Abiogenese | er et videnskabeligt problem, som endnu ikke er løst

Fossile optegnelser

Tidligste påståede liv på Jorden

De tidligste påståede livsformer er fossiliserede mikroorganismer (eller mikrofossiler). De blev fundet i jern- og silikatrige bjergarter, som engang var hydrotermiske slamper i Nuvvuagittuq-grønstensbæltet i Quebec, Canada.

Disse klipper er så gamle som 4,28 milliarder år. De rørformede former, som de indeholder, er vist i en rapport. Hvis dette er den ældste dokumentation for liv på Jorden, tyder det på "en næsten øjeblikkelig fremkomst af liv" efter at oceanerne blev dannet for 4,4 milliarder år siden. Ifølge Stephen Blair Hedges: "Hvis livet opstod relativt hurtigt på Jorden ... så kunne det være almindeligt i universet".

Forrige tidligste

En videnskabelig undersøgelse fra 2002 viste, at geologiske formationer af stromatolitter, der er 3,45 milliarder år gamle, indeholder fossiliserede cyanobakterier. På det tidspunkt var der bred enighed om, at stromatolitter var de ældste kendte livsformer på Jorden, som havde efterladt en dokumentation for deres eksistens. Hvis livet opstod på Jorden, skete det derfor på et tidspunkt mellem 4,4 milliarder år siden, hvor vanddampen først blev flydende, og 3,5 milliarder år siden. Dette er baggrunden for den seneste opdagelse, der er omtalt ovenfor.

De tidligste beviser på liv stammer fra Isua-superkrustebæltet i Vestgrønland og fra lignende formationer på de nærliggende Akilia-øer. Det skyldes, at der findes et højt niveau af den lysere isotop af kulstof der. Levende ting optager lettere isotoper, fordi det kræver mindre energi. Kulstof, der kommer ind i bjergformationer, har en koncentration af elementært δ¹³ C på ca. -5,5. af C, ¹²biomasse har en δ¹³ C på mellem -20 og -30. Disse isotopiske fingeraftryk er bevaret i klipperne. På baggrund af disse beviser foreslog Mojzis, at der fandtes liv på planeten allerede for 3,85 milliarder år siden.

Nogle få forskere mener, at liv kan være blevet transporteret fra planet til planet ved transport af sporer. Denne idé, der nu er kendt som panspermia, blev først fremsat af Arrhenius.

Historien om undersøgelser af livets oprindelse

Spontan frembringelse

Indtil begyndelsen af det 19. århundrede var der mange, der troede på den regelmæssige spontane frembringelse af liv fra ikke-levende stof. Dette blev kaldt spontan generation og blev modbevist af Louis Pasteur. Han viste, at der uden sporer ikke voksede bakterier eller virus på sterilt materiale.

Darwin

I et brev til Joseph Dalton Hooker den 11. februar 1871 foreslog Charles Darwin en naturlig proces for livets opståen.

Han foreslog, at livets oprindelige gnist kan være begyndt i en "varm lille dam med alle mulige ammoniak- og fosforholdige salte, lys, varme, elektricitet osv. Derefter blev der kemisk dannet en proteinforbindelse, som var klar til at undergå endnu mere komplekse ændringer". Han fortsatte med at forklare, at "i dag ville et sådant stof straks blive fortæret eller absorberet, hvilket ikke ville have været tilfældet, før de levende væsener blev dannet".

Haldane og Oparin

Der skete ingen virkelige fremskridt før 1924, da Alexander Oparin konkluderede, at atmosfærisk ilt forhindrede syntesen af de organiske molekyler. Organiske molekyler er de nødvendige byggesten for livets udvikling. I sin bog The Origin of Life argumenterede Oparin for, at en "ursuppe" af organiske molekyler kunne skabes i en atmosfære uden ilt ved hjælp af sollys. Disse ville kombinere sig i stadig mere komplekse former, indtil de dannede dråber. Disse dråber "vokser" ved fusion med andre dråber og "formerer" sig ved spaltning i datterdråber og har således et primitivt stofskifte, hvor de faktorer, der fremmer "celleintegriteten", overlever, mens de faktorer, der ikke gør det, uddør. Mange moderne teorier om livets oprindelse tager stadig udgangspunkt i Oparins ideer.

Omkring samme tid foreslog J.B.S. Haldane også, at Jordens præ-biotiske oceaner, som var meget forskellige fra de nuværende oceaner, ville have dannet en "varm fortyndet suppe". I denne suppe kunne der være dannet organiske forbindelser, som er byggestenene til liv. Denne idé blev kaldt biopoiesis, dvs. den proces, hvor levende stof udvikler sig fra selvreplikerende, men ikke-levende molekyler.

Tidlige forhold på Jorden

Der findes næsten ingen geologiske optegnelser fra tiden før for 3,8 milliarder år siden. Det miljø, der eksisterede i Hadea-tiden, var fjendtligt over for liv, men man ved ikke, hvor meget det var. Der var en tid mellem 3,8 og 4,1 milliarder år siden, som er kendt som det sene kraftige bombardement. Den er blevet kaldt sådan, fordi man mener, at mange månekratere blev dannet dengang. Situationen på andre planeter som Jorden, Venus, Merkur og Mars må have været lignende. Disse nedslag ville sandsynligvis have steriliseret Jorden (dræbt alt liv), hvis der fandtes liv på det tidspunkt.

Flere mennesker har foreslået, at kemikalierne i cellen giver et fingerpeg om, hvordan de tidlige have må have været. I 1926 bemærkede Macallum, at den uorganiske sammensætning af cellecytosolen adskiller sig dramatisk fra den uorganiske sammensætning af moderne havvand: "cellen... har en arv fra en fortid, der er næsten lige så fjern som livets oprindelse på jorden". For eksempel: "Alle celler indeholder meget mere kalium, fosfat og overgangsmetaller end moderne ... oceaner, søer eller floder". "Under den anoxiske, CO₂ -dominerede uratmosfære ville kemien i indlandsbassiner ved geotermiske felter [være som kemien i] moderne celler".

Temperatur

Hvis livet udviklede sig i det dybe hav i nærheden af en hydrotermisk vent, kan det være opstået så tidligt som for 4 til 4,2 milliarder år siden. Hvis livet derimod er opstået på planetens overflade, er det en almindelig opfattelse, at det kun kan være sket for 3,5 til 4 milliarder år siden.

Lazcano og Miller (1994) foreslår, at tempoet i den molekylære udvikling blev dikteret af hastigheden af recirkulerende vand gennem undervandsventiler i mellemhavet. En fuldstændig recirkulation tager 10 millioner år, så alle organiske forbindelser, der produceres inden da, vil blive ændret eller ødelagt af temperaturer på over 300 °C. De anslår, at udviklingen af et 100 kilobase-genom fra en primitiv DNA/protein-heterotrof til en 7000 genet filamentøs cyanobakterie kun ville have krævet 7 millioner år.

Jordens atmosfære's historie

Oprindeligt var der næsten ingen fri ilt i Jordens atmosfære. Den ændrede sig gradvist til det, den er i dag, over en meget lang periode (se Great Oxygenation Event). Processen begyndte med cyanobakterier. De var de første organismer, der fremstillede fri ilt ved hjælp af fotosyntese. De fleste organismer har i dag brug for ilt til deres stofskifte; kun nogle få kan bruge andre kilder til at trække vejret.

Det forventes derfor, at de første proto-organismer var kemoautotrofe organismer og ikke anvendte aerob respiration. De var anaerobe.

Nuværende modeller

Der findes ingen "standardmodel" for, hvordan livet er opstået. De fleste accepterede modeller er baseret på molekylærbiologi og cellebiologi:

1. Fordi de rette betingelser er til stede, dannes der nogle små grundmolekyler. Disse kaldes livets monomerer. Aminosyrer er en type af disse molekyler. Dette blev bevist ved Miller-Urey-eksperimentet af Stanley L. Miller og Harold C. Urey i 1953, og vi ved nu, at disse grundlæggende byggesten er almindelige i hele rummet. Den tidlige Jord ville have haft dem alle.
2. Phospholipider, som kan danne lipidbilag, en af hovedkomponenterne i cellemembranen.
3. Nukleotider, som kan blive samlet til tilfældige RNA-molekyler. Dette kan have resulteret i selvreplikerende ribozymer (RNA-verdenshypotesen).
4. Konkurrence om substrater vil vælge mini-proteiner til enzymer. Ribosomet er afgørende for proteinsyntesen i nutidens celler, men vi har ingen idé om, hvordan det har udviklet sig.
5. I begyndelsen ville ribonukleinsyrer have været katalysatorer, men senere er nukleinsyrerne specialiseret til genomisk brug.

Oprindelsen af de grundlæggende biomolekyler er ikke afgjort, men er mindre kontroversiel end betydningen og rækkefølgen af trin 2 og 3. De grundlæggende kemikalier, som man mener, at livet er dannet af, er følgende:

• Metan (CH ),₄
• Ammoniak (NH ),₃
• Vand (H₂ O),
• Svovlbrinte (H S),₂
• kuldioxid (CO₂ ) eller carbonmonoxid (CO), og
• Phosphat (PO ).₄^3-
• Cyanbrinte (HCN)

Molekylær ilt (O₂ ) og ozon (O₃ ) var enten sjældne eller fraværende.

Tre faser

• Etape 1: De biologiske monomeres oprindelse
• Etape 2: De biologiske polymerers oprindelse
• Fase 3: Udviklingen fra molekyler til celler

Bernal foreslog, at evolutionen kan være startet tidligt, på et tidspunkt mellem fase 1 og 2.

Oprindelse af organiske molekyler

Der er tre kilder til organiske molekyler på den tidlige Jord:

1. organisk syntese ved hjælp af energikilder (f.eks. ultraviolet lys eller elektriske udladninger).
2. levering fra extraterrestriske objekter som f.eks. kulstofholdige meteoritter (chondritter);
3. organisk syntese, der drives af stød.

Skøn over disse kilder tyder på, at det tunge bombardement før for 3,5 milliarder år siden gjorde mængder af organiske stoffer tilgængelige, som kan sammenlignes med dem, der blev produceret af andre energikilder.

Millers eksperiment og ursuppen

I 1953 udførte en kandidatstuderende, Stanley Miller, og hans professor, Harold Urey, et eksperiment, der viste, hvordan organiske molekyler kunne være dannet på den tidlige Jord fra uorganiske forstadier.

Det nu berømte Miller-Urey-forsøg brugte en stærkt reduceret blanding af gasser - metan, ammoniak og brint - til at danne basiske organiske monomerer, såsom aminosyrer. Vi ved nu, at jordens atmosfære i mere end den første halvdel af Jordens historie var næsten uden ilt i atmosfæren.

Fox' eksperimenter

I 1950'erne og 1960'erne studerede Sidney W. Fox den spontane dannelse af peptidstrukturer under forhold, der kunne have eksisteret tidligt i Jordens historie. Han påviste, at aminosyrer af sig selv kunne danne små peptider. Disse aminosyrer og små peptider kunne tilskyndes til at danne lukkede sfæriske membraner, kaldet mikrosfærer.

Særlige betingelser

Nogle forskere har foreslået særlige betingelser, som kan gøre cellesyntesen lettere.

Verden af ler

A. Graham Cairns-Smith foreslog en lermodel for livets oprindelse. Lerteorien antyder, at komplekse organiske molekyler er opstået gradvist på en ikke-organisk platform, nemlig silikatkrystaller i opløsning, som allerede eksisterede.

Model for den dybhavsvarme biosfære

I 1970'erne fremsatte Thomas Gold teorien om, at livet først udviklede sig ikke på jordens overflade, men flere kilometer under overfladen. Opdagelsen i slutningen af 1990'erne af nanobes (filamentstrukturer, der er mindre end bakterier, men som kan indeholde DNA i dybe klipper) kunne understøtte Golds teori.

Det er nu rimeligt veletableret, at der er masser af mikrobielt liv i lav dybde i jorden (op til fem kilometer under overfladen) i form af ekstremofile arkæaer, snarere end de mere kendte eubakterier (som lever under mere tilgængelige forhold).

Gold hævdede, at der er behov for en lille mængde føde fra en dyb, uopnåelig kilde for at overleve, fordi liv, der opstår i en pyt af organisk materiale, sandsynligvis vil forbruge al sin føde og uddø. Golds teori var, at fødevarestrømmen skyldes udgasning af oprindelig metan fra Jordens kappe.

Selvorganisering og replikation

Selvorganisering og selvreplikering er kendetegnende for levende systemer. Ikke-levende molekyler viser undertiden disse træk under de rette betingelser. Martin og Russel viste f.eks., at cellemembraner, der adskiller indholdet fra omgivelserne, og selvorganisering af selvstændige redoxreaktioner er de mest bevarede egenskaber ved levende væsener. De argumenterer for, at uorganisk stof som dette ville være livets mest sandsynlige sidste fælles forfader.

Teorier

RNA-hypotesen om en verden af RNA

I denne hypotese siges RNA at fungere både som et enzym og som en beholder for generne. Senere har DNA overtaget sin genetiske rolle.

RNA-verdenshypotesen foreslår, at liv baseret på ribonukleinsyre (RNA) er fra før den nuværende verden af liv baseret på desoxyribonukleinsyre (DNA), RNA og proteiner. RNA er både i stand til at lagre genetisk information, ligesom DNA, og til at katalysere kemiske reaktioner, ligesom et enzym. Det kan have understøttet før-cellulært liv og været et vigtigt skridt i retning af cellulært liv.

Der er en række beviser, der støtter denne idé:

1. Der findes nogle RNA'er, der fungerer som enzymer.
2. Nogle vira anvender RNA til arvelighed.
3. Mange af de mest grundlæggende dele af cellen (dem, der udvikler sig langsomst) kræver RNA.

Metabolisme og proteiner

Denne idé antyder, at proteiner først fungerede som enzymer, der producerede stofskifte. Derefter begyndte DNA og RNA at fungere som beholdere for gener.

Denne idé har også nogle beviser, der støtter den.

1. Protein som enzym er afgørende for vores liv i dag.
2. Nogle aminosyrer dannes fra mere basiske kemikalier i Miller-Urey-forsøget. Nogle benægter denne idé, fordi proteiner ikke kan kopiere sig selv.

Lipider

I denne ordning opstår der tidligt membraner af lipidbilayer. Når organiske kemikalier er indesluttet, er mere kompleks biokemi mulig.

Panspermia

Det er den idé, som Arrhenius foreslog, og som Fred Hoyle har udviklet, at liv er opstået et andet sted i universet og ankom til Jorden i form af sporer. Dette er ikke en teori om, hvordan livet opstod, men en teori om, hvordan det kan have spredt sig. Det kan f.eks. have spredt sig via meteoritter.

Nogle mener, at den tidlige Mars var et bedre sted at starte liv end den tidlige Jord. De molekyler, der kombineres for at danne genetisk materiale, er mere komplekse end den "ursuppe" af organiske (kulstofbaserede) kemikalier, der fandtes på Jorden for fire milliarder år siden. Hvis RNA var det første genetiske materiale, kunne mineraler, der indeholder bor og molybdæn, være med til at danne det. Disse mineraler var meget mere almindelige på Mars end på Jorden.

I religion

I kristendommen er der nogle, der afviser tanken om evolution. De mener, at jorden kun er få tusinde år gammel. Dette er kendt som Young Earth Creationism. Bibelen nævner dog ikke udtrykkeligt Jordens alder, men kun at "I begyndelsen skabte Gud himlen og jorden" (1. Mosebog 1:1).

Relaterede sider

• Astrobiologi
• De tidligste kendte livsformer