biogeneza

biogeneza

[gr. bíos ‘życie’, génesis ‘pochodzenie’, ‘stawanie się’],

biol. pochodzenie życia na Ziemi, jedno z najtrudniejszych i do dzisiaj nie w pełni rozwikłanych zagadnień biologii.

Zapis kopalny nie dostarcza bezpośrednich świadectw tego procesu, pokazuje jednak, że najdawniejsze żywe organizmy pojawiły się przed co najmniej 3,5 mld lat (pierwsze stromatolity i kopalne struktury bakteryjne), a być może nawet przed 3,8 mld lat (węgiel o składzie izotopowym sugerującym biologiczne pochodzenie). Jednocześnie uniwersalność biochemii współczesnych organizmów (w szczególności kodu genetycznego) sugeruje, że życie na Ziemi powstało tylko raz, tzn. że można mówić o wspólnym przodku wszystkich żyjących obecnie form. Niezwykle wczesne pojawienie się form organicznych (płynna hydrosfera, warunek konieczny znanego nam życia, powstała przed 4 mld lat) stanowi wskazówkę względnej łatwości tego procesu i może też sugerować, że podobne procesy mogły zachodzić na innych ciałach kosmicznych, na których zaistniały odpowiednie warunki. Obecność materii organicznej w meteorytach i pyle kosmicznym wzmacnia wrażenie, że pierwsze etapy biogenezy nie musiały być ograniczone do Ziemi.

W czasach przeddarwinowskich problem biogenezy nie stwarzał większych trudności intelektualnych, gdyż dość powszechnie wierzono w możliwość spontanicznego powstawania życia (samorództwo). Ch.R. Darwin, odrzucający samorództwo, ominął problem biogenezy mówiąc tylko, że życie powstało „w małej, ciepłej kałuży” na wczesnej Ziemi i że dziś podobny proces nie byłby już możliwy, gdyż istniejące żywe organizmy nie dopuściłyby do gromadzenia się form prebiotycznych. W latach 70. XIX w. L. Pasteur wykazał bezzasadność wiary w samorództwo. Na początku XX w. popularnością cieszyła się idea powszechności zjawiska życia we Wszechświecie i teoria panspermii S. Arrheniusa, według której życie przybyło na Ziemię z Kosmosu. Nie rozwiązywało to wprawdzie problemu biogenezy, ale przesuwało go daleko w czasie i przestrzeni.

W latach 20. naszego wieku Rosjanin A. Oparin i Brytyjczyk J.B.S. Haldane sformułowali tezę, że życie powstało z prostych związków organicznych, gromadzących się w pierwotnym oceanie w warunkach atmosfery beztlenowej (bogatej w CO₂, CH₄, H₂S i H₂) i silnego promieniowania kosmicznego oraz wyładowań elektrycznych jako źródła energii. Jest to koncepcja tzw. pierwotnej zupy (albo bulionu). Później S. Miller (1953) udowodnił doświadczalnie, że w warunkach proponowanych przez Oparina i Haldane’a istotnie powstają aminokwasy, węglowodany i in. związki organiczne; według koncepcji Oparina i Haldane’a pierwsze organizmy były cudzożywne i dopiero po zjedzeniu wszystkich substancji odżywczych z „pierwotnej zupy” narodziły się organizmy samożywne. Najpoważniejsze trudności, jakie ta teoria napotyka, to brak efektywnego mechanizmu naturalnego prowadzącego do znacznej koncentracji produktów samorzutnej syntezy związków organicznych oraz brak mechanizmu dziedziczenia informacji aż do czasu syntezy pierwszych kwasów nukleinowych. Choć teoria Oparina i Haldane’a, z licznymi modyfikacjami, jest przez wielu uznawana do dziś, to pojawiły się też liczne nowe, alternatywne lub uzupełniające propozycje; m.in. J. Bernal (1967) wystąpił z tezą, że związki organiczne koncentrowały się w pianie na powierzchni wody morskiej, a pierwsze protoorganizmy powstały w ujściach rzek, gdzie minerały ilaste służyły jako powierzchnie katalizujące dalszą koncentrację, a potem ewolucję pierwotnego życia. Badania potwierdziły zdolność iłów do adsorpcji związków organicznych. Teorię tę rozbudował A. Cairn-Smith (1985), według którego struktura krystaliczna minerałów ilastych była nośnikiem informacji dziedzicznej, a kwasy nukleinowe przejęły tę funkcję dopiero później, dzięki obecności wysoko zorganizowanych enzymów białkowych. S. Fox (1965) wykazał doświadczalnie, że w wysokich temperaturach i specjalnych warunkach fizykochemicznych towarzyszących wulkanom aminokwasy tworzą „mikrosfery”, przypominające właściwościami komórki. F. Dyson (1985) zwrócił uwagę na to, że odpowiedzialne za metabolizm białka (główny składnik ciał) i DNA (czynnik dziedziczności) powstały niezależnie i dopiero później połączyły się, tworząc pierwotne organizmy. Dwie nowe tezy głoszą, że życie powstało bądź na głębokim dnie oceanu, w obrębie tzw. oaz ryftowych (aktywne, wulkaniczne pęknięcia skorupy oceanicznej), albo przeciwnie — w pierwotnej atmosferze, wewnątrz drobnych kropelek wody z domieszką soli i związków organicznych.

Wiele jest dziś teorii próbujących rozwiązać ten złożony problem, żadna jednak nie zyskała powszechnej akceptacji. Jedynie co wiadomo prawie na pewno to, że życie powstało ok. 4 mld lat temu, w warunkach beztlenowych (tlen jest pochodzenia biologicznego) i że powstało tylko raz, zmieniając zarazem pierwotne warunki na Ziemi tak dalece, że późniejsza biogeneza była już niemożliwa.

Marcin Ryszkiewicz