Terbang dengan sup purba

Pemodelan mata air hidrotermal mengubah sumber kehidupan ini dari yang tidak mungkin menjadi hampir tak terhindarkan

Saya tiba di hari kedua penciptaan. Laurie Barge mengundang saya untuk menghabiskan satu hari di lab pemodelan sumber kehidupannya. Dia adalah seorang peneliti di NASA Jet Laboratory di Pasadena, dan bekerja dengan seorang kolega, ahli geologi Michael Russell, anggota dari NASA Institute of Astrobiology. Tugasnya adalah menciptakan mata air hidrotermal mini dalam kondisi yang disimulasikan samudera purba 4 miliar tahun yang lalu. Sumber-sumber semacam itu adalah pusat dari sejarah ilmiah penciptaan kehidupan, sebuah kisah yang terlalu kontra-intuitif untuk menjadi kenyataan, namun begitu logis sehingga harus dikonfirmasi.

Pada hari pertama, tongkang bersama siswa menciptakan lautan. Mereka mulai dengan air suling, dan mereka memompa nitrogen melalui itu, menggantikan oksigen, yang tidak ada di Bumi awal. Dua Bumi awal dalam gelas ditempatkan pada alas baja di dalam kap. Kemudian kami menambahkan zat besi klorida ke lautan, memberi air warna bir tanpa gas [bir pipih]. Saya memasukkan ujung pipet ke bagian bawah setiap kapal dan menambahkan natrium sulfida di sana, meniru cairan panas yang naik melalui kerak kerak bumi. Sodium bereaksi dengan klorida dan menciptakan air garam, dan sulfur dikombinasikan dengan besi untuk membentuk besi sulfida, yang diendapkan sebagai pipa berlubang. Pipa serupa muncul di mata air hidrotermal (GI) pada akhir Catharchea 4 miliar tahun yang lalu, dan masih terbentuk baik di laut tanpa dasar maupun di laboratorium Tongkang.


Underwater City: Sedimen berbentuk sarang ini terbentuk di sisi struktur lain di Lost City, sekelompok besar pipa air mineral bawah laut, beberapa di antaranya mencapai ukuran bangunan yang mengeluarkan cairan alkali.

Gagasan tentang asal usul kehidupan dalam GI bertempur melawan sejarah ilmiah lama tentang penciptaan kehidupan yang terkenal, " kaldu utama ". Dalam sepucuk surat kepada Joseph Hooker pada tahun 1871, Charles Darwin mempertimbangkan gagasan bahwa kehidupan berasal "di suatu kolam kecil yang hangat, di mana terdapat semua jenis garam amonia dan fosfor, di mana ada cahaya, panas, listrik, dll.", sebagai hasilnya, "suatu senyawa protein yang terbentuk secara kimia siap untuk perubahan yang bahkan lebih kompleks." Pada tahun 1924, ilmuwan Rusia Alexander Oparin mengemukakan teori kemunculan kehidupan di Bumi melalui transformasi, dalam perjalanan evolusi kimia bertahap, molekul yang mengandung karbon menjadi "kaldu primer". Pada tahun 1925, ia mempresentasikan ide ini ke pengadilan publik berbahasa Inggris. Pada tahun 1929, ilmuwan Inggris John Burdon Sanderson Haldane menerbitkan karyanya tentang asal usul kehidupan dengan ide-ide serupa. Dia menulis bagaimana kehidupan bisa berasal di lautan purba, yang memiliki konsistensi "sup panas dan encer." Jadi nama ini telah berakar.

Pada tahun 1953, Stanley Miller, seorang mahasiswa pascasarjana yang belajar dengan penerima Nobel Harold Urey, berhasil membuat sup di laboratorium. Dia mengatur labu dengan samudera purba yang seharusnya dan atmosfer, menerapkan percikan dengan bantuan petir buatan dan mengumpulkan senyawa yang diperoleh. Dia menemukan banyak yang sangat aneh, termasuk beberapa asam amino. Kimia Miller-Yuri menjadi simbol dalam pencarian sumber kehidupan, sementara siswa Miller sendiri berlipat ganda dan berlipat ganda. Dalam studi hari ini tentang sumber kehidupan, "sup" mengacu pada model di mana kehidupan dimulai di permukaan laut atau di dekatnya berkat kimia Miller-Yuri, sementara kilat atau sumber energi lainnya terus-menerus menggabungkan molekul ke dalam keadaan kompleksitas yang meningkat, sampai sampai evolusi Darwin dimulai. [Plaxco, KW & Gross, M. Astrobiology: Pengantar Singkat Johns Hopkins University Press, Baltimore, MD (2006)]

Sup itu menarik secara intuisi: Anda bisa mendapatkan balok pembangun kehidupan darinya. Tetapi ia juga memiliki cacat fatal: apa pun yang ia hasilkan, itu sudah mati. Petir dapat memicu reaksi biokimia, tetapi energi dengan cepat menghilang dan sistem kembali ke kesetimbangan. Kaldu primer membutuhkan evolusi untuk naik secara termodinamika ke atas, untuk meningkatkan ketertiban. Ini mirip dengan perbukitan gravitasi , deskripsi yang lengkap di Internet, di mana mobil itu sendiri tampaknya bergulir menanjak. Asam amino dan nukleotida muncul dari panas, batu, dan air laut. Mereka terorganisir menjadi molekul yang lebih teratur, seperti enzim dan protein. Dari jumlah tersebut, evolusi membangun sel-sel pertama, dan, sebagai hasilnya, mahoni dan mawar, lebah dan pohon apel, hyena dan manusia.

Tapi bukit gravitasi adalah tipuan perspektif. Tingkat konstruksi akan mengungkapkan penipuan, tetapi Anda jarang melihatnya di video ini dengan bukit "ajaib". Hukum fisika belum dibatalkan. Hal yang sama berlaku untuk kelahiran hidup, seperti yang dikatakan para ahli GI. Tampaknya evolusi bergerak menuju keteraturan; secara umum, selalu bergerak menurun. Model GI mengatakan bahwa dalam kondisi awal, penampilan kehidupan tidak mirip dengan keajaiban. Itu tidak bisa dihindari. [Martin, W. & Russell, MJ Tentang asal-usul sel: Sebuah hipotesis untuk transisi evolusi dari geokimia abiotik ke prokariota chemoautotrophic, dan dari prokariota ke sel berinti. Transaksi filosofis dari Royal Society of London B: Ilmu Biologi 358, 59-83 (2003) / Russell, MJ & Martin, W. Akar berbatu dari jalur asetil-KoA. Tren Ilmu Biokimia 29, 358-363 (2004) / Martin, W. & Russell, MJ Tentang asal biokimia pada lubang hidrotermal alkali. Transaksi filosofis dari Royal Society of London B: Ilmu Biologi 362, 1887-1925 (2007) / Martin, W., Baross, J., Kelley, D., & Russell, ventilasi hidrotermal MJ dan asal usul kehidupan. Ulasan Alam Mikrobiologi 6, 805-814 (2008)]


Robot bawah air mempelajari struktur yang tumbuh di Lost City

Ahli kelautan pertama kali menemukan GI pada tahun 1977 di Sumbing Galapagos di timur Samudra Pasifik. [Corliss, JB, et al. Mata air panas bawah laut pada celah Galápagos. Science 203, 1073-1083 (1979)] Kemudian, pada tahun 1979, pipa raksasa ditemukan di puncak Rise Pasifik Timur pada 21 derajat garis lintang utara, meludahkan asam kehitaman dan sangat panas ke kedalaman gelap yang dingin. Cukup akurat, dan hampir secara puitis, struktur ini disebut "perokok hitam". Para peneliti kagum bahwa ruang di dekat perokok hitam penuh dengan kehidupan, mulai dari ikan hingga jenis mikroba baru yang tak terhitung jumlahnya. Pada 1981, Jack Corliss, salah satu ahli kelautan dari ekspedisi ke Galapagos Cleft, bersama dengan ahli mikrobiologi John Baross dan Sarah Hoffman, menyarankan bahwa GI bawah laut "menyediakan semua kondisi yang diperlukan untuk menciptakan kehidupan di Bumi." Tidak ada cahaya atau kilat diperlukan. Tidak ada sup.

Pengikut Miller meluncurkan serangan balasan. GI terlalu panas untuk mendukung kehidupan, tulis Miller dan mantan muridnya, Jeffrey Bud. Asam amino dan asam nukleat, meskipun muncul, akan segera dihancurkan. Gula akan mencair. Hidup tidak bisa dimulai dalam lingkungan yang bermusuhan seperti itu. Mereka menulis: "Sumber akan menjadi alat penting untuk penghancuran, bukan sintesis komponen organik di lautan primitif." [Miller, SL & Bada, JL Sumber air panas bawah laut dan asal usul kehidupan. Alam 334, 609-611 (1988)]

Russell dan koleganya, Allan Hall, sekarang seorang arkeolog di Universitas Glasgow, telah bergabung dalam perselisihan tersebut. Mereka mengatakan bahwa Miller, tentu saja, benar - perokok hitam terlalu panas dan terlalu asam untuk membentuk kehidupan di sana. Tetapi di sebelah mereka, mereka menulis, Anda dapat menemukan tabung mineral memancarkan cairan alkali yang hangat. Ini adalah tempat yang ideal untuk kelahiran kehidupan. [Russell, MJ, Hall, AJ, & Turner, D. Pertumbuhan cerobong besi sulfida secara in vitro: ruang kultur yang mungkin untuk percobaan asal usul kehidupan. Terra Nova 1, 238-241 (1989)]


Di atas batu-batu di ladang hidrotermal Kota yang Hilang hidup berbagai invertebrata laut dalam, termasuk sejumlah besar karang. Kepiting juga menganggap kota ini sebagai rumah mereka.

Dan pada 4 Desember 2000, seperti yang diprediksi Russell, tabung-tabung semacam itu ditemukan, meskipun secara tidak sengaja. Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Donna Blackman dari Scripps Institute of Oceanography, yang termasuk Deborah Kelly dari University of Washington dan Jeffrey Carson dari Duke University, mempelajari massif Atlantik, ketinggian 15 km yang dinamai kota mitos, yang, menurut Plato, tenggelam di utara Atlantik setelah kalah dari Athena. Menjelang akhir ekspedisi bulan, robot bawah air menyimpang dari jalur yang diinginkan, mengikuti ikan, seolah-olah secara khusus meringis ke kamera. Tiba-tiba, para peneliti melihat di layar sebuah sistem luas struktur putih-mutiara, beberapa di antaranya adalah ukuran bangunan: kerucut, menara, jendela beku. Mereka tidak bisa tidak menyebut tempat ini "Kota Yang Hilang." [Earthguide: Mid-Atlantic Ridge, entri jurnal, Desember 12, 2000]

Ketika mempelajarinya, ditemukan bahwa menara Kota Hilang memancarkan cairan alkali yang bersih dan hangat ke lautan yang sedikit asam. Perbatasan memisahkan air hangat dari air dingin, pekat dari encer, pH rendah dari tinggi. Kota yang Hilang di awal Bumi akan muncul di lautan yang kaya karbon, dan karenanya asam. Dinding berpori dari sulfida dan oksida besi akan membuat Kota Hilang pertama menjadi baterai lemah namun besar. [Russell, MJ, Nitschke, W., & Branscomb, E. Perjalanan yang tak terelakkan untuk menjadi. Transaksi filosofis dari Royal Society of London B: Ilmu Biologi 368 (2013). Diperoleh dari doi: 10.1098 / rstb.2012.0254] Sel-sel hidup juga dikelilingi oleh membran yang memisahkan internal alkali dari lingkungan yang sedikit asam. "Nenek moyang universal terakhir" kehidupan, seperti dikatakan Barge, "diberi makan oleh gradien elektron dan proton , seperti kehidupan saat ini." Apakah itu binatang, tumbuhan, jamur, atau bakteri, semua organisme mengulangi kimia oksidasi dan reduksi yang ditemukan dalam sumber alkali yang hangat. Sepotong kecil Kota Hilang kuno itu hidup di dalam setiap sel.

Sementara tongkang dan saya mengamati percobaan, pipa besi sulfida mulai membentuk struktur yang kompleks. Cairan yang meninggi membangun pipa knalpotnya. Sepotong kristal menghalangi aliran; cairan, naik, menemukan cara baru; struktur telah bercabang. Hasilnya secara mengejutkan mengingatkan pada tanaman. Alkemis kuno menciptakan "kebun kimia" yang serupa, dan ahli biologi abad ke-19 yang hampir terlupakan, Stefan Leduc, percaya bahwa bentuk-bentuk organik ini mencerminkan prinsip-prinsip pertumbuhan biologis. "Rantai kehidupan," tulis Leduc, "berlanjut tanpa terputus, dari mineral di satu ujung ke organisme paling kompleks di ujung lainnya."

Model GI modern memberikan penjelasan untuk pembuatan rantai ini. Baterai raksasa dari Lost City awal mendukung alat yang menghasilkan molekul kompleks, terutama dari karbon, hidrogen, dan oksigen. Iron sulfide, seperti molekul kecil lainnya yang ditemukan di sumbernya, bekerja seperti koenzim - nanomotor katalitik yang mempromosikan reaksi yang berada di jantung semua metabolisme. Pipa, secara sederhana, memiliki semacam metabolisme yang menerima energi dari hidrogen, CO ₂ dan molekul lainnya, dan menggunakannya untuk membangun molekul yang lebih kompleks, terutama dari karbon, hidrogen, dan oksigen. Jalur metabolisme paling kuno dalam biologi mengulangi kimia dari Kota Hilang awal.

Yang paling bertentangan dengan intuisi kita adalah bahwa struktur kompleks dapat membuang energi lebih baik daripada yang sederhana. [Mac McClellan, J. Apa Pesawat Paling Efisien Bahan Bakar? Flyingmag.com (2008)] Katalis membantu Anda memanjat bukit energi sehingga Anda bisa jatuh lebih rendah di sisi lain. Jika kita mempertimbangkan keseluruhan evolusi biologis, maka setiap organisme adalah bukit energi. Itu terbentuk hanya jika dalam kondisi termodinamika yang menguntungkan - jika kita menyeret energi ke bukit, kita dapat melepaskan lebih banyak energi. Untuk membuat kadal membutuhkan lebih banyak energi daripada membuat sejumlah E. coli dengan massa yang sama, tetapi juga mengkonsumsi energi lebih cepat. Di dunia di mana ada kadal dan bakteri, secara energetik lebih menguntungkan daripada dunia di mana hanya ada bakteri. Dunia di mana ada juga sapi berdarah panas mengunyah rumput dan memancarkan panas, metana dan pupuk - versi perbaikan dari mesin entropi; dunia dengan harimau bahkan lebih baik. Sangat bermanfaat untuk memiliki ekosistem: Sebuah tanah dengan vegetasi yang subur dan kehidupan yang penuh akan menghabiskan lebih banyak panas dari pusat panas planet dan Matahari, melepaskannya ke ruang yang dingin dan gelap daripada, katakanlah, Mars. Biosfer kita adalah gelembung es yang sangat kompleks untuk Matahari.

Alat penyebaran raksasa datang bersama dengan Homo sapiens. Seluruh sejarah teknologi adalah pengembangan metode yang semakin efisien untuk mengekstraksi energi
Bumi dan Matahari: api, memasak, pertanian, pertambangan, peleburan, penebangan, mesin uap. Seperti tetesan air yang keluar dari bukit, jalur evolusi dan budaya yang tepat tidak ditentukan - hanya tren umum. Oleh karena itu, baik seni, perang, NASCAR, maupun smartphone tidak dapat dihindari - semua ini dapat dianggap sebagai karya mesin entropi manusia. Dalam hal ini, tren dispersi kami bukanlah penyimpangan, tetapi kebutuhan termodinamika.


Sebuah tabung miniatur besi sulfida setinggi 5 cm tumbuh dalam simulasi laut di Jet Laboratory. Ini mereproduksi struktur yang lebih besar yang terkait dengan GI, di mana kehidupan bisa berasal di Bumi kuno

Jika Barges dan saya telah mengamati model laboratorium untuk waktu yang lama, apakah itu akan mengembangkan jalur metabolisme melalui evolusi? Enzim? Gen? Mungkin Tongkang mengambil langkah pertama mereka ke arah ini, meskipun kecil. Alih-alih membangun pipa, itu menempatkan besi sulfida dan mineral lainnya pada disk berpori dari bahan lembam. Disk dapat beroperasi sebagai membran antara, katakanlah, cairan yang bermuatan positif dan negatif. Tongkang mengukur tegangan dan perbedaan pH dari dua sisi membran - kemudian elektron dan proton. Arus ini mendukung reaksi kimia yang mendasar bagi kehidupan. Langkah selanjutnya adalah membuat reaksi kimia menghasilkan molekul yang lebih kompleks. "Anda juga dapat melakukan eksperimen," katanya, "untuk menguji umpan balik organik yang muncul terhadap mineral." Katalis sederhana mungkin lebih suka reaksi yang hasilnya akan menjadi katalis yang lebih kompleks yang dapat menghasilkan lebih banyak katalis kompleks, dan putaran umpan balik ini pada akhirnya akan mengarah, seiring waktu, ke protein dan DNA.

Di salah satu dari dua duniaku, pipa itu berakhir dengan tangkai tipis dan ujung yang tebal. "Yang ini kemungkinan akan pecah," kata Barge. Dan itu rusak: jalan buntu evolusi. Tetapi pipa di bohlam lain menumbuhkan dasar yang sangat tebal dan membangun gunung berbentuk kerucut dengan serangkaian puncak yang kelihatannya luar biasa untuk seekor kutu air. Lori memeriksanya dan memujinya.

Nathaniel Comfort - anggota Majelis Astrobiological. Baruch Bloomberg di Library of Congress / NASA dan profesor sejarah medis di Universitas. John Hopkins. Buku terbarunya adalah The Science of Human Perfection. Twitter @ nyaman.