- Pirma dalis: Kaip pasidaryti narvelį -
- Antra dalis: Mokslininkų gretas padalyti -
- Trečia dalis: ieškant pirmojo replikatoriaus -
- Penkta dalis: Taigi kaip sukurti langelį? -
- Šeštoji dalis: Didysis susivienijimas -
Antrame skyriuje mes sužinojome, kaip mokslininkai susiskirstė į tris minties mokyklas, apmąstydami gyvenimo ištakas. Viena grupė buvo įsitikinusi, kad gyvenimas prasideda nuo RNR molekulės, tačiau negalėjo parodyti, kaip RNR ar panašios molekulės gali spontaniškai susiformuoti ankstyvojoje Žemėje ir tada pasidaryti savo kopijas. Iš pradžių jų pastangos buvo padrąsinančios, tačiau galiausiai liko tik nusivylimas. Tačiau kiti gyvybės kilmės tyrinėtojai, kurie ėjo skirtingais keliais, pateikė tam tikrų rezultatų.
RNR pasaulio teorija remiasi paprasta idėja: svarbiausias dalykas, kurį gali padaryti gyvas organizmas, yra pats daugintis. Daugelis biologų su tuo sutiktų. Nuo bakterijų iki mėlynųjų banginių visi gyvi daiktai stengiasi turėti palikuonių.
- „Salik.biz“
Tačiau daugelis gyvybės kilmės tyrinėtojų nemano, kad reprodukcija yra esminė. Sakydami, kad organizmas gali daugintis, jis turi tapti savarankiškas. Jis turi išlaikyti save gyvą. Juk tu negali turėti vaikų, jei mirsi pirmas.
Mes nuolat gyvename vartodami maistą; žali augalai tai daro iš saulės energijos išgaudami energiją. Iš pirmo žvilgsnio žmogus, valgantis sultingą kepsnį, labai skiriasi nuo lapinio ąžuolo, tačiau kai pažvelgi į jį, jiems abiems reikia energijos.
Šis procesas vadinamas metabolizmu. Pirmiausia reikia pasisemti energijos; tarkime, iš daug energijos turinčių chemikalų, tokių kaip cukrus. Tada jūs turite naudoti šią energiją norėdami sukurti ką nors naudingo, pavyzdžiui, ląsteles.
Šis energijos vartojimo procesas yra toks svarbus, kad daugelis tyrinėtojų mano, kad tai pirmasis, nuo kurio prasidėjo gyvenimas.
Vulkaninis vanduo yra karštas ir turtingas mineralų
Reklaminis vaizdo įrašas:
Kaip atrodytų šie tik metabolizmo organizmai? Vieną įdomiausių prielaidų devintojo dešimtmečio pabaigoje pateikė Gunteris Wachtershauseris. Jis nebuvo etatinis mokslininkas, o patentų advokatas, turintis mažai žinių apie chemiją.
Wachtershauseris teigė, kad pirmieji organizmai „radikaliai skyrėsi nuo visko, ką mes žinojome“. Jie nebuvo pagaminti iš ląstelių. Jie neturėjo fermentų, DNR ar RNR. Ne, Wachtershauseris įsivaizdavo karšto vandens srovę, tekančią iš ugnikalnio. Šiame vandenyje gausu vulkaninių dujų, tokių kaip amoniakas, ir jame yra mineralų pėdsakų iš ugnikalnio širdies.
Kai vanduo tekėjo per akmenis, ėmė vykti cheminės reakcijos. Visų pirma, metalai iš vandens padėjo paprastiems organiniams junginiams susilieti į didesnius. Posūkio taškas buvo pirmojo metabolizmo ciklo sukūrimas. Tai procesas, kurio metu viena cheminė medžiaga paverčiama daugybe kitų cheminių medžiagų, kol galiausiai originalas vėl sukuriamas. Proceso metu visa sistema kaupia energiją, kurią galima panaudoti ciklui paleisti iš naujo ir kitiems dalykams.
Visa kita, kas sudaro šiuolaikinį organizmą, - DNR, ląstelės, smegenys - atsirado vėliau, virš šių cheminių ciklų. Šie medžiagų apykaitos ciklai išvis mažai primena gyvenimą. Wachtershauseris savo išradimą pavadino „organizmų pirmtakais“ir parašė, kad „vargu ar juos galima vadinti gyvais“.
Tačiau metabolizmo ciklai, tokie, kaip aprašė Wachtershauseris, yra viso gyvenimo pagrindas. Jūsų ląstelės iš esmės yra mikroskopinės cheminės gamyklos, nuolat distiliuojančios vieną medžiagą į kitą. Metabolinių ciklų negalima vadinti gyvenimu, tačiau jie yra gyvybiškai svarbūs.
Devintajame ir dešimtajame dešimtmečiuose Wachtershauseris dirbo prie savo teorijos detalių. Jis apibūdino, kurie mineralai būtų tinkamiausi ir kokie cheminiai ciklai galėtų vykti. Jo idėjos ėmė traukti rėmėjus.
Bet visa tai buvo grynai teorinė. Norint palaikyti jo idėjas, Wachtershauseriui reikėjo tikro atradimo. Laimei, tai jau buvo padaryta dešimčia metų anksčiau.
Šaltiniai Ramiajame vandenyne
1977 m. Komanda, vadovaujama Jacko Corlisso iš Oregono valstybinio universiteto, pasuko 2,5 kilometro į rytinę Ramiojo vandenyno dalį. Jie tyrinėjo „Galapagų“karštuosius šaltinius tose vietose, kur iš jūros dugno kilo aukšti keteros. Šios keteros buvo vulkaniškai aktyvios.
Corlissas atrado, kad šios keteros buvo pažodžiui paženklintos karštais šaltiniais. Karštas, turtingas chemikalais vanduo kyla iš jūros dugno ir teka per uolienų skyles.
Neįtikėtinai šios hidroterminės angos buvo tankiai apgyvendintos keistų gyvūnų. Buvo didžiulių moliuskų, midijų ir anelidų. Vanduo taip pat buvo stipriai prisotintas bakterijų. Visi šie organizmai gyveno iš hidroterminių angų energijos.
Šių šaltinių atradimas suteikė Corliss vardą. Ir tai privertė susimąstyti. 1981 m. Jis pasiūlė, kad tokios angos Žemėje egzistuotų prieš keturis milijardus metų ir kad jos taptų gyvybės kilmės vieta. Liūto dalį savo karjeros jis skyrė šio klausimo tyrimui.
Hidroterminės angos turi keistą gyvenimą
Corlissas teigė, kad hidroterminės angos gali sudaryti cheminių medžiagų kokteilius. Kiekvienas šaltinis, jo teigimu, buvo savotiškas pirmapradio sultinio purškimas.
Kai karštas vanduo tekėjo per akmenis, dėl karščio ir slėgio paprasti organiniai junginiai susiliejo į sudėtingesnius junginius, tokius kaip amino rūgštys, nukleotidai ir cukrus. Arčiau sienos su vandenynu, kur vanduo nebuvo toks karštas, jie pradėjo jungtis grandinėmis - susidaryti angliavandeniams, baltymams ir nukleotidams, pavyzdžiui, DNR. Tada, vandeniui artėjant prie vandenyno ir dar labiau atvėsus, šios molekulės susibūrė į paprastas ląsteles.
Buvo įdomu, teorija patraukė žmonių dėmesį. Bet Stanley Milleris, kurio eksperimentą aptarėme pirmoje dalyje, tuo nepatikėjo. 1988 m. Jis parašė, kad gilios angos buvo per karštos.
Nors intensyvus karštis gali gaminti tokias chemines medžiagas kaip amino rūgštys, Millerio eksperimentai parodė, kad jis taip pat gali jas sunaikinti. Pagrindiniai junginiai, tokie kaip cukrus, „galėtų išgyventi keletą sekundžių, ne daugiau“. Be to, šios paprastos molekulės greičiausiai nesiriša grandinėmis, nes aplinkinis vanduo jas akimirksniu suardytų.
Šiame etape geologas Mike'as Russellas prisijungė prie mūšio. Jis manė, kad hidroterminių angų teorija gali būti gana teisinga. Be to, jam atrodė, kad šie šaltiniai bus idealūs namai Wachtershauser organizmo pirmtakams. Šis įkvėpimas paskatino jį sukurti vieną iš plačiausiai priimtų gyvenimo ištakų teorijų.
Geologas Michaelas Russellas
Russello karjeroje buvo daug įdomių dalykų - jis privertė aspiriną ieškoti vertingų mineralų - ir viename nuostabiame septintojo dešimtmečio įvykyje, nepaisydamas pasirengimo, koordinavo atsaką į galimą ugnikalnio išsiveržimą. Bet jį labiau domino, kaip per amžius pasikeitė Žemės paviršius. Ši geologinė perspektyva sukėlė jo idėjas apie gyvybės kilmę.
Devintajame dešimtmetyje jis rado iškastinius įrodymus apie mažiau turbulentišką hidroterminio tipo veną, kur temperatūra neviršijo 150 laipsnių Celsijaus. Anot jo, šios švelnios temperatūros gali leisti gyvenimo molekulėms gyventi ilgiau, nei manė Milleris.
Be to, šių „vėsių“orlaidžių iškastiniuose likučiuose buvo kažkas keisto: mineralinis piritas, sudarytas iš geležies ir sieros, susiformavo 1 mm skersmens vamzdžiuose. Dirbdamas laboratorijoje, Russellas atrado, kad piritas taip pat gali sudaryti sferinius lašelius. Ir jis pasiūlė, kad šių paprastų pirito struktūrų viduje galėjo susidaryti pirmosios sudėtingos organinės molekulės.
Geležies piritas
Maždaug tuo metu Wachtershauseris ėmė skelbti savo idėjas, kurios buvo pagrįstos karšto, chemiškai praturtinto vandens, tekančio per mineralus, tėkme. Jis net užsiminė, kad jame dalyvavo piritas.
Raselis pridėjo du plius du. Jis pasiūlė, kad hidroterminės angos giliai jūroje, pakankamai šaltos, kad susidarytų pirito struktūros, būtų Wachtershauserio organizmų pirmtakai. Jei Raselis buvo teisus, gyvenimas prasidėjo jūros dugne - ir pirmiausia atsirado medžiagų apykaita.
Russellas visa tai sudėjo į dokumentą, išleistą 1993 m., Praėjus 40 metų po klasikinio Millerio eksperimento. Tai nesukėlė tokio paties garso ir vaizdo įrašų džiaugsmo, bet, be abejo, buvo svarbesnė. Russellas sujungė dvi, atrodytų, atskiras idėjas - „Wachtershauser“medžiagų apykaitos ciklus ir „Corliss“hidrotermines angas - į kažką, kas išties patraukli.
Russellas netgi pasiūlė paaiškinimą, kaip pirmieji organizmai įgijo savo energiją. Tai yra, jis suprato, kaip galėtų veikti jų metabolizmas. Jo idėja buvo paremta vieno iš pamirštų moderniojo mokslo genijų darbu.
Peteris Mitchell, Nobelio premijos laureatas
Septintajame dešimtmetyje biochemikas Peteris Mitchellas susirgo ir buvo priverstas pasitraukti iš Edinburgo universiteto. Vietoje to, jis atokiame Kornvalio dvare įsteigė privačią laboratoriją. Atskirtas nuo mokslo bendruomenės, jis finansavo savo darbą su melžiamų karvių banda. Daugelis biochemikų, įskaitant Leslie Orgel, kurio darbas su RNR aptarėme antroje dalyje, Mitchell'io idėjas laikė visiškai juokingomis.
Po kelių dešimtmečių Mitchello laukė absoliuti pergalė: 1978 m. Nobelio chemijos premija. Jis netapo garsus, tačiau jo idėjos yra kiekviename šių dienų biologijos vadovėlyje. Mitchell'as praleido savo karjerą norėdamas išsiaiškinti, ką organizmai daro su energija, kurią gauna iš maisto. Iš esmės jis stebėjosi, kaip mums kiekvienam pavyksta išlikti gyvam kiekvieną sekundę.
Jis žinojo, kad visos ląstelės kaupia savo energiją vienoje molekulėje: adenozino trifosfate (ATP). Prie adenozino yra prijungta trijų fosfatų grandinė. Įpilant trečiąjį fosfatą reikia daug energijos, kuri vėliau užrakinama ATP.
Kai ląstelei reikia energijos - pavyzdžiui, kai raumuo susitraukia - ji suskaido trečiąjį fosfatą į ATP. Tai paverčia ATP į adenozidifosfatą (ADP) ir išskiria kaupiamą energiją. Mitchell norėjo sužinoti, kaip ląstelė daro ATP apskritai. Kaip jis ADP kaupia pakankamai energijos, kad galėtų pritvirtinti trečiąjį fosfatą?
Mitchell žinojo, kad fermentas, kuris gamina ATP, yra membranoje. Todėl aš dariau prielaidą, kad ląstelė per membraną pumpuoja įkrautas daleles (protonus), todėl daug protonų yra vienoje pusėje, bet ne kitoje.
Tada protonai bando nutekėti atgal per membraną, kad subalansuotų protonų skaičių kiekvienoje pusėje - tačiau vienintelė vieta, kur jie gali praeiti, yra fermentas. Tokiu būdu tekančių protonų srautas fermentui suteikė energiją, reikalingą ATP sukurti.
Pirmą kartą Mitchell pristatė savo idėją 1961 m. Kitus 15 metų jis praleido gindamas ją iš visų pusių, kol įrodymai nebuvo paneigiami. Dabar mes žinome, kad Mitchell procesą naudoja kiekvienas gyvas daiktas Žemėje. Šiuo metu jis teka jūsų ląstelėse. Kaip ir DNR, ji yra mūsų žinomo gyvenimo pagrindas.
Russellas pasiskolino iš Mitchell protonų gradiento idėją: vienoje membranos pusėje yra daug protonų, o kitoje - nedaug. Visoms ląstelėms reikia protonų gradiento, kad kauptų energiją.
Šiuolaikinės ląstelės sukuria nuolydžius siurbdamos protonus per membranas, tačiau tam reikia sudėtingo molekulinio mechanizmo, kuris tiesiog negalėjo pasirodyti vienas pats. Taigi Raselis žengė dar vieną logišką žingsnį: gyvenimas turėjo susiformuoti kažkur su natūraliu protono gradientu.
Pavyzdžiui, kažkur netoli hidroterminių angų. Bet tai turi būti specialus šaltinis. Kai Žemė buvo jauna, jūros buvo rūgščios, rūgščiame vandenyje yra daug protonų. Norint sukurti protonų gradientą, šaltinio vandenyje neturi būti mažai protonų: jis turi būti šarminis.
Corlisso šaltiniai netilpo. Jie buvo ne tik per karšti, bet ir sotūs. Tačiau 2000 m. Deborah Kelly iš Vašingtono universiteto atrado pirmuosius šarminius šaltinius.
Prarastas miestas
Kelly turėjo sunkiai dirbti, kad taptų mokslininku. Jos tėvas mirė baigdamas vidurinę mokyklą, o ji buvo priversta dirbti, kad liktų kolegijoje. Tačiau ji susidorojo ir pasirinko povandeninius ugnikalnius ir deginančius karštus hidroterminius šaltinius. Ši pora ją atvedė į Atlanto vandenyno centrą. Šiuo metu žemės pluta suskilo ir iš jūros dugno iškilo kalnų ketera.
Ant šios keteros Kelly atrado hidroterminių angų lauką, kurį ji pavadino „Prarastasis miestas“. Jie neatrodė kaip tie, kuriuos rado Corlissas. Vanduo iš jų tekėjo 40–75 laipsnių šilumos ir buvo šiek tiek šarminis. Iš šio vandens esantys karbonato mineralai susikaupė į stačius baltus „dūmų pluoštus“, kylančius iš jūros dugno kaip organų vamzdžius. Jie atrodo baisiai ir vaiduokliškai, bet nėra tokie: juose gyvena daugybė mikroorganizmų.
Šios šarminės angos puikiai dera su Russello idėjomis. Jis tvirtai tikėjo, kad tokiuose „pamestus miestuose“atsirado gyvenimas. Tačiau buvo viena problema. Kaip geologas, jis mažai žinojo apie biologines ląsteles, kad įtikinamai pateiktų savo teoriją.
Dūmų kolona iš „juodojo rūkymo kambario“
Taigi Raselis susibūrė į biologo Williamo Martino komandą. 2003 m. Jie pateikė patobulintą ankstesnių Russello idėjų versiją. Ir tai šiuo metu yra bene geriausia gyvenimo atsiradimo teorija.
Kelly dėka jie dabar žinojo, kad šarminių šaltinių uolienos yra akytos: jos buvo padarytos mažomis skylėmis, užpildytomis vandeniu. Jos pasiūlė, kad mažos kišenės veikė kaip „ląstelės“. Kiekvienoje kišenėje buvo pagrindinių cheminių medžiagų, įskaitant piritą. Kartu su natūraliais protonų gradientais iš šaltinių, jie buvo puiki vieta metabolizmui pradėti.
Po to, kai gyvenimas išmoko panaudoti šaltinio vandens energiją, Russellas ir Martinas sako, kad jis pradėjo kurti tokias molekules kaip RNR. Galų gale ji sukūrė sau membraną ir tapo tikra ląstele, pabėgančia iš akytos uolienos į atvirą vandenį.
Toks siužetas šiuo metu laikomas viena iš pagrindinių hipotezių apie gyvybės kilmę.
Ląstelės bėga iš hidroterminių angų
2016 m. Liepą jis sulaukė palaikymo, kai Martinas paskelbė tyrimą, kuriame rekonstruojamos kai kurios „paskutinio visuotinio bendro protėvio“(LUCA) detalės. Tai organizmas, gyvenęs prieš milijardus metų ir iš kurio kilęs visas esamas gyvenimas.
Vargu ar kada nors rasime tiesioginių suakmenėjusių šio organizmo egzistavimo įrodymų, tačiau nepaisant to, galime gana pagrįstai spėlioti, kaip jis atrodė ir ką jis padarė tyrinėdamas mūsų dienų mikroorganizmus. Tai padarė Martinas.
Jis ištyrė 1930 m. Šiuolaikinių mikroorganizmų DNR ir nustatė 355 genus, kuriuos turėjo beveik visi. Tai yra įtikinamas įrodymas, kad šie 355 genai per kartų kartas buvo perduoti iš bendro protėvio - tuo metu, kai gyveno paskutinis visuotinis bendras protėvis.
Šie 355 genai įjungia kai kuriuos, kad būtų galima naudoti protono gradientą, bet ne jo generuoti, kaip numatė Russellas ir Martinas. Be to, atrodo, kad LUCA buvo pritaikyta tokioms cheminėms medžiagoms, kaip metanas, ir tai rodo, kad ji gyveno vulkaniškai aktyvią, ventiliaciją primenančią aplinką.
„RNR pasaulio“hipotezės šalininkai nurodo dvi šios teorijos problemas. Galima tvirtinti; kitas gali būti mirtinas.
Hidroterminės versmės
Pirma problema yra ta, kad nėra eksperimentinių įrodymų apie procesus, aprašytus Russell ir Martin. Jie turi laipsnišką istoriją, tačiau nė vienas iš šių žingsnių nebuvo pastebėtas laboratorijoje.
„Žmonės, kurie mano, kad viskas prasidėjo nuo reprodukcijos, nuolat randa naujų eksperimentinių duomenų“, - sako Armenas Mulkidzhanyanas. "Žmonės, kurie palaiko metabolizmą, to nedaro."
Tačiau tai gali pasikeisti Martino kolegos Nicko Lane'o dėka iš Londono universiteto koledžo. Jis pastatė „Gyvybės reaktoriaus kilmę“, kuris imituoja šarminio šaltinio viduje esančias sąlygas. Jis tikisi pamatyti medžiagų apykaitos ciklus, o gal net tokias molekules kaip RNR. Bet dar per anksti.
Antroji problema yra šaltinių vieta giliavandenėje jūroje. Kaip 1988 m. Pažymėjo Milleris, ilgų grandinių molekulės, tokios kaip RNR ir baltymai, negali sudaryti vandenyje be pagalbinių fermentų.
Daugeliui mokslininkų tai yra lemtingas argumentas. „Jei moki gerai mokėti chemiją, tau nebus kyšis dėl giliavandenių šaltinių idėjos, nes žinai, kad visų šių molekulių chemija nesuderinama su vandeniu“, - sako Mulkidzhanianas.
Vis dėlto Russellas ir jo sąjungininkai išlieka optimistiški.
Tik praėjusį dešimtmetį pasirodė trečias požiūris, paremtas daugybe neįprastų eksperimentų. Tai žada tai, ko nepavyko pasiekti nei RNR pasauliui, nei hidroterminėms angoms: būdas sukurti visą ląstelę nuo nulio. Plačiau apie tai kitoje dalyje.
ILYA KHEL
- Pirma dalis: Kaip pasidaryti narvelį -
- Antra dalis: Mokslininkų gretas padalyti -
- Trečia dalis: ieškant pirmojo replikatoriaus -
- Penkta dalis: Taigi kaip sukurti langelį? -
- Šeštoji dalis: Didysis susivienijimas -