În capitolul al doilea am învățat cum oamenii de știință s-au împărțit în trei școli de gândire, reflectând originea vieții. Un grup a fost convins că viața a început cu o moleculă de ARN, dar nu a putut arăta cum ARN-ul sau moleculele similare ar putea forma spontan în Pământul timpuriu și apoi să facă copii ale lor. La început, eforturile lor au fost încurajatoare, dar în cele din urmă a rămas doar dezamăgirea. Cu toate acestea, alți cercetători de origine a vieții, care se mișcau în alte moduri, au ajuns la unele rezultate.
Partea întâi: Cum să faci o cușcă?
Partea a doua: împărțită în rândul oamenilor de știință
Partea a treia: în căutarea primului replicator
Teoria "lumii ARN" se bazează pe o idee simplă: cel mai important lucru pe care un organism viu îl poate face este să se reproducă. Mulți biologi ar fi de acord cu acest lucru. De la bacterii la balene albastre, toate lucrurile vii tind să aibă descendenți.
Cu toate acestea, mulți cercetători de origine a vieții nu consideră că reproducerea este ceva fundamental. Înainte ca organismul să poată reproduce, spun ei, trebuie să devină autosuficient. Trebuie să se mențină în viață. La urma urmei, nu poți avea copii dacă mori mai întâi.
Ne menținem în viață trăind mâncare; Plantele verzi fac acest lucru prin extragerea energiei din lumina soarelui. La prima vedere, o persoană care mănâncă o friptura suculentă este foarte diferită de frunza acoperită cu stejar, dar dacă înțelegeți, ambii au nevoie de energie.
Acest proces se numește metabolism. Mai întâi trebuie să obții energie; cum ar fi zahărul. Apoi trebuie să folosiți această energie pentru a construi ceva util ca celulele.
Acest proces de utilizare a energiei este atât de important încât mulți cercetători consideră că aceasta este prima, de la care a început viața.
Apa vulcanică este caldă și bogată în minerale
Cum ar putea aceste organisme destinate metabolismului să arate doar? Una dintre cele mai interesante ipoteze a fost prezentată la sfârșitul anilor 1980 de către Gunther Wachtershauser. Nu era un om de știință cu normă întreagă, ci un avocat de brevete cu puțină cunoaștere a chimiei.
Wahtershauser a sugerat că primele organisme "erau radical diferite de cele pe care le cunoșteam". Nu au fost făcute din celule. Nu aveau enzime, ADN sau ARN. Nu, în schimb, Wahtershauser a introdus curgerea apei calde care curge din vulcan. Această apă este bogată în gaze vulcanice precum amoniacul și conține urme de minerale din inima vulcanului.
Oriunde apa curgea prin roci, reacțiile chimice au început să apară. În special, metalele din apă au ajutat compușii organici simpli să se îmbine în cele mai mari. Punctul de cotitură a fost crearea primului ciclu metabolic. Acesta este un proces în care o substanță chimică este transformată într-o serie de alte substanțe chimice până când în cele din urmă sursa este recreată. În acest proces, întregul sistem acumulează energie, care poate fi utilizată pentru a reporni ciclul - și pentru alte lucruri.
Toate restul din ceea ce constă din organismul modern - ADN, celule, creier - au apărut mai târziu, pe lângă aceste cicluri chimice. Aceste cicluri metabolice, în general, nu sunt foarte asemănătoare cu viața. Vakhtershauser a numit invenția sa "precursori ai organismelor" și a scris că "cu greu pot fi numiți în viață".
Dar ciclurile metabolice, cum ar fi cele descrise de Wachtershauser, se află în centrul tuturor lucrurilor vii. Celulele dvs. sunt în esență fabrici chimice microscopice, distilat constant unele substanțe în altele. Ciclurile metabolice nu pot fi numite viață, dar ele au o importanță fundamentală pentru aceasta.
Dar toate acestea au fost pur teoretice. Wachtershauser avea nevoie de o adevărată descoperire care să-i întărească ideile. Din fericire, el a fost deja făcut cu zece ani mai devreme.
Surse din Pacific
În 1977, un grup condus de Jack Corliss de la Universitatea din Oregon a coborât 2,5 kilometri în Pacificul de Est. Ei au studiat izvoarele calde din Galapagos în locuri în care creasta înaltă a crescut de pe fundul mării. Aceste creste au fost active vulcanic.
Corliss a descoperit că aceste creastături erau literalmente împrăștiate cu izvoare termale. Apa caldă, îmbogățită cu substanțe chimice, se ridică de sub fundul mării și curge prin găuri în roci.
Incredibil, aceste izvoare hidrotermale erau dens populate de animale ciudate. Au fost moluște uriașe, midii și anelide. Apa a fost, de asemenea, puternic înmuiată cu bacterii. Toate aceste organisme au trăit pe energia gazelor hidrotermale.
Descoperirea acestor surse a făcut numele lui Corlissa. Și m-au făcut să mă gândesc. În 1981, el a sugerat existența unor guri de aer similare pe Pământ cu patru miliarde de ani în urmă și că acestea au devenit originea vieții. El a dedicat partea leului din cariera sa de a studia această problemă.
Izvoarele hidrotermale trăiesc o viață ciudată
Corliss a sugerat că sursele hidrotermale ar putea crea cocktailuri de substanțe chimice. Fiecare sursă, a spus el, a fost un fel de pulverizare a bulionului primar.
Deoarece apa caldă a trecut prin roci, căldura și presiunea au dus la faptul că compușii organici simpli s-au îmbinat în cele mai complexe, 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 ca ADN-ul. Apoi, când apa se apropie de ocean și se răcește și mai mult, aceste molecule se asamblează în celule simple.
A fost interesant, teoria a atras atenția oamenilor. Dar Stanley Miller, al cărui experiment am discutat în prima parte, nu l-am crezut. În 1988, el a scris că vasele de adâncime erau prea fierbinți.
Deși căldura puternică poate duce la formarea de substanțe chimice ca aminoacizii, experimentele lui Miller au arătat că le pot distruge și ele. Compușii de bază cum ar fi zaharurile "ar putea supraviețui câteva secunde, nu mai mult". Mai mult decât atât, este puțin probabil ca aceste molecule simple să se lege într-un lanț, deoarece apa din jur le-ar rupe instantaneu.
În cariera lui Russell a fost o mulțime de lucruri interesante - a făcut aspirina, căutând minerale prețioase - și într-un incident remarcabil din 1960 a coordonat răspunsul la posibila eruptie a vulcanului, în ciuda lipsei de pregătire. Dar el a fost mai interesat de modul în care suprafața Pământului sa schimbat de-a lungul veacurilor. Această perspectivă geologică și lăsate să se formeze ideile sale despre originea vieții.
În anii 1980, el a descoperit dovezi fosile despre un tip de sursă hidrotermală mai puțin turbulentă, în care temperaturile nu depășeau 150 de grade Celsius. Aceste temperaturi moi, a spus el, ar putea permite moleculelor vieții să trăiască mai mult decât credea Miller.
În plus, rămășițele fosile ale acestor orificii "reci" conțin ceva ciudat: un pirit mineral, format din fier și sulf, a fost format în tuburi de 1 mm în diametru. Lucrând în laborator, Russell a descoperit că pirita poate forma și picături sferice. Și a presupus că primele molecule organice complexe s-ar putea forma în interiorul acestor structuri simple de pirită.
Aproximativ în același timp, Wachtershauser a început să-și publice ideile, bazându-se pe fluxul de apă fierbinte îmbogățită chimic care curge prin minerale. El chiar a sugerat că pirita a fost implicată în acest proces.
Russell a pliat două plus două. El a sugerat că sursele hidrotermale de la adâncimea mării, suficient de reci pentru a permite formarea structurilor de pirită, au adăpostit precursorii organismelor Wachtershauser. Dacă Russell avea dreptate, viața a început la baza mării - și a apărut pentru prima oară metabolismul.
Russell a oferit chiar o explicație a modului în care primele organisme le-au primit energia. Adică, el a înțeles cum ar putea funcționa metabolismul lor. Ideea lui sa bazat pe lucrarea unuia dintre geniile uitate ale științei moderne.
Peter Mitchell, laureat al Premiului Nobel
În anii 1960, biochimistul Peter Mitchell sa îmbolnăvit și a fost nevoit să demisioneze de la Universitatea din Edinburgh. În schimb, a creat un laborator privat într-o localitate îndepărtată din Cornwall. Izolat dintr-o societate științifică, el și-a finanțat munca în detrimentul unei turme de vaci de lapte. Mulți biochimiști, inclusiv Leslie Orgel, a cărui lucrare privind ARN-ul pe care am discutat-o în partea a doua, a considerat Mitchell ideile complet ridicole.
Câteva decenii mai târziu, Mitchell aștepta o victorie absolută: Premiul Nobel pentru Chimie din 1978. El nu a devenit faimos, dar ideile sale se află în fiecare manual de biologie de astăzi. Mitchell și-a petrecut cariera, imaginându-și ce organisme fac cu energia pe care o primesc de la mâncare. De fapt, se întreba cum ne reușim să rămânem vii în fiecare secundă.
El știa că toate celulele își păstrează energia într-o singură moleculă: adenozin trifosfat (ATP). La adenozină este atașat un lanț de trei fosfați. Adăugarea unui al treilea fosfat necesită multă energie, care este apoi blocată în ATP.
Atunci când celula are nevoie de energie - de exemplu, atunci când mușchiul contractează - rupe cel de-al treilea fosfat în ATP. Aceasta transformă ATP în adenosidifosfat (ADP) și eliberează energia acumulată. Mitchell a vrut să știe cum celula creează, în general, ATP. Cum stochează suficientă energie în ADP pentru a atașa un al treilea fosfat?
Mitchell știa că enzima care formează ATP se află în membrană. Prin urmare, am presupus că celula a pompat particule încărcate (protoni) prin membrană, atât de mulți protoni sunt pe o parte, iar pe de altă parte - nu.
Apoi, protonii încearcă să se scurgă înapoi prin membrană pentru a echilibra numărul de protoni de pe fiecare parte - dar singurul loc unde pot trece este enzima. Fluxul de protoni curenți, astfel, a furnizat enzimei cu energia necesară pentru a crea ATP.
Mitchell și-a expus prima idee în 1961. Următorii 15 ani a petrecut apărarea ei din toate părțile, până când dovezile au devenit incontestabile. Acum știm că procesul Mitchell este folosit de orice lucru viu de pe Pământ. Acum se varsă în celulele tale. La fel ca ADN-ul, el stă la baza vieții noastre cunoscute.
Russell ia împrumutat lui Mitchell ideea unui gradient de proton: prezența unui număr mare de protoni pe o parte a membranei și puțin - pe cealaltă. Toate celulele au nevoie de un gradient de proton pentru stocarea energiei.
Celulele moderne generează gradienți, evacuând protonii prin membrane, dar acest lucru necesită un mecanism molecular complex care pur și simplu nu ar putea apărea pe cont propriu. Prin urmare, Russell a făcut un alt pas logic: viața trebuia să se formeze undeva cu un gradient natural de protoni.
Kelly trebuia să muncească din greu pentru a deveni un om de știință. Tatăl ei a murit când a absolvit liceul și a fost forțată să lucreze pentru a rămâne la facultate. Dar vulcanii submarini și arzând izvoarele hidrotermale fierbinți au reușit și au ales subiectul interesului lor. Acest cuplu a dus-o în centrul Oceanului Atlantic. În acest moment crusta pământului a crăpat și creasta muntelui sa ridicat de pe fundul mării.
Pe această creastă, Kelly a descoperit un câmp de izvoare hidrotermale, pe care la numit "Orașul pierdut". Nu par să fie găsite de Corliss. Apa curgea de la acestea la o temperatura de 40-75 grade Celsius si era usor alcalinata. Mineralele carbonate din această apă s-au coalizat în "stâlpi de fum", albi abrupți, care se ridicau de pe fundul mării ca niște tuburi de organe. Ele sunt înfiorătoare și fantomă, dar nu sunt așa: ele conțin multe microorganisme.
Aceste orificii alcaline se potrivesc perfect ideilor lui Russell. El a crezut ferm că viața a apărut în astfel de "orașe pierdute". Dar a existat o problemă. Fiind un geolog, nu știa atât de multe despre celulele biologice pentru a-și prezenta convingător teoria.
Pilonul fumului "fumatul negru"
Mulțumită lui Kelly, știau acum că rocile ale izvoarelor alcaline erau poroase: erau găurite cu găuri mici pline cu apă. Aceste buzunare mici, presupun, au acționat ca "celule". În fiecare buzunar erau substanțe chimice de bază, inclusiv pirită. Combinate cu un gradient natural de protoni din surse, ele au fost un loc ideal pentru a începe metabolismul.
Un astfel de complot este în prezent considerat ca fiind una dintre principalele ipoteze despre originea vieții.
Celulele rulează dintr-o sursă hidrotermală
El a examinat ADN-ul microorganismelor moderne din 1930 și a identificat 355 gene, care au fost aproape toate. Acest lucru vorbește în mod convingător despre transferul acestor gene 355, de-a lungul generațiilor și generațiilor, de la un strămoș comun - despre momentul în care a trăit ultimul strămoș comun universal.
Suporterii ipotezei "lumii ARN" indică două probleme din această teorie. Se poate remedia problema; celălalt poate fi fatal.
"Oamenii care cred că totul a început cu reproducerea găsi în mod constant noi date experimentale", spune Armen Mulkidjanian. Oamenii care stau la metabolism nu fac asta. "
A doua problemă este localizarea surselor în largul mării. Așa cum a remarcat Miller în 1988, molecule de 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 sunt bine versat în chimie, nu mitui ideea surselor de apă adâncă, pentru că știi că chimia acestor molecule nu este compatibil cu apa“, spune Mulkidzhanyan.
Cu toate acestea, Russell și aliații săi rămân optimiști.
Și numai în ultimul deceniu a apărut a treia abordare, susținută de o serie de experimente neobișnuite. El promite ceva ce nici lumea ARN-ului, nici sursele hidrotermale nu au reușit să le realizeze: o modalitate de a crea o celulă întreagă de la zero. Despre acest lucru în partea următoare.
Misterul apariției vieții pe Pământ. Partea a patra: Energia protonilor de Ilya Hel
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: