Denne PDF-filen er lastet ned fra Illustrert Vitenskaps nettsted ( og kan ikke gis videre til en tredjepart.

Transkript

1 Kjære bruker Denne PDF-filen er lastet ned fra Illustrert Vitenskaps nettsted ( og kan ikke gis videre til en tredjepart. På grunn av regler om rettigheter inneholder den ingen bilder. Mvh. Redaksjonen

2 Når en celle deler seg, kopierer den samtidig arvematerialet over til en ny selvstendig celle. Da de første primitive cellene på Jorden begynte å dele seg, var grunnlaget for liv skapt. P. ANDREWS/UNIV. OF DUNDEE/SPL/FOCI I dag kjenner forskerne alle ingrediensene i LIVETS OPPSKRIFT 26

3 Livet på Jorden oppsto i tre trinn For knapt 4 mrd. år siden oppsto livet på Jorden da molekylene i den såkalte ursuppen gikk sammen i stadig mer avanserte strukturer. Det skjedde antagelig i tre og hver for seg helt avgjørende trinn, som siden er blitt imitert i forskjellige forsøk. 1. De første klossene Uorganiske stoffer som hydrogen, metan og ammoniakk utviklet seg til organiske stoffer, livets byggeklosser. Den nødvendige energien til prosessen kan bl.a. være kommet fra lynnedslag. Uorganisk stoff Lynnedslag Organisk stoff 2. Fra mikro til makro De organiske stoffene reagerte med hverandre og ble med tiden til makromolekyler, f.eks. RNA, en del av livets arvestoff. Prosessen kunne skje i fordampede vanndammer, muligens rundt leirpartikler. Organisk stoff Vanndam Makromolekyler (RNA) 3. En, flere, mange Makromolekylene var omgitt av såkalte vesikler, primitive cellestrukturer av fettstoff. Når disse hadde nådd en viss størrelse, begynte de å dele seg kontrollert det siste avgjørende skrittet mot livet. Makromolekyler Protoceller Liv (tidlige bakterieformer) Alle livsformer er bygd opp av byggesteiner som hver for seg er døde. Forskerne kjenner til alle, og de har utarbeidet nøyaktige definisjoner på hva liv er. De har også lansert teorier om hvordan livet i sin tid oppsto på Jorden. Neste skritt er å la livet oppstå igjen i laboratoriet. M. NICHOLS/NATIONAL GEOGRAPHIC IMAGE COLLECTION 27

4 A lle livsformer er bygd opp av molekyler som ikke selv er levende. Så hva er egentlig forskjellen på liv og død? Og finnes det en hemmelig ingrediens i livets oppskrift en livsgnist som gjør dødt til levende? De spørsmålene har beskjeftiget mennesket helt siden oldtiden og frem til i dag. Og dagens forskere kan gi de fleste av svarene. Vitenskapen har først og fremst vært opptatt av hvordan livet i sin tid oppsto på Jorden. Da vår planet ble dannet for 4,6 mrd. år siden, fantes det ikke annet enn et goldt fjellandskap og en tynn atmosfære av vulkanske gasser som vann, karbonmonoksid, nitrogen, hydrogensulfid, metan, ammoniakk og muligens også hydrogen. De energiholdige UV-strålene fra Solen skinte ubønnhørlig ned på landskapet, og voldsomt uvær med utallige lyn herjet konstant den nyfødte planeten, som lå der fullstendig livløs. Men noe var i gjære. De enkle, uorganiske stoffene fikk ingen fred, for Solen, vulkanene og lynnedslagene tilførte dem uavlatelig ny energi og tvang dem til å inngå nye allianser. Og mill. år senere var det skjedd noe epokegjørende som for alltid skulle endre Jordens videre skjebne. På en eller annen måte var det blitt blåst liv i de uorganiske molekylene, og de første levende organismene, tidlige bakterieformer, så dagens lys. Livet har oppstått bare én gang Nøyaktig hva som skjedde i løpet av alle disse millionene av år, vet ikke forskerne sikkert, men alt tyder på at det bare skjedde denne ene gangen for knapt 4 mrd. år siden. Og akkurat som et bål som holdes i live ved konstant å bli tilført mer brensel, har livet deretter gått i arv fra generasjon til generasjon og har utviklet seg til det mylderet av mikrober, dyr og planter som i dag befolker planeten. Det er også vanskelig å si med sikkerhet nøyaktig når livet oppsto, for selv om forskerne har definisjoner på hva en levende organisme skal gjøre, er det umulig å trekke en helt eksakt skillelinje mellom liv og død. Vi er sjelden i tvil om noe er levende eller dødt når vi står og ser på det, men livets oppstandelse fra enkle, uorganiske molekyler til en levende celle har ikke skjedd i et plutselig rykk, men har utviklet seg gradvis fra noe som uomtvistelig var dødt, til noe som er like så uomtvistelig levende. Hva som lå imellom disse to ytterpunktene og når det avgjørende skrittet En livsform må ha tre evner Det er ikke byggesteinene i en organisme som gjør den levende. Liv kan i prinsippet like gjerne bestå av skruer og mutrer som av organisk materiale. Vitenskapen opererer derimot med tre spesifikke evner som gjør en gitt organisme til en livsform. De røde partiklene i den gule cellens overflate er mykoplasma. Disse encellede organismene er verdens minste og enkleste livsform men oppfyller alle betingelsene for liv. CNRI/SPL/FOCI 28 Av Gorm Palmgren. Illustrasjoner: Henning Dalhoff Illustrert Vitenskap nr. 13/2005

5 ble tatt vet ingen sikkert. Men forskerne har mange teorier, og for å få endelig visshet forsøker noen av dem å gjenskape livets oppstandelse i laboratoriet. Den første hindringen som måtte forseres på den unge Jorden, var dannelsen av organisk stoff ut fra uorganiske molekyler i atmosfæren. Kjemiske stoffer er organiske når de inneholder karbon og verken er rent kull eller bare inneholder oksygen og denne store gruppen av stoffer utgjør grunnlaget for alt liv slik vi kjenner det her på Jorden. Allerede på begynnelsen av 1920-tallet fremsatte den russiske forskeren Aleksandr Oparin en kjemisk teori om at enkle organiske molekyler kunne oppstå ut fra atmosfæriske gasser og energien i lyn og UV-stråling. Oparin var bare teoretiker, så først i 1953 ble tankene hans testet ut i laboratoriet av Stanley Miller og Harold Urey. I et lukket system med glassbeholdere og slanger konstruerte de en kunstig, primitiv atmosfære med metan, ammoniakk og hydrogen, som svevde over noe kokende vann som skulle etterligne en varm, vulkansk kilde. For å simulere lynnedslag tilførte de den kunstige atmosfæren en sterk strøm, og allerede etter to døgn begynte vannet å bli gulaktig. Kjemiske analyser viste at vannet inneholdt aminosyren glysin, som er en av byggeklossene i de livsviktige prote inene. Etter ytterligere fem dager ble vannet brunaktig og inneholdt nå også to andre biologiske aminosyrer, alanin og aspartat. Aspartat er et ganske komplekst organisk molekyl med den kjemiske formelen C 4 H 7 NO 4, og dermed var Oparins teori blitt dokumentert. Det var nå klart at organiske molekyler i praksis kunne dannes under de forholdene som eksis terte på Jorden like etter at den ble dannet. Siden har flere forskere imitert forsøkene under andre betingelser, for eksem pel med UV-stråler som energikilde i stedet for elektriske utladninger, og med en atmosfære av karbondioksid og nitrogen i stedet for metan og ammoniakk. Alt i alt har det lykkes å fremstille samtlige 20 aminosyrer som inngår i proteiner, og det er dermed nesten usannsynlig å tenke seg at disse kjemiske prosessene ikke har funnet sted i Jordens yngste tid. Leirpartikler ga livet form Det neste avgjørende steget i livets utvikling var at de enkle organiske stoffene måtte reagere med hverandre og danne enda mer komplekse stoffer, såkalte 1. Opprettholdelse For å kunne utføre en funksjon, må en organisme omdanne kjemiske stoffer så den kan skaffe energi og skape nye byggesteiner til fortsatt vekst og opprettholdelse. Organismen kan gjerne få tilført næring utenfra, men må selv kunne omdanne den. 2. Formering Alt selv et fjell forgår med tiden, og for å kunne overleve på sikt må en livsform kunne sette nye, friske generasjoner til verden. Ved å formere seg avstøter organismen en del av seg selv, som deretter kan vokse på egen hånd til en ny selvstendig organisme. 3. Utvikling Selv om en organisme kan formere seg og opprettholde seg selv, vil den fort dø ut hvis ikke den kontinuerlig kan tilpasse seg et dynamisk miljø og gi nye egenskaper videre til kommende generasjoner. Det krever et arvestoff som kan endre seg. Her dumper VIRUS DR. KLAUS BOLLER/SPL/FOCI EYE OF SCIENCE/SPL/FOCI Her dumper PRIONER CORNELL UNIVERSITY Her dumper ROBOTER Riktignok har virus egne gener, men det råder ikke over maskineriet til å få dem omdannet til proteiner. Ingen virusformer har eget stoffskifte og andre livsviktige biologiske prosesser og fungerer derfor bare i kraft av vertsorganismens enzymer. Prioner er proteiner som endrer egenskaper og samtidig kan smitte andre proteiner til å gjøre det samme. Selv om de altså øker i antall, formerer de seg ikke, for de kan bare bli flere så lenge det er friske proteiner å smitte. En robot kan kopiere seg selv. Men utvikling krever variasjon og utvelgelse mellom mange, nesten like individer ut fra deres overlevelsesevne. Denne evolusjonen vil det i praksis være umulig å skape kunstig. Illustrert Vitenskap nr. 13/

6 makromolekyler som proteiner og RNA, som er lange, kjedeformede molekyler. Det kunne til dels skje ved at stoffene hopet seg opp i små vanndammer slik at konsentrasjonen av dem gradvis ble større, og dermed økte sjansene for at de begynte å reagere innbyrdes. Men for at denne reaksjonen kunne bli virkelig effektiv, måtte de organiske stoffene føres enda tettere sammen, og Oparin forestilte seg at stoffene kunne danne en slags gelé som holdt dem sammen. Praktiske forsøk har vist at hvis en oppløsning av aminosyrer varmes opp og fordamper, og det så blir tilført vann igjen, dannes det spontant små kulerunde vesikler med en vegg av proteinlignende stoffer. Disse vesiklene kan ifølge biokjemikeren Sidney Fox ha fungert som en slags primitive celler, der de organiske stoffene kunne hope seg opp. I dag tror mange forskere at denne sammenklumpingen skjedde rundt leirpartikler, som har evnen til å binde forskjellige stoffer og fremskynde de kjemiske reaksjonene. Jack Szostak ved Massachusetts General Hospital i Boston, USA, utførte i 2003 en rekke forsøk som ikke bare etterlignet det som kanskje foregikk på Jorden for 4 milliarder år siden, de kan også være et av de første skrittene på veien til å skape kunstig liv. Fettsyrer skapte vekst Szostak blandet leirpartikler med RNAmolekyler, som er en del av livets genetiske arvemateriale, og fettsyrer, som er grunnbestanddelen i membranen som omgir alle celler. I løpet av få timer bandt RNA-molekylene seg til leirpartiklene, og fettsyrene begynte å forme cellelignende vesikler som omsluttet partiklene. Leirpartiklene var en viktig del av denne prosessen, for hvis de ikke var til stede, foregikk dannelsen av fettsyrevesikler over 100 ganger så langsomt. Vesiklene hadde dessuten en evne til å tiltrekke nye fettsyrer, som dermed fikk dem til å vokse. Og når de var blitt store, ca. 130 nm i diameter, kunne forskerne få dem til å dele seg. Delingen skjedde kontrollert uten at vesiklene mistet verken RNA-innholdet eller andre organiske molekyler. Disse vesiklene, som kan ha oppstått på Jorden kort tid etter at den ble dannet, er et eksempel på hvordan de aller første livsformene kan være blitt til. Vesiklene har nemlig 30 JACK W. SZOSTAK Molekylærbiologen Jack Szostak har ved hjelp av leirpartikler fått fettsyrer (grønne) til spontant å danne membraner, som omslutter genetisk arvemateriale i form av RNA (rødt). evnen til å forsere ytterligere to barrierer som må overskrides før en levende organisme kan oppstå. For det første gir de en beskyttende avgrensing mot omverdenen som sørger for at de enkle organiske molekylene kan få fred til å danne enda mer komplekse makromolekyler. Og for det andre gir de noen fysiske rammer som tillater vekst og deling, akkurat slik vi kjenner til fra levende celler. Andre forskere, blant andre dansken Steen Rasmussen ved Los Alamos National Laboratory i New Mexico, USA, forsøker med lignende metoder å skape et slags kunstig liv. Men Rasmussen har gått et par skritt videre og ønsker også å gi organismene evnen til å bygge opp seg selv. I stedet for å forsyne dem med fettsyrer, som er klare til å bygges inn i vesiklens membran, blir de tilført en diett bestående av en kjemisk forløper til fettsyren. Før den kan brukes, må vesiklene utføre en av de grunnleggende livsfunksjonene, nemlig en energikrevende kjemisk omdannelse av maten, slik vi kjenner det fra vårt eget stoffskifte. Formålet med Jack Szostaks og Steen Rasmussens forskning er på svært lang sikt å skape kunstig liv, men i første omgang dreier det seg om å finne ut når en samling komplekse molekyler kan sies å overskride den magiske grensen og betraktes som levende. Vitenskapelig sett er det nemlig ikke noe som helst grunnlag for å tro på eksistensen av en livsgnist som blåser liv i det som er dødt. En celle kan snarere sies å bli levende når graden av kompleksitet kommer opp på et kritisk nivå. En celle vil, når den har oppnådd et hav av ferdigheter samt evnen til å reagere på forandringer, på et eller annet tidspunkt bli så avansert og fullkommen at den kan betraktes som levende. Livet oppsto som et puslespill Hos eukaryote organismer, dvs. alt annet enn bakterier og arkebakterier, er alle funksjonene i cellen blitt outsourcet slik at de blir ivaretatt av spesialiserte strukturer inne i cellen. Det genetiske arvematerialet oppbevares, kopieres og avkodes i kjernen, fremstillingen av proteiner foregår på ribosomene, energiproduksjonen skjer i mitokondriene, og hos plantene foregår fotosyntesen i kloroplaster. Til sammen sørger disse strukturene for at cellen kan holdes i live, men isolert sett er ingen av dem i seg selv levende, fordi de ikke kan eksistere alene. Teoretisk sett kan livet faktisk ha oppstått i form av et slags puslespill der enkelte molekylære oppsamlinger med hver sine ferdigheter er blitt ført sammen for til slutt å utgjøre en fullkommen, levende helhet. De tre grunnleggende prosessene som en levende organisme må kunne mestre å opprettholde seg selv, å dele seg og å utvikle seg kan dermed være oppstått parallelt og mer eller mindre uavhengig av hverandre. Proteiner har utviklet seg til enzymer, som kan igangsette kjemiske reaksjoner og dermed bygge opp mer kompliserte molekyler, eller bryte ned stoffer og frigjøre energi. Det har skapt evnen til å opprettholde seg selv. Fettsyrevesikler kan opprettholde et lukket og beskyttet miljø, som kan vokse og dele seg. Det har skapt evnen til å formere seg. Og endelig har RNA og senere DNA utviklet evnen til å lagre genetisk informasjon og kopiere seg selv slik at informasjonen kan gis videre. Det har skapt evnen til å utvikle seg, fordi både RNA og DNA naturlig vil mutere og dermed bane veien for naturlig seleksjon og evolusjon. Ennå vet ingen hvordan livet i virkeligheten oppsto for 4 mrd. år siden. Kanskje får vi svaret hvis Steen Rasmussen, Jack Szostak og kollegene deres klarer å skape kunstig liv fra grunnen av. Med mindre det livet de skaper viser seg å være helt annerledes enn livet på Jorden. Finn mer om emnet på Illustrert Vitenskap nr. 13/2005

7 Forskere bygger liv i laboratoriet Et forskerteam under ledelse av den danske fysikeren Steen Rasmussen har ved Los Alamos National Laboratory i New Mexico innledet et ambisiøst prosjekt som skal vekke noen enkle organiske molekyler til liv. Målet er å skape en såkalt protocelle, som kan oppta næring fra omgivelsene og omdanne den til byggesteiner til sin egen vekst. Den nødvendige energien utvinner cellen fra lyset via sitt eget minikraftverk, og protocellen får sitt eget arvemateriale, som blir kopiert og fordelt i dattercellene når den deler seg. 1. Byggeklosser Den kunstige protocellen blir bygd opp av 1) fettsyrer, 2) et slags syntetisk DNA kalt PNA og 3) lysfølsomme molekyler. Lysfølsomme molekyler 2. Oppbygging Protocellen bygger opp seg selv. Fettsyrene vil, som såpebobler, spontant danne runde strukturer, vesikler, som omslutter de andre byggesteinene. 3. Næring Vesiklen får tilført næring i form av kjemiske forløpere til fettsyremolekylene, grunnelementer i PNA-molekylene samt flere av de lysfølsomme molekylene. Den begynner derfor å svulme opp. Forløpere Fettsyrer PNA 4. Energi Protocellen blir utsatt for lys, som aktiverer det lysfølsomme molekylet. Energien derfra sveiser byggeklossene sammen så det oppstår en sammenhengende kopi av den opprinnelige PNA-strengen. Energien spalter fettstoffet i næringen så det omdannes til fettsyrer maken til dem som sitter i protocellens membran. De nye fettsyrene setter seg i membranen og utvider cellen. 5. Formering Når protocellen har vokst til en viss størrelse, blir den ustabil og brekker på midten. Fettsyrene forsegler bruddflatene så det dannes to nye protoceller. Alle byggesteinene i cellen har fordelt seg slik at de finnes i begge de to nye cellene, som nå kan gå gjennom en ny runde i livssyklusen (dvs. fra trinn 3 til trinn 5). 31