- Drugi del: Razcep v vrstah znanstvenikov -
- Tretji del: iskanje prvega razmnoževalca -
- Četrti del: energija protonov -
- Peti del: kako torej ustvarite celico? -
- Šesti del: Velika združitev -
Danes je življenje osvojilo vsak kvadratni centimeter Zemlje, toda ko se je planet prvič oblikoval, je bil mrtvi kamen. Kako in kdaj je potekal prehod mejnika? Kako se je začelo življenje? Ne moremo si težko zamisliti resnejšega, velikega in kompleksnejšega vprašanja. Skozi večino človeške zgodovine nihče ni dvomil, da je to posel bogov. Kakršna koli druga razlaga je bila nepredstavljiva.
Nič več. V zadnjem stoletju so mnogi znanstveniki poskušali ugotoviti, kje bi se lahko začelo prvo življenje. V svojih laboratorijih so celo poskušali poustvariti trenutek Stvarjenja: ustvariti povsem novo življenje iz nič. Zaenkrat še nihče ni uspel, vendar smo že daleč. Danes so mnogi znanstveniki, ki preučujejo izvor življenja, prepričani, da so na pravi poti - in imajo eksperimente, ki podpirajo njihovo zaupanje v to.
To je zgodba o naših prizadevanjih, da bi ugotovili naš resnični izvor. Zgodba o obsedenosti, boju in briljantni ustvarjalnosti je pripeljala do nekaterih največjih odkritij v sodobni znanosti. Želja po razumevanju izvora življenja je moške in ženske poslala v najbolj oddaljene kotičke našega planeta. Nekateri učenjaki so veljali za hudiča v telesu, drugi pa so še naprej delovali pod palcem brutalnih totalitarnih vlad.
To je zgodba o rojstvu življenja na Zemlji.
Pravzaprav so dinozavri živeli ne tako dolgo nazaj.
Življenje je staro. Dinozavri - najbolj znana izumrla bitja - so se pojavili pred 250 milijoni let. Toda življenje se je začelo veliko, veliko prej.
Najstarejši znani fosilni zapis je star približno 3,5 milijarde let, kar je 14-krat več kot najstarejši dinozavri. Toda fosilni zapis nas lahko vodi še dlje. Na primer, samo avgusta 2016 so znanstveniki odkrili fosilizirane mikrobe, stare 3,7 milijarde let.
Promocijski video:
Ti valoviti vzorci so lahko stari 3,7 milijarde let
Zemlja sama po sebi ni veliko starejša, stara je 4,5 milijarde let.
Ob predpostavki, da je življenje nastalo na Zemlji - kar se zdi smiselno, glede na to, da ga še vedno nismo našli drugje -, se je to moralo zgoditi v milijardi let, ki so pretekle med oblikovanjem Zemlje in pojavom najstarejših znanih fosilov.
Z zožitvijo časovnega obdobja, ko se je življenje morda pojavilo, lahko poučujemo, kako se je to zgodilo.
Drevo življenja: večina bakterij in arhej
Biologi že od 19. stoletja vedo, da vse živo bitje sestavljajo "celice": drobni vrečki žive snovi, ki prihajajo v vseh oblikah in velikostih. Celice so bile prvič odkrite v 17. stoletju, zahvaljujoč izumu prvih mikroskopov, trajalo pa je več kot sto let, da so ugotovili, da so osnova vsega življenja.
Zagotovo ne izgledate kot som ali tiranozavr, vendar bo mikroskop pokazal, da ste sestavljeni iz skoraj istih celic. Kot rastline in gobe. Toda doslej so najštevilčnejša oblika življenja mikroorganizmi, sestavljeni iz ene celice. Bakterije so najbolj znana skupina in jih lahko najdemo povsod na Zemlji.
Aprila 2016 so znanstveniki predstavili posodobljeno različico "drevesa življenja": v nekem smislu družinsko drevo vsake žive vrste. Skoraj vse veje so bakterije. Še več, oblika teh vej kaže, da so bile bakterije skupni prednik vsega življenja. Z drugimi besedami, vsaka živa stvar - vključno z vami - je nastala iz bakterij.
Izkazalo se je, da lahko natančneje opredelimo problem nastanka življenja. Z uporabo samo materialov in pogojev, ki so bili na Zemlji pred 3,5 milijarde let, moramo narediti celico.
Kako težko bo?
Celotna živa celica
Prvi poskusi
Skozi večino zgodovine se ni nihče menil, da bi se moral vprašati, kako nastane življenje, saj se je odgovor zdel očiten. Do 1800-ih je večina ljudi verjela v "vitalizem." To je intuitivna ideja, da so živa bitja obdarjena s posebno, magično lastnostjo, ki jih razlikuje od neživih predmetov.
Vitalizem je bil pogosto povezan z verskimi prepričanji. Biblija pravi, da je Bog uporabil "dih življenja", da je oživel prve ljudi, nesmrtna duša pa je oblika vitalizma.
Obstaja le ena težava. Vitalizem je popolna neumnost.
Znanstveniki so do zgodnjih 1800-ih odkrili več snovi, ki so se zdele edinstvene za življenje. Ena takih spojin je bila sečnina, ki so jo našli v urinu in se izločila leta 1799. Le to se še vedno ujema s pojmom vitalizma. Le žive snovi so lahko proizvajale te kemikalije, zato so bile očitno nabito z življenjsko energijo in zaradi tega so bile posebne.
Toda leta 1828 je nemški kemik Friedrich Wöhler našel način, da sečnino naredi iz skupne kemikalije, amonijevega cianata, ki ni imela očitne povezave z živimi bitji. Drugi so sledili njegovi obleki in kmalu je postalo jasno, da lahko kemikalije življenja izdelamo iz preprostejših kemikalij, ki nimajo nobene zveze z življenjem.
Friedrich Wöhler, nemški kemik
To je bil konec vitalizma kot znanstvenega koncepta. Toda ljudje so se težko ločili s to idejo. Mnogim ljudem se je zdelo, da reči, da glede kemikalij življenja ni nič posebnega, pomeni, da odvzamejo magiji življenje, ga naredijo mehanskega ali brezdušnega. In seveda je bilo v nasprotju s Sveto pismo.
Celo učenjaki so poskušali rešiti vitalizem. Že leta 1913 je angleški biokemik Benjamin Moore goreče promoviral teorijo "biotske energije", ki je bila istega vitalizma, vendar z drugačnim imenom. Ta ideja je imela močan čustveni preobrat.
Še danes pa se tu in tam včasih pojavlja ta ideja. Na primer, obstaja veliko znanstvenofantastičnih zgodb, v katerih je mogoče "energijo življenja" povečati ali odvzeti. Pomislite na "energijo regeneracije", ki jo uporabljajo Time Lords v Doktorju Kdo. Zdi se mi nenavadno, vendar je to zelo, zelo stara ideja.
Po letu 1828 pa so imeli znanstveniki dober razlog, da so za prvi videz življenja iskali "brezbožno" razlago. Ampak niso. Zdi se, da je treba to temo raziskati, v resnici pa skrivnost nastanka življenja že desetletja ni upoštevana. Morda so bili še vedno preveč navezani na vitalizem, da bi naredili naslednji korak.
Charles Darwin je pokazal, da vse življenje izvira iz enega skupnega prednika
Namesto tega je bil velikanski skok v biologiji v 19. stoletju teorija evolucije, ki jo je razvil Charles Darwin in drugi.
Darwinova teorija, ki je bila predstavljena v izvoru vrst leta 1859, je pojasnila, kako je vsa ta raznolikost življenja lahko izhajala iz enega skupnega prednika. Vsake posamezne vrste ni več ustvaril Bog, ampak izvira iz starodavnega organizma, ki je živel pred milijoni let: zadnjega univerzalnega skupnega prednika.
Ta ideja se je izkazala za izjemno kontroverzno, spet zato, ker ni ustrezala Svetemu pismu. Darwin in njegove ideje so napadli delno ogorčeni kristjani.
Teorija evolucije ni povedala ničesar o tem, kako se je pojavil prvi organizem.
Darwin je verjel, da se življenje pojavi v "toplem majhnem ribniku"
Darwin je vedel, da je to vprašanje globoko, a - morda se je bal novih napadov cerkve - si je upal razpravljati šele leta 1871. Navdušen ton pisma kaže, da je poznal globok pomen tega vprašanja:
"Toda če bi si (in oh, kakšen velik" če ") lahko predstavljali majhen topel ribnik z vsemi vrstami amoniaka in fosforjeve soli - s svetlobo, toploto, elektriko - v kateri bi se beljakovinska spojina kemično tvorila, pripravljena iti skozi še več zapletene spremembe …"
Z drugimi besedami, kaj, če je bilo nekoč majhno vodno telo, napolnjeno s preprostimi organskimi spojinami in kopalno v sončni svetlobi? Nekatere od teh spojin bi se lahko združile, da bi tvorile polživo snov, kot je protein, ki bi se lahko začel razvijati in postati bolj zapleten.
Ta ideja je bila površna. Toda ona je bila podlaga za prvo hipotezo o nastanku življenja.
Zanimivo je, da se je ta hipoteza pojavila v ZSSR.
Aleksander Oparin je živel in delal v ZSSR
V času Stalina je bilo vse pod nadzorom države. Tudi ideje ljudi, biologov, ki niso povezane s komunistično politiko. Presenetljivo je, da je Stalin znanstvenikom dejansko prepovedal preučevanje običajne genetike. Namesto tega je promoviral ideje kmeta Trofima Lysenka, ki so bile po njegovem mnenju bolj v skladu s komunistično ideologijo. Znanstveniki, ki delujejo na področju genetike, so bili prisiljeni javno podpirati Lysenkove ideje, da ne bi končali na taboriščih.
Aleksander Oparin je bil v tako represivnem okolju svoje raziskave na področju biokemije. Lahko je delal, ker je bil predan komunist: podpiral je Lysenkove ideje in celo prejel Leninov red, najvišje odlikovanje sovjetske dobe.
Oparin je leta 1924 objavil svoje delo Origin of Life. V njem je orisal svojo vizijo izvora življenja, ki je bila presenetljivo podobna Darwinovemu majhnemu toplemu ribniku.
Oceani, ki so nastali po ohladitvi Zemlje
Oparin si je skušal predstavljati, kakšna je Zemlja po nastanku. Površina se je vroče žalila, ko so kamnine padale iz kamenja. Mešanica napol ekspandiranih kamnin, ki vsebuje ogromno kemikalij, vključno s tistimi, ki temeljijo na ogljiku.
Sčasoma se je Zemlja dovolj ohladila, da se je vodna para kondenzirala v tekočo vodo in začel je padati prvi dež. Napolnil je Zemljine oceane, ki so bili vroči in bogati z ogljikovimi kemikalijami. Kaj potrebuješ za življenje.
Sprva so različne kemikalije medsebojno vplivale, da so tvorile veliko novih spojin, od katerih so bile nekatere kompleksne. Oparin je predlagal, da bi se v vodah Zemlje lahko oblikovale molekule, bistvene za življenje, sladkorji in aminokisline.
Nato so nekatere kemikalije začele tvoriti mikroskopske strukture. Mnoge organske snovi se ne raztopijo v vodi: na primer, olja tvorijo plast na vrhu vode. Ko pa nekatere od teh snovi pridejo v stik z vodo, tvorijo kroglaste "coacervate" kroglice, ki so lahko široke do 0,01 centimetra.
Če pogledate koacervate skozi mikroskop, se obnašajo zelo mobilno, kot žive celice. Rastejo in spreminjajo obliko, včasih razdeljena na dva dela. Lahko tudi poberejo kemikalije iz okoliške vode, tako da lahko končajo z življenjsko dobrimi kemikalijami. Oparin je namigoval, da so koacervati predniki modernih celic.
Pet let pozneje, leta 1929, je angleški biolog John Burdon Sanderson Haldane v kratkem članku, objavljenem v reviji Rationalist, neodvisno predlagal zelo podobne ideje.
Do takrat je Haldane že veliko prispeval k teoriji evolucije, kar je pripomoglo k vključevanju Darwinovih idej v razvijajočo se znanosti o genetiki.
Angleški genetik J. Haldane
Tako kot Oparin je tudi Haldane opisal, kako se lahko organska snov nabira v vodi, "dokler prvotni oceani niso dosegli konsistence vroče, razredčene juhe." To bi postavilo oder za "prve žive ali polživele stvari", ki so nastale in končale v tankem filmu olja.
Pomembno je, da sta med vsemi biologi na svetu prišla le Oparin in Haldane. Zamisel, da se živi organizmi lahko tvorijo s preprostimi kemičnimi reakcijami, brez Boga ali celo »življenjske sile«, je bila radikalna. Tako kot Darwinova teorija evolucije pred njo je bila tudi to krščanstvo pred krščanstvom.
Toda popolnoma se je ujemala z okvirom ZSSR. Sovjetski režim je bil uradno ateističen in njegovi voditelji so z veseljem podprli vsako materialistično razlago za globoke pojave, kot je življenje. Haldane je bil tudi ateist in komunist, ki se je škorenjil.
"Takrat je bilo sprejemanje ali zavračanje ideje odvisno predvsem od posameznika: ali je bil religiozen, ali podpira levičarske ali komunistične ideje," pravi strokovnjak za izvorno življenje Armen Mulkidzhanian z univerze v Osnabrucku v Nemčiji. »V Sovjetski zvezi so jih sprejeli z veseljem, saj Boga niso potrebovali. V zahodnem svetu, če pogledate ljudi, ki so razmišljali v tej smeri, so bili vsi levičarji, komunisti in tako naprej."
Zamisel, da se je življenje oblikovalo v prvinski juhi organske snovi, je postala hipoteza Oparin-Haldane. Bila je urejena in prepričljiva, vendar je obstajala ena težava. Njeni eksperimentalni dokazi niso bili podprti. In tako je trajalo skoraj četrt stoletja.
Harold Urey
Ko se je Harold Urey začel zanimati za izvor življenja, je že leta 1934 osvojil Nobelovo nagrado za kemijo in pomagal sestaviti atomsko bombo. Med drugo svetovno vojno je Jurij sodeloval pri projektu Manhattan in zbiral nestabilen uran-235, potreben za jedro bombe. Po vojni se je boril za ohranjanje jedrske tehnologije pod civilnim nadzorom.
Zanimal se je tudi za kemijo vesolja, predvsem za to, kaj se je zgodilo med nastankom sončnega sistema. Nekega dne je predaval in ugotovil, da v Zemljini atmosferi, ko se je ta prvič oblikoval, verjetno ni bilo kisika. To je bilo odlično dopolnilo primarne juhe Oparin in Haldane: krhke kemikalije se lahko uničijo s stikom s kisikom.
Doktorski študent po imenu Stanley Miller je bil med občinstvom in nato pristopil k Yuuriju z vprašanjem: ali je mogoče to idejo preizkusiti? Yuuri je bil skeptičen, vendar je Miller vztrajal pri svojem. Tako je leta 1952 Miller začel najslavnejši eksperiment o izvoru življenja.
Miller-Urey eksperiment
Nastavitve so bile preproste. Miller je povezal vrsto steklenih bučk in izpustil štiri kemikalije, ki so bile morda prisotne na zgodnji Zemlji: vrelo vodo, vodikov plin, amonijak in metan. Nato je pline podvrgel večkratnim električnim udarcem, da je simuliral udare strele, ki so bili v teh dneh pogosti na Zemlji.
Miller je ugotovil, da "je voda v vialah po prvem dnevu postala bistveno bolj rožnata, do konca tedna pa je bila raztopina rdeča in motna." Očitno je nastala mešanica kemikalij.
Po analizi mešanice je Miller odkril, da vsebuje dve aminokislini: glicin in alanin. Aminokisline pogosto označujejo kot gradnike življenja. Uporabljajo se za tvorjenje beljakovin, ki nadzorujejo večino biokemičnih procesov v naših telesih. Miller je sestavil dva bistvena sestavina življenja od vsepovsod.
Rezultati so bili objavljeni v prestižni reviji Science leta 1953. Jurij je za starejše znanstvenike naredil nekaj zelo nenavadnega, saj mu je odvzel ime in mu pripisal vse zasluge Miller. Kljub temu študijo pogosto imenujejo Miller-Ureyjev eksperiment.
Stanley Miller v laboratoriju
"Moč Miller-Ureyja je, da lahko iz ozračja proizvedete veliko bioloških molekul," pravi John Sutherland iz laboratorija za molekularno biologijo v Cambridgeu v Veliki Britaniji.
Podrobnosti so se izkazale za napačne, saj so poznejše študije pokazale, da je bilo v ozračju zgodnje Zemlje drugačna mešanica plinov. Toda to ne spremeni dejstva. Eksperiment je uspel, spodbudil domišljijo javnosti in eksplodiral v citatih.
Po Millerjevem poskusu so drugi znanstveniki začeli iskati načine za ustvarjanje preprostih bioloških molekul iz nič. Zdi se, da se bo pojavila rešitev skrivnosti izvora življenja.
Toda potem se je izkazalo, da je življenje težje, kot si je kdo mislil. Žive celice niso bile samo vrečke s kemikalijami: bili so drobni drobni stroji. Nenadoma se je gradnja celice iz nič pokazala veliko težja, kot so mislili znanstveniki.
ILYA KHEL
- Drugi del: Razcep v vrstah znanstvenikov -
- Tretji del: iskanje prvega razmnoževalca -
- Četrti del: energija protonov -
- Peti del: kako torej ustvarite celico? -
- Šesti del: Velika združitev -