- Druhá časť: Rozdelenie v radoch vedcov -
- Tretia časť: pri hľadaní prvého replikátora -
- Štvrtá časť: energia protónov -
- Piata časť: Ako teda vytvoríte bunku? -
- Šiesta časť: Veľké zjednotenie -
Dnes si podmanil život každý štvorcový centimeter Zeme, ale keď sa planéta prvýkrát vytvorila, bol to mŕtvy kameň. Ako a kedy došlo k prechodu z pamiatok? Ako začal život? Ťažko si možno predstaviť vážnejšiu, väčšiu a zložitejšiu otázku. Počas väčšiny ľudskej histórie nikto nepochyboval o tom, že toto je záležitosť bohov. Akékoľvek iné vysvetlenie nebolo mysliteľné.
Nikdy viac. V priebehu minulého storočia sa mnohí vedci pokúsili prísť na to, kde by mohol začať prvý život. Dokonca sa pokúsili obnoviť okamih stvorenia vo svojich laboratóriách: vytvoriť úplne nový život od nuly. Zatiaľ nikto neuspel, ale prešli sme dlhou cestou. Dnes je veľa vedcov, ktorí študujú pôvod života, presvedčení, že sú na správnej ceste - a majú experimenty, ktoré sú základom ich viery.
Toto je príbeh nášho úsilia zistiť skutočný pôvod. Je to príbeh posadnutosti, boja a geniálnej kreativity, ktorý viedol k niektorým z najväčších objavov modernej vedy. Túžba pochopiť pôvod života poslala mužov a ženy do najodľahlejších kútov našej planéty. Niektorí vedci boli považovaní za diabla v tele, zatiaľ čo iní pokračovali v práci pod palcom brutálnych totalitných vlád.
Toto je príbeh o narodení života na Zemi.
V skutočnosti dinosaury žili ešte nedávno.
Život je starý. Dinosaury - najslávnejšie vyhynuté tvory - sa objavili pred 250 miliónmi rokov. Ale život začal oveľa, oveľa skôr.
Najstarší známy fosílny záznam je starý asi 3,5 miliardy rokov, čo je 14-krát dlhšie ako najstaršie dinosaury. Fosílne záznamy nás však môžu posunúť ešte ďalej. Napríklad iba v auguste 2016 vedci objavili fosílne mikróby staré 3,7 miliardy rokov.
Propagačné video:
Tieto zvlnené vzory môžu byť staré 3,7 miliardy rokov
Samotná Zem nie je o moc staršia, je stará 4,5 miliardy rokov.
Za predpokladu, že život vznikol na Zemi - čo sa zdá byť rozumné, vzhľadom na to, že sme ho ešte inde inde nenašli -, muselo sa to stať v miliardových rokoch, ktoré uplynuli medzi vytvorením Zeme a objavením sa najstarších známych fosílií.
Zúžením rozsahu, v akom sa život mohol objaviť, môžeme robiť vzdelané odhady o tom, ako sa to stalo.
Strom života: väčšina baktérií a archaea
Biológovia od 19. storočia vedeli, že všetky živé bytosti sú tvorené „bunkami“: malými vreckami živej hmoty, ktoré prichádzajú vo všetkých tvaroch a veľkostiach. Bunky boli prvýkrát objavené v 17. storočí vďaka vynálezu prvých mikroskopov, ale trvalo viac ako sto rokov, kým si uvedomili, že sú základom celého života.
Určite nevyzeráte ako sumec alebo tyrannosaurus, ale mikroskop vám ukáže, že ste z takmer rovnakých buniek. Ako rastliny a huby. Doteraz však najpočetnejšou formou života sú mikroorganizmy pozostávajúce z jednej bunky. Baktérie sú najslávnejšou skupinou a možno ich nájsť všade na Zemi.
V apríli 2016 vedci predstavili aktualizovanú verziu „stromu života“: v istom zmysle rodokmeň každého živého druhu. Takmer všetky vetvy sú baktérie. Navyše, tvar týchto vetiev naznačuje, že baktérie boli spoločným predkom všetkého života. Inými slovami, každá živá vec - vrátane vás - pochádza z baktérií.
Ukazuje sa, že môžeme presnejšie definovať problém pôvodu života. Použitím iba materiálov a podmienok, ktoré boli na Zemi pred 3,5 miliardami rokov, musíme vytvoriť bunku.
Aké ťažké to bude?
Celá živá bunka
Prvé experimenty
Počas celej histórie nikto nepovažoval za potrebné pýtať sa, ako život vznikol, pretože odpoveď sa zdala zrejmá. Až do 18. storočia väčšina ľudí verila v „vitalizmus“. Toto je intuitívna myšlienka, že živé veci sú vybavené špeciálnou magickou vlastnosťou, ktorá ich odlišuje od neživých objektov.
Vitalizmus sa často spája s náboženským presvedčením. Biblia hovorí, že Boh použil „dych života“na oživenie prvých ľudí a nesmrteľná duša je formou vitalizmu.
Je tu iba jeden problém. Vitalizmus je úplný nezmysel.
Začiatkom 19. storočia objavili vedci niekoľko látok, ktoré sa zdali byť jedinečnými pre život. Jednou takouto zlúčeninou bola močovina, ktorá sa nachádzala v moči a vylučovala sa v roku 1799. Iba to sa ešte zmestí do konceptu vitalizmu. Tieto chemikálie dokázali vyrábať iba živé bytosti, a preto boli očividne nabité životnou energiou, vďaka čomu boli špeciálne.
V roku 1828 však nemecký chemik Friedrich Wöhler našiel spôsob, ako vyrobiť močovinu z obyčajnej chemikálie, kyanátu amónneho, ktorý nemal zjavné spojenie so živými vecami. Iní ho nasledovali a čoskoro vyšlo najavo, že chemické látky života môžu byť vyrobené z jednoduchších chemikálií, ktoré so životom nemajú nič spoločné.
Friedrich Wöhler, nemecký chemik
To bol koniec vitalizmu ako vedeckého konceptu. Ale ľuďom bolo ťažké sa rozlúčiť s touto myšlienkou. Mnohým ľuďom sa zdalo, že povedať, že o chemických látkach života nebolo nič „zvláštne“, bolo to, ako keby sme odobrali jeho mágiu zo života, čo z nej urobilo mechanické alebo duševné. A samozrejme to bolo v rozpore s Bibliu.
Dokonca aj vedci sa snažili zachrániť vitalizmus. Už v roku 1913 anglický biochemik Benjamin Moore vrúcne propagoval teóriu „biotickej energie“, ktorá bola rovnakým vitalizmom, ale s iným názvom. Tento nápad mal silné emocionálne podtexty.
Aj dnes sa však tento nápad občas objaví tu a tam. Napríklad existuje veľa príbehov sci-fi, v ktorých je možné „energiu života“zvýšiť alebo vysať. Pomyslite na „regeneračnú energiu“, ktorú používajú Time Lords v Doctor Who. Vyzerá to nezvyčajne, ale je to veľmi, veľmi starý nápad.
Po roku 1828 však mali vedci dobrý dôvod hľadať „bezbožné“vysvetlenie prvého vzhľadu života. Ale neurobili to. Zdá sa, že túto tému je potrebné preskúmať, ale v skutočnosti sa tajomstvo pôvodu života už desaťročia ignoruje. Možno boli stále príliš pripútaní k vitalizmu, aby podnikli ďalší krok.
Charles Darwin ukázal, že všetok život pochádzal od jedného spoločného predka
Namiesto toho bol obrovským skokom v biológii v 19. storočí evolučná teória vyvinutá Charlesom Darwinom a ďalšími.
Darwinova teória, uvedená v roku 1859 v The Original of Drues, vysvetlila, ako celá táto rozmanitosť života mohla vzniknúť od jedného spoločného predka. Každý jednotlivý druh už nebol stvorený Bohom, ale pochádzal zo starodávneho organizmu, ktorý žil pred miliónmi rokov: posledný spoločný spoločný predok.
Táto myšlienka sa ukázala byť mimoriadne kontroverznou, opäť preto, že sa nehodila do Biblie. Darwin a jeho nápady boli napadnutí čiastočne pobúrenými kresťanmi.
Teória evolúcie nehovorila nič o tom, ako sa objavil prvý organizmus.
Darwin veril, že život sa objavil v „teplom jazierku“.
Darwin vedel, že to bola hlboká otázka, ale - možno sa obávajú nových útokov cirkvi - odvážil sa o tom diskutovať až v roku 1871. Pozitívny tón listu ukazuje, že poznal hlboký význam tejto otázky:
„Ale ak (a oh, aký veľký„ ak “) by sme si vedeli predstaviť malý teplý rybník so všetkými druhmi amoniaku a fosforu - so svetlom, teplom, elektrinou -, v ktorom by sa chemicky formovala proteínová zlúčenina, pripravená prejsť ešte viac. zložité zmeny …"
Inými slovami, čo keby bolo kedysi malé množstvo vody naplnené jednoduchými organickými zlúčeninami a kúpané na slnku? Niektoré z týchto zlúčenín sa môžu kombinovať a tvoriť polotovary ako proteín, ktorý by sa mohol začať vyvíjať a stať sa komplexnejšími.
Táto myšlienka bola povrchná. Vytvorila však základ pre prvú hypotézu vzniku života.
Je zaujímavé, že táto hypotéza sa objavila v ZSSR.
Alexander Oparin žil a pracoval v ZSSR
Počas Stalinovho času bolo všetko pod kontrolou štátu. Dokonca aj myšlienky ľudí, biológov, nesúvisiacich s komunistickou politikou. Je pozoruhodné, že Stalin skutočne zakázal vedcom študovať konvenčnú genetiku. Namiesto toho propagoval myšlienky poľnohospodára Trofima Lysenka, ktoré boli podľa jeho názoru viac v súlade s komunistickou ideológiou. Vedci, ktorí pracujú v oblasti genetiky, boli nútení verejne podporovať Lysenkove nápady, aby nekončili v táboroch.
Alexander Oparin uskutočnil výskum v oblasti biochémie v takom represívnom prostredí. Mohol pracovať, pretože bol obetavým komunistom: podporoval Lysenkove myšlienky a dokonca dostal Leninov rád, najvyššie ocenenie sovietskej éry.
V roku 1924 Oparin publikoval svoje dielo Pôvod života. V nej načrtol svoju víziu pôvodu života, ktorá bola nápadne podobná Darwinovmu malému teplému rybníku.
Oceány sa vytvorili po ochladení Zeme
Oparin sa pokúsil predstaviť si, aká bola Zem po formácii. Povrch padal horúco, keď kamene padali z vesmíru. Hodgepodge polo-expandovaných hornín obsahujúcich obrovské množstvo chemikálií, vrátane chemikálií na báze uhlíka.
Nakoniec sa Zem dostatočne ochladila na to, aby sa vodná para kondenzovala na tekutú vodu a začal padať prvý dážď. Napĺňali zemské oceány, ktoré boli horúce a bohaté na uhlíkaté chemikálie. Čo potrebujete pre život.
Najskôr interagovali rôzne chemikálie navzájom za vzniku mnohých nových zlúčenín, z ktorých niektoré boli komplexné. Oparin navrhol, že vo vodách Zeme by sa mohli tvoriť molekuly nevyhnutné pre život, cukry a aminokyseliny.
Potom niektoré chemikálie začali vytvárať mikroskopické štruktúry. Mnoho organických látok sa vo vode nerozpúšťa: napríklad oleje tvoria vrstvu na povrchu vody. Keď sa však niektoré z týchto látok dostanú do kontaktu s vodou, vytvárajú sférické „koacervované“gule, ktoré môžu mať priemer až 0,01 centimetra.
Ak sa pozriete na koacerváty cez mikroskop, správajú sa veľmi pohyblivo ako živé bunky. Rastú a menia tvar, niekedy rozdelené na dve časti. Môžu tiež zbierať chemikálie z okolitej vody, takže môžu skončiť so životnými chemikáliami. Oparin navrhol, že koacerváty sú predchodcami moderných buniek.
O päť rokov neskôr, v roku 1929, anglický biológ John Burdon Sanderson Haldane nezávisle navrhol veľmi podobné myšlienky v krátkom článku uverejnenom v Rationalist Annual Annual.
V tom čase už Haldane veľa prispel k teórii evolúcie a pomohol integrovať Darwinove myšlienky do rozvíjajúcej sa vedy o genetike.
Anglický genetik J. Haldane
Rovnako ako Oparin, Haldane opísal, ako sa môžu organické látky hromadiť vo vode „dovtedy, kým prvotné oceány nedosiahnu konzistenciu horúcej zriedenej polievky“. Tým by sa pripravili scény pre „prvé živé alebo polotovary“, ktoré sa vytvorili a skončili v tenkej vrstve oleja.
Je dôležité, že medzi všetkými biológmi na svete k tomu prišli iba Oparin a Haldane. Myšlienka, že živé organizmy sa môžu formovať jednoduchými chemickými reakciami, bez Boha alebo dokonca „životnej sily“, bola radikálna. Rovnako ako Darwinova evolučná teória, aj pred ňou to bola facka tvárou v tvár kresťanstvu.
Ale dokonale zapadá do rámca ZSSR. Sovietsky režim bol oficiálne ateistický a jeho vodcovia šťastne podporovali akékoľvek materialistické vysvetlenie hlbokých javov, ako je život. Haldane bol tiež ateista a komunista, ktorý mal naštartovať systém.
„V tom čase záviselo prijatie alebo odmietnutie myšlienky predovšetkým od jednotlivca: či bol náboženský, či podporoval ľavicové alebo komunistické myšlienky,“hovorí odborník na pôvodný život Armen Mulkidzhanian z University of Osnabruck v Nemecku. „V Sovietskom zväze boli prijaté s radosťou, pretože nepotrebovali Boha. Ak sa v západnom svete pozriete na ľudí, ktorí si mysleli týmto smerom, všetci boli ľavicoví, komunistickí a tak ďalej. ““
Myšlienka, že život bol tvorený v prvotnom vývare organickej hmoty, sa stala Oparin-Haldanovou hypotézou. Bola úhľadná a presvedčivá, ale vyskytol sa jeden problém. Nepodporili ju žiadne experimentálne dôkazy. A tak to trvalo takmer štvrť storočia.
Harold Urey
Keď sa Harold Urey začal zaujímať o pôvod života, už získal Nobelovu cenu za chémiu z roku 1934 a pomohol vybudovať atómovú bombu. Počas druhej svetovej vojny pracoval Jurij na projekte Manhattan a zbieral nestabilný urán 235 potrebný pre jadro bomby. Po vojne sa snažil udržať jadrovú technológiu pod civilnou kontrolou.
Zaujímal sa aj o chémiu vesmíru, najmä o to, čo sa stalo počas formovania slnečnej sústavy. Jedného dňa prednášal a poznamenal, že v zemskej atmosfére pravdepodobne nebol kyslík, keď sa prvýkrát vytvoril. Toto bol perfektný doplnok k Oparinovi a Haldanovmu primárnemu bujónu: krehké chemikálie sa mohli zničiť kontaktom s kyslíkom.
V publiku bol doktorand Stanley Miller, ktorý potom oslovil Yuuri s otázkou: je možné tento nápad otestovať? Yuuri bol skeptický, ale Miller trval na svojom. Takže v roku 1952 Miller začal najslávnejší experiment o pôvode života.
Miller-Ureyov experiment
Nastavenia boli jednoduché. Miller spojil sériu sklenených baniek a vypálil štyri chemikálie, ktoré mohli byť prítomné na začiatku Zeme: vriaca voda, plynný vodík, amoniak a metán. Potom vystavil plyny opakovaným elektrickým šokom, aby simuloval úder blesku, ktorý bol v týchto dňoch na Zemi bežný.
Miller zistil, že „voda v liekovkách po prvom dni výrazne vzrástla a na konci týždňa bol roztok červený a zakalený“. Zrejme sa vytvorila zmes chemikálií.
Po analýze zmesi Miller zistil, že obsahuje dve aminokyseliny: glycín a alanín. Aminokyseliny sa často označujú ako stavebné kamene života. Používajú sa na tvorbu proteínov, ktoré kontrolujú väčšinu biochemických procesov v našom tele. Miller postavil od základu dve základné zložky života.
Výsledky boli uverejnené v prestížnom časopise Science v roku 1953. Yuri urobil niečo veľmi neobvyklé pre vedcov vedúcich k tomu, že vzal jeho meno z práce a vzdal všetku zásluhu Millerovi. Napriek tomu sa táto štúdia často označuje ako experiment Miller-Urey.
Stanley Miller v laboratóriu
„Silnou stránkou Miller-Urey je, že dokážete vyrobiť veľa biologických molekúl len z atmosféry,“hovorí John Sutherland z Laboratória molekulárnej biológie v Cambridge vo Veľkej Británii.
Podrobnosti sa ukázali ako nesprávne, pretože neskoršie štúdie ukázali, že atmosféra starej Zeme bola inou zmesou plynov. To však nič nemení. Experiment bol úspechom, stimuloval predstavivosť verejnosti a vybuchol do úvodzoviek.
Po Millerovom experimente začali ostatní vedci hľadať spôsoby, ako vytvoriť jednoduché biologické molekuly od nuly. Zdá sa, že sa objavilo riešenie tajomstva pôvodu života.
Ale potom sa ukázalo, že život bol ťažší, ako si ktokoľvek myslel. Živé bunky neboli iba vreckami chemikálií: boli malými malými strojmi. Zrazu sa ukázalo, že stavba bunky od nuly je oveľa ťažšia, ako si mysleli vedci.
ILYA KHEL
- Druhá časť: Rozdelenie v radoch vedcov -
- Tretia časť: pri hľadaní prvého replikátora -
- Štvrtá časť: energia protónov -
- Piata časť: ako teda vytvoríte bunku? -
- Šiesta časť: Veľké zjednotenie -