I løbet af anden halvdel af det 20 århundrede forskere af livets oprindelse arbejdede hver i din lejr. Hver gruppe insisterede på sin egen version af begivenhederne, og forsøgte at ødelægge konkurrerende hypoteser. Denne fremgangsmåde var helt sikkert en succes, som det fremgår af de foregående kapitler, men hver en lovende idé om oprindelsen af liv i sidste ende løb ind i et alvorligt problem. Så nogle forskere forsøger nu at finde en mere ensartet tilgang.
Første del: hvordan man laver et bur?
Del to: opdelingen i rækken af forskere
Del tre: the search for første Replicator
Fjerde del: den energi af protoner
Femte del: så hvordan er det at skabe fængsel?
For et par år siden, at denne idé har modtaget en kraftfuld impuls, som resultat af at støtte den etablerede teori om “RNA verden”.
Senest i 2009, tilhængere af RNA-verden var et stort problem. De kunne ikke gøre nukleotider, de byggesten, af RNA, som om det skete i begyndelsen af Jorden. Dette har ført folk til at tro, at det første liv blev ikke bygget på RNA, som vi forklarede i den tredje del.
Jorden er det eneste sted, hvor der er liv. Endnu
John Sutherland tænkte om dette emne siden 1980’erne. “Jeg troede, at vise, at RNA kan samoubiytsy, det ville være meget cool,” siger han.
Heldigvis for Sutherland, han fik et job i Laboratoriet for molekylær biologi (LMB) i Cambridge. De fleste forskningsinstitutioner tilskynde deres ansatte til konstant at generere nye arbejde, men LMB nr. Så Sutherland kunne tænke over det, hvorfor gør de nukleotider af RNA er så svært, og har brugt år på at udvikle en alternativ tilgang.
Hans beslutning førte ham til en helt ny idé om oprindelsen af liv: alle de vigtigste dele af liv kunne være dannet på samme tid.
“I kemi RNA var visse aspekter, der ikke virker,” siger Sutherland. Hver nukleotid af RNA består af sukker, base og fosfat. Men for at få sukker og basen opretter forbindelse til. Molekyle er bare ikke den samme form.
Så Sutherland begyndte at prøve en helt anden sag. I sidste ende hans team kom til fem simple molekyler, herunder andre sukker og cyanamid, er relateret til de cyanid. Disse kemikalier passerer gennem en kæde af reaktioner og i sidste ende gjort to af de fire nukleotider af RNA, at gøre den enkelte sukkerarter eller baser.
Det var en blændende succes, der gjorde det Sutherland navn.
Mange observatører disse resultater, som yderligere bevis til fordel for den RNA-verden. Men Sutherland sig selv ikke tror det.
Den “klassiske” RNA verden hypotese hævder, at de første organismer RNA var ansvarlig for alle funktioner i livet. Men Sutherland siger, at det er håbløst optimistisk. Han mener, at RNA har været en vigtig del, men alle kile har ikke nærmet sig hinanden.
I stedet, han var inspireret af et af de sidste værker af Shostak, der (som vi fandt ud af i den femte del) kombineret RNA-verden “først og reproduktion” ideer “for det første opdelingen” pier Luigi Luisi.
Sutherland gik endnu videre. Hans tilgang var en “første”. Han ønskede et stykke bur samlet sig selv fra bunden. Dette bragte ham en mærkelig detalje i hans syntesen af nukleotider, som i første omgang syntes tilfældige.
Du har brug for en fed blanding af stoffer
Det sidste trin i processen, Sutherland var at kaste fosfat i nukleotid. Men han fandt, at det var bedst at slå fosfat i mix fra starten, da det havde fremskyndet den første reaktion. Det syntes, at optagelsen af fosfat, før du får brug for det i virkeligheden var en lidt “beskidt” – effekt, men Sutherland fandt ud af, at dette kaos er godt.
Og så tænkte han på, hvordan ukontrolleret skal være blandingen. I de tidlige dage af Jorden, at der skulle være snesevis eller hundredvis af kemikalier, der flyder sammen. Opskriften for slim? Det er muligt. Men lidelsen kan være vigtigt.
Den blanding, som Stanley Miller lavet i 1950-erne, som vi diskuterede i den første del, var meget beskidt saterlandic. De omfattede biologiske molekyler, men Sutherland siger, at de “var i små mængder, og var ledsaget af et stort antal af andre, ikke-biologiske forbindelser.”
Sutherland mente, at tilgang af Miller var ikke godt nok. Han var alt for beskidt, så en god kemiske stoffer, der er simpelthen tabt i mix.
Derfor Sutherland ud for at finde “kemi Guldlok”: ikke alt for beskidt til at være ubrugelige, men ikke alt for simpelt til at være begrænset i omfang. En ret kompliceret blanding — alle komponenter i livet kan være dannet på samme tid og finde hinanden.
Med andre ord, fire milliarder år siden Jorden var en dam. Det eksisterede år, før det samles de rette kemikalier. Så måske for nogle få minutter var der en første celle.
En håndfuld af kemiske stoffer, utilstrækkelig for livet
Dette kan synes helt usandsynligt, ligesom udtalelser af middelalderens alkymister. Men Sutherland kun tilføjet beviser. I 2009, viste han, at den samme kemi, der tillod os at indsamle to nukleotid-RNA, kan også lave mange andre molekyler af livet.
Det indlysende næste skridt var at gøre mere nukleotider af RNA. Mens dette mislykkedes, men i 2010 har han samlet et nært beslægtede molekyle, som potentielt kan udvikle sig til nukleotider. Ligeledes, i 2013, lavede han prækursorer af aminosyrer. Denne gang havde han for at tilføje cyanid kobber for at gøre reaktion forløbe.
I forbindelse med cyanid kemikalier, der viste sig at være et fælles tema, og i 2015, Sutherland gjorde dem endnu mere. Han viste, at der i den samme gryde med kemikalier, der kan forekomme, og prækursorer af lipider, som er molekyler, der består af cellevæggen. Alle disse reaktioner har påberåbt sig ultraviolet lys, i prisen svovl og kobber som katalysator.
Livet er et sandt overflødighedshorn af kemiske stoffer
“Alle de byggesten kom fra en fælles kerne i kemiske reaktioner,” siger Shostak.
Hvis Sutherland er rigtigt, så er hele vores tilgang til oprindelsen af liv over de sidste 40 år, var forkert. Siden da, som det blev tydeligt kompleksiteten af den celle, forskere begyndte at arbejde med den antagelse, at de første celler, der måtte blive indsamlet gradvist, stykke for stykke.
Følgende forslag Leslie Orgel, at det var RNA kom først, forskere forsøgt “at sætte den ene før den anden, og derefter at bestille,” siger Sutherland. Men han mener, at det er bedst at gøre alt på én gang.
“Vi er, i virkeligheden, sat spørgsmålstegn ved tanken om, at ikke alle på én gang, er for svært,” siger han. “Du kan helt sikkert gøre byggestenene i alle systemer på én gang.”
Shostak nu mistanke om, at de fleste forsøg på at gøre molekyler af livet og samle dem i levende celler er mislykkedes for en grund: de eksperimenter, der var alt for ren.
Forskerne brugte et par kemikalier, der var af interesse for dem, og venstre alle de andre, der er sandsynligvis også til stede på den tidlige Jord. Men arbejdet i Sutherland viste, at tilføje mere kemisk mix af ting, du kan oprette mere komplekse fænomener.
Shostak og han løb med det i 2005, da han forsøgte at placere enzymet RNA i deres protocells. Enzymet behov for magnesium, hvilket ødelagt membran af protocells. Løsningen var overraskende enkel. I stedet for at gøre vesikler fra kun én fedtsyre, de er lavet af en blanding af begge stoffer. Nye, “beskidt” vesikler klaret med magnesium, og kan sende et arbejde enzymet RNA.
Desuden Shostak siger, de første gener også vil kunne omfatte rod.
DNA består af små molekyler, nukleotider
Moderne organismer bruge nøgne DNA for overførsel af gener, men ren DNA, formentlig ikke eksistere i første omgang. Hvad der var brug for, var en blanding af nukleotider, RNA-og DNA-nukleotider.
I 2012, Szostak viste, at en sådan blanding kan være samlet i en “mosaik” af molekyler, der ser ud og opfører sig næsten som en ren RNA. Disse blandede dele af RNA/DNA kan endda være omhyggeligt foldet.
Viser sig, at det ikke er ligegyldigt, kunne de første organismer har ren RNA eller ren DNA. “Jeg gik selv tilbage til den idé, at den første polymer var meget lig RNA, mere beskidt version af RNA,” siger Shostak. Alternativer RNA kunne være endnu flere, som Tnc og NCP, som vi har diskuteret i tredje del. Vi ved ikke, at de har eksisteret på Jorden, eller ikke, men hvis det er tilfældet, den første organismer kunne bruge dem så godt.
Det var ikke længere “verden af RNA”, og “blandet op verden”.
Læren af disse undersøgelser er, at den første celle kan være, der ikke var så svært som det ser ud. Ja, celler er komplekse maskiner. Men det viser sig, at de fortsætter med at arbejde, selvom det ikke er så godt, hvis de blinde henkastet som en snebold.
Det synes sådan en klodset bur, havde ingen chance for at overleve på den tidlige Jord. Men de har stort set ingen konkurrence, de var ikke truet af eventuelle rovdyr, så på mange måder er livet var lettere, end det er nu.
I sin ungdom Jorden bliver konstant bombarderet med meteoritter
Der er dog et problem, at de ikke kunne løse Sutherland eller Shostak, og dette er et alvorligt problem. Den første organisme var nødt til at have nogle form for stofskifte, metabolisme. Fra begyndelsen, at livet var til at få energi eller dø.
På samme tid Sutherland er enig med Mike Russell, bill Martin og andre tilhængere af teorier om “stofskifte første” af den fjerde del. “Mens RNA-fyre dukker stofskifte fyre, begge sider havde gode argumenter,” siger Sutherland.
“Stofskifte havde et sted at flow — ekkoer Shostak. — Kilde til kemisk energi er et stort problem.”
Selv om Martin og Russell er forkert på den kendsgerning, at livet begyndte på dybt springs, mange elementer af deres teori er næsten helt sikkert korrekt. En af dem er værdien af metaller til fødslen af liv.
Dette enzym er i midten af metal
I naturen, mange enzymer har en metal atom kernen. Dette er ofte den “aktive” del af enzym; resten af molekylet fungerer som en støtte struktur. Første liv ikke kunne have sådanne komplekse enzymer, så næsten helt sikkert brugt det “bare” metaller som katalysatorer.
Gunter, Wachtershauser bemærket dette, da han foreslog, at livet blev dannet på grundlag af jern pyrit. På samme måde, Russell blev understreget, at vand hydrotermiske væld er rig på metaller, som kan fungere som katalysatorer og Martin viste, at der er et sæt af enzymer, som er baseret på jern fra sidste universelle fælles forfader (LUCA).
I lyset af dette giver det mening, at en kemisk reaktion Sutherland ‘ s stole på kobber (og — som det understreges Wachtershauser — svovl), og RNA protocells Shostak behov for magnesium.
Det kan være rigtigt, at hydrotermiske væld pludselig ville de vigtigste elementer af puslespil. “Hvis du ser på moderne stofskifte, der er så veltalende ting som is klynger,” siger Shostak. Dette taler til fordel for livets oprindelse på det væld, hvor vandet er rigt på jern og svovl.
Men hvis Sutherland og Shostak er faktisk på rette vej, et aspekt af hydrotermiske teori helt giver ikke mening: livet kan ikke vises i det dybe hav.
Livet kan vises på lavt vand
“Kemi, som vi er kommet, er meget afhængige af UV-lys,” siger Sutherland. De eneste kilder af ultraviolet stråling, der er i Solen, så hans reaktioner kan fortsætte i solen belyste områder. Dette eliminerer dybt scenarie.
Shostak enig i, at det dybe vand var næppe the cradle of life. Hertil kommer, at de er isoleret fra atmosfærisk kemi, som er en kilde af høj-energi råvarer såsom cyanid.
Men disse problemer er ikke udelukke hydrotermiske teori helt. Måske disse kilder var på lavt vand, og bader sig i sollyset, og cyanid.
Fra Armen Mulkidjanian der er et alternativ. Måske liv, viste sig på jorden, i vulkanske dam.
Eller vulkansk dam
Mulkidzhanian, henledte opmærksomheden på, at den kemiske sammensætning af celler: i særdeleshed, hvilke kemikalier, de lader i, og hvad der ikke er. Det viste sig, at celler, uanset organisme luftfartsselskab, indeholder en masse af fosfat, kalium og andre metaller, men ikke natrium.
I øjeblikket celler får dem, pumpe materialer i sig selv, men den første celle ikke kunne gøre, fordi de ikke besidder de nødvendige maskiner. Derfor, Mulkidzhanian foreslået, at de første celler dannes et eller andet sted, der var nogenlunde den samme sammensætning af kemikalier, der i moderne celler.
Havet straks forsvinder. I de celler, en masse mere kalium og fosfat end havet, og en masse mindre natrium. Men kommer til at tænke på, er geotermisk damme tæt på aktive vulkaner. Disse damme har præcis den cocktail af metaller, der findes i cellerne.
Den Shostak lide denne idé. “Jeg tror, at min favorit-scenariet på det tidspunkt ville omfatte en lavvandet sø eller dam, på overfladen i et geotermisk aktivt område,” siger han. — Så vil vi have hydrotermiske væld, men ikke dem, der i dybet af havet, og nogle-som kilder i vulkansk aktive områder, og den type af Yellowstone”.
Kemi Sutherland kunne arbejde i sådan et sted. Disse kilder og kemiske sammensætning, vand niveau svinger, nogle gange alle tørre, og ultraviolet stråling fra solen er nok.
Eller i hot springs
Desuden Shostak siger, at sådanne damme ville være hans protocells.
“Protocells ville have været forholdsvis køligt meste af tiden, hvilket er godt for kopiering af RNA, og andre typer af simple stofskifte,” siger Shostak. “Men de ville få brug for periodiske varme,som ville hjælpe RNA kæder til at falde væk til næste runde af reproduktion”.
Strømme af koldt eller varmt vand vil hjælpe protocellerne til at dele.
Baseret på mange af disse argumenter, Sutherland tilbyder en tredje mulighed: i stedet for den meteorit falder.
Meteoritter falder til Jorden hele tiden for hendes første halv milliarder år, det har eksisteret — og siden da, også nogle gange falder. En god strike ville skabe betingelser, der svarer til damme Mulkidjanian.
For det første, meteoritter er for det meste lavet af metal. Eksponering normalt rig på nyttige metaller som jern og svovl. Og vigtigst af alt, den meteorit virkning smeltet jordens skorpe, der fører til geotermisk aktivitet og varmt vand.
Sutherland repræsenterer små vandløb og floder, der løber ned ad pisterne på et nedslagskrater, udvaskning af kemikalier på grundlag af cyanid fra klipperne, mens ultraviolet stråling er udgydt fra oven. Hver tråd bringer en særlig blanding af kemiske stoffer, der udvikler forskellige reaktioner og producerer en bred vifte af organiske kemikalier.
Eller i krateret af meteoritten
I den sidste ende, vandløb flow i en vulkansk dam på krateret. I denne dam, der måske alle de stykker, der ville have været sammen, og dannede de første protocells.
“Det er en ganske særlige situation,” siger Sutherland. Men han valgte det på grundlag af de kemiske reaktioner er stødt på. “Mens dette scenarie er kun kompatible i form af kemi.”
Shostak er ikke så sikker på, men er enig i, at idéen om Sutherland, som fortjener opmærksomhed. “Jeg tror, at scenariet med en stor effekt. Jeg tror, at tanken om den vulkanske system kan fungere. Begge teorier har gode argumenter.”
Samtidig med, at debatten vil fortsætte. Men afgørelsen vil afhænge af den kemiske sammensætning af protocells. Hvis det viser sig, at et af de scenarier, der mangler vigtige kemikalier eller noget, der ødelægger protocelle, det ville have for at blive forladt.
Men for første gang i historien, at vi kan opnå en udtømmende forklaring af, hvordan livet begyndte.
Så langt, at den tilgang, “alle på én gang” Shostak og Sutherland giver kun en overfladisk fortælling. Men disse skridt blev udviklet på baggrund af årtiers eksperimenter. Også denne tilgang er baseret på alle de andre hypoteser om livets oprindelse. Han forsøger at bruge alle deres gode side, men at løse alle deres problemer. For eksempel, betyder det ikke at ødelægge den hypotese, Russell hydrotermiske kilder, men snarere de bedste elementer.
Selvfølgelig kan vi ikke vide med sikkerhed, hvad der skete for fire milliarder år siden. “Selv hvis du byggede reaktor, og det efterlod Escherichia coli… det behøver ikke bevise, at det var,” sagde Martin.
Det bedste vi kan gøre er at lave en historie, der er i overensstemmelse med alle beviser: med eksperimenter i kemi, er vores viden om den tidlige Jord, med hvad biologi fortæller om de ældste former for liv. Endelig, efter et århundrede af en ihærdig indsats, begynder historien at dukke op.
Og det betyder, at vi nærmer os en af de vigtigste vendepunkter i menneskets historie: efter som vi få historien om fremkomsten af liv på Jorden. Alle de mennesker, der døde før Darwin udgav “arternes Oprindelse” i 1859, havde ingen idé om, hvor det kom fra, fordi han vidste intet om udviklingen. Men alle, der bor i dag kan kende sandheden om vores forhold til dyr.
Tilsvarende gælder, at enhver, der er født efter udgivelsen af Yuri Gagarin i kredsløb om Jorden i 1961, levede i et samfund, der kan gå til andre verdener. Space travel blev en realitet, selv hvis vi selv var ikke involveret.
Disse forhold ændrer vores opfattelse af verden. De gør os klogere. Udviklingen lærer os at værdsætte hver eneste levende ting, fordi vi alle nedstammer fra en forfader. Space travel giver os mulighed for at se på andre verdener langvejs fra, for at se alle deres egenart og skrøbelighed.
Nogle af de mennesker, der lever i dag, vil være den første i historien, der vil være i stand til at sige med sikkerhed, at vi ved præcis, hvor de kom fra. De vil vide, hvad der var vores første stamfader, og hvor han boede.
Denne viden vil ændre os. På et videnskabeligt niveau, at det fortæller os, hvor sandsynligt det er fremkomsten af liv i Universet, og hvor de skal lede. Og det fortæller os om livets natur. Men kan vi vide, hvad viden vil blive åbenbaret for os, når vi lærer livets hemmelighed? Usandsynligt.
På materialer BBC
Mysteriet om fremkomsten af liv på Jorden. Sjette del: den store forening
Ilya Hel