Abiogeneza

Prekambrijski stromatoliti u Siyeh formacijama, Glacier National Park, SAD
U 2002. godini, rad u naučnom časopisu Nature predložio je da ove 3, 5 milijardi godina geološke formacije sadrže fosilizirane mikrobe cijanobakterije Ovo ukazuje da su dokaz jednog od najstarijih poznatih oblika života na Zemlji.

Abiogeneza ili biopoeza prirodni je proces postanka prvog života iz nežive materije kao što su jednostavni organski spojevi. Vjeruje se da se desila prije 3,8 do 4,1 milijardi godina, a istraživana je u kombinaciji laboratorijskih eksperimenata i genetičkih informacija recentnih organizama. Tako je bilo moguće doći do razumnih pretpostavki o tome koji su hemijski procesi doveli do nastanka živih sistema. Abiogeneza se proučava sa tri glavna aspekta:

• geofizički,
• hemijski i
• biološki,
  a eksperimenti se danas sve češće temelje na pokušaju sinteze sva tri područja.

Mnogi pristupi istražuju kako su nastale samoreplicirajuće molekule, a danas je najprihvaćenija hipoteza da je život na Zemlji potekao preko RNK prapočetaka, iako možda život utemeljen na replikaciji RNK nije bio prvi koji je postojao. Miller-Ureyev i slični eksperimenti su demonstrirali da aminokiseline, koje su osnovni sastojci života, mogu biti sintetizirane iz anorganskih spojeva, u uvjetima za koje se pretpostavlja da su slični onima u ranim fazama postojanja planete Zemlja. Brojni se fokusiraju na to kako je kataliza u hemijskim sistemima mogla omogućiti nastanak prekursorskih molekula, koje su za samoeophodne za replikaciju. Tako složene organske molekule, koje su pronađene u Sunčevom sistemu i međuzvjezdanom prostoru, mogle su biti početni materijal za razvoj života na Zemlji. Prema hipotezi panspermije, mikroskopski život bi mogao postojati širom svemira i biti raznošen meteoritima, asteroidima i ostalim manjim nebeskim tijelima. Spekulira se na temu da je biohemija života počela odmah nakon Velikog praska, prije 13.8 milijardi godina, tokom epohe kada je svemir bio star „samo“ 10 do 17 miliona godina.

Zemlja je, unatoč svemu, jedino mjesto u svemiru za koje se pouzdano zna da je kolijevka života. Procjenjuje se da starost Zemlje iznosi oko 4,54 milijardi godina, a najraniji nepobitni dokaz života na njoj potiče od prije 3,5 milijardi godina, iz epohe eoarhaika. Pronađeni su fosili mikroskopskih oblika života u 3,48 milijardi godina starom pješčenjacima Zapadne Australijje. Drugi stariji fizički dokazi supstanci biološkog podrijekla jesu grafiti u 3,7 milijardi godina starim metasedimentnim stijenama, koje su otkrivene na jugozapadnom dijelu Grenlanda i ostaci biotičkog života', koji potiču od prije 4,1 milijardi godina, a nađeni su u starim stijenama Zapadne Australije. Prema jednom od istraživanja. Ako se život na Zemlji pojavio relativno brzo ... onda bi mogao biti uobičajen i u svemiru.

Rani geofizički uvjeti

Prema nedavnim istraživanjima, potpomognutim kompjuterskim modelima, složene organske molekule, potrebne za život, mogle su se formirati u protoplanetarnom disku svemirske prašine koji je obavijao Sunce prije formiranja Zemlje. Kompjuterske analize ukazuju da se isti proces mogao zbiti i oko drugih zvijezda koje su okružene planetama. Vjeruje se da je Zemlja u doba hadija imala sekundarnu atmosferu stvorenu oslobađanjem plinova iz stijena, koje su nastale od velikih planetezimalnih čvrstih objekata, pri sudarima sa Zemljom. |đPrvo se smatralo da se Zemljina tadašnja atmosfera sastojala od hidirda –metana, amonijaka i vodene pare, te da se početak života pojavio u takvim uvjetima, pogodnim za formiranje organskih molekula. Prema kasnijim modelima, koji su zasnovani na proučavanju starih minerala, u kasnom hadiju, atmosfera se uglavnom sastojala od dušika i ugljendioksida, uz manje količine ugljik-monoksida, vodika i spojeva sumpora. Kako je Zemlji nedostajala gravitacija kojom bi se zadržao molekulski vodik, ta se komponenta vjerojatno brzo izgubila, već tokom hadija, zajedno s nekim drugim prvobitnim inertnim plinovima. Otopina CO2 u vodi je doprinijele da mora budu blago kisela, uz pH vrijednost oko 5,5. Tadašnja atmosfera se opisuje kao gigantski produktivni hemijski laboratorij na otvorenom. Bila je slična mješavini plinova koju oslobađaju vulkani, a takva se i danas upotrebljava u proučavanju abiotskih hemijskih pojava i procesa. Okeani su se najvjerojatnije pojavili u periodu hadija, oko 200 miliona godina nakon Zemljinog formiranja i to u vrućim uvjetima, sa temperaturama od oko 100 °C. A pH vrijednost je bila, vjeruje se, oko 5,8 i brzo se povećavala prema neutralnoj. Na to posebno upućuje datiranje 4,404 milijardi godina starih kristala cirkona sa planine Narryer u Zapadnoj Australiji, što ukazuje da su okeani i kontinentalna kora već postojali, unutar perioda od oko 150 miliona godina nakon formiranja Zemlje. Unatoč vjerovatno povećanoj vulkanskoj aktivnosti i postojanju brojnih manjih tektonskih ploča, predloženo je da je, prije između 4,4 i 4,3 milijardi godina, Zemlja bila vodena sredina sa veoma malo ili nimalo kontinentalne kore, sa ekstremno turbulentnom atmosferom i hidrosferom, koje su bile izložene visokoj razini ultraljubičastog (UV) i kosmičkog zračenja, sa učestalim udarima meteora. Hadijsko okruženje je bilo izuzetno opasno za današnje oblike života. Česti sudari s velikim objektima (promjera i do 500 kilometara) bili bi dovoljni da steriliziraju planetu i dovedu do potpunog isparavanja današnjih okeana i ostalih vodnih površina unutar nekoliko mjeseci konstantnih udara, a vrela para bi zajedno s plinovima iz stijena stvarala oblake na visokoj nadmorskoj visini, a koji bi u potpunosti prekrili planetu. Protokom vremena bi na nižim visinama počele kiše, a visina oblaka bi se postepeno smanjivala tokom idućih 2.000 godina, što bi povratilo okeane na njihovu prvobitnu dubinu, ali tek nakon 3.000 godina poslije udara.

Najraniji biološki dokazi prisuztva života na Zemlji

Postojeći dokazi upućuju da je rani život na Zemlji sigurno postojao prije najmanje 3,5 milijardi godina tokom eoarhaika, o čemu svjedoče fizički dokazi grafita biološkog porijkla u metasedimentnim stijenama jugozapadnog Grenland, koji su datirani na oko 3,7 milijardi godina prije današnjice, kao i fosili mikroorganizama u 3,48 milijardi godina starom pješčenjaku iZapadne Australije. Okeanograf Gustaf O. Arrhenius pronašao je 3,7 milijardi godina stare dokaze ranog života, u stijenama otoka Akilia, blizu jugozapadnog Grenlanda. Koristeći spektrometrijsku analizu, identificirao je izotope ugljika, koji su nedvojbeno biološkog porijekla. Na Strelley Poolu, u Pilbarra regiji Zapadne Australije, pronađeni su fosilni ostaci života koji upućuju na tubularne ćelije koje su autotrofno – fotosintezom oksidirale sumpor, u nedostatku kisika. Nedavno su geohemičari sa Univerziteta Kalifornija, Los Angeles (UCLA) pronašli dokaze da je život vjerojatno postojao na Zemlji pri najmanje 4,1 milijardiu godina – 300 miliona godina prije nego što su na to upućivala pretrhodna istraživanja.

U ranijem periodu Planete, između 3,8 i 4,1 milijardu godina, promjene u orbitama gigantskih planeta vjerojatno su dovele do teškog bombardiranja asteroidima i kometama.[ Da je život postojao u to vrijeme, udari bi sterilizirali Zemlju. Geološki gledano, hadijska Zemlja je trebala biti daleko aktivnija nego u bilo koje drugo doba svoje prošlosti. Istraživanja meteorita su pokazala da su radioaktivni izotopi, kao što je aluminij-26 s dužinom poluživota od 7,17×105 godina i kalija-40, s poluživotom od 1,250×109 godina, pretrežno proizveden u supernovama, bili daleko češći.

Istraživanje Kevina A. Mahera i Davida J. Stevensona pokazalo je da duboko hidrotermno okružje pruža povoljne uvjete za nastanak života, čime se abiogeneza mogla ostvariti vrlo rano, već u periodu između 4,0 do 4,2 milijardi godina prije današnjice. S druge strane, ukoliko se odvila saamo na površini Zemlje, mogla se najranije desiti u razdoblju od prije 3,7 do 4 milijarde godina.

Spontana generacija

Hipoteza o „spontanoj generaciji“ počiva na stanovištu da se i sada određeni oblici života spontano rađaju iz nežive materije, kao npr. muhe iz pokvarenog mesa ili pčele iz cvijeća, što su njene pristalice imenovali heterogenezom. Takvo vjerovanje, historijske korijene ima još od Aristotelovog učenja i antičke grčke filozofije, a podžavali su ga i zapadni učenjaci sve do 19. stoljeća. Smatralo se da se određeni, kompleksni živi organizmi spontano stvaraju iz raspadajućih organskih sastojaka. Prema Aristotelu, bila je lahko uočljiva istina da lisne uši dolaze iz rose koja pada na biljke, muhe iz truhle materije, miševi iz prljavog sijena itd. U 17. stoljeću, započeto je provjeravanje takvih i sličnih pretpostavki. Tako je 1646. Thomas Browne objavio je djelo Pseudodoxia Epidemica koje je opovrgava lažna vjerovanja. Njegov suvremenik, Alexnder Ross pokušao ga je osporiti, uz optužbe da dovodi u pitanje razum, osjetila i iskustvo. U 1665., Robert Hooke objavljuje prve crteže mikroorganizma, a zazim je, 1676., Antonie van Leeuwenhoek je opisao i nacrtao mikroorganizme za koje se danas zna da su bili protozoa (praživotinje) i bakterije. Mnogi su tada smatrali da su mikroorganizmi dokaz spontane generacije jer su pretpostavljali da su suviše jednostavni za spolno razmnožavanje, a nespolno putem ćelijske diobe još nije bilo poznato. Van Leeuwenhoeka su zaintrigirale tada prihvaćene ideje da muhe spontano nastaju iz truleži, a žabe iz mulja. Demonstriranjem raznih eksperimente – od otvorene i zatvorene inkubacije mesa do detaljnog proučavanja razmnožavanja insekata – do 1680-ih je postao siguran da je ideja o spontanoj generaciji neodrživa.

Prvi poznati eksperimentalni dokaz protiv mogućnosti pojave spontane generacije, ipak se pojavio trek kada je 1668. Francesco Redi pokazao da se u mesu ne pojavljuju crvi ukoliko se muhama onemogući da polažu jajašca na meso. Postupno se isto potvrdilo za sve testirane više i vidljive organizme. Prva alternativa je bila teorija biogeneze, tj. da jer svako živo biće nastalo iz već postojećeg živog bića (lal. omne vivum ex ovo = sve živo iz jajeta). U 1768., Lazzaro Spallanzani je pokazao da su mikrobi prisutni u zraku te se mogu ubiti kuhanjem u ključaloj vodi. Nakon toga, 1861. Louis Pasteur je u seriji eksperimenata demonstrirao nalaz da se organizmi kao što su bakterije i kvasci ne pojavljuju spontano u samoj sterilnoj, bogatoj hranljivoj podlozi, već samo onda kadas tu dospiju izvana. Zahvaljujući i Pasteurovim i ostalim dokazima, do sredine 19. stoljeća, teorija biogeneze je nakupila toliko podrške, da je teorija spontane generacije bila uspješno opovrgnuta.

Porijeklo termina biogeneza i abiogeneza

Prvo spominjanje izraza biogeneza se uobičajeno pripisuje ili Henryju Charltonu Bastianu ili Thomasu Henryju Huxleyju. Bastian ga je upotrijebio oko 1869., u neobjavljenom razgovoru s Johnom Tyndallom, upotrebljavajući ga u značenju porijeklo života ili početak. U 1870., Huxley je, u svojstvu Britanskog društva za unapređenje nauke objavio pismo naslovom Biogeneza i abiogeneza. Upotrebio je termin biogeneza suprotno od Bastianpoda i uveo pojam abiogeneze za postanak živoga iz nežive materije. Zbog drugačije upotrebe ovog termina, Bastian je, 1871. u predgovoru svoje knjige uveo novi termin archebiosis za proces postanka života, za ono što je prethodno nazivao biogenezom, ali je Huxley za to uveo termin abiogeneza dok je biogeneza koristio samo za postanak živog od prethodno živog.

Pasteur i Darwin

Pasteur, 1857.

Pasteur je 1864. zabilježio: Nikad se doktrina spontane generacije neće oporaviti od ovog smrtonosnog udarca jednostavnim eksperimentom. Alternativna hipoteza porijekla života bila je nastanak Zemaljskog života negdje drugdje u svemiru. Bernal je to kritizirao tvrdeći da je ona istovjetna drugim hipotezama baziranim nametafizičkim, duhovnim predlošcima i da se svodi na stvaranje dizajnom, odnosno kreacijuom. Po njemu takva bi teorija o porijeklu života bila nenaučna, a brojni naučnici su život shvatali kao rezultat neke unutrašnje životne sile (lat. vis vitalis) čiji je posebni pobornik bio Henri Bergson, u kasnom dijelu 19. stoljeća.

Koncept evolucije Charlesa Darwina okončao je eru metafizičkih teoloških pretpostavki. U pismu Josephu Daltonu Hookeru, 1. februara 1871., Darwin se osvrnuo na pitanje porijekla života, uz napomenu da je prvobitna iskra života mogla nastati u malom, toplom jezeru koje je bilo bogato raznim solima amonijaka i fosfora u kombinaciji sa sasvjetlošću, toplotom i elektricitetom, što je moglo dovesti do stvaranja proteinskih sastojaka spremnih za daljnji razvoj kompleksnijih promjena. Naveo je i kako bi se danas takva početna materija raspala ili apsorbirala, što se nije moglo desiti u vremenima prije postanka živih bića. Ukratko, istraživanje pojave života ovisno je o umjetnoj proizvodnji organskih komponenti u sterilnim uvjetima laboratorija.

Hipoteza o primordijalnoj juhi

Sve do 1924., nije bilo novih značajnijih istraživanja ili teorija o porijeklu života. ]Tada je Aleksandar Ivanovič Oparin došao do zaključka da kisik sprečava sintezu određenih organskih sastojaka, a koji su nužni gradivni blokovi za evoluciju života. U knjizi Porijeklo života, Oparin je predložio da se spontana generacija života, koju je kao hipotezu svojevremeno napadao Louis Pasteur, jednom uistinu desila, ali je sadašnjim uvjetima nemoguća jer su se oni iz ranog perioda postojanja Zemlje bitno izmijenili te bi postojeći organizmi odmah konzumirali bilo kakav spontano nastali organizam. Oparin je tvrdio da se prajuha organskih molekula može stvoriti u atmosferi bez kisika uz pomoć sučeve svjetlosti. Te bi se molekule mogle kombinirati na još složenije načine, sve dok ne bi nastale kapljice koacervata. Takve kapljice bi narastale međusobnim spajanjem i razmnožavale putem fisije u kapljice kćeri, pa tako imale primitivni metabolizam, u kojem bi preživjele strukture koje pridonose integritetu ćelije, a izumrli oni koji nemaju takva svojstva. Mnoge moderne teorije o nastanku života, kao razumno polazište, uzimaju Oparinove ideje. U nešto zrelijem obliku, Robert Shapiro je sažeo teoriju primordijalne juhe Oparina i J.B.S. Haldanea: 1. rana Zemlja je imala hemijski reducirajuću atmosferu; 2. atmosfera je, izložena različitim oblicima energije, proizvela jednostavne organske spojeve (monomere); 3. ti su se sastojci akumulirali u juhi koja se mogla biti koncentrirana na raznim lokacijama (obala, hidrotermalni izvori i sl.).; 4. tokom daljnjih transformacija, u juhi su se razvili složeni organski polimeri i, samim tim, život.

Približno istovremeno, Haldane je predložio da su Zemljini prebiotički okeani bili drugačiji od svojih današnjih oblika, i da su mogli formirati vruću razrijeđenu juhu, u kojoj su se mogli formirati organski spojevi. Bernal je tu ideju nazvao biopoiesis ili biopoesis = proces kojim živa materija evoluira iz samoobnovljivih ali neživih molekula, uz napomenu da se ta biopoeza odvijala kroz veći broj međufaza.

Stanley Miller

Prikaz Miller-Uryjevog eksperimenta

Jedna od najvažnijih eksperimentalnih podrški teoriji prajuhe pojavila se 1952., kada su Stanley L. Miller i Harold C. Urey izveli pokus koji je demonstrirao kako se organske molekule mogu spontano formirati iz anorganskih prekursora, u uvjetima koje je predlagala Oparin-Haldaneova hipoteza. U tom poznatom Miller-Ureyevom eksperimentu korištena je vrlo reducirana smjesa metana, amonijaka i vodika, kako bi se, uz vještačka elektručna pražnjenja, formirali osnovni organski monomeri poput aminokiselina. To je bio direktan dokaz druge od četiri navedene tačke hipoteze primordijalne juhe. Mješavina vode, vodika, metana i amonijaka, u eksperimentu kružila kroz aparaturu koja je pridodavala električne iskre. Nakon jedne sedmice. Ispostavilo se da je 10% do 15% ugljika u sistemu pripadalo racemičnoj smjesi organskih spojeva uključujući i aminokiseline, koje su glavni gradivni blokovi proteina. Osnovna hipoteza Oparina, Haldanea, Bernala, Millera i Ureya bila je da su uvjeti na ranoj Zemlji pogodovali hemijskim reakcijama koje su sintetizirale isti skup složenih organskih spojeva iz takvih jednostavnih prekursora. U 2011. ponovna analiza spremljenih bočica s originalnim ekstraktima iz Miller-Ureyeovg eksperimenta, zahvaljujući naprednijoj analitičkoj opremi, pokazala je još više biohemijskih sastojaka nego što je prvobitno utvređeno 1950-ih. Jedan od najvažnijih pronalazaka bile su 23 različite aminokiseline, daleko više od 5 originalno registriranih. Bernal je ipak tvrdio da nije dovoljno objasniti način formiranja takvih molekula, već je neophodno doći do fizičko-hemijskog objašnjenja porijekla molekula koje ukazuju na nekadašnje prisustvo prikladnih početnih sastojaka i izvora energije.

Proteinoidne mikrosfere

Tri glavne strukture fosfolipida spontanog rastvora: liposom (blizak dvosloju), micela i dvosloj

Molekulska structura 30S podjedinice ribosoma Thermus thermophilus.

U pokušajima otkrivanja međukoraka abiogeneze, koje je pominjao Bernal, Sidney W. Fox je 1950-ih i 1960-ih proučavao spontano formiranje peptidnih struktura, u uvjetima koji su vjerovatno postojali u ranoj fazi Zemljine prošlosti. Pokazao je da aminokiseline mogu spontano oblikovati male lance nazvane peptidima. U jednom od eksperimenata omogućio je aminokiselinama da se isuše kao u kaljuži na toplom, suhom mjestu u prebiotičkim uvjetima. Otkrio je da su, kako su se sušile, formirale duge, često ukrštene, končaste, submikroskopske polipeptidne molekule koje da danas nazivaju proteinoidnim mikrosferama.

U drugom eksperimentu, uz slične metode kreiranja povoljnih uvjeta za nastanak života, Fox je posmatrao vulkanski materijal s kratera (eng. cinder cone) na Hawaiima. Otkrio je da je, samo 10 centimetara ispod površine kratera, temperatura bila preko 100 °C i predložio to kao okolnosti u kojima se mogao formirati život: molekule su se mogle formirati i potom putem slobodnog pepela dospjeti u more. Stavio je grude lave na aminokiseline koje su dobijene iz metana, amonijaka i vode, sterilizirao taj materijal i, na aminokiselinama, pekao lavu nekoliko sati u staklenim uvjetima. Na površini se oblikovala smeđa ljepljiva supstanca, a kada je lavu umakao u sterilnu vodu, iscurila je smeđa tekućina. Ispostavilo se da su aminokiseline formirale proteinoide, a oni su se spojili u kuglice koje je Fox nazvao mikrosferama. Ti proteinoidi nisu bili ćelije, iako su oblikovali nakupine i lance koji lije na cijanobakterije; ipak, nisu sadržavali djelotvorne nukleinske kiseline ili bilo kakve druge kodirane informacije za samoobnavljanje. Na osnovu takvih eksperimenata, Colin S. Pittendrigh je, 1967. izjavio da će se laboratorijskim uvjetima žive ćelije kreirati za 10 godina, ali je ta tvrdnja ipak bila odraz pretjeranog entuzijazna tadašnjeg nepoznavanja složenosti ćelijske strukture.

Današnji modeli

Danas, još uvijek, ne postoji standardni model porijekla života. Kao najprihvaćenji modeli slove oni koji se temelje bar na nekim elementima teorije molekulske ili hemijske evolucije života, koju su postavili Aleksandear Oparin (1924.) i J. B. S. Haldane (1925.). Prema njima, prve molekule, koje su evoluirale u najranije ćelije, bile su sintetizirane u prirodnim uvjetima, tokom sporih procesa molekulske evolucije, kada su se organizirale u prve molekulske sisteme sa svojstvima biološkog reda, tj sposobnostima autonomnosti, autoregulacije i autoreprodukcije. Predložili su da je atmosfera rane epohe zazvoja Zemlje bila hemijski reducirajuća, prcvenstveno sastavljena od metana, amonijaka, vode, vodikovog sulfida, ugljendioksida, ugljenmonoksida i fosfata s molekulskim kisikom i ozonom, u vrlo malim količinama ili bez njega. Prema kasnijim modelima, atmosferu su u kasnom hadiju uglavnom sačinjavali dušik i ugljendioksid, s manjim količinama ugljik monoksida, vodika i spojeva sumpora, uz nedostatak molekularnog kisika i ozona, ali nije bila hemijski reducirajuća, kako su pretpostavljali Oparin i Haldane. U atmosferi koju su opisali, električna aktivnost može katalizirati nastanak jednostavnih organskih molekula, kao što su aminokiseline koje su osnovna gradivne jedinica proteina, a time i života. To je potvrdio Miller-Ureyev eksperiment iz 1953. godine.

U 1949., Bernal je osmislio termin biopoiesis kojim je označio proces nastanaka života, a 1967. je predložio njegove tri faze:

1. nastanak bioloških monomera;
2. nastanak bioloških polimera, i
3. evolucija od sastavnih molekula do ćelije.

Sugerirao je da je evolucija počela negdje između 1. i 2. faze. Razumijevanje prve faze danas je na visokoj razini, a otkriće alkalnih hidrotermalnih izvora i njihova sličnost s protonskom pumpom koja je jedan od temelja života bioloških sistema pružaju dokaze za drugu fazu. Bernal je smatrao da je treća faza – pronalaženje metode proučavanja kako su se biološke reakcije integrirale iza stanične membrane – najteže dokučiva. Moderna istraživanja mogućnosti samoorganiziranja kojim bi nastala ćelijska membrana i rad na mikroporama u različitim supstratima obilježavaju predstavljaju aktuelna eksperimentalna istraživanja koja teže ka rješavanju problema razumijevanja treće faze.

Hemijski procesi koji su se odvijali na ranoj fazi Zemljine prošlosti nazivaju se zajedničkim nazivom hemijska evolucija. Manfred Eigen i Sol Spiegelman su demonstrirali ogled u kojem se evolucija, uključujući i replikaciju, varijacije i prirodnu selekciju, može odvijati u populaciji, kako molekula tako i organizama. Spiegelman je, putem prirodne selekciji sintetizirao tzv. Spiegelmanovo čudovište, koje je imalo genom od samo 218 nukleotidnih baza. Na osnovu tog Spiegelmanovog rada, Eigen je proizveo sličan sistem sa samo 48 ili 54 nukleotida.

Hemijska evolucija bila jew praćena inicijacijom biološke evolucije, što je dovelo do nastanka prvih pravih samoobnovljivih ćelija. Nikome još nije pošlo za rukom da sintetizira protoćeliju, uz korištenje jednostavnih komponenti koje su neophodne za život (tzv. bottom-up pristup izgradnje složenijih sistema od osnovnih elemenata). Bez takvih dokaza, objašnjenja se više fokusiraju na hemosintezu. Unatoč tome, postoje istaknuti istraživači, kao što su Steen Rasmussena i Jack W. Szostak, koji rade na tom području, uključujući bottom-up pristup. Druge hipoteze se zalažu za top-down pristup, u kojem se složeniji sistem pokušava objasniti na temelju rastavljanja i proučavanja pojedinih komponti ili podsistema. Uspješni primjer top-down pristupa je eksperiment Craiga Ventera i drugih iz Instituta za genomska istraživanja (The Institute for Genomic Research), u kojem je uspješno kreirana prokariotskka ćelija, prema modelu već postojećem prirodnom modelu, ali s progresivno manje gena kako bi se doznala granica koja ispunjava minimalne zahtjeve za živi sistem.

Hemijsko porijeklo organskih molekula

Kladogram koji prikazuje ekstremne hipertermofile na temelju filogenetskog stabla života.

Osim vodika, svi elementi potiču od nukleosinteze tokom životnog ciklusa zvijezda. Složene molekule, uključujući i organske, formiraju se, kako u svemiru, tako i na planetama. Postoje dva moguća izvora organskih molekula u ranoj fazi Zemljinog postojanja:

1. Zemaljsko porijeklo - organska sinteza posredovana udarima svemirskih objekata, kao šro meteoritia ili drugi izvori energije (UV zračenje, redoks reakcije, elektricitet). Podrška takvom tumačenju su rezultati eksperimenta kao što je Miller-Ureyev.
2. Vanzemaljsko porijeklo – podrazumijeva formiranje organskih molekula u međuzvjezdanoj prašini i njihovu disperziju na planete.

Procjene tih izvora upućuju da je događaj poznat pod nazivom Kasno teško bombardiranje (Late Heavy Bombardment), 3,5 milijardi godina prije današnjice, kada se veliki broj asteroida sudarao s ranim planetama Sunčevog sistema, učinivši u ranoj atmosferi dostupnim količine organskih spojeva koje su komparabilne sa onima proizvedenim drugim izvorima energije. Pretpostavlja se da je ovo bombardiranje također moglo djelotvorno sterilizirati Zemljinu površinu do desetke metara dubine. Ako je život evoluirao dublje od toga, bio bi također zaštićen od vrlo visokih razina UV zračenja tadašnjeg Sunca. Oponašanje geotermalno zagrijane okeanske kore rezultiralo je dobijanjem daleko više organskih spojeva nego u slučaju Miller-Ureyevog eksperimenta. U dubokim hidrotermalnim izvorima, Everett Shock je uočio ogromni termodinamički potencijal za stvaranje organskih molekula, budući da su morska voda i hidrotermalne tekućine daleko od ravnoteže i da se miješaju prema stabilinijem stanju. Shock je ustanovio kako je maksimalna, dostupna energija prisutna pri temperaturama oko 100-150 °C, što su upravo onakve na kojima žive neke hipertermofilne bakterije i termoacidofilne archae koje se nalaze na samom korijenu filogenetskog stabla, najbliže posljednjem univerzalnom zajedničkom pretku (Last Universal Common Ancestor: LUCA).

Hemijska sinteza

Iako se osobine samoorganizacije, samoregulacije i samoobnavljanja često smatraju značajkama isključivo živih sistema, postoje brojni primjeri abiotičkih molekula koje pokazuju neka od tih obilježja u određenim, odgovarajućim uvjetima. Stan Palasek je pokazao kako se ribonukleinska kiselina (RNK) može sama spontano formirati zahvaljujući fizičkim svojstvima okolnih hidrotermalnih izvora. Samostalno sastavljanje virusa unutar ćelija domaćina također ima implikacije u istraživanju porijekla života budući da povećava povjerenje u hipotezu o nastanku života putem samostalnog organiziranja organskih molekula. U ranoj prošlosti Zemlje postojali su višestruki izvori energije za hemijske reakcije. Naprimjer, toplota (u geotermalnim procesima) je standardni izvor energije u hemiji, a uz to je i sunčevu svjetlost i električno pražnjenje atmosfere (munje). Reakcije koje se teško i sporo odvijaju mogu se odvijati u datim uvjetima nastati vrlo lahko, kao što je to slučaj u željezo-sumpor hemizmima. To je, primjerice, bilo važno za fiksaciju ugljika (konverzija ugljika iz anorganskih u organske oblike). Ta fiksacija se, uz željezo-sumpor reakcije, odvija u neutralnim vrijednostima pH i oko 100 °C. Tako su željezno-sumporne površine, koje su obilno prisutne u okolini hidrotermalnih izvora, i danas sposobne proizvesti male količine aminokiselina i drugih metabolita.

Tako formamid proizvodi sva četiri ribonukleotida i druge biološke molekule, ako se zagrije u prisustvu različitih zemnih minerala. Formamid je sveprisutan u svemiru, gdje se javlja kao rezultat reakcije vode i cijanovodika (HCN). Kao mogući biološki prekursor, ima nekoliko prednosti, uključujući sposobnost da se tokom isparavanja vode vrlo lako koncentrira. Cijanovodik je otrovan samo za aerobne organizme (eukarioti i aerobne bakterije), koji na počecima života nisu postojali. Uz to, može imati ulogu i u drugim hemijskim procesima, kao što je sinteza aminokiseline glicina.

U 1961. je dokazano da purinska baza nukleinskih kiselina, adenin može nastati zagrijavanjem vodene otopine amonijevog cijanida (NH4CN). Također su uočeni i drugi vidovi sinteze baza iz anorganskog materijala. Leslie E. Orgel i suradnici su pokazali da su temperature smrzavanja pogodne za sintezu purina, zbog koncentriranja ključnih prekursora, kao što je cijanovodik. Istraživanje Stanleyja L. Millera i suradnika naslutilo je da, dok sinteza adenina i guanina traži ledene uvjete, za sintezu citozina i uracila bi mogle biti potrebne temperature vrenja. Od 1972. do 1997. zabilježili su formiranje sedam različitih aminokiselina i 11 nukelobaza u ledu, kada su bili uključeni amonijak i cijanid.

Povezano

• Evolucija
• Porijeklo života
• Život

Vanjski linkovi

Abiogeneza na Wikimedijinoj ostavi

• „Exploring Life's Origins: A Virtual Exhibit”. Arlington County, VA: National Science Foundation. Pristupljeno 2015-07-02. 
• Fields, Helen (October 2010). „The Origins of Life”. Smithsonian (Washington, D.C.: Smithsonian Institution). ISSN 0037-7333. Pristupljeno 2015-07-02. 
• Fox, Douglas (28 March 2007). „Primordial Soup's On: Scientists Repeat Evolution's Most Famous Experiment”. Scientific American (Stuttgart: Georg von Holtzbrinck Publishing Group). ISSN 0036-8733. Pristupljeno 2015-07-02. 
• „The Geochemical Origins of Life by Michael J. Russell & Allan J. Hall”. Glasgow, Scotland: University of Glasgow. 13 December 2008. Pristupljeno 2015-07-02. 
• Kauffman, Stuart (8 August 1996). „Even peptides do it”. Nature (London: Nature Publishing Group) 382 (6591): 496–497. Bibcode 1996Natur.382..496K. DOI:10.1038/382496a0. ISSN 0028-0836. PMID 8700218. Arhivirano iz originala na datum 2006-10-15. Pristupljeno 2015-07-02. 
• Malory, Marcia. „How life began on Earth”. Earth Facts. Pristupljeno 2015-07-02. 
• Nowak, Martin A.; Ohtsuki, Hisashi (30 September 2008). „Prevolutionary dynamics and the origin of evolution” (PDF). Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (Washington, D.C.: National Academy of Sciences) 105 (39): 14924–14927. Bibcode 2008PNAS..10514924N. DOI:10.1073/pnas.0806714105. ISSN 0027-8424. PMC 2567469. PMID 18791073. 
• „Possible Connections Between Interstellar Chemistry and the Origin of Life on the Earth”. NASA. Arhivirano iz originala na datum 2009-07-31. Pristupljeno 2015-07-02. 
• „Research Spotlight: Jack Szostak: Making Life from Scratch”. Cambridge, MA: Harvard University. Pristupljeno 2015-07-02. 
• Schirber, Michael (9 June 2006). „How Life Began: New Research Suggests Simple Approach”. LiveScience (Ogden, UT: Purch). Pristupljeno 2015-07-02. 
• „Scientists Find Clues That Life Began in Deep Space”. Mountain View, CA: NASA. 30 January 2001. Arhivirano iz originala na datum 2013-04-29. Pristupljeno 2015-07-02. 
• „Simple Artificial Cell Created From Scratch To Study Cell Complexity”. Science Daily (Rockville, MD: ScienceDaily, LLC). 16 May 2008. Pristupljeno 2015-07-02.  Post is reprinted from materials provided by Pennsylvania State University.
• Singer, Emily (19 July 2015). „Chemists Invent New Letters for Nature’s Genetic Alphabet”. Wired. New York: Condé Nast. Pristupljeno 2015-07-20. 
• Swaminathan, Nikhil (10 June 2008). „Scientists Close to Reconstructing First Living Cell”. Scientific American (Stuttgart: Georg von Holtzbrinck Publishing Group). ISSN 0036-8733. Pristupljeno 2015-07-02. 
• Vasas, Vera; Fernando, Chrisantha; Santos, Mauro i dr.. (5 January 2012). „Evolution before genes” (PDF). Biology Direct (London: BioMed Central) 7: 1. DOI:10.1186/1745-6150-7-1. ISSN 1745-6150. 
• Zlobin, Andrei E. (2013). „Tunguska similar impacts and origin of life”. Modern Scientific Researches and Innovations (Moscow: International Centre of Science and Innovations Ltd.) (12). Pristupljeno 2015-07-02. 
• Zlobin, Andrei E. (2014). „Symmetry infringement in mathematical metrics of hydrogen atom as illustration of ideas by V.I.Vernadsky concerning origin of life and biosphere” (PDF). Acta Naturae (Moscow: Park Media Ltd.) (Special Issue 1): 48. ISSN 2075-8251. Arhivirano iz originala na datum 2014-10-06. Pristupljeno 2015-07-02. 

Video resursi

• Hazen, Robert M. (29 April 2014). The Origins of Life (Webcast). Baltimore, MD: Space Telescope Science Institute. Retrieved 2015-07-03. — A 2014 Spring Symposium webcast (video; 38 m)
• "The Origin of Life" na YouTube — A Royal Institution Discourse lecture given by John Maynard Smith in 1995 (video; 58 m)
• "Space Experts Discuss the Search for Life in the Universe at NASA" na YouTube — Panel discussion at NASA headquarters on 14 July 2014 (video; 87 m)
• "Space Experts Discuss the Search for Life in the Universe at NASA" Svemirski eksperti iz NASA-e diskutuju o potrazi za životom u Svemiru na YouTube
• https://webcast.stsci.edu/webcast/detail.xhtml?talkid=4006 |accessdate=2015-07-03 |location=Baltimore, MD |publisher=Space Telescope Science Institute}} — A 2014 Spring Symposium webcast (video; 38 m)
• "The Origin of Life" na YouTube — A Royal Institution Discourse lecture given by John Maynard Smith in 1995 (video; 58 m)
• "Space Experts Discuss the Search for Life in the Universe at NASA" na YouTube — Panel discussion at NASA headquarters on 14 July 2014 (video; 87 m)

Povezano

• Evolucija
• Miler-Jurijev eksperiment