Geysiren sender en kaskade av glovarmt vann mot himmelen. Sekunder etter faller det igjen ned som et tett, varmt regn som fyller en rekke små, nesten uttørkede vannpytter i det golde landskapet.
Stedet er jorda, men det er ikke den jorda vi kjenner i dag.
Landskapet ligger på et av få landområder – bare en kjede av vulkanske øyer i et nærmest uendelig hav.
Planeten er fortsatt veldig ung, men et sted i denne ugjestfrie verdenen holder et virvar av kjemiske reaksjoner på å danne det første livet – det livet som senere har erobret alle områder av kloden, fra glohete bergarter dypt under bakken til snødekkede fjelltopper.
Spranget fra livløse molekyler til liv er blant de mest sentrale i jordas historie. Men hvordan skjedde det – og ikke minst hvor?
De to spørsmålene henger tett sammen. De prosessene som la grunnen den genetiske koden – skapte de første proteinene og samlet alt sammen i en liten, skjermet pakke – er helt avhengig av det miljøet de fant sted i. Så hvis vi kan finne svaret på hvordan de første reaksjonene forløp, kan vi også regne ut hvor det skjedde.
Og forskerne nærmer seg et gjennombrudd. De har innsett at tidligere teorier om livets første kjemi var for enkle, og ny teknologi har nå for første gang skaffet dem verktøyene til å gjenskape det kjemiske virvaret som dannet det første livet.
Darwin foretrakk en varm sjø
Når livet oppsto, er fortsatt innhyllet av mystikk. Funn av det som ser ut som organisk dannet karbon i 4,3 milliarder år gamle mineraler fra Australia, tyder på at det skjedde forholdsvis kort tid etter at jorda oppsto.
Men det er slett ikke sikkert. Kanskje lot livet vente på seg og oppsto først for 3,7 milliarder år siden. Fra den tiden har forskerne oppdaget spor av liv i bergarter funnet på Grønland.
Tross uenighet om fossilene har forskerne nådd fram til et minimumstall for livets alder. Det kan ikke ha oppstått for mindre enn 3,5 milliarder år siden. Ut fra DNA-et til levende organismer har genetikere regnet seg fram til at den felles stamfaren for alt livet på jorda senest må ha levd på dette tidspunktet i klodens historie.
Denne stamfaren, som også kalles LUCA – last universal common ancestor, hadde med stor sannsynlighet de biologiske trekkene som deles av alle organismer, fra de enkleste bakteriene til de største hvalene.
Det omfatter blant annet cellemembraner som består av fett, en genetisk kode basert på DNA og en hær av proteiner til å katalysere kjemiske reaksjoner, transportere byggesteiner og holde sammen alle delene av cellen.
De trekkene er derfor sentrale for forskerne når de forsøker å forstå hvordan det tidligste livet oppsto.
Byggesteiner samarbeider i cellene dine
Alle organismer på jorda, også mennesker som deg, er helt avhengig av et molekylært samarbeid som med stor sannsynlighet kan spores helt tilbake planetens aller tidligste liv.
DNA og RNA skaper nye proteiner
DNA inneholder arbeidstegninger til å bygge hvert enkelt protein. RNA formidler denne informasjonen og hjelper med å bygge proteinene.
Proteiner bygger DNA og fett
Proteiner sørger for å kopiere DNA når cellen skal dele seg. De kan oversette DNA til RNA, og de bygger fettstoffer i cellemembranene.
Fett beskytter proteiner og DNA
Fett avgrenser cellen fra omverdenen og danner små rom i cellen, der proteiner, DNA og RNA kan utføre sine kjemiske reaksjoner uforstyrret.
Den første kjente teorien om hvordan livet oppsto, ble formulert av grekeren Aristoteles om lag 350 år f.Kr. Den gikk ut på at livet hele tiden oppstår spontant fra ikke-levende materiale.
Den ideen ble avvist av den franske biologen Louis Pasteur i 1859. Han viste at en næringsrik, men steril, væske ikke spontant blir hjemsted for bakterier eller sopper.
Først når den kommer i kontakt med luft – og dermed de organismene som finnes der – dukker livet opp.
Forsøket hjalp til med å forme den teorien som mange forskere arbeider med i dag: Livet på jorda oppsto bare én gang og har senere utviklet seg i et vell av retninger og spredt seg til alle avkroker av planeten.
Og det satte i gang jakten på det gåtefulle stedet der det aller første livet ble til.
Et av de første vitenskapelige forslagene til hvordan livets vugge må ha sett ut, kom fra den engelske vitenskapsmannen Charles Darwin.
I et brev til botanikeren Joseph Dalton Hooker beskrev Darwin i 1871 hvordan de første proteinene kunne oppstå i en liten, varm dam med nitrogen- og fosforforbindelser, lys, varme og elektriske spenningsforskjeller.
Proteinene kunne reagere med hverandre og danne mer komplekse forbindelser. Darwins teori var kortfattet – men den skulle bli inspirasjon for et banebrytende forsøk 80 år senere.
RNA kunne klare seg selv
De amerikanske kjemikerne Stanley Miller og Harold Urey satte seg i 1952 som mål å gjenskape forholdene på den tidlige jorda med en blanding av metan, hydrogen og ammoniakk. Som energikilde tilsatte de kunstige lyn.
Resultatet var aminosyrer – de grunnleggende byggesteinene i proteiner.
Forsøket viste at noen av livets mest grunnleggende molekyler kunne å oppstå under de forholdene som trolig var til stede tidlig i jordas historie.
Fem år senere utførte Miller forsøket igjen med en liten endring. Han tilførte den kjemiske blandingen hydrogensulfid.
Hydrogensulfid er en gass som ofte blir sluppet ut fra aktive vulkaner, og det var det mange av på den tiden så justeringen ga god kjemisk mening. Men av en eller annen grunn fikk Miller aldri gransket resultatet av det nye forsøket.
Det skjedde først 50 år senere, da en av studentene hans, kjemikeren Jeffrey Bada, fant de forseglede prøvene. Bada analyserte dem med moderne metoder, og resultatet viste seg å være enda mer interessant enn det opprinnelige forsøket.
Den kjemiske blandingen og de kunstige lynene hadde skapt hele 23 aminosyrer, inkludert noen svovelholdige varianter som er blant de mest kritiske for livet på jorda – for eksempel metionin, som setter i gang produksjonen av proteiner i cellene våre.
Opprinnelsen til den genetiske koden, som nå består av DNA, har også vært et mysterium. Mange mener nå at koden opprinnelig bestod av RNA. RNA har en enklere struktur enn DNA og har den store fordelen at det både kan fungere som kode og som enzym.
Nålevende celler bruker stoffet som en form for budbringer, som kan bringe instruksjonene fra DNA videre i cellen, og samtidig som et enzym som hjelper med å bygge proteiner ut fra instruksjonene.
De to egenskapene innebærer at RNA i teorien kan kopiere seg selv, og det har fått noen forskere til å foreslå at RNA er det mest sentrale molekylet i livets tidlige utvikling.
De forestiller seg en verden der RNA utførte de oppgavene som i dag krever både DNA og proteiner.
De tidlige RNA-strengene kunne lese av sin egen kode og skape nye strenger ut fra koden. DNA og proteiner kom til senere fordi de gjorde systemet mer stabilt og pålitelig. Dette bildet av livets opprinnelse har dominert forskningen i de siste tiårene, men en ny teori er nå på vei til å velte det.
Databrikke gjenskaper ursuppe
Forskerne har fortsatt ikke klart å skape et RNA-molekyl som kan kopiere seg selv under de forholdene som var til stede tidlig i jordas historie. Og selv om det lykkes, er det vanskelig å forklare hvordan et så komplekst molekyl kunne ha oppstått helt av seg selv.
Derfor har mange gått over til en annen hypotese: At RNA aldri var alene – det fikk hjelp helt fra begynnelsen.
Hypotesen har oppstått ut fra et nytt forskningsfelt som kalles systemkjemi. Her arbeider forskerne med kjemiske blandinger som inneholder et stort antall ulike molekyler.
Forsøkene kan for eksempel foregå på databrikker der det er mulig kontrollere mengden av alle komponentene i blandingen og styre de fysiske forholdene omkring molekylene på en presis måte. Forskerne kan teste en lang rekke ulike blandinger, og de kan undersøke nøyaktig hvilke stoffer som dannes i reaksjonene.
Fire miljøer kan ha skapt livet
Forskerne har jaktet på livets vugge i en rekke ulike miljøer – alt fra glovarme kilder på havets bunn til kratre etterlatt av meteorer – og de har nå snevret inn feltet til fire lovende kandidater.
Is kan ha bygget den genetiske koden
FOR: Frysning og smelting av is kan hjelpe med å bygge kjeder av for eksempel RNA, og de lave temperaturene stabiliserer de nybygde molekylene.
MOT: Det er uklart om is i det hele tatt var til stede på den unge jorda, og mange reaksjoner er avhengige av høyere temperaturer.
Meteorer tok med livsviktige stoffer
FOR: Meteorer kan inneholde stoffet blåsyre, som inneholder noen av livets viktigste grunnstoffer – karbon, hydrogen og nitrogen.
MOT: Blåsyre må ha hjelp fra vulkanske kilder for å danne byggesteiner, og ingen organismer bruker i dag av blåsyre.
Geysirer kan danne livets byggesteiner
FOR: Geysirer og varme kilder inneholder viktige organiske stoffer, og de gjør det mulig å danne fettmembraner og kjeder av aminosyrer og RNA.
MOT: Forskerne strever med å forstå akkurat hvordan RNA eller DNA kan oppstå under forholdene i en vulkansk kilde.
Undersjøiske kilder skaper cellelignende lommer
FOR: Varme kilder på havbunnen skaper små porer i bergartene som kan skjerme kjemiske reaksjoner, slik cellemembraner gjør i dag.
MOT: Sannsynligheten for at de riktige molekylene møter hverandre i store nok mengder, er forsvinnende liten i de enorme vannmassene i havet.
Systemkjemiens komplekse blandinger er antagelig det tetteste vi kommer på den ursuppen livet oppsto i. Og feltet har allerede gitt store gjennombrudd. For eksempel testet forskere i 2017 en blanding av fettsyrer og aminosyrer og oppdaget at fettet kunne sette sammen aminosyrene to og to – et viktig skritt mot å danne proteiner.
Andre forsøk har vist at aminosyrer kan hjelpe med å danne RNA ut fra enkle molekyler. Systemkjemien har løst mange av problemene i teorien om RNA-verdenen.
Ved å ta med fett, aminosyrer og andre molekyler i ligningen har forskerne nå et bedre bilde om hvordan en kompleks genetisk kode kan oppstå. Og ved å la proteiner arbeide sammen med RNA helt fra begynnelsen er det lettere å forstå hvordan de første enzymene kunne skape kopier av seg selv.
Resultatet er at vi nå kanskje kan knekke gåten om hvordan livet oppsto.
Tørke drev kjemien framover
Et tett samarbeid mellom de første byggesteinene er bare halvparten av forklaringen på livets opphav.
En helt spesiell kombinasjon av fysiske forhold var nødvendig for at de riktige kjemiske reaksjonene kunne finne sted. Og også her har systemkjemien levert nye innsikter. I 2017 beskrev en gruppe australske og amerikanske forskere et forsøk der de blandet fettsyrene med såkalte nukleotider – de grunnleggende byggesteinene i RNA.
De utsatte først blandingen for varme forhold og lot den så tørke ut og bli våt igjen flere ganger. Resultatet var lange kjeder med opp mot 100 nukleotider pakket inn i bobler av fett.
En rekke andre forsøk utført av kjemikere fra Nasas Center for Chemical Evolution er gått et skritt lengre tilbake i prosessen og har vist hvordan nukleotider kan oppstå fra enda enklere molekyler.
Hvordan de første nukleotidene oppsto, er et av de mest gåtefulle trinnene på veien mot liv, fordi den involverer noen spesielt krevende kjemiske reaksjoner.
Men Nasas forskere avslørte hvordan blandinger med enkle stoffer som melamin, barbitursyre og ulike typer sukker uten problemer kan danne molekyler som ligner de grunnleggende byggesteinene i RNA. Og disse molekylene kan gå sammen i en kjede – et slags forstadium til en genetisk kode. Nøkkelen til gjennombruddet var – akkurat som i forsøket fra 2017 – en syklus av våte og tørre forhold.
Lignende forsøk har vist at den samme typen syklus kan danne kjeder av aminosyrer og til og med sette i gang en enkel form for kopiering av DNA-strenger.
Resultatene har overbevist mange forskere om at de skiftevis våte og tørre forhold er helt sentrale i livets første skritt.
Og de har funnet stedet som kan levere akkurat disse betingelsene.
Livet oppsto på land
Darwin foretrakk en varm dam. Senere fortsatte forskere jakten på livets vugge dypt under havets overflate.
Nå har mange av dem forlatt vannet og rettet fokus mot den unge jordas landområder.
Her var den vulkanske aktiviteten mye høyere enn den er i dag – og det er denne aktiviteten som har tiltrukket forskernes oppmerksomhet.
Geysirer samlet livets byggesteiner
1. Enkle stoffer reagerer i vannpytt
Reaksjoner mellom enkle molekyler som fettsyrer, aminosyrer og sukkerstoffer danner byggesteinene i den genetiske koden.
2. Tørrlegging bringer molekylene sammen
Når vannet fordamper, dannes det lag av fett. Mellom lagene kan både aminosyrer og nukleotider danne lange kjeder.
3. Vann former forstadium til celler
Stoffene oppløses igjen i vann, og det dannes cellelignende bobler av fett der de organiske kjedene kan danne mer komplekse stoffer.
4. Gjentatte sykluser øker kompleksitet
En syklus av tørre og våte forhold gjør stoffene mer komplekse. Til slutt oppstår et system av stoffer som kan beskytte og kopiere seg selv.
5. Livet blir helt vått
Via naturlig utvalg skapes mer hardføre celler med enzymer som utfører de oppgavene som før krevde tørrlegging. Livet har oppstått og kan nå klare seg i et vått miljø.
Spredt utover land fantes varme kilder og geysirer, som de som i dag kan man se på Island eller Yellowstone nasjonalpark i USA.
Og rundt omkring var det små fordypninger i landskapet som ble fylt med vann fra geysirene og deretter tørket ut.
De små dammene omkring jordas eldgamle geysirer har akkurat de egenskapene som det første livet trengte. De inneholdt mye av viktige organiske stoffer og mineraler, de var varme, og syklusen av våte og tørre forhold kunne danne livets byggesteiner og sette i gang livets grunnleggende prosesser.
Systemkjemiens gjennombrudd har brakt forskerne på kloss hold av livets vugge, og den nye kunnskapen vil antagelig snart gjøre det mulig å skape nytt liv fra bunnen i laboratoriet.
Hvis det skjer, blir det en milepæl i vitenskapens historie – men noen forskere mener det har en relativt liten betydning i den store sammenhengen. De mener nytt liv en forholdsvis hyppig begivenhet i naturen. De nye livsformene vil imidlertid aldri bli en trussel mot oss.
Vi – og hele vår biologiske familie, fra bakterier til blåhvaler – utkonkurrerer hele tiden det nye livet fordi vi har et evolusjonært forsprang på nesten fire milliarder år.