Livets uppkomst - allt fler pusselbitar faller på plats

Hur det allra första livet uppkom är ett gammalt mysterium­. Det är faktiskt lättare att beskriva hur små encelliga slemklumpar kan utvecklas till maneter, fiskar­, reptiler och alla andra djur inklusive människan, än att förklara hur de små slemklumparna en gång kunde dyka upp i urtidens hav och sjöar.
Varifrån kommer vi? Vad startade det livets maskineri som ­fortfarande håller oss igång?
En möjlig bild av hur det gick till börjar nu ta form.

Pusselbitarna börjar falla på plats.

Pusselbitarna börjar falla på plats.

Fråga en någorlunda bildad människa om hur livet på jorden uppstod så svarar de flesta – de som inte tror på gudomliga ingripanden – troligen något i stil med att kemiska ämnen bubblade samman i något slags ursoppa och till slut bildade enkla celler, fast riktigt hur det gick till har man inte total koll på.

Faktum är att ingen riktigt vet.

Det svåra med att hitta en trovärdig förklaring till livets uppkomst är att språnget mellan kemikalier som reagerar med varandra och en levande fungerande cell är större än man ofta föreställer sig. Det är helt enkelt enormt stort.

En levande cell är verkligen inte enkel i ordets normala betydelse. Vägen dit är lång. Vissa säger att den är alltför lång och alltför osannolik för att vara trovärdig. Livet måste därför ha placerats på jorden – från rymden, eller­ av en högre existens.

Livet som vi känner det uppstod av allt att döma bara en gång. Det betyder att det var en unik händelse, men hur sannolik den var råder det delade meningar om. Vi vet inte hur det gick till, och vi får kanske aldrig ett säkert svar. Men möjliga scenarier börjar ta form. Det börjar åtminstone stå klart att det inte var omöjligt eller totalt osannolikt att det faktiskt hände av sig självt.

En hypotes kring livet är att det kom från rymden. De flesta forskare betraktar dock det som att man bara förskjuter problemet – på något sätt måste det ha uppkommit även någon annanstans. Bild: SPL

En hypotes kring livet är att det kom från rymden. De flesta forskare betraktar dock det som att man bara förskjuter problemet – på något sätt måste det ha uppkommit även någon annanstans. Bild: SPL

Livets kod

Alla levande varelser, människor, mögelsvampar, myggor och maneter, är uppbyggda av celler som innehåller­ dna. Dna bär på en kod som styr tillverkningen av hundratals eller tusentals olika proteiner som i sin tur bygger upp cellen, styr energiförbrukningen och reglerar hur dna ska arbeta. Alla delar är beroende av varandra. Systemet är fintrimmat och svåröverskådligt i sin komplexitet­, och fungerar lite annorlunda i alla varelser, skräddarsytt för alla sina olika specialsyften.

Men själva grundidén är densamma­. Dna har samma funktion och använder samma kod i alla celler och proteinerna tillverkas i samma typ av maskineri. Skillnaderna som finns visar den gradvisa evolutionära förändringen mellan arterna, men i botten syns märket som visar att vi kommer från samma fabrik. Vi är bara olika årsmodeller, så att säga. Så hur kunde det här dna-baserade livet uppstå? Frågan var under många år en stötesten eftersom dna visserligen är stabilt och bra på att kopiera sig och är på det viset en lämplig substans att använda, men det behöver hjälpmolekyler i form av enzymer för att överhuvudtaget kunna fungera. Enzymerna är stora arkitektoniskt komplicerade proteinmolekyler som hjälper dna att skapa nya proteiner. Alltså måste det finnas proteiner för att skapa proteiner ur dna.

Det är en klassisk paradox – var det hönan eller ägget som kom först?

Idag är en stor grupp forskare inne på linjen att dna är ett senare steg i utvecklingen. Det tidiga livet på jorden måste ha varit en värld av rna, en nära besläktad molekyl, som har förmågan att själv bilda former som fungerar som enzym när proteiner ska bildas. Då försvinner paradoxen. Rna kan bära information och bilda enkla proteiner på egen hand. Rna har även livsviktiga uppgifter i dagens dna-celler. När koden från en gen ska styra tillverkningen av ett protein så bildas först en rna-molekyl som bär informationen till själva proteinfabriken i cellen, ribosomen. Det steget kan en gång ha fungerat helt självständigt i en rna-värld. Det, och andra spår, pekar mot att rna är ursprunget, en visserligen livsviktig molekyl, men som idag spelar­ en lite mer undanskymd roll. En gång var den ensam huvudrollsinne­havare i spelet om livets tillkomst.

Frågan förvandlas då till: hur kunde en så komplex molekyl som rna uppstå helt spontant på den unga planeten­ jorden?

Svaret har man försökt hitta genom att imitera de kemiska förhållanden som kan ha lett fram till livets första trevande start.

Någon gång för 2,5 miljarder år sedan befolkades jorden av encelliga organismer, till exempel bakterien i bildens mitt. Kolonier av cyanobakterier har börjat producera syre, vilket kommer att leda till en katastrof för livet på jorden. Och ett hopp i utvecklingen. Bild: SPL

Någon gång för 2,5 miljarder år sedan befolkades jorden av encelliga organismer, till exempel bakterien i bildens mitt. Kolonier av cyanobakterier har börjat producera syre, vilket kommer att leda till en katastrof för livet på jorden. Och ett hopp i utvecklingen. Bild: SPL

Ursoppan blir rna

Man vet att många av de enkla ämnen som fanns i vattnet och atmosfären för nästan fyra miljarder år sedan – framför allt koldioxid och kvävgas – kunde bilda flera av de mer sammansatta ämnen som måste ha funnits för att den rätta blandningen ska bli till (se faktaruta). Men hela idén om en ursprunglig rna-värld gick tidigt in i väggen. Att rna-molekyler skulle uppkomma spontant är så osannolikt att det är närmast otroligt. Kemin fungerar helt enkelt inte, har många forskare konstaterat.

Istället måste livet ha tagit en annan väg, och börjat med enklare molekyler – inte arvsanlagen som kopieras via rna/dna, utan med energiproduktionen, ämnesomsättningen.

Men trots de här invändningarna har flera envisa forskare fortsatt att se rna-dna-spåret som det mest troliga. Och under förra året kom ett genombrott som visade hur det kan ha gått till när livsgnistan uppstod för första gången, helt spontant.

Dna och rna är bägge två långa kedjor­ sammansatta av mindre komponenter, nukleotider. Kedjorna bildar de ofta avbildade dubbelspiraler som utgör både dna och rna.

Varje nukleotid består av tre delar: ett socker, en fosfatmolekyl och en kvävebas (se faktaruta).

Kvävebaserna kan bildas av sig själva med ämnen som man vet fanns tillgängliga vid den här tiden – cyanid­, acetylen och vatten.

Fosfaterna ger lite mer huvudbry. Det mesta fosfor som finns på jorden är bundet i mineraler som inte löser sig i vatten. Det kan alltså inte ha simmat runt i det urhav, eller de ur-pölar där livets första experiment troligtvis ägde rum.

Fosfor är livets femte viktigaste grundämne efter kol, syre, väte och kväve. Men utanför de levande cellerna är det mindre vanligt. I världshaven går det 25 miljoner syreatomer på varje atom fosfor. Inuti en bakterie är mängden fosfor 350 000 gånger mer koncentrerad.

Någonstans ifrån kom allt det fosfor som kunde lösa sig i vattnet för att anrikas i oss levande varelser.

Rna som veckat sig till så kallade ribozymer kan driva kopieringen av rna - vilket alltså betyder att rna kan driva sin egen kopiering, bara någon molekyl råkat vecka sig på rätt sätt. Bild: SPL

Rna som veckat sig till så kallade ribozymer kan driva kopieringen av rna - vilket alltså betyder att rna kan driva sin egen kopiering, bara någon molekyl råkat vecka sig på rätt sätt. Bild: SPL

Fosfor från rymden

I järnrika meteoriter finns ett mineral som kallas schreibersit, efter en öster­rikisk geolog. Fosforföreningarna i schreibersit löser sig gärna i vatten, och det i en form som lätt reagerar med andra organiska ämnen.

Att det var stenar från rymden som försåg oss med vårt livsnödvändiga fosfor är inte bevisat, men det är ett helt möjligt scenario, det visades av forskare vid University of Arizona år 2004. Sockerkomponenten i nukleotiden har visat sig vara ett större problem. I både rna, ribonukleinsyra, och dna deoxiribonukleinsyra, är det socker­arten ribos som utgör kärnan. Men ribos har visat sig vara instabilt under de förhållanden som rådde i urtiden, och bryts ner innan det hinner­ delta i bygget av en rna-kedja. Och även om man med lite ”laboratoriefusk” hjälper ribosmolekylerna på traven så går det ändå inte att få ihop hela pusslet. De tre delarna vill inte falla samman till en ordnad länk i dubbelspiralen, en nukleotid.

Rna-förespråkarna har kämpat med det här problemet i åratal. Ända tills förra året, då några kreativa kemister­ vid universitetet i Manchester kanske löste det.

Det som i sin färdiga skepnad ser ut att vara uppbyggt av tre komponenter kanske byggdes av helt andra kemiska legobitar.

Forskarna lyckades få färdiga nukleotider av rna att spontant bildas under de rätta, ur-jordiska förhållandena.

Utgångspunkten är de traditionella ämnen som man vet fanns på jorden, cyanider, formaldehyd och acetylen, men vägen till nukleotiderna går längs en ny, betydligt mer komplicerad väg.

En egenskap i just den här processen som har tilltalat forskare är att det bildas en del nukleotider med felaktiga egenskaper på vägen, men de försvinner när de utsätts för ultra­violett strålning, som de måste ha gjort under den unga jordens tunna atmosfär.

Rna-molekylen är många forskares favorit som den centrala molekylen för livets uppkomst. Bild: SPL

Rna-molekylen är många forskares favorit som den centrala molekylen för livets uppkomst. Bild: SPL

Bevis för rna-förespråkarna

Det här framsteget kallades när det presenterades för ett extremt starkt bevis för rna-världen. Man visade att den var fullt möjlig i praktiken. Byggstenarna kan bildas spontant i naturen­.

Men ännu har vi inte sett något liv. De här nukleotiderna måste först sättas­ samman till en längre kedja för att kunna bli rna, de måste polymeriseras. Det gör de inte när de är lösta i vatten. Men sedan mer än ett decennium vet man att sådana här nukleotider gärna förenas till längre kedjor om de får hjälp av den strukturerade ytan på vissa lermineraler. Man kan alltså tänka sig att nukleotider samlas i leran på botten av en het källa, där de bildar långa rna-molekyler.

Men en molekyl är inte levande. För att få igång något som liknar ett livets första trevande steg krävs för det första att några av de här kedjorna börjar kopiera sig själva. Hur nu det ska gå till.

I dagens celler behövs proteiner i form av enzym för att driva dna:s kopiering. I den teoretiska rna-världen krävs att det finns rna-kedjor som har vikt sig till en arkitektur som kan göra just det. Sådana molekyler kallas ribozymer, och de uppstår när en rna-kedja får den rätta raden av nukleotider, rent slumpmässigt.

Men när det blir rätt kan ett slags kemisk evolution göra att det snart blir fler av de mest effektiva typerna. Det visade forskarna Lincoln och Joyce­ vid Scripps-institutet i Kalifornien­ under 2009.

De skapade en rna-molekyl som kunde bygga kopior av sig själv genom att haka fast i löst kringflytande nukleotider och sätta ihop dem till kopior av sig själv. Därefter släppte de taget och flöt vidare och både kopiorna och originalen kunde upprepa processen.

Det här är möjligen den ursprungliga evolutionen. En molekyl som kan kopiera sig själv effektivare lägger beslag på större andel av byggmaterialet, blir snabbt fler, och tar snart över helt. Efter 30 timmar blev den kopiebildande rna-ribozymen 100 miljoner gånger talrikare i Scripps-försöket.

Livets byggstenar består av stora och komplicerade molekyler som samverkar­ på olika sätt. Att förklara hur detta kan ha utvecklats ur enkla molekyler som spontant bildas är en av forskarnas stora uppgifter. Och delförklaringar kommer hela tiden. Bild: SPL

Livets byggstenar består av stora och komplicerade molekyler som samverkar­ på olika sätt. Att förklara hur detta kan ha utvecklats ur enkla molekyler som spontant bildas är en av forskarnas stora uppgifter. Och delförklaringar kommer hela tiden. Bild: SPL

Ännu enklare molekyler

Men mycket talar för att processen började med enklare molekyler, utan hjälp av enzym. En av de ledande forskarna på området, Jack Szostak vid Harvard, har i över tjugo år försökt reda ut hur alla avsnitt i följetongen om livets födelse kan ha sett ut. Han har också visat hur de första cellerna med ett nästan levande innehåll kan ha uppstått.

”Riktiga” celler har ett hölje, ett membran som består av ett dubbelt lager av oljelika molekyler, till exempel kolesterol. I det här höljet finns specialbyggda proteiner som fungerar som pumpar för att låta olika ämnen passera ut och in i den levande cellen. Hela systemet är något som omöjligt kan ha uppstått spontant ur ingenting. Det måste ha fötts ur en enklare bakgrund.

Redan på 1970-talet upptäcktes att enkla fettsyror i vattenlösning bildar små ihåliga kulor, ett slags protoceller. De här förstadierna till verkliga celler har sedan dess varit föremål för ett intensivt intresse eftersom de bildas helt spontant. Men problemet har varit att de inte släpper ut eller in någonting. Cellväggen är en tät barriär. Szostak och hans grupp vid Harvard har lyckats visa att primitiva varianter av rna:s nukleotider, alltså små bitar av molekylen, visst kan ta sig igenom väggen om förhållandena är de rätta.

När de placerade en lång molekyl inuti protocellen så radade de små inträngande­ bitarna upp sig längs den, och skapade en ny kedja. Enbart rna kunde med lite hjälp i det närmaste kopiera sig självt, utan några enzym.

Cellväggar består av ett dubbelt lager av oljelika molekyler. Liknande strukturer kan bildas spontant, men då saknas de pumpar som är till för att släppa ut och in olika ämnen i cellen. Forskare har visat att primitiva varianter av rna kan ta sig igenom den täta väggen – och så kan starten på cellens historia sett ut.

Cellväggar består av ett dubbelt lager av oljelika molekyler. Liknande strukturer kan bildas spontant, men då saknas de pumpar som är till för att släppa ut och in olika ämnen i cellen. Forskare har visat att primitiva varianter av rna kan ta sig igenom den täta väggen – och så kan starten på cellens historia sett ut.

Celldelning före liv

De har också upptäckt hur de här enkla­, icke levande cellerna kan börja dela sig. Om en av de här små fettsäckarna innehåller rna eller liknande material så kommer vatten från omgivningen att tränga in på grund av det fenomen som kallas osmos. Då sväller cellen, och för att minska spänningen i membranet tar den upp ytterligare fettmolekyler. De nya fettmolekylerna bildar­ av någon anledning först en lång trådliknande struktur­ som sticker ut från cellen. Och en liten rörelse i vattnet fick trådstrukturen att knoppas av för att bilda en ny protocell, som i sin tur började växa på samma sätt. Här börjar ett scenario att växa fram.

Långa molekyler med förmåga att skapa kopior av sig själva, någon form av primitivt rna, kan uppstå spontant. Enkla celler med membran av fettsyror kan uppstå spontant. Det finns flera tänkbara mekanismer för hur molekylerna kan hamna inne i cellerna.

Cellerna med sitt innehåll kan ta upp nya småmolekyler som spontant ordnar sig till nya rna-strängar, de växer och delar sig.

Snart börjar de konkurrera inbördes om de tillgängliga ämnena, och de med den effektivaste kopieringsmekanismen tar hand om de flesta och svälter därmed ut de andra.

Vattentemperaturens

betydelse


Szostak har också visat hur dramatiska kontraster i vattentemperaturen­ kan ha drivit kopieringsprocessen. Till exempel vid ett utlopp av hett vatten omgivet av havets iskalla bottenströmmar, eller en istäckt vattensamling som värms av vulkaniskt het mark underifrån. I en sådan miljö uppstår ett mikroklimat med strömmar mellan­ varmt och kallt där cellerna­ rör sig.

En cell är liten, men ändå ytterligt komplicerad. Det är inga problem att förklara hur en enkel cell kan utvecklas till allt mer komplicerade organismer – det sköter evolutionen om. Men stegen till att det första livet bildades är betydligt knepigare att reda ut. Bild: SPL

En cell är liten, men ändå ytterligt komplicerad. Det är inga problem att förklara hur en enkel cell kan utvecklas till allt mer komplicerade organismer – det sköter evolutionen om. Men stegen till att det första livet bildades är betydligt knepigare att reda ut. Bild: SPL

Man kan alltså tänka sig att nybildade enkla rader av nukleotider, små rna-strängar, lossnar från lermineral där de parats ihop, sedan tas de genom någon mekanism upp av de ihåliga fettkulor som flyter i vattnet. På den kalla sidan av vattensamlingen radar byggstenarna upp sig i cellen enligt mönstret C mot G och A mot U. Enkelsträngar blir dubbelspiraler. Strömmen för den primitiva cellen mot den varma bottnen, eller det heta utflödet, och när temperaturen närmar sig 100 grader delar sig strängen i två.

Tillbaka i den kalla delen byggs nya dubbelsträngar upp, och cykeln börjar om. När cellen fyllts med kopior av rna-strängen delar den sig spontant. Just det här förloppet har Szostak och hans forskargrupp vid Harvard återskapat i laboratoriet. Och varje kopiering är en möjlig förbättring. En liten fördelaktig mutation här och där gör det här för-livet lite effektivare, och till slut bildas också de rna-strängar som blir de första enzymen, ribozymer.

Då har livet nått nästa nivå. Med fungerande ribozymer kan kopierandet fortsätta på egen hand, helt spontant i nya miljöer, i andra temperaturer och utan särskilda mineraler till hjälp. Livet har börjat skapa sina egna förutsättningar.

Värmekällor under vattnet, så kallade black smokers, har sedan länge väckt forskarnas intresse. De stora temperaturskillnaderna mellan vattnet nära värmekällan och vattnet bara några meter bort kan ha varit perfekt för liv att uppstå. Bild: SPL

Värmekällor under vattnet, så kallade black smokers, har sedan länge väckt forskarnas intresse. De stora temperaturskillnaderna mellan vattnet nära värmekällan och vattnet bara några meter bort kan ha varit perfekt för liv att uppstå. Bild: SPL

Från fettboll till liv

Och här någonstans passerar de mikroskopiska fettbollarna med sitt innehåll av självkopierande molekyler en osynlig gräns. De går från komplicerade kemiska fenomen till att bli levande. När det sker är en ren definitionsfråga. Men på vägen börjar några av dem att ta in andra ämnen som genom sina reaktioner skapar ett överskott av kemisk energi inuti cellen. Den energin används för att bygga upp allt mer avancerade proteinstrukturer, och genom miljontals försök dyker det då och då upp nya förbättringar, effektiviseringar, som snabbt inkorporeras i systemet om de gör att kopieringen och upptaget av kemiska byggstenar och näringsämnen går bättre än hos grannarna. Evolutionen har startat, och den tar skilda vägar i olika vattensamlingar.

Vi får troligen aldrig veta exakt hur det gick till, men det här är åtminstone ett scenario som är tänkbart, med många möjliga variationer längs vägen.

Det viktiga med det här skisserade händelseförloppet är att det visar att det går att överbrygga det stora språnget, klyftan mellan de enkla organiska ämnen som man vet fanns i vattnen när jorden var ung, och de alger som lämnade sina tidigaste avtryck­ för 3,5 miljarder år sedan.

Fakta: 
NUKLEOTIDER - DET ENKLA LIVETS BYGGSTENAR
Dna-molekylen innehåller koden för hur en organism ska utvecklas. Principen är mycket enkel – kvävebas kan bara binda till en annan specifik kvävebas (A till T och C till G). På så sätt bildar en delad molekyl en identisk hel genom att ta upp kvävebaser på rätt ställen.

Dna-molekylen innehåller koden för hur en organism ska utvecklas. Principen är mycket enkel – kvävebas kan bara binda till en annan specifik kvävebas (A till T och C till G). På så sätt bildar en delad molekyl en identisk hel genom att ta upp kvävebaser på rätt ställen.

Kvävebasen uracil skiljer rna från dna – dna har istället tymin som ett av sina baspar. Bild: SPL

Kvävebasen uracil skiljer rna från dna – dna har istället tymin som ett av sina baspar. Bild: SPL

Både rna och dna är dubbelspiraler. Spiralernas ryggrad består av fosfat och sockret ribos i långa kedjor. De två vridna strängarna förenas av stegpinnar­ i form av kvävebaser. Tillsammans bildar de här tre delarna – fosfat, ribos och kvävebas – en nukleotid. Varje sträng består alltså av en mycket lång rad av nukleotider.

Den genetiska koden i både dna och rna bestäms av ordningen av de fyra olika kvävebaser som kan förekomma. I dna heter de adenin, cytosin, guanin och tymin, A, C, G och T. Hos rna är tymin utbytt mot kvävebasen uracil, U.

De två strängarna förenas genom att ett A på den ena strängen alltid binder till ett T (eller U om det är rna) på den andra, och ett C alltid till ett G.

Det betyder att en enkel sträng som plockar upp lösa nukleotider i en cell, alltid skapar identiska nya strängar som sedan kan kopieras om och om igen.

DE ÄLDSTA KÄNDA VARELSERNA PÅ JORDEN
På Australiens västkust finns de här märkliga formationerna, som faktiskt är de äldsta spåren av liv som finns. Bild: Paul Harrison

På Australiens västkust finns de här märkliga formationerna, som faktiskt är de äldsta spåren av liv som finns. Bild: Paul Harrison

Stromatoliter kallas de stenliknande formationer som kan bildas på grunt vatten och som finns utanför Australiens västkust.

De består av lager på lager av bakterier, blågröna alger, där slam och små sandkorn fastnat. Några av de här formationerna är 3,5 miljarder år gamla och utgör de äldsta spåren av liv som hittats.

VEM VAR FÖRST?
Arkéer betraktades tidigare som en sorts bakterier, men sedan gentekniken slog igenom har det blivit tydligt att de är en helt egen grupp organismer, helt skilda från bakterier. Bild: SPL

Arkéer betraktades tidigare som en sorts bakterier, men sedan gentekniken slog igenom har det blivit tydligt att de är en helt egen grupp organismer, helt skilda från bakterier. Bild: SPL

Mycket talar för att det är arkéerna, eller arkebakterierna, som var de första levande varelserna. Idag lever de ofta i extrema miljöer, som i kokande syra, radioaktivt avfall eller i iskyla.

De skiljer sig tydligt från de egentliga bakterierna och från livets tredje grupp, eukaryoterna, dit vi hör tillsammans med alla djur och gröna växter.

De äldsta eukaryoterna dök upp för knappt två miljarder år sedan.

LIV FRÅN VARMA KÄLLOR
En vanlig hypotes är att livet uppstod kring varma källor på havsbotten. Exakt hur de olika stegen ser ut forskas det kring, och fler och fler detaljer klarnar. En fullständig bild kan vi kanske aldrig få – det kan trots allt ha tagit miljoner år och ännu fler steg. Ordningen mellan de olika stegen kan dessutom omvärderas, till exempel kan cellväggen ha funnits innan cellen fått egentligt liv.

En vanlig hypotes är att livet uppstod kring varma källor på havsbotten. Exakt hur de olika stegen ser ut forskas det kring, och fler och fler detaljer klarnar. En fullständig bild kan vi kanske aldrig få – det kan trots allt ha tagit miljoner år och ännu fler steg. Ordningen mellan de olika stegen kan dessutom omvärderas, till exempel kan cellväggen ha funnits innan cellen fått egentligt liv.

Material från
Allt om Vetenskap nr 8 2010

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter