Vznik života

Spontánní generace

Až do počátku 19. století mnoho lidí věřilo v pravidelný spontánní vznik života z neživé hmoty. Toto tvrzení se nazývalo spontánní generace a bylo vyvráceno Louisem Pasteurem. Ukázal, že bez výtrusů nerostou na sterilním materiálu žádné bakterie ani viry.

Darwin

V dopise Josephu Daltonu Hookerovi z 11. února 1871 navrhl Charles Darwin přirozený proces vzniku života.

Domníval se, že prvotní jiskra života mohla vzniknout v "teplém rybníčku s nejrůznějšími druhy čpavku a fosforečných solí, světlem, teplem, elektřinou atd. Poté se chemicky vytvořila bílkovinná sloučenina připravená projít ještě složitějšími změnami". Dále vysvětlil, že "v dnešní době by taková hmota byla okamžitě pohlcena nebo vstřebána, což by se před vznikem živých tvorů nestalo".

Haldane a Oparin

Skutečného pokroku bylo dosaženo až v roce 1924, kdy Alexander Oparin zjistil, že atmosférický kyslík brání syntéze organických molekul. Organické molekuly jsou nezbytnými stavebními kameny pro vývoj života. Ve své knize The Origin of Life (Původ života) Oparin tvrdil, že "prapůvodní polévka" organických molekul mohla vzniknout v atmosféře bez kyslíku působením slunečního záření. Ty se spojovaly ve stále složitějších formách, dokud nevytvořily kapénky. Tyto kapénky by "rostly" slučováním s jinými kapénkami a "rozmnožovaly se" štěpením na dceřiné kapénky, a tak by měly primitivní metabolismus, v němž by přežívaly ty faktory, které podporují "integritu buněk", a ty, které nepřežijí, by vymíraly. Mnoho moderních teorií vzniku života stále vychází z Oparinových myšlenek.

Přibližně ve stejné době J. B. S. Haldane také předpokládal, že pozemské oceány před vznikem bioty, které se velmi lišily od současných oceánů, by mohly tvořit "horkou zředěnou polévku". V této polévce mohly vzniknout organické sloučeniny, stavební kameny života. Tato myšlenka byla nazvána biopoéza, proces vývoje živé hmoty ze samoreplikujících se, ale neživých molekul.

Spontánní generace

Až do počátku 19. století mnoho lidí věřilo v pravidelný spontánní vznik života z neživé hmoty. Toto tvrzení se nazývalo spontánní generace a bylo vyvráceno Louisem Pasteurem. Ukázal, že bez výtrusů nerostou na sterilním materiálu žádné bakterie ani viry.

Darwin

V dopise Josephu Daltonu Hookerovi z 11. února 1871 navrhl Charles Darwin přirozený proces vzniku života.

Domníval se, že prvotní jiskra života mohla vzniknout v "teplém rybníčku s nejrůznějšími druhy čpavku a fosforečných solí, světlem, teplem, elektřinou atd. Poté se chemicky vytvořila bílkovinná sloučenina připravená projít ještě složitějšími změnami". Dále vysvětlil, že "v dnešní době by taková hmota byla okamžitě pohlcena nebo vstřebána, což by se před vznikem živých tvorů nestalo".

Haldane a Oparin

Skutečného pokroku bylo dosaženo až v roce 1924, kdy Alexander Oparin zjistil, že atmosférický kyslík brání syntéze organických molekul. Organické molekuly jsou nezbytnými stavebními kameny pro vývoj života. Ve své knize The Origin of Life (Původ života) Oparin tvrdil, že "prapůvodní polévka" organických molekul mohla vzniknout v atmosféře bez kyslíku působením slunečního záření. Ty se spojovaly ve stále složitějších formách, dokud nevytvořily kapénky. Tyto kapénky by "rostly" slučováním s jinými kapénkami a "rozmnožovaly se" štěpením na dceřiné kapénky, a tak by měly primitivní metabolismus, v němž by přežívaly ty faktory, které podporují "integritu buněk", a ty, které nepřežijí, by vymíraly. Mnoho moderních teorií vzniku života stále vychází z Oparinových myšlenek.

Přibližně ve stejné době J. B. S. Haldane také předpokládal, že pozemské oceány před vznikem bioty, které se velmi lišily od současných oceánů, by mohly tvořit "horkou zředěnou polévku". V této polévce mohly vzniknout organické sloučeniny, stavební kameny života. Tato myšlenka byla nazvána biopoéza, proces vývoje živé hmoty ze samoreplikujících se, ale neživých molekul.

Z doby před 3,8 miliardami let neexistují téměř žádné geologické záznamy. Prostředí, které existovalo v období hadího věku, bylo životu nepřátelské, ale jak moc, není známo. Před 3,8 až 4,1 miliardami let nastalo období, které je známé jako pozdní těžké bombardování. Je tak pojmenováno proto, že se předpokládá, že tehdy vzniklo mnoho měsíčních kráterů. Situace na jiných planetách, jako je Země, Venuše, Merkur a Mars, musela být podobná. Tyto dopady by pravděpodobně Zemi sterilizovaly (zahubily veškerý život), pokud by v té době existoval.

Několik lidí se domnívá, že chemické látky v buňce napovídají, jaká musela být raná moře. V roce 1926 si Macallum všiml, že anorganické složení buněčného cytosolu se dramaticky liší od složení moderní mořské vody: "buňka... má vlohy přenesené z minulosti téměř tak vzdálené, jako je vznik života na Zemi". Např: "Všechny buňky obsahují mnohem více draslíku, fosfátů a přechodných kovů než moderní ... oceány, jezera nebo řeky". "Za anoxické, CO ₂-dominantní primordiální atmosféry by chemie vnitrozemských pánví u geotermálních polí [byla] podobná chemii uvnitř moderních buněk".

Teplota

Pokud se život vyvinul v hlubokém oceánu v blízkosti hydrotermálního průduchu, mohl vzniknout již před 4 až 4,2 miliardami let. Pokud naopak život vznikl na povrchu planety, je rozšířený názor, že se tak mohlo stát pouze před 3,5 až 4 miliardami let.

Lazcano a Miller (1994) se domnívají, že rychlost molekulární evoluce byla dána rychlostí recirkulace vody středooceánskými podmořskými průduchy. Úplná recirkulace trvá 10 milionů let, takže všechny organické sloučeniny, které by do té doby vznikly, by byly změněny nebo zničeny teplotou vyšší než 300 °C. Odhadují, že vývoj 100 kilobázového genomu primitivního heterotrofa s DNA/proteinem do podoby vláknité sinice se 7000 geny by trval pouhých 7 milionů let.

Historie zemské atmosféry

V zemské atmosféře původně nebyl téměř žádný volný kyslík. Postupně se během velmi dlouhé doby změnila na dnešní stav (viz Velká okysličovací událost). Tento proces začal u sinic. Byly to první organismy, které vytvářely volný kyslík fotosyntézou. Většina dnešních organismů potřebuje ke svému metabolismu kyslík, jen některé mohou k dýchání využívat jiné zdroje.

Lze tedy očekávat, že první protoorganismy byly chemoautotrofy a nevyužívaly aerobní dýchání. Byly anaerobní.

Z doby před 3,8 miliardami let neexistují téměř žádné geologické záznamy. Prostředí, které existovalo v období hadeánu, bylo životu nepřátelské, ale jak moc, není známo. Před 3,8 až 4,1 miliardami let nastalo období, které je známé jako pozdní těžké bombardování. Je tak pojmenováno proto, že se předpokládá, že tehdy vzniklo mnoho měsíčních kráterů. Situace na jiných planetách, jako je Země, Venuše, Merkur a Mars, musela být podobná. Tyto dopady by pravděpodobně Zemi sterilizovaly (zahubily veškerý život), pokud by v té době existoval.

Několik lidí se domnívá, že chemické látky v buňce napovídají, jaká musela být raná moře. V roce 1926 si Macallum všiml, že anorganické složení buněčného cytosolu se dramaticky liší od složení moderní mořské vody: "buňka... má vlohy přenesené z minulosti téměř tak vzdálené, jako je vznik života na Zemi". Např: "Všechny buňky obsahují mnohem více draslíku, fosfátů a přechodných kovů než moderní ... oceány, jezera nebo řeky". "Za anoxické, CO ₂-dominantní primordiální atmosféry by chemie vnitrozemských pánví u geotermálních polí [byla] podobná chemii uvnitř moderních buněk".

Teplota

Pokud se život vyvinul v hlubokém oceánu v blízkosti hydrotermálního průduchu, mohl vzniknout již před 4 až 4,2 miliardami let. Pokud naopak život vznikl na povrchu planety, je rozšířený názor, že se tak mohlo stát pouze před 3,5 až 4 miliardami let.

Lazcano a Miller (1994) se domnívají, že rychlost molekulární evoluce byla dána rychlostí recirkulace vody středooceánskými podmořskými průduchy. Úplná recirkulace trvá 10 milionů let, takže všechny organické sloučeniny, které by do té doby vznikly, by byly změněny nebo zničeny teplotou vyšší než 300 °C. Odhadují, že vývoj 100 kilobázového genomu primitivního heterotrofa s DNA/proteinem do podoby vláknité sinice se 7000 geny by trval pouhých 7 milionů let.

Historie zemské atmosféry

V zemské atmosféře původně nebyl téměř žádný volný kyslík. Postupně se během velmi dlouhé doby změnila na dnešní stav (viz Velká okysličovací událost). Tento proces začal u sinic. Byly to první organismy, které vytvářely volný kyslík fotosyntézou. Většina dnešních organismů potřebuje ke svému metabolismu kyslík, jen některé mohou k dýchání využívat jiné zdroje.

Lze tedy očekávat, že první protoorganismy byly chemoautotrofy a nevyužívaly aerobní dýchání. Byly anaerobní.

Neexistuje žádný "standardní model" vzniku života. Většina uznávaných modelů je založena na molekulární biologii a buněčné biologii:

1. Protože jsou k tomu vhodné podmínky, vznikají některé základní malé molekuly. Ty se nazývají monomery života. Aminokyseliny jsou jedním z typů těchto molekul. To prokázal Millerův-Ureyův experiment Stanleyho L. Millera a Harolda C. Ureyho v roce 1953 a nyní víme, že tyto základní stavební kameny jsou běžné v celém vesmíru. Raná Země by je měla všechny.
2. Fosfolipidy, které mohou tvořit lipidové dvojvrstvy, hlavní složku buněčné membrány.
3. Nukleotidy, které se mohou spojit do náhodných molekul RNA. To mohlo vyústit v samoreplikující se ribozymy (hypotéza o světě RNA).
4. Konkurence o substráty by z miniproteinů vyselektovala enzymy. Ribozom je pro syntézu bílkovin v dnešních buňkách klíčový, ale netušíme, jak se vyvinul.
5. Dříve byly ribonukleové kyseliny katalyzátory, ale později se nukleové kyseliny specializují na genomické použití.

Původ základních biomolekul sice není vyřešen, ale je méně sporný než význam a pořadí kroků 2 a 3. Základní chemické látky, z nichž se předpokládá, že vznikl život, jsou:

• Metan (CH ₄),
• Amoniak (NH ₃),
• Voda (H ₂O),
• Sirovodík (H ₂S),
• oxid uhličitý (CO ₂) nebo oxid uhelnatý (CO) a
• Fosfáty (PO ₄^3-).

Molekulární kyslík (O₂ ) a ozon (O₃ ) se vyskytovaly jen zřídka nebo se nevyskytovaly vůbec.

Tři fáze

• Fáze 1: Vznik biologických monomerů
• Fáze 2: Vznik biologických polymerů
• Fáze 3: Vývoj od molekul k buňkám

Bernal naznačil, že evoluce mohla začít brzy, někdy mezi 1. a 2. fází.

Neexistuje žádný "standardní model" vzniku života. Většina uznávaných modelů je založena na molekulární biologii a buněčné biologii:

1. Protože jsou k tomu vhodné podmínky, vznikají některé základní malé molekuly. Ty se nazývají monomery života. Aminokyseliny jsou jedním z typů těchto molekul. To prokázal Millerův-Ureyův experiment Stanleyho L. Millera a Harolda C. Ureyho v roce 1953 a nyní víme, že tyto základní stavební kameny jsou běžné v celém vesmíru. Raná Země by je měla všechny.
2. Fosfolipidy, které mohou tvořit lipidové dvojvrstvy, hlavní složku buněčné membrány.
3. Nukleotidy, které se mohou spojit do náhodných molekul RNA. To mohlo vyústit v samoreplikující se ribozymy (hypotéza o světě RNA).
4. Konkurence o substráty by z miniproteinů vyselektovala enzymy. Ribozom je pro syntézu bílkovin v dnešních buňkách klíčový, ale netušíme, jak se vyvinul.
5. Dříve byly ribonukleové kyseliny katalyzátory, ale později se nukleové kyseliny specializují na genomické použití.

Původ základních biomolekul sice není vyřešen, ale je méně sporný než význam a pořadí kroků 2 a 3. Základní chemické látky, z nichž se předpokládá, že vznikl život, jsou:

• Metan (CH ₄),
• Amoniak (NH ₃),
• Voda (H ₂O),
• Sirovodík (H ₂S),
• oxid uhličitý (CO ₂) nebo oxid uhelnatý (CO) a
• Fosfáty (PO ₄^3-).

Molekulární kyslík (O₂ ) a ozon (O₃ ) se vyskytovaly jen zřídka nebo se nevyskytovaly vůbec.

Tři fáze

• Fáze 1: Vznik biologických monomerů
• Fáze 2: Vznik biologických polymerů
• Fáze 3: Vývoj od molekul k buňkám

Bernal naznačil, že evoluce mohla začít brzy, někdy mezi 1. a 2. fází.

Na rané Zemi existují tři zdroje organických molekul:

1. organická syntéza pomocí zdrojů energie (jako je ultrafialové světlo nebo elektrické výboje).
2. dodání mimozemskými objekty, jako jsou uhlíkaté meteority (chondrity);
3. organická syntéza řízená nárazovými otřesy.

Odhady těchto zdrojů naznačují, že těžké bombardování před 3,5 miliardami let umožnilo získat množství organických látek srovnatelné s těmi, které vznikly z jiných zdrojů energie.

Millerův experiment a prvotní polévka

V roce 1953 provedl postgraduální student Stanley Miller a jeho profesor Harold Urey experiment, který ukázal, jak mohly organické molekuly vzniknout na rané Zemi z anorganických prekurzorů.

V dnes již proslulém Millerově-Ureyově experimentu byla použita vysoce redukovaná směs plynů - metanu, amoniaku a vodíku - k tvorbě základních organických monomerů, jako jsou aminokyseliny. Nyní víme, že po více než první polovinu historie Země neměla její atmosféra téměř žádný kyslík.

Experimenty společnosti Fox

V 50. a 60. letech 20. století studoval Sidney W. Fox spontánní vznik peptidových struktur za podmínek, které mohly existovat v rané historii Země. Prokázal, že aminokyseliny mohou samy o sobě vytvářet malé peptidy. Tyto aminokyseliny a malé peptidy mohly být povzbuzeny k tvorbě uzavřených kulovitých membrán, tzv. mikrosfér.

Na rané Zemi existují tři zdroje organických molekul:

1. organická syntéza pomocí zdrojů energie (jako je ultrafialové světlo nebo elektrické výboje).
2. dodání mimozemskými objekty, jako jsou uhlíkaté meteority (chondrity);
3. organická syntéza řízená nárazovými otřesy.

Odhady těchto zdrojů naznačují, že těžké bombardování před 3,5 miliardami let umožnilo získat množství organických látek srovnatelné s těmi, které vznikly z jiných zdrojů energie.

Millerův experiment a prvotní polévka

V roce 1953 provedl postgraduální student Stanley Miller a jeho profesor Harold Urey experiment, který ukázal, jak mohly organické molekuly vzniknout na rané Zemi z anorganických prekurzorů.

V dnes již proslulém Millerově-Ureyově experimentu byla použita vysoce redukovaná směs plynů - metanu, amoniaku a vodíku - k tvorbě základních organických monomerů, jako jsou aminokyseliny. Nyní víme, že po více než první polovinu historie Země neměla její atmosféra téměř žádný kyslík.

Experimenty společnosti Fox

V 50. a 60. letech 20. století studoval Sidney W. Fox spontánní vznik peptidových struktur za podmínek, které mohly existovat v rané historii Země. Prokázal, že aminokyseliny mohou samy o sobě vytvářet malé peptidy. Tyto aminokyseliny a malé peptidy mohly být povzbuzeny k tvorbě uzavřených kulovitých membrán, tzv. mikrosfér.

Někteří vědci navrhli zvláštní podmínky, které by mohly usnadnit syntézu buněk.

Hliněný svět

Hliněný model vzniku života navrhl A. Graham Cairns-Smith. Teorie jílu předpokládá, že složité organické molekuly vznikaly postupně na již existující neorganické platformě, konkrétně na krystalech křemičitanů v roztoku.

Model hluboké biosféry

V 70. letech 20. století přišel Thomas Gold s teorií, že život se poprvé nevyvinul na povrchu Země, ale několik kilometrů pod povrchem. Objev nanobů (vláknitých struktur, které jsou menší než bakterie, ale mohou obsahovat DNA v hlubokých horninách) na konci 90. let 20. století by mohl Goldovu teorii podpořit.

V současné době je již poměrně dobře známo, že mikrobiální život je na Zemi hojný v malých hloubkách (až pět kilometrů pod povrchem), a to v podobě extrémofilních archeí, nikoliv známějších eubakterií (které žijí v přístupnějších podmínkách).

Gold tvrdil, že k přežití je nutný přísun potravy z hlubokého, nedostupného zdroje, protože život vznikající v kaluži organického materiálu pravděpodobně spotřebuje veškerou svou potravu a vyhyne. Goldova teorie spočívala v tom, že přítok potravy je způsoben vypouštěním prapůvodního metanu ze zemského pláště.

Samoorganizace a replikace

Charakteristickým znakem živých systémů je sebeorganizace a sebereplikace. Neživé molekuly někdy vykazují tyto vlastnosti za vhodných podmínek. Martin a Russel například ukázali, že buněčné membrány oddělující obsah od prostředí a samoorganizace samostatných redoxních reakcí jsou nejzachovalejšími atributy živých organismů. Tvrdí, že taková anorganická hmota by byla nejpravděpodobnějším posledním společným předkem života.

Někteří vědci navrhli zvláštní podmínky, které by mohly usnadnit syntézu buněk.

Hliněný svět

Hliněný model vzniku života navrhl A. Graham Cairns-Smith. Teorie jílu předpokládá, že složité organické molekuly vznikaly postupně na již existující neorganické platformě, konkrétně na krystalech křemičitanů v roztoku.

Model hluboké biosféry

V 70. letech 20. století přišel Thomas Gold s teorií, že život se poprvé nevyvinul na povrchu Země, ale několik kilometrů pod povrchem. Objev nanobů (vláknitých struktur, které jsou menší než bakterie, ale mohou obsahovat DNA v hlubokých horninách) na konci 90. let 20. století by mohl Goldovu teorii podpořit.

V současné době je již poměrně dobře známo, že mikrobiální život je na Zemi hojný v malých hloubkách (až pět kilometrů pod povrchem), a to v podobě extrémofilních archeí, nikoliv známějších eubakterií (které žijí v přístupnějších podmínkách).

Gold tvrdil, že k přežití je nutný přísun potravy z hlubokého, nedostupného zdroje, protože život vznikající v kaluži organického materiálu pravděpodobně spotřebuje veškerou svou potravu a vyhyne. Goldova teorie spočívala v tom, že přítok potravy je způsoben vypouštěním prapůvodního metanu ze zemského pláště.

Samoorganizace a replikace

Charakteristickým znakem živých systémů je sebeorganizace a sebereplikace. Neživé molekuly někdy vykazují tyto vlastnosti za vhodných podmínek. Martin a Russel například ukázali, že buněčné membrány oddělující obsah od prostředí a samoorganizace samostatných redoxních reakcí jsou nejzachovalejšími atributy živých organismů. Tvrdí, že taková anorganická hmota by byla nejpravděpodobnějším posledním společným předkem života.

Hypotéza světa RNA

Podle této hypotézy funguje RNA jako enzym i jako zásobník genů. Později její genetickou roli převzala DNA.

Hypotéza světa RNA předpokládá, že život založený na ribonukleové kyselině (RNA) předcházel současnému světu života založenému na deoxyribonukleové kyselině (DNA), RNA a bílkovinách. RNA je schopna uchovávat genetickou informaci jako DNA a zároveň katalyzovat chemické reakce jako enzym. Je možné, že podporovala předbuněčný život a byla významným krokem k buněčnému životu.

Existují důkazy, které tuto myšlenku podporují:

1. Některé RNA fungují jako enzymy.
2. Některé viry používají k dědičnosti RNA.
3. Mnohé z nejzákladnějších částí buňky (ty, které se vyvíjejí nejpomaleji) vyžadují RNA.

Metabolismus a proteiny

Tato myšlenka naznačuje, že bílkoviny fungovaly nejprve jako enzymy, které vytvářely metabolismus. Poté začaly DNA a RNA fungovat jako zásobníky genů.

Tato myšlenka má také některé důkazy, které ji podporují.

1. Bílkoviny jako enzym jsou pro dnešní život nezbytné.
2. Některé aminokyseliny se v Millerově-Ureyově experimentu tvoří ze zásaditějších chemických látek. Někteří tuto myšlenku popírají, protože bílkoviny se nemohou kopírovat.

Lipidy

V tomto schématu se brzy objevují membrány tvořené lipidovými dvojvrstvami. Jakmile jsou v nich uzavřeny organické chemické látky, je možná složitější biochemie.

Hypotéza světa RNA

Podle této hypotézy funguje RNA jako enzym i jako zásobník genů. Později její genetickou roli převzala DNA.

Hypotéza světa RNA předpokládá, že život založený na ribonukleové kyselině (RNA) předcházel současnému světu života založenému na deoxyribonukleové kyselině (DNA), RNA a bílkovinách. RNA je schopna uchovávat genetickou informaci jako DNA a zároveň katalyzovat chemické reakce jako enzym. Je možné, že podporovala předbuněčný život a byla významným krokem k buněčnému životu.

Existují důkazy, které tuto myšlenku podporují:

1. Některé RNA fungují jako enzymy.
2. Některé viry používají k dědičnosti RNA.
3. Mnohé z nejzákladnějších částí buňky (ty, které se vyvíjejí nejpomaleji) vyžadují RNA.

Metabolismus a proteiny

Tato myšlenka naznačuje, že bílkoviny fungovaly nejprve jako enzymy, které vytvářely metabolismus. Poté začaly DNA a RNA fungovat jako zásobníky genů.

Tato myšlenka má také některé důkazy, které ji podporují.

1. Bílkoviny jako enzym jsou pro dnešní život nezbytné.
2. Některé aminokyseliny se v Millerově-Ureyově experimentu tvoří ze zásaditějších chemických látek. Někteří tuto myšlenku popírají, protože bílkoviny se nemohou kopírovat.

Lipidy

V tomto schématu se brzy objevují membrány tvořené lipidovými dvojvrstvami. Jakmile jsou v nich uzavřeny organické chemické látky, je možná složitější biochemie.

To je myšlenka, kterou navrhl Arrhenius a rozvinul Fred Hoyle, že život se vyvinul jinde ve vesmíru a na Zemi se dostal ve formě spor. Nejedná se o teorii vzniku života, ale o teorii, jak se mohl šířit. Mohl se šířit například pomocí meteoritů.

Podle některých názorů byl raný Mars vhodnějším místem pro vznik života než raná Země. Molekuly, které se spojily a vytvořily genetický materiál, jsou složitější než "prvotní polévka" organických (na bázi uhlíku) chemických látek, která existovala na Zemi před čtyřmi miliardami let. Pokud byla RNA prvním genetickým materiálem, pak mohly minerály obsahující bór a molybden napomáhat jejímu vzniku. Tyto minerály byly na Marsu mnohem běžnější než na Zemi.

To je myšlenka, kterou navrhl Arrhenius a rozvinul Fred Hoyle, že život se vyvinul jinde ve vesmíru a na Zemi se dostal ve formě spor. Nejedná se o teorii vzniku života, ale o teorii, jak se mohl šířit. Mohl se šířit například pomocí meteoritů.

Podle některých názorů byl raný Mars vhodnějším místem pro vznik života než raná Země. Molekuly, které se spojily a vytvořily genetický materiál, jsou složitější než "prvotní polévka" organických (na bázi uhlíku) chemických látek, která existovala na Zemi před čtyřmi miliardami let. Pokud byla RNA prvním genetickým materiálem, pak mohly minerály obsahující bór a molybden napomáhat jejímu vzniku. Tyto minerály byly na Marsu mnohem běžnější než na Zemi.

• Astrobiologie
• Nejstarší známé formy života

• Astrobiologie
• Nejstarší známé formy života