- Del en: Hur man skapar en bur -
- Del två: En uppdelning i forskarnas rader -
- Del tre: på jakt efter den första replikatorn -
- Del fem: så hur skapar du en cell? -
Del sex: Den stora föreningen -
I kapitel två lärde vi oss hur forskare delades upp i tre tankeskolor och reflekterade över livets ursprung. En grupp var övertygad om att livet började med en RNA-molekyl, men kunde inte visa hur RNA eller liknande molekyler spontant kunde bildas på den tidiga jorden och sedan göra kopior av sig själva. Deras ansträngningar var uppmuntrande till en början, men i slutändan återstod endast besvikelsen. Men andra livssynsforskare som har följt olika vägar har kommit med några resultat.
RNA-världsteorin bygger på en enkel idé: det viktigaste en levande organisme kan göra är att reproducera sig själv. Många biologer skulle hålla med om detta. Från bakterier till blåvalar strävar allt levande för att få avkommor.
Många forskare från livets ursprung anser dock inte reproduktionen vara grundläggande. Innan en organism kan reproducera sig, säger de, måste den bli självförsörjande. Han måste hålla sig vid liv. När allt kommer omkring kan du inte få barn om du först dör.
Vi håller oss levande genom att konsumera mat; gröna växter gör detta genom att utvinna energi från solljus. Vid första anblicken är den som äter en saftig biff mycket annorlunda än en lummig ek, men när du tittar på den behöver de båda energi.
Denna process kallas ämnesomsättning. Först måste du få energi; låt oss säga från energirika kemikalier som socker. Då måste du använda denna energi för att bygga något användbart, som celler.
Denna process för att använda energi är så viktig att många forskare anser att den är den första från vilken livet började.
Vulkaniskt vatten är varmt och rikt på mineraler
Kampanjvideo:
Hur skulle dessa metabolism-endast organismer se ut? En av de mest intressanta antagandena gjordes i slutet av 1980-talet av Gunther Wachtershauser. Han var ingen forskare på heltid utan snarare en patentadvokat med liten kunskap om kemi.
Wachtershauser föreslog att de första organismerna var "radikalt annorlunda än vad vi visste." De var inte gjorda av celler. De hade inte enzymer, DNA eller RNA. Nej, istället föreställde Wachtershauser sig en ström av varmt vatten som rann ut ur en vulkan. Detta vatten är rikt på vulkaniska gaser som ammoniak och innehåller spår av mineraler från hjärtat av vulkanen.
Där vatten flödade genom stenarna började kemiska reaktioner äga rum. I synnerhet hjälpte metaller från vatten enkla organiska föreningar att smälta samman till större. Vändpunkten var skapandet av den första metabolismcykeln. Det är en process där en kemikalie omvandlas till ett antal andra kemikalier tills originalet så småningom återskapas. Under processen bygger hela systemet upp energi som kan användas för att starta om cykeln - och för andra saker.
Allt annat som utgör en modern organisme - DNA, celler, hjärnor - dök upp senare, ovanpå dessa kemiska cykler. Dessa metabola cykler liknar inte alls lite liv. Wachtershauser kallade sin uppfinning "föregångare till organismer" och skrev att "de knappast kan kallas levande."
Men metaboliska cykler som de som beskrivs av Wachtershauser är kärnan i allt liv. Dina celler är i huvudsak mikroskopiska kemiska fabriker, som hela tiden distribuerar en substans till en annan. Metaboliska cykler kan inte kallas liv, men de är grundläggande för livet.
Under 1980- och 1990-talet arbetade Wachtershauser med detaljerna i sin teori. Han redogjorde för vilka mineraler som skulle vara bäst lämpade och vilka kemiska cykler som kan äga rum. Hans idéer började locka supportrar.
Men allt detta var rent teoretiskt. Wachtershauser behövde en verklig upptäckt för att stödja sina idéer. Lyckligtvis hade det redan gjorts tio år tidigare.
Källor i Stilla havet
1977 kastade ett team under ledning av Jack Corliss från Oregon State University 2,5 kilometer in i östra Stilla havet. De studerade Galapagos heta källor på platser där höga åsar steg från havsbotten. Dessa åsar var vulkaniskt aktiva.
Corliss upptäckte att dessa åsar bokstavligen var prickade med varma källor. Varmt kemikalierikt vatten stiger upp under havsbotten och rinner genom hål i klipporna.
Otroligt, dessa hydrotermiska ventiler var tätbefolkade med konstiga djur. Det fanns enorma musslor, musslor och annelider. Vattnet var också mycket mättat med bakterier. Alla dessa organismer levde på energin från hydrotermiska ventiler.
Upptäckten av dessa källor gav Corliss ett namn. Och det fick mig att tänka. 1981 föreslog han att sådana ventiler fanns på jorden för fyra miljarder år sedan och att de blev livets ursprungsort. Han har ägnat brorparten av sin karriär till att studera denna fråga.
Hydrotermiska ventiler har ett konstigt liv
Corliss föreslog att hydrotermiska ventiler skulle kunna skapa cocktails med kemikalier. Varje källa, sade han, var en sorts spray av primär buljong.
När det heta vattnet flödade genom klipporna, fick värme och tryck enkla organiska föreningar att smälta samman till mer komplexa sådana, såsom aminosyror, nukleotider och sockerarter. Närmare gränsen till havet, där vattnet inte var så varmt, började de kopplas i kedjor - för att bilda kolhydrater, proteiner och nukleotider som DNA. När vattnet närmade sig havet och kyldes ännu mer samlades dessa molekyler i enkla celler.
Det var intressant, teorin fick människors uppmärksamhet. Men Stanley Miller, vars experiment vi diskuterade i första delen, trodde inte på det. 1988 skrev han att de djupa ventilerna var för heta.
Även om intensiv värme kan producera kemikalier som aminosyror, visade Millers experiment att det också kan förstöra dem. Basföreningar som socker "kunde överleva i några sekunder, inte mer." Dessutom kommer dessa enkla molekyler sannolikt inte att binda i kedjor, eftersom det omgivande vattnet omedelbart skulle bryta dem isär.
I detta skede gick geologen Mike Russell med i striden. Han trodde att teorin om hydrotermiska ventiler kunde vara ganska korrekt. Dessutom tycktes det honom att dessa källor skulle vara det perfekta hemmet för föregångarna till Wachtershauser-organismen. Denna inspiration ledde till att han skapade en av de mest accepterade teorierna om livets ursprung.
Geolog Michael Russell
Russells karriär hade många intressanta saker - han fick aspirin att leta efter värdefulla mineraler - och i en anmärkningsvärd incident på 1960-talet koordinerade han svaret på ett eventuellt vulkanutbrott, trots brist på förberedelser. Men han var mer intresserad av hur jordens yta förändrades över eonerna. Detta geologiska perspektiv gav upphov till hans idéer om livets ursprung.
På 1980-talet fann han fossila bevis på en mindre turbulent typ av hydrotermisk ven, där temperaturen inte översteg 150 grader Celsius. Dessa milda temperaturer, sade han, kunde låta livets molekyler leva längre än Miller trodde.
Dessutom innehöll de fossila resterna av dessa "coola" ventiler något konstigt: mineralpyriten, sammansatt av järn och svavel, hade bildats i rör med en diameter på 1 mm. När han arbetade i laboratoriet upptäckte Russell att pyrit också kunde bilda sfäriska droppar. Och han föreslog att de första komplexa organiska molekylerna kunde ha bildats i dessa enkla pyritstrukturer.
Järnpyrit
Det var runt denna tid som Wachtershauser började publicera sina idéer, som var baserade på flödet av varmt, kemiskt anrikat vatten som flödade genom mineraler. Han föreslog till och med att pyrit var inblandad.
Russell lade till två plus två. Han föreslog att hydrotermiska ventiler djupt i havet, tillräckligt kalla för att låta pyritstrukturer bildas, innehöll föregångare till Wachtershauser-organismer. Om Russell hade rätt, började livet på botten av havet - och ämnesomsättningen först dök upp.
Russell sammansatte allt i ett papper som publicerades 1993, 40 år efter Millers klassiska experiment. Det genererade inte samma mediasummer, men det var utan tvekan viktigare. Russell har kombinerat två till synes separata idéer - Wachtershausers metaboliska cykler och Corliss hydrotermiska ventiler - till något som verkligen övertygande.
Russell erbjöd till och med en förklaring till hur de första organismerna fick sin energi. Det vill säga han förstod hur deras ämnesomsättning kunde fungera. Hans idé var baserad på ett av de glömda genierna i modern vetenskap.
Peter Mitchell, nobelpristagare
På 1960-talet blev biokemisten Peter Mitchell sjuk och tvingades gå i pension från University of Edinburgh. Istället inrättade han ett privat laboratorium på ett avlägset gods i Cornwall. Isolerad från det vetenskapliga samfundet finansierade han sitt arbete med en flock mjölkkor. Många biokemister, inklusive Leslie Orgel, vars arbete med RNA vi diskuterade i del två, ansåg Mitchells idéer helt löjliga.
Några decennier senare väntade Mitchell på en absolut seger: Nobelpriset i kemi 1978. Han blev inte berömd, men hans idéer finns i alla biologiska läroböcker idag. Mitchell tillbringade sin karriär för att ta reda på vad organismer gör med energin de får från mat. I princip undrade han hur vi alla lyckas hålla oss vid liv varje sekund.
Han visste att alla celler lagrar sin energi i en molekyl: adenosintrifosfat (ATP). En kedja med tre fosfater är fäst vid adenosin. Att lägga till en tredje fosfat kräver mycket energi, som sedan låses fast i ATP.
När en cell behöver energi - till exempel när en muskel samlas - bryter den ner en tredje fosfat till ATP. Detta konverterar ATP till adenosidifosfat (ADP) och frigör lagrad energi. Mitchell ville veta hur en cell gör ATP i allmänhet. Hur lagrar den tillräckligt med energi i ADP för att fästa det tredje fosfatet?
Mitchell visste att enzymet som skapar ATP fanns i membranet. Därför antog jag att cellen pumpar laddade partiklar (protoner) genom membranet, så många protoner finns på ena sidan, men inte på den andra.
Protonerna försöker sedan läcka tillbaka genom membranet för att balansera antalet protoner på varje sida - men det enda stället de kan gå igenom är enzymet. Flödet av flödande protoner gav således enzymet den energi som behövdes för att skapa ATP.
Mitchell presenterade först sin idé 1961. Han tillbringade de kommande 15 åren på att försvara henne från alla sidor, tills bevisen var oåterkallelig. Vi vet nu att Mitchell-processen används av alla levande saker på jorden. Just nu flyter det i dina celler. Liksom DNA ligger det under det liv vi känner.
Russell lånade från Mitchell idén om en protongradient: det finns många protoner på ena sidan av membranet och få på den andra. Alla celler behöver en protongradient för att lagra energi.
Moderna celler skapar gradienter genom att pumpa protoner över membran, men detta kräver en komplex molekylmekanism som helt enkelt inte kunde visas på egen hand. Så Russell tog ytterligare ett logiskt steg: livet måste bildas någonstans med en naturlig protongradient.
Till exempel någonstans nära hydrotermiska ventiler. Men det måste vara en speciell typ av källa. När jorden var ung var havet surt och det finns många protoner i surt vatten. För att skapa en protongradient måste källvattnet ha låg protoner: det måste vara alkaliskt.
Corliss källor passade inte. Inte bara var de för varma, de var också sura. Men år 2000 upptäckte Deborah Kelly från University of Washington de första alkaliska källorna.
Försvunnen stad
Kelly var tvungen att arbeta hårt för att bli forskare. Hennes far dog medan hon avslutade gymnasiet och hon tvingades arbeta för att stanna på college. Men hon klädde och valde undervattens vulkaner och brinnande heta hydrotermiska källor som ämnet för hennes intresse. Paret förde henne till centrum av Atlanten. Vid denna tidpunkt sprack jordskorpan och en bergskam steg upp från havsbotten.
På denna ås upptäckte Kelly ett fält av hydrotermiska ventiler, som hon kallade "The Lost City." De såg inte ut som de som hittades av Corliss. Vattnet flödade ut ur dem vid en temperatur på 40-75 grader Celsius och var något alkaliskt. Karbonatmineralerna från detta vatten klumpade sig samman till branta vita "rökrök" som steg upp från havsbotten som orgelrör. De ser läskiga och spöklika ut, men de är inte: de är hem för många mikroorganismer.
Dessa alkaliska ventiler passar perfekt med Russells idéer. Han trodde fast att livet dök upp i sådana”förlorade städer”. Men det var ett problem. Som geolog visste han inte så mycket om biologiska celler för att presentera sin teori på ett övertygande sätt.
En kolonn med rök från "svart rökrum"
Så Russell samarbetade med biologen William Martin. 2003 presenterade de en förbättrad version av Russells tidigare idéer. Och detta är förmodligen den bästa teorin om livets uppkomst för tillfället.
Tack vare Kelly visste de nu att klipporna i de alkaliska källorna var porösa: de var prickade med små hål fyllda med vatten. Dessa små fickor, föreslog de, fungerade som "celler". Varje ficka innehöll grundläggande kemikalier, inklusive pyrit. I kombination med den naturliga protongradienten från källorna var de det perfekta stället att starta ämnesomsättningen.
Efter att livet lärt sig utnyttja källvattenens energi, säger Russell och Martin, började det skapa molekyler som RNA. I slutändan skapade hon ett membran för sig själv och blev en riktig cell som flydde från den porösa berget till öppet vatten.
En sådan tomt betraktas för närvarande som en av de ledande hypoteserna om livets ursprung.
Celler flyr från hydrotermiska ventiler
I juli 2016 fick han stöd när Martin publicerade en studie som rekonstruerade några av detaljerna i den "sista universella gemensamma förfäder" (LUCA). Det är en organisme som levde för miljarder år sedan och från vilken allt befintligt liv härstammade.
Det är osannolikt att vi någonsin kommer att hitta direkta fossiliserade bevis på förekomsten av denna organisme, men ändå kan vi ganska göra utbildade gissningar om hur det såg ut och hur det gjorde när vi studerade mikroorganismer i vår tid. Det var vad Martin gjorde.
Han undersökte DNA från 1930-moderna mikroorganismer och identifierade 355 gener som nästan alla hade. Detta är övertygande bevis på överföringen av dessa 355 gener, genom generationer och generationer, från en gemensam förfader - runt tiden då den sista universella gemensamma förfäder levde.
Dessa 355 gener aktiverar vissa för att använda protongradienten, men inte för att generera den, som Russell och Martin förutspådde. Dessutom verkar LUCA ha anpassats till närvaron av kemikalier som metan, vilket tyder på att det bebodde en vulkaniskt aktiv, vent-liknande miljö.
Förespråkare för hypotesen "RNA-världen" pekar på två problem med denna teori. Man kan fixas; den andra kan vara dödlig.
Hydrotermala fjädrar
Det första problemet är att det inte finns några experimentella bevis för de processer som beskrivs av Russell och Martin. De har en stegvis steghistoria, men inga av dessa steg har observerats i laboratoriet.
"Människor som tror att allt började med reproduktion hittar ständigt nya experimentella data," säger Armen Mulkidzhanyan. "Människor som står för metabolism gör det inte."
Men det kan förändras tack vare Martins kollega Nick Lane från University College London. Han byggde en "Origin of Life Reactor" som simulerar förhållandena i en alkalisk källa. Han hoppas kunna se metaboliska cykler, och kanske till och med molekyler som RNA. Men det är för tidigt.
Det andra problemet är källornas placering i djuphavet. Som Miller noterade 1988, kan långkedjiga molekyler som RNA och proteiner inte bildas i vatten utan hjälpenzymer.
För många forskare är detta ett dödligt argument. "Om du är bra på kemi kommer du inte att bestämmas av idén om djupa havskällor, eftersom du vet att kemi för alla dessa molekyler är oförenlig med vatten," säger Mulkidzhanian.
Ändå förblir Russell och hans allierade optimistiska.
Det var först under det senaste decenniet som ett tredje tillvägagångssätt kom fram, med stöd av en serie ovanliga experiment. Det lovar något som varken RNA-världen eller hydrotermiska ventiler har kunnat uppnå: ett sätt att skapa en hel cell från början. Mer om detta i nästa del.
ILYA KHEL
- Del en: Hur man skapar en bur -
- Del två: En uppdelning i forskarnas rader -
- Del tre: på jakt efter den första replikatorn -
- Del fem: så hur skapar du en cell? -
Del sex: Den stora föreningen -