- Del to: En opdeling i forskernes rækker -
- Del tre: på jagt efter den første replikator -
- Del fire: protonenergien -
- Del fem: så hvordan opretter du en celle? -
Del seks: Den store forening -
I dag har livet erobret hver kvadratcentimeter af Jorden, men da planeten først dannede sig, var det en død sten. Hvordan og hvornår skete den milepæl overgang? Hvordan begyndte livet? Man kan næppe tænke på et mere alvorligt, stort og komplekst spørgsmål. I det meste af menneskets historie var der ingen, der tvivlede på, at dette var gudernes forretning. Enhver anden forklaring var ikke tænkelig.
Ikke mere. I løbet af det sidste århundrede har mange forskere forsøgt at finde ud af, hvor det første liv kunne begynde. De forsøgte endda at genskabe skabelsens øjeblik i deres laboratorier: skab et helt nyt liv fra bunden af. Indtil videre har ingen lykkedes, men vi er nået langt. I dag er mange videnskabsfolk, der studerer livets oprindelse, sikre på, at de er på rette vej - og de har eksperimenter, der understøtter deres tillid til dette.
Dette er historien om vores bestræbelser på at finde ud af vores sande oprindelse. Det er en historie om besættelse, kamp og strålende kreativitet, der førte til nogle af de største opdagelser i moderne videnskab. Ønsket om at forstå livets oprindelse sendte mænd og kvinder til de fjerneste hjørner af vores planet. Nogle lærde blev betragtet som djævle i kødet, mens andre fortsatte med at arbejde under tommelfingeren af brutale totalitære regeringer.
Dette er historien om fødslen af liv på Jorden.
Faktisk levede dinosaurier for ikke så længe siden.
Livet er gammelt. Dinosaurer - de mest berømte uddøde væsener - optrådte for 250 millioner år siden. Men livet begyndte meget, meget tidligere.
Den ældste kendte fossile rekord er omkring 3,5 milliarder år gammel, 14 gange så lang som den ældste dinosaurier. Men fossilrekorden kan føre os endnu længere. For eksempel opdagede alene forskere i august 2016 fossiliserede mikrober, der er 3,7 milliarder år gamle.
Salgsfremmende video:
Disse bølgete mønstre er muligvis 3,7 milliarder år gamle
Jorden selv er ikke meget ældre, den er 4,5 milliarder år gammel.
Hvis vi antager, at livet stammer fra Jorden - hvilket synes rimeligt, i betragtning af at vi stadig ikke har fundet det andetsteds - må dette have sket i de milliarder år, der er gået mellem dannelsen af Jorden og udseendet af de ældste kendte fossiler.
Ved at indsnævre antallet af gange, livet kan have vist sig, kan vi komme med uddannede gætte om, hvordan det skete.
Livets træ: de fleste bakterier og archaea
Siden 1800-tallet har biologer vidst, at alt levende er sammensat af "celler": små sække af levende stof, der findes i alle former og størrelser. Celler blev først opdaget i det 17. århundrede takket være opfindelsen af de første mikroskoper, men det tog over hundrede år at indse, at de var grundlaget for alt liv.
Du ser bestemt ikke ud som en havkat eller en tyrannosaurus, men et mikroskop viser, at du er lavet af næsten de samme celler. Som planter og svampe. Men indtil videre er den mest talrige livsform mikroorganismer, der består af en celle. Bakterier er den mest berømte gruppe og kan findes overalt på Jorden.
I april 2016 præsenterede forskere en opdateret version af "livets træ": på en måde, slægtstræet for alle levende arter. Næsten alle grene er bakterier. Desuden antyder formen på disse grene, at bakterier var den fælles stamfar i alt liv. Med andre ord, enhver levende ting - inklusive dig - kom fra bakterier.
Det viser sig, at vi mere nøjagtigt kan definere problemet med livets oprindelse. Ved kun at bruge materialer og forhold, der var på Jorden for 3,5 milliarder år siden, skal vi lave en celle.
Hvor vanskelig vil det være?
Hele levende celle
Første eksperimenter
I det meste af historien anså ingen det for nødvendigt at spørge, hvordan livet blev til, da svaret virket indlysende. Indtil 1800-tallet troede de fleste på "vitalisme." Dette er en intuitiv idé om, at levende ting er udstyret med en speciel, magisk egenskab, der adskiller dem fra livløse genstande.
Vitalisme har ofte været forbundet med religiøs tro. Bibelen siger, at Gud brugte "livets åndedrag" til at genoplive de første mennesker, og den udødelige sjæl er en form for vitalisme.
Der er kun et problem. Vitalisme er komplet vrøvl.
I begyndelsen af 1800-tallet havde forskere opdaget flere stoffer, der syntes unikke for livet. En sådan forbindelse var urinstof, som blev fundet i urin og udskilt i 1799. Kun dette passer stadig ind i begrebet vitalisme. Kun levende ting var i stand til at producere disse kemikalier, så de tilsyneladende blev ladet med livsenergi, og dette gjorde dem specielle.
Men i 1828 fandt den tyske kemiker Friedrich Wöhler en måde at fremstille urea fra et almindeligt kemikalie, ammoniumcyanat, som ikke havde nogen åbenbar forbindelse med levende ting. Andre fulgte efter, og det blev hurtigt klart, at livets kemikalier kunne fremstilles af enklere kemikalier, der ikke havde noget at gøre med livet.
Friedrich Wöhler, tysk kemiker
Dette var slutningen på vitalismen som et videnskabeligt koncept. Men folk havde svært ved at skille sig fra denne idé. For mange mennesker så det ud til, at det at sige, at der ikke var noget "specielt" ved livets kemikalier, var som at fjerne dens magi fra livet og gøre det mekanisk eller sjælløst. Og det var selvfølgelig i strid med Bibelen.
Selv lærde har forsøgt at redde vitalisme. Allerede i 1913 fremmede den engelske biokemiker Benjamin Moore inderligt teorien om "biotisk energi", som var den samme vitalisme, men med et andet navn. Denne idé havde en stærk følelsesmæssig overtoner.
Selv i dag dukker denne idé dog undertiden op her og der. For eksempel er der mange science fiction-historier, hvor "livets energi" kan øges eller suges ud. Tænk på den "regenereringsenergi", der bruges af Time Lords i Doctor Who. Det virker usædvanligt, men dette er en meget, meget gammel idé.
Efter 1828 havde forskere imidlertid god grund til at søge en "gudløs" forklaring på livets første udseende. Men det gjorde de ikke. Det ser ud til, at dette emne skal undersøges, men faktisk er mysteriet med livets oprindelse ignoreret i årtier. Måske var de stadig for knyttet til vitalismen til at tage det næste skridt.
Charles Darwin viste, at alt liv stammede fra en fælles stamfar
I stedet var det gigantiske spring fremad i biologien i det 19. århundrede evolutionsteorien udviklet af Charles Darwin og andre.
Darwins teori, der er beskrevet i The Origin of Species i 1859, forklarede, hvordan al denne mangfoldighed i livet kunne være fremkommet fra en fælles fælles forfader. Hver enkelt art blev ikke længere skabt af Gud, men stammede fra en gammel organisme, der levede for millioner af år siden: den sidste universelle fælles stamfar.
Denne idé viste sig at være ekstremt kontroversiel, igen fordi den ikke passede Bibelen. Darwin og hans ideer blev angrebet af delvist forargede kristne.
Evolutionsteorien sagde ikke noget om, hvordan den allerførste organisme optrådte.
Darwin troede, at livet optrådte i en "varm lille dam"
Darwin vidste, at dette var et dybtgående spørgsmål, men - måske frygtede han for nye angreb fra kirken - turde han først diskutere det i 1871. Brevens positive tone viser, at han vidste den dybe betydning af dette spørgsmål:
”Men hvis (og åh, hvad et stort” hvis”) vi kunne forestille os en lille varm dam med al slags ammoniak og fosforsalt - med lys, varme, elektricitet - hvori en proteinforbindelse ville være kemisk dannet, klar til at gennemgå endnu mere komplekse ændringer …"
Med andre ord, hvad nu hvis der engang var en lille vandmasse fyldt med enkle organiske forbindelser og badet i sollys? Nogle af disse forbindelser kombineres muligvis for at danne et halvt levende stof, som et protein, der kunne begynde at udvikle sig og blive mere komplekst.
Denne idé var overfladisk. Men hun dannede grundlaget for den første hypotese om livets opkomst.
Mærkeligt nok optrådte denne hypotese i USSR.
Alexander Oparin boede og arbejdede i USSR
I Stalins tid var alt under statens kontrol. Selv ideer fra mennesker, biologer, ikke relateret til kommunistisk politik. Bemærkelsesværdigt forbød Stalin faktisk forskere fra at studere konventionel genetik. I stedet fremmede han ideerne fra landmanden Trofim Lysenko, som efter hans mening var mere i tråd med den kommunistiske ideologi. Forskere, der arbejdede inden for genetik, blev tvunget til at støtte Lysenkos ideer offentligt for ikke at ende i lejrene.
Det var i et så undertrykkende miljø, at Alexander Oparin udførte sin forskning inden for biokemi. Han kunne arbejde, fordi han var en hengiven kommunist: Han støttede Lysenkos ideer og modtog endda Lenins orden, den højeste pris i sovjettiden.
I 1924 udgav Oparin sit arbejde The Life of Origin. I det skitserede han sin vision om livets oprindelse, som var slående svarende til Darwins lille varme dam.
De oceaner, der blev dannet efter Jorden afkølet
Oparin forsøgte at forestille sig, hvordan Jorden var, efter dannelsen. Overfladen blev brændende varm, da klipperne faldt fra rummet. Et hjørne af halvekspanderede klipper indeholdende et stort udvalg af kemikalier, inklusive dem, der er baseret på kulstof.
Til sidst afkøles Jorden nok til, at vanddampen kondenserede til flydende vand, og det første regn begyndte at falde. Det fyldte Jordens oceaner, der var varme og rige på kulstofholdige kemikalier. Hvad du har brug for til livet.
Først interagerede forskellige kemikalier med hinanden for at danne mange nye forbindelser, hvoraf nogle var komplekse. Oparin antydede, at de livsmolekyler, sukkerarter og aminosyrer, kunne have dannet sig i jordens farvande.
Derefter begyndte nogle af kemikalierne at danne mikroskopiske strukturer. Mange organiske stoffer opløses ikke i vand: for eksempel danner olier et lag oven på vandet. Men når nogle af disse stoffer kommer i kontakt med vand, danner de sfæriske kugler af "koacervater", der kan være op til 0,01 centimeter på tværs.
Hvis man ser på coacervater gennem et mikroskop, opfører de sig meget mobile, som levende celler. De vokser og ændrer form, undertiden opdelt i to dele. De kan også hente kemikalier fra det omgivende vand, så de kan ende med livslignende kemikalier. Oparin antydede, at koacervater var forfædre til moderne celler.
Fem år senere, i 1929, foreslog den engelske biolog John Burdon Sanderson Haldane uafhængigt meget lignende ideer i en kort artikel offentliggjort i Rationalist Annual.
På det tidspunkt havde Haldane allerede bidraget meget til evolutionsteorien og hjalp med at integrere Darwins ideer i den udviklende videnskab om genetik.
Den engelske genetiker J. Haldane
Ligesom Oparin beskrev Haldane, hvordan organisk stof kunne samle sig i vandet, "indtil de oprindelige hav nåede konsistensen af varm, fortyndet suppe." Dette ville sætte scenen for de "første levende eller halvlevende ting", der dannede sig og endte i en tynd film af olie.
Det er vigtigt, at blandt alle biologer i verden kun Oparin og Haldane kom til dette. Ideen om, at levende organismer kan dannes gennem enkle kemiske reaktioner, uden Gud eller endda "livskraft", var radikal. Ligesom Darwins teori om evolution før den, var det også en klap i lyset af kristendommen.
Men det passer perfekt inden for rammerne af Sovjetunionen. Det sovjetiske regime var officielt ateistisk, og dets ledere støttede heldigvis enhver materialistisk forklaring på dybe fænomener som livet. Haldane var også en ateist og en kommunist til at starte med.
”På det tidspunkt var accept eller afvisning af en idé hovedsageligt afhængig af individet: om han var religiøs, om han støttede venstreorienterede eller kommunistiske ideer,” siger opretholdelsesekspert Armen Mulkidzhanian fra University of Osnabruck i Tyskland.”I Sovjetunionen blev de modtaget med glæde, fordi de ikke havde brug for Gud. I den vestlige verden, hvis man ser på de mennesker, der tænkte i denne retning, var de alle venstreorienterede, kommunister og så videre."
Ideen om, at livet blev dannet i en oprindelig bouillon af organisk stof, blev Oparin-Haldane-hypotesen. Hun var pæn og overbevisende, men der var et problem. Hun blev ikke støttet af noget eksperimentelt bevis. Og så gik det i næsten et kvart århundrede.
Harold Urey
Da Harold Urey blev interesseret i livets oprindelse, havde han allerede vundet Nobelprisen i kemi i 1934 og hjalp med at bygge atombomben. Under 2. verdenskrig arbejdede Yuri på Manhattan-projektet og indsamlede det ustabile uran-235, der var nødvendigt til bombens kerne. Efter krigen kæmpede han for at holde nuklear teknologi under civil kontrol.
Han blev også interesseret i rumkemien, især hvad der skete under dannelsen af solsystemet. Han holdt en forelæsning en dag og bemærkede, at der sandsynligvis ikke var ilt i jordens atmosfære, da den først dannede sig. Dette var det perfekte supplement til Oparin og Haldanes primære bouillon: skrøbelige kemikalier kunne ødelægges ved kontakt med ilt.
En doktorand ved navn Stanley Miller var i publikum og henvendte sig derefter til Yuuri med et spørgsmål: kan denne idé testes? Yuuri var skeptisk, men Miller insisterede på sin egen. Så i 1952 begyndte Miller det mest berømte eksperiment om livets oprindelse.
Miller-Urey eksperiment
Indstillingerne var enkle. Miller tilsluttede en række glasflasker og fyrede fire kemikalier, der kunne have været til stede på den tidlige jord: kogende vand, brintgas, ammoniak og metan. Derefter udsatte han gasserne for gentagne elektriske stød for at simulere lynnedslagene, der var almindelige på Jorden i disse dage.
Miller fandt, at "vandet i hætteglassene blev betydeligt lysere efter den første dag, og ved udgangen af ugen var opløsningen rød og overskyet." Tilsyneladende er der dannet en blanding af kemikalier.
Efter analyse af blandingen opdagede Miller, at den indeholder to aminosyrer: glycin og alanin. Aminosyrer kaldes ofte livets byggesten. De bruges til at danne proteiner, der kontrollerer de fleste af de biokemiske processer i vores kroppe. Miller byggede to vigtige komponenter i livet fra bunden op.
Resultaterne blev offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Science i 1953. Yuri gjorde noget meget usædvanligt for seniorforskere, idet han tog sit navn af sit job og gav al æren til Miller. På trods af dette omtales undersøgelsen ofte som Miller-Urey-eksperimentet.
Stanley Miller på laboratoriet
"Styrken af Miller-Urey er, at du kan producere mange biologiske molekyler lige fra atmosfæren," siger John Sutherland fra Molecular Biology Laboratory i Cambridge, UK.
Det viste sig at være ukorrekte, da senere undersøgelser viste, at atmosfæren i den tidlige jord var en anden blanding af gasser. Men det ændrer ikke faktum. Eksperimentet var en succes, stimulerede publikums fantasi og eksploderede til citater.
Efter Millers eksperiment begyndte andre forskere på udkig efter måder at skabe enkle biologiske molekyler fra bunden af. Løsningen på mysteriet om livets oprindelse så ud til at dukke op.
Men så viste det sig, at livet var vanskeligere, end nogen troede. Levende celler var ikke bare poser med kemikalier: de var små små maskiner. Pludselig viste det sig meget vanskeligere at bygge en celle fra bunden, end forskerne troede.
ILYA KHEL
- Del to: En opdeling i forskernes rækker -
- Del tre: på jagt efter den første replikator -
- Del fire: protonenergien -
- Del fem: så hvordan opretter du en celle? -
Del seks: Den store forening -