- Drugi dio: Rascjep u redovima znanstvenika -
- Treći dio: u potrazi za prvim replikatorom -
- Četvrti dio: energija protona -
- Peti dio: pa kako stvoriti ćeliju? -
- Šesti dio: Veliko sjedinjenje -
Danas je život osvojio svaki kvadratni centimetar Zemlje, ali kada se planeta prvi put formirala, bio je to mrtvi kamen. Kako i kada je došlo do prijelaza? Kako je započeo život? Čovjek se teško može sjetiti ozbiljnijeg, velikog i složenijeg pitanja. Kroz veći dio ljudske povijesti nitko nije sumnjao da je to posao bogova. Bilo koje drugo objašnjenje bilo je nezamislivo.
Ne više. Tijekom prošlog stoljeća mnogi su znanstvenici pokušali dokučiti odakle bi prvi život mogao započeti. Čak su pokušali obnoviti trenutak Stvaranja u svojim laboratorijima: stvoriti potpuno novi život ispočetka. Do sada nitko nije uspio, ali prešli smo dug put. Danas su mnogi znanstvenici koji proučavaju podrijetlo života sigurni da su na pravom putu - i imaju eksperimente koji podupiru njihovo povjerenje u to.
Ovo je priča o našim naporima da utvrdimo svoje istinsko podrijetlo. To je priča o opsesiji, borbi i sjajnoj kreativnosti koja je dovela do nekih od najvećih otkrića moderne znanosti. Želja za razumijevanjem porijekla života poslala je muškarce i žene u najudaljenije kutke našeg planeta. Neki učenjaci smatrani su vragovima u tijelu, dok su drugi nastavili raditi pod palcem brutalnih totalitarnih vlada.
Ovo je priča o rađanju života na Zemlji.
U stvari, dinosauri su živjeli ne tako davno.
Život je star. Dinosauri - najpoznatija izumrla stvorenja - pojavili su se prije 250 milijuna godina. Ali život je počeo mnogo, puno ranije.
Najstariji poznati fosilni zapis star je oko 3,5 milijardi godina, 14 puta duže od najstarijih dinosaura. No, fosilni zapisi mogu nas odvesti još više. Na primjer, samo u kolovozu 2016., znanstvenici su otkrili fosilizirane mikrobe koji su stari 3,7 milijardi godina.
Promotivni video:
Ovi valoviti uzorci mogu biti stari 3,7 milijardi godina
Sama Zemlja nije puno starija, stara je 4,5 milijardi godina.
Ako pretpostavimo da je život nastao na Zemlji - što se čini razumnim, s obzirom da ga još uvijek nismo pronašli drugdje - onda se to moralo dogoditi u milijardama godina koji su protekli između formiranja Zemlje i pojave najstarijih poznatih fosila.
Sužavanjem raspona vremena u kojima se život možda pojavio, možemo obrazovati nagađanja o tome kako se to dogodilo.
Stablo života: većina bakterija i arheja
Od 19. stoljeća biolozi znaju da su sva živa bića sačinjena od "stanica": sićušnih vreća žive tvari koje dolaze u svim oblicima i veličinama. Stanice su prvi put otkrivene u 17. stoljeću zahvaljujući izumu prvih mikroskopa, ali trebalo im je više od stotinu godina da shvate da su one temelj čitavog života.
Sigurno ne izgledate poput soma ili tiranozavra, ali mikroskop će pokazati da ste napravljeni od gotovo istih stanica. Poput biljaka i gljiva. Ali do sada, najbrojniji oblik života su mikroorganizmi, koji se sastoje od jedne stanice. Bakterije su najpoznatija skupina i mogu se naći svugdje na Zemlji.
U travnju 2016., znanstvenici su predstavili ažuriranu verziju „stabla života“: u izvjesnom smislu obiteljsko stablo svake žive vrste. Gotovo sve grane su bakterije. Štoviše, oblik ovih grana sugerira da su bakterije bile uobičajeni predak cijelog života. Drugim riječima, svako živo biće - uključujući vas - dolazilo je od bakterija.
Ispada da problem podrijetla života možemo preciznije definirati. Koristeći samo materijale i uvjete koji su bili na Zemlji prije 3,5 milijardi godina, moramo napraviti ćeliju.
Koliko će to biti teško?
Cijela živa ćelija
Prvi eksperimenti
Kroz veći dio povijesti nitko nije smatrao potrebnim pitati kako nastaje život, jer je odgovor izgledao očigledno. Do 1800-ih, većina ljudi je vjerovala u "vitalizam". Ovo je intuitivna ideja da su živa bića obdarena posebnim, čarobnim svojstvom koje ih razlikuje od neživih predmeta.
Vitalizam je često bio povezan s religijskim vjerovanjima. Biblija kaže da je Bog koristio "životni dah" da oživi prve ljude, a besmrtna duša je oblik vitalizma.
Postoji samo jedan problem. Vitalizam je potpuna glupost.
Do ranih 1800-ih znanstvenici su otkrili nekoliko tvari koje su se činile jedinstvenim za život. Jedan takav spoj bila je urea, koja je pronađena u urinu i izlučena 1799. Samo se to još uvijek uklapa u pojam vitalizma. Samo su živa bića mogla proizvesti te kemikalije, pa su ih očito napunili životnom energijom i to ih je učinilo posebnim.
No 1828. godine njemački kemičar Friedrich Wöhler pronašao je način da se napravi urea iz uobičajenog kemijskog amonijevog cijanata koji nema očite veze s živim bićima. Ostali su slijedili njegovu primjenu i ubrzo je postalo jasno da se kemikalije života mogu načiniti od jednostavnijih kemikalija koje nemaju nikakve veze sa životom.
Friedrich Wöhler, njemački kemičar
To je bio kraj vitalizma kao znanstvenog koncepta. Ali ljudima je bilo teško odvojiti se od te ideje. Mnogima se činilo da bi rekli da nema ništa "posebno" u vezi s kemikalijama života bilo je poput oduzimanja njegove magije iz života, čineći ga mehaničkim ili bezdušnim. I, naravno, bilo je protivno Bibliji.
Čak su i učenjaci pokušali spasiti vitalizam. Već 1913. godine engleski biokemičar Benjamin Moore gorljivo je promicao teoriju o "biotskoj energiji", koja je bila isti vitalizam, ali s drugim imenom. Ova je ideja imala snažan emocionalni prizvuk.
Međutim, i danas se ova ideja tu pojavljuje tu i tamo. Na primjer, postoji mnogo znanstvenofantastičnih priča u kojima se „životna energija“može povećati ili istisnuti. Pomislite na "energiju regeneracije" koju koriste Gospodari vremena u Doktoru Tko. Čini se neobičnim, ali ovo je vrlo, vrlo stara ideja.
Nakon 1828., međutim, znanstvenici su imali dobar razlog tražiti „bezbožno“objašnjenje za prvu pojavu života. Ali nisu. Čini se da ovu temu treba istražiti, ali zapravo se misterija podrijetla života desetljećima zanemaruje. Možda su još uvijek bili previše vezani za vitalizam da bi učinili sljedeći korak.
Charles Darwin pokazao je da cijeli život potječe od jednog zajedničkog pretka
Umjesto toga, golemi skok naprijed u biologiji u 19. stoljeću bila je teorija evolucije koju su razvili Charles Darwin i drugi.
Darwinova teorija iznesena u Podrijetlu vrsta 1859. objasnila je kako je sva ta raznolikost života mogla proizaći iz jednog zajedničkog pretka. Svaku pojedinu vrstu više nije stvorio Bog, već potječe iz drevnog organizma koji je živio prije milijuna godina: posljednjeg univerzalnog zajedničkog pretka.
Ta se ideja ispostavila krajnje kontroverznom, opet zato što nije odgovarala Bibliji. Darwin i njegove ideje napali su djelomično ogorčeni kršćani.
Teorija evolucije nije rekla ništa o tome kako se pojavio prvi organizam.
Darwin je vjerovao da se život pojavio u "toplom jezercu"
Darwin je znao da je to duboko pitanje, ali - možda se plašeći novih napada crkve - usudio se raspraviti o tome tek 1871. godine. Izvanredan ton pisma pokazuje da je znao duboko značenje ovog pitanja:
"Ali ako (i oh, što je veliko" ako ") možemo zamisliti mali topli ribnjak sa svim vrstama amonijaka i fosforne soli - sa svjetlošću, toplinom, električnom energijom - u kojem bi se proteinski spoj kemijski stvorio, spreman da prođe kroz još više složene promjene …"
Drugim riječima, što ako je jednom postojalo malo vodno tijelo napunjeno jednostavnim organskim spojevima i okupano sunčevom svjetlošću? Neki od ovih spojeva mogu se kombinirati tako da tvore poluživu tvar poput proteina koji bi se mogao početi razvijati i postati složeniji.
Ta je ideja bila površna. Ali ona je osnovala prvu hipotezu o nastanku života.
Zanimljivo je da se ta hipoteza pojavila u SSSR-u.
Alexander Oparin živio je i radio u SSSR-u
U vrijeme Staljina sve je bilo pod kontrolom države. Čak i ideje ljudi, biologa, koje nisu povezane s komunističkom politikom. Izuzetno je kako je Staljin zapravo zabranio znanstvenicima da proučavaju konvencionalnu genetiku. Umjesto toga, promovirao je ideje seljaka Trofima Lysenka, koje su, prema njegovom mišljenju, više bile u skladu s komunističkom ideologijom. Znanstvenici koji rade u području genetike bili su prisiljeni javno podržati Lysenkove ideje kako ne bi završili u kampovima.
Upravo je u takvom represivnom okruženju Aleksandar Oparin provodio svoja istraživanja na području biokemije. Mogao je raditi jer je bio predani komunist: podržavao je Lysenkove ideje i čak je primio Red Lenjinova, najviše priznanje sovjetske ere.
Oparin je 1924. objavio svoje djelo Podrijetlo života. U njemu je iznio svoju viziju podrijetla života, koja je bila nevjerojatno slična Darwinovom malom toplom jezercu.
Oceani nastali nakon što se Zemlja ohladila
Oparin je pokušao zamisliti kakav je Zemlja nakon formiranja. Površina je bila goruće vruća dok su stijene padale iz svemira. Pomladna polu-ekspandirana stijena sadrži ogroman spektar kemikalija, uključujući i one bazirane na ugljiku.
Na kraju se Zemlja dovoljno ohladila da se vodena para kondenzira u tekuću vodu i počela je padati prva kiša. Ispunio je Zemljine oceane, koji su bili vrući i bogati ugljikovim kemikalijama. Što vam treba za život.
U početku su različite kemikalije međusobno djelovale kako bi tvorile mnoge nove spojeve, od kojih su neki bili složeni. Oparin je nagovijestio da su se molekule bitne za život, šećeri i aminokiseline mogle formirati u vodama Zemlje.
Tada su neke kemikalije počele stvarati mikroskopske strukture. Mnoge organske tvari ne otapaju se u vodi: na primjer, ulja formiraju sloj na vrhu vode. Ali kada neke od tih tvari dođu u kontakt s vodom, formiraju sferne kuglice "koacervata", koje mogu biti dužine i do 0,01 centimetra.
Ako na coacervate gledate mikroskopom, oni se ponašaju vrlo pokretno, poput živih stanica. Raste i mijenjaju oblik, ponekad se dijele na dva dijela. Oni također mogu pokupiti kemikalije iz okolne vode, tako da mogu završiti sa životnim kemikalijama. Oparin je sugerirao da su koacervati predaci modernih stanica.
Pet godina kasnije, 1929., engleski biolog John Burdon Sanderson Haldane samostalno je predložio vrlo slične ideje u kratkom članku objavljenom u časopisu Rationalist.
U to je vrijeme Haldane već dao velik doprinos teoriji evolucije, pomažući integrirati Darwinove ideje u genetičku nauku koja se razvija.
Engleski genetičar J. Haldane
Poput Oparina, Haldane je opisao kako se organska tvar može akumulirati u vodi, "sve dok primordijalni oceani nisu postigli konzistenciju vruće, razrijeđene juhe". To bi postavilo pozornicu za "prve žive ili polužive stvari" koje su se formirale i završile u tankom naftnom filmu.
Značajno je da su među svim biolozima na svijetu samo Oparin i Haldane došli do ovoga. Ideja da se živi organizmi mogu formirati jednostavnim kemijskim reakcijama, bez Boga ili čak "životne sile", bila je radikalna. Poput Darwinove teorije evolucije prije nje, i ona je bila šamar pred kršćanstvom.
Ali savršeno se uklapa u okvir SSSR-a. Sovjetski režim bio je službeno ateistički, a njegovi su vođe sa zadovoljstvom podržavali bilo kakvo materijalističko objašnjenje dubokih pojava poput života. Haldane je također bio ateist i komunist.
"Tada je prihvaćanje ili odbijanje ideje ovisilo uglavnom o pojedincu: je li religiozan, podržava li ljevičarske ili komunističke ideje", kaže stručnjak za izvorno življenje Armen Mulkidzhanian sa Sveučilišta u Osnabrucku u Njemačkoj. „U Sovjetskom Savezu su ih primili s radošću jer im Bog nije trebao. U zapadnom svijetu, ako pogledate ljude koji su razmišljali u tom smjeru, to su bili svi ljevičari, komunisti i tako dalje."
Ideja da se život formirao u iskonskom juhu organske tvari postala je hipoteza Oparin-Haldane. Bila je uredna i uvjerljiva, ali postojao je jedan problem. Nisu joj potkrepljeni nikakvi eksperimentalni dokazi. I tako je to trajalo gotovo četvrt stoljeća.
Harold Urey
U vrijeme kad se Harold Urey zainteresirao za podrijetlo života, već je osvojio Nobelovu nagradu za kemiju 1934. i pomogao u izgradnji atomske bombe. Tijekom Drugog svjetskog rata, Jurij je radio na Manhattanskom projektu, prikupljajući nestabilni uranij-235 potreban za jezgro bombe. Nakon rata borio se za držanje nuklearne tehnologije pod civilnim nadzorom.
Također se počeo zanimati za kemiju svemira, osobito za ono što se događalo tijekom formiranja Sunčevog sustava. Jednoga dana održao je predavanje i napomenuo da vjerojatno nema kisika u Zemljinoj atmosferi kad se prvi stvorio. Ovo je bio savršeni dodatak Oparinovoj i Haldaneovoj primarnoj juhi: krhke kemikalije mogu se uništiti dodirom s kisikom.
Doktorski student po imenu Stanley Miller bio je među publikom, a zatim je prišao Yuuri s pitanjem: može li se ta ideja testirati? Yuuri je bio skeptičan, ali Miller je inzistirao na svom. Tako je 1952. godine Miller započeo najpoznatiji eksperiment na podrijetlu života.
Miller-Ureyjev eksperiment
Postavke su bile jednostavne. Miller je povezao niz staklenih tikvica i ispalio četiri kemikalije koje su mogle biti prisutne na ranoj Zemlji: kipuću vodu, vodikov plin, amonijak i metan. Zatim je podvrgavao plinove ponovljenim električnim udarima kako bi simulirao udare munje koji su bili uobičajeni na Zemlji tih dana.
Miller je otkrio da je "voda u bočicama postala znatno ružičasta nakon prvog dana, a do kraja tjedna otopina je bila crvena i zamućena". Navodno se stvorila mješavina kemikalija.
Nakon analize smjese, Miller je otkrio da ona sadrži dvije aminokiseline: glicin i alanin. Amino kiseline se često nazivaju gradivima života. Koriste se za stvaranje proteina koji kontroliraju većinu biokemijskih procesa u našem tijelu. Miller je od temelja izgradio dvije bitne komponente života.
Rezultati su objavljeni u prestižnom časopisu Science 1953. godine. Jurij je učinio nešto vrlo neobično za starije znanstvenike, skinuvši njegovo ime s posla i odavši svu zahvalnost Milleru. Unatoč tome, studija se često naziva pokusom Miller-Urey.
Stanley Miller u laboratoriju
"Snaga Millera-Ureyja je u tome što možete proizvesti mnogo bioloških molekula upravo iz atmosfere", kaže John Sutherland iz Molekularne biološke laboratorije u Cambridgeu u Velikoj Britaniji.
Pojedinosti su se pokazale netočnim, jer su kasnije studije pokazale da je atmosfera rane Zemlje bila različita mješavina plinova. Ali to ne mijenja činjenicu. Eksperiment je uspio, potaknuo je maštu javnosti i eksplodirao u citatima.
Nakon Millerovog eksperimenta, drugi su znanstvenici počeli tražiti načine stvaranja jednostavnih bioloških molekula od nule. Činilo se da će se pojaviti rješenje misterije podrijetla života.
Ali tada se ispostavilo da je život teži nego što je itko mislio. Žive stanice nisu bile samo vrećice s kemikalijama: bile su to malene sićušne mašine. Odjednom se izgradnja ćelije ispočetka pokazala mnogo težom nego što su znanstvenici mislili.
ILYA KHEL
- Drugi dio: Rascjep u redovima znanstvenika -
- Treći dio: u potrazi za prvim replikatorom -
- Četvrti dio: energija protona -
- Peti dio: pa kako stvoriti ćeliju? -
- Šesti dio: Veliko sjedinjenje -