologie – Patologie – Fyziologie – Taxonomie – Zoologie