באדיבות Astropedia Textbook
כיצד נוצרו צורות החיים הראשונות על כוכב הלכת שלנו מתוך מרק כימי בלבד? זהו נושא המזמין השערות, באיזו נקודה במכלול המורכב של מולקולות ראוי להיקרא צורת חיים. איננו יודעים כיצד ומתי הופיעו צורות החיים הפרימיטיביות הראשונות, אך המדענים הציעו תרחיש סביר. תרחיש המוסכם על מרבית החוקרים, לפיו הופעת החיים הייתה תלויה בתנאים המשתנים בכדור הארץ הקדמון. כדור הארץ נוצר לפני כ- 4.6 מיליארד שנים, עם אטמוספירה ראשונית המכילה גזים עשירים בפחמן וחנקן, בעוד שמימן וחמצן חסרו בה. במהלך 100 מיליון השנים הראשונות, כדור הארץ הופצץ על ידי שברי סלע רבים, שחלקם עשויים היו להיות בגודל הירח. השפעת הפגזה זו הייתה דרמטית, הן היו עלולות לאייד את האוקיינוסים וחלקים משמעותיים מקרום כדור הארץ. חומר עשיר במימן, חמצן ומולקולות מורכבות הגיע מאוחר יותר, באמצעות שביטים וגופים אחרים ממערכת השמש החיצונית. כדור הארץ הקדמון היה מקום מוזר וכמעט בלתי מוכר, אך החיים הראשונים נוצרו דווקא בסביבה זו.
השלב הבא לאחר שהמולקולות האורגניות החלו לשכפל את עצמן היה חיבורן של מולקולות אורגניות מורכבות למבנים דמויי תא – פרק זמן שבו תהליך זה התרחש היה כ- 500 מיליון שנה לאחר יצירת כדור הארץ. למרות שחלק מהתהליכים יכולים להתרחש בסביבות יבשות, מים נוזליים היו כנראה קריטיים לאבולוציה הביוכימית, משום שהם סיפקו תווך שבו חומרים יכלו לנוע האחד לקראת השני. בוטנאי אחד ציין כי "כל התאים, של כל היצורים החיים, הם יצורים ימיים לחלוטין." כל אורגניזם יבשתי הוא רק מעטפת הגנה מלאה למיליוני תאים ימיים.
תהליכים ביולוגיים אינם יכולים להתפתח אלא אם כן הם נפרדים מן הסביבה ומוגנים מפני דילול. איזה סוג תא או קרום נדרשים כדי ליצור תא. סידני פוקס, ביולוג מפלורידה, הוכיח כי חימום פשוט של חומצות אמינו יבשות (כפי שעלול לקרות על כוכב לכת יבש) יכול ליצור מולקולות חלבון. לאחר הוספת המים, חלבונים אלה יוצרים גופים עגולים דמויי תא, הקרויים פרוטינואידים, אשר נוטלים חומר מהנוזל שסביבם, הם גדלים על ידי התחברות זה לזה וחלוקה מחדש. למרות שהם לא נחשבים לגוף חי, הם דומים לחיידקים. מומחים רבים מתקשים להבחין בהם בהתבוננות בלבד. ייתכן שלפרוטינואידים קשורים גם גופים שהתגלו בשנות השלושים על ידי הכימאי ההולנדי ה. בונגנברג דה ג'ונג. כאשר מערבבים חלבונים בתערובות מימיות המכילות מולקולות מורכבות אחרות, שתי קבוצות החומרים מצטברות באופן ספונטני לצבירי תאים הנקראים coacervates. הנוזל הנותר חסר כמעט לחלוטין מולקולות אורגניות מורכבות.
באדיבות Astropedia Textbook
הצעד הבא לקראת החיים המוכרים הוא עוד פחות ברור. אם מולקולות אורגניות או coacervates נמצאות בבריכת מים, הן יישארו בבריכה לאחר שהמים התאדו. בדרך זו, בעקבות אידוי של מים בבריכות הנוצרות במהלך הגאות, קיימים ריכוזים מקומיים גבוהים של חומצות אמינו, חלבונים, ומולקולות אחרות, המאפשר יצירת מבנים דמויי תא. המבנים דמויי התאים בבריכות הראשוניות של "המרק האורגני" יכלו להתחיל להגיב עם נוזלים בבריכות. כך, הצטברו מולקולות רבות יותר שמורכבותן הלכה וגדלה. רעיון זה הוצע לראשונה על ידי צ'ארלס דרווין, שהעלה השערות על "איזה בריכה חמה קטנה" שבה אולי החלו החיים. בסופו של דבר התאים הראשונים הללו יכלו להתפתח למערכות ביוכימיות המסוגלות לשכפל את עצמן ולהגדיל את מורכבותן. תא הוא מפעל כימי מתוחכם. אין זה מפתיע שאיננו יכולים לשכפל את האבולוציה במעבדה, שכן יצירה זו ארכה כחצי מיליארד שנים על פני כדור הארץ.
המערכות הביולוגיות הראשונות המסוגלות לחיים עצמאיים היו החיידקים. תאים בקטריאליים הם פרוקריוטיים, תאים ללא גרעינים המכילים גדיל אחד ארוך של DNA, הבנוי מכמה אלפי גנים. עדויות עקיפות לחיידקים נמצאו בסלעים העתיקים ביותר של כדור הארץ. הראיות כוללות איזוטופים של פחמן שמקורם במערכת ביולוגית, שנמצאו בסלע בן 3.8 מיליארד שנה ממערב גרינלנד. הראיות המוקדמות ביותר "האפשריות" לחיים הן מושבת סטרומטוליטים – משקעים דמויי כרוב, המכוסים בקטריות ואצות כחולות-ירוקות. אלה צורות חיים פרימיטיביים שתוארכו מלפני 3.5 עד 3.6 מיליארד שנים, ונמצאו באפריקה ובאוסטרליה. מאובנים של חיידקים מייצרים מתאן נמצאו גם בסלעים בני 3.4 מיליארד שנה בדרום אפריקה.
העובדה שהמאובנים העתיקים צעירים מן הסלעים העתיקים ביותר אינה משמעותית. ייתכן שהחיים נוצרו זמן רב קודם לכן. עם זאת, החיים כנראה לא יכלו להתפתח לפני יותר מ- 4.1 מיליארד שנים בגלל הפגזה אינטנסיבית מוקדמת של מטאורים, אוקיינוס של לבה נוזלית שכיסה חלקים נרחבים של קרום כדור הארץ, לא היה סביבה הולמת להתפתחות חיים. כפי שהראה הפליאונטולוג סטיבן ג'יי גולד, החיים התעוררו "ברגע שיכלו: היה זה תהליך בלתי-נמנע כמו יצירת קוורץ או פצלת השדה". בעקבות חישובים שנערכו לגבי התנאים בכדור הארץ הקדמון, הועלתה טענה שהחיים היו עשויים להופיע מספר פעמים על פני כדור הארץ, וכי חיים כיום הם תולדה של אותם האירועים. כמו כן ראוי לציין כי הסטרומוליטים באוסטרליה שגשגו בסביבות מוזרות ועוינות. עדויות מרמזות כי אורגניזמים אלה חיו ליד זרימות תרמיות רדודות שנשלטו על ידי תופעות געשיות. באווירה כמעט נטולת חמצן, הם ביצעו חילוף חומרים גז מימן גופרתי (H2S), שהוא רעיל לצורות החיים המודרני ביותר.
באדיבות Astropedia Textbook
בעזרת ראיות ממאובנים, ראקציות כימיות, וקצת ספקולציות, אנו יכולים לספר את סיפור התפתחות החיים על פני כדור הארץ. במשך כ- 2 מיליארד שנה, הפרוקריוטים שולטים באוקיאנוסים של כדור הארץ. החיים נותרו באוקיינוסים בלבד, שם המים הנוזליים סיפקו סביבה תומכת ומגינה. אורגניזמים היו בעיקר בעלי גוף רך, לכן המאובנים מתקופה זו נדירים, דבר המקשה על המעקב אחר התפתחותם. האדמה הייתה צחיחה. היא נראתה בדומה למדבריות בכדור הארץ כיום או כמו פני מאדים. אזורים מסוימים היו לחים ועתירי משקעים, אבל במקום יערות מפוארים, היו רק משטחים חשופים, ערוצים שחוקים וקניונים גדולים. נופים חומים השתרעו מהיבשה ועד הים.
בהדרגה, החיים עברו מעבר יוצא דופן. הפרוקריוטים הראשוניים שרדו והתפתחו באמצעות תרכובות אורגניות שנמצאו בבריכות חמות, ובאמצעות שימוש במימן גופרתי כמקור אנרגיה. אך כאשר מקור מזון זה נעלם, בעקבות שינויים באטמוספירה של כדור הארץ, כמה פרוקריוטים המציאו את פוטוסינתזה. פוטוסינתזה מאפשרת המרה של אור השמש לאנרגיה כימית המאוחסנת לשימוש עתידי. תהליך בסיסי זה איפשר התפשטותן של צורות חיים מתקדמות ומאפשר לחיים להחזיק מעמד לאורך זמן קוסמי. מקור אנרגית ההיתוך הנוצרת עמוק בליבת השמש הפך לשולט בהתפתחות החיים.
אחת התוצאות של המצאת הפוטוסינתזה הייתה שחרור החמצן לאטמוספירה של כדור הארץ. למעשה, כל החמצן החופשי שבו תלויות צורות החיים המודרניות (כולל אנחנו!) הגיע לאטמוספירה באמצעות אורגניזמים מיקרוסקופיים שחיו לפני מיליארדי שנים. בתחילה גז זה היה לא יותר מאשר מוצר פסולת – חמצן היה למעשה רעיל עבור האורגניזמים הראשונים! במשך הזמן התפתחו אורגניזמים שיכולים להשתמש בחמצן בחילוף החומרים שלהם, ותכולת החמצן החלה לעלות לעבר הערך המוכר כיום של כ- 21% מהאטמוספירה. האטמוספרה התפתחה כתוצאה מתנאי הפחתה (שנשלטו על ידי תרכובות מימן) לכיוון תנאי חמצון (הנשלטים על ידי תרכובות חמצן). כראיה לשינוי זה, אנו מוצאים משקעים חמצון נדירים מלפני 2 מיליארד שנים, שנפוצו לאחר מכן. ייצור החמצן שינה את כל הסביבה. קרינה אולטרה סגולה שברה כמה מולקולות O2, ואטומי חמצן חופשיים יצרו עם מולקולות O2 אחרות את מולקולות האוזון (O3). התוצאה הייתה היווצרות שכבת אוזון גבוהה באטמוספירה של כדור הארץ, אשר סופגת קרינת UV השמש ובכך מגינה על אורגניזמים שעל פני השטח.
לפני 1.4 מיליארד שנים, נסקה מורכבות החיים. התפתחו תאים הנקראים אוקריוטיים; קרום במרכז התאים מחזיק את הדנ"א. אוקריוטיים מכילים כמות חומר גנטי הגדולה פי מאות פעמים מכמות מצויה בתאים פרוקריוטיים. העלייה בכמות החומר הגנטי לוותה בעליה מקבילה של מורכבות תפקוד התא. סוגים חדשים של אורגניזמים החלו להופיע ברשימות המאובנים: הם יכלו לעבד חמצן, ולמרות שהם פחות עמידים לנזקי UV, הם מסוגלים לפרוח בגלל התפתחותה של שכבת האוזון החדשה. בכדור הארץ אנו עדים באותה תקופה להתפשטות החיים מהים אל היבשה. זהו צעד חשוב בבואנו לבחון את התפתחות החיים בכוכבי לכת אחרים! האורגניזמים המשיכו להתרבות, וחלקם המציאו את הרבייה המינית. רבייה מינית מאפשרת לצאצאים לקבל מחצית מהגנים שלהם מכל הורה. כל התאים האוקריוטים יכולים להתרבות באופן לא-מיני, אך רבייה מינית גורמת לשילובי הגנים המאפשרים השתנות של הצאצאים מדור לדור. שילובים חדשים כאלה בתורם הקלו על ההסתגלות, המאפשרת לאורגניזמים לשרוד בסביבה עוינת ומשתנה.
Author: Chris Impey