- Del en: Hvordan lage et bur -
- Del to: En splittelse i forskernes rekker -
- Del tre: på jakt etter den første replikatoren -
- Del fem: så hvordan lager du en celle? -
Del seks: Den store foreningen -
I kapittel to lærte vi hvordan lærde delte seg i tre tankeskoler, og reflekterte over livets opprinnelse. En gruppe var overbevist om at livet begynte med et RNA-molekyl, men kunne ikke vise hvordan RNA eller lignende molekyler spontant kunne dannes på den tidlige jorden og deretter lage kopier av seg selv. Deres innsats var oppmuntrende til å begynne med, men til slutt gjensto bare skuffelse. Andre forskere som har fulgt forskjellige veier har imidlertid kommet med noen resultater.
RNA-teorien er basert på en enkel ide: det viktigste en levende organisme kan gjøre er å reprodusere seg selv. Mange biologer ville være enige i dette. Fra bakterier til blåhval prøver alle levende ting å få avkom.
Imidlertid anser mange opprinnelsesforskere ikke reproduksjon å være grunnleggende. Før en organisme kan reprodusere seg, sier de, må den bli selvforsynt. Han må holde seg i live. Tross alt kan du ikke få barn hvis du dør først.
Vi holder oss i live ved å konsumere mat; grønne planter gjør dette ved å hente ut energi fra sollys. Ved første øyekast er personen som spiser en saftig biff veldig forskjellig fra et løvrike eiketre, men når du ser på det, trenger de begge energi.
Denne prosessen kalles metabolisme. Først må du få energi; la oss si fra energirike kjemikalier som sukker. Da må du bruke denne energien til å bygge noe nyttig, som celler.
Denne prosessen med å bruke energi er så viktig at mange forskere anser den for å være den første som livet begynte fra.
Vulkansk vann er varmt og rikt på mineraler
Salgsfremmende video:
Hvordan ville disse metabolism-bare organismer se ut? En av de mest interessante forutsetningene ble gjort på slutten av 1980-tallet av Gunther Wachtershauser. Han var ikke forsker på heltid, men snarere en patentadvokat med liten kjennskap til kjemi.
Wachtershauser antydet at de første organismene var "radikalt forskjellige fra alt vi visste." De var ikke laget av celler. De hadde ikke enzymer, DNA eller RNA. Nei, i stedet forestilte Wachtershauser seg en strøm av varmt vann som rant ut av en vulkan. Dette vannet er rikt på vulkanske gasser som ammoniakk og inneholder spor av mineraler fra hjertet av vulkanen.
Der vann strømmet gjennom steinene, begynte kjemiske reaksjoner å finne sted. Spesielt hjalp metaller fra vann enkle organiske forbindelser til å smelte sammen til større. Vendepunktet var etableringen av den første metabolske syklusen. Det er en prosess der ett kjemisk stoff blir konvertert til en rekke andre kjemikalier til originalen til slutt blir gjenskapt. I prosessen bygger hele systemet opp energi som kan brukes til å starte syklusen på nytt - og til andre ting.
Alt annet som utgjør en moderne organisme - DNA, celler, hjerner - dukket opp senere, på toppen av disse kjemiske syklusene. Disse metabolske syklusene ligner lite på livet i det hele tatt. Wachtershauser kalte oppfinnelsen sin "forløpere til organismer" og skrev at "de knapt kan kalles levende."
Men metabolske sykluser som de som er beskrevet av Wachtershauser er kjernen i alt liv. Cellene dine er i hovedsak mikroskopiske kjemiske fabrikker, som stadig destillerer et stoff til et annet. Metabolske sykluser kan ikke kalles liv, men de er grunnleggende for livet.
I løpet av 1980- og 1990-årene arbeidet Wachtershauser med detaljene i teorien sin. Han skisserte hvilke mineraler som ville være best egnet og hvilke kjemiske sykluser som kan finne sted. Ideene hans begynte å tiltrekke supportere.
Men alt dette var rent teoretisk. Wachtershauser trengte en virkelig oppdagelse for å støtte ideene sine. Heldigvis hadde det allerede blitt gjort ti år tidligere.
Kilder i Stillehavet
I 1977 kastet et team ledet av Jack Corliss fra Oregon State University 2,5 kilometer inn i Øst-Stillehavet. De studerte Galapagos varme kilder på steder der høye rygger steg opp fra havbunnen. Disse åsene var vulkansk aktive.
Corliss oppdaget at disse åsene bokstavelig talt var stiplet med varme kilder. Varmt, kjemikalierikt vann stiger opp fra havbunnen og renner gjennom hull i steinene.
Utrolig nok var disse hydrotermiske ventilasjonsåpningene befolket med rare dyr. Det var enorme muslinger, blåskjell og annelider. Vannet var også sterkt mettet med bakterier. Alle disse organismer levde på energien fra hydrotermiske ventilasjonsåpninger.
Oppdagelsen av disse kildene ga Corliss et navn. Og det fikk meg til å tenke. I 1981 antydet han at slike ventilasjonsåpninger fantes på jorden for fire milliarder år siden, og at de ble livets opprinnelsessted. Han har viet brorparten av sin karriere til å studere dette problemet.
Hydrotermiske ventilasjonsåpninger har et underlig liv
Corliss antydet at hydrotermiske ventilasjonsåpninger kunne lage cocktailer med kjemikalier. Hver kilde, sa han, var en slags spray primordial buljong.
Da det varme vannet strømmet gjennom bergartene, fikk varme og trykk enkle organiske forbindelser til å smelte sammen til mer komplekse, som aminosyrer, nukleotider og sukker. Nærmere grensen til havet, der vannet ikke var så varmt, begynte de å koble seg sammen i kjeder - for å danne karbohydrater, proteiner og nukleotider som DNA. Da vannet nærmet seg havet og avkjølte seg enda mer, samlet disse molekylene seg til enkle celler.
Det var interessant, teorien fanget folks oppmerksomhet. Men Stanley Miller, hvis eksperiment vi diskuterte i første del, trodde ikke på det. I 1988 skrev han at de dype ventilasjonsåpningene var for varme.
Selv om intens varme kan produsere kjemikalier som aminosyrer, viste Millers eksperimenter at det også kan ødelegge dem. Grunnleggende forbindelser som sukker "kunne overleve i et par sekunder, ikke mer." Dessuten vil de enkle molekylene sannsynligvis ikke binde seg i kjeder, siden det omgivende vannet øyeblikkelig ville bryte dem fra hverandre.
På dette stadiet kom geolog Mike Russell med i slaget. Han mente at teorien om hydrotermiske ventilasjonsåpninger kunne være ganske riktig. Dessuten virket det for ham at disse kildene ville være det ideelle hjemmet for forgjengerne av Wachtershauser-organismen. Denne inspirasjonen førte til at han skapte en av de mest aksepterte teoriene om livets opprinnelse.
Geolog Michael Russell
Russells karriere hadde mange interessante ting - han fikk aspirin til å lete etter verdifulle mineraler - og i en bemerkelsesverdig hendelse på 1960-tallet koordinerte responsen på et mulig vulkanutbrudd, til tross for manglende forberedelse. Men han var mer interessert i hvordan jordoverflaten endret seg over eonene. Dette geologiske perspektivet ga opphav til hans ideer om livets opprinnelse.
På 1980-tallet fant han fossile bevis på en mindre turbulent type hydrotermisk blodåre, der temperaturene ikke oversteg 150 grader celsius. Disse milde temperaturene, sa han, kunne la livets molekyler leve lenger enn Miller trodde.
Dessuten inneholdt de fossile restene av disse "kule" ventilene noe rart: mineralpyritten, sammensatt av jern og svovel, hadde dannet seg i rør med en diameter på 1 mm. Mens han jobbet i laboratoriet, oppdaget Russell at pyritt også kunne danne sfæriske dråper. Og han antydet at de første komplekse organiske molekylene kunne ha dannet seg i disse enkle pyrittstrukturene.
Jernpyritt
Det var rundt denne gangen Wachtershauser begynte å publisere ideene sine, som var basert på strømmen av varmt, kjemisk anriket vann som strømmet gjennom mineraler. Han antydet til og med at pyritt var involvert.
Russell la til to pluss to. Han foreslo at hydrotermiske ventilasjonsåpninger dypt i sjøen, kalde nok til at pyrittstrukturer kunne dannes, hadde forgjenger for Wachtershauser-organismer. Hvis Russell hadde rett, begynte livet på bunnen av havet - og stoffskiftet dukket først opp.
Russell la det hele sammen i et papir som ble utgitt i 1993, 40 år etter Millers klassiske eksperiment. Det genererte ikke den samme medieinnsatsen, men den var uten tvil viktigere. Russell har kombinert to tilsynelatende separate ideer - de metabolske syklusene Wachtershauser og de hydrotermiske ventilasjonsåpningene til Corliss - til noe virkelig overbevisende.
Russell tilbød til og med en forklaring på hvordan de første organismene fikk sin energi. Det vil si at han forsto hvordan metabolismen deres kunne fungere. Ideen hans var basert på arbeidet til en av de glemte geniene i moderne vitenskap.
Peter Mitchell, nobelprisvinner
På 1960-tallet ble biokjemikeren Peter Mitchell syk og ble tvunget til å trekke seg fra University of Edinburgh. I stedet satte han opp et privat laboratorium på et avsidesliggende eiendom i Cornwall. Isolert fra det vitenskapelige samfunnet finansierte han arbeidet sitt med en flokk melkekyr. Mange biokjemikere, inkludert Leslie Orgel, hvis arbeid med RNA vi diskuterte i del to, anså Mitchells ideer som helt latterlige.
Noen tiår senere ventet Mitchell på en absolutt seier: Nobelprisen i kjemi fra 1978. Han ble ikke berømt, men ideene hans finnes i hver eneste biologilærebok i dag. Mitchell brukte karrieren på å finne ut hva organismer gjør med energien de får fra mat. I utgangspunktet lurte han på hvordan vi alle klarer å holde oss i live hvert sekund.
Han visste at alle celler lagrer energien sin i ett molekyl: adenosintrifosfat (ATP). En kjede på tre fosfater er festet til adenosin. Å tilsette en tredje fosfat krever mye energi, som deretter låses fast i ATP.
Når en celle trenger energi - for eksempel når en muskel trekker seg sammen - bryter den ned en tredje fosfat til ATP. Dette konverterer ATP til adenosidiphosphate (ADP) og frigjør lagret energi. Mitchell ønsket å vite hvordan en celle lager ATP generelt. Hvordan lagrer den nok energi i ADP til å feste det tredje fosfatet?
Mitchell visste at enzymet som lager ATP var i membranen. Derfor antok jeg at cellen pumper ladede partikler (protoner) gjennom membranen, så mange protoner er på den ene siden, men ikke på den andre.
Protonene prøver deretter å lekke tilbake gjennom membranen for å balansere antall protoner på hver side - men det eneste stedet de kan gå gjennom er enzymet. Strømmen av flytende protoner ga dermed enzymet den energien som var nødvendig for å skape ATP.
Mitchell presenterte ideen sin første gang i 1961. Han brukte de neste 15 årene på å forsvare henne fra alle kanter, helt til bevisene var ugjendrivelige. Vi vet nå at Mitchell-prosessen brukes av alle levende ting på jorden. Akkurat nå flyter det i cellene dine. Som DNA ligger det til grunn for livet vi kjenner.
Russell lånte ideen om protongradienten fra Mitchell: det er mange protoner på den ene siden av membranen og få på den andre. Alle celler trenger en protongradient for å lagre energi.
Moderne celler skaper gradienter ved å pumpe protoner over membraner, men dette krever en kompleks molekylær mekanisme som ganske enkelt ikke kunne vises på egen hånd. Så Russell tok et nytt logisk skritt: livet måtte dannes et sted med en naturlig protongradient.
For eksempel et sted i nærheten av hydrotermiske ventilasjonsåpninger. Men det må være en spesiell type kilde. Da jorden var ung, var havene sure, og det er mange protoner i surt vann. For å lage en protongradient, må kildevannet ha lite protoner: det må være alkalisk.
Corliss kilder passet ikke. Ikke bare var de for varme, de var også sure. Men i 2000 oppdaget Deborah Kelly fra University of Washington de første alkaliske kildene.
Lost City
Kelly måtte jobbe hardt for å bli forsker. Faren døde mens hun avsluttet videregående og hun ble tvunget til å jobbe for å bli på college. Men hun taklet og valgte vulkaner under vann og brennende varme hydrotermiske kilder som temaet for hennes interesse. Dette paret brakte henne til sentrum av Atlanterhavet. På dette tidspunktet sprakk jordskorpen og en fjellrygg steg opp fra havbunnen.
På denne åsen oppdaget Kelly et felt med hydrotermiske ventilasjonsåpninger, som hun kalte "The Lost City." De så ikke ut som de som ble funnet av Corliss. Vannet strømmet ut av dem ved en temperatur på 40-75 grader celsius og var svakt alkalisk. Karbonatmineralene fra dette vannet klumpet seg sammen til bratte hvite "røyksøyler" som steg opp fra havbunnen som orgelrør. De ser skumle og spøkelsesaktige ut, men de er ikke: de er hjem til mange mikroorganismer.
Disse alkaliske ventilasjonsåpningene passer perfekt til Russells ideer. Han trodde bestemt at livet dukket opp i slike”tapte byer”. Men det var ett problem. Som geolog visste han ikke så mye om biologiske celler for å presentere teorien sin overbevisende.
En kolonne med røyk fra "svart røykerom"
Så Russell slo seg sammen med biolog William Martin. I 2003 presenterte de en forbedret versjon av Russells tidligere ideer. Og dette er sannsynligvis den beste teorien om fremveksten av livet for øyeblikket.
Takket være Kelly, visste de nå at bergartene i de alkaliske kildene var porøse: De var oversådd med bitte små hull fylt med vann. Disse små lommene, antydet de, fungerte som "celler." Hver lomme inneholdt grunnleggende kjemikalier, inkludert pyritt. Kombinert med den naturlige protongradienten fra kildene, var de det perfekte stedet å starte metabolisme.
Etter at livet lærte å utnytte energien fra kildevannet, sier Russell og Martin, begynte det å skape molekyler som RNA. Til slutt skapte hun en membran for seg selv og ble en ekte celle, som slapp fra den porøse steinen til åpent vann.
Et slikt komplott anses for tiden som en av de ledende hypotesene om livets opprinnelse.
Celler flykter fra hydrotermiske ventilasjonsåpninger
I juli 2016 fikk han støtte da Martin publiserte en studie som rekonstruerte noen av detaljene om den "siste universelle felles stamfar" (LUCA). Det er en organisme som levde for milliarder av år siden og som alt eksisterende liv stammet fra.
Det er usannsynlig at vi noen gang vil finne direkte fossiliserte bevis på eksistensen av denne organismen, men likevel kan vi ganske få utdanne gjetninger om hvordan den så ut og hvordan den gjorde mens vi studerte mikroorganismer i vår tid. Dette var hva Martin gjorde.
Han undersøkte DNA fra moderne mikroorganismer fra 1930 og identifiserte 355 gener som nesten alle hadde. Dette er overbevisende bevis på overføringen av disse 355 genene, gjennom generasjoner og generasjoner, fra en felles stamfar - rundt tiden da den siste universelle felles stamfar levde.
Disse 355 genene slår på noen for å bruke protongradienten, men ikke for å generere den, slik Russell og Martin spådde. Dessuten ser det ut til at LUCA har blitt tilpasset tilstedeværelsen av kjemikalier som metan, noe som tyder på at det bebodde et vulkansk aktivt, lufte-lignende miljø.
Talsmenn for "RNA-verdenen" -hypotesen peker på to problemer med denne teorien. Man kan fikses; den andre kan være dødelig.
Hydrotermiske kilder
Det første problemet er at det ikke er noen eksperimentell bevis for prosessene beskrevet av Russell og Martin. De har en trinnvis historie, men ingen av disse trinnene er blitt observert på laboratoriet.
"Folk som tror at det hele begynte med reproduksjon, finner stadig nye eksperimentelle data," sier Armen Mulkidzhanyan. "Folk som står for stoffskifte, gjør det ikke."
Men det kan endre seg, takket være Martins kollega Nick Lane fra University College London. Han bygde en "Origin of Life Reactor" som simulerer forholdene inne i en alkalisk kilde. Han håper å se metabolske sykluser, og kanskje til og med molekyler som RNA. Men det er for tidlig.
Det andre problemet er plasseringen av kilder i dyphavet. Som Miller bemerket i 1988, kan ikke langkjedede molekyler som RNA og proteiner dannes i vann uten hjelpeenzymer.
For mange forskere er dette et livsfarlig argument. "Hvis du er god på kjemi, vil du ikke bli bestukket av ideen om dyphavsfjærer, fordi du vet at kjemien til alle disse molekylene er uforenlig med vann," sier Mulkidzhanian.
Likevel er Russell og hans allierte optimistiske.
Det var først det siste tiåret at en tredje tilnærming kom frem, støttet av en serie uvanlige eksperimenter. Det lover noe som verken RNA-verdenen eller de hydrotermale ventilasjonsåpningene har klart å oppnå: en måte å skape en hel celle fra bunnen av. Mer om dette i neste del.
ILYA KHEL
- Del en: Hvordan lage et bur -
- Del to: En splittelse i forskernes rekker -
- Del tre: på jakt etter den første replikatoren -
- Del fem: så hvordan lager du en celle? -
Del seks: Den store foreningen -
