Az abiogenezis vagy az élet keletkezése az a természetes folyamat, amely során élettelen anyagokból (pl. egyszerű szerves molekulákból) élő szervezetek jönnek létre. Az élettelen és az élő közötti átmenet nem egyetlen esemény hatására történt, hanem a fokozódó komplexitás hosszú, fokozatos folyamata volt.
Az abiogenezis tanulmányozása számos tudományág – molekuláris biológia, paleontológia, asztrobiológia, biokémia – határterületén fekszik és azt vizsgálja, hogyan és milyen kémiai reakciók révén jött létre az élet. A korai Föld merőben más környezetet biztosított, mint a mai és az élet alapvető vegyületei, mint a fehérjék, nukleinsavak, szénhidrátok és lipidek is másképp reagáltak környezetükkel. Egy általánosan elfogadott elméletnek meg kell tudnia magyaráznia, hogyan jöttek létre ezek a vegyületcsoportok és hogyan léptek interakcióba egymással. Számos modell az önmagát lemásolni képes molekulák létrejöttét tanulmányozza. Ma ezek közül legsikeresebb az RNS-világ elmélete, amely szerint az első, élőnek mondható rendszerek RNS-en alapultak, mind az információtárolás, mind a reakciók katalizálása szempontjából.
Azt, hogy egyszerű szerves anyagokból a korai Ősföld körülményei között bonyolult biogén molekulák jöhetnek létre, már a klasszikus Miller–Urey-kísérlet bebizonyította. Az ehhez szükséges energiát villámlás, ultraibolya vagy egyéb sugárzás képes biztosítani. Egyes elméletek az anyagcserét tekintik elsődlegesnek, olyan kémiai hiperciklusok létrejöttét, amelyek aztán alapanyagokat szolgáltattak az információhordozó molekulák (nukleinsavak) szintéziséhez. Az élet keletkezéséhez szükséges kiinduló anyagok nem feltétlenül a Földön jöttek létre, az űrben (mind a Naprendszerben, mind a csillagok közötti felhőkben) számos szerves molekulát fedeztek fel.
A pánspermia elmélete szerint az élet nem a Földön keletkezett, hanem valahol másutt az Univerzumban és a mikroorganizmusok az űrön keresztül, meteorokkal vagy porral jutottak el a Földre. Az elmélet azonban nem magyarázza az élet eredeti keletkezését.
Az élet nagyon korán megjelent a Földön: míg a bolygó mintegy 4,54 milliárd éves, az első biztos életnyomok 3,5 milliárd évvel ezelőttről származnak.
A korai Föld környezeti viszonyai A korai, forró Földnek a feltételezések szerint másodlagos, a vulkanikus aktivitásból és üstökösök becsapódásából származó atmoszférája volt. Sokáig úgy vélték, hogy ez a légkör redukáló jellegű volt, amely elősegíti a szerves anyagok képződését és elsősorban metánt, ammóniát és vízpárát tartalmazott. A későbbi modellek az ősi kőzetek összetételére alapozva azzal számoltak, hogy a korai atmoszféra főleg vízpárából, nitrogénből, szén-dioxidból, valamint némi szén-monoxidból, hidrogénből és kénvegyületekből állt. A Föld kialakulásakor létrejövő elsődleges atmoszféra nagy mennyiségű hidrogént is tartalmazhatott, de a bolygónak nem volt elég erős a gravitációja, hogy ezt megtarthassa.
Az óceánok kb. 200 millió évvel a Föld keletkezése után jöttek létre, amikor a légkör hőmérséklete 100 °C alá csökkent. Vizük sok oldott szén-dioxidot tartalmazott, ezért pH-ja viszonylag alacsony, 5,5-5,8 lehetett. Az erős vulkanikus aktivitás és számos kisebb tektonikus lemez megléte ellenére ekkor még nem léteztek kontinensek és a Föld felületének döntő többségét víz borította. Ehhez hozzájárult még a rendkívül turbulens atmoszféra, az ózonpajzs nélküli és a mainál erőteljesebb UV-sugárzás, a kozmikus sugárzás és a gyakori aszteroidabecsapódások.
Ekkor még nagyobb, kisbolygó méretű (akár 500 km-es) égitestek is ütközhettek a Földdel, amelyek becsapódása nyomán felforrtak az óceánok és a hőmérséklet akár csak néhány ezer év múlva csökkent le annyira, hogy a víz ismét folyékony állapotban létezhessen a bolygón.
Az élet legkorábbi bizonyítékai
A leginkább elismert elképzelések szerint az élet legkorábbi ismert formái a baktériumok, valamint az archeák (ősbaktériumok) és eukarióták együttes csoportjának közös ősei voltak. Ezt támasztják alá a molekuláris biológiai vizsgálatok is. Ismertek más, kellően alá nem támasztott nézetek is, miszerint a legősibb létformák a baktériumok Firmicutes csoportjához vagy a Chloroflexi csoporthoz tartoznak. Egy újabb elképzelés az ún. RNS-világon (lásd később) alapszik és úgy véli, hogy a korai RNS-alapú élőlények kétfelé osztódtak: RNS-vírusokra és az élet egyéb formáira, amelyek később alkalmazni kezdték a DNS-t és kifejlesztették a sejtes életet.Ward, Peter (2005), "Life as we do not know it" (Viking Books)
A földi élet legkorábbi nyomai mintegy 4 milliárd évesek. A kanadai Quebec tartomány északi részén az ún. Nuvvuagittuq zöldkő-övezet 3,77-4,28 milliárd éves kőzeteiben a sávos vas-oxid-kicsapódás baktériumszerű életműködésre utal, illetve mikrofosszíliákra is bukkantak. Ennek alapján az óceánok kialakulása után szinte azonnal létrejött az élet. A mikrofosszíliák szerkezete hasonló volt a mai mélytengeri hőforrások környékén élő baktériumékéhoz, ami alátámasztja azt a hipotézist, hogy az élet hasonló, magas hőmérsékletű környezetben keletkezhetett.
Említést érdemel még, hogy Grönland délnyugati részén 3,7 milliárd éves metamorf üledékes kőzetben biogén eredetű grafitot találtak, amelynek szénizotóp-eloszlása biológiai eredetre utal; ezen kívül a grafitban az élet más elemei: nitrogén, oxigén és talán foszfor is megtalálhatóak voltak. A nyugat-ausztráliai Pilbarában 3,48 milliárd éves homokkőben pedig olyan biofilm-fosszíliát tártak fel, amelyben felismerhetőek voltak az ősi, csőszerű sejtek, melyek anaerob környezetben kén oxidációjával tartották fenn magukat. Szintén nyugat-ausztráliai cirkonkristályokban található szénatomok tanulmányozása alapján arra lehet következtetni, hogy az élet már legalább 4,1 milliárd éve létezik a Földön.
Korábbi elképzelések szerint a 4,28-3,8 milliárd évvel ezelőtti időszakban a gázóriások pályájának változása miatt aszteroidák és üstökösök kerültek nagy számban a belső bolygók közelébe, és ekkor keletkeztek a Hold, a Merkúr, a Mars (és valószínűleg a Vénusz és a Föld) nagy becsapódási kráterei. Ha az élet ekkorra kialakult, az ütközések valószínűleg sterilizálták a bolygót. Ilyen körülmények között az élet legfeljebb a tengerek mélyén maradhatott fenn. Ha az első élőlények a hőforrások közelében alakultak ki, akkor erre már 4-4,2 milliárd évvel ezelőtt is lehetőségük nyílt; ha viszont a sekélyebb tengerek környezetét igényelték, kellően nyugodt körülményeket csak 3,7-4 milliárd évvel ezelőtt találhattak.
Az élet keletkezésének kutatástörténete
Spontán keletkezés Arisztotelész és más ógörög filozófusok nyomán egészen a 19. századig általános volt az az elképzelés, hogy az élet bizonyos formái spontán, maguktól keletkezhetnek, ha a környezeti viszonyok megfelelőek (pl. bomló szerves anyagokból). Emellett hittek abban, hogy egyik életforma átalakulhat egy másikká, pl. virágok méhekké. Arisztotelész bizonyítottnak és megfigyelhetőnek vélte, hogy levéltetvek keletkezhetnek a növényekre hulló harmatból, legyek a trágyából, egerek a rothadó szénából, krokodilok a víz fenekén korhadó fatörzsekből stb. Nézeteit csak a 17. században kezdték el megkérdőjelezni. 1646-ban az angol Thomas Browne Pseudodoxia Epidemica c. könyvében megtámadta az élet spontán keletkezésének elvét, mire az író Alexander Ross így válaszolt neki: „Megkérdőjelezni a spontán keletkezést egyenértékű a Józan Ész, Értelem és Tapasztalat megkérdőjelezésével: ha kételyei vannak, utazzék el Egyiptomba, ahol a mezőkön nyüzsögnek a Nílus iszapjából kikelt egerek, a lakosok nagy szerencsétlenségére.”
1665-ben Robert Hooke elsőként közölt mikroorganizmusokról készült rajzokat, röviddel később pedig Antonie van Leeuwenhoek 1676-ban közzétette egysejtűekről és baktériumról készült megfigyeléseit. A szabad szemmel láthatatlan, egyszerű élőlényeket sokan a spontán életkeletkezés bizonyítékainak tartották. Leeuwenhoek maga vitába szállt kortársai nézetével, miszerint a bolhák és a tetvek a rothadó anyagokból, a békák pedig az iszapból jönnének létre, ezért számos kísérletet végzett lezárt edénybe helyezett hússal és egyéb anyagokkal és az 1680-as évek végére meggyőződött arról, hogy a spontán keletkezés elmélete hibás. Hasonló kísérleteket már az olasz Francesco Redi is végzett 1668-ban, amikor kimutatta, hogy a legyek elől elzárt húsban nem jelennek meg lárvák. Lassanként teret hódított az új elképzelés, miszerint minden élőlénynek egy másiktól kell származnia: omne vivum ex ovo („minden élő tojásból származik”).
1768-ban Lazzaro Spallanzani bebizonyította, hogy mikroorganizmusok vannak a levegőben és hogy forralással elpusztíthatóak. A végleges bizonyítékokat Louis Pasteur szolgáltatta 1861-ben, aki hosszas kísérletsorozat után kimutatta, hogy a külvilágtól elzárt, steril, tápanyagokban gazdag táptalajban soha nem jelennek meg baktériumok vagy gombák.
Louis Pasteur és Charles Darwin
Louis Pasteur 1864-es kísérleteit követően magabiztosan kijelentette, hogy „az élet spontán keletkezésének doktrínája soha nem fog magához térni abból a halálos csapásból, amit ez az egyszerű kísérlet mért rá.” A biogenezis (vagyis hogy élő csak élőből keletkezhet, szemben az abiogenezissel, amely megengedte élőlények élettelen anyagból való létrejöttét) diadalmaskodott. Voltak, akik megpróbáltak alternatívákat keresni, pl. hogy az élet valahol másutt keletkezett a Világegyetemben és az űrön át jutott a Földre (a pánspermia elmélete). A 19. században szintén népszerű volt a Henri Bergson által propagált „életerő”-elmélet, miszerint az élettelen anyagot egy többé-kevésbé misztikus energia alakítja át élővé.
A hasonló metafizikai elképzeléseket Charles Darwin evolúciós elmélete söpörte félre. Egy 1871-ben Joseph Dalton Hookernak írt levelében így képzelte el az élet kialakulásának körülményeit: egy „meleg kis pocsolyában, mindenféle ammónia és foszforsók, fény, hő, elektromosság stb. jelenlétében vegyi úton egy proteinvegyület jött létre, készen állva az eljövendő komplex változásokra.” Néhány évvel korábban azonban arra is rámutatott, hogy „merő ostobaság jelenleg az élet eredetén gondolkodni; ezzel az erővel az anyag eredetén is gondolkodhatnánk.”
Az „ősleves” elmélete
A témában egészen 1924-ig nem történt jelentősebb előrelépés, amikor a szovjet Alekszandr Oparin Az élet eredete c. könyvében rámutatott, hogy a mai légkörben megtalálható oxigén megakadályozná az élet építőköveinek számító szerves vegyületek kialakulását. Oparin úgy vélte, hogy a Pasteur által olyan vehemensen támadott abiogenezis folyamata valaha tényleg megtörtént, de a földi környezetben azóta történt változások miatt megismétlődése nem lehetséges; ezenkívül a már meglévő mikroorganizmusok azonnal elfogyasztanák az újonnan keletkező más életformákat. Elmélete szerint a napfény energiájának hatására a tengerben szerves vegyületek jöhettek létre, az ún. „ősleves”, amelyek komplexet képezve „koacervátumokat” képeztek. Utóbbiak fuzionálhattak egymással, vagy osztódással akár szaporodni is képesek voltak és egyfajta primitív anyagcserét folytathattak. Oparin elméletének sok eleme a modern teóriákból is visszaköszön.
Oparin és a neves evolúcióbiológus, J. B. S. Haldane elméletét Robert Shapiro a következőképpen összegezte: A korai Föld redukáló atmoszférával rendelkezett. Ebben az atmoszférában a különböző energiaformák hatására egyszerű szerves vegyületek (monomerek) jöttek létre. A vegyületek felgyülemlettek a „levesben” és egyes helyeken (parti tócsákban, mélytengeri hőforrásoknál) bekoncentrálódhattak. A további kémiai reakciók során a levesben bonyolultabb molekulák – és végül élet – formálódtak.