11. Az élet eredete és az evolúciós rendszerek

A korábbi fejezetekben megismerkedtünk a Föld történetével, most az élőlények kialakulásán és fejlődésén a sor.

Az élet eredete

A prekambrium ősi kontinenseinek, hullámverte partszegélyi vízeiben alakult ki bolygónk legcsodálatosabb jelensége: az élet. A legelső életnyomok 3,8 milliárd évesek, mai ismereteink szerint a baktériumok őseihez tartozó szerveződések voltak.

Ilyeneket találtak, pl. Grönlandon és Ausztrália egyik hegységében. Ma is élnek olyan sztromatolitnak nevezett kékbaktériumok, amik akkoriban tömegesen lehettek jelen. Egy ilyen telepnek a megkövesedett képét láthatod itt.

Hogyan alakulhattak ki az első élőlények?

Az élet kialakulását hosszú, ún. kémiai evolúció előzte meg. A kémiai evolúció során az egyszerű molekulákból bonyolult összetételű óriásmolekulák, ún. makromolekulák alakultak ki. Ilyen makromolekulák a fehérjék és a nukleinsavak. A fenti elméletet S. L. Miller bizonyította be 1953-ben. Miller berendezése az ősi, földi körülményeket mintázta. Alul folyékony víz, a gáztérben vízgőz, metán, ammónia, továbbá az ősi villámlásokat utánzó elektromos kisüléseket hozott létre. A kísérlet során élőlények segítsége nélkül, ún. abiogén úton állított elő egyszerű szerves molekulákat, valamint a fehérjéket felépítő aminosavakat. Azt, hogy az így keletkezett makromolekulák, hogyan rendeződtek élő anyaggá, még ma sem tudjuk.

Ha pusztán a fizikus vagy a kémikus szemével nézzük, az élet, az élőlények teljesen természetellenes dolgoknak tűnnek. Gondoljuk csak át, milyen folyamatokról tanultunk eddig! Az oldott anyag egyenletes eloszlása az oldószerben, a hőmérséklet kiegyenlítődése egy edényben, vagy a porrészecskék egyenletes eloszlása egy szobában mind olyan természetes folyamatok, melyek a rendezetlenséget, az összevisszaságot növelik.

Az élőlényekben viszont csodálatos rendezettségben találhatóak az atomok és a belőlük kialakult molekulák. Az élőlények koncentrálják az energiát, az anyagokat, megakadályozzák azok egyenletes eloszlását. Persze mindehhez folyamatos energiabevitelre van szükségük. Az ilyen rendszereket egyensúlytól távoli, metastabil rendszernek nevezik. A fizikus és a kémikus csak-csak megérti, miképpen is maradhat fent egy ilyen furcsaság (folyamatos energiabevitelre van szüksége), de arra már nem nagyon talál magyarázatot, mikéépen is jöhetett létre magától egy ilyen furcsa jelenség.

Szüleiteknek is nyugodtan hivatkozhattok arra, hogy a rendetlenség teljesen természetes állapot, rendet rakni viszont természetellenes. A természet erői ellen hiába is küzdünk, ha egy nap összpontosítjuk is a porszemcséket a szemeteskosárba, hamarosan újra szétszóródnak.

Hogyan is néz ki a legegyszerűbb élőlény?

Először is szükséges egy rendszer, ami elhatárolja a külvilágtól. Ez a sejtfal vagy/és sejtmembrán (képen: cell wall, plasma membrane). Szükséges a sejt információit rögzítő, a szaporodáskor azt tovább adó ún. örökítőanyag. Az örökítőanyag (maganyag) minden élőlényben a DNS-néven rövíditett makromolekula. A baktériumok esetében az örökítőanyag a sejtplazmában (sejt belső terét kitöltő kocsonyás rész) szabadon, határoló burok nélkül van jelen. Az ilyen élőlényeket prokariótának nevezzük. Ezen kívül rendelkeznek még egy vagy több mozgást segítő ostorral.

Az első baktériumok valószínűleg kémiai anyagok átalakításával nyerték az energiájukat. Ma is élnek ilyenek, főként hőforrásoknál, szuroktavakban, a föld mélyén és óceáni vulkánoknál találhatjuk meg őket.
Később, mintegy egymilliárd évvel ezelőtt azonban egyes élőlények elkezdtek áttérni a napfény energiájának használatára. Ennek a folyamatnak a mellékterméke (kipufogógáza) volt az oxigén, ami lassan, de biztosan átalakította a Föld légkörét. Csak néhány élőlény volt képes alkalmazkodni ehhez a változáshoz (ez is egy nagy horderejű véletlen esemény), de azok sokkalta hatékonyabb működésre lettek képesek. Az oxigéndús légkörben kialakult a sztratoszféra ózonpajzsa is, ami idővel lehetővé tette a szárazföldek benépesedését is.

Evolúciós rendszerek

Az ősi baktériumok igen kezdetleges szerveződések voltak. Vajon, hogyan alakulhattak ki belőlük az igen bonyolult élőlények, mint például az ember? A kérdésre a választ az evolúció adja, amely azzal foglalkozik, hogyan alakultak ki az évmilliók során a fejletlenebb élőlényekből a fejelttebbek, hogyan alkalmazkodtak környezetükhöz és vajon miért haltak ki igen népes élőlénycsoportok.

I. Vegyetek magatok elé hat négyzetrácsos papírt. Mindegyiken jelöljetek ki egy 18x18 négyzetből álló négyzetet! Dobjatok kétszer három dobókockával! Az így kapott sor és oszlop kockáját satírozzátok be (ha már be van satírozva, radírozzátok ki)! Ezt ismételjétek meg még ötször, a külön-külön lapokon. Ezután szavazzatok, hogy melyik tetszik a legjobban és azt másoljátok át a többi öt lapra. Ezután dobjatok újra, szavazzatok, másoljatok! Hasonlítsátok öszze, milyen képek születtek a kölönböző csoportokban harminc-negyven forduló után! Noha a véletlen dolgozott, mégis egészen képszerűek lettek az eredmények.

II. Hasonlót próbálhattok ki ezen a szimuláción is:

Bármely olyan rendszerben, melynek részegységei rendelkeznek három tulajdonsággal beindulnak az evolúciós folyamatok. Ez a három tulajdonság a szaporodás, öröklődés és a változatosság. Az ilyen rendszer részegységei egyre jobban fognak alkalmazkodni a környezetükhöz. A szaporodás miatt idővel mindig több egyed lesz, mint amennyit a környezet eltartani képes. A változatosság miatt lesznek olyan egyedek, melyek jobban alkalmazkodtak a környezetükhöz, mint a többi és ezek maradnak életben. Az öröklődés miatt a túlélők utódai örökölni fogják az elődök tulajdonságait, tehát jobban alkalmazkodnak a környezetükhöz. Ezt a folyamatot nevezik természetes szelekciónak.

11.1. Gondold végig, miért van szükség erre a három tulajdonságra ahhoz, hogy evolúcióról beszélhessünk! Mi történik abban a rendszerben, melyben nincs változatosság? Mi történik abban, melyben nincs öröklődés? És abban, melyben nincs szaporodás?

A természetes szelekció gondolatát Charles Darwinnak köszönhetjük. 1859-ben jelent meg könyve mely egyszerűen A fajok eredete természetes szelekció útján a létért folyó küzdelemben a rátermettebbek életbenmaradásával címet viselte. Valamiért az utókor csak A fajok eredete címen hivatkozik rá. Ebben fejtette ki elméletét, miszerint az élővilág állandó változásban van és folyamatosan alkalmazkodik a környezetéhez. Ebben a könyvében is hangsúlyozza, hogy a természetes szelekció nem az egyetlen módja a fajok változásának. Később egy másik folyamatot is leírt, a szexuális szelekciót. Ez a párosodás jogáért és a nőstények válásztásával valósul meg. A természetes és a szexuális szelekció nem mindig hat egy irányba.

A lantfarkú madár hatalmas faroktollai kifejezetten akadályozzák a túlélésben, de nőstények ennek alapján választanak párt. Ma már tudjuk, hogy az evolúció folyamatában számos tényező is szerepet játszik, ezek egyike csak a természetes szelekció, de akadnak közte előre meg nem jósolható, véletlen események is, mint például egy meteor becsapódása. Mindezek azonban nem rengették meg alapjaiban Darwin gondolatait. A darwini gondolatok kezdetben kiváltották az egyház (és egyes liberális politikusok) rosszallását. A teremtés kontra evolúció vita mára azonban nagyjából elcsillapodott. Az evolúcióbiológusok kijelentették, hogy csak folyamatokról és mechanizmusokról beszélnek nem pedig végső okokról, és az egyházak többsége is deklarálta, hogy el tudja fogadni az evolúció gondolatát. Egyedül az amerikai szélsőséges egyházak harcolnak még ma is az ellen, hogy az evolúciót tanítsák az iskolákban.

III. Nézzetekzetek utána milyen tapasztalatoknak köszönheti Darwin elméletét?
IV. A csoport egyik fele gyűjtsön érveket az evolúció, másik fele a teremtés mellett! Cseréljétek ki a listákat és próbáljátok vitában megvédeni a másik érveit!

Bármit is állít az evolúcióbiológia az élőlények változásáról, arról nem sokat tud mondani, miként is jöttek létre az első olyan rendszerek, melyek már rendelkeztek az említett három tulajdonsággal. Az élet eredetének vizsgálatával a legfontosabb probléma, hogy semmiféle kézzelfogható nyom nem maradt róla. Nagyon ritkák az olyan kőzetek, melyek ebből az időből valók és azok sem őrzik meg a ritka és bomlékony szerves molekulák nyomait. Ezért csak modelleket tudunk alkotni. A Föld korai állapotait ismerve feltételezhetjük, hogy viszonylag könnyedén jöhettek létre bonyolult szerves molekulák. Ezek között olyanok is akadhattak, melyek önmaguk másolatait tudták elkészíteni a szerves alapegységekből. Különféle ilyen molekulák összekapcsolódva alakíthattak ki egyre bonyolultabb rendszereket. A bonyolult és együttműködő rendszerek kialakulásához nem feltétlenül kellenek bonyolult szabályok. Ezt mutatja be az alábbi szimuláció is:

A legelső élő sejtek valószínűleg három fontos részegységből álltak: egy önmaga másolására képes molekulából (ez lehetett a DNS vagy RNS), egy határolóhártyából, mely lehetővé tette, hogy azon belül a kémiai folyamatok számára kellemes környezet alakuljon ki (ezek a mai sejthártyákhoz hasonló lipidekből lehettek) és olyan anyagokból, melyek meggyorsították a másoláshoz és a hártya növesztéséhez szükséges kémiai folyamatokat (ezek lehettek a biológiai folyamatokat gyorsító és vezénylő fehérjék).
Ha ezt a három részegységet összekapcsoljuk és esetleg még egy külső, az alakot biztosító falat kapcsolunk hozzá, már meg is kapjuk a baktériumokat. Mindez elképzeléseink szerint 3,8 milliárd évvel ezelőtt történhetett meg.