Biogeneza (z gr. bíos – życie, génesis – pochodzenie, stawanie się), czyli pochodzenie życia na Ziemi, to jedno z najtrudniejszych i do dzisiaj nie w pełni rozwikłanych zagadnień biologii. Na jej temat powstały liczne hipotezy.

Współczesna dyskusja nad zagadnieniem powstania życia została zapoczątkowana w połowie XIX w., kiedy Ludwik Pasteur uznał za bezpodstawną koncepcję samorództwa (abiogenezy), czyli spontanicznego powstawania organizmów żywych z materii nieożywionej. Pasteur udowodnił, że nawet niewielkie organizmy, takie jak bakterie, „rodzą się” z podobnych do nich rodziców. Jego prace nie dały jednak odpowiedzi na istotne pytanie: Jak powstały pierwsze osobniki każdego gatunku?

Żadna z koncepcji dotyczących biogenezy nie zyskała powszechnej akceptacji. Wiadomo jedynie to, że życie powstało ok. 4 mld lat temu w warunkach beztlenowych (tlen jest pochodzenia biologicznego) i że powstało tylko raz, zmieniając zarazem pierwotne warunki na Ziemi w tak dużym stopniu, że późniejsza biogeneza była już niemożliwa.

Zapis kopalny nie dostarcza bezpośrednich świadectw na powstanie życia, pokazuje jednak, że najdawniejsze żywe organizmy pojawiły się przed co najmniej 3,5 mld lat (pierwsze stromatolity i kopalne struktury bakteryjne), a być może nawet przed 3,8 mld lat (węgiel o składzie izotopowym sugerującym biologiczne pochodzenie).

Obecność materii organicznej w meteorytach i pyle kosmicznym skłania do założenia, że pierwsze etapy biogenezy nie musiały być ograniczone do Ziemi. Dlatego jedną z koncepcji dotyczących biogenezy jest hipoteza o pozaziemskim pochodzeniu życia.

W 1908 r. Svante Arrhenius sformułował hipotezę panspermiipanspermiapanspermii, mówiącą, że życie rozprzestrzenia się w kosmosie dzięki bakteriom, które przemieszczają się pod wpływem ciśnienia światła.

W roku 1986 brytyjski astrofizyk Fred Hoyle wysunął tezę, że życie na Ziemi mogło powstać w warunkach, które panują w przestrzeni kosmicznej, i dopiero stamtąd zostało przeniesione na Ziemię przez komety.

R1B1AvYaBcP3e1

Zdjęcie przedstawia fragment meteorytu. Ma on ciemnoszarą barwę, a w jego strukturze widoczne są liczne żółte oraz zielone, drobne kryształy.

Poparciem dla hipotezy o pozaziemskim pochodzeniu życia są m.in.:

• wykrycie glicyny w obłokach materii międzygwiazdowej;

• odkrycie kilkunastu aminokwasów i zasad azotowych w meteorycie Murchison, który spadł w Australii w 1969 r.;

• eksperymenty laboratoryjne, które dowodzą, że w warunkach przestrzeni kosmicznej może zachodzić synteza zasad purynowych i pirymidynowych, czyli głównych składowych DNA i RNA.

Francis Crick, jeden z odkrywców struktury DNA, w 1973 r. w artykule Directed panspermia wysunął hipotezę, że życie zostało świadomie przeniesione z kosmosu na Ziemię przez wysoko zorganizowaną cywilizację.

W 1924 r. rosyjski biochemik Aleksandr Oparin przedstawił scenariusz pojawienia się życia na Ziemi, zakładający, że powstało ono z prostych związków organicznych, gromadzących się w pierwotnym oceanie.

Oparin postulował, że związki te mogły utworzyć koacerwatkoacerwatkoacerwat, czyli koloidalną zawiesinę pęcherzykowatych struktur, które miały być prekursorami komórek. Sam eksperymentował z koacerwatami wytwarzanymi w środowisku wodnym z żelatyny i gumy arabskiej.

W 1929 r. brytyjski biolog John Haldane przedstawił taką samą hipotezę, zgodnie z którą w beztlenowej, redukującej atmosferze bogatej w dwutlenek węgla, metan, siarkowodór, parę wodną i wodór, w obecności ultrafioletu i wyładowań elektrycznych, z wodoru oraz związków azotu i węgla mogą powstać monomery i polimery organiczne.

Haldane zakładał, że mieszanina związków chemicznych, którą nazwał „zupą pierwotnązupa pierwotnazupą pierwotną”, została podzielona na kropelki odizolowane błonami lipidowymi.

Według koncepcji Oparina i Haldane’a pierwsze organizmy były cudzożywne i dopiero po zużyciu wszystkich substancji odżywczych z „zupy pierwotnej” narodziły się organizmy samożywne.

W 1953 r. eksperymentalnej weryfikacji hipotezy Oparina–Haldane’a dokonali Stanley Miller i Harold Urey z University of Chicago.

Doświadczenie polegało na przepuszczaniu iskier elektrycznych przez mieszaninę gazów: pary wodnej, metanu, amoniaku i wodoru. Po tygodniowym eksperymencie powstała mieszanina związków organicznych, zawierająca 5 aminokwasów (glicynę, alfa‑alaninę, beta‑alaninę, kwas asparaginowy, kwas alfa‑aminomasłowy), mocznik, proste kwasy tłuszczowe i węglowodany. Wyniki doświadczenia opublikowano w 1953 r. w czasopiśmie naukowym „Science”.

Najpoważniejsze trudności, jakie napotyka teoria to brak efektywnego mechanizmu naturalnego prowadzącego do znacznej koncentracji produktów samorzutnej syntezy związków organicznych oraz brak mechanizmu dziedziczenia informacji aż do czasu syntezy pierwszych kwasów nukleinowych.

Więcej na temat eksperymentu Millera‑Ureya w e‑materiale: Powstanie życia.

W 1965 r. Amerykanin Sidney Walter Fox wykazał doświadczalnie, że w wysokiej temperaturze i specjalnych warunkach fizykochemicznych towarzyszących wulkanom aminokwasy tworzą „mikrosferymikrosferamikrosfery”, przypominające właściwościami komórki. W 1969 r. Fox wykazał, że pod wpływem ciepła tworzą się polimery aminokwasowe. Stwierdził, że podgrzewanie mieszaniny aminokwasów w temperaturze wyższej niż 100°C sprzyja powstaniu krótkich i długich peptydów. Na tej podstawie wysunął wniosek, iż w rozgrzanych gazach czynnych wulkanów zawierających amoniak, metan i parę wodną mogło dojść do wytworzenia aminokwasów, które uległyby później polimeryzacji do polipeptydów.

W 1967 r. irlandzki naukowiec John Desmond Bernal wystąpił z tezą, że związki organiczne koncentrowały się w pianie na powierzchni wody morskiej, a pierwsze protoorganizmy powstały w ujściach rzek, gdzie minerały ilaste służyły jako powierzchnie katalizujące dalszą koncentrację, a potem ewolucję pierwotnego życia. Badania potwierdziły zdolność iłów do adsorpcji związków organicznych.

Teorię tę rozbudował w 1985 r. Brytyjczyk Alexander Graham Cairns‑Smith, według którego struktura krystaliczna minerałów ilastychminerały ilasteminerałów ilastych była nośnikiem informacji dziedzicznej, a kwasy nukleinowe przejęły tę funkcję dopiero później, dzięki obecności wysoko zorganizowanych enzymów białkowych.

W 1985 r. amerykański naukowiec Freeman John Dyson zwrócił uwagę na to, że odpowiedzialne za metabolizm białka i DNA powstały niezależnie i dopiero później połączyły się, tworząc pierwotne organizmy.

W 2017 r. Matthew Dodd, Dominic Papineau, Tor Grenne, John Slack, Martin Rittner, Franco Pirajno, Jonathan O'Neil i Crispin Little opublikowali artykuł Evidence for early life in Earth's oldest hydrothermal vent precipitates, w którym wysunęli hipotezę, że życie powstało co najmniej 3,77 mld lat temu na głębokim dnie oceanu, w obrębie tzw. oaz ryftowychoazy ryftoweoaz ryftowych.

W 1967 r. Carl Woese wysunął hipotezę mówiącą, że RNA ma dwojakie właściwości:

• jest nośnikiem informacji genetycznej;

• jest katalizatorem reakcji.

W 1968 r. Woese'a poparli brytyjscy biochemicy Francis Crick i Leslie Eleazer Orgel.

Pierwszych dowodów na to, że cząsteczki RNA mają aktywność katalityczną, dostarczył w 1981 r. Thomas Cech, który odkrył, że introny z pewnych prekursorowych RNA wycinają się same, co oznacza, że proces ten jest autokatalityczny i przebiega bez udziału białek. To odkrycie przemawia za tym, że pierwszą „żywą cząsteczką” mogła być replikaza RNA, zdolna do katalizowania swojej własnej replikacji bez pomocy białka. Cząsteczki RNA, działające jak enzymy, nazwano rybozymamirybozymyrybozymami.

W 1986 r. Walter Gilbert nazwał teorię mówiącą, że życie na Ziemi zaczęło się od cząsteczek RNA, światem RNA. Założenia tej teorii są następujące:

1. Cząsteczki RNA przejawiające aktywność katalityczną wykorzystują tę zdolność i w „zupie pierwotnej” budują same siebie.

2. Autoreplikujące się cząsteczki RNA na zasadzie rekombinacji i mutacji ewoluują w kierunku wytwarzania nowych funkcji i opanowywania nowych nisz.

3. Molekuły RNA rozwijają szereg właściwości enzymatycznych.

4. Molekuły RNA zaczynają syntetyzować białka, które są lepszymi od nich enzymami, tzn. pełnią te same funkcje bardziej efektywnie.

5. Powstające w ten sposób enzymy białkowe kodowane są przez tzw. ekson RNA (będący elementem współczesnego DNA).

6. Pojawia się DNA, umożliwiając bezbłędne przechowywanie informacji genetycznej.

7. RNA przestaje odgrywać główną rolę w ewolucji prebiotycznej (przed powstaniem życia), ustępując miejsca swoim własnym wytworom – białkom i DNA, które zdolne są do pełnienia w sposób bardziej efektywny tych funkcji, które RNA pełniło dotychczas niejako w ich zastępstwie.

Cząsteczki RNA spełniają wymogi cząsteczek, które mogły dać początek życiu, stąd hipoteza świata RNA ma wielu zwolenników.

Więcej na temat rybozymów w e‑materiale: Rybozymy – RNA o właściwościach katalitycznychPmfnVWswHRybozymy – RNA o właściwościach katalitycznych.

Uniwersalność biochemii współczesnych organizmów (w szczególności kodu genetycznego) sugeruje, że życie na Ziemi powstało tylko raz. Oznacza to, że można mówić o ostatnim uniwersalnym wspólnym przodku (LUCA, z ang. last universal common ancestor) wszystkich żyjących obecnie form.

W latach 70. XX w. Carl Woese i jego współpracownicy dzięki badaniom rRNA opracowali ogólny schemat filogenetycznych pokrewieństw między wszystkimi organizmami. Wyodrębnili trzy domeny: Archaea, Bacteria i Eukaryota.

Naukowcy dokonali dużego postępu w badaniu filogenetycznych pokrewieństw między organizmami. Zsekwencjonowali całe genomy kilkudziesięciu tysięcy gatunków, co pozwoliło na wyciągnięcie wniosków na temat historii ewolucji, m.in. oszacowanie czasu dywergencji (różnicowania się w drodze ewolucji) poszczególnych linii ewolucyjnych, oraz na temat cech przodków obecnie żyjących organizmów.

Słownik