- Otrā daļa: sadalījums zinātnieku rindās -
- Trešā daļa: pirmā replikatora meklējumos -
- Ceturtā daļa: protonu enerģija -
- Piektā daļa: kā jūs izveidojat šūnu? -
- Sestā daļa: Lielā apvienošanās -
Mūsdienās dzīve ir iekarojusi katru Zemes kvadrātcentimetru, bet, kad planēta izveidojās pirmo reizi, tā bija miris akmens. Kā un kad notika orientiera pāreja? Kā sākās dzīve? Diez vai var domāt par nopietnāku, lielu un sarežģītu jautājumu. Cilvēces vēstures laikā neviens nešaubījās, ka tas ir dievu bizness. Jebkurš cits skaidrojums nebija iedomājams.
Vairāk ne. Pēdējā gadsimta laikā daudzi zinātnieki ir mēģinājuši izdomāt, kur varētu sākties pirmā dzīve. Viņi pat mēģināja atjaunot Radīšanas brīdi savās laboratorijās: radīt pilnīgi jaunu dzīvi no nulles. Pagaidām nevienam nav izdevies, taču mēs esam nogājuši garu ceļu. Mūsdienās daudzi zinātnieki, kas pēta dzīves izcelsmi, ir pārliecināti, ka ir uz pareizā ceļa, un viņiem ir eksperimenti, kas apliecina viņu pārliecību par to.
Šis ir stāsts par mūsu centieniem noskaidrot mūsu patieso izcelsmi. Tas ir stāsts par apsēstību, cīņu un izcilu radošumu, kas noveda pie dažiem no lielākajiem mūsdienu zinātnes atklājumiem. Vēlme izprast dzīves izcelšanos nosūtīja vīriešus un sievietes uz visattālākajiem mūsu planētas nostūriem. Daži zinātnieki tika uzskatīti par velniem miesā, bet citi turpināja darboties brutālo totalitāro valdību īkšķos.
Šis ir stāsts par dzīvības dzimšanu uz Zemes.
Faktiski dinozauri dzīvoja ne tik sen.
Dzīve ir veca. Dinozauri - visslavenākās izmirušās radības - parādījās pirms 250 miljoniem gadu. Bet dzīve sākās daudz, daudz agrāk.
Vecākais zināmais fosilijas rekords ir aptuveni 3,5 miljardus gadu vecs, 14 reizes garāks par vecākajiem dinozauriem. Bet fosiliju reģistrs mūs var vest vēl tālāk. Piemēram, tikai 2016. gada augustā zinātnieki atklāja pārakmeņojušos mikrobus, kuru vecums ir 3,7 miljardi gadu.
Reklāmas video:
Šie viļņaini raksti var būt 3,7 miljardi gadu veci
Pati Zeme nav daudz vecāka, tā ir 4,5 miljardus gadu veca.
Pieņemot, ka dzīvības cēlonis bija Zeme - kas šķiet saprātīgi, ņemot vērā, ka mēs to joprojām neesam atraduši citur - tad tam vajadzēja notikt miljardu gadu laikā, kas pagāja starp Zemes veidošanos un vecāko zināmo fosiliju parādīšanos.
Sašaurinot dzīves diapazonu diapazonu, mēs varam izdarīt pamatotus minējumus par to, kā tas notika.
Dzīvības koks: lielākā daļa baktēriju un arhaea
Kopš 19. gadsimta biologi ir zinājuši, ka visas dzīvās lietas veido "šūnas": niecīgas dzīvās vielas maisiņi, kas ir visu formu un izmēru. Šūnas pirmo reizi tika atklātas 17. gadsimtā, pateicoties pirmo mikroskopu izgudrošanai, taču vajadzēja vairāk nekā simts gadus, lai saprastu, ka tās ir visas dzīves pamatā.
Jūs noteikti neizskatāties kā sams vai tirānozaurs, bet mikroskops parādīs, ka jūs esat veidots no gandrīz tām pašām šūnām. Tāpat kā augi un sēnes. Bet līdz šim skaitliskākais dzīvības veids ir mikroorganismi, kas sastāv no vienas šūnas. Baktērijas ir visslavenākā grupa, un tās var atrast visur uz Zemes.
2016. gada aprīlī zinātnieki iesniedza atjauninātu “dzīvības koka” versiju: savā ziņā katras dzīvās sugas ciltskoku. Gandrīz visi zari ir baktērijas. Turklāt šo zaru forma liek domāt, ka baktērijas bija visu dzīves senči. Citiem vārdiem sakot, ikviena dzīvā būtne - arī jūs - nāca no baktērijām.
Izrādās, ka mēs varam precīzāk definēt dzīves izcelsmes problēmu. Izmantojot tikai materiālus un apstākļus, kas bija uz Zemes pirms 3,5 miljardiem gadu, mums ir jāveido šūna.
Cik grūti tas būs?
Visa dzīvā šūna
Pirmie eksperimenti
Vēstures laikā neviens neuzskatīja par vajadzīgu jautāt, kā dzīve izveidojusies, jo atbilde šķita acīmredzama. Līdz 1800. gadiem lielākā daļa cilvēku ticēja "vitālismam". Šī ir intuitīva ideja, ka dzīvām lietām ir piešķirts īpašs, maģisks īpašums, kas tās atšķir no nedzīvajiem objektiem.
Vitalisms bieži ir bijis saistīts ar reliģiskiem uzskatiem. Bībelē teikts, ka Dievs izmantoja “dzīves elpu”, lai atdzīvinātu pirmos cilvēkus, un nemirstīgā dvēsele ir dzīvības forma.
Ir tikai viena problēma. Vitalisms ir pilnīgas muļķības.
Līdz 1800. gadu sākumam zinātnieki bija atklājuši vairākas vielas, kuras dzīvei šķita unikālas. Viens no šādiem savienojumiem bija urīnviela, kas tika atrasta urīnā un izdalījās 1799. gadā. Tikai tas joprojām ietilpst vitālisma jēdzienā. Šīs ķīmiskās vielas varēja ražot tikai dzīvas lietas, tāpēc acīmredzot tām tika uzlādēta dzīvības enerģija, un tas viņus padarīja īpašus.
Bet 1828. gadā vācu ķīmiķis Fridrihs Vērlers atrada veidu, kā izgatavot urīnvielu no parastā ķīmiskā viela - amonija cianāta, kam nebija acīmredzamas saistības ar dzīvām lietām. Citi sekoja piemēram, un drīz vien kļuva skaidrs, ka dzīvības ķimikālijas var izgatavot no vienkāršākām ķimikālijām, kurām nav nekā kopīga ar dzīvību.
Frīdrihs Vērlers, vācu ķīmiķis
Tas bija vitālisma kā zinātniskas koncepcijas beigas. Bet cilvēkiem bija grūti šķirties no šīs idejas. Daudziem cilvēkiem šķita, ka teikšana, ka dzīvības ķimikālijās nav nekas īpašs, ir kā tās burvju noņemšana no dzīves, padarot to mehānisku vai bez dvēseles. Un tas, protams, bija pretrunā ar Bībeli.
Pat zinātnieki ir mēģinājuši ietaupīt vitalismu. Jau 1913. gadā angļu bioķīmiķis Bendžamins Mūrs dedzīgi reklamēja “biotiskās enerģijas” teoriju, kas bija tāds pats vitalisms, bet ar atšķirīgu nosaukumu. Šai idejai bija izteikts emocionāls pārspīlējums.
Tomēr pat šodien šī ideja dažreiz parādās šeit un tur. Piemēram, ir daudz zinātniskās fantastikas stāstu, kuros “dzīves enerģiju” var palielināt vai izsūkt. Padomājiet par "reģenerācijas enerģiju", kuru Time Lords izmantoja doktorā Who. Tā šķiet neparasta, taču šī ir ļoti, ļoti sena ideja.
Tomēr pēc 1828. gada zinātniekiem bija labs iemesls meklēt “bezdievīgu” skaidrojumu pirmajam dzīves parādīšanās brīdim. Bet viņi to nedarīja. Liekas, ka šī tēma ir jāizpēta, taču patiesībā dzīves izcelsmes noslēpums gadu desmitiem ir ignorēts. Varbūt viņi joprojām bija pārāk pieķērušies vitālismam, lai spertu nākamo soli.
Čārlzs Darvins parādīja, ka visa dzīve nākusi no viena kopīga senča
Tā vietā 19. gadsimtā milzīgais lēciens uz priekšu bioloģijā bija Kārļa Darvina un citu izstrādātā evolūcijas teorija.
Darvina teorija, kas izklāstīta 1859. gada izdevumā Sugu izcelsme, izskaidroja, kā visa šī dzīves dažādība varēja rasties no viena kopīga senča. Katru atsevišķo sugu vairs nav radījis Dievs, bet gan cēlies no sena organisma, kurš dzīvoja pirms miljoniem gadu: pēdējais universālais kopējais sencis.
Šī ideja izrādījās ārkārtīgi pretrunīga, vēlreiz tāpēc, ka tā neatbilst Bībelei. Daļēji sašutušie kristieši uzbruka Darvinam un viņa idejām.
Evolūcijas teorija neko neteica par to, kā parādījās pats pirmais organisms.
Darvins uzskatīja, ka dzīve parādās "siltā mazā dīķī"
Darvins zināja, ka tas ir pamatīgs jautājums, bet, iespējams, baidoties no jauniem baznīcas uzbrukumiem, viņš uzdrošinājās to apspriest tikai 1871. gadā. Vēstules pozitīvais tonis liecina, ka viņš zināja šī jautājuma dziļo nozīmi:
“Bet, ja (un, ak, cik liels“ja”), mēs varētu iedomāties nelielu siltu dīķi ar visa veida amonjaku un fosfora sāli - ar gaismu, siltumu, elektrību -, kurā ķīmiski veidotos olbaltumvielu savienojums, kas būtu gatavs iziet vēl vairāk sarežģītas izmaiņas …"
Citiem vārdiem sakot, kas būtu, ja kādreiz būtu maza ūdens telpa, kas piepildīta ar vienkāršiem organiskiem savienojumiem un peldēta saules gaismā? Daži no šiem savienojumiem var apvienoties, veidojot tādu pusdzīvo vielu kā olbaltumvielas, kas varētu sākt attīstīties un kļūt sarežģītākas.
Šī ideja bija virspusēja. Bet viņa veidoja pamatu pirmajai hipotēzei par dzīves parādīšanos.
Savādi, ka šī hipotēze parādījās PSRS.
Aleksandrs Oparins dzīvoja un strādāja PSRS
Staļina laikā viss bija valsts kontrolē. Pat cilvēku, biologu idejas, kas nav saistītas ar komunistisko politiku. Jāatzīmē, ka Staļins faktiski aizliedza zinātniekiem studēt parasto ģenētiku. Tā vietā viņš reklamēja zemnieka Trofima Lysenko idejas, kuras, viņaprāt, vairāk atbilda komunistu ideoloģijai. Zinātnieki, kas strādā ģenētikas jomā, bija spiesti publiski atbalstīt Ļesenko idejas, lai nenonāktu nometnēs.
Tieši tik represīvā vidē Aleksandrs Oparins veica savus pētījumus bioķīmijas jomā. Viņš varēja strādāt, jo bija uzticīgs komunists: viņš atbalstīja Ļenko idejas un pat saņēma Ļeņina ordeni, kas bija visaugstākais padomju laika apbalvojums.
1924. gadā Oparins publicēja darbu Dzīves izcelsme. Tajā viņš ieskicēja savu redzējumu par dzīves izcelsmi, kas pārsteidzoši bija līdzīgs Darvina mazajam siltajam dīķim.
Pēc Zemes atdzišanas izveidojās okeāni
Oparins mēģināja iedomāties, kāda bija Zeme pēc veidošanās. Virsma bija sakarsusi, jo klintis nokrita no kosmosa. Daļēji paplašinātu iežu, kas satur milzīgu ķimikāliju klāstu, ieskaitot tādas, kuru pamatā ir ogleklis, kodols.
Galu galā Zeme bija pietiekami atdzisusi, lai ūdens tvaiki kondensētos šķidrā ūdenī, un sāka līt pirmais lietus. Tas piepildīja Zemes okeānus, kas bija karsti un bagāti ar ogļūdeņražiem. Kas nepieciešams dzīvei.
Sākumā dažādas ķīmiskas vielas savstarpēji mijiedarbojās, veidojot daudz jaunu savienojumu, no kuriem daži bija sarežģīti. Oparīns ierosināja, ka dzīvībai nepieciešamās molekulas, cukuri un aminoskābes, varētu būt izveidojušās Zemes ūdeņos.
Tad dažas no ķimikālijām sāka veidot mikroskopiskas struktūras. Daudzas organiskās vielas nešķīst ūdenī: piemēram, eļļas veido slāni virs ūdens. Bet, kad dažas no šīm vielām nonāk saskarē ar ūdeni, tās veido sfēriskas "koacerētas" bumbiņas, kuru šķērsgriezums var būt līdz 0,01 centimetram.
Ja paskatās koacerācijas caur mikroskopu, tās uzvedas ļoti mobili, tāpat kā dzīvās šūnas. Viņi aug un maina formu, dažreiz sadalot divās daļās. Viņi var arī uzņemt ķimikālijas no apkārtējā ūdens, tāpēc viņi var nonākt dzīvībai līdzīgās ķimikālijās. Oparins ierosināja, ka koacervāti ir mūsdienu šūnu priekšteči.
Piecus gadus vēlāk, 1929. gadā, angļu biologs Džons Burdons Sandersons Haldāns pats īsā rakstā, kas publicēts žurnālā Rationalist Annual, patstāvīgi ierosināja ļoti līdzīgas idejas.
Līdz tam laikam Haldane jau bija devis lielu ieguldījumu evolūcijas teorijā, palīdzot integrēt Darvina idejas jaunattīstības ģenētikas zinātnē.
Angļu ģenētiķis J. Haldāns
Tāpat kā Oparīns, Haldāns aprakstīja, kā organiskās vielas varētu uzkrāties ūdenī "līdz pirmatnējie okeāni sasniedza karstas, atšķaidītas zupas konsistenci". Tas būtu pamats "pirmajām dzīvajām vai daļēji dzīvajām lietām", kas izveidojās un beidzās ar plānu eļļas plēvi.
Zīmīgi, ka starp visiem pasaules biologiem pie tā ieradās tikai Oparīns un Haldāns. Ideja, ka dzīvos organismus var veidot ar vienkāršu ķīmisku reakciju palīdzību, bez Dieva vai pat "dzīvības spēka", bija radikāla. Tāpat kā Darvina teorija par evolūciju pirms tās, arī tas bija trieciens kristietības priekšā.
Bet tas lieliski iekļaujas PSRS ietvarā. Padomju režīms bija oficiāli ateistisks, un tā vadītāji ar prieku atbalstīja jebkuru materiālistu izskaidrojumu tādām dziļām parādībām kā dzīve. Haldane bija arī ateists un komunists, lai boot.
"Tajā laikā idejas pieņemšana vai noraidīšana galvenokārt bija atkarīga no indivīda: vai viņš bija reliģiozs, vai viņš atbalstīja kreiso vai komunistisko ideju," saka dzīves sākuma eksperts Armēns Mulkidzhanians no Osnabrukas universitātes Vācijā. “Padomju Savienībā viņus uzņēma ar prieku, jo viņiem Dievs nebija vajadzīgs. Rietumu pasaulē, ja paskatās uz cilvēkiem, kuri domāja šajā virzienā, viņi visi bija kreisie, komunisti un tā tālāk."
Ideja, ka dzīve veidojas pirmatnējā organisko vielu buljonā, kļuva par Oparīna-Haldāna hipotēzi. Viņa bija glīta un pārliecinoša, taču bija viena problēma. Viņu neatbalstīja nekādi eksperimentāli pierādījumi. Un tā tas turpinājās gandrīz ceturtdaļu gadsimta.
Harolds Ūrejs
Kad Harolds Ūrejs sāka interesēties par dzīves pirmsākumiem, viņš jau bija ieguvis 1934. gada Nobela prēmiju ķīmijā un palīdzēja uzbūvēt atombumbu. Otrā pasaules kara laikā Jurijs strādāja pie Manhetenas projekta, savācot nestabilo urāna-235, kas nepieciešams bumbas kodolā. Pēc kara viņš cīnījās, lai kodoltehnoloģijas būtu civilā kontrolē.
Viņš arī sāka interesēties par kosmosa ķīmiju, jo īpaši par to, kas notika Saules sistēmas veidošanās laikā. Kādu dienu viņš lasīja lekciju un atzīmēja, ka, iespējams, Zemes atmosfērā, kad tā pirmo reizi izveidojās, nebija skābekļa. Tas bija ideāls papildinājums Oparīna un Haldāna primārajam buljonam: trauslās ķīmiskās vielas var iznīcināt, nonākot saskarē ar skābekli.
Klausītājos bija doktorants Stenlijs Millers un pēc tam vērsās pie Yuuri ar jautājumu: vai šo ideju var pārbaudīt? Yuuri bija skeptiski noskaņots, bet Millers uzstāja uz savu. Tā 1952. gadā Millers sāka slavenāko eksperimentu par dzīves izcelsmi.
Millera-Ūreja eksperiments
Iestatījumi bija vienkārši. Millers savienoja virkni stikla kolbu un izšāva četras ķīmiskas vielas, kas varētu būt bijušas uz agrīnās Zemes: verdošu ūdeni, ūdeņraža gāzi, amonjaku un metānu. Pēc tam viņš pakļāva gāzes atkārtotiem elektriskās strāvas triecieniem, lai modelētu zibens spērienus, kas tajos laikos bija izplatīti uz Zemes.
Millers atklāja, ka "flakonos esošais ūdens pēc pirmās dienas kļuva ievērojami niecīgāks, un nedēļas beigās šķīdums bija sarkans un duļķains". Acīmredzot ir izveidojies ķīmisku vielu maisījums.
Pēc maisījuma analīzes Millers atklāja, ka tas satur divas aminoskābes: glicīnu un alanīnu. Aminoskābes bieži dēvē par dzīves sastāvdaļām. Tos izmanto olbaltumvielu veidošanai, kas kontrolē lielāko daļu bioķīmisko procesu mūsu ķermenī. Millers no paša sākuma uzcēla divus būtiskus dzīves komponentus.
Rezultāti tika publicēti prestižajā žurnālā Science 1953. gadā. Jurijs izdarīja kaut ko ļoti neparastu vecākajiem zinātniekiem, atņemot viņam vārdu no darba un visu atzinību veltot Milleram. Neskatoties uz to, pētījumu bieži dēvē par Millera-Ūreja eksperimentu.
Stenlijs Millers laboratorijā
"Millera-Ūreja stiprā puse ir tā, ka jūs varat ražot daudzas bioloģiskas molekulas tieši no atmosfēras," saka Džons Sutherlands no Molekulārās bioloģijas laboratorijas Kembridžā, Lielbritānijā.
Sīkāka informācija izrādījās nepareiza, jo vēlākie pētījumi parādīja, ka agrīnās Zemes atmosfēra bija atšķirīgs gāzu maisījums. Bet tas nemaina faktu. Eksperiments bija veiksmīgs, stimulēja sabiedrības iztēli un eksplodēja pēdiņās.
Pēc Millera eksperimenta citi zinātnieki sāka meklēt veidus, kā no nulles izveidot vienkāršas bioloģiskas molekulas. Likās, ka drīzumā parādīsies dzīves izcelsmes noslēpuma risinājums.
Bet tad izrādījās, ka dzīve ir grūtāka, nekā kāds domāja. Dzīvas šūnas nebija tikai ķimikāliju maisi: tās bija sīkas un sīkas mašīnas. Pēkšņi izveidot šūnu no nulles izrādījās daudz grūtāk, nekā domāja zinātnieki.
ILYA KHEL
- Otrā daļa: sadalījums zinātnieku rindās -
- Trešā daļa: pirmā replikatora meklējumos -
- Ceturtā daļa: protonu enerģija -
- Piektā daļa: kā jūs izveidojat šūnu? -
- Sestā daļa: Lielā apvienošanās -