Teorija gravitacije je naučni model koji objašnjava kako tela koja poseduju masu deluju jedna na druge, i koje zakonitosti vladaju među njima. Međutim, odakle te čestice uopšte? Kako su nastale, i kako su se okupile u početnu masu? To je domen drugih teorija u okviru fizike – teorija gravitacije ne može da odgovori na ta pitanja.
U okviru nauke o životu, imamo sličnu situaciju. Kao što je prikazano na ostalim tekstovima na ovom sajtu, mi danas imamo mnogo podataka o promenama živih vrsta kroz istoriju. Znamo da je život u početku bio veoma jednostavan, da se razvijao kroz vreme kroz procese evolucije, i možemo danas te procese da posmatramo i merimo. Ovi podaci i informacije su deo teorije evolucije, naučnog modela razvoja živog sveta na Zemlji, koja se danas nalazi van svake razumne sumnje.
Pitanje nastanka života nije deo teorije evolucije. Bez obzira da li je prva ćelija nastala hemijskim procesima, ili je prvu ćeliju stvorio Bog, ili su je konstruisali vanzemaljci – procesi evolucije su počeli da deluju tek nakon što je već postojalo prvo živo biće koje se moglo razmnožavati uz promene.
Umesto evolucije, nastankom života se bavi teorija abiogeneze. Za razliku od evolucije, abiogeneza je tek u začetku, i bavi se predmetom koji je veoma kompleksan, težak za ispitivanje (iz razloga koje ćemo objasniti u daljem tekstu), i kojim se bavi mnogo manji broj naučnika.
Mada se ovaj sajt bavi prvenstveno evolucijom, vredi baciti pogled na ono što danas znamo o abiogenezi, načinima na koji se ona mogla odigrati, i pravcima istraživanja u ovoj oblasti.
1. Šta je to organizam?
Da bi smo razumeli šta abiogeneza pokušava da objasni, pogledajmo za trenutak od čega se sastoji život kakav danas poznajemo.
Osnovna jedinica života je ćelija. Svi organizmi na svetu počinju svoj život od jedne jedine ćelije, uključujući tu i čoveka (koji počinje život kao oplođena jajna ćelija u materici svoje majke). Najprostiji organizmi na svetu su jednoćelijski, i prema tome, zadatak abiogeneze je da pokuša da nađe način na koji su takvi organizmi mogli nastati (teorija evolucije je već pokazala kako se život razvijao od te tačke nadalje). Da bi smo to istražili, moramo prvo pogledati od čega se sastoji jedna standardna prosta bakterijska ćelija.
Ćelija je ograničena membranom, koja se sastoji od dvostrukog zida sačinjenog od masnih kiselina. Unutrašnjost ćelije je ispunjena citoplazmom, rastvorom u kome se nalazi celokupna mašinerija života. Ova mašinerija se sastoji od tri osnovna dela koji upravljaju procesima koji omogućavaju život.
Proteini su “radnici” u okviru ćelije. Skoro svi procesi koji se odvijaju unutar ćelije su funkcija proteina. Proteini unose hranu u ćeliju, pretvaraju tu hranu u upotrebljivu energiju, izbacuju otpadne materije, kontrolišu jedni druge, popravljaju oštećenja…
DNK, dezoksiribonukleinska kiselina, predstavlja “kontrolni centar” ćelije. Nizovi baza u okviru DNK sadrže kodove na osnovu kojih se proizvode proteini, kao i sekvence koje određuju koliko čega će se proizvoditi u kojim uslovima, i signale koji kontrolišu glavne događaje u životu ćelije (recimo, kada će ćelija početi da se deli).
RNK, ribonukleinska kiselina, se javlja u nekoliko različitih oblika. Prvi oblik vrši ključnu funkciju u proizvodnji proteina. Naime, proteini se ne proizvode na osnovu DNK kodova: umesto toga, DNK kod biva prvo iskopiran u RNK kod, koji zatim na velikim molekularnim strukturama poznatim kao ribozomi služi kao osnova za proizvodnju proteina. Ovi lanci RNK koji tako prenose poruku od DNK do ribozoma se nazivaju iRNK (“informaciona” RNK)
Međutim, naučnici su dugo bili iznenađeni činjenicom da su sami ribozomi većim delom sastavljeni od RNK. Ova, ribozomalna RNK (rRNK) igra ključnu ulogu u objašnjenju abiogeneze.
Proteini su lančani molekuli, sastavljeni od manjih delova poznatih kao amino-kiseline. DNK sadrži informacije o tome koje amino-kiseline treba povezati u kakvom redu da bi se proizveo određeni protein. Te informacije bivaju iskopirane na mRNK, koja onda ide do ribozoma, koji onda povezuju jednu po jednu amino-kiselinu u lanac, dok na kraju ne nastane čitav protein. Amino-kiseline, međutim, ne idu same od sebe do ribozoma: tamo ih nose, jednu po jednu, posebni molekuli transportne RNK (tRNK).
Konačno, tu su razni oblici malih RNK molekula koji kontrolišu koji geni će biti kopirani sa DNK, menjaju druge RNK molekule, i ponekad učestvuju u reakcijama zajedno sa proteinima. RNK, otud, obavlja veliki broj funkcija u ćeliji – još jedna činjenica koja će biti veoma važna za abiogenezu.
Vratimo se sada našem osnovnom pitanju: kako je ovakav sistem mogao nastati spontano, dejstvom prirodnih zakona? Naučnici su ubrzo otkrili da je ovo pitanje previše kompleksno, i da je potrebno podeliti ga u tri potpitanja:
- kako su nastali osnovni molekuli koji čine žive organizme danas?
- koji molekuli su neophodni za prvo živo biće?
- kako su se ti molekuli organizovali u prvo živo biće?
2. Sastavni Delovi
Uri i Miler su još 1953. godine izveli svoj čuveni eksperiment kojim su pokazali da amino-kiseline mogu nastati kroz spontane hemijske reakcije u atmosferi za koju se tada smatralo da je postojala na ranoj zemlji. Praktično svi kreacionistički tekstovi o nastanku života pominju ovaj eksperiment, i ukazuju na probleme sa njime: atmosfera verovatno nije bila onakva kao što su Uri i Miler mislili, u njihovim eksperimentima ne nastaju sve amino-kiseline koje se nalaze u današnjim živim organizmima, itd.
To je sve tačno. Ali Miler-Uri eksperiment je izveden pre više od pedeset godina, i jedini značaj njihovih rezultata je to što su prvi pokazali da je takva “slučajna sinteza” uopšte moguća, pod bilo kakvim uslovima. Od njihovog eksperimenta do danas, naučnici su našli da razne amino-kiseline (preko sedamdeset različitih vrsta, daleko više nego dvadeset amino-kiselina koje se pojavljuju u modernim organizmima) nastaju raznim mehanizmima, na najrazličitijim mestima. Pokazano je da uslovi slični onima u blizini podvodnih vulkanskih izvora, na primer, generišu ne samo masivne količine amino-kiselina, već i osnovnih masti. Još značajnije, iz razloga koje ćemo obraditi malo niže, nađeno je preko dvadeset načina pomoću kojih mogu spontano nastati značajne količine purinskih i pirimidinskih baza, osnovnih sastojaka u sklopu RNK i DNK.
Jedna zanimljiva obzervacija dolazi iz astronomije. Pre svega, ostaci više različitih meteorita sadrže značajne količine amino-kiselina i drugih organskih supstanci (najznačajniji od ovih je Murčison meteor, nađen u Australiji, u kome je nađena mešavina više desetina različitih amino-kiselina). Astronomi su ustanovili da komete sadrže velike količine istih ovih supstanci, i da su organski molekuli sveprisutni na mnogim neočekivanim mestima u svemiru. Veoma kompleksni policiklični organski molekuli su čak nađeni u ogromnim količinama kako plutaju kroz svemir u okviru nebula! Otud, mi znamo da je velika količina takvih materijala došla na zemlju u ranom periodu njenog razvitka. Ono što ne znamo je da li su ti materijali bili važni za nastanak života na zemlji, ili je život nastao nekim drugim putem… Za sada, svemir kao izvor materijala je samo jedna od mogućih hipoteza.
U svakom slučaju, danas više nije pitanje da li osnovne supstance koje čine život mogu nastati nezavisno, same od sebe – znamo da mogu, i stotine eksperimenata izvršene u zadnjih pedeset godina to potvrđuju. Naučnici su pokazali da ovi sastavni delovi nastaju u prisustvu kiseonika, u odsustvu kiseonika, u udarima meteorita, u eksplozijama vulkana, pored gasnih izvora na dnu okeana… No, sledi pitanje kako su se ove sastavne jedinice povezale u prvu živu ćeliju?
3. Koji su delovi neophodni?
Na ovom sajtu se nalazi i tekst o kompleksnosti života, koji objašnjava kako i zašto detalji potrebni za život izviru neprestano iz interakcija elemenata živih bića sa okolnom prirodom. Kod prvih organizama, ovi procesi objašnjavaju poreklo nekoliko osnovnih delova ćelije.
Na primer, ćelijske membrane su elementi živih bića koji se formiraju sami od sebe, u procesu koga možemo uživo da posmatramo. Ćelije poseduju membrane koje se sastoje od takozvanih amfifiličnih molekula (najčešće su u pitanju masne kiseline). Ovi molekuli se sastoje od dva dela: jednog koji je hidrofiličan (privlači vodu), i drugog koji je hidrofobičan (biva izbačen iz vode). Kada ubacimo ovakve molekule u vodenu sredinu, oni se automatski orjentišu tako da se hidrofilični delovi okrenu ka vodi, a hidrofobični jedni ka drugima. Ovim procesom, bez ikakvih dodatnih manipulacija, sama od sebe nastaje dvostruka membrana kakvu vidimo i u današnjim ćelijama.
Štaviše, ovakve membrane same od sebe upijaju dodatne amfifilične elemente iz svoje okoline, sve dok ne izrastu do određene veličine; tada, jedna “ćelija” se sama od sebe deli na dve! Kod današnjih organizama, ovo je veoma komplikovan i kontrolisan proces, ali kod prvih organizama bi ovi jednostavni procesi bili dovoljni za replikaciju. Time je rešen problem nastanka ćelijske membrane.
Druga stvar koju možemo izbaciti iz razmatranja će mnogima biti veoma iznenađujuća: radi se o samoj DNK. Kao što smo već videli ranije u ovom tekstu, informacije sadržane u DNK prvo moraju da se iskopiraju u RNK da bi mogle da se koriste. Takođe, ako pogledamo hemijsku strukturu DNK i RNK, možemo da zapazimo da su one praktično identične. Razlike (označene plavom bojom na slici) su minimalne: jedan jedini atom kiseonika je uklonjen, i to ne sa baza koje sadrže informacije, već sa šećera riboze, koji služi samo da drži baze povezane u nizu. Jedna od DNK baza, timin, je u RNK zamenjena veoma sličnom bazom uracilom (razlika je opet minimalna, čini je samo jedna dodata metil grupa).
Čemu DNK onda uopšte služi, zašto postoji? Razlog je stabilnost. DNK je mnogo stabilnija od RNK, što omogućava organizmima da budu veći i kompleksniji. Organizam koji svoje informacije čuva na RNK može da preživi i da se razmnožava, ali ima granicu koju ne može da pređe: ako njegovi geni postanu preveliki, i ako evoluira previše novih gena, statistička verovatnoća da će se njegova RNK raspasti na nekom važnom mestu postaje prevelika.
Prvobitni organizmi su, po pretpostavci, bili primitivni. Prema gornjem, možemo da pretpostavimo da bi oni svoje gene držali na RNK nizovima, i da je DNK nastala tek kasnije – evolutivni korak koji je omogućio nastanak prvih kompleksnih organizama, i koji je druge organizme zasnovane na RNK brzo potisnuo van slike.
Ostaju nam, dakle, proteini i RNK – odake su oni došli. Ovo je dugo vremena bila najveća misterija abiogeneze.
Proteini su centar današnjeg života. Njihova glavna funkcija je kataliza, ubrzavanje hemijskih reakcija koje bi inače bile previše spore da omoguće upotrebu energije u procesima neophodnim da bi život opstao. Ribozomi, koji proizvode proteine, su kompleksne strukture koje se i same sastoje od nekoliko proteina, okupljenih oko dugačkog lanca rRNK. Krajnje je neverovatno da bi takva struktura mogla nastati sama od sebe. A ako nije, kako onda objasniti paradoks – ako su proteini potrebni za proizvodnju proteina, kako je nastao prvi protein?
Odgovor na ovo pitanje je počeo da se javlja tek početkom osamdesetih godina prošlog veka, kada su otkrivene dve krajnje iznenađujuće stvari. Prvo je otkriveno da u ribozomima, katalizu reakcije koja od pojedinačnih amino-kiselina proizvodi protein ne vrše drugi proteini, već molekuli rRNK i tRNK. Proteini služe samo da stabilizuju i optimizuju proces!
Istovremeno, usledila je čitava bujica otkrića novih katalitičkih RNK molekula, sa specifičnim funkcijama katalize identičnim onima koje obavljaju proteini. Otkriveni su RNK molekuli koji povezuju amino-kiseline jedne sa drugima (primitivni ribozomi), koji seku, vezuju ili kopiraju druge RNK molekule ili delove samih sebe, koji povezuju pojedinačne amino-kiseline sa specifičnim RNK molekulima (formirajući tako primitivnu tRNK), itd.
Drugim rečima, proteini su sekundarni RNK molekulima. Sve što je potrebno da nastane prvi živi organizam je ćelijska membrana (za koju smo već pokazali da nastaje sama od sebe), i katalitički RNK molekuli. Sve ostalo može da evoluira iz ove osnove.
4. RNK svet
Iz ovih osnova, kristalizovala se nova osnova mogućeg nastanka života. Po ovoj ideju, život se formirao u tri koraka.
Prvo su nastali osnovni sastavni delovi RNK, kao i amfifilni molekuli, na jedan od nekoliko desetina mogućih načina.
U drugom koraku, sastavni delovi RNK su se povezali u duže lance, neki od kojih su bili katalitički. Do danas, naučnici su u laboratoriji pokazali kako kroz prirodne procese od kratkih lanaca ugljenika (kojih ima mnogo u meteorima, vulkanskim gasovima, i mnogim drugim izvorima) mogu nastati kompletni RNK ciklični nukleotidi, koji se automatski formiraju u lance. Povrh toga, pokazano je da nekoliko prirodnih materijala (pogotovo glina) mogu da katalizuju nastanak više nizova iste sekvence. Kroz ovakve procese, bilo bi proizvedeno mnogo različitih kombinacija RNK molekula, mnogi od kojih imaju katalitičke osobine.
U trećem koraku, ovi katalitički lanci postaju zarobljeni u membrane amfifiličnih molekula (čiji spontani nastanak je takođe pokazan i u prirodi i u laboratoriji). Ovo je tačka na kojoj počinje selekcija: većina protoćelija se pre ili kasnije raspala, i samo u nekolicini se razvila kombinacija katalitičkih osobina koja je omogućila replikaciju osnovnih elemenata. Ali čim se to pojavilo, sva ostala hemija života je od te tačke mogla da evoluira.
5. Zaključak
Šta mi onda, na kraju, znamo o abiogenezi, šta pretpostavljamo, a šta još uvek nije jasno? Počnimo od početka, i pogledajmo jedan mogući put nastanka kojim se ovo moglo desiti…
Znamo mnogo načina na koje osnovni molekuli koji čine život mogu nastati spontano. Baze koje čine DNK i RNK, amino-kiseline, osnovni šećeri…sve može nastati na mnogo različitih načina. Nismo sigurni koji od tih procesa je bio važan za život, a i dalje je moguće i da su prvi molekuli potrebni za život nastali nekim procesom za koga još uvek uopšte ne znamo.
Znamo kako moglo doći do nastanka prvih nukleosida i nukleotida. Nukleosidi su pojedinačni delovi RNK lanca, sastavljeni od dva dela, riboze i baze. Nukleotidi su nukleosidi kojima je dodatna fosfatna grupa, što je neophodno za povezivanje u lanac.
Takođe, znamo da nukleotidi, kada se jednom stvore, mogu biti lako povezani u dugačke lance pod vrlo jednostavnim uslovima (glina je veoma česta stvar u prirodi). Ovakvi procesi bi proizveli ogroman broj RNK molekula, od kojih bi mnogi imali različite katalitičke funkcije. Radi ilustracije, ako bi ovim procesom bio stvoren samo jedan gram RNK ukupno, taj gram bi mogao da se sastoji od 3.6×1018 (3.6 milijardi milijardi!) različitih molekula prosečne dužine od 250 nukleotida – a katalitički RNK molekuli počinju već na dužini od oko pedeset nukleotida.
Znamo da određena grupa takvih molekula može da sadrži sve funkcije potrebne za njen opstanak: kopiranje i umnožavanje, uništavanje nepogodnih molekula, rekombinacija postojećih u nove forme, itd. Nismo sigurni kako je ova grupa tačno izgledala, koliko bi morala da bude velika, i kako i gde bi se ona održavala.
Znamo da amino-kiseline lako nastaju spontano u prirodi (zapravo, njih je najlakše proizvesti). Znamo da razni RNK molekuli imaju funkcije specifične prema proteinima: da povezuju pojedinačne amino-kiseline u duže lance, da ih vezuju same za sebe ili za druge molekule RNK, da ih seku na komade i koriste kao izvore energije za druge reakcije… Takođe, znamo da masne kiseline mogu spontano nastati u prirodi, i da se one takođe spontano organizuju u membrane.
Ne znamo kako su se svi ovi delovi povezali u prvu ćeliju, kako su te prve ćelije tačno izgledale, i kako su tačno funkcionisale (recimo, kako su funkcionisali prvi sistemi deljenja, koji je bio protok energije, itsl.).
Mnogo toga je još uvek nepoznanica na polju abiogeneze, i malo je verovatno da ćemo naći odgovore u neposrednoj budućnosti. Nauci je potrebno vreme da proizvede rešenje za bilo kakav problem, a ovo je jedan od najvećih problema koji danas postoje. Takođe postoje razni dodatni faktori koje nismo obradili u ovom tekstu. Recimo, postoji nekoliko alternativnih modela koji prilaze problemu na potpuno drugačiji način, iz pozicije u kojoj se metabolički sistemi razvijaju pre genetskih. Moguće je da će odgovori doći iz jedne od ovih alternativa.
Međutim, pažljiv čitalac ovog teksta može da primeti da je broj nepoznanica mnogo manji nego što je bio pre samo par decenija, i da su mnoga otkrića pronađena u ovoj potrazi za načinom nastanka života. U stvari, prethodna verzija ovog teksta, napisana samo četiri godine pre ove koju sada čitate, je imala znatno više “ne znamo” kategorija!
Ostaje nam da vidimo šta će biti otkriveno u sledećim godinama i decenijama.
6. Dodatna napomena: zašto nauka ne traži Boga?
“Ono što meni nije jasno je sledeće: i sami naučnici kažu da još uvek ne znaju odakle život potiče. Zašto onda ne kažu da ga je možda stvorio Bog?”
Ove reči, ili nešto veoma slično njima, se često mogu čuti od strane kreacionista, i predstavljaju jedno od retkih razumnih pitanja koje dolaze iz tog tabora. Zaista, zašto naučnici ne zamisle da je Bog stvorio život?
Nauka je oblik ljudske aktivnosti koji se, po definiciji, zasniva na dokazima. Bez fizičkih dokaza, u nauci mišljenja ništa ne znače. Dakle, ako neki naučnik veruje da je Bog stvorio život, to je samo njegovo mišljenje: bez naučnih, materijalnih dokaza da se tako desilo, to nije naučna teorija.
Povrh toga, ovakav odgovor znači odustajanje od samog pokušaja da se predmet razume. Zamislite šta bi bilo da su naučnici na pitanje “šta izaziva epidemije kolere” prosto rekli “epidemije kolere šalje Bog kao kaznu za grehe.” Mi ni dan danas ne bi znali šta uzrokuje koleru, niti bi smo znali kako da ove epidemije sprečimo! A sve to samo zato što smo Bogu pogrešno pripisali određenu aktivnost.
Zato, naučnici nemaju izbora. Oni moraju da pokušaju da nađu objašnjenje za postojanje života u okviru naučne teorije. U toj potrazi, možemo se nadati da će oni jednog dana doći do istine. Možda će otkriti hemijske i fizičke procese nastanka života; a možda će umesto toga zaista otkriti da je prvi jednoćelijski život zaista direktno stvorio Bog. Ili ćemo naći nešto sasvim deseto. Za sada, ne znamo. Ali ako želimo da jednog dana dođemo do znanja, moramo tražiti odgovore na pitanja, a ne prosto unapred odlučiti da ih već znamo.