- Pirmā daļa: Kā izveidot būru -
- Otrā daļa: Sadalījums zinātnieku rindās -
- Trešā daļa: meklējot pirmo replikatoru -
- Piektā daļa: kā jūs izveidojat šūnu? -
- Sestā daļa: Lielā apvienošanās -
Otrajā nodaļā mēs uzzinājām, kā zinātnieki sadalās trīs domu skolās, pārdomājot dzīves pirmsākumus. Viena grupa bija pārliecināta, ka dzīve sākas ar RNS molekulu, taču nevarēja parādīt, kā RNS vai līdzīgas molekulas var spontāni veidoties uz agrīnās Zemes un pēc tam izgatavot no sevis kopijas. Viņu centieni sākumā bija iepriecinoši, bet galu galā palika tikai vilšanās. Tomēr citi dzīves izcelsmes pētnieki, kas ir gājuši pa dažādiem ceļiem, ir nākuši klajā ar dažiem rezultātiem.
RNS pasaules teorijas pamatā ir vienkārša ideja: vissvarīgākais, ko dzīvs organisms var darīt, ir pats vairoties. Daudzi biologi tam piekristu. Sākot no baktērijām un beidzot ar zilajiem vaļiem, visām dzīvajām lietām ir jābūt pēcnācējiem.
Tomēr daudzi dzīvības pētnieki neuzskata, ka reprodukcija ir būtiska. Viņi saka, ka pirms organisms var vairoties, tam jākļūst pašpietiekamam. Viņam sevi jāuztur dzīvs. Galu galā jūs nevarat būt bērni, ja mirst pirmais.
Mēs uzturējam sevi dzīvu, patērējot pārtiku; zaļie augi to dara, iegūstot enerģiju no saules gaismas. No pirmā acu uzmetiena cilvēks, kurš ēd sulīgu steiku, ļoti atšķiras no lapu ozola, bet, kad paskatās uz to, viņiem abiem ir vajadzīga enerģija.
Šo procesu sauc par metabolismu. Vispirms jums jāsaņem enerģija; pieņemsim, ka no tādām ar enerģiju bagātām ķīmiskām vielām kā cukurs. Tad jums ir jāizmanto šī enerģija, lai izveidotu kaut ko noderīgu, piemēram, šūnas.
Šis enerģijas izmantošanas process ir tik svarīgs, ka daudzi pētnieki to uzskata par pirmo, no kura sākās dzīve.
Vulkāniskais ūdens ir karsts un bagāts ar minerālvielām
Reklāmas video:
Kā izskatās šie tikai vielmaiņas organismi? Vienu no interesantākajiem pieņēmumiem 1980. gadu beigās izteica Gunters Vačeshauzers. Viņš nebija pilnas slodzes zinātnieks, bet drīzāk patentu advokāts, kam bija maz zināšanu par ķīmiju.
Wachtershauser ierosināja, ka pirmie organismi "radikāli atšķīrās no visa, ko mēs zinājām". Tie nebija izgatavoti no šūnām. Viņiem nebija fermentu, DNS vai RNS. Nē, tā vietā Wachtershauser iedomājās karstā ūdens straumi, kas izplūst no vulkāna. Šis ūdens ir bagāts ar vulkāniskām gāzēm, piemēram, amonjaku, un satur minerālu pēdas no vulkāna sirds.
Kur ūdens plūda caur klintīm, sāka notikt ķīmiskas reakcijas. Jo īpaši metāli no ūdens palīdzēja vienkāršiem organiskiem savienojumiem saplūst lielākos. Pagrieziena punkts bija pirmā metabolisma cikla izveide. Tas ir process, kurā viena ķīmiskā viela tiek pārveidota par vairākām citām ķīmiskām vielām, līdz oriģināls tiek atjaunots. Šajā procesā visa sistēma uzkrāj enerģiju, ko var izmantot, lai atsāktu ciklu - un citām lietām.
Viss pārējais, kas veido modernu organismu - DNS, šūnas, smadzenes - parādījās vēlāk, virs šiem ķīmiskajiem cikliem. Šie metabolisma cikli vispār nedaudz līdzinās dzīvei. Wachtershauser savu izgudrojumu sauca par "organismu prekursoriem" un rakstīja, ka "tos diez vai var saukt par dzīviem".
Bet metabolisma cikli, piemēram, Wachtershauser aprakstītie, ir visas dzīves pamatā. Jūsu šūnas būtībā ir mikroskopiskas ķīmiskās rūpnīcas, kuras pastāvīgi destilē vienu vielu citā. Metabolisma ciklus nevar saukt par dzīvi, taču tie ir dzīvības pamatelementi.
Astoņdesmitajos un deviņdesmitajos gados Wachtershauser strādāja pie savas teorijas detaļām. Viņš ieskicēja, kuri minerāli būtu vispiemērotākie un kādi ķīmiskie cikli varētu notikt. Viņa idejas sāka piesaistīt atbalstītājus.
Bet tas viss bija tīri teorētisks. Wachtershauser bija nepieciešams reāls atklājums, lai atbalstītu viņa idejas. Par laimi, tas jau bija izdarīts desmit gadus agrāk.
Avoti Klusajā okeānā
1977. gadā komanda, kuru vadīja Džeks Korliss no Oregonas Valsts universitātes, ienāca 2,5 kilometrus Klusā okeāna austrumu daļā. Viņi pētīja Galapagu karstos avotus vietās, kur no jūras dibena cēlās augstās kores. Šīs grēdas bija vulkāniski aktīvas.
Corliss atklāja, ka šīs grēdas burtiski bija punktētas ar karstajiem avotiem. Karsts, ar ķīmiskām vielām bagāts ūdens paceļas no apakšas no jūras dibena un plūst caur akmeņu caurumiem.
Neticami, ka šīs hidrotermālās atveres bija blīvi apdzīvotas ar dīvainiem dzīvniekiem. Bija milzīgi gliemenes, gliemenes un aneneļi. Ūdens bija arī ļoti piesātināts ar baktērijām. Visi šie organismi dzīvoja hidrotermisko ventilāciju enerģijā.
Šo avotu atklāšana deva Corliss vārdu. Un tas man lika aizdomāties. 1981. gadā viņš ieteica, ka šādas ventilācijas atveres pastāvēja uz Zemes pirms četriem miljardiem gadu un ka tās kļuva par dzīvības izcelsmes vietu. Lielāko daļu savas karjeras viņš ir veltījis šī jautājuma izpētei.
Hidrotermiskajām ventilācijas atverēm ir dīvaina dzīve
Corliss ierosināja, ka hidrotermiskās ventilācijas atveres varētu radīt ķīmisko vielu kokteiļus. Katrs avots, pēc viņa teiktā, bija sava veida pirmatnējā buljona izsmidzināšana.
Karstajam ūdenim plūstot cauri klintīm, karstums un spiediens lika organiskiem savienojumiem saplūst sarežģītākos, piemēram, aminoskābēs, nukleotīdos un cukuros. Tuvāk robežai ar okeānu, kur ūdens nebija tik karsts, viņi sāka sasaistīties ķēdēs - veidot ogļhidrātus, olbaltumvielas un nukleotīdus, piemēram, DNS. Tad, kad ūdens tuvojās okeānam un vēl vairāk atdzisa, šīs molekulas pulcējās vienkāršās šūnās.
Tas bija interesanti, teorija piesaistīja cilvēku uzmanību. Bet Stenlijs Millers, kura eksperimentu mēs apspriedām pirmajā daļā, tam neticēja. 1988. gadā viņš rakstīja, ka dziļās ventilācijas atveres ir pārāk karstas.
Kaut arī intensīvs karstums var radīt tādas ķīmiskas vielas kā aminoskābes, Millera eksperimenti parādīja, ka tas var tās arī iznīcināt. Pamata savienojumi, piemēram, cukuri, "varētu izdzīvot pāris sekundes, ne vairāk." Turklāt šīs vienkāršās molekulas, visticamāk, nesaistīsies ķēdēs, jo apkārtējais ūdens tās uzreiz sadalīs.
Šajā posmā cīņai pievienojās ģeologs Maiks Rasels. Viņš uzskatīja, ka hidrotermisko ventilāciju teorija varētu būt diezgan pareiza. Turklāt viņam šķita, ka šie avoti būs ideālas mājas Wachtershauser organisma priekšgājējiem. Šī iedvesma lika viņam radīt vienu no visplašāk pieņemtajām teorijām par dzīves pirmsākumiem.
Ģeologs Maikls Rasels
Rasela karjerā bija daudz interesantu lietu - viņš gatavoja aspirīnu, meklējot vērtīgus minerālus, un vienā ievērojamā incidentā 60. gados koordinēja reakciju uz iespējamu vulkāna izvirdumu, neskatoties uz sagatavošanās trūkumu. Bet viņu vairāk interesēja, kā Zemes virsma mainās pa eoniem. Šī ģeoloģiskā perspektīva radīja viņa idejas par dzīves izcelsmi.
Astoņdesmitajos gados viņš atrada fosilus pierādījumus par mazāk turbulentu hidrotermiskās vēnas veidu, kur temperatūra nepārsniedza 150 grādus pēc Celsija. Pēc viņa teiktā, šī maigā temperatūra varētu ļaut dzīvības molekulām dzīvot ilgāk, nekā Millers domāja.
Turklāt šo "vēso" atveru fosilās atliekas saturēja kaut ko dīvainu: minerālpirīts, kas sastāv no dzelzs un sēra, bija izveidojies caurulēs ar diametru 1 mm. Strādājot laboratorijā, Rasels atklāja, ka pirīts var veidot arī sfēriskas pilītes. Un viņš ierosināja, ka šīs vienkāršās pirīta struktūras iekšienē varēja izveidoties pirmās sarežģītās organiskās molekulas.
Dzelzs pirīts
Ap šo laiku Wachtershauser sāka publicēt savas idejas, kuru pamatā bija karstā, ķīmiski bagātinātā ūdens plūsma, kas plūst caur minerāliem. Viņš pat ieteica iesaistīt pirītu.
Rasels pievienoja divus plus divus. Viņš ierosināja, ka hidrotermiskās ventilācijas atveres dziļi jūrā, pietiekami aukstas, lai veidotos pirīta struktūras, Wachtershauser organismu prekursori. Ja Rasellam bija taisnība, dzīve sākās jūras dibenā - un vispirms parādījās vielmaiņa.
Rasela to visu salika dokumentā, kas publicēts 1993. gadā, 40 gadus pēc Millera klasiskā eksperimenta. Tas neradīja tādu pašu plašsaziņas līdzekļu buzz, bet tas, bez šaubām, bija svarīgāks. Rasels ir apvienojis divas šķietami atsevišķas idejas - Wachtershauser metabolisma ciklus un Corliss hidrotermālos atveres - kaut kas patiesi saistošs.
Rasels pat piedāvāja skaidrojumu tam, kā pirmie organismi ieguva enerģiju. Tas ir, viņš saprata, kā varētu darboties viņu metabolisms. Viņa idejas pamatā bija viena no aizmirstajiem mūsdienu zinātnes ģēnijiem darbs.
Pīters Mitčels, Nobela prēmijas laureāts
Sešdesmitajos gados bioķīmiķis Pīters Mitčels saslima un bija spiests doties pensijā no Edinburgas universitātes. Tā vietā viņš attālajā īpašumā Kornvolā izveidoja privātu laboratoriju. Izolēts no zinātnieku aprindām, viņš finansēja savu darbu ar slaucamo govju ganāmpulku. Daudzi bioķīmiķi, ieskaitot Lesliju Orgelu, kura darbs pie RNS mēs apspriedām otrajā daļā, Mitchell idejas uzskatīja par pilnīgi smieklīgām.
Pēc dažām desmitgadēm Mičela gaidīja absolūtu uzvaru: 1978. gada Nobela prēmiju ķīmijā. Viņš nekļuva slavens, bet viņa idejas mūsdienās ir atrodamas katrā bioloģijas mācību grāmatā. Mičels savu karjeru pavadīja, izdomājot, ko organismi dara ar enerģiju, ko viņi saņem no pārtikas. Pamatā viņš prātoja, kā mums katram izdodas palikt dzīvam katru sekundi.
Viņš zināja, ka visas šūnas glabā savu enerģiju vienā molekulā: adenozīna trifosfātā (ATP). Adenozīnam ir pievienota trīs fosfātu ķēde. Trešā fosfāta pievienošana prasa daudz enerģijas, kas pēc tam tiek bloķēta ATP.
Kad šūnai ir vajadzīga enerģija - piemēram, kad muskuļi saraujas -, tā sadala trešo fosfātu ATP. Tas pārveido ATP par adenosidifosfātu (ADP) un atbrīvo uzkrāto enerģiju. Mitčels vēlējās uzzināt, kā šūna kopumā veido ATP. Kā tas ADP uzkrāj pietiekami daudz enerģijas, lai piestiprinātu trešo fosfātu?
Mitčels zināja, ka ferments, kas veido ATP, atrodas membrānā. Tāpēc es pieņēmu, ka šūna caur membrānu sūknē uzlādētas daļiņas (protonus), tāpēc tik daudz protonu ir vienā pusē, bet nav otrā.
Tad protoni mēģina noplūst caur membrānu, lai līdzsvarotu protonu skaitu katrā pusē - bet vienīgā vieta, kur tie var iziet, ir ferments. Plūstošo protonu plūsma tādējādi nodrošināja fermentu ar enerģiju, kas nepieciešama ATP izveidošanai.
Mičels savu ideju pirmo reizi iesniedza 1961. gadā. Nākamos 15 gadus viņš pavadīja, aizstāvēdams viņu no visām pusēm, līdz pierādījumi bija neapgāžami. Tagad mēs zinām, ka Mitchell procesu izmanto ikviena dzīvā būtne uz Zemes. Pašlaik tas plūst jūsu šūnās. Tāpat kā DNS, tas ir pamatā dzīvei, kuru mēs zinām.
Rasels aizņēmās no Mitčelas protonu gradienta ideju: membrānas vienā pusē ir daudz protonu, bet otrā - maz. Visām šūnām ir nepieciešams protonu gradients enerģijas uzkrāšanai.
Mūsdienu šūnas rada gradientus, sūknējot protonus pāri membrānām, taču tam ir nepieciešams sarežģīts molekulārais mehānisms, kas vienkārši nevarētu parādīties pats par sevi. Tātad Rasels spera vēl vienu loģisku soli: dzīvei kaut kur bija jāveidojas ar dabisku protonu gradientu.
Piemēram, kaut kur netālu no hidrotermiskās atveres. Bet tam jābūt īpaša veida avotam. Kad Zeme bija jauna, jūras bija skābas, un skābajā ūdenī ir daudz protonu. Lai izveidotu protonu gradientu, avota ūdenim jābūt ar mazu protonu daudzumu: tam jābūt sārmainam.
Corliss avoti nederēja. Viņi bija ne tikai pārāk karsti, bet arī bija skābi. Bet 2000. gadā Deborah Kelly no Vašingtonas universitātes atklāja pirmos sārmainos avotus.
Zaudētā pilsēta
Kellijai bija smagi jāstrādā, lai kļūtu par zinātnieku. Viņas tēvs nomira, kamēr viņa pabeidza vidusskolu, un viņa bija spiesta strādāt, lai paliktu koledžā. Bet viņa tika galā un izvēlējās zemūdens vulkānus un karsto hidrotermālo avotu kā savu interesi. Šis pāris viņu nogādāja Atlantijas okeāna centrā. Šajā brīdī zemes garoza saplaisāja un no jūras dibena cēlās kalnu grēda.
Uz šī grēda Kellija atklāja hidrotermisko ventilācijas atveru lauku, kuru viņa sauca par “Pazudušo pilsētu”. Viņi neizskatījās pēc tiem, kurus atrada Koriss. Ūdens no tiem iztecēja 40–75 grādos pēc Celsija un bija nedaudz sārmains. Karbonātu minerāli no šī ūdens salipās kopā stāvos, baltos "dūmu dūmos", kas kā jūras orgāni cēlās no jūras dibena. Viņi izskatās rāpojoši un spocīgi, bet tie nav: viņi ir mājvieta daudziem mikroorganismiem.
Šīs sārmainās ventilācijas atveres lieliski saskan ar Rasela idejām. Viņš stingri uzskatīja, ka dzīvība parādās šādās “pazudušajās pilsētās”. Bet bija viena problēma. Kā ģeologs viņš nezinaja daudz par bioloģiskajām šūnām, lai pārliecinoši prezentētu savu teoriju.
Dūmu kolonna no "melnās kūpināšanas telpas"
Tā Rasels sadarbojās ar biologu Viljamu Martinu. 2003. gadā viņi iepazīstināja ar uzlabotu Raselu iepriekšējo ideju versiju. Un tā, iespējams, ir labākā dzīves rašanās teorija šobrīd.
Pateicoties Kellijai, viņi tagad zināja, ka sārmaino avotu ieži ir poraini: tiem bija izveidoti sīki caurumi, kas piepildīti ar ūdeni. Viņi ieteica, ka šīs sīkās kabatas rīkojās kā “šūnas”. Katrā kabatā bija pamata ķīmiskās vielas, ieskaitot pirītu. Apvienojumā ar dabisko protonu gradientu no avotiem, tie bija lieliska vieta metabolisma sākšanai.
Pēc tam, kad dzīve iemācījās izmantot avotu ūdeņu enerģiju, Rasels un Martins saka, tas sāka veidot tādas molekulas kā RNS. Galu galā viņa izveidoja sev membrānu un kļuva par īstu šūnu, izbēgdama no porainās klints atklātā ūdenī.
Šāds sižets šobrīd tiek uzskatīts par vienu no vadošajām hipotēzēm par dzīves izcelsmi.
Šūnas bēg no hidrotermiskām atverēm
2016. gada jūlijā viņš guva atbalstu, kad Martins publicēja pētījumu, kurā rekonstruētas dažas no “pēdējā universālā kopējā senča” (LUCA) detaļām. Tas ir organisms, kurš dzīvoja pirms miljardiem gadu un no kura cēlās visa esošā dzīvība.
Maz ticams, ka mēs kādreiz atradīsim tiešus pārakmeņojušos pierādījumus par šī organisma eksistenci, taču, neskatoties uz to, mēs varam diezgan pamatoti izteikt minējumus par to, kā tas izskatījās un ko tas darīja, pētot mūsu laika mikroorganismus. To izdarīja Mārtiņš.
Viņš pārbaudīja 1930 mūsdienu mikroorganismu DNS un identificēja 355 gēnus, kas bija gandrīz visiem. Tas ir pārliecinošs pierādījums par šo 355 gēnu pārnešanu paaudzēs un paaudzēs no kopīgā senča - laikā, kad dzīvoja pēdējais universālais kopējais sencis.
Šie 355 gēni ieslēdz dažus, lai izmantotu protonu gradientu, bet nevis lai to ģenerētu, kā paredzēja Rasels un Martins. Vēl vairāk, šķiet, ka LUCA ir pielāgota tādu ķīmisku vielu klātbūtnei kā metāns, kas liek domāt, ka tā apdzīvo vulkāniski aktīvo, ventilācijas veida vidi.
"RNS pasaules" hipotēzes piekritēji norāda uz divām šīs teorijas problēmām. Vienu var salabot; otrs var būt letāls.
Hidrotermiskie avoti
Pirmā problēma ir tā, ka Rasela un Martina aprakstītajiem procesiem nav eksperimentālu pierādījumu. Viņiem ir pakāpeniska vēsture, taču neviens no šiem soļiem nav novērots laboratorijā.
"Cilvēki, kuri uzskata, ka viss sākās ar reprodukciju, pastāvīgi atrod jaunus eksperimentālos datus," saka Armēns Mulkidzhanjans. "Cilvēki, kas iestājas par metabolismu, to nedara."
Bet tas varētu mainīties, pateicoties Martina kolēģim Nikam Lanei no Londonas Universitātes koledžas. Viņš uzcēla "Dzīves reaktora izcelsmi", kas imitē apstākļus sārmainā avotā. Viņš cer redzēt metabolisma ciklus un varbūt pat tādas molekulas kā RNS. Bet vēl ir par agru.
Otra problēma ir avotu atrašanās dziļūdens jūrā. Kā Millers atzīmēja 1988. gadā, garu ķēžu molekulas, piemēram, RNS un olbaltumvielas, nevar veidoties ūdenī bez palīg fermentiem.
Daudziem zinātniekiem tas ir liktenīgs arguments. "Ja jums ir laba ķīmija, jums netiks piekukuļota ideja par dziļūdens avotiem, jo jūs zināt, ka visu šo molekulu ķīmija nav savienojama ar ūdeni," saka Mulkidzhanian.
Tomēr Rasels un viņa sabiedrotie joprojām ir optimistiski.
Tikai pēdējā desmitgadē tika izvirzīta trešā pieeja, ko atbalstīja virkne neparastu eksperimentu. Tas sola kaut ko tādu, ko nav spējis sasniegt ne RNS pasaule, ne hidrotermālās atveres: veids, kā no nulles izveidot visu šūnu. Vairāk par to nākamajā daļā.
ILYA KHEL
- Pirmā daļa: Kā izveidot būru -
- Otrā daļa: Sadalījums zinātnieku rindās -
- Trešā daļa: pirmā replikatora meklējumos -
- Piektā daļa: kā jūs izveidojat šūnu? -
- Sestā daļa: Lielā apvienošanās -