Hur uppstod liv på jorden?

De allra första organismerna var encelliga. De var antagligen ganska lika bakterier och andra encelliga organismer som finns i dag. Inuti dem hittar vi livets byggstenar, de biomolekyler som krävs för att skapa liv. Proteinerna är en av byggstenarna. De fungerar som enzymer, det vill säga molekyler som reglerar livsviktiga kemiska processer. Det genetiska maskineriet är en annan byggsten. Dna i generna utgör byggbeskrivningar för proteinerna. Rna tolkar dessa byggbeskrivningar och pusslar ihop proteiner med hjälp av små molekyler som kallas aminosyror. Själva höljet runt cellen, cellmembranet, är en annan oumbärlig byggsten. Det håller samman organismen, skyddar dess inre och sköter kontakten med omvärlden. Tillsammans skapar de här byggstenarna liv – men att räkna ut var och hur byggstenarna uppstod och hur de förenades till en enhet, en cell, det är en utmaning.

Ulf Ellervik är professor i bioorganisk kemi vid Lunds universitet. Han är också författare och livets uppkomst är ett tema som han tar upp i en av sina populärvetenskapliga böcker.

– Man kan säga att två processer kännetecknar liv. En av dem är replikationen som ser till att genetisk information överförs till nästa generation. Den andra är metabolismen, energiförsörjningen. Teorierna om livets uppkomst brukar betona antingen den ena eller den andra processen, vad kom först: generna eller metabolismen, säger Ulf Ellervik.

En av de mest framträdande teorierna på temat ”generna kom först” är den så kallade rna-världshypotesen. Teorin vilar på upptäckten att rna under vissa förutsättningar kan kopiera sig självt. En dna-molekyl är byggd som en trappa där de informationsbärande molekylerna, kvävebaserna, bildar par – de utgör själva ”trappstegen”. En rna-molekyl ser ut som en dna-molekyl delad på längden. Den har enkla kvävebaser som dock också vill bilda par. Kvävebaser på olika platser i rna-molekylen dras till varandra så att den knölas ihop till ett nystan – rna-molekylen liknar ett enzym, (se infografiken). Kanske lyckades en rna-molekyl vika ihop sig till ett självkopierande enzym – en molekyl som kunde föröka sig.

– En rna-molekyl som lyckats få den här förmågan skulle ju snabbt konkurrera ut andra rna-molekyler. Rna är dessutom väldigt instabilt så man kan tänka sig att kvävebaser ofta byttes ut, vilket skapade förutsättningar för evolution.

Men hur uppstod den allra första rna-molekylen? Vill man hitta svaret på den frågan får man dyka ner i ursoppan, en blandning av vatten och organiska föreningar, som tros ha existerat på jorden under samma tid som liv uppstod, det vill säga, för närmare fyra miljarder år sedan. Forskare har försökt återskapa den här urtida miljön i laboratorier. I början av 1950-talet utförde de amerikanska forskarna Stanley Miller och Harold Urey ett experiment som har blivit klassiskt. Forskarna blandade till ett slags tänkt urtida atmosfär bestående av metan, ammoniak, koldioxid och väte. Gasblandningen inneslöts i en lufttät behållare som var utrustad med ett par elektroder. Behållaren kopplades ihop med en glaskolv som innehöll vatten. Genom att skicka ström genom elektroderna simulerade forskarna åsknedslag, vars energiurladdningar startade kemiska reaktioner i den konstgjorda uratmosfären. Systemet kyldes ned så att de kemiska föreningarna som hade bildats kondenserade och hamnade i vattnet (ursoppan). Den här cykeln upprepades om och om igen under en veckas tid. När forskarna analyserade innehållet i sin ursoppa hittade de flera olika aminosyror, proteinernas byggstenar. Ulf Ellervik har byggt en liknande apparat och upprepat Miller-Ureys försök i sitt eget laboratorium.

– Det var spännande. Det gäller att få ut allt syre ur systemet, annars exploderar det när man slår på strömmen. Men det gick bra. En av de första sakerna jag noterade var en starkt stickade doft från cyanväte. Det är intressant. Cyanväte är ett mycket reaktivt ämne som kan ge upphov till många olika sorters biomolekyler, berättar han.

På senare år har Stanley Millers och Harold Ureys experiment ifrågasatts. Den atmosfär som användes i försöket har troligtvis aldrig funnits på jorden. Men försöket har upprepats med nya gasblandningar och förbättrade analysmetoder. I dessa försök har man lyckats framställa ytterligare aminosyror och en mängd andra viktiga biomolekyler, exempelvis de kvävebaser som ingår i rna och dna. Det är antagligen omöjligt att hitta det exakta receptet på ursoppa. Men den verkar ha varit ordentligt kryddad med livsmolekyler.

Så, låt anta att det flöt runt självkopierande rna-molekyler samt en massa andra biomolekyler i ursoppan. Vad blev nästa steg mot livets uppkomst? Det är i princip omöjligt att svara på. Men vi vet i alla fall hur historien slutade.

– Rna kan visserligen både lagra information och fungera som ett enzym, men är inte särskilt bra på något av det. Så proteinerna tog över rollen som enzym och dna blev informationsbäraren. Rna blev länken mellan dem, budbäraren, säger Ulf Ellervik.

Cellens genetiska maskineri kräver energi. Och cellens energisystem, metabolismen, kräver ett cellmembran. Alla organismer använder samma bränsle i sina celler. Det är en energirik molekyl som kallas adenosintrifosfat, ATP, som utvinns ur en protongradient, en skillnad i protonkoncentration över ett membran. Detta membran finns inuti mitokondrierna, cellens kraftverk. Speciella membranproteiner pumpar in protoner till mitokondriens inre del. ATP bildas med hjälp av energin som frigörs när protonerna flödar ut igen.

– Man kan jämföra processen med ett vattenkraftverk som har en damm. Vatten kan pumpas upp till dammen så att en gradient uppstår. Det finns mera energi i dammen än nedanför. När dammluckan öppnas frigörs rörelseenergi som används för elproduktionen. Membranet i cellen motsvarar dammen och turbinen i kraftverket motsvarar enzymerna som tillverkar ATP.

Cellmembranets andra huvuduppgift är att omsluta och skydda cellens maskineri. Om man vill vara filosofisk kan man se cellmembranet som själva gränsen för liv. Utanför gränsen finns världen, innanför finns individen. Det finns forskare som menar att livet började med ett cellmembran.

Dags att återvända till ursoppan.

Enligt den brittiske fysikern Freeman Dyson började livet med ”små påsar fyllda med skräp”. Påsarna flöt runt i ursoppan och bestod av fettsyror, ett slags förlagor till de fosfolipider som bygger upp cellmembranen hos nutida varelser. Den här sortens fettmolekyler kan spontant bilda membranliknande strukturer när de kommer i kontakt med vatten. Fettmolekylerna består av två delar som har motstridiga viljor: ett ”huvud” som vill binda till vatten och en ”svans” som försöker stöta bort vatten. Fettmolekylerna löser konflikten genom att bilda par som sitter ihop i svansarna. Paren raddar sedan upp sig och bildar sfärer så att svansarna göms inuti sfärens väggar och huvudena pekar inåt och utåt, (se infografiken). Den här konfigurationen finns i cellmembranen hos alla nu levande organismer. Processen ger en fingervisning om hur celldelningen kunde uppstå.

– Fettsyrorna aggregerar och bildar en sfär. Processen avstannar inte – sfären växer tills den når en viss kritisk storlek. Då delar den sig så att två sfärer bildas. Den här processen har inget med biologi att göra, utan sker automatiskt. Men kanske lade den grunden till celldelningen som finns hos alla levande organismer, säger Ulf Ellervik.

De små påsarna med skräp som Freeman Dyson föreställde sig, uppstod alltså när fettsyror i ursoppan band till varandra och bildade sfärer som inneslöt andra ingredienser ur ursoppan, exempelvis aminosyror och rna. Ett slags urceller bildades.

Teorin om urceller i ursoppan vilar tungt på fettsyrornas förmåga att bilda sfärer. Den processen fungerar alldeles utmärkt i rent vatten. Men ursoppan var just en soppa – och antagligen en ganska salt sådan. Fettsyror klarar inte att bilda stabila sfärer i vatten med hög salthalt. Här saknas en viktig bit i livspusslet: Hur kunde cellmembran uppstå i en sådan ogästvänlig miljö? Nu verkar det som att ett forskarteam från University of Washington har hittat svaret på den frågan.

Forskarna skapade ett slags urtida cellmembran i vatten med hjälp av en fettsyra som kallas kaprinsyra. Cellmembranen förstördes av salt, vilket var väntat. Forskarna provade att tillsätta aminosyror i vattnet – och då klarade cellmembranen saltvatten. Forskarnas analyser visade att aminosyrorna binder till cellmembranet och förstärker det. Vid ett annat experiment har de visat att även kvävebaser och ribos – ett slags socker som bland annat ingår i rna – binder till samma sorts cellmembran.

De här upptäckterna slår två flugor i en smäll. De förklarar hur fetter kunde bilda stabila membran i ursoppan och hur livets molekyler fördes samman. Mötesplatsen var alltså själva cellmembranet. Aminosyror band till membranen men också till varandra – de bildade kedjor. Därmed började de första proteinerna att ta form. Samma sak med rna och dess byggstenar – kvävebaser och ribos – de förenades också på membranen de band till. Livets molekyler både utvecklades och sammanfördes här, menar de amerikanska forskarna.

– Det är en spännande teori som är fullt rimlig. Cellmembranen är ju extremt viktiga och har många funktioner. De kan mycket väl ha medverkat till att sammanföra vissa biomolekyler. Men jag är övertygad om att sista ordet inte är sagt om detta – det finns exempelvis forskare som tror att livet uppstod på helt andra platser, säger Ulf Ellervik.

Jo, så är det. Det finns exempelvis forskare som menar att livet uppstod i avsevärt tuffare miljöer än i ursoppan. På Atlantens botten mitt emellan Svalbard och Norges fastland finns ett vulkaniskt område som liknar ett sjunket dystopiskt industriområde – ett slags antites till den vackra fantasivärlden Atlantis. Området består av mängder med 13 meter höga skorstensliknande formationer som spyr ut svavel- och metanhaltigt varmvatten. Dessa hydrotermiska källor ser ut att kunna döda alla former av liv, men i stället sjuder området av liv. Här finns mängder med bakterier, arkéer och havsborstmaskar. Det finns forskare som menar att livet uppstod på sådana här platser.

Som tidigare nämnts producerar cellerna sitt bränsle, ATP, med hjälp av en protongradient som uppstår när protoner pumpas igenom ett cellmembran. Eftersom alla kända varelser använder ATP som energikälla är det troligt att även de allra första organismerna använde ett liknande energisystem. Men ATP-tillverkningen sker ju inuti cellerna – och inget liv utan energi. Vi får ett klassiskt moment 22. Vad kom först, hönan eller ägget? Eller snarare: Vad kom först, cellmembranet eller ATP? Svaret finns i de hydrotermiska källornas skorstenar. En del av mineralerna där bildar rörliknande hålrum vars diameter är mindre än en millimeter. Varmt basiskt vatten pressas genom rören och möter det kalla sura havsvattnet. En protongradient uppstår, inte olik den som driver ATP-tillverkningen i cellerna.

– Det är troligt att den här protongradienten utgör energikällan för de allra första livsprocesserna. Livet kan mycket väl ha uppstått i dessa hålrum, säger Ulf Ellervik.

Enligt den här teorin råder det ingen tvekan om att metabolismen uppstod före generna. Livet skapades runt ett befintligt energisystem, protongradienten i de hydrotermiska källorna. Livets molekyler uppstod inuti de små hålrummen i skorstenarna. Cellmembranet bildades ganska sent i livsprocessen, men när det väl var på plats kunde livet lämna hålrummen och bli frilevande.

Det verkar alltså som att livsmolekyler kan uppstå i en rad olika miljöer: på havsbotten, i ursoppan och i atmosfären – och vi kan lika gärna fortsätta uppåt. Det finns nämligen forskning som indikerar att livsmolekylerna kommer från rymden. Man har hittat aminosyror och en del andra biomolekyler i meteoriter som har slagit ned på jorden. Och aminosyrorna från rymden delar en märklig egenskap med aminosyrorna som finns i proteinerna på jorden. De har alla ett överskott av vänstervridna molekyler. Men varför är livet vänstervridet? Det är en av de största luckorna i livspusslet.

Alla aminosyror förekommer i två versioner som är varandras spegelbilder, som höger- och vänsterskor. Om man tillverkar aminosyror med exempelvis Stanley Millers och Harold Ureys metoder får man lika många av varje sort. Men livet på jorden använder endast vänstervarianten och den dominerar också bland aminosyrorna som man hittar i meteoriterna. Är hela universum vänstervridet? Nej troligtvis inte. Men det kan vara så att vår del av Vintergatan är det. Det skulle kunna bero på att dessa aminosyror, som kallas L-aminosyror, är mera motståndskraftiga mot uv-strålning än högervarianten, som kallas R-aminosyror.

– Men eftersom jorden under lång tid har haft en atmosfär som skyddar mot uv-strålning så verkar det troligt att den här vänsterdominansen har uppstått ute i rymden och inte på jorden, säger Ulf Ellervik.

Det kan dock inte röra sig om vanlig uv-strålning. Den är lika skadlig för alla varianter av aminosyror och kan därför inte ha gett upphov till L-aminosyrornas dominans. Men i teorin skulle så kallad cirkulärpolariserande uv-strålning kunna göra det. Det är strålning som vrider sig runt ett plan i ett skruvliknande mönster; om strålningen vrids åt ena hållet bryts en variant av aminosyran ned, om strålning vrids åt andra hållet bryts den andra varianten ned. Nu är det inte så att vårt solsystem badar i den här sortens uv-strålning, tvärtom, den har aldrig påvisats. Men det finns indikationer på att cirkulärpolariserande uv-strålning förekommer i områden som har en intensiv stjärnbildning. Ett sådant område kallas Orions molekylära molnkomplex, OMC, och ligger ungefär 1 500 ljusår bort. En teori är att L-dominansen bland aminosyror uppstod här. De spreds sedan till jorden med meteoriter och med kosmiskt damm.

År 2014 lyckades det europeiska rymdorganet, ESA, för första gången ta prover från en komet. Rymdsonden Rosetta, som då hade färdats tio år genom rymden, skickade ut en landare som med hjälp av en harpun förankrade sig i ytan på en komet med det krångliga namnet 67P/Tjurjumov-Gerasimenko. Tanken var att landaren skulle borra sig in kometens yta och ta prover. Det misslyckades tyvärr, men den lyckades analysera lite av det stoft som virvlade upp från kometen då landaren studsade mot dess yta. Stoftet innehöll is, cyanväte, metylamin, kolmonoxid och drygt ett tiotal andra ämnen. Kometen färdas i en elliptisk bana runt solen med en omloppstid på drygt sex år.

– När kometen kommer nära solen tinar dess yta upp och då bildades troligen en atmosfär som har alla förutsättningar för att bilda biomolekyler. När avståndet till solen ökar stannar processen av och biomolekylerna fryses in. Den här processen upprepas under varje solvarv så man kan förvänta sig att koncentrationen av biomolekyler är hög på kometen, säger Ulf Ellervik.

Om vi försöker summera allt det här får vi en bild – om än ganska suddig – av livets uppkomst. Energin som krävdes för att skapa liv kom från kemiska gradienter som fanns på platser med hög energikoncentration, som hydrotermiska källor. Rna lyckades bli självkopierande och cellmembran uppstod spontant från fettsyror. Kanske möttes de andra byggstenarna på själva cellmembranen och kanske kom någon av byggstenarna från rymden. Livets uppkomst är verkligen en soppa.

– Livets molekyler kom i viss utsträckning från rymden men själva livet uppstod på jorden – det är väl en bra summering, avslutar Ulf Ellervik.