- Część pierwsza: Jak zrobić klatkę -
- Część druga: Rozłam w szeregach naukowców -
- Część trzecia: w poszukiwaniu pierwszego replikatora -
- Część piąta: jak więc stworzyć komórkę? -
- Część szósta: Wielkie zjednoczenie -
W rozdziale drugim dowiedzieliśmy się, jak uczeni podzielili się na trzy szkoły myślenia, zastanawiając się nad początkami życia. Jedna grupa była przekonana, że życie zaczęło się od cząsteczki RNA, ale nie potrafiła wykazać, w jaki sposób RNA lub podobne cząsteczki mogą spontanicznie tworzyć się na wczesnej Ziemi, a następnie kopiować siebie. Początkowo ich wysiłki były zachęcające, ale ostatecznie pozostało tylko rozczarowanie. Jednak inni badacze pochodzenia życia, którzy podążali różnymi ścieżkami, osiągnęli pewne wyniki.
Teoria świata RNA opiera się na prostej idei: najważniejszą rzeczą, jaką może zrobić żywy organizm, jest rozmnażanie się. Wielu biologów zgodziłoby się z tym. Wszystkie żywe istoty, od bakterii po płetwale błękitne, dążą do posiadania potomstwa.
Jednak wielu badaczy pochodzenia życia nie uważa reprodukcji za fundamentalne. Mówią, że zanim organizm będzie mógł się rozmnażać, musi stać się samowystarczalny. Musi utrzymać się przy życiu. W końcu nie możesz mieć dzieci, jeśli umrzesz pierwszy.
Utrzymujemy się przy życiu, spożywając żywność; rośliny zielone robią to, pobierając energię ze światła słonecznego. Na pierwszy rzut oka osoba jedząca soczysty stek bardzo różni się od liściastego dębu, ale kiedy na to spojrzysz, oboje potrzebują energii.
Ten proces nazywa się metabolizmem. Najpierw musisz zdobyć energię; powiedzmy z bogatych w energię chemikaliów, takich jak cukier. Następnie musisz użyć tej energii do zbudowania czegoś pożytecznego, na przykład komórek.
Ten proces wykorzystywania energii jest tak ważny, że wielu badaczy uważa go za pierwszy, od którego zaczęło się życie.
Woda wulkaniczna jest gorąca i bogata w minerały
Film promocyjny:
Jak wyglądałyby te organizmy tylko metaboliczne? Jedno z najciekawszych założeń wysunął pod koniec lat osiemdziesiątych Gunther Wachtershauser. Nie był etatowym naukowcem, ale raczej prawnikiem patentowym z niewielką znajomością chemii.
Wachtershauser zasugerował, że pierwsze organizmy „radykalnie różniły się od wszystkiego, co znaliśmy”. Nie były zrobione z komórek. Nie mieli enzymów, DNA ani RNA. Nie, zamiast tego Wachtershauser wyobraził sobie strumień gorącej wody wypływający z wulkanu. Woda ta jest bogata w gazy wulkaniczne, takie jak amoniak, i zawiera śladowe ilości minerałów z serca wulkanu.
Tam, gdzie woda przepływała przez skały, zaczęły zachodzić reakcje chemiczne. W szczególności metale z wody pomogły prostym związkom organicznym połączyć się w większe. Punktem zwrotnym było stworzenie pierwszego cyklu metabolicznego. Jest to proces, w którym jedna substancja chemiczna jest przekształcana w wiele innych, aż do ostatecznego odtworzenia oryginału. W tym procesie cały system gromadzi energię, którą można wykorzystać do ponownego uruchomienia cyklu - i do innych celów.
Wszystko inne, co składa się na współczesny organizm - DNA, komórki, mózgi - pojawiło się później, poza tymi cyklami chemicznymi. Te cykle metaboliczne w ogóle nie przypominają życia. Wachtershauser nazwał swój wynalazek „prekursorami organizmów” i napisał, że „trudno ich nazwać żywymi”.
Ale cykle metaboliczne, takie jak te opisane przez Wachtershausera, są podstawą całego życia. Twoje komórki są zasadniczo mikroskopijnymi fabrykami chemicznymi, nieustannie destylującymi jedną substancję w drugą. Cykli metabolicznych nie można nazwać życiem, ale są one podstawą życia.
W latach 80. i 90. Wachtershauser pracował nad szczegółami swojej teorii. Nakreślił, które minerały będą najbardziej odpowiednie i jakie cykle chemiczne mogą mieć miejsce. Jego pomysły zaczęły przyciągać zwolenników.
Ale to wszystko było czysto teoretyczne. Wachtershauser potrzebował prawdziwego odkrycia, aby wesprzeć swoje pomysły. Na szczęście zrobiono to już dziesięć lat wcześniej.
Źródła na Pacyfiku
W 1977 roku zespół kierowany przez Jacka Corlissa z Oregon State University zanurzył się 2,5 kilometra w głąb wschodniego Pacyfiku. Badali gorące źródła Galapagos w miejscach, gdzie z dna morskiego wyrastały wysokie grzbiety. Te grzbiety były aktywne wulkanicznie.
Corliss odkrył, że te grzbiety były dosłownie usiane gorącymi źródłami. Gorąca, bogata w chemikalia woda wypływa spod dna morskiego i przepływa przez otwory w skałach.
Niewiarygodne, że te hydrotermalne kominy były gęsto zaludnione przez dziwne zwierzęta. Były tam ogromne małże, małże i pierścienice. Woda była również mocno nasycona bakteriami. Wszystkie te organizmy żyły dzięki energii kominów hydrotermalnych.
Odkrycie tych źródeł dało imię Corlissowi. I to dało mi do myślenia. W 1981 roku zasugerował, że takie otwory istniały na Ziemi cztery miliardy lat temu i stały się miejscem pochodzenia życia. Poświęcił lwią część swojej kariery na studiowanie tego zagadnienia.
Kominy hydrotermalne mają dziwne życie
Corliss zasugerował, że kominy hydrotermalne mogą tworzyć koktajle chemiczne. Powiedział, że każde źródło było rodzajem sprayu pierwotnego bulionu.
Gdy gorąca woda przepływała przez skały, ciepło i ciśnienie spowodowały, że proste związki organiczne zlały się w bardziej złożone, takie jak aminokwasy, nukleotydy i cukry. Bliżej granicy z oceanem, gdzie woda nie była tak gorąca, zaczęli wiązać się łańcuchami - tworząc węglowodany, białka i nukleotydy jak DNA. Następnie, gdy woda zbliżyła się do oceanu i ostygła jeszcze bardziej, cząsteczki te zebrały się w proste komórki.
To było interesujące, teoria przyciągnęła uwagę ludzi. Ale Stanley Miller, którego eksperyment omówiliśmy w pierwszej części, nie uwierzył. W 1988 roku napisał, że głębokie otwory wentylacyjne są zbyt gorące.
Chociaż intensywne ciepło może wytwarzać substancje chemiczne, takie jak aminokwasy, eksperymenty Millera wykazały, że może je również zniszczyć. Podstawowe związki, takie jak cukry, „mogą przetrwać kilka sekund, nie więcej”. Co więcej, jest mało prawdopodobne, aby te proste cząsteczki wiązały się w łańcuchy, ponieważ otaczająca woda natychmiast je rozdzieliła.
Na tym etapie do bitwy dołączył geolog Mike Russell. Uważał, że teoria kominów hydrotermalnych może być całkiem poprawna. Ponadto wydawało mu się, że źródła te będą idealnym domem dla prekursorów organizmu Wachtershausera. Ta inspiracja doprowadziła go do stworzenia jednej z najbardziej akceptowanych teorii pochodzenia życia.
Geolog Michael Russell
Kariera Russella miała wiele interesujących rzeczy - sprawił, że aspiryna szukała cennych minerałów - iw jednym niezwykłym incydencie w latach sześćdziesiątych skoordynował reakcję na możliwą erupcję wulkanu, pomimo braku przygotowania. Ale był bardziej zainteresowany tym, jak powierzchnia Ziemi zmieniała się na przestrzeni eonów. Ta perspektywa geologiczna dała początek jego pomysłom na temat powstania życia.
W latach osiemdziesiątych XX wieku odkrył skamieniałości mniej burzliwego typu żyły hydrotermalnej, w której temperatura nie przekraczała 150 stopni Celsjusza. Powiedział, że te łagodne temperatury mogą pozwolić cząsteczkom życia żyć dłużej, niż sądził Miller.
Co więcej, pozostałości kopalnych tych „chłodnych” otworów wentylacyjnych zawierały coś dziwnego: mineralny piryt, złożony z żelaza i siarki, uformował się w rurkach o średnicy 1 mm. Podczas pracy w laboratorium Russell odkrył, że piryt może również tworzyć kuliste kropelki. Zasugerował, że w tych prostych strukturach pirytowych mogły powstać pierwsze złożone cząsteczki organiczne.
Piryt żelazny
Mniej więcej w tym czasie Wachtershauser zaczął publikować swoje pomysły, które opierały się na przepływie gorącej, wzbogaconej chemicznie wody przepływającej przez minerały. Zasugerował nawet, że w grę wchodzi piryt.
Russell dodał dwa plus dwa. Zasugerował, że otwory hydrotermalne głęboko w morzu, wystarczająco zimne, aby umożliwić tworzenie się struktur pirytowych, są siedliskiem prekursorów organizmów Wachtershausera. Jeśli Russell miał rację, życie zaczęło się na dnie morza - i najpierw pojawił się metabolizm.
Russell zebrał to wszystko razem w artykule opublikowanym w 1993 roku, 40 lat po klasycznym eksperymencie Millera. Nie wywołało tego samego szumu w mediach, ale było prawdopodobnie ważniejsze. Russell połączył dwie pozornie odrębne idee - cykle metaboliczne Wachtershausera i hydrotermalne otwory wentylacyjne Corlissa - w coś naprawdę fascynującego.
Russell podał nawet wyjaśnienie, w jaki sposób pierwsze organizmy zdobywały energię. Oznacza to, że rozumiał, jak może działać ich metabolizm. Jego pomysł powstał na podstawie pracy jednego z zapomnianych geniuszy współczesnej nauki.
Peter Mitchell, laureat Nagrody Nobla
W latach sześćdziesiątych biochemik Peter Mitchell zachorował i został zmuszony do przejścia na emeryturę z Uniwersytetu w Edynburgu. Zamiast tego założył prywatne laboratorium na odległej posiadłości w Kornwalii. W izolacji od środowiska naukowego finansował swoją pracę przy stadzie krów mlecznych. Wielu biochemików, w tym Leslie Orgel, którego prace nad RNA omawialiśmy w części drugiej, uważało pomysły Mitchella za całkowicie śmieszne.
Kilka dekad później Mitchell czekał na absolutne zwycięstwo: Nagrodę Nobla w 1978 roku w dziedzinie chemii. Nie stał się sławny, ale jego pomysły znajdują się dziś w każdym podręczniku do biologii. Mitchell spędził swoją karierę, zastanawiając się, co organizmy robią z energią otrzymywaną z pożywienia. Zasadniczo zastanawiał się, jak nam wszystkim udaje się przeżyć w każdej sekundzie.
Wiedział, że wszystkie komórki przechowują swoją energię w jednej cząsteczce: trójfosforanie adenozyny (ATP). Do adenozyny przyłączony jest łańcuch trzech fosforanów. Dodanie trzeciego fosforanu wymaga dużej ilości energii, która jest następnie zamykana w ATP.
Kiedy komórka potrzebuje energii - na przykład, gdy mięsień się kurczy - rozkłada trzeci fosforan na ATP. To przekształca ATP w adenozydifosforan (ADP) i uwalnia zmagazynowaną energię. Mitchell chciał się dowiedzieć, jak ogólnie komórka wytwarza ATP. W jaki sposób magazynuje wystarczającą ilość energii w ADP, aby związać trzeci fosforan?
Mitchell wiedział, że enzym wytwarzający ATP znajduje się w błonie. Dlatego założyłem, że komórka przepompowuje naładowane cząstki (protony) przez membranę, tak wiele protonów jest po jednej stronie, ale nie po drugiej.
Protony następnie próbują przedostać się z powrotem przez błonę, aby zrównoważyć liczbę protonów po każdej stronie - ale jedynym miejscem, przez które mogą przejść, jest enzym. Przepływ przepływających protonów dostarczał zatem enzymowi energii potrzebnej do wytworzenia ATP.
Mitchell po raz pierwszy przedstawił swój pomysł w 1961 roku. Następne 15 lat spędził broniąc ją ze wszystkich stron, dopóki dowody nie były niepodważalne. Teraz wiemy, że proces Mitchella jest używany przez każdą żywą istotę na Ziemi. W tej chwili płynie w twoich komórkach. Podobnie jak DNA, stanowi podstawę życia, które znamy.
Russell zapożyczył od Mitchella ideę gradientu protonów: po jednej stronie błony znajduje się wiele protonów, a po drugiej niewiele. Wszystkie komórki potrzebują gradientu protonów do przechowywania energii.
Współczesne komórki tworzą gradienty poprzez pompowanie protonów przez błony, ale wymaga to złożonego mechanizmu molekularnego, który po prostu nie mógłby pojawić się samodzielnie. Więc Russell zrobił kolejny logiczny krok: życie musiało powstać gdzieś z naturalnym gradientem protonów.
Na przykład gdzieś w pobliżu kominów hydrotermalnych. Ale musi to być specjalny rodzaj źródła. Kiedy Ziemia była młoda, morza były kwaśne, aw kwaśnej wodzie jest wiele protonów. Aby stworzyć gradient protonów, woda źródłowa musi mieć niską zawartość protonów: musi być alkaliczna.
Źródła Corlissa nie pasowały. Nie tylko były zbyt gorące, ale także kwaśne. Ale w 2000 roku Deborah Kelly z University of Washington odkryła pierwsze źródła zasad.
Zagubione miasto
Kelly musiała ciężko pracować, aby zostać naukowcem. Jej ojciec zmarł, gdy kończyła liceum i została zmuszona do pracy, aby pozostać na studiach. Ale poradziła sobie i jako przedmiot jej zainteresowań wybrała podwodne wulkany i palące się gorące źródła hydrotermalne. Ta para przywiozła ją na środek Oceanu Atlantyckiego. W tym momencie skorupa ziemska pękła i z dna morskiego wyrósł grzbiet gór.
Na tej grani Kelly odkryła pole kominów hydrotermalnych, które nazwała „Zaginionym Miastem”. Nie wyglądały jak te znalezione przez Corlissa. Wypływała z nich woda o temperaturze 40-75 stopni Celsjusza i była lekko zasadowa. Minerały węglanowe z tej wody zlepiły się w strome, białe „smugi dymu”, które unosiły się z dna morskiego jak rurki organowe. Wyglądają przerażająco i upiornie, ale tak nie jest: są domem dla wielu mikroorganizmów.
Te alkaliczne otwory wentylacyjne idealnie pasują do pomysłów Russella. Mocno wierzył, że życie pojawia się w takich „zaginionych miastach”. Ale był jeden problem. Jako geolog nie wiedział zbyt wiele o komórkach biologicznych, aby w przekonujący sposób przedstawić swoją teorię.
Słup dymu z „czarnej palarni”
Więc Russell nawiązał współpracę z biologiem Williamem Martinem. W 2003 roku przedstawili ulepszoną wersję wcześniejszych pomysłów Russella. I to jest prawdopodobnie najlepsza obecnie teoria pojawienia się życia.
Dzięki Kelly wiedzieli teraz, że skały alkalicznych źródeł są porowate: były usiane małymi dziurkami wypełnionymi wodą. Zasugerowali, że te małe kieszonki działają jak „komórki”. Każda kieszeń zawierała podstawowe chemikalia, w tym piryt. W połączeniu z naturalnym gradientem protonów ze źródeł były idealnym miejscem do rozpoczęcia metabolizmu.
Kiedy życie nauczyło się wykorzystywać energię wód źródlanych, mówią Russell i Martin, zaczęło tworzyć cząsteczki takie jak RNA. W końcu stworzyła dla siebie membranę i stała się prawdziwą komórką, uciekającą z porowatej skały na otwartą wodę.
Taka fabuła jest obecnie uważana za jedną z wiodących hipotez na temat pochodzenia życia.
Komórki uciekają z kominów hydrotermalnych
W lipcu 2016 r. Zyskał poparcie, gdy Martin opublikował badanie rekonstruujące niektóre szczegóły dotyczące „ostatniego wspólnego przodka uniwersalnego” (LUCA). Jest to organizm, który żył miliardy lat temu i z którego pochodzi całe istniejące życie.
Jest mało prawdopodobne, że kiedykolwiek znajdziemy bezpośrednie skamieniałe dowody na istnienie tego organizmu, niemniej jednak możemy dobrze zgadnąć, jak wyglądał i co robił podczas badania współczesnych mikroorganizmów. To właśnie zrobił Martin.
Zbadał DNA współczesnych mikroorganizmów z 1930 roku i zidentyfikował 355 genów, które posiadał prawie każdy. Jest to przekonujący dowód na transfer tych 355 genów przez pokolenia i pokolenia od wspólnego przodka - mniej więcej w czasie, gdy żył ostatni wspólny przodek.
Te 355 genów włącza niektóre, aby używać gradientu protonów, ale nie do jego generowania, jak przewidywali Russell i Martin. Co więcej, wydaje się, że LUCA został przystosowany do obecności substancji chemicznych, takich jak metan, co sugeruje, że zamieszkiwał on aktywne wulkanicznie środowisko podobne do wentylacji.
Zwolennicy hipotezy „świata RNA” wskazują na dwa problemy z tą teorią. Jeden można naprawić; druga może być śmiertelna.
Źródła hydrotermalne
Pierwszy problem polega na tym, że nie ma eksperymentalnych dowodów na procesy opisane przez Russella i Martina. Mają historię krok po kroku, ale żadnego z tych etapów nie zaobserwowano w laboratorium.
„Ludzie, którzy uważają, że wszystko zaczęło się od reprodukcji, nieustannie znajdują nowe dane eksperymentalne” - mówi Armen Mulkidzhanyan. „Ludzie, którzy opowiadają się za metabolizmem, tego nie robią”.
Ale to może się zmienić dzięki koledze Martina Nickowi Laneowi z University College London. Zbudował „reaktor pochodzenia życia”, który symuluje warunki panujące w źródle zasadowym. Ma nadzieję zobaczyć cykle metaboliczne, a może nawet cząsteczki takie jak RNA. Ale jest za wcześnie.
Drugim problemem jest lokalizacja źródeł w głębinach morskich. Jak zauważył Miller w 1988 roku, długołańcuchowe cząsteczki, takie jak RNA i białka, nie mogą tworzyć się w wodzie bez pomocniczych enzymów.
Dla wielu naukowców jest to fatalny argument. „Jeśli jesteś dobry z chemii, nie dasz się przekupić ideą źródeł głębinowych, ponieważ wiesz, że chemia wszystkich tych cząsteczek jest niekompatybilna z wodą” - mówi Mulkidzhanian.
Jednak Russell i jego sojusznicy pozostają optymistami.
Dopiero w ostatniej dekadzie na pierwszy plan wysunęło się trzecie podejście, poparte serią niezwykłych eksperymentów. Obiecuje coś, czego ani świat RNA, ani kominy hydrotermalne nie były w stanie osiągnąć: sposób na stworzenie całej komórki od podstaw. Więcej na ten temat w następnej części.
ILYA KHEL
- Część pierwsza: Jak zrobić klatkę -
- Część druga: Rozłam w szeregach naukowców -
- Część trzecia: w poszukiwaniu pierwszego replikatora -
- Część piąta: jak więc stworzyć komórkę? -
- Część szósta: Wielkie zjednoczenie -
