Тайна появления жизни на Земле. Часть четвертая: энергия протонов

Нет слов второй главе мы узнали, наподобие ученые разделились на три школы мысли, размышляя об истоках жизни. Одна группировка была убеждена, что жизнь началась с молекулы РНК, хотя не смогла показать, как РНК али подобные молекулы могли спонтанно образоваться бери ранней Земле, а затем наделать копий самих себя. Нате первых порах их усилия воодушевляли, а в конечном итоге осталось только расхолаживание. Тем не менее другие исследователи происхождения жизни, которые двигались иными путями, пришли к кое-каким результатам.

Отделение первая: как сделать клетку?

Осколки вторая: раскол в рядах ученых

Опилки третья: в поисках первого репликатора

Доктрина «мира РНК» опирается на простую идею: самое важное, будто может сделать живой организм, сие воспроизвести себя. Многие биологи с сим согласились бы. От бактерий раньше голубых китов, все живые существа стремятся подучить потомство.

Тем не менее многие исследователи происхождения жизни невыгодный считают воспроизводство чем-то фундаментальным. Преддверие тем как организм сможет множиться, говорят они, он должен превратиться в лед самодостаточным. Он должен поддерживать себя в живом состоянии. В конце концов, вас не сможете иметь детей, если нет сначала умрете.

Мы поддерживаем себя в живых, поглощая пищу; деньги растения делают это путем извлечения энергии изо солнечного света. На первый представление, человек, поедающий сочный стейк, мало не покажется отличается от поросшего листвой дуба, же если разобраться, они оба нуждаются в энергии.

Таковой процесс называется метаболизм. Сначала вы нужно получить энергию; допустим, с богатых энергией химических веществ кажется сахара. Затем вы должны воспользоваться эту энергию, чтобы построить почто-нибудь полезное вроде клеток.

Оный процесс использования энергии настолько (много)значительный, что многие исследователи считают его первым, с которого началась жизнь.

Вулканическая швепс горячая и богата минералами

Как могли бы насмотреть эти предназначенные только для метаболизма организмы? Одно с самых интересных предположений было выдвинуто в конце 1980-х годов Гюнтер Вахтершаузер. Симпатия не был штатным ученым, лучше патентным юристом с небольшими познаниями в химии.

Вахтершаузер предположил, как будто первые организмы «радикально отличались через всего, что мы знали». Они далеко не были сделаны из клеток. У них безлюдный (=малолюдный) было ферментов, ДНК или РНК. Да и только, вместо этого Вахтершаузер представил луч горячей воды, вытекающей из вулкана. Сия вода богата вулканическими газами нав аммиака и содержит следы минералов изо сердца вулкана.

Там, где тархун текла через скалы, начинали идти химические реакции. В частности, металлы изо воды помогали простым органическим соединениям скрещиваться в более крупные. Поворотным моментом следственно создание первого метаболического цикла. Сие процесс, в котором одно химическое материал превращается в ряд других химических веществ, часа) в конце концов не будет воссоздан исходник. В процессе сего вся система накапливает энергию, которая может находиться (в присуствии) использована для перезапуска цикла — и пользу кого других вещей.

Все остальное, с чего состоит современный организм — ДНК, клетки, ум — появились позже, поверх этих химических циклов. Сии метаболические циклы вообще мало похожи в жизнь. Вахтершаузер назвал свое выдумка «прекурсорами организмов» и написал, что «едва ли их годится. Ant. нельзя назвать живыми».

Но метаболические циклы чаятельно тех, что описал Вахтершаузер, лежат в основе итого живого. Ваши клетки — сие по сути микроскопические химические заводики, то и дело перегоняющие одни вещества в другие. Метаболические циклы не полагается назвать жизнью, но они имеют основополагающее серьезность для нее.

В течение 1980-х и 1990-х годов Вахтершаузер работал по-над деталями своей теории. Он изложил, какие минералы подошли бы пуще всего и какие химические циклы могли еть место. Его идеи начали переманить сторонников.

Но все это было повышенно теоретическим. Вахтершаузеру нужно было реальное ноу-хау, которое подкрепило бы его идеи. К счастью, его ранее сделали десятью годами ранее.

Источники в Тихом океане

В 1977 году классифицирование под руководством Джека Корлисса с Университета штата Орегон погрузилась для 2,5 километра в восточной части Тихого океана. Они изучали Галапагосские горячие источники в местах, идеже с морского дна поднимались высокие хребты. Сии хребты были вулканически активными.

Корлисс обнаружил, как будто эти хребты были буквально усеяны горячими источниками. Горячая, обогащенная химическими вещества многоречивость поднимается из-под морского дна и струится сверх отверстия в скалах.

Невероятно, но сии гидротермальные источники были густо населены странными животными. После этого были огромные моллюски, мидии и кольчатые черва. Вода также была густо пропитана бактериями. Всегда эти организмы жили на энергии гидротермальных жерл.

Растворение этих источников сделало Корлиссу прозвище. И заставило задуматься. В 1981 году спирт предположил, что подобные жерла существовали получи Земле четыре миллиарда лет вспять и что они стали местом происхождения жизни. Дьявол посвятил львиную долю своей карьеры изучению сего вопроса.

У гидротермальных источников живет странная житьё

Корлисс предположил, что гидротермальные источники могли основывать коктейли химических веществ. Каждый источник, говорил симпатия, был своего рода распылителем первичного бульона.

Согласно мере того, как горячая многословие текла через скалы, тепло и прессинг приводили к тому, что простые органические соединения сливались в сильнее сложные, такие как аминокислоты, нуклеотиды и сахара. Ближе к границе с океаном, идеже вода была не такой горячей, они начинали координироваться в цепочки — формировать углеводы, белки и нуклеотиды может статься ДНК. Затем, когда вода подходила к океану и остывала всё ещё больше, эти молекулы собирались в простые клетки.

Сие было интересно, теория привлекла чуткость людей. Но Стэнли Миллер, попытка которого мы обсуждали в первой части, малограмотный поверил. В 1988 году он писал, чисто глубоководные жерла были слишком горячими.

Уж на что молодец есть у вас сильное тепло может привести к образованию химических веществ небось аминокислот, эксперименты Миллера показали, как оно также может и уничтожить их. Основные соединения небось сахаров «смогли бы выжить пару секунд, безвыгодный больше». Более того, эти простые молекулы навряд ли ли связались бы в цепи, так как окружающая вода мгновенно их разорвала бы.

Получи и распишись этом этапе к битве подключился геолог Михаил Расселл. Он посчитал, что взгляд гидротермальных источников может быть совершенно верной. Более того, ему показалось, что же эти источники будут идеальным домом чтобы прекурсоров организма Вахтершаузера. Это горение привело его к созданию одной с самых широко признанных теорий происхождений жизни.

Геолог Майкл Расселл

В карьере Расселла было бездна интересных вещей — он делал анопирин, разыскивая ценные минералы — и в одном замечательном происшествии 1960-х годов координировал гальванотропизм на возможное извержения вулкана, невзирая на отсутствие подготовки. Но его похлеще интересовало, как менялась поверхности Владенья на протяжении эпох. Эта геологическая предпосылка и позволила сформироваться его идеям о происхождении жизни.

В 1980-х годах спирт обнаружил ископаемые свидетельства менее бурного как гидротермального источника, в котором температуры невыгодный превышали 150 градусов по Цельсию. Сии мягкие температуры, по его словам, могли дать молекулам жизни жить дольше, нежели полагал Миллер.

Более того, ископаемые остатки сих «прохладных» жерл содержали нечто странное: минерал (железный, состоящий из железа и серы, сформировался в трубочках диаметром 1 мм. Работая в лаборатории, Расселл обнаружил, фигли пирит также может формировать сферические лекарство. И предположил, что первые сложные органические молекулы могли образоваться изнутри. Ant. снаружи этих простых пиритовых структур.

Непреклонный пирит

Примерно в это же исполнившееся Вахтершаузер начал публиковать свои идеи, в основе которых был стая горячей химически обогащенной воды, протекающей посредством минералы. Он даже предположил, аюшки? в этом процессе участвовал пирит.

Расселл сложил двум плюс два. Он предположил, ась? гидротермальные источники на глубине моря, немерено холодные, чтобы позволить образоваться пиритовым структурам, приютили прекурсоры организмов Вахтершаузера. (не то Расселл был прав, жизнь началась бери дне моря — и сначала появился обмен веществ.

Расселл собрал это все в статье, опубликованной в 1993 году, 40 полет спустя после классического эксперимента Миллера. Возлюбленная не вызвала такого же ажиотажа в СМИ, хотя была, возможно, более важной. Расселл объединил двум, казалось бы, отдельные идеи — метаболические циклы Вахтершаузера и гидротермальные источники Корлисса — в что-нибудь по-настоящему убедительное.

Расселл хоть предложил объяснение того, как первые организмы получали свою энергию. В таком случае есть он понял, как был способным бы работать их метаболизм. Его первоидея опиралась на работу одного с забытых гениев современной науки.

Ленинград Митчелл, нобелевский лауреат

В 1960-х годах биохимик Петербург Митчелл заболел и был вынужден смотаться в отставку из Университета Эдинбурга. Награду этого он создал частную лабораторию в отдаленном вилла в Корнуолле. Изолированный от научного общества, некто финансировал свою работу за документ стада молочных коров. Многие биохимики, в томишко числе и Лесли Оргел, чью работу объединение РНК мы обсудили во следующий части, считали идеи Митчелла круглый нелепыми.

Спустя несколько десятков парение Митчелла ждала абсолютная победа: Нобелевская награда по химии 1978 года. Некто не стал знаменитым, но его идеи пока в каждом учебнике по биологии. Свою карьеру Митчелл провел, выясняя, по какой причине организмы делают с энергией, которую получают с пищи. По сути, он задавался вопросом, ни дать ни взять всем нам удается оставаться в живых каждую побудь здесь.

Он знал, что все клетки хранят свою энергию в одной молекуле: аденозинтрифосфате (Аденозинтрифосфат). К аденозину крепится цепочка из трех фосфатов. Приобщение третьего фосфата требует много энергии, которая потому запирается в АТФ.

Когда клетка нуждается в энергии — например, в некоторых случаях сокращается мышца — она разбивает незаинтересованный фосфат в АТФ. Это превращает Аденозинтрифосфат в аденозидифосфат (АДФ) и высвобождает накопленную энергию. Митчелл хотел разнюхать, как клетка вообще создает Аденозинтрифосфат. Как она накапливает достаточно энергии в АДФ, пусть прикрепить третий фосфат?

Митчелл знал, чего фермент, образующий АТФ, находится в мембране. Вследствие чего предположил, что клетка закачивает заряженные частицы (протоны) чрез мембрану, поэтому много протонов находится по мнению одну сторону, а по другую — нет.

Впоследствии времени протоны пытаются просочиться обратно при помощи мембрану, чтобы уравновесить число протонов в соответствии с каждую сторону — но единственное участок, через которое они могут кончиться, это фермент. Поток текущих протонов, таким образом, обеспечивал комплемент энергией, необходимой для создания Аденозинтрифосфат.

Впервые Митчелл изложил свою идею в 1961 году. Следующие 15 парение он провел, защищая ее со всех сторон, это) (же) (самое) время доказательства не стали неопровержимыми. Пока мы знаем, что процесс Митчелла используется каждым живым существом сверху Земле. Прямо сейчас он протекает в ваших клетках. Ровно и ДНК, он лежит в основе известной нам жизни.

Расселл позаимствовал у Митчелла идею протонного градиента: существование большого количества протонов на одной стороне мембраны и немногого — в другой. Все клетки нуждаются в протонном градиенте, дабы хранить энергию.

Современные клетки создают градиенты, откачивая протоны насквозь мембраны, но для этого нужен глубокий молекулярный механизм, который просто без- мог появиться сам по себя. Поэтому Расселл сделал еще Водан логический шаг: жизнь должна была создаться где-то с естественным протонным градиентом.

Как например, где-то у гидротермальных источников. Да это должен быть особенный разряд источника. Когда Земля была моложавый, моря были кислыми, а в кислой воде (целый) воз протонов. Чтобы создать протонный вектор, вода из источника должна существовать с низким содержанием протонов: она должна (пре)бывать щелочной.

Источники Корлисса не подходили. Они маловыгодный только были слишком горячими, хотя еще и кислыми. Но в 2000 году Дебора Келли изо Вашингтонского университета обнаружила первые щелочные источники.

«Потерянный город»

Келли пришлось неприятно трудиться, чтобы стать ученым. Ее родимый батюшка умер, когда она заканчивала среднюю школу, и симпатия была вынуждена работать, чтобы остаться в колледже. Же справилась и выбрала предметом своего интереса подводные вулканы и обжигающие горячие гидротермальные источники. Буква пара и привела ее в центр Атлантического океана. В этом месте земная ангостура треснула и с морского дна поднялся конек гор.

На этом хребте Келли обнаружила стер гидротермальных источников, которое назвала «Потерянным городом». Они приставки не- были похожи на обнаруженные Корлиссом. Наледь вытекала из них при температуре 40-75 градусов по части Цельсию и была слегка подщелоченной. Карбонатные минералы изо этой воды слипались в крутые белые «столбы дыма», которые поднимались с морского дна как трубам органа. На вид они жуткие и призрачные, же это не так: в них обитает гибель микроорганизмов.

Эти щелочные жерла образцово вписывались в идеи Расселла. Он непреклонно поверил в то, что жизнь появилась в таких «потерянных городах». Да была одна проблема. Будучи геологом, дьявол знал не так много о биологических клетках, пусть убедительно представить свою теорию.

Стамбха дыма «черной курилки»

Поэтому Расселл объединился с биологом Уильямом Мартином. В 2003 году они представили корригированный вариант прежних идей Расселла. И сие, наверное, самая лучшая теория появления жизни возьми данный момент.

Благодаря Келли, покамест они знали, что породы щелочных источников были пористыми: они были усеяны крошечными отверстиями, наполненными вплавь. Эти крошечные кармашки, предположили они, действовали в качестве «клеток». В каждом кармашке находились основные химические вещества, в томище числе и пирит. В сочетании с естественным протонным градиентом с источников, они были идеальным местом для того начала метаболизма.

После того, в духе жизнь научилась использовать энергию вод источников, слышно Расселл и Мартин, она начала строить молекулы вроде РНК. В конце концов, симпатия создала себе мембрану и стала настоящей клеткой, сбежав с пористой породы в открытую воду.

Такого рода сюжет в настоящее время рассматривается в качестве одной изо ведущих гипотез о происхождении жизни.

Клетки бегут изо гидротермального источника

В июле 2016 лета он получил поддержку, когда Мартя опубликовал исследование, реконструирующее некоторые детали «последнего универсального общего предка» (LUCA). Сие организм, который жил миллиарды парение назад и от которого произошла все существующая жизнь.

Едва ли ты да я когда-нибудь найдем прямые окаменевшие доказательства существования сего организма, но тем не не в такой мере вполне можем делать обоснованные предположения о волюм, как он выглядел и чем занимался, изучая микроорганизмы наших дней. Сие и проделал Мартин.

Он исследовал ДНК 1930 современных микроорганизмов и идентифицировал 355 генов, которые были с у всех. Это убедительно говорит о передаче сих 355 генов, через поколения и поколения, через общего предка — примерно того времени, рано или поздно жил последний универсальный общий патриарх.

Эти 355 генов включают кое-какие для использования протонного градиента, же для генерации оного — нет, в духе и предсказывали теории Расселла и Мартина. Сильнее того, LUCA, похоже, был адаптирован к присутствуют химических веществ видать метана, что наводит на мысли, аюшки? он населял вулканически активную среду — по типу жерла.

Сторонники гипотезы «мира РНК» указывают сверху две проблемы в этой теории. Одну только и можно поправить; другая может быть фатальной.

Гидротермальные источники

Первая препятствие в том, что экспериментальных доказательств описанных Расселлом и Мартином процессов как не бывало. У них есть пошаговая история, однако ни один из этих шагов безграмотный наблюдался в лаборатории.

«Люди, которые верят в в таком случае, что все началось с воспроизводства, ежесекундно находят новые экспериментальные данные», говорит Житель Армении Мулкиджанян. «Люди, которые стоят вслед за метаболизм, этого не делают».

Так это может измениться, благодаря коллеге Мартина Нику Лейну с Университетского колледжа Лондона. Он построил «реактор происхождения жизни», что имитирует условия внутри щелочного источника. Некто надеется увидеть метаболические циклы, а может даже если и молекулы вроде РНК. Но в (данное еще рано.

Вторая проблема заключается в расположении источников в глубоком масса. Как отмечал Миллер в 1988 году, длинноцепочечные молекулы на манер РНК и белков не могут организовываться в воде без вспомогательных ферментов.

Угоду кому) многих ученых это фатальный (об)основание. «Если вы хорошо разбираетесь в химии, вы не подкупить идеей глубоководных источников, оттого что вы знаете, что пестициды всех этих молекул несовместима с водой», говорит Мулкиджанян.

И кончено же Расселл и его союзники остаются оптимистами.

И всего на все(го) в последнее десятилетие на первый желание вышел третий подход, подкрепленный серией необычных экспериментов. Спирт обещает нечто, чего не посчастливилось добиться ни «миру РНК», ни гидротермальным источникам: метода создать целую клетку с нуля. Об этом в следующей части.

Источник