- Част втора: Разцепление в редиците на учените -
- Трета част: в търсене на първия репликатор -
- Четвърта част: енергията на протоните -
- Част пета: така как да създадете клетка? -
- част шеста: Голямото обединение -
Днес животът е завладял всеки квадратен сантиметър от Земята, но когато планетата за първи път се е образувала, това е бил мъртъв камък. Как и кога се осъществи преходът към забележителността? Как започна животът? Човек трудно може да измисли по-сериозен, голям и сложен въпрос. През по-голямата част от човешката история никой не се съмняваше, че това е работата на боговете. Всяко друго обяснение беше немислимо.
Няма повече. През изминалия век много учени се опитват да разберат откъде може да започне първият живот. Те дори се опитаха да пресъздадат момента на Сътворението в своите лаборатории: създават напълно нов живот от нулата. Досега никой не успя, но ние изминахме дълъг път. Днес много учени, изучаващи произхода на живота, са уверени, че са на прав път - и имат експерименти, които подкрепят тяхната увереност в това.
Това е историята на нашите усилия да установим истинския си произход. Това е история за мания, борба и блестящо творчество, довело до едни от най-големите открития в съвременната наука. Желанието да разберем произхода на живота изпрати мъже и жени в най-отдалечените кътчета на нашата планета. Някои учени се считаха за дяволи в плътта, а други продължават да работят под палеца на бруталните тоталитарни правителства.
Това е историята на зараждането на живота на Земята.
Всъщност динозаврите са живели не толкова отдавна.
Животът е стар. Динозаврите - най-известните изчезнали същества - се появяват преди 250 милиона години. Но животът започна много, много по-рано.
Най-старият известен рекорд на изкопаеми е на възраст около 3,5 милиарда години, 14 пъти по-дълъг от най-старите динозаври. Но вкаменелостта може да ни отведе още повече. Например само през август 2016 г. учените откриха вкаменени микроби на възраст 3,7 милиарда години.
Промоционално видео:
Тези вълнообразни модели могат да бъдат на възраст 3,7 милиарда години
Самата Земя не е много по-стара, тя е на 4,5 милиарда години.
Ако приемем, че животът е възникнал на Земята - което изглежда разумно, като се има предвид, че все още не сме го намерили другаде - тогава това трябва да се е случило през милиарда години, изминали между формирането на Земята и появата на най-старите известни вкаменелости.
Чрез стесняване на диапазона от времена, в които животът може да се е появил, можем да направим образовани предположения за това как се е случило.
Дървото на живота: повечето бактерии и археи
От 19 век биолозите знаят, че всички живи същества са съставени от "клетки": малки торбички с жива материя, които се предлагат във всякакви форми и размери. Клетките са открити за първи път през 17 век, благодарение на изобретяването на първите микроскопи, но са били необходими повече от сто години, за да се осъзнае, че те са в основата на целия живот.
Със сигурност не изглеждате като сом или тиранозавър, но микроскоп ще покаже, че сте направени от почти същите клетки. Като растенията и гъбите. Но досега най-многобройната форма на живот са микроорганизмите, състоящи се от една клетка. Бактериите са най-известната група и могат да бъдат намерени навсякъде по Земята.
През април 2016 г. учените представиха актуализирана версия на „дървото на живота“: в известен смисъл родословното дърво на всеки жив вид. Почти всички клонове са бактерии. Освен това формата на тези клони подсказва, че бактериите са били общият прародител на целия живот. С други думи, всяко живо същество - включително и вие - идва от бактерии.
Оказва се, че можем по-точно да определим проблема за произхода на живота. Използвайки само материали и условия, които са били на Земята преди 3,5 милиарда години, трябва да направим клетка.
Колко трудно ще бъде?
Цяла жива клетка
Първи експерименти
През по-голямата част от историята никой не смяташе за необходимо да пита как възниква животът, тъй като отговорът изглеждаше очевиден. До 1800 г. повечето хора са вярвали в „витализма“. Това е интуитивна идея, че живите същества са надарени със специално, магическо свойство, което ги отличава от неодушевените предмети.
Витализмът често се свързва с религиозни вярвания. Библията казва, че Бог използва „диханието на живота“, за да възроди първите хора, а безсмъртната душа е форма на витализъм.
Има само един проблем. Витализмът е пълна глупост.
До началото на 1800 г. учените са открили няколко вещества, които изглеждаха уникални за живота. Едно такова съединение е урея, която е открита в урината и се екскретира през 1799г. Само това все още се вписва в концепцията за витализъм. Само живите същества успяха да произведат тези химикали, така че те очевидно бяха заредени с жизнена енергия и това ги направи специални.
Но през 1828 г. немският химик Фридрих Вьолер намери начин да направи урея от общ химикал, амониев цианат, който нямаше очевидна връзка с живите същества. Други последваха примера и скоро стана ясно, че химикалите на живота могат да бъдат направени от по-прости химикали, които нямат нищо общо с живота.
Фридрих Вьолер, немски химик
Това беше краят на витализма като научна концепция. Но на хората им беше трудно да се разделят с тази идея. На много хора изглеждаше, че да кажат, че няма нищо „особено“в химикалите на живота, е като да отнемеш магията си от живота, да я направиш механична или бездушна. И, разбира се, беше в разрез с Библията.
Дори учени се опитват да спасят витализма. Още през 1913 г. английският биохимик Бенджамин Мур пламенно популяризира теорията за "биотичната енергия", която беше същото витализъм, но с различно име. Тази идея имаше силен емоционален обертон.
Дори и днес обаче тази идея понякога се появява тук-там. Например, има много истории за научна фантастика, в които „енергията на живота“може да бъде увеличена или изсмукана. Помислете за „енергията на регенерация“, използвана от Времените лордове в „Доктор Кой“. Изглежда необичайно, но това е много, много стара идея.
След 1828 г. обаче учените имат основателни причини да търсят „безбожно“обяснение за първата поява на живота. Но не го направиха. Изглежда, че тази тема трябва да бъде проучена, но всъщност мистерията на произхода на живота се игнорира от десетилетия. Може би те все още бяха твърде привързани към витализма, за да направят следващата стъпка.
Чарлз Дарвин показа, че целият живот произхожда от един общ предшественик
Вместо това гигантският скок напред в биологията през 19 век е теорията за еволюцията, разработена от Чарлз Дарвин и други.
Теорията на Дарвин, изложена в „Произходът на видовете“през 1859 г., обясни как цялото това многообразие на живота може да се появи от един общ предшественик. Всеки отделен вид вече не е създаден от Бог, а произхожда от древен организъм, живял преди милиони години: последният универсален общ прародител.
Тази идея се оказа изключително противоречива, отново защото не отговаряше на Библията. Дарвин и неговите идеи попаднаха под атака на частично възмутени християни.
Теорията на еволюцията не каза нищо за това как се е появил първият организъм.
Дарвин вярваше, че животът се е появил в "топло малко езерце"
Дарвин знаеше, че това е дълбок въпрос, но - може би се страхуваше от нови атаки от църквата - се осмели да го обсъди едва през 1871 година. Настоящият тон на писмото показва, че той знае дълбокия смисъл на този въпрос:
„Но ако (и о, какво голямо„ ако “) можем да си представим малко топло езерце с всички видове амоняк и фосфорна сол - със светлина, топлина, електричество - в които протеиновото съединение би било химически образувано, готово да премине през още повече сложни промени …"
С други думи, ами ако някога имаше малко водно тяло, напълнено с прости органични съединения и окъпано в слънчева светлина? Някои от тези съединения могат да се комбинират, за да образуват полуживо вещество като протеин, който може да започне да се развива и да стане по-сложен.
Тази идея беше повърхностна. Но тя бе в основата на първата хипотеза за възникването на живота.
Любопитното е, че тази хипотеза се появи в СССР.
Александър Опарин е живял и работил в СССР
По времето на Сталин всичко било под контрола на държавата. Дори идеите на хора, биолози, които не са свързани с комунистическата политика. Забележително е, че Сталин всъщност забрани на учените да изучават конвенционалната генетика. Вместо това той популяризира идеите на фермера Трофим Лисенко, които според него са в по-голяма степен с комунистическата идеология. Учените, работещи в областта на генетиката, бяха принудени публично да подкрепят идеите на Лисенко, за да не се озоват в лагерите.
Именно в такава репресивна среда Александър Опарин проведе своите изследвания в областта на биохимията. Можеше да работи, защото беше всеотдаен комунист: подкрепяше идеите на Лисенко и дори получава орден Ленин, най-високото отличие на съветската епоха.
През 1924 г. Опарин публикува творбата си „Произходът на живота“. В него той очерта своето виждане за произхода на живота, което беше поразително подобно на малкото топло езерце на Дарвин.
Океаните, образувани след охлаждането на Земята
Опарин се опита да си представи каква е Земята след образуването. Повърхността беше гореща, когато скали паднаха от космоса. Месец от полуразширени скали, съдържащ огромен набор от химикали, включително тези, базирани на въглерод.
В крайна сметка Земята се охлади достатъчно, за да може водната пара да се кондензира в течна вода и първият дъжд започна да пада. Напълни земните океани, които бяха горещи и богати на въглеродни химикали. Какво ви трябва за живота.
Отначало различни химикали взаимодействаха помежду си, за да образуват много нови съединения, някои от които бяха сложни. Опарин предположи, че молекулите, важни за живота, захарите и аминокиселините, биха могли да се образуват във водите на Земята.
Тогава някои от химикалите започнаха да образуват микроскопични структури. Много органични вещества не се разтварят във вода: например маслата образуват слой отгоре. Но когато някои от тези вещества влязат в контакт с вода, те образуват сферични "коацерватни" топки, които могат да бъдат с дължина до 0,01 сантиметра.
Ако погледнете коацерватите чрез микроскоп, те се държат много подвижно, като живи клетки. Те растат и променят формата си, понякога се разделят на две части. Те също могат да вземат химикали от заобикалящата вода, така че да се окажат с животоподобни химикали. Опарин предположи, че коацерватите са предци на съвременните клетки.
Пет години по-късно, през 1929 г., английският биолог Джон Бърдън Сандерсън Халдейн независимо предлага много подобни идеи в кратка статия, публикувана в Rationalist Annual.
По това време Халдан вече е допринесъл много за теорията на еволюцията, помагайки за интегрирането на идеите на Дарвин в развиващата се наука на генетиката.
Английският генетик Дж. Халдейн
Подобно на Опарин, Халдан описва как органичната материя може да се натрупва във водата, "докато първичните океани достигнат консистенцията на гореща, разредена супа". Това би поставило сцената за „първите живи или полуживи неща“, които се образували и завършвали в тънък филм с масло.
Показателно е, че сред всички биолози по света само Опарин и Халдан стигнаха до това. Идеята, че живите организми могат да се образуват чрез прости химични реакции, без Бог или дори „жизнена сила“, беше радикална. Подобно на теорията на Дарвин за еволюцията преди нея, тя също беше шамар в лицето на християнството.
Но той се вписва перфектно в рамките на СССР. Съветският режим беше официално атеистичен и неговите лидери с радост подкрепиха всяко материалистично обяснение за дълбоки явления като живота. Халдейн също беше атеист и комунист, който се зареждаше.
„По онова време приемането или отхвърлянето на дадена идея зависеше главно от индивида: дали той е религиозен, дали подкрепя леви или комунистически идеи“, казва експертът по произход на живота Армен Мулкиджанян от университета в Оснабрук в Германия. „В Съветския съюз те бяха приети с радост, защото нямаха нужда от Бог. В западния свят, ако погледнете хората, които мислеха в тази посока, всички те бяха левичари, комунисти и т.н."
Идеята, че животът се е образувал в първичен бульон от органична материя, стана хипотезата на Опарин-Халдан. Тя беше чиста и убедителна, но имаше един проблем. Тя не беше подкрепена от никакви експериментални доказателства. И така продължи почти четвърт век.
Харолд Урей
По времето, когато Харолд Урей се интересува от произхода на живота, той вече печели Нобеловата награда за химия от 1934 г. и помага за изграждането на атомната бомба. По време на Втората световна война Юри работи по проекта в Манхатън, като събира нестабилния уран-235, необходим за ядрото на бомбата. След войната той се бори да държи ядрените технологии под граждански контрол.
Той също се заинтересува от химията на космоса, по-специално какво се е случило по време на формирането на Слънчевата система. Един ден той изнесе лекция и отбеляза, че най-вероятно няма кислород в земната атмосфера при първото й образуване. Това беше идеалното допълнение към основния бульон на Опарин и Халдан: крехките химикали могат да бъдат унищожени при контакт с кислород.
Докторант на име Стенли Милър беше сред публиката и след това се обърна към Юри с въпрос: може ли тази идея да бъде тествана? Юри беше скептичен, но Милър настояваше сам. Така през 1952 г. Милър започва най-известния експеримент за произхода на живота.
Експеримент Милър-Урей
Настройките бяха прости. Милър свърза серия от стъклени колби и изстреля четири химикали, които може да са присъствали на ранната Земя: вряща вода, водороден газ, амоняк и метан. След това той подлагал газовете на многократни електрически удари, за да симулира ударите на мълния, които са били обичайни на Земята в онези дни.
Милър откри, че "водата във флаконите става значително по-розова след първия ден и до края на седмицата разтворът е червен и мътен". Явно се е образувала смес от химикали.
След анализ на сместа, Милър откри, че тя съдържа две аминокиселини: глицин и аланин. Аминокиселините често се наричат градивните елементи на живота. Те се използват за образуване на протеини, които контролират по-голямата част от биохимичните процеси в нашите тела. Милър изгради от основата два основни компонента на живота.
Резултатите са публикувани в престижното списание Science през 1953 година. Юри направи нещо много необичайно за висшите учени, свали името си от работата си и отдаде цялата заслуга на Милър. Въпреки това, изследването често се нарича експеримент Милър-Урей.
Стенли Милър в лабораторията
„Силата на Милър-Урей е, че можете да произвеждате много биологични молекули само от атмосферата“, казва Джон Съдърланд от лабораторията за молекулярна биология в Кеймбридж, Великобритания.
Детайлите се оказаха неточни, тъй като по-късни проучвания показаха, че атмосферата на ранната Земя е различна смес от газове. Но това не променя факта. Експериментът беше успешен, стимулира въображението на публиката и избухна в цитати.
След експеримента на Милър други учени започват да търсят начини да създадат прости биологични молекули от нулата. Изглежда решението на мистерията за произхода на живота.
Но тогава се оказа, че животът е по-труден, отколкото някой си е мислил. Живите клетки не бяха само торбички с химикали: те бяха мънички мънички машини. Изведнъж изграждането на клетка от нулата се оказа много по-трудно, отколкото учените смятаха.
ИЛЯ КХЕЛ
- Част втора: Разцепление в редиците на учените -
- Трета част: в търсене на първия репликатор -
- Четвърта част: енергията на протоните -
- Част пета: така как да създадете клетка? -
- част шеста: Голямото обединение -
