- Część druga: Rozłam w szeregach naukowców -
- Część trzecia: w poszukiwaniu pierwszego replikatora -
- Część czwarta: energia protonów -
- Część piąta: jak więc stworzyć komórkę? -
- Część szósta: Wielkie zjednoczenie -
Dzisiaj życie podbiło każdy centymetr kwadratowy Ziemi, ale kiedy planeta się uformowała, była martwym kamieniem. Jak i kiedy nastąpiło przełomowe przejście? Jak zaczęło się życie? Trudno o poważniejsze, większe i złożone pytanie. Przez większość historii ludzkości nikt nie wątpił, że to sprawa bogów. Jakiekolwiek inne wyjaśnienie było nie do pomyślenia.
Już nie. W minionym stuleciu wielu naukowców próbowało dowiedzieć się, gdzie może się zacząć pierwsze życie. Próbowali nawet odtworzyć moment Stworzenia w swoich laboratoriach: stworzyć zupełnie nowe życie od podstaw. Jak dotąd nikomu się to nie udało, ale przeszliśmy długą drogę. Dzisiaj wielu naukowców badających pochodzenie życia jest przekonanych, że podąża właściwą drogą - i mają eksperymenty, które potwierdzają ich wiarę w to.
Oto historia naszych wysiłków, aby poznać nasze prawdziwe pochodzenie. To opowieść o obsesji, walce i błyskotliwej kreatywności, która doprowadziła do jednych z największych odkryć współczesnej nauki. Pragnienie zrozumienia pochodzenia życia wysłało mężczyzn i kobiety w najodleglejsze zakątki naszej planety. Niektórzy uczeni byli uważani za diabłów w ciele, podczas gdy inni kontynuowali pracę pod okiem brutalnych totalitarnych rządów.
Oto historia narodzin życia na Ziemi.
W rzeczywistości dinozaury żyły nie tak dawno temu.
Życie jest stare. Dinozaury - najsłynniejsze wymarłe stworzenia - pojawiły się 250 milionów lat temu. Ale życie zaczęło się dużo, dużo wcześniej.
Najstarszy znany zapis kopalny ma około 3,5 miliarda lat, 14 razy więcej niż najstarsze dinozaury. Ale zapis kopalny może nas posunąć jeszcze dalej. Na przykład w samym sierpniu 2016 r. Naukowcy odkryli skamieniałe mikroby mające 3,7 miliarda lat.
Film promocyjny:
Te faliste wzory mogą mieć 3,7 miliarda lat
Sama Ziemia nie jest dużo starsza, ma 4,5 miliarda lat.
Zakładając, że życie powstało na Ziemi - co wydaje się rozsądne, biorąc pod uwagę, że nadal nie znaleźliśmy go nigdzie indziej - to musiało się to wydarzyć w ciągu miliardów lat, które upłynęły od powstania Ziemi do pojawienia się najstarszych znanych skamieniałości.
Zawężając zakres czasów, w których mogło się pojawić życie, możemy zgadnąć, jak to się stało.
Drzewo życia: większość bakterii i archeonów
Od XIX wieku biolodzy wiedzieli, że wszystkie żywe istoty składają się z „komórek”: maleńkich woreczków z żywej materii, które mają różne kształty i rozmiary. Komórki odkryto po raz pierwszy w XVII wieku, dzięki wynalezieniu pierwszych mikroskopów, ale minęło ponad sto lat, zanim zdano sobie sprawę, że są one podstawą wszelkiego życia.
Z pewnością nie wyglądasz jak sum czy tyranozaur, ale mikroskop pokaże, że jesteś zbudowany z prawie tych samych komórek. Jak rośliny i grzyby. Ale jak dotąd najliczniejszą formą życia są mikroorganizmy, składające się z jednej komórki. Bakterie są najbardziej znaną grupą i można je znaleźć na całym świecie.
W kwietniu 2016 r. Naukowcy przedstawili zaktualizowaną wersję „drzewa życia”: w pewnym sensie drzewo genealogiczne każdego żyjącego gatunku. Prawie wszystkie gałęzie to bakterie. Co więcej, kształt tych gałęzi sugeruje, że bakterie były wspólnym przodkiem wszelkiego życia. Innymi słowy, każda żywa istota - w tym ty - pochodzi z bakterii.
Okazuje się, że możemy trafniej zdefiniować problem powstania życia. Używając tylko materiałów i warunków, które były na Ziemi 3,5 miliarda lat temu, musimy stworzyć komórkę.
Jak trudne to będzie?
Cała żywa komórka
Pierwsze eksperymenty
Przez większość historii nikt nie uważał za konieczne pytać, jak doszło do życia, ponieważ odpowiedź wydawała się oczywista. Do XIX wieku większość ludzi wierzyła w „witalizm”. Jest to intuicyjny pomysł, że żywe istoty są obdarzone specjalną, magiczną właściwością, która odróżnia je od przedmiotów nieożywionych.
Witalizm jest często łączony z przekonaniami religijnymi. Biblia mówi, że Bóg użył „tchnienia życia”, aby ożywić pierwszych ludzi, a nieśmiertelna dusza jest formą witalizmu.
Jest tylko jeden problem. Witalizm to kompletny nonsens.
Na początku XIX wieku naukowcy odkryli kilka substancji, które wydawały się unikalne dla życia. Jednym z takich związków był mocznik, który został znaleziony w moczu i wydalony w 1799 roku. Tylko to wciąż pasuje do koncepcji witalizmu. Tylko żywe istoty były w stanie wytwarzać te chemikalia, więc najwyraźniej były naładowane energią życiową, co czyniło je wyjątkowymi.
Jednak w 1828 roku niemiecki chemik Friedrich Wöhler znalazł sposób na wytworzenie mocznika z powszechnie stosowanego związku chemicznego, cyjanianu amonu, który nie miał żadnego oczywistego związku z organizmami żywymi. Inni poszli w ich ślady i wkrótce stało się jasne, że chemikalia życia można wytworzyć z prostszych związków, które nie mają z życiem nic wspólnego.
Friedrich Wöhler, niemiecki chemik
To był koniec witalizmu jako koncepcji naukowej. Ale ludziom trudno było rozstać się z tym pomysłem. Wielu ludziom wydawało się, że powiedzenie, że nie ma nic „specjalnego” w chemikaliach życia, było jak odebranie życiu jego magii, uczynienie go mechanicznym lub bezdusznym. I oczywiście było to sprzeczne z Biblią.
Nawet uczeni próbowali ocalić witalizm. Już w 1913 r. Angielski biochemik Benjamin Moore gorąco propagował teorię „energii biotycznej”, która była tym samym witalizmem, ale pod inną nazwą. Ten pomysł miał silny wydźwięk emocjonalny.
Jednak nawet dzisiaj ten pomysł czasami pojawia się tu i tam. Na przykład istnieje wiele opowiadań science fiction, w których „energia życia” może zostać zwiększona lub wyssana. Pomyśl o „energii regeneracji” używanej przez Władców Czasu w Doctor Who. Wydaje się to niezwykłe, ale to bardzo, bardzo stary pomysł.
Jednak po 1828 roku naukowcy mieli dobry powód, by szukać „bezbożnego” wyjaśnienia pierwszego pojawienia się życia. Ale nie zrobili tego. Wydawałoby się, że należy zbadać ten temat, ale w rzeczywistości tajemnica pochodzenia życia była ignorowana przez dziesięciolecia. Być może nadal byli zbyt przywiązani do witalizmu, by zrobić następny krok.
Charles Darwin wykazał, że całe życie pochodzi od jednego wspólnego przodka
Zamiast tego, gigantycznym krokiem naprzód w biologii w XIX wieku była teoria ewolucji opracowana przez Karola Darwina i innych.
Teoria Darwina, przedstawiona w The Origin of Species w 1859 roku, wyjaśniła, jak cała ta różnorodność życia mogła wyłonić się z jednego wspólnego przodka. Każdy gatunek nie został już stworzony przez Boga, ale pochodził ze starożytnego organizmu, który żył miliony lat temu: ostatniego powszechnego wspólnego przodka.
Pomysł ten okazał się niezwykle kontrowersyjny, ponieważ ponownie nie pasował do Biblii. Darwin i jego idee zostały zaatakowane przez częściowo oburzonych chrześcijan.
Teoria ewolucji nie mówi nic o tym, jak pojawił się pierwszy organizm.
Darwin wierzył, że życie pojawiło się w „ciepłym małym stawie”
Darwin wiedział, że jest to głębokie pytanie, ale - być może w obawie przed nowymi atakami ze strony kościoła - odważył się o tym porozmawiać dopiero w 1871 roku. Optymistyczny ton listu pokazuje, że znał głębokie znaczenie tego pytania:
„Ale gdyby (i och, cóż za wielkie„ gdyby”) moglibyśmy wyobrazić sobie mały ciepły staw ze wszystkimi rodzajami amoniaku i soli fosforowej - ze światłem, ciepłem, elektrycznością - w którym chemicznie uformowałby się związek białkowy, gotowy do przejścia przez jeszcze więcej złożone zmiany …”
Innymi słowy, co by było, gdyby istniał kiedyś mały zbiornik wodny wypełniony prostymi związkami organicznymi i skąpany w słońcu? Niektóre z tych związków mogą łączyć się, tworząc półożywioną substancję, taką jak białko, która może zacząć się rozwijać i stać się bardziej złożona.
Ten pomysł był powierzchowny. Ale ona stworzyła podstawę dla pierwszej hipotezy o pojawieniu się życia.
Co ciekawe, ta hipoteza pojawiła się w ZSRR.
Alexander Oparin mieszkał i pracował w ZSRR
W czasach Stalina wszystko było pod kontrolą państwa. Nawet idee ludzi, biologów, niezwiązane z polityką komunistyczną. Co ciekawe, Stalin w rzeczywistości zabronił naukowcom studiowania genetyki konwencjonalnej. Zamiast tego promował idee rolnika Trofima Łysenki, które jego zdaniem były bardziej zgodne z ideologią komunistyczną. Naukowcy zajmujący się genetyką zostali zmuszeni do publicznego poparcia pomysłów Łysenki, aby nie wylądować w obozach.
W tak represyjnym środowisku Alexander Oparin prowadził swoje badania z zakresu biochemii. Mógł pracować, ponieważ był oddanym komunistą: popierał idee Łysenki, a nawet otrzymał Order Lenina, najwyższą nagrodę czasów radzieckich.
W 1924 roku Oparin opublikował swoją pracę The Origin of Life. W nim nakreślił swoją wizję powstania życia, które było uderzająco podobne do małego ciepłego stawu Darwina.
Oceany powstały po ochłodzeniu Ziemi
Oparin próbował wyobrazić sobie, jak wyglądała Ziemia po powstaniu. Powierzchnia była paląca, gdy skały spadały z kosmosu. Mieszanka częściowo ekspandowanych skał zawierających szeroką gamę chemikaliów, w tym tych opartych na węglu.
W końcu Ziemia ostygła na tyle, że para wodna skropliła się w ciekłą wodę i zaczął padać pierwszy deszcz. Wypełniał oceany Ziemi, które były gorące i bogate w związki chemiczne zawierające węgiel. Czego potrzebujesz do życia.
Początkowo różne związki chemiczne oddziaływały ze sobą, tworząc wiele nowych związków, z których niektóre były złożone. Oparin zasugerował, że cząsteczki niezbędne do życia, cukry i aminokwasy, mogły powstać w wodach Ziemi.
Następnie niektóre chemikalia zaczęły tworzyć mikroskopijne struktury. Wiele substancji organicznych nie rozpuszcza się w wodzie: na przykład oleje tworzą warstwę na powierzchni wody. Ale kiedy niektóre z tych substancji wchodzą w kontakt z wodą, tworzą kuliste „koacerwaty” kulki o średnicy do 0,01 centymetra.
Jeśli spojrzysz na koacerwaty przez mikroskop, zachowują się one bardzo mobilnie, jak żywe komórki. Rosną i zmieniają kształt, czasem dzielą się na dwie części. Mogą również zbierać chemikalia z otaczającej wody, więc mogą skończyć z chemikaliami podobnymi do życia. Oparin zasugerował, że koacerwaty były przodkami współczesnych komórek.
Pięć lat później, w 1929 roku, angielski biolog John Burdon Sanderson Haldane niezależnie zaproponował bardzo podobne pomysły w krótkim artykule opublikowanym w Rationalist Annual.
Do tego czasu Haldane wniósł już duży wkład w teorię ewolucji, pomagając zintegrować idee Darwina z rozwijającą się nauką genetyczną.
Angielski genetyk J. Haldane
Podobnie jak Oparin, Haldane opisał, jak materia organiczna mogła gromadzić się w wodzie, „aż pierwotne oceany osiągnęły konsystencję gorącej, rozcieńczonej zupy”. To przygotowałoby grunt dla „pierwszych żywych lub półożywionych istot”, które utworzyły się i zakończyły w postaci cienkiej warstwy oleju.
Znaczące jest to, że spośród wszystkich biologów na świecie doszli do tego tylko Oparin i Haldane. Pomysł, że żywe organizmy mogą powstać w drodze prostych reakcji chemicznych, bez Boga czy nawet „siły życiowej”, był radykalny. Podobnie jak wcześniejsza teoria ewolucji Darwina, był to policzek dla chrześcijaństwa.
Ale idealnie pasuje do ram ZSRR. Reżim sowiecki był oficjalnie ateistyczny, a jego przywódcy z radością popierali każde materialistyczne wyjaśnienie głębokich zjawisk, takich jak życie. Haldane był także ateistą i do tego komunistą.
„W tamtym czasie akceptacja lub odrzucenie pomysłu zależało głównie od jednostki: czy był religijny, czy popierał idee lewicowe czy komunistyczne” - mówi ekspert w dziedzinie początków życia Armen Mulkidzhanian z Uniwersytetu w Osnabrück w Niemczech. „W Związku Radzieckim przyjęto ich z radością, bo nie potrzebowali Boga. W świecie zachodnim, jeśli spojrzeć na ludzi, którzy myśleli w tym kierunku, wszyscy byli lewakami, komunistami i tak dalej”.
Pomysł, że życie powstało w pierwotnym bulionie materii organicznej, stał się hipotezą Oparina-Haldane'a. Była zgrabna i przekonująca, ale był jeden problem. Nie była poparta żadnymi eksperymentalnymi dowodami. I tak trwało prawie ćwierć wieku.
Harold Urey
Zanim Harold Urey zainteresował się początkami życia, zdobył już w 1934 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii i pomógł zbudować bombę atomową. Podczas II wojny światowej Yuri pracował nad Manhattan Project, zbierając niestabilny uran-235 potrzebny do rdzenia bomby. Po wojnie walczył o utrzymanie technologii jądrowej pod cywilną kontrolą.
Zainteresował się także chemią kosmosu, w szczególności tym, co wydarzyło się podczas formowania się Układu Słonecznego. Pewnego dnia wygłosił wykład i zauważył, że prawdopodobnie nie było tlenu w atmosferze ziemskiej, kiedy się formowała. Było to idealne uzupełnienie podstawowego bulionu Oparina i Haldane'a: delikatne chemikalia mogły zostać zniszczone przez kontakt z tlenem.
Na widowni był doktorant Stanley Miller, a następnie zwrócił się do Yuuri z pytaniem: czy ten pomysł można przetestować? Yuuri był sceptyczny, ale Miller nalegał na własną rękę. Tak więc w 1952 roku Miller rozpoczął najsłynniejszy eksperyment dotyczący pochodzenia życia.
Eksperyment Millera-Ureya
Ustawienia były proste. Miller podłączył szereg szklanych kolb i wypalił cztery substancje chemiczne, które mogły być obecne na wczesnej Ziemi: wrzącą wodę, wodór, amoniak i metan. Następnie poddał gazy powtarzającym się wstrząsom elektrycznym, aby zasymulować uderzenia pioruna, które były powszechne na Ziemi w tamtych czasach.
Miller stwierdził, że „woda w fiolkach stała się znacznie bardziej różowa po pierwszym dniu, a pod koniec tygodnia roztwór był czerwony i mętny”. Najwyraźniej powstała mieszanina chemikaliów.
Po przeanalizowaniu mieszaniny Miller odkrył, że zawiera ona dwa aminokwasy: glicynę i alaninę. Aminokwasy są często określane jako budulec życia. Są używane do tworzenia białek, które kontrolują większość procesów biochemicznych w naszym organizmie. Miller stworzył od podstaw dwa podstawowe elementy życia.
Wyniki opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Science w 1953 roku. Yuri zrobił coś niezwykłego dla starszych naukowców, zdejmując swoje nazwisko z pracy i przypisując całe uznanie Millerowi. Mimo to badanie jest często określane jako eksperyment Millera-Urey'a.
Stanley Miller w laboratorium
„Siłą Millera-Urey'a jest to, że można wyprodukować wiele biologicznych cząsteczek z samej atmosfery” - mówi John Sutherland z Molecular Biology Laboratory w Cambridge w Wielkiej Brytanii.
Szczegóły okazały się błędne, ponieważ późniejsze badania wykazały, że atmosfera wczesnej Ziemi była inną mieszaniną gazów. Ale to nie zmienia faktu. Eksperyment zakończył się sukcesem, pobudził wyobraźnię publiczności i eksplodował cytatami.
Po eksperymencie Millera inni naukowcy zaczęli szukać sposobów tworzenia od podstaw prostych cząsteczek biologicznych. Wydawało się, że ma się pojawić rozwiązanie tajemnicy pochodzenia życia.
Ale potem okazało się, że życie jest trudniejsze niż ktokolwiek przypuszczał. Żywe komórki nie były po prostu workami z chemikaliami: były to malutkie, maleńkie maszyny. Nagle zbudowanie komórki od podstaw okazało się znacznie trudniejsze, niż sądzili naukowcy.
ILYA KHEL
- Część druga: Rozłam w szeregach naukowców -
- Część trzecia: w poszukiwaniu pierwszego replikatora -
- Część czwarta: energia protonów -
- Część piąta: jak więc stworzyć komórkę? -
- Część szósta: Wielkie zjednoczenie -
