- Bagian satu: Bagaimana membuat kandang -
- Bagian dua: Perpecahan barisan ilmuwan -
- Bagian tiga: mencari replikator pertama -
- Bagian lima: jadi bagaimana Anda membuat sel? -
- Bagian Enam: Unifikasi Besar -
Di bab kedua, kita mempelajari bagaimana para ilmuwan membagi menjadi tiga aliran pemikiran, merefleksikan asal mula kehidupan. Satu kelompok yakin bahwa kehidupan dimulai dengan molekul RNA, tetapi tidak dapat menunjukkan bagaimana RNA atau molekul serupa dapat secara spontan terbentuk di awal Bumi dan kemudian membuat salinannya sendiri. Upaya mereka pada awalnya membesarkan hati, tetapi akhirnya hanya kekecewaan yang tersisa. Namun, peneliti asal usul kehidupan lainnya yang mengikuti jalan yang berbeda telah menemukan beberapa hasil.
Teori dunia RNA didasarkan pada ide sederhana: hal terpenting yang dapat dilakukan organisme hidup adalah mereproduksi dirinya sendiri. Banyak ahli biologi setuju dengan ini. Dari bakteri hingga paus biru, semua makhluk hidup berusaha keras untuk memiliki keturunan.
Namun, banyak peneliti asal usul kehidupan tidak menganggap reproduksi sebagai hal yang fundamental. Sebelum suatu organisme dapat berkembang biak, kata mereka, ia harus menjadi mandiri. Dia harus menjaga dirinya tetap hidup. Bagaimanapun juga, Anda tidak dapat memiliki anak jika Anda mati lebih dulu.
Kami menjaga diri kami tetap hidup dengan mengonsumsi makanan; tumbuhan hijau melakukan ini dengan mengekstraksi energi dari sinar matahari. Sekilas, orang yang makan steak yang berair sangat berbeda dengan pohon oak yang rimbun, namun bila dilihat, mereka berdua membutuhkan energi.
Proses ini disebut metabolisme. Pertama, Anda perlu mendapatkan energi; katakanlah dari bahan kimia yang kaya energi seperti gula. Kemudian Anda harus menggunakan energi ini untuk membangun sesuatu yang berguna, seperti sel.
Proses penggunaan energi ini sangat penting sehingga banyak peneliti menganggapnya sebagai yang pertama dari mana kehidupan dimulai.
Air vulkanik panas dan kaya mineral
Video promosi:
Seperti apa organisme yang hanya memiliki metabolisme ini? Salah satu asumsi paling menarik dibuat pada akhir 1980-an oleh Gunther Wachtershauser. Dia bukan ilmuwan penuh waktu, melainkan seorang pengacara paten dengan sedikit pengetahuan tentang kimia.
Wachtershauser menyatakan bahwa organisme pertama "sangat berbeda dari apa pun yang kita ketahui". Mereka tidak terbuat dari sel. Mereka tidak memiliki enzim, DNA atau RNA. Tidak, sebaliknya, Wachtershauser membayangkan aliran air panas mengalir dari gunung berapi. Air ini kaya akan gas vulkanik seperti amonia dan mengandung jejak mineral dari jantung gunung berapi.
Di mana air mengalir melalui bebatuan, reaksi kimia mulai terjadi. Secara khusus, logam dari air membantu senyawa organik sederhana bergabung menjadi yang lebih besar. Titik baliknya adalah terciptanya siklus metabolisme pertama. Ini adalah proses di mana satu bahan kimia diubah menjadi sejumlah bahan kimia lain sampai bahan kimia aslinya akhirnya dibuat kembali. Dalam prosesnya, seluruh sistem membangun energi yang dapat digunakan untuk memulai kembali siklus - dan untuk hal lain.
Segala sesuatu yang membentuk organisme modern - DNA, sel, otak - muncul kemudian, di atas siklus kimiawi ini. Siklus metabolisme ini sama sekali tidak mirip dengan kehidupan. Wachtershauser menyebut penemuannya "prekursor organisme" dan menulis bahwa "mereka hampir tidak bisa disebut hidup."
Tetapi siklus metabolisme seperti yang dijelaskan oleh Wachtershauser adalah inti dari semua kehidupan. Sel Anda pada dasarnya adalah pabrik kimia mikroskopis, yang terus-menerus menyaring satu zat menjadi zat lain. Siklus metabolisme tidak bisa disebut kehidupan, tetapi siklus itu fundamental bagi kehidupan.
Selama 1980-an dan 1990-an, Wachtershauser mengerjakan detail teorinya. Dia menguraikan mineral mana yang paling cocok dan siklus kimia mana yang mungkin terjadi. Ide-idenya mulai menarik pendukung.
Tapi semua ini murni teoritis. Wachtershauser membutuhkan penemuan nyata untuk mendukung idenya. Untungnya, itu sudah dilakukan sepuluh tahun sebelumnya.
Sumber di Pasifik
Pada 1977, tim yang dipimpin Jack Corliss dari Oregon State University terjun 2,5 kilometer ke Pasifik Timur. Mereka mempelajari mata air panas Galapagos di tempat-tempat di mana pegunungan tinggi menjulang dari dasar laut. Punggungan ini aktif secara vulkanik.
Corliss menemukan bahwa punggung bukit ini secara harfiah dihiasi dengan mata air panas. Air panas kaya bahan kimia naik dari bawah dasar laut dan mengalir melalui lubang di bebatuan.
Hebatnya, ventilasi hidrotermal ini padat dengan hewan-hewan aneh. Ada kerang, kerang, dan annelida besar. Air juga sangat jenuh dengan bakteri. Semua organisme ini hidup dengan energi dari ventilasi hidrotermal.
Penemuan sumber ini memberi nama pada Corliss. Dan itu membuatku berpikir. Pada tahun 1981, dia menyarankan bahwa ventilasi semacam itu ada di Bumi empat miliar tahun lalu dan menjadi tempat asal kehidupan. Dia telah mengabdikan sebagian besar karirnya untuk mempelajari masalah ini.
Ventilasi hidrotermal memiliki kehidupan yang aneh
Corliss menyarankan bahwa ventilasi hidrotermal dapat menciptakan campuran bahan kimia. Setiap sumber, katanya, adalah semacam semprotan kaldu primordial.
Saat air panas mengalir melalui batuan, panas dan tekanan menyebabkan senyawa organik sederhana melebur menjadi senyawa yang lebih kompleks, seperti asam amino, nukleotida, dan gula. Lebih dekat ke perbatasan dengan lautan, di mana air tidak terlalu panas, mereka mulai terhubung dalam rantai - membentuk karbohidrat, protein, dan nukleotida seperti DNA. Kemudian, ketika air mendekati lautan dan semakin mendingin, molekul-molekul ini berkumpul menjadi sel-sel sederhana.
Menarik, teori itu menarik perhatian orang. Tetapi Stanley Miller, yang eksperimennya telah kita diskusikan di bagian pertama, tidak mempercayainya. Pada tahun 1988, dia menulis bahwa ventilasi dalam terlalu panas.
Meskipun panas yang hebat dapat menghasilkan bahan kimia seperti asam amino, percobaan Miller menunjukkan bahwa panas juga dapat menghancurkannya. Senyawa dasar seperti gula "dapat bertahan selama beberapa detik, tidak lebih". Selain itu, molekul sederhana ini tidak mungkin terikat dalam rantai, karena air di sekitarnya akan langsung memisahkannya.
Pada tahap ini, ahli geologi Mike Russell bergabung dalam pertempuran tersebut. Dia percaya bahwa teori ventilasi hidrotermal bisa jadi benar. Selain itu, menurutnya sumber-sumber ini akan menjadi rumah yang ideal bagi prekursor organisme Wachtershauser. Inspirasi ini menuntunnya untuk menciptakan salah satu teori asal usul kehidupan yang paling diterima secara luas.
Ahli geologi Michael Russell
Karier Russell memiliki banyak hal menarik - dia membuat aspirin untuk mencari mineral berharga - dan dalam satu insiden luar biasa di tahun 1960-an, mengoordinasikan respons terhadap kemungkinan letusan gunung berapi, meskipun kurang persiapan. Tapi dia lebih tertarik pada bagaimana permukaan bumi berubah selama ribuan tahun. Perspektif geologis inilah yang memunculkan ide-idenya tentang asal mula kehidupan.
Pada 1980-an, ia menemukan bukti fosil dari jenis vena hidrotermal yang tidak terlalu bergolak, di mana suhunya tidak melebihi 150 derajat Celcius. Temperatur yang ringan ini, katanya, dapat memungkinkan molekul kehidupan untuk hidup lebih lama dari yang diperkirakan Miller.
Selain itu, sisa-sisa fosil dari ventilasi "dingin" ini mengandung sesuatu yang aneh: mineral pirit, yang terdiri dari besi dan belerang, telah terbentuk dalam tabung dengan diameter 1 mm. Saat bekerja di laboratorium, Russell menemukan bahwa pirit juga dapat membentuk tetesan bola. Dan dia menyarankan bahwa molekul organik kompleks pertama dapat terbentuk di dalam struktur pirit sederhana ini.
Pirit besi
Sekitar waktu inilah Wachtershauser mulai menerbitkan idenya, yang didasarkan pada aliran air panas yang diperkaya secara kimiawi yang mengalir melalui mineral. Dia bahkan menyarankan bahwa pirit terlibat.
Russell menambahkan dua tambah dua. Dia menyarankan bahwa ventilasi hidrotermal jauh di dalam laut, cukup dingin untuk memungkinkan struktur pirit terbentuk, menampung prekursor organisme Wachtershauser. Jika Russell benar, kehidupan dimulai di dasar laut - dan metabolisme pertama kali muncul.
Russell menyatukan semuanya dalam sebuah makalah yang diterbitkan pada tahun 1993, 40 tahun setelah eksperimen klasik Miller. Itu tidak menghasilkan buzz media yang sama, tetapi bisa dibilang lebih penting. Russell telah menggabungkan dua gagasan yang tampaknya terpisah - siklus metabolisme Wachtershauser dan ventilasi hidrotermal Corliss - menjadi sesuatu yang benar-benar menarik.
Russell bahkan memberikan penjelasan bagaimana organisme pertama mendapatkan energinya. Artinya, dia mengerti bagaimana metabolisme mereka bisa bekerja. Idenya didasarkan pada karya salah satu ilmuwan jenius yang terlupakan.
Peter Mitchell, peraih Nobel
Pada tahun 1960-an, ahli biokimia Peter Mitchell jatuh sakit dan terpaksa pensiun dari Universitas Edinburgh. Sebagai gantinya, dia mendirikan laboratorium swasta di sebuah perkebunan terpencil di Cornwall. Terisolasi dari komunitas ilmiah, dia mendanai pekerjaannya dengan kawanan sapi perah. Banyak ahli biokimia, termasuk Leslie Orgel, yang karyanya tentang RNA telah kita diskusikan di bagian dua, menganggap gagasan Mitchell benar-benar konyol.
Beberapa dekade kemudian, Mitchell sedang menunggu kemenangan mutlak: Hadiah Nobel Kimia 1978. Dia tidak menjadi terkenal, tapi idenya ada di setiap buku pelajaran biologi hari ini. Mitchell menghabiskan karirnya mencari tahu apa yang organisme lakukan dengan energi yang mereka dapatkan dari makanan. Pada dasarnya, dia bertanya-tanya bagaimana kita semua bisa tetap hidup setiap detik.
Dia tahu bahwa semua sel menyimpan energinya dalam satu molekul: adenosine triphosphate (ATP). Rantai tiga fosfat terikat pada adenosin. Menambahkan fosfat ketiga membutuhkan banyak energi, yang kemudian dikunci menjadi ATP.
Ketika sebuah sel membutuhkan energi - misalnya, ketika otot berkontraksi - ia memecah fosfat ketiga menjadi ATP. Ini mengubah ATP menjadi adenosidiphosphate (ADP) dan melepaskan energi yang tersimpan. Mitchell ingin tahu bagaimana sel membuat ATP secara umum. Bagaimana cara menyimpan energi yang cukup dalam ADP untuk mengikat fosfat ketiga?
Mitchell tahu bahwa enzim yang membuat ATP ada di dalam membran. Oleh karena itu, saya berasumsi bahwa sel memompa partikel bermuatan (proton) melalui membran, begitu banyak proton berada di satu sisi, tetapi tidak di sisi lain.
Proton kemudian mencoba bocor kembali melalui membran untuk menyeimbangkan jumlah proton di setiap sisi - tetapi satu-satunya tempat yang bisa mereka lalui adalah enzim. Aliran proton yang mengalir menyediakan enzim dengan energi yang dibutuhkan untuk membuat ATP.
Mitchell pertama kali mempresentasikan idenya pada tahun 1961. Dia menghabiskan 15 tahun berikutnya untuk membelanya dari semua sisi, sampai bukti tidak terbantahkan. Kita sekarang tahu bahwa proses Mitchell digunakan oleh semua makhluk hidup di Bumi. Saat ini, itu mengalir di sel Anda. Seperti DNA, itu mendasari kehidupan yang kita kenal.
Russell meminjam dari Mitchell gagasan tentang gradien proton: ada banyak proton di satu sisi membran dan sedikit di sisi lain. Semua sel membutuhkan gradien proton untuk menyimpan energi.
Sel modern membuat gradien dengan memompa proton melintasi membran, tetapi ini membutuhkan mekanisme molekuler kompleks yang tidak dapat muncul dengan sendirinya. Jadi, Russell mengambil langkah logis lainnya: kehidupan harus terbentuk di suatu tempat dengan gradien proton alami.
Misalnya, di suatu tempat di dekat ventilasi hidrotermal. Tetapi itu harus merupakan jenis sumber yang khusus. Ketika Bumi masih muda, lautan bersifat asam, dan ada banyak proton di air asam. Untuk membuat gradien proton, sumber air harus memiliki proton yang rendah: harus basa.
Sumber Corliss tidak sesuai. Tidak hanya terlalu panas, tapi juga asam. Tetapi pada tahun 2000, Deborah Kelly dari University of Washington menemukan sumber alkali pertama.
Kota yang hilang
Kelly harus bekerja keras untuk menjadi ilmuwan. Ayahnya meninggal saat dia menyelesaikan sekolah menengah dan dia dipaksa bekerja untuk tetap kuliah. Tetapi dia berhasil mengatasi dan memilih gunung berapi bawah air dan mata air panas hidrotermal yang terbakar sebagai subjek minatnya. Pasangan ini membawanya ke tengah Samudra Atlantik. Pada titik ini, kerak bumi retak dan bubungan pegunungan menjulang dari dasar laut.
Di punggung bukit ini, Kelly menemukan ladang ventilasi hidrotermal, yang disebutnya "Kota yang Hilang". Mereka tidak terlihat seperti yang ditemukan oleh Corliss. Air mengalir keluar pada suhu 40-75 derajat Celcius dan agak basa. Mineral karbonat dari air ini mengumpul menjadi "gumpalan asap" putih tajam yang muncul dari dasar laut seperti pipa organ. Mereka terlihat menyeramkan dan menyeramkan, tetapi sebenarnya tidak: mereka adalah rumah bagi banyak mikroorganisme.
Ventilasi alkali ini sangat cocok dengan ide Russell. Dia sangat yakin bahwa kehidupan muncul di “kota yang hilang” seperti itu. Tapi ada satu masalah. Sebagai seorang ahli geologi, dia tidak tahu banyak tentang sel biologis untuk menyajikan teorinya secara meyakinkan.
Kolom asap dari "ruang merokok hitam"
Jadi Russell bekerja sama dengan ahli biologi William Martin. Pada tahun 2003, mereka mempresentasikan versi perbaikan dari gagasan Russell sebelumnya. Dan ini mungkin teori terbaik tentang munculnya kehidupan saat ini.
Berkat Kelly, mereka sekarang tahu bahwa bebatuan mata air alkali itu berpori: dihiasi lubang-lubang kecil berisi air. Kantong kecil ini, menurut mereka, berfungsi sebagai "sel". Setiap kantong berisi bahan kimia dasar, termasuk pirit. Dikombinasikan dengan gradien proton alami dari sumbernya, mereka adalah tempat yang tepat untuk memulai metabolisme.
Setelah kehidupan belajar memanfaatkan energi mata air, Russell dan Martin berkata, kehidupan mulai menciptakan molekul seperti RNA. Pada akhirnya, dia menciptakan selaput untuk dirinya sendiri dan menjadi sel nyata, melarikan diri dari batu berpori ke perairan terbuka.
Plot seperti itu saat ini dianggap sebagai salah satu hipotesis utama tentang asal mula kehidupan.
Sel melarikan diri dari ventilasi hidrotermal
Pada Juli 2016, dia mendapat dukungan ketika Martin menerbitkan sebuah studi yang merekonstruksi beberapa detail dari "leluhur bersama universal terakhir" (LUCA). Ini adalah organisme yang hidup miliaran tahun yang lalu dan darimana semua kehidupan yang ada berasal.
Kecil kemungkinan kita akan pernah menemukan bukti fosil langsung dari keberadaan organisme ini, tetapi bagaimanapun kita dapat membuat tebakan yang tepat tentang seperti apa bentuknya dan apa fungsinya saat mempelajari mikroorganisme di zaman kita. Inilah yang dilakukan Martin.
Dia memeriksa DNA mikroorganisme modern tahun 1930 dan mengidentifikasi 355 gen yang hampir dimiliki setiap orang. Ini adalah bukti yang meyakinkan dari transfer 355 gen ini, dari generasi ke generasi, dari satu nenek moyang - sekitar waktu ketika nenek moyang universal terakhir hidup.
355 gen ini mengaktifkan beberapa untuk menggunakan gradien proton, tetapi tidak untuk menghasilkannya, seperti prediksi Russell dan Martin. Terlebih lagi, LUCA tampaknya telah beradaptasi dengan keberadaan bahan kimia seperti metana, menunjukkan bahwa LUCA menghuni lingkungan vulkanik aktif seperti ventilasi.
Para pendukung hipotesis "dunia RNA" menunjukkan dua masalah dengan teori ini. Satu bisa diperbaiki; yang lainnya bisa berakibat fatal.
Mata air hidrotermal
Masalah pertama adalah tidak ada bukti eksperimental untuk proses yang dijelaskan oleh Russell dan Martin. Mereka memiliki riwayat langkah demi langkah, tetapi tidak satu pun dari langkah-langkah ini yang diamati di laboratorium.
"Orang-orang yang percaya bahwa semuanya dimulai dengan reproduksi terus-menerus menemukan data eksperimen baru," kata Armen Mulkidzhanyan. "Orang yang berdiri untuk metabolisme tidak."
Tapi itu bisa berubah, berkat kolega Martin Nick Lane dari University College London. Dia membangun "Origin of Life Reactor" yang mensimulasikan kondisi di dalam sumber alkali. Dia berharap bisa melihat siklus metabolisme, dan bahkan mungkin molekul seperti RNA. Tapi ini masih terlalu dini.
Masalah kedua adalah lokasi sumber di laut dalam. Seperti yang dicatat Miller pada tahun 1988, molekul rantai panjang seperti RNA dan protein tidak dapat terbentuk di air tanpa enzim tambahan.
Bagi banyak ilmuwan, ini adalah argumen yang fatal. “Jika Anda pandai kimia, Anda tidak akan disuap dengan gagasan mata air laut dalam, karena Anda tahu bahwa kimiawi dari semua molekul ini tidak sesuai dengan air,” kata Mulkidzhanian.
Namun Russell dan sekutunya tetap optimis.
Hanya dalam dekade terakhir pendekatan ketiga muncul, didukung oleh serangkaian eksperimen yang tidak biasa. Ini menjanjikan sesuatu yang tidak dapat dicapai oleh dunia RNA maupun ventilasi hidrotermal: cara untuk membuat seluruh sel dari awal. Lebih lanjut tentang ini di bagian selanjutnya.
ILYA KHEL
- Bagian satu: Bagaimana membuat kandang -
- Bagian dua: Perpecahan barisan ilmuwan -
- Bagian tiga: mencari replikator pertama -
- Bagian lima: jadi bagaimana Anda membuat sel? -
- Bagian Enam: Unifikasi Besar -
