Αβιογένεση

Αυτόματη γένεση

Μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα, ήταν ευρέως διαδεδομένη η αντίληψη ότι συγκεκριμένες μορφές ζωής δημιουργούνταν αυτόματα από μη έμβια ύλη. Αυτό ήταν αντίστοιχο με την αντίληψη της ετερογένεσης, σύμφωνα με την οποία μία μορφή ζωής μπορούσε να προέλθει από μία άλλη (π.χ. μέλισσες από λουλούδια). Κλασσική αντίληψη αβιογένεσης, που τώρα ορίζεται ακριβέστερα ως αυτόματη γένεση, ήταν ότι συγκεκριμένοι πολύπλοκοι ζωντανοί οργανισμοί δημιουργούνταν από αποσυντιθέμενες οργανικές ουσίες. Σύμφωνα με τον Αριστοτέλη ήταν άμεσα παρατηρήσιμη αλήθεια ότι οι αφίδες γεννιόνταν από την δρόσο που έπεφτε στα φυτά, οι μύγες από σάπια ύλη, τα ποντίκια από βρώμικα άχυρα, οι κροκόδειλοι από σάπιους κορμούς στους πυθμένες λιμνών κ.ο.κ.
Τον 17ο αιώνα αυτές οι αντιλήψεις άρχισαν να τίθενται υπό αμφισβήτηση. Για παράδειγμα το 1646 ο Τόμας Μπρόουν (Sir Thomas Browne) εξέδωσε το έργο του Pseudodoxia Epidemica (με υπότιτλο Enquiries into Very many Received Tenets, and Commonly Presumed Truths, Ερωτήματα για πάρα πολλά δεδομένα δόγματα, και κοινώς θεωρούμενες αλήθειες) το οποίο συνιστούσε επίθεση κατά των λανθασμένων πεποιθήσεων και των κοινών λαθών (vulgar errors). Τα συμπεράσματά του δεν υιοθετήθηκαν ευρέως. Για παράδειγμα ο σύγχρονός του, Αλεξάντερ Ρος, έγραψε: «το να αμφισβητήσει αυτό (ενν. την αυτόματη γένεση) είναι σαν να αμφισβητεί την λογική, τις αισθήσεις και την εμπειρία. Αν αμφιβάλει για αυτό, ας πάει στην Αίγυπτο όπου θα βρει λιβάδια πλημμυρισμένα από ποντίκια γεννημένα από την λάσπη του Νείλου, προς μεγάλη συμφορά των κατοίκων.»
Το 1665 ο Ρόμπερτ Χουκ εξέδωσε τα πρώτα σκίτσα ενός μικροοργανισμού. Τον Χουκ ακολούθησε το 1676 ο  Άντονι φαν Λέβενχουκ (Anthony van Leeuwenhoek), ο οποίος περιέγραψε μικροοργανισμούς που σήμερα θεωρείται ότι ήταν πρωτόζωα και βακτήρια. Πολλοί θεώρησαν ότι η ύπαρξη των μικροοργανισμών ήταν απόδειξη της αυτόματης γένεσης, καθώς οι μικροοργανισμοί έμοιαζαν αρκετά απλοϊκοί ώστε να είναι ικανοί για σεξουαλική αναπαραγωγή, ενώ η ασεξουαλική αναπαραγωγή μέσω της κυτταρικής διαίρεσης δεν είχε ακόμα παρατηρηθεί.
Τα πρώτα ισχυρά στοιχεία ενάντια στην αυτόματη γένεση παρουσιάστηκαν το 1668 από τον Φραντσέσκο Ρέντι, ο οποίος απέδειξε ότι δεν εμφανίζονταν σκουλήκια στο κρέας, αν οι μύγες εμποδίζονταν να αποθέσουν τα αυγά τους. Σταδιακά αποδείχθηκε ότι στην περίπτωση όλων των ανώτερων και άμεσα ορατών οργανισμών, οι προηγούμενες θέσεις για την αυτόματη γένεση ήταν λανθασμένες. Η εναλλακτική αντίληψη έμοιαζε να είναι η βιογένεση, κατά την οποία κάθε ζωντανός οργανισμός προέρχεται από ήδη υφιστάμενους ζωντανούς οργανισμούς (omne vivum ex ovo, λατινική έκφραση που σημαίνει «όλα τα ζωντανά από αυγό»).
Το 1768 ο Λάζαρο Σπαλαντσάνι απέδειξε ότι τα μικρόβια υπήρχαν στον αέρα και ότι μπορούσαν να σκοτωθούν με το βράσιμο. Το 1861 ο Λουί Παστέρ έκανε μια σειρά πειραμάτων τα οποία έδειξαν ότι οργανισμοί όπως βακτήρια και μύκητες δεν εμφανίζονται αυτόματα σε αποστειρωμένες τροφές.

Παστέρ και Δαρβίνος

Στα μέσα του 19ου αιώνα η θεωρία της βιογένεσης είχε αποκτήσει τέτοια υποστήριξη από στοιχεία και παρατηρήσεις, λόγω του έργου του Παστέρ και άλλων, ώστε η εναλλακτική θεωρία της αυτόματης γένεσης είχε διαψευσθεί αποτελεσματικά. Ο ίδιος ο Παστέρ σχολίασε, μετά από ένα αποφασιστικό εύρημα το 1864, «Το δόγμα της αυτόματης γένεσης δεν πρόκειται να ανανήψει από το θανατηφόρο χτύπημα που υπέστη από το απλό αυτό πείραμα.»
Η κατάρευση ωστόσο της θεωρίας της αυτόματης γένεσης άφησε ένα κενό στην επιστημονική σκέψη πάνω στο ερώτημα του πώς είχε πρωτοεμφανιστεί η ζωή.
Σε ένα γράμμα στον Τζόζεφ Ντάλτον Χούκερ στην 1 Φεβρουαρίου του 1871, ο Κάρολος Δαρβίνος απάντησε στο ερώτημα, εισηγούμενος ότι η αρχική σπίθα της ζωής μπορεί να είχε προκύψει σε μία «ζεστή λιμνούλα, με όλων των ειδών τα αμωνιακά και φωσφορικά άλατα, σπινθήρες, θερμότητα, ηλεκτρισμό κτλ. παρόντα, έτσι που μια πρωτείνη που δημιουργούνταν να ήταν έτοιμη να υποστεί ακόμα πιο πολύπλοκες αλλαγές». Συνέχισε εξηγώντας ότι «σήμερα κάτι τέτοιο θα είχε καταβροχθιστεί ή αποροφηθεί στιγμιαία, πράγμα που δεν ίσχυε πριν την εμφάνιση όμως της ζωής.» Με άλλα λόγια, η παρουσία της ίδιας της ζωής κάνει την αναζήτηση της προέλευσής της να εξαρτάται από τις συνθήκες αποστείρωσης του εργαστηρίου.

Αρχικές συνθήκες

Ο Μορς και ο Μακένζι  έχουν διατυπώσει την υπόθεση ότι οι ωκεανοί ενδέχεται να εμφανίστηκαν στον Καταρχαιοζωικό αιώνα, 200 εκατομμύρια χρόνια μετά τον σχηματισμό της Γης, σε ζεστό περιβάλλον θερμοκρασίας 100 °C με έντονες αναγωγικές συνθήκες του οποίου το pH, που ήταν περίπου 5.8 αυξανόταν γρήγορα προς την ουδέτερη περιοχή (περίπου 7). Αυτό υποστηρίχθηκε και από τον Γουάιλντ ο οποίος επανεκτίμησε την ηλικία των κρυστάλλων ζιρκονίου που βρέθηκαν σε μεταμορφωσιγενή χαλαζίτη στο όρος Narryer της δυτικής Αυστραλίας σε 4,404 δισεκατομμύρια χρόνια, ενώ πριν νομίζονταν 4,1-4,2 δισ. χρόνια. Αυτό σημαίνει ότι οι ωκεανοί και ο ηπειρωτικός φλοιός υπήρχαν ήδη 150 εκατομμύρια χρόνια μετά τον σχηματισμό της Γης.
Εντούτοις, το περιβάλλον στον Καταρχαιοζωικό αιώνα ήταν αρκετά εχθρικό για την ζωή. Συχνές συγκρούσεις με μεγάλα αντικείμενα, διαμέτρου έως και 500 χιλιομέτρων, θα ήταν αρκετές για να εξατμιστεί ο ωκεανός σε λίγους μήνες, ενώ καυτός ατμός αναμεμιγμένος με θραύσματα πετρωμάτων θα προκαλούσε δημιουργία νεφών σε μεγάλο υψόμετρο, που θα κάλυπταν εντελώς τον πλανήτη. Μετά από λίγους μήνες το υψόμετρο των νεφών θα άρχιζε να μειώνεται, αλλά αυτό της βάσης τους θα συνέχιζε να αυξάνει για μερικές χιλιάδες χρόνια. Μετά από αυτό θα άρχιζε να βρέχει σε χαμηλά υψόμετρα. Για τα επόμενα δύο χιλιάδες χρόνια οι βροχές θα έριχναν το ύψος των νεφών, επαναφέροντας τους ωκεανούς στο αρχικό τους βάθος 3.000 χρόνια μετά την συντριβή.
Μεταξύ 4,1 και 3,1 δισεκατομμυρίων ετών πριν, οι τροχιές των γιγάντων αερίων ενδέχεται να προκάλεσαν τον ύστερο βαρύ βομβαρδισμό που σημάδεψε την σελήνη και τους εσωτερικούς πλανήτες (Ερμή, Άρη, και πιθανώς την Γη και την Αφροδίτη). Αυτό το γεγονός είναι πιθανό να εξάλειψε την ζωή από τον πλανήτη, αν αυτή είχε εμφανιστεί προηγουμένως.
Εξετάζοντας το μεσοδιάστημα μεταξύ τέτοιων καταστροφικών γεγονότων, το χρονικό διάστημα στο οποίο ενδέχεται να εμφανίστηκε η ζωή μπορεί να βρεθεί για διαφορετικά νεαρά περιβάλλοντα. Η μελέτη του Μάχερ και του Στέφενσον δείχνει ότι αν το βαθύ θαλάσσιο υδροθερμικό σκηνικό είναι κατάλληλο πεδίο για την προέλευση της ζωής, η αβιογένεση μπορεί να συνέβη από 4,2 εώς 4,0 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, ενώ αν εμφανίστηκε στην επιφάνεια της Γης θα μπορούσε να έχει εμφανιστεί μόνο μεταξύ 3,7 και 4,0 δισεκατομμύρια χρόνια πριν.
Άλλες έρευνες υποθέτουν ψυχρή προέλευση της ζωής. Το έργο του Λέσλι Όρτζελ και των συνεργατών του στην σύνθεση των πουρίνων έχει δείξει ότι οι ψυχρές θερμοκρασίες είναι ευεργετικές, λόγω του φαινομένου συγκέντρωσης των προαπαιτούμενων στοιχείων όπως το HCN. Έρευνα του Στάνλεϊ Μίλερ και των συνεργατών του έδειξε ότι ενώ η αδενίνη και η γουανίνη απαιτούν συνθήκες ψύχους για την σύνθεσή τους, η κυτοσίνη και η ουρακίλη χρειάζονται θερμοκρασίες βρασμού. Βασισμένος σε αυτό ο Μίλερ πρότεινε ως πιθανό περιβάλλον για την ανάπτυξη της ζωής κάποιο που θα είχε συνθήκες ψύχους και εκρηγνυόμενους μετεωρίτες. Σε έρευνα της ομάδας του Μίλερ που αναφέρεται σε άρθρο στο στο περιοδικό Discover, προέκυψαν επτά διαφορετικά αμινοξέα και 11 τύποι νουκλεοτιδικών βάσεων στον πάγο όταν αμμωνία και υδροκυάνιο αφέθηκαν σε καταψύκτη από το 1972 έως το 1997. Το ίδιο άρθρο περιγράφει την έρευνα του Κρίστοφ Μπίμπριχερ που δείχνει τον σχηματισμό μορίων RNA μήκους 400 βάσεων, σε συνθήκες ψύχους, χρησιμοποιώντας μία μονή έλικα αλυσίδας RNA ως πρότυπο για τον σχηματισμό της καινούργιας έλικας RNA. Καθώς η νέα έλικα μεγαλώνει, προσκολλάται στο πρότυπο. Η εξήγηση που έχει δοθεί για την ασυνήθιστη ταχύτητα αυτών των αντιδράσεων σε τόσο χαμηλή θερμοκρασία είναι η ευτηκτική ψύξη. Καθώς σχηματίζεται ένας κρύσταλλος πάγου, παραμένει καθαρός, μόνο τα μόρια του νερού συμβάλουν στην ανάπτυξή του, αφήνοντας εκτός άλατα ή το υδροκυάνιο. Αυτά τα μόρια περιορίζονται σε μικροσκοπικούς θύλακες υγρού μεταξύ του πάγου, με αποτέλεσμα να συγκρούονται συχνότερα.