Livets ursprung

Radioföredrag 16 maj 1999 av Clas Blomberg.

Hur uppstod liv på Jorden? Frågan har ställts av människor i alla kulturer så långt tillbaka i tiden som vi kan följa dem. I dag ser vi möjligheter att få ett svar. Vi tänker oss att allt mer komplicerade kolföreningar bildades mycket tidigt under Jordens historia och att de sedan spontant utvecklades till de tidigaste organismerna. Det bör ha skett när Jorden redan hade existerat i cirka 500 miljoner år, men eftersom Jordens första tid var mycket våldsam hade det inte kunnat ske tidigare. Hur fort de här första stegen gick vet vi inget om, och det finns knappast några möjligheter att få information om det. Det är möjligt att det var en process som sträcktes ut under några miljoner år. Efter detta har sedan evolutionen under en enorm tidsrymd på några miljarder år genom naturligt urval frambringat alltmer komplicerade livsformer.

Vad som fascinerar mig med frågan - hur gick det till när livet uppstod - är att den är ett stort pussel där svar behöver information från olika håll. Vi behöver veta hur Jorden och vårt planetsystem bildades, hur Jorden såg ut, vad som hände under dess första tid, hur de kemiska ämnen som var väsentliga för att det första livet kunde bildas och mångfaldiga sig själv och leda till den organisation som var nödvändig . Vi söker svar om möjliga kemiska reaktioner i våra laboratorier, vi letar efter spår av de tidigaste organismerna - det första livet - dels i en gemensam arvsmassa hos allt levande dels, mer konkret, som fossil i Jordens äldsta berg.

Hur var då situationen när Jorden bildades - detta knappnålshuvud i en ofantlig rymd? När planeterna byggdes upp, skedde en fördelning av olika ämnen. Jorden - som solsystemets övriga inre planeter - Merkurius, Venus och Mars bildades av tyngre ämnen, som kiseldioxid, huvudbeståndsdelen av jordytans berg, och rent, metalliskt järn som till stor del tidigt sjönk till Jordens kärna. Alltsedan sin tillkomst har Jordens inre värmts till höga temperaturer av radioaktiva ämnen vilket lett till att Jordens olika skikt rör sig i förhållande till varandra.

Vi kan uppskatta tiden när Jorden och de inre planeterna var färdiga. Det var för ungefär 4 och en halv miljard år sedan, en ofattbar lång tid. Det resultatet kommer man till genom att mäta förhållandet mellan radioaktiva ämnen som uran och deras produkter som bly i mineraler och mineralkorn som varit oförändrade alltsedan den första tiden.

En första viktig fråga är varifrån kom vattnet, atmosfären och andra lätta ämnen som var nödvändiga förutsättningar för livets uppkomst? En uppfattning har varit att de fanns bundna till de mineraler som byggde upp Jorden, men nya idéer pekar på att solstrålning och ständiga kollisioner mellan de stenfragment, som kom att bilda Jorden, gjorde det var för varmt för detta. Jorden var kanske helt torr från början, utan atmosfär, utan hav. En ledtråd till vad som kan ha skett finner vi på Månen. Dess stora formationer som vi ser med blotta ögat har uppstått genom kraftiga kollisioner med stora himlakroppar under Månens första tid under några hundratals miljoner år. De största av dessa himlakroppar måste ha varit över tio mil i diameter. Eftersom Jorden är större bör det här ha förekommit fler och större kollisioner, men spåren av dem är för alltid utplånade av eroderande vatten och kontinenternas rörelser. Dessa kolliderande himlakroppar kunde ha bildats i de yttre delarna av planetsystemet, som var mycket kallare och hade en annan sammansättning av ämnen än vad som fanns omkring Jorden. De kan som dagens kometer ha bestått av is med olika kolföreningar. De var tillräckligt stora för att kunna ha fört med sig allt vatten som finns i våra hav och den första atmosfären, som från början var helt annorlunda än är idag. Syre fanns säkert inte i några större mängder. Det skulle annars ha förstört de organiska ämnen som var nödvändiga för att bilda det första livet.

Det har rått delade meningar om den första atmosfären. En tidigare uppfattning var att den bestod av föreningar med kol, kväve och väte som metan och ammoniak. Nyare studier visar att sådana ämnen skulle ha förstörts av ultraviolett strålning. Det är troligare att atmosfären huvudsakligen innehöll koldioxid och kväve, så som i dag är fallet på Venus. Atmosfären var antagligen från början mycket tät - vilket den fortfarande är på Venus - med ett tryck kanske tio gånger högre än idag. Alla är idag medvetna om att koldioxid ger en växthuseffekt. En så tät atmosfär skulle gett en het Jord med temperaturer strax under 100 grader.

En atmosfär med ämnen som metan och ammoniak skulle haft den fördelen att komplicerade organiska ämnen kunde bildas relativt lätt under påverkan av ultraviolett strålning eller elektriska urladdningar. I ett första steg bildas ämnen som cyanväte och formalin, ämnen som vi uppfattar som mycket giftiga. De är giftiga därför att de reagerar lätt, men det var också det viktiga: de kan reagera vidare och bildar då en mångfald organiska ämnen, speciellt aminosyror, de ämnen som bygger upp proteiner i våra kroppar. Aminosyror löses i vatten och om haven var tillräckligt kalla kunde de ansamlas där under miljontals år. Det är den gamla idén med en ursoppa, koncentrerad med organiska ämnen. Tyvärr passar det troligare förslaget med en het koldioxidatmosfär inte lika bra.

Istället funderar man över andra möjligheter. En är att de organiska ämnen som krävdes för ge upphov till liv, kom hit som hav och atmosfär - genom kolliderande himlakroppar. Ämnena kan ha kommit från yttre delen av planetsystemet där de vanligaste ämnena är väte, vatten, kol- och kväveföreningar, just vad som behövs för liv. Organiska ämnen är inte ovanliga i himlakroppar. Det finns meteoriter som innehåller aminosyror. Halleys komet som studerades flitigt för drygt tio år sedan består av is med gott om kolföreningar. Den innehåller en stor andel cyanväte och formalin, just de ämnen som lätt bildar en mångfald av organiska föreningar. Så visst kan viktiga organiska ämnen ha kommit till Jorden via nedfall av himlakroppar.

En annan möjlighet som diskuterats en hel del på senare tid är att organiska ämnen kan ha bildats på havsbotten - vid dess mineralytor. Det kunde ske genom kemiska reaktioner med bland annat svavelväte, koldioxid och svavelmineral. Mineralytor kan dessutom ha spelat en stor roll genom att binda enkla organiska föreningar och katalysera bildandet av mer komplicerade ämnen. Som vi kommer fram till senare, kanske det allra första livet startade i en sådan miljö.

Men sedan då? Ja, för nästa steg behöver man tänka över vad som behövdes för att starta alltsammans. De viktiga processerna i alla levande celler drivs av två typer av vad vi kallar makromolekyler: långa molekylkedjor sammansatta av mindre molekylenheter. Den ena typen är proteiner, uppbyggda av aminosyror. De utgör cellernas maskiner och sköter allt som gör det möjligt att upprätthålla liv. De transporterar ämnen till olika platser i en organism och ombesörjer (som enzym) alla nödvändiga kemiska processer och uppbyggnaden av allt som krävs i cellen. Den andra typen av makromolekyler är informationsmolekylerna, DNA och RNA. DNA innehåller information om allt som skall finnas i en cell. De är mycket långa kedjor som är sammansatta av tre sorters enheter: fosfat, en sockerart, deoxyribos, och en basenhet. Det är numera välkänt att dess speciella följd av basenheter gör det möjligt för nya baser att kopplas till en befintlig kedja och bindas samman till en sorts kopia. Det sättet att kopiera DNA ligger till grunden för all biologisk reproduktion.

DNA innehåller information om cellens alla proteiner - det utgör dess "arvsmassa". När de byggs upp utnyttjas den likartade RNA-molekylen. Den "arvsmassa" som finns på DNA kopieras först över till en RNA-molekyl, som sedan driver uppbyggandet av proteiner. Sådana molekyler som kan kopieras och som kan styra en systematisk uppbyggnad av proteiner är en förutsättning för liv och måste ha uppkommit i ett tidigt stadium.

Frågan man ställer sig är: Hur kan dessa komplicerade molekyler ha bildats i de tidiga skedena, innan de processer som sker i levande celler idag hunnit utformas? Aminosyror kan, vilket jag redan sagt lite om, bildas relativt enkelt. Även små kedjor av aminosyror, vad man kallar peptider, kan sättas ihop ganska lätt. Även dessa kan ha viss katalytisk förmåga och kan hjälpa en del processer. De kan däremot inte kopieras så som RNA och DNA. För de senare är det däremot inte lika klart hur deras enheter kunde bildas och bindas samman. Det är det största problemet i detta område, och man tror nu att DNA och RNA är en utveckling av enklare molekyler med likartad uppbyggnad, och som kunde kopieras. Det finns en del förslag, men inga ledtrådar om vad de kunde ha varit. Vi famlar oss fram och diskuterar olika alternativ.

På något sätt måste molekyler som kunde kopieras ha uppstått i ett tidigt skede. Det är också en förutsättning för evolutionen. När DNA kopieras är inte alla kopior exakt likadana, utan det blir en liten variation. Kopiorna kopieras vidare och variationen ökar med antalet kopieringar. Det är så man ser uppkomsten av en genetisk variation, från vilken fördelaktiga egenskaper kan väljas ut enligt evolutionens urvalsmekanismer. Sådana möjligheter kan ha funnits alltsedan de första kopierade molekylerna. Något som fått stor uppmärksamhet är vad man kallar RNA-världen, en värld med RNA som kan kopieras som DNA och också ha katalytiska egenskaper. Det är en möjlighet där samma molekyler driver processerna och står för kopieringen, de viktigaste kraven för livet.

Först när proteiner kunde bildas från informationen på RNA-molekyler öppnades de verkliga möjligheterna. Man tänker sig att RNA och DNA-molekyler tillsammans med nybildade proteiner kunde åstadkomma en organisation med alla de egenskaper som krävdes för det första livet. Med möjligheter till katalys och kopiering kunde det bildas själorganiserande enheter: Vissa molekyler innehöll information om uppbyggnaden av proteiner som kunde bygga upp enheter och med dem styra uppbyggnaden av informationsmolekyler och sig själva. Sådana enheter kunde avskärmas och på det sättet bildades den första levande cellen.

Det finns ingen information om det allra första livet, men man kan konstatera att allt liv på Jorden i sina celler har i stort sett samma grundläggande biokemiska processer. Samma sorts DNA innehåller samma sorts information som utnyttjas att bygga upp proteiner på samma sätt i allt levande. Detta ger slutsatsen att allt liv på Jorden - som vi känner till - härrör från en gemensam urorganism vars utveckling senare delats upp längs olika grenar för att bilda dagens mångfald, ge livet dess många och skiftande ansikten.

Man kan spåra urcellen genom att studera den gemensamma arvsmassan hos allt levande. Allt pekar på att denna urcellen, ursprunget till allt liv idag var en värmetålig mikroorganism, en typ av bakterie, som kunde tåla temperaturer omkring 100 grader, och som kanske levde i närheten av en vulkanisk källa på oceanbotten av den typ som finns idag mellan kkontinentalplattorna.

Det är mycket som talar för detta. De som idag anses vara de mest primitiva bakterierna är av sådan typ. Den heta källan kan förefalla vara en mycket speciell miljö, men urcellen uppstod i slutskedet av en orolig tid när fortfarande stora himlakroppar gång efter annan kolliderade med Jorden. Då kan en het källa på oceanbotten ha varit en skyddad plats, när liv som kanske uppkommit närmare havsytan förstördes av den kolliderande himlakropp.

I ett stort perspektiv kan vi idag säga en hel del om den fantastiska utvecklingen från när universum uppstod genom en ursmäll, hur materien bildade miljarder galaxer med miljarder stjärnor, hur en av dessa stjärnor fick ett planetsystem och hur en av planeterna började hysa alltmer komplicerade molekyler som en dag lärde sig mångfaldiga sig själva - och bildade liv. Och när livet uppstått drivs det ständigt framåt genom ständig omsättning av energi. En viktig fråga gäller vad de första organismerna utnyttjade som energikällor. Det var dessutom viktigt att få tillgång till väte för att bygga upp olika ämnen i en cell. Koldioxid och kväve fanns tillgängligt, men det krävs också väte för att bilda organiska kemiska föreningar. De första organismerna kunde, som likartade mikroorganismer idag, få energi och väte från svavelväte genom att utnyttja kemiska processer på ytan av svavelmineral. De var då bundna till ytorna, men blev friare när kunde utnyttja solljus för samma sak: att komma åt svavelvätets väte. Det skedde i en första typ av fotosyntes som utnyttjas av vissa bakterier idag.

I ett nästa steg utvecklades den viktigaste processen som någon livsform har åstadkommit, och vilken så småningom ändrade alla förutsättningar på Jorden. Svavelväte-processen förbättrades och ledde fram mot den perfekta fotosyntesen som utnyttjade solens energi och kunde frigöra väte från vatten. Kemiskt sätt är det inte så stor skillnad mellan svavelväte och vatten: svavelväte innehåller en svavelatom och två väten, vatten en syre och två väten. Svavel eller syre utnyttjas inte i fotosyntesen utan frigörs som en avfallsprodukt. Svavel var det inga problem med, men syre var en dödligt giftig avfallsprodukt. Det reagerar med organiska ämnen och förstör dem. Det var nödvändigt att utveckla sätt att handskas med syret, men det gav en enorm fördel genom obegränsad tillgång till väte och energi att driva cellens processer.

Av allt att döma skedde detta mycket tidigt. I de äldsta välbevarade bergen som finns på Jorden, 3 och en halv miljard år gamla, har man funnit fossil av mikroorganismer, som ser likadana ut som fotosyntetiska cyanobakterier (eller som de också kallas blågröna alger) som finns idag. Det finns ännu äldre berg, nästan 4 miljarder år gamla, som under årmiljarderna har utsatts för höga tryck och temperaturer vilket förstört alla eventuella fossil. Men även där i bland annat kolföreningars kemiska sammansättning indikationer att det redan då kan ha funnits fotosyntetiska organismer som producerade syre.

Det är troligt att åtskilliga mikroorganismer som vi aldrig får information om förstördes genom det utsläppta syret. Till all lycka för de överlevande fanns en stor källa som kunde ta hand om syret - järn. I den ursprungliga atmosfären fanns inga järnoxidmineral, de som bildar vöra järnmalmer. Järn rostade inte men löstes i vatten. Syret som släpptes ut av cyanobakterierna kunde bindas av sådant upplöst järn och fällas ut som järnoxid. Så har merparten av jordens järnmalmer bildats. Detta skyddade till viss del organismerna från det farliga syret, och det hindrade syre att anrikas i atmosfären under mycket lång tid.

De fotosyntetiska cyanobakterierna blev Jordens herrar under en enormt lång tid, cirka två miljarder år, halva tiden liv har funnits på Jorden, och nästan halva Jordens ålder. Olika avlagringar visar att livsformerna förändrades mycket lite under den tiden. Cyanobakterier är fortfarande en viktig del i vår värld, försvarar sig så gott de kan, och gör sig ibland stora rubriker genom att orsaka "giftig algblomning".

För ungefär 2 miljarder år sedan hade det mesta av jordytans järn oxiderats av cyanobakteriernas syre, och då kom syre att bli en dominerande del i atmosfären. Då hade det också utvecklats organismer som kunde utnyttja syre att driva kemiska processer. Det var utgångspunkten till en helt ny, och så småningom mycket snabbare utveckling som till slut lett fram till oss människor.

Men det är en annan historia.