- Prvi dio: Kako napraviti kavez -
- Drugi dio: Podjela u redovima znanstvenika -
- Treći dio: u potrazi za prvim replikatorom -
- Peti dio: pa kako stvoriti ćeliju? -
- Šesti dio: Veliko sjedinjenje -
U drugom poglavlju naučili smo kako su se znanstvenici podijelili u tri škole razmišljanja, osvrćući se na porijeklo života. Jedna je skupina bila uvjerena da život započinje molekulom RNA, ali nije mogla pokazati kako se RNA ili slične molekule mogu spontano formirati na ranoj Zemlji, a zatim napraviti same kopije. Njihovi su napori u početku bili ohrabrujući, ali na kraju je ostalo samo razočaranje. Međutim, drugi istraživači podrijetla života koji su slijedili različite putove došli su do nekih rezultata.
Svjetska teorija RNA temelji se na jednostavnoj ideji: najvažnija stvar koju živi organizam može jest reproducirati sam. S tim bi se složili mnogi biolozi. Od bakterija do plavih kitova, sva živa bića nastoje imati potomstvo.
Međutim, mnogi istraživači porijekla ne smatraju reprodukciju temeljnom. Prije nego što se organizam može razmnožavati, kažu, mora postati samodostatan. Mora se održati na životu. Uostalom, ne možete imati djecu ako prvo umrete.
Držimo se živim konzumirajući hranu; zelene biljke to rade izvlačeći energiju iz sunčeve svjetlosti. Na prvi pogled osoba koja jede sočan odrezak jako se razlikuje od lisnatog stabla hrasta, ali kad ga pogledate, obojici je potrebna energija.
Taj se proces naziva metabolizmom. Prvo morate dobiti energiju; recimo od kemikalija bogatih energijom poput šećera. Tada morate koristiti tu energiju da izgradite nešto korisno, poput stanica.
Ovaj postupak korištenja energije toliko je važan da ga mnogi istraživači smatraju prvim odakle je život počeo.
Vulkanska voda je topla i bogata mineralima
Promotivni video:
Kako bi izgledali ti organizmi samo metabolički? Jedna od najzanimljivijih pretpostavki je krajem 1980-ih napravio Gunther Wachtershauser. Nije bio redoviti znanstvenik, već patentni pravnik s malo znanja o kemiji.
Wachtershauser je sugerirao da su se prvi organizmi "radikalno razlikovali od svega što znamo". Nisu napravljene od ćelija. Nisu imali enzime, DNK ili RNA. Ne, umjesto toga, Wachtershauser je zamislio kako vruća voda istječe iz vulkana. Ta je voda bogata vulkanskim plinovima poput amonijaka i sadrži tragove minerala iz srca vulkana.
Tamo gdje je voda tekla kroz stijene, počele su se odvijati kemijske reakcije. Konkretno, metali iz vode pomogli su jednostavnim organskim spojevima da se spoje u veće. Preokret je bio stvaranje prvog metaboličkog ciklusa. To je proces u kojem se jedna kemikalija pretvara u brojne druge kemikalije sve dok se original ne na kraju stvori. U tom procesu, cijeli sustav stvara energiju koja se može koristiti za ponovno pokretanje ciklusa - kao i za druge stvari.
Sve ostalo što čini moderni organizam - DNK, stanice, mozak - pojavilo se kasnije, iznad ovih kemijskih ciklusa. Ovi metabolički ciklusi uopće ne sliče životu. Wachtershauser je svoj izum nazvao "prekursorima organizama" i napisao da ih se "teško može nazvati živim".
Ali metabolički ciklusi poput onih koje je opisao Wachtershauser predstavljaju srž čitavog života. Vaše stanice su u osnovi mikroskopske kemijske tvornice, koje neprestano destiliraju jednu tvar u drugu. Metabolički ciklusi se ne mogu nazvati životom, ali su bitni za život.
Tijekom 1980-ih i 1990-ih, Wachtershauser je radio na detaljima svoje teorije. Iznio je koji bi minerali bili najprikladniji i koji bi se kemijski ciklusi mogli dogoditi. Njegove ideje počele su privlačiti pristaše.
Ali sve je to bilo čisto teoretski. Wachtershauser je trebao pravo otkriće kako bi podupro svoje ideje. Srećom, to je već učinjeno deset godina ranije.
Izvori u Tihom oceanu
1977. godine tim predvođen Jackom Corlissom sa Državnog sveučilišta Oregon potopio se 2,5 kilometra u Istočni Pacifik. Proučavali su izvorišta Galapagos na izvorima na mjestima gdje su se s morskog dna uzdizali visoki grebeni. Ti su grebeni bili vulkansko aktivni.
Corliss je otkrio da su ti grebeni doslovno ispunjeni vrućim izvorima. Vruća, kemijski bogata voda izdiže se iz morskog dna i protječe kroz rupe u stijenama.
Nevjerojatno su ti hidrotermalni otvori bili gusto naseljeni čudnim životinjama. Bilo je ogromnih školjki, školjki i školjki. Voda je također bila jako zasićena bakterijama. Svi su ovi organizmi živjeli na energiji hidrotermalnih otvora.
Otkriće tih izvora dao je Corliss ime. I to me natjeralo na razmišljanje. 1981. godine sugerirao je da takvi otvori postoje na Zemlji prije četiri milijarde godina i da su postali mjesto nastanka života. Lavovski dio karijere posvetio je proučavanju ove problematike.
Hidrotermalni otvori imaju čudan život
Corliss je sugerirao da hidrotermalni otvori mogu stvoriti koktele kemikalija. Svaki je izvor, rekao je, bio neka vrsta spreja iskonske juhe.
Kako je topla voda tekla kroz stijene, toplina i pritisak uzrokovali su da se jednostavni organski spojevi spajaju u složenije, poput aminokiselina, nukleotida i šećera. Bliže granici s oceanom, gdje voda nije bila tako vruća, počeli su se povezivati u lancima - kako bi tvorili ugljikohidrate, proteine i nukleotide poput DNK. Zatim, kad se voda približila oceanu i još više se ohladila, te su se molekule sakupile u jednostavne stanice.
Bilo je zanimljivo, teorija je privukla pažnju ljudi. Ali Stanley Miller, o čijem smo eksperimentu razgovarali u prvom dijelu, nije vjerovao. Godine 1988. napisao je da su duboki otvori bili previše vrući.
Iako intenzivna toplina može proizvesti kemikalije poput aminokiselina, Millerovi eksperimenti pokazali su da ih ona također može uništiti. Osnovni spojevi poput šećera "mogli bi preživjeti nekoliko sekundi, ne više". Štoviše, te se jednostavne molekule malo vjerojatno vežu u lancima, jer bi ih okolna voda odmah razdvojila.
U ovoj se fazi bitki pridružio geolog Mike Russell. Vjerovao je da bi teorija hidrotermalnih otvora mogla biti sasvim točna. Štoviše, činilo mu se da će ti izvori biti idealan dom prethodnika organizma Wachtershausera. Ta inspiracija navela ga je da stvori jednu od najčešće prihvaćenih teorija o porijeklu života.
Geolog Michael Russell
Russellova karijera imala je mnogo zanimljivih stvari - stvorio je aspirin tražeći vrijedne minerale - i u jednom izvanrednom incidentu u 1960-ima koordinirao je odgovor na moguću erupciju vulkana, unatoč nedostatnoj pripremi. Ali više ga je zanimalo kako se Zemljina površina mijenjala tijekom eona. Ta je geološka perspektiva potaknula njegove ideje o podrijetlu života.
U 80-ima pronašao je fosilne dokaze o manje turbulentnom tipu hidrotermalnih vena, gdje temperature nisu prelazile 150 Celzijevih stupnjeva. Te blage temperature, rekao je, mogu omogućiti molekulima života da žive duže nego što je Miller mislio.
Štoviše, fosilni ostaci tih "hladnih" otvora sadržavali su nešto neobično: mineralni pirit, sastavljen od željeza i sumpora, formirao se u cijevima promjera 1 mm. Tijekom rada u laboratoriju, Russell je otkrio da pirit može također tvoriti sferne kapljice. I sugerirao je da su se prve složene organske molekule mogle formirati unutar tih jednostavnih piritnih struktura.
Željezni pirit
Otprilike u ovo doba Wachtershauser je počeo objavljivati svoje ideje, koje su se temeljile na protoku vruće, kemijski obogaćene vode koja je tekla mineralima. Čak je sugerirao da je u pitanju pirit.
Russell je dodao dva plus dva. Predložio je da su hidrotermalni otvori duboko u moru, dovoljno hladni da omoguće formiranje piritnih struktura, skrivenih prethodnika organizama iz Wachtershausera. Ako je Russell bio u pravu, život je počeo na dnu mora - i metabolizam se prvi put pojavio.
Russell je sve to sastavio u radu objavljenom 1993. godine, 40 godina nakon Millerovog klasičnog eksperimenta. Nije generirao istu medijsku buzu, ali bio je vjerojatno još važniji. Russell je kombinirao dvije naizgled odvojene ideje - Wachtershauser metaboličke cikluse i Corliss hidrotermalne otvore - u nešto uistinu uvjerljivo.
Russell je čak ponudio i objašnjenje kako su prvi organizmi dobili svoju energiju. Odnosno, razumio je kako njihov metabolizam može raditi. Njegova ideja temeljila se na radu jednog od zaboravljenih genija moderne znanosti.
Peter Mitchell, nobelovac
Šezdesetih godina prošlog stoljeća biokemičar Peter Mitchell razbolio se i bio je prisiljen povući se sa Sveučilišta u Edinburghu. Umjesto toga, postavio je privatni laboratorij na zabačenom imanju u Cornwallu. Izoliran od znanstvene zajednice, svoj je rad financirao stadom krava muzara. Mnogi biokemičari, uključujući Leslie Orgel, o čijem smo radu na RNA razgovarali u drugom dijelu, smatrali su da su Mitchellove ideje potpuno smiješne.
Nekoliko desetljeća kasnije Mitchela je čekala apsolutna pobjeda: Nobelova nagrada za kemiju 1978. godine. Nije postao poznat, ali njegove ideje su danas u svakom udžbeniku biologije. Mitchell je proveo karijeru smišljajući što organizmi rade s energijom koju dobivaju iz hrane. U osnovi, pitao se kako svi uspijevamo ostati živi svake sekunde.
Znao je da sve stanice skladište svoju energiju u jednoj molekuli: adenosin trifosfat (ATP). Lanac od tri fosfata pričvršćen je na adenozin. Dodavanje trećeg fosfata zahtijeva mnogo energije koja se zatim zaključava u ATP-u.
Kad ćeliji treba energija - na primjer, kada se mišić steže - ona razgrađuje treći fosfat u ATP. Ovo pretvara ATP u adenosidifosfat (ADP) i oslobađa pohranjenu energiju. Mitchell je želio znati kako stanica uopće čini ATP. Kako se u ADP pohranjuje dovoljno energije za priključivanje trećeg fosfata?
Mitchell je znao da se enzim koji čini ATP nalazi u membrani. Stoga sam pretpostavio da ćelija pumpa nabijene čestice (protone) kroz membranu, tako da je puno protona s jedne strane, ali ne i s druge.
Zatim protoni pokušavaju iscuriti kroz membranu kako bi uravnotežili broj protona sa svake strane - ali jedino mjesto kroz koje mogu proći je enzim. Protok protona protoka na taj je način pružio enzimu energiju potrebnu za stvaranje ATP-a.
Mitchell je svoju ideju prvi put predstavio 1961. godine. Sljedećih 15 godina proveo je braneći je sa svih strana, sve dok dokazi nisu bili nepobitni. Sada znamo da Mitchell postupak koristi svako živo biće na Zemlji. Trenutno teče u vaše ćelije. Poput DNK, to je u osnovi života kakav poznajemo.
Russell je posudio od Mitchella ideju o protojnom gradijentu: na jednoj je strani membrane puno protona, a na drugoj malo. Sve ćelije trebaju protonski gradijent za pohranu energije.
Moderne stanice stvaraju gradijente pumpajući protone preko membrana, ali za to je potreban složen molekularni mehanizam koji se jednostavno ne bi mogao sam pojaviti. Dakle, Russell je poduzeo još jedan logičan korak: život se morao negdje formirati s prirodnim gradijentom protona.
Na primjer, negdje u blizini hidrotermalnih otvora. Ali mora biti posebna vrsta izvora. Kad je Zemlja bila mlada, mora su bila kisela, a u kiseloj vodi ima puno protona. Da biste stvorili protonski gradijent, izvorna voda mora imati malo protona: mora biti alkalna.
Corlissovi izvori nisu se uklapali. Ne samo da su bili prevrući, već su bili i kiseli. No 2000. godine Deborah Kelly sa Sveučilišta u Washingtonu otkrila je prve alkalne izvore.
Izgubljeni grad
Kelly je morala naporno raditi kako bi postala znanstvenica. Otac joj je umro dok je završila srednju školu i bila je prisiljena raditi da ostane na koledžu. Ali ona je uspjela i izabrala je podvodne vulkane i goruće vruće hidrotermalne izvore kao predmet svog interesa. Ovaj par doveo ju je u središte Atlantskog oceana. U tom trenutku pukla je zemaljska kora i s morskog dna uzdigao se greben planine.
Na ovom grebenu Kelly je otkrila polje hidrotermalnih otvora, koje je nazvala "Izgubljeni grad". Nisu izgledali kao oni koje je pronašao Corliss. Voda je iz njih istjecala na temperaturi od 40-75 stupnjeva Celzija i bila je blago alkalna. Karbonatni minerali iz ove vode skupili su se u strme bijele "pljuskove dima" koji su se dizali s morskog dna poput organskih cijevi. Izgledaju jezivo i sablasno, ali nisu: dom su mnogim mikroorganizmima.
Ovi alkalni otvori savršeno se uklapaju u Russellove ideje. Čvrsto je vjerovao da se život pojavljuje u takvim "izgubljenim gradovima". No, postojao je jedan problem. Kao geolog, nije mnogo znao o biološkim stanicama kako bi uvjerljivo predstavio svoju teoriju.
Stup dima iz "crne sobe za pušenje"
Tako se Russell udružio s biologom Williamom Martinom. 2003. godine predstavili su poboljšanu verziju Russellovih ranijih ideja. A ovo je vjerojatno najbolja teorija nastanka života u ovom trenutku.
Zahvaljujući Kelly, sada su znali da su stijene alkalnih izvora porozne: bile su isprekidane sitnim rupama ispunjenim vodom. Ti su sićušni džepovi, predložili su, djelovali kao "ćelije". Svaki je džep sadržavao osnovne kemikalije, uključujući pirit. U kombinaciji s prirodnim gradijentom protona iz izvora bili su savršeno mjesto za započinjanje metabolizma.
Nakon što je život naučio koristiti energiju izvorskih voda, kažu Russell i Martin, počeo je stvarati molekule poput RNA. Na kraju je stvorila membranu za sebe i postala je prava stanica, bježeći iz porozne stijene u otvorenu vodu.
Takav se zaplet trenutno smatra jednom od vodećih hipoteza o podrijetlu života.
Stanice bježe iz hidrotermalnih otvora
U srpnju 2016. stekao je podršku kada je Martin objavio studiju u kojoj je rekonstruirao neke detalje "posljednjeg univerzalnog zajedničkog pretka" (LUCA). To je organizam koji je živio prije milijarde godina i iz kojeg je nastao sav postojeći život.
Malo je vjerojatno da ćemo ikada pronaći izravne fosilizirane dokaze o postojanju ovog organizma, ali svejedno možemo dobro obrazovati nagađanja o tome kako je izgledao i što je radio tijekom proučavanja mikroorganizama našeg dana. To je učinio Martin.
Ispitao je DNK 1930 modernih mikroorganizama i identificirao 355 gena koje gotovo svi imaju. Ovo je uvjerljiv dokaz o prijenosu tih 355 gena kroz generacije i generacije iz zajedničkog pretka - otprilike u vrijeme kada je živio posljednji univerzalni zajednički predak.
Tih 355 gena uključuje neke da bi koristili gradijent protona, ali ne i da bi ih proizveli, kao što su predvidjeli Russell i Martin. Štoviše, čini se da je LUCA prilagođena prisutnosti kemikalija poput metana, što sugerira da je nastanjivao vulkansko aktivan okoliš.
Zagovornici hipoteze „RNA svijeta“ukazuju na dva problema ove teorije. Može se popraviti; drugi može biti fatalan.
Hidrotermalna opruga
Prvi problem je što ne postoje eksperimentalni dokazi za procese koje su opisali Russell i Martin. Imaju korak po korak povijest, ali nijedan od tih koraka nije primijećen u laboratoriju.
"Ljudi koji vjeruju da je sve počelo s reprodukcijom, stalno pronalaze nove eksperimentalne podatke", kaže Armen Mulkidzhanyan. "Ljudi koji se zalažu za metabolizam to ne čine."
Ali to bi se moglo promijeniti zahvaljujući Martinovom kolegi Nicku Laneu sa University Collegea u Londonu. Izgradio je "Porijeklo životnog reaktora" koji simulira uvjete unutar alkalnog izvora. Nada se da će vidjeti metaboličke cikluse, a možda čak i molekule poput RNA. Ali, prerano je
Drugi problem je lokacija izvora u dubokom moru. Kao što je Miller napomenuo 1988., dugolančane molekule poput RNA i proteina ne mogu se formirati u vodi bez pomoćnih enzima.
Za mnoge znanstvenike ovo je fatalan argument. "Ako ste dobri u kemiji, neće vas potkupiti ideja o izvorima dubokih mora, jer znate da je kemija svih tih molekula nespojiva s vodom", kaže Mulkidzhanian.
Ipak Russell i njegovi saveznici ostaju optimistični.
Tek je u posljednjem desetljeću na red došao treći pristup, potkrijepljen nizom neobičnih eksperimenata. Obećava nešto što ni RNA svijet ni hidrotermalni otvor nisu uspjeli postići: način stvaranja čitave stanice od nule. Više o tome u sljedećem dijelu.
ILYA KHEL
- Prvi dio: Kako napraviti kavez -
- Drugi dio: Podjela u redovima znanstvenika -
- Treći dio: u potrazi za prvim replikatorom -
- Peti dio: pa kako stvoriti ćeliju? -
- Šesti dio: Veliko sjedinjenje -