Hur det första livet på jorden överlevde sitt största hot – vatten

Den 18 februari nästa år kommer en rymdfarkost från NASA att störta genom Marsatmosfären, avfyra sina retroraketer för att bryta fallet och sedan sänka ner en sexhjulig rover vid namn Perseverance till ytan. Om allt går enligt planerna kommer uppdraget att landa i Jezero-kratern, en 45 kilometer bred klyfta nära planetens ekvator som en gång i tiden kan ha innehållit en sjö med flytande vatten.

I bland skarorna av jordbor som hejar på Perseverance kommer John Sutherland att vara särskilt uppmärksam. Sutherland, en biokemist vid MRC Laboratory of Molecular Biology i Cambridge, Storbritannien, var en av de forskare som lobbade NASA att besöka Jezerokratern, eftersom den passar in på hans idéer om var livet kan ha uppstått – på Mars och på jorden.

Valet av landningsplats återspeglar ett skifte i tänkandet om de kemiska steg som förvandlade några molekyler till de första biologiska cellerna. Även om många forskare länge har spekulerat i att dessa banbrytande celler uppstod i havet, tyder ny forskning på att livets nyckelmolekyler, och dess kärnprocesser, endast kan bildas på platser som Jezero – en relativt grund vattenförekomst som matas av bäckar.

Det beror på att flera studier tyder på att livets grundkemikalier kräver ultraviolett strålning från solljuset för att kunna bildas, och att vattenmiljön var tvungen att bli mycket koncentrerad eller till och med torka ut helt vid vissa tillfällen. I laboratorieexperiment har Sutherland och andra forskare framställt DNA, proteiner och andra kärnkomponenter i celler genom att försiktigt värma upp enkla kolbaserade kemikalier, utsätta dem för UV-strålning och med jämna mellanrum torka ut dem. Kemister har ännu inte kunnat syntetisera ett så stort antal biologiska molekyler under förhållanden som efterliknar havsvatten.

De nya bevisen har fått många forskare att överge idén om att livet uppstod i haven och i stället fokusera på landmiljöer, på platser som var omväxlande våta och torra. Skiftet är knappast enhälligt, men forskare som stöder idén om en landbaserad början säger att den erbjuder en lösning på en sedan länge erkänd paradox: att även om vatten är nödvändigt för livet är det också destruktivt för livets kärnkomponenter.

Sjöar och vattenpölar på ytan är mycket lovande, säger David Catling, planetforskare vid University of Washington i Seattle. ”Det finns mycket arbete som har gjorts under de senaste 15 åren som skulle stödja den riktningen.”

Primordial soup

Och även om det inte finns någon standardiserad definition av liv är de flesta forskare överens om att det behövs flera komponenter. En är informationsbärande molekyler – DNA, RNA eller något annat. Det måste ha funnits ett sätt att kopiera dessa molekylära instruktioner, även om processen skulle ha varit ofullständig för att tillåta misstag, fröna till evolutionär förändring. Dessutom måste de första organismerna ha haft ett sätt att livnära sig och underhålla sig själva, kanske med hjälp av proteinbaserade enzymer. Slutligen var det något som höll ihop dessa olikartade delar och skilde dem från sin omgivning.

När laboratorieforskningen om livets ursprung började på allvar på 1950-talet antog många forskare att livet började i havet, med en rik blandning av kolbaserade kemikalier som kallades för den ursprungliga soppan.

Den här idén föreslogs oberoende av varandra på 1920-talet av biokemisten Alexander Oparin, i det dåvarande Sovjetunionen, och genetikern J.B.S. Haldane i Storbritannien. Båda föreställde sig den unga jorden som en enorm kemisk fabrik, med mängder av kolbaserade kemikalier upplösta i vattnet i de tidiga oceanerna. Oparin resonerade att alltmer komplicerade partiklar bildades och kulminerade i kolhydrater och proteiner: vad han kallade ”livets grund”.

År 1953 beskrev en ung forskare vid namn Stanley Miller vid University of Chicago i Illinois ett numera berömt experiment som ansågs bekräfta dessa idéer1. Han använde en glaskolv med vatten för att efterlikna havet och en annan kolv med metan, ammoniak och väte för att simulera den tidiga atmosfären. Rör förband kolvarna och en elektrod simulerade blixten. Några dagars uppvärmning och elektriska stötar räckte för att göra glycin, den enklaste aminosyran och en viktig beståndsdel i proteiner. Detta tydde för många forskare på att livet uppstod nära havsytan.

Men många forskare säger idag att det finns ett grundläggande problem med den idén: livets hörnstensmolekyler bryts ner i vatten. Detta beror på att proteiner, och nukleinsyror som DNA och RNA, är sårbara i sina leder. Proteiner består av kedjor av aminosyror, och nukleinsyror är kedjor av nukleotider. Om kedjorna placeras i vatten angriper det länkarna och bryter så småningom sönder dem. Inom kolkemin är ”vatten en fiende som ska uteslutas så rigoröst som möjligt”, skrev den framlidne biokemisten Robert Shapiro i sin totemiska bok Origins från 1986, där han kritiserade hypotesen om det primordiala havet2.

Detta är vattenparadoxen. I dag löser cellerna den genom att begränsa vattnets fria rörlighet i sitt inre, säger den syntetiska biologen Kate Adamala vid University of Minnesota i Minneapolis. Av denna anledning är de populära bilderna av cytoplasman – substansen inuti cellen – ofta felaktiga. ”Vi får lära oss att cytoplasma bara är en påse som rymmer allting och att allting simmar runt”, tillägger hon. ”Det är inte sant, allting är otroligt uppbyggt i cellerna, och det är uppbyggt i en gel, inte i en vattenpåse.”

Om levande varelser håller vattnet under kontroll är följden, enligt många forskare, uppenbar. Livet bildades troligen på land, där vatten endast var tillfälligt närvarande.

Landstart

En del av de viktigaste bevisen till förmån för denna idé framkom 2009, när Sutherland meddelade att han och hans team hade lyckats tillverka två av de fyra nukleotider som ingår i RNA3. De började med fosfat och fyra enkla kolbaserade kemikalier, inklusive ett cyanidsalt som kallas cyanamid. Kemikalierna löstes genomgående i vatten, men de var högkoncentrerade, och avgörande steg krävde UV-strålning. Sådana reaktioner skulle inte kunna äga rum djupt inne i ett hav – endast i en liten bassäng eller ström som utsätts för solljus, där kemikalierna kan koncentreras, säger han.

Sutherlands team har sedan dess visat att samma startkemikalier, om de behandlas på ett subtilt sätt annorlunda, också kan producera prekursorer till proteiner och lipider4. Forskarna föreslår att dessa reaktioner kan ha ägt rum om vatten som innehåller cyanidsalter torkades ut av solen och lämnade ett lager av torra, cyanidrelaterade kemikalier som sedan värmdes upp av till exempel geotermisk aktivitet. Under det senaste året har hans grupp producerat DNA:s byggstenar – något som tidigare ansågs osannolikt – med hjälp av energi från solljus och några av samma kemikalier i höga koncentrationer5.

Detta tillvägagångssätt har utvidgats av biokemisten Moran Frenkel-Pinter vid NSF-NASA Center for Chemical Evolution i Atlanta, Georgia, och hennes kollegor. Förra året visade de att aminosyror spontant kopplades samman för att bilda proteinliknande kedjor om de torkades ut6. Och den typen av reaktioner var mer sannolika att inträffa med de 20 aminosyror som finns i proteiner idag, jämfört med andra aminosyror. Det betyder att intermittent torkning skulle kunna bidra till att förklara varför livet endast använder dessa aminosyror, av hundratals möjligheter. ”Vi såg ett urval för dagens aminosyror”, säger Frenkel-Pinter.

Våt och torr

Intermittent uttorkning kan också bidra till att driva dessa molekylära byggstenar till att sätta sig samman till mer komplexa, livsliknande strukturer.

Ett klassiskt experiment i linje med detta publicerades 1982 av forskarna David Deamer och Gail Barchfeld, som då var verksamma vid University of California, Davis7. Deras syfte var att studera hur lipider, en annan klass av långkedjiga molekyler, självorganiserar sig för att bilda de membran som omger cellerna. De tillverkade först vesiklar: sfäriska klumpar med en vattenhaltig kärna omgiven av två lipidskikt. Sedan torkade forskarna vesiklarna och lipiderna omorganiserades till en flerskiktsstruktur som en stapel pannkakor. DNA-strängar, som tidigare flöt i vattnet, fastnade mellan lagren. När forskarna tillsatte vatten igen återbildades vesiklarna – med DNA inuti dem. Detta var ett steg mot en enkel cell.

”Dessa våt-torkcykler finns överallt”, säger Deamer, som nu arbetar vid University of California, Santa Cruz. ”Det är så enkelt som att regnvatten avdunstar på våta stenar.” Men när de tillämpas på biologiska kemikalier som lipider, säger han, händer anmärkningsvärda saker.

I en studie från 2008 blandade Deamer och hans team nukleotider och lipider med vatten och utsatte dem sedan för våt-torkcykler. När lipiderna bildade lager kopplades nukleotiderna samman till RNA-liknande kedjor – en reaktion som inte skulle ske i vatten utan hjälp8.

Andra studier pekar på en annan faktor som verkar vara en viktig del av livets ursprung: ljus. Det är en av slutsatserna från teamet med den syntetiske biologen Jack Szostak vid Massachusetts General Hospital i Boston, som arbetar med ”protokollceller” – enkla versioner av celler som innehåller en handfull kemikalier, men som kan växa, konkurrera och replikera sig själva. Protocellerna uppvisar mer levande beteenden om de utsätts för förhållanden som liknar dem som råder på land. I en studie, där Adamala var medförfattare, fann man att protocellerna kunde använda energi från ljus för att dela sig, i en enkel form av reproduktion9. På liknande sätt visade Claudia Bonfio, nu också vid MRC Laboratory of Molecular Biology, och hennes kollegor 2017 att UV-strålning driver syntesen av järn-svavelkluster10, som är avgörande för många proteiner. Dessa inkluderar dem i elektrontransportkedjan, som bidrar till att driva alla levande celler genom att driva syntesen av energilagringsmolekylen ATP. Järn-svavelklustren skulle brytas sönder om de utsattes för vatten, men Bonfios grupp fann att de var mer stabila om klustren omgavs av enkla peptider som var 3-12 aminosyror långa.

Vatten, men inte för mycket

Sådana studier har gett fart åt idén om att livet började på en väl upplyst yta med en begränsad mängd vatten. Det finns dock fortfarande en debatt om hur mycket vatten som var inblandat och vilken roll det spelade i starten av livet.

Likt Deamer hävdar Frenkel-Pinter att våt-tork-cykler var avgörande. Torra förhållanden, säger hon, gav möjlighet för kedjemolekyler som proteiner och RNA att bildas.

Men att bara göra RNA och andra molekyler är inte liv. Ett självförsörjande, dynamiskt system måste bildas. Frenkel-Pinter menar att vattnets destruktivitet kan ha bidragit till detta. Precis som bytesdjur utvecklades för att springa snabbare eller utsöndra gifter för att överleva rovdjur, kan de första biologiska molekylerna ha utvecklats för att klara av vattnets kemiska attacker – och till och med för att utnyttja dess reaktivitet för gott.

I år följde Frenkel-Pinters forskargrupp upp sin tidigare studie6 som visade att torkning fick aminosyror att kopplas ihop spontant. Teamet fann att deras protoproteiner kunde interagera med RNA, och att båda blev stabilare i vatten till följd av detta11. I själva verket fungerade vattnet som ett selektionstryck: endast de kombinationer av molekyler som kunde överleva i vatten skulle fortsätta, eftersom de andra skulle förstöras.

Tanken är att med varje cykel av fuktning förstördes de svagare molekylerna, eller de som inte kunde skydda sig själva genom att binda till andra. Bonfio och hennes team visade detta i en studie i år12, där de försökte omvandla enkla fettsyror till mer komplexa lipider som liknar dem som finns i moderna cellmembran. Forskarna skapade blandningar av lipider och fann att de enkla lipiderna förstördes av vatten, medan de större, mer komplexa lipiderna ackumulerades. ”Vid någon tidpunkt skulle man ha tillräckligt många av dessa lipider för att de skulle kunna bilda membran”, säger hon. Med andra ord kan det finnas en guldlocksmängd vatten: inte så mycket att biologiska molekyler förstörs för snabbt, men inte så lite att ingenting förändras.

Varma små dammar

Var kan allt detta ha hänt? På den här punkten finns det en generationsskillnad inom området. Många äldre forskare är engagerade i det ena eller andra scenariot, medan yngre forskare ofta hävdar att frågan är vidöppen.

Det öppna havet är ohållbart, säger Frenkel-Pinter, eftersom det inte finns något sätt för kemikalier att koncentreras. ”Det är verkligen ett problem”, instämmer Bonfio.

En alternativ idé om havet har sedan 1980-talet förespråkats av geologen Michael Russell, en oberoende forskare som tidigare arbetat vid Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien. Russell hävdar att livet började i ventiler på havsbotten, där varmt alkaliskt vatten sipprar upp från geologiska formationer nedanför. Interaktioner mellan varmt vatten och stenar skulle ge kemisk energi som först skulle driva enkla metaboliska cykler, som senare skulle börja tillverka och använda kemikalier som RNA.

Russell är kritisk till Sutherlands tillvägagångssätt. ”Han gör alla dessa fantastiska kemibitar”, säger han, men för Russell är inget av det relevant. Det beror på att moderna organismer använder helt andra kemiska processer för att tillverka ämnen som RNA. Han hävdar att dessa processer måste ha uppstått först, inte själva ämnena. ”Livet väljer mycket speciella molekyler. Men man kan inte plocka dem från bänken. Man måste skapa dem från grunden och det är vad livet gör.”

Sutherland kontrar att när RNA, proteiner och så vidare väl hade bildats skulle evolutionen ha tagit över och gjort det möjligt för protoorganismerna att hitta nya sätt att tillverka dessa molekyler och på så sätt upprätthålla sig själva.

Men många forskare har uttryckt skepsis mot Russells alkalisk-ventilationshypotes och hävdat att den saknar experimentellt stöd.

Däremot har kemiska experiment som simulerar ytförhållanden gjort byggstenarna till nukleinsyror, proteiner och lipider. ”Ingenting av denna syntes finns i hypotesen om hydrotermala skorstenar i djuphavet. Det har helt enkelt inte gjorts, och kanske för att det inte kan göras”, säger Catling.

Frenkel-Pinter är också kritisk till idén med skorstenar, eftersom de molekyler hon arbetar med inte skulle överleva länge i dessa förhållanden. ”Bildandet av dessa protopeptider är inte särskilt kompatibelt med hydrotermiska skorstenar”, säger Frenkel-Pinter.

En möjlig lösning föreslogs i maj av geokemisten Martina Preiner, postdoc vid universitetet i Düsseldorf i Tyskland, och hennes kollegor. Hon hävdar att i stenarna under hydrotermiska skorstenar binder värme och kemiska reaktioner vattenmolekyler eller bryter isär dem – vilket skapar torra utrymmen13. ”Det finns interaktioner mellan sten och vatten som gör sig av med vattnet i viss utsträckning”, säger hon. Med jämna mellanrum skulle mer havsvatten trilla in, vilket ger ”något som liknar en våt-torkcykel”. Detta borde göra djuphavsstenarna mycket lämpligare för bildandet av nyckelmolekyler, menar Preiner, även om hon erkänner att detta fortfarande är en hypotes. ”Naturligtvis måste man fortfarande göra de experiment som krävs för att bevisa att detta kan leda till vissa reaktioner.”

För närvarande finns dock inga sådana bevis. Samtidigt växer det experimentella stödet för idén att livet startade i små vattenmassor på land.

Sutherland förespråkar en meteoritnedslagskrater, uppvärmd av solen och av den kvarvarande energin från nedslaget, med flera vattenströmmar som rinner nerför de sluttande sidorna och slutligen möts i en bassäng på botten. Detta skulle ha varit en komplex 3D-miljö med mineralytor som fungerade som katalysatorer, där kolbaserade kemikalier omväxlande kunde ha lösts upp i vatten och torkats ut i solen. ”Man kan med viss säkerhet säga att vi måste befinna oss på ytan, vi kan inte befinna oss djupt inne i havet eller 10 kilometer ner i jordskorpan”, säger Sutherland. ”Då behöver vi fosfat och järn. Många av dessa saker kan mycket lätt levereras av järn-nickelmeteoriter.” Scenariot med nedslag har ytterligare en fördel: meteoritnedslag chockar atmosfären och producerar cyanid, säger Sutherland.

Deamer har länge förespråkat ett annat förslag: vulkaniska varma källor. I en studie i år hävdade han och hans kollega Bruce Damer att lipider skulle ha bildat protokollceller i de varma vattnen14, vilket hans tidigare experiment tydde på. De våt-torra cyklerna i bassängernas kanter skulle ha drivit bildandet och kopieringen av nukleinsyror som RNA.

Deamer har genomfört flera experiment i moderna vulkaniska varma källor för att testa sina idéer. År 2018 visade hans team att vesiklar kan bildas i varmvatten15 och till och med innesluta nukleinsyror – men de skulle inte bildas i havsvatten. En uppföljande studie från förra året visade att när de resulterande vesiklarna torkades kopplades nukleotider samman för att bilda RNA-liknande strängar16.

För att begränsa platsen där livet startade måste man förstå den bredare bilden av prebiotisk kemi: hur de många reaktionerna passar ihop och under vilka förhållanden de uppstår. Denna enorma uppgift har en grupp som leds av kemisten Sara Szymkuć, ordförande för det nystartade företaget Allchemy i Highland, Indiana, försökt ta sig an. Gruppen publicerade en omfattande studie i september där man använde en datoralgoritm för att utforska hur ett stort nätverk av kända prebiotiska reaktioner kunde ha producerat många av de biologiska molekyler som används i livet idag17.

Nätverket var i hög grad överflödigt, så viktiga biologiska föreningar kunde fortfarande bildas även om flera reaktioner blockerades. Av denna anledning menar Szymkuć att det är för tidigt att utesluta något av scenarierna för hur livet uppstod. Det kommer att kräva att man systematiskt testar en rad olika miljöer för att se vilka reaktioner som inträffar var.

Bortom jorden

Om experiment som Sutherlands pekar ut hur livet började på jorden, kan de också hjälpa till att utforska var livet kan ha börjat någon annanstans i kosmos.

Mars har väckt störst uppmärksamhet eftersom det finns tydliga bevis för att den en gång hade flytande vatten på sin yta. Landningsplatsen för NASA:s rover Perseverance, Jezero-kratern, valdes delvis för att den en gång tycks ha varit en sjö – och skulle ha kunnat hysa den kemi som Sutherland har studerat. Han hjälpte till att skriva en presentation för NASA från 2018 som leddes av Catling och som sammanfattade fynden av prebiotisk kemi och gav råd om var Perseverance skulle leta. ”Vi presenterade den här kemin och sa att den här Jezero-kratern, som de slutligen valde, är den där sannolikheten för att den här kemin skulle spela ut är störst”, säger Sutherland.

Det kommer att dröja två månader innan Perseverance når Mars – och flera år innan proverna som den samlar in returneras till jorden av ett framtida uppdrag som ännu inte har fått något namn. Det är alltså fortfarande en lång väntan innan vi får reda på om Mars hyser liv, eller om den gjorde det för miljarder år sedan. Men även om den inte gjorde det kan den avslöja spår av prebiotisk kemi.

Det bästa fallet, säger Catling, är att Perseverance hittar komplicerade kolbaserade molekyler i lager av marsianska sediment, såsom lipider eller proteiner, eller deras nedbrutna rester. Han hoppas också på bevis för våt-torkcykler. Detta kan komma i form av karbonatlager som bildats när en sjö torkat ut och fyllts på igen många gånger. Han misstänker att ”livet inte kom särskilt långt på Mars”, eftersom vi inte har sett några uppenbara tecken på det, t.ex. tydliga fossiler eller kolrika svarta skiffrar. ”Det vi letar efter är ganska enkelt, kanske till och med till den grad att det är prebiotiskt snarare än själva cellerna.”

Det kan vara så att Mars bara tog de första kemiska stegen mot liv, och inte gick hela vägen. I så fall kan vi kanske hitta fossiler – inte av liv, utan av förliv.