livets opprinnelse

Livet ble som regel betraktet som resultatet av en guddommelig skaperakt. Aristoteles tenkte seg at liv oppstod spontant av død materie som ble besjelet av ånd, en prosess som særlig skulle foregå i råtnende organisk materiale. Denne oppfatningen var stort sett gjeldende gjennom hele middelalderen og i modifisert form til midten av 1800-tallet, da Louis Pasteur viste at en spontan dannelse av liv var umulig.

Samtidig kom Charles Darwin med Artenes opprinnelse (1859), som gav et solid grunnlag for utviklingslæren. Man ble tidlig klar over at både planter og dyr er bygd opp av samme type store molekyler, hvor karbonatomer blant annet er bundet til atomer av hydrogen, oksygen, nitrogen og svovel. Disse forbindelsene, kalt organiske, ble antatt å være begrenset til forskjellige former for liv.

Selve livsfunksjonene ble satt i verk med en uforklarlig «livsprosess». Andre «døde» forbindelser, som i bergarter, ble kalt uorganiske. Friedrich Wöhlers syntese i 1828 av urinstoff fra uorganisk stoff viste imidlertid at organiske forbindelser ikke behøvde å ha noe med liv å gjøre. Siden har det vært mulig å produsere en mengde organiske forbindelser ut fra uorganiske. Det er mulig å fremstille mange av de kjemiske forbindelsene som er byggesteiner i livsformene.

I 1924 fremholdt den russiske biokjemikeren Alexander Oparin (1894–1980) at første trinn i livets opprinnelse var dannelsen av organiske forbindelser, blant annet aminosyrer. Disse til dels store og kompliserte molekylene kunne bare dannes i en reduserende, oksygenfri atmosfære; i vår nåværende atmosfære vil de bli oksidert og nedbrutt.

Under bestråling kunne forskjellige gasser reagere med vanndamp og danne mer kompliserte molekyler. Studiet av de eldste prekambriske bergartene har vist at vi sannsynligvis har hatt en oksygenfri, reduserende atmosfære på Jorden opp til for omkring 2,5 milliarder år siden, det vil si omtrent de første to milliarder år av Jordens eksistens.

Stanley Lloyd Miller og Harold Clayton Urey fra USA utførte i 1950-årene et interessant eksperiment som bekrefter Oparins teorier. I en beholder ble en blanding av gassene ammoniakk (NH₃), hydrogen (H₂), metan (CH₄) og vanndamp (H₂O) utsatt for bestråling ved kraftige elektriske utladninger (svarende til den sterke ultrafiolette og harde kosmiske strålingen og elektriske utladninger under tordenvær i den reduserende atmosfæren). Resultatet av disse og senere forsøk var en nydannelse av en rekke viktige organiske stoffer, blant annet aminosyrer, som er viktige bestanddeler av proteiner, og nukleotider.

Stoffet adenin er påvist, en viktig byggestein i DNA-molekylet, som vi finner i cellenes arvebærende gener. Dette viser at viktige deler av cellematerialet kan fremstilles av uorganisk materiale. Gjennom meget lange tidsrom ble det dannet store mengder av slike molekyler, men problemet var hvorledes de kunne konsentreres i grupper. I forsøk med oppvarming av aminosyreblandinger er proteinlignende stoffer dannet, og oppløst i vann dannet de små kuler som hadde enkelte av cellenes egenskaper. Enkelte har foreslått konsentrasjon på overflaten av oppløste leirmineraler som en mulighet.

Etter at det på 1980-tallet ble vist at RNA i tillegg til å være informasjonsbærende molekyler også kunne katalysere biologiske prosesser, har det blitt lansert en modell for livets opprinnelse hvor RNA-molekyler i et tidlig stadium fungerer både som genetisk materiale og som enzymer («ribozymer»). Denne hypotesen (the RNA world) sier at det ble dannet et RNA-molekyl som kunne katalysere sin egen replikasjon ved en ikke-biologisk prosess, og som ga opphav til mutanter med andre katalytiske egenskaper. Dette gjør at man kan unngå «høna eller egget»-problemet som er forbundet med de distinkte funksjonene av DNA og proteiner i nåværende livsformer, og disse to molekyltypenes gjensidige avhengighet av hverandre for å kunne fungere.

Et problem med RNA world-hypotesen er at byggesteinene i RNA-molekyler ikke lett vil dannes under de forhold som man regner med rådde på Jorden i dens tidlige historie. Kanskje overtok RNA etter en enklere molekyltype som også kunne fungere både som templat og katalysator.

Blant de store organiske molekylene skjedde det tidlig forskjellige mutasjoner som førte frem til evnen til fotosyntese. Ved at lys treffer klorofyll, frigjøres elektroner fra vannmolekylene under dannelse av fritt oksygen og protoner. De frigjorte elektronene og protonene bevirker dannelse av energirike forbindelser som igjen kan omgjøre fiksert karbondioksid til sukker. Dette hadde vidtrekkende betydning for den videre utvikling av liv på Jorden.

For det første ble de probiotiske «organismene» som kunne utnytte solenergien favorisert. For det andre ble atmosfæren på grunn av oksygenutskillelsen oksiderende, noe som fikk betydning for respirasjonen. For det tredje ble det av det dannede oksygenet dannet et ozonlag, O₃-lag, oppe i atmosfæren, som reduserte den ultrafiolette og den harde kosmiske strålingen, som var livstruende, og som tidligere hadde bidratt til syntetisering av molekyler i den probiotiske suppen. Selv om vi i dag har anaerobe livsformer, for eksempel svovelbakterier, som bruker svovel i stedet for oksygen til sin respirasjon, er det fotosyntesen vi kan takke for den eventyrlige utviklingen av liv på Jorden.

En eiendommelighet ved alle levende organismer vi kjenner i dag er at visse molekyler, som har evnen til å dreie polarisasjonsplanet for gjennomfallende polarisert lys, i alle organismer dreier lyset i samme retning (til venstre). I laboratoriefremstilte molekyler dreier derimot halvparten av molekylene lyset til venstre og halvparten like mye til høyre. Dette tyder på en felles eller lik opprinnelse av alle nålevende livsformer.

Nydannelsen av molekyler, og styringen i tid og rom av proteinmolekylenes syntese, skyldes den genetiske informasjonen som er kodet og ligger i nukleinsyrene i DNAet. De nålevende cellene har mer enn 100 forskjellige enzymer som katalyserer de mangfoldige kjemiske reaksjonene i cellen. Disse enzymene er nødvendige for at reaksjonene skal foregå fort nok. Bare det å finne frem til mange enzymer, og ikke minst å oppnå en riktig relasjon mellom dem, må ha skjedd gjennom utallige mutasjoner og krevd enormt lange tidsrom, sannsynligvis flere hundre millioner år.

Forskerne har tenkt seg at de første probiotiske organismene hadde få og lite utviklede enzymer som bare tillot svært langsomme reaksjoner. Disse kompliserte forholdene gjør at det sannsynligvis vil bli praktisk talt umulig å fremstille effektive, levende organismer kunstig fra grunnen av. Men på teoretisk grunnlag er det mulig å danne seg et bilde av hvordan livets opprinnelse har funnet sted.