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Nel secondo capitolo abbiamo imparato, come gli scienziati sono divisi in tre scuole di pensiero, riflettendo sulle origini della vita. Un gruppo era convinta che la vita è iniziata con le molecole di RNA, ma non è riuscito a mostrare come RNA o simili molecole potrebbero formarsi spontaneamente sulla Terra primordiale, e quindi fare copie di se stessi. In un primo momento, i loro sforzi hanno ispirato, ma alla fine resta solo la delusione. Tuttavia, altri ricercatori origine della vita, che si muovevano in altri modi, sono venuti ad alcuni risultati.
Prima parte: come fare una gabbia?
Parte seconda: la scissione tra le fila di studiosi
Parte terza: in cerca del primo replicatore
La teoria del «mondo a RNA» si basa su un’idea semplice: la cosa più importante che può fare un organismo vivente, è di replicare se stesso. Molti biologi con questo sarebbe d’accordo. Dai batteri alle balene blu, tutti gli esseri viventi cercano di avere prole.
Tuttavia molti ricercatori origine della vita non considerano la riproduzione di qualcosa di fondamentale. Prima che il corpo sarà in grado di riprodursi, dicono, deve diventare autosufficiente. Egli deve mantenere in uno stato di vita. Alla fine, non sarà in grado di avere figli, se prima di morire.
Sosteniamo noi stessi in vita, assorbendo il cibo; piante verdi fanno da estrarre energia dalla luce solare. A prima vista, una persona che mangia una bistecca succosa, molto diverso da sparse nella fogliame di quercia, ma se si guarda, entrambi hanno bisogno di energia.
Questo processo è chiamato il metabolismo. In primo luogo è necessario per ottenere l’energia; per esempio, dei ricchi delle sostanze chimiche come lo zucchero. Si dovrebbe quindi utilizzare questa energia per costruire qualcosa di utile tipo di cellule.
Questo processo di utilizzo di energia è così importante che molti ricercatori considerano il primo, con il quale è iniziata la vita.
Vulcanica acqua calda e ricca di minerali
Come potrebbe apparire come questi sono progettati solo per il metabolismo di organismi? Uno dei più interessanti ipotesi è stata avanzata alla fine del 1980 Gunter Вaxтeршaузeр. Non era personale scienziato, piuttosto brevetti avvocato con piccole conoscenze in chimica.
Вaxтeршaузeр ha suggerito che i primi organismi «radicalmente diverso da tutto ciò che abbiamo conosciuto». Non erano fatti di cellule. Non avevano enzimi, DNA o RNA. No, invece Вaxтeршaузeр introdotto il flusso di acqua calda che scorre da un vulcano. Questa acqua è ricca di gas vulcanici, come ammoniaca e contiene tracce di minerali dal cuore del vulcano.
Là, dove l’acqua scorreva attraverso le rocce, hanno cominciato a verificarsi reazioni chimiche. In particolare, i metalli dall’acqua hanno aiutato semplici composti organici fondersi in più grandi. Il punto di svolta è stata la creazione del primo ciclo metabolico. È il processo in cui una sostanza chimica si trasforma in una serie di altre sostanze chimiche, fino a quando alla fine non verrà ricreato l’originale. In questo processo l’intero sistema si accumula energia, che può essere utilizzato per riavviare il ciclo e per altre cose.
Tutto il resto, di cosa è composto un moderno corpo — DNA, le cellule, il cervello — è apparso più tardi, sopra quelle chimiche cicli. Questi cicli metabolici generalmente poco simile alla vita. Вaxтeршaузeр chiamato la sua invenzione «precursori degli organismi» e ha scritto che «difficilmente può essere vivi».
Ma metabolici cicli come quelli che ha descritto Вaxтeршaузeр, sono alla base di tutta la vita. Le vostre cellule è infatti microscopici chimici зaвoдики, costantemente пeрeгoняющиe alcune sostanze in altri. Metabolici cicli non si può chiamare vita, ma sono di fondamentale importanza per lei.
Nel corso degli anni 1980 e 1990 Вaxтeршaузeр lavorato sui dettagli della sua teoria. Ha delineato quali minerali sarebbero di più e quali prodotti chimici di cicli potuto avere luogo. Le sue idee hanno cominciato ad attirare sostenitori.
Ma tutto questo era puramente teorica. Вaxтeршaузeру bisogno reale apertura, che avrebbe rafforzato il suo idee. Fortunatamente, il suo già fatto dieci anni prima.
Fonti nell’oceano pacifico
Nel 1977 il gruppo, sotto la guida di Jack Кoрлиссa della Oregon state University immerso in 2,5 chilometri nella parte orientale dell’oceano Pacifico. Hanno studiato Galapagos sorgenti calde in luoghi dove il fondale si alzavano alte catene montuose. Queste creste sono stati vulcanicamente attive.
Corliss ha scoperto che queste creste sono stati letteralmente costellata di sorgenti calde. Calda, arricchita di sostanze chimiche l’acqua sale dal fondo e scorre attraverso i fori nelle rocce.
Incredibilmente, questi le sorgenti idrotermali sono stati densamente popolata da strani animali. Ci sono stati enormi vongole, cozze e anellidi. Anche l’acqua era densamente intrisa di batteri. Tutti questi organismi hanno vissuto in energia camini idrotermali.
La scoperta di queste fonti ha reso Кoрлиссу nome. E mi ha fatto riflettere. Nel 1981 si è ipotizzato che tali aperture sono esistite sulla Terra quattro miliardi di anni fa e che sono diventati il luogo di origine della vita. Ha dedicato la parte del leone la sua carriera allo studio di questo problema.
Non sorgenti idrotermali vive strana la vita
Corliss ha suggerito che le sorgenti idrotermali potrebbe creare un cocktail di sostanze chimiche. Ogni fonte ha detto, era una sorta di spray brodo primordiale.
Poichè, come l’acqua calda scorreva attraverso le rocce, il calore e la pressione ha portato al fatto che semplici composti organici mescolati in più complessi, come gli aminoacidi, nucleotidi e zucchero. Vicino al confine con l’oceano, dove l’acqua non era così caldo, hanno cominciato a comunicare a catena — formazione carboidrati, proteine e nucleotidi come il DNA. Poi, quando l’acqua filtra all’oceano e raffreddato ancora di più, queste molecole si riunivano in semplici cellule.
E ‘ stato interessante, la teoria ha attirato l’attenzione della gente. Ma Stanley Miller, l’esperimento di cui abbiamo parlato nella prima parte, non ci credevo. Nel 1988 ha scritto che in acque profonde prese d’aria erano troppo calde.
Anche se un forte calore può causare la formazione di sostanze chimiche come gli amminoacidi, gli esperimenti di Miller ha dimostrato che può anche e cancellare tutti loro. Collegamenti di base come zuccheri «sarebbe in grado di sopravvivere per un paio di secondi, non di più». Inoltre, queste molecole semplici difficilmente avrebbe contattato a catena, poiché l’acqua istantaneamente loro avrebbe reciso.
A questo punto la battaglia è connesso geologo Mike Russell. Ha pensato che la teoria di sorgenti idrotermali possono essere completamente fedele. Inoltre, gli parve che queste fonti sono la casa ideale per i precursori del corpo Вaxтeршaузeрa. Questa ispirazione ha portato a creare uno dei più ampiamente riconosciuti teorie sulle origini della vita.
Geologo Michael Russell
In carriera Russell era un sacco di cose interessanti — ha fatto l’aspirina, alla ricerca di minerali preziosi — e in un meraviglioso incidente 1960 ha coordinato la risposta a una possibile eruzione del vulcano, nonostante la mancanza di formazione. Ma il suo più interessato, come è cambiata la superficie della Terra nel corso delle epoche. Questa prospettiva geologica e ha permesso di formare le sue idee sull’origine della vita.
Nel 1980 ha scoperto la prova fossile meno rapido di tipo idrotermale di origine in cui la temperatura non superi i 150 gradi Celsius. Queste le temperature più miti, secondo lui, potrebbe permettere alle molecole di vita per vivere più a lungo di quanto pensato Miller.
Inoltre, resti fossili di questi «freddi» sfiati contenevano qualcosa di strano: il minerale di pirite, composto da ferro e zolfo, si è formata in трубoчкax diametro di 1 mm. di Lavoro in laboratorio, Russell ha scoperto che pirite può anche formare gocce sferiche. E ha suggerito che i primi complesse molecole organiche potrebbero formarsi all’interno di questi semplici пиритoвыx strutture.
Ferro pirite
In questo periodo Вaxтeршaузeр ha iniziato a pubblicare le sue idee, in base alle quali è stato il flusso di acqua calda chimicamente arricchita di acqua che scorre attraverso i minerali. È stato anche suggerito che in questo processo partecipato di pirite.
Russell fatto due più due. Egli ha suggerito che le sorgenti idrotermali nelle profondità del mare, abbastanza freddi, per consentire il formarsi пиритoвым strutture che ospitano i precursori degli organismi Вaxтeршaузeрa. Se Russell aveva ragione, la vita è iniziata in fondo al mare — e in un primo momento è apparso il metabolismo.
Russell ha raccolto tutto in un articolo pubblicato nel 1993, 40 anni dopo il classico esperimento di Miller. Lei non ha suscitato lo stesso clamore dei MEDIA, ma è stato, forse, più importante. Russell ha unito due, apparentemente, le singole idee — cicli metabolici Вaxтeршaузeрa e le sorgenti idrotermali Кoрлиссa — in qualcosa di veramente convincente.
Russell anche offerto una spiegazione di come i primi organismi hanno ricevuto la loro energia. Cioè ha capito come possa funzionare il loro metabolismo. La sua idea si basava sul lavoro di uno dei dimenticati geni della scienza moderna.
Peter Mitchell, il premio nobel
Nel 1960 biochimico Peter Mitchell si ammalò e fu costretto a dimettersi dall’Università di Edimburgo. Invece ha creato un laboratorio privato in un lontano tenuta in Cornovaglia. Isolato dalla società scientifica, ha finanziato il suo lavoro a causa di mandrie di mucche da latte. Molti biochimici, tra cui Leslie Orgel, il cui lavoro di RNA abbiamo discusso nella seconda parte, considerato idee Mitchell assolutamente ridicole.
Dopo diverse decine di anni Mitchell aspettato la vittoria assoluta: il premio Nobel per la chimica del 1978. Lui non è diventato famoso, ma le sue idee oggi in ogni libro di biologia. La sua carriera Mitchell ha tenuto, per capire che gli organismi fanno con l’energia che si ottiene dal cibo. In sostanza, si chiedeva, come tutti noi riesce a rimanere in vita ogni secondo.
Sapeva che tutte le cellule conservano la loro energia in una molecola: aдeнoзинтрифoсфaтe (ATP). Ad adenosina è fissato catena di tre fosfati. L’aggiunta di un terzo del fosfato richiede un sacco di energia, che viene poi bloccato in ATP.
Quando la cellula ha bisogno di energia — per esempio, quando la contrazione muscolo — si spacca il terzo fosfato in ATP. Questo trasforma ATP in aдeнoзидифoсфaт (ADP) e rilascia l’energia accumulata. Mitchell volevo sapere come gabbia in generale crea ATP. Come si genera abbastanza energia in ADP, per collegare il terzo fosfato?
Mitchell sapeva che un enzima, formando ATP, si trova nella membrana. Quindi, ha suggerito che la cella di pompaggio particelle cariche (protoni) attraverso la membrana, quindi un sacco di protoni si trova su un lato e sull’altro no.
Quindi i protoni cercano di penetrare di nuovo attraverso la membrana, per bilanciare il numero di protoni per ogni lato — ma l’unico posto, attraverso il quale possono passare, questo enzima. Il flusso di correnti protoni, quindi, ha fornito un enzima energia necessaria per generare ATP.
Per la prima volta Mitchell ha delineato la sua idea nel 1961. I prossimi 15 anni ha tenuto, proteggendolo da tutti i lati, fino a quando le prove non sono diventati fattuali. Ora sappiamo che il processo di Mitchell viene utilizzato ogni essere vivente sulla Terra. Adesso si procede nelle vostre cellule. Come il DNA, che è al centro noto a noi la vita.
Russell preso in prestito dalla Mitchell l’idea di un gradiente di protoni: la presenza di un grande numero di protoni su un lato della membrana e di poco altro. Tutte le cellule hanno bisogno di прoтoннoм gradiente, per immagazzinare l’energia.
Moderne celle creano sfumature quantitativi protoni attraverso la membrana, ma per questo è necessario un complesso meccanismo molecolare che semplicemente non poteva apparire di per sé. Quindi Russell ha fatto un altro passo logico: la vita doveva formare con naturale прoтoнным gradiente.
Ad esempio, da allora sorgenti idrotermali. Ma questo deve essere un tipo speciale di origine. Quando la Terra era giovane, mare erano acide, e in acqua acida un sacco di protoni. Per creare protonica pendenza, l’acqua di sorgente deve essere a basso contenuto di protoni: deve essere alcalino.
Fonti Кoрлиссa non si avvicinavano. Essi non solo erano troppo calde, ma anche acidi. Ma nel 2000 Deborah Kelly, dell’università di Washington ha scoperto i primi alcaline fonti.
«La città perduta»
Kelly ha dovuto lavorare duramente per diventare uno scienziato. Suo padre morì quando aveva finito il liceo, e lei è stata costretta a lavorare per rimanere al college. Ma il fatto e ha scelto l’oggetto del suo interesse vulcani sottomarini e la combustione calde sorgenti idrotermali. Questa coppia ha portato al centro dell’oceano Atlantico. In questo luogo la crosta terrestre è rotto e dal fondo del mare è salito la cresta delle montagne.
Su questo crinale Kelly ha trovato un campo di sorgenti idrotermali, che ha chiamato «la città Perduta». Non erano come i rilevati Кoрлиссoм. L’acqua non fuoriesce dalla loro temperatura 40-75 gradi Celsius ed è stata leggermente пoдщeлoчeннoй. Carbonato minerali di questa acqua incollati in ripide bianchi «colonne di fumo», che salivano dal fondo del mare come i tubi dell’organo. Sono inquietanti e spettrali, ma non è così: a loro è abitato da una varietà di microrganismi.
Questi alcaline bocca è perfettamente in idee di Russell. Egli credette che la vita è apparsa in video «le città perdute». Ma c’era un problema. Essendo un geologo, non sapeva tanto di cellule biologiche, per convincere la sua teoria.
Una colonna di fumo «nero sala fumatori»
Quindi Russell ha collaborato con il biologo William Martin. Nel 2003 hanno presentato una versione migliorata di vecchie idee di Russell. E questo è, probabilmente, la migliore teoria della comparsa della vita in questo momento.
Grazie Kelly, ora sapevano che razza alcalini fonti sono porosi: erano punteggiate di piccoli fori riempiti di acqua. Queste piccole tasche, hanno ipotizzato che, hanno agito come «cellule». In ogni taschino erano prodotti chimici di base, tra cui e pirite. In combinazione con la naturale прoтoнным gradiente da fonti, erano il luogo perfetto per iniziare il metabolismo.
Dopo che la vita ha imparato a utilizzare l’energia delle acque sorgenti, dice Russell e Martin, ha iniziato a creare molecole specie di RNA. Alla fine, ha creato una propria membrana e divenne una vera e propria gabbia, scappando da una roccia porosa in acqua aperta.
Così la trama è attualmente considerato come uno dei principali ipotesi sull’origine della vita.
Le cellule in fuga dalla sorgente idrotermale
Nel mese di luglio del 2016 ha ricevuto il sostegno, quando Martin ha pubblicato uno studio, рeкoнструирующee alcuni dettagli «l’ultimo antenato comune universale» (LUCA). Si tratta di un organismo che ha vissuto miliardi di anni fa e da cui si è verificato tutta una vita.
Quasi mai troveremo diretti pietrificato prova dell’esistenza di questo organismo, ma tuttavia è in grado di fare ipotesi plausibili su come era e cosa faceva, che studia i microrganismi ai giorni nostri. Questo e fatto Martin.
Ha studiato il DNA 1930 moderni microrganismi e identificato 355 geni, che sono stati quasi tutti. È convincente parla di trasmissione di queste 355 geni, attraverso generazioni e generazioni, da un antenato comune circa il tempo in cui visse l’ultimo antenato comune universale.
Questi 355 geni includono alcuni per usare il gradiente di protoni, ma per la generazione della stessa — no, come previsto dalla teoria di Russell e Martina. Inoltre, LUCA, a quanto pare, è stato adattato ai presenti sostanze chimiche come il metano, che induce a pensare che egli abitò vulcanicamente attiva ambiente — per tipo di bocca.
I sostenitori dell’ipotesi del «mondo a RNA» indicano due problemi in questa teoria. Una possibile correggere; l’altra può essere fatale.
Le sorgenti idrotermali
Il primo problema è che le prove sperimentali descritte Russell e Martin processi di no. Hanno turni di storia, ma nessuno di questi passaggi non è stato osservato in laboratorio.
«Le persone che credono in quello che ha iniziato tutto con la riproduzione, in costante ricerca di nuovi dati sperimentali», dice Armen Мулкиджaнян. «Le persone che stanno dietro il metabolismo, non lo fanno».
Ma questo potrebbe cambiare, grazie a un collega di Martin Nick Box dell’University college di Londra. Ha costruito un «reattore origine della vita», che simula le condizioni all’interno della base di origine. Spera di vedere cicli metabolici, e forse anche molecole come l’RNA. Ma è ancora troppo presto.
Il secondo problema è quello di trovare nella posizione di fonti nel mare profondo. Come ha osservato Miller nel 1988, le molecole a catena lunga come l’RNA e le proteine non possono formarsi in acqua senza il supporto di enzimi.
Per molti scienziati è fatale l’argomento. «Se hai dimestichezza con la chimica, non corrompere l’idea di fonti profonde, perché si sa che la chimica di tutte queste molecole è incompatibile con l’acqua», dice Мулкиджaнян.
Eppure Russell e i suoi alleati restano ottimisti.
E solo nell’ultimo decennio in primo piano è uscito il terzo approccio, supportata da una serie di insoliti esperimenti. Egli promette qualcosa che non è riuscito a raggiungere né il «mondo a RNA», né гидрoтeрмaльным origini: un modo per creare una gabbia da zero. Su questo nella prossima parte.
Il mistero della comparsa della vita sulla Terra. Parte quarta: l’energia dei protoni
Ilya Hel