Livet uppstod på land

Darwin föreställde sig att livets vagga var en liten sjö. Andra har föreslagit havsbotten. Nu har mikrochipp och kemiska analyser begravt de gamla teorierna och forskarna har kommit närmare den gåtfulla miljö som gav upphov till planetens första liv än någonsin.

Shutterstock

Gejsern skickar upp en kaskad av skållhett vatten i luften. Ett par sekunder senare faller det ned igen som ett tätt, varmt regn, som fyller ett par små, nästan uttorkade vattenpölar i det karga landskapet.

Platsen är jorden, men då såg den inte ut som den gör i dag.

Landskapet är ett av få landområden – ett antal vulkaniska öar i ett oändligt hav. Planeten är fortfarande mycket ung men på en plats i denna ogästvänliga värld är ett virrvarr av kemiska reaktioner i färd med att skapa det första livet – det liv som sedan dess har erövrat alla delar av vår planet, från glödheta klippor djupt nere i berggrunden till snötäckta bergstoppar.

Steget från livlösa molekyler till liv är ett av de mest centrala i jordens historia. Men hur gick det till – och inte minst: Var? De två frågorna är nära sammankopplade.

Processerna som lade grunden för den genetiska kod som skapade de första proteinerna och samlade alltihop ett litet, avskärmat paket, var beroende av den miljö i vilken de ägde rum.

Om vi kan hitta svaret på hur livets första reaktioner utvecklades kan vi alltså även räkna ut hur de förlöpte. Och forskarna är nära ett genombrott. De har insett att tidigare teorier om livets första kemi var förenklade och ny teknik har nu för första gången försett dem med verktyg som kan återskapa det kemiska kaos som bildade det första livet.

Darwin förespråkade en varm sjö

Exakt när livet uppstod är fortfarande oklart. Fynd av till synes organiskt bildat kol i 4,3 miljarder år gamla mineraler från Australien tyder på att det skedde relativt kort efter att jorden uppstod.

Men det är långt ifrån säkert. Livet lät kanske vänta på sig och uppstod först för 3,7 miljarder år sedan.

Sedan den tiden har forskare upptäckt spår av fotosyntes i grönländska berg. Trots oenighet om fossilen har forskarna kommit fram till en minimisiffra för livets ålder. Det kan inte ha uppstått för mindre än 3,5 miljarder år sedan. Med utgångspunkt i levande organismers dna har genetiker räknat ut att den gemensamma förfadern för allt liv på jorden måste ha levt senast vid denna tidpunkt i jordens historia.

Denna förfader, som även kallas LUCA – last universal common ancestor – var med stor sannolikhet utrustad med de biologiska drag som delas av alla organismer, från de enklaste bakterier till de största valar.

Det omfattar bland annat cellmembran bestående av fett, en genetisk kod baserad på dna samt en armé av proteiner som katalyserade ­kemiska reaktioner, transporterade byggstenar och höll ihop alla cellens delar.

De är därför centrala för forskarna när de försöker förstå uppkomsten av det tidigaste livet.

Livets bygg­stenar sam­arbetar i dina celler

Alla jordens organismer, även du själv, har ett tätt molekylärt samarbete att tacka för sina liv – ett samarbete som med stor sannolikhet kan spåras ända tillbakatill de tidigaste livet på jorden.

Claus Lunau

Dna och rna skapar nya proteiner

Dna innehåller arbetsritningar för hur varje protein ska byggas upp. Rna vidareförmedlar information om dna och hjälper till att bygga proteinerna.

Claus Lunau

Proteiner bygger dna och fett

Proteiner ser till att kopiera vårt dna när cellen ska delas, de kan omvandla dna till rna och de bygger cellmembranets fettämnen.

Claus Lunau

Fett skyddar proteiner och dna

Fett avgränsar cellen från omvärlden och bildar små rum i cellen, där proteiner, dna och rna ostört kan utföra sina kemiska reaktioner.

Claus Lunau

Det första kända förslaget på hur livet uppstod formulerades av greken Aristoteles cirka 350 år f.Kr. Enligt hans teori uppstår livet hela tiden spontant från icke-levande materia.

Den idén avfärdades av den franske biologen Louis Pasteur 1859. Han visade att en näringsrik, men steril vätska inte spontant blir hemvist för bakterier eller svampar.

Liv dyker först upp när den kommer i kontakt med luften – och de organismer som finns i luften.

Försöket hjälpte till att forma den teori som många forskare arbetar med i dag: Att jordens liv bara uppstod en gång och sedan dess har utvecklats i ett oändligt antal riktningar och spridits till planetens alla hörn. Och det startade jakten på den gåtfulla plats som gav upphov till det allra första livet.

Ett av de första vetenskapliga förslagen till hur livets vagga måste ha sett ut kom från den engelske vetenskapsmannen Charles Darwin. I ett brev till sin vän botanikern Joseph Dalton Hooker beskrev Darwin 1871 hur de första proteinerna kunde uppstå i en liten, varm sjö med kväve- och fosforföreningar, ljus, värme och elektriska spänningsskillnader.

Proteinerna kunde sedan reagera med varandra och bilda mer komplexa föreningar. Darwins teori var kortfattad – men den skulle komma att inspirera ett banbrytande försök 80 år senare.

Rna klarade sig självt

De amerikanska kemisterna Stanley Miller och Harold Urey bestämde sig 1952 för att återskapa förhållandena på den tidiga jorden med hjälp av vatten och en blandning av metan, väte och ammoniak. De tillsatte artificiella blixtar som energikälla.

Resultatet blev aminosyror – de grundläggande beståndsdelarna i proteiner.

Försöket visade att det var relativt enkelt för vissa av livets mest grundläggande molekyler att uppstå under de förhållanden som med stor sannolikhet rådde tidigt i jordens historia.

Fem år senare genomförde Miller försöket igen, men med en liten förändring. Han tillsatte den kemiska blandningen svavelväte.

Svavelväte är en vanlig gas från aktiva vulkaner som var vanligt förekommande på den tidiga jorden, så justeringen var kemiskt relevant. Av någon okänd anledning granskade Miller aldrig resultatet av det nya försöket.

Det skedde först 50 år senare då en av hans studenter, kemisten Jeffrey Bada, återfann de förseglade proverna. Han analyserade dem med moderna metoder och resultatet visade sig vara ännu mer intressant än det ursprungliga försöket.

Den kemiska blandningen och de artificiella blixtarna hade skapat hela 23 aminosyror, bland annat en del svavelhaltiga som tillhör de mest kritiska för livet på jorden – exempelvis metionin som sätter i gång bildandet av proteiner i våra celler.

Proteiner är bara ett element i livet på jorden. Uppkomsten av den genetiska kod som i dag består av dna har vållat stora problem för forskarna. Många menar att koden ursprungligen bestod av rna.

Rna har enklare struktur än dna och fördelen att det både kan fungera som kod och som enzym. Nu levande celler använder ämnet som ett slags budbärare som förmedlar dna-instruktioner via cellen, och samtidigt som ett enzym som hjälper till att bygga proteinerna enligt instruktionerna.

Dessa egenskaper innebär att rna i teorin kan kopiera sig självt, och en del forskare anser därför att rna är den mest centrala molekylen i livets tidiga utveckling. De föreställer sig en så kallad rna-värld i vilken rna ensamt utförde de uppgifter som i dag kräver både dna och proteiner. De tidiga rna-strängarna kunde avläsa sin egen kod och skapa nya rna-strängar utifrån koden.

Dna och proteiner tillkom senare, eftersom de gjorde systemet stabilare och mer pålitligt. Denna bild av livets ursprung har dominerat forskningen de senaste årtiondena, men en ny teori är på väg att kullkasta rna-världen.

Mikrochipp återskapar ursoppa

Forskarna har inte lyckats skapa en rna-molekyl som kan kopiera sig själv under de förhållanden som rådde under jordens tidiga historia. Även om de lyckas är det svårt att förklara hur en så komplex molekyl kan ha uppstått av sig själv.

Därför har många antagit en annan hypotes: Att rna aldrig var ensamt – det fick hjälp från början.

Hypotesen har framkommit utifrån ett nytt forskningsområde som kallas systemkemi. Inom systemkemi arbetar forskarna med kemiska blandningar med ett stort antal olika molekyler.

Försöken kan exempelvis genomföras i mikrochipp, i vilka det går att noga kontrollera mängden av blandningens alla komponenter och med precision styra molekylernas fysiska omgivningar. Forskarna kan testa många olika blandningar samtidigt som de undersöker exakt vilka ämnen som bildas i reaktionerna.

Fyra miljöer kan ha ­skapat liv

Forskarna har jagat livets uppkomst i mängder av olika miljöer – från glödheta källor på havets botten till kratrar efter stenar från rymden – och nu har de utsett fyra lovande kandidater.

Shutterstock

Is kan ha byggt den genetiska koden

FÖR: Frysning och smältning av is kan hjälpa till att bygga kedjor av exempelvis rna, och de låga temperaturerna stabiliserar nybyggda molekyler.

EMOT: Det är oklart om is överhuvudtaget existerade på den unga jorden, och många reaktioner är beroende av högre temperaturer.

Shutterstock

Meteoriter förde med sig ­livsviktiga ämnen

FÖR: Meteoriter kan innehålla ämnet vätecyanid, som innehåller några av livets viktigaste grundämnen – kol, väte och kväve.

EMOT: Vätecyanid behöver hjälp från vulkaniska källor för att bilda byggstenar, och inga ­organismer använder sig av vätecyanid i dag.

Shutterstock

Gejsrar kan bilda livets byggstenar

FÖR: Gejsrar och varma källor innehåller organiska ämnen som möjliggör bildandet av fettmembran och kedjor av aminosyror och rna.

EMOT: Forskarna försöker fortfarande komma underfund med exakt hur rna eller dna kan uppstå under förhållandena i en vulkanisk källa.

Shutterstock

Källor i havet skapar celliknande fickor

FÖR: Varma källor på havsbotten skapar små porer i bergen som kan avskärma kemiska reaktioner, precis som cellmembran gör i dag.

EMOT: Sannolikheten för att rätt sorts molekyler träffar varandra i tillräckligt stora mängder är försvinnande liten i havets enorma vattenmassor.

RALPH WHITE/GETTY IMAGES

Systemkemins komplexa blandningar är troligen det närmaste vi kommer den ursoppa som livet uppstod i. Och det har lett till stora genombrott. Forskare testade exempelvis en blandning av fett- och aminosyror 2017 och upptäckte då att fettet kunde para ihop aminosyrorna två och två – ett viktigt steg i bildandet av proteiner.

Andra försök har visat att aminosyror kan hjälpa till att bilda rna utifrån enkla molekyler.

Systemkemin har löst många av problemen i teorin om rna-världen. Genom att ta med fett, aminosyror och andra molekyler i ekvationen har forskare nu en bättre uppfattning av hur en komplex genetisk kod kan uppstå. Och genom att låta proteiner från början samarbeta med rna är det lättare att förstå hur de första enzymerna kunde kopiera sig själva.

Vi är nu närmare att knäcka gåtan om hur livet uppstod.

Torka och fukt drev kemin framåt

Ett nära samarbete mellan livets tidigaste byggstenar är bara halva förklaringen till livets tillkomst.

En kombination av vissa fysiska förhållanden krävdes för att rätt kemiska reaktioner skulle äga rum. Även där har systemkemin bistått med nya insikter.

2017 beskrev en grupp australiensiska och amerikanska forskare hur de blandade fettsyror med så kallade nukleotider – de grundläggande beståndsdelarna i rna.

De utsatte blandningen för värme, sura förhållanden och lät den sedan upprepade gånger torka ut och bli våt igen växelvis.

Resultatet var långa kedjor med upp till 100 nukleotider inpackade i bubblor av fett.

Ett antal andra försök utförda av kemister från Nasas Center for Chemical Evolution har gått ett steg längre i processen och har visat hur nukleotider kan uppstå från ännu enklare molekyler.

Bildandet av de första nukleotiderna är ett av de mest gåtfulla stegen på vägen mot liv eftersom den omfattar vissa speciellt krävande kemiska reaktioner.

Men Nasas forskare avslöjade hur blandningar med enkla ämnen som melamin, barbitursyra och olika sockertyper utan problem kan bilda molekyler som liknar rna:s grundläggande beståndsdelar. Och dessa molekyler kan gå ihop i en kedja – ett slags förstadium till en genetisk kod. Nyckeln till deras genombrott var – precis som i försöket 2017 – en cykel av våta och torra förhållanden.

Liknande försök har visat att samma ­cykel kan bilda kedjor av aminosyror och starta en enkel form av kopiering av dna-strängar.

Resultaten har övertygat många forskare om att de omväxlande våta och torra förhållandena är centrala i livets uppkomst.

Och de har hittat en idealisk plats som tillhandahåller de förutsättningarna.

Livet uppstod på land

Darwin föreslog en varm sjö.

Därefter fortsatte forskare jakten på livets vagga djupt under havsytan.

Nu har många av dem lämnat vattnets våta förhållanden och riktat fokus mot den unga jordens landområden.

Då var den vulkaniska aktiviteten betydligt högre än den är i dag – och det är denna aktivitet som har fångat forskarnas uppmärksamhet.

Gejsrar förenade ­livets byggstenar

Livet uppstod i en liten vulkanisk vattenpöl som torkade ut med jämna mellanrum. Kemister har nu hittat en plats som både kan tillhandahålla rätt ämnen, föra dem nära varandra samt låta dem arbeta tillsammans med att bilda det första livet.

1. Enkla ämnen reagerar i vattenpöl

Reaktioner mellan enkla molekyler som fettsyror, aminosyror och sockerämnen bildar den genetiska kodens byggstenar: Nukleotider.

2. Torrläggning förenar molekyler

Det bildas ett fettlager när vattnet avdunstar. Inne mellan lagren kan både aminosyror och nukleotider bilda långa kedjor.

3. Vatten utgör förstadium till celler

Ämnena löses upp igen i vatten, och det bildas celliknande bubblor av fet, i vilka de organiska kedjorna kan bilda mer komplexa ämnen.

4. Upprepade cykler ökar komplexiteten

En cykel av torra och våta förhållanden gör ämnena mer komplexa. Till sist uppstår ett system av ämnen som kan skydda och kopiera sig själva.

5. Det blir ett vått liv

Via naturligt urval skapas mer hårdföra celler med enzymer som utför de uppgifter som tidigare krävde torrläggning. Livet har uppstått och kan nu klara sig i en våt miljö.

Utspritt på land fanns varma källor och gejsrar som dem som i dag finns på Island och i Yellowstone Nationalpark i USA.

Och runt dem fanns det små fördjupningar i landskapet som omväxlande fylldes med vatten från gejsrarna eller torkade ut.

De små vattenpölarna runt jordens urgamla gejsrar har de egenskaper som det första livet behövde. De var rika på ett flertal viktiga organiska ämnen och mineraler, de var varma och deras cykel av våta och torra förhållanden kunde bilda livets byggstenar samt starta livets grundläggande processer.

Systemkemins genombrott har fört forskarna närmare livets vagga och den nya kunskapen kommer troligen snart att göra det möjligt att skapa nytt liv i laboratorium.

Om det sker blir det en milstolpe i vetenskapens historia – men en del forskare anser att en sådan bedrift har en relativt liten betydelse i ett större perspektiv.

Enligt dem är bildandet av nytt liv relativt frekvent förekommande i naturen.

De nya livsformerna kan dock aldrig utgöra något hot mot oss. Vi – och hela vår biologiska familj, från bakterier till blåvalar – konkurrerar konstant ut det nya livet eftersom vi har ett evolutionärt försprång på nästan fyra miljarder år.

Läs också:

Evolution

Forskare skriver om livets historia

3 minuter
Evolution

Flercelligt liv uppstod 25 gånger

8 minuter
Jumping fish
Evolution

Livets utveckling: De första fiskarna hoppade upp på land

0 minuter

Logga in

Fel: Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
VisaDölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!