Jorden för fyra miljarder år sedan: Den unga planeten utsätts för ihållande bombardemang av meteorer som slår ner på ytan medan brinnande lava sprutar ur vulkaner för att sedan, sjudande och ångande, rinna ut i sjöar.
Mitt i detta inferno sker miraklet.
I skuggan av vulkanerna, där lavan stelnar och blir till basalt, förenas fyra olika molekyler och bildar en kedja som blir längre och längre. Denna växande molekyl – den första rna-strängen – är fröet till livet självt.
I årtionden har forskare försökt förstå hur livet kunde uppstå ur död materia. Nu visar nya laboratorieexperiment hur det kan ha gått till.
Forskare vid Foundation for Applied Molecular Evolution i USA blandade ihop en cocktail av organiska molekyler för att efterlikna de första stegen i livets tillblivelse. Det har andra forskare gjort förut.
Det nya var emellertid att de amerikanska forskarna tillsatte en extra ingrediens, som på ett närmast magiskt vis gjorde hela skillnaden.
Den nya ingrediensen är så kallat basaltiskt glas, som bildas när lava snabbt kyls ner, till exempel vid ett möte med vatten. När glaset lades till fick man fram långa rna-strängar, som enligt den gängse teorin utgör det tidigaste livets ryggrad.
Bergarten basalt består av stelnad lava. Om lavan har kylts ner väldigt snabbt, till exempel vid ett möte med vatten, innehåller basalten glas, som kan främja bildning av rna-strängar.
Rna fyller alla funktioner
I dag är allt liv baserat på dna-molekylen, som innehåller cellernas genetiska information. Dna, som är format som en vriden dubbelsträng, innehåller rader av fyra olika byggstenar, så kallade nukleotider, som var och en bär på en bas.
Nukleotiderna kallas också det genetiska alfabetets bokstäver, eftersom de bildar olika koder, på samma sätt som ordningen av bokstäver kan bilda olika ord.
Även rna innehåller nukleotider, men till skillnad från dna utgörs det av endast en sträng.
Rna spelar en avgörande roll för att celler ska kunna fungera, eftersom det överför genetisk information från dna till cellens proteinfabriker, ribosomerna. Utifrån det genetiska receptet i rna tillverkar ribosomerna proteiner som fyller viktiga funktioner i cellerna.
Rna är dock mer än bara en budbärare. Rna-strängar kan vika ihop sig på särskilda sätt, så att de får andra funktioner och bland annat kan producera proteiner och skapa kopior av sig själva.
Rna är livets multikonstnär
Rna består av fyra byggstenar
De strängformade rna-molekylerna består av fyra olika molekyler, så kallade nukleotider, som innehåller var sin bas: guanin, adenin, cytosin och uracil.
Strängarna är recept på proteiner
I alla organismer i dag fungerar rna-strängar som bärare av recept på proteiner. Recepten avläses i de så kallade ribosomerna, som bildar proteinerna.
Rna kan kopiera sig självt
Om rna-strängar viks ihop på särskilda sätt blir de så kallade ribozymer. I det första livet gjorde ribozymerna att rna kunde kopiera sig självt och mångfaldigas.
Rna:s förmåga att utföra flera av de centrala livsprocesserna har banat väg för en föreställning om att det var den ursprungliga motorn i de första primitiva livsformerna.
Denna idé kallas rna-världshypotesen. Poängen med rna-världshypotesen är att rna ansvarade för allt det som dna och proteiner gör i nutida livsformer. Därmed krävdes bara en ”uppfinning”, rna, för att sätta i gång livet.
Rna-världshypotesens svaghet är emellertid att den inte förklarar hur det allra första rna:t uppstod. Därför har forskare länge letat efter miljöer där spontan bildning av rna kan ske – vilket har lett till flera väldigt olika idéer.
Ett nytt bud på livets vagga
Vissa forskare tror att det första rna:t uppstod i små sjöar som omväxlande torkade ut och fylldes på med vatten. Tanken är att de ständiga förändringarna främjade bildning av rna-strängar.
En annan idé är att planetens första rna bildades vid varma källor i djuphavet. Vid sådana källor finns mineralrika, skorstensliknande strukturer, som kan ha isolerat och koncentrerat de organiska molekyler som ingår i rna. Simuleringar har visat att detta kan leda till rna-bildning, men bara av mycket korta strängar.
En tredje teori är att iskristaller kan ha främjat rna-strängarnas bildning. Rna är nämligen mer stabilt vid låga temperaturer, och försök har visat att rna är bättre på att lösa proteiners uppgifter i miljöer under fryspunkten. Det är emellertid osannolikt att det fanns is på planeten när de första rna-molekylerna uppstod.
Tre tidigare idéer om livets vagga, där de första rna-strängarna kan ha bildats: varma källor i djuphavet, små vattenpölar och iskristaller.
Den nya teorin, där basaltiskt glas spelar en huvudroll, stämmer bättre överens med de förhållanden som rådde på jorden vid livets uppkomst för omkring fyra miljarder år sedan.
De våldsamma vulkanutbrotten över hela planeten bidrog med ett överflöd av basaltiskt glas, som kan ha varit den avgörande faktorn i bildningen av rna-strängar. Glaset, som underlättade de kemiska reaktionerna utan att ingå i dem, fungerade alltså som en katalysator.
De amerikanska forskarna, under ledning av molekylärbiologen Elisa Biondi, har genomfört en rad olika experiment med prover av fyra typer av glas, däribland basaltiskt glas. Proverna pulvriserades och steriliserades innan de ströddes i en vattenlösning med rna:s fyra byggstenar.
Blandningarna fick sedan stå i upp till åtta månader. Under tiden tog forskarna små prover och analyserade innehållet.
Analyserna visade att det i proverna med basaltiskt glas fanns stora rna-molekyler med upp till 200 nukleotider, medan det i de övriga proverna inte fanns något rna alls.
Elisa Biondi ledde forskargruppen som testade hur basaltiskt glas påverkar bildning av rna-strängar.
”Vi ville undersöka möjligheten att sätta samman nukleotider, men att vi hittade så stora rna-molekyler var mycket oväntat. Vi blev både förvånade och glada”, berättar Biondi.
Faktum är att resultaten var så enastående att forskarna knappt vågade tro på dem. Därför upprepade de experimenten flera gånger och lät blandningarna stå allt längre tid. Det var dock inget tvivel om saken: Blandningen av nukleotider och basaltiskt glas gav upphov till stora rna-molekyler.
Därmed visar experimentet hur de första komplexa rna-molekylerna kan ha uppstått spontant.
Meteorer sådde livets frö
Nästa fråga är då varifrån byggstenarna till rna, nukleotiderna och deras tillhörande baser, kom.
Det kan vara så att de bildades här på jorden, men mer sannolikt är det kanske ändå att de bildades i rymden. I meteoriter har forskare hittat alla de fyra baserna i rna, så livets byggstenar kan mycket väl ha kommit utifrån.
Eld och vatten skapade livets vagga
För fyra miljarder år sedan banade tre viktiga faktorer väg för livet: stora leveranser av omistliga organiska molekyler, rätt kombination av land och vatten – och så barnmorskan som satte i gång alltihop.
1. Byggstenarna kom utifrån
I jordens barndom föll mängder av meteorer ner från himlen. Med sig hade de molekyler, de centrala byggstenarna i det tidigaste rna-livet, framför allt så kallade nukleotider, med de fyra baserna A, G, C och U.
2. Variationer mellan vått och torrt var idealiskt
Meteorkratrar blev till sjöar, som omväxlande torkade ut och fylldes på med vatten. Därför utsattes molekylerna för ömsom strålning och ömsom upplösning, vilket gjorde det möjligt för dem att ingå föreningar och bilda små kedjor.
3. Vulkaner skyndade på processen
Sjöarna fylldes med stora mängder basaltiskt glas från de många vulkanutbrotten. Glaset var en viktig katalysator, som skyndade på de kemiska reaktionerna, så att långa rna-strängar kunde bildas.
Trots att forskarna nu har en möjlig förklaring på hur rna-världen uppstod kan de inte vara säkra på att det verkligen var så det gick till.
”Våra resultat är starka bevis på en rna-värld. Kanske kommer vi aldrig att kunna beskriva exakt hur livet uppstod, men vi kan kartlägga principerna bakom processen”, säger Elisa Biondi.
Här på jorden är det basaltiska glas som fanns vid livets uppkomst borta sedan länge. De tektoniska krafterna drar hela tiden material från jordens yta långt ner i marken, så eventuella spår av rna-världen har gått förlorade för alltid.
Därför behöver vi kanske vända blicken mot vår granne i solsystemet för att få veta hur de döda byggstenarna förenades till det första livet. Till skillnad från jorden har Mars ingen plattektonik, så där ligger urgammalt basaltiskt glas kvar på ytan.
Eftersom Mars inte har någon plattektonik ligger basaltblock från planetens barndom kvar på ytan. Om rna-liv har uppstått på Mars kan basalten innehålla spår av det.
För fyra miljoner år sedan hade Mars ett varmare klimat, aktiva vulkaner och vatten på ytan, och liksom jorden träffades planeten ofta av meteorer.
Därmed kan livet i princip lika gärna ha uppstått på Mars. Kanske blir det där vi hittar svaret på hur livet uppstod på vår egen planet.