- Toinen osa: Jako tiedemiesten joukkoissa -
- Kolmas osa: etsien ensimmäistä replikaattoria -
- Osa neljä: protonien energia -
- Viides osa: niin miten luot solun? -
- Kuudes osa: Suuri yhdistyminen -
Nykyään elämä on valloittanut jokaisen neliösentimetrin maapallosta, mutta kun planeetta ensin muodostui, se oli kuollut kivi. Kuinka ja milloin maamerkkisiirto tapahtui? Kuinka elämä alkoi? Tuskin voi ajatella vakavaa, suurta ja monimutkaista kysymystä. Koko ihmiskunnan historian aikana kukaan epäili, että tämä oli jumalten liiketoimintaa. Mitään muuta selitystä ei voida ajatella.
Ei enempää. Viime vuosisadan aikana monet tutkijat ovat yrittäneet selvittää, mistä ensimmäinen elämä voisi alkaa. He jopa yrittivät luoda luomishetken laboratorioissaan: luoda täysin uuden elämän tyhjästä. Toistaiseksi kukaan ei ole onnistunut, mutta olemme edenneet pitkälle. Nykyään monet elämän alkuperää tutkivat tutkijat ovat vakuuttuneita siitä, että he ovat oikealla tiellä - ja heillä on kokeita, jotka tukevat heidän luottamustaan tähän.
Tämä on tarina pyrkimyksistämme selvittää todellinen alkuperämme. Se on tarina pakkomielle, kamppailuista ja loistavasta luovuudesta, joka johti modernin tieteen suurimpiin löytöihin. Halu ymmärtää elämän alkuperät lähetti miehet ja naiset planeettamme syrjäisimpiin nurkiin. Joitakin tutkijoita pidettiin lihan paholaisina, kun taas toiset jatkoivat työtä raa'iden totalitaaristen hallitusten peukalon alla.
Tämä on tarina elämän syntymästä maapallolla.
Itse asiassa dinosaurukset elivät niin kauan sitten.
Elämä on vanhaa. Dinosaurukset - kuuluisimmat sukupuuttoon kuolleet olennot - ilmestyivät 250 miljoonaa vuotta sitten. Mutta elämä alkoi paljon, paljon aikaisemmin.
Vanhin tunnettu fossiilinen ennätys on noin 3,5 miljardia vuotta vanha, 14 kertaa niin pitkä kuin vanhimmat dinosaurukset. Mutta fossiilitiedot voivat viedä meidät vielä pidemmälle. Esimerkiksi pelkästään elokuussa 2016 tutkijat löysivät fossiilisia mikrobia, joka on 3,7 miljardia vuotta vanha.
Mainosvideo:
Nämä aaltoilevat kuviot voivat olla 3,7 miljardia vuotta vanhoja
Itse maa ei ole paljon vanhempi, se on 4,5 miljardia vuotta vanha.
Jos oletetaan, että elämä on alkanut maapallolta - mikä vaikuttaa kohtuulliselta, koska emme vielä ole löytäneet sitä muualta - niin niin on tapahtunut miljardin vuoden kuluessa maapallon muodostumisen ja vanhimpien tunnettujen fossiilien ilmestymisen välillä.
Kaventamalla elämän mahdollisesti esiintyneen ajanjaksoa voimme tehdä koulutettuja arvauksia siitä, kuinka se tapahtui.
Elämäpuu: useimmat bakteerit ja arhaea
1800-luvulta lähtien biologit ovat tienneet, että kaikki elävät esineet koostuvat "soluista": pienistä elävän aineen säkkeistä, jotka ovat kaiken muotoisia ja kokoisia. Solut löydettiin ensimmäistä kertaa 1700-luvulla ensimmäisten mikroskooppien keksinnän ansiosta, mutta kesti yli sata vuotta ymmärtää, että ne olivat kaiken elämän perusta.
Et todellakaan näytä kuin monni tai tyrannosaurus, mutta mikroskooppi näyttää, että olet valmistettu käytännössä samoista soluista. Kuten kasvit ja sienet. Mutta toistaiseksi lukevin elämän muoto on mikro-organismit, jotka koostuvat yhdestä solusta. Bakteerit ovat tunnetuin ryhmä, ja niitä voi löytää kaikkialla maapallolla.
Huhtikuussa 2016 tutkijat esittivät päivitetyn version "elämäpuusta": tietyssä mielessä jokaisen elävän lajin sukupuu. Lähes kaikki oksat ovat bakteereja. Lisäksi näiden haarojen muoto viittaa siihen, että bakteerit olivat kaiken elämän yhteisiä esi-isiä. Toisin sanoen jokainen elävä olento - myös sinut - tuli bakteereista.
Osoittautuu, että voimme määritellä tarkemmin elämän alkuperän ongelman. Käyttämällä vain materiaaleja ja olosuhteita, jotka olivat maan päällä 3,5 miljardia vuotta sitten, meidän on tehtävä kenno.
Kuinka vaikeaa se on?
Koko elävä solu
Ensimmäiset kokeet
Koko historian ajan kukaan ei pitänyt tarpeellisena kysyä, kuinka elämä syntyi, koska vastaus näytti itsestään selvältä. 1800-luvulle saakka suurin osa ihmisistä uskoi "vitalismiin". Tämä on intuitiivinen ajatus siitä, että eläville asioille on annettu erityinen maaginen ominaisuus, joka erottaa ne elävistä esineistä.
Vitalismi on usein liitetty uskonnollisiin vakaumuksiin. Raamattu sanoo, että Jumala käytti "elämän henkeä" ensimmäisten ihmisten elvyttämiseen, ja kuolematon sielu on eräs muoto vitalismista.
On vain yksi ongelma. Vitalismi on täydellistä hölynpölyä.
1800-luvun alkupuolella tutkijat olivat löytäneet useita aineita, jotka näyttivät ainutlaatuiselta elämälle. Yksi sellainen yhdiste oli urea, jota löydettiin virtsasta ja erittyi vuonna 1799. Vain tämä mahtuu edelleen vitalismin käsitteeseen. Vain elävät esineet pystyivät tuottamaan näitä kemikaaleja, joten ne ilmeisesti pantiin elämän energiaan ja tämä teki niistä erityisiä.
Mutta vuonna 1828 saksalainen kemisti Friedrich Wöhler löysi tavan valmistaa urea tavallisesta kemikaalista, ammoniumsyanaatista, jolla ei ollut mitään selvää yhteyttä eläviin olosuhteisiin. Toiset seurasivat esimerkkiä, ja pian kävi selväksi, että elämän kemikaalit voidaan valmistaa yksinkertaisemmista kemikaaleista, joilla ei ollut mitään tekemistä elämän kanssa.
Friedrich Wöhler, saksalainen kemisti
Tämä päättyi vitalismiin tieteellisenä käsitteenä. Mutta ihmisten oli vaikea erota tästä ajatuksesta. Monille ihmisille näytti siltä, että sanonta, että elämän kemikaaleissa ei ollut mitään "erityistä", oli kuin sen taikuuden poistaminen elämästä, muuttamalla se mekaaniseksi tai sieluttomaksi. Ja tietysti se oli Raamatun vastaista.
Jopa tutkijat ovat yrittäneet pelastaa vitalismin. Englantilainen biokemisti Benjamin Moore edisti kiihkeästi jo vuonna 1913 "bioottisen energian" teoriaa, joka oli sama vitalismi, mutta eri nimellä. Tällä idealla oli voimakas emotionaalinen yläääni.
Jo tänäänkin, tämä ajatus esiintyy joskus täällä. Esimerkiksi on monia tieteiskirjallisuuksia, joissa "elämän energiaa" voidaan lisätä tai imeä pois. Ajattele "uusiutumisenergiaa", jota Time Lords käytti Doctor Who: ssä. Vaikuttaa epätavalliselta, mutta tämä on hyvin, hyvin vanha idea.
Vuoden 1828 jälkeen tutkijoilla oli kuitenkin hyvä syy etsiä "jumalatonta" selitystä elämän ensimmäisestä ilmestyksestä. Mutta he eivät. Vaikuttaa siltä, että tätä aihetta on tutkittava, mutta itse asiassa elämän alkuperän mysteeri on jätetty huomiotta vuosikymmenien ajan. Ehkä he olivat edelleen liian kiinni vitalismissa ottaakseen seuraavan askeleen.
Charles Darwin osoitti, että koko elämä oli peräisin yhdestä yhteisestä esiisästä
Sen sijaan biologian valtava harppaus 19. vuosisadalla oli Charles Darwinin ja muiden kehittämä evoluutioteoria.
Darwinin teoria, joka esitettiin julkaisussa Lajien alkuperä vuonna 1859, selitti, kuinka kaikki tämä elämän monimuotoisuus olisi voinut syntyä yhdestä yhteisestä esi-isästä. Jokainen yksittäinen laji ei ollut enää Jumalan luoma, vaan syntyi muinaisesta organismista, joka asui miljoonia vuosia sitten: viimeisimmästä yleisestä esi-isästä.
Tämä ajatus osoittautui erittäin kiistanalaiseksi jälleen, koska se ei sopinut Raamattuun. Darwin ja hänen ideansa joutuivat osittain järkyttyneiden kristittyjen hyökkäyksen kohteeksi.
Evoluutioteoria ei sanonut mitään siitä, kuinka ensimmäinen organismi ilmestyi.
Darwin uskoi, että elämä ilmestyi "lämpimään pieni lampi"
Darwin tiesi, että tämä oli syvällinen kysymys, mutta - pelkäten ehkä uusia kirkon iskuja - uskalsi keskustella siitä vasta vuonna 1871. Kirjeen myönteinen ääni osoittaa, että hän tiesi tämän kysymyksen syvän merkityksen:
"Mutta jos (ja oi, mikä iso" jos ") voisimme kuvitella pienen lämpimän lampin, jossa on kaikenlaista ammoniakkia ja fosforisuolaa - valolla, lämmöllä, sähköllä -, jossa proteiiniyhdiste muodostuisi kemiallisesti, valmis menemään läpi vielä enemmän monimutkaiset muutokset …"
Toisin sanoen entä jos pienessä vesistössä olisi kerran täynnä yksinkertaisilla orgaanisilla yhdisteillä ja kylpemässä auringonvalossa? Jotkut näistä yhdisteistä voivat yhdistyä muodostaakseen puoli-elävän aineen, kuten proteiinin, joka voi alkaa kehittyä ja tulla monimutkaisemmaksi.
Tämä idea oli pinnallinen. Mutta hän muodosti perustan ensimmäiselle hypoteesille elämän syntymisestä.
Kummallista kyllä, tämä hypoteesi esiintyi Neuvostoliitossa.
Alexander Oparin asui ja työskenteli Neuvostoliitossa
Stalinin aikana kaikki oli valtion valvonnassa. Jopa ihmisten, biologien ideat, jotka eivät liity kommunistiseen politiikkaan. Merkille pantavaa, Stalin todella kielsi tutkijoita tutustumasta tavanomaiseen genetiikkaan. Sen sijaan hän esitti viljelijä Trofim Lysenkon ideoita, jotka hänen mielestään olivat enemmän kommunistisen ideologian mukaisia. Genetiikan alalla työskentelevät tutkijat pakotettiin tukemaan Lysenkon ideoita julkisesti, jotta ne eivät päätyisi leireille.
Aleksanteri Oparin suoritti tutkimuksensa biokemian alalta niin sortavassa ympäristössä. Hän pystyi työskentelemään, koska hän oli omistautunut kommunisti: hän tuki Lysenkon ideoita ja jopa sai Lenin-järjestyksen, Neuvostoliiton korkeimman palkinnon.
Vuonna 1924 Oparin julkaisi teoksensa Elämän alkuperä. Siinä hän esitteli näkemyksensä elämän alkuperästä, joka oli hämmästyttävän samanlainen kuin Darwinin pieni lämmin lampi.
Maan jäähtymisen jälkeen muodostuneet valtameret
Oparin yritti kuvitella, millainen maa oli muodostumisen jälkeen. Pinta kuumeni, kun kiviä putosi avaruudesta. Hodgepodge puoliksi paisutettuja kiviä, jotka sisältävät valtavan määrän kemikaaleja, mukaan lukien hiilipohjaiset.
Lopulta maa jäähtyi tarpeeksi, jotta vesihöyry tiivistyi nestemäiseen veteen ja ensimmäinen sade alkoi sataa. Se täytti maapallon valtameret, jotka olivat kuumia ja runsaasti hiilipitoisia kemikaaleja. Mitä tarvitset elämää varten.
Aluksi eri kemikaalit olivat vuorovaikutuksessa keskenään muodostaen monia uusia yhdisteitä, joista jotkut olivat monimutkaisia. Opariini ehdotti, että elämälle välttämättömät molekyylit, sokerit ja aminohapot, olisivat voineet muodostua maan vesillä.
Sitten jotkut kemikaalit alkoivat muodostaa mikroskooppisia rakenteita. Monet orgaaniset aineet eivät liukene veteen: esimerkiksi öljyt muodostavat kerroksen veden päälle. Mutta kun jotkut näistä aineista joutuvat kosketuksiin veden kanssa, ne muodostavat pallomaisia "koacervoituja" palloja, joiden poikkipinta voi olla jopa 0,01 senttimetriä.
Jos katsot koacervaatteja mikroskoopin kautta, ne käyttäytyvät erittäin liikkuvasti, kuten elävät solut. Ne kasvavat ja muuttavat muotoaan, joskus jakautuen kahteen osaan. He voivat myös poimia kemikaaleja ympäröivästä vedestä, jotta he voivat päätyä elämämäisiin kemikaaleihin. Oparin ehdotti, että koacervaatit olivat nykyaikaisten solujen esi-isiä.
Viisi vuotta myöhemmin, vuonna 1929, englantilainen biologi John Burdon Sanderson Haldane ehdotti itsenäisesti hyvin samanlaisia ideoita Rationalist Annual -lehdessä julkaistussa lyhyessä artikkelissa.
Siihen mennessä Haldane oli jo osallistunut paljon evoluutioteoriaan auttamalla integroimaan Darwinin ideat kehittyvään genetiikan tieteeseen.
Englantilainen geneetikko J. Haldane
Kuten Oparin, myös Haldane kuvasi, kuinka orgaaninen aine voi kerääntyä veteen "siihen asti, että alkuperäiset valtameret saavuttivat kuuman, laimennetun keiton konsistenssin". Tämä asettaa vaiheen "ensimmäisille eläville tai osittain eläville asioille", jotka muodostuivat ja päätyivät ohutksi öljykalvoksi.
On merkittävää, että kaikista maailman biologista vain Oparin ja Haldane tulivat tähän. Ajatus siitä, että elävät organismit voidaan muodostaa yksinkertaisilla kemiallisilla reaktioilla, ilman Jumalaa tai edes "elämän voimaa", oli radikaali. Kuten Darwinin edeltämä evoluutioteoria, sekin oli isku kristinuskon edessä.
Mutta se sopii täydellisesti Neuvostoliiton puitteisiin. Neuvostoliiton hallinto oli virallisesti ateistinen, ja sen johtajat tukivat onnellisina kaikkia materialistisia selityksiä syvällisille ilmiöille, kuten elämälle. Haldane oli myös ateisti ja kommunisti.
"Tuolloin idean hyväksyminen tai hylkääminen riippui pääasiassa yksilöstä: oliko hän uskonnollinen, kannattiiko hän vasemmistolaisia tai kommunistisia ideoita", sanoo elämän alkuperän asiantuntija Armen Mulkidzhanian Osnabruckin yliopistosta Saksasta.”Neuvostoliitossa heidät vastaanotettiin ilolla, koska he eivät tarvinnut Jumalaa. Jos tarkastelemme länsimaissa ihmisiä, jotka ajattelivat tähän suuntaan, he olivat kaikki vasemmistolaisia, kommunisteja ja niin edelleen."
Ajatuksesta, että elämä muodostui orgaanisen aineen alkeellisessa liemessä, tuli Oparin-Haldane-hypoteesi. Hän oli siisti ja vakuuttava, mutta siinä oli yksi ongelma. Häntä ei tukenut mikään kokeellinen näyttö. Ja niin se jatkui melkein neljäsosa vuosisataa.
Harold Urey
Siihen mennessä, kun Harold Urey kiinnostui elämän lähteistä, hän oli jo voittanut 1934 Nobelin kemian palkinnon ja auttanut atomipommin rakentamisessa. Toisen maailmansodan aikana Juri työskenteli Manhattan-projektissa kerätäkseen epävakaa uraani-235, jota tarvitaan pommin ytimeen. Sodan jälkeen hän taisteli pitääkseen ydinteknologian siviilihallinnossa.
Hän kiinnostui myös avaruuden kemiasta, erityisesti siitä, mitä tapahtui aurinkokunnan muodostumisen aikana. Hän piti eräänä päivänä luennon ja totesi, että maapallon ilmakehässä ei todennäköisesti ollut happea sen muodostuessa. Tämä oli täydellinen täydennys Opariinin ja Haldanen primaariliemeen: herkkiä kemikaaleja voidaan tuhota kosketuksessa hapen kanssa.
Stanley Miller -niminen tohtoriopiskelija oli yleisössä ja lähestyi sitten Yuuria kysymykseen: voidaanko tätä ajatusta testata? Yuuri oli skeptinen, mutta Miller vaati itsensä. Joten Miller aloitti vuonna 1952 kuuluisimman elämän alkuperää koskevan kokeilun.
Miller-Ureyn koe
Asetukset olivat yksinkertaisia. Miller liitti sarjan lasipulloja ja ampui neljä kemikaalia, joita saattoi olla läsnä varhaisessa maapallossa: kiehuvaa vettä, vetykaasua, ammoniakkia ja metaania. Sitten hän kohdisti kaasut toistuviin sähköiskuihin simuloidakseen salamaiskuja, jotka olivat yleisiä maan päällä noina päivinä.
Miller totesi, että "injektiopullojen vesi muuttui huomattavasti niukeammaksi ensimmäisen päivän jälkeen, ja viikon loppuun mennessä liuos oli punaista ja sameaa". Ilmeisesti kemikaalien seos on muodostunut.
Seoksen analysoinnin jälkeen Miller havaitsi, että se sisältää kaksi aminohappoa: glysiiniä ja alaniinia. Aminohapoihin viitataan usein elämän rakennuspalikoina. Niitä käytetään muodostamaan proteiineja, jotka hallitsevat suurinta osaa kehomme biokemiallisista prosesseista. Miller rakensi kaksi olennaista elämän komponenttia alusta alkaen.
Tulokset julkaistiin arvostetussa Science-lehdessä vuonna 1953. Juri teki jotain hyvin epätavallista vanhempien tutkijoiden suhteen. Hän otti nimensä pois työstään ja antoi kaiken kunnianosoituksen Millerille. Tästä huolimatta tutkimusta kutsutaan usein Miller-Urey-kokeeksi.
Stanley Miller laboratoriossa
"Miller-Ureyn vahvuus on, että voit tuottaa monia biologisia molekyylejä vain ilmakehästä", sanoo John Sutherland molekyylibiologian laboratoriosta Cambridgessa, Iso-Britanniassa.
Yksityiskohdat osoittautuivat virheellisiksi, koska myöhemmät tutkimukset osoittivat, että varhaisen maan ilmapiiri oli erilainen kaasuseos. Mutta se ei muuta tosiasiaa. Kokeilu oli menestys, stimuloi yleisön mielikuvitusta ja räjähti tarjouksiin.
Millerin kokeilun jälkeen muut tutkijat alkoivat etsiä tapoja luoda yksinkertaisia biologisia molekyylejä tyhjästä. Ratkaisu elämän alkuperän mysteeriin näytti olevan tulossa.
Mutta sitten kävi ilmi, että elämä oli vaikeampaa kuin kukaan ajatteli. Elävät solut eivät olleet vain pusseja kemikaaleja: ne olivat pieniä pieniä koneita. Yhtäkkiä solun rakentaminen tyhjästä osoittautui paljon vaikeammaksi kuin tutkijat ajattelivat.
ILYA KHEL
- Toinen osa: Jako tiedemiesten joukkoissa -
- Kolmas osa: etsien ensimmäistä replikaattoria -
- Osa neljä: protonien energia -
- Viides osa: niin miten luot solun? -
- Kuudes osa: Suuri yhdistyminen -