Panspermi
Hypoteser og teorier om livets oprindelse
Den traditionelle holdning i teologi og en del filosofi betragter livets oprindelse som resultatet af en overnaturlig begivenhed, der permanent ligger uden for kemiens og fysikkens beskrivende evner. I sin mest generelle form er dette synspunkt ikke nødvendigvis i modstrid med nutidig videnskabelig viden om præbiotisk evolution, selv om de bibelske beskrivelser af skabelsen i de to første kapitler i 1. Mosebog, taget bogstaveligt og ikke metaforisk, ikke er i overensstemmelse med moderne viden.
Igennem midten af det 17. århundrede var den fremherskende opfattelse, at Gud skabte mennesket sammen med højere dyr og planter, men at simple livsformer som orme og insekter opstår støt og roligt fra mudder, affald og forrådnet stof i løbet af korte tidsrum. Fysiologen William Harvey (1578-1657), der studerede reproduktion og udvikling af hjortevildt, var den første til at anfægte denne opfattelse ved at postulere, at ethvert dyr kommer fra et æg (“omnia viva ex ovo”), længe før Karl-Ernst von Baer (1792-1876) opdagede eksistensen af menneskelige ægceller ved hjælp af mikroskopi. En italiensk videnskabsmand, Francesco Redi (1626-1698), fandt, at Harveys idé var sand, i det mindste for insekter; han fandt ud af, at maddiker i kød stammer fra flueæg. Senere opdagede Lazzaro Spallanzani (1729-1799), at spermatozoer var nødvendige for pattedyrs formering. Før Pasteur viste Spallanzani også, at levende materiale (“infusories”) ikke stammer fra kogte væsker, der opbevares i lukkede beholdere. Selv om Redis og Spallanzanis resultater definitivt beviste, at insekter og større dyr udvikles fra æg, var det fortsat indlysende for et stort flertal, at i det mindste mikroorganismer på grund af deres allestedsnærværelse til stadighed dannes fra uorganisk materiale. Debatten om, hvorvidt liv opstår spontant fra ikke-levende materiale eller ej, kulminerede i den berømte kontrovers mellem Louis Pasteur og Félix-Archimède Pouchet (1800-1872), som Pasteur vandt triumferende. Han viste, at selv mikroorganismer i væsker stammer fra bakterier, der svæver i luften, og han påviste også, at næringsopløsninger kan beskyttes mod disse væsener ved hjælp af passende sterilisering, f.eks. filtrering eller kogning. De samtidige videnskabsmænd var dog ikke tilfredse med Pasteurs eksperimenter, for der var stadig et ømtåleligt spørgsmål tilbage: I slutningen af det 19. århundrede blev en anden hypotese fremsat af den svenske kemiker Svante Arrhenius (1859-1927), som i sin tid fremlagde en ny hypotese om, at levende organismer ikke kan opstå af ikke-levende stof. Han var stærkt overbevist om, at hele universet er genopfyldt med levende spirer, et fænomen, som han kaldte “panspermia”. Han foreslog, at mikroorganismer og sporer af kosmisk oprindelse spredte sig fra solsystem til solsystem, og at de således kom til Jorden. Selv om Arrhenius’ synspunkt snarere undgår end løser problemet med livets oprindelse, og på trods af at det er yderst usandsynligt, at mikroorganismer kan overleve de interstellare virkninger af kulde, vakuum og stråling, vendte nogle få medlemmer af det 20. århundrede tilbage til tanken om panspermia. Blandt disse videnskabsmænd er astronomen Fred Hoyle (1915-) og molekylærbiologen Francis Crick (1916-), som er overbevist om, at tidsrummet mellem Jordens oprindelse og fremkomsten af de første celleorganismer på denne planet var for kort til, at liv kunne være opstået spontant.
Darwins teori om “naturlig udvælgelse som drivkraft for evolutionen” resulterede i et nyt syn på fænomenet liv, som stadig er gældende. Selv om Darwin ikke lagde sig fast på livets oprindelse, udvidede nutidige videnskabsmænd som Thomas Huxley (1825-1895) hans idé og hævdede, at liv kunne skabes ud fra uorganiske kemikalier. Alexander Oparin (1894-1980) var den mest indflydelsesrige fortaler for den successive oprindelse af celleorganismer fra ikke-levende stof, og han fulgte denne opfattelse. Han formodede, at denne overgang foregik gennem en række regelmæssige og progressive kemiske reaktioner under de fysiske og kemiske forhold på den tidlige Jord. Sammen med John Scott Haldane (1860-1936) erkendte Oparin, at en abiologisk produktion af organiske molekyler i den nuværende oxiderende atmosfære på Jorden er højst usandsynlig. I stedet foreslog de begge, at livets begyndelse fandt sted i primordial varmt vand under mere reducerende (dvs. brintrige) forhold. Oparin postulerede desuden eksistensen af præ-cellulære koacervater – kugleformede enheder med membranlignende overfladestrukturer – som kan have høje koncentrationer af visse kemiske forbindelser. Koacervater dannes faktisk spontant fra kolloidale vandige opløsninger af to eller flere makromolekylære forbindelser.
Men mange grundlæggende problemer i forbindelse med overgangen fra ikke-levende til levende stof er fortsat uløste. Det centrale spørgsmål vedrørte den rolle, som termodynamikkens anden lov spiller, som definerer ligevægten i et isoleret system som en tilstand med maksimal entropi, hvilket synes at modsige oprindelsen og eksistensen af højt ordnede levende organismer. Erwin Schrödinger (1887-1961) gav et afgørende svar på dette spørgsmål, idet han erklærede, at “levende stof undgår forfaldet til ligevægt” eller døden ved konstant at kompensere for produktionen af entropi. I enhver organisme opnås dette ved at tilføre den gratis energi eller energirigt stof, som anvendes af det cellulære maskineri til at drive vigtige kemiske reaktioner. Schrödinger og andre indså også, at levende organismer termodynamisk set kan beskrives som åbne systemer, men de kunne ikke forklare de generelle fysiske betingelser for selvordnende processer. Disse blev opfattet af Ilja Prigogine (1917-) og Paul Glansdorff (1904-1999), som arbejdede på en termodynamisk teori om irreversible processer. Ifølge Prigogine kan selektion og evolution ikke finde sted i ligevægtige eller næsten ligevægtige reaktionssystemer, selv om de rigtige typer af stoffer er til stede. I stedet kan visse kombinationer af autokatalytiske reaktioner med transportprocesser føre til ejendommelige rumlige fordelinger af reaktionspartnere, kaldet “dissipative strukturer”. Disse ordnede strukturer er af betydning for dannelsen af funktionel orden i livets udvikling, især for den tidlige morfogenese. Men de første skridt i selvorganiseringen involverede sandsynligvis kun lidt organisering i det fysiske rum, men omfattende funktionel ordening af en enormt kompleks variation af kemiske forbindelser. Manfred Eigen (1927-) forklarede processen med ordening blandt molekyler ved at supplere Prigogine-Glansdorff-princippet med fænomenologiske overvejelser om adfærd hos selvreplikerende molekyler: En bestemt mængde nærmer sig en maksimal værdi i ethvert åbent system, der replikerer sig autokatalytisk med tilstrækkelig nøjagtighed og derved kontinuerligt forbruger energi og stof. Denne størrelse kaldes “information” og er nært beslægtet med den “negative entropi”, som Schrödinger postulerede. Ud over at sætte scenen for en molekylær fortolkning af biologisk information udviklede Eigen de matematiske modeller til at beskrive “udvælgelse”. Ifølge Eigens teori er selektion det grundlæggende naturprincip, der bringer orden i ethvert tilfældigt arrangement af autokatalytisk replikerende arter. Med selektion genereres information successivt, hvilket fører til en stadig optimering af arter, som enten kan være organismer eller molekyler.
De matematiske modeller, som Eigen har udviklet, understøtter en detaljeret hypotese om livets oprindelse, som omfatter flere, på hinanden følgende trin for overgangen fra uorganisk til levende stof. Det skal dog nævnes, at nogle forskere har teorier om livets opståen, som adskiller sig fra Eigens teori. Blandt disse er Stuart Kauffman (1939-), som mener, at naturlig selektion er vigtig, men ikke det eneste ordensprincip i den biologiske verden. Han mener i stedet, at spontan selvorganisering udgør den fremherskende kilde til naturlig orden. Kauffman påviste, at sæt af indbyrdes forbundne autokatalytiske reaktioner kan gennemgå en overgang til en nyordnet (dvs. selvorganiseret) tilstand, så snart deres forbindelsesmuligheder når en vis tærskelværdi. Kauffman understreger desuden, at fænomenet autokatalyse, som spiller den centrale rolle i hans teori, ikke er begrænset til nukleinsyrer. Derfor konkluderer han, at selv generne ikke var nødvendige for livets opståen. I modsætning til Kauffman skelner Eigen mellem “tilfældig” autokatalytisk eller selvreplikerende aktivitet, som er observeret for en række molekylære arter, og de “iboende” selvreplikerende nukleinsyrer. Den iboende evne til selvreplikering udgør til gengæld det molekylære grundlag for naturlig selektion ifølge Eigens teori.
Veldefinerede eksperimenter blev opfundet for at simulere de principper, der blev postuleret for den molekylære evolution. Med visse eksperimentelle opsætninger kan replikation og selektion udføres i et reagensglas. På samme måde kan de kemiske forhold på den oprindelige jord efterlignes i laboratoriet. Flere forskere forsøgte eksperimentelt at efterprøve det tyvende århundredes idéer om biogenese. Deres eksperimenter diskuteres i det følgende afsnit.