2.8 Sljedeća jedinica Na granici živog i neživog
2.7

Nastanak i razvoj života na Zemlji

Moći ću:
  • opisati uvjete koji su omogućili nastanak života na Zemlji
  • objasniti osnovne korake kemijske evolucije
  • usporediti uvjete na Zemlji koji su vladali za vrijeme nastanka života s današnjim uvjetima na Zemlji
  • navesti znanstvenike najzaslužnije za ideju kemijske evolucije.

Uvod

Ljude je oduvijek zanimala povijest Zemlje i svemira, a njihova znatiželjna narav postavljala je brojna pitanja čiji odgovori dodatno zbunjuju.

  • Koliko je star svemir?
  • Što je bilo prije svemira?
  • Koje su mu granice i što se nalazi izvan njih?

Raspravite u skupinama o mogućim odgovorima na ova pitanja.

Je li uopće moguće postaviti ikakve granice vremena i prostora?

Povijest svemira

Jedno od najvećih pitanja o svemiru je pitanje njegovog postanka.
Teorija velikog praska (engl. the Big bang theory) većinski je prihvaćen model postanka i razvoja svemira.
Prema toj teoriji svemir je nastao prije 13,8 milijardi godina eksplozijom iz veoma malene, vruće i iznimno guste točke.
Područje znanosti koje se bavi postankom svemira zove se kozmologija.

Povijest svemira

Poimanje svemira mijenjalo se kroz povijest, no već su najranije civilizacije vodile precizne bilješke kretanja nebeskih tijela. Najstariji astronomi starih Grka, Babilonaca i Egipćana koristili su noćno nebo za orijentiranje u prostoru, izrađivanje kalendara, i time su znatno unaprijedili matematičke i fizikalne metode u znanosti.

Astronomija danas podrazumijeva suradnju suvremenih saznanja fizike, matematike i kemije kojom opisujemo i objašnjavamo pojave u svemiru.

Jedno od najvećih pitanja o svemiru je pitanje njegovog postanka. Teorija velikog praska (engl. the Big bang theory) većinski je prihvaćen model postanka i razvoja svemira prema kojemu je on nastao prije 13,8 milijardi godina eksplozijom iz veoma malenog, vrućeg i iznimno gustog stanja. U samom početku nakon eksplozije, postojale su samo sitne subatomske čestice i energija. S vremenom su se čestice širile i hladile i počele su se grupirati u atome. Izrazito velike nakupine jednostavnih atoma zbog gravitacijskih sila su stvorile prve zvijezde i galaksije.

U prvoj polovici 20. stoljeća otkriveno je da se udaljene galaksije međusobno udaljuju i da se zajedno udaljuju od Zemlje. Svemir se i dalje širi, a pozadinsko kozmičko zračenje, koje astronomi hvataju preciznim satelitima, otkriva sve više detalja o starosti i razvoju brojnih galaksija.

Područje znanosti koje se bavi postankom svemira zove se kozmologija.

Galaksije su nakupine velikog broja zvijezda i zvjezdane prašine koje zajedno drže snažne gravitacijske sile.
Pretpostavlja se da je u svemiru prisutno više od 200 milijardi galaksija.
Galaksija u kojoj se nalazi Sunčev sustav zove se Mliječna staza.
Mliječna staza spiralnog je oblika i sadrži više od 100 milijardi zvijezda.

Galaksije su nakupine velikog broja zvijezda i zvjezdane prašine koje zajedno drže snažne gravitacijske sile.

Pretpostavlja se da je u svemiru prisutno više od 200 milijardi galaksija, od kojih svaka prosječno ima još toliko zvijezda. Galaksija u kojoj se nalazi Sunčev sustav zove se Mliječna staza.

Mliječna staza spiralnog je oblika i sadrži više od 100 milijardi zvijezda. U sredini galaksije nalazi se zvijezdama gusto prožeto galaktičko središte. Iz galaktičkog središta proteže se nekoliko dugih, spiralnih krakova, na jednom od kojih je smješten Sunčev sustav. Promjer Mliječne staze je oko 100 000 svjetlosnih godina, spljoštenog je oblika i podsjeća na disk.

Sunčev sustav skupina je planeta i drugih nebeskih tijela koji kruže oko središnje zvijezde, Sunca.
U sunčevom sustavu nalazi se 8 planeta.
Terestrički planeti sastavljeni su od stijena, a to su:

  • Merkur
  • Venera
  • Zemlja i
  • Mars.

Plinoviti divovi su masom veći, a oni su:

  • Jupiter
  • Saturn
  • Uran i
  • Neptun.

Sunčev sustav skupina je planeta i drugih nebeskih tijela koji kruže oko središnje zvijezde, Sunca.
Od ukupno 8 planeta, 4 Suncu najbliža su terestrički planeti, krutog su i stjenovitog sastava, dok su ostala 4 plinoviti divovi, masom mnogo veći planeti.

Zemlja je nastala prije 4,54 milijarde godina.
U isto vrijeme su nastali i ostali planeti.
Terestrički planeti nastaju gravitacijskim nakupljanjem metalnih i stjenovitih čestica.
Plinoviti divovi nastaju nakupljanjem ledenih čestica i plinova na većoj udaljenosti od Sunca.

  • Zašto je udaljenost od Sunca bitna za stvaranje oba tipa planeta?

Zemlja je nastala prije 4,54 milijarde godina, otprilike u isto vrijeme kad i ostali planeti neposredno nakon formiranja Sunca. Terestrički planeti, koji uključuju i Zemlju, nastaju gravitacijskim nakupljanjem metalnih i stjenovitih čestica, dok plinoviti divovi nastaju nakupljanjem ledenih čestica i plinova na većoj udaljenosti od Sunca. Zašto je udaljenost od Sunca bitna za stvaranje oba tipa planeta?

Zemljinu strukturu možemo promatrati kroz nekoliko slojeva koji se u mnogočemu razlikuju.

Kemijska evolucija ili abiogeneza

Uvjeti na Zemlji u njezinom samom početku bili su potpuno drugačiji nego što su danas.
Ubrzo nakon njezina nastanka, Zemlju je vjerojatno udario manji planet čiji se sastav pomiješao sa Zemljinim.
Ostatci tog udara bili su lansirani u Zemljinu orbitu, gdje su se udružili u Zemljin satelit, Mjesec.

Kemijska evolucija ili abiogeneza

Uvjeti na Zemlji u njezinom samom početku bili su potpuno drugačiji nego što su danas i organizmi koji je danas nastanjuju ih nikako ne bi preživjeli.

Ubrzo nakon njezina nastanka, Zemlju je vjerojatno udario manji planet čiji se sastav pomiješao sa Zemljinim. Ostatci tog udara bili su lansirani u Zemljinu orbitu, gdje su se zbog gravitacije udružile u jedini Zemljin satelit, Mjesec.

Prikazana je računalna ilustracija sudara Zemlje i manjeg planet. Na ilustraciji se nalazi pet planeta prikazanih kao užarena masa kamenja. Na lijevoj strani ilustracije je Zemlja u koju se sudara planet.
Mjesec i Zemlja imaju sličan kemijski sastav. Općeprihvaćeno objašnjenje je da se nakon velikog sudara Zemlje i manjeg planeta njihova masa združila, dok je od ostataka tog sudara u orbiti nastao Mjesec

Zemlja je u to vrijeme bila iznimno vruća.
Stijene u njenom sastavu bile su nestabilne strukture, što je uzrokovalo učestale erupcije i potrese.
Kako su se stijene hladile i skrućivale, nastali su i prvi dijelovi Zemljine kore.
Tadašnja praatmosfera sadržavala je velike količine

  • vodika ( \ce{H2} )
  • helija ( \ce{He} )
  • ugljikova(IV) oksida ( \ce{CO2} )
  • amonijaka ( \ce{NH3} ) i
  • vodene pare ( \ce{H2O} ).

Daljnjim hlađenjem vodena para u atmosferi formirala je oblake koji su kišili tisućama godina i napunili Zemljine praoceane.
U atmosferi tada nije bio prisutan kisik ( \ce{O2} ).
Zbog nedostatka ozonskog omotača količina UV zračenja koje je stizalo na površinu bila bi dostatna da uništi gotovo sav današnji život na kopnu.

Zemlja je u to vrijeme bila iznimno vruća, stijene u njenom sastavu bile su nestabilne strukture, što je uzrokovalo učestale erupcije i potrese.

Kako su se stijene hladile i skrućivale, nastali su i prvi dijelovi Zemljine kore. Tadašnja praatmosfera sadržavala je velike količine vodika ( \ce{H2} ), helija ( \ce{He} ), ugljikova(IV) oksida ( \ce{CO2} ), amonijaka ( \ce{NH3} ), metana ( \ce{CH4} ) i vodene pare ( \ce{H2O} ). Daljnjim hlađenjem vodena para u atmosferi formirala je oblake koji su kišili tisućama godina i s vremenom napunili Zemljine praoceane.

U atmosferi tada nije bio prisutan kisik ( \ce{O2} ), a zbog nedostatka ozonskog omotača količina UV zračenja koje je stizalo na površinu bila bi dostatna da uništi gotovo sav današnji život na kopnu.

U samom početku temperature na Zemlji bile su iznimno visoke, atmosfera je bila bez kisika. Zašto danas nema vodika i helija u atmosferi?

Biogeneza i abiogeneza

Iako je samo podrijetlo života nepoznato, mnogi znanstveni pokusi ukazuju na neke detalje od kojih možemo nastaviti dalje.
Još je od davnina postojalo vjerovanje da neka živa bića mogu nastati spontano, iz nežive tvari.
Tek je u 17. stoljeću talijanski liječnik Francesco Redi pokusima opovrgnuo takva vjerovanja.
Redi je imao cilj otkriti hoće li se ličinke stvoriti spontano u mesu u kontroliranim uvjetima.
Za svoje je pokuse koristio staklenke koje je podijelio u dvije skupine.
U staklenke obiju skupina stavio je komade mesa.
Pokrio je staklenke jedne skupine gazom, staklenke druge skupine je ostavio otvorene.
Ubrzo je primijetio muhe koje su se okupljale oko staklenki, privučene mirisom mesa, no one su mogle ući samo u otkrivene staklenke.
Nakon nekoliko dana ličinke su se pojavile samo u mesu otkrivenih staklenki, u onima prekrivenim gazom nije bilo ličinki.

Biogeneza i abiogeneza

Pitanje nastanka života zanimalo je ljude od njihova početka i to je pitanje na koje još uvijek znanost nije dala potpun odgovor. Iako je samo podrijetlo života nepoznato, mnogi znanstveni pokusi ukazuju na neke detalje od kojih možemo nastaviti dalje.

Još je od davnina postojalo vjerovanje da neka živa bića mogu nastati spontano, iz nežive tvari. Ljudi su vjerovali da muhe mogu nastati iz truleži, miševi iz sijena i različiti nametnici općenito iz prljavštine.

Tek je u 17. stoljeću talijanski liječnik Francesco Redi pokusima opovrgnuo takva vjerovanja. Redi je imao cilj otkriti hoće li se ličinke stvoriti spontano u mesu u kontroliranim uvjetima. Za svoje je pokuse koristio staklenke koje je podijelio u dvije skupine. U staklenke obiju skupina stavio je komade mesa, ali je staklenke samo jedne skupine pokrio gazom, dok su ostale staklenke bile otkrivene. Ubrzo je primijetio muhe koje su se okupljale oko staklenki, privučene mirisom mesa, no one su mogle ući samo u otkrivene staklenke. Nakon nekoliko dana ličinke su se pojavile samo u mesu otkrivenih staklenki, u onima prekrivenim gazom nije bilo ličinki.

Razmislite i koristeći osnove znanstvene metode odgovorite na pitanja o Redijevom pokusu.

Klikom odaberite jedan točan odgovor.

Odaberite točan odgovor.

Odaberite hipotezu koju je Francesco Redi htio testirati.

Netočno
Točno

Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.

Je li ova tvrdnja točna?

Je li Francesco Redi mogao koristiti kao kontrolnu skupinu sve od navedenog:
otvorene staklenke, staklenke bez gaze, otkrivene staklenke, otvorene staklenke s mesom, staklenke bez gaze s mesom, otkrivene staklenke s mesom

Netočno
Točno

Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.

Je li ova tvrdnja točna?

U pokusu zavisne varijable mogu biti sve navedeno:
ličinke, ličinke muha, ličinke kukaca, prisutnost ličinki, ličinka

Netočno
Točno

Klikom odaberite jedan ili više točnih odgovora.

Odaberite sve točne odgovore.

Koje je kontrolirane uvjete u obje skupine Redi trebao koristiti u svom pokusu (2 su točna odgovora)?

Netočno
Točno
{{correctPercent}}%

Želite li pokušati ponovo?

U 19. je stoljeću francuski mikrobiolog Louis Pasteur postavio sličan pokus, a za uzorak je koristio mikroorganizme.
Pretpostavka abiogeneze bila je opovrgnuta, a njezina alternativa, biogeneza, bila je potvrđena.
Abiogeneza je teorija po kojoj je moguće spontano stvaranje organizama iz nežive tvari.
Ruski biokemičar Aleksandar Oparin 1924. je predstavio svoju pretpostavku o podrijetlu života.
Tijek nastanka života podijelio je u nekoliko osnovnih koraka:

  1. Stvaranje jednostavnih organskih spojeva iz anorganskih
  2. Povezivanje jednostavnih organskih spojeva u složene
  3. Grupiranje organskih spojeva u prve stanice.

Dvojica američkih kemičara, Stanley Miller i Harold Urey, sredinom 20. stoljeća odlučili su testirati Oparinovu tvrdnju.
Pokušali su u laboratorijskim uvjetima rekreirati uvjete kakvi su vladali u Zemljinim početcima.

Redijevi pokusi nisu uvjerili sve znanstvenike tog doba. Dok su većinom prihvatili da ličinke muha nastaju samo iz jajašaca koja su u meso postavile odrasle muhe, smatrali su da pokus ne objašnjava pojavu mikroorganizama.

U 19. je stoljeću francuski mikrobiolog Louis Pasteur postavio sličan pokus, a za uzorak je koristio mikroorganizme. Pretpostavka abiogeneze , kako su nazivali spontano stvaranje organizama iz nežive tvari, bila je opovrgnuta, a njezina alternativa, biogeneza , bila je potvrđena.

Nakon Pasteurovog pokusa više nije bilo sumnje da živi organizmi nastaju jedino iz drugih živih organizama.
Opovrgavanje abiogeneze bila je velika pobjeda za znanost i razvoj znanstvene misli, ali ono je otvorilo sljedeće očito pitanje: Ako život nastaje samo iz živoga, iz čega je nastao prvi život?

Ruski biokemičar Aleksandar Oparin 1924. je predstavio svoju pretpostavku o podrijetlu života. Inspiriran Darwinovom teorijom evolucije, tvrdio je da, iako je abiogeneza opovrgnuta, ona se morala dogoditi jednom. Kazao je da se, u uvjetima kakvi su vladali u Zemljinim početcima, jednostavan organski život mogao razviti iz anorganske tvari. Sam tijek nastanka života podijelio je u nekoliko osnovnih koraka:

  • Stvaranje jednostavnih organskih spojeva iz anorganskih.
  • Povezivanje jednostavnih organskih spojeva u složene.
  • Grupiranje organskih spojeva u prve stanice.

Dvojica američkih kemičara, Stanley Miller i Harold Urey, sredinom 20. stoljeća odlučili su testirati Oparinovu tvrdnju i pokušati u laboratorijskim uvjetima rekreirati uvjete kakvi su vladali u Zemljinim početcima. Cilj je bio odrediti mogućnost nastanka jednostavnih organskih tvari u takvim uvjetima.

Prikazana je ilustracija kemijskog pribora korištenog u eksperimentu koji su vodili Stanley Miller i Harold Urey. Kemijski pribor se satoji od od dvije posude spojene cijevima. Donja posuda koja se nalazi na lijevoj strani sadrži sterilnu vodu, a gornja posuda ispunjena je plinovima koji simuliraju Zemljinu atmosferu. Na dnu sa lijeve strane je posuda u koju se skuplja talog dobiven kemijskim rekacijama.
Miller-Ureyjev pokus sastojao se od zagrijavane vode čije pare su se miješale s anorganskim plinovima u velikoj staklenoj posudi. Smjesa plinova zračila se UV zračenjem, a električno pražnjenje simuliralo je munje. U kondenziranoj smjesi nađene su brojne organske molekule uključujući i aminokiseline.

Klikom odaberite jedan točan odgovor.

Odaberite točan odgovor.

Što je dokazano Miller-Ureyjevim pokusom?

Netočno
Točno
{{correctPercent}}%

Želite li pokušati ponovo?

Mnogi su drugi znanstvenici postavljali slične pokuse, svaki put s malo drugačijim sastavom ili omjerom plinova u smjesi. Većina aminokiselina, mnogi monosaharidi i dušične baze dobiveni su tim različitim pokusima, čime je višestruko potvrđen prvi korak Oparinove abiogeneze.

Iako je postupak nastanka jednostavnih organskih molekula ili organskih monomera relativno jednostavan, njihovo udruživanje u organske polimere nešto je složeniji proces. Vezanje nukleotida u dugačke lance molekule DNA i vezanje aminokiselina u proteine vrše enzimi u svim stanicama. Kako bi pojedini enzim mogao vršiti svoju ulogu, on mora imati specifičan oblik i specifičan slijed aminokiselina. Budući da u najranije doba Zemlje nije bilo stanica i enzima, odnosno nije bilo metabolizma, vezanje organskih monomera moralo se dogoditi drugačije.

Jedna od pretpostavki je da su u praoceanima umjesto enzima (biokatalizatora) bili prisutni anorganski katalizatori poput željeza i cinka koji su ubrzavali i omogućavali takve reakcije. Uz dodatak takvih metala u smjesu organskih monomera, u laboratorijskim je uvjetima moguće dobiti veoma mali broj nasumce povezanih aminokiselina i nukleotida. Daleko je to od funkcionalnih proteina, ali pokusi pokazuju da, iako je malo vjerojatno, nastanak takvih molekula ipak jest moguć.

Trenutno na Zemlji nije poznato nijedno živo biće koje nema staničnu građu. Ona je nužna za održavanje života jer u jednom vrlo malenom odjeljku održavan je idealni omjer raznolikih kemijskih spojeva nužnih za život i izdvaja ga od okoline s kojom može izmijeniti tvari. Jednom kad kemijskom evolucijom dobijemo sve organske spojeve nužne za život, oni se moraju grupirati i organizirati u tvorbe nalik na stanice. Oparin je prepoznao ovaj problem, a rješenje je pronašao u koacervatnim kapljicama koje je promatrao u svojem laboratoriju.

Koacervatne kapljice ili koacervati su mikroskopski malene kugle građene od spontano povezanih proteina. Mnogo je različitih oblika takvih organskih kugli stvoreno u laboratoriju. One mogu iz okoline prikupljati organske tvari i držati ih odvojene od okoline. Premda takve kugle nisu žive, one nas mogu usmjeriti u daljnja istraživanja nastanka prvih stanica. U laboratorijskim uvjetima do danas nisu stvorene primitivne stanice koje možemo nazvati živima.

Dva su ključna svojstva živih bića koja su se morala pojaviti u samom početku života: metabolizam i mogućnost replikacije. Metabolizam svakog organizma i svake zasebne stanice nužan je da se nazivaju živima jer podrazumijeva sve životne kemijske reakcije, izmjenu tvari i energije i izgradnju novih organskih spojeva. Molekule koje omogućavaju metaboličke reakcije su enzimi. Što su enzimi po kemijskom sastavu?

Razmnožavanje, odnosno replikacija, drugo je važno svojstvo bez kojeg bi se načelno za svaki živi organizam trebala dogoditi zasebna abiogeneza. Kao što je Pasteur zaključio, abiogeneza se u današnje vrijeme ne događa na Zemlji, a svi novonastali organizmi nastaju razmnožavanjem. Molekule koje omogućuju razmnožavanje su nukleinske kiseline. U molekulama DNA sadržana je uputa za izgradnju svakog organizma, a ona se udvostručuje i nasljeđuje u nove generacije stanica.

Za udvostručavanje DNA potrebni su brojni proteinski enzimi, a ti enzimi ne mogu se slagati bez upute sadržane u molekuli DNA. Znanstvenike je dugo zbunjivao ovaj paradoks: bez proteina nema novih DNA, a bez DNA nema novih proteina. Rješenje su pronašli u molekuli RNA.

Molekula rRNA (ribosomska RNA) prva je otkrivena nukleinska kiselina koja ima svojstva enzima. Upravo je molekula rRNA ta koja u ribosomima povezuje aminokiseline peptidnom vezom.

Pretpostavka je da su neke spontano stvorene molekule RNA imale svojstvo autoreplikacije, mogle su same raditi svoje kopije. S vremenom su neke kopije stjecale nova enzimatska svojstva i one su omogućile razvoj proteina i DNA koje su temelj života kakvog poznajemo danas. Takav svijet u kojem je početak života na Zemlji označio razvoj molekule RNA zovemo RNA svijet.

Prednost DNA nad molekulom RNA bila je njezina stabilnost i manja sklonost mutacijama, što omogućava bolje čuvanje genske upute kroz milijune godina razmnožavanja. Prednost proteina bila je veća raznolikost struktura i uloga, što je omogućilo mnogo veću raznolikost bioloških procesa i životnih oblika.

Evolucija

Evolucija i abiogeneza nisu sinonimi.
Abiogeneza objašnjava moguće mehanizme stvaranja života iz nežive tvari.
Evolucija objašnjava mehanizme promjena organizama i ne dotiče se samog postanka života.

Evolucija

Evolucija i abiogeneza nisu sinonimi, dok abiogeneza objašnjava moguće mehanizme stvaranja života iz nežive tvari, evolucija objašnjava mehanizme promjena organizama i ne dotiče se samog postanka života. Nije poznato kad je nastao prvi organizam na Zemlji, ali poznato je da je nastao jako rano. Najstariji fosili koji potvrđuju život stari su 3,7 milijardi godina, to su ostatci mikroorganizama, stanica prokariotskog tipa građe. Ti fosili nastali su na isti način kao i okamine cijanobakterija, stromatoliti.

Stromatoliti su okamenjeni ostatci umrlih cijanobakterija nastalih taloženjem minerala.
Iako su bili autotrofni, ovi prvi, jednostanični organizmi nisu još mogli vršiti fotosintezu. Koji oblik autotrofnih organizama poznajete osim fotosintetskih?

Pojava fotosinteze bila je iznimno važna za evoluciju daljnjeg života na Zemlji. Oslobađanjem kisika postupno su se stvarali uvjeti u kojima su se mogle razviti složenije aerobne eukariotske stanice. Takve aerobne stanice mogle su doći do mnogo većih količina energije i ubrzo su povećale svoju biološku raznolikost, što je dovelo do pojave prvih višestaničnih organizama. Naposljetku, kad je kisika u atmosferi bilo dovoljno da se stvori ozonski omotač, organizmi su mogli iz zaštićenih oceana prijeći na kopno bez opasnosti od smrtonosne količine UV zračenja.

Za kraj…

  • Istražite i usporedite različite pretpostavke nastanka života.
  • Koje imaju više, a koje manje temelja u znanosti?
  • Postoji li jedinstvena teorija koja objašnjava postanak života na Zemlji?
  • Raspravite o tome ovisi li točnost Darwinove teorije evolucije o različitim pretpostavkama o postanku života.

Za kraj…

Istražite i usporedite različite pretpostavke nastanka života. Koje imaju više, a koje manje temelja u znanosti? Postoji li jedinstvena teorija koja objašnjava postanak života na Zemlji?
Raspravite o tome ovisi li točnost Darwinove teorije evolucije o različitim pretpostavkama o postanku života.