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.

A földi élet fejlődésének fontos lépései

A földi élet fejlődésének fő lépései bolygótudományi szempontból az alábbiakban összegezhetők.

Az élet keletkezésének időpontja a 3,5 és 4,0 milliárd évvel ezelőtti időszakra tehető. A legősibb életnyomok között említhetők a Nyugat-Ausztráliában talált 3,5 milliárd éves sejtszerkezet-fosszíliák, valamint 3,8 milliárd éves, feltehetőleg biogén eredetű (élőlényektől származó) anomáliák a fennmaradt kőzetek szénizotópjainak arányaiban.

Mint korábban említettük, ekkor a légkör főként szén-dioxidból állt, emellett még sok molekuláris hidrogén, nitrogén, metán, ammónia, valamint vízgőz lehetett benne. Eleinte savasabb és sósabb volt a felszínre kicsapódó víz, és maga a vízborítás is kiterjedtebb lehetett, mivel nem léteztek olyan kontinensek, mint napjainkban. Ennek a periódusnak az elején történt a prebiotikus fejlődés, majd kb. 3,8 milliárd évvel ezelőtt az élet megszületése.

Az oxigéntermelő fotoszintézis megjelenése kénizotópok alapján kb. 2,7-2,4 milliárd évvel ezelőttre tehető. Az oxigén jelenléte és felhasználása kb. duplájára növelte a bioprodukciót, a biogén eredetű anyagtermelést. Mindezzel kapcsolatban 2,2-2,0 milliárd évvel ezelőtt az oxigénszint jelentős emelkedésnek indult, és a későbbiekben pedig olyan periódusok is lehettek, amikor a mainál is magasabb oxigénkoncentráció volt a légkörben.

Az eukarióták (sejtmagvas élőlények) megjelenése kb. 2 milliárd évvel ezelőttre datálható. Feltehetőleg több tényező együttese eredményezte a kialakulásukat. Közreműködhetett ebben, hogy a lassú és hosszú fejlődés során ún. endoszimbiózissal egyre bonyolultabb sejtek jöttek létre. Az endoszimbiózis-elmélet szerint egyes élőlények más élőlények belsejébe épültek be, és azok részévé váltak. Az endioszimbionták - tehát a más élőlények testébe került organizmusok - végül feladták saját, önálló életüket. A fotoszintézis elterjedése jelentősen megnövelte a légköri oxigénszintet, ezzel pedig az élőlények által felhasználható energia mennyiségét, szélesítve a lehetséges változások körét.

Továbbá jelek utalnak arra, hogy néhány gyors, globális változás is zajlott bolygónkon, és egy-egy ilyen periódus lezárulása az élővilág átmeneti, robbanásszerű felvirágzását, számtalan "innovációt" eredményezett. Egyes modellek szerint ezek ún. globális hólabda-állapotok voltak, mikor a jég egész bolygónkat beborította. Ezek vége felé a légköri szén-dioxid halmozódása globális felmelegedést eredményezett. Az olvadás után váratlanul "paradicsomi" állapotba került élőlények elburjánzottak, és evolúciós újításokkal ugrásszerűen fejlődtek tovább.

A kedvező környezeti paraméterek és az addig lezajlott evolúciós fejlődés nyomán kb. 0,6 milliárd éve ugrásszerű fejlődésnek indult a többsejtű élővilág. Bennük még több lehetőség volt a változásokra és újításokra, így a fejlődés látványosan felgyorsult. Ennek kezdetét nevezik kambriumi robbanásnak. A földi élővilág változatossága az ezt megelőző időszakhoz viszonyítva gyorsasan nőtt, egyre összetettebb életformák és életközösségek jelentek meg.

A bioszféra a Föld fejlődésére is visszahatott, amiben kulcsszerepe volt a prokariota (sejtmag nélküli) élőlényeknek. Fontos az élővilág oxigéntermelése, amely a kémiai környezetet alapvetően megváltoztatva a kezdeti redukáló jellegűből oxidálóvá alakította az atmoszférát. Az élővilág a szárazföldeken gyorsítja az ásványok kémiai megbontását, ugyanakkor lassítja a felszíni törmeléktakaró mechanikai lepusztulását. A bioszféra számos anyag kémiai körforgását befolyásolja, hat a szerves és karbonátos üledékek kialakulására, utóbbi révén szén-dioxidot von ki a légkörből és köt meg a kőzetekben.

A legelső életformák számára még alig volt elérhető szabad oxigén, amit megfelelő enzim (kémiai folyamatokat gyorsító katalizátor) hiányában akkor még nem is tudták "kezelni", ezért azt nem kedvelték, továbbá sugárvédő ózonpajzs sem létezett. Az első élőlények mai tudásunk alapján a jelenleg ismert cianobaktériumokhoz és anaerob (oxigén nélkül növekvő) baktériumokhoz hasonlíthattak.

A földi élet fejlődésének néhány fontos lépése

Ha az első élőlényeket keressük, akkor a törzsfejlődés fájának a legelején lévő taxonokat (élőlénycsoportokat) kell vizsgálni. Mivel ezek általában hőkedvelő élőlények, ezért elképzelhető, hogy forró helyeken, vulkáni hévforrásoknál született meg az élet. Ilyen helyszínek például a hidrotermális rendszerek, ahol a geotermikusan fűtött kőzetek között víz kering, és az energiát a redukált, oldott hidrogén és hidrogén-szulfid biztosíthatja az élőlényeknek. Ha a legelső életformákhoz hasonló szervezeteket keresünk, akkor a szélsőséges környezeti viszonyokat kedvelő élőlények, az ún. extremofilek világát kell tanulmányoznunk. Velük és előfordulási helyeikkel ismerkedünk meg a következő alkalommal.

Feladat

Készítsük el a Világegyetem, a Föld és a földi élet fejlődésének képzeletbeli óráját, amelyben 24 óra feleljen meg a Nagy Bumm (Ősrobbanás) óra eltelt 13,7 milliárd évnek. A fenti cikk és a sorozat két korábbi cikke alapján gyűjtsük össze a legfontosabb evolúciós eseményeket (pl. a Tejútrendszer, a Nap és a Föld kialakulása, az élet megszületése, az eukarióták és a többsejtűek megjelenése).

Az előző feladat megoldása

Az elmúlt alkalommal az alábbi kérdést tettük fel: Mekkorának látnánk egy, a Nappal megegyező méretű csillag átmérőjét egy olyan exobolygó felszínéről, amely fele akkora távolságban kering csillagától, mint a Merkúr a Naptól?

Megoldás: A Merkúr átlagos naptávolsága 58 millió km, a Nap átmérője pedig 1,4 millió km. Szögfüggvény segítségével kiszámolható, hogy a Merkúrról nézve Napunk majdnem 1,4 fok átmérőjűnek, azaz közel háromszor nagyobbnak látszik, mint a Földről. Ha egy égitest a Napunkhoz hasonló méretű csillag körül kering a Merkúrnál kétszer közelebb, csillagának 2,8 fok a látszó mérete az égen - tehát 5,5-ször nagyobb a Földről megfigyelhető napméretnél. Léteznek olyan exobolygók, amelyek még közelebb keringenek csillagukhoz. Tized Merkúr-Nap távolságról figyelve már majdnem 20 fok átmérőjűnek látszana csillagunk.