- Esimene osa: kuidas puuri teha -
- Teine osa: teadlaste ridadesse jaotumine -
- Kolmas osa: esimese replikaatori otsimisel -
- Viies osa: kuidas siis lahtrit luua? -
- Kuues osa: Suur ühendamine -
Teises peatükis saime teada, kuidas õpetlased jagunesid kolme mõttekooli, mõtiskledes elu päritolu üle. Üks grupp oli veendunud, et elu sai alguse RNA molekulist, kuid ei suutnud näidata, kuidas RNA või sarnased molekulid võivad varakult Maale spontaanselt moodustuda ja siis ise koopiaid teha. Nende pingutused olid alguses julgustavad, kuid lõpuks jäid ainult pettumused. Kuid ka teised elutegevuse päritolu uurijad, kes on käinud erinevaid teid pidi, on tulnud mõne tulemusega.
RNA-maailma teooria põhineb lihtsal ideel: kõige olulisem, mida elusorganism saab teha, on ise paljuneda. Paljud bioloogid oleksid sellega nõus. Bakteritest sinivaaladeni püüavad kõik elusad asjad järglasi saada.
Paljud elukvaliteedi uurijad ei pea reprodutseerimist siiski põhiliseks. Enne kui organism saab paljuneda, peab nende sõnul saama isevarustatus. Ta peab ennast elus hoidma. Lõppude lõpuks ei saa te lapsi saada, kui surete esimesena.
Hoiame end toitu tarbides elus; rohelised taimed teevad seda päikesevalgusest energia ammutamise teel. Esmapilgul mahlane praad sööv inimene erineb lehest tammepuust väga, kuid kui te seda vaatate, vajavad nad mõlemad energiat.
Seda protsessi nimetatakse ainevahetuseks. Kõigepealt peate energiat saama; oletame, et energiarikastest kemikaalidest nagu suhkur. Siis peate seda energiat kasutama midagi kasulikku, näiteks rakke, üles ehitama.
See energia kasutamise protsess on nii oluline, et paljud teadlased peavad seda esimeseks, kust elu algas.
Vulkaaniline vesi on kuum ja mineraalirikas
Reklaamvideo:
Millised näeksid välja need ainus metaboolsed organismid? Ühe huvitavama eelduse tegi 1980ndate lõpus Gunther Wachtershauser. Ta ei olnud täiskohaga teadlane, vaid pigem patendiadvokaat, kel vähe teadmisi keemia alal.
Wachtershauser väitis, et esimesed organismid olid radikaalselt erinevad kõigest, mida me teadsime. Neid ei tehtud rakkudest. Neil polnud ensüüme, DNA-d ega RNA-d. Ei, selle asemel kujutas Wachtershauser vulkaanist välja voolavat kuuma vee voogu. See vesi on rikas vulkaaniliste gaaside, näiteks ammoniaagi poolest, ja sisaldab mineraalainete jälgi vulkaani südamest.
Seal, kus vesi voolas läbi kivide, hakkasid toimuma keemilised reaktsioonid. Eelkõige aitasid veest pärit metallid lihtsatel orgaanilistel ühenditel sulanduda suuremateks. Pöördepunktiks oli esimese ainevahetustsükli loomine. See on protsess, mille käigus muundatakse üks kemikaal mitmeks teiseks kemikaaliks, kuni lõpuks originaal taaskehtestatakse. Selle käigus kogub kogu süsteem energiat, mida saab kasutada tsükli taaskäivitamiseks - ja muudeks asjadeks.
Kõik muu, mis moodustab moodsa organismi - DNA, rakud, ajud - ilmusid hiljem, peale neid keemilisi tsükleid. Need ainevahetustsüklid meenutavad üldse vähe elu. Wachtershauser nimetas oma leiutist "organismide eellasteks" ja kirjutas, et "neid ei saa vaevalt elusateks nimetada".
Kuid metaboolsed tsüklid, nagu Wachtershauseri kirjeldatud, on kogu elu keskmes. Teie rakud on sisuliselt mikroskoopilised keemiatehased, destilleerides pidevalt üht ainet teiseks. Ainevahetustsüklit ei saa nimetada eluks, kuid need on elu põhialused.
1980ndatel ja 1990ndatel töötas Wachtershauser välja oma teooria üksikasju. Ta tõi välja, millised mineraalid oleksid kõige sobivamad ja millised keemilised tsüklid võiksid toimuda. Tema ideed hakkasid toetajaid köitma.
Kuid kõik see oli puhtalt teoreetiline. Wachtershauser vajas oma ideede toetamiseks tõelist avastust. Õnneks oli seda juba kümme aastat varem tehtud.
Allikad Vaikse ookeani piirkonnas
1977. aastal sukeldus Oregoni Riikliku Ülikooli Jack Corlissi juhitud meeskond 2,5 kilomeetrit Vaikse ookeani idaossa. Nad uurisid Galapagose kuumaveeallikaid kohtades, kus merepõhjast tõusid kõrged servad. Need servad olid vulkaaniliselt aktiivsed.
Corliss avastas, et need servad olid sõna otseses mõttes kuumaveeallikatega punutud. Kuum, kemikaalirikas vesi tõuseb merepõhja alt ja voolab läbi kivide aukude.
Uskumatult olid need hüdrotermilised õhuavad tihedalt asustatud võõraste loomadega. Seal olid tohutud karbid, rannakarbid ja annelid. Vesi oli ka bakteritega tugevalt küllastunud. Kõik need organismid elasid hüdrotermiliste õhuavade energiat.
Nende allikate avastamine andis Corlissile nime. Ja see pani mind mõtlema. 1981. aastal tegi ta ettepaneku, et sellised tuulutusavad olid Maal neli miljardit aastat tagasi ja et neist sai elukoha koht. Lõviosa oma karjäärist on ta pühendanud selle teema uurimisele.
Hüdrotermiliste ventilatsiooniavade elu on kummaline
Corliss pakkus, et hüdrotermilised õhutusavad võivad tekitada kemikaalide kokteile. Tema sõnul oli iga allikas omamoodi ürgpuljongi prits.
Kuuma vee voolamisel läbi kivimite põhjustas kuumus ja rõhk lihtsate orgaaniliste ühendite sulandumise keerukamateks, näiteks aminohapeteks, nukleotiidideks ja suhkruteks. Ookeanipiirile lähemal, kus vesi polnud veel nii kuum, hakkasid nad ahelaid ühendama - moodustades süsivesikuid, valke ja nukleotiide nagu DNA. Kui vesi lähenes ookeanile ja jahtus veelgi, kogunesid need molekulid lihtsatesse rakkudesse.
See oli huvitav, teooria köitis inimeste tähelepanu. Kuid Stanley Miller, kelle katset esimeses osas arutasime, ei uskunud seda. 1988. aastal kirjutas ta, et sügavad õhuavad olid liiga kuumad.
Ehkki intensiivne kuumus võib toota kemikaale nagu aminohapped, näitasid Milleri katsed, et see võib neid ka hävitada. Põhilised ühendid nagu suhkrud "võiksid ellu jääda paar sekundit, mitte enam". Pealegi ei seo need lihtsad molekulid tõenäoliselt ahelaid, kuna ümbritsev vesi puruneb need koheselt.
Selles etapis liitus lahinguga geoloog Mike Russell. Ta uskus, et hüdrotermiliste õhuavade teooria võib olla üsna õige. Pealegi tundus talle, et need allikad oleksid Wachtershauseri organismi eelkäijate jaoks ideaalne kodu. See inspiratsioon viis ta looma ühe laialt aktsepteeritud teooria elu päritolu kohta.
Geoloog Michael Russell
Russelli karjääris oli palju huvitavaid asju - ta pani aspiriini otsima väärtuslikke mineraale - ja koordineeris ühe tähelepanuväärse juhtumiga 1960ndatel, hoolimata ettevalmistuse puudumisest, võimalikule vulkaanipurskele reageerimist. Kuid teda huvitas rohkem see, kuidas Maa pind muutus eoonide kohal. See geoloogiline vaatenurk tekitas tema ideed elu päritolu kohta.
1980ndatel leidis ta fossiilseid tõendeid vähem turbulentse hüdrotermilise veeni tüübi kohta, kus temperatuur ei ületanud 150 kraadi Celsiuse järgi. Tema sõnul võivad need kerged temperatuurid lubada elu molekulidel kauem elada, kui Miller arvas.
Veelgi enam, nende "jahedate" tuulutusavade fossiiljäägid sisaldasid midagi kummalist: rauast ja väävlist koosnev mineraalpüriit oli moodustunud 1 mm läbimõõduga torudesse. Laboris töötades avastas Russell, et püriit võib moodustada ka sfäärilisi tilkasid. Ja ta tegi ettepaneku, et esimesed keerulised orgaanilised molekulid võisid moodustuda nende lihtsate püriidi struktuuride sees.
Raudpüriit
Selle aja paiku hakkas Wachtershauser avaldama oma ideid, mis põhinesid mineraalide kaudu voolava kuuma, keemiliselt rikastatud vee voolamisel. Ta soovitas isegi püriiti kaasata.
Russell lisas kaks pluss kaks. Ta soovitas, et hüdrotermilised õhuavad sügaval meres, piisavalt külmad, et püriidistruktuurid saaksid moodustuda, on Wachtershauseri organismide prekursorid. Kui Russellil oli õigus, algas elu mere põhjas - ja esmakordselt ilmnes ainevahetus.
Russell pani selle kõik kokku 1993. aastal, 40 aastat pärast Milleri klassikalist katset ilmunud paberile. See ei tekitanud samasugust meediumimürki, kuid vaieldamatult olulisem. Russell on ühendanud kaks pealtnäha eraldiseisvat ideed - Wachtershauseri ainevahetustsüklid ja Corlissi hüdrotermilised õhuavad - millekski tõeliselt kaalukaks.
Russell pakkus isegi selgitust, kuidas esimesed organismid oma energia said. See tähendab, et ta mõistis, kuidas nende metabolism võib toimida. Tema idee põhines ühe kaasaegse teaduse unustatud geeniuse tööl.
Nobeli preemia laureaat Peter Mitchell
1960. aastatel jäi biokeemik Peter Mitchell haigeks ja ta oli sunnitud Edinburghi ülikoolist pensionile minema. Selle asemel rajas ta Cornwallis kaugele kinnistule eralabori. Teadusringkonnast eraldatuna rahastas ta oma tööd piimalehmade karjaga. Paljud biokeemikud, sealhulgas Leslie Orgel, kelle tööd RNA-s arutasime teises osas, pidasid Mitchelli ideid täiesti naeruväärseks.
Mõnikümmend aastat hiljem ootas Mitchelli absoluutne võit: 1978. aasta Nobeli keemiapreemia. Kuulsaks ta ei saanud, kuid tema ideed on tänapäeval igas bioloogiaõpikus. Mitchell veetis oma karjääri nuputades, mida organismid toidust saadava energiaga teevad. Põhimõtteliselt imestas ta, kuidas meil kõigil õnnestub igal sekundil elus püsida.
Ta teadis, et kõik rakud salvestavad oma energia ühes molekulis: adenosiintrifosfaadis (ATP). Kolme fosfaadi ahel on kinnitatud adenosiini külge. Kolmanda fosfaadi lisamine nõuab palju energiat, mis seejärel lukustatakse ATP-sse.
Kui rakk vajab energiat - näiteks kui lihas tõmbab kokku, siis lagundab see kolmanda fosfaadi ATP-ks. See muundab ATP adenosidifosfaadiks (ADP) ja vabastab salvestatud energiat. Mitchell tahtis teada, kuidas lahter üldiselt ATP-d teeb. Kuidas see salvestab ADP-s piisavalt energiat, et kinnitada kolmas fosfaat?
Mitchell teadis, et ATP-d valmistav ensüüm oli membraanis. Seetõttu eeldasin, et rakk pumpab membraani kaudu laetud osakesi (prootoneid), nii palju prootoneid on ühel, kuid teisel mitte.
Seejärel proovivad prootonid membraani kaudu tagasi lekkida, et tasakaalustada prootonite arvu mõlemal küljel - kuid ainus koht, millest need läbi pääsevad, on ensüüm. Vooluvate prootonite voog varustas ensüümi seega ATP loomiseks vajaliku energiaga.
Mitchell esitas oma idee esmakordselt 1961. aastal. Järgmised 15 aastat veetis ta teda kõigist külgedest kaitstes, kuni tõendid olid ümberlükkamatud. Nüüd teame, et Mitchelli protsessi kasutab iga maakera elusolend. Praegu voolab see teie rakkudes. Nagu DNA, on see ka meie elu aluseks.
Russell laenas Mitchellilt prootonigradiendi idee: membraani ühel küljel on palju prootoneid ja teisel vähe. Kõik rakud vajavad energia salvestamiseks prootoni gradienti.
Kaasaegsed rakud loovad gradiente, pumpamisega prootoneid läbi membraanide, kuid selleks on vaja keerukat molekulaarset mehhanismi, mis lihtsalt ei saaks iseseisvalt ilmuda. Nii astus Russell veel ühe loogilise sammu: elu pidi kuskil moodustuma loodusliku prootonigradiendiga.
Näiteks kuskil hüdrotermiliste õhuavade lähedal. Kuid see peab olema eri tüüpi allikas. Kui Maa oli noor, olid mered happelised ja happelises vees on palju prootoneid. Prootonigradiendi loomiseks peab allikavees olema vähe prootoneid: see peab olema aluseline.
Corlissi allikad ei klappinud. Nad polnud mitte ainult liiga kuumad, vaid ka hapud. Kuid 2000. aastal avastas Deborah Kelly Washingtoni ülikoolist esimesed leeliselised allikad.
Kadunud linn
Kelly pidi teadlaseks saamiseks kõvasti vaeva nägema. Tema isa suri keskkooli lõpetamise ajal ja ta oli sunnitud tööle, et jääda ülikooli. Kuid ta sai hakkama ja valis enda huvides veealused vulkaanid ja kuumade hüdrotermiliste allikate põletamine. See paar viis ta Atlandi ookeani keskele. Sel hetkel pragus maapõue ja merepõhjast tõusis mägede katuseharja.
Sellel katuseharjal avastas Kelly hüdrotermiliste õhuavade välja, mida ta nimetas "Kadunud linnaks". Need ei näinud välja nagu need, mille Corliss leidis. Vesi voolas neist välja temperatuuril 40–75 kraadi ja oli kergelt aluseline. Sellest veest pärit karbonaatmineraalid kogunesid järsku valgeteks "suitsulõhnadeks", mis tõusid merepõhjast nagu orelitorud. Nad näevad välja jubedad ja kummituslikud, kuid ei ole sellised: nad on koduks paljudele mikroorganismidele.
Need aluselised tuulutusavad sobivad Russelli ideedega ideaalselt kokku. Ta uskus kindlalt, et elu ilmub sellistes „kadunud linnades“. Kuid oli üks probleem. Geoloogina ei teadnud ta bioloogilistest rakkudest kuigi palju, et oma teooriat veenvalt esitada.
Veerg suitsu "mustast suitsetamisruumist"
Nii koostas Russell bioloogi William Martini. 2003. aastal esitasid nad Russelli varasemate ideede täiustatud versiooni. Ja see on ilmselt parim teooria elu tekkimisest praegu.
Tänu Kellyle teadsid nad nüüd, et leeliseliste allikate kivimid olid poorsed: neil olid pisikesed veega täidetud augud. Need pisikesed taskud käitusid nende sõnul "rakkudena". Igas taskus olid põhikemikaalid, sealhulgas püriit. Allikatest pärineva loodusliku prootonigradiendiga koos olid nad ideaalne koht ainevahetuse alustamiseks.
Pärast seda, kui elu oli õppinud kasutama allikavete energiat, hakkasid Russell ja Martin ütlema, et see hakkas moodustama molekule nagu RNA. Lõpuks lõi ta enda jaoks membraani ja temast sai tõeline rakk, mis pääses poorse kivimi juurest vette.
Sellist süžeed peetakse praegu üheks juhtivaks hüpoteesiks elu päritolu kohta.
Rakud põgenevad hüdrotermiliste õhuavade eest
Juulis 2016 sai ta tuge, kui Martin avaldas uuringu, milles rekonstrueeriti "viimase universaalse ühise esivanema" (LUCA) mõned üksikasjad. See on organism, mis elas miljardeid aastaid tagasi ja kust sai alguse kogu olemasolev elu.
On ebatõenäoline, et leiame kunagi otseseid kivistunud tõendeid selle organismi olemasolust, kuid sellegipoolest võime meie praeguste mikroorganismide uurimisel teha haritud oletusi selle kohta, milline see välja nägi ja mida ta tegi. Seda tegi Martin.
Ta uuris 1930 kaasaegsete mikroorganismide DNAd ja tuvastas 355 geeni, mis peaaegu kõigil olid. See on veenev tõend nende 355 geeni põlvkondade ja põlvkondade kaudu ühiselt esivanemalt ülekandumise kohta - umbes sel ajal, kui elas viimane universaalne ühine esivanem.
Need 355 geeni lülitavad mõned sisse, et kasutada prootonigradienti, kuid mitte selle genereerimiseks, nagu Russell ja Martin ennustasid. Veelgi enam, LUCA näib olevat kohandatud selliste kemikaalide esinemisega nagu metaan, mis viitab sellele, et see asus vulkaaniliselt aktiivses vent-tüüpi keskkonnas.
"RNA-maailma" hüpoteesi pooldajad osutavad selle teooria kahele probleemile. Üks saab fikseerida; teine võib lõppeda surmaga.
Hüdrotermilised vedrud
Esimene probleem on see, et Russelli ja Martini kirjeldatud protsesside jaoks pole eksperimentaalseid tõendeid. Neil on samm-sammult ajalugu, kuid ühtegi neist etappidest pole laboris täheldatud.
"Inimesed, kes usuvad, et see kõik algas taastootmisest, leiavad pidevalt uusi eksperimentaalseid andmeid," ütleb Armen Mulkidzhanyan. "Inimesed, kes seisavad ainevahetuse eest, seda ei tee."
Kuid see võib muutuda tänu Martini kolleegile Nick Lane'ile University College Londonist. Ta ehitas "Reaktori päritolu", mis simuleerib leeliselise allika sisemisi olusid. Ta loodab näha ainevahetustsükleid ja võib-olla isegi molekule nagu RNA. Kuid see on liiga vara.
Teine probleem on allikate paiknemine süvameres. Nagu Miller 1988. aastal märkis, ei saa pikaahelalised molekulid nagu RNA ja valgud vees moodustuda ilma lisaensüümideta.
Paljudele teadlastele on see saatuslik argument. "Kui oskate keemiaga hästi hakkama saada, ei võeta teilt süvamereallikate ideed altkäemaksu, sest teate, et kõigi nende molekulide keemia ei sobi veega," ütleb Mulkidzhanian.
Kuid Russell ja tema liitlased on endiselt optimistlikud.
Alles viimasel kümnendil kerkis esile kolmas lähenemisviis, mida toetas rida ebaharilikke katseid. See lubab midagi, mida ei RNA-maailm ega hüdrotermilised õhutusavad pole suutnud saavutada: viis kogu raku nullist loomiseks. Sellest lähemalt järgmises osas.
ILYA KHEL
- Esimene osa: kuidas puuri teha -
- Teine osa: jagunemine teadlaste ridades -
- Kolmas osa: esimese replikaatori otsimisel -
- Viies osa: kuidas siis lahtrit luua? -
- Kuues osa: Suur ühendamine -
