- Bahagian pertama: Bagaimana membuat kandang -
- Bahagian kedua: Perpecahan dalam barisan saintis -
- Bahagian ketiga: mencari replikator pertama -
- Bahagian lima: jadi bagaimana anda membuat sel? -
- Bahagian Enam: Penyatuan yang Hebat -
Dalam bab dua, kita belajar bagaimana para sarjana berpecah menjadi tiga mazhab pemikiran, yang mencerminkan asal-usul kehidupan. Satu kumpulan yakin bahawa kehidupan bermula dengan molekul RNA, tetapi tidak dapat menunjukkan bagaimana RNA atau molekul serupa dapat terbentuk secara spontan di Bumi awal dan kemudian membuat salinannya sendiri. Usaha mereka memberangsangkan pada awalnya, tetapi akhirnya hanya kekecewaan yang tersisa. Walau bagaimanapun, penyelidik asal-usul kehidupan lain yang mengikuti jalan yang berbeza telah menghasilkan beberapa hasil.
Teori dunia RNA didasarkan pada idea mudah: perkara terpenting yang dapat dilakukan oleh organisma hidup adalah menghasilkan semula dirinya sendiri. Ramai ahli biologi akan bersetuju dengan ini. Dari bakteria hingga ikan paus biru, semua makhluk hidup berusaha untuk mempunyai keturunan.
Walau bagaimanapun, banyak penyelidik asal-usul kehidupan tidak menganggap pembiakan menjadi asas. Sebelum organisma dapat berkembang biak, kata mereka, ia mesti menjadi mandiri. Dia mesti menjaga hidupnya. Lagipun, anda tidak boleh mempunyai anak jika anda mati pertama.
Kita menjaga diri kita dengan memakan makanan; tumbuhan hijau melakukan ini dengan mengeluarkan tenaga dari cahaya matahari. Pada pandangan pertama, orang yang makan stik berair sangat berbeza dengan pokok oak yang berdaun, tetapi apabila anda melihatnya, mereka berdua memerlukan tenaga.
Proses ini dipanggil metabolisme. Pertama anda perlu mendapatkan tenaga; katakanlah dari bahan kimia yang kaya dengan tenaga seperti gula. Maka anda mesti menggunakan tenaga ini untuk membina sesuatu yang berguna, seperti sel.
Proses menggunakan tenaga ini sangat penting sehingga banyak penyelidik menganggapnya sebagai yang pertama dari mana kehidupan bermula.
Air gunung berapi panas dan kaya dengan mineral
Video promosi:
Seperti apa organisma metabolik ini? Salah satu andaian paling menarik dibuat pada akhir 1980-an oleh Gunther Wachtershauser. Dia bukan saintis sepenuh masa, melainkan seorang peguam paten dengan sedikit pengetahuan tentang kimia.
Wachtershauser mencadangkan bahawa organisma pertama "berbeza secara radikal dari apa yang kita tahu." Mereka tidak dibuat dari sel. Mereka tidak mempunyai enzim, DNA atau RNA. Tidak, sebaliknya, Wachtershauser membayangkan aliran air panas mengalir keluar dari gunung berapi. Air ini kaya dengan gas gunung berapi seperti ammonia dan mengandungi jejak mineral dari jantung gunung berapi.
Di mana air mengalir melalui batu, reaksi kimia mula berlaku. Khususnya, logam dari air membantu sebatian organik sederhana bergabung menjadi lebih besar. Titik perubahannya ialah penciptaan kitaran metabolik pertama. Ia adalah proses di mana satu bahan kimia ditukar kepada sejumlah bahan kimia lain sehingga bahan semula jadi akhirnya dibuat semula. Dalam prosesnya, seluruh sistem membina tenaga yang dapat digunakan untuk memulakan semula kitaran - dan untuk perkara lain.
Segala sesuatu yang lain yang membentuk organisma moden - DNA, sel, otak - muncul kemudian, di atas kitaran kimia ini. Kitaran metabolik ini sama sekali tidak menyerupai kehidupan. Wachtershauser menyebut penemuannya sebagai "pendahulu organisma" dan menulis bahawa "mereka hampir tidak dapat disebut hidup."
Tetapi kitaran metabolik seperti yang dijelaskan oleh Wachtershauser adalah teras dalam semua kehidupan. Sel anda pada asasnya adalah kilang kimia mikroskopik, sentiasa menyalurkan satu bahan ke bahan lain. Kitaran metabolik tidak boleh disebut kehidupan, tetapi asasnya adalah kehidupan.
Semasa tahun 1980-an dan 1990-an, Wachtershauser mengusahakan perincian teorinya. Dia menggariskan mineral mana yang paling sesuai dan kitaran kimia mana yang mungkin berlaku. Idea-idea beliau mula menarik penyokong.
Tetapi semua ini adalah teori semata-mata. Wachtershauser memerlukan penemuan nyata untuk menyokong ideanya. Nasib baik, ia sudah dilakukan sepuluh tahun sebelumnya.
Sumber di Pasifik
Pada tahun 1977, sebuah pasukan yang diketuai oleh Jack Corliss dari Universiti Negeri Oregon terjun sejauh 2.5 kilometer ke Pasifik Timur. Mereka mempelajari mata air panas Galapagos di tempat-tempat di mana rabung tinggi naik dari dasar laut. Rabung ini aktif secara gunung berapi.
Corliss mendapati bahawa permatang ini secara harfiah dihiasi dengan sumber air panas. Air panas yang kaya dengan bahan kimia naik dari bawah dasar laut dan mengalir melalui lubang di bebatuan.
Hebatnya, lubang hidrotermal ini dipenuhi dengan haiwan pelik. Ada kerang besar, kerang, dan kelopak mata. Air juga jenuh dengan bakteria. Semua organisma ini menggunakan tenaga ventilasi hidrotermal.
Penemuan sumber-sumber ini memberi nama kepada Corliss. Dan itu membuat saya berfikir. Pada tahun 1981, dia mengemukakan bahawa ventilasi seperti itu ada di Bumi empat bilion tahun yang lalu dan ia menjadi tempat asal kehidupan. Dia telah menumpukan sebahagian besar kariernya untuk mengkaji isu ini.
Lubang hidroterma mempunyai kehidupan yang pelik
Corliss mencadangkan bahawa ventilasi hidrotermal dapat membuat koktel bahan kimia. Setiap sumber, katanya, adalah sejenis semburan kaldu primordial.
Semasa air panas mengalir melalui batu, panas dan tekanan menyebabkan sebatian organik sederhana menyatu menjadi yang lebih kompleks, seperti asid amino, nukleotida, dan gula. Lebih dekat ke perbatasan dengan lautan, di mana air tidak begitu panas, mereka mula berantai dalam rantai - untuk membentuk karbohidrat, protein dan nukleotida seperti DNA. Kemudian, ketika air menghampiri lautan dan menyejukkan lebih banyak lagi, molekul-molekul ini berkumpul menjadi sel sederhana.
Sangat menarik, teori itu menarik perhatian orang. Tetapi Stanley Miller, yang percubaannya kita bincangkan pada bahagian pertama, tidak mempercayainya. Pada tahun 1988, dia menulis bahawa lubang dalam terlalu panas.
Walaupun panas yang kuat dapat menghasilkan bahan kimia seperti asid amino, percubaan Miller menunjukkan bahawa ia juga dapat memusnahkannya. Sebatian asas seperti gula "dapat bertahan selama beberapa saat, tidak lebih." Lebih-lebih lagi, molekul sederhana ini tidak mungkin terikat dalam rantai, kerana air di sekitarnya akan langsung memecahnya.
Pada peringkat ini, ahli geologi Mike Russell menyertai pertempuran. Dia percaya bahawa teori ventilasi hidrotermal boleh betul. Lebih-lebih lagi, menurutnya sumber-sumber ini akan menjadi rumah yang ideal bagi pendahulu organisma Wachtershauser. Inspirasi ini mendorongnya untuk mencipta salah satu teori asal usul kehidupan yang paling banyak diterima.
Ahli geologi Michael Russell
Kerjaya Russell mempunyai banyak perkara menarik - dia membuat aspirin, mencari mineral berharga - dan dalam satu kejadian luar biasa pada tahun 1960-an, menyelaraskan tindak balas terhadap kemungkinan letusan gunung berapi, walaupun kekurangan persiapan. Tetapi dia lebih berminat dengan bagaimana permukaan Bumi berubah selama ribuan tahun. Perspektif geologi ini menimbulkan idea-idea beliau mengenai asal usul kehidupan.
Pada tahun 1980-an, dia menjumpai bukti fosil jenis urat hidrotermal yang kurang bergelora, di mana suhu tidak melebihi 150 darjah Celsius. Suhu ringan ini, katanya, dapat membiarkan molekul hidup hidup lebih lama daripada yang difikirkan oleh Miller.
Lebih-lebih lagi, sisa fosil bolong "sejuk" ini mengandungi sesuatu yang pelik: pirit mineral, yang terdiri daripada besi dan sulfur, telah terbentuk dalam tiub berdiameter 1 mm. Semasa bekerja di makmal, Russell mendapati bahawa pirit juga dapat membentuk titisan sfera. Dan dia mencadangkan bahawa molekul organik kompleks pertama dapat terbentuk di dalam struktur pirit sederhana ini.
Pirit besi
Pada masa inilah Wachtershauser mulai menerbitkan ideanya, yang berdasarkan aliran air panas dan kimia yang diperkaya yang mengalir melalui mineral. Dia bahkan mencadangkan bahawa pirit terlibat.
Russell menambah dua tambah dua. Dia mencadangkan bahawa lubang hidrotermal jauh di laut, cukup sejuk untuk membolehkan struktur pirit terbentuk, menjadi pendahulu organisma Wachtershauser. Sekiranya Russell betul, kehidupan bermula di dasar laut - dan metabolisme pertama kali muncul.
Russell mengumpulkan semuanya dalam makalah yang diterbitkan pada tahun 1993, 40 tahun selepas eksperimen klasik Miller. Ia tidak menghasilkan media yang sama, tetapi boleh dikatakan lebih penting. Russell telah menggabungkan dua idea yang kelihatan terpisah - kitaran metabolisme Wachtershauser dan saluran hidroterma Corliss - menjadi sesuatu yang sangat menarik.
Russell bahkan memberikan penjelasan tentang bagaimana organisma pertama mendapat tenaga mereka. Iaitu, dia memahami bagaimana metabolisme mereka dapat berfungsi. Ideanya didasarkan pada karya salah satu genius sains moden yang dilupakan.
Peter Mitchell, pemenang Nobel
Pada tahun 1960-an, ahli biokimia Peter Mitchell jatuh sakit dan terpaksa bersara dari University of Edinburgh. Sebaliknya, dia mendirikan makmal swasta di kawasan terpencil di Cornwall. Terasing dari komuniti ilmiah, dia membiayai pekerjaannya dengan sekumpulan lembu tenusu. Banyak ahli biokimia, termasuk Leslie Orgel, yang karyanya mengenai RNA yang kita bincangkan di bahagian dua, menganggap idea Mitchell benar-benar tidak masuk akal.
Beberapa dekad kemudian, Mitchell menunggu kemenangan mutlak: Hadiah Nobel Kimia tahun 1978. Dia tidak menjadi terkenal, tetapi ideanya ada di setiap buku teks biologi hari ini. Mitchell menghabiskan kerjayanya untuk mencari tahu apa yang dilakukan oleh organisma dengan tenaga yang mereka dapat dari makanan. Pada dasarnya, dia tertanya-tanya bagaimana kita semua dapat terus hidup setiap saat.
Dia tahu bahawa semua sel menyimpan tenaga mereka dalam satu molekul: adenosin trifosfat (ATP). Rantai tiga fosfat dilekatkan pada adenosin. Menambah fosfat ketiga memerlukan banyak tenaga, yang kemudian dikunci ke ATP.
Apabila sel memerlukan tenaga - misalnya, ketika otot berkontraksi - ia memecah fosfat ketiga menjadi ATP. Ini menukar ATP menjadi adenosidiphosphate (ADP) dan membebaskan tenaga yang tersimpan. Mitchell ingin mengetahui bagaimana sel membuat ATP secara umum. Bagaimana ia menyimpan tenaga yang mencukupi dalam ADP untuk melampirkan fosfat ketiga?
Mitchell tahu bahawa enzim yang membuat ATP ada di dalam membran. Oleh itu, saya menganggap bahawa sel mengepam zarah (proton) yang bermuatan melalui membran, begitu banyak proton di satu sisi, tetapi tidak di sisi lain.
Proton kemudian cuba membocorkan kembali membran untuk menyeimbangkan jumlah proton di setiap sisi - tetapi satu-satunya tempat yang dapat mereka lalui adalah enzim. Aliran proton yang mengalir dengan demikian memberikan enzim dengan tenaga yang diperlukan untuk membuat ATP.
Mitchell pertama kali mengemukakan ideanya pada tahun 1961. Dia menghabiskan 15 tahun berikutnya membela dia dari semua pihak, sehingga bukti itu tidak dapat dibantah. Kita sekarang tahu bahawa proses Mitchell digunakan oleh setiap makhluk hidup di Bumi. Sekarang ini, ia mengalir di sel anda. Seperti DNA, ia mendasari kehidupan yang kita tahu.
Russell meminjam dari Mitchell idea kecerunan proton: terdapat banyak proton di satu sisi membran dan sedikit di sisi lain. Semua sel memerlukan kecerunan proton untuk menyimpan tenaga.
Sel moden membuat kecerunan dengan mengepam proton ke seluruh membran, tetapi ini memerlukan mekanisme molekul kompleks yang tidak dapat muncul dengan sendirinya. Oleh itu Russell mengambil langkah logik yang lain: kehidupan harus terbentuk di suatu tempat dengan kecerunan proton semula jadi.
Contohnya, di tempat berhampiran hidrotermal. Tetapi mestilah jenis sumber khas. Semasa Bumi masih muda, laut berasid, dan terdapat banyak proton di dalam air berasid. Untuk membuat kecerunan proton, air sumber mestilah rendah dalam proton: mestilah beralkali.
Sumber Corliss tidak sesuai. Bukan sahaja mereka terlalu panas, mereka juga masam. Tetapi pada tahun 2000, Deborah Kelly dari University of Washington menemui sumber alkali pertama.
Bandar yang Hilang
Kelly harus bekerja keras untuk menjadi saintis. Ayahnya meninggal semasa dia menamatkan sekolah menengah dan dia terpaksa bekerja untuk tinggal di kuliah. Tetapi dia mengatasi dan memilih gunung berapi bawah air dan membakar mata air hidrotermal panas sebagai subjek minatnya. Pasangan ini membawanya ke pusat Lautan Atlantik. Pada titik ini, kerak bumi retak dan pergunungan naik dari dasar laut.
Di rabung ini, Kelly menemui ladang hidrotermal, yang disebutnya "The Lost City." Mereka tidak kelihatan seperti yang dijumpai oleh Corliss. Air mengalir keluar dari mereka pada suhu 40-75 darjah Celsius dan sedikit beralkali. Mineral karbonat dari air ini berkumpul menjadi "kepulan asap" putih curam yang naik dari dasar laut seperti paip organ. Mereka kelihatan menyeramkan dan hantu, tetapi tidak: mereka adalah rumah bagi banyak mikroorganisma.
Lubang beralkali ini sesuai dengan idea Russell. Dia yakin bahawa kehidupan muncul di "kota-kota yang hilang" seperti itu. Tetapi ada satu masalah. Sebagai ahli geologi, dia tidak tahu banyak mengenai sel biologi untuk mengemukakan teorinya dengan meyakinkan.
Tiang asap dari "bilik merokok hitam"
Jadi Russell bekerjasama dengan ahli biologi William Martin. Pada tahun 2003, mereka mengemukakan versi idea-idea Russell yang lebih baik. Dan ini mungkin merupakan teori terbaik mengenai kemunculan kehidupan pada masa ini.
Terima kasih kepada Kelly, mereka sekarang tahu bahawa batu-batu mata air alkali berliang: mereka dihiasi dengan lubang kecil yang dipenuhi dengan air. Poket kecil ini, menurut mereka, bertindak sebagai "sel." Setiap poket mengandungi bahan kimia asas, termasuk pirit. Dikombinasikan dengan kecerunan proton semula jadi dari sumbernya, mereka adalah tempat yang tepat untuk memulakan metabolisme.
Setelah hidup belajar memanfaatkan tenaga perairan, Russell dan Martin mengatakan, ia mula mencipta molekul seperti RNA. Pada akhirnya, dia membuat selaput untuk dirinya sendiri dan menjadi sel sebenar, melarikan diri dari batu berpori ke perairan terbuka.
Plot seperti ini pada masa ini dianggap sebagai salah satu hipotesis utama mengenai asal usul kehidupan.
Sel melarikan diri dari lubang hidroterma
Pada bulan Julai 2016, dia mendapat sokongan ketika Martin menerbitkan sebuah kajian yang menyusun semula beberapa perincian "nenek moyang umum sejagat terakhir" (LUCA). Ia adalah organisma yang hidup berbilion tahun yang lalu dan dari mana semua kehidupan yang ada berasal.
Tidak mungkin kita akan menemui bukti fosil langsung mengenai kewujudan organisma ini, namun kita dapat membuat tekaan yang terdidik tentang bagaimana bentuknya dan apa yang dilakukannya semasa mengkaji mikroorganisma pada zaman kita. Inilah yang dilakukan oleh Martin.
Dia memeriksa DNA mikroorganisma moden pada tahun 1930 dan mengenal pasti 355 gen yang dimiliki oleh hampir semua orang. Ini adalah bukti yang meyakinkan mengenai pemindahan 355 gen ini, dari generasi ke generasi, dari nenek moyang bersama - sekitar masa ketika nenek moyang bersama yang terakhir hidup.
355 gen ini menghidupkan beberapa untuk menggunakan kecerunan proton, tetapi tidak menghasilkannya, seperti yang diramalkan oleh Russell dan Martin. Terlebih lagi, LUCA sepertinya telah disesuaikan dengan kehadiran bahan kimia seperti metana, menunjukkan bahawa ia mendiami persekitaran yang aktif, seperti ventilasi.
Penyokong hipotesis "dunia RNA" menunjukkan dua masalah dengan teori ini. Satu boleh diperbaiki; yang lain boleh membawa maut.
Mata air hidrotermal
Masalah pertama adalah bahawa tidak ada bukti eksperimen untuk proses yang dijelaskan oleh Russell dan Martin. Mereka mempunyai sejarah selangkah demi selangkah, tetapi tidak ada langkah-langkah ini yang diperhatikan di makmal.
"Orang yang percaya bahawa semuanya bermula dengan pembiakan terus mencari data eksperimen baru," kata Armen Mulkidzhanyan. "Orang yang mendukung metabolisme tidak."
Tetapi itu boleh berubah, terima kasih kepada rakan sekerja Martin, Nick Lane dari University College London. Dia membina "Origin of Life Reactor" yang mensimulasikan keadaan di dalam sumber alkali. Dia berharap dapat melihat kitaran metabolik, dan mungkin juga molekul seperti RNA. Tetapi terlalu awal.
Masalah kedua adalah lokasi sumber di laut dalam. Seperti yang dinyatakan oleh Miller pada tahun 1988, molekul rantai panjang seperti RNA dan protein tidak dapat terbentuk di dalam air tanpa enzim tambahan.
Bagi banyak saintis, ini adalah hujah yang boleh membawa maut. "Sekiranya anda mahir dalam kimia, anda tidak akan disuap dengan idea mata air laut dalam, kerana anda tahu bahawa kimia semua molekul ini tidak sesuai dengan air," kata Mulkidzhanian.
Namun Russell dan sekutunya tetap optimis.
Hanya dalam dekad terakhir pendekatan ketiga muncul, disokong oleh serangkaian eksperimen yang tidak biasa. Ia menjanjikan sesuatu yang tidak dapat dicapai oleh dunia RNA atau ventilasi hidrotermal: cara untuk membuat keseluruhan sel dari awal. Lebih lanjut mengenai perkara ini di bahagian seterusnya.
ILYA KHEL
- Bahagian pertama: Cara membuat kandang -
- Bahagian kedua: Perpecahan dalam barisan saintis -
- Bahagian ketiga: mencari replikator pertama -
- Bahagian lima: jadi bagaimana anda membuat sel? -
- Bahagian Enam: Penyatuan yang Hebat -
