מוצא החיים

שאלת מוצא החיים העסיקה תרבויות אנושיות רבות ומעסיקה גם את המדע. המחקר אודות מוצא החיים מחפש הסבר להיווצרות החיים על פני כדור הארץ תחת הנחת יסוד לפיה חוקי הטבע החלים על החומר הדומם חלים גם על החי וכי ניתן להסביר את המעבר מחומר לא-חי לחומר חי על סמך חוקים אלה.
במדעי הטבע, אביוגנזה (בלועזית: Abiogenesis, אביוגנזה) היא השערה שהחיים על פני כדור הארץ נוצרו בתהליכים אקראיים מחומר דומם. נכון להבנה בת זמננו מהי צורת החיים הפשוטה ביותר שיכולה להתקיים.
מאמץ לא מבוטל מושקע בניסיון לפתור את בעיית אי-ההתכנות של אביוגנזה. המחקר מנסה להתקדם משני כיוונים הפוכים: "מלמעלה למטה" - ניסיון להנדס תא חי מינימלי, כלומר התא הפשוט ביותר האפשרי שיכול להתקיים ולהתרבות. הכיוון ההפוך הוא "מלמטה למעלה" - ניסיון למצוא מנגנונים אפשריים שישפרו את הסיכוי לאביוגנזה.
הצעות שאינן מתחום הביולוגיה והביוכימיה כוללות את ההשערה שהיקום אינסופי - ולכן יש אינסוף פלנטות דמויות ארץ כך שכל סיכוי גדול מאפס חייב להתממש, והשערה דומה לגבי קיום אינסוף יקומים מקבילים. בשני המקרים אביוגנזה חייבת להתרחש, יהיו הסיכויים נמוכים ככל שיהיו ובתנאי שהם גדולים מאפס.
אביוגנזה היא תחום מחקר מוגבל, על אף השפעתה העמוקה על הביולוגיה ועל ההבנה האנושית של העולם.
ההתקדמות הנרשמת בתחום זה איטית, ולעת עתה אין מענה לשאלה, כיצד נוצרה אותה נקודת חיים ראשונה ממנה, על פי הטענה, התפתחו שאר החיים.
תורת האבולוציה מסבירה כיצד צורות חיים מורכבות ומגוונות הקיימות כיום התפתחו מצורות חיים פשוטות יותר. חשיבותה בכך שהיא ממקדת את בעיית מוצא החיים בשאלת מוצאו של היצור החי הראשון, ולו הפשוט ביותר. אך למרות זאת עד היום לא נמצא הסבר שלם ומניח את הדעת להיווצרותו של אותו יצור חי ראשוני, וזאת חרף התקדמות עצומה בהבנת התפתחות החיים וכדור הארץ הקדום - אחת הסיבות לכך היא שאין הגדרה מניחה את הדעת למושג חיים. מספר השערות ועדויות ניסיוניות מצביעות על פתרונות אפשריים לתעלומה זו המובאים להלן.

גישות המחקר

המחקר העוסק ביצירת החיים מכיל בתוכו שתי גישות הפוכות –
הראשונה: מלמטה למעלה: ראשית יש לבחון כיצד נוצרו אבני הבניין של החי ורק אז אפשר להמשיך ולבדוק כיצד הגענו מהם ועד לתא החי הראשון.
השנייה: מלמעלה למטה: בחירת נקודה על רצף היווצרות החיים ומשם לבחון האם יכלה להיווצר באופן ספונטני. לאורך זמן אפשר שנוכל לחבר את הנקודות האלה ליצירת הסיפור המלא.
כיום מתקיים מחקר ענף לגבי העולם שהתקיים טרם הופעתה של LUCA (האב הקדמון המשותף), ואין כיום השערה אחת מוסכמת בשל חוסר הוודאות לגבי התנאים ששררו לאחר התקררות כדור הארץ (עידן האדן) עם זאת, ההשערה המרכזית בה מתמקד המחקר היא השערת עולם הרנ"א. השערה זו מבוססת על גילוי הריבוזים ב-1981, אנזים זה המכיל רנ"א וחלבונים התברר כבעל יכולת שכפול עצמי (בניגוד לדנ"א), כאשר החלק הקטליטי בתוכו הוא מולקולת הרנ"א המאפשר את השכפול. הבעיה עם מולקולת הרנ"א שהיא נוטה להתפרק במהירות מחוץ לתא, פתרון אפשרי לכך הוא שימוש במייצבים כימיים. בראשית שנות ה-70 הדגים מנפרד אייגן מולקולת רנ"א המשכפלת את עצמה.
רעיון נוסף שנבדק הוא השערת הליפידים - מולקולות שומן פשוטות, אשר באופן טבעי מתארגנות ליצירת בועות בהן הסביבה הפנימית מופרדת מהסביבה החיצונית. כל התאים החיים על פני כדור הארץ תחומים במעטפת שכזו - שכבה כפולה של ליפידים, בתוספת "שערים" מולקולריים המאפשרים חילוף חומרים מבוקר. על אף תוצאות ראשוניות מבטיחות - הוכח שבאופן ספונטני נוצרים ליפידים ומתארגנים במבנה דמוי קרום תא - לא נמצא לעת עתה מנגנון שיקדם בועיות אלו לתא חי המסוגל להורשה ולהתרבות.

ההשערה של אופרין על מוצא החיים

תורת האבולוציה, מסבירה את התפתחות בעלי חיים והצמחים מצורות פשוטות יותר. אך היא אינה מסבירה כיצד נוצרו החיים הראשונים, התאים הראשונים מחומר דומם. החוקר הסובייטי אלכסנדר אופרין חיבר השערה מקיפה על התפתחות החיים על כדור הארץ.

יצירת חומרים אורגנים פשוטים

ההנחה הרווחת היא שהתרכובות האורגניות הראשונות נוצרו מן הגזים שהרכיבו את האטמוספירה בעבר.
החוקר האמריקאי סטנלי מילר העמיד הנחה זו למבחן בניסוי מילר-יורי. הוא התקין מכשיר ומילא אותו בתערובת שחיקתה את האטמוספירה הישנה של כדור הארץ. הגזים סבבו במכשיר ומילר חיבר אלקטרודות שיפעילו עליהם התפרקויות חשמליות (ברקים). תוך שבוע נוצרו בתערובת שלוש מתוך עשרים חומצות האמינו המשמשות אבני בניין של חלבונים, וחומרים אורגנים נוספים.
בשנת 2008 נערך ניתוח מחדש של התוצאות, והתגלה כי בניסוי מילר-יורי נמצאו 22 חומצות אמינו, ולא 3.] 20 מבין החומצות הללו הן הדרושות לקיום חיים.
אחת החידות המרכזיות בהקשר של מוצא החיים היא מציאת הדרך שגרמה ליצירת עודף אננטיומרי של מולקולות כיראליות, כמו חומצות אמינו או סוכרים. אפילו ניסוי מילר-יורי לא הצליח לייצר תגובה סטריאוסלקטיבית שתיצור עודף כזה. ראיות לכך שמקורו של העודף מחוץ לכדור הארץ התגלו במטאוריט מורצ'יסון שמייצג את הרכב החומרים במערכת השמש הקדומה. ראיה נוספת מגיעה מתצפיות על קיטוב האור שמגיע מערפילית אוריון ועובר בדרכו חומר בין-כוכבי. מהמדידות נמצא שבאזורים מסוימים של החומר הבין-כוכבי יש עודף אננטיומרי של מולקולות כיראליות מסוימות.

יצירת קואצאוורטים

החלבונים, שנוצרו בימים ובאגמים העתיקים, הצטרפו לטיפות מיקרוסקופיות הקרויות קואצאוורטים, המסוגלות לקלוט לתוכן חומרים. כתוצאה מקליטת חומרים לתוכן הן גדלות, וכאשר הן מגיעות לגודל מסוים הן נחצות לשניים.
הטיפות שהמבנה החלבוני שלהם היה מוצלח יותר יכלו לקלוט לתוכם חומרים במהירות רבה יותר, כולל טיפות קטנות מהן. הן התחלקו מהר יותר והיו רבות יותר מטיפות בעלות מבנה חלבונים שונה. 
חומצות הגרעין שבונות את ה-DNA בתאים הנוכחיים השתלבו בטיפות. מרגע שפיתחו חומצות הגרעין דרך לקבוע את מבנה החלבונים ניתן לשייך את הטיפות ליצורים החיים. חומצות הגרעין יכלו לפקח על בנייה של חלבונים שיזרזו וישלטו על תהליכי מטבוליזם וההתחלקות (התרבות).

התפתחות ממלכות העל של החיים

ידוע כיום כי התאים הפרוקריוטיים היו האורגניזמים הראשונים שנוצרו על פני כדור-הארץ, לפני כ-4 מיליארד שנים. בכמיליארד השנים הבאות לא התרחשו שינויים משמעותיים במורפולוגיה או ברמת ארגון התא. אלא רק שינויים בתפוצת התאים ובפיזיולוגיה שלהם בהתאמה לסביבות רבות. נוצרו לפחות שתי על ממלכות של פרוקריוטים: הבקטריה והארכאה. הארכאה נתגלתה לאדם רק בשנות ה-80 של המאה ה-20 ולא מן הנמנע שקיימות או שהתקיימו על ממלכות פרוקריוטיות נוספות. 
מיליארד שנים לאחר התפתחות התא הראשון, נוצרו האאוקריוטיים מבקטריה שהובלעה בארכאה. בתחילת התהליך היו הבקטריה והארכאה האלה סימביונטים. חלק מהחומר התורשתי של הבקטריה עבר אל החומר התורשתי של הארכאה. הארכאה סיפקה לבקטריה את החלבונים הנחוצים לה ואילו זו הפכה לאברון הנשימה של הארכאה בסביבות חמצניות. בקטריות אחרות הפכו לאברוני הפוטוסינתזה של הארכאה. הבקטריות התפתחו למיטוכונדריון ולכלורופלסט. הארכאה, שהחלה לבטא חלק גדול מהחומר התורשתי של הבקטריה גם לצרכיה שלה ולא רק לשירות הבקטריה הסמביונטית, הפכה לתא אאוקריוטי. באאוקריוטיים נוצרו ממברנות פנימיות דומות לאלה של הסמביונטים שלהם, שמידרו אזורים נוספים מלבד המיטוכנדריון והכלורופלסט כגון גרעין התא שבו מצוי החומר התורשתי. התרבות הבקטריות והאאוקריוטים שיכולים היו לבצע פוטוסינתזה הפכה את אטמוספירת כדור הארץ כולו לחמצנית. הארכאות חסרות הסמביונטים נדחקו לסביבות דלות חמצן (כדוגמת ים המלח וקרקעית האוקיינוס). עם התרבות החמצן באטמוספירה נוצרה שכבת האוזון, שהורידה את רמת הקרינה המייננת על פני כדור הארץ ואפשרה יציבות רבה יותר למולקולות ביוכימיות.

התפתחות הרב-תאיים

לפני כמיליארד שנים החלו להופיע באוקיינוסים אורגניזמים רב-תאיים. ההתפתחות האבולוציונית של האורגניזמים הרב-תאיים התרחשה מספר פעמים בנסיבות בלתי-תלויות באורגניזמים שונים כמו ספוגיות, חומיות, כחוליות, ריריות ומיכובקטריה.
במהרה לאחר הופעתם, נרשמה פעילות אבולוציונית מהירה במשך כ-10 מיליון שנים. התרחשות זו הובילה ליצירת מרבית האורגניזמים שאליהם אנו עדים כיום, יחד עם יצירת שושלות יוחסין אשר נכחדו זמן-מה לאחר-מכן. ניסיונות להסברת ההתפתחות האבולוציונית המהירה כוללים תאוריה שגורסת הצטברות חמצן מספקת באטמוספירה כתוצאה מפעילות פוטוסינתטית. לפני בערך 500 מיליון שנים החלו צמחים ופטריות ליישב את היבשה, ובמהרה הצטרפו אליהם תולעים שמהן התפתחו פרוקי הרגליים ובעלי חיים חסרי חוליות נוספים. באוקיינוסים התפתחו מיתרניים ומהם חולייתנים כגון דגים. מדגי הריאות התפתחו דו-חיים, שהופיעו לראשונה על היבשה בערך לפני 300 מיליון שנים. מדו החיים התפתחו זוחלים שמהם התפתחו היונקים לפני 200 מיליון שנים לערך. מהזוחלים התפתחו גם דינוזאורים שמהם התפתחו העופות לפני 100 מיליון שנים. עם התפתחות האורגניזמים הגדולים, המשיכו האורגניזמים הקטנים, בעלי מבנה מורפולוגי דומה לזה של הראשוניים להתקיים כשרוב הביומסה של היצורים החיים כיום היא של מינים פרוקריוטיים שונים.

הגישה המונותאיסטית

לפי הסבר זה המתייחס לרוב לסיפור בריאת העולם, כל האורגניזמים בעולם, ובכלל זה האדם, נבראו בצורתם הסופית על ידי בורא, המכונה לרוב אלוהים. כל אורגניזם נברא עם מאפיינים של יצור בוגר - לדוגמה: העץ נברא עם טבעות שנתיות, האדם נברא עם שיניים ושיער, וכו'. הסבר זה מקובל בקרב מאמיני דתות מונותאיסטיות רבות וזהו גם ההסבר הבולט בקרב המתנגדים לתורת האבולוציה (ראו גם בריאתנות).
לעומתם יש בריאתנים חדשים (ראה תכנון תבוני), המודים כי ההסבר הטבעי היחיד להתפתחות החיים הוא אבולוציוני, אולם הם שוללים את עצם האפשרות שיש הסבר טבעי לארגונן המורכב של מערכות ביולוגיות, ובעיקר של המערכת החיה הראשונית. לפיכך הם טוענים כי יש כוח עליון תבוני אשר תכנן את מהלך הדברים ואולי אף יצר את הגרעין הראשוני ממנו התפתח הכל.
חשוב לציין שחלק ממאמיני היהדות, מקבלים את תיאורית האבולוציה ברובה. וזאת על פי גישת הרב קוק "אין זה כלל עיקר של תורה לספר לנו עובדות פשוטות ומעשים שהיו. העיקר הוא התוך, ההסברה הפנימית, וזה יתרומם עוד יותר בכל מקום שנמצא כוח סותר שאנו מתעודדים להתגבר על ידו" . למעשה תורת האבולוציה עוסקת בהסברת "האיך" - כיצד העולם התפתח לכדי מה שהוא היום, אבל התורה עוסקת ב"מדוע" - כלומר מסבירה מדוע אוסף של חומרים דוממים הפך לבסוף לעולם מלא חיים מגוונים ותבוניים. על פי גישה זו האבולוציה היא רק תיאור מעשה בראשית בהרחבה ואין כל סתירה בין פרטי תורת האבולוציה לבין גישת היהדות, אלא התייחסות לדברים שונים.