- Prvi del: Kako narediti kletko -
- Drugi del: Razcep v vrstah znanstvenikov -
- Tretji del: iskanje prvega razmnoževalca -
- Peti del: kako ustvariti celico? -
- Šesti del: Velika združitev -
V drugem poglavju smo izvedeli, kako so se učenjaki razdelili na tri šole razmišljanja, ki razmišljajo o izvoru življenja. Ena skupina je bila prepričana, da se je življenje začelo z molekulo RNA, vendar ni mogla pokazati, kako se lahko RNA ali podobne molekule spontano tvorijo na zgodnji Zemlji in nato naredijo kopije. Njihova prizadevanja so bila sprva spodbudna, na koncu pa je ostalo le razočaranje. Vendar pa so tudi drugi raziskovalci izvornega življenja, ki so sledili različnim potekom, prišli do nekaterih rezultatov.
Svetovna teorija RNA temelji na preprosti ideji: najpomembnejše, kar lahko živi živ organizem, je razmnoževanje samega sebe. S tem bi se strinjali mnogi biologi. Od bakterij do modrih kitov, vsa živa bitja stremijo k potomstvu.
Vendar pa mnogi raziskovalci nastanka življenja ne štejejo reprodukcije za temeljno. Preden se lahko organizem razmnožuje, mora postati samozadosten. Mora se ohranjati pri življenju. Konec koncev ne morete imeti otrok, če prej umrete.
Z uživanjem hrane ohranjamo žive; zelene rastline to storijo s črpanjem energije iz sončne svetlobe. Na prvi pogled se oseba, ki jedo sočen zrezek, zelo razlikuje od listnatega hrasta, vendar ko ga pogledate, oba potrebujeta energijo.
Ta proces imenujemo presnova. Najprej morate dobiti energijo; recimo iz energijsko bogatih kemikalij, kot je sladkor. Nato morate uporabiti to energijo, da sestavite nekaj koristnega, kot so celice.
Ta postopek uporabe energije je tako pomemben, da mnogi raziskovalci menijo, da je prvi, iz katerega se je začelo življenje.
Vulkanska voda je vroča in bogata z minerali
Promocijski video:
Kako bi izgledali ti presnovni organizmi? Ena najzanimivejših predpostavk je v poznih osemdesetih letih prejšnjega stoletja podal Gunther Wachtershauser. Ni bil redni znanstvenik, temveč patentni pravnik z malo znanja iz kemije.
Wachtershauser je predlagal, da so se prvi organizmi "korenito razlikovali od vsega, kar smo poznali." Niso narejene iz celic. Niso imeli encimov, DNK ali RNK. Ne, namesto tega si je Wachtershauser predstavljal tok vroče vode, ki izteka iz vulkana. Ta voda je bogata z vulkanskimi plini kot amonijak in vsebuje sledi mineralov iz osrčja vulkana.
Kjer je voda tekla skozi skale, so se začele odvijati kemične reakcije. Zlasti kovine iz vode so pomagale, da se preproste organske spojine združijo v večje. Prelomnica je bila ustvarjanje prvega presnovnega cikla. Gre za postopek, pri katerem se ena kemikalija pretvori v številne druge kemikalije, dokler se original ne na koncu ustvari. V tem procesu celotni sistem nabere energijo, ki jo je mogoče uporabiti za ponovni zagon cikla - in za druge stvari.
Vse drugo, kar sestavlja sodoben organizem - DNK, celice, možgani - se je pojavilo kasneje, poleg teh kemičnih ciklov. Ti presnovni cikli sploh ne spominjajo na življenje. Wachtershauser je svoj izum poimenoval "predhodniki organizmov" in zapisal, da jih "težko najdemo med živimi".
Toda presnovni cikli, kot jih je opisal Wachtershauser, so jedro vsega življenja. Vaše celice so v bistvu mikroskopske kemične tovarne, ki nenehno destilirajo eno snov v drugo. Presnovnih ciklov ne moremo imenovati življenje, vendar so bistveni za življenje.
V osemdesetih in devetdesetih letih je Wachtershauser delal na podrobnostih svoje teorije. Orisal je, kateri minerali bi bili najprimernejši in kateri kemični cikli se lahko izvajajo. Njegove ideje so začele pritegniti podpornike.
A vse to je bilo čisto teoretsko. Wachtershauser je za podporo svojih idej potreboval resnično odkritje. Na srečo je bilo to storjeno že deset let prej.
Viri v Tihem oceanu
Leta 1977 se je ekipa, ki jo je vodil Jack Corliss z državne univerze Oregon, potopil 2,5 kilometra v vzhodni Tihi ocean. Raziskovali so vroče vrelce Galapagos v krajih, kjer so se z morskega dna dvigali visoki grebeni. Ti grebeni so bili vulkansko aktivni.
Corliss je odkril, da so bili ti grebeni dobesedno pikčasti z vročimi vrelci. Vroča, kemično bogata voda se dviga izpod morskega dna in teče skozi luknje v skalah.
Neverjetno so bili ti hidrotermalni zračniki gosto naseljeni s čudnimi živalmi. Bilo je ogromno školjk, školjk in kopriv. Voda je bila tudi močno nasičena z bakterijami. Vsi ti organizmi so živeli na energiji hidrotermalnih zračnikov.
Po odkritju teh virov je Corliss dobil ime. In spravilo me je. Leta 1981 je predlagal, da takšni zračniki obstajajo na Zemlji pred štirimi milijardami let in da so postali kraj nastanka življenja. Levji delež kariere je posvetil preučevanju tega vprašanja.
Hidrotermalni zračniki imajo čudno življenje
Corliss je namigoval, da lahko hidrotermalni zračniki ustvarijo koktajle kemikalij. Vsak vir je, je dejal, nekakšen sprej prvinske juhe.
Ko je vroča voda tekla skozi skale, je zaradi vročine in pritiska preproste organske spojine zlivale v bolj zapletene, kot so aminokisline, nukleotidi in sladkorji. Bliže meji z oceanom, kjer voda ni bila tako vroča, so se začeli povezovati v verigah - tvoriti ogljikove hidrate, beljakovine in nukleotide, kot je DNK. Potem, ko se je voda približala oceanu in se še bolj ohladila, so se te molekule zbrale v preproste celice.
Bilo je zanimivo, teorija je pritegnila pozornost ljudi. Toda Stanley Miller, o njegovem poskusu smo razpravljali v prvem delu, ni verjel. Leta 1988 je napisal, da so bili globoki zračniki prevroči.
Čeprav lahko intenzivna toplota proizvaja kemikalije, kot so aminokisline, so Millerjevi poskusi pokazali, da jih lahko tudi uniči. Osnovne spojine, kot so sladkorji, "bi lahko preživele nekaj sekund, ne več." Poleg tega se te preproste molekule verjetno ne vežejo v verige, saj bi jih okoliška voda takoj razbila.
V tej fazi se je bitki pridružil geolog Mike Russell. Menil je, da je teorija o hidrotermalnih zračnikih lahko povsem pravilna. Poleg tega se mu je zdelo, da bodo ti viri idealen dom predhodnikov organizma Wachtershauser. Ta navdih ga je pripeljal do ustvarjanja ene najbolj splošno sprejetih teorij o nastanku življenja.
Geolog Michael Russell
Russellova kariera je imela veliko zanimivih stvari - iz aspirina je iskal dragocene minerale - in v enem izjemnem incidentu v šestdesetih letih prejšnjega stoletja usklajeval odziv na morebiten vulkanski izbruh, kljub pomanjkljivi pripravi. A bolj ga je zanimalo, kako se je Zemljina površina spreminjala skozi eone. Ta geološka perspektiva je porodila njegove ideje o nastanku življenja.
V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je našel fosilne dokaze o manj burni vrsti hidrotermalne vene, kjer temperature niso presegle 150 stopinj Celzija. Te blage temperature bi po njegovem mnenju lahko omogočile, da bi molekule življenja živele dlje, kot je mislil Miller.
Poleg tega so fosilni ostanki teh "hladnih" zračnikov vsebovali nekaj nenavadnega: mineralni pirit, sestavljen iz železa in žvepla, se je oblikoval v cevi s premerom 1 mm. Med delom v laboratoriju je Russell odkril, da lahko pirit tvori tudi sferične kapljice. In predlagal je, da bi se lahko v teh preprostih piritnih strukturah oblikovale prve kompleksne organske molekule.
Železov pirit
Približno v tem času je Wachtershauser začel objavljati svoje ideje, ki so temeljile na toku tople, kemično obogatene vode, ki teče skozi minerale. Predlagal je celo, da gre za pirit.
Russell je dodal dva plus dva. Predlagal je, da so hidrotermalni zračniki globoko v morju, dovolj hladni, da lahko tvorijo piritne strukture, ki so v preteklosti sestavljeni iz predhodnikov organizmov Wachtershauser. Če je imel Russell prav, se je življenje začelo na dnu morja - in metabolizem se je najprej pojavil.
Russell je vse to sestavil v prispevku, objavljenem leta 1993, 40 let po Millerjevem klasičnem poskusu. Ni ustvaril iste medijske zveze, vendar je bil zagotovo pomembnejši. Russell je združil dve na videz ločeni ideji - metabolične cikle Wachtershauserja in Corliss hidrotermalne odprtine - v nekaj resnično prepričljivega.
Russell je celo ponudil razlago, kako so prvi organizmi dobili svojo energijo. Se pravi, razumel je, kako lahko deluje njihov metabolizem. Njegova ideja je temeljila na delu enega izmed pozabljenih genijev sodobne znanosti.
Peter Mitchell, Nobelov nagrajenec
V šestdesetih letih prejšnjega stoletja je biokemik Peter Mitchell zbolel in se je bil prisiljen upokojiti z univerze v Edinburghu. Namesto tega je na odročnem posestvu v Cornwallu postavil zasebni laboratorij. Izoliran od znanstvene skupnosti je svoje delo financiral s čredo krav molznic. Mnogi biokemiki, med njimi tudi Leslie Orgel, o njihovem delu na RNA smo razpravljali v drugem delu, so Mitchellove ideje ocenili kot povsem smešne.
Nekaj desetletij pozneje je Mitchela čakala absolutna zmaga: Nobelova nagrada za kemijo 1978. Ni postal znan, a njegove ideje so v vsakem učbeniku biologije danes. Mitchell je kariero preživel, da je ugotovil, kaj organizmi počnejo z energijo, ki jo dobijo iz hrane. V bistvu se je spraševal, kako nam vsem uspeva, da ostanemo živi vsako sekundo.
Vedel je, da vse celice hranijo svojo energijo v eni molekuli: adenozin trifosfatu (ATP). Veriga treh fosfatov je pritrjena na adenozin. Dodajanje tretjega fosfata zahteva veliko energije, ki se nato zaklene v ATP.
Kadar celica potrebuje energijo - na primer, ko se mišica skrči - razgradi tretji fosfat v ATP. To pretvori ATP v adenosidifosfat (ADP) in sprosti shranjeno energijo. Mitchell je želel vedeti, kako celica naredi ATP na splošno. Kako shrani dovolj energije v ADP, da pritrdi tretji fosfat?
Mitchell je vedel, da je encim, ki tvori ATP, v membrani. Zato sem domneval, da celica črpa nabite delce (protone) skozi membrano, zato je toliko protonov na eni strani, na drugi pa ne.
Nato protoni poskušajo skozi membrano priti nazaj, da uravnotežijo število protonov na vsaki strani - vendar je edino mesto, skozi katerega lahko preidejo, encim. Tok protočnih protonov je tako encimu zagotavljal energijo, potrebno za ustvarjanje ATP.
Mitchell je svojo idejo prvič predstavil leta 1961. Naslednjih 15 let jo je branil z vseh strani, dokler dokazi niso bili neizpodbitni. Zdaj vemo, da Mitchellov proces uporablja vsako živo bitje na Zemlji. Trenutno teče po vaših celicah. Tako kot DNK je podlaga za življenje, ki ga poznamo.
Russell si je od Mitchella izposodil idejo o protonskem gradientu: na eni strani membrane je veliko protonov, na drugi pa malo. Vse celice potrebujejo protonski gradient za shranjevanje energije.
Sodobne celice ustvarjajo gradiente s črpanjem protonov prek membran, vendar je za to potreben zapleten molekularni mehanizem, ki se preprosto ne bi mogel pojaviti sam. Russell je tako naredil še en logičen korak: življenje se je moralo oblikovati nekje z naravnim gradientom protona.
Na primer nekje v bližini hidrotermalnih odprtin. Vendar mora biti posebna vrsta vira. Ko je bila Zemlja mlada, so bila morja kisla, v kisli vodi pa je veliko protonov. Za ustvarjanje protonskega gradienta mora biti izvirska voda protonov nizka: alkalna mora biti.
Corlissovi viri niso ustrezali. Ne samo, da jim je bilo prevroče, ampak so bile tudi kisle. Toda leta 2000 je Deborah Kelly z Washingtonske univerze odkrila prve alkalne vire.
Izgubljeno mesto
Kelly se je morala potruditi, da je postala znanstvenik. Njen oče je umrl, ko je končala srednjo šolo, in bila je prisiljena delati, da bi ostala na fakulteti. Ampak ona je obvladala in kot predmet zanimanja izbrala podvodne vulkane in goreče vroče hidrotermalne izvire. Ta par jo je pripeljal v središče Atlantskega oceana. Na tej točki se je pokrila zemeljska skorja in z morskega dna se je dvignil greben gora.
Na tem grebenu je Kelly odkrila polje hidrotermalnih odprtin, ki jih je poimenovala "Izgubljeno mesto." Niso bili videti kot tisti, ki jih je našel Corliss. Voda je tekla iz njih pri temperaturi 40-75 stopinj Celzija in je bila rahlo alkalna. Karbonatni minerali iz te vode so se združili v strme bele "plime dima", ki so se dvigali z morskega dna kot orgle. Videti so grozno in srhljivo, vendar to niso: v njih živijo številni mikroorganizmi.
Ti alkalni zračniki se popolnoma ujemajo z Russellovimi idejami. Trdno je verjel, da se življenje pojavlja v tako izgubljenih mestih. Vendar je obstajala ena težava. Kot geolog ni vedel veliko o bioloških celicah, da bi prepričljivo predstavil svojo teorijo.
Stolpec dima iz "črne sobe za kajenje"
Russell se je tako združil z biologom Williamom Martinom. Leta 2003 so predstavili izboljšano različico Russellovih prejšnjih idej. In to je verjetno najboljša teorija nastanka življenja v tem trenutku.
Zahvaljujoč Kelly, so zdaj vedeli, da so skale alkalnih izvirov porozne: na njih so bile pikčate drobne luknje, napolnjene z vodo. Predlagali so, da so ti drobni žepi delovali kot "celice". Vsak žep je vseboval osnovne kemikalije, vključno s piritom. V kombinaciji z naravnim gradientom protona iz virov so bili idealen kraj za začetek presnove.
Potem ko sta se življenje naučila izkoriščati energijo izvirskih voda, pravita Russell in Martin, je začelo ustvarjati molekule, kot je RNA. Na koncu si je ustvarila membrano zase in postala prava celica, ki je iz porozne skale pobegnila v odprto vodo.
Takšen zaplet trenutno velja za eno vodilnih hipotez o nastanku življenja.
Celice bežijo pred hidrotermalnimi odprtinami
Julija 2016 je dobil podporo, ko je Martin objavil študijo, v kateri je rekonstruiral nekatere podrobnosti o "zadnjem univerzalnem skupnem predniku" (LUCA). To je organizem, ki je živel pred milijardami let in iz katerega izvira vse obstoječe življenje.
Malo je verjetno, da bomo kdaj našli neposredne fosilizirane dokaze o obstoju tega organizma, vendar kljub temu lahko precej preučimo ugibanja o tem, kako je izgledal in kaj je delal med študijem mikroorganizmov našega časa. Tako je naredil Martin.
Preučil je DNK sodobnih mikroorganizmov 1930 in ugotovil 355 genov, ki jih imajo skoraj vsi. To je prepričljiv dokaz o prenosu teh 355 genov skozi generacije in generacije iz skupnega prednika - približno v času, ko je živel zadnji univerzalni skupni prednik.
Teh 355 genov nekateri vklopijo, da uporabljajo protonski gradient, ne pa da ga ustvarijo, kot sta napovedala Russell in Martin. Še več, zdi se, da je LUCA prilagojena prisotnosti kemikalij, kot je metan, kar kaže na to, da je naseljeval v vulkansko aktivnem okolju, podobnem izpuščaju.
Zagovorniki hipoteze "sveta RNA" opozarjajo na dve težavi s to teorijo. Eno je mogoče popraviti; drugo je lahko usodno.
Hidrotermalni izviri
Prva težava je, da za procese, ki sta jih opisala Russell in Martin, ni eksperimentalnih dokazov. Imajo podrobno zgodovino, vendar v laboratoriju niso opazili nobenega od teh korakov.
"Ljudje, ki verjamejo, da se je vse začelo z razmnoževanjem, vedno znova najdejo nove eksperimentalne podatke," pravi Armen Mulkidzhanyan. "Ljudje, ki stojijo za metabolizem, ne."
A to bi se lahko spremenilo, zahvaljujoč Martinovemu kolegu Nicku Laneju z University College London. Zgradil je "Izvor življenjskega reaktorja", ki simulira razmere znotraj alkalnega vira. Upa, da bodo videli presnovne cikle in morda celo molekule, kot je RNA. Toda prezgodaj je
Drugi problem je lokacija virov v globokem morju. Kot je Miller opozoril leta 1988, dolgo verižne molekule, kot sta RNA in beljakovine, ne morejo tvoriti v vodi brez pomožnih encimov.
Za mnoge znanstvenike je to usoden argument. "Če ste dobri v kemiji, vas ne bo spodbudila ideja o globokomorskih izvirih, saj veste, da je kemija vseh teh molekul nezdružljiva z vodo," pravi Mulkidzhanian.
Pa vendar Russell in njegovi zavezniki ostajajo optimistični.
Šele v zadnjem desetletju je na vrsto prišel tretji pristop, podprt z vrsto nenavadnih eksperimentov. Obljublja nekaj, česar niti svetu RNK niti hidrotermalnim prezračevalnikom ni uspelo doseči: način, da iz nič ustvarite celotno celico. Več o tem v naslednjem delu.
ILYA KHEL
- Prvi del: Kako narediti kletko -
- Drugi del: Razcep v vrstah znanstvenikov -
- Tretji del: iskanje prvega razmnoževalca -
- Peti del: kako torej ustvariti celico? -
- Šesti del: Velika združitev -