Czas emerytury sprawia czasem dziwne niespodzianki. Całe życie zawodowe miałem do czynienia z żywymi organizmami, zarówno z mikroskopijnymi, jak i doskonale widocznymi gołym okiem. Dlaczego dopiero po uwolnieniu się od tych niezwykle interesujących modeli laboratoryjnych zacząłem się zastanawiać, jak doszło do zaistnienia biologicznego życia, i dlaczego warunki do jego zaistnienia stworzyła nasza wyjątkowa planeta. Jakie były jego początki? Jakie było pierwotne źródło pierwiastków tworzących biologiczne struktury? Skąd pochodzą atomy, z których zbudowane są nasze ciała? Wcześniej wystarczyło mi, że dookoła widzę życie, że każdego dnia wstaje Słońce, a nocą mogę podziwiać i fotografować obrazy nieba z księżycem i rozsianymi gwiazdami. Echa nauk pobieranych w szkole dawno już przebrzmiały. Trzeba było zaczynać od nowa.
Każdy organizm zbudowany jest z kilku zaledwie atomów (C, H, O, N, P, S). Eksperymenty przeprowadzone jeszcze w XX wieku wykazały, że niektóre najprostsze, ale w pełni organiczne związki chemiczne mogły powstawać w tzw. „pierwotnej zupie”. Na początku wystarczyło środowisko wodne, metan, etan, amoniak, siarkowodór. W ekstremalnie abiotycznych warunkach fizycznych pierwszego miliarda lat istnienia Ziemi, bez udziału tlenu cząsteczkowego, mogły one dać początek kształtowanego przez miliony lat długiego łańcucha procesów chemicznych prowadzących do powstania żywych organizmów. W skrócie łańcuch ten można przedstawić jako kolejne etapy świata fizycznego, świata chemicznego, świata biochemicznego, świata w pełni biologicznego. To stwierdzenie zapożyczone z książki „Ziemia – cztery miliardy lat historii w ośmiu rozdziałach” A.H. Knolla. Tak wygląda hipotetyczny szlak samorództwa ziemskiego życia. A czy tak rzeczywiście było? Istnieje też hipoteza panspermii (życie zostało zasiane z kosmosu) i oczywiście religijny dogmat stworzenia fizycznego świata i biologicznego życia przez Boga.
Pierwiastki warunkujące istnienie życia (i wszystkie pozostałe) występują w całym Wszechświecie. Powstawały i nadal powstają one w wyniku procesów jądrowych, zachodzących w gwiazdach. Procesy te rodzą nie tylko pierwiastki, ale także ogromną ilość energii wysyłanej w przestrzeń kosmiczną. Promieniowanie kosmiczne mogło być krytycznie niezbędne dla zapoczątkowania długiego łańcucha procesów w kierunku powstania biologicznego życia. Ale przecież promieniowanie to jest zabójcze dla organizmów żywych. Tymczasem promieniowanie nieprzerwanie trwa i ziemskie życie, mimo różnych kataklizmów również trwa.
Zrządzeniem ziemskiego losu było umiejscowienie się okołosłonecznej orbity naszej planety w strefie sprzyjającej życiu; nie za blisko i nie za daleko od Słońca. Bliżej byłoby za gorąco, a dalej – za zimno. Słońce chroni też Ziemię przed promieniowaniem kosmicznym. Wyrzuty plazmy z korony słonecznej generują tzw. wiatr słoneczny, który tworzy ochronną heliosferę wokół orbitujących planet. Jednak energia słoneczna ma również moc zniszczenia ziemskiego życia. Ale przed takim kataklizmem Ziemia umie obronić sie sama generując silne Przed zabójczą częścią promieniowania słonecznego (jak i pochodzącego z dalszego kosmosu) Ziemię chroni jej pole magnetyczne. Jego pierwotnym źródłem są ruchy płynnego żelaza w jądrze naszej planety, którym sprzyja również ruch wirowy Ziemi. Analizując te uwarunkowania ziemskiego życia możemy mówić o skrajnej wyjątkowości jego zaistnienia. Czy wyjątkowości w skali całego Wszechświata?
Jeżeli przyjmiemy samorództwo ziemskiego życia, rodzi się pytanie, jakie mogły być początki? Samorzutne powstawanie najprostszych molekuł organicznych miało szansę zaistnieć w krytycznych warunkach termalnych, przy udziale wyładowań elektrycznych i promieniowania kosmicznego. Brak światła i tlenu w oceanicznych głębinach w początkowym okresie istnienia Ziemi sugeruje, że rozwijać się mogły tylko samożywne chemoautotrofy litotroficzne, które energię do pierwszych procesów metabolicznych generowały pozyskując elektrony ze źródeł nieorganicznych (litotrofia), a źródłem węgla do syntez komórkowych mógł być dwutlenek węgla (autotrofia).
Zapoczątkowanie życia biologicznego przypisuje się bakteriom pozyskującym energię z beztlenowego utleniania związków mineralnych. Głównym kandydatem jest tu utlenianie wydzielanego przez kominy termalne siarkowodoru (H2S) w reakcji z siarczkiem żelaza (FS). Produktami są piryt (FS2) i wodór (H2). Wyniki badań geologicznych uprawdopodobniają takie wyjaśnienie, wskazując na złoża pirytu pochodzące z wczesnego etapu historii Ziemi. Z wczesnego etapu, ale dopiero po ustaniu wielkiego bombardowania Ziemi (i jej księżyca), kiedy nastąpiło wielkie ochłodzenie planety i mógł zaistnieć wszechocean wypełniony wodą. Została ona przyniesiona przez asteroidy czy meteoryty w postaci lodu z odległych zimnych pierścieni otaczających Słońce. A woda to nie tylko źródło tlenu, ale jedyne i niezbędne środowisko do zajścia znanych nam procesów biochemicznych.
Życie oparte jest o przemianach organicznych związków węgla. Było go pod dostatkiem w postaci dwóch prostych związków dwutlenku węgla (CO2) i metanu (CH4). Metan to także źródło energii, tyle tylko, że jej pozyskiwanie (przez metylotrofy) wymaga wolnego tlenu, a to mogło mieć miejsce dopiero po jego nagromadzeniu przez sinice. To też bakterie, ale już z nowym mechanizmem pozyskiwania energii w procesie fotosyntezy. Sinice były wyposażone w chlorofil (podobnie jak późniejsze rośliny), miały także zdolność do asymilacji azotu nieorganicznego oraz pozyskiwały wodór w procesie fotolizy wody. Sinice są odpowiedzialne za przejście form żywych ze świata organizmów beztlenowych do świata organizmów tlenowych.
Przejście to trwało długie miliony lat, ale nie odbyło się łagodnie, ponieważ bezwzględnie beztlenowe bakterie musiały wcześniej przeżyć wielki szok tlenowy. W naszym dzisiejszym świecie bakterie beztlenowe mają się jednak dobrze, zasiedlając nisze pozbawione tlenu, a niektóre nauczyły się tolerować jego obecność. Wiele z nich bytuje w naszych jelitach. A sinice mają się nadal dobrze. Te jedne z najstarszych współczesnych bakterii znajdują dla siebie doskonałe warunki w płytkich wodach, a także współżyją z grzybami w formie porostów.
Kolejny etap rozwoju organizmów ziemskich – powstawanie bardziej złożonych form wielokomórkowych, nastąpił prawdopodobnie dopiero pod koniec prekambru, w przedziale gdzieś 1600-600 mln lat temu. Z ugrupowań (kolonii) jednokomórkowców zaczęły rozwijać się organizmy wielokomórkowe. Najpierw roślinne (przed ponad 1 mld lat glony). Nieco później pojawiły się również osiadłe wielokomórkowe organizmy zwierzęce (początkowo bez możliwości własnego ruchu). Zwierzęta pozbawione własnego ruchu przetrwały do współczesnych czasów; są to koralowce i gąbki. Był to dopiero początek rozwoju niezwykle zróżnicowanych form roślinnych i zwierzęcych o złożonej budowie wewnętrznej (tkanki, organy) i morfologii zewnętrznej.
Później życie biologiczne na Ziemi potoczyło się już szybko (w geologicznej skali czasowej), ale przechodziło również tragiczne etapy globalnych kataklizmów geologiczno-ekologicznych i wielkich wymierań istniejących gatunków. Po kolejnych wymieraniach życie jednak odradzało się powoli w nowych, doskonalszych formach dyktowanych przez nowe warunki geologiczno-klimatyczne. Ale to wymaga przygotowania kolejnego wpisu.