Goshverinn sendir gusu af sjóðandi vatni til himins. Skömmu síðar fellur það aftur niður sem þétt volgt regn sem fyllir upp nokkra nær uppþornaðra vatnspolla í eyðilegu landslaginu.
Staðurinn er jörðin, er það er ekki sú jörð sem við þekkjum núna.
Þetta er á einu af fáum landsvæðum – lítilli keðju af eldfjallaeyjum í nánast óendanlegu hafinu.
Hnötturinn er ennþá mjög ungur en á einum stað í þessum ógestrisna heimi krauma alls konar efnahvörf og eru við það að mynda fyrsta lífið – það líf sem síðan hefur lagt undir sig öll svæði jarðar, allt frá glóandi heitu bergi djúpt neðanjarðar til snæviþakinna fjallatoppa.
Stökkið frá líflausum sameindum til lífs er eitt það mikilvægasta í sögu jarðar. En hvernig gerðist þetta – og ekki síst hvar?
Þessar tvær spurningar eru nátengdar. Þau ferli sem lögðu gruninn að genatískum kóða skópu fyrstu prótínin og söfnuðu þeim saman í litla afmarkaða pakka sem réðust mikið að því umhverfi þar sem þetta átti sér stað, þannig að ef við getum fundið svarið við því hvernig fyrstu efnahvörf lífsins fóru fram getum við einnig reiknað út hvar þau áttu sér stað.
Og fræðimenn eru ákaflega nærri svari við þessum spurningum. Þeir hafa gert sér grein fyrir að fyrri kenningar um fyrstu efnahvörf lífs væru of einfaldar og ný tækni hefur nú í fyrsta sinn fært þeim heppileg verkfæri til að endurskapa þau ótal efnahvörf sem mynduðu fyrsta lífið.
Darwin veðjaði á heitt vatn
Hvenær lífið spratt fram er ennþá nokkur ráðgáta. Fundur á því sem virðist vera lífrænt kolefni í 4,3 milljarða ára gamalli steintegund frá Ástralíu benda til að það hafi átt sér stað tiltölulega skömmu eftir að jörðin sjálf varð til.
En þetta er alls ekki öruggt. Kannski lét lífið bíða eftir sér og kom fram fyrst fyrir 3,7 milljörðum ára. Frá þeim tíma hafa vísindamenn uppgötvað merki ljóstillífunar í grænlensku bergi.
Þrátt fyrir nokkrar deilur um þessa steingervinga hafa vísindamenn náð sátt um lágmarkstölu fyrir aldur lífs. Það getur ekki hafa orðið til fyrir minna en 3,5 milljörðum ára. Út frá DNA lifandi lífvera hafa erfðafræðingar reiknað út að sameiginlegir forfeður alls lífs á jörðu hafi í síðasta lagi lifað á þessum tíma í sögu hnattarins.
Þessi forfaðir sem einnig nefnist LUCA – Last Universal Common Ancestor – hafði líklega til að bera þau líffræðilegu einkenni sem allar lífverur deila, allt frá einföldustu bakteríum til stærstu hvala.
Þetta nær m.a. til frumuhimna sem samanstanda af fitu, erfðafræðilegum kóða sem grundvallast á DNA og aragrúa af prótínum sem örva efnahvörf, flytja til byggingarsteina og halda utan um alla þætti frumunnar.
Þessi einkenni skipta því meginmáli fyrir vísindamenn þegar þeir leitast við að skilja myndun fyrsta lífs á jörðu.
Byggingarsteinar lífsins vinna saman í frumum þínum
Allar lífverur jarðar, og þú einnig, geta þakkað lífi sínu órjúfanlegri samvinnu sameinda – samvinnu sem má að líkindum rekja allt aftur til fyrsta lífsforms jarðar.
DNA og RNA skapa ný prótín
DNA inniheldur vinnuteikningar fyrir öll prótínin. RNA flytur upplýsingar DNA áfram og hjálpar við að byggja prótín.
Prótín byggja DNA og fitu
Prótín sjá um að fjölfalda DNA okkar til að frumur geti skipt sér. Þau geta umbreytt DNA í RNA og þau byggja fituefni frumuhimnunar
Fita verndar prótín og DNA
Fita afmarkar frumuna frá umheiminum og myndar lítil rými í frumunni þar sem prótín, DNA og RNA geta framkvæmt efnahvörf sín ótrufluð.
Byggingarsteinar lífsins vinna saman í frumum þínum
Allar lífverur jarðar, og þú einnig, geta þakkað lífi sínu órjúfanlegri samvinnu sameinda – samvinnu sem má að líkindum rekja allt aftur til fyrsta lífsforms jarðar.
DNA og RNA skapa ný prótín
DNA inniheldur vinnuteikningar fyrir öll prótínin. RNA flytur upplýsingar DNA áfram og hjálpar við að byggja prótín.
Prótín byggja DNA og fitu
Prótín sjá um að fjölfalda DNA okkar til að frumur geti skipt sér. Þau geta umbreytt DNA í RNA og þau byggja fituefni frumuhimnunar
Fita verndar prótín og DNA
Fita afmarkar frumuna frá umheiminum og myndar lítil rými í frumunni þar sem prótín, DNA og RNA geta framkvæmt efnahvörf sín ótrufluð.
Fyrstu kenningar um hvernig lífið varð til voru settar fram af heimsspekingnum Aristótelesi um 350 f.Kr. Samkvæmt kenningu hans myndast líf í sífellu sjálfkrafa frá efni sem ber ekkert líf.
Þessari hugmynd var hafnað af franska líffræðingnum Luis Pasteur árið 1859. Hann vissi að nærringarríkur en sótthreinsaður vökvi verður ekki sjálfkrafa búsvæði baktería eða sveppa.
Það er fyrst þegar að hann kemst í samband við loftið – og þar með þær lífverur sem finnast í lofti – sem lífið sprettur fram í vökvanum.
Tilraun hans lagði sitt af mörkum við að móta þá kenningu sem margir fræðimenn vinna með nú á dögum: Að líf jarðar hafi einungis komið fram einu sinni og síðan hafi það þróast í ótal áttir og dreifst út til allra afkima plánetunnar. Og þetta hratt af stað leitinni af þeim dularfulla stað sem fyrstur varð til að fóstra líf.
Ein fyrsta vísindalega tilgátan um hvernig vagga lífs hlýtur að hafa verið kom frá enska vísindamanninum Charles Darwin. Í bréfi sem hann sendi vini sínum, grasafræðingnum Joseph Dalton Hooker, lýsti Darwin árið 1871 hvernig fyrstu prótínin gætu hafa orðið til í litlum hlýjum vatnspolli með köfnunarefnis – og fosfórtengingum, ljósi, hita og mun í rafspennu.
Próteinin gátu þannig víxlverkað og myndað flóknari tengingar. Kenning Darwins var stuttaraleg – en átti eftir að verða fræðimönnum innblástur fyrir brautryðjandi tilraunir 80 árum síðar.
RNA gat spjarað sig sjálft
Bandarísku efnafræðingarnir Stanley Miller og Harald Urey einsettu sér árið 1952 að endurskapa aðstæður frá bernsku jarðar með vatni og blöndu af metani, vetni og ammóníaki. Orkan kom síðan með tilbúnum eldingum.
Afraksturinn voru amínósýrur – grundvallarbyggingarsteinar prótína.
Tilraunin sýndi að það var tiltölulega auðvelt að fá sumar af grunnsameindum lífs til að myndast við aðstæður sem að öllum líkindum áttu sér stað snemma í sögu jarðar.
Fimm árum síðar endurtók Miller tilraunina með smávægilegri breytingu. Hann bætti við efnablönduna vetnissúlfíði.
Vetnissúlfíð er dæmigert gas frá virkum eldstöðvum og nóg var af þeim í bernsku jarðar þannig að þessi viðbót var ákaflega skiljanleg. Ekki er samt vitað hvað olli því að Miller birti aldrei niðurstöður þessarar nýju tilraunar.
Það gerðist fyrst 50 árum síðar þegar einn nemenda hans, efnafræðingurinn Jeffrey Bata, uppgötvaði innsigluð sýnin. Bata greindi þau með nútímaaðferðum og niðurstaðan reyndist vera enn áhugaverðari heldur en upprunalega tilraunin.
LESTU EINNIG
Efnablandan og gervieldingar höfðu skapað hvorki meira né minna en 23 amínósýrur, þar á meðal nokkrar sem innihéldu brennistein og teljast gegna miklu hlutverki fyrir líf á jörðu – t.d. methionín, sem setur í gang myndun prótína í frumum okkar.
Prótín eru þó einungis einn þáttur lífs á jörðu. Uppruni erfðafræðilegs kóða sem í dag samanstendur af DNA hefur valdið vísindamönnum öllu meiri heilabrotum. Margir telja að kóðinn hafi upprunalega samanstaðið af RNA.
RNA er með einfaldari formgerð en DNA og hefur þann kost að það getur bæði virkað sem kóði og efnahvati. Núlifandi frumur nýta efnið sem eins konar sendiboða sem getur flutt boð DNA – ins áfram innan frumunnar og jafnframt sem efnahvata sem aðstoðar við að smíða prótein út úr þeim boðum.
Þessir tveir eiginleikar þýða að fræðilega geti RNA gert eftirmyndir af sjálfu sér og það hefur orðið til þess að sumir fræðimenn telja að RNA gegni mikilvægasta hlutverki sameindanna í fyrstu þróun lífs. Þeir ímynda sér svokallaðan RNA – heim þar sem RNA eitt og sér framkvæmdi þau verkefni sem núna krefjast bæði DNA og prótína. Fyrstu RNA – strengirnir gátu lesið eigin kóða og skapað nýja RNA – strengi út frá honum.
DNA og prótín bættust við síðar því þau færðu þessu kerfi meiri stöðugleika. Þessi mynd af uppruna lífs hefur ráðið ríkjum innan rannsókna á síðustu áratugum en ný kenning er nú við það að umbylta RNA – heiminum.
Örflögur endurskapa frumsúpu
Vísindamönnum hefur ekki enn tekist að skapa RNA – sameind sem getur afritað sjálfa sig við þær aðstæður sem áttu sér stað snemma í sögu jarðar. Og jafnvel þó það takist er erfitt að útskýra hvernig svo flókin sameind gæti hafa orðið til af sjálfri sér.
Því hafa margir reitt sig á aðra tilgátu: Að RNA hafi aldrei verið aleitt – það fékk því hjálp frá byrjun.
Tilgátan er komin fram á nýju rannsóknarsviði sem kallast kerfisefnafræði. Þar vinna vísindamenn með efnablöndur sem innihalda mikið magn mismunandi sameinda.
Tilraunirnar geta t.d. átt sér stað á örflögum þar sem mögulegt er að stýra nákvæmlega magni allra þátta blöndunar og jafnframt stýra þeim aðstæðum sem ríkja í kringum sameindirnar. Vísindamenn geta þannig í senn prófað fjölmargar blöndur og þeir geta rannsakað nákvæmlega hvaða efni myndast í efnahvörfunum.
Fjögur svæði gætu hafa fóstrað líf
Vísindamenn hafa leitað að vöggu lífs í margvíslegu umhverfi – allt frá glóandi heitum uppsprettum á botni hafs, til gíga eftir loftsteina úr geimnum – og nú hafa þeir smættað sviðið niður í fjóra möguleika.
Ís gæti hafa byggt erfðakóðann
MEÐ: Frysting og bráðnun ís gæti hafa hjálpað til við að byggja keðjur af t.d. RNA, og lágt hitastig verndar nýbyggðar sameindir.
Á MÓTI: Það er óljóst hvort ís hafi yfirleitt verið til staðar á ungri jörð, og mörg efnahvörf reiða sig á hátt hitastig.
Loftsteinar fluttu lífsnauðsynleg efni
MEÐ: Loftsteinar geta innihaldið efni blásýru sem inniheldur sum af mikilvægustu grunnefnum lífs – kolefni, vetni og köfnunarefni.
Á MÓTI: Blásýra þarf að hafa aðstoð frá eldvirkni til að mynda byggingarsteina og engar lífsverur nýta sér nú á dögum blásýru.
Goshverir kunna að hafa myndað byggingarsteina lífs
MEÐ: Goshverir og heitar uppsprettur innihalda mikilvæg lífræn efni og geta örvað myndun fituhimna og keðja af amínósýrum og RNA.
Á MÓTI: Vísindamenn geta alls ekki skilið hvernig RNA eða DNA geti orðið til í slíkum aðstæðum.
Uppsprettur neðansjávar skapa frumulíka vasa
MEÐ: Heitar uppsprettur á hafsbotni skapa litlar grópir í berginu sem geta afmarkað efnahvörf, rétt eins og frumuhimnan gerir.
Á MÓTI: Líkindin fyrir því að réttu gerðir sameinda hittist í nægjanlegu magni eru hverfandi í hinum gríðarlega massa sjávar.
Fjögur svæði gætu hafa fóstrað líf
Vísindamenn hafa leitað að vöggu lífs í margvíslegu umhverfi – allt frá glóandi heitum uppsprettum á botni hafs, til gíga eftir loftsteina úr geimnum – og nú hafa þeir smættað sviðið niður í fjóra möguleika.
Ís gæti hafa byggt erfðakóðann
MEÐ: Frysting og bráðnun ís gæti hafa hjálpað til við að byggja keðjur af t.d. RNA, og lágt hitastig verndar nýbyggðar sameindir.
Á MÓTI: Það er óljóst hvort ís hafi yfirleitt verið til staðar á ungri jörð, og mörg efnahvörf reiða sig á hátt hitastig.
Loftsteinar fluttu lífsnauðsynleg efni
MEÐ: Loftsteinar geta innihaldið efni blásýru sem inniheldur sum af mikilvægustu grunnefnum lífs – kolefni, vetni og köfnunarefni.
Á MÓTI: Blásýra þarf að hafa aðstoð frá eldvirkni til að mynda byggingarsteina og engar lífsverur nýta sér nú á dögum blásýru.
Goshverir kunna að hafa myndað byggingarsteina lífs
MEÐ: Goshverir og heitar uppsprettur innihalda mikilvæg lífræn efni og geta örvað myndun fituhimna og keðja af amínósýrum og RNA.
Á MÓTI: Vísindamenn geta alls ekki skilið hvernig RNA eða DNA geti orðið til í slíkum aðstæðum.
Uppsprettur neðansjávar skapa frumulíka vasa
MEÐ: Heitar uppsprettur á hafsbotni skapa litlar grópir í berginu sem geta afmarkað efnahvörf, rétt eins og frumuhimnan gerir.
Á MÓTI: Líkindin fyrir því að réttu gerðir sameinda hittist í nægjanlegu magni eru hverfandi í hinum gríðarlega massa sjávar.
Flóknar blöndur kerfisefnafræðinnar eru líklega það næsta sem við komumst við að gera grein fyrir þeirri frumsúpu sem lífið kviknaði í. Og þetta rannsóknarsvið hefur þegar leitt af sér merkilegar uppgötvanir. Sem dæmi prófuðu fræðimenn árið 2017 blöndu af fitusýrum og amínósýrum, og uppgötvuðu að fitan gat sett amínósýrurnar saman tvær og tvær í senn – mikilvægt skref í myndun prótína.
Aðrar tilraunir hafa sýnt að amínósýrur geta hjálpað til við að mynda RNA út frá einföldum sameindum.
Kerfisefnafræðin hefur leyst mörg vandamál í kenningunni um RNA – heiminn.
Með því að taka með í dæmið fitu, amínósýru og aðrar sameindir í jöfnuna hafa nú fræðimenn ennþá betri hugmynd um hvernig flókinn erfðakóði getur orðið til. Og með því að láta prótín vinna saman með RNA allt frá byrjun er auðveldara að skilja hvernig fyrstu ensímin voru fær um að skapa eftirmyndir af sjálfum sér.
Árangurinn er sá að nú erum við langtum nær í að ráða gátuna um hvernig að lífið spratt fram.
Þurrkur og raki knúðu efnahvörfin
Náið samstarf milli fyrstu byggingarsteina lífs er einungis helmingurinn af skýringunni á tilurð lífsins.
Það þurfti sérstakar umhverfisaðstæður til að heppileg efnahvörf gætu átt sér stað. Og einnig á þessu sviði hefur kerfisefnafræði veitt nýta innsýn.
Árið 2017 lýsti teymi ástralskra og bandarískra fræðimanna tilraun þar sem þeir blönduðu fitusýrum við svokölluðum kirnum – grundvallarbyggingarsteinum í RNA.
Þessi blanda varð fyrir varma, súrum aðstæðum og síðan var hún til skiptis þurrkuð upp og vætt aftur mörgum sinnum.
Afleiðingin af þessu ferli voru langar keðjur með allt að 100 kirnum pökkuðum inni í fitubólum.
Röð annarra tilrauna sem efnafræðingar frá Center for Chemical Evolution hjá NASA stóðu fyrir, hefur haldið lengra aftur í þessu ferli og sýnt hvernig kirni geta orðið til út frá ennþá einfaldari sameindum.
Myndun þessara fyrstu kirna er ein helsta ráðgátan hvað varðar tilurð lífs, því þetta ferli þarfnast afar krefjandi efnahvarfa.
En fræðimennirnir hjá NASA sýndu hvernig blöndur með einföldum efnum eins og melaníni, barbitúrsýrum og mismunandi gerðum af sykrum gátu án vandkvæða myndað sameindir sem líkjast byggingarsteinum RNA. Og þessar sameindir geta verið saman í keðju – eins konar forstigi af erfðakóða. Lykillinn að árangrinum var – rétt eins og tilrauninni frá 2017 – hringrás blautra og þurra aðstæðna.
Sambærilegar tilraunir hafa sýnt að þess háttar hringrás getur myndað keðjur af amínósýrum og sett í gang einfalt form fyrir afmyndun DNA – strengja.
Þessar niðurstöður hafa sannfært marga vísindamenn um að slík skipting á votum og þurrum aðstæðum skipti sköpum í tilurð lífs. Og þeir hafa fundið heppilegasta staðinn sem getur skilað einmitt þessum skilyrðum.
Lífið varð til á landi
Darwin taldi slíkan stað vera volgrur. Síðan héldu fræðimenn leitinni áfram eftir vöggunni djúpt undir yfirborði sjávar.
Nú hafa margir þeirra yfirgefið slíkar votar aðstæður og einbeitt sér að landsvæðum ungrar jarðar.
Þá varð eldvirkni langtum meiri en hún er í dag – og það er sú virkni sem hefur vakið athygli fræðimanna.
Goshverir færðu byggingarsteina lífsins saman
Lífið varð til í vatnspolli á eldvirku svæði sem þornaði upp með jöfnu millibili. Efnafræðingar hafa nú fundið stað sem getur bæði skilað af sér réttum efnum, fært þau nær hvert öðru og látið þau vinna saman um að mynda fyrsta lífið.
1. Einföld efni hvarfast í vatnspolli
Efnahvörf milli einfaldra sameinda eins og fitusýra, amínósýra og sykurefna mynda grunn erfðaefnisins, kirnin.
2. Þurrkun færir sameindir saman
Þegar að vatn gufar upp myndast lag af fitu. Milli laganna geta bæði amínósýrur og kirnin myndað langar keðjur.
3. Vatn mótar forstig frumna
Efnin leysast aftur upp í vatni og það myndast frumulík bóla úr fitu en innan í henni geta lífrænar keðjur myndað flóknari efnasambönd.
4. Endurtekning eykur flækjustigið
Þegar skiptast á þurrar og votar aðstæður verða efnin flóknari. Að lokum verður til kerfi efna sem getur varið sig og fjölfaldað.
Lífið kýs vætu
Við náttúruval skapast harðgerari frumur með ensímum sem framkvæma þau verkefni sem áður kröfðust þurrks. Lífið er kviknað og getur nú spjarað sig í votu umhverfi.
Víðs vegar um lönd fundust volgrur og goshverir sem í dag má finna hér á Íslandi eða í Yellowstone þjóðgarðinum í BNA.
Og í umhverfinu voru smá dældir í landslaginu sem skiptust á að fyllast af vatni frá goshverunum og þorna síðan upp.
Þessir litlu vatnspollar í kringum ævaforna goshveri jarðar hafa einmitt þá eiginleika sem fyrsta líf þarfnaðist. Þeir voru með ríkulegt magn af mikilvægum lífrænum efnum og steinefnum, þeir voru heitir og hringrás af vætu og þurrkum gat myndað byggingarsteina lífs og sett í gang grunnferla þess.
Þessi árangur kerfisefnafræðinnar hefur fært fræðimenn mun nær vöggu lífsins. Þessi nýja þekking mun að líkindum brátt gera mönnum kleift að skapa nýtt líf frá grunni á rannsóknarstofu.
Verði sú raunin mega það teljast stórkostleg þáttaskil í sögu vísindanna – en sumir vísindamenn telja að slíkt afrek hafi tiltölulega litla merkingu í hinu stóra samhengi.
Samkvæmt þeim er myndun nýs lífs harla algengt fyrirbæri í náttúrunni.
Þessi nýju lífsform munu þó aldrei ógna okkur. Við – og öll okkar líffræðilega fjölskylda, allt frá bakteríum til steypireiða – spjara sig sífellt betur heldur en nýtt líf, því að við höfum þróunarlegt forskot sem nemur næstum fjórum milljörðum ára.
