I början av 2000-x år har forskare identifierat två huvudsakliga idéer om hur livet kan utvecklas. Anhängare av “RNA-värld” var övertygad om att livet började med självreproducerande molekyler. På samma gång, forskare i lägret “metabolism första” att tro att livet kan visas i hydrotermiska ventiler på havets botten. Och ändå i framkant av den tredje tanken.
Del ett: hur man gör en bur?
Del två: den split i raden av forskare
Del tre: en sökning för första Replicator
Del fyra: energi av protoner
Varje levande varelse på Jorden består av celler. Varje cell är i huvudsak en mjuk boll, beanbag, med ett tufft yttre vägg eller ett “membran”. Uppgift i cellen är att hålla alla Essentials tillsammans. Om den yttre väggen är trasig inuti kommer att sippra ut och kommer cellen att dö — precis som rensad.
Den yttre väggen av celler är så viktigt att en del forskare av livets ursprung ens tror att det hände först. De tror att de strategier som “genetik första”, som vi diskuterade i den andra delen, och “metabolism första,” som vi diskuterade i den fjärde delen, felaktiga. Alternativa första “uppdelning” — presenteras av pier Luigi Luisi från University of Roma Tre i Rom, Italien.
Allt levande består av celler
Tanken Luisi enkelt, och det är svårt att argumentera. Hur kommer du att skapa en fungerande metabola systemet eller självreplikerande RNA, som var och en bygger på förekomsten av ett stort antal kemikalier på ett ställe, om du inte först göra en behållare som håller allt samman molekylerna.
Om du håller med om detta, det finns bara ett sätt, som skulle kunna börja livet. På något sätt, i hettan och stormen av den tidiga Jorden, flera råvaror bildades i grova celler eller “protocells”. Det återstår bara att upprepa det i laboratoriet för att skapa en enkel, levande cell.
Luisi idéer kan spåras ända fram till Alexander Oparin och dawn of science på ursprunget av livet i Sovjetunionen, som vi diskuterade i den första delen. Oparin betonade det faktum att vissa kemikalier orsaka blodproppar — coacervate — som kan innehålla andra ämnen på insidan. Han föreslog att coacervate var den första protocells.
Någon fet eller oljig substans att bilda blodproppar eller film i vatten. Dessa kemikalier som kallas lipider. Därför hypotesen, att de började livet, som kallas “lipid världen”.
Men bara bilda blodproppar är inte tillräckligt. De bör vara stabil för att kunna delas in i sub-kluster och åtminstone lite kontroll över vad som händer inuti och gå utanför — alla utan komplexa proteiner, som använder modern celler för dessa uppgifter.
De behövs för att samla in sådana protocells av alla nödvändiga material. Trots många försök under många år, Luisi aldrig gjorde något med lite övertygande. Och sedan, 1994, han dristade sig till att göra ett vågat antagande. Han föreslog att den första protocells hade innehåller RNA. Dessutom, detta RNA kunna spelas inom den protocells.
När buren är fortfarande det
Och se, hans hypotes har blivit så komplicerat och flyttade bort från den rena strategin första “uppdelning”. Men Luisi är en giltig punkt.
Bur med yttre väggar, men utan inälvor, lite. Kanske hon kan dela med sig till dottercellerna, men skulle inte överföra någon information om dig själv till eftervärlden. Hon kunde börja utvecklas och bli mer komplexa endast i närvaro av vissa gener.
Snart idén hittade en kraftfull förespråkare för den person av Jack Shostak, vars arbete på “RNA-värld” vi har studerat i den tredje delen. Luisi var en medlem av lägret första “uppdelning”, Shostak stödde “genetik första” och under många år har de aldrig träffat ansikte mot ansikte.
Nästan alla encelliga livet
“Vi träffades på möten på frågan om livets ursprung och började dessa långa diskussioner om vad som var viktigt och vad som kom först,” säger Shostak. “Äntligen, vi insåg att cellerna hade båda. Vi kom fram till ett gemensamt yttrande om att livets ursprung, är det viktigt att ha uppdelning, och genetiska system.”
I 2001, szostaks och Luisi redogjorde för sin vision av denna enhetliga metod. I en artikel publicerad i Natire, de sägs att det ska vara möjligt att skapa en enkel, levande cell från scratch, placera en replikerande RNA i den normala en droppe fett.
Detta var en radikal idé. Mycket snart, Shostak bestämde sig för att ägna sig helt åt henne. Resonemanget att “vi kan inte lägga fram denna teori, det är inte backas upp av något”, bestämde han sig för att börja experimentera med protocells.
Två år senare, Szostak och två kollegor meddelade stor framgång.
Blåsor är enkel behållare som består av lipider
De experimenterade med blåsor: sfäriska droppar med två lager av fettsyror på den yttre sidan och den Centrala flytande kärna. Försöker hitta ett sätt att snabba upp skapandet av blåsor, tillade de små bitar av lera som kallas montmorillonite. Blåsor började bildas ungefär 100 gånger snabbare. Ytan av lera fungerat som en katalysator, som en typ av enzym.
Dessutom, blåsor kan absorbera så att partiklar av montmorilonite och RNA-kedjor från ytan av lera. Nu har dessa protocells hade gener och katalysator, och allt från en enkel Tillägg. Beslutet att lägga montmorillonite var inte bara. För flera årtionden, och många verk har föreslagit att montmorillonite och liknande leror kan vara av betydelse för uppkomsten av liv.
En bit av montmorillonite
Montmorillonite är en vanlig lera. För närvarande används det för de flesta olika fall, det är även kattsand gör. Det bildas när vulkanaskan bryter ner väder. Sedan början av Jorden var full av vulkaner, verkar det troligt att det var en hel del montmorillonite.
Redan 1986, kemisten James Ferris visade att montmorillonite fungerar som en katalysator som hjälper till att bilda organiska molekyler. Senare fann han att den lera påskyndar bildandet av siRNA.
Och sedan Ferris föreslog att denna intetsägande lera kan vara platsen för uppkomsten av liv. Shostak tog denna idé och införlivat det i arbetet med montmorillonite för byggandet av sitt protocells. Ett år senare, Shostak fann att hans protocells kan växa av sig själva.
Mer RNA-molekyler var i protocell, desto högre var trycket på den yttre väggen. Det verkar som om magen protocells var Packad och hon var redo att gå. För att kompensera för detta, protocell tog mer fettsyror och införlivade dem i väggarna, vilket gör svullen ännu mer och lättade spänningen.
Viktigast av allt, hon tog fettsyror från andra protocells där RNA var mindre, vilket får dem att teckna avtal. Om protocells var med och tävlade, och en där det var mer RNA, besegrade. Men om protocells kan växa, kan de dela? Om protocell Shostak att reproducera sig själv?
Celler är uppdelad i två
De första experimenten Shostak visade att metoden för att dela protocells verkligen är. Om du klämma in den i det lilla hålet och dra in i ett rör, protocell raster, som bildar en “dotter” protocells. Denna idé var bra eftersom det var inte deltog i någon cellulär mekanism: bara trycket. Men denna lösning var inte den bästa, eftersom protocells skulle förlora en del av innehållet i processen. Det innebar också att de första cellerna kan bara dela protiskivayas genom de små hålen.
Det finns många sätt att orsaka blåsor för att dividera. Du kan till exempel lägga till en stark ström av vatten. Det återstår bara att göra protocells att dela med sig och inte för att gå ner i tarmen. I 2009, Shostak och hans student ting Zhu hittat en lösning. De gjorde en lite mer komplex protocells med den yttre väggar i flera skikt, som liknar lagren av löken. Trots denna komplexitet, dessa protocells fortfarande var enkelt att skapa.
När Zhu var att utfodra dem fettsyror, protocells växte och ändrade form, som sträcker sig i en lång kinetophobia kedja. När protocell var nog länge, lätt-tillämpas kraft tillräcklig för att dela upp det i massor av små barn protocells.
Varje dotter protocell innehöll RNA i moderbolaget protocell och inte förlora någon RNA. Dessutom, protocells kunde upprepa cykeln hela tiden, ett dotterbolag till protocells växa och dela. Detta är en del av problemet verkar ha bestämt sig.
I efterföljande experiment, Zhu och Szostak finns ännu fler sätt att göra protocells att dela. Men fortfarande protocells missade en hel del. Luisi ville protocells kopiera RNA, men RNA satt bara i dem som inte gör någonting. För att visa att hans protocell skulle kunna vara det första livet på Jorden, Shostak som behövs för att göra RNA inuti dem spelbara.
Det var inte lätt, eftersom det, trots årtionden av försök, som anges i den tredje delen, — ingen kunde få RNA att reproducera sig själva. Samma problem körde Shostak i ett hörn i sitt första verk på “RNA-värld”, och ingen annan kunde lösa det. Så han gick tillbaka och läste Leslie Orgel, som så länge arbetat med hypotesen om RNA-världen. I dessa dammiga papper finns värdefulla ledtrådar.
Orgel tillbringade en hel del tid från 1970-talet till 1980-talet, studera kopiering av RNA-kedjor.
Den första cellen hade att rymma kemi liv
I själva verket är allt enkelt. Tar en del av RNA och en samling av fria nukleotider. Sedan, med hjälp av dessa nukleotider, montera andra delen av RNA, som komplement till den första. Till exempel, en kedja RNA “CGC” kommer att producera en kompletterande kedja “- modell nr: gcg”. Har gjort detta två gånger, kommer du att få en kopia av den ursprungliga “CGC”, bara på ett indirekt sätt.
Orgel fann att det under vissa omständigheter kedjan av RNA kan kopieras på detta sätt utan hjälp av enzymer. Förmodligen det första livet skapade kopior av deras gener.
1987 Orgel kunde ta den kedja av RNA-med en längd av 14 nukleotider och för att skapa kompletterande kedja längd av 14 nukleotider. Mer kunde han inte göra det, men det var tillräckligt för att intriger Shostak. Hans student Katarzyna Ademola försökt att starta en reaktion i protocells.
De fann att sådana reaktioner behöver magnesium. Men magnesium förstörde protocells. Ja, det var en enkel lösning: citrat, som är nästan identisk med citronsyra och som finns i alla levande celler.
I en studie som publicerades under 2013, de har lagt citrate och fann att han var insvept i magnesium, skydda protocells och ger mönster för att fortsätta att kopieras. Med andra ord, de kunde göra vad Luisi erbjöds 1994. “Vi lanserade kemi av RNA-replikation inom dessa fettsyror blåsor, säger Szostak.
Protocells Shostak kan leva i en stark värme
På bara tio år av forskning laget Shostak lyckats att göra det otänkbara.
De skapade protocells att bevara sina gener, samtidigt som man tar bort användbar molekyler från utsidan. Dessa protocells kan växa och dela sig, och även konkurrera med varandra. RNA kan spelas inuti dem. Oavsett vilken sida du tittar på, de var liknande till det första livet.
De var mycket stabil. Under 2008 kommer koncernen Shostak fann att dessa protocells kunde överleva uppvärmning till 100 grader, en temperatur som dödar de flesta moderna celler. Därför har dessa protocells var liknande till det första livet, som skulle överleva den intensiva hettan från konstant meteoritnedslag.
“Shostak gör ett bra jobb, säger Armen Mulkidzhanian.
Dock, vid första anblicken, strategi Shostak går mot 40 år av forskning om livets ursprung. Istället för att vara förbryllad “första reproduktion” eller “första uppdelning”, bestämde han sig för att göra både och.
Molekyler som är viktiga för liv är extremt svårt
Detta öppnar vägen för ett nytt sätt att söka efter livets ursprung — en enda, enhetlig, samordnad strategi. Det ska täcka alla möjligheter i det första livet. Denna hypotes är “första” redan samlat tillräckligt med bevis och kan lösa alla de problem som befintliga idéer. Läs mer om det i nästa del.
Mysteriet med livets ursprung på Jorden. Del fem: så hur är det att skapa fängelse?
Ilya Hel