home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ TIME: Almanac 1995 / TIME Almanac 1995.iso / time / 101193 / 10119927.000 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1993-04-15  |  22.7 KB  |  427 lines

  1. <text id=93TT0391>
  2. <link 93TO0095>
  3. <title>
  4. Oct. 11, 1993: How Did Life Begin?
  5. </title>
  6. <history>
  7. TIME--The Weekly Newsmagazine--1993               
  8. Oct. 11, 1993  How Life Began                        
  9. </history>
  10. <article>
  11. <source>Time Magazine</source>
  12. <hdr>
  13. COVER STORY, Page 68  
  14. SCIENCE
  15. How Did Life Begin?
  16. </hdr>
  17. <body>
  18. <p>In bubbles? On comets? Along ocean vents? Scientists find some
  19. surprising answers to the greatest mystery on earth.
  20. </p>
  21. <p>By J. MADELEINE NASH/LA JOLLA--With reporting by David Bjerklie/New York, Barry Hillenbrand/London
  22. and James O. Jackson/Gottingen
  23. </p>
  24. <p>     The molecule was not alive, at least not in any conventional
  25. sense. Yet its behavior was astonishingly lifelike. When it
  26. appeared last April at the Scripps Research Institute in La
  27. Jolla, California, scientists thought it had spoiled their experiment.
  28. But this snippet of synthetic rna--one of the master molecules
  29. in the nuclei of all cells--proved unusually talented. Within
  30. an hour of its formation, it had commandeered the organic material
  31. in a thimble-size test tube and started to make copies of itself.
  32. Then the copies made copies. Before long, the copies began to
  33. evolve, developing the ability to perform new and unexpected
  34. chemical tricks. Surprised and excited, the scientists who witnessed
  35. the event found themselves wondering, Is this how life got started?
  36. </p>
  37. <p>     It is a question that is being asked again and again as news
  38. of this remarkable molecule and others like it spreads through
  39. the scientific world. Never before have the creations of laboratories
  40. come so close to crossing the threshold that separates living
  41. from nonliving, the quick from the dead. It is as if the most
  42. fundamental questions about who we are and how we got here are
  43. being distilled into threadlike entities smaller than specks
  44. of dust. In the flurry of research now under way--and the
  45. philosophical debate that is certain to follow--scientists
  46. find themselves confronting anew one of earth's most ancient
  47. mysteries. What, exactly, is life, and how did it get started?
  48. </p>
  49. <p>     Science's answers to these questions are changing, and changing
  50. rapidly, as fresh evidence pours in from fields as disparate
  51. as oceanography and molecular biology, geochemistry and astronomy.
  52. This summer a startling, if still sketchy, synthesis of the
  53. new ideas emerged during a weeklong meeting of origin-of-life
  54. researchers in Barcelona, Spain. Life, it now appears, did not
  55. dawdle at the starting gate, but rushed forth at full gallop.
  56. UCLA paleobiologist J. William Schopf reported finding fossilized
  57. imprints of a thriving microbial community sandwiched between
  58. layers of rock that is 3.5 billion years old. This, along with
  59. other evidence, shows that life was well established only a
  60. billion years after the earth's formation, a much faster evolution
  61. than previously thought. Life did not arise under calm, benign
  62. conditions, as once assumed, but under the hellish skies of
  63. a planet racked by volcanic eruptions and menaced by comets
  64. and asteroids. In fact, the intruders from outer space may have
  65. delivered the raw materials necessary for life. So robust were
  66. the forces that gave rise to the first living organisms that
  67. it is entirely possible, many researchers believe, that life
  68. began not once but several times before it finally "took" and
  69. colonized the planet. The notion that life arose quickly and
  70. easily has spurred scientists to attempt a truly presumptuous
  71. feat: they want to create life--real life--in the lab. What
  72. they have in mind is not some monster like Frankenstein's, pieced
  73. together from body parts and jolted into consciousness by lightning
  74. bolts, but something more like the molecule in that thimble-size
  75. test tube at the Scripps Research Institute. They want to turn
  76. the hands of time all the way back to the beginning and create
  77. an entity that approximates the first, most primitive living
  78. thing. This ancient ancestor, believes Gerald Joyce, whose laboratory
  79. came up with the Scripps molecule, may have been a simpler,
  80. sturdier precursor of modern RNA, which, along with the nucleic
  81. acid DNA, its chemical cousin, carries the genetic code in all
  82. creatures great and small.
  83. </p>
  84. <p>     Some such molecule, Joyce and other scientists believe, arose
  85. in the shadowy twilight zone where the distinction between living
  86. and nonliving blurs and finally disappears. The precise chemical
  87. wizardry that caused it to pass from one side to the other remains
  88. unknown. But scientists around the world are feverishly trying
  89. to duplicate it. Eventually, possibly before the end of the
  90. century, Joyce predicts, one or more of them will succeed in
  91. creating a "living" molecule. When they do, it will throw into
  92. sharp relief one of the most unsettling questions of all: Was
  93. life an improbable miracle that happened only once? Or is it
  94. the result of a chemical process so common and inevitable that
  95. life may be continually springing up throughout the universe?
  96. </p>
  97. <p>     Of all the riddles that have stirred the human imagination,
  98. none has provoked more lyrical speculation, more religious awe,
  99. more contentious debate. No other moment in time, aside from
  100. the Big Bang that began the universe, could be more central
  101. to the understanding of nature than the instant that life began.
  102. "Scientific" theories on the subject are as old as civilization.
  103. The ancient Egyptians believed frogs and toads arose from silt
  104. deposited by the flooding Nile. The Greek philosopher Aristotle
  105. taught that insects and worms were born of dewdrops and slime,
  106. that mice were generated by dank soil and that eels and fish
  107. sprang forth from sand, mud and putrefying algae. In the 19th
  108. century, electricity, magnetism and radiation were believed
  109. to have the ability to quicken nonliving matter.
  110. </p>
  111. <p>     It took the conceptual might of Charles Darwin to imagine a
  112. biologically plausible scenario for life's emergence. In an
  113. oft quoted letter, written in 1871, Darwin suggested that life
  114. arose in a "warm little pond" where a rich brew of organic chemicals,
  115. over eons of time, might have given rise to the first simple
  116. organisms. For the next century, Darwin's agreeable hypothesis,
  117. expanded upon by other theorists, dominated thinking on the
  118. subject. Researchers decided that the "pond" was really the
  119. ocean and began trying to figure out where the building blocks
  120. of life could have come from.
  121. </p>
  122. <p>     In 1953 University of Chicago graduate student Stanley Miller
  123. provided the first widely accepted experimental evidence. In
  124. a glass jar he created a comic-strip version of primitive earth.
  125. Water for the ocean. Methane, ammonia and hydrogen for the atmosphere.
  126. Sparks for lightning and other forms of electrical discharge.
  127. One week later he found in his jar a sticky goop of organic
  128. chemicals, including large quantities of amino acids, Lego blocks
  129. for the proteins that make up cells. Case closed, or nearly
  130. so, many scientists believed.
  131. </p>
  132. <p>     Now this textbook picture of how life originated, so familiar
  133. to college students just a generation ago, is under serious
  134. attack. New insights into planetary formation have made it increasingly
  135. doubtful that clouds of methane and ammonia ever dominated the
  136. atmosphere of primitive earth. And although Miller's famous
  137. experiment produced the components of proteins, more and more
  138. researchers believe that a genetic master molecule--probably
  139. RNA--arose before proteins did.
  140. </p>
  141. <p>     Meanwhile, older and older fossils have all but proved that
  142. life did not evolve at the leisurely pace Darwin envisioned.
  143. Perhaps most intriguing of all, the discovery of organisms living
  144. in oceanic hot springs has provided a Stygian alternative to
  145. Darwin's peaceful picture. Life, says microbiologist Karl Stetter
  146. of the University of Regensburg in Germany, may not have formed
  147. in a nice, warm pond, but in "a hot pressure cooker."
  148. </p>
  149. <p>     If scientists have, by and large, tossed out the old ideas,
  150. they have not yet reached a consensus on the new. The current
  151. version of the story of life is a complex tale with many solid
  152. facts, many holes and no shortage of competing theories on how
  153. to fill in the missing pieces.
  154. </p>
  155. <p>     ONCE UPON A TIME
  156. </p>
  157. <p>     Some 4.5 billion years ago, the solar system took shape inside
  158. a chrysalis of gas and dust. Small objects formed first, then
  159. slammed into one another to create the planets. Early on, the
  160. energy unleashed by these violent collisions turned the embryonic
  161. earth into a molten ball. For a billion years thereafter, the
  162. young planet's gravitational field attracted all sorts of celestial
  163. garbage. Icy comets screamed in from the outermost reaches of
  164. the solar system, while asteroids and meteorites spiraled down
  165. like megaton bombs.
  166. </p>
  167. <p>     Some of these asteroids could have been the size of present-day
  168. continents, says planetary scientist Christopher Chyba, a White
  169. House fellow, and the asteroids' impact would have generated
  170. sufficient heat to vaporize rock, boil the oceans and fling
  171. into the atmosphere a scalding shroud of steam. Such a cataclysm
  172. would have obliterated all living things.
  173. </p>
  174. <p>     Yet after a billion years, when the solar system was swept nearly
  175. clean and the primordial bombardment ended, life was already
  176. flourishing. UCLA's Schopf has identified the imprints of 11
  177. different types of microorganisms in the 3.5 billion-year-old
  178. rocks of Western Australia. Many of the fossils closely resemble
  179. species of blue-green algae found all over the world today.
  180. Still older rocks in Greenland hint of cellular life that may
  181. have come into existence a few hundred million years earlier--perhaps 3.8 billion years ago.
  182. </p>
  183. <p>     At that time, scientists believe, life-threatening asteroids
  184. were still periodically pummeling the planet. Verne Oberbeck
  185. and colleagues at NASA Ames Research Center estimate that the
  186. interval between major impacts could have been as short as 3
  187. million to 6 million years--much too brief a time to give
  188. life a leisurely incubation. This means, says Oberbeck, that
  189. the chemistry needed to green the planet must have been fast,
  190. and it must have been simple. That being the case, he asks,
  191. why wouldn't life have arisen more than once?
  192. </p>
  193. <p>     THE POINT OF ORIGIN
  194. </p>
  195. <p>     Where could life have sprouted and still been relatively safe
  196. from all but the largest asteroids? For the answer, many researchers
  197. are looking to strange, chimney-like structures found in the
  198. depths of oceans. These sit atop cracks in the ocean floor,
  199. known as hydrothermal vents, that lead to subterranean chambers
  200. of molten rock. The result is an underwater geyser: cold water
  201. plunges down through some of the cracks, and hot water gushes
  202. out through others. Fifteen years ago, when scientists began
  203. using submarines to explore these seemingly hostile environments,
  204. they were startled to discover extensive ecosystems filled with
  205. strange organisms, including giant tube worms and blind shrimp.
  206. Even more interesting, according to analysis of their RNA, the
  207. sulfur-eating microorganisms that anchor the food chain around
  208. the vents are the closest living link to the first creatures
  209. on earth. The only other life-forms that archaic are microbes
  210. living in surface steam baths like Yellowstone's Octopus Spring.
  211. </p>
  212. <p>     Could these overheated spots have been the places where life
  213. on earth got started? This "hot world" hypothesis has won many
  214. converts. Norman Pace, a microbiologist at Indiana University,
  215. speculates that the thin crust of primitive earth, as prone
  216. to cracking as an eggshell, would have made hydrothermal vents
  217. far more common than they are today. Geochemist Everett Shock
  218. of Washington University calculates that at high temperatures
  219. organisms can get extra energy from nutrients. "The hotter it
  220. is," says Shock, "the easier life is." (Up to a point. No one
  221. has yet found a microbe living in conditions hotter than 235
  222. degreesF.)
  223. </p>
  224. <p>     Still, the question remains: Did life originate in the vents,
  225. or just migrate there? The vents may not have been a cradle
  226. but an air-raid shelter for organisms that originated near the
  227. ocean surface, then drifted to the bottom. There, protected
  228. by thousands of feet of water, these lucky refugees might have
  229. survived a series of extraterrestrial impacts that killed off
  230. their relatives near the sunlit surface.
  231. </p>
  232. <p>     THE INGREDIENTS
  233. </p>
  234. <p>     Stanley Miller's glass-jar experiment 40 years ago suggested
  235. that the components of life were easily manufactured from gases
  236. in the atmosphere. The conditions he re-created in his laboratory
  237. faithfully reflected the prevailing wisdom of the time, which
  238. held that the earth was formed by a gradual, almost gentle convergence
  239. of rock and flecks of dust under the influence of gravity. According
  240. to this model, the earth started out cold. Its deepest layers
  241. did not catch fire until much later, after the decay of radioactive
  242. elements slowly turned up the thermostat in the core. Thus,
  243. heavy elements such as iron did not immediately melt and sink
  244. to the core, but remained close to the surface for hundreds
  245. of millions of years.
  246. </p>
  247. <p>     Why is this important? Because iron soaks up oxygen and prevents
  248. it from combining with carbon to form carbon dioxide. Instead,
  249. the carbon, and also the nitrogen, spewed into the atmosphere
  250. by ancient volcanoes would have been available to interact with
  251. hydrogen. The serendipitous result: formation of methane and
  252. ammonia, the gases that made the Miller experiment go.
  253. </p>
  254. <p>     It was, says Chyba, "a beautiful picture." Unfortunately, he
  255. adds, it is probably wrong. For the violent collisions now believed
  256. to have attended earth's birth would have melted the iron and
  257. sent it plummeting to the depths. As a result, the early atmosphere
  258. would have been composed largely of carbon dioxide--and organic
  259. compounds cannot be so easily generated in the presence of CO2.
  260. </p>
  261. <p>     Where, then, did the building blocks of life come from? Quite
  262. possibly, many scientists think, organic compounds were transported
  263. to earth by the very comets, asteroids and meteorites that were
  264. making life so difficult. At the University of California at
  265. Davis, zoologist David Deamer has extracted from meteorites
  266. organic material that forms cell-like membranes. He has also
  267. isolated pale yellow pigments capable of absorbing energy from
  268. light--a precursor, Deamer believes, of chlorophyll, the green
  269. pigment used by modern plants.
  270. </p>
  271. <p>     But the amount of organic matter that can be carried by a meteorite
  272. is exceedingly small--too small, many scientists believe,
  273. to have spawned life. For this reason, Chyba argues that a far
  274. more important source may have been interplanetary dust particles
  275. floating around in the era when earth was forming. Even today,
  276. he notes, countless tiny particles--each potentially carrying
  277. a payload of organic compounds--fall to earth like cosmic
  278. snowflakes, and their collective mass outweighs the rocky softball-size
  279. meteorites by a ratio of 100,000 to 1. Comets, black with carbon,
  280. could also have flown in some raw material. Whether it would
  281. have helped to spark life no one knows, since the chemical makeup
  282. of comets remains largely a mystery.
  283. </p>
  284. <p>     And there's another possibility: big objects smashing into earth
  285. could have changed the composition of the atmosphere in significant--albeit temporary--ways. "Plow a big iron asteroid into
  286. earth," argues Kevin Zahnle of NASA Ames Research Center, "and
  287. you will certainly get interesting things happening, because
  288. all that iron is going to react with all the stuff that it hits."
  289. Such conditions, Zahnle speculates, might have briefly created
  290. the methane-filled atmosphere that Miller envisioned.
  291. </p>
  292. <p>     THE PRIMORDIAL CHEMISTRY LAB
  293. </p>
  294. <p>     Life's beginnings did not have the benefit of Miller's glass
  295. bottles, test tubes and vials. So how did nature bring the right
  296. ingredients for life together in an orderly fashion? One possibility
  297. recently suggested by Louis Lerman, a researcher at Lawrence
  298. Berkeley Laboratory, is that bubbles in the ocean served as
  299. miniature chemical reactors. Bubbles are ubiquitous, Lerman
  300. notes; at any given time, 5% of the ocean surface is covered
  301. with foam. In addition, bubbles tend to collect and concentrate
  302. many chemicals essential to life, including such trace metals
  303. as copper and zinc and salts like phosphate. Best of all, when
  304. bubbles burst, they forcibly eject their accumulated molecules
  305. into the atmosphere, where other scientists feel the most important
  306. chemistry takes place.
  307. </p>
  308. <p>     Biologist Harold Morowitz of George Mason University in Fairfax,
  309. Virginia, suspects that life arose in a less ephemeral chemistry
  310. lab than a bursting bubble. He focuses on Janus-faced molecules
  311. found in nature called amphiphiles. These molecules have one
  312. side with an affinity for water and another side that is repelled
  313. by water. Bobbing in the primitive oceans, the molecules would
  314. have hidden their water-hating sides away by curling into tiny
  315. spheres. These spheres, known as vesicles, would have provided
  316. an ideal setting for chemical reactions and could have been
  317. precursors to the first cells. "Once you have these little vesicles,"
  318. says Morowitz, "you're on the way to life."
  319. </p>
  320. <p>     Which came first, though, the membrane or the metabolism? Gunter
  321. Wachtershauser, a patent attorney from Munich who also happens
  322. to be a theoretical chemist, believes that what we call life
  323. began as a series of chemical reactions between certain key
  324. organic molecules. Instead of being enclosed in a membrane,
  325. he says, they might have been stuck like pins in a cushion on
  326. the surface of some accommodating material. Wachtershauser's
  327. surprising candidate for this all-important material: pyrite,
  328. or fool's gold. Since the shiny crystal carries a positive electrical
  329. charge, it could have attracted negatively charged organic molecules,
  330. bringing them close enough to interact. Wachtershauser thinks
  331. these reactions could have led to the development of something
  332. similar to photosynthesis.
  333. </p>
  334. <p>     Still unanswered is the riddle of how these molecules came to
  335. reproduce. Chemist A.G. Cairns-Smith of the University of Glasgow
  336. thinks the answer may lie not in glittery fool's gold but in
  337. ordinary clay. The structure of certain clays repeats the same
  338. crystalline pattern over and over again. More important, when
  339. a defect occurs, it is repeated from then on, rather like a
  340. mutation in a strand of DNA. While few scientists believe such
  341. inorganic materials are actually alive, a number take very seriously
  342. the idea that clay or mineral crystals could have served as
  343. molecular molds that incorporated life's building blocks and
  344. organized them in precise arrays.
  345. </p>
  346. <p>     MOLECULAR ANCESTORS
  347. </p>
  348. <p>     Even if one accepts the fact that organic molecules can spontaneously
  349. organize themselves and, further, that these molecules might
  350. spontaneously reproduce, there remains a fundamental chicken-and-egg
  351. problem. Modern cells are made of proteins, and the blueprints
  352. for the proteins are contained in long strands of DNA and RNA.
  353. But DNA and RNA cannot be manufactured without an adequate supply
  354. of proteins, which act as catalysts in the construction process.
  355. How, then, could nucleic acids get started without proteins,
  356. or vice versa?
  357. </p>
  358. <p>     One solution was put forward a decade ago, when researchers
  359. discovered that certain RNA molecules can act both as blueprints
  360. and catalysts, stimulating reactions between themselves and
  361. other molecules. Up to that point, scientists had thought of
  362. RNAs as merely molecular messengers carrying genetic instructions
  363. from DNA to the cell's protein factories. Suddenly RNA was seen
  364. in a totally different light. If RNA could catalyze reactions,
  365. perhaps at some point in the past, it spurred its own replication.
  366. Then it could have been much more than DNA's intermediary: it
  367. could have been DNA's ancestor. According to this line of reasoning,
  368. the first organisms lived in an " RNA world," and DNA did not
  369. develop until life was speeding down the evolutionary turnpike.
  370. </p>
  371. <p>     While searching for that ancient precursor of life last April,
  372. Scripps Research Institute's Joyce stumbled on the molecule
  373. that so tantalized him. A bit of synthetic RNA sloshing around
  374. in a test tube suddenly attached itself to a piece of protein
  375. and embarked on a course of nonstop replication. For a moment,
  376. this molecular upstart seemed close to the breakthrough Joyce
  377. had been seeking.
  378. </p>
  379. <p>     The molecule, he acknowledges, is not alive. Magical as it seems,
  380. it cannot replicate without a steady supply of prefabricated
  381. proteins. To qualify as living, a molecule would need to have
  382. the ability to reproduce without outside help. An important
  383. step in this direction was recently taken by Harvard molecular
  384. biologist Jack Szostak and his graduate student David Bartel,
  385. who mimicked the prolific chemistry of primitive earth by randomly
  386. generating trillions of different strands of RNA. Eventually
  387. the scientists came up with a good five dozen that were able
  388. to join themselves to other strands suspended in the same test
  389. tube. The process of linkage, explains Szostak, is critical
  390. to the formation of complex molecules from simple building blocks.
  391. What's exciting, he says, is this part of the origin-of-life
  392. puzzle does not look quite so daunting as before.
  393. </p>
  394. <p>     One of these days, both Joyce and Szostak believe, when someone
  395. fills a test tube with just the right stuff, a self-replicating
  396. molecule will pop up. If that happens, the achievement could
  397. be as upsetting as it is amazing. For it would challenge the
  398. most fundamental conceptions of what life is all about. Life,
  399. to most people, means animals or plants or bacteria. Less clear
  400. cut are viruses, because they are nothing more than strands
  401. of nucleic acid encased in protein, and they cannot reproduce
  402. outside a living cell.
  403. </p>
  404. <p>     As scientists close in on life's origins, the working definition
  405. of life will be pondered, debated and perhaps even expanded.
  406. If a sliver of fully functional RNA arises in a test tube and
  407. starts building its own proteins, who is to say it is any less
  408. alive than the strand of RNA doing the same thing inside a cell?
  409. </p>
  410. <p>     Some people will always hold to the belief that it is a divine
  411. spark, not clever chemistry, that brings matter to life, and
  412. for all their fancy equipment, scientists have yet to produce
  413. anything in a test tube that would shake a Fundamentalist's
  414. faith. The molecule in Joyce's lab, after all, is not as sophisticated
  415. as a virus and is still many orders of magnitude less complex
  416. than a bacterium. Indeed, the more scientists learn about it,
  417. the more extraordinary life seems. Just as the Big Bang theory
  418. has not demystified the universe, so progress in understanding
  419. the origin of life should ultimately enhance, not diminish,
  420. the wonder of it.
  421. </p>
  422.  
  423. </body>
  424. </article>
  425. </text>
  426.  
  427.