- Del to: En splittelse i forskernes rekker -
- Del tre: på jakt etter den første replikatoren -
- Del fire: energien til protoner -
- Del fem: så hvordan lager du en celle? -
Del seks: Den store foreningen -
I dag har livet erobret hver kvadratcentimeter av jorden, men da planeten først ble dannet, var det en død stein. Hvordan og når skjedde landemerkeovergangen? Hvordan begynte livet? Man kan knapt tenke på et mer alvorlig, stort og sammensatt spørsmål. Gjennom det meste av menneskets historie var det ingen som var i tvil om at dette var gudenes virksomhet. Enhver annen forklaring var utenkelig.
Ikke mer. I løpet av det siste århundret har mange forskere prøvd å finne ut hvor det første livet kunne begynne. De prøvde til og med å gjenskape skapelsesøyeblikket i laboratoriene sine: skape et helt nytt liv fra bunnen av. Så langt har ingen lyktes, men vi har kommet langt. I dag er mange forskere som studerer livets opprinnelse sikre på at de er på rett vei - og de har eksperimenter som underbygger deres tillit til dette.
Dette er historien om vår innsats for å finne ut av vår sanne opprinnelse. Det er en historie om besettelse, kamp og strålende kreativitet som førte til noen av de største funnene i moderne vitenskap. Ønsket om å forstå livets opprinnelse sendte menn og kvinner til de fjerneste hjørnene av planeten vår. Noen lærde ble ansett som djevler i kjødet, mens andre fortsatte å jobbe under tommelen av brutale totalitære regjeringer.
Dette er historien om fødselen av livet på jorden.
Faktisk levde dinosaurer for ikke så lenge siden.
Livet er gammelt. Dinosaurs - de mest kjente utdødde skapningene - dukket opp for 250 millioner år siden. Men livet begynte mye, mye tidligere.
Den eldste kjente fossile posten er omtrent 3,5 milliarder år gammel, 14 ganger så lang som de eldste dinosaurene. Men fossilprotokollen kan ta oss enda lenger. For eksempel, i august 2016, oppdaget forskere fossiliserte mikrober som er 3,7 milliarder år gamle.
Salgsfremmende video:
Disse bølgete mønstrene kan være 3,7 milliarder år gamle
Jorden i seg selv er ikke mye eldre, den er 4,5 milliarder år gammel.
Forutsatt at livet oppsto på jorden - noe som virker rimelig, gitt at vi fremdeles ikke har funnet det andre steder - så må dette ha skjedd i de milliarder årene som gikk mellom dannelsen av jorden og utseendet til de eldste kjente fossilene.
Ved å begrense rekkevidden av livet livet kan ha dukket opp, kan vi gjøre utdannede gjetninger om hvordan det skjedde.
Livets tre: de fleste bakterier og archaea
Siden 1800-tallet har biologer visst at alle levende ting består av "celler": bittesmå sekker av levende stoff som kommer i alle former og størrelser. Celler ble først oppdaget på 1600-tallet, takket være oppfinnelsen av de første mikroskopene, men det tok over hundre år å innse at de var grunnlaget for alt liv.
Du ser absolutt ikke ut som en steinbit eller en tyrannosaurus, men et mikroskop vil vise at du er laget av nesten de samme cellene. Som planter og sopp. Men foreløpig er den mest tallrike livsformen mikroorganismer, som består av en celle. Bakterier er den mest kjente gruppen og finnes overalt på jorden.
I april 2016 presenterte forskere en oppdatert versjon av "livets tre": på en måte familietreet til hver levende art. Nesten alle grener er bakterier. Dessuten antyder formen på disse grenene at bakterier var den felles stamfaren til alt liv. Med andre ord, alle levende ting - inkludert deg - kom fra bakterier.
Det viser seg at vi mer nøyaktig kan definere problemet med livets opprinnelse. Ved å bruke bare materialer og forhold som var på jorden for 3,5 milliarder år siden, må vi lage en celle.
Hvor vanskelig vil det være?
Hele levende celle
Første eksperimenter
Gjennom det meste av historien var det ingen som anså det som nødvendig å spørre hvordan livet ble til, siden svaret virket åpenbart. Fram til 1800-tallet trodde de fleste på "vitalisme." Dette er en intuitiv ide om at levende ting er utstyrt med en spesiell, magisk egenskap som skiller dem fra livløse gjenstander.
Vitalisme har ofte vært assosiert med religiøs tro. Bibelen sier at Gud brukte "livets pust" for å gjenopplive de første menneskene, og den udødelige sjelen er en form for vitalisme.
Det er bare ett problem. Vitalisme er fullstendig tull.
På begynnelsen av 1800-tallet hadde forskere oppdaget flere stoffer som virket unike for livet. En slik forbindelse var urea, som ble funnet i urin og ble utskilt i 1799. Bare dette passer fortsatt inn i begrepet vitalisme. Bare levende ting klarte å produsere disse kjemikaliene, så de ble tilsynelatende belastet med livsenergi, og dette gjorde dem spesielle.
Men i 1828 fant den tyske kjemikeren Friedrich Wöhler en måte å lage urea fra et vanlig kjemikalie, ammoniumcyanat, som ikke hadde noen åpenbar forbindelse med levende ting. Andre fulgte etter, og det ble raskt klart at livets kjemikalier kunne lages av enklere kjemikalier som ikke hadde noe med livet å gjøre.
Friedrich Wöhler, tysk kjemiker
Dette var slutten på vitalismen som et vitenskapelig begrep. Men folk synes det var vanskelig å skille seg fra denne ideen. For mange mennesker virket det som å si at det ikke var noe "spesielt" med livets kjemikalier, som å fjerne magien fra livet, gjøre det mekanisk eller sjelløst. Og det var selvfølgelig i strid med Bibelen.
Selv forskere har prøvd å redde vitalismen. Allerede i 1913 fremmet den engelske biokjemisten Benjamin Moore inderlig teorien om "biotisk energi", som var den samme vitalismen, men med et annet navn. Denne ideen hadde sterke emosjonelle overtoner.
Selv i dag dukker denne ideen noen ganger opp hit og dit. For eksempel er det mange science fiction-historier der "livets energi" kan økes eller suges ut. Tenk på "regenereringsenergien" som brukes av Time Lords i Doctor Who. Det virker uvanlig, men dette er en veldig, veldig gammel idé.
Etter 1828 hadde forskere imidlertid god grunn til å søke en "gudløs" forklaring på livets første opptreden. Men det gjorde de ikke. Det ser ut til at dette emnet må undersøkes, men faktisk har mysteriet om livets opprinnelse blitt ignorert i flere tiår. Kanskje var de fremdeles for knyttet til vitalismen til å ta neste steg.
Charles Darwin viste at alt liv stammet fra en felles stamfar
I stedet var det gigantiske spranget fremover i biologien på 1800-tallet teorien om evolusjon utviklet av Charles Darwin og andre.
Darwins teori, beskrevet i The Origin of Species i 1859, forklarte hvordan alt dette mangfoldet i livet kunne ha kommet fra en felles stamfar. Hver enkelt art ble ikke lenger skapt av Gud, men stammet fra en gammel organisme som levde for millioner av år siden: den siste universelle felles stamfar.
Denne ideen viste seg å være ekstremt kontroversiell, igjen fordi den ikke passet Bibelen. Darwin og ideene hans kom under angrep fra delvis rasende kristne.
Evolusjonsteorien sa ikke noe om hvordan den aller første organismen dukket opp.
Darwin mente at livet dukket opp i et "varmt lite tjern"
Darwin visste at dette var et dyptgripende spørsmål, men - kanskje fryktet for nye angrep fra kirken - våget han å diskutere det først i 1871. Brevens positive tone viser at han kjente til den dype betydningen av dette spørsmålet:
"Men hvis (og å, hva et stort" hvis ") vi kunne tenke oss et lite varmt tjern med alle slags ammoniakk og fosforsalt - med lys, varme, elektrisitet - der en proteinforbindelse ville bli kjemisk dannet, klar til å gå gjennom enda mer komplekse endringer …"
Med andre ord, hva om det en gang var en liten vannmasse fylt med enkle organiske forbindelser og badet i sollys? Noen av disse forbindelsene kan kombineres for å danne et halvt levende stoff, som et protein, som kan begynne å utvikle seg og bli mer sammensatt.
Denne ideen var overfladisk. Men hun dannet grunnlaget for den første hypotesen om fremveksten av liv.
Merkelig nok syntes denne hypotesen i USSR.
Alexander Oparin bodde og jobbet i USSR
I løpet av Stalins tid var alt under statens kontroll. Til og med ideene til mennesker, biologer, ikke relatert til kommunistisk politikk. Bemerkelsesverdig forbød Stalin forskere faktisk å studere konvensjonell genetikk. I stedet fremmet han ideene til bonden Trofim Lysenko, som etter hans mening var mer i tråd med den kommunistiske ideologien. Forskere som arbeidet innen genetikk ble tvunget til å støtte Lysenkos ideer offentlig for ikke å havne i leirene.
Det var i et så undertrykkende miljø at Alexander Oparin forsket på biokjemi. Han kunne jobbe fordi han var en hengiven kommunist: han støttet Lysenkos ideer og mottok til og med Lenins orden, den høyeste utmerkelsen i sovjettiden.
I 1924 publiserte Oparin sitt verk The Origin of Life. I den skisserte han sin visjon om livets opprinnelse, som påfallende lik Darwins lille varme tjern.
Havene som ble dannet etter at jorden ble avkjølt
Oparin prøvde å forestille seg hvordan jorden var ut etter dannelsen. Overflaten var svidd varm da steiner falt fra verdensrommet. Et hodegods av semi-utvidede bergarter som inneholder et stort utvalg av kjemikalier, inkludert de som er basert på karbon.
Etter hvert ble jorden avkjølt nok til at vanndampen kondenserte til flytende vann og det første regnet begynte å falle. Den fylte jordens hav, som var varme og rike på karbonholdige kjemikalier. Det du trenger for livet.
Til å begynne med samhandlet forskjellige kjemikalier med hverandre for å danne mange nye forbindelser, hvorav noen var sammensatte. Oparin antydet at livets molekyler, sukker og aminosyrer, kunne ha dannet seg i jordens farvann.
Så begynte noen av kjemikaliene å danne mikroskopiske strukturer. Mange organiske stoffer løses ikke opp i vann: for eksempel danner oljer et lag på toppen av vann. Men når noen av disse stoffene kommer i kontakt med vann, danner de sfæriske "coacervate" -kuler, som kan være opptil 0,01 centimeter over.
Hvis du ser på coacervates gjennom et mikroskop, oppfører de seg veldig mobile, som levende celler. De vokser og endrer form, noen ganger delt i to deler. De kan også hente kjemikalier fra vannet rundt, slik at de kan ende med livslignende kjemikalier. Oparin antydet at koacervater var forfedrene til moderne celler.
Fem år senere, i 1929, foreslo den engelske biologen John Burdon Sanderson Haldane uavhengig svært like ideer i en kort artikkel publisert i Rationalist Annual.
På den tiden hadde Haldane allerede bidratt mye til evolusjonsteorien, og bidratt til å integrere Darwins ideer i den utviklende genetikkvitenskapen.
Den engelske genetikeren J. Haldane
I likhet med Oparin, beskrev Haldane hvordan organisk materiale kunne samle seg i vannet "til de urbane havene oppnådde konsistensen av varm, utvannet suppe." Dette skulle sette scenen for de "første levende eller halvlevende tingene" som dannet seg og havnet i en tynn film med olje.
Det er betydelig at blant alle biologene i verden, bare Oparin og Haldane kom til dette. Ideen om at levende organismer kan dannes gjennom enkle kjemiske reaksjoner, uten Gud eller til og med "livskraft", var radikal. I likhet med Darwins evolusjonsteori før den, var det også en smekk i møte med kristendommen.
Men det passet perfekt inn i rammen av Sovjetunionen. Det sovjetiske regimet var offisielt ateistisk, og dets ledere støttet lykkelig enhver materialistisk forklaring på dype fenomener som livet. Haldane var også en ateist og en kommunist for å starte opp.
"Den gangen var aksept eller avvisning av en ide hovedsakelig avhengig av individet: om han var religiøs, om han støttet venstreorienterte eller kommunistiske ideer," sier opprinnelseslivsekspert Armen Mulkidzhanian ved University of Osnabruck i Tyskland. “I Sovjet ble de mottatt med glede, fordi de ikke trengte Gud. I den vestlige verden, hvis du ser på menneskene som tenkte i denne retningen, var de alle venstre, kommunister og så videre."
Ideen om at livet ble dannet i en primordial buljong av organisk materiale ble Oparin-Haldane-hypotesen. Hun var ryddig og overbevisende, men det var ett problem. Hun ble ikke støttet av noen eksperimentelle bevis. Og slik gikk det i nesten et kvart århundre.
Harold Urey
Da Harold Urey ble interessert i livets opprinnelse, hadde han allerede vunnet Nobelprisen i kjemi fra 1934 og bidratt til å bygge atombomben. Under andre verdenskrig arbeidet Yuri på Manhattan-prosjektet, og samlet inn det ustabile uran-235 som trengs for bombens kjerne. Etter krigen kjempet han for å holde atomteknologi under sivil kontroll.
Han ble også interessert i romkjemien, spesielt hva som skjedde under dannelsen av solsystemet. Han holdt et foredrag en dag og bemerket at det sannsynligvis ikke var oksygen i jordens atmosfære da den først dannet seg. Dette var det perfekte komplementet til Oparin og Haldanes primære buljong: skjøre kjemikalier kunne ødelegges ved kontakt med oksygen.
En doktorand ved navn Stanley Miller var i publikum og henvendte seg da til Yuuri med et spørsmål: kan denne ideen testes? Yuuri var skeptisk, men Miller insisterte på egen hånd. Så i 1952 begynte Miller det mest kjente eksperimentet om livets opprinnelse.
Miller-Urey eksperiment
Innstillingene var enkle. Miller koblet til en serie glassflasker og fyrte fire kjemikalier som kan ha vært til stede på den tidlige jorda: kokende vann, hydrogengass, ammoniakk og metan. Deretter utsatte han gassene for gjentatte elektriske støt for å simulere lynnedslagene som var vanlige på jorden i disse dager.
Miller fant at "vannet i hetteglassene ble betydelig lysere etter den første dagen, og ved slutten av uken var løsningen rød og uklar." Tilsynelatende har det dannet seg en blanding av kjemikalier.
Etter å ha analysert blandingen, oppdaget Miller at den inneholder to aminosyrer: glycin og alanin. Aminosyrer blir ofte referert til som livets byggesteiner. De brukes til å danne proteiner som kontrollerer de fleste av de biokjemiske prosessene i kroppene våre. Miller bygde to viktige komponenter i livet fra grunnen av.
Resultatene ble publisert i det prestisjetunge tidsskriftet Science i 1953. Yuri gjorde noe veldig uvanlig for seniorforskere og tok navnet fra jobben og ga æren til Miller. Til tross for dette blir studien ofte referert til som Miller-Urey-eksperimentet.
Stanley Miller på laboratoriet
"Styrken til Miller-Urey er at du kan produsere mange biologiske molekyler bare fra atmosfæren," sier John Sutherland fra Molecular Biology Laboratory i Cambridge, Storbritannia.
Detaljene viste seg å være uriktige, siden senere studier viste at atmosfæren på den tidlige jorda var en annen blanding av gasser. Men det endrer ikke faktum. Eksperimentet var en suksess, stimulerte publikums fantasi og eksploderte til sitater.
Etter Millers eksperiment begynte andre forskere å lete etter måter å lage enkle biologiske molekyler fra bunnen av. Løsningen på mysteriet om livets opprinnelse så ut til å dukke opp.
Men så viste det seg at livet var vanskeligere enn noen trodde. Levende celler var ikke bare poser med kjemikalier: de var små bittesmå maskiner. Plutselig viste det seg å være mye vanskeligere å bygge en celle fra bunnen av enn forskere trodde.
ILYA KHEL
- Del to: En splittelse i forskernes rekker -
- Del tre: på jakt etter den første replikatoren -
- Del fire: energien til protoner -
- Del fem: så hvordan lager du en celle? -
Del seks: Den store foreningen -
