Hvordan det første liv på Jorden overlevede sin største trussel – vand

Den 18. februar næste år vil et NASA-rumfartøj styrte ned gennem Mars’ atmosfære, affyre sine retro-raketter for at afbryde faldet og derefter sænke en sekshjulet rover ved navn Perseverance ned til overfladen. Hvis alt går efter planen, vil missionen lande i Jezero-krateret, en 45 kilometer bred flænge nær planetens ækvator, som måske engang har indeholdt en sø med flydende vand.

I blandt de mange jordboere, der jubler over Perseverance, vil John Sutherland være særlig opmærksom. Sutherland, der er biokemiker ved MRC Laboratory of Molecular Biology i Cambridge i Storbritannien, var en af de forskere, der pressede NASA til at besøge Jezero-krateret, fordi det passer til hans ideer om, hvor livet kan være opstået – på Mars og på Jorden.

Valget af landingssted afspejler et skift i tankegangen om de kemiske trin, der forvandlede nogle få molekyler til de første biologiske celler. Selv om mange forskere længe har spekuleret i, at disse banebrydende celler opstod i havet, tyder nyere forskning på, at livets nøglemolekyler og dets centrale processer kun kan dannes på steder som Jezero – et relativt lavvandet vandområde, der fodres af vandløb.

Det skyldes, at flere undersøgelser tyder på, at livets grundlæggende kemikalier kræver ultraviolet stråling fra sollys for at blive dannet, og at det vandige miljø måtte blive meget koncentreret eller endda tørre helt ud til tider. I laboratorieforsøg har Sutherland og andre forskere fremstillet DNA, proteiner og andre centrale bestanddele af celler ved forsigtigt at opvarme simple kulstofbaserede kemikalier, udsætte dem for UV-stråling og med mellemrum tørre dem ud. Kemikere har endnu ikke været i stand til at syntetisere en så bred vifte af biologiske molekyler under forhold, der efterligner havvand.

De nye beviser har fået mange forskere til at opgive ideen om, at livet opstod i havene, og i stedet fokusere på landmiljøer, på steder, der skiftevis var våde og tørre. Skiftet er næppe enstemmigt, men forskere, der støtter ideen om en landlig begyndelse, siger, at det giver en løsning på et længe anerkendt paradoks: at selv om vand er afgørende for livet, er det også ødelæggende for livets kernekomponenter.

Søer og vandpytter på overfladen er meget lovende, siger David Catling, en planetarisk videnskabsmand ved University of Washington i Seattle. “Der er blevet udført meget arbejde i de sidste 15 år, som støtter den retning.”

Ursuppe

Og selv om der ikke findes nogen standardiseret definition af liv, er de fleste forskere enige om, at det kræver flere komponenter. Den ene er informationsbærende molekyler – DNA, RNA eller noget andet. Der må have været en måde at kopiere disse molekylære instruktioner på, selv om processen ville have været ufuldkommen, så der kunne ske fejl, som er kimen til evolutionær forandring. Desuden må de første organismer have haft en måde at ernære og vedligeholde sig selv på, måske ved hjælp af proteinbaserede enzymer. Endelig var der noget, der holdt disse forskellige dele sammen og adskilte dem fra deres omgivelser.

Da laboratorieforskningen af livets oprindelse for alvor begyndte i 1950’erne, antog mange forskere, at livet begyndte i havet med en rig blanding af kulstofbaserede kemikalier, der blev kaldt ursuppen.

Denne idé blev uafhængigt af hinanden foreslået i 1920’erne af biokemikeren Alexander Oparin i det daværende Sovjetunionen og genetikeren J. B. S. Haldane i Det Forenede Kongerige. De forestillede sig hver især den unge Jord som en enorm kemisk fabrik, hvor mange kulstofbaserede kemikalier var opløst i vandet i de tidlige oceaner. Oparin ræsonnerede, at der blev dannet stadig mere komplicerede partikler, som kulminerede i kulhydrater og proteiner: det, han kaldte “grundlaget for livet”.

I 1953 beskrev en ung forsker ved navn Stanley Miller ved University of Chicago i Illinois et nu berømt eksperiment, der blev betragtet som en bekræftelse af disse ideer1. Han brugte en glaskolbe med vand til at efterligne havet og en anden kolbe med metan, ammoniak og brint til at simulere den tidlige atmosfære. Rør forbandt kolberne, og en elektrode simulerede et lyn. Et par dages opvarmning og elektriske stød var nok til at fremstille glycin, den enkleste aminosyre og en vigtig bestanddel af proteiner. Dette tydede for mange forskere på, at livet opstod nær havets overflade.

Men mange forskere siger i dag, at der er et grundlæggende problem med denne idé: Livets hjørnestenmolekyler nedbrydes i vand. Det skyldes, at proteiner og nukleinsyrer som DNA og RNA er sårbare ved deres led. Proteiner er lavet af kæder af aminosyrer, og nukleinsyrer er kæder af nukleotider. Hvis kæderne lægges i vand, angriber det leddene og bryder dem til sidst. I kulstofkemi er “vand en fjende, der skal udelukkes så strengt som muligt”, skrev den afdøde biokemiker Robert Shapiro i sin totemiske bog Origins fra 1986, som kritiserede hypotesen om det oprindelige ocean2.

Dette er vandparadokset. I dag løser cellerne det ved at begrænse den frie bevægelse af vand i deres indre, siger den syntetiske biolog Kate Adamala fra University of Minnesota i Minneapolis. Af denne grund er de populære billeder af cytoplasmaet – stoffet inde i cellen – ofte forkerte. “Man lærer os, at cytoplasmaet bare er en pose, der rummer alting, og at alting svømmer rundt”, tilføjer hun. “Det er ikke sandt, alt er utroligt stilladseret i cellerne, og det er stilladseret i en gel, ikke i en vandpose.”

Hvis levende ting holder vand under kontrol, så er konsekvensen, siger mange forskere, indlysende. Livet blev sandsynligvis dannet på land, hvor vand kun var til stede med mellemrum.

Landstart

Nogle af de vigtigste beviser til fordel for denne idé dukkede op i 2009, da Sutherland meddelte, at det var lykkedes ham og hans hold at fremstille to af de fire nukleotider, der udgør RNA3. De startede med fosfat og fire simple kulstofbaserede kemikalier, herunder et cyanidsalt kaldet cyanamid. Kemikalierne var hele tiden opløst i vand, men de var meget koncentrerede, og afgørende trin krævede UV-stråling. Sådanne reaktioner kunne ikke finde sted dybt nede i et hav – kun i en lille pool eller strøm udsat for sollys, hvor kemikalierne kunne koncentreres, siger han.

Sutherlands hold har siden vist, at de samme startkemikalier, hvis de behandles subtilt anderledes, også kan producere forstadier til proteiner og lipider4. Forskerne foreslår, at disse reaktioner kan have fundet sted, hvis vand indeholdende cyanidsalte blev udtørret af solen og efterlod et lag af tørre, cyanidrelaterede kemikalier, som derefter blev opvarmet af f.eks. geotermisk aktivitet. I det seneste år har hans hold fremstillet DNA’s byggesten – noget, der tidligere blev anset for usandsynligt – ved hjælp af energi fra sollys og nogle af de samme kemikalier i høje koncentrationer5.

Denne fremgangsmåde er blevet udvidet af biokemiker Moran Frenkel-Pinter ved NSF-NASA Center for Chemical Evolution i Atlanta, Georgia, og hendes kolleger. Sidste år viste de, at aminosyrer spontant forbandt sig til proteinlignende kæder, hvis de blev tørret ud6. Og den slags reaktioner var mere sandsynlige for at opstå med de 20 aminosyrer, der findes i proteiner i dag, sammenlignet med andre aminosyrer. Det betyder, at intermitterende tørring kan være med til at forklare, hvorfor livet kun bruger disse aminosyrer ud af hundredvis af muligheder. “Vi så selektion for dagens aminosyrer,” siger Frenkel-Pinter.

Vådt og tørt

Intermitterende udtørring kan også være med til at drive disse molekylære byggesten til at samle sig til mere komplekse, livagtige strukturer.

Et klassisk eksperiment i denne retning blev offentliggjort i 1982 af forskerne David Deamer og Gail Barchfeld, der dengang arbejdede på University of California, Davis7. Deres mål var at undersøge, hvordan lipider, en anden klasse af langkædede molekyler, selvorganiserer sig selv for at danne de membraner, der omgiver cellerne. De lavede først vesikler: sfæriske klumper med en vandig kerne omgivet af to lipidlag. Derefter tørrede forskerne vesiklerne, og lipiderne omorganiserede sig til en flerlaget struktur som en stak pandekager. DNA-strenge, som tidligere havde svævet i vandet, blev fanget mellem lagene. Da forskerne tilsatte vand igen, dannede vesiklerne sig igen – med DNA i dem. Dette var et skridt i retning af en simpel celle.

“Disse vådt-tørre cyklusser findes overalt”, siger Deamer, som nu arbejder på University of California, Santa Cruz. “Det er så simpelt som regnvand, der fordamper på våde klipper.” Men når de anvendes på biologiske kemikalier såsom lipider, siger han, sker der bemærkelsesværdige ting.

I en undersøgelse fra 2008 blandede Deamer og hans hold nukleotider og lipider med vand og lod dem derefter gennemgå våd-tørre cyklusser. Når lipiderne dannede lag, blev nukleotiderne forbundet til RNA-lignende kæder – en reaktion, der ikke ville ske i vand uden hjælp8.

Andre undersøgelser peger på en anden faktor, der synes at være en vigtig del af livets oprindelse: lys. Det er en af konklusionerne fra holdet af den syntetiske biolog Jack Szostak på Massachusetts General Hospital i Boston, som arbejder med “protoceller” – simple versioner af celler, der indeholder en håndfuld kemikalier, men som kan vokse, konkurrere og replikere sig selv. Protocellerne udviser en mere livagtig adfærd, hvis de udsættes for forhold, der ligner dem, der findes på land. I en undersøgelse, som Adamala var medforfatter til, blev det konstateret, at protocellerne kunne bruge energi fra lys til at dele sig i en simpel form for reproduktion9. På samme måde viste Claudia Bonfio, der nu også arbejder på MRC Laboratory of Molecular Biology, og hendes kolleger i 2017, at UV-stråling driver syntesen af jern-svovl-klynger10 , som er afgørende for mange proteiner. Disse omfatter dem i elektrontransportkæden, som er med til at drive alle levende celler ved at drive syntesen af energilagringsmolekylet ATP. Jern-svovl-klyngerne ville gå i stykker, hvis de blev udsat for vand, men Bonfios hold fandt ud af, at de var mere stabile, hvis klyngerne var omgivet af simple peptider, der var 3-12 aminosyrer lange.

Vand, men ikke for meget

Sådanne undersøgelser har givet momentum til ideen om, at livet begyndte på en veloplyst overflade med en begrænset mængde vand. Der er dog stadig debat om, hvor meget vand der var involveret, og hvilken rolle det spillede i starten af livet.

Lige Deamer argumenterer Frenkel-Pinter for, at vådt-tørre cyklusser var afgørende. Tørre forhold, siger hun, gav mulighed for, at kædemolekyler som proteiner og RNA kunne dannes.

Men blot at lave RNA og andre molekyler er ikke liv. Der skal dannes et selvbærende, dynamisk system. Frenkel-Pinter foreslår, at vandets destruktivitet kan have været med til at drive dette frem. Ligesom byttedyr udviklede sig til at løbe hurtigere eller udskille giftstoffer for at overleve rovdyr, kan de første biologiske molekyler have udviklet sig til at klare vandets kemiske angreb – og endda til at udnytte dets reaktivitet til det gode.

I år fulgte Frenkel-Pinter’s hold op på deres tidligere undersøgelse6, der viste, at tørring fik aminosyrer til at forbinde sig spontant. Holdet fandt ud af, at deres proto-proteiner kunne interagere med RNA, og at begge blev mere stabile i vand som følge heraf11. I realiteten virkede vandet som et selektionspres: Kun de kombinationer af molekyler, der kunne overleve i vand, ville fortsætte, fordi de andre ville blive ødelagt.

Tanken er, at med hver cyklus af vådt vand blev de svagere molekyler, eller de molekyler, der ikke kunne beskytte sig selv ved at binde sig til andre, ødelagt. Bonfio og hendes hold demonstrerede dette i en undersøgelse i år12, hvor de forsøgte at omdanne simple fedtsyrer til mere komplekse lipider, der ligner dem, der findes i moderne cellemembraner. Forskerne skabte blandinger af lipider og fandt ud af, at de simple lipider blev ødelagt af vand, mens de større, mere komplekse lipider blev ophobet. “På et tidspunkt ville man have nok af disse lipider til, at de kunne danne membraner”, siger hun. Med andre ord kan der måske være en Guldlok-mængde vand: ikke så meget, at biologiske molekyler ødelægges for hurtigt, men heller ikke så lidt, at intet ændrer sig.

Varme små damme

Hvor kan alt dette være sket? På dette punkt er der en generationskløft i feltet. Mange ældre forskere er engageret i det ene eller det andet scenarie, mens yngre forskere ofte hævder, at spørgsmålet er vidt åbent.

Det åbne hav er ikke levedygtigt, siger Frenkel-Pinter, fordi kemikalierne ikke kan koncentreres på nogen måde. “Det er virkelig et problem,” er Bonfio enig.

En alternativ idé om havet er siden 1980’erne blevet forsøgt forsøgt af geologen Michael Russell, en uafhængig forsker, der tidligere har arbejdet på Jet Propulsion Laboratory i Pasadena i Californien. Russell hævder, at livet begyndte i slamager på havbunden, hvor varmt alkalisk vand siver op fra de geologiske formationer nedenunder. Interaktioner mellem varmt vand og sten ville give kemisk energi, som først ville drive simple stofskiftecyklusser, som senere ville begynde at fremstille og bruge kemikalier som RNA.

Russell er kritisk over for Sutherlands tilgang. “Han laver alle disse fantastiske stykker kemi,” siger han, men for Russell er intet af det relevant. Det skyldes, at moderne organismer bruger helt andre kemiske processer til at fremstille stoffer som RNA. Han hævder, at disse processer må være opstået først, og ikke selve stofferne. “Livet udvælger meget specielle molekyler. Men man kan ikke vælge dem fra bænken. Man er nødt til at lave dem fra bunden, og det er det, livet gør.”

Sutherland imødegår, at når først RNA, proteiner og så videre var blevet dannet, ville evolutionen have taget over og gjort det muligt for proto-organismer at finde nye måder at lave disse molekyler på og dermed opretholde sig selv.

I mellemtiden har mange forskere udtrykt skepsis over for Russells alkalisk-vent-hypotese, idet de hævder, at den mangler eksperimentel støtte.

Men kemiske eksperimenter, der simulerer overfladeforhold, har derimod fremstillet byggestenene til nukleinsyrer, proteiner og lipider. “Intet af denne syntese findes i denne hypotese om hydrotermiske slamslukke i dybhavet. Det er simpelthen ikke blevet gjort, og muligvis fordi det ikke kan lade sig gøre,” siger Catling.

Frenkel-Pinter er også kritisk over for ideen om en slammetank, fordi de molekyler, hun arbejder med, ikke ville overleve længe under disse forhold. “Dannelsen af disse protopeptider er ikke særlig forenelig med hydrotermiske slamslukningssteder,” siger Frenkel-Pinter.

En mulig løsning blev foreslået i maj af geokemiker Martina Preiner, der er postdoc ved universitetet i Düsseldorf i Tyskland, og hendes kolleger. Hun argumenterer for, at varme og kemiske reaktioner i klipperne under hydrotermiske slamslukningssteder binder vandmolekyler eller bryder dem fra hinanden – og skaber tørre rum13. “Der er vekselvirkninger mellem sten og vand, som til en vis grad fjerner vandet”, siger hun. Med mellemrum trænger der mere havvand ind, hvilket giver “noget i retning af en våd-tør cyklus”. Dette burde gøre dybhavsstenene meget mere velegnede til dannelse af nøglemolekyler, mener Preiner, selv om hun erkender, at det stadig kun er en hypotese. “Selvfølgelig er man stadig nødt til at lave de relevante eksperimenter for at bevise, at dette kan give visse reaktioner.”

På nuværende tidspunkt findes disse beviser imidlertid ikke. I mellemtiden vokser den eksperimentelle støtte til ideen om, at livet startede i små vandmasser på land.

Sutherland går ind for et meteoritnedslagskrater, opvarmet af solen og af den resterende energi fra nedslaget, med flere vandstrømme, der løber ned ad de skrånende sider og til sidst mødes i et bassin i bunden. Dette ville have været et komplekst, tredimensionelt miljø med mineraloverflader, der kunne fungere som katalysatorer, hvor kulstofbaserede kemikalier skiftevis kunne være blevet opløst i vand og tørret ud i solen. “Man kan med en vis grad af sikkerhed sige, at vi skal være på overfladen, vi kan ikke være dybt nede i havet eller 10 kilometer nede i jordskorpen”, siger Sutherland. “Så har vi brug for fosfat, vi har brug for jern. Mange af disse ting kan meget let leveres af jern-nikkel-meteoritter.” Scenariet med nedslag har yderligere en fordel: Meteoritnedslag giver atmosfæren et chok og producerer cyanid, siger Sutherland.

Deamer har længe været fortaler for et andet forslag: vulkanske varme kilder. I en undersøgelse i år argumenterede han og hans kollega Bruce Damer for, at lipider ville have dannet protoceller i de varme vande14, som hans tidligere eksperimenter indikerede. De vådt-tørre cyklusser på kanten af bassinerne ville have drevet dannelsen og kopieringen af nukleinsyrer som RNA.

Deamer har gennemført flere eksperimenter i moderne vulkanske varme kilder for at afprøve sine ideer. I 2018 viste hans hold, at vesikler kunne dannes i varmt kildevand15 og endda omslutte nukleinsyrer – men de ville ikke blive dannet i havvand. En opfølgende undersøgelse sidste år viste, at når de resulterende vesikler blev tørret, blev nukleotider forbundet til hinanden for at danne RNA-lignende strenge16.

For at indsnævre det sted, hvor livet startede, er det nødvendigt at forstå det bredere billede af præbiotisk kemi: hvordan de mange reaktioner passer sammen og de forskellige betingelser, hvorunder de opstår. Denne mammutopgave er blevet forsøgt af en gruppe ledet af kemiker Sara Szymkuć, formand for det nystartede firma Allchemy i Highland, Indiana. Holdet offentliggjorde i september en omfattende undersøgelse, hvor der blev brugt en computeralgoritme til at undersøge, hvordan et stort netværk af kendte præbiotiske reaktioner kunne have produceret mange af de biologiske molekyler, der anvendes i livet i dag17.

Nettet var meget redundant, så vigtige biologiske forbindelser kunne stadig dannes, selv hvis flere reaktioner blev blokeret. Af denne grund hævder Szymkuć, at det er for tidligt at udelukke nogen af scenarierne for, hvor livet opstod. Det vil kræve systematisk testning af en række forskellige miljøer for at se, hvilke reaktioner der opstår hvor.

Beyond Earth

Hvis eksperimenter som Sutherlands viser vejen til, hvordan livet begyndte på Jorden, kan de også hjælpe med at udforske, hvor livet kan være startet andre steder i kosmos.

Mars har tiltrukket sig mest opmærksomhed, fordi der er klare beviser for, at der engang var flydende vand på dens overflade. Landingsstedet for NASA’s Perseverance-rover, Jezero-krateret, blev valgt bl.a. fordi det ser ud til at have været en sø engang – og kunne have været vært for den kemi, som Sutherland har undersøgt. Han var med til at skrive en præsentation fra 2018 til NASA under ledelse af Catling, som opsummerede resultaterne af den præbiotiske kemi og gav råd om, hvor Perseverance skulle lede. “Vi præsenterede denne kemi og sagde, at dette Jezero-krater, som er det, de i sidste ende valgte, er det krater, hvor der var størst sandsynlighed for, at denne kemi kunne udspille sig,” siger Sutherland.

Det vil vare to måneder, før Perseverance når Mars – og år, før de prøver, den indsamler, returneres til Jorden af en fremtidig mission, som endnu ikke har fået et navn. Så der er stadig lang tid at vente, før vi finder ud af, om Mars rummer liv, eller om den gjorde det for milliarder af år siden. Men selv hvis den ikke gjorde det, kan den måske afsløre spor af præbiotisk kemi.

Det bedste tilfælde, siger Catling, er, at Perseverance finder komplicerede kulstofbaserede molekyler i lagene af Mars’ sediment, såsom lipider eller proteiner, eller deres nedbrudte rester. Han håber også på beviser for vådt-tørre cyklusser. Dette kan komme i form af karbonatlag, der blev dannet, da en sø tørrede ud og blev fyldt op igen mange gange. Han har mistanke om, at “livet ikke nåede særlig langt på Mars”, fordi vi ikke har set nogen tydelige tegn på det, f.eks. tydelige fossiler eller kulstofrige sorte skifersten. “Det, vi leder efter, er ret simpelt, måske endda så meget, at det er præbiotisk, snarere end selve cellerne.”

Det kan være, at Mars kun tog de første kemiske skridt i retning af liv og ikke gik hele vejen. I så fald kan vi måske finde fossiler – ikke af liv, men af præliv.