Jordens liv kan have sin oprindelse i dybhavsventiler
Karbonatstrukturer ved en hydrotermisk udluftning i havet i dag inkluderer disse spir, der strækker sig 90 fod høje. Den hvide, krummede rygsøjle er frisk deponeret carbonatmateriale. (Billedkredit: Kelley, University of Washington, IFE, URI-IAO, NOAA)
Dette er del 3 i en seksdelt serie, der fortæller historien om menneskehedens bestræbelser på at forstå livets oprindelse ved at lede efter det i ekstreme miljøer, hvor livet trives uden at stole på solen som energikilde.
Det følger en oceanografisk ekspedition til Mid-Cayman Rise ledet af Chris German fra Woods Hole Oceanographic Institution og NASAs bestræbelser på at planlægge en fremtidig mission for at Jupiters måne Europa . Ved at forstå, hvordan livet kan leve uden solen, kan vi opdage, hvordan livet begyndte på vores planet, og om Jorden er det eneste sted i universet, der er i stand til at understøtte en biosfære.
Svovlbrinte er en giftgas, der er dødelig for mennesker selv i meget lave koncentrationer. Men denne forbindelse - to dele brint, en del svovl - viste sig at være fødekilden til bakterier, der driver et helt nyt økosystem. (I det mindste nyt for os. Nogle forskere formoder, at denne type økosystem faktisk kan være den ældste på vores planet.)
I mere end et århundrede har biologer vidst, at bakterieliv kan eksistere baseret på kemosyntese, men før Galapagos hydrotermiske ekspedition i 1977 havde ingen forestillet sig, at et helt økosystem kunne genereres udelukkende fra kemosyntetiske processer. [ Ekstremofiler: Verdens mærkeligste liv ]
Kemosyntese er den biologiske omdannelse af kulstofmolekyler og næringsstoffer til organisk stof - det ting i livet . Mens fotosyntese bruger energi fra sollys til at omdanne kuldioxid til det organiske stof, der afgiver ilt som et biprodukt, anvender kemosyntese uorganiske molekyler (såsom hydrogensulfid) eller metan og kombinerer dem med en iltkilde (i dette tilfælde havvand) for at skabe enkle sukker.
Vores Amazing Planet Top til bund plakat 18'x72 'plakat. Køb her (Billedkredit: guesswhozoo.com Store)
Disse sukkerarter er det brændstof, som bakterier lever af, og bakterierne er det brændstof, som større organismer har brug for for at overleve. Kemosyntese, der bruger hydrogensulfid, producerer svovl som et biprodukt - og det er svovlet, der lugter som rådne æg.
Hydrogensulfid er en af mange forbindelser, der kører en tur i det overophedede vand og skyder tilbage til havbundens overflade efter at have sneget sig ned gennem sprækker for at møde lommer med magma fra jordens kappe.
Disse stoffer opløses af det varme vand fra klipperne, der danner sprækket, hvilket skaber en kemisk beriget vandblanding. Denne blanding bliver derefter flydende, da den opvarmes og til sidst slipper tilbage i det kolde havvand.
Men hvordan kunne en sådan fremmed proces - fundamentalt forskellig fra grundlaget for langt størstedelen af alt liv på jorden - eksistere her?
Forskningsubåden Alvin når med sin mekaniske arm til en sort ryger ved høj temperatur ved Endeavour-segmentet, Juan de Fuca Ridge, for at studere metanogene mikrober.(Billedkredit: Bruce Strickrott fra WHOI)
På udkig efter livets oprindelse
Indtast Günter Wächtershäuser. En tysk kemiker blev patentadvokat, der har specialiseret sig i kemiske og biokemiske opfindelser, Wächtershäuser (udtales VEK-terz-hoi-zer) foreslog først i 1988, at en lignende kemosyntetisk proces som den, der blev observeret på Galapagos hydrotermiske udluftningsekspedition, havde eksisteret på Jorden for meget lang tid.
Ikke alene var den almindelig for planeten Jorden gennem dens historie, argumenterer han, denne proces var grundlæggende for alle levende økosystemer, der gik tilbage til den allerførste tilblivelse af liv for omkring fire milliarder år siden. [ 7 teorier om livets oprindelse ]
Hvis vi kunne rejse tilbage til den tid, ville vi se en helt anden jord end den, vi ser i dag. Vi ville se en planet komme ud af katastrofen ved en påvirkning med en useriøs planet, der skabte månen og menes at have vippet Jordens akse til omkring 23,5 grader.
Jorden ville først for nylig have kølet sig ned nok til at bære en solid skorpe, og intens vulkanisme og geologisk omvæltning ville have skabt en giftig atmosfære, der næsten var helt iltfri. Uden ozonlag ville planeten være gennemblødt med massive doser ultraviolet lys og stråling fra solen.
Vi ville se kometer, meteoritter og asteroider regner ned over landskabet i en periode med kraftigt bombardement og efterlader kondenseret vand, der ville danne skyer og til sidst kombineret med vulkansk udgasning, oceaner. Fotosyntese ville ikke finde sted på Jorden i måske yderligere to milliarder år.
Alligevel ville det have været i dette bogstavelige helvede på Jorden, at vi ville have set (hvis vi havde husket at tage et mikroskop med) de første livsformer begynder at dukke op.
Et kunstners indtryk af en planet, der bliver steriliseret af et kontinuerligt bombardement af kometer og meteorer. En ny undersøgelse viser, at sådanne påvirkninger ikke ville have steriliseret den tidlige jord helt(Billedkredit: David A. Hardy/www.astroart.org)
Livet stiger fra jordens dyb?
Wächtershäuser, der også er æresprofessor i evolutionær biokemi ved universitetet i Regensburg i Tyskland, peger på Jordens tidlige oceaner og periode med høj vulkansk aktivitet som det perfekte miljø for fødsel af Jordens livsform nr. 1 eller pionerorganismen, en acellulær (indeholder ingen celler) enhed, der sandsynligvis passerede gennem det ensomste liv i planetens historie på få minutter.
Hans forudsætning for livets oprindelse kaldes Jern-svovl verdensteori . Det antyder, at varmt vand under tryk blandet med opløste gasser (herunder hydrogensulfid, kulilte, kuldioxid, hydrogencyanid og ammoniak) gik ud af forhistoriske ventilationsåbninger og over forskellige mineraler, der indeholder jern, nikkel og andre metaller i klipperne omkring ventilationsåbningerne. [ Galleri: Skabninger af dybhavsventiler ]
Disse metaller tjente som katalysatorer for en kædereaktion, der syntetiserede organiske forbindelser og koblede nogle af dem med andre metaller for at danne nye forbindelser med større evne til at give nye kemiske reaktioner.
Denne kobling mellem katalysatoren og produktet af en organisk reaktion er det vigtigste første trin i Wächtershäuser teori.
Det næste er evolutionens mirakel. Begyndende med at disse metaller og gasser reagerer sammen, da livet opstod, siger Wächtershäuser, at evolutionen starter med begyndelsen på et primitivt stofskifte, der skabte stadig mere komplekse kemiske reaktioner, som til sidst med tiden førte til dannelsen af DNA - livets tegninger for at lave flere levende celler i dag.
Inden levende celler var rundt, reagerede disse metaller og gasser sammen i rent kemisk forstand ifølge forudbestemte veje. Der var kun så mange forbindelser dengang, og kun så mange måder, hvorpå disse kunne reagere sammen.
Hydrogensulfid, svovldioxid. Hydrogencyanid, kulilte, kuldioxid, brint, nitrogen, ammoniak, sagde Wächtershäuser, standser, før der tilføjes, Åh, fosforoxid, P4ELLER10. Det er det.
Bortset fra et par andre spormolekyler var det de gasser, der skød ud fra planetens mave, der dannede de første kemiske reaktioner, der tjente som forløber for livet.
Hydrotermiske ventilationsåbninger spytter varme kemikalier ind i det omgivende miljø.(Billedkredit: OAR/National Undersea Research Program (NURP), NOAA)
Foder den frem
Når disse gasser kommer op fra dybt inde i jorden, bevæger de sig fra en tilstand med højt tryk og høj temperatur til en med lavt tryk og lav temperatur. Dette sker hurtigt og forårsager en ikke-ligevægtstilstand kaldet quenching-hvor forholdet mellem gasser ved en høj temperatur bliver frosset i den samme koncentration ved overførsel til et miljø med lav temperatur.
Lad os sige, at ved høje temperaturer har du et ligevægtsforhold mellem kuldioxid og kulilte, 1: 1, sagde Wächtershäuser. Og ved lave temperaturer kan du have et ligevægtsforhold på 10.000: 1. Så hvis du slukker, har du muligvis en lavtemperaturblanding, der stadig har en høj koncentration af kulilte.
Slukningen er vigtig, fordi den skaber et kemisk potentiale. Det kemiske potentiale driver reaktionerne mellem gasser og metaller ved hydrotermiske ventilationsåbninger . På grund af den unikke kombination af de rigtige gasser og de rigtige metaller ved de rigtige temperaturer begynder reaktioner at bygge af hinanden, hvilket skaber en syntetisk reaktion, hvorved de organiske produkter, der syntetiseres, fremmer hastigheden af en anden reaktion, sagde Wächtershäuser .
Med andre ord skaber visse reaktioner biprodukter, der derefter bruges til at fremskynde andre reaktioner, hvilket fører til længere, mere komplekse strenge af organiske molekyler.
Ifølge hans teori sker al evolution ved hjælp af denne metode til feed forward -reaktioner, hvor organiske produkter fremmer andre reaktioner, der giver nye organiske produkter med stigende kompleksitet. Det er det, der gav anledning til aminosyrer, peptider, sukkerarter, proteiner, nukleotider og nukleinsyrer, ligesom DNA og RNA.
Efter det, som teorien går, udviklede livet højere kompleksitetsniveauer og vovede sig ud over udluftningssamfund. Det er ikke klart, hvornår fotosyntesen først opstod, men de fleste skøn spænder fra 2,5 til 3 milliarder år siden. Resten, som de siger, er historie.
'Replicator-first' teorien
Da vi ikke kan gå tilbage i tiden, ved vi aldrig, om Günters teori om liv, der stiger fra dybet af Jordens smeltede inder, er sand eller ej. Og hans er kun en af flere konkurrerende livets teorier , der generelt falder i to lejre.
Metabolisme-første teorier (som Iron-Sulphur World Theory) starter med enkle molekyler, der bygger stigende kompleksitet. Replikator-første teorier antyder på den anden side, at simple organiske molekyler forekommer naturligt og er i stand til at replikere sig selv lige fra starten.
Kemiker Stanley Miller er i replikator-første lejren. Miller, der undertiden omtales som faderen til livets kemi, fik tidlig berømmelse for et klassisk eksperiment, han udførte i 1952 som kandidatstuderende med Harold Urey, der demonstrerede, hvordan aminosyrer kunne genereres i et laboratoriemiljø fra enkle forbindelser udsat for elektriske udladninger i den tidlige jordas atmosfære. [ Hvad er livets ingredienser? ]
Den spontane dannelse af aminosyrer gør det ikke af sig selv forklare livets oprindelse , da det stadig er et stort spring at gå fra simple aminosyrer til komplekse, selvreplikerende kæder af genetiske instruktioner indeholdt i DNA og RNA. Men hans fund lagde hjørnestenen for forskning i livets oprindelse og fik mange nysgerrige sind til at teste alle mulige kombinationer af forhold, der kunne have eksisteret på den tidlige jord. Stadig 60 år senere har ingen af disse bestræbelser været i stand til at replikere livet fra bunden i et laboratorium.
En af de førende varianter af replikator-første lejren er RNA World Theory, hvilket tyder på, at RNA-molekyler opstod før de første proteiner siden før dem, der ville ikke have været noget arvelighedsmolekyle eller blueprint-molekyle til at fremstille andre molekyler konsekvent.
Fortalere for denne teori siger, at der var en tid, hvor RNA alene håndterede alle vedligeholdelsesaktiviteter i en celle, der fungerede som både genetisk materiale og en katalysator for metaboliske reaktioner. Udviklingen af DNA omdisponerede derefter arbejde til replikation og genetisk lagring til det mere stabile DNA -molekyle.
Ser mod Europa
Men Wächtershäuser synes, det er for meget et spring at antage, at livet begyndte med evnen til at replikere sig selv. Begyndelsen på det genetiske maskineri er ikke replikation. Replikation har ikke noget formål i sig selv, sagde Wächtershäuser.
For ham begynder begyndelsen på det genetiske replikationsmaskineri med noget, der ligner den kemi, der foregår i kernen af ribosomet, som lidt ligner alle cellers produktionsanlæg. Den kemi koger ned til peptiddannelse - dybest set simple aminosyrer forbundet med hinanden.
Det er et afgørende skridt, og det er noget, hans eksperimenter har været i stand til at producere i laboratoriet under høje temperaturforhold - de samme forhold, som man mener at have eksisteret i den tidlige jord omkring hydrotermiske udluftningssystemer. Det er ikke et afgørende bevis på, at hans teori er rigtig, men han kommer tættere på.
Desværre for Wächtershäuser ligger det måske bedste bevis for hans teori omkring 800 millioner kilometer væk (800 millioner kilometer) fra hans laboratorium i Tyskland, under den iskalde skal af en måne opdaget for mere end 400 år siden af en mand ved navn Galileo Galilei: Jupiter 'S måne Europa.
Denne historie blev leveret af Astrobiology Magazine , en webbaseret publikation sponsoreret af NASA astrobiologiprogram . Følg guesswhozoo.com på Twitter @Spacedotcom . Vi er også igang Facebook & Google+ .
