Panspermi
Hypoteser och teorier om livets ursprung
Den traditionella ståndpunkten inom teologin och viss filosofi är att livets ursprung är resultatet av en övernaturlig händelse som permanent ligger bortom kemins och fysikens beskrivande förmåga. I sin mest allmänna form står denna uppfattning inte nödvändigtvis i motsättning till den samtida vetenskapliga kunskapen om prebiotisk evolution, även om de bibliska beskrivningarna av skapelsen i de två första kapitlen i Första Moseboken, tagna bokstavligen och inte metaforiskt, är oförenliga med den moderna kunskapen.
Intill mitten av 1600-talet var den förhärskande uppfattningen att Gud skapade människan tillsammans med högre djur och växter, men att enkla livsformer som maskar och insekter uppkommer stadigt från lera, avfall och rötskadade ämnen under korta tidsperioder. Fysiologen William Harvey (1578-1657), som studerade reproduktion och utveckling av hjortdjur, var den förste som ifrågasatte denna åsikt genom att postulera att varje djur kommer från ett ägg (”omnia viva ex ovo”) långt innan Karl-Ernst von Baer (1792-1876) upptäckte existensen av mänskliga äggceller genom mikroskopi. En italiensk vetenskapsman, Francesco Redi (1626-1698), fann att Harveys idé stämde, åtminstone när det gäller insekter; han upptäckte att maskar i kött uppstår från flugors ägg. Senare upptäckte Lazzaro Spallanzani (1729-1799) att spermatozoer var nödvändiga för däggdjurens fortplantning. Före Pasteur visade Spallanzani också att levande materia (”infusories”) inte uppstår från kokta vätskor som förvaras i slutna behållare. Även om Redis och Spallanzanis upptäckter definitivt bevisade att insekter och större djur utvecklas från ägg, förblev det uppenbart för en stor majoritet att åtminstone mikroorganismer, på grund av sin allestädesnärvaro, kontinuerligt skapas från oorganiskt material. Debatten om huruvida liv spontant skapas från icke-levande materia eller inte kulminerade i den berömda kontroversen mellan Louis Pasteur och Félix-Archimède Pouchet (1800-1872) som Pasteur vann triumferande. Han visade att även mikroorganismer i vätskor kommer från bakterier som svävar i luften, och han visade också att näringslösningar kan skyddas mot dessa varelser genom lämplig sterilisering såsom filtrering eller kokning. De samtida vetenskapsmännen var dock inte nöjda med Pasteurs experiment eftersom en känslig fråga kvarstod: Om levande organismer inte uppstår ur icke-levande materia, hur hade livet då uppstått till att börja med?
I slutet av 1800-talet lanserades en annan hypotes av den svenske kemisten Svante Arrhenius (1859-1927). Han var starkt övertygad om att hela universum fylls på med levande bakterier, ett fenomen som han kallade ”panspermi”. Han föreslog att mikroorganismer och sporer av kosmiskt ursprung spreds från solsystem till solsystem, och på så sätt kom de till jorden. Även om Arrhenius synsätt snarare undviker än löser problemet med livets ursprung, och trots att det är ytterst osannolikt att mikroorganismer skulle överleva de interstellära effekterna av kyla, vakuum och strålning, återvände några få 1900-talsmedlemmar i forskarsamhället till idén om panspermia. Bland dessa vetenskapsmän finns astronomen Fred Hoyle (1915-) och molekylärbiologen Francis Crick (1916-), som är övertygade om att tidsspannet mellan jordens uppkomst och uppkomsten av de första cellorganismerna på den här planeten var för kort för att livet skulle ha uppstått spontant.
Darwins teori om ”det naturliga urvalet som drivkraft för evolutionen” resulterade i en ny syn på fenomenet liv som fortfarande är giltig. Även om Darwin inte engagerade sig i frågan om livets ursprung utvidgade samtida forskare som Thomas Huxley (1825-1895) hans idé och hävdade att liv skulle kunna skapas från oorganiska kemikalier. Alexander Oparin (1894-1980) var den mest inflytelserika förespråkaren av cellorganismernas successiva ursprung från icke-levande materia. Han misstänkte att denna övergång skedde genom en serie regelbundna och progressiva kemiska reaktioner under de fysiska och kemiska förhållandena på den tidiga jorden. Tillsammans med John Scott Haldane (1860-1936) insåg Oparin att en abiologisk produktion av organiska molekyler i jordens nuvarande oxiderande atmosfär är högst osannolik. I stället föreslog båda att livets början skedde i primordialt varmt vatten under mer reducerande (dvs. väterika) förhållanden. Vidare postulerade Oparin förekomsten av precellulära koakervat – klotformiga enheter med membranliknande ytstrukturer – som kan ha höga koncentrationer av vissa kemiska föreningar. Koakervat bildas faktiskt spontant från kolloidala vattenlösningar av två eller flera makromolekylära föreningar.
Men många grundläggande problem i samband med övergången från icke-levande till levande materia förblev olösta. Den centrala frågan gällde betydelsen av termodynamikens andra lag, som definierar jämvikten i ett isolerat system som ett tillstånd med maximal entropi som tycks motsäga ursprunget och existensen av högt ordnade levande organismer. Erwin Schrödinger (1887-1961) gav ett avgörande svar på denna fråga genom att hävda att ”levande materia undviker förfallet till jämvikt” eller döden genom att ständigt kompensera för produktionen av entropi. I varje organism uppnås detta genom att den tillförs gratis energi eller energirik materia som används av det cellulära maskineriet för att driva viktiga kemiska reaktioner. Schrödinger och andra insåg också att levande organismer termodynamiskt kan beskrivas som öppna system, men de kunde inte förklara de allmänna fysiska förutsättningarna för självordnande processer. Dessa uppfattades av Ilja Prigogine (1917-) och Paul Glansdorff (1904-1999), som arbetade med en termodynamisk teori om irreversibla processer. Enligt Prigogine kan urval och evolution inte ske i ekvilibrerade eller nästan ekvilibrerade reaktionssystem, även om rätt typer av ämnen är närvarande. I stället kan vissa kombinationer av autokatalytiska reaktioner med transportprocesser leda till märkliga rumsliga fördelningar av reaktionspartners, så kallade ”dissipativa strukturer”. Dessa ordnade strukturer är av betydelse för bildandet av funktionell ordning i livets utveckling, särskilt för tidig morfogenes. De första stegen av självorganisering innebar dock troligen liten organisation i det fysiska rummet men omfattande funktionell ordning av en enormt komplex mängd kemiska föreningar. Manfred Eigen (1927-) förklarade processen med ordning bland molekyler genom att komplettera Prigogine-Glansdorff-principen med fenomenologiska överväganden om beteendet hos självreplikerande molekyler: En viss kvantitet närmar sig ett maximalt värde i varje öppet system som replikerar sig autokatalytiskt med tillräcklig tillförlitlighet och därmed kontinuerligt förbrukar energi och materia. Denna kvantitet kallas ”information” och är nära besläktad med den ”negativa entropi” som Schrödinger postulerade. Förutom att han lade grunden för en molekylär tolkning av biologisk information utvecklade Eigen de matematiska modellerna för att beskriva ”urval”. Enligt Eigens teori är urvalet den grundläggande naturliga princip som skapar ordning i varje slumpmässigt arrangemang av autokatalytiskt replikerande arter. Med selektion genereras information successivt, vilket leder till en stadig optimering av arter, som antingen kan vara organismer eller molekyler.
De matematiska modeller som utvecklats av Eigen stödjer en detaljerad hypotes om livets uppkomst som omfattar flera, på varandra följande steg för övergången från oorganisk till levande materia. Det bör dock nämnas att vissa forskare har teorier om livets uppkomst som skiljer sig från Eigens teori. Bland dessa finns Stuart Kauffman (1939-), som anser att det naturliga urvalet är viktigt men inte den enda ordningsprincipen i den biologiska världen. I stället anser han att spontan självorganisering utgör den dominerande källan till naturlig ordning. Kauffman visade att uppsättningar av inbördes relaterade autokatalytiska reaktioner kan genomgå en övergång till ett nyordnat (dvs. självorganiserat) tillstånd så snart deras konnektivitet når ett visst tröskelvärde. Kauffman betonar dessutom att fenomenet autokatalys, som spelar den centrala rollen i hans teori, inte är begränsat till nukleinsyror. Därför drar han slutsatsen att inte ens gener var nödvändiga för livets uppkomst. I motsats till Kauffman skiljer Eigen ”slumpmässig” autokatalytisk eller självreplikerande aktivitet som observeras för en mängd olika molekylära arter från de ”inneboende” självreplikerande nukleinsyrorna. Den inneboende förmågan till självreproduktion utgör i sin tur den molekylära grunden för det naturliga urvalet enligt Eigens teori.
Väldefinierade experiment uppfanns för att simulera de principer som postulerades för den molekylära evolutionen. Med vissa experimentella uppställningar kan replikation och urval utföras i ett provrör. På samma sätt kan de kemiska förhållandena på den ursprungliga jorden efterliknas i laboratoriet. Flera forskare försökte experimentellt verifiera 1900-talets idéer om biogenes. Deras experiment diskuteras i följande avsnitt.