- Část druhá: Rozdělení v řadách vědců -
- Část třetí: při hledání prvního replikátoru -
- Část čtvrtá: energie protonů -
- Část pět: Jak tedy vytvoříte buňku? -
- Část šestá: Velké sjednocení -
Dnes život dobyl každý centimetr Země, ale když se planeta poprvé vytvořila, byl to mrtvý kámen. Jak a kdy došlo k přechodu orientačního bodu? Jak začal život? Sotva si můžeme představit vážnější, větší a složitější otázku. Během celé lidské historie nikdo nepochyboval o tom, že se jedná o práci bohů. Jakékoli jiné vysvětlení bylo nemyslitelné.
Už ne. Během minulého století se mnoho vědců pokusilo zjistit, kde by mohl začít první život. Dokonce se pokusili znovu vytvořit okamžik Stvoření ve svých laboratořích: vytvořit úplně nový život od nuly. Zatím se nikomu nepodařilo, ale prošli jsme dlouhou cestu. Dnes je mnoho vědců, kteří studují původ života, přesvědčeni, že jsou na správné cestě - a mají experimenty, na nichž je založena jejich důvěra.
Toto je příběh našeho úsilí přijít na náš skutečný původ. Je to příběh posedlosti, boje a brilantní tvořivosti, který vedl k některým z největších objevů moderní vědy. Touha pochopit původ života poslala muže a ženy do nejodlehlejších koutů naší planety. Někteří učenci byli v těle považováni za ďábly, zatímco jiní pokračovali v práci pod palcem brutálních totalitních vlád.
Toto je příběh o zrození života na Zemi.
Ve skutečnosti dinosauři žili ne tak dávno.
Život je starý. Dinosauři - nejslavnější vyhynulí tvorové - se objevili před 250 miliony let. Ale život začal mnohem, mnohem dříve.
Nejstarší známý fosilní záznam je asi 3,5 miliardy let starý, 14krát tak dlouho jako nejstarší dinosauři. Ale fosilní záznam nás může ještě více posunout. Například pouze v srpnu 2016 vědci objevili fosilizované mikroby staré 3,7 miliardy let.
Propagační video:
Tyto vlnité vzory mohou být staré 3,7 miliardy let
Samotná Země není o moc starší, je stará 4,5 miliardy let.
Předpokládejme, že život vznikl na Zemi - což se zdá být rozumné, vzhledem k tomu, že jsme ho stále ještě nenašli jinde -, to se muselo stát v miliardových letech, které uplynuly mezi vznikem Země a výskytem nejstarších známých fosilií.
Zúžením rozsahu, v jakém se život mohl objevit, můžeme udělat vzdělané odhady, jak k tomu došlo.
Strom života: většina bakterií a archaea
Od 19. století biologové věděli, že všechny živé věci jsou tvořeny „buňkami“: malými vaky živé hmoty, které přicházejí ve všech tvarech a velikostech. Buňky byly poprvé objeveny v 17. století díky vynálezu prvních mikroskopů, ale trvalo sto let, než si uvědomil, že jsou základem celého života.
Určitě nevypadáte jako sumec nebo tyrannosaurus, ale mikroskop ukáže, že jste z téměř stejných buněk. Jako rostliny a houby. Doposud však nejpočetnější formou života jsou mikroorganismy sestávající z jedné buňky. Bakterie jsou nejslavnější skupinou a lze je najít všude na Zemi.
V dubnu 2016 představili vědci aktualizovanou verzi „stromu života“: v jistém smyslu rodokmen každého živého druhu. Téměř všechny větve jsou bakterie. Navíc tvar těchto větví naznačuje, že bakterie byly společným předkem celého života. Jinými slovy, každá živá věc - včetně vás - pocházela z bakterií.
Ukazuje se, že můžeme přesněji definovat problém původu života. S použitím pouze materiálů a podmínek, které byly na Zemi před 3,5 miliardami let, musíme vytvořit buňku.
Jak obtížné to bude?
Celá živá buňka
První experimenty
Během celé historie nikdo nepovažoval za nutné se ptát, jak život vznikl, protože odpověď se zdála zřejmá. Až do 18. století většina lidí věřila v „vitalizmus“. Jedná se o intuitivní myšlenku, že živé věci mají zvláštní, magickou vlastnost, která je odlišuje od neživých objektů.
Vitalismus je často spojován s náboženskou vírou. Bible říká, že Bůh použil „dech života“k oživení prvních lidí a nesmrtelná duše je formou vitalizmu.
Existuje pouze jeden problém. Vitalismus je úplný nesmysl.
Na počátku 18. století vědci objevili několik látek, které se zdály být jedinečnými pro život. Jednou takovou sloučeninou byla močovina, která byla nalezena v moči a byla vyloučena v roce 1799. Pouze to se stále hodí do konceptu vitalizmu. Tyto chemikálie dokázaly vyrobit pouze živé bytosti, a tak byly očividně nabity životní energií, a díky tomu byly speciální.
V roce 1828 však německý chemik Friedrich Wöhler našel způsob, jak vyrobit močovinu z obyčejné chemikálie, kyanátu amonného, který neměl zjevné souvislosti s živými věcmi. Jiní ho následovali a brzy se ukázalo, že chemické látky života mohou být vyrobeny z jednodušších chemikálií, které nemají nic společného se životem.
Friedrich Wöhler, německý chemik
To byl konec vitalizmu jako vědecké koncepce. Ale lidem bylo obtížné rozloučit se s touto myšlenkou. Pro mnoho lidí se zdálo, že říci, že o chemických látkách života nebylo nic „zvláštního“, bylo to, jako by se zbavilo jejich magie ze života, což z něj učinilo mechanickou nebo bezduchou. A samozřejmě to bylo v rozporu s Biblí.
Dokonce i učenci se pokusili zachránit vitalizmus. Již v roce 1913 anglický biochemik Benjamin Moore vroucně propagoval teorii „biotické energie“, což byl stejný vitalizmus, ale pod jiným názvem. Tento nápad měl silné emoční podtóny.
I dnes se však tato myšlenka občas objevuje sem a tam. Například existuje mnoho příběhů sci-fi, ve kterých lze „energii života“zvýšit nebo vysát. Přemýšlejte o „regenerační energii“, kterou používají Time Lords v Doctor Who. Vypadá to neobvykle, ale je to velmi, velmi starý nápad.
Po roce 1828 však měli vědci dobrý důvod hledat „bezbožné“vysvětlení prvního vzhledu života. Ale ne. Zdá se, že toto téma je třeba prozkoumat, ale ve skutečnosti tajemství původu života bylo po desetiletí ignorováno. Možná byli ještě příliš připoutaní k vitalizmu, aby mohli učinit další krok.
Charles Darwin ukázal, že veškerý život pochází od jednoho společného předka
Místo toho byl obrovským skokem vpřed v biologii v 19. století teorie evoluce vyvinutá Charlesem Darwinem a dalšími.
Darwinova teorie, uvedená v roce 1859 v The Original of Drues, vysvětlila, jak se celá tato rozmanitost života mohla vyvinout od jediného společného předka. Každý jednotlivý druh již nebyl stvořen Bohem, ale pocházel ze starodávného organismu, který žil před milióny let: posledním univerzálním společným předkem.
Tato myšlenka se ukázala být velmi kontroverzní, opět proto, že se nehodila do bible. Darwin a jeho myšlenky byli napadeni částečně pobouřenými křesťany.
Teorie evoluce neřekla nic o tom, jak se objevil úplně první organismus.
Darwin věřil, že život se objevil v „teplém rybníku“
Darwin věděl, že se jedná o hlubokou otázku, ale - možná se obával nových útoků církve - se odvážil diskutovat o tom až v roce 1871. Pozitivní tón dopisu ukazuje, že znal hluboký význam této otázky:
"Ale pokud (a oh, jaký velký" pokud ") bychom si mohli představit malý teplý rybník se všemi druhy amoniaku a soli fosforu - se světlem, teplem, elektřinou - ve kterém by se chemicky tvořila proteinová sloučenina, připravená projít ještě více komplexní změny …"
Jinými slovy, co kdyby tam bylo jednou malé množství vody plné jednoduchých organických sloučenin a koupané na slunci? Některé z těchto sloučenin by se mohly spojit a vytvořit polotovar jako látku, která by se mohla začít vyvíjet a být složitější.
Tento nápad byl povrchní. Ale vytvořila základ pro první hypotézu vzniku života.
Je zajímavé, že tato hypotéza se objevila v SSSR.
Alexander Oparin žil a pracoval v SSSR
Během Stalinova času bylo všechno pod kontrolou státu. Dokonce i myšlenky lidí, biologů, nesouvisejících s komunistickou politikou. Je pozoruhodné, že Stalin ve skutečnosti vědcům zakázal studovat konvenční genetiku. Místo toho propagoval myšlenky farmáře Trofima Lysenka, které byly podle jeho názoru více v souladu s komunistickou ideologií. Vědci pracující v oblasti genetiky byli nuceni veřejně podporovat Lysenkovy myšlenky, aby neskončili v táborech.
Právě v tak represivním prostředí prováděl Alexander Oparin svůj výzkum v oblasti biochemie. Mohl pracovat, protože byl oddaný komunista: podporoval Lysenkovy myšlenky a dokonce obdržel Leninův řád, nejvyšší ocenění sovětské éry.
V roce 1924 Oparin publikoval své dílo Původ života. V něm nastínil svou vizi původu života, která byla nápadně podobná Darwinovu malému teplému rybníku.
Oceány vytvořené po ochlazení Země
Oparin se pokusil představit si, jaká byla Země po formaci. Když skály padaly z vesmíru, povrch se spálil. Hodgepodge semi-expandované horniny obsahující obrovské množství chemikálií, včetně těch na bázi uhlíku.
Nakonec se Země dostatečně ochladila, aby se vodní páry kondenzovaly na kapalnou vodu a první déšť začal klesat. Naplnilo oceány Země, které byly horké a bohaté na uhlíkaté chemikálie. Co potřebujete pro život.
Nejprve různé chemikálie vzájemně interagovaly a vytvářely mnoho nových sloučenin, z nichž některé byly složité. Oparin navrhl, že ve vodách Země by se mohly tvořit molekuly nezbytné pro život, cukry a aminokyseliny.
Pak některé chemikálie začaly tvořit mikroskopické struktury. Mnoho organických látek se ve vodě nerozpouští: například oleje tvoří vrstvu na povrchu vody. Když však některé z těchto látek přijdou do styku s vodou, vytvoří sférické koule „koacervátů“, které mohou mít průměr až 0,01 centimetru.
Pokud se podíváte na koacerváty mikroskopem, chovají se velmi pohyblivě jako živé buňky. Rostou a mění tvar, někdy se dělí na dvě části. Mohou také sbírat chemikálie z okolní vody, takže mohou skončit s životními chemikáliemi. Oparin navrhl, že koacerváti jsou předci moderních buněk.
O pět let později, v roce 1929, anglický biolog John Burdon Sanderson Haldane nezávisle navrhl velmi podobné myšlenky v krátkém článku publikovaném v Rationalist Annual Annual.
V té době už Haldane hodně přispěl k teorii evoluce a pomohl integrovat Darwinovy myšlenky do vyvíjející se vědy o genetice.
Anglický genetik J. Haldane
Stejně jako Oparin, Haldane popsal, jak by se organická hmota mohla hromadit ve vodě „dokud prvotní oceány nedosáhnou konzistence horké zředěné polévky“. To by vytvořilo scénu pro „první živé nebo položivé věci“, které se vytvořily a skončily v tenkém filmu oleje.
Je důležité, že mezi všemi biology na světě k tomu přišli pouze Oparin a Haldane. Myšlenka, že živé organismy mohou být tvořeny jednoduchými chemickými reakcemi, bez Boha nebo dokonce „životní síly“, byla radikální. Stejně jako Darwinova evoluční teorie před ní, i ona byla fackou tváří v tvář křesťanství.
Ale perfektně zapadá do rámce SSSR. Sovětský režim byl oficiálně ateistický a jeho vůdci šťastně podporovali jakékoli materialistické vysvětlení hlubokých jevů, jako je život. Haldane byl také ateista a komunista, který nabootoval.
„V té době záviselo přijetí nebo odmítnutí myšlenky hlavně na jednotlivci: zda byl náboženský, zda podporoval levicové nebo komunistické myšlenky,“říká expert na životní původ Armen Mulkidzhanian z University of Osnabruck v Německu. "V Sovětském svazu byli přijati s radostí, protože nepotřebovali Boha." Když se v západním světě podíváte na lidi, kteří si mysleli tímto směrem, byli to všichni levičáci, komunisté atd. ““
Myšlenka, že život byl vytvořen v prvotním vývaru organické hmoty, se stala Oparin-Haldanovou hypotézou. Byla elegantní a přesvědčivá, ale byl tu jeden problém. Nebyla podporována žádnými experimentálními důkazy. A tak to trvalo téměř čtvrt století.
Harold Urey
Než se Harold Urey začal zajímat o původ života, získal již Nobelovu cenu za chemii z roku 1934 a pomáhal stavět atomovou bombu. Během druhé světové války pracoval Yuri na projektu Manhattan a shromažďoval nestabilní uran 235 potřebný pro jádro bomby. Po válce se snažil udržet jadernou technologii pod civilní kontrolou.
Zajímal se také o chemii vesmíru, zejména o to, co se stalo během formování sluneční soustavy. Jednoho dne přednesl přednášku a poznamenal, že v zemské atmosféře pravděpodobně při prvním tvorbě pravděpodobně nebyl kyslík. To byl perfektní doplněk k Oparinovi a Haldanově primárnímu bujónu: křehké chemikálie mohly být zničeny kontaktem s kyslíkem.
Doktorand jménem Stanley Miller byl v publiku a pak přistoupil k Yuuri s otázkou: lze tento nápad otestovat? Yuuri byl skeptický, ale Miller trval na svém. Takže v roce 1952 začal Miller nejslavnější experiment o původu života.
Miller-Ureyův experiment
Nastavení bylo jednoduché. Miller spojil řadu skleněných lahví a vypálil čtyři chemikálie, které by mohly být přítomny na počátku Země: vroucí voda, plynný vodík, amoniak a metan. Poté podrobil plyny opakovaným elektrickým šokům, aby simuloval údery blesku, které byly v té době na Zemi běžné.
Miller zjistil, že „voda v lahvičkách po prvním dni výrazně zčervenala a do konce týdne byl roztok červený a zakalený.“Zřejmě se vytvořila směs chemikálií.
Po analýze směsi Miller zjistil, že obsahuje dvě aminokyseliny: glycin a alanin. Aminokyseliny jsou často označovány jako stavební kameny života. Používají se k tvorbě proteinů, které kontrolují většinu biochemických procesů v našem těle. Miller postavil od základu dvě základní složky života.
Výsledky byly publikovány v prestižním časopise Science v roce 1953. Yuri udělal něco velmi neobvyklého pro vedoucí vědce, zbavil své jméno ze své práce a vzdal veškerou zásluhu Millerovi. Přes toto, studie je často odkazoval se na jako Miller-Urey experiment.
Stanley Miller v laboratoři
"Silnou stránkou Miller-Urey je, že můžete produkovat mnoho biologických molekul jen z atmosféry," říká John Sutherland z Molecular Biology Laboratory v Cambridge ve Velké Británii.
Detaily se ukázaly být nesprávné, protože pozdější studie ukázaly, že atmosféra rané Země byla jiná směs plynů. Ale to nic nemění. Experiment byl úspěšný, stimuloval představivost veřejnosti a explodoval v uvozovkách.
Po Millerově experimentu začali další vědci hledat způsoby, jak vytvořit jednoduché biologické molekuly od nuly. Zdálo se, že se objevilo řešení tajemství původu života.
Ale pak se ukázalo, že život byl těžší, než si myslel kdokoli. Živé buňky nebyly jen pytle chemikálií: byly to malé malé stroje. Náhle se ukázalo, že stavění buňky od nuly je mnohem obtížnější, než si vědci mysleli.
ILYA KHEL
- Část druhá: Rozdělení v řadách vědců -
- Část třetí: při hledání prvního replikátoru -
- Část čtvrtá: energie protonů -
- Část pět: Jak tedy vytvoříte buňku? -
- Část šestá: Velké sjednocení -