- Teil zwei: Eine Spaltung in den Reihen der Wissenschaftler -
- Teil drei: auf der Suche nach dem ersten Replikator -
- Teil vier: die Energie der Protonen -
- Teil fünf: Wie schafft man eine Zelle? -
- Sechster Teil: Die große Vereinigung -
Heute hat das Leben jeden Quadratzentimeter der Erde erobert, aber als sich der Planet zum ersten Mal formierte, war er ein toter Stein. Wie und wann fand der Meilensteinübergang statt? Wie hat das Leben angefangen? Eine ernstere, größere und komplexere Frage kann man sich kaum vorstellen. Während des größten Teils der Menschheitsgeschichte bezweifelte niemand, dass dies das Geschäft der Götter war. Jede andere Erklärung war undenkbar.
Nicht mehr. Im letzten Jahrhundert haben viele Wissenschaftler versucht herauszufinden, wo das erste Leben beginnen könnte. Sie haben sogar versucht, den Moment der Schöpfung in ihren Labors nachzubilden: ein völlig neues Leben von Grund auf neu zu erschaffen. Bisher hat es niemand geschafft, aber wir haben einen langen Weg zurückgelegt. Viele Wissenschaftler, die den Ursprung des Lebens untersuchen, sind heute zuversichtlich, auf dem richtigen Weg zu sein - und sie haben Experimente, die ihr Vertrauen in dieses Thema untermauern.
Dies ist die Geschichte unserer Bemühungen, unsere wahren Ursprünge herauszufinden. Es ist eine Geschichte von Besessenheit, Kampf und brillanter Kreativität, die zu einigen der größten Entdeckungen in der modernen Wissenschaft führte. Der Wunsch, die Ursprünge des Lebens zu verstehen, schickte Männer und Frauen in die entlegensten Winkel unseres Planeten. Einige Gelehrte galten als fleischliche Teufel, während andere weiterhin unter dem Daumen brutaler totalitärer Regierungen arbeiteten.
Dies ist die Geschichte der Geburt des Lebens auf der Erde.
Tatsächlich lebten Dinosaurier vor nicht allzu langer Zeit.
Das Leben ist alt. Dinosaurier - die berühmtesten ausgestorbenen Kreaturen - erschienen vor 250 Millionen Jahren. Aber das Leben begann viel, viel früher.
Der älteste bekannte Fossilienbestand ist etwa 3,5 Milliarden Jahre alt und 14-mal so lang wie die ältesten Dinosaurier. Aber der Fossilienbestand kann uns noch weiter bringen. So entdeckten Wissenschaftler allein im August 2016 versteinerte Mikroben, die 3,7 Milliarden Jahre alt sind.
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Diese Wellenmuster können 3,7 Milliarden Jahre alt sein
Die Erde selbst ist nicht viel älter, sie ist 4,5 Milliarden Jahre alt.
Wenn wir davon ausgehen, dass das Leben auf der Erde entstanden ist - was angesichts der Tatsache, dass wir es noch nicht anderswo gefunden haben, vernünftig erscheint -, muss dies in den Milliarden Jahren geschehen sein, die zwischen der Entstehung der Erde und dem Erscheinen der ältesten bekannten Fossilien vergangen sind.
Indem wir den Zeitraum eingrenzen, in dem das Leben möglicherweise aufgetreten ist, können wir fundierte Vermutungen darüber anstellen, wie es passiert ist.
Der Baum des Lebens: die meisten Bakterien und Archaeen
Seit dem 19. Jahrhundert wissen Biologen, dass alle Lebewesen aus "Zellen" bestehen: winzigen Säcken lebender Materie, die in allen Formen und Größen vorliegen. Dank der Erfindung der ersten Mikroskope wurden die Zellen erstmals im 17. Jahrhundert entdeckt. Es dauerte jedoch über hundert Jahre, bis klar wurde, dass sie die Grundlage allen Lebens waren.
Sie sehen sicherlich nicht wie ein Wels oder ein Tyrannosaurus aus, aber ein Mikroskop zeigt, dass Sie aus fast denselben Zellen bestehen. Wie Pflanzen und Pilze. Die bisher zahlreichste Lebensform sind jedoch Mikroorganismen, die aus einer Zelle bestehen. Bakterien sind die bekannteste Gruppe und kommen überall auf der Erde vor.
Im April 2016 präsentierten Wissenschaftler eine aktualisierte Version des "Baumes des Lebens": gewissermaßen der Stammbaum jeder lebenden Spezies. Fast alle Zweige sind Bakterien. Darüber hinaus deutet die Form dieser Zweige darauf hin, dass Bakterien der gemeinsame Vorfahr allen Lebens waren. Mit anderen Worten, jedes Lebewesen - auch Sie - stammte von Bakterien.
Es stellt sich heraus, dass wir das Problem des Ursprungs des Lebens genauer definieren können. Wenn wir nur Materialien und Bedingungen verwenden, die vor 3,5 Milliarden Jahren auf der Erde waren, müssen wir eine Zelle bauen.
Wie schwierig wird es sein?
Ganze lebende Zelle
Erste Experimente
Während des größten Teils der Geschichte hielt es niemand für notwendig zu fragen, wie das Leben zustande kam, da die Antwort offensichtlich schien. Bis zum 19. Jahrhundert glaubten die meisten Menschen an "Vitalismus". Dies ist eine intuitive Idee, dass Lebewesen mit einer besonderen magischen Eigenschaft ausgestattet sind, die sie von leblosen Objekten unterscheidet.
Vitalismus wurde oft mit religiösen Überzeugungen in Verbindung gebracht. Die Bibel sagt, dass Gott den "Atem des Lebens" benutzte, um die ersten Menschen wiederzubeleben, und die unsterbliche Seele ist eine Form des Vitalismus.
Es gibt nur ein Problem. Vitalismus ist völliger Unsinn.
Zu Beginn des 19. Jahrhunderts hatten Wissenschaftler mehrere Substanzen entdeckt, die für das Leben einzigartig zu sein schienen. Eine solche Verbindung war Harnstoff, der im Urin gefunden und 1799 ausgeschieden wurde. Nur das passt noch in das Konzept des Vitalismus. Nur Lebewesen konnten diese Chemikalien produzieren, daher waren sie anscheinend mit Lebensenergie aufgeladen, was sie zu etwas Besonderem machte.
1828 fand der deutsche Chemiker Friedrich Wöhler einen Weg, Harnstoff aus einer üblichen Chemikalie, Ammoniumcyanat, herzustellen, die keinen offensichtlichen Zusammenhang mit Lebewesen hatte. Andere folgten diesem Beispiel, und es wurde bald klar, dass die Chemikalien des Lebens aus einfacheren Chemikalien hergestellt werden konnten, die nichts mit dem Leben zu tun hatten.
Friedrich Wöhler, deutscher Chemiker
Dies war das Ende des Vitalismus als wissenschaftliches Konzept. Aber die Leute fanden es schwierig, sich von dieser Idee zu trennen. Vielen Menschen schien es zu sagen, dass die Chemikalien des Lebens nichts "Besonderes" waren, als würde man dem Leben seine Magie nehmen und es mechanisch oder seelenlos machen. Und natürlich widersprach es der Bibel.
Sogar Wissenschaftler haben versucht, den Vitalismus zu retten. Bereits 1913 förderte der englische Biochemiker Benjamin Moore leidenschaftlich die Theorie der "biotischen Energie", die der gleiche Vitalismus war, aber einen anderen Namen hatte. Diese Idee hatte starke emotionale Obertöne.
Bis heute taucht diese Idee jedoch manchmal hier und da auf. Zum Beispiel gibt es viele Science-Fiction-Geschichten, in denen die "Energie des Lebens" erhöht oder abgesaugt werden kann. Denken Sie an die "Regenerationsenergie", die von den Time Lords in Doctor Who verwendet wird. Es scheint ungewöhnlich, aber das ist eine sehr, sehr alte Idee.
Nach 1828 hatten Wissenschaftler jedoch gute Gründe, nach einer "gottlosen" Erklärung für das erste Auftreten des Lebens zu suchen. Aber sie haben es nicht getan. Es scheint, dass dieses Thema untersucht werden muss, aber tatsächlich wird das Geheimnis des Ursprungs des Lebens seit Jahrzehnten ignoriert. Vielleicht waren sie immer noch zu sehr an Vitalismus gebunden, um den nächsten Schritt zu tun.
Charles Darwin zeigte, dass alles Leben von einem gemeinsamen Vorfahren abstammte
Stattdessen war der große Fortschritt in der Biologie im 19. Jahrhundert die Evolutionstheorie, die von Charles Darwin und anderen entwickelt wurde.
Darwins Theorie, die 1859 in The Origin of Species dargelegt wurde, erklärte, wie all diese Vielfalt des Lebens aus einem einzigen gemeinsamen Vorfahren hervorgegangen sein könnte. Jede einzelne Spezies wurde nicht mehr von Gott erschaffen, sondern stammte von einem alten Organismus ab, der vor Millionen von Jahren lebte: dem letzten universellen gemeinsamen Vorfahren.
Diese Idee erwies sich erneut als äußerst kontrovers, da sie nicht zur Bibel passte. Darwin und seine Ideen wurden von teilweise empörten Christen angegriffen.
Die Evolutionstheorie sagte nichts darüber aus, wie der allererste Organismus erschien.
Darwin glaubte, dass das Leben in einem "warmen kleinen Teich" erschien
Darwin wusste, dass dies eine tiefgreifende Frage war, aber - vielleicht aus Angst vor neuen Angriffen der Kirche - wagte er es erst 1871, darüber zu diskutieren. Der optimistische Ton des Briefes zeigt, dass er die tiefe Bedeutung dieser Frage kannte:
„Aber wenn (und oh, was für ein großes„ Wenn “) könnten wir uns einen kleinen warmen Teich mit allen Arten von Ammoniak und Phosphorsalz vorstellen - mit Licht, Wärme, Elektrizität - in dem eine Proteinverbindung chemisch gebildet würde und bereit wäre, noch mehr zu durchlaufen komplexe Veränderungen …"
Mit anderen Worten, was wäre, wenn einmal ein kleines Gewässer mit einfachen organischen Verbindungen gefüllt und im Sonnenlicht gebadet wäre? Einige dieser Verbindungen könnten sich zu einer halb lebenden Substanz wie einem Protein verbinden, das sich zu entwickeln beginnt und komplexer wird.
Diese Idee war oberflächlich. Sie bildete jedoch die Grundlage für die erste Hypothese der Entstehung des Lebens.
Seltsamerweise erschien diese Hypothese in der UdSSR.
Alexander Oparin lebte und arbeitete in der UdSSR
Während Stalins Zeit war alles unter der Kontrolle des Staates. Sogar die Ideen von Menschen, Biologen, die nichts mit kommunistischer Politik zu tun haben. Bemerkenswerterweise verbot Stalin Wissenschaftlern tatsächlich, konventionelle Genetik zu studieren. Stattdessen förderte er die Ideen des Bauern Trofim Lysenko, die seiner Meinung nach eher der kommunistischen Ideologie entsprachen. Wissenschaftler auf dem Gebiet der Genetik waren gezwungen, Lysenkos Ideen öffentlich zu unterstützen, um nicht in den Lagern zu landen.
In einem so repressiven Umfeld forschte Alexander Oparin auf dem Gebiet der Biochemie. Er konnte arbeiten, weil er ein hingebungsvoller Kommunist war: Er unterstützte Lysenkos Ideen und erhielt sogar den Lenin-Orden, die höchste Auszeichnung der Sowjetzeit.
1924 veröffentlichte Oparin seine Arbeit The Origin of Life. Darin skizzierte er seine Vision vom Ursprung des Lebens, die Darwins kleinem warmen Teich auffallend ähnlich war.
Die Ozeane bildeten sich, nachdem sich die Erde abgekühlt hatte
Oparin versuchte sich vorzustellen, wie die Erde nach der Bildung war. Die Oberfläche war sengend heiß, als Steine aus dem Weltraum fielen. Eine Ansammlung von halb expandierten Gesteinen, die eine Vielzahl von Chemikalien enthalten, einschließlich solcher, die auf Kohlenstoff basieren.
Schließlich kühlte sich die Erde so weit ab, dass der Wasserdampf zu flüssigem Wasser kondensierte und der erste Regen zu fallen begann. Es füllte die Ozeane der Erde, die heiß und reich an kohlenstoffhaltigen Chemikalien waren. Was du für das Leben brauchst.
Zunächst wechselwirketen verschiedene Chemikalien miteinander und bildeten viele neue Verbindungen, von denen einige komplex waren. Oparin vermutete, dass sich die lebenswichtigen Moleküle Zucker und Aminosäuren im Wasser der Erde gebildet haben könnten.
Dann begannen einige der Chemikalien mikroskopische Strukturen zu bilden. Viele organische Substanzen lösen sich nicht in Wasser: Öle bilden beispielsweise eine Schicht auf Wasser. Wenn jedoch einige dieser Substanzen mit Wasser in Kontakt kommen, bilden sie kugelförmige "Koazervat" -Kugeln mit einem Durchmesser von bis zu 0,01 Zentimetern.
Wenn Sie Koazervate durch ein Mikroskop betrachten, verhalten sie sich sehr beweglich wie lebende Zellen. Sie wachsen und verändern ihre Form, manchmal in zwei Teile geteilt. Sie können auch Chemikalien aus dem umgebenden Wasser aufnehmen, so dass sie lebensechte Chemikalien erhalten können. Oparin schlug vor, dass Koazervate die Vorfahren moderner Zellen waren.
Fünf Jahre später, 1929, schlug der englische Biologe John Burdon Sanderson Haldane in einem kurzen Artikel, der im Rationalist Annual veröffentlicht wurde, unabhängig voneinander sehr ähnliche Ideen vor.
Zu diesem Zeitpunkt hatte Haldane bereits viel zur Evolutionstheorie beigetragen und dazu beigetragen, Darwins Ideen in die sich entwickelnde Wissenschaft der Genetik zu integrieren.
Englischer Genetiker J. Haldane
Wie Oparin beschrieb Haldane, wie sich organische Stoffe im Wasser ansammeln könnten, "bis die Urmeere die Konsistenz einer heißen, verdünnten Suppe erreicht haben". Dies würde die Bühne für die "ersten lebenden oder halb lebenden Dinge" bereiten, die sich bildeten und in einem dünnen Ölfilm endeten.
Es ist bezeichnend, dass unter allen Biologen der Welt nur Oparin und Haldane dazu gekommen sind. Die Idee, dass lebende Organismen durch einfache chemische Reaktionen ohne Gott oder gar "Lebenskraft" gebildet werden können, war radikal. Wie Darwins Evolutionstheorie zuvor war auch dies ein Schlag ins Gesicht des Christentums.
Aber es passte perfekt in den Rahmen der UdSSR. Das sowjetische Regime war offiziell atheistisch, und seine Führer unterstützten gerne jede materialistische Erklärung für tiefgreifende Phänomene wie das Leben. Haldane war auch Atheist und Kommunist.
„Zu dieser Zeit hing die Akzeptanz oder Ablehnung einer Idee hauptsächlich vom Einzelnen ab: ob er religiös war, ob er linke oder kommunistische Ideen unterstützte“, sagt der Experte für Lebensentstehung Armen Mulkidzhanian von der Universität Osnabrück in Deutschland. „In der Sowjetunion wurden sie mit Freude aufgenommen, weil sie Gott nicht brauchten. In der westlichen Welt waren die Menschen, die in diese Richtung dachten, alle Linke, Kommunisten und so weiter."
Die Idee, dass das Leben in einer ursprünglichen Brühe organischer Materie geformt wurde, wurde zur Oparin-Haldane-Hypothese. Sie war ordentlich und überzeugend, aber es gab ein Problem. Sie wurde durch keine experimentellen Beweise gestützt. Und so ging es fast ein Vierteljahrhundert weiter.
Harold Urey
Als Harold Urey sich für die Ursprünge des Lebens interessierte, hatte er bereits 1934 den Nobelpreis für Chemie gewonnen und half beim Bau der Atombombe. Während des Zweiten Weltkriegs arbeitete Yuri am Manhattan-Projekt und sammelte das instabile Uran-235, das für den Kern der Bombe benötigt wird. Nach dem Krieg kämpfte er darum, die Nukleartechnologie unter ziviler Kontrolle zu halten.
Er interessierte sich auch für die Chemie des Weltraums, insbesondere für die Entstehung des Sonnensystems. Eines Tages hielt er einen Vortrag und stellte fest, dass sich wahrscheinlich kein Sauerstoff in der Erdatmosphäre befand, als sie sich zum ersten Mal bildete. Dies war die perfekte Ergänzung zu Oparins und Haldanes Primärbrühe: Zerbrechliche Chemikalien konnten durch Kontakt mit Sauerstoff zerstört werden.
Ein Doktorand namens Stanley Miller war im Publikum und wandte sich dann mit einer Frage an Yuuri: Kann diese Idee getestet werden? Yuuri war skeptisch, aber Miller bestand auf sich selbst. So begann Miller 1952 das berühmteste Experiment über den Ursprung des Lebens.
Miller-Urey-Experiment
Die Einstellungen waren einfach. Miller schloss eine Reihe von Glaskolben an und feuerte vier Chemikalien ab, die möglicherweise auf der frühen Erde vorhanden waren: kochendes Wasser, Wasserstoffgas, Ammoniak und Methan. Anschließend setzte er die Gase wiederholten Elektroschocks aus, um die damals auf der Erde üblichen Blitzeinschläge zu simulieren.
Miller stellte fest, dass "das Wasser in den Fläschchen nach dem ersten Tag deutlich rosiger wurde und die Lösung am Ende der Woche rot und trüb war". Offensichtlich hat sich eine Mischung von Chemikalien gebildet.
Nach der Analyse der Mischung stellte Miller fest, dass sie zwei Aminosäuren enthält: Glycin und Alanin. Aminosäuren werden oft als Bausteine des Lebens bezeichnet. Sie werden verwendet, um Proteine zu bilden, die die meisten biochemischen Prozesse in unserem Körper steuern. Miller baute zwei wesentliche Bestandteile des Lebens von Grund auf auf.
Die Ergebnisse wurden 1953 in der renommierten Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Yuri tat etwas sehr Ungewöhnliches für hochrangige Wissenschaftler, nahm seinen Namen von seinem Job und gab Miller alle Ehre. Trotzdem wird die Studie oft als Miller-Urey-Experiment bezeichnet.
Stanley Miller im Labor
"Die Stärke von Miller-Urey besteht darin, dass Sie viele biologische Moleküle nur aus der Atmosphäre produzieren können", sagt John Sutherland vom Molecular Biology Laboratory in Cambridge, Großbritannien.
Die Details erwiesen sich als falsch, da spätere Studien zeigten, dass die Atmosphäre der frühen Erde eine andere Mischung von Gasen war. Das ändert aber nichts an der Tatsache. Das Experiment war ein Erfolg, regte die Fantasie der Öffentlichkeit an und explodierte in Zitate.
Nach Millers Experiment suchten andere Wissenschaftler nach Wegen, um einfache biologische Moleküle von Grund auf neu zu erzeugen. Die Lösung für das Geheimnis des Ursprungs des Lebens schien zu erscheinen.
Aber dann stellte sich heraus, dass das Leben schwieriger war als gedacht. Lebende Zellen waren nicht nur Säcke mit Chemikalien, sondern winzige Maschinen. Plötzlich erwies sich der Bau einer Zelle von Grund auf als viel schwieriger als Wissenschaftler dachten.
ILYA KHEL
- Teil zwei: Eine Spaltung in den Reihen der Wissenschaftler -
- Teil drei: auf der Suche nach dem ersten Replikator -
- Teil vier: die Energie der Protonen -
- Teil fünf: Wie schafft man eine Zelle? -
- Sechster Teil: Die große Vereinigung -
