Czas emerytury sprawia czasem dziwne niespodzianki. Całe życie zawodowe miałem do czynienia z żywymi organizmami, zarówno z mikroskopijnymi, jak i doskonale widocznymi gołym okiem. Dopiero po uwolnieniu się od tych niezwykle interesujących modeli laboratoryjnych pojawiło się pytanie, dlaczego warunki do zaistnienia biologicznego życia stworzyła nasza wyjątkowa planeta. 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. Musiała wystąpić niezliczona ilość prób łączenia się pierwiastków w cząsteczki chemiczne, a tych w połączenia, które nazywamy organicznymi. A wcześniej pierwiastki, o których mowa, musiały też z czegoś powstać; ujmując najprościej – z protonów i elektronów.
Przez długie miliony lat łańcuch procesów fizycznych, chemicznych/biochemicznych w ekstremalnie abiotycznych warunkach fizycznych pierwszego miliarda lat istnienia Ziemi doprowadził do zaistnienia życia biologicznego. I co niezwykle ważne, kiedy rodziło się życie, na Ziemi nie było tlenu cząsteczkowego. Tak wygląda hipotetyczny, najbardziej ogólny obraz powstawania samorództwa ziemskiego życia. A czy tak rzeczywiście było? Istnieje przecież także hipoteza panspermii (życie zostało zasiane z kosmosu). Poza obszarem nauki istnieje jednak religijny dogmat stworzenia fizycznego świata i biologicznego życia przez Boga. Dla wierzących rozwiązuje to problem ziemskiego życia w sposób definitywny – wszystkie biologiczne gatunki, łącznie z człowiekiem, powołał do życia Bóg.
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, wręcz inicjujące dla zapoczątkowania długiego łańcucha procesów w kierunku powstania biologicznego życia. Ale przecież wiemy, że promieniowanie to jest zabójcze dla organizmów żywych. Promieniowanie to trwa nieprzerwanie, ale Ziemia i ziemskie życie jakoś sobie z tym radzi. „Jakoś” brzmi zbyt enigmatycznie, bo przecież wiemy „jak”.
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 heliosferę – ochronną tarczę wokół orbitujących planet. Jednak energia słoneczna ma również moc zniszczenia ziemskiego życia. Ale przed takim kataklizmem Ziemia umie obronić się sama generując silne pole magnetyczne. Inne planety nie mają go, albo mają bardzo słabe. Pierwotnym źródłem ziemskiego pola magnetycznego są ruchy płynnego żelaza w środku naszej planety, którym sprzyja ruch wirowy Ziemi. Prądy konwekcyjne w płynnym wnętrzu Ziemi generują pole elektrostatyczne, a to prowadzi do wzbudzenia pola magnetycznego. Analizując te uwarunkowania ziemskiego życia możemy mówić o skrajnej wyjątkowości jego zaistnienia. Powstaje pytanie – czy jest to wyjątkowość w skali całego Wszechświata?
Przyjmując h samorództwo ziemskiego życia, rodzi się pytanie, jakie do tego doszło? Samorzutne powstawanie najprostszych molekuł organicznych miało szansę zaistnieć w krytycznych warunkach termalnych, przy udziale wyładowań elektrycznych i promieniowania kosmicznego. Jeżeli miało to miejsce w oceanicznej głębi, brak światła i tlenu wskazuje, że mogły się rozwijać tylko samożywne litotroficzne chemototrofy. Energię do pierwszych procesów metabolicznych generowały pozyskując elektrony ze źródeł nieorganicznych (litotrofia), a źródłem węgla do syntez komórkowych mógł być dwutlenek węgla (autotrofia).
Ewolucja organizmów żywych pozostawia ślady w materiale genetycznym, którym jest DNA. Istnieje jednak pogląd, że na początkowym etapie mógł to być nieco prostszy w budowie kwas rybonukleinowy (RNA), którego warianty nadal odgrywają zasadniczą rolę w ekspresji informacji genetycznej. Niestety, trwałość obu tych makromolekuł jest ograniczona, w idealnych warunkach teoretycznie do kilku milionów lat. Zatem najważniejszy zapis ewolucji na jej wczesnych etapach jest niedostępny. Korzystamy więc ze śladów trwalszych, jak np. materiał kostny lub odciśnięte w skałach osadowych ślady zwierząt czy fosylizowane (skamieniałe) fragmenty roślin lub ich skalne odciski.
A co pozostaje w odniesieniu do pierwszych prymitywnych form jednokomórkowych, jakie rozwijały się przed miliardami lat? Możemy jedynie domniemać, jak mogło dojść do samorództwa tych najbardziej pierwotnych organizmów. I czy były to organizmy w naszym dzisiejszym rozumieniu, czyli odgraniczone od środowiska zewnętrznego jakimiś osłonkami (błonami) czy też początek dały samopowielające się makrocząsteczki, np. RNA?
Zapoczątkowanie komórkowego życia biologicznego, jakie dzisiaj znamy, 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, 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. Woda w postaci pary była też (i jest nadal) uwieziona we wnętrzu Ziemi i była uwalniana podczas licznych erupcji wulkanicznych. Woda z wnętrza Ziemi była uwalniana również uderzeniami asteroidami i meteorami, tworząc m.in. kominy termalne w dnie oceanu. Woda jest niezbędnym środowiskiem do zajścia znanych nam procesów biochemicznych, ale jest równocześnie źródłem tlenu atmosferycznego dla organizmów cudzożywnych (heterotroficznych), które czerpią materiał budulcowy i energię z utleniania materii organicznej.
W tym miejscu warto przypomnieć koncepcję panspermii, która sugeruje, że pierwsze najprostsze „zarazki” życia mogły trafić na zalaną wszechoceanem Ziemię właśnie w takich skalnych przybyszach. Nie można tego całkowicie wykluczyć, ponieważ w meteorytach znajdowane są organiczne cegiełki warunkujące powstawanie wielkocząsteczkowych składników komórek. Znaleziono w nich np. rybozę – cukrowy składnik kwasów nukleinowych RNA i DNA (zawiera deoksyrybozę).
Życie oparte jest o przemiany organicznych związków węgla. W pierwotnych wodach oceanicznych 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 pozyskiwania wodoru 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 nadal dobrze, zasiedlając nisze pozbawione tlenu, a niektóre nauczyły się tolerować jego obecność. Wiele z nich bytuje w naszych jelitach. A sinice mają się też nadal dobrze. Te jedne z najstarszych współczesnych bakterii znajdują dla siebie doskonałe warunki w płytkich wodach, a także współżyją z grzybami w formie porostów.
W tym miejscu warto zapytać, kiedy i skąd na Ziemi „się wzięły” wirusy? Dzisiaj tych cząstek organicznej materii, składających się z kwasów nukleinowych (pojedynczych nici DNA lub RNA) jest więcej na Ziemi niż komórek bakteryjnych. Nie mając własnego życia (własnego metabolizmu) stoją jakby przed progiem do świata organizmów żywych. Mają tylko materiał genetyczny (najczęściej zamknięty w białkowej otoczce (kapsydzie), który chętnie serwują komórkom potencjalnego biorcy.
Wirusy są niezwykle infekcyjne, i myśląc o nich najczęściej uznajemy je za naszych wrogów (również innych żywych organizmów). Przecież wirusy wywołują choroby, a nawet powodują śmierć. Leczenie chorób wirusowych nie jest łatwe, antybiotyki są nieskuteczne. Wirusy potrafią zabić nie tylko zwierzęta i nas ludzi, ale także nawet komórki bakteryjne. To ostatnie potrafimy akurat wykorzystać do zwalczania infekcji bakteryjnych. Jaka zatem jest obiektywna prawda o wirusach?
Okazuje się, że w rozwoju różnych form organizmów żywych wirusy odgrywały i nadal odgrywają również ważna pozytywną rolę. Były i są nośnikami różnych informacji genetycznych, dzięki którym możliwe jest ukierunkowane przyspieszanie procesów ewolucyjnych. Istnieje pogląd, że wirusy mogły pomóc ulepszać organizmy żywe. Na pewno nas modyfikowały, choćby ulepszając nasz układ odpornościowy. Mają też udział w zmianach występujących w naszym mózgu. Dużo w tym zakresie wiemy o ich działaniu wyniszczającym nasze neurony. Ale oto okazało się, że wirusy swoim materiałem genetycznym przyczyniły się do wielkiego zróżnicowania kręgowców mających szczęki (ryb, płazów, gadów, ssaków). Człowiek ma w swoim genomie reliktowe geny pradawnych retrowirusów w postaci transpozonów (skaczących genów), regulujących ekspresję genów kodujących syntezę naszych białek. Więcej – retrowirusom przypisuje się udział w doskonaleniu naszych mózgów m.in. w rozwoju naszej świadomości. No to jak – wirusa są złe czy dobre?
Nie wiemy, ani kiedy, ani w jaki sposób wirusy zaistniały na Ziemi. Można tylko dywagować, że ich początek można wiązać już z powstawaniem otoczonych błonami protokomórek bakteryjnych, zdolnych do samoodżywiania się, samoregulacji i samopowielania się. A może przedrostek „samo-„ jest tu niewłaściwy? Może swoją rolę odegrały tu już pierwotne retrowirusy? No i rodzi się kolejne pytanie – co było pierwsze – prabakterie czy prawirusy? Tego raczej nie dowiemy się nigdy.
Wróćmy jednak do tego, co ziemskim życiu wiemy dzięki pracy paleontologów. Oni mają przynajmniej wgląd w materialne szczątki dawnych organizmów, chociaż czasem tylko w utrwalone w skałach osadowych ślady ich występowania. Kolejne etapy rozwoju organizmów ziemskich – powstawanie bardziej złożonych form wielokomórkowych, nastąpił prawdopodobnie 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. Tak prawdopodobnie wyglądał początek rozwoju niezwykle zróżnicowanych form roślinnych i zwierzęcych o złożonej budowie wewnętrznej (tkanki, organy, unerwienie) i morfologii zewnętrznej.
Przez pierwsze miliardy lat (w prekambrze) warunki były zdecydowanie niekorzystne dla jakiegokolwiek życia na pierwszych fragmentach lądu. Atmosfera ziemska początkowo składała się z wodoru, helu i argonu. Następnie, w miarę stygnięcia skał, wzbogacała się w dwutlenek węgla, parę wodną i azot, a później również w metan i amoniak. Nie było też ozonowej osłony przed zabójczym promieniowaniem słonecznym. Dopiero po około 2 mld lat istnienia Ziemi w atmosferze zaczął gromadzić się tlen, którego stężenie bardzo wzrosło pod koniec prekambru. Jego obecność umożliwiła rozwój organizmów roślinnych, najpierw w wodach oceanicznych, a później również na lądach.
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.