Παλαιοντολογία ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ  ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ  Β1 ΤΟΥ Δ.Ε.Π.

Στόχος, εύρος, και προαπαιτούμενα του μαθήματος

Το παρόν μάθημα έχει σαν στόχο να παρουσιάσει, με συνοπτικό και κατανοητό τρόπο, το τί συνέβη στον πλανήτη που ζούμε στη διάρκεια των δισεκατομμυρίων ετών που πέρασαν από τότε που σχηματίστηκε η Γη, μέχρι που εμφανίστηκε το ανθρώπινο είδος. Συγκεκριμένα, εστιάζει στις αλλαγές που συνέβησαν σ’ αυτό που ονομάζουμε “βιόσφαιρα”, δηλαδή στο σύνολο των έμβιων όντων της Γης. Θα εξετάσουμε το πώς και πότε πρωτοεμφανίστηκαν “ουσίες” που είχαν κάποιες από τις ιδιότητες της ζωής (αλλά όχι όλες), πώς αυτές εξελίχθηκαν βάσει των φυσικών νόμων σε ολοένα και πιο διαφορετικούς, πιο μεγάλους, και ίσως πιο “πολύπλοκους” (θα δούμε με ποια έννοια) οργανισμούς, και πώς φτάσαμε στη σημερινή κατάσταση της ζωής στη Γη. Η παρουσίαση θα είναι μάλλον “προκατειλημμένη” προς το δικό-μας είδος. Ενώ δηλ. η συντριπτική πλειοψηφία των ζωντανών οργανισμών σήμερα είναι βακτήρια^(*), δεν θα αφιερώσουμε το μεγαλύτερο μέρος του μαθήματος μιλώντας για βακτήρια, γιατί σαν άνθρωποι που είμαστε μας ενδιαφέρει περισσότερο το τί συνέβη σε άλλους οργανισμούς, και ιδίως στους πολυκύτταρους· παρόμοια, ενώ η πλειοψηφία των πολυκύτταρων οργανισμών είναι φυτά, διάφορα φύλα σκουληκιών, έντομα, κλπ., εμείς θ’ αναφερθούμε σ’ αυτά μόνο όσο χρειάζεται για να πάρουμε μια γενική εικόνα, και στη συνέχεια θα εστιάσουμε στο πώς εξελίχθηκε η κατηγορία (ή “υποφύλο”, όπως λέγεται) των σπονδυλωτών, μια που κ’ εμείς ανήκουμε στην κατηγορία αυτή. Το ίδιο μοτίβο θα συνεχιστεί μέχρι το τέλος του μαθήματος.

Αντίθετα με αντίστοιχα μαθήματα πανεπιστημιακού επιπέδου σε άλλα ακαδημαϊκά ιδρύματα, το μάθημα αυτό δεν απαιτεί ιδιαίτερη ή εξειδικευμένη γνώση. Αποτελεί μάλλον τη βάση για άλλα μαθήματα βιολογίας του Δ.Ε.Π. Γιαυτό όποτε γίνεται χρήση κάποιου τεχνικού όρου, γίνεται επίσης διασαφήνιση του τί σημαίνει ο όρος, και εξηγείται σύντομα και με απλά λόγια το υπόβαθρο για την κατανόησή του. Το επίπεδο του μαθήματος αυτού είναι κατάλληλο για όποιον έχει τις γενικές γνώσεις τελειόφοιτου Λυκείου (χωρίς υποχρεωτικά να έχει παρακολουθήσει τη λεγόμενη “θετική κατεύθυνση”).

Η απίστευτα μεγάλη ιστορία της ζωής στη Γη

Ας υποθέσουμε οτι όλη η ανθρώπινη ιστορία του τόπου-μας των τελευταίων 3.500 ετών, δηλαδή από περίπου έναν αιώνα μετά την έκρηξη του ηφαιστείου της Σαντορίνης μέχρι σήμερα, συμπιέζεται ώστε να καταλάβει το μήκος της διαμέτρου ενός κεφαλιού καρφίτσας — περίπου 1 χιλιοστό. Ποιο θα ήταν τότε το μήκος του χρόνου κατά τον οποίο έχει υπάρξει αναμφισβήτητα ζωή στη Γη;

Η απάντηση είναι οτι τότε το μήκος του χρόνου της ζωής στη Γη θα ήταν ένα χιλιόμετρο. Δηλαδή η αναλογία των 3.500 ετών ιστορίας με τα περίπου 3.500.000.000 (3,5 δισεκατομμύρια) έτη βεβαιωμένης ύπαρξης ζωής στη Γη είναι όπως αν συγκρίνουμε ένα χιλιοστό του μέτρου με ένα χιλιόμετρο.

Η ίδια η Γη έχει ηλικία 4,5 δισεκατομμύρια έτη (για την ακρίβεια 4,55 σύμφωνα με τις πιο πρόσφατες εκτιμήσεις). Άρα πέρασε και ένα δισεκατομμύριο έτη μέχρι να εμφανιστούν τα πιο αρχαία υπολείμματα βακτηρίων (εκείνα με ηλικία 3,5 δισ.) που έχουν βρει μέχρι στιγμής οι επιστήμονες. (Τα υπολείμματα αυτά έχουν βρεθεί σε στρωματόλιθους — μεγάλους στρογγυλούς βράχους — σε ακτές της Δυτικής Αυστραλίας, όπως και σε παγετώνες της Γροιλανδίας· πιο πολλά γι’ αυτούς θα δούμε παρακάτω.)

Σε λίγο θα μάθουμε πώς οι επιστήμονες υπολογίζουν την ηλικία των βράχων και των απολιθωμάτων. Πρώτα όμως, ας κάνουμε μια χρήσιμη σύντμηση: επειδή οι φράσεις “δισεκατομμύρια έτη πριν” και “εκατομμύρια έτη πριν” θα εμφανίζονται διαρκώς στο μάθημα αυτό, θα χρησιμοποιούμε τη συντομογραφία Ma που θα σημαίνει “εκατομμύρια έτη πριν” (από το αγγλικό “million years ago”). Έτσι, η δημιουργία της Γης συνέβη περίπου 4.500 Ma, και τα πιο αρχαία γνωστά υπολείμματα βακτηρίων οφείλονται σε οργανισμούς που έζησαν 3.500 Ma. Για σύγκριση, το δικό-μας ανθρώπινο είδος (γιατί υπήρξαν και άλλα, όπως θα μάθουμε προς το τέλος του μαθήματος) εμφανίστηκε περίπου 0,15 Ma (ή 150.000 έτη πριν), και το ηφαίστειο της Σαντορίνης εξεράγη 0,0036 Ma (ή 3.600 χρόνια πριν, ή περίπου το 1600 π.Χ.).

Όπως όταν βρισκόμαστε σε έναν ξένο τόπο έχουμε την ανάγκη να αποκτήσουμε μια “αίσθηση του χώρου”, δημιουργώντας ένα νοητό χάρτη στο μυαλό-μας μέσω του οποίου αισθανόμαστε οτι μπορούμε να κινηθούμε πιο άνετα, έτσι και στην παλαιοντολογία: πρέπει να αποκτήσουμε μια αίσθηση του χρόνου, δηλαδή του πότε συνέβησαν τα διάφορα παλαιοντολογικά γεγονότα. Ευτυχώς, ενώ ένας χάρτης είναι συνήθως δύο διαστάσεων, ο χρόνος αποτελείται από μία μόνο διάσταση, άρα μπορεί να παρασταθεί πολύ απλά με μια ευθεία γραμμή. Στο παρακάτω διάγραμμα λοιπόν θα τοποθετήσουμε τη δημιουργία της Γης (4.500 Ma) στο αριστερό άκρο της γραμμής, και το χρονικό σημείο στο οποίο εμφανίστηκαν τα αρχαιότερα γνωστά-μας υπολείμματα βακτηρίων (3.500 Ma) στο κατάλληλο σημείο της γραμμής λίγο δεξιότερα, ενώ η γραμμή τελειώνει στα δεξιά στη σημερινή εποχή, στο παρόν:

Στο παραπάνω διάγραμμα είναι αδύνατο να τοποθετήσουμε μια μικρή κατακόρυφη γραμμή στο σημείο της εμφάνισης του ανθρώπινου είδους, γιατί η γραμμή αυτή θα συνέπιπτε με εκείνη του Παρόντος, στα δεξιά. (Θα χρειαζόμασταν λιγότερο από 1 pixel οθόνης· ας μη μιλήσουμε δε για το σημείο της έκρηξης του ηφαιστείου της Σαντορίνης.) Βλέπουμε λοιπόν οτι η Γη και η ζωή στη Γη έχουν υπάρξει για τεράστιο χρονικό διάστημα, ενώ η εμφάνιση του ανθρώπου είναι ένα εντελώς πρόσφατο “στιγμιαίο” γεγονός· όσο για την ιστορία που μαθαίνουμε στο σχολείο, αυτή αφιερώνεται στη διάρκεια ενός “τίποτα”.^(*)

Αυτή τη “γραμμή του χρόνου” θα συνεχίσουμε να την πλουτίζουμε με διάφορα γεγονότα, καθώς θα τα συναντάμε.

Πώς προσδιορίζονται οι ηλικίες

Πάμπολλες φορές θα αναφερθούμε σε ηλικίες: πόσα εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια έτη πριν εμφανίστηκε ένα πέτρωμα, ένα βακτήριο, μια ήπειρος, κλπ. Με ποιον τρόπο όμως βρίσκουμε αυτές τις ηλικίες;

Στην ενότητα αυτή θα μάθουμε πώς γίνεται ο “απόλυτος” υπολογισμός της ηλικίας ενός πετρώματος, δηλ. η εύρεση του πόσον καιρό πριν αυτό δημιουργήθηκε. Υπόψη οτι υπάρχει και ο “σχετικός” υπολογισμός: γνωρίζοντας την απόλυτη ηλικία δύο στρωμάτων σε ένα πέτρωμα, μπορούμε να υπολογίσουμε την ηλικία των μεταξύ-τους στρωμάτων θεωρώντας οτι πρέπει να έχουν ενδιάμεσες τιμές. Όπως ήδη μάθαμε, τα απολιθώματα των άλλοτε ζωντανών οργανισμών είναι πέτρες· επομένως η εύρεση της ηλικίας πετρωμάτων μας δίνει και το χρόνο της ύπαρξης του απολιθώματος.

Ο υπολογισμός της απόλυτης ηλικίας ενός πετρώματος γίνεται μέσω μετρήσεων επί των ραδιενεργών διασπάσεων των ισοτόπων κάποιων χημικών στοιχείων. Πρώτα όμως πρέπει να δούμε τί είναι τα ισότοπα.

Σχεδιάγραμμα ατόμου, πολύ απομακρυσμένου από την πραγματικότητα μεν, ικανοποι- ητικού για το σκοπό-μας δε.

Ας υποθέσουμε οτι το διάγραμμα στ’ αριστερά παριστάνει ένα άτομο άνθρακα (σύμβολο: C). Έστω οτι τα καφετί σφαιρίδια στο κέντρο είναι τα πρωτόνια, έξι τον αριθμό — τόσα πρωτόνια έχει ο άνθρακας. Τα γαλάζια, επίσης στο κέντρο, είναι τα νετρόνια, που δεν φαίνονται όλα σ’ αυτό το διάγραμμα. Όλα μαζί, πρωτόνια και νετρόνια, αποτελούν τον πυρήνα του ατόμου. Γύρω από τον πυρήνα περιφέρονται τα ηλεκτρόνια. Περιττό να πούμε οτι στην πραγματικότητα κανένα από τα είδη αυτά των σωματιδίων δεν είναι έγχρωμο, ούτε μοιάζει με σφαιρίδιο, ούτε έχει μια γραμμική τροχιά όπως φαίνεται στο διάγραμμα. Απλώς είναι αδύνατο να αποδοθεί με ακρίβεια η εικόνα ενός ατόμου με οποιονδήποτε τρόπο, για λόγους που έχουν να κάνουν με τις ιδιότητες τόσο των υποατομικών σωματιδίων, όσο και της όρασης. Το γεγονός οτι αυτό το άτομο είναι άτομο άνθρακα οφείλεται στο οτι έχει 6 πρωτόνια. Τίποτε άλλο δεν έχει σημασία: ούτε ο αριθμός των νετρονίων, ούτε ο αριθμός των ηλεκτρονίων. Αν υπήρχε ένα πρωτόνιο λιγότερο στον πυρήνα, τότε αυτό θα ήταν ένα άτομο βορίου (B), ενώ αν υπήρχε ένα πρωτόνιο επιπλέον θα ήταν ένα άτομο αζώτου (N). Τόσο το βόριο όσο και το άζωτο έχουν εντελώς διαφορετικές ιδιότητες από τον άνθρακα· επομένως τα πρωτόνια είναι που “κάνουν τη διαφορά”, δίνοντας ταυτότητα στο άτομο.

Τώρα, τα νετρόνια στο άτομο του άνθρακα είναι συνήθως 6, δίνοντας σύνολο 6 νετρόνια + 6 πρωτόνια = 12 σωματίδια, ή “βαρυόνια”, στον πυρήνα. Το σύνηθες άτομο άνθρακα λοιπόν, με τα 12 βαρυόνια, το γράφουμε ¹²C, και είναι σταθερό, δηλαδή δεν αυτοδιασπάται.

Υπάρχει όμως και μια σπανιότερη παραλλαγή-του που έχει 8 νετρόνια, ήτοι σύνολο 6 + 8 = 14 βαρυόνια στον πυρήνα. Αυτό το άτομο άνθρακα το λέμε ισότοπο (του συνήθους), και το συμβολίζουμε: ¹⁴C. Βεβαίως και το ¹²C είναι ένα άλλο ισότοπο, το σύνηθες.

Το ισότοπο ¹⁴C είναι ραδιενεργό, δηλαδή αυτοδιασπάται μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, και δίνει ¹⁴N, δηλαδή άζωτο με 14 βαρυόνια στον πυρήνα (7 πρωτόνια και 7 νετρόνια), που είναι το κοινό άτομο του αζώτου, μη ραδιενεργό, αυτό που αναπνέουμε από την ατμόσφαιρα. Ο χρόνος που παίρνει για να διασπαστεί ένα άτομο ¹⁴C είναι μεν τυχαίος, αλλά όχι εντελώς τυχαίος. Έχει μια αναμενόμενη μέση τιμή. Αυτό σημαίνει οτι αν έχουμε μια ποσότητα π.χ. από 1000 άτομα ¹⁴C, τότε μέσα σε 5.570 χρόνια τα μισά από αυτά περίπου (~500) θα έχουν διασπαστεί σε ¹⁴N. Μάλιστα ο αρχικός αριθμός (1000) δεν έχει σημασία. Όποιον αριθμό ατόμων ¹⁴C και να έχουμε, περίπου τα μισά από αυτά θα διασπαστούν μέσα σε 5.570 χρόνια· σε άλλα 5.570 θα μας μείνουν περίπου τα μισά των μισών, δηλαδή το ένα τέταρτο· κ.ο.κ. Αυτός ο χρόνος, το 5.570 έτη, λέγεται η ημιζωή του ισοτόπου ¹⁴C.

Ισότοπα άλλων χημικών στοιχείων έχουν εντελώς διαφορετικές ημιζωές. Π.χ. το ουράνιο-238 (²³⁸U), που είναι το κοινό ουράνιο που βρίσκουμε στη φύση (όχι το ραδιενεργό ²³⁵U που χρησιμοποιήθηκε στις πρώτες ατομικές βόμβες), έχει ημιζωή 4,47 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτό σημαίνει οτι από την εποχή της δημιουργίας του ηλιακού-μας συστήματος μέχρι σήμερα έχει μείνει μόνο η μισή από την ποσότητα του ²³⁸U που υπήρχε τότε. Η υπόλοιπη μισή έχει υποστεί ραδιενεργό διάσπαση και έχει μετατραπεί στα στοιχεία θόριο, πρωτακτίνιο, και ένα άλλο ισότοπο του ουρανίου, το ²³⁴U.

Προσοχή: ο όρος “ημιζωή” δεν σημαίνει οτι ένα συγκεκριμένο άτομο θα υπάρξει για τόσο χρονικό διάστημα προτού να υποστεί ραδιενεργό διάσπαση! Η ημιζωή είναι μια στατιστική έννοια: σημαίνει οτι αν έχουμε ένα μεγάλο αριθμό ατόμων, σε τόσο χρονικό διάστημα θα έχει διασπαστεί περίπου η μισή ποσότητα απ’ αυτά, και θα έχει μείνει περίπου η υπόλοιπη μισή. Όσο πιο μεγάλος ο αρχικός αριθμός ατόμων, τόσο πιο ακριβές γίνεται το “περίπου”, για στατιστικούς λόγους.

Τώρα, πώς χρησιμοποιούμε τα παραπάνω στοιχεία κβαντικής φυσικής για να προσδιορίζουμε ηλικίες πετρωμάτων;

Όταν ένα υλικό (π.χ. πέτρα, κέλυφος οργανισμού, οστό οργανισμού, κλπ) πρωτοδημιουργείται, περιέχει συγκεκριμένο ποσοστό των διαφόρων ισοτόπων ενός στοιχείου. Ας πάρουμε το παράδειγμα μιας πέτρας που πρωτοδημιουργείται καθώς απολιθώνεται ένας οργανισμός. Η πέτρα αυτή περιέχει το ισότοπο ²³⁸U σε συγκεκριμένη αναλογία (ποσοστό) ως προς τα υπόλοιπα ισότοπα του ουρανίου. Αν περάσουν μερικά δισεκατομμύρια χρόνια, κάποιο από το αρχικό ποσοστό του ²³⁸U πρέπει να έχει διασπαστεί. Εφόσον είναι γνωστή η ημιζωή του ²³⁸U, το πόσος χρόνος πέρασε από τη δημιουργία της πέτρας βρίσκεται από το ποσοστό του ²³⁸U που έχει απομείνει, και από το ποσοστό των άλλων ισοτόπων του ουρανίου που έχουν επομένως δημιουργηθεί. Προκειμένου για ραδιενεργά στοιχεία, η ανίχνευση που προαναφέρθηκε μπορεί να γίνει και μ’ έναν απλό μετρητή Geiger (ανιχνευτή ραδιενέργειας). Συνήθως όμως χρειάζεται μια πιο λεπτομερειακή ανάλυση στο εργαστήριο, για ασφαλή συμπεράσματα.

Επειδή όμως οι ημιζωές των ισοτόπων έχουν τεράστιες διαφορές χρονικής κλίμακας (ας συγκρίνουμε τα 4,47 δισ. έτη του ²³⁸U με τα μόλις 5.570 έτη του ¹⁴C), το ποια στοιχεία με τα ισότοπά τους πρέπει να εξετάσουμε εξαρτάται από το πόσο αρχαίο αναμένουμε να είναι το υλικό που θέλουμε να προσδιορίσουμε χρονικά. Π.χ. αν πάρουμε μια πέτρα που μπορεί να έχει ηλικία 2 δισ. έτη, και χρησιμοποιήσουμε τον άνθρακα-14 (¹⁴C), αυτή θα είναι μια τελείως λανθασμένη μέθοδος, γιατί με τα μόνο 5.570 έτη της ημιζωής του ¹⁴C, ουσιαστικά όλη η ποσότητά του που υπήρχε 2 δισ. έτη πριν στην πέτρα θα έχει διασπαστεί, και αυτό που απομένει θα είναι πρακτικά μη ανιχνεύσιμο. Με τον ¹⁴C μπορούμε να ανιχνεύσουμε με ασφάλεια υλικά με ηλικία το πολύ μέχρι 30.000 έτη, πράγμα που κάνει τον ¹⁴C πολύ χρήσιμο στην αρχαιολογία, και όχι τόσο στην παλαιοντολογία. (Μπορούμε να χρονολογήσουμε και ιστορικά αντικείμενα με τον ¹⁴C, όπως την περίφημη “σινδόνη του Τουρίνου”, ή έναν αρχαίο πάπυρο.) Για την πέτρα των 2 δισ. ετών, χρήσιμο ίσως είναι το ουράνιο. Φυσικά, καθώς δεν γνωρίζουμε εκ των προτέρων την ηλικία (αυτό είναι το ζητούμενο), κάνουμε ανίχνευση ισοτόπων διαφόρων στοιχείων ώσπου να λάβουμε μετρήσεις που να δίνουν ένα ασφαλές συμπέρασμα. Εκτός από τα στοιχεία ουράνιο και άνθρακας που αναφέρθηκαν, υπάρχουν επίσης τα ζεύγη κάλιο – αργό (⁴⁰K – ⁴⁰Ar) με ημιζωή 1,3 δισ. χρόνια, ρουβίδιο – στρόντιο, νεοδύμιο – σαμάριο, ουράνιο – μόλυβδος, κ.ά. Το καθένα από αυτά τα ζεύγη διασπώμενου – προϊόντος διάσπασης με τη διαφορετική-του ημιζωή καλύπτει διαφορετικό τμήμα του χρόνου μέχρι τα 4,5 δισ. έτη για να μας δώσει ασφαλή μέτρηση της ηλικίας των υλικών.

Το ευτύχημα είναι οτι καμία χημική διεργασία δεν έχει την παραμικρή επίδραση στη ραδιενεργό διάσπαση. Για παράδειγμα μπορούμε να βυθίσουμε ένα πέτρωμα σε πυκνό θειικό οξύ (βιτριόλι)· αυτό θα επιδράσει σε ορισμένα υλικά της πέτρας (π.χ. μέταλλα, που θα οξειδωθούν βίαια), αλλά τα άτομα των υλικών (ακόμη κι αν είναι μέταλλα) ούτε θα επιταχύνουν, ούτε θα επιβραδύνουν το ρυθμό της ραδιενεργούς διάσπασής τους. Άλλου είδους προβλήματα όμως, μη χημικής φύσης, μπορούν να υπάρξουν. Π.χ. αν ένας κρύσταλλος θερμανθεί έντονα και υποστεί ανα-κρυστάλλωση (μπορεί να συμβεί στα έγκατα της γης), τότε “μηδενίζεται το κοντέρ” του υλικού, και είναι σαν ο κρύσταλλος να δημιουργήθηκε τότε για πρώτη φορά. Αυτό θα δώσει λάθος εκτίμηση της ηλικίας-του. Για το λόγο αυτό γίνονται συνήθως πολλαπλές μετρήσεις διαφόρων στοιχείων και τμημάτων του υλικού.

Γεωλογική διαίρεση του χρόνου σε Μεγααιώνες

Ολόκληρη η προηγούμενη “γραμμή του χρόνου”, από 4.500 Ma μέχρι σήμερα, διαιρείται συμβατικά σε 4 γεωλογικούς Μεγααιώνες:

• Τον Αδαίο (αγγλ.: Hadean, από το “Άδης”), ή “Καταρχαιοζωικό Μεγααιώνα”. Τελειώνει 3.800 Ma, ηλικία των αρχαιότερων γνωστών πετρωμάτων (όχι ζωικών υπολειμάτων). Όλα τα πετρώματα πριν από 3.800 Ma έχουν “ανακυκλωθεί” στο εσωτερικό της Γης, και το “μοριακό ρολόι-τους” (μέσω του οποίου βρίσκουμε την ηλικία-τους — είδαμε πώς) έχει “μηδενιστεί”, οπότε κανένα πέτρωμα δεν βρίσκεται να είναι αρχαιότερο από περίπου 3.800 Ma όταν εξετάζεται στο εργαστήριο. (Σεληνιακά πετρώματα όμως βρίσκονται να έχουν αρχαιότερη ηλικία, και όπως θα δούμε, η Σελήνη προήλθε από τη Γη.)

• Τον Αρχαιοζωικό (αγγλ.: Archean), από 3.800 Ma  έως 2.500 Ma. Κατά το Μεγααιώνα αυτόν τίποτε πιο πολύπλοκο από βακτήρια δεν υπήρχε στη Γη. Η ατμόσφαιρα δεν είχε ακόμη οξυγόνο παρά σε απειροελάχιστη ποσότητα.

• Τον Προτεροζωικό (αγγλ.: Proterozoic), από 2.500 Ma έως 542 Ma. Στην αρχή του Μεγααιώνα αυτού άρχισε η οικοδόμηση του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα, οπότε σχηματίστηκαν τα πρώτα ευκαρυωτικά κύτταρα (δηλ. κύτταρα με πυρήνα, όχι βακτήρια) και πολυκύτταροι οργανισμοί.

• Τον Φανεροζωικό (αγγλ.: Phanerozoic), από 542 Ma μέχρι σήμερα, που λέγεται έτσι γιατί η ζωή στη Γη πια “φανερώθηκε”, δηλαδή ήταν πλέον εμφανής σε υποτιθέμενο παρατηρητή, ο οποίος δεν θα χρειαζόταν πια μικροσκόπιο για να δει τη ζωή στη Γη. Στην αρχή του Μεγααιώνα αυτού έχουμε τα πρώτα απολιθώματα οργανισμών με σκληρό κέλυφος.

Ας τοποθετήσουμε τους παραπάνω τέσσερις γεωλογικούς Μεγααιώνες πάνω στη “γραμμή του χρόνου”:

Και πάλι παρατηρούμε κάτι το εντυπωσιακό στο παραπάνω σχήμα: κατά το μεγαλύτερο μέρος της ύπαρξης της Γης, η ζωή σ’ αυτήν υπήρξε αόρατη στο γυμνό μάτι!

Όπως θα δούμε αργότερα, ο κάθε Μεγααιώνας (αγγλ.: Eon) διαιρείται σε Αιώνες (καμία σχέση φυσικά με την έννοια των 100 ετών· αγγλ.: Era), ο κάθε Αιώνας σε Περιόδους (αγγλ.: Period), και η κάθε Περίοδος σε Εποχές (αγγλ.: Epoch).

Πριν από τη ζωή: Αδαίος (ή Καταρχαιοζωικός) Μεγααιώνας

Δημιουργία Γης και Σελήνης

Όταν δημιουργείται ένα πλανητικό σύστημα, οι πλανήτες σχηματίζονται σχεδόν ταυτόχρονα με τον αστέρα του συστήματος — τον Ήλιο στη δική-μας περίπτωση. Το όλο πλανητικό σύστημα δημιουργείται από διαστρική σκόνη που έχει συσσωρευτεί, και κατακρημνίζεται από το ίδιο-της το βάρος, συσσωρευόμενη σε μερικά σημεία. Τα σημεία αυτά είναι οι αστέρες. Έτσι, οι αστέρες συνήθως δημιουργούνται όχι μοναχικοί, αλλά κατά σμήνη. Και ο δικός-μας Ήλιος βρισκόταν σε σμήνος όταν πρωτοδημιουργήθηκε, περίπου 5.000 Ma, αλλά με την πάροδο των δισεκατομμυρίων ετών τα μέλη του σμήνους σκόρπισαν, και τώρα τα βλέπουμε σαν μοναχικά άστρα: ο Ήλιος, ο Σείριος, ο Προκύων, ο Ρίγκελ του Κενταύρου, και αρκετά άλλα αστέρια της γαλαξιακής “γειτονιάς-μας”.

Διαστρική σκόνη στο νεφέλωμα “ήτα Carina”. Η σκόνη κατακρημνίζεται λόγω της βαρύτητας, και συσσωρεύεται σε μερικά σημεία. Στα σημεία αυτά σχηματίζονται αστέρες. Από τους σχηματιζόμενους αστέρες στο εσωτερικό του νεφελώματος προέρχεται το φως της εικόνας.	Το ανοιχτό αστρικό σμήνος “Πλειάδες” (ή Μ45, ή “Πούλια”). Οι αστέρες αυτοί δημιουργήθηκαν γύρω στα 100 Ma, και η διαστρική σκόνη από την οποία γεννήθηκαν σκόρπισε, αλλά λίγη φαίνεται ακόμα γύρω-τους. (Το μπλε χρώμα του φωτός οφείλεται στο νεαρό της ηλικίας των αστέρων.)	Ο δικός-μας Ήλιος μοιάζει σήμερα μοναχικός. Όταν όμως πρωτοεμφανίστηκε ήταν ένα από τα αστέρια του σμήνους-του, που ίσως έμοιαζε τότε με την εικόνα στο κέντρο (“Πούλια”). Τώρα τα “αδέρφια” του Ήλιου, όπως οι Σείριος, Προκύων, α Κενταύρου, κλπ., μοιάζουν κι αυτά μοναχικά.

Ο αστέρας δημιουργείται στο κέντρο της συσσωρευμένης διαστρικής σκόνης, η οποία ενώ κατακρημνίζεται τίθεται σε περιστροφική κίνηση, όπως το μαζεμένο νερό του νιπτήρα όταν ανοίξουμε το σιφώνιο. Δημιουργείται δηλαδή μία δίνη, και η περιστροφική κίνηση αυτής της δίνης είναι αυτό που τελικά εξελίσσεται σε πλανήτες που περιστρέφονται γύρω από τον αστέρα. Έτσι, οι πλανήτες είναι κι αυτοί τοπικές συσσωρεύσεις ύλης (τοπικές δίνες) στα μη κεντρικά σημεία της δίνης, και δημιουργούνται από τον ίδιο μηχανισμό που δημιουργεί και τον αστέρα: τη δύναμη της βαρύτητας. Η διαφορά είναι οτι στους πλανήτες δεν υπάρχει αρκετή ποσότητα ύλης ώστε ν’ αρχίσουν οι πυρηνικές αντιδράσεις, που κάνουν τον αστέρα να λάμπει. Οι πλανήτες συνεχίζουν να μαζεύουν την ύλη από γύρω-τους (ή μάλλον η ύλη μαζεύεται σ’ αυτούς), καθαρίζοντας σιγά-σιγά την περιοχή-τους, σε διάστημα εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών. Αυτό το “καθάρισμα” όμως έχει τις συνέπειές του: στο στάδιο εκείνο, ο σχηματιζόμενος πλανήτης δέχεται πληθώρα βράχων, μετεωριτών, και σκόνης από τη γύρω περιοχή. Όποτε τα κομμάτια της ύλης προσκρούουν στον πλανήτη αυξάνουν τη θερμοκρασία-του, γιατί κάθε πρόσκρουση είναι και μια έκρηξη. Έτσι, αρχικά ο πλανήτης είναι πολύ θερμός, και σχεδόν ρευστός. Το ίδιο συνέβη και στη Γη, μεταξύ 4.500 και 4.000 Ma.^(*)  Αυτές οι συνθήκες της ρευστότητας και του αρχικού αέναου βομβαρδισμού με μετεωρίτες κάνουν τον πλανήτη εντελώς ακατάλληλο για την ανάπτυξη της ζωής.

Στη Γη όμως, συνέβη και κάτι άλλο: κάποια στιγμή στην αρχική κατάσταση του σχηματισμού-της, ο νεαρός πλανήτης συγκρούστηκε με ένα άλλο σχηματιζόμενο πλανητοειδές, καθόλου αμελητέων διαστάσεων. Από τη σύγκρουση αυτή δημιουργήθηκε το σύστημα Γης και Σελήνης· δηλαδή ένα μεγάλο μέρος ύλης αποσπάστηκε από τη Γη και τέθηκε σε περιστροφική τροχιά, ολοένα απομακρυνόμενο, και ολοένα συσσωρεύοντας κι αυτό τα θραύσματα ύλης που δημιουργήθηκαν από τη σύγκρουση. Αυτό το γνωρίζουμε από νέα στοιχεία πετρωμάτων του Φεγγαριού, που δείχνουν οτι έχουν σύσταση ταυτόσημη με αυτή της Γης. Παρόλο που το Φεγγάρι μοιάζει τόσο διαφορετικό από τη Γη (επειδή δεν έχει ατμόσφαιρα, ούτε νερό, και το έδαφός του είναι κατάστικτο από τους βομβαρδισμούς των μετεωριτών) είναι εντούτοις “σαρξ εκ της σαρκός” της Γης. Υπόψη οτι η Σελήνη εξακολουθεί να απομακρύνεται, αλλά με ρυθμό τόσο αργό που είναι αδύνατο να παρατηρηθεί χωρίς πολύ ακριβείς αστρονομικές μετρήσεις. Όπως θα δούμε αμέσως, η ύπαρξη της Σελήνης μάλλον έχει καταλυτική σημασία για την εξέλιξη της ζωής στη Γη.

Σε τί οφείλουμε την ύπαρξή μας: συνθήκες για εμφάνιση ζωής

Η ζωή όπως τη γνωρίζουμε σήμερα, δηλαδή περιλαμβάνουσα όχι απλώς βακτήρια αλλά και μεγάλους πολυκύτταρους οργανισμούς (φυτά, ζώα, κλπ.^(*)) χρειάζεται ορισμένες συνθήκες για να υπάρξει και να εξελιχθεί. Οι συνθήκες διαιρούνται σε αστρονομικές, χημικές, και κβαντομηχανικές. Θα αναφέρουμε εδώ με συντομία μερικές από τις αστρονομικές συνθήκες.

Ο πλανήτης Δίας

Η ύπαρξη του Δία και των άλλων “γιγάντων πλανητών” Θα μπορούσαμε να πούμε οτι “χρωστάμε χάρη” στην ύπαρξη κυρίως του Δία, αλλά και των άλλων “γιγάντων πλανητών” (Κρόνος, Ουρανός, Ποσειδώνας), γιατί αυτοί λειτουργούν σαν “σκούπες” που καθαρίζουν το πλανητικό-μας σύστημα από κομήτες και αστεροειδείς. Λόγω της μεγάλης βαρυτικής-τους ισχύος — ιδίως ο Δίας — οι πλανήτες αυτοί προκαλούν είτε τον εκτροχιασμό και εκτόξευση αυτών των “θραυσμάτων” εκτός του πλανητικού-μας συστήματος, είτε την κατευθείαν πρόσκρουση επάνω-τους. Μόλις τον Ιούλιο του 1994, ο κομήτης που ήταν γνωστός σαν Shoemaker-Levy D/1993 εξαφανίστηκε προσκρούοντας στην επιφάνεια του Δία, στο πρώτο τέτοιο γεγονός (από εκατομμύρια που έχουν συμβεί έως τώρα) που καταγράφηκε από τις κάμερες των αστεροσκοπείων της Γης. Κατά τις προηγούμενες επισκέψεις-του στην περιοχή του Δία, ο κομήτης είχε ήδη διαλυθεί σε μια σειρά από βράχους, οπότε ούτως ή άλλως αποτελούσε μικρότερο “κίνδυνο” και πριν να εξαφανιστεί.

Χωρίς αυτό το “καθάρισμα” που κάνουν οι γίγαντες πλανήτες, η ζωή στη Γη μάλλον δεν θα είχε προχωρήσει πέρα από το βακτηριακό στάδιο. Ο λόγος είναι οτι όταν ένα κομμάτι ύλης προσκρούει στην επιφάνεια της Γης, η ενέργεια που εκλύεται (λόγω της πολύ μεγάλης ταχύτητας του σώματος) είναι τεράστια. Για παράδειγμα, ο μετεωρίτης που έπεσε στην περιοχή Τουνγκούσκα της Κεντρικής Σιβηρίας (ο Ποντκαμένναγια Τουνγκούσκα είναι παραπόταμος του Γενισέι) στις 30 Ιουνίου του 1908, και που είχε μέγεθος μερικές δεκάδες μέτρα, προκάλεσε έκρηξη ισοδύναμη με 10–15 εκατομμύρια τόνους τρινιτροτολουόλης (ΤΝΤ), ή περίπου 1000 φορές πιο ισχυρή από την ατομική βόμβα της Χιροσίμα. Αν τέτοιες ή και μεγαλύτερες εκρήξεις συνέβαιναν από καιρού σε καιρό, η Γη θα ήταν ένας τελείως μη κατοικίσιμος πλανήτης. Πράγματι, παρά το “σκούπισμα” του Δία, η βιόσφαιρα της Γης έχει υποστεί περιοδικές γενικευμένες εξαφανίσεις ειδών λόγω πρόσκρουσης μετεωριτών (που προέχονται από αστεροειδείς ή κομήτες), με πιο πρόσφατο το γεγονός της εξαφάνισης των δεινοσαύρων (και άλλων ειδών), 65 Ma, από μετεωρίτη που έπεσε στην περιοχή του Μεξικού.

Υπάρχει κάτι ακόμη σχετικά με τους γίγαντες πλανήτες: όλοι-τους “συμπεριφέρονται καλά”, δηλαδή οι τροχιές-τους είναι σχεδόν κυκλικές, καθόλου έκκεντρες. Αν ένας πλανήτης σαν το Δία είχε έκκεντρη τροχιά (μη κυκλική, ελλειπτική), περνώντας κοντά από τον Ήλιο, θα είχε από νωρίς στείλει τη Γη και τους άλλους μικρούς πλανήτες (Ερμή, Αφροδίτη, και Άρη) εκτός πλανητικού συστήματος, όπου ασφαλώς, μακριά από έναν αστέρα που παρέχει ενέργεια, δεν υπάρχει περίπτωση να εξελιχθεί η ζωή. Στα πλανητικά συστήματα που έχουν ανακαλυφθεί τις τελευταίες δύο δεκαετίες, συχνά βρίσκουμε πλανήτες μεγαλύτερους από το Δία που έχουν εξαιρετικά έκκεντρες τροχιές,^(*) άρα δεν είναι καθόλου δεδομένο οτι οι πλανήτες έχουν πάντα σχεδόν-κυκλικές τροχιές.

Η Σελήνη

Η επίδραση του Φεγγαριού στη βιολογία της Γης Μια πολύ γνωστή επίδραση της Σελήνης στη Γη είναι το φαινόμενο των παλιρροιών. Πέρα όμως από τις παλίρροιες, η Σελήνη επιδρά και με έναν πιο έμμεσο τρόπο: η περιφορά ενός τόσο μεγάλου δορυφόρου σε σχέση με τον όγκο της Γης έχει σαν αποτέλεσμα τη διαρκή “αναστάτωση” στο μάγμα του εσωτερικού της Γης, οπότε προκαλείται το φαινόμενο της κίνησης των τεκτονικών πλακών. Χάρη στην κίνηση των τεκτονικών πλακών, οι ήπειροι αλλάζουν θέσεις και σχήματα στη διάρκεια των γεωλογικών Μεγααιώνων. Αυτό σημαίνει οτι στη Γη τα βιολογικά περιβάλλοντα διαρκώς αλλάζουν, άρα τα έμβια όντα πρέπει να προσαρμόζονται διαρκώς στις νέες συνθήκες. Αυτή είναι μια από τις θελεμιώδεις “δυνάμεις” που ωθούν την εξέλιξη: επειδή το περιβάλλον της Γης είναι δυναμικό, σε αέναη κίνηση, τα έμβια όντα αλλάζουν κι αυτά, “αντικατοπτρίζοντας” τις περιβαλλοντικές αλλαγές. Σε ένα στατικό περιβάλλον, τίποτα το “ενδιαφέρον” (από βιολογική άποψη) δεν θα συνέβαινε.

Ένα σύστημα σαν αυτό της Γης – Σελήνης μάλλον δεν είναι καθόλου συνηθισμένο σε πλανητικά συστήματα. Βλέπουμε π.χ. οτι οι άλλοι μικροί πλανήτες (εσωτερικά του Δία) σχεδόν δεν έχουν δορυφόρους: ο Ερμής και η Αφροδίτη δεν έχουν κανέναν, και ο Άρης έχει δύο μικροσκοπικούς “βράχους” για δορυφόρους (το Φόβο και το Δείμο), που μάλλον είναι αστεροειδείς που τους συνέλαβε στην τροχιά-του. Χωρίς το αρχαίο γεγονός της σύγκρουσης του πλανητοειδούς με τη Γη, που δημιούργησε τη Σελήνη όπως αναφέρθηκε, κατά πάσαν πιθανότητα και η Γη θα στερούνταν μεγάλου δορυφόρου, άρα θα ήταν ένας “νεκρός” πλανήτης από γεωλογική άποψη (χωρίς κίνηση τεκτονικών πλακών)· άρα “νεκρός” και από ανώτερη βιολογική άποψη, γιατί χωρίς περιβάλλοντα σε κίνηση, η ζωή δεν θα βρισκόταν σε εξελικτική “κίνηση”, οπότε μάλλον δε θα είχε εξελιχθεί παραπέρα από το στάδιο των βακτηρίων. Αυτό βέβαια είναι απλώς μια εικασία, στηριζόμενη όμως σε δεδομένα από παρατηρήσεις, και στις μέχρι σήμερα γνώσεις αστρονομίας και βιολογίας.

Υπάρχουν κι άλλες αστρονομικές “συμπτώσεις”^(*) στις οποίες οφείλουμε την ύπαρξή μας, που θα τις αναφέρουμε περιληπτικά:

• Το οτι η Γη έχει μεγάλες ποσότητες οξυγόνου, που ενωμένο με το υδρογόνο δίνει το νερό, και ελεύθερο στην ατμόσφαιρα (από ένα χρονικό σημείο και έπειτα, 2.500 Ma) παρέχει την απαιτούμενη ενέργεια μέσω της καύσης.

• Το οτι η τροχιά της Γης βρίσκεται μέσα σε μια στενή “πλανητική κατοικίσιμη ζώνη”, δηλαδή ούτε πολύ κοντά στον Ήλιο ώστε το νερό να είναι ατμός, ούτε πολύ μακριά ώστε να είναι πάγος. Χωρίς νερό σε υγρή κατάσταση η ζωή όπως την ξέρουμε δεν θα υπήρχε.

• Το οτι ο Ήλιος είναι ένας “ήσυχος” αστέρας, χωρίς ξαφνικές μεγάλες αναλαμπές και αυξομειώσεις της θερμοκρασίας-του, όπως συμβαίνει αρκετά συχνά σε άλλους αστέρες. Επίσης ο Ήλιος δεν είναι ούτε υπέρλαμπρος (που θα του έδινε πολύ μικρή ζωή, και άρα όχι αρκετό χρόνο για βιολογική εξέλιξη), ούτε ερυθρός νάνος (μη δίνοντας αρκετή ενέργεια στους πλανήτες-του).

• Το οτι το πλανητικό-μας σύστημα βρίσκεται σε μια “γαλαξιακή κατοικίσιμη ζώνη” από το κέντρο του Γαλαξία. Πολύ κοντά στο κέντρο η ακτινοβολία (ακτίνες γ) είναι τόσο ισχυρή που καθιστά αδύνατη την ύπαρξη βιολογικών ιστών· πολύ μακριά από το κέντρο δεν υπάρχουν τα κατάλληλα υλικά (βαρέα στοιχεία) για να δημιουργηθούν πλανήτες σαν τη Γη.

• Η ύπαρξη του ατμοσφαιρικού στρώματος του όζοντος που προφυλάσσει τη βιόσφαιρα της Γης από τις ακτίνες γ, που αλλιώς θα κατέστρεφαν τους βιολογικούς ιστούς.

• Πιθανότατα αρκετές άλλες.

Τώρα, οι χημικές και κβαντομηχανικές “συμπτώσεις” είναι τέτοιες που για να μην ίσχυαν θα έπρεπε να έχουμε ένα διαφορετικό σύμπαν. Π.χ., το γεγονός οτι το νερό είναι ελαφρύτερο όταν γίνεται πάγος, άρα ο πάγος επιπλέει στο νερό, είναι μια τέτοια “χημική σύμπτωση”. Αν ο πάγος βυθιζόταν στο νερό, θα συσσωρευόταν στον πυθμένα των ωκεανών, άρα όλο το νερό θα μετατρεπόταν σε πάγο (και είπαμε οτι χωρίς νερό σε υγρή μορφή δεν νοείται ζωή έτσι όπως τη γνωρίζουμε). Άλλη “σύμπτωση” κβαντομηχανικής φύσης είναι το οτι υπάρχει ένα στοιχείο, το οξυγόνο, που — μοναδικό ανάμεσα σε όλα τα φυσικά στοιχεία — συντελεί στην καύση (άρα στην έκλυση ενέργειας, που είναι ο βασικός μηχανισμός που “κινεί” τη ζωή). Μια άλλη είναι οτι υπάρχει ένα άλλο στοιχείο, ο άνθρακας, που είναι το μοναδικό που μπορεί να “ενωθεί με τον εαυτό-του” και να δημιουργήσει αλυσίδες και δενδροειδείς δομές ατόμων άνθρακα, χωρίς τις οποίες δεν θα υπήρχαν οργανικά μόρια, άρα ούτε οργανισμοί. Αυτές οι “συμπτώσεις” προφανώς ισχύουν στο δικό-μας σύμπαν· δεν γνωρίζουμε όμως αν υπάρχουν άλλα σύμπαντα με διαφορετικές κβαντομηχανικές παραμέτρους, άρα και διαφορετικές “συμπτώσεις” το καθένα.

Αρχαιοζωικός Μεγααιώνας: η αυγή της ζωής

Διαίρεση του Αρχαιοζωικού Μεγααιώνα σε Αιώνες

Ο Αρχαιοζωικός Μεγααιώνας διαιρείται σε τέσσερις Αιώνες, όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα, όπου η άνω ταινία είναι η ίδια μ’ εκείνη που γνωρίσαμε ήδη (δηλ. δείχνει ολόκληρο το χρόνο από το σχηματισμό της Γης μέχρι σήμερα), ενώ η κάτω ταινία δείχνει μόνο τον Αρχαιοζωικό Μεγααιώνα σε μεγέθυνση:

Οι Αιώνες του Αρχαιοζωικού είναι οι εξής:

• Ο Ηωαρχαιοζωικός (3.800 – 3.600 Ma· “ηώς” = αυγή), όπου έχουμε τον σταδιακό σχηματισμό του στερεού φλοιού της Γης. Το πιθανότερο είναι οτι ο φλοιός δεν σχηματίστηκε μονομιάς, αλλά σε κάποιες περιοχές υπήρχε ηφαιστειακή λάβα ενώ σε άλλες ο φλοιός είχε κρυώσει και στερεοποιηθεί. Φυσικά, κάθε πρόσκρουση μετεωρίτη από το διάστημα αναθέρμαινε το φλοιό στο σημείο εκείνο. Στο τέλος του Ηωαρχαιοζωικού Αιώνα αρχίζει να σχηματίζεται η πρώτη υπερήπειρος, που έχει ονομαστεί “Βααλμπαρά” (συνθετικά λέξεων της νότιας Αφρικής, όπου βρίσκεται ότι απέμεινε από την υπερήπειρο εκείνη).

• Ο Παλαιοαρχαιοζωικός (3.600 – 3.200 Ma), όπου βρίσκουμε τα αρχαιότερα επιβεβαιωμένα απολιθώματα βακτηρίων, από τα 3.500 Ma και μετά (πιο συγκεκριμένα από τα 3.450). Τα απολιθώματα αυτά είναι από κυανοβακτήρια, και βρίσκονται σε λίθους που ονομάζονται στρωματόλιθοι (πιο πολλά σε λίγο).

• Ο Μεσοαρχαιοζωικός (3.200 – 2.800 Ma), στου οποίου το μέσον αρχίζει ο σχηματισμός της ηπείρου Ουρ, και στο τέλος-του η διάσπαση της υπερηπείρου Βααλμπαρά. Τέλος,

• Ο Νεοαρχαιοζωικός (2.800 – 2.500 Ma), όπου στα 2.700 αρχίζει ο σχηματισμός της υπερηπείρου της Κενορλάνδης. Επίσης τα κυανοβακτήρια αυξάνουν διαρκώς το ποσοστό του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα, μια διαδικασία που θα έχει καταστροφικές συνέπειες στον επόμενο Μεγααιώνα (τον Προτεροζωικό), όπως θα δούμε, καθώς για την πλειοψηφία των υπόλοιπων βακτηρίων το οξυγόνο είναι δηλητήριο.

Σχηματισμός ηπείρων

Ο σχηματισμός ηπείρων και υπερηπείρων είναι αέναος από τη δημιουργία της Γης μέχρι σήμερα, και οφείλεται στην κίνηση των τεκτονικών πλακών. Τις τεκτονικές πλάκες πρέπει να τις φανταστούμε σαν σχετικά σταθερά τμήματα του φλοιού της Γης τα οποία αναδεύονται, και καθώς ενώνονται ή ξεχωρίζουν, δημιουργούν υπερηπείρους. Σήμερα π.χ. έχουμε την υπερήπειρο της Ευρασίας, που περιλαμβάνει την Ευρώπη, αλλά και αυτό που ονομάζουμε “Ασία” αποτελείται από αρκετές τεκτονικές πλάκες (μία των οποίων είναι π.χ. η Ινδική χερσόνησος). Ο αναγνώστης είναι ίσως εξοικειωμένος με την υπερήπειρο Παγγαία, και την εικόνα της σύνθεσης της Παγγαίας από τις σημερινές 7 ηπείρους. Αυτό όμως είναι γεγονός που συνέβη σε πολύ μεταγενέστερη εποχή (μεταξύ 300 και 200 Ma, στο Φανεροζωικό Μεγααιώνα). Πολλές υπερήπειροι σχηματίστηκαν και αποσυντέθηκαν πριν από την εμφάνιση της Παγγαίας.

Η παραπάνω κινούμενη εικόνα δείχνει τον τρόπο με τον οποίο άλλαξε το περίγραμμα των ηπείρων από τα 750 Ma μέχρι σήμερα. Το κόκκινο βέλος στα δεξιά δείχνει το χρόνο, ο οποίος σημειώνεται και σαν αριθμός (σε Ma) κάτω-δεξιά. Σημειώστε πώς οι ήπειροι σχηματίζουν μια γιγαντιαία μάζα (την Παγγαία) γύρω στα 250 Ma, η οποία σε πιο πρόσφατη εποχή σπάει σε δύο τμήματα: ένα βόρειο (τη Λαυρασία), και ένα νότιο (τη Γκοντβάνα). Παρακολουθήστε επίσης και τη θέση της Ελληνικής χερσονήσου που αποτελεί ένα τμήμα μαζί με την Ιταλική, και βρισκόταν στον Ισημερινό γύρω στα 250 Ma, και κοντά στο Νότιο Πόλο γύρω στα 450 Ma. Βέβαια στην πραγματικότητα για κάποιο μέρος αυτών των περιόδων η τεκτονική πλάκα στην οποία βρισκόταν η Ελλάδα καλυπτόταν εν μέρει από τα νερά των ωκεανών. Όλα αυτά φυσικά συνέβησαν σε πολύ μεταγενέστερες εποχές από τον Αρχαιοζωικό Μεγααιώνα τον οποίο εξετάζουμε εδώ· μας δίνουν όμως μια ιδέα της ρευστότητας του φλοιού και των τεκτονικών πλακών σαν συνάρτηση του χρόνου.

Τί είναι ζωή;

Μερικά ερωτήματα μοιάζουν να έχουν προφανή απάντηση, μέχρι να τα εξετάσουμε λεπτομερειακά. Τέτοιο είναι το ερώτημα του “τί είναι ζωή”. Από μια πρώτη άποψη, μας φαίνεται προφανές το οτι μπορούμε αμέσως ν’ αποφασίσουμε αν κάτι είναι ζωντανό ή όχι. Π.χ. μπορούμε αμέσως να πούμε οτι μια πέτρα είναι άβια ύλη, ενώ ένα λουλούδι είναι μέρος της βιόσφαιρας της Γης. Αυτές οι περιπτώσεις μοιάζουν ξεκάθαρες. Αν όμως σκεφτούμε το οτι η ζωή εξελίχθηκε από την άβια ύλη, πρέπει να παραδεχτούμε οτι το πέρασμα από τη μη-ζωή στη ζωή έγινε σταδιακά. Οπότε, πότε ακριβώς εμφανίστηκε ο πρώτος ζωντανός οργανισμός; Και με τί έμοιαζε αυτός;

Το προηγούμενο είναι ένα ψευδοερώτημα, και μοιάζει λίγο με το ερώτημα του “πότε γίνεται νύχτα;” Κάποιες ώρες όλοι συμφωνούμε οτι είναι νύχτα. Άλλες ώρες πάλι, όλοι συμφωνούμε οτι είναι είναι μέρα. Πότε όμως περνάμε από τη μέρα στη νύχτα; Αυτό είναι ένα ψευδοερώτημα, που δεν απαντιέται εύκολα σε όρους άσπρου–μαύρου. Θα μπορούσε κανείς να πει οτι “εξ ορισμού” νύχτα γίνεται όταν εξαφανίζεται και η τελευταία φωτεινή αναλαμπή του Ήλιου που δύει στον ορίζοντα, ή κάτι παρόμοιο, αλλά ένας τέτοιος “ορισμός” παρουσιάζει πολλά προβλήματα.^(*) Το ερώτημα όμως του τί είναι ζωντανό και τί όχι είναι ακόμη πιο περίπλοκο, και είναι αδύνατο να απαντηθεί σε όρους άσπρου–μαύρου. Νά γιατί:

Υπάρχουν δύο ουσιώδεις ιδιότητες που τις έχουν οι ζωντανοί οργανισμοί, και που (συνήθως) λείπουν από την άβια ύλη:

• Η αυτοαναπαραγωγή, και

• Ο μεταβολισμός

Αυτοαναπαραγωγή είναι η ικανότητα που έχει ένα κύτταρο να κάνει ένα αρκετά πιστό αντίγραφο του εαυτού-του και να γίνεται δύο κύτταρα· στη συνέχεια τα δύο κύτταρα γίνονται τέσσερα, μετά οκτώ, κ.ο.κ., δηλαδή μέσω της αυτοαναπαραγωγής πολλαπλασιάζονται. Την ίδια ικανότητα έχει κάθε ζωντανός οργανισμός, φυσικά και ο άνθρωπος. Αν ένας οργανισμός δεν μπορούσε να αυτοαναπαραχθεί, θα ήταν καταδικασμένος σε εξαφάνιση. Άρα μπορούμε ίσως να πούμε οτι για να έχουμε ζωή πρέπει να υπάρχει αυτοαναπαραγωγή. Όμως είναι λάθος να ψάχνουμε να βρούμε το ποια ήταν “η πρώτη” αυτοαναπαραγόμενη χημική ουσία. Καθώς οι χημικές ουσίες ενώνονται, διασπώνται, κλπ., οι χημικές αντιδράσεις κάποτε μπορεί να παράγουν αρκετά πιστά αντίγραφα των αρχικών ουσιών, κάποτε λιγότερο πιστά. Δεν μπορούμε να ορίσουμε το πότε έχουμε αυτοαναπαραγωγή, γιατί δεν μπορούμε να ορίσουμε ποιος βαθμός πιστότητας αντιγράφων είναι αυτοαναπαραγωγή και ποιος όχι. Όπως και με το πρόβλημα του “μέρα–νύχτα”, κάποιος μεγάλος βαθμός πιστότητας είναι σίγουρα αυτοαναπαραγωγή, κάποιος μικρός βαθμός δεν είναι, αλλά ενδιάμεσα υπάρχουν όλες οι διαβαθμίσεις.

Μεταβολισμός είναι η αέναη ανταλλαγή ουσιών που κάνει ένας οργανισμός με το περιβάλλον. Ο οργανισμός δέχεται ουσίες από το περιβάλλον (τρώει, φωτοσυνθέτει το ηλιακό φως, κλπ), και αποβάλλει κάποιες άλλες ουσίες στο περιβάλλον. Εντωμεταξύ κάποιες αλλαγές γίνονται στο σώμα-του. Μια πέτρα δεν έχει μεταβολισμό, γιατί — σε μακροσκοπικό τουλάχιστον επίπεδο — δεν αλλάζει τίποτα στο εσωτερικό-της.^(*) Άρα από άποψη μεταβολισμού η πέτρα είναι σίγουρα “νεκρή”. Ένα φυτό, από την άλλη μεριά, έχει προφανή μεταβολισμό: λαμβάνει το ηλιακό φως, κάνει φωτοσύνθεση, λαμβάνει επίσης θρεπτικά συστατικά από το έδαφος, αλλάζει χημικά τον οργανισμό-του, αποβάλλει άλλα συστατικά όπως οξυγόνο ή CO₂ (διοξείδιο του άνθρακα) στην ατμόσφαιρα, κλπ. Το φυτό έχει λοιπόν μεταβολισμό, άρα είναι ζωντανό. Στην απαρχή της εμφάνισης της ζωής όμως θα πρέπει να υπήρχαν χημικές οργανικές ουσίες που ενώνονταν με άλλες ουσίες, διασπώνταν, τα συστατικά-τους ξαναενώνονταν με άλλες ουσίες, κλπ., οπότε σ’ εκείνο το στάδιο δεν θα ήταν δυνατό να πούμε αν μια χημική ένωση είναι η ίδια που κάτι δέχτηκε και κάτι απέβαλλε (σημάδι μεταβολισμού), ή απλώς άλλαξε χημικά από την ουσία Α στην ουσία Β (μη μεταβολισμός). Επομένως ούτε ο μεταβολισμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ακλόνητο κριτήριο του αν κάτι “ζει” ή όχι.

Πέρα από το πρόβλημα του οτι ούτε η αυτοαναπαραγωγή ούτε ο μεταβολισμός μπορούν να βάλουν μια διαχωριστική γραμμή και να μας πουν πότε ακριβώς εμφανίστηκε η ζωή, υπάρχει και το πρόβλημα του οτι ούτε και σήμερα αρκούν οι δύο αυτές ιδιότητες. Για παράδειγμα, υπάρχουν οι ιοί, που ναι μεν αναπαράγονται όταν βρουν κατάλληλες συνθήκες, αλλά ουσιαστικά δεν έχουν μεταβολισμό, και όταν δεν βρίσκονται σε κατάλληλο περιβάλλον μοιάζουν μάλλον με κρυστάλλους που έχουν DNA· οπότε δεν μπορούμε να πούμε αντικειμενικά αν οι ιοί είναι ζωντανά όντα ή όχι. Επίσης σήμερα μπορούμε σχετικά εύκολα να κατασκευάσουμε προγράμματα σε υπολογιστές που να έχουν καί μεταβολισμό, καί να αυτοαναπαράγονται (αυτό το τελευταίο άλλωστε το κάνουν οι ιοί υπολογιστών), άρα να έχουν καί τις δύο αυτές ιδιότητες· όμως μάλλον θα αποφεύγαμε να πούμε οτι τέτοια αντικείμενα είναι “ζωντανοί οργανισμοί”.

Συμπερασματικά, η “ζωή” είναι μια ιδιότητα της ύλης που, για τα περισσότερα αντικείμενα, μας είναι εύκολο να αποφασίσουμε αν έχουν την ιδιότητα αυτή (αν είναι “ζωντανά”) ή όχι. Δεν είναι όμως μια ιδιότητα που μπορούμε να την αποφασίσουμε με απόλυτο, μαθηματικό τρόπο, ώστε να είμαστε σε θέση να βρούμε μια ακριβή χρονική στιγμή κατά την οποία ξαφνικά η ζωή εμφανίστηκε. Πιο σωστό είναι να πούμε οτι η ζωή αναδύθηκε, σαν σταδιακά αναφυόμενη ιδιότητα της ύλης, σε διάρκεια πολλών εκατομμυρίων ετών.

Γήινη ή εξωγήινη προέλευση;

Μέχρι τα τέλη του 20^ού αιώνα θεωρείτο σχεδόν βέβαιο οτι η ζωή δημιουργήθηκε εδώ στη Γη. Υπήρχε από πολύν καιρό πριν και η υπόθεση της “πανσπερμίας”, δηλ. οτι η ζωή είναι διαδομένη σε μορφή βακτηρίων τουλάχιστον στο Γαλαξία-μας, αλλά η πλειονότητα των επιστημόνων θεωρούσαν την πανσπερμία σαν μια περιθωριακή άποψη. Σιγά-σιγά όμως άρχισαν να μαζεύονται οι ενδείξεις από μετεωρίτες που πέφτουν στη Γη από το διάστημα, και από βράχους που συνέλεξαν διαστημικές αποστολές από τον Άρη, όπου ανακαλύπτονται υπολείμματα βακτηρίων μέσα στους βράχους. Έτσι, σήμερα (αρχές 2^ης δεκαετίας του 21^ου αιώνα) δεν μπορούμε να πούμε με βεβαιότητα αν η ζωή έχει προέλευση τη Γη, ή “σπάρθηκε” στη Γη από το διάστημα.

Υπόψη οτι η ανακάλυψη βακτηρίων ακόμα και στο εσωτερικό εξωγήινων βράχων δεν αποτελεί ακλόνητη απόδειξη της εξωγήινης προέλευσης της ζωής. Όταν ένας αρκούντως μεγάλος μετεωρίτης προσκρούει σ’ έναν πλανήτη, μερικά από τα θραύσματα της ισχυρής έκρηξης εκτινάσσονται στο διάστημα και φεύγουν από τη βαρυτική έλξη του πλανήτη. Έτσι, υπάρχει η πιθανότητα τα βακτήρια της Γης, στη διάρκεια των δισεκατομμυρίων ετών της ύπαρξής τους, να έχουν “μολύνει” όλο το πλανητικό-μας σύστημα, με αποτέλεσμα να τα ξαναδεχόμαστε σε μετεωρίτες που πέφτουν πίσω στον πλανήτη-μας, και να τα ανακαλύπτουμε σε άλλους πλανήτες, όπως ο Άρης. Υπόψη οτι ακόμα και στο εσωτερικό των βράχων είναι δυνατό να εγκλωβιστούν βακτήρια. Ο βράχος που εκτινάσσεται στο διάστημα σαν θραύσμα από έκρηξη (λόγω πρόσκρουσης μετεωρίτη) είναι σε ημι-ρευστή κατάσταση. Τμήματα που αρχικά βρίσκονταν στην επιφάνεια καταλήγουν στο εσωτερικό-του, και αντιστρόφως. Έχει πλέον γίνει κατανοητό οτι τα βακτήρια μπορούν να υπάρξουν σε εξαιρετικά αντίξοες συνθήκες, ακόμα και στις “απαγορευτικές” — όπως θεωρούνταν άλλοτε — συνθήκες του διαστήματος, δηλαδή σε σχεδόν απόλυτο μηδέν (–273°C) και υπό ακτινοβολία που θα κατέστρεφε άλλη, πιο εξελιγμένη μορφή ζωής στη Γη.^(*) Η τελειωτική απόδειξη περί πανσπερμίας του διαστήματος θα έρθει μόνο αν ποτέ εντοπιστούν βακτήρια σε πραγματικά εξωπλανητική ύλη (μη προερχόμενη από το πλανητικό-μας σύστημα), ή αν βρούμε τη “σφραγίδα” της ζωής στη χημική σύνθεση πλανητών άλλων συστημάτων, ή αν βρούμε βακτήρια με DNA (στη λεγόμενη μορφή “Β-DNA”) που να είναι αριστερόστροφο, υποδηλώνοντας εξωγήινη προέλευση, γιατί όλο το B-DNA που έχει παρατηρηθεί ποτέ σε οποιονδήποτε οργανισμό, είτε εδώ στη Γη είτε προερχόμενο από το διάστημα, είναι πάντα δεξιόστροφο.

Ένα επιχείρημα υπέρ της υπόθεσης της πανσπερμίας είναι οτι η ζωή στη Γη μοιάζει να εμφανίστηκε αμέσως μόλις οι συνθήκες στον πλανήτη το επέτρεψαν, δηλαδή όταν σταμάτησε ο συνεχής βομβαρδισμός της Γης με μετεωρίτες, γύρω στα 4.000 – 3.800 Ma. Μάλιστα είδαμε οτι ήδη στα 3.500 Ma υπήρχαν βακτήρια, που είναι οντότητες με προχωρημένη πολυπλοκότητα. Οπότε αν η ζωή έχει γήινη προέλευση θα πρέπει να ξεκίνησε από το “μηδέν” (της εντελώς άβιας ύλης) και να έφτασε στην πολυπλοκότητα των βακτηρίων μέσα σε το πολύ 2 ή 3 εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια — γεγονός τουλάχιστον εντυπωσιακό, αν όντως έγινε έτσι.

Βέβαια η πανσπερμία δεν μας απαντά το ερώτημα του πώς πρωτοδημιουργήθηκε η ζωή. Είτε στη Γη γύρω στα 4.000 Ma, είτε σε άλλα μέρη του διαστήματος ακόμα νωρίτερα, οι οργανισμοί που τους λέμε “ζωντανούς” πρέπει κάπως να πρωτοσχηματίστηκαν. Το πώς έγινε αυτό είναι ένα ερώτημα ανεξάρτητο από εκείνο της γήινης ή εξωγήινης προέλευσης της ζωής.

Η αυγή της ζωής

Η ζωή λοιπόν εμφανίστηκε (είτε εδώ στη Γη, είτε αλλού) όχι κατευθείαν σαν “πρώτα κύτταρα” (βακτήρια), αλλά σαν χημικές ουσίες, δηλ. μεγάλα οργανικά μόρια, που γίνονταν όλο και καλύτερα στο να παράγουν αντίγραφα του εαυτού-τους, κι όλο και πιο πολύπλοκα στην ανταλλαγή ουσιών (μικρών τμημάτων-τους) με το περιβάλλον, δηλαδή στο μεταβολισμό-τους. Η δύναμη που κινεί αυτή τη διαδικασία είναι η ίδια η αυτοαναπαραγωγή. Από τη στιγμή που ένα μόριο, αλληλεπιδρώντας με άλλα του περιβάλλοντος (πιθανώς μετά από ολόκληρη σειρά χημικών αντιδράσεων), παράγει δύο ή περισσότερα μόρια που μοιάζουν ελαφρώς με το αρχικό στις χημικές ιδιότητές-τους, έχουμε την αυγή της αυτοαναπαραγωγής, γιατί και τα προϊόντα μόρια θα αλληλεπιδράσουν με παρόμοιο τρόπο και θα παραγάγουν μόρια που θα είναι “περίπου αντίγραφα”, κ.ο.κ. Από όλα τα περίπου-αντίγραφα, εκείνα που είναι πιο πιστά αντίγραφα του αρχικού έχουν περισσότερες πιθανότητες να συμμετάσχουν σε χημικές αντιδράσεις που θα παραγάγουν νέα “περίπου αντίγραφα”. Η διαδικασία της αντιγραφής τελειοποιείται απλά και μόνο γιατί τα μόρια που δεν είναι κατάλληλα προς αντιγραφή δεν συμμετέχουν στη διαδικασία αυτή, ενώ συμμετέχουν και επιβιώνουν όσα είναι πιο κατάλληλα. Αυτή είναι η απαρχή της διαδικασίας της εξέλιξης.

Ας σημειώσουμε οτι η αυτοαναπαραγωγή χημικών ουσιών δεν είναι κάτι το πρωτάκουστο στη φύση. Το 1861, ο Ρώσος χημικός Alexander Butlerov (Αλεξάντερ Μπουτλέροφ) περιέγραψε τη λεγόμενη “αντίδραση της φορμόζης”, στην οποία ένα διάλυμα σακχάρων και φορμαλδεΰδης (καί τα δύο είναι απλές οργανικές ενώσεις) έχει σαν αποτέλεσμα τον πολλαπλασιασμό των σακχάρων, σε μια διαδικασία που είναι γνωστή σαν “αυτοκατάλυση”. Πιο πρόσφατα, το 1986, ο K. von Kiedrowski (Κ. φον Κιεντρόβσκι) απέδειξε οτι υπάρχουν αυτοαναπαραγόμενες ουσίες που δεν χρειάζονται καν ένζυμα για την αναπαραγωγή-τους. Η αυτοαναπαραγωγή λοιπόν δεν είναι μια ιδιότητα εξωπραγματική, ούτε χρειάζεται κάποια “μαγική” ή “ανώτερη” δύναμη για να την προκαλέσει· είναι μια κατευθείαν ιδιότητα των φυσικών νόμων (άρα και της χημείας) του σύμπαντός μας.

Από τις πρώτες χημικές ουσίες (μόρια) ως τα πρώτα κύτταρα (βακτήρια) υπάρχει πολύς δρόμος, μήκους εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών. Σε ένα ενδιάμεσο στάδιο θα πρέπει να υπήρξαν μόρια όπως το DNA, και το ακόμα αρχαιότερό του RNA (απλούστερο σε δομή, με απλή έλικα, ενώ το DNA έχει διπλή έλικα), δηλαδή αυτοαναπαραγόμενα μόρια χωρίς το προστατευτικό περίβλημα που παρέχει ένα κύτταρο, που είναι σαν ένα είδος “κάστρου” όπου φυλάσσεται το DNA. Πριν να φτάσουμε στο κύτταρο-κάστρο θα πρέπει να υπήρξαν ολοένα και απλούστερες μορφές (πηγαίνοντας πίσω στο χρόνο) αυτοαναπαραγόμενων μορίων, με ολοένα και πιο ατελή την ικανότητά τους να παράγουν πιστά αντίγραφα. Αλλά και πριν να φτάσουμε στο DNA και στο RNA, θα πρέπει να υπήρξαν πολύ πιο απλές μορφές μοριακής αυτοαναπαραγωγής (και πιο στοιχειώδους μεταβολισμού), γιατί τα DNA και RNA είναι ήδη πολύπλοκα.

Αν το καλοσκεφτούμε, οποιαδήποτε χημική αντίδραση εμπεριέχει την έννοια της αυτοαναπαραγωγής. Συμβαίνει όμως οτι στις πολύ απλές αντιδράσεις με τις οποίες είμαστε εξοικειωμένοι (π.χ. στις ανόργανες, τις μη σχετιζόμενες με τη βιολογία) τα παράγωγα μόρια μας φαίνονται να μη μοιάζουν καθόλου με τα αρχικά· και όμως “μοιάζουν” σε έναν απειροελάχιστο — σχεδόν μηδενικό — βαθμό. Όταν οι αντιδράσεις γίνονται πολύπλοκες, περιλαμβάνοντας πολύπλοκα βιολογικά μόρια ενώσεων του άνθρακα, η ομοιότητα μεταξύ των παραγώγων και των αρχικών μορίων είναι κάτι που μπορεί να πάρει οποιαδήποτε “τιμή”, αν μπορούσαμε να τη βαθμολογήσουμε. Έτσι λοιπόν, η έννοια “αυτοαναπαραγωγή” (αλλά και η “μεταβολισμός”) δεν είναι κάτι που είτε συμβαίνει είτε όχι· οι έννοιες αυτές ενυπάρχουν στην ύλη, και μπορούν να παρατηρηθούν σε οποιονδήποτε βαθμό: από σχεδόν μηδενικό έως πολύ μεγάλο.

Γιατί δεν δημιουργούνται σήμερα τέτοιες ουσίες στη Γη, “από μόνες-τους”, σαν αυτές που δημιουργήθηκαν τότε;

Διότι οι συνθήκες έχουν αλλάξει ριζικά και δεν το επιτρέπουν. Αυτό είναι ένας γενικότερος και βαθύτερος κανόνας της βιολογικής εξέλιξης:

Παραδείγματος χάρη, με τις σημερινές συνθήκες δεν μπορούμε να αναμένουμε την επανεμφάνιση των δεινοσαύρων (ή πλασμάτων που να μοιάζουν με δεινόσαυρους) γιατί δεν υπάρχει πλέον στον πλανήτη η χλωρίδα και η πανίδα στις ποσότητες που υπήρχε στην εποχή των δεινοσαύρων και που μπορούσε να τους θρέψει. Ούτε επίσης μπορούμε να αναμένουμε να εξελιχθούν για μία ακόμη φορά κάποιοι μεγάλοι πίθηκοι σε ανθρώπους. Οι συνθήκες που οδήγησαν στην εμφάνιση των ανθρώπων υπήρξαν κάποτε, περίπου μεταξύ 200.000 και 150.000 ετών πριν (προς το παρόν γνωρίζουμε μόνο περίπου, όχι ακριβώς ποιες ήσαν — στο μάθημα Β5 εξετάζονται αναλυτικά), αλλά λόγω της ιδιαιτερότητάς τους δεν επαναλαμβάνονται.

Παρόμοια, οι συνθήκες της εποχής των πρώτων χημικών ουσιών στη Γη ήσαν εντελώς διαφορετικές από τις σημερινές. Μία από τις “συνθήκες” εκείνης της εποχής ήταν και η απουσία βακτηρίων. Σήμερα υπάρχουν τα βακτήρια· άρα οποιαδήποτε οργανική χημική ένωση μπορεί τυχόν να εμφανιστεί, γρήγορα γίνεται ένα ωραίο γεύμα για τα βακτήρια και εξαφανίζεται από τη φύση.

Τα πιο αρχαία απομεινάρια ζωής στη Γη· στρωματόλιθοι

Δεν αφήνουν όλες οι μορφές ζωής τα “αποτυπώματά τους”, δηλαδή απολιθώματα, από το πέρασμά τους στη Γη. Απολίθωση είναι η αντικατάσταση κάποιων ιστών του ζωντανού οργανισμού από “λίθο”, δηλαδή πέτρωμα. Επομένως ένα απολίθωμα δεν είναι ο ζωντανός οργανισμός καθαυτό, αλλά πέτρα που έχει πάρει το σχήμα του άλλοτε έμβιου όντος. Συμβαίνει λοιπόν οτι η πλειοψηφία των έμβιων όντων — συμπεριλαμβανομένων των μονοκύτταρων, όπως τα βακτήρια — έχουν μόνο μαλακούς ιστούς που εν γένει δεν απολιθώνονται. Το ίδιο — κι ακόμα περισσότερο — ισχύει και για όσες οργανικές χημικές ουσίες προϋπήρξαν των κυττάρων. Μόνο κάτω από εξαιρετικές και ειδικές συνθήκες συμβαίνει απολίθωση. Τέτοιες ειδικές συνθήκες ισύχουν όταν ένα είδος βακτηρίων που λέγονται κυανοβακτήρια (και που όπως θα δούμε έπαιξαν ιδιαίτερο ρόλο στη διαδικασία της εξέλιξης) επικάθηνται σε πετρώματα και σχηματίζουν στρώματα από γλοιώδη ύλη (την οποία τα ίδια εκκρίνουν). Πάνω στην ύλη αυτήν έρχονται και κολλούν διάφορα μικροσκοπικά σωμάτια ανόργανης ύλης, τα οποία με τον καιρό σταθεροποιούνται και αποτελούν έτσι μέρος του πετρώματος. Πάνω σ’ αυτά έρχονται νέα κυανοβακτήρια, νέα σωματίδια ύλης, κ.ο.κ., και με τον τρόπο αυτό δημιουργούνται ιζηματογενείς βράχοι (με μέγεθος από μπάλα ποδοσφαίρου έως αρκετά μεγάλο πέτρωμα μήκους μερικών μέτρων) που λέγονται στρωματόλιθοι.

Στρωματόλιθοι στον Κόλπο του Καρχαρία, Δυτική Αυστραλία (Shark Bay, Western Australia)	Εγκάρσια τομή στρωματόλιθου, μήκους μερικών εκατοστών, όπου φαίνονται τα αλλεπάλληλα ιζηματογενή στρώματα.

Στρωματόλιθοι εξακολουθούν να δημιουργούνται σε διάφορα μέρη του πλανήτη, δεν έχουν όμως όλοι βιολογική προέλευση. Πολλά είδη στρωματολίθων είναι απλώς ανόργανη ύλη που επικάθηται κατά στρώματα και δημιουργεί την πέτρα. Υπάρχουν όμως και άλλοι που είναι “ζωντανοί” — με την ευρεία έννοια — αποτελούν δηλαδή το πεδίο δράσης βακτηριακής μορφής ζωής, και αναπτύσσονται όπως και εκείνοι του Αρχαιοζωικού Μεγααιώνα. Τα αρχαιότερα απολιθώματα βακτηρίων (που είναι αναμφισβήτητα τέτοια, γιατί υπάρχουν και αρχαιότερα που όμως αμφισβητούνται) έχουν βρεθεί σε στρωματόλιθους όπως εκείνοι στον Κόλπο του Καρχαρία της Δυτικής Αυστραλίας (φωτογραφία, αριστερά), και είναι ηλικίας 3500 Ma.

Οι στρωματόλιθοι σχηματίζονταν κατά πολύ μεγαλύτερες ποσότητες και εκτάσεις στους αρχικούς Αιώνες της εμφάνισης της ζωής στη Γη. Καθώς όμως η ζωή μεγάλωσε σε πολυπλοκότητα, εμφανίστηκαν μονοκύτταροι οργανισμοί που τρέφονταν με τα κυανοβακτήρια κατά τον ίδιο τρόπο που τα χορτοφάγα θηλαστικά τρέφονται με το χορτάρι. Έτσι ελαττώθηκαν κατά πολύ οι στρωματόλιθοι, με αποτέλεσμα οι βιολογικής προέλευσης να είναι σήμερα μάλλον σπάνιοι.

Γενικές ιδιότητες και δομή βακτηρίων

Πρέπει να σημειωθεί οτι μέχρι το σημείο αυτό χρησιμοποιούμε τον όρο “βακτήρια” μάλλον αδόκιμα, για να χαρακτηρίσουμε όλους τους ζωντανούς μονοκύτταρους οργανισμούς που δεν έχουν πυρήνα. Στην πραγματικότητα όμως ο σωστός όρος για τους οργανισμούς αυτούς είναι “προκαρυωτικά κύτταρα”, ή προκάρυα, που περιλαμβάνουν τα βακτήρια και τα αρχαία.

Σήμερα στη βιολογία αναγνωρίζεται οτι υπάρχουν τρεις “επικράτειες” (domains) οργανισμών: τα βακτήρια, τα αρχαία, και τα ευκάρυα (ή αλλιώς ευκαρυώτες, ή ευκαρυωτικά κύτταρα, δηλαδή κύτταρα με πυρήνα, από τα οποία αποτελούνται όλοι οι υπόλοιποι γνωστοί-μας οργανισμοί, συμπεριλαμβανομένων φυσικά και των ανθρώπων). Η σχέση μεταξύ των τριών επικρατειών δεν έχει ξεκαθαρίσει ακόμα. Έχει προταθεί οτι τα αρχαία σχετίζονται περισσότερο με τα ευκάρυα (δηλαδή μ’ εμάς) παρά με τα βακτήρια, βάσει κάποιων ιδιοτήτων που έχουν. Υπάρχει όμως και η αντίθετη άποψη, που βάσει άλλων ιδιοτήτων κατατάσσει τα αρχαία σαν ένα εξελικτικό παρακλάδι των βακτηρίων. Θα χρειαστεί να περιμένει κανείς αρκετά χρόνια και νέα δεδομένα από την εργαστηριακή έρευνα για να απαντηθεί με σχετική βεβαιότητα το ερώτημα της σχέσης των τριών επικρατειών μεταξύ-τους. Πάντως το βέβαιο είναι οτι στον Αρχαιοζωικό Μεγααιώνα τον οποίο εξετάζουμε, δεν υπήρχε ακόμα η επικράτεια των ευκαρύων, αλλά μόνο οι άλλες δύο επικράτειες: των αρχαίων και των βακτηρίων, δηλαδή τα προκάρυα (κύτταρα χωρίς πυρήνα). Εμείς θα συνεχίσουμε εδώ να χρησιμοποιούμε τον όρο “βακτήρια” εννοώντας το γενικότερο “προκάρυα”, γιατί από παλαιοντολογική άποψη δεν είναι απαραίτητο να κάνουμε διάκριση μεταξύ αρχαίων και “πραγματικών” βακτηρίων. Στο μάθημα Β2 (“Ταξινόμηση Ειδών”) η διάκριση αυτή είναι βέβαια απαραίτητη.

Οι ιδιότητες και τα περιεχόμενα των κυττάρων εξετάζονται αναλυτικά στο μάθημα Β4 (“Κύτταρο – Γονίδια”). Εδώ θα αναφερθούμε απλώς περιληπτικά σε μερικά οργανίδια των κυττάρων, είτε των προκαρυωτικών, είτε των ευκαρυωτικών (είτε και των δύο).

Τυπικό βακτήριο. 1: τριχίδια. 2: πλασμίδιο. 3: ριβοσώ- ματα. 4: κυτταρόπλασμα. 5: κυτταρική μεμβράνη. 6: κυτταρικό τοίχωμα. 7: βακτηριακό έλυτρο. 8: DNA. 9: μαστίγιο.

Τα βακτήρια τυπικά έχουν μέγεθος από μισό έως 5 εκατομμυριοστά του μέτρου (μm), που είναι περίπου το 1/10 του μεγέθους του τυπικού ευκαρυωτικού κυττάρου. Έχουν διάφορα σχήματα: σφαιρικό, επίμηκες (εξ ου και “βακτήριο”, υποκοριστικό  του “βακτηρία”, που σημαίνει “μπαστούνι”), σπειροειδές, ή ανώμαλο. Πάντως το κάθε είδος βακτηρίου έχει πάντα το ίδιο σχήμα. Πολλά είδη ζουν μεμονωμένα, ενώ άλλα σχηματίζουν αποικίες ζευγών, αλυσίδων, “τσαμπιών”, κλπ. Περικλείονται από μια κυτταρική μεμβράνη, και η ουσία που κυρίως γεμίζει το χώρο της μεμβράνης λέγεται κυτταρόπλασμα. Στο εσωτερικό-τους, σε μια περιοχή που δεν περικλείεται από μεμβράνη, υπάρχει το μόριο DNA που είναι υπεύθυνο για την αναπαραγωγή του κυττάρου, περιλαμβάνοντας το “αρχιτεκτονικό σχέδιο” βάσει του οποίου αναπτύσσονται τα δύο νέα βακτήρια που δημιουργούνται από τη σχάση του αρχικού. Έτσι, τα βακτήρια δεν έχουν πυρήνα, γιαυτό τα λέμε προκαρυωτικούς οργανισμούς. Επίσης δεν έχουν μιτοχόνδρια, χλωροπλάστες, ή σωμάτια Golgi. Όπως όμως όλα τα κύτταρα, τα βακτήρια περιέχουν ριβοσώματα (τα μικρά σφαιρίδια στο διάγραμμα, αριστερά) για την παραγωγή πρωτεϊνών. Αλλά τα ριβοσώματα των βακτηρίων είναι διαφορετικά σε δομή από εκείνα των αρχαίων και των ευκαρύων. Συχνά έχουν τριχίδια στη μεμβράνη, και ένα μαστίγιο που τα βοηθά στην κίνηση.

Είναι παρόντα στα περισσότερα περιβάλλοντα στη Γη, ακόμα και στα πιο αφιλόξενα για άλλες μορφές ζωής: σε όξινες θερμές πηγές, σε ραδιενεργά απόβλητα, βαθιά μέσα στο έδαφος, κάτω από τους πάγους, στα σώματα μυκήτων, φυτών, και ζώων, φυσικά και στο σώμα του ανθρώπου (π.χ. στο πεπτικό-μας σύστημα, όπου συμμετέχουν και μας βοηθούν στην πέψη). Ακούγεται απίστευτο, αλλά στο σώμα-μας ο αριθμός των βακτηρίων είναι 10 φορές μεγαλύτερος από τον αριθμό όλων των άλλων (ευκαρυωτικών) κυττάρων! (Αυτό συμβαίνει λόγω του μεγέθους-τους.) Εννοείται οτι τα περισσότερα απ’ αυτά είναι είτε χρήσιμα για μας, είτε ουδέτερα. Όμως υπάρχουν βακτήρια που προκαλούν πολύ γνωστές μεταδοτικές ασθένειες, όπως τη χολέρα, τη λέπρα, τον άνθρακα, τη σύφιλη, τη βουβωνική πανώλη (πανούκλα), τη φυματίωση, κ.ά.

Διακρίνονται σε ετερότροφα και αυτότροφα. Ετερότροφα είναι όσα παίρνουν οργανικές ενώσεις του άνθρακα σαν “τροφή” (π.χ. από άλλους ζωντανούς ή νεκρούς οργανισμούς, ή από τα απόβλητα και τις εκκρίσεις ζωντανών οργανισμών), ενώ αυτότροφα είναι όσα παίρνουν άνθρακα από το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) της ατμόσφαιρας. Αυτότροφα είναι και τα κυανοβακτήρια.

Κυανοβακτήρια και η οικοδόμηση του οξυγόνου

Κυανοβακτήρια

Αναφέραμε αρκετές φορές μέχρι τώρα ένα ιδιαίτερο είδος βακτηρίων, τα κυανοβακτήρια, που έπαιξαν εξέχοντα ρόλο στην εξέλιξη της ζωής στη Γη. Ο λόγος για το ρόλο-τους αυτό είναι οτι τα κυανοβακτήρια, σε αντίθεση με όλα τα άλλα βακτήρια του Αρχαιοζωικού Μεγααιώνα, έκαναν φωτοσύνθεση, δηλαδή χρησιμοποιούσαν την ενέργεια του ηλιακού φωτός για να διασπάσουν το υδρογόνο και το οξυγόνο του νερού (H2O) και, μαζί με το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) που έπαιρναν από την ατμόσφαιρα, να συνθέσουν γλυκόζη και να αποβάλουν οξυγόνο. Ιδού η βασική χημική αντίδραση της φωτοσύνθεσης: 6 · CO2 διοξείδιο του άνθρακα + 6 · H2O νερό   φως →   C6H12O6 γλυκόζη + 6 · O2 οξυγόνο Την ίδια ακριβώς χημική αντίδραση χρησιμοποιούν και τα φυτά. Μάλιστα, όπως θα μάθουμε στα περί εμφάνισης των φυτών, οι χλωροπλάστες που βρίσκονται στα κύτταρα των φυτών και που κάνουν τη φωτοσύνθεση, είναι στην πραγματικότητα κυανοβακτήρια που συνελήφθησαν και εγκλωβίστηκαν στο εσωτερικό ευκαρυωτικών κυττάρων. Οι “πρώτοι διδάξαντες” τη φωτοσύνθεση είναι τα κυανοβακτήρια.

Για να καταλάβουμε το ρόλο των κυανοβακτηρίων, πρέπει να σημειώσουμε οτι η ατμόσφαιρα της Γης στο μεγαλύτερο μέρος του χρόνου που έχουμε εξετάσει μέχρι το σημείο αυτό είχε εντελώς διαφορετική χημική σύσταση από τη σημερινή. Ήταν μια αναγωγική ατμόσφαιρα όπως λέγεται, δηλαδή είχε έλλειψη οξυγόνου, ενώ περιείχε τα αέρια υδρογόνο (H₂), διοξείδιο (CO₂) και μονοξείδιο (CO) του άνθρακα, υδρόθειο (H₂S), μεθάνιο (CH₄), κ.ά. Τα κυανοβακτήρια, με τη φωτοσυνθετική-τους δράση, τη μετέτρεψαν σιγά-σιγά σε οξειδωτική ατμόσφαιρα, δηλαδή ατμόσφαιρα με περίσσεια οξυγόνου. Ακόμη και σήμερα, οι πλανήτες Αφροδίτη και Άρης (που μαζί με τη Γη και τον Ερμή ονομάζονται “γήινοι πλανήτες”) έχουν αναγωγικές ατμόσφαιρες. (Ο Ερμής, λόγω της γειτνίασής του με τον Ήλιο, έχει μια εξαιρετικά αραιή “εξώσφαιρα”.) Σαν τους πλανήτες εκείνους λοιπόν θα ήταν και η Γη σήμερα αν δεν είχαν εμφανιστεί τα κυανοβακτήρια.

Η παραπάνω χημική αντίδραση της φωτοσύνθεσης μας δείχνει από πού προέρχεται το οξυγόνο: είναι ένα “απόβλητο”, γιατί το κύριο “προϊόν” της αντίδρασης αυτής είναι η γλυκόζη, που αποτελεί — ακόμα και στο ανθρώπινο σώμα — τη βασικότερη πηγή ενέργειας, αφού πρώτα μετατραπεί σε διάφορες άλλες χημικές ενώσεις. Αυτό το “απόβλητο” της φωτοσύνθεσης όμως, το οξυγόνο, έγινε ο κύριος παράγοντας που ώθησε την εξέλιξη πέρα από το στάδιο των βακτηρίων, για λόγους που θα κατανοήσουμε σε λίγο.

Στην αρχικά αναγωγική ατμόσφαιρα λοιπόν, ευημερούσαν τα αρχέγονα, αναερόβια βακτήρια, που δεν χρειάζονταν οξυγόνο. Μαζί με τα υπόλοιπα όμως, ευημερούσαν και τα κυανοβακτήρια σε υδρόβια περιβάλλοντα, που κατανάλωναν διοξείδιο του άνθρακα και νερό, και “μόλυναν” διαρκώς την ατμόσφαιρα με το απόβλητό τους αέριο, το οξυγόνο, που ήταν δηλητήριο για τα πιο πολλά από τα άλλα είδη βακτηρίων. Με την πάροδο εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών, προς το τέλος του Αρχαιοζωικού Μεγααιώνα (επομένως και του Νεοαρχαιοζωικού Αιώνα), το οξυγόνο-δηλητήριο της ατμόσφαιρας είχε γίνει πια τόσο πολύ που προκλήθηκε η πρώτη — ίσως και η μεγαλύτερη — οικολογική καταστροφή που γνώρισε ο πλανήτης: τα αρχικά αναερόβια είδη βακτηρίων άρχισαν να εξαφανίζονται και να αντικαθίστανται από τα κυανοβακτήρια και από άλλα είδη που δεν δηλητηριάζονταν από το οξυγόνο. Σήμερα εξακολουθούν να υπάρχουν αναερόβια βακτήρια, αλλά βρίσκονται περιορισμένα σε πολύ ιδιαίτερα περιβάλλοντα απ’ όπου απουσιάζει το οξυγόνο.

Μάλιστα αυτή η τελευταία παρατήρηση είναι ένας γενικός και θεμελιώδης κανόνας της βιολογικής εξέλιξης:

Το παραπάνω μοτίβο θα το συναντήσουμε ξανά και ξανά καθώς θα εξετάζουμε την εξέλιξη της ζωής στη Γη.

Μένει τώρα να δούμε γιατί το οξυγόνο προκάλεσε “αλλαγή των κανόνων του παιχνιδιού”, και η ζωή στον πλανήτη οδηγήθηκε σε καινούργιες, ανύπαρκτες μέχρι τότε “διαδρομές”. Ή αλλιώς μπορούμε να πούμε οτι το “δέντρο της ζωής” (δηλ. της εξέλιξης των ειδών) απέκτησε νέους, απρόσμενους και ποιοτικά διαφορετικούς κλάδους. Αυτό όμως θα το δούμε στα πλαίσια του νέου Μεγααιώνα που ανέτειλε, του Προτεροζωικού.

Προτεροζωικός Μεγααιώνας: η ζωή με πυρήνα

Η ουσιαστική ιδιότητα του οξυγόνου, μέσω της οποίας η πολυπλοκότητα της ζωής στη Γη αυξήθηκε κατά πολλές τάξεις μεγέθους, είναι οτι το οξυγόνο είναι το μοναδικό χημικό στοιχείο που συντελεί στην καύση των υλικών. Χάρη στην ένωσή τους με το οξυγόνο, οι χημικές ενώσεις μπορούν να “καούν” (όχι απαραίτητα με συνοδεία φλόγας, μπορούν να οξειδωθούν δηλαδή), με συνέπεια την έκλυση ενέργειας. Αυτή η ενέργεια χρησιμοποιείται από τον οργανισμό για τις βιολογικές λειτουργίες-του. Έτσι, χάρη στο οξυγόνο, κάποιοι από τους πρώτους οργανισμούς (βακτήρια) στη Γη απέκτησαν περισσότερη ενέργεια, με την οποία μπόρεσαν να μεγαλώσουν σε όγκο (σταδιακά βέβαια, γενεά προς γενεά). Ένα αποτέλεσμα αυτού του μεγαλώματος σε όγκο ήταν οτι έγινε δυνατή η έγκλειση διαφόρων οργανιδίων μέσα στο σώμα του μεγαλύτερου κυττάρου.

Ευκαρυωτικά κύτταρα

Πιθανώς μεταξύ 2.100 και 1.600 Ma (πηγή), κάποια ευμεγέθη βακτήρια απέκτησαν διάφορα χαρακτηριστικά που τα διαφοροποίησαν τελείως από τα υπόλοιπα βακτήρια. Ένα από αυτά τα χαρακτηριστικά ήταν το κλείσιμο του γενετικού υλικού (DNA) σε μια μεμβράνη, την πυρηνική μεμβράνη. Έτσι δημιουργήθηκε η νέα κατηγορία κυττάρων: τα ευκαρυωτικά κύτταρα, δηλαδή τα κύτταρα με πυρήνα. Αυτά οδήγησαν τη βιόσφαιρα της Γης σε ένα εντελώς νέο εξελικτικό στάδιο, καθώς κάθε μετέπειτα ορατός (χωρίς μικροσκόπιο) οργανισμός (ζώα, φυτά, μύκητες, αλλά από τον Φανεροζωικό Αιώνα και μετά), όπως και μερικοί αόρατοι χωρίς μικροσκόπιο, μονοκύτταροι οργανισμοί (τα πρώτιστα) αποτελούνται από ευκαρυωτικά κύτταρα.

Πρώτιστα. Ας σημειώσουμε στο σημείο αυτό οτι οι οργανισμοί που αποτελούνται από ένα και μόνο ευκαρυωτικό κύτταρο (μονοκύτταροι οργανισμοί) ονομάζονται “πρώτιστα”. Στην κλασική βιολογική ταξονομία, τα πρώτιστα αποτελούν ένα “Βασίλειο”, το Βασίλειο των Πρωτίστων. Επομένως, μέχρι τώρα έχουμε συναντήσει δύο μεγάλες κατηγορίες μονοκύτταρων οργανισμών: τα χωρίς πυρήνα (προκάρυα), που είναι τα βακτήρια (που, και πάλι στην κλασική βιολογική ταξονομία, τοποθετούνταν στο δικό-τους Βασίλειο, το Βασίλειο των Βακτηρίων, ενώ τώρα προτιμούμε να τα χωρίζουμε όπως εξηγήθηκε σε προηγούμενη ενότητα)· και τα με πυρήνα (ευκάρυα), που είναι τα πρώτιστα. Αργότερα εμφανίστηκε και τρίτη κατηγορία μονοκύτταρων οργανισμών: οι μονοκύτταροι μύκητες (όπως η μαγιά της μαγειρικής, που όμως εξελίχθηκε σε μονοκύτταρο από πολυκύτταρο πρόγονο), οι οποίοι ανήκουν στο Βασίλειο των Μυκήτων.

Όσο για τα άλλα δύο Βασίλεια, των Ζώων και των Φυτών, εκεί δεν υπάρχουν μονοκύτταροι οργανισμοί, εξ ορισμού. Αυτό σημαίνει οτι αν ένας οργανισμός έχει τον “ζωικό τρόπο ζωής” (δηλαδή κινείται για να βρει την τροφή-του, τουλάχιστον σε κάποιο στάδιο της ζωής-του), τότε ανήκει στο Βασίλειο των Ζώων μόνο αν είναι πολυκύτταρος· αλλιώς είναι ή βακτήριο ή πρώτιστο (π.χ.: αμοιβάδα)· ενώ αν έχει τον “φυτικό τρόπο ζωής” (δηλαδή φωτοσυνθέτει για να παραγάγει την τροφή-του) τότε ανήκει στο Βασίλειο των Φυτών επίσης μόνο αν είναι πολυκύτταρος· αλλιώς είναι ή βακτήριο (π.χ.: κυανοβακτήριο) ή πρώτιστο (π.χ.: ευγλήνη).

Σχηματική παράσταση ευκαρυωτικού κυττάρου.
1: πυρήνας. 2: πυρηνίσκος. 3: Ριβόσωμα. 4: Κυστίδιο.
5: Τραχύ Ενδοπλασματικό Δίκτυο. 6: Συσκευή Golgi. 7: Πλασματική μεμβράνη.
8: Λείο Ενδοπλασματικό Δίκτυο. 9: Μιτοχόνδια. 10: Κενοτόπιο.
11: Κυτταρόπλασμα. 12: Λυσόσωμα. 13: Κεντριόλια μέσα σε Κεντροσωμάτιο.

Τα ευκαρυωτικά κύτταρα, ή απλώς ευκάρυα, έχουν πολλές διαφορές από τα προκαρυωτικά κύτταρα (βακτήρια, ή απλώς προκάρυα), τις οποίες αξίζει να δούμε αναλυτικά:

• Όπως είπαμε, τα ευκάρυα έχουν το γενετικό υλικό-τους (DNA) κλεισμένο σε μια μεμβράνη, ώστε το όλο οργανίδιο ονομάζεται πυρήνας. Αντίθετα, στα προκάρυα το DNA είναι διασκορπισμένο στο κυτταρόπλασμα.

• Τα προκάρυα δεν έχουν εσωτερικές υποδιαιρέσεις του κυττάρου, ενώ όλα τα ευκάρυα έχουν οργανίδια και πυρήνα. Οργανίδια λέγονται τα μορφώματα μέσα στο κύτταρο που περικλείονται από μεμβράνες και επιτελούν κάποια συγκεκριμένη εργασία. Θα εξετάσουμε αμέσως παρακάτω δύο είδη οργανιδίων: τα μιτοχόνδρια και τους χλωροπλάστες.

• Τα ευκάρυα μπορούν να κάνουν σεξουαλική αναπαραγωγή, κατά την οποία το DNA δύο διαφορετικών κυττάρων “ανακατεύεται” και ανα-διαρρυθμίζεται σε νέους συνδυασμούς. Βέβαια υπάρχουν και μη σεξουαλικά αναπαραγόμενα ευκάρυα. Κανένα από τα προκάρυα όμως δεν αναπαράγεται σεξουαλικά.

• Τα προκάρυα δεν έχουν εύπλαστη εξωτερική μεμβράνη, οπότε δεν μπορούν να ενσωματώσουν άλλα κύτταρα. Αντίθετα, τα ευκάρυα με τα εύπλαστα τοιχώματά τους μπορούν να ενσωματώνουν μεγάλα κομμάτια τροφής, και να κινούνται ελεύθερα. Η πλαστικότητα της εξωτερικής μεμβράνης-τους οφείλεται μερικώς στα στεροειδή, που παράγονται από τα μιτοχόνδρια. Εξαίρεση αποτελούν τα φυτικά κύτταρα, που έχουν απωλέσει την πλαστικότητα της μεμβράνης-τους λόγω της κυτταρίνης με την οποία καλύπτονται.

• Τα ευκάρυα έχουν μια άριστα οργανωμένη διαδικασία για να αναπαράγουν το DNA-τους σε δύο αντίγραφα όταν διαιρούνται, η οποία λέγεται μίτωση, και είναι πολύ πιο ακριβής και πολύπλοκη από την απλή διαίρεση που συμβαίνει σε προκάρυα.

• Τα ευκάρυα είναι σχεδόν πάντα πολύ μεγαλύτερα από τα προκάρυα. Ένα τυπικό ευκάρυο είναι 10 φορές πιο μεγάλο σε διάμετρο από ένα τυπικό προκάρυο, που σημαίνει οτι το πρώτο είναι 1000 φορές (10³) μεγαλύτερο σε όγκο από το δεύτερο.

• Τα ευκάρυα έχουν περίπου χίλιες φορές περισσότερο DNA από τα προκάρυα. Έχουν πολλαπλά αντίγραφα του DNA-τους, με αρκετές επαναλήψεις των ακολουθιών των γονιδίων. Το περιεχόμενο του DNA των προκαρύων είναι μικρό. Δεν υπάρχει αρκετός χώρος για αποθήκευση πολύπλοκων εντολών του είδους “ΑΝ... ΤΟΤΕ...”, οι οποίες ενεργοποιούν ένα γονίδιο αντί για κάποιο άλλο. Το αποτέλεσμα αυτού του γεγονότος είναι οτι τα προκάρυα δεν μπορούν να δημιουργήσουν διαφοροποιημένα κύτταρα, που είναι κάτι που επιτυγχάνουν τα ευκάρυα. (Το ανθρώπινο σώμα περιλαμβάνει πολλές δεκάδες διαφορετικά κύτταρα, όλα απογόνους του αρχικού γονιμοποιημένου ωαρίου.) Έτσι, οι αποικίες βακτηρίων αποτελούνται από πολλαπλές κόπιες του ίδιου ουσιαστικά οργανισμού. Για το λόγο αυτό, κάθε είδος βακτηρίου τα καταφέρνει καλά σε ένα πράγμα αλλά σε τίποτα άλλο. Αντίθετα, τα ευκάρυα μπορούν να παρουσιάσουν “άλλο πρόσωπο”, ώστε να ανταποκριθούν με ευελιξία σε διαφορετικές συνθήκες, αλλά και να σχηματίσουν πολυκύτταρους οργανισμούς αποτελούμενους από ιστούς (ομάδες ομοειδών κυττάρων).

Ένα άλλο αποτέλεσμα του μεγαλώματος σε όγκο των προκαρυωτικών κυττάρων (που μετατράπηκαν σε ευκαρυωτικά) ήταν οτι έγινε δυνατή η ενδοσυμβίωση μεταξύ βακτηρίων. Για να δούμε όμως τί είναι η ενδοσυμβίωση, πρώτα πρέπει να μάθουμε περί (βιολογικής) συμβίωσης.

Συμβίωση και ενδοσυμβίωση

Συμβίωση παρατηρείται μεταξύ δύο οργανισμών όταν υπάρχει αμοιβαίο όφελος από τον τρόπος ζωής των οργανισμών που ζουν στο ίδιο περιβάλλον. Για παράδειγμα, οι άνθρωποι επωφελούνται από τη συμβίωσή τους με σκύλους (ψυχολογικά, ή έχοντάς τους σαν φρουρούς ιδιοκτησίας, κλπ)· αλλά και οι σκύλοι επωφελούνται τα μέγιστα από τη συμβίωσή τους με τους ανθρώπους, καθώς έτσι έχουν εξασφαλισμένη την τροφή-τους. Άλλο παράδειγμα: ίσως έχουμε δει τα πτηνά που καθαρίζουν τα ανοιχτά στόματα ιπποποτάμων από υπολείμματα τροφής: τα πτηνά επωφελούνται από την τροφή, και οι ιπποπόταμοι από τον καθαρισμό, χωρίς τον οποίο θα αναπτύσσονταν βακτήρια. Ίσως επίσης να έχουμε δει φυτά πάνω στα οποία περπατούν εκατοντάδες ή και χιλιάδες μυρμήγκια: τα μυρμήγκια επωφελούνται από τους χυμούς του φυτού, και το φυτό από την ύπαρξη των μυρμηγκιών, που το προστατεύουν από πτηνά ή από καταστροφικά έντομα και παράσιτα.

Η πιο “κρυφή” μορφή συμβίωσης είναι η ενδοσυμβίωση, κατά την οποία ένας οργανισμός ζει μέσα σε έναν άλλον. Και σε εμάς τους ανθρώπους παρατηρείται ενδοσυμβίωση, καθώς στο έντερο των θηλαστικών ζουν βακτήρια τα οποία διασπούν θρεπτικές ουσίες. Χωρίς αυτά τα βακτήρια δεν θα ήταν αποτελεσματική η πέψη των τροφών-μας, οπότε επωφελούμαστε από την ύπαρξή τους· αλλά φυσικά και τα βακτήρια επωφελούνται ζώντας από την τροφή. Βακτήρια υπάρχουν στο έντερο των χορτοφάγων, χάρη στα οποία διασπάται η κυτταρίνη των φυτών. Επίσης, βακτήρια υπάρχουν ακόμα και σε έντομα, όπως στο έντερο των τερμιτών, χάρη στα οποία διασπάται ακόμα και το ξύλο που κατατρώγουν οι τερμίτες.^(*) 

Τέλος, η πιο αρχαία μορφή ενδοσυμβίωσης φαίνεται πως είναι εκείνη κατά την οποία ένα βακτήριο, μικρό σε μέγεθος, εισχώρησε σε άλλο βακτήριο, μεγαλύτερο σε μέγεθος. Αρχικά, το μικρό βακτήριο ειχωρούσε σαν εισβολέας, και ίσως να σκότωνε το μεγαλύτερο βακτήριο. Όμως με την επί εκατομμύρια φορές επανάληψη του “πειράματος” αυτού, προέκυψαν και περιπτώσεις όπου ο εισβολέας δεν σκότωσε το μεγαλύτερο βακτήριο, αλλά επωφελήθηκε από τη συνέχιση της ύπαρξής του, προσλαμβάνοντας θρεπτικά υλικά με μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα εντός του μεγαλύτερου βακτήριου, και για περισσότερο χρόνο. Τα “μικρά βακτήρια”, οι εισβολείς που αναφέρθηκαν, είναι τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες των ευκαρυωτικών κυττάρων.

Μιτοχόνδρια

Οι πρόγονοι των μιτοχονδρίων, σύμφωνα με τη θεωρία που διατύπωσε πρώτη η Αμερικανίδα βιολόγος Lynn Margulis και που εδραιώθηκε μετέπειτα από πάμπολες ενδείξεις, ήσαν βακτήρια που ζούσαν ελεύθερα και οξείδωναν απλούς υδατάνθρακες, παράγοντας CO₂ και H₂O, και αποβάλλοντας πολλή ενέργεια. Οι πιο πιθανοί σημερινοί συγγενείς-τους είναι τα ιώδη μη-θειούχα φωτοσυνθετικά βακτήρια, όπως ο Παράκοκκος (Paracoccus), που οξειδώνουν απλά οργανικά μόρια όταν έχουν περίσσεια οξυγόνου. Είναι όμως και φωτοσυνθετικά, οπότε αν στερηθούν το οξυγόνο, φωτοσυνθέτουν μέχρις ότου χτίσουν αρκετό ATP ώστε να μπορούν να διασπούν οργανικά μόρια και στο σκοτάδι. Εύκολα συμπεραίνουμε οτι αν αυτά τα βακτήρια έχουν απεριόριστη πρόσβαση σε οξυγόνο, εγκαταλείπουν τη φωτοσυνθετική-τους ικανότητα και μετατρέπονται σε αναερόβιους οξειδωτές. Κάτι τέτοιο μάλλον συνέβη σε βακτήρια αυτής της μορφής, όταν αυτά εισέβαλαν σε πολύ μεγαλύτερα βακτήρια.

Αυτά τα “πολύ μεγαλύτερα βακτήρια”, που θα τα λέμε “οικοδεσπότες”, θα μπορούσαν να είναι παρόμοια με πολλά από τα σημερινά βακτήρια που είναι ζυμωτές, δηλαδή διασπούν τα σάκχαρα, όπως η γλυκόζη, σε απουσία οξυγόνου. (Το τυρί, το γιαούρτι, η μπύρα, το κρασί, και το ξύδι, είναι όλα αποτελέσματα ζύμωσης που προκαλείται από βακτήρια–ζυμωτές.) Ένα τέτοιο σημερινό βακτήριο είναι το Giardia (που προκαλεί μια ασθένεια, τη giardiasis, σε ορειβάτες περιοχών της Β. Αμερικής). Το Giardia ζυμώνει τα σάκχαρα προς απλούς υδατάνθρακες, αλλά δεν μπορεί να τους οξειδώσει επειδή δεν έχει μιτοχόνδρια. Για το λόγο αυτό αποβάλλει τα προϊόντα που δεν χρειάζεται, όπως το γαλακτικό οξύ. Το Giardia όμως είναι ευκαρυωτικό κύτταρο, γιατί έχει πυρήνα (και μάλιστα έχει δύο!). Αλλά πώς ο οικοδεσπότης, που ίσως έμοιαζε με το Giardia, δέχτηκε έναν εισβολέα (ένα ιώδες μη-θειούχο φωτοσυνθετικό βακτήριο) χωρίς να καταστραφεί από αυτόν;

Ο οικοδεσπότης μάλλον δεν είχε πολλές επιλογές. Τα βακτήρια δεν μπορούν μεν να ενσωματώσουν άλλα βακτήρια γιατί η εξωτερική μεμβράνη-τους δεν είναι εύκαμπτη (σε αντίθεση με τα ευκαρυωτικά κύτταρα, που όπως ήδη είπαμε έχουν εύκαμπτη μεμβράνη — ας σκεφτούμε τις αμοιβάδες). Αλλά μερικά βακτήρια επιτίθενται σε άλλα, ανοίγοντας μια οπή στην κυτταρική μεμβράνη. Μπαίνουν και κλείνουν την οπή πίσω-τους, εγκαθίστανται, και οξειδώνουν τα περιεχόμενα του οικοδεσπότη, τον οποίο σκοτώνουν αφού πρώτα διαιρεθούν και πολλαπλασιαστούν. Στη συνέχεια συνεχίζουν τον κύκλο-τους με άλλα βακτήρια–θύματα. Κάποιοι οικοδεσπότες όμως, εξελισσόμενοι γενεά προς γενεά, αναπτύσσουν βιοχημική αντίσταση σε τέτοιους εισβολείς, περικλείοντάς τους με μια μεμβράνη. Ο εισβολέας τότε αρχίζει να χρησιμοποιεί τα απόβλητα του οικοδεσπότη (π.χ. το γαλακτικό οξύ), αντί να επιτίθεται στις ζωτικής σημασίας δομές-του (πρωτεΐνες). Παράλληλα, ο οικοδεσπότης επωφελείται από την οξειδωτική ικανότητα του εισβολέα, που διασπά τους απλούς υδατάνθρακες εκλύοντας πολλή ενέργεια. Ο εισβολέας γίνεται το “εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας” του οικοδεσπότη. Έτσι έχουμε μια ενδοσυμβιωτική σχέση που είναι επωφελής και για τους δύο οργανισμούς. Αυτή ακριβώς είναι η δράση των μιτοχονδρίων μέσα στα ευκαρυωτικά κύτταρα.

Σχηματική παράσταση μιτοχονδρίου

Υπάρχουν πολλές ενδείξεις που υποστηρίζουν τη θεωρία οτι τα μιτοχόνδρια προέρχονται από βακτήρια–εισβολείς:

• Το ευκαρυωτικό κύτταρο δεν μπορεί να κατασκευάσει μιτοχόνδρια. Τα μιτοχόνδρια είναι αυτόνομα, πολλαπλασιαζόμενα εντός του κυττάρου με το δικό-τους τρόπο, διαιρούμενα, έχοντας το δικό-τους DNA. Η διαίρεσή τους είναι απλή και δεν μοιάζει καθόλου με τη διαίρεση των ευκαρύων που, όπως αναφέρθηκε, είναι πολύπλοκη και ονομάζεται μίτωση.

• Τα μιτοχόνδρια (και οι χλωροπλάστες) χωρίζονται από το υπόλοιπο ευκαρυωτικό κύτταρο με μια μεμβράνη την οποία δημιουργεί το ευκαρυωτικό κύτταρο. Ήτοι, ενώ τα μιτοχόνδρια (και οι χλωροπλάστες) έχουν τη δική-τους κυτταρική μεμβράνη, αυτή περικλείεται από μια άλλη που ανήκει στο ευκαρυωτικό κύτταρο, σαν το τελευταίο να “απομονώνει” το οργανίδιο.

• Το DNA των μιτοχονδρίων (και των χλωροπλαστών) είναι παρόμοιο με εκείνο των προκαρύων, ενώ δεν μοιάζει καθόλου με το DNA των ευκαρύων.

• Κάποια μόρια RNA των μιτοχονδρίων (και χλωροπλαστών) έχουν έναν βρόχο (loop) στη δομή-τους, γνωστό ως “προκαρυωτικό βρόχο”, τον οποίο έχουν μόνο τα ελεύθερα προκάρυα, αλλά όχι τα ευκάρυα.

• Τα ριβοσώματα των μιτοχονδρίων (και χλωροπλαστών) είναι μικρά και μοιάζουν με εκείνα των προκαρύων, ενώ τα ριβοσώματα των ευκαρύων είναι μεγαλύτερα.

• Τόσο τα μιτοχόνδρια (και οι χλωροπλάστες) όσο και τα περισσότερα ελεύθερα προκάρυα δηλητηριάζονται από τις ουσίες στρεπτομυκίνη και την τετρακυκλίνη, ενώ το κυτταρόπλασμα των ευκαρύων δεν επηρεάζεται από τις ουσίες αυτές.

Χλωροπλάστες

Όπως τα μιτοχόνδρια, έτσι και οι χλωροπλάστες θεωρείται οτι προέρχονται από βακτήρια που ενσωματώθηκαν σε μεγαλύτερα βακτήρια, και αυτά τα συστήματα ενδοσυμβίωσης, ως ευκαρυωτικά κύτταρα πλέον, αποτέλεσαν τους προγόνους των φυτών.

Θα μπορούσε να υποθέσει κανείς οτι τα φυτά εξελίχθηκαν κατευθείαν από φωτοσυνθετικά βακτήρια. Αυτό όμως δεν φαίνεται να έχει συμβεί. Η φωτοσύνθεση των φυτών δεν συντελείται στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων, αλλά σε οργανίδιά τους: τους χλωροπλάστες, που μοιάζουν και συμπεριφέρονται σαν απλά φωτοσυνθετικά βακτήρια. Ένα πιθανό σενάριο για τον τρόπο με τον οποίο έγινε η εξέλιξη των φυτών είναι το ακόλουθο.

Όταν τα ευκαρυωτικά κύτταρα είχαν πλέον αποκτήσει εύκαμπτη κυτταρική μεμβράνη, το να περικλείουν και να απομυζούν άλλα κύτταρα (βακτήρια) ή κομμάτια τροφής θα ήταν ένας προφανής τρόπος για να συλλέγουν ενέργεια. Τα κύτταρα δηλαδή αυτά είχαν τον τρόπο ζωής των ζώων. Κάποια κυανοβακτήρια που περικλείστηκαν από ένα αμοιβαδοειδές ευκαρυωτικό κύτταρο (“οικοδεσπότη”, αν και αρχικά κυνηγό) μπορεί να αντιστάθηκαν στην πέψη επί αρκετό χρόνο και να συνέχισαν να φωτοσυνθέτουν μέσα στο μεγαλύτερο κύτταρο. Τα κυανοβακτήρια πάντοτε αφήνουν να διαρρεύσουν κάποια από τα προϊόντα-τους διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης. Το μεγαλύτερο κύτταρο θα επωφελήθηκε από τα προϊόντα αυτά, μεγαλώνοντας και διαιρούμενο προτού να ολοκληρωθεί η διαδικασία της πέψης των κυανοβακτηρίων. Αλλά και τα κυανοβακτήρια επωφελήθηκαν έχοντας μια μόνιμη πηγή θρεπτικών συστατικών στο εσωτερικό του κυττάρου, πηγή πιο πλούσια απ’ ότι όταν ζούσαν μεμονωμένα. Με την πάροδο των γενεών, ο οικοδεσπότης άρχισε να εξαρτάται τόσο πολύ από τη φωτοσυνθετική ικανότητα των “επισκεπτών-του”, που σταδιακά εγκατέλειψε τον “ζωικό” τρόπο ζωής (δηλ. την κίνηση και το κυνήγι της τροφής), απέκτησε ισχυρή και άκαμπτη μεμβράνη από κυτταρίνη, εγκαταστάθηκε σε περιβάλλοντα με φως, και προσαρμόστηκε στον τρόπο ζωής που σήμερα ονομάζουμε “φυτικό”.

Σχηματική παράσταση χλωροπλάστη

Απ’ όσο μπορούμε να γνωρίζουμε, η εξέλιξη των κυανοβακτηρίων σε χλωροπλάστες πρέπει να συνέβη μόνο μία φορά, περίπου 1.000 Ma. Το οτι οι χλωροπλάστες έχουν ιδιότητες βακτηρίων το είδαμε στην ενότητα περί μιτοχονδρίων, παραπάνω. Οι χλωροπλάστες, μάλιστα, έχουν συγκεκριμένα ιδιότητες κυανοβακτηρίων.

Βλέπουμε λοιπόν οτι ο “ζωικός τρόπος ζωής”, κατά πάσαν πιθανότητα, εμφανίστηκε πρώτα, ενώ ακολούθησε ο “φυτικός τρόπος ζωής”. Πάντως στο στάδιο αυτό μιλάμε μόνο για “τρόπους ζωής”, και όχι για “ζώα” ή “φυτά”, γιατί οι οργανισμοί για τους οποίους συζητούμε ανήκουν είτε στα βακτήρια, είτε στα “πρώτιστα” (μονοκύτταροι ευκαρυωτικοί οργανισμοί).

“Ανακάλυψη” της σεξουαλικής αναπαραγωγής

Γύρω στα 1200 Ma εμφανίστηκε ο πρώτος οργανισμός, ένα άγνωστο πρώτιστο, ο οποίος “ανακάλυψε” τη σεξουαλική αναπαραγωγή. Ήτοι, αντί το κύτταρο να σχάται στα δύο και να δημιουργεί αντίγραφα του εαυτού-του, άρχισε να δημιουργεί ζεύγη κυττάρων, όπου και τα δύο μέλη του ζεύγους συνεισέφεραν το γενετικό υλικό-τους δημιουργώντας νέους απογόνους. Στην αρχική-της μορφή, η σεξουαλική αναπαραγωγή δεν περιελάμβανε “αρσενικό” και “θηλυκό” κύτταρο, αλλά δύο παρόμοια, ισοδύναμα κύτταρα. Στο θέμα της σεξουαλικής αναπαραγωγής έχουμε να εξετάσουμε το πώς “ανακαλύφθηκε”, και το γιατί “ανακαλύφθηκε”.

Πώς έγινε η “ανακάλυψη”. Η πρώτη σεξουαλική αναπαραγωγή πιθανώς έμοιαζε με εκείνη που βλέπουμε ακόμη και σήμερα σε κάποια είδη άλγης, όπως αυτές του γένους Ulothrix (είδος φυτού).

Διάγραμμα ζωής της άλγης Ulothrix (α). Κατά την ασεξουαλική αναπαραγωγή (β), κάθε ζωοσπόριο βλασταίνει σε νήμα με την ίδια γενετική δομή όπως το νήμα του γονέα. Κατά τη σεξουαλική αναπαραγωγή (γ), οι γαμέτες ενώνονται για να σχηματίσουν ένα διπλοειδή ζυγώτη, ο οποίος υφίσταται μείωση ώστε να σχηματίσει τέσσερα ζωοσπόρια νέων γενετικών τύπων.

Σε άλγες όπως το Ulothrix, συνυπάρχουν και τα δύο είδη αναπαραγωγής: τόσο η ασεξουαλική, όσο και η σεξουαλική. Κατά την ασεξουαλική αναπαραγωγή, 

Σ Υ Ν Ε Χ Ι Ζ Ε Τ Α Ι . . .