Η Εμφάνιση της ζωής στη Γη

Η ζωή προϋποθέτει ποικίλες ανταλλαγές ύλης και ενέργειας ανάμεσα στους φορείς της και στο περιβάλλον τους (πρόσληψη θρεπτικών ουσιών, απορρόφηση ενέργειας άλλης μορφής κ.ά.). Τα υψηλά επίπεδα οργάνωσης που χαρακτηρίζουν τους ζωντανούς οργανισμούς (τα τμήματα που τους αποτελούν είναι εξειδικευμένα για συγκεκριμένες λειτουργίες) τους εξασφαλίζουν δυνατότητες αντίληψης ποικίλων ερεθισμάτων από το εσωτερικό και το εξωτερικό τους περιβάλλον (ερεθιστικότητα) και ανάπτυξης, εκδήλωσης προσαρμογών (τροποποιήσεις στις δομές και στις λειτουργίες τους με σκοπό τη βέλτιστη δυνατή διαβίωση). Η προσαρμοστικότητα που χαρακτηρίζει τους ζωντανούς οργανισμούς εξασφαλίζει την ομοιόστασή τους, τη διατήρηση δηλαδή των εσωτερικών δομών τους και των λειτουργιών που απορρέουν από αυτές ανεξάρτητα από αλλαγές στο εξωτερικό περιβάλλον, π.χ. η εφίδρωση των ομοιόθερμων ζώων, προσαρμογή στην αυξημένη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, συμβάλλει στη διατήρηση της εσωτερικής τους θερμοκρασίας. Τέλος, κατά την ανάπτυξη των ζωντανών οργανισμών, από τη γέννηση ως το θάνατό τους, διακρίνονται διαδοχικά στάδια και καταστάσεις ενώ παράλληλα το κυριότερο ίσως χαρακτηριστικό της έμβιας ύλης είναι η δυνατότητα αναπαραγωγής, της παραγωγής δηλαδή απογόνων που "μοιάζουν" με τους γονείς τους.

Από τη μελέτη της φωτεινής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τον Ήλιο και τους άλλους αστέρες γνωρίζουμε ότι το υδρογόνο, το ήλιο, ο άνθρακας, το άζωτο και το οξυγόνο είναι τα πλέον άφθονα χημικά στοιχεία στο διάστημα. Έτσι, τα: C, H, N και O, τα στοιχεία δηλαδή που συνθέτουν τα βασικότερα συστατικά των έμβιων όντων, ήταν προφανώς άφθονα στην προβιοτική εποχή της ιστορίας του πλανήτη μας. Τρία αέρια: μεθάνιο (CH4), αμμωνία (ΝΗ3) και υδρατμοί (Η2Ο) είναι πιθανό να σχηματίστηκαν από τα παραπάνω χημικά στοιχεία και να αποτέλεσαν το βασικότερο μέρος της ατμόσφαιρας της Γης. Άλλα αέρια όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και το υδρόθειο (H2S) πιθανόν να προϋπήρχαν. Οποιαδήποτε όμως και αν ήταν η σύνθεση της αρχέγονης ατμόσφαιρας, οι χημικοί συμφωνούν ότι δεν υπήρχε σχεδόν καθόλου αέριο οξυγόνο, καθώς λόγω της μεγάλης δραστικότητας του θα είχε συνδυαστεί με άλλα στοιχεία. Ο μόνος λόγος που η σημερινή ατμόσφαιρα έχει τόσο πολύ οξυγόνο είναι επειδή τα φυτά και ορισμένα βακτήρια το παράγουν σε τεράστιες ποσότητες μέσω φωτοσύνθεσης.

Στην αρχέγονη ατμόσφαιρα, λόγω απουσίας αέριου οξυγόνου, δεν υπήρχε στρώμα όζοντος και έτσι ο πλανήτης ήταν εκτεθειμένος σε έντονη υπεριώδη ακτινοβολία, κοσμικές ακτίνες και άλλες μορφές ηλιακής ακτινοβολίας. Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις - αστραπές, η ραδιενέργεια, η θερμότητα από τα ηφαίστεια και ακόμη οι μεγάλες συγκρούσεις με μετεωρίτες πιθανό να αποτέλεσαν σημαντικές πηγές ενέργειας. Σύμφωνα με το βιοχημικό Alexander Oparin (1923), η διαθέσιμη αυτή ενέργεια είναι πιθανό να οδήγησε στη σύνθεση βιολογικών μορίων από τα χημικά στοιχεία που υπήρχαν στην αρχέγονη ατμόσφαιρα της Γης.

Το 1953 ο Stanley Miller πρώτος πειραματίστηκε πάνω στις ιδέες του Oparin για την αβιοτική γένεση των βιομορίων. Ο Miller χρησιμοποίησε τα χημικά μόρια της πρωτο-ατμόσφαιρας (μεθάνιο, νερό, αμμωνία και υδρογόνο) και συνθήκες σαν αυτές που πιθανόν να επικρατούσαν τότε (θερμοκρασία 80 βαθμών C και ενέργεια από ηλεκτρικούς σπινθήρες). Τα οργανικά μόρια που σχηματίστηκαν από την αντίδραση των πιο πάνω χημικών ενώσεων ήταν αμινοξέα (γλυκίνη, αλανίνη, γλουταμινικό οξύ) και διάφορα άλλα οργανικά οξέα (μυρμηγκικό, γαλακτικό) - εικ. 1.

Εικόνα 1. Το πείραμα του Miller

Σε πειράματα που διεξάγουν έκτοτε ερευνητές, χρησιμοποιώντας ποικιλία απλών χημικών ενώσεων (C02, C0, H2, NH3, H2S, H2O, CH4) και ακτινοβολιών διαφόρων μηκών κύματος και εντάσεων, έχουν καταφέρει να σχηματίσουν αβιοτικά το σύνολο σχεδόν των οργανικών μορίων που θεωρούνται απαραίτητα για το σχηματισμό των βασικών χημικών συστατικών του κυττάρου: αμινοξέα, αζωτούχες βάσεις, γλυκερίνη, λιπαρά οξέα και σάκχαρα. Ακόμη και τριφωσφορική αδενοσίνη (ΑΤΡ) σχηματίζεται, αν στο αρχικό μείγμα των αντιδράσεων συμπεριληφθεί φώσφορος (Ρ).

Τα πειράματα του Miller και των μετέπειτα δεν αποδεικνύουν ότι ο σχηματισμός των βιομορίων στην πρωταρχική ατμόσφαιρα έγινε με τον τρόπο που παρασκευάστηκαν στο εργαστήριο, αλλά περιγράφουν τι θα μπορούσε να είχε συμβεί αν οι συνθήκες τότε ήταν σαν αυτές που χρησιμοποίησαν οι ερευνητές.

Από αναλύσεις υλικών των μετεωριτών, δειγμάτων από σεληνιακά πετρώματα και από ραδιοφασματικές αναλύσεις του διαστρικού χώρου, διαπιστώθηκε η παρουσία οργανικών μορίων και εκτός Γης, γεγονός που αποτέλεσε τη βάση για τη διατύπωση εναλλακτικών υποθέσεων για την εμφάνιση της ζωής στον πλανήτη μας. Ήδη από τα μέσα του 19ου αιώνα ο Λόρδος Kelvin είχε διατυπώσει την άποψη ότι η πρόσφατη σχετικά δημιουργία της Γης δε θα μπορούσε να επιτρέψει μια αργή εξελικτική πορεία από την ανόργανη ύλη μέχρι το σχηματισμό των πρώτων κυττάρων. Εναλλακτικά πρότεινε την προέλευση της ζωής από το Διάστημα. Καλλιεργώντας την παραπάνω υπόθεση ο Svante Arrhenius διατύπωσε το 1908 τη θεωρία της Πανσπερμίας (Κοσμική Σπορά, "Πλανητική Πανσπερμία") σύμφωνα με την οποία οι μικροοργανισμοί ταξιδεύουν στο διάστημα και αποικούν κάθε κατάλληλο πλανήτη στον οποίο τυχαίνει να πέσουν.

Στα χρόνια που ακολούθησαν προτάθηκαν αρκετές καινούργιες εκδοχές της Πανσπερμίας (Hoyle και Wickramasinghe, 1978, 1979, 1981: "Κοσμική Πανσπερμία", Crick, 1981: "Κατευθυνόμενη Πανσπερμία"). Σύμφωνα με τη θεωρία της "Κοσμικής Πανσπερμίας" το διάστημα δεν αποτελεί μόνο το χώρο μέσα στον οποίο πραγματοποιούνται μετακινήσεις μορφών ζωής, όπως υποστηρίζει η θεωρία της "Πλανητικής Πανσπερμίας", αλλά την ίδια τη μήτρα η οποία γέννησε και συνεχίζει να γεννάει γονίδια, ιούς, βακτήρια και ίσως έντομα. Ωστόσο οι δύο πρώτες εξερευνήσεις του Άρη και ότι γνωρίζουμε για τις βιολογικές επιπτώσεις των κοσμικών ακτίνων (δεν υπάρχει μορφή ζωής που να μπορεί να επιβιώσει σε παρατεταμένη έκθεση στην κοσμική ακτινοβολία) αποτελούν ενδείξεις που εναντιώνονται στις θεωρίες της Πλανητικής και Κοσμικής Πανσπερμίας. Όσον αφορά την υπόθεση της "Κατευθυνόμενης Πανσπερμίας", σύμφωνα με την οποία η ζωή άρχισε με βακτήρια που έφτασαν στη Γη πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια πάνω σ' ένα διαστημόπλοιο που στάλθηκε από κάποιον προηγούμενο πολιτισμό, δεν υπάρχουν προς το παρόν ενδείξεις που να την τεκμηριώνουν.

Τα οργανικά συστατικά της πρωτόγονης ατμόσφαιρας συσσωρεύτηκαν με τις βροχές στα ρηχά νερά της Γης και συμμετείχαν σε ποικίλες χημικές αντιδράσεις. Διαφορετικοί χημικοί συνδυασμοί πρωτεϊνών και άλλων βιοπολυμερών πιθανότατα να οδήγησαν στη δημιουργία των πρωτοκυττάρων, κυττάρων που διαχωρίστηκαν από το περιβάλλον τους με το σχηματισμό απλών, υποτυπωδών μεμβρανικών δομών και ανέπτυξαν ικανότητες εκμετάλλευσης υλικών του περιβάλλοντος, ανάπτυξης και πολλαπλασιασμού.

Με την πάροδο του χρόνου, πιθανότατα πριν από 3,6 έως 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια, τα παραπάνω πρωτοκύτταρα εξελίχθηκαν σε προκαρυωτικά (κύτταρα χωρίς συγκροτημένο πυρήνα) βακτήρια. Τα αναερόβια αυτά κύτταρα αναπτύσσονταν, προφανώς, 10 μέτρα κάτω από την επιφάνεια των ωκεανών (προστατευόμενα εκεί από την έντονη υπεριώδη ακτινοβολία που έφθανε στη Γη) και αποτέλεσαν τον πρόδρομο των μεταγενέστερων και πολυπλοκότερων μορφών ζωής.

Από τα πρωταρχικά βακτήρια και μέσω συσσώρευσης γενετικών μεταβολών (μεταλλάξεων), αναπτύχθηκαν, πριν από 2,6 δισ. - 700 εκατομμύρια χρόνια, τα πρώτα ευκαρυωτικά κύτταρα (κύτταρα με συγκροτημένο πυρήνα - πυρηνική μεμβράνη). Από τα ευκαρυωτικά αυτά κύτταρα προέκυψε, μέσω γενετικών και πάλι αλλαγών, μια τεράστια ποικιλία πρωτίστων και μυκήτων καθώς και οι πρόγονοι των σημερινών φυτών και ζώων (πριν από 500 περίπου εκατομμύρια χρόνια) - εικ. 2, 3.

Εικόνα 2. Τα πρώτα στάδια της εξέλιξης της ζωής στη Γη

Εικόνα 3. Από τα πρωτοκύτταρα προέκυψαν εξελικτικά οι μονοκύτταροι προκαρύωτες, ένας κλάδος των οποίων εξελίχθηκε στα πιο σύνθετα: πρώτιστα, μύκητες, φυτά και ζώα,

Σημαντικό σταθμό στην παραπάνω εξελικτική πορεία θεωρείται ότι αποτέλεσε η εμφάνιση των φωτοσυνθετικών βακτηρίων (προκαρυωτικοί οργανισμοί που ονομάζονται κυανοβακτήρια) πριν από 2,3 - 2,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Τα κύτταρα αυτά μπορούσαν να δεσμεύουν το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας, ηλιακή ενέργεια και νερό και να συνθέτουν τους απαραίτητους για την επιβίωση τους υδρογονάνθρακες απελευθερώνοντας οξυγόνο στον ωκεανό και στην ατμόσφαιρα. Ο εμπλουτισμός του περιβάλλοντος με οξυγόνο αποτέλεσε απαραίτητη προϋπόθεση για την εμφάνιση ποικιλίας αερόβιων βακτηρίων αρχικά και πολύ πιο σύνθετων οργανισμών αργότερα (εικ. 4, 5, 6, 7, 8). Παράλληλα και λόγω της φωτοσύνθεσης, το μεγαλύτερο μέρος του διοξειδίου του άνθρακα της ατμόσφαιρας αντικαταστάθηκε από οξυγόνο, γεγονός που συντέλεσε στη δημιουργία της σημερινής ατμόσφαιρας, η οποία αποτελείται κυρίως από άζωτο και οξυγόνο.

Εικόνα 4. Ο εμπλουτισμός του περιβάλλοντος με οξυγόνο αποτέλεσε απαραίτητη προϋπόθεση για την εμφάνιση ποικιλίας αερόβιων βακτηρίων αρχικά και πολύ πιο σύνθετων οργανισμών αργότερα.

Εικόνα 5. Οι περισσότεροι οργανισμοί είναι αερόβιοι, εξοικονομούν δηλαδή την ενέργειά τους από την οξείδωση συνήθως της γλυκόζης.

Εικόνα 6. Ο εμπλουτισμός του περιβάλλοντος με οξυγόνο αποτέλεσε απαραίτητη προϋπόθεση για την εμφάνιση ποικιλίας αερόβιων βακτηρίων αρχικά και πολύ πιο σύνθετων οργανισμών αργότερα.

Με τη συσσώρευση στην ατμόσφαιρα όλο και περισσότερου οξυγόνου, ένα μέρος αυτού μετατράπηκε, με την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας, σε όζον το οποίο σχημάτισε προοδευτικά, στην κατώτερη στρατόσφαιρα, ένα "κέλυφος" που προστάτευε κάθε μορφή ζωής από τη θανατηφόρα υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία, παρέχοντας παράλληλα στα πράσινα φυτά τη δυνατότητα να ζουν όλο και πιο κοντά στις επιφάνειες των ωκεανών.

Εικόνα 7. Οι γεωλογικές περίοδοι εκφρασμένες σε εκατομμύρια χρόνια πριν και η εξέλιξη της ζωής.

Εικόνα 8. Το φυλογενετικό δέντρο των σπονδυλωτών

Στο σημείο αυτό σκόπιμη είναι μια σύντομη αναφορά στους βασικούς οικολογικούς όρους που αφορούν στην οργάνωση της ζωής στη φύση. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, κάθε ον που εμφανίζει τα χαρακτηριστικά της ζωής (αναπαραγωγή, ανάπτυξη, προσαρμοστικότητα κ.ά) ορίζεται ως οργανισμός. Ο όρος πληθυσμός αναφέρεται στο σύνολο των ατόμων του ίδιου είδους που ζουν σε μια συγκεκριμένη περιοχή το ίδιο χρονικό διάστημα. Το σύνολο των διαφορετικών πληθυσμών που ζουν την ίδια χρονική περίοδο σε μια περιοχή αναφέρεται ως βιοκοινότητα. Τέλος, ως οικοσύστημα ορίζουμε το σύνολο των βιοτικών και αβιοτικών παραγόντων μιας περιοχής και των μεταξύ τους αλληλεπιδράσεων, ενώ ως βιόσφαιρα το σύνολο των περιοχών της Γης και της ατμόσφαιρας όπου είναι δυνατή η ανάπτυξη της ζωής (εικ. 9).

Εικόνα 9. Τα επίπεδα οργάνωσης της ζωής

Εικόνα 1: science.msfc.nasa.gov/headlines/ images/comet-seeds/anim.htm -
Προσαρμογή από το ΚΠΕ Καστοριάς
Εικόνα 3: MILLER T. G., "Living in the Environment: Principles, Connections and Solutions",
σελ. 212 - Προσαρμογή από το ΚΠΕ Καστοριάς
Eικόνα 4: www.nap.edu/readingroom/books/evolution98/page4.html -
Προσαρμογή στα ελληνικά από το ΚΠΕ Καστοριάς
Εικόνα 6, 7: PINNA L., "Τα Μυστικά της Ζωής", σελ. 10, 11, 12, 13
Εικόνα 8: MADER S., "Inquiry Into Life", σελ. 607
Εικόνα 9: POLLOCK ST., "Ανακαλύπτω την Επιστήμη - Οικολογία", σελ. 7

Σχετικά δημοσιεύματα

• Στα βάθη των ωκεανών γεννήθηκε η ζωή • Η βυθισμένη "οροσειρά" ηφαιστείων στη θάλασσα της Κρήτης • Αναζητούμε στον Άρη την άκρη της ζωής στη Γη • Η διαδικασία δημιουργίας του ευκαρυωτικού κυττάρου ήταν μια από τις μεγαλύτερες επιτυχίες της φύσης • "Xαμένη Πολιτεία" στον Aτλαντικό • Πώς η καταστροφή δημιούργησε τη ζωή • Πώς άρχισε η ζωή; • Πώς ξεκίνησε η ζωή; • Υπάρχει ζωή σε άλλους πλανήτες; • Τι είναι η ζωή; • Σε πόσους πλανήτες υπάρχει ζωή;