- Teil eins: Wie man eine Zelle macht -
- Teil zwei: Eine Aufteilung in die Reihen der Wissenschaftler -
- Teil drei: auf der Suche nach dem ersten Replikator -
- Teil fünf: Wie erstellt man eine Zelle? -
- Sechster Teil: Die große Vereinigung -
In Kapitel zwei haben wir gelernt, wie sich Wissenschaftler in drei Denkschulen aufteilen und über die Ursprünge des Lebens nachdenken. Eine Gruppe war überzeugt, dass das Leben mit einem RNA-Molekül begann, konnte jedoch nicht zeigen, wie sich RNA oder ähnliche Moleküle spontan auf der frühen Erde bilden und dann Kopien von sich selbst erstellen konnten. Ihre Bemühungen waren zunächst ermutigend, aber letztendlich blieb nur Enttäuschung. Andere Forscher mit Ursprung im Leben, die andere Wege beschritten haben, haben jedoch einige Ergebnisse erzielt.
Die RNA-Welttheorie basiert auf einer einfachen Idee: Das Wichtigste, was ein lebender Organismus tun kann, ist, sich selbst zu reproduzieren. Viele Biologen würden dem zustimmen. Von Bakterien bis zu Blauwalen streben alle Lebewesen nach Nachkommen.
Viele Forscher, die ihren Ursprung im Leben haben, betrachten die Reproduktion jedoch nicht als grundlegend. Bevor sich ein Organismus vermehren kann, muss er autark werden. Er muss sich am Leben erhalten. Schließlich können Sie keine Kinder haben, wenn Sie zuerst sterben.
Wir halten uns am Leben, indem wir Essen konsumieren. Grünpflanzen tun dies, indem sie dem Sonnenlicht Energie entziehen. Auf den ersten Blick unterscheidet sich die Person, die ein saftiges Steak isst, sehr von einer grünen Eiche, aber wenn man es betrachtet, brauchen beide Energie.
Dieser Vorgang wird als Stoffwechsel bezeichnet. Zuerst müssen Sie Energie bekommen; Sagen wir von energiereichen Chemikalien wie Zucker. Dann müssen Sie diese Energie nutzen, um etwas Nützliches wie Zellen aufzubauen.
Dieser Prozess des Energieverbrauchs ist so wichtig, dass viele Forscher ihn als den ersten betrachten, von dem aus das Leben begann.
Vulkanwasser ist heiß und reich an Mineralien
Werbevideo:
Wie würden diese reinen Stoffwechselorganismen aussehen? Eine der interessantesten Annahmen wurde Ende der 1980er Jahre von Gunther Wachtershauser getroffen. Er war kein Vollzeitwissenschaftler, sondern ein Patentanwalt mit geringen chemischen Kenntnissen.
Wachtershauser schlug vor, dass die ersten Organismen "radikal anders waren als alles, was wir wussten". Sie wurden nicht aus Zellen hergestellt. Sie hatten keine Enzyme, DNA oder RNA. Nein, stattdessen stellte sich Wachtershauser einen heißen Wasserstrahl vor, der aus einem Vulkan fließt. Dieses Wasser ist reich an vulkanischen Gasen wie Ammoniak und enthält Spuren von Mineralien aus dem Herzen des Vulkans.
Wo Wasser durch die Felsen floss, fanden chemische Reaktionen statt. Insbesondere Metalle aus Wasser halfen einfachen organischen Verbindungen, sich zu größeren zu verbinden. Der Wendepunkt war die Schaffung des ersten Stoffwechselzyklus. Es ist ein Prozess, bei dem eine Chemikalie in eine Reihe anderer Chemikalien umgewandelt wird, bis das Original schließlich wiederhergestellt ist. Dabei baut das gesamte System Energie auf, mit der der Zyklus neu gestartet werden kann - und für andere Zwecke.
Alles andere, was einen modernen Organismus ausmacht - DNA, Zellen, Gehirn -, erschien später zusätzlich zu diesen chemischen Kreisläufen. Diese Stoffwechselzyklen haben wenig Ähnlichkeit mit dem Leben. Wachtershauser nannte seine Erfindung "Vorläufer von Organismen" und schrieb, dass "sie kaum als lebendig bezeichnet werden können".
Aber Stoffwechselzyklen wie die von Wachtershauser beschriebenen sind der Kern allen Lebens. Ihre Zellen sind im Wesentlichen mikroskopisch kleine chemische Fabriken, die ständig eine Substanz in eine andere destillieren. Stoffwechselzyklen können nicht als Leben bezeichnet werden, sind aber für das Leben von grundlegender Bedeutung.
In den 1980er und 1990er Jahren arbeitete Wachtershauser an den Details seiner Theorie. Er skizzierte, welche Mineralien am besten geeignet wären und welche chemischen Kreisläufe stattfinden könnten. Seine Ideen zogen Anhänger an.
Aber das alles war rein theoretisch. Wachtershauser brauchte eine echte Entdeckung, um seine Ideen zu unterstützen. Zum Glück war es bereits zehn Jahre zuvor gemacht worden.
Quellen im Pazifik
1977 stürzte ein Team unter der Leitung von Jack Corliss von der Oregon State University 2,5 Kilometer in den Ostpazifik. Sie untersuchten die heißen Quellen der Galapagosinseln an Stellen, an denen sich hohe Kämme vom Meeresboden erhoben. Diese Grate waren vulkanisch aktiv.
Corliss entdeckte, dass diese Grate buchstäblich mit heißen Quellen übersät waren. Heißes, chemikalienreiches Wasser steigt unter dem Meeresboden auf und fließt durch Löcher in den Felsen.
Unglaublich, diese hydrothermalen Quellen waren dicht mit seltsamen Tieren besiedelt. Es gab riesige Muscheln, Muscheln und Ringelblumen. Das Wasser war auch stark mit Bakterien gesättigt. Alle diese Organismen lebten von der Energie hydrothermaler Entlüftungsöffnungen.
Die Entdeckung dieser Quellen gab Corliss einen Namen. Und es brachte mich zum Nachdenken. 1981 schlug er vor, dass solche Entlüftungsöffnungen vor vier Milliarden Jahren auf der Erde existierten und zum Ursprungsort des Lebens wurden. Er hat den Löwenanteil seiner Karriere dem Studium dieses Themas gewidmet.
Hydrothermale Entlüftungsöffnungen haben ein seltsames Leben
Corliss schlug vor, dass hydrothermale Entlüftungsöffnungen Cocktails aus Chemikalien erzeugen könnten. Jede Quelle, sagte er, sei eine Art Sprühnebel aus Urbrühe.
Während das heiße Wasser durch die Gesteine floss, verschmolzen Hitze und Druck durch einfache organische Verbindungen zu komplexeren Verbindungen wie Aminosäuren, Nukleotiden und Zuckern. Näher an der Grenze zum Ozean, wo das Wasser nicht so heiß war, begannen sie, sich in Ketten zu verbinden - um Kohlenhydrate, Proteine und Nukleotide wie DNA zu bilden. Als sich das Wasser dem Ozean näherte und sich noch mehr abkühlte, sammelten sich diese Moleküle zu einfachen Zellen.
Es war interessant, die Theorie erregte die Aufmerksamkeit der Menschen. Aber Stanley Miller, dessen Experiment wir im ersten Teil besprochen haben, glaubte es nicht. 1988 schrieb er, dass die tiefen Öffnungen zu heiß seien.
Obwohl intensive Hitze Chemikalien wie Aminosäuren produzieren kann, haben Millers Experimente gezeigt, dass sie diese auch zerstören können. Grundlegende Verbindungen wie Zucker "könnten ein paar Sekunden überleben, nicht mehr." Darüber hinaus ist es unwahrscheinlich, dass diese einfachen Moleküle in Ketten binden, da das umgebende Wasser sie sofort auseinander brechen würde.
Zu diesem Zeitpunkt schloss sich der Geologe Mike Russell der Schlacht an. Er glaubte, dass die Theorie der hydrothermalen Entlüftungsöffnungen ganz richtig sein könnte. Darüber hinaus schienen ihm diese Quellen das ideale Zuhause für die Vorläufer des Wachtershauser-Organismus zu sein. Diese Inspiration führte ihn dazu, eine der am weitesten verbreiteten Theorien über die Ursprünge des Lebens zu entwickeln.
Geologe Michael Russell
Russells Karriere hatte viele interessante Dinge - er stellte Aspirin her und suchte nach wertvollen Mineralien - und koordinierte in einem bemerkenswerten Vorfall in den 1960er Jahren die Reaktion auf einen möglichen Vulkanausbruch trotz mangelnder Vorbereitung. Aber er war mehr daran interessiert, wie sich die Erdoberfläche im Laufe der Äonen veränderte. Aus dieser geologischen Perspektive entstanden seine Vorstellungen über den Ursprung des Lebens.
In den 1980er Jahren fand er fossile Hinweise auf eine weniger turbulente Art der hydrothermalen Vene, bei der die Temperaturen 150 Grad Celsius nicht überstiegen. Diese milden Temperaturen könnten es den Molekülen des Lebens ermöglichen, länger zu leben, als Miller gedacht hatte.
Darüber hinaus enthielten die fossilen Überreste dieser "kühlen" Öffnungen etwas Seltsames: Das aus Eisen und Schwefel bestehende Mineral Pyrit hatte sich in Rohren mit einem Durchmesser von 1 mm gebildet. Während seiner Arbeit im Labor entdeckte Russell, dass Pyrit auch kugelförmige Tröpfchen bilden kann. Und er schlug vor, dass sich die ersten komplexen organischen Moleküle in diesen einfachen Pyritstrukturen gebildet haben könnten.
Eisenpyrit
Ungefähr zu dieser Zeit begann Wachtershauser, seine Ideen zu veröffentlichen, die auf dem Fluss von heißem, chemisch angereichertem Wasser beruhten, das durch Mineralien fließt. Er schlug sogar vor, dass Pyrit beteiligt war.
Russell fügte zwei plus zwei hinzu. Er schlug vor, dass hydrothermale Quellen tief im Meer, die kalt genug sind, um Pyritstrukturen zu bilden, Vorläufer von Wachtershauser-Organismen beherbergen. Wenn Russell Recht hatte, begann das Leben am Meeresgrund - und der Stoffwechsel trat zuerst auf.
Russell hat alles in einem Artikel zusammengefasst, der 1993, 40 Jahre nach Millers klassischem Experiment, veröffentlicht wurde. Es hat nicht das gleiche Medien-Buzz erzeugt, aber es war wohl wichtiger. Russell hat zwei scheinbar getrennte Ideen - die Wachtershauser Stoffwechselzyklen und die hydrothermalen Corliss-Entlüftungsöffnungen - zu etwas wirklich Überzeugendem kombiniert.
Russell bot sogar eine Erklärung dafür an, wie die ersten Organismen ihre Energie erhielten. Das heißt, er verstand, wie ihr Stoffwechsel funktionieren könnte. Seine Idee basierte auf der Arbeit eines der vergessenen Genies der modernen Wissenschaft.
Peter Mitchell, Nobelpreisträger
In den 1960er Jahren erkrankte der Biochemiker Peter Mitchell und musste sich von der University of Edinburgh zurückziehen. Stattdessen richtete er ein privates Labor auf einem abgelegenen Anwesen in Cornwall ein. Isoliert von der wissenschaftlichen Gemeinschaft finanzierte er seine Arbeit mit einer Herde Milchkühe. Viele Biochemiker, darunter Leslie Orgel, deren Arbeit über RNA wir in Teil 2 besprochen haben, hielten Mitchells Ideen für völlig lächerlich.
Einige Jahrzehnte später wartete Mitchell auf einen absoluten Sieg: den Nobelpreis für Chemie 1978. Er wurde nicht berühmt, aber seine Ideen sind heute in jedem Biologie-Lehrbuch enthalten. Mitchell verbrachte seine Karriere damit, herauszufinden, was Organismen mit der Energie tun, die sie aus Nahrungsmitteln gewinnen. Im Grunde fragte er sich, wie wir alle es schaffen, jede Sekunde am Leben zu bleiben.
Er wusste, dass alle Zellen ihre Energie in einem Molekül speichern: Adenosintriphosphat (ATP). Eine Kette von drei Phosphaten ist an Adenosin gebunden. Das Hinzufügen eines dritten Phosphats erfordert viel Energie, die dann an ATP gebunden wird.
Wenn eine Zelle Energie benötigt - zum Beispiel wenn sich ein Muskel zusammenzieht - zerlegt sie ein drittes Phosphat in ATP. Dies wandelt ATP in Adenosidiphosphat (ADP) um und setzt gespeicherte Energie frei. Mitchell wollte wissen, wie eine Zelle ATP im Allgemeinen herstellt. Wie speichert es genug Energie in ADP, um das dritte Phosphat zu binden?
Mitchell wusste, dass sich das Enzym, das ATP bildet, in der Membran befindet. Daher nahm ich an, dass die Zelle geladene Teilchen (Protonen) durch die Membran pumpt, so viele Protonen befinden sich auf der einen Seite, aber nicht auf der anderen.
Die Protonen versuchen dann, durch die Membran zurückzulaufen, um die Anzahl der Protonen auf jeder Seite auszugleichen - aber der einzige Ort, durch den sie gehen können, ist das Enzym. Der Fluss fließender Protonen versorgte das Enzym somit mit der Energie, die zur Erzeugung von ATP benötigt wird.
Mitchell stellte seine Idee erstmals 1961 vor. Er verbrachte die nächsten 15 Jahre damit, sie von allen Seiten zu verteidigen, bis die Beweise unwiderlegbar waren. Wir wissen jetzt, dass der Mitchell-Prozess von jedem Lebewesen auf der Erde angewendet wird. Im Moment fließt es in Ihren Zellen. Wie die DNA liegt sie dem Leben zugrunde, das wir kennen.
Russell entlehnte Mitchell die Idee des Protonengradienten: Auf einer Seite der Membran befinden sich viele Protonen und auf der anderen wenige. Alle Zellen benötigen einen Protonengradienten, um Energie zu speichern.
Moderne Zellen erzeugen Gradienten, indem sie Protonen über Membranen pumpen. Dies erfordert jedoch einen komplexen molekularen Mechanismus, der allein einfach nicht auftreten kann. Also machte Russell einen weiteren logischen Schritt: Das Leben musste sich irgendwo mit einem natürlichen Protonengradienten bilden.
Zum Beispiel irgendwo in der Nähe von hydrothermalen Quellen. Aber es muss eine besondere Art von Quelle sein. Als die Erde jung war, waren die Meere sauer und es gibt viele Protonen im sauren Wasser. Um einen Protonengradienten zu erzeugen, muss das Quellwasser protonenarm sein: Es muss alkalisch sein.
Corliss 'Quellen passten nicht. Sie waren nicht nur zu heiß, sondern auch sauer. Im Jahr 2000 entdeckte Deborah Kelly von der University of Washington die ersten alkalischen Quellen.
Verlorene Stadt
Kelly musste hart arbeiten, um Wissenschaftlerin zu werden. Ihr Vater starb, als sie die High School beendete und sie musste arbeiten, um am College zu bleiben. Aber sie kam zurecht und wählte Unterwasservulkane und brennende heiße hydrothermale Quellen als Thema ihres Interesses. Dieses Paar brachte sie ins Zentrum des Atlantischen Ozeans. Zu diesem Zeitpunkt brach die Erdkruste und ein Gebirgskamm stieg vom Meeresboden auf.
Auf diesem Grat entdeckte Kelly ein Feld hydrothermaler Entlüftungsöffnungen, das sie "The Lost City" nannte. Sie sahen nicht so aus wie die von Corliss. Das Wasser floss bei einer Temperatur von 40-75 Grad Celsius aus ihnen heraus und war leicht alkalisch. Die Karbonatmineralien aus diesem Wasser verklumpten sich zu steilen weißen "Rauchwolken", die wie Orgelpfeifen vom Meeresboden aufstiegen. Sie sehen gruselig und gespenstisch aus, sind es aber nicht: Sie beherbergen viele Mikroorganismen.
Diese alkalischen Entlüftungsöffnungen passen perfekt zu Russells Ideen. Er glaubte fest daran, dass das Leben in solchen „verlorenen Städten“auftauchte. Aber es gab ein Problem. Als Geologe wusste er nicht viel über biologische Zellen, um seine Theorie überzeugend zu präsentieren.
Eine Rauchsäule aus dem "schwarzen Raucherzimmer"
Also tat sich Russell mit dem Biologen William Martin zusammen. 2003 präsentierten sie eine verbesserte Version von Russells früheren Ideen. Und dies ist wahrscheinlich die derzeit beste Theorie für die Entstehung des Lebens.
Dank Kelly wussten sie jetzt, dass die Felsen der alkalischen Quellen porös waren: Sie waren mit winzigen, mit Wasser gefüllten Löchern übersät. Diese winzigen Taschen, so schlugen sie vor, fungierten als "Zellen". Jede Tasche enthielt grundlegende Chemikalien, einschließlich Pyrit. In Kombination mit dem natürlichen Protonengradienten aus den Quellen waren sie der perfekte Ort, um den Stoffwechsel zu starten.
Nachdem das Leben gelernt hatte, die Energie des Quellwassers zu nutzen, begannen Russell und Martin, Moleküle wie RNA zu erzeugen. Am Ende schuf sie sich eine Membran und wurde zu einer echten Zelle, die aus dem porösen Gestein ins offene Wasser entkam.
Eine solche Handlung wird derzeit als eine der führenden Hypothesen über den Ursprung des Lebens angesehen.
Zellen fliehen aus hydrothermalen Quellen
Im Juli 2016 erhielt er Unterstützung, als Martin eine Studie veröffentlichte, in der einige Details des "letzten universellen gemeinsamen Vorfahren" (LUCA) rekonstruiert wurden. Es ist ein Organismus, der vor Milliarden von Jahren lebte und aus dem alles existierende Leben hervorging.
Es ist unwahrscheinlich, dass wir jemals direkte versteinerte Beweise für die Existenz dieses Organismus finden werden, aber wir können dennoch fundierte Vermutungen darüber anstellen, wie er aussah und was er tat, während wir Mikroorganismen unserer Zeit untersuchten. Das hat Martin getan.
Er untersuchte die DNA moderner Mikroorganismen von 1930 und identifizierte 355 Gene, die fast jeder hatte. Dies ist ein überzeugender Beweis für den Transfer dieser 355 Gene über Generationen hinweg von einem gemeinsamen Vorfahren - zu der Zeit, als der letzte universelle gemeinsame Vorfahr lebte.
Diese 355 Gene aktivieren einige, um den Protonengradienten zu verwenden, aber nicht, um ihn zu erzeugen, wie Russell und Martin vorausgesagt haben. Darüber hinaus scheint LUCA an das Vorhandensein von Chemikalien wie Methan angepasst worden zu sein, was darauf hindeutet, dass es sich in einer vulkanisch aktiven, entlüftungsähnlichen Umgebung befindet.
Befürworter der "RNA-Welt" -Hypothese weisen auf zwei Probleme mit dieser Theorie hin. Man kann repariert werden; der andere kann tödlich sein.
Hydrothermale Quellen
Das erste Problem ist, dass es keine experimentellen Beweise für die von Russell und Martin beschriebenen Prozesse gibt. Sie haben eine schrittweise Anamnese, aber keiner dieser Schritte wurde im Labor beobachtet.
„Menschen, die glauben, dass alles mit der Reproduktion begann, finden ständig neue experimentelle Daten“, sagt Armen Mulkidzhanyan. "Menschen, die für Stoffwechsel stehen, tun das nicht."
Aber das könnte sich dank Martins Kollegen Nick Lane vom University College London ändern. Er baute einen "Origin of Life Reactor", der die Bedingungen in einer alkalischen Quelle simuliert. Er hofft, Stoffwechselzyklen und vielleicht sogar Moleküle wie RNA zu sehen. Aber es ist zu früh.
Das zweite Problem ist die Lage der Quellen in der Tiefsee. Wie Miller 1988 feststellte, können sich langkettige Moleküle wie RNA und Proteine ohne Hilfsenzyme nicht in Wasser bilden.
Für viele Wissenschaftler ist dies ein fatales Argument. "Wenn Sie gut in Chemie sind, werden Sie nicht von der Idee der Tiefseequellen bestochen, weil Sie wissen, dass die Chemie all dieser Moleküle nicht mit Wasser kompatibel ist", sagt Mulkidzhanian.
Dennoch bleiben Russell und seine Verbündeten optimistisch.
Erst im letzten Jahrzehnt trat ein dritter Ansatz in den Vordergrund, der durch eine Reihe ungewöhnlicher Experimente unterstützt wurde. Es verspricht etwas, was weder die RNA-Welt noch die hydrothermalen Quellen erreichen konnten: eine Möglichkeit, eine ganze Zelle von Grund auf neu zu erstellen. Mehr dazu im nächsten Teil.
ILYA KHEL
- Teil eins: Wie man einen Käfig baut -
- Teil zwei: Eine Aufteilung in die Reihen der Wissenschaftler -
- Teil drei: auf der Suche nach dem ersten Replikator -
- Teil fünf: Wie erstellt man eine Zelle? -
- Sechster Teil: Die große Vereinigung -
