Ligesom planeter, stjerner og galakser, er livet en slags struktur der har udviklet sig i universet. Før vi går ind i spørgsmålene om, hvordan livet første gang opstod på Jorden, og hvordan det har udviklet sig, vil vi først spørge om dette: Hvordan definerer forskere livet? Mange forskere foreslår, at der ikke er nogen universel definition af liv. Med det ene eksempel som vi kender her på Jorden, kan vi komponere en definition af terrestrisk (det vil sige jordbaseret) liv, men en sand universel definition, skal omfatte forskellige former for liv, som kan eksistere andre steder i universet. En fuldstændig definition, skal tage højde for livsformer, forskerne ikke ved noget om.
En definition af liv
Livet er defineret ud fra et jordbaseret perspektiv, og er et sæt indbyrdes forbundne, komplekse biokemiske processer, som trækker energi fra miljøet for at overleve og reproducere sig. Med hjælp fra specifikke biologiske molekyler som ribonukleinsyre (RNA) og deoxyribonukleinsyre (DNA), kan organismer på Jorden reproducere og udvikle sig. Alt jordbaseret liv, involverer kulstofbaseret kemi, og anvender flydende vand som sit biokemiske opløsningsmiddel (vi vil se nærmere på livets kemi i afsnit 23.2).
Med denne grundlæggende ide om hvad vi mener med livet, vender vi os mod det større spørgsmål om, hvordan livet startede her på Jorden. Husk fra kapitel 6, at Jordens sekundære atmosfære, til dels var dannet af kuldioxid og vanddamp, der kom fra vulkaner. Et kraftigt bombardement fra kometer og meteorider, tilførte sandsynligvis store mængder vand, metan og ammoniak til blandingen. Disse er alle enkle molekyler, ude af stand til at udføre livets komplekse kemi. Den tidlige Jord, havde imidlertid rigeligt med energikilder, som for eksempel lyn og ultraviolet solstråling, som havde evnen til at rive disse relativt enkle molekyler fra hinanden og skabe fragmenter, der efterfølgende kunne samle sig til molekyler med større masse og kompleksitet. Regnen bragte disse molekyler ud af atmosfæren, og disse tungere organiske molekyler (forbindelser, der indeholder kulstof), endte i Jordens oceaner og dannede en ”primordial suppe” (en væske rig på organiske forbindelser, og de miljømæssige forhold, der kunne understøtte fremkomsten og væksten af livsformer).
I 1952, forsøgte kemikerne Harold Urey (1893-1981) og Stanley Miller (1930-2007), at skabe forhold der lignede dem, man mente havde eksisteret på den tidlige Jord. Til en steriliseret laboratoriekolbe, der indeholdt flydende vand som et ”hav”, tilsatte de metan, ammoniak og hydrogen, som en primitiv atmosfære; elektriske gnister, simulerede lyn som en energikilde (se figur 23.1). Inden for en uge, frembragte Urey-Miller eksperimentet, 11 af de 20 basale aminosyrer, der forbindes med hinanden til dannelse af proteiner, livets strukturelle molekyler. Andre organiske molekyler, som er komponenter af nukleinsyrerne, forstadierne af RNA og DNA, optrådte også i blandingen.
55 år senere, opdagede forskerne yderligere forseglede prøver fra dette gamle eksperiment. Prøverne lignede dem i det oprindelige eksperiment, men var blevet anvendt i undersøgelser med metan, ammoniak, carbondioxid og hydrogensulfid som den primitive atmosfære. Da prøverne blev analyseret med moderne instrumenter, blev der fundet 23 aminosyrer, hvilket tyder på, at hydrogensulfid, der ville være kommet fra vulkanske rødsøjler på den tidlige Jord, var en vigtig faktor. Nyere forsøg med kuldioxid og nitrogen som den primitive atmosfære, har leveret resultater som dem fra Urey og Miller eksperimentet. Konklusionen er, at en mulig atmosfærisk sammensætning med en energikilde, kan danne betydelige mængder aminosyrer og andre vigtige stoffer for livet.
Fra laboratorieeksperimenter som disse, har forskerne udviklet forskellige modeller til at forklare, hvordan livet var i stand til at begynde på steder, der er rige på præbiotiske organiske molekyler. Detaljerne om hvor og hvordan disse præbiotiske molekyler udviklede sig til livets molekyler, er ikke så klare. Nogle biologer mener, at livet begyndte i havdybderne, hvor vulkanske ventiler tilvejebragte den hydrotermiske energi, der var nødvendig for at skabe de højt organiserede molekyler, som er ansvarlige for biokemien (se figur 23.2). Andre mener, at livet stammer fra tidevandsbassiner, hvor lys og ultraviolet stråling leverede energien (se figur 23.3). I begge tilfælde, kan korte tråde af selvreplikerende molekyler være blevet dannet først, for senere at udvikle sig til RNA og endeligt til DNA, det enorme molekyler, der tjener som den biologiske ”arbejdstegning” til selvreplikerende organismer.
Endelig, skal vi kort nævne nogle få forskeres teorier om, at livet på Jorden kan være blevet ”podet” fra rummet, i form af mikrober (mikroorganismer) bragt hertil af meteorider eller kometer. Selvom denne hypotese, kaldet panspermia, kan forklare hvordan livet begyndte på Jorden, forklarer den ikke, hvordan livet begyndte andre steder i Solsystemet eller derudover. Der er dog ingen videnskabelig dokumentation på nuværende tidspunkt, der understøtter ”podnings”-hypotesen.
Det første liv
Hvis livet virkelig startede i Jordens oceaner, hvornår skete det så? Husk fra kapitel 6, at den unge Jord, led under et voldsomt bombardement af Solsystem-rester i flere hundrede millioner år, efter dets dannelse fra cirka 5 milliarder år siden. Disse forhold, kan have været hårde for livet at danne og udvikler sig under på Jorden. Men da bombardementet faldt i intensitet og Jordens oceaner fremkom, blev mulighederne for lavende organismer til at udvikle sig, stærkt forbedret. Forskere diskuterer, om der er indirekte beviser for jordbaseret liv, i karboniseret materiale som findes i grønlandske klipper der er omkring 3,65-3,85 milliarder år gamle. Stærkere og mere direkte beviser for det tidlige liv, fremstår i form af fossile masser af simple mikroorganismer, kaldet stromatolitter, der kan dateres tilbage til omkring 3,5 milliarder år siden. Fossile stromatolitter er fundet i det vestlige Australien og det sydlige Afrika, og der findes stadig levende eksempler i dag (se figur 23.4). Forskere kan aldrig vide præcist, hvornår livet først begyndte på Jorden, men det ser ud til, at det jordbaserede liv hurtigt udnyttede det gunstige miljø, der fulgte med ophøret af bombardementet af planetesimale fragmenter. De nuværende beviser tyder på, at de tidligste livsformer opstod inden for en milliard år efter, Solsystemet blev dannet, og inden for 500 millioner år efter afslutningen af den unge Jords kraftige bombardement.
Analyse af DNA-sekvenser antyder, at de tidligste organismer var ekstremofiler – livsformer, som ikke kun overlever, men trives under ekstreme miljøforhold. Ekstremofiler omfatter organismer som for eksempel termofiler, der blomstrer i vandtemperaturer så høje som 120 ºC, som forekommer i dybhavet nær hydrotermiske ventilationskanaler (se figur 23.2). Andre ekstremofiler findes under de svære forhold med ekstraordinær kulde, høje saltkoncentrationer, højt tryk, tørke, eller ved høj og lav pH. Forskerne studerer i dag ekstremofiler i kogende varme svovlkilder i Yellowstone National Park i USA, i saltkrystaller under Atacama-ørkenen i Chile, og på bunden af gletschere i et isfelt på Arktis, og i andre ekstreme omgivelser (se figur 23.5).
Blandt de tidlige livsformer, var nogle ældre former for cyanobakterier, enkeltcellede organismer, der også er kendt som blågrønne alger (se figur 23.6). Cyanobakterier var ansvarlige for, at skabe oxygen i Jordens atmosfære, ved fotosyntese af kuldioxid og frigivelse af oxygen som et affaldsprodukt (i fotosyntese bruger organismer sollys og kuldioxid som mad, og producerer oxygen som et biprodukt). Oxygen er imidlertid en meget reaktiv gas, og det nyligt frigjorte oxygen, blev hurtigt fjernet fra Jordens atmosfære ved rustning (oxidation) af overflade mineraler. Først da de eksponerede mineraler ikke længere kunne absorbere mere oxygen, begyndte de atmosfæriske værdier af gassen at stige. Iltningen af Jordens atmosfære og oceaner, begyndte for omkring 2 milliarder år siden, og det nuværende niveau blev først nået for omkring 250 millioner år siden. Uden cyanobakterierne og andre fotosyntetiske organismer, ville Jordens atmosfære være lige så oxygenfri som atmosfærerne på Venus og Mars.
Biologer der sammenligner genetiske (DNA) sekvenser finder, at Jordens liv er opdelt i tre hoveddomæner: Bacteria, Archaea og Eukaryota (bestående af henholdsvis bakterier, arkæer og eukaryoter). Bakterier og arkæer er organismer kendt som prokaryoter, som består af frit flydende DNA inde i en cellevæg. Prokaryoter er simple enkeltcellede organismer uden kerner (se figur 23.7a). Selv i dag, er den største del af Jordens samlede biomasse, i form af simple mikroorganismer. 68 procent af Jordens livs historie, har være mikrobiel. Eukaryoter har en mere kompleks form for DNA, der er indeholdt i enhver eukaryotisk celles membranindesluttede kerne (se figur 23.7b). De første eukaryotiske fossiler, dateres tilbage til omkring 2 milliarder år siden, hvilket er sammenfaldende med stigningen af fri oxygen i oceanerne og i atmosfæren, selvom de første flercellede eukaryoter ikke opstod før omkring 1 milliard år senere.
Livet bliver mere komplekst
Alt liv på Jorden, hvad enten det er prokaryotisk eller eukaryotisk, deller en lignende genetisk kode, som stammer fra en fælles stamfader. En nøje analyse af DNA, gør det muligt for biologer, at spore sig tilbage til det tidspunkt, hvor de forskellige livsformer først optrådte på Jorden, og at identificere de arter, hvorfra disse livsformer udviklede sig fra. Forskere har brugt DNA analyse til at etablere livets evolutionære stamtræ, som beskriver sammenhængen mellem alle arter (se figur 23.8). Stamtræet har afsløret nogle interessante forhold: det indikerer for eksempel at dyr (herunder mennesker), mest ligner svampe. Det evolutionære stamtræ for primaterne antyder, at de tidligste primater udsprang fra andre pattedyr for omkring 70 millioner år siden, og de store aber (gorillaer, chimpanser, bonoboer og orangutanger) adskilte sig fra de mindre aber for omkring 20 millioner år siden. DNA analyse viser, at mennesker og chimpanser deler omkring 98 procent af deres DNA; forskerne mener, at de to grupper udviklede sig fra en fælles forfader, for omkring 6 millioner år siden.
Evolutionens tempo, fortsatte meget langsomt over æonerne, som fulgte efter Jordens første livsformer. Levende organismer i Jordens oceaner, forblev stort set de samme – en blanding af enkeltcellede og relativt primitive flercellede organismer – i mere end 3 milliarder år. Så for mellem 540 og 500 millioner år siden, steg antallet og mangfoldigheden af biologiske arter spektakulært. Biologer kalder denne begivenhed for den kimbriske eksplosion. Udløseren til denne pludselige stigning i biodiversiteten er stadig ukendt, men mulighederne omfatter stigende oxygenniveauer, en stigning i genetisk kompleksitet, større klimaændringer, en ændring i Solsystemets placering i Mælkevejen, eller en kombination af disse. ”Sneboldseffekt” hypotesen for Jorden antyder, at Jorden befandt sig i ekstrem kulde mellem 750 og 550 millioner år siden, før den kimbriske eksplosion, og var stort set helt dækket af is. I denne periode med ekstrem kulde, kan rovdyr have været uddøde, og har sat scenen for af nye arter kunne opstå, tilpasse sig og trives. En anden mulighed er, at en markant stigning i atmosfæriske oxygen (O2 – se figur 23.6), ville have være ledsaget af en tilsvarende stigning i stratosfærens ozon (O3), der beskytter Jordens overflade fra den dødelige UV-stråling. Med dette beskyttende ozonlag på plads, kunne livet frit forlade oceanerne og flytte op på landjorden (se figur 23.9).
De første planter opstod på landjorden for omkring 475 millioner år siden, og store skove og insekter går 360 millioner år tilbage. Dinosaurernes tidsalder begyndte for 230 millioner år siden, og sluttede pludseligt for 65 millioner år siden, da en lille asteroide eller komet, kolliderede med Jorden og medførte udryddelse af mere end halvdelen af de eksisterende dyre- og plantearter. Pattedyr var de store vindere i efterdønningerne af kollisionen; den efterfølgende evolutionære sti, førte til de tidligste menneskelige forfædre, for et par millioner år siden. De første civilisationer opstod først for 10.000 år siden. Nutidens industrisamfund, er knapt mere end 2 århundreder gammelt, og er således kun en fodnote i livets historie på Jorden.
Mennesket er her i dag, på grund af en række hændelser, som opstod i løbet af universets historie. Nogle af disse begivenheder er almindelige i universet, som for eksempel dannelsen af tunge grundstoffer i tidligere generationer af stjerner, og dannelsen af planeter. Andre begivenheder i Jordens historie, kan have været mindre tilbøjelige til at ske andre steder, for eksempel dannelsen af en planet med livsunderstøttende betingelser som på Jorden, eller dannelsen af selvreplikerende molekyler, som førte til Jordens tidligste liv. Et par begivenheder skiller sig ud som tilfældige, for eksempel nedslaget af den lille asteroide eller komet for 65 millioner år siden, som førte til udryddelsen af mange arter. Denne begivenhed muliggjorde udviklingen af avancerede pattedyr og i sidste ende mennesker.
Grundlæggende Viden 23.1 viser den relative timing af de store begivenheder i historien af universet, nedskaleret til at kunne passe ind i en 24 timers dag, der begyndte med Big Bang og ender i dag.
Evolution er et middel til forandring og fremskridt
Forestil dig, at der en gang i løbet af de første par hundrede millioner år efter Jorden blev dannet, at et enkelt molekyler bliver dannet et tilfældigt sted i Jordens oceaner. Dette molekyle havde en meget speciel egenskab: som et resultat af kemiske reaktioner mellem molekyler og andre molekyler i det omgivende vand, fremstillede molekylet en kopi af sig selv. Efter denne begivenhed, var der nu to af disse specielle molekyler. Kemiske reaktioner dannede også kopier af hver af disse molekyler, hvilket dannede 4 kopier. 4 blev til 8, 8 blev til 16, 16 blev til 32 og så videre. Da det oprindelige molekyle havde kopieret sig selv bare 100 gange, eksisterede der over en million billioner (1030) af disse molekyler Det er omkring 100 millioner gange flere af disse molekyler, end der er stjerner i det observerbare univers. En sådan ubegrænset replikering ville være meget usandsynlig af en række årsager, som for eksempel den begrænsede tilgængelighed af de råmaterialer, som var nødvendige for reproduktion og overlevelse.
Kemiske reaktioner er aldrig perfekte. Nogle gange når et molekyle replikeres, er det nye molekyle ikke en nøjagtig kopi af det gamle. Sandsynligheden for, at en kopieringsfejl vil forekomme mens molekylet replikeres, stiger signifikant med antallet af kopier der fremstilles. En ufuldkommenhed i et kopieringsforsøg, kaldes en mutation. Det meste af tiden er en sådan fejl ødelæggende, hvilket fører til et molekyle som ikke længere kan kopieres overhovedet. Men lejlighedsvis er en mutation faktisk nyttig, hvilket resulterer i et molekyle, der er bedre til at kopiere sig, end det oprindeligt var. Selvom ufuldkommenheder i kopieringsprocessen er sjældne, og selvom kun en lille del af disse fejl viser sig at være gavnlige, er der efter 100 generationer, trillioner af fejl, som med held kan forbedre det oprindelige molekyle (se Matematiske Værktøjer 23.1). Kopier af hver af disse forbedrede molekyler, arver disse forbedringer. Disse molekyler vil have arvelige egenskaber – evnen til at en generations struktur, kan gives videre til kommende generationer.
Som den tidlige Jords molekyler fortsatte med at interagere med deres omgivelser og lave kopier af dem selv, opsplittedes de i forskellige variationer. Til sidst blev der så mange efterkommere af det oprindelige molekyle, at de byggesten som blev anvendt til reproduktionen, blev sjældnere. I lyset af denne mangel på ressourcer, blev variationer af molekyler der var bedre end andre til at reproducere sig, mere talrige. Variationer, der kunne nedbryde andre former for selvreplikerende molekyler, og bruge dem som råmateriale, var særligt succesfulde i denne verden af begrænsede ressourcer. Efter nogle få generationer, dominerede visse molekyler blandingen, mens andre mindre succesfulde varianter, blev mindre og mindre almindelige. Denne proces, hvor bedre tilpassede molekyler trives og mindre tilpassede molekyler uddør, kaldes naturlig udvælgelse.
Fire milliarder år er lang tid – nok tid til, at forme de kombinerede virkninger fra arvelighed og naturlig udvælgelse, til et stort udvalg af komplekse, konkurrencedygtige og succesrige strukturer. Geologiske processer på Jorden, har bevaret et fossilt arkiv, over disse strukturers historie (se figur 23.10). Blandt efterkommerne af disse ”strukturer”, er mennesket, der er i stand til at tænke over deres egen eksistens og optrævle stjernernes mysterier.
DNA molekylerne (se figur 23.11) i cellernes kerner i alt avanceret liv i dag, er direkte efterkommere af de tidlige selvreplikerende molekyler, der blomstrede på i havene på den unge Jord. Selvom det spil der spilles af DNA i din krop, er langt mere detaljeret end det spil, der blev spillet af de tidlige molekyler i Jordens oceaner, forblive de grundlæggende regler de samme. Denne proces er uundgåelig: ethvert system, der kombinerer elementerne i arvelighed, mutation og naturlig udvælgelse, vil udvikle sig.