Gyvybės Žemėje kilmė yra sudėtinga ir vis dar neišspręsta mokslinė problema. Yra daug idėjų ir hipotezių, tačiau palyginti nedaug tvirto tiesioginio įrodymo, todėl diskusijos ir tyrimai tęsiasi.

Kas žinoma ir laiko skalė

Dauguma ekspertų sutinka, kad visa šiandieninė gyvybė išsivystė bendros kilmės būdu iš vienos (ar kelių artimų) primityvių gyvybės formų. Nors tiksli pradžia neaiški, geologiniai ir izotopiniai duomenys rodo, kad gyvybės požymiai galėjo atsirasti jau prieš maždaug 3,9–3,5 milijardo metų. Tai reiškia, kad gyvybės kilmė įvyko ankstyvoje Žemės istorijoje ir atitinka natūralizmo principą — mokslas siekia paaiškinti procesus natūraliais mechanizmais.

Abiogenezė: pagrindinė idėja

Abiogenezė — tai hipotezė, kad gyvybė kilo iš negyvosios materijos per laipsniškus cheminių reakcijų ir saviorganizacijos etapus. Pagal šią idėją prieš atsirandant gyvybei turėjo vykti cheminių pokyčių procesas, kuris sukūrė sudėtingesnes molekules ir tinkamas fiziokemines sąlygas gyvybės pradžiai. Dalis ankstyvųjų idėjų apie tai priklauso tokiems mokslininkams kaip Aleksandras Oparinas (Alexander Oparin) ir vėliau populiarintoms eksperimentais (pvz., Miller–Urey tipo tyrimai).

Pagrindinės hipotezės: kas buvo pirmiau — genetika ar medžiagų apykaita?

Nežinoma, ar pirmiau atsirado medžiagų apykaita, ar genetika. Išskiriamos dvi plačios kryptys:

  • RNR pasaulio hipotezė — teigia, kad pirmieji informacijos nešėjai ir tuo pačiu katalizatoriai buvo RNR molekulės. Pagal šią idėją RNR galėjo tiek saugoti informaciją, tiek katalizuoti cheminių reakcijų vykimą (ribozimai), tad ji vienu metu atlieka ir genetinę, ir funkcijinę rolę. RNR pasaulio hipotezė paaiškina, kodėl ribosoma — gyvų organizmų baltymų sintezės mechanizmas — yra iš esmės RNR pagrindu, nes rRNR katalizuoja peptidinių ryšių susidarymą.
  • Baltymų (metabolizmo) pirmumo hipotezė — teigia, kad pirmoji atsirado medžiagų apykaita: mažos organinės reakcijų grandinės ir kataliziniai ciklai, galintys savarankiškai palaikyti energetiką ir sintezę. Tai apima idėjas apie „paviršinius“ katalizatorius (pvz., mineralus ar geležies-sieros kompleksus) ir autocatalytic ciklus, kurie vėliau galėjo tapti pagrindu genetinei kontrolei.

Argumentai ir eksperimentiniai duomenys

Abi krytis turi palaikymą eksperimentuose ir teorijose:

  • Miller–Urey tipo eksperimentai (ir jų šiuolaikinės versijos) parodė, kad paprastos neorganinės atmosferos sąlygos kartu su energijos šaltiniais (žaibais, UV) gali generuoti aminorūgštis ir kitas organines medžiagas.
  • RNR pasaulio naudai kalba ribozimų atradimas — RNR molekulės, galinčios katalizuoti reakcijas savarankiškai bei vykdyti ribonukleotidų šalinimą, jungimasi ir kt. Tai rodo, kad RNR gali atlikti abi funkcijas: saugoti informaciją ir katalizuoti chemines reakcijas.
  • Metabolizmo pirmumo šalininkai (pvz., „geležies–sieros pasaulis“, Wächterhäuser idėjos) pabrėžia, kad mineralinės paviršiaus katalizės galėjo leisti vystytis energetinei chemijai, kuri būtų gyvybei būtina. Hidroterminiai ventiliai ir mineralų paviršiai suteikia pastovias energijos ir reaktantų koncentracijos sąlygas.

Ląstelės ir membranų kilmė

Kita didelė problema yra, kaip vystėsi ląstelės ir jų membranos. Ląstelės membrana turi keletą gyvybiškai svarbių funkcijų: ji sukoncentruoja chemines medžiagas vienoje erdvėje, apsaugo nuo išorinių poveikių, leidžia palaikyti energetinius gradientus ir selektyviai keistis medžiagomis. Hipotezės apie membranų kilmę apima:

  • Amfifilinių molekulių, ypač riebalų rūgščių ir kitų lipofilinių junginių, spontanišką susijungimą į miceles ir dvisluoksnes membranas. Tokios natūralios membranos gali uždaryti vidinę erdvę (protocelę), kurioje cheminių reakcijų koncentracija didėja.
  • Oparino pasiūlytos koacervatų ar „mikrokompartimentų“ idėjos — tirpalų fazių atsiskyrimas, kuriame medžiagos yra koncentruojamos ir apsaugomos nuo išsklaidymo.
  • J. D. Bernalas ir kiti siūlė, kad mineraliniai paviršiai (pvz., molis) galėjo veikti kaip katalizatoriai ir telkiniai, skatinantys polimerizaciją ir organizacijos pradžią.
  • Šiuolaikiniai eksperimentai (pvz., Deamer, Szostak ir kt.) rodo, kad paprastos riebalų rūgščių membranos gali augti, dalintis ir keistis medžiagomis — tai svarbu protocelių dinamikoje.

Energija, chirališkumas ir genominės sistemos formavimasis

Gyvybei reikalinga energija — klausimas, iš kur ji tekdavo ankstyvajame žemės paviršiuje, irgi svarbus. Galimi energijos šaltiniai:

  • Redoks gradientai prie hidroterminių ventilių (chemosintezė kaip pirmapradis mechanizmas),
  • Saulės UV spinduliavimas ir fotochemija,
  • Geologinė energija (išsiskiriantys redukuojantys junginiai, pvz., vandenilio, sieros junginiai),
  • Elektriniai išlydžiai (žaibai),
  • Sausesnių ir drėgnų ciklų sukeliami kondensacijos procesai (tarpinis polimerizavimas per išdžiūvimo fazes).

Kiti svarbūs iššūkiai — homochirališkumo (vienodos kiralumo molekulių dominavimas biologijoje), polimerų ilgio ir klaidų taisymo mechanizmų atsiradimas, taip pat genetinio kodo formavimasis.

LUCA ir evoliucinis trumpas atstumas

Mokslininkai dažnai kalba apie LUCA (Last Universal Common Ancestor) — paskutinį universalų bendros kilmės protėvį. LUCA greičiausiai buvo jau gana sudėtinga sistema (su tam tikra genetine medžiaga, baltymų sinteze ir energetikos mechanizmais), bet tai nėra pirmoji gyvybės forma — ji stovi po daugelio ankstesnių etapų grandinėje.

Istoriniai ir modernūs indėliai

Klausimus apie gyvybės kilmę nagrinėjo daug žymių mokslininkų. Aleksandras Oparinas (Alexander Oparin) vienas pirmųjų pasiūlė idėją apie „primityvią sriubą“ ir koacervatus; Nobelio chemijos premijos laureatas Melvinas Kalvinas (Melvin Calvin), be kitų darbų, taip pat rašė apie organinių medžiagų sintezę ir galimus cheminių kelių vaidmenis gyvybės atsiradime. J. D. Bernalas (minėtas aukščiau) akcentavo mineralų ir paviršių reikšmę. Vėlesni eksperimentai ir teorijos (pvz., ribozimų atradimas, hidroterminiai ventilių tyrimai, protocelių modeliai) pagilino supratimą ir parodė, kad kelios „pamažu augmentuojamos“ idėjos gali būti tarpusavyje suderinamos.

Kas toliau — kokios tyrimų kryptys?

Šiuolaikiniai tyrimai apima:

  • RNR katalizės ir savireplikacijos mechanizmų modeliavimą bei laboratorinę reprodukciją,
  • metabolinių tinklų eksperimentavimą ant mineralinių paviršių,
  • protocelių membranų formavimą, augimą ir dalijimąsi laboratorinėmis sąlygomis,
  • geocheminių sąlygų rekonstrukciją ankstyvoje Žemėje ir kitose planetose,
  • astrobiologinius požiūrius (pvz., panspermijos idėjas arba organinių medžiagų tiekimą iš kosmoso),
  • analizę, kaip energijos gradientai (pvz., protonų gradientai) galėjo būti panaudoti ankstyvose sistemose.

Santrauka

Trumpai tariant, gyvybės kilmė Žemėje išlieka aktyvaus tyrimo objektu. Nebent rastume tiesioginius geologinius arba laboratorinius „fossilinius“ įrodymus apie pirmąją gyvybės formą, greičiausiai reikės derinti kelias hipotezes: cheminių reaktorių (mineralų, ventilių ar seklių tvenkinių), savirepikuojančių polimerų (pvz., RNR) ir kompartimentų (protocelių, membranų) bendrą vaidmenį. Dabartinis konsensus yra tas, kad gyvybė atsirado per natūralų, daugiasluoksnį procesą maždaug prieš 3,9 milijardo metų, tačiau daug detalių — nuo energetikos mechanizmų iki genų kilmės — dar laukia aiškumo.