Debatten rasar mellan biologer och kemister om huruvida livet började på land eller under havet. Rachel Brazil tittar på argumenten

Frågan ”Hur började livet?” är nära kopplad till frågan ”Var började livet?”. De flesta experter är överens om ”när”: för 3,8-4 miljarder år sedan. Men det råder fortfarande ingen enighet om vilken miljö som kan ha främjat denna händelse. Sedan de upptäcktes har hydrotermiska skorstenar i djuphavet föreslagits som livets födelseplats, särskilt alkaliska skorstenar, som de som finns på fältet ”The Lost City” i centrala Atlanten. Men alla är inte övertygade om att livet började i havet – många säger att kemin helt enkelt inte fungerar och letar efter en landbaserad födelseplats. Med flera hypoteser i spel är kapplöpningen igång för att återskapa de förhållanden som gjorde det möjligt för livet att uppstå.

År 1977 upptäcktes den första hydrotermiska djuphålan i djuphavet i den mellanoceana ryggen East Pacific Rise. De kallas ”svarta rökare” och avger geotermiskt upphettat vatten på upp till 400 °C med höga halter av sulfider som fälls ut vid kontakt med det kalla havet och bildar den svarta röken. Detta följdes år 2000 av upptäckten av en ny typ av alkalisk djuphavshydrotermisk skorsten som finns en bit utanför axeln från de mellanoceana ryggarna. Det första fältet, känt som Lost City, upptäcktes på havsbotten Atlantis Massif berget i mitten av Atlanten.

Skällorna bildas genom en process som kallas serpentinisering. Stenar från havsbotten, särskilt olivin (magnesium-järn-silikat), reagerar med vatten och producerar stora mängder väte. När de varma alkaliska vätskorna (45-90 °C och pH 9-11) blandas med havsvatten i Lost City bildar de vita skorstenar av kalciumkarbonat som är 30-60 meter höga.

In 1993, innan alkaliska skorstenar faktiskt upptäcktes, föreslog geokemisten Michael Russell från Nasas Jet Propulsion Laboratory (JPL) i Kalifornien, USA, en mekanism som gör att livet skulle kunna ha startat vid sådana skorstenar.1 Hans idéer, som uppdaterades 2003,2 tyder på att livet uppstod genom att man utnyttjade de energigradienter som finns när alkaliskt vatten från skorstenar blandas med surare havsvatten (man trodde att de tidiga haven innehöll mer koldioxid än nu).

Detta speglar det sätt på vilket celler utnyttjar energi. Celler upprätthåller en protongradient genom att pumpa protoner över ett membran för att skapa en laddningsskillnad från insidan till utsidan. Detta är känt som den protonmotiva kraften och kan likställas med en skillnad på cirka 3 pH-enheter. Det är i praktiken en mekanism för att lagra potentiell energi som sedan kan utnyttjas när protoner tillåts passera genom membranet för att fosforylera adenosindifosfat (ADP) och skapa ATP.

Russells teori tyder på att porerna i skorstenarna i de hydrotermiska skorstenarna utgjorde mallar för cellerna, med samma skillnad på 3 pH-enheter över de tunna mineralväggarna i de sammankopplade mikroporerna i skorstenarna, som separerar skorstenarna från havsvattnet. Denna energi, tillsammans med katalytiska järnnickelsulfidmineraler, möjliggjorde reduktion av koldioxid och produktion av organiska molekyler, sedan självreplikerande molekyler och slutligen riktiga celler med egna membran.

Kemiska trädgårdar

Kemisten Laura Barge, som också är forskare vid JPL, testar den här teorin genom att använda sig av kemiska trädgårdar – ett experiment som du kanske har utfört i skolan. När man tittar på kemiska trädgårdar ”tror man att det är liv, men det är det definitivt inte”, säger Barge, som specialiserar sig på självorganiserande kemiska system. Den klassiska kemiska trädgården bildas genom att man tillsätter metallsalter till en reaktiv natriumsilikatlösning. Metallanjonerna och silikatanjonerna fälls ut och bildar ett gelatinöst kolloidalt halvgenomsläppligt membran som omsluter metallsaltet. Detta skapar en koncentrationsgradient som ger impulsen för tillväxten av ihåliga växtliknande kolumner.

”Vi började simulera vad man kan få med en ventilationsvätska och havet och vi kan odla små skorstenar – de är i huvudsak som kemiska trädgårdar”, förklarar Barge. För att efterlikna det tidiga havet har hon injicerat alkaliska lösningar i järnrika sura lösningar, vilket ger järnhydroxid- och järnsulfidskorstenar. Hennes grupp har visat att de kan generera elektricitet: knappt en volt från fyra trädgårdar, men tillräckligt för att driva en lysdiod,3 vilket visar att den typ av protongradienter som ger energi i djuphavsventiler kan återskapas.

Nick Lane, biokemist vid University College London i Storbritannien, har också försökt att återskapa prebiotiska geoelektrokemiska system med sin reaktor för livets uppkomst. Han föredrar Russells teori, även om han inte är nöjd med den etikett ”metabolism först” som den ofta får, i motsats till ”information först”-teorin som utgår från att syntesen av replikerande RNA-molekyler var det första steget till liv. De framställs som motsatta, men jag tycker att det är fånigt”, säger Lane. Som jag ser det försöker vi ta reda på hur man kommer till en värld där man har urval och kan ge upphov till något som nukleotider.”

Lane har övertygats av hur nära geokemin och biokemin ligger varandra. Till exempel finns mineraler som greigit (Fe3S4) inuti skorstenar och de visar vissa släktskap med de järn-svavelkluster som finns i mikrobiella enzymer. De kan ha fungerat som primitiva enzymer för reduktion av koldioxid med väte och bildning av organiska molekyler. Det finns också skillnader, barriärerna är tjockare och så vidare, men analogin är mycket exakt och frågan blir därför ”Är det möjligt för dessa naturliga protongradienter att bryta ner barriären för reaktionen mellan väte och koldioxid?”’

Lanes enkla bänkbaserade, öppna flödesreaktor för livets ursprung4 simulerar hydrotermiska skorstenar. På ena sidan av en halvledande järn-nickel-svavel-katalytisk barriär pumpas en alkalisk vätska igenom för att simulera släckningsvätskor och på andra sidan en sur lösning som simulerar havsvatten. Förutom flödeshastigheten kan även temperaturen varieras på båda sidor. Genom membranet försöker man först få koldioxid att reagera med väte för att skapa organiska ämnen, och vi verkar ha lyckats producera formaldehyd på det sättet, säger Lane.

Hittills har avkastningen varit mycket låg, men Lane anser att de har ”bevisat principen”. De arbetar på att replikera sina resultat och bevisa att den formaldehyd som ses inte kommer från en annan källa, t.ex. nedbrytning av slangar. Lane säger att de under samma förhållanden också har kunnat syntetisera låga halter av sockerarter, inklusive 0,06 procent ribos, från formaldehyd, men inte i den formaldehydkoncentration som reaktorn ensam producerar.

Digging deep deep

Geokemisten Frieder Klein från Woods Hole Oceanographic Institution i USA har upptäckt en variant av historien om djuphavets ursprung genom att undersöka hydrotermiska skorstenar. Han har funnit bevis för liv i bergarter under havsbotten som kan ha skapat den rätta miljön för livets start.

Klein och kollegor undersökte prover från borrkärnor som borrades i den iberiska kontinentalmarginalen utanför Spaniens och Portugals kust 1993. Proverna kom från sten 760 meter under den nuvarande havsbotten, vilket skulle ha legat 65 meter under den tidiga osedimenterade havsbotten. Han såg några ovanliga ådror i proverna som bestod av mineraler som också hittats i det hydrotermiska systemet Lost City. Det var fascinerande för mig eftersom den här mineralsammansättningen bara bildas när man blandar hydrotermala vätskor med havsvatten”, säger Klein. Detta tyder på att liknande kemi kan förekomma under havsbotten.

I dessa ådror, som är daterade till 120 miljoner år sedan, hittade Kleins grupp inklusioner av fossiliserade mikrober. Han föreslår att de uttorkande egenskaperna hos mineralet brucit (Mg(OH)2) kan förklara bevarandet av organiska molekyler från mikroberna. Dessa inkluderade aminosyror, proteiner och lipider som identifierades genom konfokal Raman-spektroskopi. Klein säger att han till en början var skeptisk, men analysen av extraherade prover bekräftade unika lipidbiomarkörer för sulfatreducerande bakterier och arkéer, som också finns i Lost Citys hydrotermiska skorstenssystem.5 SEM-avbildningar visade kolinklusioner som han säger ”verkade se ut som mikrokolonier av mikroorganismer”

Även om dessa prover uppenbarligen är mycket yngre, ”berättar närvaron av dessa mikrober för oss att liv är möjligt i havsbottnens miljöer i hydrotermiska system, som troligen fanns och var aktiva under större delen av den tidiga jorden”, observerar Klein. ”Bottenhavet utgör en annan mer skyddad miljö.”

Landlocked

Men alla håller inte med om att livet började i djuphavets hydrotermala system. Armen Mulkidjanian vid universitetet i Osnabruck i Tyskland säger att det finns flera stora problem med idén, varav ett är de relativa natrium- och kaliumjonkoncentrationer som finns i havsvatten jämfört med celler.

Mulkidjanian åberopar vad han kallar kemikonserveringsprincipen – när organismer väl har etablerat sig i en miljö kommer de att behålla och utveckla mekanismer för att skydda sin grundläggande biokemiska arkitektur. Han säger därför att det inte är logiskt att celler som innehåller 10 gånger mer kalium än natrium har sitt ursprung i havsvatten, som innehåller 40 gånger mer natrium än kalium. Hans antagande är att protokollceller måste ha utvecklats i en miljö med mer kalium än natrium, och att de först utvecklat jonpumpar för att avlägsna oönskat natrium när miljön förändrades.

Mulkidjanian tror att livet kan ha uppstått i geotermiska system, till exempel de geotermiska fälten i sibiriska Kamtjatka i ryska Fjärran Östern. Vi började leta efter platser där vi kunde hitta förhållanden med mer kalium än natrium och det enda vi hittade var geotermiska system, särskilt där man har ånga som kommer ut ur jorden, förklarar han. Det är bara bassänger som bildas från ångor som har mer kalium än natrium. De bassänger som bildas från geotermiska vätskeledningar har fortfarande mer natrium än kalium. En handfull sådana system finns i dag i Italien, USA och Japan, men Mulkidjanian menar att man på den varmare tidiga jorden skulle kunna förvänta sig många fler.

David Deamer vid University of California Santa Cruz i USA har studerat makromolekyler och lipidmembran i över 50 år. Han kommer till området från en något annorlunda vinkel, som vissa har kallat ”membran först”. Men han säger: ”Jag är ganska säker på att det bästa sättet att förstå livets ursprung är att inse att det är ett system av molekyler som alla arbetar tillsammans, precis som de gör i dagens liv”. Placeringen ”kommer ner till en rimlighetsbedömning från min sida”, funderar han.

Ett av de största argumenten mot ett djuphavsursprung är det faktum att så många makromolekyler finns i biologin. DNA, RNA, proteiner och lipider är alla polymerer och bildas via kondensationsreaktioner. Man behöver en fluktuerande miljö som ibland är våt och ibland torr – en våt period så att komponenterna blandas och interagerar och sedan en torr period så att vatten avlägsnas och dessa komponenter kan bilda en polymer”, säger Mulkidjanian. Det finns inget sätt för den här typen av saker att hända i hydrotermiska skorstenar eftersom man inte kan ha våt-torkcykler där”, tillägger Deamer. Våt- och torrcykler förekommer varje dag på kontinentala hydrotermiska fält. Detta möjliggör koncentration av reaktanter samt polymerisering.

Antagandet att det naturliga urvalet är oförmöget att under 4 miljarder år komma på en förbättring tycker jag är vansinnigt

Deamer har försökt att skapa sina egna protokollceller i laboratoriet – genom att blanda lipider och RNA-komponenterna adenosinmonofosfat och uridinmonofosfat. När lipiderna torkas samlar de sig själva till membranliknande strukturer, och om nukleotider fångas in mellan lipidskikten kommer de att genomgå esterifiering för att producera RNA-liknande polymerer. Under flera våt-torkcykler ökar utbytet till 50 %.6

Deamer har bekräftat närvaron av dessa polymerer i ”protokollcellerna” med hjälp av direkta RNA-sekvenseringstekniker. ”Vi har verkligen enkelsträngade molekyler som ligger i storleksordningen för biologiskt RNA”, men Deamer varnar för att det inte är RNA som det finns i en biologisk organism. Han skapade en blandning av RNA, en del med fosfatgrupper bundna som de är i naturen, men en del bundna ”onaturligt”, som han drar slutsatsen att ”måste ha varit föremål för urval och evolution i dessa små protokollceller”.

Men lägret för djuphavets hydrotermiska skorstenar är inte redo att kasta in handduken ännu. Barge säger att skorstensmiljön skulle kunna möjliggöra koncentration av reaktanter och kondensationsreaktioner. Det finns geler över hela havsbotten, mineraler som absorberar saker och i själva membranet finns geler, så man kan få uttorkande reaktionsförhållanden även om hela systemet är vattenhaltigt.

Lane tillbakavisar också idén att kalium- eller natriumjonnivåerna skulle kunna fastställa framtida metaboliska processer. Antagandet att det naturliga urvalet är oförmöget att under 4 miljarder år komma på en förbättring tycker jag är vansinnigt, förklarar Lane. Jag anser att urvalet styr den intracellulära jonbalansen. Han tror att livet skulle ha varit fullt kapabelt att utvecklas i en natriumrik miljö och med tiden utveckla de pumpar för avlägsnande av joner som skapar de nuvarande kaliumrika cellerna.

Synen på ljuset

En annan tvistefråga är närvaron eller frånvaron av ultraviolett ljus (UV-ljus). Detta skulle kunna ha ett starkt inflytande i ett scenario med jordiskt ursprung utan något skyddande ozonskikt på den tidiga jorden, men saknas helt i djuphavsteorin. Den relativa UV-stabiliteten hos RNA-nukleotider tyder på att urvalet skedde i UV-ljus – på jordytan, inte i havet.

Detta skulle också stödja den banbrytande syntesen av RNA från 2009 som föreslogs7 av John Sutherland vid det brittiska Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology i Cambridge, och hans förslag från 2015 om syntesen av nukleinsyraprekursorer med utgångspunkt från enbart vätecyanid (HCN), vätesulfid (H2S) och UV-ljus.8 Belysning med UV-ljus under 10 dagar berikade utbytet av de biologiska nukleotiderna, vilket ger tyngd åt att deras urval gynnas av UV-ljus. Mulkidjanian har också föreslagit att zinksulfidutfällningar skulle kunna ha fungerat som katalysatorer för koldioxidreduktion med hjälp av UV-ljus – en tidig form av fotosyntes som han kallar ”zinkvärldsscenariot”

Men enligt Lane: ”Det finns ett stort problem med att livet utvecklas med UV-ljus, vilket innebär att inget liv i dag använder UV-ljus som energikälla – det tenderar att förstöra molekyler snarare än att främja biokemi”. Han hävdar också att den syntetiska kemi som föreslås i ett sådant jordiskt system helt enkelt inte ser ut som liv som vi känner det. Det börjar med cyanider eller zinksulfid-fotosyntes och slutar med en slags Frankenstein-kemi”, säger Lane. Kemin kan fungera, men att förena den med liv som vi känner till det skulle jag säga är på gränsen till omöjligt.

Disciplinär skiljelinje

Om man ser närmare på saken kan man konstatera att skiljelinjen mellan dem som stödjer ett jordiskt ursprung och dem som stödjer ett oceaniskt ursprung är splittrad mellan olika discipliner. Syntetiska kemister föredrar i allmänhet ett kontinentalt ursprung och geologer och biologer oftast djuphavshydrotermiska skorstenar. Kemister hävdar att det är omöjligt att göra kemin i hydrotermiska skorstenar, medan biologer hävdar att den föreslagna terrestriska kemin helt enkelt inte liknar något man sett inom biokemin och inte minskar klyftan mellan geokemi och biokemi.

Så finns det ett sätt att förena disciplinerna? För närvarande finns det inte mycket gemensam grund mellan dessa idéer, säger Lane. Deamer håller med. I dagsläget kan vi bara säga att alla har rätt att göra en rimlighetsbedömning utifrån sina idéer, men sedan måste de också göra experimentella och observationella tester.”

De mindre problemen kommer att kunna lösas – det är det som får mig att stiga upp ur sängen på morgonen

Det som behövs är den där fantastiska bevisningen eller det där experimentet som skulle kunna knyta ihop prickarna och förklara hur och var livet började från en prebiotisk värld. Det skulle verkligen vara ett stort genombrott om vi kunde hitta ett ribozym bland alla dessa biljoner slumpmässiga polymerer som vi tillverkar”, menar Deamer. Ribozymer är RNA-katalysatorer som ingår i cellens proteinsyntesmaskineri, men är kandidater för de första självreplikerande molekylerna.

Framtida bevis till stöd för livets uppkomst i hydrotermiska skorstenar i djuphavet är inriktade på att visa på en plausibel uppsättning metaboliska steg som leder till komplexa molekyler. Vid JPL tittar man på hur aminosyror beter sig i sina kemiska trädgårdar, enligt Barge. Vi arbetar med att göra en aminosyra och ser sedan om den fastnar i skorstenarna och om man kan koncentrera den och kanske göra några peptider.”

”Det finns problem och svårigheter”, erkänner Lane. Kan vi verkligen få koldioxid att reagera med väte för att göra mer komplexa molekyler som aminosyror och nukleotider? Jag är ganska övertygad om att vi kan göra det, men jag är medveten om att vi inte har visat det ännu”. Andra svåra frågor är om lipidmembran kan stabiliseras i havsvatten med dess höga koncentrationer av kalcium- och magnesiumjoner. Men Lane säger att det stora problemet med den termodynamiska drivkraften löses av hydrotermiska skorstenar. Det ger mig förtroende för att de mindre problemen kommer att kunna lösas i det sammanhanget också, även om de ser svåra ut nu – det är det som får mig att gå upp ur sängen på morgonen.”

Det finns förstås en annan möjlighet – att livet inte startade på jorden överhuvudtaget. Panspermia – teorin om att livet såddes från rymden, verkar excentrisk, men det är inte alla som räknar bort den. Man kan argumentera för att livet faktiskt började på Mars, enligt Deamer, eftersom den var först med att svalna till en temperatur som kunde stödja liv.

Oavsett om detta är fallet eller inte är liv någon annanstans definitivt möjligt. Jupiters måne Europa och Saturnus måne Enceladus är kandidater eftersom de båda har oceaner under isiga skal. Under de kommande fem åren planerar Nasa att skicka en rymdsond till båda dessa månar för att leta efter tecken på liv. Att förstå vår egen ursprungshistoria kan hjälpa oss att ta reda på var vi ska leta.

1 M J Russell, R M Daniel och A J Hall, Terra Nova, 1993, 5, 343 (DOI: 10.1111/j.1365-3121.1993.tb00267.x)

2 W Martin och M J Russell, Philos. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci., 2003, 358, 59 (DOI: 10.1098/rstb.2002.1183)

3 L M Barge et al, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2015, 54, 8184 (DOI: 10.1002/anie.201501663)

4 B Herschy et al, J. Mol. Evol., 2014, 79, 213 (DOI: 10.1007/s00239-014-9658-4)

5 F Klein et al, Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2015, 112, 12036 (DOI: 10.1073/pnas.1504674112)

6 L Da Silva, M C Maurel and D Deamer, J. Mol. Evol., 2015, 80, 86 (DOI: 10.1007/s00239-014-9661-9)

7 M W Powner, B Gerland och J D Sutherland, Nature, 2009, 459, 239 (DOI: 10.1038/nature08013)

8 B H Patel et al, Nat. Chem., 2015, 7, 301 (DOI: 10.1038/nchem.2202)

Denna artikel återges med tillstånd från Chemistry World. Artikeln publicerades första gången den 16 april 2017.