- Osa 1: Kuinka tehdä häkki -
- Toinen osa: Jako tiedemiesten joukossa -
- Kolmas osa: etsien ensimmäistä replikaattoria -
- Osa viisi: niin miten luot solun? -
- Kuudes osa: Suuri yhdistyminen -
Luvussa 2 opimme kuinka tutkijat jakautuivat kolmeen ajattelukuntaan pohtien elämän alkuperää. Yksi ryhmä oli vakuuttunut siitä, että elämä alkoi RNA-molekyylillä, mutta ei kyennyt osoittamaan, kuinka RNA tai vastaavat molekyylit voivat muodostaa spontaanisti varhaisessa maapallossa ja sitten tehdä kopioita itsestään. Heidän ponnistelunsa olivat aluksi rohkaisevia, mutta lopulta vain pettymys pysyi. Muut elämän alkuperän tutkijat, jotka ovat seuranneet eri polkuja, ovat kuitenkin keksineet joitain tuloksia.
RNA-maailman teoria perustuu yksinkertaiseen ajatukseen: tärkein asia, jonka elävä organismi voi tehdä, on itsensä lisääntyminen. Monet biologit ovat samaa mieltä tästä. Bakteerista sinivaaliin, kaikilla elävillä asioilla pyritään saamaan jälkeläisiä.
Monet elämän alkuperän tutkijat eivät kuitenkaan pidä lisääntymistä perustavanlaatuisena. Ennen kuin organismi voi lisääntyä, heidän on sanottava, että sen täytyy tulla omavaraiseksi. Hänen on pidettävä itsensä hengissä. Loppujen lopuksi sinulla ei voi olla lapsia, jos kuolet ensin.
Pidämme itsemme elossa kuluttamalla ruokaa; vihreät kasvit tekevät tämän uuttamalla energiaa auringonvalosta. Ensi silmäyksellä mehukas pihvi syövä ihminen on hyvin erilainen kuin lehtipuusta tammea, mutta kun katsot sitä, he molemmat tarvitsevat energiaa.
Tätä prosessia kutsutaan metaboliaksi. Ensin täytyy saada energiaa; Oletetaan, että energiarikkaista kemikaaleista, kuten sokerista. Sitten sinun on käytettävä tätä energiaa rakentaaksesi jotain hyödyllistä, kuten soluja.
Tämä energiankäyttöprosessi on niin tärkeä, että monet tutkijat katsovat sen olevan ensimmäinen, josta elämä alkoi.
Tulivuoren vesi on kuumaa ja runsaasti mineraaleja
Mainosvideo:
Miltä nämä vain aineenvaihduntaa aiheuttavat organismit näyttäisivät? Yhden mielenkiintoisimman oletuksen teki 1980-luvun lopulla Gunther Wachtershauser. Hän ei ollut kokopäiväinen tiedemies, vaan pikemminkin patenttiasiamies, jolla oli vähän kemian tuntemusta.
Wachtershauser ehdotti, että ensimmäiset organismit olivat "radikaalisti erilaisia kuin mitä tiesimme". Niitä ei tehty soluista. Heillä ei ollut entsyymejä, DNA: ta tai RNA: ta. Ei, sen sijaan Wachtershauser kuvitteli tulivuoresta virtaavan kuuman veden virran. Tässä vedessä on runsaasti vulkaanisia kaasuja, kuten ammoniakkia, ja se sisältää jälkiä mineraaleista tulivuoren sydämestä.
Missä vesi virtaa kivien läpi, kemiallisia reaktioita alkoi tapahtua. Erityisesti veden metallit auttoivat yksinkertaisia orgaanisia yhdisteitä sulautumaan suuremmiksi. Käännekohta oli ensimmäisen metabolisen syklin luominen. Se on prosessi, jossa yksi kemikaali muutetaan useiksi muiksi kemikaaleiksi, kunnes alkuperäinen lopulta luodaan uudelleen. Prosessissa koko järjestelmä kerää energiaa, jota voidaan käyttää syklin käynnistämiseen uudelleen - ja muihin asioihin.
Kaikki muu, joka muodostaa modernin organismin - DNA, solut, aivot - ilmestyi myöhemmin, näiden kemiallisten syklien päälle. Nämä aineenvaihduntajaksot eivät juurikaan muistuta elämää. Wachtershauser kutsui keksintöänsä "organismien esiasteiksi" ja kirjoitti, että "niitä tuskin voi kutsua eläviksi".
Mutta Wachtershauserin kuvaamien kaltaiset aineenvaihduntajaksot ovat kaiken elämän ydin. Solusi ovat pääosin mikroskooppisia kemiallisia tehtaita, jotka tislaavat jatkuvasti ainetta toiseksi. Aineenvaihduntajaksoja ei voida kutsua elämäksi, mutta ne ovat elintärkeitä.
1980- ja 1990-luvuilla Wachtershauser työskenteli teoriansa yksityiskohtien parissa. Hän kertoi, mitkä mineraalit olisivat sopivimpia ja mitkä kemialliset syklit voisivat tapahtua. Hänen ideansa alkoivat houkutella kannattajia.
Mutta kaikki tämä oli puhtaasti teoreettista. Wachtershauser tarvitsi todellista löytöä tukeakseen ideoitaan. Onneksi se oli jo tehty kymmenen vuotta aikaisemmin.
Lähteet Tyynenmeren alueella
Vuonna 1977 Jack Corlissin johtama ryhmä Oregonin yliopistosta upposi 2,5 kilometriä itäiseen Tyynenmereen. He tutkivat Galapagosin kuumia lähteitä paikoissa, joissa korkeat harjanteet nousivat merenpohjasta. Nämä harjat olivat vulkaanisesti aktiivisia.
Corliss havaitsi, että nämä harjanteet oli kirjaimellisesti pistetty kuumilla lähteillä. Kuuma, kemikaalirikas vesi nousee merenpohjan alapuolelta ja virtaa kallioreikien läpi.
Uskomatta, nämä hydrotermiset tuuletusaukot olivat tiheästi asuttuja omituisten eläinten kanssa. Siellä oli valtavia simpukoita, simpukoita ja annelideja. Vesi oli myös voimakkaasti kyllästetty bakteereilla. Kaikki nämä organismit elivät hydrotermisten tuuletusaukkojen energialla.
Näiden lähteiden löytö antoi Corlissille nimen. Ja se sai minut ajattelemaan. Vuonna 1981 hän ehdotti, että tällaisia tuuletusaukkoja oli maapallolla neljä miljardia vuotta sitten ja että niistä tulisi elämän lähtöpaikka. Hän on omistanut leijonan osan urastaan tutkia tätä aihetta.
Hydrotermisillä tuuletusaukkoilla on outo elämä
Corliss ehdotti, että hydrotermiset tuuletusaukot voisivat luoda kemikaalien cocktaileja. Jokainen lähde, hän sanoi, oli eräänlainen suihke ensisijaisesta liemestä.
Kuuman veden virtautuessa kivien läpi lämpö ja paine saivat yksinkertaiset orgaaniset yhdisteet sulamaan monimutkaisemmiksi, kuten aminohapoiksi, nukleotideiksi ja sokereiksi. Lähempänä meren rajaa, jossa vesi ei ollut niin kuuma, he alkoivat linkittää ketjuissa - muodostaa hiilihydraatteja, proteiineja ja nukleotideja, kuten DNA. Sitten, kun vesi lähestyi merta ja jäähtyi vielä enemmän, nämä molekyylit kokoontuivat yksinkertaisiin soluihin.
Oli mielenkiintoista, teoria kiinnitti ihmisten huomion. Mutta Stanley Miller, jonka kokeesta keskustelimme ensimmäisessä osassa, ei uskonut sitä. Vuonna 1988 hän kirjoitti, että syvät tuuletusaukot olivat liian kuumia.
Vaikka voimakas lämpö voi tuottaa kemikaaleja, kuten aminohappoja, Millerin kokeet osoittivat, että se voi myös tuhota ne. Emäksiset yhdisteet, kuten sokerit, "voisivat säilyä muutaman sekunnin, enempää." Lisäksi nämä yksinkertaiset molekyylit eivät todennäköisesti sitoutu ketjuihin, koska ympäröivä vesi hajottaisi ne välittömästi.
Tässä vaiheessa geologi Mike Russell liittyi taisteluun. Hän uskoi, että hydrotermisten tuuletusaukkojen teoria voi olla aivan oikea. Lisäksi hänelle näytti, että nämä lähteet olisivat ihanteellinen koti Wachtershauser-organismin edeltäjille. Tämä inspiraatio sai hänet luomaan yhden yleisimmin hyväksytyistä teorioista elämän alkuperästä.
Geologi Michael Russell
Russellin uralla oli paljon mielenkiintoisia asioita - hän sai aspiriinia etsimään arvokkaita mineraaleja - ja yhdellä 1960-luvun merkittävällä tapahtumalla hän koordinoi vastausta mahdolliseen tulivuorenpurkaukseen valmistelun puutteesta huolimatta. Mutta hän oli kiinnostuneempi siitä, kuinka Maan pinta muuttui eonejen yli. Tämä geologinen näkökulma herätti hänen ajatuksiaan elämän alkuperästä.
1980-luvulla hän löysi fossiilisia todisteita vähemmän turbulenttisesta hydrotermisestä laskimotyypistä, jonka lämpötilat eivät ylittäneet 150 celsiusastetta. Hänen mukaansa nämä lievät lämpötilat voisivat antaa elämän molekyyleille elää pidempään kuin Miller ajatteli.
Lisäksi näiden "viileiden" tuuletusaukkojen fossiiliset jäännökset sisälsivät jotain outoa: raudasta ja rikistä koostuva mineraalipyriitti oli muodostunut halkaisijaltaan 1 mm: n putkiin. Laboratoriossa työskennellessään Russell huomasi, että pyriitti voi myös muodostaa pallomaisia pisaroita. Ja hän ehdotti, että ensimmäiset monimutkaiset orgaaniset molekyylit olisivat voineet muodostua näiden yksinkertaisten pyridirakenteiden sisälle.
Rautapyritti
Se oli noin tällä kertaa, että Wachtershauser alkoi julkaista ideoitaan, jotka perustuivat mineraalien läpi virtaavan kuuman, kemiallisesti rikastetun veden virtaukseen. Hän jopa ehdotti, että pyrite olisi mukana.
Russell lisäsi kaksi plus kaksi. Hän ehdotti, että hydrotermiset tuuletusaukot syvällä meressä, riittävän kylmiä, jotta pyriittirakenteet voisivat muodostua, Wachtershauser-organismien esiintymät. Jos Russell oli oikeassa, elämä alkoi meren pohjasta - ja aineenvaihdunta ilmestyi ensin.
Russell kokosi kaiken paperiin, joka julkaistiin vuonna 1993, 40 vuotta Millerin klassisen kokeen jälkeen. Se ei tuottanut samaa mediahäiriötä, mutta se oli kiistatta tärkeämpi. Russell on yhdistänyt kaksi näennäisesti erillistä ajatusta - Wachtershauser-aineenvaihdunnan syklit ja Corliss-hydrotermiset tuuletusaukot - jotain todella vakuuttavaa.
Russell tarjosi jopa selityksen siitä, kuinka ensimmäiset organismit saivat energiansa. Eli hän ymmärsi, kuinka heidän aineenvaihdunta voisi toimia. Hänen ajatuksensa perustui yhden unohdetun modernin tieteen nerojen työhön.
Peter Mitchell, Nobel-palkinnon saaja
Biokemisti Peter Mitchell sairastui 1960-luvulla ja joutui jäämään eläkkeelle Edinburghin yliopistosta. Sen sijaan hän perusti yksityisen laboratorion syrjäiseen tilaan Cornwallissa. Tiedeyhteisöstä erillään hän rahoitti työtä lypsylehmien laumalla. Monet biokemistit, mukaan lukien Leslie Orgel, jonka työ RNA: n suhteen keskustelemme toisessa osassa, pitivät Mitchellin ideoita täysin naurettavina.
Muutamia vuosikymmeniä myöhemmin Mitchell odotti ehdotonta voittoa: vuoden 1978 Nobelin kemian palkintoa. Hänestä ei tullut kuuluisa, mutta hänen ideansa ovat jokaisessa biologian oppikirjassa. Mitchell vietti uransa selvittääkseen, mitä organismit tekevät ruoasta saamansa energian kanssa. Periaatteessa hän ihmetteli, kuinka me kaikki onnistumme pysymään hengissä sekunnissa.
Hän tiesi, että kaikki solut varastoivat energiansa yhdessä molekyylissä: adenosiinitrifosfaatissa (ATP). Kolmen fosfaatin ketju on kiinnitetty adenosiiniin. Kolmannen fosfaatin lisääminen vaatii paljon energiaa, joka lukitaan sitten ATP: hen.
Kun solu tarvitsee energiaa - esimerkiksi kun lihas supistuu -, se hajottaa kolmannen fosfaatin ATP: ksi. Tämä muuntaa ATP: n adenosidifosfaatiksi (ADP) ja vapauttaa varastoitunutta energiaa. Mitchell halusi tietää kuinka solu tekee ATP: stä yleensä. Kuinka se tallentaa tarpeeksi energiaa ADP: hen kolmannen fosfaatin kiinnittämiseksi?
Mitchell tiesi, että ATP: tä tekevä entsyymi oli kalvossa. Siksi oletin, että solu pumppaa varautuneita hiukkasia (protoneja) kalvon läpi, niin paljon protoneja on toisella puolella, mutta ei toisella.
Protonit yrittävät sitten vuotaa takaisin kalvon läpi protonien lukumäärän tasapainottamiseksi molemmilla puolilla - mutta ainoa paikka, jonka ne pääsevät läpi, on entsyymi. Virtaavien protonien virtaus antoi täten entsyymille tarvittavan energian ATP: n luomiseksi.
Mitchell esitteli ideansa ensimmäisen kerran vuonna 1961. Hän vietti seuraavat 15 vuotta puolustaen häntä kaikilta puolilta, kunnes todisteet olivat kiistattomia. Tiedämme nyt, että Mitchell-prosessia käyttää kaikki maapallon elävät asiat. Tällä hetkellä se virtaa soluissasi. Kuten DNA, se on tunnetun elämän taustalla.
Russell lainasi Mitchelliltä protonigradientin idean: kalvon toisella puolella on paljon protoneja ja toisella vähän. Kaikki solut tarvitsevat protonigradientin energian varastoimiseksi.
Nykyaikaiset solut luovat kaltevuuksia pumppaamalla protoneja membraanien yli, mutta tämä vaatii monimutkaisen molekyylimekanismin, joka ei yksinkertaisesti pystynyt esiinnymään yksinään. Joten Russell otti uuden loogisen askeleen: elämän piti muodostaa jonnekin luonnollisen protonigradientin avulla.
Esimerkiksi jossain lähellä hydrotermisiä tuuletusaukkoja. Mutta sen on oltava erityyppinen lähde. Kun maa oli nuori, meret olivat happamia, ja happamassa vedessä on paljon protoneja. Protonigradientin luomiseksi lähdeveden on oltava vähän protoneja: sen on oltava emäksistä.
Corlissin lähteet eivät sopineet. Ne eivät vain olleet liian kuumia, vaan myös hapania. Mutta vuonna 2000 Deborah Kelly Washingtonin yliopistosta löysi ensimmäiset alkaliset lähteet.
Kadonnut kaupunki
Kellyn oli tehtävä paljon töitä saadakseen tiedemiehen. Hänen isänsä kuoli opiskellessaan lukion ja hänet pakotettiin töihin jäädäkseen yliopistoon. Mutta hän selviytyi ja valitsi kiinnostuksensa aiheena vedenalaiset tulivuoret ja kuumien hydrotermisten lähteiden palamisen. Tämä pari toi hänet Atlantin valtameren keskustaan. Tässä vaiheessa maankuori murtui ja merenpohjasta nousi vuoristo.
Tällä harjanteella Kelly löysi hydrotermisten tuuletusaukkojen kentän, jota hän kutsui "kadonneeksi kaupunkiin". Ne eivät näyttäneet Corlissin löytämistä. Vesi virtaa heistä ulos lämpötilassa 40-75 celsiusastetta ja oli lievästi emäksinen. Tämän veden karbonaattimineraalit rypistyivät toisiinsa jyrkkiksi valkoisiksi "savupölyiksi", jotka nousivat merenpohjasta kuin elinputket. Ne näyttävät kammolta ja aavemaiselta, mutta eivät ole: he ovat monien mikro-organismien koti.
Nämä alkaliset tuuletusaukot sopivat täydellisesti Russellin ideoihin. Hän uskoi vakaasti, että elämä ilmaantui sellaisissa "kadonneissa kaupungeissa". Mutta siinä oli yksi ongelma. Geologina hän ei tiennyt paljon biologisista soluista esittääkseen teoriaansa vakuuttavasti.
Pilari savua "mustasta tupakointitilasta"
Joten Russell ryhtyi biologi William Martinin kanssa. Vuonna 2003 he esittelivät parannetun version Russellin aikaisemmista ideoista. Ja tämä on luultavasti paras teoria elämän syntymisestä tällä hetkellä.
Kellyn ansiosta he tiesivät nyt, että alkalilähteiden kivet olivat huokoisia: niissä oli pieniä, vedellä täytettyjä reikiä. Heidän mukaansa nämä pienet taskut toimivat "soluina". Jokainen tasku sisälsi peruskemikaaleja, mukaan lukien pyrite. Yhdistettynä lähteistä peräisin olevaan luonnolliseen protonigradientiin, ne olivat täydellinen paikka aineenvaihdunnan aloittamiseen.
Sen jälkeen kun elämä oppi valjastamaan lähdevesien energiaa, Russell ja Martin sanovat, että se alkoi luoda molekyylejä, kuten RNA. Lopulta hän loi membraanin itselleen ja siitä tuli todellinen solu, joka pakeni huokoisesta kalliosta avoimeen veteen.
Tällaista juoniä pidetään tällä hetkellä yhtenä johtavasta hypoteesista elämän alkuperästä.
Solut pakenevat hydrotermisistä tuuletusaukkoista
He saivat tukea heinäkuussa 2016, kun Martin julkaisi tutkimuksen, jossa rekonstruoitiin joitain "viimeisen yleisen yhteisen esi-isän" (LUCA) yksityiskohtia. Se on organismi, joka asui miljardeja vuosia sitten ja josta kaikki nykyinen elämä on lähtöisin.
On epätodennäköistä, että löydämme koskaan suoria kivettyneitä todisteita tämän organismin olemassaolosta, mutta silti voimme tehdä varsin koulutettuja arvauksia siitä, miltä se näytti ja mitä se teki tutkiessaan nykypäivän mikro-organismeja. Tätä Martin teki.
Hän tutki 1930 nykyaikaisten mikro-organismien DNA: ta ja tunnisti 355 geeniä, joita melkein kaikilla oli. Tämä on vakuuttava todiste näiden 355 geenin siirtämisestä sukupolvien ja sukupolvien kautta yhteisestä esi-isästä - aikaan, jolloin viimeinen yleinen yhteinen esi-isä asui.
Nämä 355 geeniä saavat jonkin verran käyttämään protonigradienttia, mutta eivät muodostamaan sitä, kuten Russell ja Martin ennustivat. Lisäksi LUCA näyttää mukautuneen metaanin kaltaisten kemikaalien läsnäoloon, mikä viittaa siihen, että se asui vulkaanisesti aktiivisessa, tuuletusmaisessa ympäristössä.
"RNA-maailman" hypoteesin puolustajat viittaavat kahteen tämän teorian ongelmaan. Yksi voidaan kiinnittää; toinen voi olla kohtalokas.
Hydrotermiset lähteet
Ensimmäinen ongelma on, että Russellin ja Martinin kuvaamille prosesseille ei ole olemassa kokeellista näyttöä. Heillä on vaiheittainen historia, mutta mitään näistä vaiheista ei ole havaittu laboratoriossa.
"Ihmiset, jotka uskovat, että kaikki alkoi lisääntymisestä, löytävät jatkuvasti uutta kokeellista tietoa", sanoo Armen Mulkidzhanyan. "Metaboliasta vastaavat ihmiset eivät."
Mutta se voi muuttua Martinin kollegan Nick Lane'n (University College London) ansiosta. Hän rakensi "Elämänreaktorin alkuperä", joka simuloi alkalisen lähteen olosuhteita. Hän toivoo näkevänsä aineenvaihdunnan syklit ja ehkä jopa molekyylit, kuten RNA. Mutta se on liian aikaista.
Toinen ongelma on lähteiden sijainti syvänmeressä. Kuten Miller totesi vuonna 1988, pitkien ketjujen molekyylit, kuten RNA ja proteiinit, eivät voi muodostua vedessä ilman apuentsyymejä.
Monille tutkijoille tämä on kohtalokas argumentti. "Jos olet osaava kemia, sinusta ei tule lahjuksia ajatuksesta syvänmeren lähteistä, koska tiedät, että kaikkien näiden molekyylien kemia ei sovellu veteen", Mulkidzhanian sanoo.
Russell ja hänen liittolaisensa ovat kuitenkin edelleen optimistisia.
Vasta viimeisen vuosikymmenen aikana tuli esiin kolmas lähestymistapa, jota tuki epätavallisten kokeiden sarja. Se lupaa jotain, mitä RNA-maailma tai hydrotermiset tuuletusaukot eivät ole kyenneet saavuttamaan: tapa luoda koko solu tyhjästä. Lisää tästä seuraavassa osassa.
ILYA KHEL
- Osa 1: Kuinka tehdä häkki -
- Toinen osa: Jako tiedemiesten joukossa -
- Kolmas osa: etsien ensimmäistä replikaattoria -
- Osa viisi: niin miten luot solun? -
- Kuudes osa: Suuri yhdistyminen -