A földi élet keletkezése - asztrobiológia kurzus, III. rész

Kétéves online tudományos ismeretterjesztő tanfolyamot indított az [origo] tudomány rovata, amely a Földön kívüli élet utáni kutatás iránt érdeklődő, de szakirányú végzettséggel nem rendelkező olvasókat vezeti be az alapokba és a legújabb eredményekbe. A sorozat harmadik részében az élet lényegét próbáljuk megközelíteni. A Földön kívüli élet kereséséhez ugyanis első lépésként a földi életet kell megismerni, és különösen kialakulási körülményeit megérteni. A feladat nehéz, azonban az elmúlt években sok olyan eredmény született, amelyek közelebb visznek bennünket a válaszhoz - ezekből tekintünk át néhány fontosat a következő összeállításban.

Az ősi Föld jellemzői

Az élet kialakulása vagy bolygónkon történt, vagy az élet máshonnan került ide. A szakemberek többsége az élet földi keletkezését preferálja - a Földön kívüli eredet nem ad választ a keletkezés kérdéseire. Az első esetet tekintve érdemes az élet kialakulásakor a bolygónkon uralkodó körülményeket, környezeti paramétereket tanulmányozni. A bolygók ugyanis fejlődésük elején jobban hasonlítanak egymáshoz, mint később. Ennek oka, hogy anyaguk összeállása, a belső differenciálódás (az anyagok rétegekbe - mag, köpeny, kéreg - való különülése), valamint a korai Naprendszerben jellemző gyakori becsapódások alkalmával sok hő szabadul fel. Emiatt a Föld-típusú égitestek felszínén a kezdetekben viszonylag magas hőmérséklet, 100 °C-nál is melegebb uralkodhatott. Emellett ősi légkörük is jobban hasonlíthatott egymáséra.

Később, miközben az égitestek felszíne hűlt, a folyékony víz is megjelenhetett rajtuk. Mai modelljeink alapján körülbelül ebben az időszakban alakult ki az élet a Földön. Később az egyes égitestek eltérő adottságaiknak és a külső hatásoknak megfelelően eltérő fejlődési utat jártak be. A Mars például fagyos világ, a Vénusz pedig forró égitest lett. A földi élet kialakulása idején a Földön uralkodóhoz hasonló viszonyok tehát más égitesteken is megjelenhettek, noha a mai viszonyok már különböznek az egykori állapotoktól.

Az ősi földi környezettel kapcsolatban egyelőre nincs teljesen tiszta képünk. Az elterjedt vélemények szerint a felszín a bolygó 4,6 milliárd évvel ezelőtti kialakulása után több százmillió évig még túl forró volt ahhoz, hogy folyékony víz lehessen rajta - bár a víz megjelenésének lehetséges időpontját az újabb vizsgálatok egyre korábbra teszik. Kb. 3,8 milliárd évvel ezelőttig viszonylag gyakoriak lehettek a nagy becsapódások, amelyek több alkalommal is elpárologtathatták a hűlő felszínre kicsapódott világtengert. Kontinensek mai formájukban még nem léteztek, és a légkör főleg szén-dioxidból, emellett hidrogénből, ammóniából, metánból és vízgőzből álló, redukáló jellegű volt.

Napunk szintén másként viselkedett akkoriban: stabil fősorozati élete előtt élénken változott aktivitása, a jelenlegi állapotnál kb. 30%-kal gyengébben sugárzott. Ugyanakkor a modellek alapján a mainál erősebb ultraibolya sugárzása lehetett, és az is élénken változott. Földünk fejlődésének kezdetén nem volt annyi ózon az atmoszférában, hogy az ultraibolya sugárzás jelentős részét kiszűrje. Ugyanakkor kezdetekben például magaslégköri szmog is hozzájárulhatott ehhez a szűréshez. A légköri ózonszint növekedése révén kb. 3,5 milliárd éve csökkenhetett az ultraibolya sugárzás a mai szint közelébe.

Prebiotikus fejlődés

Prebiotikus időszaknak bolygónkon az élet kialakulását megelőző, annak megszületéséhez vezető kémiai átalakulások periódusát értik. Az alábbiakban ennek csak a legfontosabb folyamatait érintjük. Célunk ugyanis az élet keletkezésével kapcsolatos azon ismeretek áttekintése, amelyek más égitestek asztrobiológiai potenciáljának megbecslésében segíthetnek.

Prebiotikus anyagoknak nevezik a földi élet kialakulásához szükséges molekulákat, amelyek abiogén úton, tehát az élettől független folyamatokkal jöttek létre. Eredetük alapján három csoportra oszthatjuk őket. Első és kisebb csoportjukba lévő azon molekulák tartoznak, amelyek bolygónk összeállása és felmelegedése során nem bomlottak le. Ezzel rokonítható másik csoportot képeznek azok a molekulák, amelyek meteorikus anyagok formájában, becsapódó kisbolygók, üstökösmagok belsejében, a világűrből hullottak a már összeállt Földre.

Stanley Miller (NASA)

A harmadik csoportot az ősi Földön különböző kémiai reakciók során kialakuló molekulák jelentik. Utóbbiak lehetőségére elsőként az 1953-ban végrehajtott Urey-Miller-féle kísérlet hívta fel a figyelmet. Ennek keretében a feltételezett földi őslégkör anyagaiból (ammónia (NH₃), metán (CH₄), hidrogén (H₂), víz (H₂O)) elektromos szikrák segítségével szerves anyagokat, köztük aminosavakat szintetizáltak. Később a DNS és az RNS sok fontos alkotórészének (zsírsavak, cukrok stb.) laboratóriumi kialakulását is megfigyelték.

A prebiotikus anyagok fenti három csoportjából jelenleg az utóbbi kettőt tekintik fontosabbnak, különösen annak fényében, hogy mára kiderült: sok prebiotikus anyag még a csillagközi térben kialakul, és meteoritokban bolygónkra hullhat.

A Murchinson-meteorit (NASA)

Jelenleg naponta nagyságrendileg egy tonna meteorikus anyag hullik a Földre. Bolygónk fejlődésének első 100 millió éve alatt ugyanez az érték több ezerszer nagyobb lehetett. A meteorikus eredetű anyagok összetételéről a kevéssé átalakult, ún. szenes kondrit meteoritok szolgálnak fontos információkkal. Közülük az egyik leghíresebb a Murchinson-meteorit, amelyben sok (de nem az összes), a földi élőlényekben lévő aminosav is megtalálható - ugyanakkor sok benne előforduló aminosav nem jellemző bolygónkon. Korábban már érintettük a kiralitás problémáját, sajnos a meteoriton végzett ilyen vizsgálatok eredményei nem egyértelműek. Bizonytalanul 8-10%-os többlet mutatkozik a balkezes L-aminosavakból a Murchinson-meteoritban, de a minta alapján nehéz biztos megállapításokat tenni.

Szintén fontosak a kanadai Tagish-tóra 2000. január 18-án hullott meteorit darabjai. Az objektum egy primitív szerkezetű meteorit, sok szerves anyaggal. Elemzésével bizonyítást nyert, hogy a szenes kondrit meteoritokban sok olyan szerves anyagcsomó van, amelyek hideg, -260 °C hőmérsékletű közegben, azaz csillagközi molekulafelhőben vagy a Naprendszer külső régiójában keletkeztek. A szenes kondritok törékeny, porózus jellegük miatt a légkörbe belépve a felszín elérése előtt szétdarabolódhatnak, apró töredékeik pedig a légellenállástól lelassulhatnak annyira, hogy a felszín elérésekor nem következik be anyagukat elpárologtató robbanás.

A prebiotikus fejlődés során az energiaforrásoknak (hő, ultraibolya sugárzás, villámok stb.) és a környezeti paramétereknek megfelelően különböző kémiai reakciók zajlottak, alkalmanként molekulákat lebontva, máskor egyre hosszabb molekulákat kialakítva. Sok kémiai reakció történhetett agyagásványok, vas-szulfidok és szilikátok felületén. A feltételezések alapján olyan kémiai rendszerek alakultak ki, amelyek a mai élőlényeknek csak egyes tulajdonságaival bírtak, tehát nem tekinthetjük még őket élőlényeknek - igaz, a határ meghúzása nehéz feladat.

Az RNS-világ

A feltételezések alapján a fenti kémiai fejlődés eredményeként sok RNS-molekula terjedt el. Az RNS-ek jó információhordozók, és viszonylag jól is másolják önmagukat. Ugyanakkor katalizátorként is működhetnek, és elősegítenek bizonyos reakciókat, létrehozhatnak például a fehérjékben az aminosavakat összekapcsoló peptidkötéseket. Mesterséges körülmények között már sikerült az RNS-ek természetes szelekcióját, a hatékonyabb molekulák kiválasztódását megfigyelni. A modellek alapján ilyen RNS-ek hozhatták létre a rajtuk alapuló, feltételezett organizmusokat (RNS-világ).

Valamikor az RNS-világ fejlődése során alakultak ki a DNS-ek, amelyek nukleinsavként stabilabbak és jobb információhordozók az RNS-nél. Ugyanakkor katalizátorként nem annyira hatékonyak - de ezt a feladatot fehérjemolekulák is elvégezhették helyettük. A DNS-alapú kezdetleges életformák ezért elterjedtek, és a háttérbe szoríthatták a korábbi, RNS-alapú társaikat. Sajnos mai tudásunk még nem elegendő ahhoz, hogy felvázoljuk, az első DNS-ekből miként épültek fel fehérjékkel és egyéb összetevőkkel együtt az első sejtek.

Az RNS (balra) és a DNS (jobbra) szerkezete

Egyelőre annyit tudunk, hogy kb. 3,5 milliárd évnél korábban, de kb. 4,0 milliárd évnél később létrejöttek a ma ismert élővilág legelső képviselői. Ezek ősi formáját utolsó egyetemes közös ősnek (Last Universal Common Ancestor, LUCA) nevezik. A feltételezett LUCA a törzsfa legalján foglal helyet, minden ma ismert élőlény tőle származtatható. Egyes genetikai kutatások alapján a mai melegkedvelő, kénhasznosító baktériumok közeli rokona lehetett.

Az élővilág egyszerűsített törzsfája

A legkorábbi élőlények az evolúciós törzsfa alsó részén lehetnek. Az elágazások rekonstruálásában fontos szerepet képeznek a genetikai vizsgálatok, a legidősebb formák többsége ugyanis mára kipusztulhatott. A ma élő baktériumoknak (a legelterjedtebb földi élőlénycsoportnak) a becslések alapján csak kisebb részét ismerjük - kihalt képviselőikről pedig még hiányosabb a tudásunk.

Könyvajánló

Szathmáry E. - Smith, J. M.: A földi élet regénye - Az élet születésétől a nyelv kialakulásáig, Vince Kiadó, 2000

Gánti Tibor: Az élet általános elmélete, Műszaki könyvkiadó, 2000

Gánti Tibor: Az élet princípiuma, Gondolat Könyvkiadó (1. kiadás: 1971, 4. kiadás: 1983)

Richard Dawkins: A vak órásmester, Kossuth Kiadó, 2005

Vida Gábor: Az élet keletkezése, Gondolat Könyvkiadó, 1981

Palmer Douglas: A történelem előtti világ atlasza, Gabó Könyvkiadó, Budapest, 2000

Kereszturi Ákos-Simon Tamás: Asztrobiológia, Meteor csillagászati évkönyv 2005. pp. 190-218.