- Част първа: Как да направите клетка -
- Втора част: Разцепление в редиците на учените -
- Трета част: в търсене на първия репликатор -
- Част пета: така как да създадете клетка? -
- част шеста: Голямото обединение -
Във втора глава научихме как учените се разделят на три училища на мисълта, отразявайки произхода на живота. Една група беше убедена, че животът започва с молекула на РНК, но не може да покаже как РНК или подобни молекули могат да се образуват спонтанно на ранната Земя и след това да си направят копия. Усилията им в началото бяха обнадеждаващи, но в крайна сметка остана само разочарование. Въпреки това, други изследователи на произхода от живота, които са следвали различни пътища, са постигнали някои резултати.
Световната теория на РНК се основава на проста идея: най-важното, което един жив организъм може да направи, е да се възпроизведе. Много биолози биха се съгласили с това. От бактерии до сини китове, всички живи същества се стремят да имат потомство.
Въпреки това много изследователи на произхода на живота не смятат възпроизводството за основно. Преди да може организмът да се възпроизведе, те трябва да станат самостоятелни. Трябва да се запази жив. В крайна сметка не можете да имате деца, ако умрете първо.
Поддържаме се жив, като консумираме храна; зелените растения правят това чрез извличане на енергия от слънчевата светлина. На пръв поглед човекът, който яде сочна пържола, е много по-различен от листния дъб, но когато го погледнете, и двамата се нуждаят от енергия.
Този процес се нарича метаболизъм. Първо трябва да получите енергия; да речем от богати на енергия химикали като захар. След това трябва да използвате тази енергия, за да изградите нещо полезно, като клетки.
Този процес на използване на енергия е толкова важен, че много изследователи смятат, че той е първият, от който е започнал животът.
Вулканичната вода е гореща и богата на минерали
Промоционално видео:
Как биха изглеждали тези само метаболитни организми? Едно от най-интересните предположения е направено в края на 80-те години от Гюнтер Вахтершаузер. Той не беше щатен учен, а по-скоро патентен адвокат с малко познания по химия.
Wachtershauser предположи, че първите организми са "коренно различни от всичко, което познаваме". Те не са направени от клетки. Те не са имали ензими, ДНК или РНК. Не, вместо това, Wachtershauser си представяше поток от гореща вода, изтичащ от вулкан. Тази вода е богата на вулканични газове като амоняк и съдържа следи от минерали от сърцето на вулкана.
Там, където водата течеше през скалите, започват да протичат химични реакции. По-специално металите от вода помагат на прости органични съединения да се слеят в по-големи. Повратният момент беше създаването на първия метаболитен цикъл. Това е процес, при който един химикал се превръща в редица други химикали, докато в крайна сметка оригиналът се пресъздаде. В процеса цялата система изгражда енергия, която може да се използва за рестартиране на цикъла - и за други неща.
Всичко останало, което изгражда модерен организъм - ДНК, клетки, мозъци - се появи по-късно, на върха на тези химични цикли. Тези метаболитни цикли изобщо нямат голяма прилика с живота. Wachtershauser нарече изобретението си „предшественици на организмите“и написа, че „те трудно могат да бъдат наречени живи“.
Но метаболитните цикли като описаните от Wachtershauser са в основата на целия живот. Вашите клетки са по същество микроскопични химически фабрики, които постоянно дестилират едно вещество в друго. Метаболитните цикли не могат да се нарекат живот, но те са основни за живота.
През 80-те и 90-те години Wachtershauser работи върху детайлите на своята теория. Той очерта кои минерали биха били най-подходящи и кои химични цикли могат да се осъществят. Идеите му започнаха да привличат привърженици.
Но всичко това беше чисто теоретично. Wachtershauser се нуждаеше от истинско откритие, за да подкрепи идеите си. За щастие, това вече беше направено десет години по-рано.
Източници в Тихия океан
През 1977 г. екип, ръководен от Джак Корлис от Държавния университет в Орегон, се потопи на 2,5 километра в източния Тихи океан. Те изследвали горещите извори Галапагос на места, където от морското дъно се издигали високи хребети. Тези хребети са били вулканично активни.
Корлис откри, че тези хребети са буквално изпъстрени с горещи извори. Топлата, богата на химикали вода се издига изпод морското дъно и тече през дупки в скалите.
Невероятно е, че тези хидротермални отвори бяха гъсто населени със странни животни. Имаше огромни миди, миди и костилки. Водата също беше силно наситена с бактерии. Всички тези организми са живели от енергията на хидротермалните отвори.
Откриването на тези източници даде име на Корлис. И това ме накара да се замисля. През 1981 г. той предполага, че такива отвори са съществували на Земята преди четири милиарда години и че те са станали мястото на произход на живота. Той е посветил лъвския дял от кариерата си на изучаването на този въпрос.
Хидротермалните отвори имат странен живот
Корлис предположи, че хидротермалните отвори могат да създават коктейли от химикали. Всеки източник, каза той, беше един вид спрей от първичен бульон.
Докато горещата вода течеше през скалите, топлината и налягането причиняват прости органични съединения да се слеят в по-сложни такива, като аминокиселини, нуклеотиди и захари. По-близо до границата с океана, където водата не беше толкова гореща, те започнаха да се свързват във вериги - да образуват въглехидрати, протеини и нуклеотиди като ДНК. След това, когато водата се приближи до океана и се охлади още повече, тези молекули се събраха в прости клетки.
Беше интересно, теорията привлече вниманието на хората. Но Стенли Милър, чийто експеримент обсъдихме в първата част, не му повярва. През 1988 г. той пише, че дълбоките отвори са твърде горещи.
Въпреки че интензивната топлина може да произвежда химикали като аминокиселини, експериментите на Милър показаха, че тя също може да ги унищожи. Основни съединения като захарите „биха могли да оцелеят за няколко секунди, не повече“. Освен това тези прости молекули е малко вероятно да се свържат във вериги, тъй като заобикалящата ги вода веднага би ги разделила.
На този етап в битката се присъединява и геологът Майк Ръсел. Той смяташе, че теорията за хидротермалните отвори може да бъде съвсем правилна. Освен това му се стори, че тези източници ще бъдат идеалният дом за предшествениците на организма на Уахтерсхаузер. Това вдъхновение го накарало да създаде една от най-широко приетите теории за произхода на живота.
Геолог Майкъл Ръсел
В кариерата на Ръсел имаше много интересни неща - той направи аспирин в търсене на ценни минерали - и при един забележителен инцидент през 60-те години на миналия век координира отговора на евентуално изригване на вулкан, въпреки липсата на подготовка. Но той се интересуваше повече от това как се е променила повърхността на Земята през еоните. Тази геоложка перспектива породи представите му за произхода на живота.
През 80-те години той откри фосилни доказателства за по-малко бурен тип хидротермална вена, където температурите не надвишават 150 градуса по Целзий. Тези меки температури, каза той, биха могли да позволят на молекулите на живота да живеят по-дълго, отколкото Милър смяташе.
Освен това, изкопаемите останки от тези "хладни" отвори съдържаха нещо странно: минералният пирит, съставен от желязо и сяра, се беше образувал в тръби с диаметър 1 мм. Докато работи в лабораторията, Ръсел открива, че пиритът може да образува и сферични капчици. И той предположи, че първите сложни органични молекули биха могли да се образуват вътре в тези прости пиритни структури.
Железен пирит
Именно по това време Уахтерсхаузер започва да публикува идеите си, които се основават на потока от гореща, химически обогатена вода, преминаваща през минерали. Той дори предположи, че пиритът е замесен.
Ръсел добави две плюс две. Той предположи, че хидротермалните отвори дълбоко в морето, достатъчно студени, за да позволят образуването на пиритни структури, съдържащи прекурсори на организмите на Wachtershauser. Ако Ръсел беше прав, животът започна на дъното на морето - и метаболизмът се появи първо.
Ръсел е събрал всичко това в документ, публикуван през 1993 г., 40 години след класическия експеримент на Милър. Той не генерира същите медийни шумове, но може би беше по-важен. Ръсел комбинира две на пръв поглед отделни идеи - метаболитните цикли на Wachtershauser и хидротермалните отвори на Corliss - в нещо наистина непреодолимо.
Ръсел дори предложи обяснение как първите организми са получили своята енергия. Тоест, той разбра как може да работи техният метаболизъм. Идеята му се основаваше на работата на един от забравените гении на съвременната наука.
Питър Мичъл, Нобелов лауреат
През 60-те години биохимикът Питър Мичъл се разболява и е принуден да се пенсионира от Университета в Единбург. Вместо това той създаде частна лаборатория в отдалечено имение в Корнуол. Изолиран от научната общност, той финансира работата си със стадо млечни крави. Много биохимици, включително Лесли Оргел, чиято работа по РНК обсъдихме в част втора, смятаха идеите на Мичъл за напълно нелепи.
Няколко десетилетия по-късно Мичъл чакаше абсолютна победа: Нобеловата награда за химия от 1978 г. Той не стана известен, но идеите му са във всеки учебник по биология днес. Мичъл прекара кариерата си измисляйки какво организмите правят с енергията, която получават от храната. По принцип той се чудеше как всички успяваме да останем живи всяка секунда.
Той знаеше, че всички клетки съхраняват енергията си в една молекула: аденозин трифосфат (АТФ). Верига от три фосфата е прикрепена към аденозина. Добавянето на трети фосфат изисква много енергия, която след това се заключва в ATP.
Когато една клетка се нуждае от енергия - например, когато мускулът се свие - той разгражда трети фосфат в АТФ. Това превръща ATP в аденозидифосфат (ADP) и освобождава съхраняваната енергия. Мичъл искаше да знае как клетка прави ATP като цяло. Как съхранява достатъчно енергия в ADP, за да прикачи третия фосфат?
Мичъл знаеше, че ензимът, който прави АТФ, е в мембраната. Затова предположих, че клетката изпомпва заредени частици (протони) през мембраната, тъй че много протони са от едната страна, но не и от другата.
Тогава протоните се опитват да изтекат обратно през мембраната, за да балансират броя на протоните от всяка страна - но единственото място, през което могат да преминат, е ензимът. Потокът от течащи протони по този начин осигурява на ензима енергия, необходима за създаване на АТФ.
Мичъл за първи път представи идеята си през 1961г. През следващите 15 години той я защитаваше от всички страни, докато доказателствата не бяха неопровержими. Вече знаем, че процесът на Мичъл се използва от всяко живо същество на Земята. В момента той тече във вашите клетки. Подобно на ДНК, тя стои в основата на живота, който познаваме.
Ръсел заимства от Мичъл идеята за протонния градиент: има много протони от едната страна на мембраната и малко от другата. Всички клетки се нуждаят от протонен градиент, за да съхраняват енергия.
Съвременните клетки създават градиенти, като изпомпват протони през мембрани, но това изисква сложен молекулен механизъм, който просто не би могъл да се появи сам. Така Ръсел направи друга логична стъпка: животът трябваше да се формира някъде с естествен градиент на протона.
Например някъде в близост до хидротермални отвори. Но трябва да е специален тип източник. Когато Земята беше млада, моретата бяха кисели и в киселата вода има много протони. За да създадете протонен градиент, източната вода трябва да е с ниско съдържание на протони: тя трябва да е алкална.
Източниците на Корлис не се вписват. Не само, че бяха прекалено горещи, но и кисели. Но през 2000 г. Дебора Кели от Вашингтонския университет открива първите алкални източници.
Изгубен град
Кели трябваше да работи усилено, за да стане учен. Баща й почина, докато завършваше гимназия и тя беше принудена да работи, за да остане в колежа. Но тя се справи и избра подводни вулкани и изгарящи горещи хидротермални извори като предмет на своя интерес. Тази двойка я заведе в центъра на Атлантическия океан. В този момент земната кора се напука и от морското дъно се издигна гребен от планини.
На този хребет Кели откри поле от хидротермални отвори, което нарече „Изгубеният град“. Не приличаха на тези, открити от Корлис. Водата изтича от тях при температура 40-75 градуса по Целзий и е леко алкална. Карбонатните минерали от тази вода се скупчиха в стръмни бели "димове", които се издигаха от морското дъно като тръби на органи. Те изглеждат страховито и призрачно, но не са: те са дом на много микроорганизми.
Тези алкални отдушници се вписват перфектно с идеите на Ръсел. Той твърдо вярва, че животът се появява в такива „изгубени градове“. Но имаше един проблем. Като геолог той не знаеше много за биологичните клетки, за да представи теорията си убедително.
Колона от дим от "черната стая за пушачи"
Така Ръсел си партнира с биолога Уилям Мартин. През 2003 г. те представиха подобрена версия на по-ранните идеи на Ръсел. И това е може би най-добрата теория за възникването на живота в момента.
Благодарение на Кели те вече знаеха, че скалите на алкалните извори са порести: бяха изпъстрени с малки дупки, пълни с вода. Според тях тези малки джобове действаха като "клетки". Всеки джоб съдържаше основни химикали, включително пирит. В комбинация с естествения протонен градиент от източниците те бяха идеалното място за стартиране на метаболизма.
След като животът се научи да използва енергията на изворните води, казват Ръсел и Мартин, той започна да създава молекули като РНК. В крайна сметка тя създаде мембрана за себе си и се превърна в истинска клетка, избягайки от порестата скала в открита вода.
Понастоящем такъв сюжет се счита за една от водещите хипотези за произхода на живота.
Клетките бягат от хидротермални отвори
През юли 2016 г. той получи подкрепа, когато Мартин публикува проучване, реконструиращо някои от детайлите на „последния универсален общ прародител“(LUCA). Това е организъм, живял преди милиарди години и от който произхожда целият съществуващ живот.
Малко вероятно е някога да намерим преки вкаменени доказателства за съществуването на този организъм, но въпреки това можем да направим доста образовани предположения за това как изглеждаше и какво е направил, докато изучаваше микроорганизмите на нашето съвремие. Това направи Мартин.
Той изследва ДНК на 1930 съвременни микроорганизми и идентифицира 355 гена, които почти всички имат. Това е убедително доказателство за прехвърлянето на тези 355 гена през поколения и поколения от общ прародител - около времето, когато е живял последният универсален общ прародител.
Тези 355 гена включват някои, за да използват протонния градиент, но не и да го генерират, както прогнозираха Ръсел и Мартин. Нещо повече, LUCA изглежда е бил адаптиран към присъствието на химикали като метан, което предполага, че е обитавал вулканично активна среда, подобна на отдушник.
Привържениците на хипотезата за „света на РНК“посочват два проблема с тази теория. Човек може да бъде поправен; другият може да бъде фатален.
Хидротермални извори
Първият проблем е, че няма експериментални доказателства за процесите, описани от Ръсел и Мартин. Те имат стъпка по стъпка история, но нито една от тези стъпки не е наблюдавана в лабораторията.
„Хората, които вярват, че всичко е започнало с възпроизвеждането, непрекъснато намират нови експериментални данни“, казва Армен Мулкиджанян. "Хората, които се застъпват за метаболизма, не го правят."
Но това може да се промени, благодарение на колегата на Мартин Ник Лейн от University College London. Той изгради "Произход на живота реактор", който симулира условията вътре в алкален източник. Той се надява да види метаболитни цикли и може би дори молекули като РНК. Но е твърде рано
Вторият проблем е разположението на източници в дълбокото море. Както Милър отбелязва през 1988 г., дълговерижните молекули като РНК и протеини не могат да се образуват във вода без помощни ензими.
За много учени това е фатален аргумент. „Ако сте добри в химията, няма да бъдете подкупени с идеята за дълбочинни извори, защото знаете, че химията на всички тези молекули е несъвместима с водата“, казва Мулкиджанян.
И все пак Ръсел и неговите съюзници остават оптимисти.
Едва през последното десетилетие на преден план излезе трети подход, подкрепен от поредица от необичайни експерименти. Той обещава нещо, което нито РНК светът, нито хидротермалните отвори са успели да постигнат: начин за създаване на цяла клетка от нулата. Повече за това в следващата част.
ИЛЯ КХЕЛ
- Част първа: Как да направите клетка -
- Втора част: Разцепление в редиците на учените -
- Трета част: в търсене на първия репликатор -
- Част пета: така как да създадете клетка? -
- част шеста: Голямото обединение -