Främmande organismer ska lösa livets gåta

Eftersom systemet var slutet torde det bero på att några ämnen hade bildats i processen.

Miller lät försöket pågå under en vecka. När han sedan analyserade ämnena fann han det som han nästan inte hade vågat hoppas på: Ett antal biomolekyler, bland annat aminosyror som är viktiga byggstenar i allt liv vi känner till.

Millers berömda försök från år 1952 bevisade att det går att förvandla enkla kemiska föreningar till komplexa biomolekyler i en atmosfär som liknar den unga jordens för miljardtals år sedan.

Miller hade därmed efterliknat det första steget mot livets uppkomst – men bara det första.

Trots att många forskare har gått i Millers fotspår och gjort betydligt mer avancerade försök har det visat sig vara väldigt svårt att komma vidare och ta de följande, helt avgörande stegen.

Livets uppkomst är fort­farande en av vetenskapens största gåtor. Om vi kunde lösa den skulle vi kanske också få svar på andra universella frågor, till exempel om livet på jorden är unikt. Är det ett resultat av rena tillfälligheter att vi existerar eller är det en följd av en regelmässighet i naturen?

Slutligen skulle vi kanske kunna avsluta en månghundraårig diskussion om vad livet faktiskt är. Då skulle det bli enklare att upptäcka liv ifall vi skulle stöta på det någon annanstans.

Filosofer ger livet mål och mening

När vår tids biologer försöker definiera livet stöter de på samma problem som historiens största tänkare har brottats med.

Den grekiske filosofen och vetenskapsmannen Aristoteles satte i gång diskussionen om livets natur när han gjorde skillnad mellan å ena sidan ”mineralriket” och å andra sidan ”djur- och växtriket”.

Enligt Aristoteles förutsatte livet en ”själ”. Han använde inte ordet själ i samma bemärkelse som vi lägger i det i dag, utan definierade det som förmågan att reproducera sig, ta upp näring, förnimma omvärlden och tänka.

De två första förmågorna ansåg han vara mest grundläggande, eftersom de gäller alla djur och växter.

Aristoteles hade en så kallad teleologisk natursyn, vilket innebär att det finns ett underliggande syfte – kanske rentav ett slutmål – med alla processer i naturen, framför allt i processerna i det som lever.

Ett par årtusenden senare försökte den franske filosofen och matematikern René Descartes göra upp med den teleologiska tankegången.

På 1600-talet, då maskiner som konstfärdiga mekaniska ur och kyrkorglar utvecklades, betraktade han levande organismer på samma sätt.

Det fanns inget övergripande syfte med processerna som ägde rum i levande organismer, som enligt honom bara var avancerade maskiner.

Allt kunde beskrivas utifrån den fysik som höll på att växa fram på Descartes tid och som på allvar kom till uttryck senare på 1600-talet, då Newton formulerade sina fysiska lagar.

Den teleologiska tanken skulle emellertid visa sig vara seglivad. Redan på 1700-talet dök den upp igen, då hos den erkände tyske filosofen Immanuel Kant.

För honom var livet så avancerat att det inte kunde förklaras med enkel fysik. Han gick till och med så långt som att säga att ”det kommer aldrig att komma en biologisk Newton”.

Kant menade att alla processer i den klassiska fysiken kan beskrivas utifrån orsak och verkan, men så var det enligt honom inte med livet.

Han formulerade det med orden att ”en levande organism är i sig själv både orsak och verkan”, det vill säga en ”hönan och ägget­-konstruktion” där orsak och verkan inte kan skiljas åt eftersom de är varandras förutsättning.

Under de följande årtiondena ställdes den teleologiska natursynen mot tanken att den moderna fysiken var nyckeln till att förstå allting, även livets processer.

Darwin formulerar livets lagar

*En bokutgivning år 1859 ställde i ett slag diskussionen om livets väsen på ända.

Den brittiske geologen och naturforskaren Charles Darwins Om arternas uppkomst skrevs på ett språk som alla förstod, så budskapet fick snabb spridning.

Bokens innehåll diskuterades inte bara av vetenskapsmän, utan också av allmänheten och i religiösa och filosofiska kretsar.

Med Darwins evolutionsteori fick den teleologiska natursynen ge vika. Darwins förklaring av hur livet utvecklas stämde väl överens med den moderna fysiken.

Anledningen att livsprocesser i alla organismer ser ut att vara så väl avvägda och effektiva är helt enkelt att organismer med oändamålsenliga processer har dött ut.

Darwin gav biologerna det som fysikerna haft i ett par hundra år.

Med evolutionsteorin fick de en uppsättning regler som förklarar hur det kommer sig att växter, djur och andra organismer ser ut och fungerar som de gör.

Livet experimenterar ständigt med nya varianter i form av mutationer, medan det naturliga urvalet ser till att endast de mest ändamålsenliga överlever och kan fortplanta sig.

Det faktum att alla livsformer tycks vara perfekt anpassade till sina miljöer är alltså inte ett resultat av någon målinriktad utveckling. Evolutionen skjuter från höften och vi ser bara fullträffarna.

Immanuel Kant hade alltså inte rätt, för med Darwin fick vi just ”en biologisk Newton” – åtminstone rörande livets regelmässigheter på jorden. Trots det var inte alla nöjda, så diskussionen fortsatte fram till 1900-talet.

Den berömde österrikiske fysikern Erwin Schrödinger var överraskande nog en av skeptikerna som satte frågetecken vid om den moderna fysiken verkligen kunde rymma och förklara livets processer.

Schrödinger fokuserade på levande organismers förmåga att hålla fast vid en komplex organisation i sitt inre och rentav bygga ut den med tiden.

I alla andra slutna system gäller termodynamikens andra lag, som även kallas lagen om ökande entropi.

Enligt denna lag följs ordning med tiden av kaos, som när en klick kall, vit grädde i en kopp varmt, svart kaffe slutar som en ljummen, ljusbrun blandning av bägge delar.

Så är det inte i levande organismer. För Schrödinger var detta faktum så viktigt att han tyckte att det borde vara kärnan i själva definitionen av livet, eftersom det skiljer det från allt icke-levande.

Schrödingers tankar ledde dock inte till någon bra definition av liv.

Men om så vore fallet hade den varit något i stil med ”liv är system som inte följer termo­dynamikens andra lag” eller ”liv är system som inte kan förklaras med klassisk fysik”, formuleringar som säger mer om vad liv inte är än vad det faktiskt är.

Schrödingers katt:

Alla kända livsformer är förbluffande lika

Vi kan beskriva livet, men det är inte samma sak som att definiera vad det är.

När biologer karakteriserar liv som vi känner det framhäver de en rad egenskaper som är gemensamma för livet på jorden.

De viktigaste är levande organismers förmåga att omsätta energi i samband med sin ämnesomsättning och att reproducera sig.

Samtidigt måste det levande kunna avskiljas från sina omgivningar, exempelvis med ett cellmembran, så att det kan betraktas som en individ.

Med dessa karakteristika kan vi grovt skilja det livlösa från det levande. Bakterier lever till exempel upp till dessa tre kriterier – det gör emellertid inte virus eftersom virus inte kan reproducera sig på egen hand, utan bara med hjälp av andra organismer.

Samma sak gäller så kallade prioner, särskilda proteiner som orsakar sjukdomar som galna ko-sjukan hos nötkreatur, scrapie hos får och Creutzfeldt–­Jakobs sjukdom hos människor.

Prioner kan ”fortplanta sig” genom att få andra proteiner att vika sig på samma sätt som prionerna själva.

På så sätt kan prionerna sprida sig i en organism, men de har inte själva någon ämnesomsättning och klassas därmed inte som levande.

Kristaller kan också växa genom att atomer fastnar på dem och bygger vidare på strukturen, men det i sig gör inte mineralerna levande.

På den levande sidan gränsen hittar vi allt från encelliga organismer, växter och svampar till djur och människor.

Livet, som har en enastående mångfald, har anpassat sig till nästan alla miljöer som finns på planeten.

Men när biokemister och molekylärbiologer zoomar in på cellernas grundläggande processer är livet förbluffande likartat.

Hos alla levande organismer fungerar det med hjälp av dna-strängar, som är uppbyggda av samma ämnen och har samma fyra baser. Dna-strängarna innehåller den genetiska koden med receptet på de proteiner som krävs för att hålla organismen vid liv.

Alla livsformer bygger upp sina proteiner av samma 20 aminosyror, trots att det finns över 100 att välja mellan.

I jämförelse skapade Stanley Miller elva olika ­aminosyror i sitt enkla försök år 1952, och när han senare upprepade experimentet med något fler ingredienser i glaskolven kom han upp i 23 stycken.

De biokemiska likheterna mellan allt liv på jorden har gjort biologerna övertygade om att det har samma ursprung.

Om vi går tillräckligt långt tillbaka i historien möts alltså samtliga grenar i livets stora stamträd i en och samma punkt.

Genom att analysera de skillnader som med tiden trots allt har uppstått i organismernas arvsmaterial har biologer kommit fram till att allas vår gemensamma stamfader var en encellig organism som levde för cirka fyra miljarder år sedan.

Den har fått det passande namnet Luca, en förkortning av engelska last universal common ancestor, ”den sista universella gemensamma förfadern”.

Alla Lucas ättlingar använder samma självbyggande maskin, i vilken dna, rna och proteiner samarbetar i en process där inga av dem kan undvaras.

Därför har biologerna en pågående diskussion om vad som kom först, ännu ett ”hönan och ägget-problem” i stil med det som Immanuel Kant stötte på för över 200 år sedan.

Att alla de livsformer vi känner till är besläktade med varandra visar sig även när forskarna zoomar ännu längre in på livets byggstenar.

Fem grundämnen utgör ryggraden i alla kända livsformer: Syre, väte, kväve, fosfor och kol. Därtill kommer ett antal andra ämnen som kan variera från organism till organism, men de fem ovan nämnda är centrala för allt liv.

Vi känner alltså till livets grundläggande ingredienser, men det är långt kvar till att hitta receptet, och därmed definitionen, på liv.

I en berömd essä som publicerades år 1970 tog sig den amerikanske astrobiologen Carl Sagan an problemet på ett systematiskt och handfast vis.

Han granskar då en lång rad definitioner på liv och finner samtliga otillfredsställande. Sagan delar in definitionerna i fem grupper: Fysiologiska, metaboliska, biokemiska, genetiska och termodynamiska.

För dem alla gäller att de antingen är för breda eller för smala – i vissa fall bägge delar.

Livet bidrar till universums oordning

Livet kan reproducera sig. Betyder det då att mulan, som ju är steril, inte lever?

Med detta provocerande exempel drar Carl Sagan bort mattan under den genetiska definitionen av liv.

Samma behandling ger han de fysiologiska och metaboliska definitionerna, som fokuserar på rörelse och energiomsättning.

Sagan hävdar att de är breda nog att inkludera maskiner som bilar men samtidigt så smala att de inte rymmer växtfrön och svampsporer, som kan ligga helt stilla och överleva i hundratals år utan energiomsättning.

Sagan menar att det är fel att försöka definiera liv utifrån ett enda exempel, och det är ju bara det vi känner till: Livet på vår egen planet.

”Eftersom det bara finns ett slags liv på jorden saknar vi det större perspektivet”, som han säger.

I sin essä gör Carl Sagan för övrigt upp med Schrödingers tanke att livet kan definieras som ett system som bryter mot termodynamikens andra lag.

Sagan påpekar att det bara är i liten skala som organismer ser ut att hålla fast vid och utveckla ordning. När en organism skapar ordning i sitt inre sker det på bekostnad av ordningen som omger den.

En alg tar exempelvis upp koldioxid och använder kolet för att bygga mer avancerande molekyler, men det låter sig bara göras genom fotosyntesen som använder energi i form av solljus.

Solens strålning skapas av fusionsprocesserna i dess inre, som ökar oordningen. Det innebär att den ordning som livet skapar lokalt på jorden motsvaras av en mycket större oordning som breder ut sig i solen.

Systemet rör sig därmed mot en allt större oordning, precis som termodynamikens andra lag anger.

Carl Sagans syn på livet som ett större, sammanhängande system ligger i linje med den brittiske forskaren James Lovelocks tankar, en av Sagans kollegor på Nasa som under 1960- och 1970-talet utvecklade sin så kallade Gaiateori om jorden och dess liv.

Biosfären är en enda stor organism

Den 30 december 1968 offentliggjorde Nasa historiens mest berömda bild från rymden.

Den togs några dagar tidigare av astronauterna på Apollo 8, som gått i omloppsbana runt månen i sin rymdfarkost.

Strax innan de för fjärde gången flög in över månens baksida såg de sig om och fick se jorden ovanför det sterila, kratertäckta månlandskapets horisont.

Världen blev som förtrollad av bilden. Åsynen av den lilla blå oasen mot världsrymdens mörka oändlighet blev en stark symbol, som bland annat förstärkte miljö- och fredsrörelsernas budskap om att ta bättre hand om vårt gemensamma, ömtåliga hem i universum.

Se historien om Apollo 8 og billedet "Earthrise" her:

Bilden passade in i både tidsandan om fred, kärlek och harmoni och den natursyn som Gaiateorin representerade.

Enligt den teorin, som Lovelock uppkallade efter det grekiska ordet för ”Moder Jord”, är livet inte bara en slumpmässig samling arter, utan en enda stor organism som fyller hela planeten.

Denna organism, som också kan kallas biosfären, består av jordens yta, vatten, atmosfär och liv. Biosfären är självreglerande och söker sig hela tiden till ett jämviktsläge med optimala livsbetingelser.

Ett exempel är atmosfärens syrehalt. Livet skapar självt syret i atmosfären genom växternas fotosyntes och syret förbrukas när andra organismer andas och när organiskt material bryts ner.

Balansen mellan produktion och förbrukning av syre är så fin att atmosfärens syrehalt under de senaste 400 miljoner åren har legat kring 20 procent, vilket är perfekt för alla organismer som är beroende av syret –även för oss människor.

”Livet gör mer än att bara anpassa sig till jorden. Det förändrar jorden till sin egen fördel”, har Lovelock sagt.

Gaiateorin kan påminna om Aristoteles teleologiska syn på levande organismer, fast i större skala.

Teorin antyder att det finns ett överordnat syfte bakom livets processer, att organismerna agerar på ett sätt som garanterar goda möjligheter i framtiden.

Gaiateorin fick stor uppmärksamhet när Lovelock lade fram den på 1960-talet, men i dag har den inte många anhängare.

Ett inbyggt problem i teorin är att den inte förklarar hur alla organismer som jordens liv utgörs av skulle kunna agera så ”förnuftigt” som teorin anger.

Flera forskare tror tvärtom att livet är allt annat än förnuftigt, att det rentav har en tendens att förgöra sig självt.

Livet gör livet surt för sig självt

För 2,5 miljarder år sedan höll livet på jorden på att gå under.

I en värld där atmosfären dominerades av koldioxid började cyanobakterier plötsligt producera syre genom fotosyntes.

De nya organismerna omsatte koldioxid till syre i en takt som världens övriga organismer inte hann anpassa sig till. För dem var nämligen syret giftigt. Följden var att nästan allt liv dog ut.

Även för de nya cyanobakterierna var utvecklingen katastrofal, för till slut hade de tagit upp så mycket av atmosfärens koldioxid att den naturliga växthuseffekten störtdök och kastade ut jorden i en global istid som drabbade dem själva hårt.

Den amerikanske paleontologen Peter Ward använder detta exempel för att argumentera för att livet på jorden är sin egen värsta fiende, mycket värre än övriga hot som vulkanutbrott och asteroidnedslag.

År 2009 lade han fram sin så kallade Medeateori, som är ett direkt svar på Gaiateorin. Enligt Medeateorin är livet inte alls självreglerande, utan snarare självdestruktivt.

Därför uppkallade Ward teorin efter Medea i den kända grekiska tragedin – kvinnan som dödar sina egna barn.

Som paleontolog har Ward specialiserat sig på jordens stora massutrotningar och hans poäng är att flera av dem har orsakats av livet självt.

Enligt Ward var det ren tur att livet inte utplånade sig självt för 2,5 miljarder år sedan. Han hävdar därför att om livet i stort har någon form av inbyggd automatik, så är det inte att rädda sig självt utan snarare motsatsen.

”Livet försöker faktiskt utplåna sig självt – inte medvetet, det bara händer”, som han säger.

Ward påstår att livet på jorden vid flera tillfällen har förstört sina egna livsbetingelser i så hög grad att planeten har sett helt annorlunda ut än vad den gör i dag.

Faktum är att den i perioder har varit så ogästvänlig att en astronom inte hade kallat den en jordliknande planet.

Det gör det naturligtvis inte lättare för astronomer att upptäcka andra levande planeter i vårt eget eller andra solsystem, för då räcker det inte att leta efter planeter som liknar vår tids jord.

Ännu svårare blir det om de livsformer som kan finnas i andra delar av universum är helt annorlunda än våra.

I astronomernas sökande efter främmande liv har de traditionellt letat efter planeter som liknar vår egen, det vill säga planeter eller månar som ligger på ett lämpligt avstånd från sin stjärna, så att flytande vatten kan förekomma på ytan.

Det är emellertid en alltför enögd syn, menar den amerikanska filosofen Carol Cleland, som är professor vid University of Colorado Boulder, och som bland annat arbetar för Nasa.

Cleland, som har skrivit flera böcker om sökandet efter liv på andra planeter, varnar för att enbart leta efter livsbetingelser som liknar dem som vi har på jorden.

Livet som vi känner det är beroende av vatten, men vi vet inte om det även gäller på andra planeter. Kanske finns det andra vätskor som främmande liv kan använda i stället ifall organismerna är uppbyggda på ett annat sätt.

Vår ovetskap ger oss tunnelseende

År 2017 såg teleskopet Alma tecken på att Saturnus-månen Titan hade stora mängder av ämnet akrylnitril i sin atmo­sfär.

Det är ingen särskilt intressant information för sökandet efter liv, men just på Titan är det relevant. Titan är en iskall planet med temperaturer kring 172 minus­grader, så den har inget flytande vatten som eventuellt liv kan utnyttja.

I gengäld finns det stora mängder flytande metan. För fetthaltiga cellmembran, som jordens liv använder, är flytande metan förödande, men ämnet akrylnitril har de egenskaper som krävs för att bilda liknande membran.

Det innebär att det kan vara så att liv på Titan är grundat på andra ämnen än det på jorden, eftersom förhållandena där är helt annorlunda. Vad vatten och fettämnen är för jordens liv är kanske flytande metan och akryl­nitril för livet på Titan.

Två år före Almas upptäckt hade en grupp biokemister och astronomer vid Cornell University i USA utforskat den idén.

De skapade en datormodell av en artificiell cell med ett cellmembran av akrylnitril och kom fram till att det faktiskt skulle fungera.

Om forskarna inte hade råkat göra den upptäckten är det inte säkert att Nasaforskarna vid Almateleskopet hade fäst sig vid att de hittat ämnet i Titans atmosfär.

Exemplet visar hur viktigt det är att ha både fantasi och ett öppet sinne i jakten på liv på främmande planeter. Just det är filosofen Carol Clelands poäng.

Hon är helt enig med Carl Sagan i att vi vet alldeles för lite om livets väsen för att definiera det och att en alltför snäv definition kan vara negativ i det som hon själv kallar ”jakten på liv som vi inte känner det”.

Den kan helt enkelt ge oss tunnelseende.

”Hur kan vi generalisera allt liv utifrån ett enda exempel, som kanske inte är representativt?” frågar hon sig.

”Om vi använder en fast definition av livet kommer vi automatiskt att exkludera liv som skiljer sig från vårt när vi letar efter liv på främmande planeter.”

Av samma anledning anser Cleland att vi inte ens här på jorden ska dra alltför skarpa gränser mellan det levande och det livlösa.

Innan vi lär oss mer om livets innersta väsen bör vi åtminstone placera exempelvis virus och prioner i en gråzon. Det håller flera andra forskare som letar efter främmande liv med om.

Medan astronomerna letar efter liv långt ute i rymden har andra forskare gått i Stanley Millers fotspår och utforskar livet i laboratoriet.

En av dem är den amerikanske biokemisten Steven Benner. Han är en pionjär på forskningsområdet syntetisk biologi, där forskare på kemisk väg skapar system som efterliknar de komplexa processerna i levande organismer. I laboratoriet bygger de biomolekyler som aminosyror, proteiner, rna och dna och studerar deras funktion.

Än så länge har de emellertid inte lyckats skapa ett system som är självfungerande så som naturens organismer är.

Benner försöker inte bara kopiera livets kända byggstenar utan också konstruera helt nya. År 2019 gick han i spetsen för en grupp forskare som skapade artificiellt dna som är ännu mer avancerat än det som har utvecklats på jorden.

Dna-strängen som vi känner den har fyra olika baser som kan betraktas som bokstäver i ”livets alfabet”.

Basernas ordning bestämmer genernas funktion och innehåller receptet på de proteiner som cellerna producerar. Vi människor innehåller cirka 25 000 gener.

Vissa av dem har några hundra baser, medan andra har över två miljoner. Totalt finns det omkring tre miljarder baser i människans arvsmassa.

Basernas kombinationsmöjligheter är ofattbart stora, men med Benners artificiella dna är de ännu större.

I laboratoriet har han nämligen skapat dna-strängar som förutom naturens egna fyra baser har ytterligare fyra. På grund av de åtta baserna har detta artificiella dna fått namnet hachimoji, en sammansättning av det japanska ordet för ”åtta”, hachi, och ”bokstav”, moji.

Benners artificiella dna är liksom naturens dna en vriden dubbelsträng och Benners försök har visat att den kan bära och vidare­befordra information på samma sätt.

Syftet med hans projekt är att visa att livets centrala byggstenar kan se ut på andra sätt än dem vi känner till.

”Genom att analysera hachimoji-dna:s form, storlek och struktur kan vi öka vår förståelse av de molekyler som kanske innehåller information om främmande liv på andra planeter”, säger han.

Benners arbete stöttas av Nasa, som vill använda resultaten för att förbättra de instrument som sänds iväg till andra världar för att leta efter liv.

Ju bredare de kan söka, desto mindre är risken att förbise främmande liv – om det nu existerar.

Själv hoppas Benner att forskningen inom syntetisk biologi ska leda till en universell definition av liv. I likhet med Nasafilosofen Carol Cleland varnar han för att vi tar det för givet att ingredienserna i främmande liv är desamma som i livet på jorden.

Definitionen har nått en återvändsgränd

Vi saknar fortfarande kunskaper om livet för att kunna definiera det och därmed formulera en universell skillnad mellan det levande och det livlösa.

Trots att biologer och kemister har gett oss djupa insikter i de processer som håller jordens organismer vid liv vet vi fortfarande inte hur livet har uppstått.

Därför vet vi inte heller hur sällsynt livet är. En del forskare tror att det uppstår som en naturlig regelmässighet, så länge förutsättningarna är de rätta och det finns tillräckligt mycket tid.

Om det är så måste vi räkna med att det har skett ett otal gånger i jordens historia och att det fortfarande gör det, även på främmande planeter.

Här på jorden var det i så fall vår gemensamma stam­fader Luca som var bäst lämpad och därmed vann i konkurrens med övriga urformer av liv.

Sedan dess har ­Lucas ättlingar blivit ännu bättre anpassade, så att naturens senare försök att börja om från början på nya sätt inte har fått en chans.

Det kan naturligtvis också vara så att livet uppstod på jorden av en osannolik slump och att det bara har hänt en gång. Då är det inte så stor chans att hitta det någon annanstans.

En annan central fråga är hur robust livet är. Om det har en inbyggd självbevarelsedrift, som Gaiateorin gör gällande, ökar det chansen för att vi kan stöta på liv på andra planeter.

Däremot minskar chansen, som Medeateorin påstår, om det är självdestruktivt. I så fall är det en ren lyckträff att livet finns kvar på jorden och högst sanno­likt att det har gått under på andra ställen.

I jakten på liv på främmande planeter kommer det att vara en stor fördel att ha en universell definition av liv, så att vi kan identifiera det när vi stöter på det.

Det går dock inte att formulera en sådan definition, eftersom vi inte känner till något annat liv än det på jorden – hönan och ägget igen.

Problemet kan lösas först när forskarna har fler än ett exempel på liv att arbeta med. Vi kan hoppas att astrobiologerna lyckas hitta liv i främmande världar i rymden – eller att det dyker upp i biokemisternas kolvar.

Steven Benner är övertygad om vem som kommer att vinna kapplöpningen: ”Vårt första möte med främmande liv kommer att ske i ett kemilaboratorium”, säger han.

Upplev Steven Benners föredrag om utmaningar och perspektiv genom att skapa liv i laboratoriet.