„Nuo ko viskas prasidėjo? Kaip gyvybė tapo sudėtingesnė? Kodėl ji išaugo iki didelių matmenų? Tai trys momentai ankstyvojoje Žemės istorijoje, kai evoliucija staiga, nepaaiškinamu būdu, smarkiai paspartėjo.
Gyvybė Žemėje pasižymi neįtikėtina įvairove: skruzdėlės ir drambliai, varlės ir mėlynieji banginiai, tulpės ir sekvojos, ir netgi žmonės – viena iš didžiųjų beždžionių atšakų. Visa tai vienija biochemija, o ypač – bendri genetinio paveldėjimo mechanizmai: DNR ir RNR, universalūs gyvybės „instrukcijų rinkiniai“.
Atsekę šias biochemines gijas laike, daugelis mokslininkų priėjo prie išvados, kad visa gyvybė kilo iš vadinamojo Paskutiniojo universalaus bendrojo protėvio (angl. *Last Universal Common Ancestor* – LUCA). Jis atsirado prieš 4–4,5 mlrd. metų, Žemei susiformavus iš dujų ir nuolaužų, likusių po Saulės sistemos gimimo. Tikriausiai, niekada nepavyks tiksliai nustatyti, kaip šis protėvis susiformavo iš „pirminio sultinio“. Nėra jokių fosilijų, kurios leistų pažvelgti į tą laikotarpį, be to, mokslininkai neturi su kuo palyginti: kol kas Žemė yra vienintelė žinoma vieta visatoje, kurioje egzistuoja gyvybė.
Atsakius į pradinį klausimą „kaip“, tolesnius klausimus mokslininkams nagrinėti tampa šiek tiek lengviau. Štai kas žinoma apie tris svarbiausius lūžio taškus gyvybės evoliucijoje Žemėje.
Kur pirmiausia atsirado gyvybė?
Mokslininkai turi nedaug bendrų nuomonių apie gyvybės kilmę, įskaitant ir tai, kur ji galėjo atsirasti – Žemės paviršiuje ar jos vandenų gelmėse.
„Į šiuos klausimus sunku atsakyti, – teigia Arizonos universiteto evoliucinės biologijos profesorė Joanna Masel. – Turimi įrodymai – labai fragmentiški. Todėl ir kyla ginčų.“
Viena iš versijų – „pirminio sultinio“ hipotezė: gyvybė kilo dėl natūralių cheminių reakcijų pirminiuose Žemės vandenyse, kuriuose susidarė organinių junginių „sultinys“.
Šią idėją 1871 m. iškėlė Charlesas Darwinas, pasiūlęs mintį, kad gyvybės pradžia galėjo būti „koks nors šiltas nedidelis tvenkinys“. Pasak jo, keletas paprastų cheminių medžiagų ir energijos šaltinių – pavyzdžiui, natūrali šiluma bei elektra – galėjo susijungti ir suformuoti molekules, „pasirengusias dar sudėtingesniems pokyčiams“. Tai savo ruožtu galėjo lemti pirmosios gyvybės formos atsiradimą – tai buvo tarsi mažytis cheminių medžiagų maišelis, gebantis dalytis ir kurti savo kopijas.
Ši hipotezė pirmą kartą buvo rimtai patikrinta 1953 m. Stanley L. Milleris, tuo metu buvęs Čikagos universiteto doktorantas, į kolbą įpylė vandens bei įleido amoniako, metano ir vandenilio – dujų, kurios, kaip manyta, gausiai sudarė ankstyvąją atmosferą.
Tuomet, norėdamas imituoti žaibo išlydį, jis sukėlė kibirkštis. Po kelių dienų iš paprastų molekulių susidarė aminorūgštys – baltymų ir beveik visos gyvybės planetoje „statybiniai blokai“.
Tačiau aminorūgščių sudėtingumas nedidėjo, o mokslininkams pradėjus iš naujo vertinti pirminės atmosferos sudėtį, susidomėjimas šia teorija atslūgo.
Po kelerių metų tyrėjai aptiko aminorūgščių meteorituose; tai leido daryti prielaidą, kad gyvybės „statybiniai blokai“ galėjo atkeliauti iš kosmoso – o tai tapo dar vienu galimu smūgiu „pirminės sriubos“ teorijai.
Kitoje diskusijos pusėje stovi tie, kurie mano, kad gyvybė atsirado vandenyno gelmėse. 1977 m. Ramiojo vandenyno dugną tyrinėję amerikiečių mokslininkai netikėtai atrado tarsi iš kito pasaulio atrodančią aplinką: vulkanines angas ir neįprastas ekosistemas, kuriose, pavyzdžiui, driekėsi keistos, baltos vamzdelinės kirmėlės. Energiją jos gavo ne iš saulės šviesos (kuri maitina paviršines ekosistemas, pradedant augalais), o iš cheminių medžiagų, kurias išskyrė karštosios versmės.
Atskleidus vis daugiau giliavandenių ekosistemų, mokslininkai iškėlė hipotezę, kad visa Žemės gyvybė galėjo atsirasti gelmėse – ten, kur ją maitino šiltas, pastovus cheminių medžiagų srautas ir kur ji buvo apsaugota nuo pavojingų uolienų bei kosminės spinduliuotės, kurios ankstyvuoju laikotarpiu bombardavo planetos paviršių.
Pastaraisiais metais nauji atradimai sustiprino abiejų pusių argumentus.
Pavyzdžiui, 2009 m. Mančesterio universiteto (Anglija) chemikas Johnas D. Sutherlandas aprašė naują būdą, kaip gyvybei būdingos molekulės, veikiamos saulės ultravioletinių spindulių energijos, galėjo savaime susijungti ankstyvosios Žemės paviršiuje.
O 2017 m. atlikta Australijoje rastų mineralinių nuosėdų analizė parodė, kad ankstyvieji gyvybės pėdsakai sausumoje galėjo susiformuoti karštosiose versmėse. 2024 m. įtakinga mokslininkų grupė išreiškė tvirtą pritarimą šiai išvadai.
Netgi giliųjų versmių teorija taip pat sulaukė naujo palaikymo. Šią vasarą Heinricho Heine universiteto Diuseldorfe (Vokietija) mokslininkų komanda iškėlė mintį, kad, giliavandenėse jūrose esančios, šiltos cheminės medžiagos apėmė tokius metalus, kaip nikelis, kobaltas ir paladis. Tyrėjai teigia, kad šie metalai galėjo būti katalizatoriai, padėję ankstyviausioms gyvybės formoms kurti medžiagų apykaitos kelius.
Daugėjant įrodymų, galiausiai, abi teoretikų stovyklos gali būti teisios, sakė dr. Masel.
„Nebūtinai tai vienas dalykas“, – sakė ji. „Gali būti, kad gyvybė atsirado hidroterminėse versmėse ir šiltame mažame tvenkinyje.“
Galbūt, pridūrė ji, gyvybė atsirado nepriklausomai skirtingose ekologinėse nišose, kurios amžiams išliko izoliuotos viena nuo kitos.
„Atrodo, kad , kad pradiniai įvykiai klostėsi labai, labai sparčiai – tai leidžia manyti, jog „pirmoji gyvybė“ nėra pati sudėtingiausia dalis, – sakė ji. – Galbūt, gyvybės atsiradimas buvo lengvesnis, nei manėme.“
— William J. Broad
Kaip gyvybė tapo sudėtinga?
Maždaug prieš du milijardus metų Žemėje atsirado naujo tipo ląstelės – daug didesnės ir sudėtingesnės už anksčiau egzistavusius mikrobus. Šiandien šios, vadinamosios eukariotinės, ląstelės sudaro mūsų pačių, taip pat kitų gyvūnų, augalų ir grybų organizmus. Kaip atsirado šio tipo ląstelės – viena didžiausių biologijos mįslių.
Terminas „eukariotinė“ kilęs iš graikų kalbos žodžių, reiškiančių „tikrasis riešutas“ (branduolys). Tai nuoroda į branduolį – ląstelės dalį, kurioje eukariotinės ląstelės laiko susuktą savo DNR. Eukariotinėse ląstelėse yra ir daugybė kitų gyvybiškai svarbių struktūrų, pavyzdžiui, tūkstančiai mitochondrijų, kurios gamina energiją. Didelį eukariotinės ląstelės tūrį palaiko karkasas, kurį galima greitai išardyti ir vėl surinkti; jis taip pat veikia kaip vidinis transporto tinklas, kuriuo molekulių „siuntos“ sparčiai gabenamos iš vienos ląstelės dalies į kitą.
Tuo tarpu vienaląstis mikrobas, pavyzdžiui, *Escherichia coli*, yra kur kas paprastesnis. Jame nėra nei mitochondrijų, nei karkaso, nei branduolio – tai „prokariotas“ (ląstelė be branduolio). Eukariotai – organizmai, sudaryti iš eukariotinių ląstelių – yra kilę iš bendro protėvio, kuris savo ruožtu kilo iš senovinių prokariotų.
Ankstyviausi eukariotai buvo vienaląsčiai pirmuonys; seniausios žinomos jų fosilijos yra 1,8 mlrd. metų senumo. Mokslininkai negali pasakyti, kiek anksčiau atsirado patys pirmieji eukariotai.
Svarbių užuominų apie šį virsmą suteikė patys gyvieji organizmai. Per pastarąjį dešimtmetį mokslininkai atrado mikrobų grupę, vadinamą „Asgard“ (liet. asgardais), kurie pasižymi daugeliu, nors ir ne visais, eukariotams būdingais bruožais. Pavyzdžiui, jie turi ląstelės karkasą, padedantį jiems judėti (šliaužioti), tačiau neturi nei branduolio, nei mitochondrijų.
Šiuo metu manoma, kad „Asgard“ grupės atstovai yra kilę iš eukariotų pirmtakų. Ankstyvieji į „Asgard“ panašūs organizmai tam tikrus eukariotams būdingus bruožus įgijo, veikiant natūraliajai atrankai: dėl mutacijų pakitus ląstelėms, atsirado pranašumų, kurie buvo perduoti palikuonims.
Tačiau ląstelės evoliucionavo ir kitais būdais.
Ankstyvieji eukariotai gyveno labai glaudžiai su kitais mikrobais, sudarydami ekologines partnerystes. Dėl tokio glaudaus kontakto „Asgard“ ir eukariotų protėviai galėjo perimti genus iš savo partnerių ir įtraukti juos į savo genomus.
Šis genų mainų procesas galėjo prasidėti maždaug prieš 3 mlrd. metų ir tęstis šimtus milijonų metų. Naujausi tyrimai rodo, kad lemiami mainai, davę pradžią eukariotams, buvo patys įspūdingiausi.
Maždaug prieš 2,25 mlrd. metų viena bakterijų rūšis įsikūrė į „Asgard“ panašių ląstelių viduje ir, naudodama savo metabolizmą, ėmė gaminti energiją šeimininkinėms ląstelėms. Šios bakterijos pradėjo būti perduodamos iš vienos šeimininkų kartos į kitą ir galiausiai evoliucionavo į mūsų mitochondrijas.
Bendrieji eukariotų kilmės bruožai jau aiškėja, tačiau daugelis šios istorijos puslapių vis dar tušti. Pavyzdžiui, mokslininkai vis dar nežino, kaip susijungė visi komponentai, sudarantys ląstelės branduolį.
Taip pat nežinoma, kodėl mikrobų susijungimas, lėmęs didelių ir sudėtingų ląstelių atsiradimą, gyvybės istorijoje įvyko tik vieną kartą. Galbūt, tam susiklostė itin retos aplinkybės? O gal evoliucija atliko ir kitus „sudėtingumo eksperimentus“, kurie seniai baigėsi tų organizmų išnykimu?
Viena aišku: kai tik išsivystė eukariotinė ląstelė, Žemė nebebuvo tokia, kokia buvo anksčiau. Nuo koralinių rifų ir milžiniškų kalmarų iki Amazonės atogrąžų miškų bei didžiulių gnu antilopių bandų Afrikos savanose – eukariotai davė pradžią visai mūsų matomai gyvybei, įskaitant ir tą, kurią matome, žvelgdami į veidrodį.
— Carl Zimmer
Kodėl gyvybė tapo didelė?
Eukariotų atsiradimas padėjo evoliucinį pagrindą koraliniams rifams ir gnu antilopių bandoms, tačiau prireikė daug laiko, kol gyvybė ėmė sparčiai stambėti.
Iš tiesų, vėlesnis milijardas metų dažnai vadinamas „nuobodžiuoju milijardu“. Atrodė, kad evoliucija sustingo; gyvybė išliko beveik vien tik mikroskopinė. Net tektoninės plokštės tarsi sustojo, todėl žemynuose nebuvo kalnų. Tačiau maždaug prieš 720 milijonų metų pasaulyje prasidėjo tikra sumaištis.
Pirmiausia Žemė užšalo – planeta pasidengė ledo kiautu, kuris užkirto kelią saulės šviesai pasiekti vandenynus ir sustabdė fotosintezę. Išskyrus vieną 10 milijonų metų trukusį atšilimą, Žemė 85 milijonus metų buvo nebe „mėlynasis rutuliukas“, o akinamai baltas „sniego gniūžtės“ pavidalo pasaulis.
Mokslininkai stebisi, kad gyvybė neišnyko. Priešingai – po šio ilgo tamsos laikotarpio ji paslaptingai šoktelėjo į priekį tiek dydžiu, tiek sudėtingumu.
„Tai, ko gero, pats keisčiausias Žemės istorijos tarpsnis, apie kurį apskritai žinoma, – teigia Kembridžo paleobiologas Nickas Butterfieldas. – Įžengi į vieną laikotarpio galą – matai seną, niūrų, nuobodų mikrobų pasaulį; o išėjęs kitame gale, po dviejų milžiniškų apledėjimų, pamatai, kad staiga atsirado gyvūnų, o visi mikrobai – pasikeitę.“
Šie pokyčiai buvo tokie ryškūs, kad 2006 m. mokslininkai naują geologinį periodą jiems apimti – ediakaro periodą. Jis prasidėjo maždaug prieš 635 mln. metų, tirpstant „sniego gniūžtės Žemės“ (angl. *Snowball Earth*) ledynams, ir baigėsi maždaug prieš 540 mln. metų, prasidėjus kambro erai.
Guy Narbonne’as, geologas iš Karalienės universiteto (Ontarijas, Kanada), tyrinėjo didelių, minkštakūnių gyvūnų, gyvenusių ediakaro laikotarpiu, fosilijas. Tyrimai vyko vietovėje, vadinamoje *Mistaken Point*, pietrytiniame Niufaundlando pakraštyje. Tarp šių būtybių buvo randžeomorfų – jūrinių gyvūnų, priminusių palmių lapus ir galėjusių užaugti iki šiuolaikinio krepšininko ūgio. Kiti buvo apvalūs, monetos dydžio. Dar kiti – galbūt, ankstyvosios kempinės – buvo kūgio formos.
Dr. Narbonne’ui viskas atrodo paprasta: slinkdami kraštovaizdžiu, visur esantys ledynai traiškė uolienas. Ledynams traukiantis, nuosėdos pateko į vandenyną ir paskatino dumblių „žydėjimą“. Dėl to pakilo deguonies lygis, o tai sudarė sąlygas intensyvesnei medžiagų apykaitai, kurios reikėjo didesniems organizmams.
„Sunku sugalvoti geresnį būdą vandenynams patręšti nei ledynų tirpimas pasibaigus apledėjimui“, – teigė dr. Narbonne’as.
Andrew Knollis, Harvardo universiteto paleontologas, taip pat mano, kad būtent deguonis paskatino evoliucinį šuolį ediakaro laikotarpiu. Tačiau, jo nuomone, „sniego gniūžtės Žemės“ laikotarpis sutapo tik atsitiktinai; jis labiau pabrėžia tektoninių plokščių judėjimo atsinaujinimą pasibaigus „nuobodžiajam milijardui“ (angl. *boring billion*) – laikotarpiui, kurio metu susiformavo Himalajų masto kalnų grandinės.
Dr. Knollis aiškina, kad šiems kalnams nykstant dėl erozijos, į vandenynus pateko fosforo. Tai paskatino fotosintezę vykdančių jūrinių mikrobų dauginimąsi. Atsirado plėšrūnų, kurie ėmė maitintis smulkesniais organizmais; tai sukėlė evoliucines „ginklavimosi varžybas“ – organizmai ėmė didėti, siekdami išvengti suėdimo.
Vis dėlto kai kurie mokslininkai, tarp jų ir Pietų Danijos universiteto geochemikas Donaldas Canfieldas, abejoja deguonies vaidmeniu. Įdomu tai, kad būtent D. Canfieldas atliko analizę, kuri dažnai pasitelkiama kaip įrodymas, jog ankstyvajame ediakare deguonies kiekis padidėjo.
„Šiek tiek pakeičiau savo nuomonę“, – sakė dr. Canfieldas. Dabar jis mano, kad deguonies lygis Žemės atmosferoje tuo metu buvo žemas, tačiau reikšmingas ir stabilus – siekė apie 4–10 proc. dabartinio lygio.
Savo ruožtu dr. Butterfieldas teigia, kad mokslininkai į šį klausimą žvelgė iš neteisingos pusės. Jis siūlo idėją, jog sudėtingi gyvūnai pradėjo rastis dar prieš „Sniego gniūžtės Žemės“ (angl. *Snowball Earth*) laikotarpį – o ne po jo, – ir tai buvo tiesiog atsitiktinių genetinių mutacijų kulminacija. Pasak jo, ši evoliucinė revoliucija apvertė mitybos grandinę, pakeitė vandenynų cheminę sudėtį, pašalino iš atmosferos anglies dioksidą ir, galiausiai, įstūmė pasaulį į visišką užšalimą. Būtent sudėtingos gyvybės formos sukėlė „Sniego gniūžtės Žemės“ būseną, o ne atvirkščiai.
„Mano akimis, vienas didžiausių smūgių – ekologine prasme – kokį tik yra patyrusi ši planeta, yra gyvūnai“, – sakė dr. Butterfieldas.” [1]
1. How Did Life Arise? Broad, William J; Chang, Kenneth; Zimmer, Carl. New York Times (Online) New York Times Company. Oct 19, 2026.
Komentarų nėra:
Rašyti komentarą