Evolučná abiogenéza

Pozri aj vznik života

Evolučná abiogenéza je v súčasnosti prírodovedcami všeobecne najviac akceptovaná teória vzniku života, spočívajúca v postupnom a zákonitom vývoji (preto „evolučná“) živej hmoty (organických zlúčenín) pôvodne z neživej hmoty. Ak navyše predpokladáme, že k tomuto vzniku došlo priamo na Zemi, hovoríme o autochtónnej (evolučnej) abiogenéze. Autorom autochtónnej evolučnej abiogenézy bol pôvodne v roku 1924 sovietsky biológ a biochemik Alexander Ivanovič Oparin (1894 – 1980).

Vznik úplne prvej živej veci (chemickou evolúciou), vrátane chemickej histórie, ktorá mu predchádzala, sa niekedy nazýva aj biopoéza (termín zaviedol Pirie v roku 1937). Naopak pre - predpodkladaný - opätovný vznik života chemickou evolúciou, ktorý prebieha od vzniku prvého života dodnes sa používa aj termín neobiogenéza (termín zaviedol Keosian v roku 1965/1968).

Podmienky na Zemi

Planéta Zem bola od svojho vzniku až po obdobie pred približne 3,8 miliardami rokov pre vznik života nehostinným prostredím. Na jej povrchu panovali vysoké teploty, ktoré organické zlúčeniny neznášajú, bola vystavená intenzívnemu ionizujúcemu žiareniu a bombardovaná veľkými objektami z vesmíru. Pred približne 3,8 miliardami rokov začali byť podmienky priaznivejšie, hoci stále značne odlišné od dnešných. Hlavným rozdielom bola neprítomnosť vzdušného kyslíka (O₂), prípadne jeho prítomnosť iba v stopových množstvách. V takých podmienkach mohli na Zemi vznikať organické látky a zlúčeniny aj bez pomoci živých organizmov (tento proces sa nazýva abiotická syntéza). Pokusmi to prvýkrát potvrdil Stanley Miller v roku 1953, keď sa mu pomocou elektrických výbojov podarilo vytvoriť z vody, metánu a amoniaku množstvo organických látok (aminokyseliny, cukry ale aj puríny a pyrimidíny - zložky RNA a DNA). Syntézu týchto látok úspešne potvrdili aj iné laboratóriá v rôzne modifikovaných podmienkach.

Organické zlúčeniny však nemuseli nevyhnutne vzniknúť na Zemi, mohli byť dopravené na Zem aj meteoritmi z kozmu. Ich prítomnosť bola potvrdená práve v meteoritoch (napr. meteorit Murchison, ktorý dopadol v roku 1969 v Austrálii a bol analyzovaný hneď po dopade, obsahoval veľké množstvo aminokyselín), ale aj v atmosfére Jupitera a Saturnu, či v hviezdnom prachu.

Kedy vznikol život

Planéta Zem je stará približne 5 miliárd rokov. Samotný vznik života sa pravdepodobne neodohral skôr ako pred 3,8 miliardami rokov, pričom najstaršie známe skameneliny živých organizmov sa našli vo vrstvách starých 3,5 miliardy rokov. Ak však prvotné organizmy boli hypertermofilné (žijúce pri teplotách 80 až 110 °C), život mohol teoreticky vzniknúť oveľa skôr.

Ako vznikol život

Stromatolity patria medzi najstaršie makroskopické stopy, ktoré preukazujú existenciu života

Existuje viacero teórií pokúšajúcich sa vysvetliť vznik života. Sú založené na laboratórnom výskume chemických vlastností pre život významných chemických látok v podmienkach viac-menej podobných podmienkam v ranom štádiu vývinu planéty Zem. Najrozšírenejší názor v súčasnosti je, že prvé živé organizmy vznikli hlboko v oceáne v okolí tektonických komínov chrliacich horúcu vodu bohatú na minerály. (Názor, že život nevznikol na Zemi, ale bol na Zem prenesený napríklad prostredníctvom meteoritov, v skutočnosti otázku vzniku života nerieši, len odsúva riešenie mimo našu planétu.)

Svet RNA

Prvými molekulami tvoriacimi vlastné kópie (replikácia) boli pravdepodobne krátke úseky RNA, pričom správnemu usporiadaniu jednotlivých báz do krátkych úsekov RNA mohol napomôcť povrch niektorých hornín (napr. pyritu), ktorý mal katalytickú funkciu. Aby sa takýto systém mohol nazvať živým, musí byť schopný tvoriť vlastné kópie. Niektoré krátke vlákna RNA sa dokážu množiť bez pomoci bielkovín (samoreplikácia). Prvé vlákna schopné replikácie museli byť kratšie ako 100 báz a to z toho dôvodu, že tvorba kópií nebola dostatočne presná (mala presnosť max. asi 99%). Takéto systémy mohli podliehať evolúcii (chybami v prepise vznikali mutácie, ktoré zvyšovali rôznorodosť vlákien RNA, pričom prevládli tie, ktoré sa dokázali najefektívnejšie replikovať). Molekuly RNA sú jednovláknové, ale vlákno sa môže čiastočne spájať samo so sebou, čím vzniká komplikovaný systém slučiek. Ich priestorové usporiadanie je priamo závislé na poradí báz vo vlákne. Toto usporiadanie umožňuje mnohým RNA fungovať ako enzým ribozým. Vznik rôznych ribozýmov bol demonštrovaný urýchlenou evolúciou v experimentálnych podmienkach, keď z náhodne vybraných molekúl RNA vznikli ribozýmy schopné urýchľovať niektoré kroky tvorby svojich vlastných stavebných prvkov (syntézu nukleotidov).^{[chýba zdroj]}

Vznik biologických membrán bol v podstate samovoľný, ako preukázal Alexander Ivanovič Oparin (nazval ich koacerváty). Pri vzniku života bola pravdepodobne kľúčová spolupráca krátkych úsekov RNA v obmedzenom priestore, akým mohli byť štruktúry podobné Oparinovým koacervátom, alebo skôr membránové slučky viazané na povrchu hornín. Hneď ako začala aktivita RNA prispievať k rastu membrán, mohlo dôjsť k ich trvalému spojeniu a takýto systém by sa už mohol nazvať prvotným predchodcom bunky (protobiont).

Počiatky tvorby bielkovín a objavenie sa prvej DNA

Najťažšou výzvou pre vedcov je vyriešiť otázku, ako došlo k spojeniu RNA, DNA a bielkovín. Prvotné ribozýmy pravdepodobne viazali rôzne aminokyseliny, ktoré im pôvodne slúžili ako kofaktor (napomáhali ich enzymatickej funkcii), a táto vlastnosť bola neskôr využitá pri tvorbe bielkovín. Niektoré ribozýmy, ktoré vznikli evolúciou v umelých podmienkach, dokázali katalyzovať tvorbu krátkych vlákien aminokyselín. Tieto pokusy preukázali, že vlákna RNA sú prinajmenšom sami schopné vytvárať menšie bielkoviny (alebo aspoň peptidy).^{[chýba zdroj]}

Tvorba peptidov pomocou molekúl RNA viedla ku vzniku Genetického kódu, v ktorom 3 za sebou idúce bázy RNA kódujú 1 aminokyselinu. Tento kód je (s drobnými odchýlkami) rovnaký u všetkých dnes žijúcich organizmov. Pôvodný názor vedcov bol taký, že genetický kód je vlastne náhodný a toto náhodné usporiadanie "zamrzlo" (t. j. v nasledujúcom období sa už nemenilo, pretože každá zmena by viedla k nesprávnej tvorbe bielkovín, čo bolo vždy smrteľné). Proti tomuto názoru hovoria dva základné argumenty:

• Drobné rozdiely v kóde existujú (napr. v mitochondriách, niektorých baktériách, archeách).
• Kód je vytvorený tak, že mnohé mutácie sa pri čítaní kódu nakoniec v štruktúre bielkoviny neprejavia; viaceré aminokyseliny sú totiž kódované takými trojicami báz, v ktorých sú dôležité len prvé dve, kým posledná môže byť akákoľvek (napr. trojice CCC, CCU, CCA aj CCG kódujú prolín, alebo trojice GUC, GUU, GUA aj GUG kódujú valín). Preto mutácia poslednej bázy z trojice nemá žiadny vplyv na danú bielkovinu.

Tieto dva argumenty hovoria za to, že genetický kód mohol tiež (aspoň zo začiatku) podliehať evolúcii. Dnes sa predpokladá, že pôvodný kód bol pravdepodobne len dvojbázový a kódoval len menší počet aminokyselín.^{[chýba zdroj]}

Experimenty v laboratóriu tiež ukázali, že aspoň niektoré aminokyseliny môžu interagovať priamo so svojimi kodónmi (napr. arginínové kodóny viažu arginín) a nepotrebujú teda bezpodmienečne tRNA. Väzba aminokyselina + trojica báz mohla mať svoj význam v evolúcii kodónu.^{[chýba zdroj]}

Názory vedcov na to, ktoré aminokyseliny boli pôvodné a ktoré sa pridali neskôr zatiaľ nie sú úplne ustálené.

Čo sa týka spojenia RNA a DNA, predpokladá sa, že prvé bunkové štruktúry boli RNA bunky. Tieto bunky boli napádané rôznymi vírusmi. Podľa niektorých názorov, DNA mohla pôvodne vzniknúť ako stabilnejšia forma genetického kódu týchto vírusov (molekula DNA je oveľa stabilnejšia ako RNA), aby mohli ľahšie prečkať obdobie medzi uvoľnením sa z pôvodnej napadnutej bunky až po napadnutie ďalšej bunky. DNA vírusy, ktoré stratili svoju infekčnosť mohli pretrvať v bunke a postupne sa stať súčasťou jej genetického kódu. (Zabudovávanie genetického materiálu vírusov do buniek hostiteľského organizmu prebiehalo potom nepretržite až do súčasnosti.)^{[chýba zdroj]}

Vlastnosti prvých organizmov

Prvé organizmy boli chemoautotrofné (t. j. nie heterotrofné ako predpokladal Oparin) a priamo záviseli od geologickej činnosti Zeme, ktorá im dodávala potrebnú energiu. Až vznik fotosyntézy znamenal zmenu, vďaka ktorej sa organizmy rozšírili po celej planéte.

Problémom pri skúmaní vzniku života je, že tento proces nie je možné priamo pozorovať, chýbajú viaceré známe detaily o vtedajších podmienkach a zatiaľ nie je úplne objasnené ani fungovanie súčasných buniek.

Pozri aj

• Život
• Evolúcia