- Prvá časť: Ako vyrobiť klietku -
- Druhá časť: Rozdelenie v radoch vedcov -
- Tretia časť: pri hľadaní prvého replikátora -
- Piata časť: ako teda vytvoríte bunku? -
- Šiesta časť: Veľké zjednotenie -
V druhej kapitole sme sa dozvedeli, ako sa vedci rozdelili do troch myšlienkových škôl, odrážajúc pôvod života. Jedna skupina bola presvedčená, že život začal s molekulou RNA, ale nedokázal ukázať, ako by sa RNA alebo podobné molekuly mohli spontánne tvoriť na ranej Zemi a potom si sami vytvárať kópie. Ich úsilie bolo spočiatku povzbudivé, ale nakoniec zostalo iba sklamanie. Iní vedci, ktorí sledovali pôvod života, ale sledovali rôzne cesty, prišli s určitými výsledkami.
Teória sveta RNA je založená na jednoduchej myšlienke: najdôležitejšou vecou, ktorú môže živý organizmus urobiť, je jeho reprodukcia. Mnoho biológov by s tým súhlasilo. Od baktérií po modrej veľryby sa všetky živé zvieratá snažia mať potomka.
Mnohí vedci o pôvode života však nepovažujú reprodukciu za zásadnú. Predtým, ako sa organizmus dokáže rozmnožiť, musí sa stať sebestačným. Musí sa udržať nažive. Napokon, nemôžete mať deti, ak zomriete ako prvé.
Udržiavame sa nažive konzumáciou potravín; zelené rastliny to robia získavaním energie zo slnečného svetla. Na prvý pohľad je osoba, ktorá jedí šťavnatý steak, veľmi odlišná od listnatého duba, ale keď sa na to pozriete, obaja potrebujú energiu.
Tento proces sa nazýva metabolizmus. Najprv musíte získať energiu; povedzme z chemikálií bohatých na energiu, ako je cukor. Potom musíte použiť túto energiu na vybudovanie niečoho užitočného, napríklad buniek.
Tento proces využívania energie je taký dôležitý, že mnohí vedci ho považujú za prvý, od ktorého života začal.
Sopečná voda je horúca a bohatá na minerály
Propagačné video:
Ako by vyzerali tieto metabolické organizmy? Jeden z najzaujímavejších predpokladov urobil koncom 80. rokov Gunther Wachtershauser. Nebol to vedecký pracovník na plný úväzok, ale skôr patentový právnik s malými znalosťami chémie.
Wachtershauser navrhol, že prvé organizmy boli „radikálne odlišné od všetkého, čo sme vedeli“. Neboli vyrobené z buniek. Nemali enzýmy, DNA ani RNA. Namiesto toho si Wachtershauser predstavoval prúd horúcej vody prúdiaci zo sopky. Táto voda je bohatá na sopečné plyny, ako je amoniak, a obsahuje stopy minerálov zo srdca sopky.
Tam, kde voda pretekala horninami, začali chemické reakcie. Najmä kovy z vody pomohli zlúčiť jednoduché organické zlúčeniny do väčších. Zlomom bolo vytvorenie prvého metabolického cyklu. Je to proces, pri ktorom sa jedna chemikália premieňa na niekoľko ďalších chemikálií, až kým sa pôvodná látka nakoniec nevytvorí. Celý systém pritom vytvára energiu, ktorú je možné použiť na reštartovanie cyklu - a na ďalšie veci.
Všetko, čo tvorí moderný organizmus - DNA, bunky, mozgy - sa objavilo neskôr, na vrchole týchto chemických cyklov. Tieto metabolické cykly vôbec nepodobajú životu vôbec. Wachtershauser nazval svoj vynález „prekurzormi organizmov“a napísal, že „sotva ich možno nazvať živými“.
Avšak metabolické cykly, ako sú cykly opísané Wachtershauserom, sú jadrom celého života. Vaše bunky sú v podstate mikroskopické chemické továrne, ktoré neustále destilujú jednu látku do druhej. Metabolické cykly sa nedajú nazývať životom, ale sú pre život zásadné.
V 80. a 90. rokoch pracoval Wachtershauser na podrobnostiach svojej teórie. Zdôraznil, ktoré minerály by boli najvhodnejšie a ktoré chemické cykly by sa mohli uskutočniť. Jeho nápady začali priťahovať priaznivcov.
Ale toto všetko bolo čisto teoretické. Na podporu svojich nápadov Wachtershauser potreboval skutočný objav. Našťastie sa to už stalo pred desiatimi rokmi.
Zdroje v Tichomorí
V roku 1977 sa tím pod vedením Jacka Corlissa z Oregonskej štátnej univerzity vrhol do východného Pacifiku 2,5 km. Študovali horúce pramene Galapág v miestach, kde z morského dna stúpali vysoké hrebene. Tieto hrebene boli sopečne aktívne.
Corliss zistil, že tieto hrebene boli doslova posiate horúcimi prameňmi. Horúca voda bohatá na chemikálie stúpa z morského dna a preteká otvormi v skalách.
Je neuveriteľné, že tieto hydrotermálne prieduchy boli husto osídlené podivnými zvieratami. Boli obrovské mušle, mušle a annelids. Voda bola tiež silne nasýtená baktériami. Všetky tieto organizmy žili na energii hydrotermálnych prieduchov.
Objav týchto zdrojov dal Corlissovi meno. A prinútilo ma to myslieť. V roku 1981 navrhol, aby takéto otvory existovali na Zemi pred štyrmi miliardami rokov a že sa stali miestom pôvodu života. Lví podiel svojej kariéry venoval štúdiu tejto problematiky.
Hydrotermálne prieduchy majú zvláštny život
Corliss navrhol, že hydrotermálne prieduchy môžu vytvárať koktaily chemikálií. Každý zdroj, povedal, bol akýmsi sprejom prvotného vývaru.
Keď horúca voda pretekala horninami, teplo a tlak spôsobili, že jednoduché organické zlúčeniny sa spojili do komplexnejších, ako sú aminokyseliny, nukleotidy a cukry. Bližšie k hranici s oceánom, kde voda nebola tak horúca, sa začali viazať v reťazcoch - tvoriť uhľohydráty, proteíny a nukleotidy ako DNA. Keď sa voda priblížila k oceánu a ochladila sa ešte viac, tieto molekuly sa zhromaždili do jednoduchých buniek.
Bolo zaujímavé, že teória upútala pozornosť ľudí. Ale Stanley Miller, ktorého experiment sme diskutovali v prvej časti, tomu neveril. V roku 1988 napísal, že hlboké prieduchy boli príliš horúce.
Hoci intenzívne teplo môže produkovať chemikálie, ako sú aminokyseliny, Millerove experimenty ukázali, že ich môže tiež zničiť. Zásadité zlúčeniny, ako sú cukry, „už dlhšie neprežijú“. Okrem toho je nepravdepodobné, že by sa tieto jednoduché molekuly viazali v reťazcoch, pretože okolitá voda by ich okamžite rozpadla.
V tejto fáze sa do bitky zapojil geológ Mike Russell. Veril, že teória hydrotermálnych prieduchov by mohla byť celkom správna. Okrem toho sa mu zdalo, že tieto zdroje by boli ideálnym domovom pre predchodcov organizmu Wachtershauser. Táto inšpirácia ho viedla k vytvoreniu jednej z najviac akceptovaných teórií pôvodu života.
Geológ Michael Russell
Russellova kariéra mala veľa zaujímavých vecí - urobil aspirín, hľadal cenné minerály - a v jednom pozoruhodnom incidente v 60. rokoch koordinoval reakciu na možnú sopečnú erupciu, napriek nedostatočnej príprave. Zaujímalo ho však viac o to, ako sa zemský povrch zmenil po celé veky. Táto geologická perspektíva vyvolala jeho predstavy o pôvode života.
V osemdesiatych rokoch našiel fosílne dôkazy o menej turbulentnom type hydrotermálnej žily, kde teploty nepresiahli 150 stupňov Celzia. Tieto mierne teploty, povedal, by mohli umožniť molekulám života žiť dlhšie, ako si myslel Miller.
Navyše fosílne zvyšky týchto „chladných“prieduchov obsahovali niečo divné: minerálny pyrit zložený zo železa a síry sa vytvoril v rúrkach s priemerom 1 mm. Počas práce v laboratóriu Russell zistil, že pyrit môže tiež vytvárať sférické kvapôčky. A navrhol, aby sa v týchto jednoduchých pyritových štruktúrach mohli vytvoriť prvé komplexné organické molekuly.
Pyrit železa
V tom čase začal Wachtershauser zverejňovať svoje nápady, ktoré boli založené na toku horúcej, chemicky obohatenej vody pretekajúcej minerálmi. Dokonca navrhol, aby bol zapojený pyrit.
Russell pridal dve plus dve. Navrhol, aby hydrotermálne prieduchy hlboko v mori, dostatočne chladné, aby umožnili tvoriť pyritové štruktúry, prechovávali prekurzory organizmov Wachtershauser. Ak mal Russell pravdu, život sa začal na morskom dne - a prvýkrát sa objavil metabolizmus.
Russell to všetko dal dohromady v dokumente publikovanom v roku 1993, 40 rokov po Millerovom klasickom experimente. To nevytvorilo rovnaké zvuky médií, ale pravdepodobne to bolo dôležitejšie. Russell spojil dva zdanlivo oddelené myšlienky - metabolické cykly Wachtershausera a hydrotermálne prieduchy Corliss - do niečoho skutočne presvedčivého.
Russell dokonca ponúkol vysvetlenie toho, ako prvé organizmy získali energiu. To znamená, že pochopil, ako by ich metabolizmus mohol fungovať. Jeho myšlienka bola založená na práci jedného zo zabudnutých géniov modernej vedy.
Peter Mitchell, laureát Nobelovej ceny
V 60. rokoch 20. storočia ochorel biochemik Peter Mitchell a bol nútený odísť na dôchodok z University of Edinburgh. Namiesto toho založil súkromné laboratórium na vzdialenom pozemku v Cornwalle. Izolovaný od vedeckej komunity financoval svoju prácu stádom dojníc. Mnoho biochemikov, vrátane Leslieho Orgela, ktorého práca na RNA sme diskutovali v Časti 2, považovala Mitchellove myšlienky za absurdné.
O niekoľko desaťročí neskôr čakal Mitchell na absolútne víťazstvo: Nobelova cena za chémiu v roku 1978. Neslávil sa, ale jeho myšlienky sú dnes v každej učebnici biológie. Mitchell strávil svoju kariéru zisťovaním, čo organizmy robia s energiou, ktorú dostávajú z jedla. V podstate sa pýtal, ako sa nám všetkým podarí zostať nažive každú sekundu.
Vedel, že všetky bunky ukladajú svoju energiu v jednej molekule: adenozíntrifosfát (ATP). K adenozínu je pripojený reťazec troch fosfátov. Pridanie tretieho fosfátu vyžaduje veľa energie, ktorá sa potom zablokuje v ATP.
Keď bunka potrebuje energiu - napríklad, keď sa sval stiahne - rozloží tretí fosfát na ATP. To prevádza ATP na adenosidifosfát (ADP) a uvoľňuje uloženú energiu. Mitchell chcel vedieť, ako bunka všeobecne vytvára ATP. Ako ukladá dostatok energie v ADP na pripojenie tretieho fosfátu?
Mitchell vedel, že enzým, ktorý vytvára ATP, je v membráne. Preto som predpokladal, že bunková pumpa nabíja častice (protóny) cez membránu, takže toľko protónov je na jednej strane, ale nie na druhej.
Protóny sa potom pokúšajú presakovať späť cez membránu, aby vyvážili počet protónov na každej strane - ale jediným miestom, ktorým môžu prechádzať, je enzým. Tok tečúcich protónov tak poskytol enzýmu energiu potrebnú na vytvorenie ATP.
Mitchell prvýkrát predstavil svoj nápad v roku 1961. Ďalších 15 rokov ju bránil zo všetkých strán, až kým boli dôkazy nevyvrátiteľné. Teraz vieme, že Mitchell proces používa každá živá bytosť na Zemi. Práve teraz tečie vo vašich bunkách. Rovnako ako DNA, to je základom života, ktorý poznáme.
Russell si požičal od Mitchella myšlienku gradientu protónov: na jednej strane membrány je veľa protónov a na druhej strane niekoľko. Všetky bunky potrebujú na uloženie energie protónový gradient.
Moderné bunky vytvárajú gradienty čerpaním protónov cez membrány, ale to si vyžaduje zložitý molekulárny mechanizmus, ktorý sa jednoducho nemôže objaviť sám osebe. Russell teda urobil ďalší logický krok: život sa musel formovať niekde s prirodzeným protónovým gradientom.
Napríklad niekde blízko hydrotermálnych prieduchov. Musí to však byť špeciálny druh zdroja. Keď bola Zem mladá, moria boli kyslé a v kyslej vode bolo veľa protónov. Na vytvorenie gradientu protónov musí mať zdrojová voda nízky obsah protónov: musí byť zásaditá.
Corlissove zdroje sa nehodili. Nielenže boli príliš horúci, ale aj kysli. Ale v roku 2000 Deborah Kelly z University of Washington objavila prvé zásadité zdroje.
Stratené mesto
Kelly musela tvrdo pracovať, aby sa stala vedcom. Jej otec zomrel, keď dokončovala strednú školu, a bola nútená pracovať, aby zostala na vysokej škole. Zvládla však a vybrala si podvodné sopky a horúce hydrotermálne pramene ako predmet svojho záujmu. Tento pár ju priviedol do stredu Atlantického oceánu. V tomto bode praskla zemská kôra a z morského dna sa zdvihol hrebeň hôr.
Na tomto hrebeni objavila Kelly pole hydrotermálnych prieduchov, ktoré nazvala „Stratené mesto“. Nevyzerali ako tie, ktoré našiel Corliss. Voda z nich vytiekla pri teplote 40 až 75 stupňov Celzia a bola mierne zásaditá. Uhličitanové minerály z tejto vody sa zhlukovali do strmých bielych „oblakov dymu“, ktoré stúpali z morského dna ako varhany. Vyzerajú strašidelne a strašidelne, ale nie sú: sú domovom mnohých mikroorganizmov.
Tieto alkalické prieduchy dokonale zapadajú do Russellových nápadov. Pevne veril, že život sa objavil v „stratených mestách“. Bol tu však jeden problém. Ako geológ nevedel veľa o biologických bunkách, aby presvedčivo prezentoval svoju teóriu.
Stĺpec dymu z „čiernej fajčiarskej izby“
Russell sa spojil s biológom Williamom Martinom. V roku 2003 predstavili vylepšenú verziu predchádzajúcich myšlienok Russella. A toto je pravdepodobne najlepšia teória vzniku života v súčasnosti.
Vďaka Kelly teraz vedeli, že horniny alkalických prameňov boli porézne: boli posiate drobnými otvormi naplnenými vodou. Tieto malé vrecká, ktoré navrhli, fungovali ako „bunky“. Každé vrecko obsahovalo základné chemikálie vrátane pyritu. V kombinácii s prirodzeným protónovým gradientom zo zdrojov boli perfektným miestom na začatie metabolizmu.
Keď sa život naučil využívať energiu pramenitých vôd, Russell a Martin hovoria, začal vytvárať molekuly ako RNA. Nakoniec si vytvorila membránu pre seba a stala sa skutočnou bunkou, ktorá unikla z poréznej skaly do otvorenej vody.
Takýto pozemok sa v súčasnosti považuje za jednu z hlavných hypotéz o pôvode života.
Bunky utekajú z hydrotermálnych prieduchov
V júli 2016 získal podporu, keď Martin publikoval štúdiu rekonštrukcie niektorých detailov „posledného univerzálneho spoločného predka“(LUCA). Je to organizmus, ktorý žil pred miliardami rokov a z ktorého pochádza všetok existujúci život.
Je nepravdepodobné, že by sme niekedy našli priame fosílne dôkazy o existencii tohto organizmu, napriek tomu však môžeme celkom dobre urobiť vzdelané odhady o tom, ako to vyzeralo a čo sa stalo, keď študujeme mikroorganizmy našej doby. To urobil Martin.
Skúmal DNA moderných mikroorganizmov z roku 1930 a identifikoval 355 génov, ktoré mali takmer všetci. Toto je presvedčivý dôkaz prenosu týchto 355 génov prostredníctvom generácií a generácií zo spoločného predka - približne v čase, keď žil posledný univerzálny spoločný predok.
Týchto 355 génov zapína niektoré, aby používali protónový gradient, ale nie aby ho generovali, ako predpovedali Russell a Martin. Okrem toho sa zdá, že LUCA bola prispôsobená prítomnosti chemikálií, ako je metán, čo naznačuje, že obývali sopečne aktívne prostredie podobné vetraniu.
Navrhovatelia hypotézy „svet RNA“poukazujú na dva problémy s touto teóriou. Jeden môže byť opravený; druhý môže byť fatálny.
Hydrotermálne pramene
Prvým problémom je, že neexistujú experimentálne dôkazy o procesoch opísaných Russellom a Martinom. Majú históriu krok za krokom, ale žiadny z týchto krokov nebol v laboratóriu pozorovaný.
„Ľudia, ktorí veria, že všetko začalo reprodukciou, neustále hľadajú nové experimentálne údaje,“hovorí Armen Mulkidzhanyan. „Ľudia, ktorí stoja za metabolizmom, nie.“
To sa však mohlo zmeniť vďaka Martinovi kolegovi Nickovi Laneovi z University College London. Postavil reaktor „Pôvod života“, ktorý simuluje podmienky vo vnútri alkalického zdroja. Dúfa, že uvidí metabolické cykly a možno aj molekuly ako RNA. Ale je príliš skoro.
Druhým problémom je umiestnenie zdrojov v hlbokom mori. Ako poznamenal Miller v roku 1988, molekuly s dlhým reťazcom, ako je RNA a proteíny, sa nemôžu tvoriť vo vode bez pomocných enzýmov.
Pre mnohých vedcov je to fatálny argument. "Ak ste dobrí v chémii, nebude vás úplatok myšlienka hlbokomorských prameňov, pretože viete, že chémia všetkých týchto molekúl je nekompatibilná s vodou," hovorí Mulkidzhanian.
Russell a jeho spojenci však zostávajú optimistickí.
Až v poslednom desaťročí sa do popredia dostal tretí prístup podporený sériou neobvyklých experimentov. Sľubuje niečo, čo svet RNA ani hydrotermálne prieduchy nedokázali dosiahnuť: spôsob, ako vytvoriť celú bunku od nuly. Viac k tomu v nasledujúcej časti.
ILYA KHEL
- Prvá časť: Ako vyrobiť klietku -
- Druhá časť: Rozdelenie v radoch vedcov -
- Tretia časť: pri hľadaní prvého replikátora -
- Piata časť: Ako teda vytvoríte bunku? -
- Šiesta časť: Veľké zjednotenie -