Livets opståen

Del 2 af 4 i projektet: Celler – Livets byggesten

Husker du vores årskalender, hvor hele Jordens levetid på 4,54 milliarder år er samlet på blot 365 dage? Vi vil nu fokusere på en helt særlig begivenhed, som skete i begyndelsen af marts ifølge vores kalender, som du kan se på Figur 1. For omkring 3,8 milliarder år siden menes det nemlig, at det første liv på Jorden opstod. I Isua-klipperne i Grønland er verdens ældste fossiler fundet. Fossilerne er 3,8 milliarder år gamle, og i dem har vi beviserne på noget af det første liv på Jorden.

Figur 1: Livets opståen ifølge kalenderen. Det menes, at det første liv på Jorden opstod 3,8 milliarder år siden, hvilket svarer til starten af marts måned på årskalenderen, som opsamler Jordens levetid.

Inden vi kommer for godt i gang, skal vi have en vigtig definition på plads. For hvad er egentlig liv? Vi kan nok blive enige om, at en elefant er levende, mens en sten ikke er – men hvad med en virus?

Levende væsener kaldes for organismer. Organismer er dyr, planter, svampe og bakterier. Levende organismer er kendetegnet ved at kunne:

  • Optage næring fra omgivelserne
  • Vokse
  • Lave energi ved en forbrændingsproces (respiration)
  • Skille sig af med affaldsstoffer
  • Reagere på påvirkninger
  • Bevæge sig
  • Formere sig

På Figur 2 kan du se de 7 karakteristika af liv.

En virus er ikke en levende organisme, da den ikke kan formere sig selv. Den kan kun formere sig ved at inficere en anden værtscelle, som så kan kopiere virussen i sig.

Figur 2. De 7 karakteristika af liv. Levende organismer kendetegnes ved, at de kan optage næring, vokse, forbrænde næring, udskille affaldsstoffer, reagere på påvirkninger, formere sig og bevæge sig.

Nu hvor vi har sat nogle ord på, hvordan liv karakteriseres, kan vi dykke ned i det første liv på Jorden. For hvordan opstod det lige? Det er man ikke sikker på, for man har ingen fossiler fra den tid. Mange hypoteser prøver dog at forklare dette. Nogle hypoteser er blevet afkræftet gennem tiden, og andre har holdt ved og er blevet til teorier. Hvordan tror du, det første liv på Jorden er opstået? Tænk over dette, når du laver øvelsen Det første liv på Jorden.

Nogle mener, at det første liv kom udefra universet med en meteor. Andre mener, at der på et tidspunkt har været de helt rette forhold på Jorden, som har ført til liv. Vi kigger nu nærmere på den sidste hypotese om, at livet er opstået under særlige forhold på Jorden.

Ursuppen

For 3,8 milliarder år siden bestod atmosfæren formentlig af metan (CH4), brint (H2), ammoniak (NH3) og vanddamp (H2O). Der var stor vulkansk aktivitet, voldsomme lyn og høj UV stråling. Store oceaner var skabt af voldsomme regnvejr. Oceanerne blev kaldt for ursuppen, og den bestod af en kaotisk blanding af forskellige molekyler. Det er netop i ursuppen, flere forskere mener, at det første liv opstod.

Dybt nede på ursuppens bund skabte den vulkanske aktivitet sprækker i havbunden, som brandvarmt vand skød op af. Dette væld af skoldhedt vand, kaldes også for hydrotermiske væld. Man mener, at det første liv sandsynligvis er opstået i hydrotermiske væld. Ursuppens molekyler blev blandet i det varme vand, og så kunne der ske spændende ting og sager. På Figur 3 kan du se, hvordan molekyler blev blandet i varme hydrotermiske væld.

Det som er særligt svært at forklare er, hvordan det første liv kunne opstå ud fra noget livløst.  Alt det liv, som vi har i dag, er opstået fra noget andet liv. Tænk bare på, hvordan du kommer fra din mor og far, træet kommer fra frøet, og kyllingen kommer fra ægget, der er lagt af en høne. Forskere har derfor prøvet at genskabe ursuppen og forholdene på Jorden for flere milliarder år siden for at se, om liv spontant (helt af sig selv) kunne opstå her.

Figur 3. Hydrotermiske væld. Hydrotermiske væld er sprækker i Jordens overflade, som brandvarmt vand skyder op af. Molekyler kan blandes i det varme vand.

Hvad er en gejser?

En gejser er en slags hydrotermisk væld – bare på landjorden. Brandvarmt vand og vanddamp skyder igen og igen op gennem en sprække i jorden. Hvis du har været på Island eller på New Zealand, har du måske set gejsere.

Ursuppen genskabes

Disse undersøgelser gjorde forskerne Stanley Miller og Harold Urey sig. I 1953 lavede de Miller og Urey forsøgene, som stadig er meget omtalte. Miller og Urey forsøgte nemlig at genskabe forholdene på Jorden for omkring 3,8 milliarder år siden. De ville undersøge, om organiske molekyler kunne opstå fra uorganiske molekyler. Hvis de opstod, ville disse molekyler på sigt kunne gå sammen og skabe det første liv.

Miller og Urey forbandt to kolber med et glasrør. I den ene kolbe var der vand, som blev varmet op. I den anden var gasserne fra den unge atmosfære: Metan, brint, ammoniak og vanddamp. Denne kolbe var også koblet til en elektrode, så der opstod en slags lynnedslag.
Når vandet i den første kolbe blev varmet op, blev det til damp som bevægede sig over i den anden kolbe. Her afkøledes vanddampen og regnede ned. En skitse af eksperimentet kan ses på Figur 4. Inden du læser videre, kan du lave øvelsen Miller og Urey-hypotesen.

Efter eksperimentet havde været i gang i to dage, dannedes et mørkt, olieret bundfald fra kolben med gasserne. Og hvad der var i dette bundfald, har taget forskere et skridt tættere på at forklare det første liv. Det olierede bundfald indeholdt nemlig aminosyren glycin. Glycin er den simpleste aminosyre, vi kender. Aminosyrer er byggestenene i proteiner, og proteiner kan opbygge levende organismer. Så, hvis der er aminosyrer, kan liv muligvis opstå.
Nogle dage efter fandt forskerne flere forskellige aminosyrer i bundfaldet. Bundfaldet må have mindet om ursuppen, hvori det første liv opstod.

Miller og Urey lavede flere forsøg med deres kolber. Det lykkedes dem at danne alle aminosyrer (i alt 20), fedtsyrer, og baserne som opbygger RNA og DNA. Disse tre slags byggesten er livsvigtige for alt liv, vi har i dag. Aminosyrer opbygger som nævnt proteiner. Fedtsyrer indgår i cellemembraner, og RNA og DNA lagrer genetisk information. Du kan se byggestenen på Figur 5.

Altså har Miller og Urey bevist, at der var mulighed for, at livets vigtige byggesten kunne opstå ud fra uorganiske stoffer.

Figur 4. Miller og Ureys forsøgsopstilling. Ved Miller og Urey forsøgene blev aminosyrer skabt under de forhold, som var på Jorden for 3,8 milliarder år siden.

Figur 5. Komponenter som opbygger liv. For at celler og dermed liv kan eksistere, skal der bl.a. være cellemembraner, som består af fedtsyrer, proteiner, som opbygges af aminosyrer, og DNA og RNA, som består af baserne C, A, U, G og T.

Hvad er organiske molekyler?

Et molekyle kaldes organisk, hvis det indeholder grundstoffet C (kulstof). Ofte indeholder organiske molekyler også H (brint), N (kvælstof), O (oxygen) og P (fosfor). Fx er glukose (C6H12O6) et organisk molekyle. Modsat indeholder de fleste uorganiske molekyler ikke kulstof. Der findes dog undtagelser såsom CO2 (kuldioxid).

RNA verdenen

Nogle af de vigtigste byggesten i levende organismer i dag er protein og DNA.

Proteiner er vigtige, da de bl.a. i form af enzymer udfører arbejdsopgaver i organismen. Derfor kaldes proteiner også for organismens arbejdskraft.
DNA udgør organismens genetiske kode. Den genetiske kode er vigtig, når organismen skal vokse, vedligeholde sig eller formere sig. DNA er altså opskriften på proteinerne, som opbygger organismen.

Protein og DNA har brug for hinanden. DNA har brug for protein for at virke, mens protein har brug for DNA for at eksistere. Man kan ikke have den ene uden at have den anden. Ligesom med hønen og ægget er det derfor svært at bestemme, om enten protein eller DNA opstod først.

RNA verden-teorien kan muligvis forklare dette. Måske har du hørt om RNA før? RNA har mange vigtige opgaver i vores krop, og det minder om vores DNA. Den store forskel på DNA og RNA er, at RNA er enkeltstrenget, hvorimod DNA er dobbeltstrenget og ligner en helix. Desuden er RNA opbygget af baserne A, U, G og C, mens DNA er opbygget af A, T, G og C. Du kan se forskellen på DNA og RNA på Figur 6.

Figur 6. DNA og RNA. DNA er dobbeltstrenget og består af baserne A, T, C og G, mens RNA er enkeltstrenget og består af baserne A, U, C og G.

Fra Miller og Ureys forsøg ved vi, at byggestenene i RNA – nemlig baserne A, U, G og C, kunne skabes i ursuppen. Blev baserne sat sammen i særlige kæder, kunne RNA dannes.
De første RNA-molekyler i ursuppen var meget ustabile, og de blev ødelagt igen. Men med tiden blev flere og mere stabile RNA-kæder sat sammen, og de forblev intakte. Flere baser satte sig på RNA-kæderne, som voksede sig længere. Dette kunne være sket som på Figur 7.

Helt tilfældigt fik et RNA-molekyle den egenskab, at det kunne kopiere sig selv. Det blev til to, de to blev til fire, og de fire blev til otte, og sådan fortsatte det. Denne kopieringsproces kaldes for replikation, og den har været enormt vigtig for skabelsen af liv.

Figur 7. Voksende RNA-kæde. RNA-kæden vokser sig længere, når flere baser sætter sig på.

Så, hvad er der så særligt ved dette selvkopierende RNA? RNA har begge egenskaber, som DNA og protein har:

  • RNA fungerer som et protein og kan udføre en eller flere arbejdsopgaver. Evnen til at kopiere sig selv er en særlig vigtig opgave.
  • RNA indeholder sin egen genetiske kode ligesom DNA gør.

Altså er RNA både sin egen arbejdskraft og sin egen opskrift. Det er en kopimaskine, som kan blive ved med at kopiere sig selv. På Figur 8 kan du se, hvordan RNA både DNA og proteins egenskaber.

Man mener derfor, at der helt i starten hverken eksisterede protein eller DNA, men derimod kun RNA. Og derfor er der tale om en verden fyldt med RNA-molekyler – en RNA verden.

Figur 8. Protein, DNA og RNA. Protein har en funktion og er arbejdskraften, mens DNA gemmer på den genetiske kode og er opskriften. RNA har begge funktioner.

Hvordan opstod protein og DNA så? Lad os vende tilbage til de første selvkopierende RNA-molekyler.
Kopierne var ikke altid perfekte, og sommetider opstod der mutationer i de ny-kopierede RNA-molekyler. Nogle mutationer gjorde RNA-molekylet svagere, så det gik i stykker. Andre gjorde RNA-molekylet stærkere eller gav det en ny funktion.
Gennem disse tilfældigheder, blev nogle RNA-molekyler i stand til at sætte aminosyrer sammen til proteiner. Processen kaldes i dag for proteinsyntesen. Denne form for RNA indeholder vi selv i næsten alle cellerne i vores krop, og de kaldes ribosomer.

Andre mutationer gjorde, at noget RNA udvikledes til en dobbeltstrenget helix frem for en enkeltstrenget kæde. En sådan helix var mere stabil og bedre til at lagre genetisk information. På den måde opstod det første DNA.
RNA var altså både med til at bygge de første proteiner og til at skabe det første DNA. I dag er RNA stadig bindeled mellem DNA’et og proteinerne i vores krop (nemlig gennem proteinsyntesen), men protein og DNA har fået langt mere dominerende roller.

Protoceller

På et tidspunkt blev nogle RNA-molekyler indesluttet af en form for membran. Sådan blev de tidligste celler til, og de kaldes for protoceller. Inden i protocellen begyndte RNA-molekylerne at samarbejde og udvikle sig selv. Nogle blev bedre til at bygge proteiner, og andre blev bedre til at kopiere. Over tid udviklede protocellen sig, så den ved hjælp af RNA, DNA og protein kunne kopieres og blive til to protoceller.

Membranen var vigtig for skabelsen af protoceller. Den skabte et stabilt miljø indeni cellen. Byggesten udefra kunne føres ind gennem membranen, mens affaldsstoffer blev ført ud igen. Protocellen kunne nu ud fra de tidligere nævnte definitioner vist på Figur 2 betegnes som liv.

Den overordnede udvikling fra baser til RNA, til selv-kopierende RNA og frem til protoceller kan ses på Figur 9.

Figur 9. RNA verden hypotesen. RNA verden hypotesen beskriver dannelsen af de første RNA-molekyler og frem til en protocelle. 

Hvordan opstod protein og DNA så? Lad os vende tilbage til de første selvkopierende RNA-molekyler.
Kopierne var ikke altid perfekte, og sommetider opstod der mutationer i de ny-kopierede RNA-molekyler. Nogle mutationer gjorde RNA-molekylet svagere, så det gik i stykker. Andre gjorde RNA-molekylet stærkere eller gav det en ny funktion.
Gennem disse tilfældigheder, blev nogle RNA-molekyler i stand til at sætte aminosyrer sammen til proteiner. Processen kaldes i dag for proteinsyntesen. Denne form for RNA indeholder vi selv i næsten alle cellerne i vores krop, og de kaldes ribosomer.

Hvilke af de 7 kendetegn ved liv, kan protocellen betegnes ud fra?

Optag af næring, udskillelse af affaldsstoffer, vokse og formere sig.

Protocellen udviklede sig mere og mere. Med tiden blev protocellens forskellige komponenter (DNA, RNA, proteiner og cellemembran) bedre til at samarbejde, og den udviklede flere arvelige egenskaber, som blev videreført til nye generationer. Protocellen begyndte altså at opføre sig som de celler, der lever på Jorden i dag, og med tiden blev den til en rigtig levende biologisk celle. Alt dette skete, som nævnt, for 3,8 milliarder år siden og altså i starten af marts på kalenderen, som du så på Figur 1.

I næste afsnit, som hedder Cellers udvikling, finder du ud af, hvordan disse rigtige celler udviklede sig til bl.a. de avancerede flercellede organismer, vi kender, som dig selv.

Quiz

Del 2: Livets Opståen

Test din viden i emnet "Livets Opståen"

1 / 8

Hvornår opstod det første liv på Jorden?

2 / 8

Hvilken er ikke en af de 7 karakteristika af liv?

3 / 8

Hvor menes det, at det første liv på Jorden opstod?

4 / 8

Hvad gjorde Miller og Urey?

5 / 8

Hvad fandt Miller og Urey i bundfaldet?

6 / 8

Hvilket molekyle mener man, var grundlaget for det første liv på Jorden?

7 / 8

Hvilke egenskaber har RNA?

8 / 8

Hvad hedder den første, primitive celle på Jorden?

Your score is

The average score is 85%

0%

Øvelser til “Livets opståen”

Det Første Liv på Jorden

Miller & Urey Hypotesen