The Fly in the Primordial Soup
Έφτασα τη δεύτερη μέρα της δημιουργίας. Η Laurie Barge με είχε προσκαλέσει να περάσω τη μέρα στο εργαστήριό της, διαμορφώνοντας την αρχή της ζωής. Είναι ερευνήτρια στο Εργαστήριο Jet Propulsion της NASA στην Πασαντένα και, με τον συνάδελφό της, τον πρωτοπόρο γεωλόγο Michael J. Russell, μέλος του Ινστιτούτου Αστροβιολογίας της NASA. Το έργο ήταν να κατασκευαστεί μια μινιατούρα υδροθερμικής οπής υπό συνθήκες που προσομοίωσαν τον αρχέγονο ωκεανό, πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια. Τέτοιες οπές βρίσκονται στο επίκεντρο μιας ιστορίας επιστημονικής δημιουργίας τόσο αντιφατικής που δύσκολα θα μπορούσε να είναι αληθινή, αλλά τόσο λογικό που σε γενικές γραμμές σχεδόν πρέπει να είναι.
Την πρώτη μέρα, η Barge και οι μαθητές της είχαν δημιουργήσει τους ωκεανούς. Ξεκίνησαν με απεσταγμένο νερό και διοχέτευσαν άζωτο μέσα από αυτό για να εκτοπίσουν το αέριο οξυγόνο, το οποίο δεν υπήρχε στην πρώιμη Γη. Κρεμάσαμε δύο πρώιμες γαίες σε ατσάλινες βάσεις σε δοχεία ζέσεως εργαστηρίου μέσα σε μια κουκούλα καπνού. Στους ωκεανούς, προσθέσαμε χλωριούχο σίδηρο, το οποίο έκανε το νερό στο χρώμα της επίπεδης μπύρας. Τοποθέτησα ένα άκρο πιπέτας στον πυθμένα κάθε δοχείου και άντλησα θειούχο νάτριο για να προσομοιώσω το ζεστό υγρό που ανεβαίνει μέσα από θραύσματα στο φλοιό της Γης. Το νάτριο ανασυνδυάστηκε με χλώριο για να δημιουργήσει αλμυρό νερό, ενώ το θείο συζευγνύθηκε με σίδηρο για να σχηματίσει θειούχο σίδηρο, το οποίο κατακρημνίστηκε από το διάλυμα και συσσωρεύτηκε σε κοίλες καμινάδες. Παρόμοιες καμινάδες σχηματίστηκαν σε υδροθερμικές οπές στον ύστερο αιώνα του Άδη πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια και σχηματίζονται ακόμα, από τις αβυσσαλέες θάλασσες μέχρι το εργαστήριο του Barge.
Η ιδέα ότι η ζωή ξεκίνησε από υδροθερμικές οπές αμφισβητεί την παλαιότερη, γνώριμη επιστημονική ιστορία δημιουργίας της «αρχέγονης σούπας». Σε μια επιστολή προς τον Τζόζεφ Χούκερ το 1871, ο Τσαρλς Δαρβίνος φανταζόταν ότι η ζωή προήλθε «σε κάποια ζεστή μικρή λίμνη, με όλα τα είδη αμμωνίας και φωσφορικών αλάτων, φως, θερμότητα, ηλεκτρισμό κ.λπ.», στην οποία μια «πρωτεϊνική ένωση ήταν χημικά διαμορφώθηκε έτοιμη να υποστεί ακόμα πιο περίπλοκες αλλαγές». Στη δεκαετία του 1920, ο Ρώσος επιστήμονας Aleksandr Oparin και ο Βρετανός πολυμαθής J.B.S. Ο Haldane δημιούργησε ανεξάρτητα μοντέλα για το πώς η ζωή θα μπορούσε να προέκυψε με αυτόν τον τρόπο, από έναν αρχαίο ωκεανό με τη συνοχή, είπε ο Haldane, μιας «καυτής, αραιής σούπας». Το όνομα κόλλησε.
Το 1953, ο Stanley Miller, μεταπτυχιακός φοιτητής του νομπελίστα χημικού Harold Urey, κατάφερε να φτιάξει σούπα στο εργαστήριο. Έστησε φιάλες με υποθετικό αρχέγονο ωκεανό και ατμόσφαιρα, πυροδότησε το σύστημα με τεχνητό κεραυνό και συνέλεξε τις παραγόμενες ενώσεις. Βρήκε πολλά δελεαστικά, συμπεριλαμβανομένων πολλών αμινοξέων. Η χημεία Miller-Urey έχει γίνει συντομογραφία στην έρευνα για την προέλευση της ζωής, ενώ οι πολυάριθμοι μαθητές του Miller έχουν βγει και πολλαπλασιαστούν. Στη σημερινή έρευνα για την προέλευση της ζωής, η «σούπα» υποδηλώνει μοντέλα όπου η ζωή αρχίζει πάνω ή κοντά στην επιφάνεια του ωκεανού μέσω της χημείας Miller-Urey, με κεραυνούς ή άλλη πηγή ενέργειας να τραντάζει επανειλημμένα τα μόρια σε καταστάσεις ολοένα μεγαλύτερης πολυπλοκότητας, μέχρι τη δαρβινική εξέλιξη. αναλαμβάνει.
Η σούπα έχει μια διαισθητική γοητεία:από αυτήν μπορείτε να αντλήσετε τα δομικά στοιχεία της ζωής. Αλλά έχει επίσης ένα μοιραίο ελάττωμα:Ό,τι κι αν παράγει, είναι νεκρό. Οι κεραυνοί μπορεί να πυροδοτήσουν βιοχημικές αντιδράσεις, αλλά η ενέργεια διαλύεται γρήγορα και το σύστημα επιστρέφει στην ισορροπία. Η αρχέγονη σούπα απαιτεί την εξέλιξη για να ανέβει, θερμοδυναμικά, προς την αύξηση της τάξης. Είναι σαν ένας από εκείνους τους «λόφους της βαρύτητας» που έχουν τεκμηριωθεί πολύ στο Διαδίκτυο, όπου τα αυτοκίνητα φαίνονται να κυλούν ανηφορικά. Ξεκινώντας από τη θερμότητα, τα πετρώματα και το θαλασσινό νερό, αμινοξέα και νουκλεοτίδια αυτοσυναρμολογούνται. Οργάνωσαν τους εαυτούς τους σε ακόμη πιο διατεταγμένα μόρια όπως ένζυμα και πρωτεΐνες. Από αυτά η εξέλιξη έχτισε τα πρώτα κύτταρα, και τελικά τα κόκκινα ξύλα και οι τριανταφυλλιές, οι μέλισσες και οι μηλιές, οι ύαινες και οι άνθρωποι.
Αλλά οι λόφοι της βαρύτητας είναι ένα τέχνασμα προοπτικής. Το επίπεδο ενός ξυλουργού θα αποκάλυπτε την αλήθεια, αλλά δεν το βλέπετε συχνά στα βίντεο με το "μαγικό" λόφο βαρύτητας. Οι νόμοι της φυσικής, στην πραγματικότητα, παραμένουν άθικτοι. Το ίδιο, λένε οι θεωρητικοί της εξόδου, με την εμφάνιση της ζωής. Μόνο η εξέλιξη φαίνεται να προχωρήσουμε προς μεγαλύτερη τάξη. στο μεγαλύτερο σχήμα, είναι κατηφορικό σε όλη τη διαδρομή. Τα μοντέλα Vent υποστηρίζουν ότι δεδομένων των αρχικών συνθηκών, η εμφάνιση της ζωής δεν ήταν σχεδόν θαύμα. Ήταν αναπόφευκτο.
Οι υδροθερμικές πηγές ανακαλύφθηκαν από ωκεανογράφους το 1977 στο Ρήγμα Γκαλαπάγκος, στον Ανατολικό Ειρηνικό. Στη συνέχεια, το 1979, στην κορυφή του East Pacific Rise στις 21 μοίρες βόρεια, ανακαλύφθηκαν υπέροχες καμινάδες που εκτοξεύουν αιθάλη, εξαιρετικά ζεστό οξύ στα κρύα, χωρίς φως βάθη. Ακριβώς αν όχι ποιητικά, οι δομές έγιναν γνωστές ως «μαύροι καπνιστές». Οι ερευνητές έμειναν έκπληκτοι όταν ανακάλυψαν ότι οι περιοχές γύρω από τους μαύρους καπνιστές ήταν γεμάτοι ζωή, από ψάρια μέχρι αμέτρητα νέα είδη μικροβίων. Το 1981, ο Jack Corliss, ένας από τους ωκεανογράφους στην αποστολή Galapagos Rift, μαζί με τους μικροβιολόγους John Baross και Sarah Hoffman, πρότειναν ότι οι υποθαλάσσιες θερμές πηγές «παρέχουν όλες τις απαραίτητες συνθήκες για τη δημιουργία ζωής στη Γη». Δεν χρειαζόσουν φως ή κεραυνό. Δεν υπήρχε σούπα.
Οι Μιλερίτες ανταπάντησαν τα πυρά. Οι αεραγωγοί ήταν πολύ ζεστοί για να υποστηρίξουν τη ζωή, έγραψαν ο Μίλερ και ο πρώην μαθητής του Τζέφρι Μπάντα. Τα αμινοξέα και τα νουκλεϊκά οξέα, εάν σχηματιστούν, θα διασπώνταν σχεδόν αμέσως. Τα σάκχαρα θα έλιωναν. Η ζωή δεν θα μπορούσε να ξεκινήσει σε ένα τόσο εχθρικό περιβάλλον. Αν μη τι άλλο, έγραψαν, «οι αεραγωγοί θα ήταν σημαντικοί για την καταστροφή παρά για τη σύνθεση οργανικών ενώσεων στους πρωτόγονους ωκεανούς».
Ο Ράσελ και ο συνάδελφός του Άλαν Χολ, τώρα αρχαιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης, έπεσαν στο κέντρο. Έχετε δίκιο, είπαν στους Μιλερίτες:Οι μαύροι καπνιστές είναι πολύ ζεστό και όξινο για να έχει σχηματιστεί ζωή εκεί. Κοντά τους, όμως, έγραψαν, θα έπρεπε να βρει κανείς σωλήνες ορυκτών που εκπέμπουν χλιαρό, αλκαλικό υγρό. Αυτοί θα ήταν ιδανικές τοποθεσίες για την εμφάνιση της ζωής.
Στις 4 Δεκεμβρίου 2000, αυτοί οι σωλήνες βρέθηκαν, όπως ακριβώς είχε προβλέψει ο Russell, αν και εντελώς τυχαία. Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής την Donna Blackman του Ινστιτούτου Ωκεανογραφίας Scripps, την Deborah Kelley από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον και τον Jeffrey Karson του Πανεπιστημίου Duke εξερευνούσε την οροσειρά της Ατλαντίδας, έναν θόλο μήκους 10 μιλίων που πήρε το όνομά της από τη μυθική νησιωτική πόλη που, σύμφωνα με τον Πλάτωνα, βυθίστηκε στον Βόρειο Ατλαντικό μετά την ήττα από την Αθήνα. Κοντά στο τέλος της αποστολής ενός μήνα, το ρομποτικό υποβρύχιο ξέφυγε από την προκαθορισμένη πορεία του, ακολουθώντας μερικά ψάρια που φαινόταν να κλέβουν για την κάμερα. Ξαφνικά, οι ερευνητές είδαν ένα τεράστιο σύστημα μαργαριταρένιων λευκών δομών να ξεπροβάλλει στην απομακρυσμένη οθόνη:κώνοι, κώνοι και παγωμένα τζάμια, μερικά στο μέγεθος κτιρίων. Ακαταμάχητα, ονόμασαν την τοποθεσία "Χαμένη Πόλη".
Η εξερεύνηση αποκάλυψε ότι οι πύργοι της Χαμένης Πόλης εξέπεμπαν ένα διαυγές, ζεστό, αλκαλικό υγρό στον ελαφρώς όξινο ωκεανό. Τα περιθώρια διαχωρίστηκαν ζεστό από ψυχρό, συμπυκνωμένο από αραιό, χαμηλότερο pH από υψηλότερο pH. Μια πρώιμη Γη «Χαμένη Πόλη» θα είχε αναπτυχθεί σε έναν ανθρακούχο και ως εκ τούτου όξινο ωκεανό. Τα πορώδη τοιχώματά του, κατασκευασμένα από θειούχα και οξείδια σιδήρου, θα έκαναν αυτή την πρόδρομη Χαμένη Πόλη μια αδύναμη αλλά τεράστια μπαταρία. Τα ζωντανά κύτταρα, επίσης, περιβάλλονται από μια μεμβράνη που χωρίζει ένα αλκαλικό εσωτερικό από ένα ελαφρώς όξινο εξωτερικό. Ο «Τελευταίος Παγκόσμιος Κοινός Πρόγονος» της ζωής, λέει ο Μπαρτζ, «λειτουργούσε από βαθμίδες ηλεκτρονίων και πρωτονίων, όπως η ζωή σήμερα». Είτε ζώο, φυτό, μύκητας ή βακτήριο, όλοι οι οργανισμοί ανακεφαλαιώνουν τη χημεία της οξείδωσης και της αναγωγής που βρίσκεται στους θερμούς αλκαλικούς αεραγωγούς. Ένα μικρό κομμάτι αυτής της αρχαίας Χαμένης Πόλης βρίσκεται σε κάθε κελί.
Καθώς ο Barge και εγώ παρακολουθούσαμε το πείραμα, οι καμινάδες σιδήρου-σουλφιδίου άρχισαν να σχηματίζουν περίτεχνες δομές. Το ανερχόμενο υγρό κατασκεύασε τον δικό του σωλήνα εξάτμισης. Λίγο κρύσταλλο εμπόδισε τη ροή. το υγρό βρήκε ένα νέο μονοπάτι καθώς ανέβαινε. η δομή διακλαδίστηκε. Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακά σαν φυτό. Οι προμοντέρνοι αλχημιστές έφτιαχναν παρόμοιους «χυμικούς κήπους» και ένας σχεδόν ξεχασμένος βιολόγος του 19ου αιώνα ονόματι Stéphane Leduc πίστευε ότι αυτές οι οργανικές μορφές αντανακλούσαν τις αρχές της βιολογικής ανάπτυξης. «Η αλυσίδα της ζωής», είπε ο Leduc, «είναι συνεχής, από το ορυκτό στο ένα άκρο μέχρι τον πιο περίπλοκο οργανισμό στο άλλο».
Τα σύγχρονα υδροθερμικά μοντέλα εξαερισμού προτείνουν μια εξήγηση για το πώς κατασκευάστηκε αυτή η αλυσίδα. Η γιγάντια μπαταρία μιας πρώιμης Χαμένης Πόλης οδηγεί έναν κινητήρα που παράγει πολύπλοκα μόρια, κυρίως από άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο. Το θειούχο σίδηρο, καθώς και άλλα μικρά μόρια που βρίσκονται στους αεραγωγούς, δρουν ως «συνένζυμα»—καταλυτικοί νανοκινητήρες που οδηγούν τις αντιδράσεις που βρίσκονται στην καρδιά όλου του μεταβολισμού. Οι καμινάδες, με λίγα λόγια, έχουν ένα είδος μεταβολισμού, που παίρνει ενέργεια από το υδρογόνο, το CO2 , και άλλα μόρια, και το χρησιμοποιεί για να δημιουργήσει πιο πολύπλοκα μόρια, κυρίως από άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο. Οι αρχαιότερες μεταβολικές οδοί στη βιολογία ανακεφαλαιώνουν τη χημεία αυτής της πρώιμης χαμένης πόλης.
Αυτό που έρχεται σε αντίθεση με τη διαίσθησή μας είναι ότι οι πολύπλοκες δομές μπορούν να είναι καλύτεροι διασκορπιστές ενέργειας από τις απλούστερες. Οι καταλύτες σας βοηθούν να ανεβείτε σε έναν ενεργειακό λόφο, ώστε να πέσετε ακόμα πιο κάτω στην άλλη πλευρά. Ρίχνοντας το βλέμμα μας στο σύνολο της βιολογικής εξέλιξης, κάθε οργανισμός είναι ένας τέτοιος ενεργειακός λόφος. Σχηματίζεται μόνο εάν ευνοείται θερμοδυναμικά - εάν αντλώντας ενέργεια σε ανηφόρα για τη δημιουργία του, απελευθερώνεται ακόμη περισσότερη ενέργεια. Μια σαύρα, για παράδειγμα, απαιτεί περισσότερη ενέργεια για να φτιαχτεί από ό,τι μια σαύρα αξίας E. coli , αλλά καταναλώνει περισσότερη ενέργεια με μεγαλύτερο ρυθμό. Ένας κόσμος που περιέχει και σαύρες και βακτήρια, λοιπόν, ευνοείται ενεργειακά έναντι ενός κόσμου μόνο βακτηρίων. Ένας κόσμος που περιλαμβάνει επίσης θερμόαιμες αγελάδες, που μασουλούν γρασίδι και εκπέμπουν θερμότητα, μεθάνιο και λίπασμα, είναι ένας ακόμη καλύτερος κινητήρας εντροπίας. ένα με τίγρεις είναι ακόμα καλύτερο. Είναι το οικοσύστημα που ευνοείται ενεργειακά:Μια καταπράσινη Γη που βρίθει από ζωή τραβάει περισσότερη θερμότητα από το καυτό κέντρο του πλανήτη και από τον ήλιο, απελευθερώνοντάς την στο κρύο, σκοτεινό διάστημα, από ό,τι, ας πούμε, ο Άρης. Η βιόσφαιρά μας δεν είναι παρά μια εξελιγμένη παγοκύστη για τον ήλιο.
Μια γιγάντια μηχανή διασκορπισμού ήρθε στη σκηνή με το Homo sapiens . Η ιστορία της τεχνολογίας είναι τελικά μία από την ανάπτυξη ολοένα και πιο ισχυρών μεθόδων εξαγωγής ενέργειας από τη γη και τον ήλιο:φωτιά, μαγείρεμα, γεωργία, εξόρυξη, τήξη, υλοτομία, ατμομηχανές. Σαν μια στάλα νερού που ρέει κατηφορικά, η ακριβής πορεία ούτε της εξέλιξης ούτε του πολιτισμού είναι προκαθορισμένη - μόνο η συνολική τάση. Έτσι, ούτε η τέχνη, ούτε ο πόλεμος, ούτε το NASCAR, ούτε τα έξυπνα τηλέφωνα ήταν αναπόφευκτα, αλλά όλα μπορούν να θεωρηθούν ως έργο που γίνεται από την ανθρώπινη μηχανή εντροπίας. Υπό αυτό το πρίσμα, οι τάσεις διάχυσης δεν είναι εκτροπή, αλλά απαιτούνται θερμοδυναμικά.
Εάν ο Barge και εγώ παρακολουθούσαμε το εργαστηριακό μας μοντέλο για αρκετό καιρό, θα εξελίσσονταν και αυτό ένα μεταβολικό μονοπάτι; Ένζυμα; Γονίδια; Η Barge κάνει τα πρώτα βήματα προς αυτή την κατεύθυνση, αν και τα βήματα είναι μικρά. Αντί να κατασκευάσει μια καμινάδα, εναποθέτει θειούχο σίδηρο και άλλα ορυκτά σε έναν πορώδη, αδρανή δίσκο. Αυτός ο δίσκος μπορεί να χρησιμεύσει ως μεμβράνη μεταξύ, για παράδειγμα, ενός θετικά φορτισμένου ρευστού και ενός αρνητικά φορτισμένου ρευστού. Το Barge μετρά τις διαφορές τάσης και pH σε όλη τη μεμβράνη - τη ροή ηλεκτρονίων και πρωτονίων. Αυτά τα ρεύματα οδηγούν χημικές αντιδράσεις που είναι θεμελιώδεις για τη ζωή. Το επόμενο βήμα θα είναι να κάνουμε τις χημικές αντιδράσεις να εξελίξουν πιο πολύπλοκα μόρια. «Θα μπορούσατε επίσης να οργανώσετε πειράματα», λέει, «για να δοκιμάσετε την αναδυόμενη ανατροφοδότηση των οργανικών ουσιών με μέταλλα». Οι απλοί καταλύτες θα μπορούσαν να ευνοήσουν αντιδράσεις των οποίων τα προϊόντα ήταν πιο σύνθετοι καταλύτες, οι οποίοι θα μπορούσαν να παράγουν ακόμα πιο πολύπλοκους καταλύτες, σε έναν βρόχο ανάδρασης που οδηγεί τελικά — πολύ πιο κάτω — στην πρωτεΐνη και το DNA.
Σε έναν από τους δύο κόσμους μου, η καμινάδα ανέπτυξε ένα λεπτό κοτσάνι και μετά μια βαριά λάμπα φούσκωσε στην άκρη. «Αυτό πιθανότατα θα σπάσει», λέει ο Barge. Το έκανε:αδιέξοδο της εξέλιξης. Αλλά η καμινάδα στην άλλη φιάλη μεγάλωσε μια παχιά, επίπεδη βάση και εκλεπτύνθηκε ορεινά σε μια σειρά από κορυφές που, αν ήσουν ψύλλος του νερού, θα έμοιαζαν μεγαλειώδεις. Και η Laurie το εξέτασε και είπε ότι ήταν καλό.
Ο Nathaniel Comfort είναι ο Πρόεδρος Baruch Blumberg στην Αστροβιολογία στη Βιβλιοθήκη του Κογκρέσου/NASA και καθηγητής της ιστορίας της ιατρικής στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins. Το πιο πρόσφατο βιβλίο του είναι The Science of Human Perfection. Αναρτά tweet από τον @nccomfort.
Αναφορές
1. Plaxco, K.W. &Gross, M. Astrobiology:A Brief Introduction Johns Hopkins University Press, Baltimore, MD (2006).
2. Martin, W. &Russell, M.J. Σχετικά με την προέλευση των κυττάρων:Μια υπόθεση για τις εξελικτικές μεταβάσεις από την αβιοτική γεωχημεία στους χημειοαυτοτροφικούς προκαρυώτες και από τους προκαρυώτες σε κύτταρα με πυρήνα. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B:Biological Sciences 358 , 59-83 (2003).
3. Russell, M.J. &Martin, W. The rocky roots of the acetyl-CoA pathway. Τάσεις στις Βιοχημικές Επιστήμες 29 , 358-363 (2004).
4. Martin, W. &Russell, M.J. Σχετικά με την προέλευση της βιοχημείας σε μια αλκαλική υδροθερμική οπή. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B:Biological Sciences 362 , 1887-1925 (2007).
5. Martin, W., Baross, J., Kelley, D., &Russell, M.J. Υδροθερμικές οπές και η προέλευση της ζωής. Nature Reviews Microbiology 6 , 805-814 (2008).
6. Corliss, J.B., et al. Υποθαλάσσιες ιαματικές πηγές στο ρήγμα των Γκαλαπάγκος. Επιστήμη 203 , 1073-1083 (1979).
7. Miller, S.L. &Bada, J.L. Υποθαλάσσιες θερμές πηγές και η προέλευση της ζωής. Φύση 334 609-611 (1988).
8. Russell, M.J., Hall, A.J., &Turner, D. In vitro ανάπτυξη καμινάδων θειούχου σιδήρου:πιθανοί θάλαμοι καλλιέργειας για πειράματα προέλευσης ζωής. Terra Nova 1 238-241 (1989).
9. Earthguide:Mid-Atlantic Ridge, ημερολόγιο, 12 Δεκεμβρίου 2000.
10. Russell, M.J., Nitschke, W., &Branscomb, E. Το αναπόφευκτο ταξίδι προς την ύπαρξη. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B:Biological Sciences 368 (2013). Ανακτήθηκε από doi:10.1098/rstb.2012.0254
11. Mac McClellan, J. Ποιο είναι το πιο αποδοτικό αεροπλάνο; Flyingmag.com (2008).
