- Parte seconda: una divisione nelle file degli scienziati -
- Parte terza: alla ricerca del primo replicatore -
- Parte quarta: l'energia dei protoni -
- Parte quinta: quindi come si crea una cellula? -
- Parte sei: La grande unificazione -
Oggi la vita ha conquistato ogni centimetro quadrato della Terra, ma quando il pianeta si è formato per la prima volta, era una pietra morta. Come e quando è avvenuta la transizione storica? Come è iniziata la vita? Difficilmente si può pensare a una domanda più seria, grande e complessa. Durante la maggior parte della storia umana, nessuno ha dubitato che questo fosse affare degli dei. Qualsiasi altra spiegazione era impensabile.
Non piu. Nel secolo scorso, molti scienziati hanno cercato di capire dove potrebbe iniziare la prima vita. Hanno anche cercato di ricreare il momento della Creazione nei loro laboratori: creare una vita completamente nuova da zero. Finora nessuno è riuscito, ma abbiamo fatto molta strada. Oggi, molti scienziati che studiano l'origine della vita sono fiduciosi di essere sulla strada giusta e hanno esperimenti che supportano la loro fiducia in questo.
Questa è la storia dei nostri sforzi per capire le nostre vere origini. È una storia di ossessione, lotta e brillante creatività che ha portato ad alcune delle più grandi scoperte della scienza moderna. Il desiderio di capire le origini della vita ha mandato uomini e donne negli angoli più remoti del nostro pianeta. Alcuni studiosi erano considerati diavoli in carne e ossa, mentre altri continuavano a lavorare sotto il controllo di brutali governi totalitari.
Questa è la storia della nascita della vita sulla Terra.
In effetti, i dinosauri vivevano non molto tempo fa.
La vita è vecchia. I dinosauri - le creature estinte più famose - sono apparsi 250 milioni di anni fa. Ma la vita è iniziata molto, molto prima.
La più antica documentazione fossile conosciuta ha circa 3,5 miliardi di anni, 14 volte più lunga dei dinosauri più antichi. Ma la documentazione fossile può portarci anche oltre. Ad esempio, solo nell'agosto 2016, gli scienziati hanno scoperto microbi fossilizzati che hanno 3,7 miliardi di anni.
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Questi modelli ondulati possono avere 3,7 miliardi di anni
La Terra stessa non è molto più vecchia, ha 4,5 miliardi di anni.
Se assumiamo che la vita abbia avuto origine sulla Terra - il che sembra ragionevole, dato che non l'abbiamo ancora trovata altrove - allora questo deve essere accaduto nel miliardo di anni che intercorse tra la formazione della Terra e l'apparizione dei fossili più antichi conosciuti.
Restringendo la gamma di volte in cui la vita può essere apparsa, possiamo fare ipotesi plausibili su come sia successo.
L'albero della vita: la maggior parte dei batteri e degli archaea
Dal 19 ° secolo, i biologi sanno che tutti gli esseri viventi sono costituiti da "cellule": minuscoli sacchi di materia vivente di tutte le forme e dimensioni. Le cellule furono scoperte per la prima volta nel XVII secolo, grazie all'invenzione dei primi microscopi, ma ci vollero più di cento anni per rendersi conto che erano la base di tutta la vita.
Certamente non sembri un pesce gatto o un tirannosauro, ma un microscopio mostrerà che sei fatto quasi delle stesse cellule. Come piante e funghi. Ma finora, la forma di vita più numerosa sono i microrganismi, costituiti da una cellula. I batteri sono il gruppo più famoso e possono essere trovati ovunque sulla Terra.
Nell'aprile 2016, gli scienziati hanno presentato una versione aggiornata dell '"albero della vita": in un certo senso, l'albero genealogico di ogni specie vivente. Quasi tutti i rami sono batteri. Inoltre, la forma di questi rami suggerisce che i batteri fossero l'antenato comune di tutta la vita. In altre parole, ogni essere vivente, incluso te, proveniva da batteri.
Si scopre che possiamo definire più accuratamente il problema dell'origine della vita. Utilizzando solo materiali e condizioni che erano sulla Terra 3,5 miliardi di anni fa, dobbiamo creare una cellula.
Quanto sarà difficile?
Intera cellula vivente
Primi esperimenti
Per gran parte della storia, nessuno ha ritenuto necessario chiedersi come fosse nata la vita, poiché la risposta sembrava ovvia. Fino al 1800, la maggior parte delle persone credeva nel "vitalismo". Questa è un'idea intuitiva che gli esseri viventi siano dotati di una speciale proprietà magica che li distingue dagli oggetti inanimati.
Il vitalismo è stato spesso associato a credenze religiose. La Bibbia dice che Dio ha usato il "respiro della vita" per rianimare le prime persone, e l'anima immortale è una forma di vitalismo.
C'è solo un problema. Il vitalismo è una totale assurdità.
All'inizio del 1800, gli scienziati avevano scoperto diverse sostanze che sembravano uniche per la vita. Uno di questi composti era l'urea, che fu trovata nelle urine ed escreta nel 1799. Solo questo rientra ancora nel concetto di vitalismo. Solo gli esseri viventi erano in grado di produrre queste sostanze chimiche, quindi apparentemente erano caricati di energia vitale e questo li rendeva speciali.
Ma nel 1828, il chimico tedesco Friedrich Wöhler trovò un modo per produrre l'urea da una sostanza chimica comune, il cianato di ammonio, che non aveva alcuna connessione evidente con gli esseri viventi. Altri seguirono l'esempio e presto divenne chiaro che le sostanze chimiche della vita potevano essere prodotte da sostanze chimiche più semplici che non avevano nulla a che fare con la vita.
Friedrich Wöhler, chimico tedesco
Questa fu la fine del vitalismo come concetto scientifico. Ma le persone hanno trovato difficile separarsi da questa idea. A molte persone sembrava che dire che non c'era niente di "speciale" nelle sostanze chimiche della vita fosse come togliere la sua magia dalla vita, rendendola meccanica o senz'anima. E, naturalmente, era contrario alla Bibbia.
Anche gli studiosi hanno cercato di salvare il vitalismo. Già nel 1913 il biochimico inglese Benjamin Moore promuoveva con fervore la teoria dell '"energia biotica", che era lo stesso vitalismo, ma con un nome diverso. Questa idea aveva una forte connotazione emotiva.
Anche oggi, tuttavia, questa idea a volte viene fuori qua e là. Ad esempio, ci sono molte storie di fantascienza in cui "l'energia della vita" può essere aumentata o risucchiata. Pensa all '"energia di rigenerazione" usata dai Time Lords in Doctor Who. Sembra insolito, ma questa è un'idea molto, molto vecchia.
Dopo il 1828, tuttavia, gli scienziati avevano buone ragioni per cercare una spiegazione "empia" per la prima apparizione della vita. Ma non l'hanno fatto. Sembrerebbe che questo argomento debba essere approfondito, ma in realtà il mistero dell'origine della vita è stato ignorato per decenni. Forse erano ancora troppo attaccati al vitalismo per fare il passo successivo.
Charles Darwin ha mostrato che tutta la vita discende da un antenato comune
Invece, il gigantesco balzo in avanti della biologia nel XIX secolo è stata la teoria dell'evoluzione sviluppata da Charles Darwin e altri.
La teoria di Darwin, esposta in The Origin of Species nel 1859, spiegava come tutta questa diversità di vita potesse essere emersa da un unico antenato comune. Ogni singola specie non è stata più creata da Dio, ma discende da un antico organismo vissuto milioni di anni fa: l'ultimo antenato comune universale.
Questa idea si rivelò estremamente controversa, ancora una volta perché non si adattava alla Bibbia. Darwin e le sue idee furono attaccate da cristiani parzialmente indignati.
La teoria dell'evoluzione non ha detto nulla su come è apparso il primo organismo.
Darwin credeva che la vita apparisse in un "piccolo stagno caldo"
Darwin sapeva che si trattava di una questione profonda, ma, forse temendo nuovi attacchi da parte della chiesa, osò discuterne solo nel 1871. Il tono ottimista della lettera mostra che conosceva il significato profondo di questa domanda:
"Ma se (e oh, che grande" se ") potessimo immaginare un piccolo stagno caldo con tutti i tipi di sale di ammoniaca e fosforo - con luce, calore, elettricità - in cui si formerebbe chimicamente un composto proteico, pronto a passare ancora di più cambiamenti complessi …"
In altre parole, cosa succederebbe se una volta ci fosse una piccola massa d'acqua piena di semplici composti organici e bagnata dalla luce del sole? Alcuni di questi composti potrebbero combinarsi per formare una sostanza semi-vivente come una proteina che potrebbe iniziare a svilupparsi e diventare più complessa.
Questa idea era superficiale. Ma ha costituito la base per la prima ipotesi dell'emergere della vita.
Curiosamente, questa ipotesi è apparsa in URSS.
Alexander Oparin ha vissuto e lavorato in URSS
Al tempo di Stalin, tutto era sotto il controllo dello Stato. Anche le idee di persone, biologi, non legate alla politica comunista. Sorprendentemente, Stalin in realtà proibì agli scienziati di studiare la genetica convenzionale. Invece, ha promosso le idee del contadino Trofim Lysenko, che, a suo avviso, erano più in linea con l'ideologia comunista. Gli scienziati che lavorano nel campo della genetica sono stati costretti a sostenere pubblicamente le idee di Lysenko per non finire nei campi.
Fu in un ambiente così repressivo che Alexander Oparin condusse le sue ricerche nel campo della biochimica. Poteva lavorare perché era un devoto comunista: sostenne le idee di Lysenko e ricevette persino l'Ordine di Lenin, il più alto riconoscimento dell'era sovietica.
Nel 1924 Oparin pubblicò la sua opera The Origin of Life. In esso, ha delineato la sua visione dell'origine della vita, che era sorprendentemente simile al piccolo stagno caldo di Darwin.
Gli oceani si sono formati dopo che la Terra si è raffreddata
Oparin ha cercato di immaginare come fosse la Terra dopo la formazione. La superficie era rovente quando le rocce cadevano dallo spazio. Un miscuglio di rocce semi-espanse contenente una vasta gamma di sostanze chimiche, comprese quelle a base di carbonio.
Alla fine la Terra si è raffreddata abbastanza perché il vapore acqueo si condensasse in acqua liquida e la prima pioggia ha cominciato a cadere. Ha riempito gli oceani della Terra, che erano caldi e ricchi di sostanze chimiche carboniose. Quello che ti serve per la vita.
All'inizio, varie sostanze chimiche interagivano tra loro per formare molti nuovi composti, alcuni dei quali erano complessi. Oparin ha suggerito che le molecole essenziali alla vita, zuccheri e amminoacidi, potrebbero essersi formate nelle acque della Terra.
Quindi alcune delle sostanze chimiche hanno iniziato a formare strutture microscopiche. Molte sostanze organiche non si dissolvono in acqua: ad esempio, gli oli formano uno strato sopra l'acqua. Ma quando alcune di queste sostanze entrano in contatto con l'acqua, formano palline sferiche "coacervate", che possono essere larghe fino a 0,01 centimetri.
Se guardi i coacervati al microscopio, si comportano in modo molto mobile, come cellule viventi. Crescono e cambiano forma, a volte divisi in due parti. Possono anche raccogliere sostanze chimiche dall'acqua circostante, quindi possono finire con sostanze chimiche simili alla vita. Oparin ha suggerito che i coacervati fossero gli antenati delle cellule moderne.
Cinque anni dopo, nel 1929, il biologo inglese John Burdon Sanderson Haldane propose in modo indipendente idee molto simili in un breve articolo pubblicato sul Rationalist Annual.
A quel tempo Haldane aveva già contribuito molto alla teoria dell'evoluzione, aiutando a integrare le idee di Darwin nella scienza in via di sviluppo della genetica.
Il genetista inglese J. Haldane
Come Oparin, Haldane descrisse come la materia organica potesse accumularsi nell'acqua "finché gli oceani primordiali non avessero raggiunto la consistenza di una zuppa calda e diluita". Questo avrebbe preparato il terreno per i "primi esseri viventi o semi-viventi" che si sono formati e sono finiti in un sottile film di petrolio.
È significativo che tra tutti i biologi del mondo, solo Oparin e Haldane siano arrivati a questo. L'idea che gli organismi viventi possono essere formati attraverso semplici reazioni chimiche, senza Dio o anche "forza vitale", era radicale. Come la teoria dell'evoluzione di Darwin prima di essa, anch'essa era uno schiaffo in faccia al cristianesimo.
Ma si adatta perfettamente alla struttura dell'URSS. Il regime sovietico era ufficialmente ateo ei suoi leader sostenevano felicemente qualsiasi spiegazione materialistica per fenomeni profondi come la vita. Anche Haldane era ateo e comunista.
"A quel tempo, l'accettazione o il rifiuto di un'idea dipendeva principalmente dall'individuo: se era religioso, se sosteneva idee di sinistra o comuniste", dice l'esperto di origini della vita Armen Mulkidzhanian dell'Università di Osnabruck in Germania. “In Unione Sovietica furono accolti con gioia, perché non avevano bisogno di Dio. Nel mondo occidentale, se guardi alle persone che pensavano in questa direzione, erano tutti di sinistra, comunisti e così via ".
L'idea che la vita si fosse formata in un brodo primordiale di materia organica divenne l'ipotesi di Oparin-Haldane. Era chiara e convincente, ma c'era un problema. Non era supportata da alcuna prova sperimentale. E così è andato avanti per quasi un quarto di secolo.
Harold Urey
Quando Harold Urey si interessò alle origini della vita, aveva già vinto il Premio Nobel per la Chimica nel 1934 e aiutò a costruire la bomba atomica. Durante la seconda guerra mondiale, Yuri ha lavorato al progetto Manhattan, raccogliendo l'uranio-235 instabile necessario per il nucleo della bomba. Dopo la guerra, ha combattuto per mantenere la tecnologia nucleare sotto il controllo civile.
Si interessò anche alla chimica dello spazio, in particolare a ciò che accadde durante la formazione del sistema solare. Un giorno ha tenuto una conferenza e ha notato che probabilmente non c'era ossigeno nell'atmosfera terrestre quando si è formata per la prima volta. Questo era il complemento perfetto per il brodo primario di Oparin e Haldane: le sostanze chimiche fragili potevano essere distrutte dal contatto con l'ossigeno.
Uno studente di dottorato di nome Stanley Miller era tra il pubblico e poi si è avvicinato a Yuuri con una domanda: questa idea può essere testata? Yuuri era scettico, ma Miller ha insistito per conto suo. Così nel 1952 Miller iniziò il più famoso esperimento sull'origine della vita.
Esperimento Miller-Urey
Le impostazioni erano semplici. Miller ha collegato una serie di fiasche di vetro e ha sparato quattro sostanze chimiche che avrebbero potuto essere presenti sulla Terra primordiale: acqua bollente, idrogeno gassoso, ammoniaca e metano. Ha quindi sottoposto i gas a ripetute scosse elettriche per simulare i fulmini che erano comuni sulla Terra in quei giorni.
Miller ha scoperto che "l'acqua nelle fiale è diventata significativamente più rosa dopo il primo giorno, e alla fine della settimana la soluzione era rossa e torbida". Apparentemente si è formata una miscela di sostanze chimiche.
Dopo aver analizzato la miscela, Miller ha scoperto che contiene due amminoacidi: glicina e alanina. Gli aminoacidi sono spesso indicati come i mattoni della vita. Sono usati per formare proteine che controllano la maggior parte dei processi biochimici nel nostro corpo. Miller ha costruito due componenti essenziali della vita da zero.
I risultati furono pubblicati sulla prestigiosa rivista Science nel 1953. Yuri ha fatto qualcosa di molto insolito per gli scienziati senior, togliendo il suo nome dal suo lavoro e dando tutto il merito a Miller. Nonostante ciò, lo studio viene spesso definito esperimento Miller-Urey.
Stanley Miller in laboratorio
"La forza di Miller-Urey è che puoi produrre molte molecole biologiche solo dall'atmosfera", afferma John Sutherland del Molecular Biology Laboratory di Cambridge, nel Regno Unito.
I dettagli si sono rivelati errati, poiché studi successivi hanno dimostrato che l'atmosfera della Terra primordiale era una diversa miscela di gas. Ma questo non cambia il fatto. L'esperimento è stato un successo, ha stimolato l'immaginazione del pubblico ed è esploso tra virgolette.
Dopo l'esperimento di Miller, altri scienziati hanno iniziato a cercare modi per creare semplici molecole biologiche da zero. La soluzione al mistero dell'origine della vita sembrava sul punto di apparire.
Ma poi si è scoperto che la vita era più difficile di quanto si pensasse. Le cellule viventi non erano solo sacche di sostanze chimiche: erano minuscole macchine. All'improvviso, costruire una cellula da zero si è rivelato molto più difficile di quanto pensassero gli scienziati.
ILYA KHEL
- Parte seconda: una divisione nelle file degli scienziati -
- Parte terza: alla ricerca del primo replicatore -
- Parte quarta: l'energia dei protoni -
- Parte quinta: quindi come si crea una cellula? -
- Parte sei: La grande unificazione -
