Fő tartalom
Biológia
Tantárgy/kurzus: Biológia > 10. témakör
1. lecke: A földi élet történeteAz élet eredetére vonatkozó hipotézisek
Az Oparin-Haldane hipotézis, Miller és Urey kísérlete, az RNS-világ.
Főbb pontok
- A Föld nagyjából 4, comma, 5 milliárd éve alakult ki, az élet pedig 3, comma, 5
- 3, comma, 9 milliárd éve kezdődhetett.
- Az Oparin-Haldane hipotézis szerint az élet fokozatosan, szervetlen molekulákból kiindulva jött létre. Először „építőkövek” keletkeztek, például aminosavak, amelyek összetett polimerekké álltak össze.
- A Miller-Urey kísérlet bizonyította be először, hogy az élethez szükséges szerves molekulák szervetlen összetevőkből is létrejöhettek.
- Egyes tudósok az RNS-világ hipotézist tartják helyesnek, amely szerint az első életforma az önmagát másoló RNS volt. Mások az előbb az anyagcsere hipotézis hívei, amely szerint a hálózatba rendeződött anyagcsereutak korábban jöttek létre, mint az RNS és a DNS.
- Egyszerű szerves vegyületek akár meteoritokkal is érkezhettek a korai Földre.
Bevezetés
Mit gondolsz, ha a világegyetemben létezne idegen élet, az menyire hasonlítana a földi élethez? Vajon annak is a DNS lenne az örökítő anyaga, akárcsak neked meg nekem? Egyáltalán sejtekből állna-e?
Ezeket a kérdéseket illetően csak találgathatunk, mivel még nem bukkantunk a földön kívüli élet semmilyen formájára. Azonban ha végiggondoljuk, hogy hogyan alakulhatott ki az élet itt, a saját bolygónkon, akkor megalapozottabban tehetjük fel a kérdést, hogy más bolygókon létezhet-e élet, és ha igen, akkor milyen körülmények között.
Ebben a leckében olyan tudományos elméleteket vizsgálunk meg, melyek a földi élet eredetét firtatják. Az élet eredetét illetően a mikor kérdésére (3, comma, 5 milliárd éve vagy valamivel korábban) megbízható választ adnak a kövületek és a radiometrikus kormeghatározás. A hogyant viszont sokkal kevésbé értjük. A genetika centrális dogmájához vagy az evolúcióelmélethez képest az élet eredetére vonatkozó hipotézisek sokkal... hipotetikusabbak. Senki sem tudja biztosan, hogy melyik hipotézis a helyes, sem azt, hogy a helyes hipotézis felfedezése várat-e még magára.
Mikor jelent meg az élet a Földön?
A geológusok becslése szerint a Föld körülbelül 4, comma, 5 milliárd éve alakult ki. Ez a becslés a legidősebb földi kőzetek, illetve holdkőzetek és meteoritok radiometrikus kormeghatározásán alapul (ennek során a radioaktív izotópok bomlását használják fel a kőzetek korának kiszámítására).
A korai Földet évmilliókon át bombázták az aszteroidák és más égitestek. A hőmérséklet is nagyon magas volt (ekkor a víz nem folyékony, hanem gáz halmazállapotban volt jelen). Az élet első csírái talán akkor jelentek meg, amikor az aszteroidazápor egyik szünetében, úgy 4, comma, 4 - 4, comma, 0 milliárd éve már eléggé lehűlt a környezet ahhoz, hogy a víz kicsapódjon, és óceánokká gyűljön össze.start superscript, 1, end superscript Mintegy 3, comma, 9 milliárd éve azonban újabb bombázás következett. E végső forduló után válhatott a Föld alkalmassá arra, hogy az élet feltételeit tartósan biztosítsa.
Az élet legkorábbi fosszilis bizonyítékai
A földi élet első bizonyítékai azok Nyugat-Ausztráliában felfedezett kövületek, amelyeknek a kora mintegy 3, comma, 5 milliárd évre tehető. Ezek a kövületek sztromatolitok néven ismert szerkezetekből jöttek létre, amelyek többnyire kékbaktériumok és más egysejtű mikrobák egymásra rakódott rétegeiből állnak. (Sztromatolitokat nem csak a történelem előtti mikrobák hoztak létre, hanem ma élő utódaik is.)
A legidősebb olyan mikrobakövületek, amelyek már nem csak a mikrobák melléktermékeit, hanem maguknak a mikrobáknak a maradványait őrzik, a tudósok szerint kénbaktériumoktól származnak. Ezeket szintén Ausztráliában találták, a koruk pedig mintegy 3, comma, 4 milliárd évre tehető.squared
A baktériumok viszonylag összetett élőlények. Ez arra utal, hogy az élet jóval 3, comma, 5 milliárd évvel ezelőtt jelenhetett meg. Mivel azonban nem ismerünk ennél régebbi kövületeket, igen nehéz (vagy akár lehetetlen is) az élet keletkezésének idejét megbecsülni.
Hogyan jöhetett létre az élet?
Az 1920-as években két tudós, az orosz Alexandr Oparin és az angol J. B. S. Haldane egymástól függetlenül álltak elő a ma Oparin-Haldane hipotézisnek nevezett elgondolással, amely szerint a földi élet lépésről lépésre jöhetett létre, szervetlen anyagokból kiinduló „fokozatos kémiai evolúció” során.cubed
Oparin és Haldane úgy vélték, hogy a korai Föld légköre reduktív, azaz oxigénben szegény atmoszféra volt, amely elektronleadásra hajlamos részecskékből állt. Ilyen körülmények között az alábbiakat feltételezték:
- Egyszerű szervetlen molekulák reakciói során (a villámok vagy a napsugárzás energiájának segítségével) létrejöhettek az élet építőkövei, mint például az aminosavak és nukleotidok, amelyek az óceánokban felhalmozódva létrehozták az „őslevest”. cubed
- További reakciók során az építőkövek nagyobb, összetettebb molekulákká (polimerekké), például fehérjékké és nukleinsavakká állhattak össze, talán a partmenti sekély vizekben.
- A polimerek olyan szerkezeti egységekké állhattak össze, amelyek képesek voltak önmaguk fenntartására és másolására. Oparin úgy vélte, hogy ezek anyagcserére képes „fehérjekolóniák” lehettek, míg Haldane elképzelése szerint membránokba záródott makromolekulákból alakultak ki a sejtszerű szerkezetek.start superscript, 4, comma, 5, end superscript
Ez a modell valószínűleg nem minden részletében pontos. A geológusok jelenleg megkérdőjelezik, hogy az őslégkör valóban redukáló volt-e, és az sem világos, hogy a tengerparti sekély vizek valóban lehettek-e az élet bölcsői. Azonban az alapötlet – az egyszerű, majd összetettebb, végül önfenntartó biomolekulák fokozatos, spontán kialakulása – ma is az élet keletkezésére vonatkozó hipotézisek alapja.
A szervetlen vegyületektől az építőegységekig
1953-ban Stanley Miller és Harold Urey egy kísérlettel tesztelték Oparin és Haldane elméletét. Azt találták, hogy szerves molekulák spontán keletkezhetnek olyan redukáló hatású körülmények között, amelyekről akkoriban azt feltételezték, hogy a korai Földre emlékeztetnek.
Miller és Urey egy melegített vízfürdőt tartalmazó zárt rendszert olyan gázokkal töltöttek meg, amelyekről azt feltételezték, hogy bőségesen jelen voltak a korai Föld légkörében (start text, H, end text, start subscript, 2, end subscriptstart text, O, end text, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, és start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript). Hogy utánozzák a korai Föld légkörének villámait – amelyek energiát biztosíthattak a kémiai reakciókhoz – Miller és Urey elektromos kisüléseket gerjesztettek a kísérleti berendezésükben.
Miller és Urey azt találták, hogy az egy hétig tartó kísérlet során különféle aminosavak, cukrok, lipidek és más szerves molekulák képződtek. Noha nagy, összetett molekulákat, mint a DNS vagy a fehérjék nem találtak, a Miller-Urey kísérlet bebizonyította, hogy e molekulák építőkövei legalábbis részben spontán is keletkezhettek, egyszerű kiindulási vegyületekből.
Volt-e jelentősége Miller és Urey eredményeinek?
A tudósok manapság úgy vélik, hogy a korai Föld légkörének összetétele különbözött a Miller és Urey kísérletében alkalmazott gázkeveréktől.start superscript, 6, comma, 7, end superscript Így kétséges, hogy Miller és Urey kísérletében sikerült-e pontosan utánozni a korai Földre jellemző körülményeket.
Az azóta eltelt évek alatt azonban számos különféle kísérlet igazolta, hogy a szerves építőegységek (elsősorban az aminosavak) széles tartományban változó körülmények között létrejöhetnek szervetlen anyagokból.start superscript, 8, end superscript
E kísérletek alapján észszerűnek tűnik a feltételezés, hogy az élet építőkövei közül legalábbis néhány abiotkus úton is keletkezhetett a korai Földön. Azonban a folyamat pontos mikéntje (a körülményekkel együtt) továbbra is nyitott kérdés marad.
Építőkövektől a polimerekig
Hogyan kapcsolódhattak össze monomerek (építőkövek) mint például az aminosavak vagy a nukleotidok polimerekké, biológiailag aktív makromolekulákká a korai Földön? A ma élő sejtekben a polimereket enzimek szerelik össze. Mivel azonban az enzimek maguk is polimerek, ez egyfajta „tyúk vagy tojás” probléma!
A korai Föld viszonyai között a monomerekből spontán is keletkezhettek polimerek. Az 1950-es években Sidney Fox és munkatársai kimutatták, hogy a vízmentes környezetben melegített aminosavak fehérjékké kapcsolódhatnak össze.start superscript, 10, end superscript Fox úgy vélte, hogy a korai Földön az óceánok aminosavakat tartalmazó vize forró felületekre, például lávafelszínekre fröccsenve elpárologhatott, így fehérjék jöhettek létre.
Az 1990-es években végzett további kísérletek rámutattak, hogy egyes agyagásványok felületén az RNS nukleotidok összekapcsolódhatnak.start superscript, 11, end superscript Az agyag katalizátorként segíti az RNS polimer kialakulását. Az agyag- és egyéb ásványi felszínek általánosságban katalizátorként segíthették a polimerek keletkezését. Az oldott polimerek hidrolízise (lebomlása) gyors folyamat. Ez a tény azt a modellt valószínűsíti, amely szerint a folyamat felületekhez kötve játszódott le.start superscript, 12, end superscript
A fenti ábrán a montmorillonit nevű agyagásványt láthatjuk. A montmorillonit különösen nevezetes katalitikus és reakciószervező tulajdonságairól, amelyek által lényeges szerephez juthatott az élet keletkezése során. Ilyen például az, hogy katalizálja az RNS polimerek kialakulását (illetve a sejtszerű lipidgömböcskék létrejöttét). start superscript, 13, end superscript
Milyen volt az első élet?
Még ha el is fogadjuk, hogy polimerek képződhettek a korai Földön, akkor is nyitva marad egy kérdés: hogyan válhattak képessé a polimerek önmaguk másolására vagy fenntartására, megfelelve az élet legalapvetőbb kritériumainak? Ezen a téren bőven akadnak elméletek, de kevés a bizonyosság a helyes választ illetően.
Az „előbb a gének” hipotézis
Az egyik lehetőség az, hogy az első életformák önmagukat sokszorozó nukleinsavak voltak, például DNS vagy RNS, és a további kiegészítők (mint például az anyagcserefolyamatok) később kapcsolódtak be az alap rendszerbe. Ez az elgondolás az előbb a gének hipotézis.start superscript, 14, end superscript
Sok olyan tudós, aki ennek az elméletnek a híve, úgy véli, hogy először az RNS lehetett a genetikai anyag, nem a DNS. Ezt az elgondolást RNS-világ hipotézis néven ismerjük. A tudósok számos ok miatt hajlanak arra, hogy a DNS helyett az RNS-t tekintsék az első örökítőanyagnak. A legfontosabb tényező talán az, hogy az RNS az információ tárolása mellett katalizátorként is működhet. Ezzel szemben nincs tudomásunk a természetben előforduló katalitikus hatású DNS molekulákról.start superscript, 15, comma, 16, end superscript
A ribozimeknek nevezett RNS-katalizátorok kulcsszerepet tölthettek be az RNS-világban. Egy katalikus RNS potenciálisan előmozdíthatta a saját másolatait termelő kémiai reakciót. Egy ilyen, önmagát sokszorozó RNS nemzedékről nemzedékre továbbadhatta a genetikai információt, teljesítve az élet legalapvetőbb kritériumait, közben potenciálisan evolúciós változásokon is áteshetett. Kutatóknak már sikerült mesterségesen előállítani kis méretű ribozim molekulákat, amelyek képesek az önreprodukcióra.
Az is lehetséges, hogy nem az RNS volt az első olyan információhordozó molekula, amely genetikai anyagként működött. Egyes tudósok úgy vélik, hogy először létrejött valamilyen még egyszerűbb, katalitikus és információ hordozására képes „RNS-szerű” molekula, amely katalizátorként vagy mintaként szolgálhatott az RNS szintéziséhez. Ezt az elképzelést szokás „pre-RNS-világ” hipotézisként is emlegetni.start superscript, 17, end superscript
Az „előbb az anyagcsere” hipotézis
Az „előbb a gének” hipotézis alternatívája az előbb az anyagcsere hipotézis, amely szerint az anyagcserefolyamatok önfenntartó hálózata lehetett az első egyszerű életforma (megelőzve a nukleinsavakat). start superscript, 14, comma, 18, end superscript
Ezek a hálózatok például olyan tengerfenéki hidrotermális kürtők közelében alakulhattak ki, amelyek folyamatosan biztosították a kiindulási vegyületeket, így önfenntartókká váltak (ezzel teljesítve az élet alapvető kritériumait). E forgatókönyv szerint a kezdeti egyszerű folyamatokban olyan molekulák keletkeztek, amelyek katalizátorként szolgáltak az összetettebb molekulák képződéséhez.start superscript, 18, end superscript Végül az anyagcserefolyamatok hálózata képesé vált az óriásmolekulák, például fehérjék és nukleinsavak létrehozására. A membránnal körülzárt (a közös hálózattól elkülönült) „egyedek” keletkezése pedig egy későbbi lépés során történhetett.start superscript, 14, end superscript
Hogyan nézhettek ki az első sejtek?
A sejtek egyik alapvető sajátsága az, hogy képesek fenntartani egy olyan belső környezetet, amely különbözik az őket körülvevő külső környezettől. A ma élő sejteket egy foszfolipid kettősréteg választja el a külvilágtól. Nem valószínű, hogy az első sejtek kialakulásakor rendelkezésre álltak volna foszfolipidek, de egyéb lipidekről (amelyek nagyobb eséllyel fordulhattak elő) szintén kimutatták, hogy spontán létrehozhatnak kettősrétegekből álló szerkezeteket.start superscript, 19, end superscript
Egy ilyen fajta szerkezet elvileg magába zárhatott egy önmagát sokszorozó ribozimet, vagy egy anyagcsereút résztvevőit, így kialakítva egy nagyon kezdetleges sejtet. Noha vonzónak tűnik ez az elképzelés, kísérletileg még nem sikerült alátámasztani – azaz kísérletileg még nem sikerült létrehozni önmagát sokszorozó sejtet abiotikus (élettelen) összetevőkből kiindulva.
Egy másik lehetőség: szerves molekulák az űrből
A korai Földön a szerves molekulák szervetlen anyagokból, spontán is létrejöhettek, Miller és Urey receptje alapján. De vajon érkezhettek-e ehelyett inkább az űrből?
Lehet, hogy a meteoritokon a Földre jutó szerves molekulák ötlete science fictionnek hangzik, viszont észszerű bizonyítékokon alapul. Tudósok például kimutatták, hogy a szerves molekulák keletkezése lehetséges a világűrben előforduló egyszerű kiindulási anyagokból, a világűrben uralkodó körülmények között (erős UV sugárzás és alacsony hőmérséklet). start superscript, 20, end superscript Azt is tudjuk, hogy egyes szerves vegyületek megtalálhatók a világűrben és más csillagrendszerekben.
A legfontosabb ilyen felfedezés különböző meteoritokról derítette ki, hogy szerves vegyületeket tartalmaznak (amelyek nem a Földről, hanem az űrből származnak). A Marsról érkezett ALH84001 jelű meteorit többgyűrűs szerves molekulákat tartalmazott. Egy másik, a Murchison meteorit nitrogéntartalmú bázisokat tartalmazott (amelyek a DNS és az RNS alkotórészei), emellett számos különféle aminosavat.
Egy Kanadában, 2000-ben lehullott meteorit apró szerves struktúrákat, úgynevezett „szerves gömböcskéket” rejtett. A NASA kutatói úgy vélik, hogy a Föld korai történelme során gyakran hullhattak ilyen típusú meteoritok a bolygóra, mintegy bevetve azt szerves anyagokkal.start superscript, 21, end superscript
Összefoglalás
A földi élet keletkezése magával ragadó, egyben hihetetlenül összetett kérdés. Nagyjából tudjuk, mikor kezdődött, de a hogyan rejtély marad.
- Miller, Urey és mások bebizonyították, hogy az általunk ismert élethez szükséges szerves építőkövek létrejöhettek egyszerű szervetlen molekulákból kiindulva.
- Amint kialakultak ezek az építőkövek, összeállhattak olyan polimerekké, mint a fehérjék vagy az RNS.
- Számos tudós támogatja az „RNS-világ” hipotézist, amely szerint nem a DNS, hanem az RNS volt az első genetikai anyag a Földön. Emellett ismert a „pre-RNS-világ” és az „első az anyagcsere” hipotézis is.
- A szerves anyagokat meteoritok vagy más égitestek is eljuttathatták a Földre.
Az élet eredetéről nem csak ezek a tudományos elképzelések léteznek, és egyikük sem perdöntő erejű. Tarts nyitva a füledet (és a szellemedet), hogy felfigyelj az élet eredetével kapcsolatos újabb információkra és tudományos gondolatokra!
Szeretnél részt venni a beszélgetésben?
Még nincs hozzászólás.