- Az első rész: Hogyan készítsünk ketrecet -
- Második rész: A felosztás a tudósok körében -
- Harmadik rész: az első replikátor keresésekor -
- Ötödik rész: hogyan lehet létrehozni egy cellát? -
- Hatodik rész: A nagy egyesülés -
A második fejezetben megtudtuk, hogyan oszlanak meg a tudósok három gondozási iskolába, tükrözve az élet eredetét. Az egyik csoport meg volt győződve arról, hogy az élet RNS-molekulával kezdődik, de nem tudta megmutatni, hogy az RNS vagy hasonló molekulák spontán módon képesek-e kialakulni a korai földön, majd másolatot készíteni magukról. Erőfeszítéseik eleinte biztatóak voltak, de végül csak a csalódás maradt. Ugyanakkor más életútbeli kutatók, akik eltérő utat választottak, hoztak néhány eredményt.
Az RNS világelmélete egy egyszerű ötleten alapul: a legfontosabb dolog, amelyet az élő organizmus megtehet, az önmagának a szaporodása. Sok biológus egyetért ezzel. A baktériumoktól a kék bálnáig minden élőlény utódot keres.
Számos életkori kutató azonban a reprodukciót alapvető fontosságúnak nem tartja. Mielőtt egy szervezet szaporodni állítanák, önállóvá kell válnia. Életben kell tartania magát. Végül is nem lehet gyermeke, ha előbb meghal.
Élelmezésben tartjuk magunkat; a zöld növények ezt úgy végezzék el, hogy az energiát a napfényből kinyerik. Első pillantásra a lédús steak eszik nagyon különbözik a leveles tölgyfától, de ha ránézünk, mindkettőnek energiare van szüksége.
Ezt a folyamatot anyagcserének hívják. Először energiát kell szereznie; mondjuk az energiagazdag vegyszerekből, például a cukorból. Akkor ezt az energiát valami hasznos, például sejtek felépítéséhez kell felhasználnia.
Ez az energiafelhasználási folyamat annyira fontos, hogy sok kutató úgy véli, hogy ez az első, amelyből az élet kezdődött.
A vulkáni víz forró és ásványi anyagokban gazdag
Promóciós videó:
Milyenek lennének ezek a csak metabolikus szervezetek? Az egyik legérdekesebb feltevés az 1980-as évek végén történt Gunther Wachtershauser által. Nem volt teljes munkaidős tudós, hanem szabadalmi ügyvéd, kevéssé tudott a kémiáról.
Wachtershauser azt állította, hogy az első organizmusok "gyökeresen különböznek mindentől, amit tudtunk". Nem sejtekből készültek. Nem voltak enzimek, DNS vagy RNS. Nem, Wachtershauser ehelyett elképzelte, hogy egy vulkán melegvíz áramlik ki. Ez a víz gazdag vulkáni gázokban, például ammóniában, és ásványok nyomait tartalmazza a vulkán szívéből.
Ahol a víz átfolyott a sziklákon, kémiai reakciók kezdtek zajlani. Különösen a vízből származó fémek elősegítették az egyszerű szerves vegyületek nagyobb csoportokba történő beolvadását. A fordulópont az első anyagcsere-ciklus létrehozása volt. Ez egy folyamat, amelynek során az egyik vegyi anyagot számos más vegyi anyaggá alakítják, amíg az eredeti anyagot végül újra nem hozzák létre. A folyamat során az egész rendszer felgyülemlik az energiát, amely felhasználható a ciklus újraindítására - és egyéb célokra.
Minden más, ami egy modern szervezetet alkot - DNS, sejtek, agy - később jelent meg, ezen kémiai ciklusok tetején. Ezek az anyagcsere-ciklusok egyáltalán nem hasonlítanak az élethez. Wachtershauser találmányát „organizmusok prekurzorainak” nevezte, és azt írta, hogy „alig lehetnek életnek hívhatók”.
De az anyagcsere-ciklusok, mint amilyeneket Wachtershauser ismertet, az élet középpontjában állnak. Sejtjeitek lényegében mikroszkopikus kémiai gyárak, amelyek folyamatosan lepárolják az anyagokat a másikra. A metabolikus ciklusokat nem lehet életnek nevezni, de alapvetõek az életben.
Az 1980-as és 1990-es években Wachtershauser az elmélet részleteivel foglalkozott. Rámutatott, mely ásványok lennének a legmegfelelőbbek és melyik kémiai ciklusok kerülhetnek sor. Ötletei elkezdenek vonzani a támogatókat.
De mindez tisztán elméleti volt. Wachtershausernek valódi felfedezésre volt szüksége az ötleteinek támogatásához. Szerencsére már tíz évvel korábban megtették.
Források a Csendes-óceánon
1977-ben Jack Corliss vezetésével az Oregon Állami Egyetemen 2,5 km-re zuhant a Csendes-óceán keleti része. Tanulmányozták a Galapagos meleg forrásait olyan helyeken, ahol magas gerincek emelkedtek a tengerfenékről. Ezek a gerincek vulkanikusan aktívak voltak.
Corliss rájött, hogy ezeket a gerinceket szó szerint forró források pontozják. Forró, vegyi anyagokban gazdag víz emelkedik a tengerfenék alatt, és átfolyik a sziklák lyukain.
Hihetetlen, hogy ezeket a hidrotermikus szellőzőnyílásokat furcsa állatokkal sűrűn lakották. Hatalmas kagyló, kagyló és annelide volt. A víz szintén erősen telített volt baktériumokkal. Mindezek a szervezetek a hidrotermikus szellőzők energiáján éltek.
Ezeknek a forrásoknak a felfedezése nevet adott Corlissnek. És arra késztetett. 1981-ben azt javasolta, hogy ilyen szellőzőnyílások létezzenek a Földön négy milliárd évvel ezelőtt, és hogy ezek váljanak az élet származási helyévé. Karrierjének oroszlánrészét a kérdés tanulmányozására szentelte.
A hidrotermikus szellőzőnyílások furcsa életűek
Corliss szerint a hidrotermikus szellőzőnyílások vegyi anyagok koktélokat hozhatnak létre. Azt mondta, hogy minden egyes forrás egyfajta permetlé az őslevesről.
Ahogy a forró víz átfolyott a sziklákon, a hő és a nyomás az egyszerű szerves vegyületeket összetettebb vegyületekké olvadták össze, például aminosavak, nukleotidok és cukrok. Az óceán határához közelebb, ahol a víz nem volt olyan forró, láncokban kezdtek összekapcsolódni - szénhidrátokat, fehérjéket és nukleotidokat képeztek, mint például a DNS. Aztán, amikor a víz megközelítette az óceánt, és még inkább lehűlt, ezek a molekulák egyszerű sejtekbe gyűltek össze.
Érdekes volt, az elmélet felhívta az emberek figyelmét. De Stanley Miller, akinek a kísérletét az első részben tárgyaltuk, nem hitt abban. 1988-ban azt írta, hogy a mély nyílások túl melegek.
Noha az intenzív hő olyan vegyszereket hozhat elő, mint az aminosavak, Miller kísérletei kimutatták, hogy ezek megsemmisíthetik őket. Az olyan alapvegyületek, mint a cukrok "néhány másodpercig életben maradhatnak, már nem." Ráadásul ezek az egyszerű molekulák nem valószínű, hogy láncokba kötődnek, mivel a környező víz azonnal elválasztja őket.
Ebben a szakaszban Mike Russell geológus csatlakozott a csatához. Úgy gondolta, hogy a hidrotermikus szellőzők elmélete elég helyes lehet. Sőt, neki is úgy tűnt, hogy ezek a források ideális otthona lesznek a Wachtershauser organizmus elődeinek. Ez az inspiráció vezette őt az élet legszélesebb körben elfogadott elméleteinek kidolgozásához.
Michael Russell geológus
Russell pályafutása számos érdekes dolgot tartalmazott - készített aszpirint, értékes ásványokat keresve -, és az 1960-as évek egyik figyelemre méltó eseményében az előkészítés hiánya ellenére koordinálta az esetleges vulkánkitörés kezelését. De inkább azt érdekli, hogy a Föld felszíne hogyan változott meg az örökkévalók felett. Ez a geológiai perspektíva ösztönözte az élet eredetéről szóló elképzeléseit.
Az 1980-as években fosszilis bizonyítékokat talált egy kevésbé turbulens típusú hidrotermális vénában, ahol a hőmérséklet nem haladta meg a 150 Celsius fokot. Ezek az enyhe hőmérsékletek - mondta - megengedhetik, hogy az élet molekulái hosszabb ideig éljenek, mint Miller gondolta.
Ezen túlmenően, a "hűvös" szellőzők fosszilis maradványai valami furcsát tartalmaztak: az ásványi pirit, amely vasból és kénből áll, 1 mm átmérőjű csövekben képződött. Miközben a laboratóriumban dolgozott, Russell rájött, hogy a pirit gömb alakú cseppecskéket is képezhet. És azt javasolta, hogy az első komplex szerves molekulák képeződhessenek ezen egyszerű pirit szerkezetek belsejében.
Vaspirit
Wachtershauser ekkor kezdte közzétenni ötleteit, amelyek az ásványokon átáramló forró, kémiailag dúsított víz áramlásán alapultak. Azt is javasolta, hogy a pirit szerepeljen benne.
Russell kettőt és kettőt adott hozzá. Javasolta, hogy a hidrotermikus szellőzőnyílások mélyen a tengerben legyenek, elég hidegek ahhoz, hogy pirittestruktúrák alakuljanak ki, a Wachtershauser organizmusok előfutárainak. Ha Russellnek igaza volt, az élet a tenger fenekén kezdődött - és először megjelent az anyagcsere.
Russell mindent összetette egy 1993-ban, 40 évvel Miller klasszikus kísérlete után kiadott papírban. Nem ugyanazt a médiajelzést generálta, de vitathatatlanul fontosabb volt. Russell két látszólag különálló ötletet - a Wachtershauser anyagcsere-ciklust és a Corliss hidrotermikus szellőzőnyílásait - valami igazán vonzóvá tette.
Russell még magyarázatot adott arra, hogy az első organizmusok hogyan kapják meg energiájukat. Vagyis megértette, hogyan működhet az anyagcseréjük. Ötlete a modern tudomány egyik elfeledett zsenikének munkáján alapult.
Peter Mitchell, Nobel-díjas
Az 1960-as években Peter Mitchell biokémikus megbetegedett és kénytelen volt visszavonulni az Edinburghi Egyetemen. Ehelyett magánlaboratóriumot állított fel egy távoli birtokon, Cornwallban. A tudományos közösségtől elkülönítve munkáját egy tejelő tehenek állományával finanszírozta. Sok biokémikus, köztük Leslie Orgel, akinek az RNS-vel kapcsolatos munkáját a második részben tárgyaltuk, Mitchell ötleteit teljesen nevetségesnek tartotta.
Néhány évtizeddel később Mitchell abszolút győzelmet várt: az 1978. évi kémiai Nobel-díjat. Nem vált híressé, de ötletei megtalálhatók ma minden biológiai tankönyvben. Mitchell karrierje során kitalálta, mit csinálnak az organizmusok az ételekből származó energiával. Alapvetően azon töprengett, vajon hogyan sikerül mindannyian másodpercenként életben maradni.
Tudta, hogy minden sejt energiáját egy molekulában tárolja: adenozin-trifoszfát (ATP). Az adenozinhoz három foszfát lánc kapcsolódik. Harmadik foszfát hozzáadása sok energiát igényel, amelyet ezután bekapcsol az ATP-be.
Amikor egy sejtnek energiára van szüksége - például amikor egy izom összehúzódik -, egy harmadik foszfát lebontja az ATP-t. Ez átalakítja az ATP-t adenozidifoszfáttá (ADP) és felszabadítja a tárolt energiát. Mitchell meg akarta tudni, hogy a cellák hogyan generálják az ATP-t általában. Hogyan tárol elegendő energiát az ADP-ben a harmadik foszfát rögzítéséhez?
Mitchell tudta, hogy az ATP-t előállító enzim a membránban van. Ezért feltételeztem, hogy a sejt pumpálja a töltött részecskéket (protonokat) a membránon keresztül, oly sok proton van az egyik oldalon, a másik oldalon azonban nem.
A protonok ezután megpróbálnak visszajutni a membránon keresztül, hogy kiegyenlítsék a protonok számát mindkét oldalon - de az egyetlen hely, amelyen keresztülmenhetnek, az enzim. Az áramló protonok áramlása így biztosítja az enzim számára az ATP létrehozásához szükséges energiát.
Mitchell először 1961-ben mutatta be ötletét. A következő 15 évben minden oldalát megvédte, amíg a bizonyítékok nem tagadhatók meg. Most már tudjuk, hogy a Mitchell-folyamatot a Föld minden élőlénye használja. Jelenleg a sejtekben áramlik. A DNS-hez hasonlóan ez is az ismeretes élet mögött áll.
Russell kölcsönvette a Mitchell-től a protongradiens gondolatát: sok proton van a membrán egyik oldalán és kevés a másikon. Minden sejtnek protongradiensre van szüksége az energia tárolására.
A modern sejtek gradienseket hoznak létre a protonok membránokon keresztüli szivattyúzásával, de ehhez összetett molekuláris mechanizmust kell igénybe venni, amely egyszerűen nem tudott megjelenni önmagában. Russell tehát újabb logikai lépést tett: az életnek valahol természetes protongradienssel kellett kialakulnia.
Például, valahol a hidrotermikus szellőzők közelében. De egy speciális forrásnak kell lennie. Amikor a Föld fiatal volt, a tengerek savasak voltak, és a savas vízben sok proton van. Protongradiens létrehozásához a forrásvíznek alacsony protonszintűnek kell lennie: lúgosnak kell lennie.
Corliss forrásai nem illeszkedtek egymáshoz. Nem csak túl meleg volt, hanem savanyú is. De 2000-ben Deborah Kelly, a washingtoni egyetem felfedezte az első lúgos forrásokat.
Elveszett város
Kellynek keményen kellett dolgoznia ahhoz, hogy tudóssá váljon. Apja meghalt, miközben befejezte a középiskolát, és arra kényszerült, hogy dolgozzon, hogy egyetemen maradjon. De megbirkózott, és a víz alatti vulkánokat és az égő forró hidrotermális forrásokat választotta érdeklődésének tárgyát. Ez a pár elhozta az atlanti-óceán központjába. Ezen a ponton a földkéreg repedt, és a tengerfenékből hegyvidék emelkedett.
Ezen a gerincen Kelly felfedezte a hidrotermikus szellőzőnyílások mezőjét, amelyet "Az elveszett városnak" nevezte. Nem úgy nézett ki, mint a Corliss. A víz 40-75 Celsius fokos hőmérsékleten távozott belőlük, enyhén lúgos volt. Az ebből a vízből származó karbonátos ásványok meredek, fehér "füstcsomókká" gyűltek össze, amelyek a tengerfenékből szerves csövekként emelkedtek fel. Hátborzongató és kísértetiesnek néznek ki, de nem így vannak: sok mikroorganizmus otthona.
Ezek az alkáli szellõzõk tökéletesen illeszkednek Russell ötleteihez. Meggyőződése, hogy az élet ilyen „elveszett városokban” jelent meg. De volt egy probléma. Geológusként nem sokat tudott a biológiai sejtekről, hogy elméletét meggyőzően tudja bemutatni.
Egy oszlop füst a "fekete dohányzó szobából"
Tehát Russell összeállt William Martin biológussal. 2003-ban mutatták be Russell korábbi ötleteinek továbbfejlesztett változatát. És ez valószínűleg a legjobb elmélet az élet megjelenéséről jelenleg.
Kellynek köszönhetően most már tudták, hogy az lúgos források kőzete porózus: apró, vízzel kitöltött lyukak vannak pontozva. Ezek az apró zsebek, állításuk szerint "sejtekként" viselkedtek. Mindegyik zseb alapvegyületeket tartalmazott, beleértve a piritot is. A forrásokból származó természetes protongradienssel kombinálva ők voltak a tökéletes hely az anyagcsere megkezdéséhez.
Miután az élet megtanulta a forrásvizek energiáját hasznosítani, mondják Russell és Martin, olyan molekulákat kezdett létrehozni, mint az RNS. Végül létrehozott egy membránt maga számára, és valódi cellává vált, amely a porózus kőzetről nyílt vízbe menekült.
Egy ilyen cselekményt jelenleg az élet eredetével kapcsolatos egyik legfontosabb hipotézisnek tekintünk.
A sejtek hidrotermikus szellőzőnyílásoktól menekülnek
2016 júliusában támogatást kapott, amikor Martin kiadta egy tanulmányt, amely rekonstruálja az "utolsó egyetemes közös őse" (LUCA) néhány részletét. Ez egy olyan szervezet, amely több milliárd évvel ezelőtt élt, és amelyből az összes létező élet származik.
Valószínűtlen, hogy valaha is találunk közvetlen megkövesedett bizonyítékokat ennek a szervezetnek a létezéséről, mindazonáltal mindent megteszünk, hogy kitaláljuk, hogyan néz ki és mit tett napjaink mikroorganizmusainak tanulmányozása során. Ezt tette Martin.
Megvizsgálta az 1930-as modern mikroorganizmusok DNS-ét és 355 gént azonosított, amelyek szinte mindenkinek rendelkeztek. Ez meggyőző bizonyíték arra, hogy ezen 355 gén nemzedékek és nemzedékek útján átjutott egy közös ősből - az utolsó egyetemes őse életének idején.
Ezek a 355 gén egyesek bekapcsolnak, hogy használják a protongradienst, de nem azért, hogy előállítsák, ahogy Russell és Martin jósolták. Sőt, úgy tűnik, hogy a LUCA adaptálódott olyan vegyszerek jelenlétéhez, mint a metán, ami arra utal, hogy egy vulkanikusan aktív, szellőzőszerű környezetben lakik.
Az "RNS-világ" hipotézisének támogatói e probléma két problémájára mutatnak rá. Az egyik rögzíthető; a másik végzetes lehet.
Hidrotermikus források
Az első probléma az, hogy nincs kísérleti bizonyíték a Russell és Martin által leírt folyamatokról. Lépésről lépésre vannak előzményeik, de ezeknek a lépéseknek a megfigyelését a laboratóriumban nem figyelték meg.
"Azok az emberek, akik úgy vélik, hogy az egész reprodukcióval kezdődött, folyamatosan új kísérleti adatokat találnak" - mondja Armen Mulkidzhanyan. "Azok, akik az anyagcseréért állnak, nem."
De ez megváltozhat, köszönhetően Martin kollégájának, Nick Lane-nek, a University College London-nak. Épített egy "Életreaktort", amely egy lúgos forráson belüli körülményeket szimulál. Reméli, hogy meglátogatja a metabolikus ciklusokat, és talán még olyan molekulákat is, mint az RNS. De még túl korai.
A második probléma a források elhelyezkedése a mélytengeren. Amint Miller 1988-ban megjegyezte, a hosszú láncú molekulák, mint például az RNS és a fehérjék, nem képezhetnek vízben kiegészítő enzimek nélkül.
Sok tudós számára ez végzetes érv. "Ha jól játszik a kémia, akkor nem fogja megvesztegetni a mélytengeri források gondolata, mert tudod, hogy ezeknek a molekuláknak a kémiája nem összeegyeztethető a vízzel" - mondja Mulkidzhanian.
Russell és szövetségesei azonban továbbra is optimistaak.
Csak az elmúlt évtizedben került előtérbe egy harmadik megközelítés, amelyet számos szokatlan kísérlet támasztott alá. Olyan ígéretet ígér, amit sem az RNS világ, sem a hidrotermikus szellőzőnyílások nem tudtak elérni: a teljes sejt semmiből történő létrehozásának módja. Erről bővebben a következő részben.
ILYA KHEL
- Az első rész: Hogyan készítsünk ketrecet -
- Második rész: A felosztás a tudósok körében -
- Harmadik rész: az első replikátor keresésekor -
- Ötödik rész: hogyan lehet létrehozni egy cellát? -
- Hatodik rész: A nagy egyesülés -