- První část: Jak vyrobit klec -
- Druhá část: Rozdělení v řadách vědců -
- Část třetí: při hledání prvního replikátoru -
- Část pět: Jak tedy vytvoříte buňku? -
- Část šestá: Velké sjednocení -
V druhé kapitole jsme se dozvěděli, jak se vědci rozdělili na tři myšlenkové školy, reflektující původ života. Jedna skupina byla přesvědčena, že život začal s molekulou RNA, ale nemohl ukázat, jak by se RNA nebo podobné molekuly mohly spontánně tvořit na počátku Země a pak si kopírovat sebe. Jejich úsilí bylo zpočátku povzbudivé, ale nakonec zůstalo jen zklamání. Jiní vědci o původu života, kteří se vydali různými cestami, však přišli s některými výsledky.
Teorie světa RNA je založena na jednoduchém nápadu: nejdůležitější věcí, kterou může živý organismus udělat, je jeho reprodukce. Mnoho biologů by s tím souhlasilo. Od bakterií po modré velryby se všechny živé věci snaží mít potomka.
Mnoho vědců o původu života však nepovažuje reprodukci za zásadní. Předtím, než se organismus dokáže rozmnožit, musí se stát soběstačným. Musí se udržovat naživu. Nakonec nemůžete mít děti, pokud zemřete jako první.
Udržujeme se naživu konzumací jídla; zelené rostliny to provádějí extrakcí energie ze slunečního světla. Na první pohled je člověk, který jedí šťavnatý steak, velmi odlišný od listnatého dubu, ale když se na něj podíváte, oba potřebují energii.
Tento proces se nazývá metabolismus. Nejprve musíte získat energii; řekněme z energeticky bohatých chemikálií, jako je cukr. Pak musíte použít tuto energii k vybudování něčeho užitečného, jako jsou buňky.
Tento proces využití energie je tak důležitý, že mnoho vědců jej považuje za první, od kterého začal život.
Sopečná voda je horká a bohatá na minerály
Propagační video:
Jak by tyto metabolické organismy vypadaly? Jeden z nejzajímavějších předpokladů učinil koncem 80. let Gunther Wachtershauser. Nebyl to vědec na plný úvazek, ale spíše patentový právník s malou znalostí chemie.
Wachtershauser navrhl, že první organismy byly „radikálně odlišné od všeho, co jsme věděli“. Nebyly vyrobeny z cel. Neměli enzymy, DNA ani RNA. Ne, místo toho si Wachtershauser představoval proud horké vody vytékající ze sopky. Tato voda je bohatá na sopečné plyny, jako je amoniak, a obsahuje stopy minerálů ze srdce sopky.
Tam, kde voda protékala horninami, začaly chemické reakce. Zejména kovy z vody pomohly sloučení jednoduchých organických sloučenin do větších. Zlomem bylo vytvoření prvního metabolického cyklu. Je to proces, ve kterém se jedna chemická látka přeměňuje na řadu dalších chemických látek, dokud se původní látka nakonec znovu nevytvoří. Celý systém přitom vytváří energii, kterou lze použít k restartování cyklu - a pro další věci.
Všechno ostatní, co tvoří moderní organismus - DNA, buňky, mozky - se objevilo později na vrcholu těchto chemických cyklů. Tyto metabolické cykly vykazují vůbec malou podobnost se životem. Wachtershauser nazval svůj vynález „předchůdci organismů“a napsal, že „sotva je lze nazvat živými“.
Ale metabolické cykly, jako jsou cykly popsané Wachtershauserem, jsou jádrem celého života. Vaše buňky jsou v podstatě mikroskopické chemické továrny, které neustále destilují jednu látku do druhé. Metabolické cykly nelze nazvat životem, ale jsou pro život zásadní.
Během 80. a 90. let pracoval Wachtershauser na podrobnostech své teorie. Navrhl, které minerály by byly nejvhodnější a které chemické cykly by se mohly uskutečnit. Jeho nápady začaly přitahovat příznivce.
Ale to všechno bylo čistě teoretické. Wachtershauser potřeboval skutečný objev, aby podpořil jeho myšlenky. Naštěstí to již bylo provedeno před deseti lety.
Zdroje v Pacifiku
V roce 1977 se tým vedený Jackem Corlissem z Oregonské státní univerzity vrhl do východního Pacifiku 2,5 km. Studovali horké prameny Galapagos v místech, kde z mořského dna stoupaly vysoké hřebeny. Tyto hřebeny byly vulkanicky aktivní.
Corliss zjistil, že tyto hřebeny byly doslova poseté horkými prameny. Horká voda bohatá na chemikálie stoupá zpod mořského dna a protéká otvory ve skalách.
Je neuvěřitelné, že tyto hydrotermální průduchy byly hustě osídleny podivnými zvířaty. Byly tam obrovské škeble, mušle a annelids. Voda byla také silně nasycena bakteriemi. Všechny tyto organismy žily na energii hydrotermálních průduchů.
Objev těchto zdrojů dal Corlissovi jméno. A to mě přimělo myslet. V roce 1981 navrhl, aby takové průduchy existovaly na Zemi před čtyřmi miliardami let a že se staly místem původu života. Lví podíl své kariéry věnoval studiu této problematiky.
Hydrotermální průduchy mají zvláštní život
Corliss navrhl, že hydrotermální průduchy mohou vytvářet koktejly chemikálií. Každý zdroj, jak řekl, byl jakýmsi postřikem prvotního vývaru.
Jak horká voda protékala horninami, teplo a tlak způsobily, že jednoduché organické sloučeniny se spojily do komplexnějších, jako jsou aminokyseliny, nukleotidy a cukry. Blíž k hranici s oceánem, kde voda nebyla tak horká, se začali v řetězcích spojovat - tvořit uhlohydráty, bílkoviny a nukleotidy jako DNA. Když se voda přiblížila k oceánu a ještě ochladila, tyto molekuly se shromáždily do jednoduchých buněk.
Bylo zajímavé, že teorie upoutala pozornost lidí. Ale Stanley Miller, jehož experiment jsme diskutovali v první části, tomu nevěřil. V roce 1988 napsal, že hluboké průduchy byly příliš horké.
Ačkoli intenzivní teplo může produkovat chemikálie jako aminokyseliny, Millerovy experimenty ukázaly, že je také může zničit. Základní sloučeniny jako cukry „by mohly přežít několik sekund, už ne.“Navíc se tyto jednoduché molekuly pravděpodobně nebudou vázat v řetězcích, protože okolní voda by je okamžitě rozpadla.
V této fázi se k bitvě připojil geolog Mike Russell. Věřil, že teorie hydrotermálních průduchů může být docela správná. Navíc se mu zdálo, že tyto zdroje by byly ideálním domovem pro předchůdce organismu Wachtershauser. Tato inspirace ho vedla k vytvoření jedné z nejrozšířenějších teorií původu života.
Geolog Michael Russell
Russellova kariéra měla spoustu zajímavých věcí - vyrobil aspirin, hledal cenné minerály - a v jednom pozoruhodném incidentu v 60. letech koordinoval reakci na možnou sopečnou erupci, navzdory nedostatečné přípravě. Zajímalo ho však více o to, jak se povrch Země změnil v průběhu věků. Tato geologická perspektiva dala vzniknout jeho představám o původu života.
V 80. letech našel fosilní důkaz o méně turbulentním typu hydrotermální žíly, kde teploty nepřesáhly 150 stupňů Celsia. Tyto mírné teploty, řekl, by mohly umožnit životním molekulám žít déle, než si myslel Miller.
Kromě toho fosilní zbytky těchto „chladných“průduchů obsahovaly něco zvláštního: minerální pyrit složený ze železa a síry se vytvořil v trubkách o průměru 1 mm. Při práci v laboratoři Russell objevil, že pyrit může také tvořit sférické kapičky. A navrhl, aby se v těchto jednoduchých pyritových strukturách mohly vytvořit první komplexní organické molekuly.
Železný pyrit
To bylo tentokrát, když Wachtershauser začal publikovat své myšlenky, které byly založeny na toku horké, chemicky obohacené vody protékající minerály. Dokonce navrhl, aby byl zapojen pyrit.
Russell přidal dvě plus dvě. Navrhoval, aby hydrotermální průduchy hluboko v moři, dostatečně chladné, aby umožnily tvořit pyritové struktury, obsahovaly předchůdce organismů Wachtershauser. Pokud měl Russell pravdu, život začal na dně moře - a poprvé se objevil metabolismus.
Russell to všechno dal dohromady v článku publikovaném v roce 1993, 40 let po Millerově klasickém experimentu. To nevytvořilo stejné mediální buzzy, ale bylo to pravděpodobně důležitější. Russell spojil dva zdánlivě oddělené myšlenky - metabolické cykly Wachtershausera a hydrotermální průduchy Corliss - do něčeho skutečně působivého.
Russell dokonce nabídl vysvětlení toho, jak první organismy získaly energii. To znamená, že pochopil, jak by jejich metabolismus mohl fungovat. Jeho myšlenka byla založena na práci jednoho ze zapomenutých géniů moderní vědy.
Peter Mitchell, nositel Nobelovy ceny
V 60. letech 20. století onemocněl biochemik Peter Mitchell a byl nucen odejít z University of Edinburgh do důchodu. Místo toho založil soukromou laboratoř na odlehlém statku v Cornwallu. Izoloval od vědecké komunity a financoval svou práci stádem dojnic. Mnoho biochemiků, včetně Leslieho Orgela, jehož práci na RNA jsme diskutovali v části 2, považovalo Mitchellovy myšlenky za naprosto směšné.
O několik desetiletí později čekal Mitchell na absolutní vítězství: Nobelovu cenu za chemii v roce 1978. Neslavil se, ale jeho myšlenky jsou dnes v každé učebnici biologie. Mitchell strávil svou kariéru zjišťováním, co dělají organismy s energií, kterou dostávají z jídla. V podstatě přemýšlel, jak se nám všem podaří každou sekundu zůstat naživu.
Věděl, že všechny buňky ukládají svou energii v jedné molekule: adenosintrifosfát (ATP). K adenosinu je připojen řetězec tří fosfátů. Přidání třetího fosfátu vyžaduje hodně energie, která je pak zamčena do ATP.
Když buňka potřebuje energii - například když se sval stahuje - štěpí třetí fosfát na ATP. Tím se ATP přemění na adenosidifosfát (ADP) a uvolní uloženou energii. Mitchell chtěl vědět, jak buňka dělá ATP obecně. Jak ukládá dostatek energie v ADP pro připojení třetího fosfátu?
Mitchell věděl, že enzym vytvářející ATP byl v membráně. Proto jsem předpokládal, že buněčné čerpadlo nabíjí částice (protony) membránou, takže tolik protonů je na jedné straně, ale ne na druhé straně.
Protony se pak pokusí prosakovat zpět přes membránu a vyrovnat počet protonů na každé straně - ale jediným místem, kterým mohou projít, je enzym. Tok protékajících protonů tak poskytl enzymu energii potřebnou k vytvoření ATP.
Mitchell poprvé představil svůj nápad v roce 1961. Dalších 15 let ji bránil ze všech stran, dokud nebyly důkazy nezvratné. Nyní víme, že Mitchellův proces používá každá živá věc na Zemi. Právě teď proudí ve vašich buňkách. Stejně jako DNA je základem života, který známe.
Russell si půjčil od Mitchella myšlenku protonového gradientu: na jedné straně membrány je mnoho protonů a na druhé straně jen několik. Všechny buňky potřebují pro uchování energie protonový gradient.
Moderní buňky vytvářejí gradienty čerpáním protonů přes membrány, ale to vyžaduje složitý molekulární mechanismus, který se jednoduše nemůže objevit sám o sobě. Russell tedy udělal další logický krok: život se musel formovat někde s přirozeným protonovým gradientem.
Například někde poblíž hydrotermálních průduchů. Musí to však být zvláštní druh zdroje. Když byla Země mladá, byla moře kyselá a v kyselé vodě bylo mnoho protonů. K vytvoření protonového gradientu musí mít zdrojová voda protony: musí být alkalická.
Corlissovy zdroje se nehodily. Nejen, že byly příliš horké, ale také kyselé. V roce 2000 však Deborah Kelly z University of Washington objevila první alkalické zdroje.
Ztracené město
Kelly musela tvrdě pracovat, aby se stala vědcem. Její otec zemřel, když dokončovala střední školu, a byla nucena pracovat, aby zůstala na vysoké škole. Ale ona se vypořádala a vybrala podvodní sopky a hořící horké hydrotermální prameny jako předmět jejího zájmu. Tento pár ji přivedl do středu Atlantského oceánu. V tomto okamžiku praskla zemská kůra a z mořského dna se zvedl hřeben hor.
Na tomto hřebeni objevila Kelly pole hydrotermálních průduchů, které nazvala „Ztracené město“. Nevypadaly jako ty, které našel Corliss. Voda z nich vytékala při teplotě 40 až 75 ° C a byla mírně zásaditá. Uhličitanové minerály z této vody se shlukly do strmých bílých „sloupů kouře“, které stoupaly z mořského dna jako varhany. Vypadají strašidelně a strašidelně, ale nejsou: jsou domovem mnoha mikroorganismů.
Tyto alkalické průduchy dokonale ladí s Russellovými nápady. Pevně věřil, že život se objevuje v takových „ztracených městech“. Ale byl tu jeden problém. Jako geolog nevěděl mnoho o biologických buňkách, aby přesvědčivě prezentoval svou teorii.
Sloupec kouře z „černé kuřácké místnosti“
Russell se tak spojil s biologem Williamem Martinem. V roce 2003 představili vylepšenou verzi dřívějších myšlenek Russella. A to je pravděpodobně nejlepší teorie vzniku života v tuto chvíli.
Díky Kelly nyní věděli, že skály alkalických pramenů jsou porézní: byly poseté drobnými otvory naplněnými vodou. Tyto malé kapsy, jak navrhovali, fungovaly jako „buňky“. Každá kapsa obsahovala základní chemikálie, včetně pyritu. V kombinaci s přirozeným protonovým gradientem ze zdrojů byly ideálním místem pro zahájení metabolismu.
Poté, co se život naučil využívat energii pramenité vody, říkají Russell a Martin, začal vytvářet molekuly jako RNA. Nakonec si vytvořila membránu pro sebe a stala se skutečnou buňkou, která unikla z porézní skály do otevřené vody.
Takový spiknutí je v současné době považováno za jednu z hlavních hypotéz o původu života.
Buňky prchají z hydrotermálních průduchů
V červenci 2016 získal podporu, když Martin zveřejnil studii rekonstruující některé podrobnosti o „posledním univerzálním společném předku“(LUCA). Je to organismus, který žil před miliardami let a ze kterého pochází veškerý existující život.
Je nepravděpodobné, že bychom někdy našli přímé zkamenělé důkazy o existenci tohoto organismu, ale přesto můžeme docela dobře udělat vzdělané odhady o tom, jak to vypadalo a co se stalo, když studujeme mikroorganismy naší doby. To Martin udělal.
Prozkoumal DNA moderních mikroorganismů z roku 1930 a identifikoval 355 genů, které měli téměř všichni. To je přesvědčivý důkaz přenosu těchto 355 genů, prostřednictvím generací a generací, od společného předka - v době, kdy žil poslední univerzální společný předek.
Těchto 355 genů zapíná některé, aby používaly gradient protonů, ale ne aby je vytvářely, jak předpovídali Russell a Martin. Navíc se zdá, že LUCA byla přizpůsobena přítomnosti chemikálií, jako je metan, což naznačuje, že obýval vulkanicky aktivní prostředí podobné větrání.
Zastáncové hypotézy „RNA světa“poukazují na dva problémy s touto teorií. Jeden může být opraven; druhý může být fatální.
Hydrotermální prameny
Prvním problémem je, že neexistují žádné experimentální důkazy o procesech popsaných Russellem a Martinem. Mají historii krok za krokem, ale žádný z těchto kroků nebyl v laboratoři pozorován.
"Lidé, kteří věří, že to všechno začalo reprodukcí, neustále hledají nová experimentální data," říká Armen Mulkidzhanyan. "Lidé, kteří stojí za metabolismem, ne."
Ale to se mohlo změnit díky Martinovu kolegovi Nicku Laneovi z University College London. Postavil reaktor „Původ života“, který simuluje podmínky uvnitř alkalického zdroje. Doufá, že uvidí metabolické cykly a možná i molekuly jako RNA. Ale je příliš brzy.
Druhým problémem je umístění zdrojů v hlubokém moři. Jak poznamenal Miller v roce 1988, molekuly s dlouhým řetězcem, jako je RNA a proteiny, se nemohou tvořit ve vodě bez pomocných enzymů.
Pro mnoho vědců je to fatální argument. "Pokud jste dobří v chemii, nebudete podplateni myšlenkou hlubinných pramenů, protože víte, že chemie všech těchto molekul je nekompatibilní s vodou," říká Mulkidzhanian.
Přesto Russell a jeho spojenci zůstávají optimističtí.
Až v posledním desetiletí se do popředí dostal třetí přístup podporovaný řadou neobvyklých experimentů. Slibuje něco, čeho ani svět RNA ani hydrotermální průduchy nebyly schopny dosáhnout: způsob, jak vytvořit celou buňku od nuly. Více k tomu v další části.
ILYA KHEL
- Část první: Jak vyrobit klec -
- Část druhá: Rozdělení v řadách vědců -
- Část třetí: při hledání prvního replikátoru -
- Část 5: Jak tedy vytvoříte buňku? -
- Část šestá: Velké sjednocení -