- Teine osa: jagunemine teadlaste ridades -
- Kolmas osa: esimese replikaatori otsimisel -
- Neljas osa: prootonite energia -
- Viies osa: kuidas luua rakk? -
- Kuues osa: Suur ühendamine -
Tänaseks on elu vallutanud Maa iga ruutsentimeetri, kuid kui planeet esmakordselt moodustus, oli see surnud kivi. Kuidas ja millal toimus orientiiri üleminek? Kuidas elu algas? Vaevalt võib mõelda tõsisemale, suurele ja keerukale küsimusele. Kogu inimkonna ajaloo vältel ei kahelnud keegi, et see on jumalate äri. Muud seletused polnud mõeldavad.
Mitte rohkem. Viimase sajandi jooksul on paljud teadlased püüdnud aru saada, kust võis esimene elu alguse saada. Nad üritasid loomise hetke isegi oma laborites taasluua: luua täiesti uus elu nullist. Siiani pole keegi õnnestunud, kuid oleme jõudnud kaugele. Tänapäeval on paljud elu päritolu uurivad teadlased kindlad, et on õigel teel - ja neil on eksperimente, mis kinnitavad nende usaldust selles suhtes.
See on lugu meie püüdlustest välja selgitada oma tõeline päritolu. See on lugu kinnisideest, võitlusest ja hiilgavast loovusest, mis viis kaasaegse teaduse suurimate avastusteni. Soov mõista elu päritolu saatis mehi ja naisi meie planeedi kõige kaugematesse nurkadesse. Mõnda õpetlast peeti lihastes kuraditeks, teised jätkasid jõhkrate totalitaarsete valitsuste pöialt.
See on lugu Maal sündimisest.
Tegelikult elasid dinosaurused mitte nii kaua aega tagasi.
Elu on vana. Dinosaurused - kõige kuulsamad väljasurnud olendid - ilmusid 250 miljonit aastat tagasi. Kuid elu algas palju, palju varem.
Vanim teadaolev fossiilide rekord on umbes 3,5 miljardit aastat vana, 14 korda pikem kui vanimate dinosauruste puhul. Kuid fossiilide rekord võib meid veelgi kaugemale viia. Näiteks avastasid teadlased ainuüksi 2016. aasta augustis kivistunud mikroobid, mis on 3,7 miljardit aastat vanad.
Reklaamvideo:
Need lainelised mustrid võivad olla 3,7 miljardit aastat vanad
Maa ise pole palju vanem, ta on 4,5 miljardit aastat vana.
Kui eeldada, et elu sai alguse Maalt - mis tundub mõistlik, arvestades, et me pole seda ikkagi mujalt leidnud -, siis pidi see juhtuma miljard aastat, mis kulus Maa moodustumise ja vanimate teadaolevate fossiilide ilmumise vahel.
Lühendades eluea ilmumisaega, võime teha haritud oletusi, kuidas see juhtus.
Elupuu: enamik baktereid ja arhaea
Alates 19. sajandist on bioloogid teadnud, et kõik elusad asjad koosnevad "rakkudest": pisikestest elusate ainete kottidest, mis on igasuguse kuju ja suurusega. Rakud avastati esmakordselt 17. sajandil tänu esimeste mikroskoopide leiutamisele, kuid mõistmiseks, et need on kogu elu aluseks, kulus üle saja aasta.
Te ei näe kindlasti välja nagu säga või türannosaurus, kuid mikroskoop näitab, et olete valmistatud peaaegu samadest rakkudest. Nagu taimed ja seened. Kuid seni on kõige arvukam eluvorm mikroorganismid, mis koosnevad ühest rakust. Bakterid on kõige kuulsam rühm ja neid võib leida kõikjal Maal.
2016. aasta aprillis esitasid teadlased "elupuu" ajakohastatud versiooni: teatud mõttes iga elava liigi sugupuu. Peaaegu kõik oksad on bakterid. Pealegi viitab nende harude kuju sellele, et bakterid olid kogu elu ühised esivanemad. Teisisõnu, iga elusolend - ka sina - pärines bakteritest.
Selgub, et suudame elu päritolu probleemi täpsemalt määratleda. Kasutades ainult materjale ja tingimusi, mis olid Maal 3,5 miljardit aastat tagasi, peame me tegema raku.
Kui raske see saab olema?
Terve elav rakk
Esimesed katsed
Läbi suurema osa ajaloost ei pidanud keegi vajalikuks küsida, kuidas elu tekkis, kuna vastus tundus ilmne. Kuni 1800. aastateni uskus enamik inimesi "vitalismi". See on intuitiivne idee, et elusad asjad on erilise maagilise omadusega, mis eristab neid elututest objektidest.
Vitalismi on sageli seostatud usuliste veendumustega. Piiblis öeldakse, et Jumal kasutas esimeste inimeste elustamiseks "elu hinge" ja surematu hing on vitalismi vorm.
On ainult üks probleem. Vitalism on täielik jama.
1800. aastate alguseks olid teadlased avastanud mitu ainet, mis tundusid elule ainulaadsed. Üks selline ühend oli karbamiid, mida leiti uriiniga ja eritus 1799. aastal. Ainult see sobib endiselt vitalismi mõistesse. Ainult elusad asjad suutsid neid kemikaale toota, seega laeti neil ilmselt eluenergiat ja see tegi nad eriliseks.
Kuid 1828. aastal leidis saksa keemik Friedrich Wöhler viisi karbamiidi valmistamiseks tavalisest kemikaalist ammooniumtsüanaadist, millel polnud elusate asjadega selget seost. Teised järgisid eeskuju ja peagi selgus, et elukemikaalid võivad olla valmistatud lihtsamatest kemikaalidest, millel pole eluga mingit pistmist.
Friedrich Wöhler, saksa keemik
See oli vitalismi kui teadusliku kontseptsiooni lõpp. Kuid inimestel oli keeruline sellest mõttest osa saada. Paljudele inimestele tundus, et öelda, et elu kemikaalides pole midagi "erilist", oli nagu võlu elult äravõtmine, mehaaniliseks või hingetuks muutmine. Ja muidugi oli see piibliga vastuolus.
Isegi teadlased on püüdnud vitalismi päästa. Juba 1913. aastal propageeris inglise biokeemik Benjamin Moore tulihingeliselt "biootilise energia" teooriat, mis oli sama vitalism, kuid teise nimega. Sellel ideel oli tugev emotsionaalne ülaosa.
Isegi tänapäeval hüppab see idee mõnikord siia ja sinna. Näiteks on palju ulmelugusid, milles saab "elu energiat" suurendada või välja imeda. Mõelge "regenereerimisenergiale", mida Time Lords kasutab ajakirjas Doctor Who. See tundub ebaharilik, kuid see on väga-väga vana idee.
Pärast 1828. aastat oli teadlastel siiski hea põhjus otsida "jumalatut" seletust elu esmailminguks. Kuid nad ei teinud seda. Näib, et seda teemat tuleb uurida, kuid tegelikult on elu päritolu salapära ignoreeritud aastakümneid. Võib-olla olid nad ikka veel liiga seotud vitalismiga, et järgmise sammuni astuda.
Charles Darwin näitas, et kogu elu pärines ühest ühisest esivanemast
Selle asemel oli 19. sajandil hiiglaslik hüpe bioloogias Charles Darwini ja teiste poolt välja töötatud evolutsiooniteooria.
Darwini teooria, mis oli esitatud artiklis 1859. aastal liikide päritolust, selgitas, kuidas kogu see mitmekesisus võis tekkida ühest ühisest esivanemast. Iga üksikut liiki ei olnud enam jumala loodud, vaid ta pärines muistsest organismist, mis elas miljoneid aastaid tagasi: viimasest universaalsest ühisest esivanemast.
See idee osutus äärmiselt vastuoluliseks, kuna see ei sobinud Piiblisse. Darwin ja tema ideed sattusid osaliselt nördinud kristlaste rünnaku alla.
Evolutsiooniteooria ei öelnud midagi selle kohta, kuidas kõige esimene organism ilmus.
Darwin uskus, et elu ilmus "väikesesse sooja tiiki"
Darwin teadis, et see on sügav küsimus, kuid - võib-olla pelgades kiriku uusi rünnakuid - julges ta seda arutada alles 1871. aastal. Kirja optimistlik toon näitab, et ta teadis selle küsimuse sügavat tähendust:
"Aga kui (ja oi, kui suur" kui ") võiksime ette kujutada väikest sooja tiiki, kus oleks igasuguseid ammoniaagi ja fosforisoolasid - valgust, soojust ja elektrit -, milles moodustuks keemiliselt valguühend, mis oleks valmis läbima veelgi keerulised muudatused …"
Teisisõnu, mis juhtuks, kui seal oleks kunagi olnud väike veekogu, mis on täidetud lihtsate orgaaniliste ühenditega ja mida on päikese käes valgustatud? Mõned neist ühenditest võivad moodustuda pool-elavaks aineks nagu valk, mis võib hakata arenema ja muutuma keerukamaks.
See idee oli pealiskaudne. Kuid ta oli aluseks elu tekkimise esimesele hüpoteesile.
Kummalisel kombel ilmus see hüpotees NSV Liidus.
Aleksander Oparin elas ja töötas NSV Liidus
Stalini ajal oli kõik riigi kontrolli all. Isegi inimeste, bioloogide ideed, mis pole kommunistliku poliitikaga seotud. Märkimisväärne on see, et Stalin keelas teadlastel tegelikult tavageneetikat uurida. Selle asemel propageeris ta põllumehe Trofim Lõssenko ideid, mis tema arvates olid rohkem kommunistliku ideoloogiaga kooskõlas. Geneetika valdkonnas töötavad teadlased olid sunnitud Lysenko ideid avalikult toetama, et mitte laagritesse sattuda.
Just sellises repressiivses keskkonnas viis Aleksander Oparin biokeemia alal läbi uurimistöö. Ta sai töötada, kuna oli pühendunud kommunist: ta toetas Lõssenko ideid ja sai isegi Lenini ordeni, mis oli Nõukogude aja kõrgeim autasu.
1924. aastal avaldas Oparin oma teose "Elu päritolu". Selles tõi ta välja oma nägemuse elu päritolust, mis oli silmatorkavalt sarnane Darwini väikese sooja tiigiga.
Pärast Maa jahtumist moodustunud ookeanid
Oparin üritas ette kujutada, milline oli Maa pärast moodustumist. Pind oli kõrvetav, kuna kivid langesid kosmosest. Poolpaisunud kivimite kodumasin, mis sisaldab suurt hulka kemikaale, sealhulgas süsinikul põhinevaid kemikaale.
Lõpuks jahtus Maa piisavalt, et veeaur kondenseeruks vedelaks veeks ja esimesed vihmad hakkasid sadama. See täitis Maa ookeane, mis olid kuumad ja rikas süsinikkemikaalidega. Mida eluks vaja.
Alguses interakteerusid erinevad kemikaalid üksteisega, moodustades palju uusi ühendeid, millest mõned olid keerulised. Oparin väitis, et eluks vajalikud molekulid, suhkrud ja aminohapped, võisid Maa vetes moodustuda.
Siis hakkasid mõned kemikaalid moodustama mikroskoopilisi struktuure. Paljud orgaanilised ained ei lahustu vees: näiteks õlid moodustavad vee peal kihi. Kuid kui mõned neist ainetest puutuvad kokku veega, moodustavad nad "koatservaatide" sfäärilisi kuulikesi, mille läbimõõt võib olla kuni 0,01 sentimeetrit.
Kui vaadata koacervatsioone mikroskoobi kaudu, siis käituvad nad nagu liikuvad rakud väga liikuvalt. Nad kasvavad ja muudavad kuju, jagunevad mõnikord kaheks osaks. Samuti võivad nad ümbritsevast veest kemikaale korjata, nii et need võivad lõppeda elulaadsete kemikaalidega. Oparin väitis, et koacervaadid olid tänapäevaste rakkude esivanemad.
Viis aastat hiljem, 1929. aastal pakkus inglise bioloog John Burdon Sanderson Haldane välja iseseisvalt väga sarnaseid ideesid ajakirjas Rationalist Annual avaldatud lühiartiklis.
Selleks ajaks oli Haldane juba palju kaasa aidanud evolutsiooniteooriale, aidates integreerida Darwini ideed arenevasse geneetikateadusesse.
Inglise geneetik J. Haldane
Nagu Opariin, kirjeldas Haldane, kuidas orgaaniline aine võib koguneda vette "kuni ürgsed ookeanid jõudsid kuuma, lahjendatud supi konsistentsini". See paneks aluse "esimestele elavatele või pooleldi elavatele asjadele", mis moodustusid ja lõppesid õhukese õlikihiga.
On märkimisväärne, et kõigi maailma bioloogide seas jõudsid sellele vaid Oparin ja Haldane. Idee, et elusorganisme saab moodustada lihtsate keemiliste reaktsioonide kaudu, ilma Jumala või isegi "elujõuta", oli radikaalne. Nagu Darwini evolutsiooniteooria enne seda, oli ka see kristluse silmis laks.
Kuid see sobib ideaalselt NSVLi raamistikku. Nõukogude režiim oli ametlikult ateist ja selle juhid toetasid rõõmsalt igasugust materialistlikku seletust sellistele sügavatele nähtustele nagu elu. Haldane oli ka ateist ja kommunist.
“Sel ajal sõltus idee aktsepteerimine või tagasilükkamine peamiselt inimesest: kas ta oli usuline, kas ta toetas vasakpoolsust või kommunistlikke ideid,” ütleb Saksamaa päritolu Osnabrucki ülikooli päritolu ekspert Armen Mulkidzhanian. “Nõukogude Liidus võeti neid vastu rõõmuga, sest nad ei vajanud Jumalat. Kui vaadata läänemaailmas inimesi, kes selles suunas mõtlesid, olid nad kõik vasakpoolsed, kommunistid ja nii edasi."
Ideest, et elu moodustus ürgses orgaaniliste ainete puljongis, sai Oparin-Haldane hüpotees. Ta oli kena ja veenev, kuid selles oli ka üks probleem. Teda ei toetanud ükski eksperimentaalne tõendusmaterjal. Ja nii see kestis peaaegu veerand sajandit.
Harold Urey
Selleks ajaks, kui Harold Urey hakkas elu päritolu vastu huvi tundma, oli ta juba võitnud 1934. aasta Nobeli keemiapreemia ja aidanud aatomipommi ehitada. Teise maailmasõja ajal töötas Juri Manhattani projekti kallal, kogudes pommi tuuma jaoks vajalikku ebastabiilset uraani-235. Pärast sõda võitles ta tuumatehnoloogia tsiviilkontrolli all hoidmise eest.
Samuti hakkas ta huvi tundma kosmose keemia vastu, eriti seda, mis juhtus Päikesesüsteemi moodustumise ajal. Ta pidas ühel päeval loengu ja märkis, et tõenäoliselt polnud Maa atmosfääris hapnikku, kui see esmakordselt tekkis. See oli täiuslik täiendus Oparini ja Haldane'i esmasele puljongile: haprad kemikaalid võivad hapnikuga kokkupuutel hävitada.
Stanley Miller nimeline doktorant oli auditooriumis ja lähenes siis Yuurile küsimusega: kas seda ideed saab testida? Yuuri oli skeptiline, kuid Miller nõudis enda oma. Nii alustas Miller 1952. aastal kuulsaimat eksperimenti elu päritolu kohta.
Miller-Urey eksperiment
Seadistused olid lihtsad. Miller ühendas rea klaaskolbide abil ja laskis maha neli kemikaali, mis võisid varakult Maa peal esineda: keev vesi, vesinikgaas, ammoniaak ja metaan. Seejärel tegi ta gaasidele korduvad elektrilöögid, et simuleerida neil päevil Maal levinud pikselööke.
Miller leidis, et "viaalides olev vesi muutus pärast esimest päeva märkimisväärselt nõrgemaks ja nädala lõpuks oli lahus punane ja hägune." Ilmselt on moodustunud kemikaalide segu.
Pärast segu analüüsimist avastas Miller, et see sisaldab kahte aminohapet: glütsiini ja alaniini. Aminohapetele viidatakse sageli kui elu alustaladele. Neid kasutatakse valkude moodustamiseks, mis kontrollivad enamikku meie keha biokeemilistest protsessidest. Miller ehitas kaks olulist elu komponenti maast üles.
Tulemused avaldati mainekas ajakirjas Science 1953. aastal. Juri tegi vanemate teadlaste jaoks midagi väga ebaharilikku, võttes ta töölt nime maha ja andes Millerile kogu tunnustuse. Hoolimata sellest nimetatakse uuringut sageli Miller-Urey eksperimendiks.
Stanley Miller laboris
"Miller-Urey tugevus on see, et saate toota palju bioloogilisi molekule just atmosfäärist," ütleb John Sutherland Suurbritannia Cambridge'i molekulaarbioloogia laborist.
Üksikasjad osutusid valeks, kuna hilisemad uuringud näitasid, et Maa varase atmosfäär oli erinev gaaside segu. Kuid see ei muuda fakti. Katse oli edukas, ergutas avalikkuse kujutlusvõimet ja plahvatas hinnapakkumisteks.
Pärast Milleri katset hakkasid teised teadlased otsima võimalusi lihtsate bioloogiliste molekulide loomiseks nullist. Elu päritolu salapära lahendus näis peagi ilmumas.
Siis aga selgus, et elu oli keerulisem, kui keegi arvas. Elavad rakud polnud ainult kemikaalikotid: need olid pisikesed pisikesed masinad. Ühtäkki osutus raku ehitamine nullist palju keerukamaks, kui teadlased arvasid.
ILYA KHEL
- Teine osa: jagunemine teadlaste ridades -
- Kolmas osa: esimese replikaatori otsimisel -
- Neljas osa: prootonite energia -
- Viies osa: kuidas luua rakk? -
- Kuues osa: Suur ühendamine -
