мини|upright=2|Фазе у процесу настанка живота сежу од добро схваћених, попут настањиве Земље и абиотичке синтезе једноставних молекула, до углавном непознатих, као што је извођење последњег универзалног заједничког претка (ЛУЦА) са његовим сложеним молекуларним функционалностима.
Абиогенеза или порекло живота (понекад се назива и биопоеза) је природни процес којим живот настаје из неживе материје, као што су једноставна органска једињења. Преовлађујућа научна хипотеза јесте да прелаз од неживих ка живим ентитетима на Земљи није био појединачан догађај, већ процес повећања сложености који је укључивао формирање настањиве планете, пребиотичку синтезу органских молекула, молекуларну саморепликацију, самосастављање, аутоокатализу и појаву ћелијских мембрана. Прелазак из неживота у живот није експериментално опажен, али су предложени многи модели за различите фазе тог процеса.
Студија абиогенезе има за циљ да утврди како су пребиотичке хемијске реакције довеле до настанка живота под условима који су се значајно разликовали од данашњих на Земљи. Она користи алате из биологије и хемије, покушавајући да синтетише многе науке. Живот функционише кроз хемију угљеника и воде, и гради се на четири хемијске породице: липидима за ћелијске мембране, угљеним хидратима попут шећера, аминокиселинама за метаболизам протеина, и нуклеинским киселинама ДНК и РНК за наследне особине. Теорија абиогенезе мора објаснити порекло и интеракције ових класа молекула.
Многи приступи истражују како су настали саморепликујући молекули. Истраживачи сматрају да живот потиче из РНК света, иако су други саморепликујући и самокатализујући молекули можда претходили РНК. Други приступи (хипотезе „прво метаболизам”) фокусирају се на то како је катализа на раној Земљи могла обезбедити прекурсорске молекуле за саморепликацију. Милер-Јуријев експеримент из 1952. године показао је да се аминокиселине могу синтетисати из неорганских једињења под условима какви су владали у атмосфери ране Земље. Накнадно су аминокиселине пронађене у метеоритима, кометама, астероидима и регионима свемира где настају звезде.
Иако је последњи универзални заједнички предак свих модерних организама (ЛУЦА) постојао милионима година након настанка живота, његово проучавање може усмерити истраживања раних универзалних карактеристика. Геномски приступ покушао је да карактерише ЛУЦА-у идентификацијом гена које деле археје и бактерије, главне гране живота. Чини се да постоји 60 протеина заједничких за сав живот и 355 прокариотских гена који сежу до ЛУЦА-е; њихове функције имплицирају да је ЛУЦА био анаеробан са Вуд-Љундаловим путем, добијао енергију хемиосмозом и користио ДНК, генетички код и рибозоме. Раније ћелије су можда имале пропусну мембрану и биле покретане природним протонским градијентом у близини дубокоморског хидротермалног извора типа „бели пушач”; или је живот могао настати унутар континенталне коре или у води на површини Земље.
Иако је Земља једино место за које се зна да подржава живот, астробиолози претпостављају да живот постоји и да је настао сличним процесима на другим планетама. Геохемијски и фосилни докази информишу већину студија. Земља је формирана пре 4,54 милијарде година, а најранији докази живота на Земљи датирају од пре 3,8 милијарди година из Западне Аустралије. Фосилни микроорганизми су можда живели у преципитатима хидротермалних извора из Квебека, убрзо након формирања океана током Хадаја, па се чини да је процес био релативно брз у геолошком смислу.
Преглед
мини|десно|upright=1.6|Стратегија НАСА-е за астробиологију из 2015. године имала је за циљ да реши загонетку порекла живота – како би потпуно функционалан живи систем могао настати од неживих компоненти – кроз истраживање пребиотичког порекла хемикалија које чине живот, како у свемиру тако и на планетама, као и функционисања раних биомолекула за катализацију реакција и подржавање наслеђивања.
Живот се састоји од репродукције са (наследним) варијацијама. НАСА дефинише живот као „самоодржив хемијски систем способан за Дарвинову еволуцију.” Такав систем је сложен; последњи универзални заједнички предак (ЛУЦА), вероватно једноћелијски организам који је живео пре око 4 милијарде година, већ је имао стотине гена кодираних у ДНК генетичком коду који је универзалан данас. То заузврат имплицира скуп ћелијске машинерије укључујући информациону РНК, транспортну РНК и рибозоме за превођење кода у протеине. Ти протеини су укључивали ензиме за управљање анаеробним дисањем путем Вуд-Љундаловог метаболичког пута, и ДНК полимеразу за репликацију свог генетичког материјала.
Изазов за истраживаче порекла животаУпореди: је да објасне како се такав сложен и чврсто међуповезан систем могао развити кроз еволуционе кораке, јер на први поглед су сви његови делови неопходни да би могао да функционише. На пример, ћелија, било да је то ЛУЦА или савремени организам, копира своју ДНК уз помоћ ензима ДНК полимеразе, који се сам производи превођењем гена за ДНК полимеразу у ДНК. Ни ензим ни ДНК не могу се произвести једно без другог. Еволуциони процес је могао почети са молекуларном саморепликацијом, самосастављањем (као што је случај са ћелијским мембранама) и аутоокатализом путем РНК рибозима у окружењу РНК света. Прелазак неживота у живот није експериментално уочен. Неки научници виде живот и порекло живота као аспекте истог процеса.
Предуслови за развој живе ћелије попут ЛУЦА-е су познати, иако се о детаљима расправља: формиран је настањив свет са залихама минерала и течне воде, као и изворима слободне енергије попут нашег Сунца и геотермалне топлоте. Пребиотичка синтеза ствара низ једноставних органских једињења, која се спајају у полимере попут протеина и РНК. Са друге стране, процес након ЛУЦА-е се лако разуме: биолошка еволуција проузроковала је развој широког спектра врста са различитим облицима и биохемијским способностима. Међутим, извођење ЛУЦА-е из једноставних компоненти далеко је од схваћеног.
Иако Земља остаје једино место за које се зна да постоји живот, наука астробиологије тражи доказе о животу на другим планетама. НАСА-ина стратегија о пореклу живота из 2015. године имала је за циљ да реши загонетку идентификацијом интеракција, посредничких структура и функција, извора енергије и фактора животне средине који су допринели еволутивним макромолекуларним системима, и мапирањем хемијског пејзажа потенцијалних примордијалних информационих полимера. Појава таквих полимера највероватније је била критичан корак у пребиотичкој хемијској еволуцији. Ти полимери су изведени из једноставних органских једињења као што су нуклеобазе, аминокиселине и шећери, вероватно формирани реакцијама у животној средини. Успешна теорија о пореклу живота мора да објасни како су све те хемикалије настале.
Концептуална историја пре 1960-их
мини|upright=1.6|Милер-Јуријев експеримент представљао је синтезу малих органских молекула у мешавини једноставних гасова унутар термалног градијента створеног загревањем (десно) и хлађењем (лево) мешавине у исто време, уз помоћ електричног пражњења.
Спонтано генерисање
Један од древних погледа на порекло живота, од Аристотела до 19. века, био је поглед на спонтано генерисање. Ово схватање тврдило је да су „ниже” животиње, попут инсеката, настајале из распадајућих органских супстанци и да је живот настао случајно. Ово је доведено у питање у 17. веку, у делима као што је Pseudodoxia Epidemica Томаса Брауна. Године 1665, Роберт Хук је објавио прве цртеже микроорганизама. Године 1676, Антони ван Левенхук је нацртао и описао микроорганизме, вероватно праживотиње и бактерије. Ван Левенхук се није слагао са спонтаним генерисањем и до 1680-их је убедио себе, користећи експерименте са затвореним и отвореним месом, те пажљивим проучавањем размножавања инсеката, да је та теорија нетачна. Године 1668, Франческо Реди је показао да се ниједан црв није појавио у месу када је мувама било онемогућено да полажу јаја. До средине 19. века сматрало се да је спонтано генерисање оповргнуто.
Панспермија
Датирајући од Анаксагоре у 5. веку пре нове ере, панспермија је идеја да је живот настао негде другде у свемиру и дошао на Земљу. Модерна верзија панспермије сматра да је живот можда дистрибуиран на Земљу путем метеороида, астероида, комета или планетоида.Rampelotto, P. H. (2010). "Panspermia: A promising field of research". In: Astrobiology Science Conference. Abs 5224. То премешта порекло живота на неко друго небеско тело. Предност је у томе што се од живота не захтева да се формира на свакој планети на којој се јавља, већ на ограниченијем скупу локација, а затим се шири по галаксији до других звезданих система. Постоји одређено интересовање за могућност да је живот настао на Марсу и касније пренесен на Земљу.
„Топла мала бара”: примордијална супа
Идеја да је живот настао из неживе материје у спорим фазама појавила се у књизи Херберта Спенсера из 1864–1867. Принципи биологије, и у раду Вилијама Тернера Тиселтон-Дајера из 1879. године „О спонтаном генерисању и еволуцији”. Дана 1. фебруара 1871. године, Чарлс Дарвин је писао о овим публикацијама Џозефу Хукеру и изнео сопствену спекулацију да је првобитна искра живота можда била у „топлој малој бари, уз присуство свих врста амонијака и фосфорних соли, светлости, топлоте, електрицитета итд, тако да се протеинско једињење хемијски формирало”. Дарвин је објаснио да „би у данашње време таква материја била тренутно поједена или апсорбована, што не би био случај пре него што су формирана жива бића.”
Александар Опарин 1924. и Џ. Б. С. Холдејн 1929. године предложили су да су се најраније ћелије полако самоорганизовале из примордијалне супе, што је познато као Опарин-Холдејнова хипотеза. Холдејн је сугерисао да су Земљини пребиотички океани били сачињени од „топле разређене супе” у којој су се могла формирати органска једињења. Џ. Д. Бернал је показао да би такви механизми могли формирати већину молекула неопходних за живот из неорганских прекурсора. Године 1967, он је предложио три „фазе”: порекло биолошких мономера, порекло биолошких полимера и еволуцију од молекула до ћелија.
Милер-Јуријев експеримент
Године 1952, Стенли Милер и Харолд Јури извели су хемијски експеримент како би демонстрирали како су органски молекули могли спонтано настати из неорганских прекурсора под пребиотичким условима сличним онима које поставља Опарин-Холдејнова хипотеза. Експеримент је пропуштао електричну струју кроз изразито редукујућу (без кисеоника) мешавину гасова — метана, амонијака и водоника, уз водену пару — како би се формирали органски мономери попут аминокиселина.
Бернал је рекао о Милер-Јуријевом експерименту да „није довољно објаснити формацију таквих молекула; оно што је неопходно је физичко-хемијско објашњење порекла тих молекула које сугерише присуство одговарајућих извора и понора слободне енергије.” Међутим, тренутни научни консензус описује примитивну атмосферу као слабо редукујућу или неутралну, што умањује количину и разноликост аминокиселина које би могле бити произведене. Додавање минерала гвожђа и карбоната, присутних у раним океанима, производи разнолик низ аминокиселина. Каснији рад фокусирао се на два друга потенцијално редукујућа окружења: свемир и дубокоморске хидротермалне изворе.
Стварање настањиве Земље
Еволуциона историја
Рани универзум са првим звездама
Убрзо након Великог праска, пре отприлике 14 милијарди година, једини хемијски елементи присутни у универзуму били су водоник, хелијум и литијум, три најлакша атома у периодном систему. Ови елементи су се постепено кондензовали у огромне облаке гаса, који су се под утицајем гравитације урушавали у ротирајуће протозвездане дискове. Гравитационо накупљање материјала у врелим и густим центрима ових дискова довело је до формирања првих звезда путем фузије водоника. Ране звезде биле су масивне и кратког века, производећи све теже елементе путем звездане нуклеосинтезе. Формирање таквих елемената наставља се до најстабилнијег елемента, гвожђа-56. Тежи елементи су формирани током супернова на крају животног циклуса звезде.