A földi élet megjelenésének rejtélye
A második fejezetben megtudtuk, hogy a tudósok három gondolkodási iskolára oszthatók, amelyek az élet eredetét tükrözik. Egy csoport meg volt győződve arról, hogy az élet egy RNS molekulával kezdődött, de nem tudta megmutatni, hogy az RNS vagy hasonló molekulák spontán formálódhatnak a Föld korai szakaszában, majd másolatokat készítsenek magukról. Először is erőfeszítéseik biztatóak voltak, de végül csak csalódás maradt. Mindazonáltal az élet eredetének egyéb kutatói, akik más módon mozogtak, néhány eredményre jutottak.
Első rész: Hogyan készítsünk egy ketrecet?
A második rész: a tudósok soraiba sorolható
Harmadik rész: az első replikátor keresésével
Az "RNS világ" elmélet egy egyszerű elgondoláson alapul: a legfontosabb dolog, amit egy élő szervezet tehet, reprodukálódik. Sok biológus egyetért ezzel. A baktériumoktól a kék bálnákig minden élő dolog hajlamos az utódokra.
Mindazonáltal az élet eredetének számos kutatója nem tartja fontosnak a reprodukciót. Mielőtt a szervezet újra szaporodhat, azt mondják, önellátóvá kell válnia. Életben kell tartania magát. Végül is, nem tehetsz gyermeket, ha először meghalsz.
Élünk az élelem mellett; A zöld növények ezáltal napfénytől energiával való kitermelést tesznek lehetővé. Első pillantásra az a személy, aki egy lédús bélszínt eszik, nagyon különbözik a tölgyfáktól, de ha megérti, mindkettőnek energiára van szüksége.
Ez a folyamat az anyagcsere. Először energiát kell szerezned; például energia-gazdag vegyi anyagokból, mint például a cukorból. Akkor használd ezt az energiát valami hasznosnak, mint a sejtek.
Ez az energiafelhasználási folyamat olyan fontos, hogy sok kutató úgy véli, hogy ez az első, amelyből az élet kezdődött.
A vulkanikus víz forró és ásványi anyagokban gazdag
Hogyan láthatók az anyagcserére tervezett szervezetek? Az egyik legérdekesebb feltevést a Gunther Wachtershauser az 1980-as évek végén terjesztette elő. Nem volt teljes munkaidőben dolgozó tudós, inkább szabadalmi ügyvéd, aki kevés tudással rendelkezett a kémiáról.
Wahtershauser azt javasolta, hogy az első szervezetek "radikálisan különböztek mindenektől, amit tudtunk". Nem sejtekből készültek. Nem rendelkeztek enzimekkel, DNS-sel vagy RNS-sel. Nem, hanem Wahtershauser bemutatta a vulkánból áramló forró vizet. Ez a víz vulkanikus gázokban gazdag, amilyen az ammónia, és a vulkán szívéből származó ásványi nyomait tartalmazza.
Bármennyire folyott a víz a kőzeteken, kémiai reakciók kezdődtek. Különösen a vízből származó fémek segítették az egyszerű szerves vegyületek nagyobb méretű egyesülését. A fordulópont az első metabolikus ciklus létrehozása volt. Ez egy olyan folyamat, amelyben egy vegyi anyagot más vegyi anyagok sorozataként alakítanak át, amíg a forrás újra létrejött. Ebben a folyamatban az egész rendszer felhalmozza az energiát, amely felhasználható a ciklus újraindítására - és más dolgokra.
A modern szervezet - a DNS, a sejtek, az agy - alkotásainak mindegyik része később jelent meg ezeknek a kémiai ciklusoknak a tetején. Ezek az anyagcsere-ciklusok általában nem nagyon hasonlítanak az életre. Vakhtershauser találmányát "organizmusok előfutára" nevezte, és azt írta, hogy "alig lehet élve hívni".
De a Wachtershauser által leírt metabolikus ciklusok minden élőlény középpontjában állnak. A sejtjei alapvetően mikroszkopikus kémiai növények, folyamatosan egyes anyagok másokba történő desztillálásával. Az anyagcsere ciklusokat nem lehet életnek nevezni, de alapvető fontosságúak az élet számára.
De mindez tisztán elméleti volt. A Wachtershausernek valódi felfedezésre volt szüksége, amely megerősítené ötleteit. Szerencsére tíz évvel korábban készült el.
Források a csendes-óceáni térségben
1977-ben Jack Corliss, az Oregoni Egyetem vezette csoportot 2,5 km-re a Csendes-óceán keleti részén. A Galapagos meleg forrásait olyan helyeken tanulmányozták, ahol magas meredekség merült fel a tengerfenéken. Ezek a gerincek vulkanikusan aktívak voltak.
Corliss felfedezte, hogy ezek a gerincek szó szerint forró forrásokkal vannak szétszórva. A vegyszerekkel dúsított forró víz a tengerfenék alól emelkedik, és a sziklákon átfolyik.
Hihetetlen módon ezeket a hidrotermális forrásokat sűrűn lakották furcsa állatok. Hatalmas puhatestűek, kagylók és annelidek voltak. A baktériumokat is erősen áztatta a víz. Mindezek a mikroorganizmusok a hidrotermális szellőzők energiáján éltek.
E források felfedezése Corlissa nevét tette. És arra gondoltam. 1981-ben azt javasolta, hogy hasonló szellőzők léteznek a Földön négymilliárd évvel ezelőtt, és hogy az élet eredetévé váltak. Elkötelezte magát a karrierje oroszlánrészének tanulmányozásában.
A hidrotermális források furcsa életet élnek
Corliss szerint a hidrotermális források vegyi koktélokat hozhatnak létre. Mindegyik forrást az elsődleges húslevél egyfajta permetje volt.
Ahogy forró víz áramlott a sziklákon, a hő és a nyomás arra vezetett, hogy az egyszerű szerves vegyületek összetettebbé váltak, mint például aminosavak, nukleotidok és cukrok. Közelebb a határ az óceán, ahol a víz nem volt olyan forró, kezdenek kommunikálni a láncban - formájában a szénhidrátok, fehérjék és nukleotidok, mint például DNS-t. Aztán, amikor a víz közeledt az óceánhoz és még enyhült, ezek a molekulák egyszerű sejtekké alakultak.
Érdekes volt, az elmélet vonzott az emberek figyelmét. De Stanley Miller, akinek kísérletét az első részben vitattuk meg, nem hitte el. 1988-ban azt írta, hogy a mélyvíz szellõzõ túl forró.
Bár az erős hő olyan vegyi anyagok kialakulásához vezethet, mint aminosavak, Miller kísérletei azt mutatják, hogy elpusztíthatja is őket. Az alapvegyületek, mint a cukrok "több másodpercig élhetnek, nem többet." Ráadásul ezek az egyszerű molekulák valószínűleg nem kötődnek össze egy láncban, mivel a környező víz azonnal felszakítja őket.
A Russell karrierje volt, sok érdekes dolgot - tette aszpirin, keresve értékes ásványok - és egy emlékezetes esemény az 1960-as koordinálta a választ a lehetséges vulkánkitörés ellenére a felkészülés hiánya. De ő jobban érdekel, hogy a Föld felszínén megváltozott az évek során. Ez a geológiai szempontból, és hagyjuk kialakulni az ő elképzelései az élet eredete.
Az 1980-as években fosszilis bizonyítékot fedezett fel egy kevésbé turbulens hidrotermális forrásról, amelyben a hőmérséklet nem haladta meg a 150 Celsius fokot. Ezek a puha hõmérsékletek lehetõvé tennék, hogy az élet molekulái hosszabb ideig éljenek, mint Miller.
Ráadásul ezeknek a "hűvös" szellőzőknek a fosszilis maradéka valami furcsa volt: egy vas és kénből álló ásványi pirite alakult át 1 mm átmérőjű csövekben. A laboratóriumban Russell felfedezte, hogy a pirite gömb alakú cseppeket is képes alakítani. És feltételezte, hogy az első összetett szerves molekulák ezen egyszerű pirit szerkezeteken belül alakulhatnak ki.
Ugyanakkor a Wachtershauser elkezdte közzétenni ötleteit az ásványi anyagokon átáramló forró kémiailag dúsított víz áramlásán alapulva. Még azt is javasolta, hogy a pirite részt vett ebben a folyamatban.
Russell két plusz kettőt hajtott össze. Azt javasolta, hogy a tenger mélyén lévő hidrotermális források, elég hideg ahhoz, hogy lehetővé tegyék a pirit szerkezetek kialakulását, védették a Wachtershauser szervezeteinek előfutárosait. Ha Russellnek igaza volt, az élet a tenger alján kezdődött - és először az anyagcserét mutatta.
Russell még azt is felajánlotta, hogy az első szervezetek miként kapták meg energiájukat. Vagyis megértette, hogyan működhetnek az anyagcseréjük. Az ő ötlete a modern tudomány egyik elfelejtett géniuszának munkáján alapult.
Peter Mitchell, Nobel-díjas
Az 1960-as években Peter Mitchell biokémikus megbetegedett, és kénytelen volt lemondani az Edinburgh-i Egyetemen. Ehelyett egy privát laboratóriumot hozott létre egy távoli birtokban Cornwallban. Elkülönítve egy tudományos társadalomtól, a munkáját egy tejelő tehenek rovására finanszírozza. Sok biokémikus, köztük Leslie Orgel, akinek a RNA-ban végzett munkája a második részben tárgyalt, teljesen nevetségesnek tartotta Mitchell elképzeléseit.
Néhány évtizeddel később Mitchell abszolút győzelmet várt: az 1978-as kémiai Nobel-díjat. Nem híressé vált, de ötletei ma minden biológiai tankönyvben megtalálhatók. Mitchell karrierjét arra töltötte, hogy megtudja, milyen élőlények élnek az energiával. Valójában azon töprengett, hogy mindannyian sikerül minden másodpercig életben maradni.
Tudta, hogy minden sejt energiát egy molekulában tárolja: az adenozin-trifoszfátot (ATP). Az adenozinhoz három foszfát-lánc kapcsolódik. Egy harmadik foszfát hozzáadása nagy energiát igényel, amelyet ATP-ben zárnak.
Amikor a sejt energiára van szüksége - például amikor az izom összehúzódik - a harmadik foszfátot ATP-ként törli. Ez az ATP-t adenozid-foszfátgá (ADP) alakítja, és felszabadítja az energiát. Mitchell tudni akarta, hogy a sejt általában ATP-t generál. Hogyan tárol elegendő energiát az ADP-ben, hogy összekapcsolja a harmadik foszfátot?
Mitchell tudta, hogy az ATP-t alkotó enzim a membránban van. Ezért azt feltételeztem, hogy a sejt a feltöltött részecskéket (protonokat) a membránon keresztül szivattyúzza, így sok proton van az egyik oldalon, a másik pedig - nem.
Ezután a protonok megpróbálnak átszivárogni a membránon, hogy egyensúlyozzák a protonok számát mindkét oldalán - de az egyetlen hely, ahol áthaladhatnak, az enzim. Az aktuális protonok áramlása tehát az enzimet az ATP létrehozásához szükséges energiával szolgáltatta.
Mitchell 1961-ben mutatta be az ötletét. A következő 15 évben minden oldalról védte őt, amíg a bizonyítékok meg nem állíthatók. Most már tudjuk, hogy a Mitchell folyamatot a Föld minden élőlénye használja. Most a sejtjeiben áramlik. A DNS-hez hasonlóan az ismert életünk alapja.
Russell Mitchellből kölcsönözte a proton gradiens elképzelését: nagyszámú proton jelenléte a membrán egyik oldalán és egy kicsit - másfelől. Minden sejtnek proton gradiensre van szüksége az energia tárolásához.
A modern sejtek gradienseket hoznak létre, protonokat evakuálnak a membránokon keresztül, de ehhez összetett molekuláris mechanizmusra van szükség, amely egyszerűen nem jelent meg önmagában. Ezért Russell újabb logikus lépést tett: az életet valahol természetes proton gradienssel kellett kialakítani.
Kellynek keményen kellett dolgoznia ahhoz, hogy tudós legyen. Az apja meghalt, amikor a középiskolából végzett, és kénytelen volt dolgozni, hogy az egyetemen maradjon. De a tengeralattjáró vulkánok és az égő forró hidrotermális források kezelték és megválasztották az érdeklődés tárgyát. Ez a pár az Atlanti-óceán közepére vezette. Ezen a ponton a földkéreg repedt és a hegygerinc a tengerfenékről emelkedett.
Ezen a gerincen Kelly felfedezte a hidrotermális források területét, amit "Lost City" -nek nevezett. Nem úgy nézett ki, mint Corliss. A víz 40-75 Celsius fokos hőmérsékleten áramlott és enyhén lúgosodott. Ebből a vízből származó karbonát ásványok meredek fehér "füstoszlopokba" emelkedtek, amelyek a tengerfenékből emelkedtek, mint a szervcsövek. Ők hátborzongatóak és kísértetiesek, de nem így vannak: sok mikroorganizmust tartalmaznak.
Ezek a lúgos szellőzők tökéletesen illeszkednek Russell ötleteibe. Határozottan hitte, hogy az élet olyan "elveszett városokban" jelenik meg. De volt egy probléma. Geológusként nem annyira tudta a biológiai sejteket, hogy meggyőzően bemutassa az elméletét.
A füst pillére "fekete dohányzás"
Kellynek köszönhetően már tudták, hogy a lúgos rugók sziklája porózus: vízzel teli apró lyukakkal vannak tele. Ezek a kis zsebek, úgy vélték, "sejtekként" működtek. Minden zsebben létezett alapvető vegyi anyagok, köztük a pirite. Természetes proton gradienssel kombinálva a forrásokból ideális hely volt az anyagcserére.
Ez a cselekmény jelenleg az élet eredetének egyik vezető hipotézise.
A sejtek hidrotermális forrásból származnak
Megvizsgálta az 1930-as modern mikroorganizmusok DNS-jét és azonosította a 355 gént, amelyek szinte mindegyik. Ez meggyőzően beszél ezeknek a 355 génnek generációkon és nemzedékeken keresztüli átviteléről egy közös őstől - attól az időponttól, amikor az utolsó univerzális közös ős élt.
Az "RNS világ" hipotézist támogatója két problémára utal ebben az elméletben. Az egyik lehet korrigálni; a másik végzetes lehet.
"Azok, akik úgy vélik, hogy mindent reprodukcióval kezdtek, folyamatosan új kísérleti adatokat találnak" - mondja Örmény Mulkidjanian. "Az emberek, akik állnak az anyagcserére, ezt nem teszik meg."
A második probléma a források helyszíne a mélyben. Amint Miller 1988-ban megjegyezte, hosszú láncú molekulák, például az RNS és a fehérjék vízben nem képződhetnek segédenzimek nélkül.
Számos tudós számára ez végzetes érv. "Ha jól vagy a kémia, akkor nem lehet megvesztegetni a mély vízforrások eszméjét, mert tudod, hogy ezeknek a molekuláknak a kémiája összeegyeztethetetlen a vízzel" - mondja Mulkidjanian.
Mégis, Russell és szövetségesei továbbra is optimisták.
És csak az elmúlt évtizedben került előtérbe a harmadik megközelítés, amelyet egy sor szokatlan kísérlet támaszt alá. Ő ígér valamit, amit sem az "RNS világ", sem a hidrotermális források nem tudtak elérni: egy módja egy teljes cellának a semmiből. Erről a következő részben.
Az élet megjelenésének rejtélye a Földön. A negyedik rész: Ilya Hel protonsok energiája