Livets uppkomst | är ett vetenskapligt problem som ännu inte är löst

Fossila uppgifter

Det tidigaste påstådda livet på jorden

De tidigaste livsformerna är fossiliserade mikroorganismer (eller mikrofossiler). De hittades i järn- och kiselrika bergarter som en gång var hydrotermiska skorstenar i grönstensbältet Nuvvuagittuq i Quebec, Kanada.

Dessa bergarter är så gamla som 4,28 miljarder år. De rörformiga former som de innehåller visas i en rapport. Om detta är den äldsta uppgiften om liv på jorden tyder det på "en nästan omedelbar uppkomst av liv" efter att haven bildades för 4,4 miljarder år sedan. Enligt Stephen Blair Hedges "Om livet uppstod relativt snabbt på jorden ... så kan det vara vanligt i universum".

Föregående tidigast

En vetenskaplig studie från 2002 visade att geologiska formationer av stromatoliter som är 3,45 miljarder år gamla innehåller fossila cyanobakterier. På den tiden var det allmänt accepterat att stromatoliter var de äldsta kända livsformerna på jorden som hade lämnat ett spår av sin existens. Om livet uppstod på jorden skedde det därför någon gång mellan 4,4 miljarder år sedan, då vattenånga först blev flytande, och 3,5 miljarder år sedan. Detta är bakgrunden till den senaste upptäckten som diskuteras ovan.

De tidigaste bevisen på liv kommer från Isua superkrustabältet i västra Grönland och från liknande formationer på de närliggande Akiliaöarna. Detta beror på att det finns en hög halt av den lättare kolisotopen där. Levande organismer tar upp lättare isotoper eftersom detta kräver mindre energi. Kol som kommer in i bergsformationer har en koncentration av elementär δ¹³ C på cirka -5,5. av¹² C, biomassa har en δ¹³ C på mellan -20 och -30. Dessa isotopiska fingeravtryck bevaras i stenarna. Med hjälp av dessa bevis föreslog Mojzis att det fanns liv på planeten redan för 3,85 miljarder år sedan.

Några forskare tror att liv kan ha förts från planet till planet genom transport av sporer. Denna idé, som nu kallas panspermi, framfördes först av Arrhenius.

Historiska studier av livets ursprung

Spontan generering

Fram till början av 1800-talet var det många som trodde på att liv regelbundet och spontant uppstod ur icke-levande materia. Detta kallades spontan generering och motbevisades av Louis Pasteur. Han visade att utan sporer växte inga bakterier eller virus på sterilt material.

Darwin

I ett brev till Joseph Dalton Hooker den 11 februari 1871 föreslog Charles Darwin en naturlig process för livets uppkomst.

Han föreslog att livets ursprungliga gnista kan ha startat i en "varm liten damm, med alla möjliga ammoniak- och fosforsalter, ljus, värme, elektricitet osv. En proteinförening bildades sedan kemiskt, redo att genomgå ännu mer komplexa förändringar". Han fortsatte med att förklara att "i dagens läge skulle sådan materia omedelbart slukas eller absorberas, vilket inte skulle ha varit fallet innan levande varelser bildades".

Haldane och Oparin

Inga verkliga framsteg gjordes förrän 1924 då Alexander Oparin kom fram till att syret i atmosfären förhindrade syntesen av organiska molekyler. Organiska molekyler är de nödvändiga byggstenarna för livets utveckling. I sin bok The Origin of Life hävdade Oparin att en "urkraftssoppa" av organiska molekyler kunde skapas i en syrefri atmosfär genom solljusets inverkan. Dessa skulle kombineras i allt mer komplexa former tills de bildade droppar. Dessa droppar skulle "växa" genom fusion med andra droppar och "föröka sig" genom klyvning till dotterdroppar, och på så sätt ha en primitiv ämnesomsättning där de faktorer som främjar "cellintegritet" överlever, medan de som inte gör det dör ut. Många moderna teorier om livets ursprung utgår fortfarande från Oparins idéer.

Ungefär samtidigt föreslog J.B.S. Haldane också att jordens pre-biotiska hav, som var mycket annorlunda än vad haven är nu, skulle ha bildat en "varm utspädd soppa". I denna soppa kan organiska föreningar, livets byggstenar, ha bildats. Denna idé kallades biopoiesis, processen där levande materia utvecklas från självreproducerande men icke levande molekyler.

Tidiga förhållanden på jorden

Det finns nästan inga geologiska uppgifter från tiden före 3,8 miljarder år sedan. Den miljö som rådde under Hadeans tid var fientligt inställd till liv, men hur mycket är inte känt. Det fanns en tid, mellan 3,8 och 4,1 miljarder år sedan, som kallas det sena tunga bombardemanget. Den kallas så eftersom många månkratrar tros ha bildats då. Situationen på andra planeter som jorden, Venus, Merkurius och Mars måste ha varit liknande. Dessa nedslag skulle sannolikt ha steriliserat jorden (dödat allt liv), om det hade funnits vid den tiden.

Flera personer har föreslagit att kemikalierna i cellen ger ledtrådar till hur de tidiga haven måste ha sett ut. År 1926 noterade Macallum att den oorganiska sammansättningen av cellens cytosol skiljer sig dramatiskt från den i modernt havsvatten: "cellen... har en utrustning som har överförts från ett förflutet som är nästan lika avlägset som livets ursprung på jorden". Till exempel: "Alla celler innehåller mycket mer kalium, fosfat och övergångsmetaller än moderna ... hav, sjöar eller floder". "Under den anoxiska, CO₂ -dominerade primordiala atmosfären skulle kemin i inlandsbassänger vid geotermiska fält [vara som kemin inuti] moderna celler".

Temperatur

Om livet har utvecklats i djuphavet, nära en hydrotermisk källa, kan det ha uppstått redan för 4 till 4,2 miljarder år sedan. Om livet däremot uppstod på planetens yta är en vanlig åsikt att det bara kan ha skett för 3,5 till 4 miljarder år sedan.

Lazcano och Miller (1994) föreslår att takten i den molekylära utvecklingen dikterades av hastigheten på vattencirkulationen genom undervattensventiler i mellanoceaner. Fullständig recirkulation tar 10 miljoner år, så alla organiska föreningar som producerats fram till dess skulle förändras eller förstöras av temperaturer över 300 °C. De uppskattar att utvecklingen av ett 100 kilobas-genom från en primitiv heterotrof DNA/protein-varelse till en 7 000 geners filamentös cyanobakterie skulle ha krävt endast 7 miljoner år.

Jordens atmosfärs historia

Ursprungligen fanns det nästan inget fritt syre i jordens atmosfär. Den förändrades gradvis till vad den är idag, under en mycket lång tid (se Stora syretillförseln). Processen började med cyanobakterier. De var de första organismerna som framställde fritt syre genom fotosyntes. De flesta organismer behöver idag syre för sin ämnesomsättning; endast ett fåtal kan använda andra källor för andning.

Därför förväntas de första protoorganismerna vara kemoautotrofa och inte använda aerob andning. De var anaeroba.

Nuvarande modeller

Det finns ingen "standardmodell" för hur livet började. De flesta accepterade modellerna bygger på molekylärbiologi och cellbiologi:

1. Eftersom det finns de rätta förutsättningarna skapas vissa grundläggande små molekyler. Dessa kallas livets monomerer. Aminosyror är en typ av dessa molekyler. Detta bevisades genom Miller-Urey-experimentet av Stanley L. Miller och Harold C. Urey 1953, och vi vet nu att dessa grundläggande byggstenar är vanliga i hela rymden. Den tidiga jorden skulle ha haft dem alla.
2. Fosfolipider, som kan bilda lipiddubbelskikt, en huvudkomponent i cellmembranen.
3. Nukleotider som kan ansluta sig till slumpmässiga RNA-molekyler. Detta kan ha resulterat i självreplikerande ribozymer (RNA-världshypotesen).
4. Konkurrensen om substrat gör att miniproteiner blir enzymer. Ribosomen är avgörande för proteinsyntesen i dagens celler, men vi har ingen aning om hur den har utvecklats.
5. I början skulle ribonukleinsyrorna ha varit katalysatorer, men senare har nukleinsyrorna specialiserats för genomisk användning.

Ursprunget till de grundläggande biomolekylerna är visserligen inte fastställt, men det är mindre kontroversiellt än betydelsen och ordningen av steg 2 och 3. De baskemikalier från vilka livet tros ha bildats är följande:

• Metan (CH₄ ),
• Ammoniak (NH₃ ),
• Vatten (H₂ O),
• Vätesulfid (H₂ S),
• Koldioxid (CO₂ ) eller kolmonoxid (CO), och
• Fosfat (PO₄^3- ).
• Cyanväte (HCN)

Molekylärt syre (O₂ ) och ozon (O₃ ) var antingen sällsynta eller saknades.

Tre etapper

• Etapp 1: De biologiska monomerernas ursprung
• Etapp 2: De biologiska polymerernas ursprung
• Steg 3: Utvecklingen från molekyler till celler

Bernal föreslog att evolutionen kan ha börjat tidigt, någon gång mellan steg 1 och 2.

Organiska molekylers ursprung

Det finns tre källor till organiska molekyler på den tidiga jorden:

1. Organisk syntes med hjälp av energikällor (t.ex. ultraviolett ljus eller elektriska urladdningar).
2. Leverans från utomjordiska objekt, t.ex. kolhaltiga meteoriter (chondriter);
3. Organisk syntes som drivs av chocks.

Uppskattningar av dessa källor tyder på att det tunga bombardemanget före 3,5 miljarder år sedan gjorde mängder av organiska ämnen tillgängliga som är jämförbara med dem som produceras av andra energikällor.

Millers experiment och den ursprungliga soppan

1953 utförde en doktorand, Stanley Miller, och hans professor, Harold Urey, ett experiment som visade hur organiska molekyler kan ha bildats på den tidiga jorden från oorganiska prekursorer.

I det numera berömda Miller-Urey-experimentet användes en starkt reducerad blandning av gaser - metan, ammoniak och väte - för att bilda grundläggande organiska monomerer, t.ex. aminosyror. Vi vet nu att jordens atmosfär under mer än den första halvan av jordens historia var nästan utan syre.

Fox' experiment

På 1950- och 1960-talen studerade Sidney W. Fox den spontana bildningen av peptidstrukturer under förhållanden som kan ha funnits tidigt i jordens historia. Han visade att aminosyror i sig själva kunde bilda små peptider. Dessa aminosyror och små peptider kunde uppmuntras att bilda slutna sfäriska membran, så kallade mikrosfärer.

Särskilda villkor

Vissa forskare har föreslagit särskilda villkor som skulle kunna underlätta cellsyntesen.

Världen av lera

A. Graham Cairns-Smith föreslog en lermodell för livets ursprung. Enligt lerteorin uppstod komplexa organiska molekyler gradvis på en redan existerande icke-organisk plattform, nämligen silikatkristaller i lösning.

Modell för den djupvarma biosfären

På 1970-talet lade Thomas Gold fram teorin att livet först utvecklades inte på jordens yta, utan flera kilometer under ytan. Upptäckten i slutet av 1990-talet av nanobes (filamentstrukturer som är mindre än bakterier, men som kan innehålla DNA i djupa bergarter) kan stödja Golds teori.

Det är nu ganska väl etablerat att det finns gott om mikrobiellt liv på grunda djup i jorden (upp till fem kilometer under ytan) i form av extremofila arkéer, snarare än de mer välkända eubakterierna (som lever under mer lättillgängliga förhållanden).

Gold hävdade att en rännil av föda från en djup, oåtkomlig källa är nödvändig för överlevnad, eftersom liv som uppstår i en pöl av organiskt material sannolikt kommer att konsumera all sin föda och dö ut. Golds teori var att flödet av föda beror på utgasning av ursprunglig metan från jordens mantel.

Självorganisering och replikering

Självorganisering och självreproduktion är kännetecknande för levande system. Icke levande molekyler uppvisar ibland dessa egenskaper under lämpliga förhållanden. Martin och Russel visade till exempel att cellmembran som skiljer innehållet från omgivningen och självorganisering av fristående redoxreaktioner är de mest bevarade egenskaperna hos levande organismer. De hävdar att sådan oorganisk materia skulle vara livets mest sannolika sista gemensamma förfader.

Teorier

Hypotesen om en RNA-värld

I denna hypotes sägs RNA fungera både som enzym och som en behållare för gener. Senare tog DNA över sin genetiska roll.

Hypotesen om RNA-världen föreslår att liv baserat på ribonukleinsyra (RNA) föregår den nuvarande världen av liv baserat på desoxyribonukleinsyra (DNA), RNA och proteiner. RNA kan både lagra genetisk information, som DNA, och katalysera kemiska reaktioner, som ett enzym. Det kan ha stöttat pre-cellulärt liv och varit ett stort steg mot cellulärt liv.

Det finns vissa bevis som stöder denna idé:

1. Det finns vissa RNA som fungerar som enzymer.
2. Vissa virus använder sig av RNA för arvsmassa.
3. Många av cellens mest grundläggande delar (de som utvecklas långsammast) kräver RNA.

Metabolism och proteiner

Denna idé tyder på att proteiner först fungerade som enzymer och producerade ämnesomsättning. Därefter började DNA och RNA fungera som behållare för gener.

Det finns också en del bevis som stöder denna idé.

1. Protein som enzym är viktigt för dagens liv.
2. Vissa aminosyror bildas från mer grundläggande kemikalier i Miller-Urey-experimentet. Vissa förnekar denna idé eftersom proteiner inte kan kopiera sig själva.

Lipider

I detta system uppstår tidigt membran av lipiddubbelskikt. När organiska kemikalier är inneslutna är mer komplex biokemi möjlig.

Panspermia

Detta är den idé som föreslogs av Arrhenius och utvecklades av Fred Hoyle, nämligen att livet utvecklades någon annanstans i universum och kom till jorden i form av sporer. Detta är inte en teori om hur livet började, utan en teori om hur det kan ha spridits. Det kan ha spridits till exempel genom meteoriter.

Vissa menar att den tidiga Mars var en bättre plats att starta liv på än den tidiga jorden. De molekyler som kombinerades för att bilda genetiskt material är mer komplexa än den "urkraftssoppa" av organiska (kolbaserade) kemikalier som fanns på jorden för fyra miljarder år sedan. Om RNA var det första genetiska materialet skulle mineraler som innehåller bor och molybden kunna bidra till dess bildning. Dessa mineraler var mycket vanligare på Mars än på jorden.

Inom religion

Inom kristendomen förkastar vissa människor tanken på evolution. De tror att jorden bara är några tusen år gammal. Detta är känt som Young Earth Creationism. Bibeln anger dock inte uttryckligen jordens ålder, utan bara att "i begynnelsen skapade Gud himmel och jord" (1 Mos 1:1).

Relaterade sidor

• Astrobiologi
• De tidigaste kända livsformerna