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.