- Første del: Hvordan man opretter et bur -
- Del to: En opdeling i forskernes rækker -
- Del tre: på jagt efter den første replikator -
- Del fem: så hvordan opretter du en celle? -
Del seks: Den store forening -
I kapitel to lærte vi, hvordan lærde delte sig i tre tankeskoler, der reflekterede over livets oprindelse. En gruppe var overbevist om, at livet begyndte med et RNA-molekyle, men var ikke i stand til at vise, hvordan RNA eller lignende molekyler spontant kunne dannes på den tidlige jord og derefter lave kopier af sig selv. Deres indsats var opmuntrende i starten, men i sidste ende var der kun skuffelse. Andre forskere fra livets oprindelse, der har fulgt forskellige veje, har imidlertid fundet nogle resultater.
RNA-teorien er baseret på en enkel idé: det vigtigste, en levende organisme kan gøre, er at gengive sig selv. Mange biologer ville være enige i dette. Fra bakterier til blåhval stræber alt efter at have afkom.
Imidlertid betragter mange forskere med oprindelse i livet ikke gengivelse som grundlæggende. Før en organisme kan reproducere siger de, skal de blive selvforsynende. Han må holde sig i live. Når alt kommer til alt kan du ikke få børn, hvis du først dør.
Vi holder os i live ved at indtage mad; grønne planter gør dette ved at udvinde energi fra sollys. Ved første øjekast er den, der spiser en saftig bøf, meget forskellig fra et løvtræ, men når man ser på det, har de begge brug for energi.
Denne proces kaldes stofskifte. Først skal du få energi; lad os sige fra energirige kemikalier som sukker. Så skal du bruge denne energi til at opbygge noget nyttigt, som celler.
Denne proces med at bruge energi er så vigtig, at mange forskere betragter den som den første, hvorfra livet begyndte.
Vulkansk vand er varmt og rigt på mineraler
Salgsfremmende video:
Hvordan ville disse metaboliske kun organismer se ud? En af de mest interessante antagelser blev fremsat i slutningen af 1980'erne af Gunther Wachtershauser. Han var ikke en forsker på heltid, men snarere en patentadvokat med lidt kendskab til kemi.
Wachtershauser antydede, at de første organismer var "radikalt forskellige fra alt, hvad vi vidste." De var ikke lavet af celler. De havde ikke enzymer, DNA eller RNA. Nej, i stedet forestilte Wachtershauser sig en strøm af varmt vand, der løber ud af en vulkan. Dette vand er rig på vulkanske gasser som ammoniak og indeholder spor af mineraler fra hjertet af vulkanen.
Hvor vand løb gennem klipperne, begyndte kemiske reaktioner at finde sted. Især hjalp metaller fra vand enkle organiske forbindelser til at smelte sammen til større. Drejepunktet var oprettelsen af den første metaboliske cyklus. Det er en proces, hvor et kemikalie omdannes til en række andre kemikalier, indtil originalen til sidst genskabes. I processen bygger hele systemet op energi, der kan bruges til at genstarte cyklussen - og til andre ting.
Alt andet, der udgør en moderne organisme - DNA, celler, hjerner - dukkede op senere på toppen af disse kemiske cyklusser. Disse metaboliske cyklusser ligner overhovedet kun lidt lighed med livet. Wachtershauser kaldte sin opfindelse "forløbere for organismer" og skrev, at "de næppe kan kaldes i live."
Men metaboliske cyklusser som dem, der er beskrevet af Wachtershauser, er kernen i alt liv. Dine celler er i det væsentlige mikroskopiske kemiske fabrikker, der konstant distribuerer et stof til et andet. Metabolske cyklusser kan ikke kaldes liv, men de er grundlæggende for livet.
I løbet af 1980'erne og 1990'erne arbejdede Wachtershauser på detaljerne i sin teori. Han skitserede, hvilke mineraler der ville være bedst egnede, og hvilke kemiske cyklusser der måtte finde sted. Hans ideer begyndte at tiltrække tilhængere.
Men alt dette var rent teoretisk. Wachtershauser havde brug for en reel opdagelse for at støtte hans ideer. Heldigvis var det allerede gjort ti år tidligere.
Kilder i Stillehavet
I 1977 kastede et hold ledet af Jack Corliss fra Oregon State University 2,5 kilometer ned i det østlige Stillehav. De studerede Galapagos varme kilder på steder, hvor høje kamme steg op fra havbunden. Disse kamme var vulkansk aktive.
Corliss opdagede, at disse kamme bogstaveligt talt var oversat med varme kilder. Varmt, kemikalierigt vand stiger op under havbunden og strømmer gennem huller i klipperne.
Utroligt var disse hydrotermiske ventilationsåbninger tæt befolket med mærkelige dyr. Der var enorme muslinger, muslinger og annelider. Vandet var også stærkt mættet med bakterier. Alle disse organismer levede på energien fra hydrotermiske åbninger.
Opdagelsen af disse kilder gav Corliss et navn. Og det fik mig til at tænke. I 1981 foreslog han, at sådanne åbninger eksisterede på Jorden for fire milliarder år siden, og at de blev livets oprindelsessted. Han har viet størstedelen af sin karriere til at studere dette emne.
Hydrotermiske åbninger har et underligt liv
Corliss foreslog, at hydrotermiske åbninger kunne skabe cocktails af kemikalier. Hver kilde, sagde han, var en slags spray med oprindelig bouillon.
Idet det varme vand flydede gennem klipperne, fik varme og tryk nogle organiske forbindelser til at smelte sammen til mere komplekse, såsom aminosyrer, nukleotider og sukkerarter. Nærmere grænsen til havet, hvor vandet ikke var så varmt, begyndte de at binde i kæder - for at danne kulhydrater, proteiner og nukleotider som DNA. Derefter, når vandet nærmet sig havet og afkøles endnu mere, samlet disse molekyler sig i enkle celler.
Det var interessant, teorien fangede folks opmærksomhed. Men Stanley Miller, hvis eksperiment vi diskuterede i første del, troede ikke på det. I 1988 skrev han, at de dybe åbninger var for varme.
Selvom intens varme kan producere kemikalier som aminosyrer, viste Millers eksperimenter, at det også kan ødelægge dem. Grundlæggende forbindelser som sukker "kunne overleve i et par sekunder, ikke mere." Derudover er det usandsynligt, at disse enkle molekyler binder i kæder, da det omgivende vand øjeblikkeligt ville bryde dem fra hinanden.
På dette tidspunkt kom geolog Mike Russell med i slaget. Han mente, at teorien om hydrotermiske ventilationsåbninger kan være ganske korrekt. Derudover syntes det for ham, at disse kilder ville være det ideelle hjem for forløbere for Wachtershauser-organismen. Denne inspiration førte ham til at skabe en af de mest accepterede teorier om livets oprindelse.
Geolog Michael Russell
Russells karriere havde en masse interessante ting - han fik aspirin på udkig efter værdifulde mineraler - og i en bemærkelsesværdig hændelse i 1960'erne koordinerede responsen på et muligt vulkanudbrud til trods for manglende forberedelse. Men han var mere interesseret i, hvordan Jordens overflade ændrede sig i løbet af eoner. Dette geologiske perspektiv gav anledning til hans ideer om livets oprindelse.
I 1980'erne fandt han fossile bevis for en mindre turbulent type hydrotermisk blodåre, hvor temperaturerne ikke oversteg 150 grader celsius. Disse milde temperaturer, sagde han, kunne lade livets molekyler leve længere, end Miller troede.
Desuden indeholdt de fossile rester af disse "kølige" ventilationsåbninger noget mærkeligt: mineralpyritten, sammensat af jern og svovl, var dannet i rør med en diameter på 1 mm. Mens han arbejdede i laboratoriet, opdagede Russell, at pyrit også kunne danne sfæriske dråber. Og han foreslog, at de første komplekse organiske molekyler kunne have dannet sig inde i disse enkle pyritstrukturer.
Jernpyrit
Det var omkring denne tid, at Wachtershauser begyndte at offentliggøre sine ideer, der var baseret på strømmen af varmt, kemisk beriget vand, der strømmer gennem mineraler. Han antydede endda, at pyrit var involveret.
Russell tilføjede to plus to. Han foreslog, at hydrotermiske åbninger dybt i havet, kolde nok til at lade pyritstrukturer dannes, indeholdt forløbere for Wachtershauser-organismer. Hvis Russell havde ret, begyndte livet ved bunden af havet - og stofskiftet dukkede først op.
Russell sammensatte det hele i et papir, der blev offentliggjort i 1993, 40 år efter Millers klassiske eksperiment. Det genererede ikke det samme medie-buzz, men det var nok vigtigere. Russell har kombineret to tilsyneladende separate ideer - Wachtershauser metaboliske cyklusser og Corliss hydrotermiske åbninger - til noget, der virkelig er overbevisende.
Russell tilbød endda en forklaring på, hvordan de første organismer fik deres energi. Det vil sige, han forstod, hvordan deres stofskifte kunne fungere. Hans idé var baseret på et af de glemte genier inden for moderne videnskab.
Peter Mitchell, nobelprisvinder
I 1960'erne blev biokemikeren Peter Mitchell syg og blev tvunget til at gå på pension fra University of Edinburgh. I stedet oprettede han et privat laboratorium på en fjerntliggende ejendom i Cornwall. Isoleret fra det videnskabelige samfund finansierede han sit arbejde med en besætning af malkekøer. Mange biokemikere, inklusive Leslie Orgel, hvis arbejde med RNA vi diskuterede i del 2, anså Mitchells ideer som helt latterlige.
Et par årtier senere ventede Mitchell på en absolut sejr: Nobelprisen i kemi i 1978. Han blev ikke berømt, men hans ideer findes i enhver biologi-lærebog i dag. Mitchell brugte sin karriere på at finde ud af, hvad organismer gør med den energi, de får fra mad. Grundlæggende spekulerede han på, hvordan vi alle formår at holde os i live hvert sekund.
Han vidste, at alle celler lagrer deres energi i et molekyle: adenosintrifosfat (ATP). En kæde med tre fosfater er knyttet til adenosin. Tilsætning af et tredje fosfat kræver en masse energi, som derefter låses fast i ATP.
Når en celle har brug for energi - for eksempel når en muskel sammentrækkes - nedbryder den en tredje fosfat til ATP. Dette konverterer ATP til adenosidiphosphate (ADP) og frigiver lagret energi. Mitchell ville vide, hvordan en celle fremstiller ATP generelt. Hvordan opbevarer den nok energi i ADP til at fastgøre det tredje fosfat?
Mitchell vidste, at enzymet, der fremstiller ATP, var i membranen. Derfor antog jeg, at cellen pumper ladede partikler (protoner) gennem membranen, så mange protoner er på den ene side, men ikke på den anden.
Protonerne prøver derefter at lækker tilbage gennem membranen for at afbalancere antallet af protoner på hver side - men det eneste sted de kan gå igennem er enzymet. Strømmen af flydende protoner forsynede således enzymet med den energi, der var nødvendig til at skabe ATP.
Mitchell præsenterede først sin idé i 1961. Han tilbragte de næste 15 år på at forsvare hende fra alle sider, indtil bevisene var ubestridelige. Vi ved nu, at Mitchell-processen bruges af enhver levende ting på Jorden. Lige nu flyder det i dine celler. Ligesom DNA ligger det under det liv, vi kender.
Russell lånte ideen om protongradienten fra Mitchell: der er mange protoner på den ene side af membranen og få på den anden. Alle celler har brug for en protongradient for at lagre energi.
Moderne celler skaber gradueringer ved at pumpe protoner på tværs af membraner, men dette kræver en kompleks molekylær mekanisme, der simpelthen ikke kunne vises på egen hånd. Så Russell tog et andet logisk skridt: livet måtte dannes et sted med en naturlig protongradient.
For eksempel et sted i nærheden af hydrotermiske åbninger. Men det skal være en særlig type kilde. Da Jorden var ung, var havene sure, og der er mange protoner i surt vand. For at oprette en protongradient skal kildevandet have lave protoner: det skal være alkalisk.
Corliss kilder stemte ikke overens. Ikke kun var de for varme, de var også sure. Men i 2000 opdagede Deborah Kelly fra University of Washington de første alkaliske kilder.
Lost City
Kelly måtte arbejde hårdt for at blive videnskabsmand. Hendes far døde, mens hun sluttede gymnasiet, og hun blev tvunget til at arbejde for at blive på college. Men hun klarede sig og valgte undervands vulkaner og brændende varme hydrotermiske kilder som emnet for hendes interesse. Dette par bragte hende til centrum af Atlanterhavet. På dette tidspunkt knækkede jordskorpen, og en bjergryg steg fra havbunden.
På denne kam opdagede Kelly et felt med hydrotermiske åbninger, som hun kaldte "Den mistede by." De lignede ikke dem, der blev fundet af Corliss. Vandet løb ud af dem ved en temperatur på 40-75 grader celsius og var let alkalisk. Carbonatmineralerne fra dette vand klumpede sammen i stejle hvide "røgstrømme", der steg op fra havbunden som orgelrør. De ser uhyggelige og spøgelsesrige ud, men de er ikke: de er hjemsted for mange mikroorganismer.
Disse alkaliske udluftninger passer perfekt til Russells ideer. Han troede bestemt, at livet dukkede op i sådanne”mistede byer”. Men der var et problem. Som geolog vidste han ikke meget om biologiske celler for at præsentere sin teori overbevisende.
En røgsøjle fra det "sorte rygerum"
Så Russell samarbejdede med biolog William Martin. I 2003 præsenterede de en forbedret version af Russells tidligere ideer. Og dette er sandsynligvis den bedste teori om livets opståen i øjeblikket.
Takket være Kelly vidste de nu, at klipperne i de alkaliske fjedre var porøse: De var prikket med små huller fyldt med vand. Disse små lommer, antydede de, fungerede som "celler". Hver lomme indeholdt basiske kemikalier, inklusive pyrit. Kombineret med den naturlige protongradient fra kilderne, var de det perfekte sted at starte stofskiftet.
Efter at livet lærte at udnytte energien i forårets farvande, siger Russell og Martin, begyndte det at skabe molekyler som RNA. I sidste ende skabte hun en membran for sig selv og blev en rigtig celle, der slap fra den porøse klippe i åbent vand.
Et sådant plot betragtes i øjeblikket som en af de førende hypoteser om livets oprindelse.
Celler flygter fra hydrotermiske åbninger
I juli 2016 fik han støtte, da Martin offentliggjorde en undersøgelse, der rekonstruerede nogle af detaljerne i den "sidste universelle fælles stamfar" (LUCA). Det er en organisme, der levede for milliarder af år siden, og hvorfra det nuværende liv stammede.
Det er usandsynligt, at vi nogensinde vil finde direkte fossiliseret bevis på eksistensen af denne organisme, men vi kan ikke desto mindre helt komme med uddannede gæt om, hvordan det så ud og hvordan det gjorde, mens vi studerede mikroorganismer i vores tid. Dette var, hvad Martin gjorde.
Han undersøgte DNA fra 1930 moderne mikroorganismer og identificerede 355 gener, som næsten alle havde. Dette er overbevisende bevis for overførslen af disse 355 gener gennem generationer og generationer fra en fælles stamfar - omkring det tidspunkt, hvor den sidste universelle fælles stamfar levede.
Disse 355 gener tænder nogle for at bruge protongradienten, men ikke for at generere den, som Russell og Martin forudsagde. Derudover ser det ud til, at LUCA er blevet tilpasset tilstedeværelsen af kemikalier som metan, hvilket antyder, at det beboede et vulkanisk aktivt, udluftningslignende miljø.
Tilhængere af "RNA-verdenen" -hypotesen peger på to problemer med denne teori. Den ene kan rettes; den anden kan være dødelig.
Hydrotermiske fjedre
Det første problem er, at der ikke er noget eksperimentelt bevis for de processer, der er beskrevet af Russell og Martin. De har en trinvis historie, men ingen af disse trin er blevet observeret i laboratoriet.
”Folk, der tror, at det hele begyndte med reproduktion, finder konstant nye eksperimentelle data,” siger Armen Mulkidzhanyan. "Folk, der står for stofskifte, gør det ikke."
Men det kunne ændre sig takket være Martins kollega Nick Lane fra University College London. Han byggede en "Origin of Life Reactor", der simulerer forholdene inde i en alkalisk kilde. Han håber at se metaboliske cyklusser og måske endda molekyler som RNA. Men det er for tidligt.
Det andet problem er placeringen af kilder i dybhavet. Som Miller bemærkede i 1988, kan langkædede molekyler som RNA og proteiner ikke dannes i vand uden hjælpenzym.
For mange forskere er dette et fatalt argument.”Hvis du er god til kemi, bliver du ikke bestikket med ideen om dybhavsfjedre, fordi du ved, at kemi for alle disse molekyler er uforenelig med vand,” siger Mulkidzhanian.
Alligevel er Russell og hans allierede optimistiske.
Det var først i det sidste årti, at en tredje tilgang kom på spidsen, støttet af en række usædvanlige eksperimenter. Det lover noget, som hverken RNA-verdenen eller de hydrotermiske ventilationsåbninger har været i stand til at opnå: en måde at skabe en hel celle fra bunden af. Mere om dette i næste del.
ILYA KHEL
- Første del: Hvordan man opretter en celle -
- Del to: En opdeling i forskernes rækker -
- Del tre: på jagt efter den første replikator -
- Del fem: så hvordan opretter du en celle? -
Del seks: Den store forening -