- Del två: En uppdelning i forskarnas rader -
- Del tre: på jakt efter den första replikatorn -
- Del fyra: protonernas energi -
- Del fem: så hur skapar du en cell? -
Del sex: Den stora föreningen -
Idag har livet erövrat varje kvadratcentimeter av jorden, men när planeten först bildades var det en död sten. Hur och när skedde landmärkeövergången? Hur började livet? Man kan knappast tänka på en mer allvarlig, stor och komplex fråga. Under det mesta av mänsklig historia tvivlade ingen på att det här var gudarnas verksamhet. Någon annan förklaring var otänkbar.
Inte mer. Under det senaste århundradet har många forskare försökt räkna ut var det första livet kunde börja. De försökte till och med återskapa skapelsens ögonblick i sina laboratorier: skapa ett helt nytt liv från början. Hittills har ingen lyckats, men vi har kommit långt. Idag är många forskare som studerar livets ursprung säkra på att de är på rätt väg - och de har experiment som understödjer deras förtroende för detta.
Det här är berättelsen om våra ansträngningar att ta reda på vårt sanna ursprung. Det är en berättelse om besatthet, kamp och lysande kreativitet som ledde till några av de största upptäckterna i modern vetenskap. Lusten att förstå livets ursprung skickade män och kvinnor till de mest avlägsna hörnen på vår planet. Vissa forskare betraktades som djävlar i köttet, medan andra fortsatte att arbeta under tummen av brutala totalitära regeringar.
Detta är berättelsen om livets födelse på jorden.
Faktum är att dinosaurier levde för inte så länge sedan.
Livet är gammalt. Dinosaurier - de mest kända utrotade varelserna - dök upp för 250 miljoner år sedan. Men livet började mycket, mycket tidigare.
Den äldsta kända fossila posten är cirka 3,5 miljarder år gammal, 14 gånger så lång som de äldsta dinosaurierna. Men fossilrekorden kan ta oss ännu längre. Till exempel, i augusti 2016, upptäckte forskare fossiliserade mikrober som är 3,7 miljarder år gamla.
Kampanjvideo:
Dessa vågiga mönster kan vara 3,7 miljarder år gamla
Jorden i sig är inte mycket äldre, den är 4,5 miljarder år gammal.
Om vi antar att livet har sitt ursprung på jorden - vilket verkar rimligt, med tanke på att vi fortfarande inte har hittat det någon annanstans - måste detta ha hänt under de miljarder år som förflutit mellan jordbildning och utseendet på de äldsta kända fossilerna.
Genom att minska antalet gånger livet kan ha dykt upp kan vi göra utbildade gissningar om hur det hände.
Livets träd: de flesta bakterier och archaea
Sedan 1800-talet har biologer visat att alla levande saker består av "celler": små levande ämnen som finns i alla former och storlekar. Celler upptäcktes först på 1600-talet, tack vare uppfinningen av de första mikroskopen, men det tog över hundra år att inse att de var grunden för allt liv.
Du ser verkligen inte ut som en havskatt eller en tyrannosaurus, men ett mikroskop visar att du är gjord av nästan samma celler. Som växter och svamp. Men hittills är mikroorganismer, som består av en cell, den mest livliga formen av liv. Bakterier är den mest kända gruppen och finns överallt på jorden.
I april 2016 presenterade forskare en uppdaterad version av "livets träd": på något sätt släktträdet för alla levande arter. Nästan alla grenar är bakterier. Dessutom tyder formen på dessa grenar på att bakterier var den gemensamma förfäder till allt liv. Med andra ord, alla levande saker - inklusive dig - kommer från bakterier.
Det visar sig att vi mer exakt kan definiera problemet med livets ursprung. Med bara material och förhållanden som fanns på jorden för 3,5 miljarder år sedan, måste vi skapa en cell.
Hur svårt kommer det att vara?
Hela levande cell
Första experiment
Under det mesta av historien ansåg ingen att det var nödvändigt att fråga hur livet blev, eftersom svaret verkade uppenbart. Fram till 1800-talet trodde de flesta på "vitalism." Detta är en intuitiv idé om att levande saker är utrustade med en speciell, magisk egenskap som skiljer dem från livlösa föremål.
Vitalism har ofta förknippats med religiösa övertygelser. Bibeln säger att Gud använde "livets andetag" för att återuppliva de första människorna, och den odödliga själen är en form av vitalism.
Det finns bara ett problem. Vitalism är fullständigt nonsens.
I början av 1800-talet hade forskare upptäckt flera ämnen som verkade unika för livet. En sådan förening var urea, som hittades i urin och utsöndrades 1799. Endast detta passar fortfarande in i begreppet vitalism. Endast levande saker kunde producera dessa kemikalier, så de uppenbarligen laddades med livsenergi och detta gjorde dem speciella.
Men 1828 fann den tyska kemisten Friedrich Wöhler ett sätt att göra urea från en vanlig kemikalie, ammoniumcyanat, som inte hade någon uppenbar koppling till levande saker. Andra följde efter, och det blev snart klart att livets kemikalier kunde tillverkas av enklare kemikalier som inte hade något att göra med livet.
Friedrich Wöhler, tysk kemist
Detta var slutet på vitalismen som ett vetenskapligt begrepp. Men människor tyckte att det var svårt att skilja sig från denna idé. För många verkade det som att säga att det inte fanns något "speciellt" med livets kemikalier som att ta bort sin magi från livet, göra det mekaniskt eller själfritt. Och naturligtvis var det i strid med Bibeln.
Även forskare har försökt rädda vitalismen. Redan 1913 främjade den engelska biokemisten Benjamin Moore inderligt teorin om "biotisk energi", som var samma vitalism, men med ett annat namn. Denna idé hade en stark känslomässig överton.
Även idag dyker dock ibland upp denna idé här och där. Till exempel finns det många science fiction-berättelser där "livets energi" kan ökas eller sugas ut. Tänk på "regenereringsenergin" som används av Time Lords i Doctor Who. Det verkar ovanligt, men det här är en väldigt gammal idé.
Efter 1828 hade forskare emellertid goda skäl att söka en "gudlös" förklaring till livets första utseende. Men de gjorde det inte. Det verkar som om detta ämne måste undersökas, men faktiskt har mysteriet om livets ursprung ignorerats i årtionden. Kanske var de fortfarande för knutna till vitalismen för att ta nästa steg.
Charles Darwin visade att allt liv härstammade från en gemensam förfader
Istället var det jättesprång framåt i biologin på 1800-talet evolutionsteorin utvecklad av Charles Darwin och andra.
Darwins teori, som anges i The Origin of Species 1859, förklarade hur all denna mångfald i livet kunde ha uppstått från en enda gemensam förfader. Varje enskild art skapades inte längre av Gud utan härstammade från en forntida organisme som levde för miljoner år sedan: den sista universella gemensamma förfäder.
Denna idé visade sig vara extremt kontroversiell, återigen eftersom den inte passade Bibeln. Darwin och hans idéer attackerades av delvis upprörda kristna.
Evolutionsteorin sa ingenting om hur den allra första organismen dök upp.
Darwin trodde att livet dök upp i ett "varmt litet damm"
Darwin visste att detta var en djupgående fråga, men - kanske rädd för nya attacker från kyrkan - vågade han diskutera den först 1871. Den positiva tonen i brevet visar att han visste den djupa betydelsen av denna fråga:
"Men om (och åh, vad en stor" om ") vi kunde föreställa oss ett litet varmt damm med alla slags ammoniak och fosforsalt - med ljus, värme, elektricitet - där en proteinförening skulle bildas kemiskt, redo att gå igenom ännu mer komplexa förändringar …"
Med andra ord, tänk om det en gång fanns en liten vattenmassa fylld med enkla organiska föreningar och badat i solljus? Vissa av dessa föreningar kan kombineras för att bilda en halvlevande substans som ett protein som kan börja utvecklas och bli mer komplex.
Denna idé var ytlig. Men hon bildade grunden för den första hypotesen om framväxten av liv.
Märkligt nog syntes denna hypotes i Sovjetunionen.
Alexander Oparin bodde och arbetade i Sovjetunionen
Under Stalins tid var allt under statens kontroll. Till och med idéer från människor, biologer, inte relaterade till kommunistisk politik. Anmärkningsvärt förbjöd Stalin faktiskt forskare från att studera konventionell genetik. Istället främjade han idéerna från bonden Trofim Lysenko, som enligt hans åsikt var mer i linje med den kommunistiska ideologin. Forskare som arbetade inom genetikområdet tvingades offentligt stödja Lysenkos idéer för att inte hamna i lägren.
Det var i en så repressiv miljö som Alexander Oparin bedrev sin forskning inom biokemi. Han kunde arbeta eftersom han var en hängiven kommunist: han stödde Lysenkos idéer och fick till och med Lenins ordning, den högsta utmärkelsen i sovjettiden.
1924 publicerade Oparin sitt verk The Life of Origin. I den skisserade han sin vision om livets ursprung, som påfallande liknade Darwins lilla varma damm.
Haven som bildades efter att jorden svalnat
Oparin försökte föreställa sig hur jorden var ut efter bildandet. Ytan var brännande het när klipporna föll från rymden. En död av halvutvidgade stenar som innehåller ett stort antal kemikalier, inklusive de som är baserade på kol.
Så småningom kyldes jorden tillräckligt för att vattenångan kondenserade till flytande vatten och det första regnet började falla. Det fyllde jordens hav, som var heta och rika på kolhaltiga kemikalier. Vad du behöver för livet.
Till en början interagerade olika kemikalier med varandra för att bilda många nya föreningar, av vilka några var komplexa. Oparin föreslog att livets molekyler, socker och aminosyror, kunde ha bildats i jordens vatten.
Sedan började några av kemikalierna bilda mikroskopiska strukturer. Många organiska ämnen löses inte upp i vatten: till exempel bildar oljor ett skikt ovanpå vatten. Men när några av dessa ämnen kommer i kontakt med vatten, bildar de sfäriska bollar av "koacervater" som kan vara upp till 0,01 centimeter över.
Om du tittar på koacervater genom ett mikroskop, uppför sig de på ett mycket mobilt sätt, som levande celler. De växer och ändrar form, ibland uppdelade i två delar. De kan också hämta kemikalier från det omgivande vattnet, så att de kan sluta med livsliknande kemikalier. Oparin föreslog att koacervater var förfäder till moderna celler.
Fem år senare, 1929, föreslog den engelska biologen John Burdon Sanderson Haldane oberoende mycket liknande idéer i en kort artikel publicerad i Rationalist Annual.
Vid den tiden hade Haldane redan bidragit mycket till evolutionsteorin och hjälpt till att integrera Darwins idéer i den genetiska vetenskapen.
Den engelska genetikern J. Haldane
Liksom Oparin beskrev Haldane hur organiskt material kunde samlas i vattnet "tills de ursprungliga oceanerna nådde konsistensen av varm, utspädd soppa." Detta skulle sätta scenen för de "första levande eller halvlevande sakerna" som bildades och hamnade i en tunn oljefilm.
Det är betydelsefullt att bland alla biologer i världen var det bara Oparin och Haldane som kom till detta. Tanken att levande organismer kan bildas genom enkla kemiska reaktioner, utan Gud eller ens "livskraft", var radikal. Liksom Darwins evolutionsteori före den var det också en smäll inför kristendomen.
Men det passar perfekt inom ramen för Sovjetunionen. Sovjetregimen var officiellt ateistisk, och dess ledare stödde glatt alla materialistiska förklaringar för djupa fenomen som livet. Haldane var också en ateist och en kommunist att starta.
"Vid den tiden berodde acceptans eller avslag på en idé främst på individen: huruvida han var religiös, om han stödde vänster- eller kommunistiska idéer", säger ursprungslivseksperten Armen Mulkidzhanian från University of Osnabruck i Tyskland.”I Sovjetunionen mottogs de med glädje, för de behövde inte Gud. I den västerländska världen, om man tittar på de människor som tänkte i denna riktning, var de alla vänster, kommunister och så vidare."
Idén om att livet bildades i en primordial buljong av organiskt material blev Oparin-Haldane-hypotesen. Hon var snygg och övertygande, men det var ett problem. Hon stöds inte av några experimentella bevis. Och så fortsatte det i nästan ett kvart århundrade.
Harold Urey
När Harold Urey blev intresserad av livets ursprung hade han redan vunnit Nobelpriset i kemi 1934 och hjälpt till att bygga atombomben. Under andra världskriget arbetade Yuri på Manhattan-projektet och samlade in det instabila uran-235 som behövs för bombens kärna. Efter kriget kämpade han för att hålla kärntekniken under civil kontroll.
Han blev också intresserad av rymdens kemi, i synnerhet vad som hände under bildandet av solsystemet. Han höll en föreläsning en dag och konstaterade att det förmodligen inte fanns syre i jordens atmosfär när den först bildades. Detta var det perfekta komplementet till Oparin och Haldanes primära buljong: bräckliga kemikalier kunde förstöras genom kontakt med syre.
En doktorand vid namn Stanley Miller var i publiken och närmade sig sedan Yuuri med en fråga: kan denna idé testas? Yuuri var skeptisk, men Miller insisterade på sin egen. Så 1952 började Miller det mest kända experimentet om livets ursprung.
Miller-Urey-experiment
Inställningarna var enkla. Miller anslöt en serie glasflaskor och avfyra fyra kemikalier som kan ha varit närvarande på den tidiga jorden: kokande vatten, vätgas, ammoniak och metan. Han utsatte sedan gaserna för upprepade elektriska stötar för att simulera blixtnedslag som var vanliga på jorden under dessa dagar.
Miller fann att "vattnet i flaskorna blev betydligt rosa efter den första dagen, och i slutet av veckan var lösningen röd och grumlig." Tydligen har en blandning av kemikalier bildats.
Efter att ha analyserat blandningen upptäckte Miller att den innehåller två aminosyror: glycin och alanin. Aminosyror benämns ofta livets byggstenar. De används för att bilda proteiner som kontrollerar de flesta av de biokemiska processerna i våra kroppar. Miller byggde två viktiga komponenter i livet från grunden.
Resultaten publicerades i den prestigefyllda tidskriften Science 1953. Yuri gjorde något mycket ovanligt för äldre forskare och tog sitt namn från sitt jobb och gav all kredit till Miller. Trots detta benämns studien ofta Miller-Urey-experimentet.
Stanley Miller på laboratoriet
"Styrkan hos Miller-Urey är att du kan producera många biologiska molekyler bara från atmosfären," säger John Sutherland från Molecular Biology Laboratory i Cambridge, Storbritannien.
Detaljerna visade sig vara felaktiga, eftersom senare studier visade att atmosfären i den tidiga jorden var en annan blandning av gaser. Men det förändrar inte faktumet. Experimentet var en framgång, stimulerade allmänhetens fantasi och exploderade till citat.
Efter Millers experiment började andra forskare leta efter sätt att skapa enkla biologiska molekyler från början. Lösningen på livets ursprung verkade vara på väg att dyka upp.
Men då visade det sig att livet var svårare än någon trodde. Levande celler var inte bara påsar med kemikalier: de var små små maskiner. Plötsligt visade sig det vara mycket svårare att bygga en cell från grunden än forskarna trodde.
ILYA KHEL
- Del två: En uppdelning i forskarnas rader -
- Del tre: på jakt efter den första replikatorn -
- Del fyra: protonernas energi -
- Del fem: så hur skapar du en cell? -
Del sex: Den stora föreningen -