I begyndelsen...
Forskere har det svært med at blive enige om hvornår, hvor og - det vigtigste - hvordan livet først dukkede frem på jorden
John Horgan
Indhold:
|
|
Videnskabelig version
af skabelsen
|
Indledning
At lave en 747
Kylling eller æg?
Jordens skum
Svovlfortællinger
Lerets bedrift
Invasion fra rummet
Er vi alene?
Indledning
For tredive år siden syntes det største mysterium forskerne nogensinde har
spekuleret over - livets oprindelse - omtrent løst af et eneste, enkelt
eksperiment. Stanley L. Miller, som da var en 23 år gammel studerende på
University of Chicago, genskabte den tidlige jord i et forseglet glasapparatur.
Han fyldte det med nogle få liter metan, ammoniak og brint (atmosfæren) og
noget vand (oceanerne). Et apparat til gnistudladning påvirkede luftarterne med
lyn, mens en varmespole holdt vandet igang med at boble.
I løbet af nogle få dage var vandet og glasset plettet
af en rødlig slim. Da han analyserede substansen, fandt Miller til sin glæde,
at den var rig på aminosyrer. Disse organiske forbindelser kæder sig sammen og
danner proteiner, livets grundlæggende materiale. Millers resultater, som han
offentliggjorde i en beskeden tosiders artikel i Science, syntes at give
overvældende vidnesbyrd om, at liv kunne opstå fra enkle kemiske reaktioner i
den "oprindelige suppe."
Lærde spekulerede på, at forskere, som Mary Shelleys
Dr. Frankenstein, snart ville fremmane levende organismer i deres laboratorier
og derved i detaljer demonstrere hvordan skabelsen foregik. Sådan er det ikke
gået. "Problemet med livets oprindelse har vist sig at være meget
vanskeligere end jeg, og de fleste andre, forestillede os," siger Miller,
som nu er professor i kemi på University of California i San Diego.
Selvfølgelig har der været fremskridt siden 1953. Det
samme år afkodede James D. Watson og Francis H.C. Crick faktisk strukturen af
deoxyribonucleic acid (DNA), deoxyribonukleinsyre, hvis dobbeltstrengede spiral
bærer den information, cellerne behøver til at bygge og organisere proteiner. I
løbet af de næste få årtier demonstrerede eksperimenter, som lignede Millers,
hvordan DNA's komponenter (som kaldes nucleotider) såvel som proteinernes kunne
være blevet syntetiseret under førbiologiske forhold. Disse organiske
forbindelser kunne have ophobet sig i forskellige områder med vand: i en "varm
lille dam," som Charles Darwin engang forestillede sig i et brev, i
tidevandssøer eller lavvandede have.
Eksperimenter i de tidlige 1980'ere syntes at fuldende
billedet. De afslørede, at ribonucleic acid, eller RNA, ribonukleinsyre, et
enkeltstrenget molekyle der tjener som DNA's hjælpende ven ved fremstillingen
af proteiner, kunne have evnen til at lave kopier af sig selv uden assistance
fra enzymer. Nogle forskere konkluderede, at de første organismer bestod af RNA
og at en tidlig "RNA verden" havde sørget for en bro fra enkel kemi
til prototyper af de komplekse DNA-baserede celler, som man finder i moderne
organismer. Ifølge de fossile rester dukkede sådanne celler op indenfor den
første milliard år efter, at jorden var dannet for 4,5 milliard år siden.
Skønt dette scenarium allerede er anbragt i lærebøger,
er det på det seneste blevet udfordret alvorligt. Afprøvninger af RNA-verden
hypotesen har vist, at RNA er vanskeligt at syntetisere under de forhold, som
sandsynligvis herskede, da livet opstod og at molekylet ikke let kan frembringe
kopier af sig selv.
For at gøre tingene værre antyder nylige opdagelser, at
livet opstod i et miljø, der var meget mindre gæstfrit end Millers
glasapparatur. Den oprindelige atmosfære har måske ikke indeholdt metan og
ammoniak, som Miller havde antaget og derfor har den måske ikke været så
gunstig for syntesen af organiske forbindelser, som hans eksperiment antydede.
Desuden viser studier af kratere på månen, at jorden gentagne gange blev lagt
øde af enorme meteorer og kometer. "Det ser ud til, at livet ikke begyndte
i en varm lille dam men i en rasende storm" siger Christopher P. McKay,
rumforsker på NASA Ames Research Center i Californien.
|
|
|
STANLEY L. MILLER står ved siden af en kopi af det apparatur han brugte i sit 1953 eksperiment, som viste, hvordan aminosyrer kunne dannes på den tidlige jord. |
Efterhånden som det gamle paradigme har vaklet, er mange andre teorier - nogle
helt nye og nogle genbrugte - blevet fremsat. Observationer af organiske
forbindelser i meteoritter og kometer har ført til spekulationer om, at
råmaterialerne til liv faldt til jorden fra det ydre rum. De mest ekstreme
versioner af denne ide påstår, at ikke kun livløse organiske forbindelser men
også fuldt færdige organismer ankom fra rummet. Selv om de fastholder, at livet
opstod på jorden, mener nogle forskere, at det bedste håb for at forstå den
begivenhed er at tilføje endnu et datapunkt - dvs. at finde liv andre steder,
på Mars måske eller selv i et andet solsystem.
Andre påstår, at livet ikke begyndte langt ude i rummet
eller i vand nær jordens overflade men i hydrotermiske ventiler eller varme
kilder på havenes bund. Fortalerne argumenterer med, at disse ventiler kunne
have givet den beskyttelse og stabile strøm af energi og næringsstoffer, som
var nødvendig for at gøre stoffet levende. Måske den seneste teori - og den
mest lovende efter nogle veteraners mening - kommer fra en tysk advokat, som
spekulerer på skabelse som hobby. Han foreslår, at livet begyndte som en
klæbrig hinde på overfladen af jernpyrit: fjolsers guld.
Ingen af disse indfaldsvinkler har vundet nok støtte
til at kvalificere dem som et nyt paradigme. På den anden side er ingen blevet
udelukket. Det bekymrer Miller, der er kendt som både en streng eksperimentator
og lidt af en gnier. Nogle teorier, forsikrer han, fortjener ikke seriøs
overvejelse. Han kalder organisk-stof-fra-rummet ideen "en taber,"
ventil hypotesen "skrald" og pyritteorien "papirkemi".
Sådant arbejde, knurrer han, hensætter for evigt livets-oprindelse feltet til
at være på kanten af videnskaben og ikke værd at beskæftige sig med seriøst.
Selv om de er enige i at alle teorierne har svagheder,
er der andre, der betragter sagen mere positivt. "Jeg er begejstret,"
siger James P. Ferris, kemiker på Rensselaer Polytechnic Institute og redaktør
af bladet Origins of Life and Evolution of the Biosphere. "Vi har
alle slags nye ingredienser i gryden." Før eller senere, foreslår Ferris,
må der dukke en overbevisende forklaring på skabelsen op.
At lave en 747
Nogle forskere har argumenteret, at givet tid nok, bliver selv
tilsyneladende mirakuløse hændelser mulige - som den spontane fremkomst af en
enkeltcellet organisme fra kemikaliernes tilfældige sammenkoblinger. Alligevel
har Fred Hoyle, den revolutionære britiske astronom, sagt, at en sådan hændelse
er omtrent lige så sandsynlig som samlingen af en 747 af en tornado, der
hvirvler gennem en losseplads.
De fleste forskere er enige med Hoyle på dette punkt
(skønt ikke meget andet). Den opfattelse næsten alle deler er, at stof blev
levende gennem en rækkefølge af trin, hvoraf ingen er vildt umulige. Som det
meste af biologien daterer dette synspunkt sig tilbage til Darwin, som
formodede, at livet begyndte, da kemikalier stimuleret af varme, lys eller
elektricitet begyndte at reagere med hinanden og frembragte organiske
forbindelser af større og større kompleksitet. (Darwin tilbød også en
forklaring på, hvorfor vi ikke observerer liv, der springer fra dødt flydende
dynd i dag: enhver flyvefærdig organisme, skrev han, ville nu blive
"øjeblikkeligt fortæret eller absorberet" af moderne organismer.
Den nuværende version af skabelsen, som støttes af
Miller og andre, er også affattet i Darwinske vendinger. Livet begyndte, siger
de, da en forbindelse eller klasse af forbindelser udviklede evnen til at
kopiere sig selv på en sådan måde, at de en gang imellem lavede arvelige
"fejltagelser." Disse fejltagelser frembragte sommetider generationer
af molekyler, der kunne formere sig mere effektivt end deres forgængere. Voila:
evolution, og derfor liv.
I en periode efter Millers eksperiment forekom
proteiner at være de mest sandsynlige kandidater til de oprindelige selvreproducerende
molekyler, da de mentes at være i stand til at reproducere og organisere sig
selv. Begyndende i slutningen af 1950'erne udførte Sidney W. Fox, som nu er på
Southern Illinois University, eksperimenter, der gav endnu mere støtte til
dette synspunkt. Ved gentagne gange at opvarme aminosyrer og opløse dem i vand
fik han dem til at koagulere til små kugler bestående af korte proteinstrenge.
Fox argumenterede da - og fortsætter med
at gøre det - at disse "proteinoider" repræsenterer de første celler,
men hans arbejde har mistet mange forskeres gunst. Når proteinoider en gang er
dannet "så er det sket," siger Gerald F. Joyce fra Research Institute
of Scripps Clinic. "De kan ikke reproducere eller udvikle sig."
Alligevel er forskellige andre forskere, heriblandt Cyril A. Ponnamperuma fra
University of Maryland at College Park, fortsat, hvor Fox stoppede og har
prøvet at udvikle proteiner, der kan samle sig og reproducere uden assistance
fra kernesyrer.
Kylling eller æg?
|
|
Udvikling via RNA
verdenen
|
Mange forskere anser nu kernesyrer for at være meget mere plausible
kandidater til de første selvreproducerende molekyler. Arbejdet af Watson og
Crick og andre har vist, at proteiner dannes ifølge de instruktioner, der er
kodet i DNA. Men der er en hage. DNA kan ikke gøre sit arbejde, inkluderende at
danne mere DNA, uden hjælp af katalytiske proteiner eller enzymer. Kort sagt kan
proteiner ikke dannes uden DNA, men DNA kan heller ikke dannes uden proteiner.
For dem som funderer over livets oprindelse, er det et klassisk kylling og æg
problem: Hvad kom først, proteiner eller DNA?
Eksperimenter udført i de tidlige 1980'ere af molekylærbiologerne
Thomas R. Cech fra University of Colorado at Boulder og Sidney Altman fra Yale
University syntes at give et svar - i form af RNA. Forskere havde tidligere
tænkt på, at RNA kunne være det første selvreproducerende molekyle, men ingen
havde vist, hvordan det effektivt kunne reproducere sig selv uden hjælp fra
enzymer. Cech og Altman opdagede, at visse typer af RNA kunne optræde som deres
egne enzymer, klippe sig selv i to stykker og splejse sig selv sammen igen.
Opdagelsen, som gav Cech og Altman Nobelprisen i 1989,
blev hurtigt grebet af forskere i livets oprindelse. De erkendte, at hvis RNA
kunne virke som et enzym, så kunne det måske også reproducere sig selv uden
hjælp fra proteiner. RNA kunne tjene som både gen og katalysator, æg og
kylling.
Walter Gilbert, biolog på Harvard University, udmøntede
udtrykket "RNA verden" i 1986 og forbliver en entusiastisk fortaler
for teorien. Hans synspunkt er, at de første organismer bestod af enkle
selvreproducerende RNA molekyler. Efterhånden som de udviklede sig, lærte de at
syntetisere proteiner, som kunne hjælpe dem med at reproducere hurtigere, og
lipider, som kunne danne en cellevæg. Til sidst førte RNA organismerne til DNA,
der tjente som et mere pålideligt opbevaringssted for genetisk information.
Biologer har haft nogen succes med at genskabe
forskellige handlinger i dette molekylære drama i laboratoriet. For eksempel
har Jack W. Szostak og andre arbejdere på Massachusetts General Hospital bygget
skræddersyede RNA molekyler, der kan virke som enzymer - skære molekyler i
stykker og lime dem sammen, inkluderende sig selv - gentagne gange. RNA
"enzymer" var tidligere begrænset til enkelte udførelser. Szostak
prøver også at vise, hvordan sådanne RNA'er kunne være blevet indhyllet i en
cellelignende membran.
Andre forskere, som Manfred Eigen fra Max Planck
Institute for Biophysical Chemistry i Göttingen, har undersøgt det, der menes
at være et senere trin i RNA's opstigning. Deres eksperimenter viser, at RNA -
med opmuntringen fra enzymer og andre lokkemidler indført af eksperimentatoren
- kan tilpasse sig og udvikle sig. Denne virkning, som kaldes dirigeret
evolution, er blevet hilst som en potentielt magtfuld metode til at frembringe
nye biologiske forbindelser.
Men efterhånden som forskerne fortsætter med at
undersøge RNA-verden begrebet nærmere, dukker der flere problemer op. Hvordan
opstod RNA i begyndelsen? Det er vanskeligt at syntetisere RNA og dets
komponenter i et laboratorium under de bedste forhold, meget vanskeligere under
plausible præbiologiske forhold. For eksempel giver processen, ved hvilken man
skaber sukker ribose, en nøgleingrediens i RNA, også en række andre sukre, der
ville forhindre RNA syntese. Desuden er ingen endnu kommet med en forklaring
på, hvordan fosfor, som er en relativt sjælden substans i naturen, blev sådan
en afgørende ingrediens i RNA (og DNA).
3,5 MILLIARDER ÅR GAMLE FOSSILER inkluderer en streng celler, der minder om cyanobakterier eller blågrønalger (venstre) og en stromatolit (midten) fra pladser i Vestaustralien. Stromatoliter kan stadig findes i Australien (højre) og andre steder.
Når RNA er syntetiseret, kan det kun lave nye kopier af sig selv med en stor
hjælp fra forskeren, siger Joyce fra Scripps Clinic, RNA specialist. "Det
er et tåbeligt molekyle," forklarer han, "især når det sammenlignes
med proteiner." Leslie E. Orgel fra Salk Institute for Biological Studies,
som sandsynligvis har lavet mere forskning i RNA-verden sceneriet end nogen
anden forsker, er enig med Joyce. Eksperimenter, der simulerer de tidlige trin
af RNA verdenen, er for komplicerede til at repræsentere plausible scenarier
for livets oprindelse, siger Orgel. "Man skal have en utrolig masse ting
rigtigt og intet forkert," tilføjer han.
Orgel er kommet til den konklusion, at et enklere - og
muligvis helt forskelligt - molekyle godt kan have banet vejen for RNA. At
identificere denne forbindelse vil ikke blive nemt. Kernesyre kemi, peger Orgel
på, hviler på et bredt grundlag af viden og når forskerne en gang bevæger sig
væk fra dette rige, vil de bogstaveligt talt begynde fra bunden. "Det
ville være en stor affære," siger han.
Nogle forskere er allerede vandret ind i det ukendte.
Sidste sommer vakte en gruppe ledet af Julius Rebek, Jr., kemiker på
Massachussetts Institute of Technology, opsigt ved at bekendtgøre, at den havde
skabt et syntetisk organisk molekyle, der kunne reproducere sig selv.
Molekylet, som kaldes amino adenosine triacid ester (AATE), består af to
forbindelser, der kemisk minder om både proteiner og kernesyrer. Når AATE
molekyler anbringes i en opløsning af kloroform fyldt med komponenterne, tjener
de som skabelon for dannelsen af nye AATE'er.
Rebeks eksperimenter har to ulemper ifølge Joyce: de
reproducerer kun under højst kunstige, unaturlige forhold og, endnu vigtigere,
de reproducerer for nøjagtigt. Uden mutation kan molekylerne ikke udvikle sig i
den Darwinske forstand. Orgel er enig. "Det Rebek har gjort er meget smart,"
siger han, "men jeg kan ikke se dets relevans til livets oprindelse."
Selv om nylige rapporter i den læge presse har antydet,
at Szostak, Rebek og andre er på nippet til at skabe "liv i et
reagensglas" (en artikel om Rebek i Discover magasinet havde overskriften:
"Yikes! It's Al-i-i-i-i-ve!"), synes det mål faktisk fjernere end
nogensinde for nogle observatører. "Den enkleste bakterie er så forbandet
kompliceret fra en kemikers synspunkt, at det er næsten umuligt at forestille
sig, hvordan det skete," siger Harold P. Klein fra Santa Clara University,
formand for en National Academy of Sciences komite som fornylig undersøgte
livets-oprindelse forskning. (Dens konklusion: meget mere forskning behøves.)
Selv hvis forskere skaber noget med livlignende egenskaber
i laboratoriet, må de alligevel spekulere: Er det måden, det skete på i
begyndelsen? At besvare det spørgsmål vil være overordentlig vanskeligt, da
pladetektonik, vulkanisme og erosion har udryddet de fleste spor af jordens
første milliard år. For at estimere jordens alder må forskere f.eks. vende sig
mod meteoritter, som antages at være rester fra æraen, da solsystemet
kondenserede fra en sky af gas og støv. Graden af radioaktivt henfald
observeret i meteoritter har vist, at de, og derfor jorden, er omtrent 4,5
milliard år gamle.
Jordens skum
At fastslå forholdene under hvilke livet dukkede op kræver naturligvis, at
man ved, hvornår det dukkede op. Engang mente forskere, at der gik milliarder
af år, før den døde jord blev levende. Grunden er, at de fossile optegnelser af
flercellede organismer - fra trilobiter til Neandertaler - kun strækker sig 600
millioner år tilbage før nutiden. (Homo sapiens dukkede op for mindre
end en million år siden.) I løbet af de sidste årtier har palæontologer
imidlertid erkendt, at før flercellede organismer dukkede frem, var jorden i
milliarder af år befolket af så enkle skabninger som alger - eller "dam
skum," som J. William Schopf fra University of California at Los Angeles,
en autoritet på tidlige fossiler, benævner det.
Schopf og andre har samlet det, de tror er utvetydige
vidnesbyrd for, at livet eksisterede for mindst 3,5 milliarder år siden.
Vidnesbyrdene inkluderer to sæt fossiler fra pladser i Australien og Sydafrika,
hvis alder er blevet fastslået gennem radioaktiv datering. Et sæt består af
klumpede, grøn-brune klippestykker, der engang var stromatoliter, tætte
dæmninger af mikrober, der stadig vokser i varme, lavvandede områder rundt
omkring i verden. De andre fossiler viser de mikroskopiske aftryk af cellestrenge,
der ligner moderne cyanobakterier, også kaldet blågrønne alger. Schopf siger,
at de fortidige organismer ligesom cyanobakterier sandsynligvis anvendte
fotosyntese og afgav ilt som biprodukt.
Mindst en forsker, Manfred Shidlowski fra Max Planck
Institute for Chemistry i Mainz, mener han har fundet vidnesbyrd om, at
fotosyntetiske organismer fandtes endnu tidligere. Vidnesbyrdene kommer fra 3,8
milliarder år gamle, delvist smeltede sedimentære klipper fra Isua, Grønland.
De er de ældste jordiske klipper med megen historie at fortælle. (De absolutte
indehavere af rekorden, 4,2 milliarder år gamle zirkon krystaller fra
Australien, er tavse om emnet fortiden.) Den kendsgerning at Isua klipperne er
sedimentære afslører, at flydende vand, en forudsætning for liv, var tilstede
dengang. Ifølge Schidlowski viser klippernes kulindhold også, at de var
forurenede af fotosyntetiske organismer, som foretrækker visse kulisotoper.
Dette forsøg på at udstrække de fossile optegnelser
længere tilbage i tiden er blevet mødt med nogen skepsis. David J. DesMarais
fra NASA Ames siger, at kulsignaturen i Isua klipperne simpelthen er for svag
til at blive tolket. Roger Buick, australsk palæontolog som nu er på Harvard,
siger, at denne skepsis også bør gælde for de 3,5 million år gamle
stromatoliter og mikrofossiler, som ulig Isua klipperne er bredt accepteret som
værende af biologisk oprindelse. Stromatoliterne kunne være sedimenter, som er
blevet forvrænget af geologiske processer, forsikrer Buick, og mikrofossilerne
ligner for ham "små streger [ekskrement]." Han kalder dem
"dubio-fossiler." Buick argumenterer for, at fossiler, der klart
viser cellestruktur, kun daterer sig tilbage til for 3,1 eller 3,2 milliarder
år siden.
Andre eksperter i såkaldte Archaiske fossiler,
inkluderende Donald R. Lowe fra Stanford University, mener, at Buick, og måske
selv Des Marais, er for skeptiske. Skønt individuelle fossiler er tvetydige,
siger Lowe, antyder summen af dem, at livet var "udstrakt, forskelligt og
sofistikeret" for 3,5 milliarder år siden og sandsynligvis var godt på vej
før 3,8 milliard år mærket. Hvis det er korrekt, betyder dette scenarium, at
livet udviklede sig og overlevede under ubehagelige - og periodisk endda
helvedes - omstændigheder.
|
|
|
HYDROTERMISKE VENTILER i dybhavet, som blev opdaget sent i 1970’erne, kan have givet næringsstoffer og et beskyttet miljø til de første organismer, ifølge nogle forskere. |
Ved at analysere kratere på månen, som danner en Braille-lignende optegnelse
af hastigheden af nedslag i det unge solsystem, har grupper ledet af
geofysikerne David J. Stevenson fra California Institute of Technology og
Norman H. Sleep fra Stanford for et par år siden uafhængigt konkluderet, at
meteoritter og kometer, der smadrede ind i jorden, kunne have afskrækket livets
opdukken i hundreder af millioner år. Mange af projektilerne ville have været
meget større end den 10 kilometer brede genstand, som nogen forskere tror
dræbte dinosaurerne ved grænsen mellem Kridt og Tertiær epokerne for 65
millioner år siden.
Nedslaget af så store genstande, siger Sleep, ville
have frembragt nok varme til at koge overfladen af oceanerne - og måske få dem
til at fordampe helt. Kollisionerne ville også have kastet enorme skyer af støv
og smeltet klippe op i atmosfæren. Betydningen af disse beregninger er
dramatisk: som det allermindste ville nedslagene have ødelagt begyndende liv på
land eller overalt nær overfladen af oceanerne indtil for 3,8 milliarder år
siden. Liv afhængigt af fotosyntese ville have været særligt sårbart.
Desuden forekommer det, at atmosfærens sammensætning i
denne periode måske ikke har været så gunstig for syntesen af organiske
forbindelser, som man havde troet. Det traditionelle synspunkt blev belyst i de
tidlige 1950'ere af Harold C. Urey, nobelpristager i kemi på University of
Chicago. Han foreslog, at atmosfæren var reducerende: rig på brintbaserede
luftarter som metan og ammoniak, der er udbredte på Saturn, Jupiter og Uranus.
Det var Ureys arbejde, der inspirerede Miller, som var Ureys studerende, til at
udføre sit eksperiment i 1953.
Men i løbet af det sidste årti er tvivlen vokset om
Ureys og Millers antagelser vedrørende atmosfæren. Laboratorieeksperimenter og
computeriserede rekonstruktioner af atmosfæren udført af James C.G. Walker fra
University of Michigan i Ann Arbor og andre antyder, at ultraviolet stråling
fra solen, som i dag blokeres af atmosfærisk ozon, ville have ødelagt
brintbaserede molekyler i atmosfæren. Fri brint ville være undsluppet til
rummet.
Disse opdagelser antyder, at atmosfærens vigtigste
komponent var kultveilte og nitrogen, som blev udspyet af vulkaner. En sådan
atmosfære ville ikke have bidraget til syntesen af aminosyrer og andre
forløbere til liv. Ifølge nylige beregninger af James F. Kasting fra
Pennsylvania State University kan kultveilten måske også have skabt en
drivhuseffekt så ekstrem, at temperaturer ved jordens overflade næsten steg til
vands kogepunkt.
Reducerende-atmosfære modellen har stadig sine
forsvarere. En af dem er Miller, som peger på, at røg og skyer kunne have
skærmet de sarte brintbaserede luftarter mod ultraviolet stråling. "Man
har et kor af folk med matematiske modeller, der siger, at der ingen metan
er," siger han, "men de har absolut ingen virkelige vidnesbyrd."
En nylig rapport fra forskere på Yokohama National University støtter Millers
stilling. De japanske forskere argumenterer, at solpartikler og kosmiske
stråler kunne have ansporet syntese af fri brint - og som konsekvens heraf
metan og ammoniak - ved at brække vandmolekyler i stykker.
Ikke desto mindre har forskningen i nedslag og
atmosfæren - kombineret med troen på at primitive organismer fandtes for 3,8
milliarder år siden - ført nogle forskere til mistanke om, at livet ikke blev
udklækket i grumsede tidevandssøer på jordens overflade men i oceanernes
dybder. Sidst i 1970'erne opdagede forskere adskillige hydrotermiske ventiler
på havbunden nær Galapagos øerne. Ventilerne understøtter blomstrene samfund af
liv - inkluderende rørorm, muslinger og bakterier, hvis primære energikilde
ikke er lys men svovlforbindelser, der udsendes af ventilerne. Dusinvis af
lignende ventiler er siden da blevet lokaliseret, alment nær undersøiske
bjergkamme, som dannes ved sømmen mellem to tektoniske plader.
En vigtig fortaler for ventiler som livets bug er John
B. Corliss fra NASAs Goddard Space Flight Center; han var medlem af det hold,
der opdagede en af de første ventiler. Corliss hævder, at ventilerne kunne have
sørget for den energi og de næringsstoffer, der var nødvendige for at skabe og
derefter opretholde livet. Ventilernes indre, siger han, ville også være
beskyttet mod de dårlige virkninger af alle undtaget de største udenjordiske nedslag
- eller dem der ramte plet. (Corliss peger på, at moderne ventilarter, som
lever i det relativt kølige vand udenfor ventilerne, sandsynligvis er sene
ankomster snarere end efterkommere af de oprindelige beboere af ventilerne.)
Et vigtigt vidnesbyrd for ventilhypotesen kommer fra
studier af enkeltcellede organismer udført af Carl R. Woese fra University of
Illinois at Urbana-Champaign. Ved at sammenligne den genetiske sammensætning af
sådanne organismer, har Woese identificeret en klasse mikrober - som han kalder
archaebakterier - der synes at have gennemgået mindre evolutionær forandring
end nogen anden levende art. Alle archaebakterier foretrækker varme miljøer;
nogle kan overleve temperaturer, der går så højt som 120 grader Celsius. Visse
arter foretrækker også et iltfrit, surt miljø med en stadig forsyning af svovl
- præcis de forhold der hersker ved hydrotermiske ventiler.
Norman R. Pace, biolog på Indiana University, finder
ventilteorien overbevisende. Han forestiller sig den tidlige jords skorpe som
"en tynd turbulent skum" af klippe gennemhullet af myriader af
hydrotermiske ventiler. Pace siger, at de første organismer kan være opstået
andre steder - måske ved eller nær overfladen af jorden under en pause mellem
nedslagene - og senere spredt til den relative sikkerhed i dybhavsventilerne.
Efterfølgende nedslag kan så have ødelagt alle organismer undtaget dem, der var
skjult i ventilerne. Disse hydrotermiske organismer ville så, skønt de ikke var
de første til at eksistere på jorden, ikke desto mindre være forfædrene til alt
eksisterende liv. Pace tror, at selv i dag kan der hvile enorme samfund af
bakterier i netværk af geotermisk opvarmede revner og huler under bjergkæderne
i midten af oceanerne.
Svovlfortællinger
Miller kan ikke lide ventiler - i det mindste ikke som de oprindelige sæder
for liv. Han lægger mærke til, at moderne ventiler synes at leve kort med en
varighed på kun nogle få årtier, før de stoppes til. Desuden har han og Jeffrey
L. Bada, som også er på University of California i San Diego, udført
eksperimenter, der antyder, at det overopvarmede vand inde i ventilerne - som
sommetider overstiger 300 grader Celsius - snarere ville ødelægge end skabe
komplekse organiske forbindelser. Hvis jordens overflade er en stegepande,
siger Miller, er en hydrotermisk ventil ilden.
Ventilhypotesen har ikke desto mindre støttet anseelsen
af tre teorier - to af dem nye og en smule slidt - der giver alternativer
(eller forløbere) til RNA. Den seneste og mest usædvanlige teori af denne type
kommer fra Günter Wächtershäuser, som selv er en usædvanlig teoretiker. Som
praktiserende advokat grundlagde og leder Wächtershäuser et firma i Munchen,
som specialiserer sig i patent lov. Før han gik ind i den juridiske profession
opnåede han imidlertid en doktorgrad i organisk kemi og en blivende interesse
for livets oprindelse.
Selv om han engang var tilfreds med at være observatør,
begyndte Wächtershäuser at udvikle sine egne ideer for omkring fem år siden.
Hvor de fleste forskere har antaget, at livet begyndte, da en relativt enkel
forbindelse begyndte at lave kopier af sig selv i en opløsning, spekulerede han
på, at livet begyndte som en stofskifte proces - en cyklisk kemisk reaktion der
drives af en eller anden energikilde - der finder sted på overfladen af et fast
stof.
Disse ideer har forgængere, men Wächtershäusers forslag
er unikt i sine detaljer. Det kræver en meget specifik fast overflade: en der
er lavet af pyrit, eller fjolsers guld, et metallisk mineral, der består af et
jern- og to svovlmolekyler. Pyrit er blevet fundet ved ventiler - ikke
overraskende, da det er almindeligt over hele verden. Ifølge Wächtershäuser har
pyrit også en positivt ladet overflade, til hvilken enkle organiske
forbindelser kan blive bundet; den fortsatte dannelse af pyrit fra jern og
svovl giver også energi - i form af elektroner - der bevirker, at de organiske
forbindelser reagerer med hinanden og vokser i kompleksitet.
Den første celle, gisner han, kunne have været et korn
pyrit indesluttet i en membran af organiske forbindelser. Cellen kunne have
reproduceret, hvis pyritkornet groede en ny krystallinsk "knop", der
blev indesluttet i sin egen membran og brød fri.
Wächtershäuser har fremsat sine ideer i sådanne blade
som Proceedings of the National Academy of Sciences, Microbiology Reviews
og Nature. Eksperimenter af en gruppe på University of Regensburg i
Tyskland giver også nogen støtte til hans synspunkt om pyrit som et
"batteri". Men Wächtershäuser selv indrømmer, at hans teori for
størstedelen er "ren spekulation."
Ikke desto mindre har hans ideer fængslet Pace, Woese
og den tyske videnskabshistoriker Karl Popper, blandt andre. Pace siger, at
Wächtershäusers stofskifte-først, overflade-baserede model kunne gøre det gamle
paradigme om reproduktion-først, opløsning-baserede forældet.
Andre er mindre end imponerede. Joyce har mistanke om,
at Wächtershäusers juridiske evner kan have hjulpet ham med at vinde mere
accept for sin teori end den fortjener. "Han er en glimrende fortaler for
sin sag," noterer Joyce. Men han indrømmer, at han er fængslet af
parallellen mellem Wächtershäuser og en anden tysker, som udførte videnskab,
mens han havde et job, som involverede patenter: Albert Einstein. "Givet
forgængeren," bemærker Joyce tørt, "Gætter jeg på, at vi hellere må
tage ham alvorligt."
En model, der indeholder nogen lighed med
Wächtershäusers, er blevet foreslået af Christian R. de Duve, en professor
emeritus på Rockefeller University, som vandt en Nobel pris i 1974 for sit
arbejde på cellestruktur. De Duves teori, som han har fremsat i en ny bog, Blueprint
for a Cell, drejer sig om svovlbaserede forbindelser kaldet thioestere.
Thioestere spiller en kritisk rolle i cellestofskifte og forskellige studier
har antydet, at de kan have været en kilde til energi i primitive celler.
De Duve foreslår, at thioestere i det oprindelige dynd
kunne have udløst en kaskade af kemiske reaktioner, der minder om dem, der
finder sted i moderne cellestofskifte. Reaktionerne ville være blevet
katalyseret af "protoenzymer," som også var dannet fra thioestere.
Reaktionerne ville med tiden resultere i syntesen af ribonukleinsyrer og derved
indlede RNA verdenen. Syntesen af thioestere kræver et varmt, surt miljø, som
de Duve siger kunne skaffes af hydrotermiske ventiler.
"Jeg ville elske at se de eksperimentelle
vidnesbyrd," siger Miller. Dog erkender han, at eksperimentatorer som han
selv kan have negligeret svovlbaseret kemi af en grund, som ikke er rent
videnskabelig: "Svovl lugter. Det ville lugte i hele laboratoriet."
Lerets bedrift
A.G. Cairns-Smith, kemiker på University of Glasgow, siger, at han har en
god grund til at tvivle på de Duves teori: den afhænger af et forslag, fremsat
af ham selv og David C. Mauzerall fra Rockefeller, som antyder, hvordan en
reaktion, der involverer jern og vand, kunne have beriget den oprindelige
atmosfære med brint. "Det de Duve undlod at sige," bemærker
Cairns-Smith, "er, at denne proces gør oceanerne mindre egnede til
syntesen af organiske molekyler."
I mere end et årti har Cairns-Smith fremmet sin egen
hypotese. Som Wächtershäuser foreslår han, at livet opstod på et fast substrat,
som findes i ventiler og næsten alle andre steder; men han foretrækker
krystallinsk ler fremfor pyrit. Alle krystaller består af selvreproducerende enheder,
peger Cairns-Smith på, men lerkrystaller har nok kompleksitet til at mutere og
udvikle sig på en livlignende måde. Nogle ler kunne være blevet endnu bedre
opdrættere ved at udvikle evnen til at tiltrække eller syntetisere organiske
forbindelser - som kernesyrer eller proteiner. Med tiden ville de organiske
forbindelser blive sofistikerede nok til at begynde at reproducere og udvikle
sig selvstændigt.
Ulig nogle livets-oprindelse teoretikere indrømmer
Cairns-Smith muntert manglerne ved hans yndlingshypotese: ingen har kunnet
lokke ler til noget, der ligner udvikling, i et laboratorium; ingen har heller
fundet noget, der minder om en lerbaseret organisme i naturen. Alligevel påstår
han, at ingen teori, der kræver, at organiske forbindelser organiserer sig og
reproducerer uden hjælp, vil klare sig bedre. "Organiske molekyler snor
sig for meget til at virke," siger han.
Invasion fra rummet
Der findes en anden vej ud af denne frustrerende teoretiske blindgyde. Hvis
hverken atmosfæren eller ventiler giver et sandsynligt sted til syntesen af
komplekse organiske forbindelser, blev de måske importeret fra et andet sted:
det ydre rum. Juan Oró fra University of Houston rejste denne mulighed så
tidligt som i 1960'erne. Ideen har fået mere opmærksomhed siden da, efterhånden
som astronomer har detekteret de sigende spektra fra et hele tiden voksende
udvalg af organiske forbindelser i rummet, som både indhyller individuelle
stjerner og driver rundt i tomrummet mellem stjernerne.
Aminosyrer er også blevet fundet i meteoritter, kendt
som kulholdige kondriter, der udgør omkring 5 procent af de meteoritter, der
styrter til jorden. Observationer af Halleys komet, som passerede forbi jorden
for fem år siden, antydede, at kometer kan være endnu rigere på organiske forbindelser
end kulholdige kondriter.
|
|
|
CELLELIGNENDE BLÆRER er blevet lavet af organiske forbindelser, der er udtrukket fra en carbonholdig kondrit, der landede nær byen Murchison, Australien, i 1969. |
Kondriter indeholder endda kulbrinter, alkohol og andre fede kemikalier, der
kunne have dannet de membraner, som beskyttede primitive celler. David W.
Deamer, biokemiker på University of California at Davis, har frembragt
kugleformede membraner, eller vesicler, med forbindelser, han fik fra en
meteorit, der faldt nær Murchison, Australien, i 1969. Disse vesicler, siger
han, kan have sørget for et miljø inde i hvilket, aminosyrer, nukleotider eller
andre organiske forbindelser kunne gennemgå de transformationer, der er nødvendige,
for at livet kunne begynde.
Ideen, at nedslag kunne have sat scenen for liv såvel
som forsinket dets opdukken, fik fremgang i 1989. Grunden var opdagelsen af
aminosyrer lige over og under et lag ler, som var aflejret ved det, der kaldes
Kridt-Tertiær-grænsen. Bada og Meixun Zhao, også på San Diego, bestemte, at
aminosyrerne var ikke-biologiske typer, som tidligere kun var fundet i
meteoritter. Deres rapport syntes at støtte teorien om, at et nedslag havde
dræbt dinosaurerne - og også at vise, at store nedslag kunne gøde jorden med
organiske forbindelser.
Men der var spørgsmål tilbage: Hvorfor var aminosyrerne
fundet over og under Kridt-Tertiær laget og ikke inde i det? Og hvordan
overlevede aminosyrerne den enorme varme, der blev skabt af nedslaget?
Beregninger af Christopher F. Chyba, planetforsker på Cornell University, og
andre antydede, at enhver udenjordisk genstand, der var stor nok til at tilføre
betydelige mængder organisk materiale til jorden, ville frembringe så megen
varme under sit nedslag, at det meste af materialet ville blive forbrændt til
aske.
En forklaring blev tilbudt sidste november af Kevin J.
Zahnle og David Grinspoon fra NASA Ames. De forsikrede, at aminosyrerne kom fra
en eller flere kometer, som ikke ramte ind i jorden, men simpelthen passerede
tæt på - efterladende et spor af organisk støv i deres kølvand - før og efter
Kridt-Tertiær nedslaget. På denne måde, forsikrer de, kunne kometer også have
oversprøjtet jorden med organiske forbindelser i dens meget tidlige historie.
Andre finder nedslagsscenarierne naturligt utroværdige.
"Det er for meget som manna fra himlen," siger Sherwood Chang fra
NASA Ames, en autoritet i udenjordiske organiske forbindelser. Forskere burde
anstrenge sig mere med at udforske, hvordan organiske forbindelser kunne blive
syntetiseret på jorden, forsikrer Chang, før de antager, at nedslag må have
udført arbejdet. Teorier, der giver nedslag en rolle i skabelsen, "er
meget in lige nu," tilføjer han, "men de er også meget spekulative."
Den mest ekstreme version af manna-fra-rummet begrebet
er panspermia. Denne teori blev foreslået i slutningen af det sidste århundrede
af den svenske kemiker Svante A. Arrhenius, som forsikrede, at mikrober, der
flyder overalt i universet, tjente som "livets sæd" på jorden. I
moderne tider fortsætter Hoyle og en tidligere studerende, den sri lankanske
astronom N. Chandra Wickramasinghe (som også er kendt for deres angreb på big
bang teorien i kosmologi), med at forkynde denne ide og argumenterer endda for,
at udenjordiske mikrober er årsagen til influenza, AIDS og andre sygdomme.
De fleste forskere forkaster fuldstændig disse
forsikringer og erklærer, at mikrober aldrig er blevet fundet i rummet og
sandsynligvis ikke vil blive det, da rummet er så fjendtligt over for liv. Dog
har eksperimenter udført af J. Mayo Greenberg, astrofysiker på University of
Leiden i Nederlandene, faktisk givet panspermia nogen troværdighed. Greenberg
konkluderede, at en nøgen celle kunne overleve i hundreder af år i rummet - og i
op til 10 millioner år, hvis den er beskyttet mod stråling af en tynd skal af
is.
Greenberg bemærker, at det stadig er vanskeligt at
forestille sig, hvordan organismer kunne undslippe andre planeter eller dale
ned på denne intakte. Som de fleste andre forskere tror han, at livet blev
skabt på jorden. Ikke desto mindre siger han, at panspermia hypotesen, selv om
den måske er usandsynlig og bestemt usmagelig for mange forskere, ikke kan
udelukkes på grundlag af hans eksperimenter.
For omkring et årti siden lykkedes det Orgel og Crick
at provokere offentligheden og deres kolleger ved at spekulere på, at livets
sæd blev sendt til jorden i et rumskib af intelligente skabninger, der levede
på en anden planet. Orgel siger, at forslaget, der er kendt som dirigeret
panspermia, var "en slags spøg." Men han bemærker, at den havde et
alvorligt formål: at udpege utilstrækkeligheden af alle forklaringer på jordisk
skabelse. Som Crick engang skrev: "Livets oprindelse forekommer næsten at
være et mirakel, så mange er betingelserne, der skulle opfyldes for at få det
igang."
Er vi alene?
Men andre forskere mener, at skabelse, langt fra at være mirakuløs, kan være
et temmeligt almindeligt fænomen. Faktisk antyder den tilsyneladende hast med
hvilken livet opstod på jorden og mængden af organiske molekyler i hele rummet,
at liv også kan have fundet sted andre steder i universet, siger John D.
Rummell, som leder NASAs såkaldte exobiologi program. At finde vidnesbyrd om
sådant liv, peger han på, kunne, udover i sig selv at være en epokegørende
begivenhed, belyse jordiske begyndelser.
NASA udvider sit søgen-efter-udenjordisk-intelligens,
eller SETI, program, som overvåger det elektromagnetiske spektrum efter
signaler, der kunne være frembragt af en anden civilisation. I løbet af det
næste årti vil NASA forskere undersøge radiosignaler, der kommer fra hele
himlen, mens de fokuserer på omkring 700 stjerner, der er relativt tæt på
jorden og menes at være mulige steder for planeter. NASA har udviklet udstyr,
der sætter et enkelt radioteleskop i stand til at overvåge milliarder af
kanaler samtidig og automatisk bringe mistænkelige signaler til forskernes
opmærksomhed.
EN ANTARKTISK SØ huser blomstrende samfund af mikrober under den frosne overflade. Sådanne opdagelser har givet håb om, at Mars, som ligesom Antarktis er yderst kold og tør og menes at have frosset vand, kunne understøtte liv.
Forskere undersøger også på ny muligheden for, at liv opstod på vores
nærmeste nabo: Mars. NASA forsker McKay siger, at Mars og jorden var meget lig
hinanden i deres første få hundrede millioner år. Observationer af gamle
flodlejer og mudderkanaler antyder, at vand engang flød på den røde planet.
Denne kendsgerning, siger McKay, antyder, at Mars engang var indhyllet i en
varm kuldioxid atmosfære.
Viking rumfartøjerne, som landede på
Mars i 1970'erne, fandt ingen spor af liv. Alligevel siger McKay, at muligheden
for at en fremtidig mission vil finde sådanne vidnesbyrd - enten som fossiler
eller stadig levende - er blevet støttet af opdagelser af mikrober på
usandsynlige steder på jorden. McKay og andre arbejdere har fundet tætte
mikrobemåtter på bunden af frosne søer i Antarktis, hvis kolde, tørre klima
minder om det, der er på Mars. Bakterier er også blevet fundet i
sedimentklipper og olieaflejringer tusinder af fod under jordens overflade, i
saltaflejringer og, naturligvis, ved ventiler i det dybhavet.
|
|
Mars burde være ideel til fossiljagt, ifølge McKay. "Den har været i en
fryser i fire milliarder år," siger han, "og den har ingen
pladetektonik. Den er en palæontologs drøm." Han anerkender, at Mars
mangler en potentielt signifikant jordisk egenskab: en stor måne. "Hvis
man antager, at livet udviklede sig i tidevandssøer," siger han, "så
fejler Mars analogien." McKay tror, at det, at finde udenjordisk liv,
ville sætte livets-oprindelse forskningen på fast observationel basis ligesom
opdagelsen i 1965 af mikrobølge strålingen, der gennemtrænger universet,
legitimerede kosmologi: "Vi behøver noget som den kosmiske
mikrobølgebaggrund for at gøre os respektable."
Miller, som efter næsten fire årtier stadig er på jagt
efter livets største hemmelighed, er enig i, at feltet behøver en dramatisk
opdagelse for at begrænse den tøjlesløse spekulation. Men han mener, at en
sådan opdagelse sandsynligvis vil dukke op i jordiske laboratorier. Det feltet behøver
nu, kommenterer Miller, er ikke flere teorier eller langt-ude eftersøgninger
efter fremmed liv men flere eksperimenter. "Jeg finder på et dusin ideer
om dagen og sædvanligvis kasserer jeg" - han tænker et øjeblik -
"hele dusinet."
Overvejer han nogensinde muligheden af, at skabelsen
var et mirakel, som ikke kan reproduceres af simple mennesker? Slet ikke,
svarer Miller. "Jeg tror, at vi bare ikke har lært de rette tricks
endnu," siger han. "Når vi finder svaret, vil det sandsynligvis være
så forbandet enkelt, at vi alle vil sige, 'Hvorfor tænkte jeg ikke på det noget
før?' "
Fra In
the Beginning…, Scientific American, februar 1991, ss. 100-109.
Center
for Fundamental Living Technology (FLinT)
17. april, 2008.