- Prima parte: Cum să faci o cușcă -
- Partea a doua: O scindare în rândurile oamenilor de știință -
- Partea a treia: în căutarea primului replicator -
- Partea a cincea: deci cum creezi o celulă? -
- Partea a șasea: Marea Unire -
În capitolul doi, am aflat cum savanții se împart în trei școli de gândire, reflectând asupra originilor vieții. Un grup a fost convins că viața a început cu o moleculă de ARN, dar nu a putut să arate modul în care ARN sau molecule similare se puteau forma spontan pe Pământul timpuriu și apoi să facă copii ale lor. Eforturile lor au fost încurajatoare la început, dar în cele din urmă a rămas doar dezamăgirea. Cu toate acestea, alți cercetători de origine a vieții care au urmat diferite căi au obținut câteva rezultate.
Teoria lumii ARN se bazează pe o idee simplă: cel mai important lucru pe care îl poate face un organism viu este să se reproducă. Mulți biologi ar fi de acord cu acest lucru. De la bacterii la balene albastre, toate viețuitoarele se străduiesc să aibă urmași.
Cu toate acestea, mulți cercetători originari ai vieții nu consideră reproducerea ca fiind fundamentală. Înainte ca un organism să se poată reproduce, spun ei, acesta trebuie să devină autosuficient. El trebuie să se mențină în viață. Până la urmă, nu poți avea copii dacă mori mai întâi.
Ne menținem în viață consumând mâncare; plantele verzi fac acest lucru prin extragerea energiei din lumina soarelui. La prima vedere, persoana care mănâncă o friptură suculentă este foarte diferită de un stejar cu frunze, dar când îl privești, amândoi au nevoie de energie.
Acest proces se numește metabolism. Mai întâi trebuie să obțineți energie; hai să zicem de la substanțele chimice bogate în energie ca zahărul. Atunci trebuie să folosiți această energie pentru a construi ceva util, cum ar fi celulele.
Acest proces de utilizare a energiei este atât de important încât mulți cercetători consideră că este primul de la care a început viața.
Apa vulcanică este caldă și bogată în minerale
Video promotional:
Cum ar arăta aceste organisme numai metabolice? Una dintre cele mai interesante presupuneri a fost făcută la sfârșitul anilor 1980 de către Gunther Wachtershauser. Nu a fost un om de știință cu normă întreagă, ci mai degrabă un avocat de brevet cu puține cunoștințe de chimie.
Wachtershauser a sugerat că primele organisme erau „radical diferite de orice știam noi”. Nu erau făcute din celule. Nu aveau enzime, ADN sau ARN. Nu, în schimb, Wachtershauser și-a imaginat un curent de apă caldă care curge dintr-un vulcan. Această apă este bogată în gaze vulcanice precum amoniacul și conține urme de minerale din inima vulcanului.
Acolo unde apa curgea prin roci, reacțiile chimice au început să aibă loc. În special, metalele din apă au ajutat compușii organici simpli să se contopească în cei mai mari. Punctul de cotitură a fost crearea primului ciclu metabolic. Este un proces în care o substanță chimică este transformată într-un număr de alte substanțe chimice până la recreația originală. În acest proces, întregul sistem acumulează energie care poate fi folosită pentru a reporni ciclul - și pentru alte lucruri.
Tot ceea ce constituie un organism modern - ADN, celule, creiere - a apărut mai târziu, pe deasupra acestor cicluri chimice. Aceste cicluri metabolice au o mică asemănare cu viața. Wachtershauser și-a numit invenția „precursorii organismelor” și a scris că „cu greu pot fi numiți vii”.
Dar ciclurile metabolice precum cele descrise de Wachtershauser sunt în centrul vieții. Celulele tale sunt în esență fabrici chimice microscopice, distilând constant o substanță în alta. Ciclurile metabolice nu pot fi numite viață, dar sunt fundamentale pentru viață.
În anii 1980 și 1990, Wachtershauser a lucrat la detaliile teoriei sale. El a subliniat care minerale ar fi cele mai potrivite și care cicluri chimice ar putea avea loc. Ideile lui au început să atragă suporterii.
Dar toate acestea au fost pur teoretice. Wachtershauser avea nevoie de o adevărată descoperire pentru a-și susține ideile. Din fericire, se făcuse deja cu zece ani mai devreme.
Surse în Pacific
În 1977, o echipă condusă de Jack Corliss de la Universitatea de Stat din Oregon s-a cufundat 2,5 kilometri în Pacificul de Est. Au studiat izvoarele termale Galapagos, în locuri unde ridicările înalte se ridicau din fundul mării. Aceste creste au fost active vulcanic.
Corliss a descoperit că aceste creste erau literalmente punctate cu izvoare termale. Apa caldă, bogată în substanțe chimice, se ridică de sub fundul mării și curge prin găuri în roci.
În mod incredibil, aceste orificii hidrotermale au fost dens populate cu animale ciudate. Erau scoici uriașe, midii și anelide. De asemenea, apa era puternic saturată de bacterii. Toate aceste organisme trăiau din energia orificiilor de aerisire.
Descoperirea acestor surse i-a dat un nume lui Corliss. Și m-a făcut să mă gândesc. În 1981, el a sugerat că astfel de aerisiri au existat pe Pământ acum patru miliarde de ani și că au devenit locul de origine al vieții. El a dedicat partea leului din cariera sa studierii acestei probleme.
Ventilările hidrotermale au o viață ciudată
Corliss a sugerat că evacuările hidrotermale ar putea crea cocktailuri de substanțe chimice. Fiecare sursă, a spus el, era un fel de spray de bulion primordial.
Pe măsură ce apa caldă curgea prin roci, căldura și presiunea au determinat compușii organici simpli să fuzioneze în cei mai complexi, cum ar fi aminoacizii, nucleotidele și zaharurile. Mai aproape de granița cu oceanul, unde apa nu era atât de fierbinte, au început să se lege în lanțuri - pentru a forma carbohidrați, proteine și nucleotide precum ADN-ul. Apoi, când apa s-a apropiat de ocean și s-a răcit și mai mult, aceste molecule s-au adunat în celule simple.
A fost interesant, teoria a atras atenția oamenilor. Dar Stanley Miller, despre al cărui experiment am discutat în prima parte, nu l-a crezut. În 1988, el a scris că aerisirile adânci erau prea fierbinți.
Deși căldura intensă poate produce substanțe chimice precum aminoacizii, experimentele lui Miller au arătat că le poate distruge și ele. Compușii de bază precum zaharurile „ar putea supraviețui pentru câteva secunde, nu mai mult”. Mai mult, este probabil ca aceste molecule simple să nu se lege în lanțuri, deoarece apa din jur le-ar despărți instantaneu.
În această etapă, geologul Mike Russell s-a înscris la luptă. El credea că teoria aerisirilor hidrotermale ar putea fi destul de corectă. Mai mult, i s-a părut că aceste surse ar fi casa ideală pentru precursorii organismului Wachtershauser. Această inspirație l-a determinat să creeze una dintre cele mai acceptate teorii despre originile vieții.
Geologul Michael Russell
Cariera lui Russell a avut multe lucruri interesante - a făcut ca aspirina să caute minerale valoroase - și într-un incident remarcabil din anii 1960, el a coordonat răspunsul la o posibilă erupție vulcanică, în ciuda lipsei de pregătire. Dar era mai interesat de modul în care suprafața Pământului s-a schimbat peste eoni. Această perspectivă geologică a dat naștere ideilor sale despre originea vieții.
În anii '80, a găsit dovezi fosile ale unui tip hidrotermal mai puțin turbulent, unde temperaturile nu depășeau 150 de grade Celsius. Aceste temperaturi blânde, a spus el, ar putea permite moleculelor vieții să trăiască mai mult decât se credea Miller.
Mai mult decât atât, rămășițele fosile ale acestor orificii „reci” conțineau ceva ciudat: piritul mineral, compus din fier și sulf, se formase în tuburi cu diametrul de 1 mm. În timp ce lucra în laborator, Russell a descoperit că piritul poate forma și picături sferice. Și el a sugerat că primele molecule organice complexe s-ar fi putut forma în aceste structuri simple de pirită.
Pirit de fier
În această perioadă, Wachtershauser a început să-și publice ideile, care se bazau pe fluxul de apă caldă, îmbogățită chimic care curge prin minerale. El chiar a sugerat că piritul a fost implicat.
Russell a adăugat două plus două. El a sugerat ca evacuările hidrotermale să se adâncească în mare, suficient de reci pentru a permite formarea structurilor de pirită, precursori pricinuitori ai organismelor Wachtershauser. Dacă Russell avea dreptate, viața a început pe fundul mării - și a apărut pentru prima dată metabolismul.
Russell a pus totul împreună într-o lucrare publicată în 1993, la 40 de ani de la experimentul clasic al lui Miller. Nu a generat același zgomot media, dar era probabil mai important. Russell a combinat două idei aparent separate - ciclurile metabolice Wachtershauser și orificiile hidrotermale Corliss - în ceva cu adevărat convingător.
Russell a oferit chiar o explicație despre modul în care primele organisme și-au obținut energia. Adică a înțeles cum ar putea funcționa metabolismul lor. Ideea lui s-a bazat pe opera unuia dintre geniile uitate ale științei moderne.
Peter Mitchell, laureat Nobel
În anii 1960, biochimistul Peter Mitchell s-a îmbolnăvit și a fost obligat să se retragă de la Universitatea din Edinburgh. În schimb, a înființat un laborator privat pe o proprietate îndepărtată din Cornwall. Izolat de comunitatea științifică, și-a finanțat munca cu o turmă de vaci lactate. Mulți biochimiști, printre care și Leslie Orgel, a căror activitate la ARN am discutat în partea a doua, au considerat ideile lui Mitchell complet ridicole.
Câteva decenii mai târziu, Mitchell aștepta o victorie absolută: Premiul Nobel pentru chimie din 1978. Nu a devenit celebru, dar ideile sale sunt în fiecare manual de biologie astăzi. Mitchell și-a petrecut cariera descoperindu-și ce fac organismele cu energia pe care o obțin din alimente. Practic, s-a întrebat cum reușim cu toții să rămânem în viață în fiecare secundă.
El știa că toate celulele își depozitează energia într-o singură moleculă: adenozina trifosfat (ATP). Un adenosin este atașat de un lanț de trei fosfați. Adăugarea unui al treilea fosfat necesită multă energie, care este apoi blocată în ATP.
Atunci când o celulă are nevoie de energie - de exemplu, când un mușchi se contractă - aceasta descompune un al treilea fosfat în ATP. Aceasta transformă ATP în adenozififosfat (ADP) și eliberează energia stocată. Mitchell a vrut să știe cum face o celulă în general ATP. Cum stochează suficientă energie în ADP pentru a atașa al treilea fosfat?
Mitchell știa că enzima care face ATP se afla în membrană. Prin urmare, am presupus că celula pompează particule (protoni) prin membrană, atât de mulți protoni sunt pe o parte, dar nu pe cealaltă.
Protonții încearcă apoi să se scurgă înapoi prin membrană pentru a echilibra numărul protonilor de fiecare parte - dar singurul loc prin care pot trece este enzima. Fluxul protonilor curgători a furnizat astfel enzimei energia necesară pentru a crea ATP.
Mitchell și-a prezentat prima dată ideea în 1961. El a petrecut următorii 15 ani apărând-o din toate părțile, până când probele au fost irefutabile. Știm acum că procesul Mitchell este folosit de fiecare lucru viu de pe Pământ. În acest moment, vă curge în celulele voastre. La fel ca ADN-ul, stă la baza vieții pe care o cunoaștem.
Russell a împrumutat de la Mitchell ideea gradientului de protoni: există mulți protoni pe o parte a membranei și puțini pe cealaltă parte. Toate celulele au nevoie de un gradient de protoni pentru stocarea energiei.
Celulele moderne creează gradienți prin pomparea protonilor pe membrane, dar acest lucru necesită un mecanism molecular complex care pur și simplu nu putea apărea de la sine. Așa că Russell a făcut un alt pas logic: viața trebuia să se formeze undeva cu un gradient de proton natural.
De exemplu, undeva în apropierea orificiilor de aerisire hidrotermale. Dar trebuie să fie un tip special de sursă. Când Pământul era tânăr, mările erau acide și în apă acidă există mulți protoni. Pentru a crea un gradient de protoni, apa sursă trebuie să fie mică în protoni: trebuie să fie alcalină.
Sursele lui Corliss nu s-au potrivit. Nu numai că erau prea calde, dar erau și acre. Dar în 2000, Deborah Kelly de la Universitatea Washington a descoperit primele surse alcaline.
Orașul pierdut
Kelly a trebuit să muncească din greu pentru a deveni un om de știință. Tatăl ei a murit în timp ce termina liceul și a fost forțată să muncească pentru a rămâne la facultate. Dar a făcut față și a ales vulcani subacvatici și arde izvoarele hidrotermale calde ca subiect al interesului ei. Acest cuplu a adus-o în centrul Oceanului Atlantic. În acest moment, crusta pământului s-a crăpat și o creastă de munți s-a ridicat de pe fundul mării.
Pe această creastă, Kelly a descoperit un câmp de aerisiri hidrotermale, pe care a numit-o „Orașul pierdut”. Nu semănau cu cele găsite de Corliss. Apa a ieșit din ele la o temperatură de 40-75 grade Celsius și a fost ușor alcalină. Mineralele carbonatate din această apă s-au strâns în aburi albe abrupte, care se ridicau din fundul mării, ca niște țevi de organe. Arată înfiorător și fantomatic, dar nu sunt: sunt acasă pentru multe microorganisme.
Aceste aerisiri alcaline se potrivesc perfect cu ideile lui Russell. El credea cu tărie că viața apare în astfel de „orașe pierdute”. Dar a existat o singură problemă. Ca geolog, nu știa prea multe despre celulele biologice pentru a-și prezenta teoria în mod convingător.
O coloană de fum din „camera de fumat negru”
Așa că Russell a făcut echipă cu biologul William Martin. În 2003, au prezentat o versiune îmbunătățită a ideilor anterioare ale lui Russell. Și aceasta este probabil cea mai bună teorie a apariției vieții în acest moment.
Datorită lui Kelly, ei știau acum că rocile izvoarelor alcaline sunt poroase: erau punctate cu găuri minuscule umplute cu apă. Sugerau aceste buzunare minuscule, acționau ca „celule”. Fiecare buzunar conținea substanțe chimice de bază, inclusiv pirită. Combinate cu gradientul natural de protoni din surse, acestea au fost locul perfect pentru a începe metabolismul.
După ce viața a învățat să valorifice energia apelor de izvor, spun Russell și Martin, a început să creeze molecule precum ARN. La final, și-a creat o membrană pentru ea însăși și a devenit o adevărată celulă, scăpând din roca poroasă în apă deschisă.
O astfel de complot este în prezent considerată ca una dintre ipotezele principale despre originea vieții.
Celulele fug de aerisirile hidrotermale
În iulie 2016, a obținut sprijin atunci când Martin a publicat un studiu care reconstituie unele dintre detaliile „ultimului strămoș comun universal” (LUCA). Este un organism care a trăit miliarde de ani în urmă și de la care a provenit toată viața existentă.
Este puțin probabil să găsim vreodată dovezi directe fosilizate ale existenței acestui organism, dar, cu toate acestea, putem face ghiciri educate despre cum arăta și cum făcea în timp ce studiam microorganismele din zilele noastre. Asta a făcut Martin.
El a examinat ADN-ul din 1930 al microorganismelor moderne și a identificat 355 de gene pe care aproape toată lumea le-a avut. Aceasta este o dovadă convingătoare a transferului acestor 355 de gene, prin generații și generații, de la un strămoș comun - în jurul perioadei în care a trăit ultimul strămoș comun universal.
Aceste 355 de gene activează unii pentru a utiliza gradientul de protoni, dar nu pentru a-l genera, așa cum au spus Russell și Martin. Mai mult, LUCA pare să fi fost adaptată la prezența substanțelor chimice precum metanul, ceea ce sugerează că a locuit într-un mediu vulcanic activ, asemănător cu aerisirea.
Proponenții ipotezei „lumii ARN” indică două probleme cu această teorie. Se poate repara unul; celălalt poate fi fatal.
Izvoarele hidrotermale
Prima problemă este că nu există dovezi experimentale pentru procesele descrise de Russell și Martin. Au un istoric pas cu pas, dar niciunul dintre acești pași nu a fost observat în laborator.
„Oamenii care cred că totul a început cu reproducerea găsesc constant noi date experimentale”, spune Armen Mulkidzhanyan. „Oamenii care susțin metabolismul nu”.
Dar asta s-ar putea schimba, mulțumită colegului lui Martin, Nick Lane, de la University College London. El a construit un „Origin of Life Reactor” care simulează condițiile din interiorul unei surse alcaline. El speră să vadă cicluri metabolice, și poate chiar molecule precum ARN. Dar este prea devreme.
A doua problemă este localizarea surselor în marea adâncă. După cum a menționat Miller în 1988, molecule cu lanț lung precum ARN și proteine nu se pot forma în apă fără enzime auxiliare.
Pentru mulți oameni de știință, acesta este un argument fatal. „Dacă te pricepi la chimie, nu vei fi mituit de ideea unor izvoare de mare adâncime, pentru că știi că chimia tuturor acestor molecule este incompatibilă cu apa”, spune Mulkidzhanian.
Cu toate acestea, Russell și aliații săi rămân optimisti.
Abia în ultimul deceniu a apărut oa treia abordare, susținută de o serie de experimente neobișnuite. Promite ceva pe care nici lumea ARN-ului și nici evacuările hidrotermale nu au reușit să obțină: o modalitate de a crea o întreagă celulă de la zero. Mai multe despre asta în următoarea parte.
ILYA KHEL
- Prima parte: Cum să faci o cușcă -
- Partea a doua: O scindare în rândurile oamenilor de știință -
- Partea a treia: în căutarea primului replicator -
- Partea a cincea: deci cum creezi o celulă? -
- Partea a șasea: Marea Unire -
