Gejseren sender en kaskade af skoldhedt vand mod himlen. Sekunder efter falder det igen ned som en tæt, varm regn, der genopfylder en række små, næsten udtørrede vandpytter i det golde landskab.
Stedet er Jorden, men det er ikke den Jord, vi kender i dag.
Landskabet ligger på et af få landområder – blot en kæde af vulkanske øer i et nærmest uendeligt hav.
Planeten er endnu meget ung, men et sted i denne ugæstfrie verden er et virvar af kemiske reaktioner ved at danne det første liv – det liv, som siden har erobret alle egne af kloden, fra glohede klipper dybt i undergrunden til snedækkede bjergtoppe.
Springet fra livløse molekyler til liv er blandt de mest centrale i Jordens historie. Men hvordan skete det – og ikke mindst hvor?
De to spørgsmål hænger tæt sammen. De processer, der grundlagde den genetiske kode, skabte de første proteiner og samlede det hele i en lille, afskærmet pakke, afhang nøje af det miljø, de fandt sted i, så hvis vi kan finde svaret på, hvordan livets første reaktioner forløb, kan vi også regne ud, hvor de forløb.
Og forskerne er tæt på et gennembrud. De har indset, at tidligere teorier om livets første kemi var for simple, og ny teknologi har nu for første gang skaffet dem værktøjerne til at genskabe det kemiske virvar, som dannede det første liv.
Darwin foretrak en varm sø
Hvornår livet opstod, er fortsat omgærdet med mystik. Fund af tilsyneladende organisk dannet kulstof i 4,3 milliarder år gamle mineraler fra Australien peger på, at det skete, forholdsvis kort tid efter at Jorden opstod.
Men det er langtfra sikkert. Måske lod livet vente på sig og opstod først for 3,7 milliarder år siden. Fra den tid har forskerne opdaget spor af fotosyntese i grønlandske klipper.
Trods uenighed om fossilerne er forskerne nået frem til et minimumstal for livets alder. Det kan ikke være opstået for mindre end 3,5 milliarder år siden. Ud fra levende organismers dna har genetikere regnet sig frem til, at den fælles forfader for alt liv på Jorden senest må have levet på dette tidspunkt i klodens historie.
Denne forfader, som også kaldes LUCA – last universal common ancestor – besad med stor sandsynlighed de biologiske træk, der deles af alle organismer, fra de simpleste bakterier til de største hvaler.
Det omfatter blandt andet cellemembraner bestående af fedt, en genetisk kode baseret på dna og en hær af proteiner til at katalysere kemiske reaktioner, transportere byggesten og holde sammen på alle cellens dele.
De træk er derfor centrale for forskerne, når de forsøger at forstå dannelsen af det tidligste liv.
Livets byggesten arbejder sammen i dine celler
Alle Jordens organismer, inklusive dig selv, skylder deres liv til et uadskilleligt molekylært samarbejde – et samarbejde, som med stor sandsynlighed kan spores helt tilbage planetens tidligste liv.
Dna og rna skaber nye proteiner
Dna indeholder arbejdstegninger til at bygge hvert enkelt protein. Rna viderebringer dna’ets information og hjælper med at bygge proteinerne.
Proteiner bygger dna og fedt
Proteiner sørger for at kopiere vores dna, når cellen skal dele sig, de kan oversætte dna til rna, og de bygger cellemembranens fedtstoffer.
Fedt beskytter proteiner og dna
Fedt afgrænser cellen fra omverdenen og danner små rum i cellen, hvor proteiner, dna og rna kan udføre deres kemiske reaktioner uforstyrret.
Det tidligst kendte bud på, hvordan livet opstod, blev formuleret af grækeren Aristoteles cirka 350 år f.Kr. Ifølge hans teori opstår livet hele tiden spontant fra ikke-levende materiale.
Den idé blev afvist af den franske biolog Louis Pasteur i 1859. Han viste, at en næringsrig, men steril, væske ikke spontant bliver hjemsted for bakterier eller svampe.
Først når den kommer i kontakt med luften – og dermed de organismer, som findes i luften – dukker der liv op.
Forsøget hjalp med at forme den teori, som mange forskere arbejder med i dag: at Jordens liv kun opstod én gang og siden har udviklet sig i et væld af retninger og spredt sig til alle afkroge af planeten. Og det satte gang i jagten på det gådefulde sted, som fostrede det allerførste liv.
Et af de første videnskabelige bud på, hvordan livets vugge må have set ud, kom fra den engelske videnskabsmand Charles Darwin. I et brev til sin ven botanikeren Joseph Dalton Hooker beskrev Darwin i 1871, hvordan de første proteiner kunne opstå i en lille, varm sø med kvælstof- og fosfor-forbindelser, lys, varme og elektriske spændingsforskelle.
Proteinerne kunne så reagere med hinanden og danne mere komplekse forbindelser. Darwins teori var kortfattet – men den skulle blive inspiration for et banebrydende forsøg 80 år senere.
Rna kunne klare sig selv
De amerikanske kemikere Stanley Miller og Harold Urey satte sig i 1952 for at genskabe forholdene på den tidlige Jord med vand og en blanding af metan, brint og ammoniak. Som energikilde tilsatte de kunstige lyn.
Resultatet var aminosyrer – de grundlæggende byggesten i proteiner.
Forsøget viste, at det var forholdsvis nemt for nogle af livets mest basale molekyler at opstå under de forhold, der med stor sandsynlighed var til stede tidligt i Jordens historie.
Fem år senere udførte Miller forsøget igen med en lille ændring. Han tilførte den kemiske blanding svovlbrinte.
Svovlbrinte er en typisk gas fra aktive vulkaner, og dem var den tidlige Jord rig på, så justeringen gav god kemisk mening. Uvist af hvilken årsag fik Miller dog aldrig gransket resultatet af det nye forsøg.
Det skete først 50 år senere, da en af hans studerende, kemikeren Jeffrey Bada, genfandt de forseglede prøver. Bada analyserede dem med moderne metoder, og resultatet viste sig endnu mere interessant end det oprindelige forsøg.
Den kemiske blanding og de kunstige lyn havde skabt hele 23 aminosyrer, herunder nogle svovlholdige, der er blandt de mest kritiske for livet på Jorden – fx methionin, der sætter gang i dannelsen af proteiner i vores celler.
Proteiner er dog kun ét element i livet på Jorden. Oprindelsen af den genetiske kode, som i dag består af dna, har voldt forskerne flere problemer. Mange mener nu, at koden oprindeligt bestod af rna.
Rna har en simplere struktur end dna og har den store fordel, at det både kan fungere som kode og som enzym. Nulevende celler bruger stoffet som en form for sendebud, der kan bringe dna’ets instruktioner videre i cellen, og samtidig som et enzym, der hjælper med at bygge proteiner ud fra instruktionerne.
De to egenskaber betyder, at rna i teorien kan kopiere sig selv, og det har fået nogle forskere til at foreslå, at rna er det mest centrale molekyle i livets tidlige udvikling. De forestiller sig en såkaldt rna-verden, hvor rna alene udførte de opgaver, som i dag kræver dna og proteiner. De tidlige rna-strenge kunne aflæse deres egen kode og skabe nye rna-strenge ud fra koden.
Dna og proteiner kom så til senere, fordi de gjorde systemet stabilere og mere pålideligt. Dette billede af livets oprindelse har domineret forskningen i de seneste årtier, men en ny teori er nu på vej til at vælte rna-verdenen.
Mikrochips genskaber ursuppe
Forskerne har endnu ikke formået at skabe et rna-molekyle, der kan kopiere sig selv under de forhold, som var til stede tidligt i Jordens historie. Og selv hvis det lykkes, er det svært at forklare, hvordan sådan et komplekst molekyle kunne være opstået helt af sig selv.
Derfor er mange gået over til en anden hypotese: At rna aldrig var alene – det fik hjælp helt fra begyndelsen.
Hypotesen er opstået ud fra et nyt forskningsfelt kaldet systemkemi. Her arbejder forskerne med kemiske blandinger, der indeholder et stort antal forskellige molekyler.
Forsøgene kan fx foregå på mikrochips, hvor det er muligt nøje at kontrollere mængden af alle blandingens komponenter og præcist styre de fysiske forhold omkring molekylerne. Forskerne kan på én gang teste et væld af forskellige blandinger, og de kan undersøge, nøjagtig hvilke stoffer der dannes i reaktionerne.
Fire miljøer kan have fostret livet
Forskerne har jagtet livets vugge i et væld af forskellige miljøer – fra glohede kilder på havets bund til kratere efterladt af klipper fra rummet – og de har nu snævret feltet ind til fire lovende kandidater.
Is kan have bygget den genetiske kode
FOR: Frysning og smeltning af is kan hjælpe med at bygge kæder af fx rna, og de lave temperaturer stabiliserer de nybyggede molekyler.
IMOD: Det er uklart, om is overhovedet var til stede på den unge Jord, og mange reaktioner er afhængige af højere temperaturer.
Meteorer medbragte livsvigtige stoffer
FOR: Meteorer kan indeholde stoffet blåsyre, som indeholder nogle af livets vigtigste grundstoffer – kulstof, brint og kvælstof.
IMOD: Blåsyre skal have hjælp fra vulkanske kilder for at danne byggesten, og ingen organismer benytter sig i dag af blåsyre.
Gejsere kan danne livets byggesten
FOR: Gejsere og varme kilder indeholder vigtige organiske stoffer, og de tillader dannelsen af fedtmembraner og kæder af aminosyrer og rna.
IMOD: Forskerne kæmper med at forstå, præcis hvordan rna eller dna kan opstå under forholdene i en vulkansk kilde.
Undersøiske kilder skaber cellelignende lommer
FOR: Varme kilder på havbunden skaber små porer i klipperne, som kan afskærme kemiske reaktioner, ligesom cellemembraner gør i dag.
IMOD: Sandsynligheden for, at de rigtige typer molekyler møder hinanden i store nok mængder, er forsvindende lille i havets enorme vandmasser.
Systemkemiens komplekse blandinger er formentlig det tætteste, vi kommer på den ursuppe, livet opstod i. Og feltet har allerede givet store gennembrud. Fx testede forskere i 2017 en blanding af fedtsyrer og aminosyrer og opdagede, at fedtet kunne sætte aminosyrerne sammen to og to – et vigtigt skridt i dannelsen af proteiner.
Andre forsøg har vist, at aminosyrer kan hjælpe med at danne rna ud fra simple molekyler. Systemkemien har løst mange af problemerne i teorien om rna-verdenen.
Ved at medtage fedt, aminosyrer og andre molekyler i ligningen har forskerne nu en bedre idé om, hvordan en kompleks genetisk kode kan opstå. Og ved at lade proteiner arbejde sammen med rna helt fra begyndelsen er det nemmere at forstå, hvordan de første enzymer var i stand til at skabe kopier af sig selv.
Resultatet er, at vi nu er tæt på at knække gåden om, hvordan livet opstod.
Tørke og fugt drev kemien frem
Et tæt samarbejde mellem livets tidligste byggesten er kun halvdelen af forklaringen på livets tilblivelse.
En helt særlig kombination af fysiske forhold var nødvendig for, at de rigtige kemiske reaktioner kunne finde sted. Og også her har systemkemien leveret nye indsigter.
I 2017 beskrev et hold af australske og amerikanske forskere et forsøg, hvor de blandede fedtsyrer med såkaldte nukleotider – de basale byggesten i rna.
De udsatte først blandingen for varme, sure forhold og lod den så skiftevis tørre ud og blive våd igen flere gange.
Resultatet var lange kæder med op mod 100 nukleotider pakket ind i bobler af fedt.
Lignende forsøg har vist, at den samme type cyklus kan danne kæder af aminosyrer og endda sætte gang i en simpel form for kopiering af dna-strenge. En række andre forsøg udført af kemikere fra NASA’s Center for Chemical Evolution er gået et skridt længere tilbage i processen og har vist, hvordan nukleotider kan opstå fra endnu simplere molekyler.
Dannelsen af de første nukleotider er et af de mest gådefulde trin på vejen mod liv, fordi den involverer nogle særlig krævende kemiske reaktioner.
Men NASA’s forskere afslørede, hvordan blandinger med simple stoffer som melamin, barbitursyre og forskellige typer sukker uden problemer kan danne molekyler, der ligner rna’s basale byggesten. Og disse molekyler kan gå sammen i en kæde – en slags forstadie til en genetisk kode. Nøglen til deres gennembrud var – ligesom i forsøget fra 2017 – en cyklus af våde og tørre forhold.
Lignende forsøg har vist, at den samme type cyklus kan danne kæder af aminosyrer og endda sætte gang i en simpel form for kopiering af dna-strenge.
Resultaterne har overbevist mange forskere om, at de skiftevis våde og tørre forhold er helt centrale i livets opståen.
Og de har fundet det ideelle sted, der kan levere præcis disse betingelser.
Livet opstod på land
Darwin foretrak en varm sø. Senere fortsatte forskere jagten på livets vugge dybt under havets overflade.
Nu har mange af dem forladt vandets våde forhold og rettet fokus mod den unge Jords landområder.
Her var den vulkanske aktivitet langt højere, end den er i dag – og det er denne aktivitet, der har tiltrukket forskernes opmærksomhed.
Gejsere bragte livets byggesten sammen
1. Simple stoffer reagerer i vandpyt
Reaktioner mellem simple molekyler som fedtsyrer, aminosyrer og sukkerstoffer danner den genetiske kodes basale byggesten, nukleotider.
2. Tørlægning bringer molekyler sammen
Når vandet fordamper, dannes der lag af fedt. Imellem lagene kan både aminosyrer og nukleotider danne lange kæder.
3. Vand former forstadie til celler
Stofferne opløses igen i vand, og der dannes cellelignende bobler af fedt, hvori de organiske kæder kan danne mere komplekse stoffer.
4. Gentagne cyklusser øger kompleksitet
En cyklus af tørre og våde forhold gør stofferne mere komplekse. Til sidst opstår et system af stoffer, som kan beskytte og kopiere sig selv.
5. Livet bliver helt vådt
Via naturlig udvælgelse skabes mere hårdføre celler med enzymer, der udfører de opgaver, som før krævede tørlægning. Livet er opstået og kan nu klare sig i et vådt miljø.
Spredt ud over landet fandtes varme kilder og gejsere som dem, der i dag kan ses i Island eller Yellowstone Nationalpark i USA.
Og rundtomkring var der små fordybninger i landskabet, som skiftevis blev fyldt med vand fra gejserne og tørrede ud.
De små vandpytter omkring Jordens ældgamle gejsere har netop de egenskaber, som det første liv havde brug for. De var rige på en række vigtige organiske stoffer og mineraler, de var varme, og deres cyklus af våde og tørre forhold kunne danne livets byggesten og sætte gang i livets basale processer.
Systemkemiens gennembrud har bragt forskerne helt tæt på livets vugge, og den nye viden vil formentlig snart gøre det muligt at skabe nyt liv fra bunden i laboratoriet.
Hvis det sker, bliver det en milepæl i videnskabens historie – men nogle forskere mener, at sådan en bedrift har en relativt lille betydning i det store perspektiv.
Ifølge dem er dannelsen af nyt liv en forholdsvis hyppig begivenhed i naturen.
De nye livsformer vil dog aldrig blive en trussel mod os. Vi – og hele vores biologiske familie, fra bakterier til blåhvaler – udkonkurrerer konstant det nye liv, fordi vi har et evolutionært forspring på næsten fire milliarder år.