Den fantastiske jagt på livets vugge på Jorden

For næsten 4 mia. år siden opstod livet på Jorden. Det må have set anderledes ud end livet, som det kommer til udtryk nu. Det må have været enklere end bakterieceller. Det kan næppe have været andet og mere end et par molekyler i et hylster af en slags. En af videnskabens mest intellektuelle udfordringer består i at fastslå, hvordan livet opstod. I centrum af det arbejde står jagten på det perfekte sted, hvor det skete.

Forskere, der beskæftiger sig med livets opståen, har deres yndlingssteder. Nogle rummer de rette molekylære bestanddele, andre rummer små færdige ”beholdere”, hvor disse tidlige kemiske reaktioner kunne finde sted. Spørgsmålet er imidlertid, om der findes ét sted med en perfekt kombination af alle de betingelser, der skal til, for at liv kan opstå, og om et sådant sted findes den dag i dag på Jorden eller i rummet.

Charles Darwin satte gang i jagten på et sådant sted. I 1871 sendte han et brev til botanikeren Joseph Dalton Hooker, hvori han beskrev en tænkt lun lille sø eller dam, der var rig på kemikalier og salte, og som havde mulighed for lys, varme og elektricitet. Han forestillede sig, at proteiner kunne dannes spontant i et sådant miljø, og at de så kunne udvikle sig til noget mere indviklet. I 1950’erne lykkedes det kemikerne Stanley Miller og Harold Urey at skabe Darwins dam i laboratoriet. De blandede vand med gasser, som de mente fandtes på Jorden, da den var ung, og udsatte dem for elektricitet, der skulle forestille lyn. Det resulterede i aminosyrer, som er byggestenene i alle proteiner.

Forsøget er et af de mest berømte fra det forgangne århundrede. Man ved dog nu, at det, som forskerne skabte – proteinbyggesten i vand – ikke er nok til at få liv til at opstå.

Overraskende opdagelse

For at liv kan opstå, skal tre særlige komponenter være til stede: en genetisk kode, der bærer mønstret til at fremstille celler, et kemisk system – eller stofskifteproces – til at sørge for energien til at drive cellerne og et hylster eller membran til at holde sammen på det hele. I levende organismer i dag er denne trio bygget af samme atomer: kulstof, brint, ilt, kvælstof, fosfor og svovl. Så på det enkleste plan må livets vugge have budt på disse atomer og de rette forhold, hvorunder de kunne samles og danne livets tre hovedbestanddele.

Mens biokemikere tænkte over disse forhold, gjorde dybhavsforskere en overraskende opdagelse i Stillehavet. I 1977 dykkede den amerikanske dybvandsubåd ”Alvin” ved en vulkansk højderyg to kilometer under havets overflade, da den opdagede black smokers eller hydrotermiske væld, dvs. nogle skorstenslignende dannelser under vandoverfladen, der udspyede vand med en temperatur på 350 grader celsius. De var hjemsted for et helt økosystem, hvis lige ikke var set. Opdagelsen var tilfældig: På et tidspunkt, da biologer forsøgte at forestille sig, hvordan liv, som var ukendt, tog sig ud, var der her nogle lyslevende eksempler.

»Der var nogle meget fremmedartede, urgammelt udseende dyr (ved de hydrotermiske væld),« siger Philipp Holliger fra forskningsinstitutionen MRC Laboratory of Molecular Biology i Cambridge.

Tilfældet ville, at rumfartøjet ”Voyager 2” blot to år senere skabte fornyet interesse for eventuelt liv uden for Jorden og for dets opståen. Det skete i form af billeder fra planeten Jupiters isdækkede måne Europa.

»Man forestillede sig, at der under Europas overflade lå et hav med hydrotermiske væld,« forklarer Philipp Holliger. Gisningerne førte til forventning om, at dybtliggende hydrotermiske væld kunne have kickstartet livet andre steder samt på Jorden.

Den teori hænger stadig fast hos menigmand, men er for længst opgivet af forskere.

»Kun ganske få støtter teorien om, at livet opstod ved hydrotermiske væld,« erklærer Nick Lane fra University College London. Problemet er, at disse væld har et begrænset indhold af brint, ligesom de er alt for varme til, at molekyler, der er under udvikling, kan overleve. Især rna-molekylet, som ifølge mange evolutionsbiologer gjorde det ud for livets arvemateriale før dna, nedbrydes hurtigt ved høje temperaturer.

Den glemte by

Så kom opdagelsen af køligere hydrotermiske væld midt i Atlanterhavet i 2000. Stedet, der fik navnet ”den glemte by”, rummede en gruppe alkaliske (basiske) hydrotermiske væld. Her reagerer havvand med mineraler på havbunden, så der dannes sten, der er oversåede med små porer, samt lunkent vand, der er brintholdigt. Ifølge Nick Lane kan porerne i stenene have været det ideelle sted til livets opståen. Især kan den elektrokemiske gradient mellem de basiske væld og det syreholdige havvand have ført til spontan dannelse af acetylfosfat og pyrofosfat, som er to molekyler, der opfører sig ligesom adenosintrifosfat (atp), der er det kemiske stof, som leverer energi til nulevende celler.

Resten af det, der var nødvendigt for at få liv til at opstå, kunne være fulgt efter, siger Nick Lane. Acetylfosfat og pyrofosfat kan have leveret energi til dannelse af de første organiske molekyler af opløst kuldioxid og brintgas. De kan have været udgangspunkt for dannelse af byggestenene til protein og rna. Hvis der også blev dannet lipider (fedtlignende stoffer), kan de have dækket indersiden af porerne og gjort det ud for de første cellemembraner.

Basiske hydrotermiske væld i havet er fantastiske, fordi de frembyder en fiks og færdig stofskifteproces, der kan varetage livets første kemiske reaktioner, men de har et problem: De er for våde, siger David Deamer fra University of California i Santa Cruz.

Proteiner, arvemateriale og lipider er polymerer, dvs. kæder, der dannes af deres respektive byggesten. Dengang, da der var ved at komme skred i tingene, og biomolekyler var yderst sjældne, skulle der være noget, som forhindrede byggestenene i at optræde for spredt – så de ikke kunne bumpe ind i hinanden og danne kæder. Svaret ifølge David Deamer er et sted, hvor der er skiftevis vådt og tørt: »Hvis forholdene varierer, kan naturlige eksperimenter fortsætte i én uendelighed, indtil der sker noget interessant.«

Der er et andet argument, der taler for, at livet opstod på land i nogle omgivelser, der tørrede ud af og til. Udtørring spiller en vigtig rolle ved dannelse af organiske molekyler. Hver gang, der føjes en byggesten til en voksende kæde, frigøres et vandmolekyle. Enzymer styrer processen i nutidens celler. Hvis der ikke var enzymer, der kunne bidrage til processen, kan tørrere omgivelser have givet anledning til den slags reaktioner i livets første stadier.

David Deamer forestiller sig vulkanske øer med ferskvandssøer, der tilføres vand fra varme kilder, imellem at de tørrer ud. Disse søer må tillige have været gode steder til dannelse af de første fedtmembraner – langt bedre end hydrotermiske væld i havet. I havet kan opløste kalcium- og magnesiumioner have forhindret fedtsyrerne i at samles til en membran. I ferskvand flyder lipider imidlertid nemt sammen, på samme måde som oliedråber klumper sammen, når man blander olie og vand.

David Deamer og hans medarbejdere har taget prøver fra varme kilder i Yellowstone National Park og Bumpass Hell i Mount Lassen National Park i Californien og gennemført et forsøg, hvor de etablerede skiftevis våde og tørre miljøer. De har konstateret, at hvis de udtørrer prøverne og derefter tilfører vand, kan rna-lignende molekyler blive indkapslet i fedtmembraner analogt med arvemateriale i basale urceller.

Varme klippesten og damp

Armen Mulkidjanian fra Universität Osnabrück foretrækker et endnu tørrere miljø i form af geotermiske felter, dvs. varme klippesten, der afgiver vanddamp pga. geologisk aktivitet i Jordens indre. Ifølge hans forskergruppe ligner de kemiske processer her det, der foregår i menneskets egne celler.

»Geotermisk vanddamp er rig på grundstoffer, der har betydning for liv,« siger Armen Mulkidjanian. Forsøg tyder på, at efterhånden som vanddampen fortættes, kan de små dråber, der dannes, skabe de ideelle betingelser for, at rna-bestanddele kan dannes.

For at der kan dannes rna, skal kulhydratet ribose imidlertid først dannes – det er r’et i rna. Atomerne til det har formentlig været til stede i atmosfæren, men er tilbøjelige til at danne noget andet end ribose, hvis der ikke bliver grebet ind. Boratmineraler kunne have tjent det formål ifølge Steven Benner fra forskningsinstitutionen Foundation for Applied Molecular Evolution i Florida. De styrer den kemiske proces, så der dannes mere ribose. Og bedre endnu stabiliserer de ribose.

Steven Benner mener, at det gør ørkener til fristende kandidater til livets vugge. Stenene dér har et højt boratindhold, og spredt regn kan have udvasket dem.

»Har man været i Death Valley, har man fået et indtryk af, hvad vi mener,« siger han.

Noget, som alle disse miljøer har til fælles, er varme. Det giver mening, eftersom et varmt klima kan være med til at befordre kemiske reaktioner. Det kommer derfor som lidt af en overraskelse, at nogle forskere mener, at livet kan være opstået i is.

»Når vand fryser, bliver alt, der er opløst i det, drænet for vand og koncentreret i en saltopløsning,« forklarer Philipp Holliger. Saltopløsningen bliver fanget i smalle sprækker i isen, hvor polymerkæder kan dannes, og den lave temperatur bidrager til at stabilisere biomolekyler, længe nok til at de kan blive ved med at vokse.

Forskere har eksperimenteret med at danne lange rna-strenge ved at fryse en opløsning af rna’s byggesten sammen med metalioner. Disse ioner er almindelige i omgivelserne og er med til at fremme de kemiske reaktioner.

Philipp Holliger og hans kolleger har også konstateret, at gentagne frost- og tøforløb bidrager til at danne enzymer, der er lavet af rna. Det er en vigtig konstatering, fordi enzymerne selv kan danne flere rna-strenge. Det er just et sådant mønster, man kunne forvente for livet i dettes tidligste fase.

»Is er et interessant middel til at fremme denne vigtige overgang til noget, der kan udbrede sig selv,« siger han.

Der er et minus ved alle disse scenarier på landjorden og i ferskvand. Til forskel fra Nick Lanes basiske hydrotermiske væld frembyder de ikke nogen nem forklaring på, hvordan stofskifteprocessen opstod. Og de rummer ikke nogen overbevisende hypotese for tilblivelsen af alle tre søjler i de første former for liv: arvemateriale, stofskifte og membraner.

Forskere i to lejre

»For rundt regnet 50 år siden var der enighed om, at det hele ikke kunne lade sig gøre på én gang,« siger John Sutherland fra MRC Laboratory of Molecular Biology. De fleste forskere befinder sig i den ene af to lejre, afhængigt af om de fokuserer på genetik eller stofskifte i deres jagt på livets oprindelse. John Sutherlands team er ude efter et scenario, hvor alt opstår ét sted på én gang.

»Vi satte os for at kigge efter nogle kemiske forhold, der kunne føre til dannelse af (alle) de forskellige bestanddele,« siger han.

Det bragte dem til meteoritnedslag, som må have været almindelige for 4 mia. år siden. Disse sten fra det ydre rum kan have ført hydrogencyanid med sig. Det er en bekvem kilde til tre af de vigtige grundstoffer i organiske molekyler: kulstof, kvælstof og brint. John Sutherlands forsøg viser, at hvis akkumuleret hydrogencyanid blev overophedet – eksempelvis pga. et nyt meteoritnedslag – under tilstedeværelse af vand og ultraviolet lys, kan det have dannet en lang række molekyler, der var forløbere for rna, proteiner og lipider. Der er dog ét problem i så henseende: »Der er ingen former for liv, der benytter cyanid som kilde til hverken kulstof eller kvælstof,« siger Nick Lane.

Var livets vugge så våd, tør eller frossen?

»Jeg tror ikke, at disse (tilstande) er uforenelige,« erklærer Philipp Holliger. Eksempelvis fordrer John Sutherlands meteoritnedslagsteori mindst én våd-/tør-cyklus og svovlbrinte, som hydrotermisk aktivitet i varme ferskvandssøer kunne have været kilde til for begges vedkommende. Ifølge David Deamer er et sådant miljø gunstigt for membraner. Et sted, hvor alt dette kunne have været til stede, er en hydrotermisk sø i et meteoritkrater.

»Vi ved, at når en stor meteorit slår ned, forårsager den revner i jordskorpen,« siger John Sutherland. Hvis der ophobes vand i krateret, kan det trænge nedad gennem revnerne og finde vej til Jordens indre, hvor det bliver opvarmet og bobler op igen.

»Der har formentlig været mange kratersøer på urkontinenterne,« siger Sankar Chatterjee fra Texas Tech University. Og hvorfor lade det blive ved det? Tilføj is langs kraterkanten (som man ser på Yellowstone-vulkanen om vinteren) og et basisk hydrotermisk væld (ligesom dem på bunden af havet, men på land), og man har så måske Philipp Holligers selvbærende rna-enzymer og Nick Lanes bekvemme stofskifteproces. Alt, hvad der skal til på ét sted.

© New Scientist