Livets moduler - nøkkelen til livets opprinnelse?

La oss så gå fra luft til vann. Hva utgjør et skip? Først en kaptein som gir ordrer fra brua, ordrer som forteller hvilken kurs, hvilken fart og hvilke anløp skipet skal ha. Så en maskinist som tilfører brennstoff, passer maskinene og holder skipet i gang slik at ordrene fra kapteinen blir utført. Og tilslutt et skrog som får skipet til å flyte, men samtidig tillater at brensel kommer inn og avgasser ut.

La oss nå kalle kapteinen replikatoren og maskinisten metabolismen. I ei levende celle har replikatoren to funksjoner: (1) organisering av celledeling til nøyaktig like kopier og (2) utsendelse av informasjon til cella, dvs. proteinsyntesen. Her lages nødvendige enzymer, hormoner og byggematerialer som cellas maskineri til en hver tid trenger for å få utført sine spesielle oppgaver. Her følges sentraldogmet: DNA -> RNA -> protein. Metabolismens rolle er å iverksette de aktuelle prosessene som replikatoren "har gitt ordre om". Dette kan være proteinsyntese og syntese av nukleinsyrer, samt syntese av en mengde andre produkter, og dessuten bevegelse, sansing og mye annet.
Metabolismen kan være fotosyntese, men kan godt være en hvilken som helst annen metabolisme: respirasjon, gjæring eller kjemoautotrofi. Og legg merke til at modulene griper over i hverandre. Proteinsyntesen er avhengig av metabolismen, og metabolismen er avhengig av proteinsyntesen. Dette kan vi kalle feedback, et reaksjonsprodukt har ei tilbakevirkende kraft på selve reaksjonen.

Disse to modulene, replikatoren og metabolismen, kunne utmerket vel ha eksistert og virket hver for seg ved livets opprinnelse. (Og høyst sannsynlig har både replikatoren slik vi kjenner den i dag og de ulike kjente metabolismene igjen oppstått av enklere moduler.) Det var først når de to slo seg sammen og grep inn i hverandre og gjorde seg avhengige av hverandre, at vi fikk noe som liknet på liv. Men vi mangler fortsatt skroget.

I ursuppa fantes fettstoffer. Fettstoffer er forbindelser mellom glyserol - en alkohol med tre hydroksylgrupper - og tre langkjedete fettsyrer. Fettstoffer løses ikke i vann, de tre langkjedete fettsyrene sørger for det. Stoffene er hva kjemikerne kaller lipofile - fettsøkende. La oss nå tenke oss at éi av de tre fettsyrene erstattes med fosforsyre, som er ei høyst vannløslig - hydrofil, vannsøkende - forbindelse. Da får vi et fosfolipid: to fettsyrekjeder, ei fosforsyregruppe. Og resultatet blir et svært "frustrert" molekyl som vil begge veger: fettsyrekjedene vil søke fett og fosforsyregruppa vil søke vann. Et liknende stoff omgås vi til daglig, såpe. Og som barn blåste vi såpebobler.
Slike frustrerte molekyler har nemlig den spesielle egenskapen at de organiserer seg i membraner. De fettsøkende delene vender seg inn mot hverandre, og de vannsøkende delene vender seg ut, mot vannet. Dermed får vi ei hinne, enten det nå er en såpehinne som danner ei såpeboble eller en fosfolipidmembran rundt ei celle. Fosfolipider (og såpe) har en egenskap som er viktige for alle livets systemer, de kan organisere seg til membransystemer! Organisasjon må til skal vi ut over ursuppestadiet. Og én ting til: fosfolipidmembranen har egenskapen at stoffer kan slippe inn og ut. Den kan holde ting på plass, men den forhindrer ikke at nyttige stoffer går inn og unyttige ut. Den er halvvegs gjennomtrengende - semipermeabel.

Tenk dere en replikator og en metabolisme fanget inn i en membran av fosfolipid. Da har vi skroget, kapteinen og maskinisten. Skipet kan legge fra kai!

Men hvordan organisere replikatoren og metabolismen? Verken nukleotider i nukleinsyrer eller aminosyrer i proteiner gjør dette like lekende lett som fosfolipidene. Her må vi igjen ty til en sammenlikning, denne gang på landjorda til de gamle byggmestrene.

Mange turister undrer seg over hvordan de gamle byggmestrene greide å lage steinbuene i katedralene og akveduktene. Hvordan fikk de plassert de siste steinene uten at de ramla ned? Da glemmer dere forskallingen. Først la de opp grus og sand i en haug eller bygget et stort stillas av tre og la steinene på dette. Så kunne de fjerne forskallingen, og steinbuen sto stabilt på plass!

Nå er det mineralriket som kommer til hjelp. Noen forskere mener at forskallingen, det var oss! Riktignok ikke granitt eller gneis, men fine partikler av leirmineraler. Tegningen viser den kjemiske strukturen slike leirmineraler kan ha.

Dette er et sjiktmineral, ikke ulikt glimmer. Øverst og nederst er silisium bundet til oksygen, i midten aluminium med oksygenbruer. (Silisium er kongen i mineralriket, som karbon er kongen i de levende rikene.) Krystallene i sjiktmineralene danner flak, og ved å fange opp silisium, aluminium osv. fra omgivelsene bygger krystallene nye krystaller med nøyaktig samme form. Dette likner ikke lite på hvordan DNA-spiralen deler seg i to nøyaktig like kopier. Men, som hos DNA, her kan også skje feil, mutasjoner. Tenk dere at et atom aluminium blir byttet ut med et atom magnesium, slik som i fugurens rute øverst til høyre. Magnesium har andre kjemiske egenskaper enn aluminium. Krystallen blir lite grann annerledes. Og når nye krystaller dannes med den "muterte" krystallen som utgangspunkt, gjentas den nye strukturen. Altså, genetikk uten et eneste organisk molekyl.

Så kommer neste trinn. I ursuppa, som egentlig dekket store deler av jordkloden som et tynt sjikt (en "biofilm"), var det oppløst allslags enkle og ikke fullt så enkle organiske molekyler. Det var sukker, aminosyrer, enkle proteiner, nukleotider som både kunne inngå i RNA og DNA., ADP, ATP, fosfolipider, fettstoffer. Og disse ble stadig nydannet i den reduserende atmosfæren, som ubønnhørlig ble utsatt for UV-stråling, lyn og meteorittnedslag. Det regnet formerlig ned molekyler, nydannete såvel som opprinnelige. Enkelte steder måtte være særlig gunstige, kanskje spesielt områdene utsatt for tidevannet som fulgte Månens trofaste kretsløp rundt Jorda. I stille bukter og viker samlet leirmassene seg. Ved flo sjø ble massene tilført nye forbindelser og beskyttet mot Solas UV-stråling; ved fjære tørket det ut, og ursuppa ble mer konsentrert og igjen utsatt for Solas UV. Andre mulige steder kunne være ved vulkanske utblåsninger i havdypene, hvor alle slags merkelige kjemiske reaksjoner kunne skje generert av jordvarmen. - Jeg har imidlertid større tro på rolige flater med silt- og leirpartikler i tidevannsbeltet. Kanskje jeg fortsatt støtter meg på William Ockhams idé om at den enkleste løsningen av flere likeverdige skal foretrekkes. Hvorfor gå ned i de store havdyp, hvis vi heller kan lete i strandfjæra?

På de to rutene nederst på tegningen av leirmineralet er det laget skisser av leirkrystallen med et enkelt RNA-molekyl over seg. Her er RNA-nukleotidene tenkt plassert slik at de elektriske ladningene til basene noenlunde motsvarer de elektriske ladningene til leirkrystallen, og som er bestemt av aluminiumsjiktet i midten. RNA er organisert slik at det dannes en kjede av AGUAGU - adenin-guanin-uracil-adenin-guanin-uracil. RNA er egentlig et relativt ustabilt molekyl, men leirkrystallen vil stabilisere det på grunn av sine elektrokjemiske egenskaper. Til høyre nederst har vi den muterte krystallen, med ett magnesiumatom. Her er de elektriske ladningene endret, og vi kan tenke oss at ladningen over magnesiumatomet bedre motsvarer cytosin enn uracil. Kjeden blir endret til AGCAGU. Med andre ord, en mutasjon i leirkrystallen overføres til RNA-molekylet! Velkommen til RNA-verdenen!

Mange mener at RNA kom før DNA. RNA er et fleksibelt molekyl, det muterer lett, men kan tenkes å stabiliseres over leirmineraler. Og RNA har dessuten evne til å fungere som enzym, eller rettere ribozym. Lik enzymene, som er proteiner, kan RNA igangsette enkle kjemiske reaksjoner, med andre ord drive metabolisme. Etter hvert kunne det legge seg aminosyrer langs RNA-kjeden, og aminosyrene reagere med hverandre til protein. Det dannet seg en proteinkappe rundt systemet RNA-leirkrystall. Og en endring i leirkrystallen, forandret både RNA og rekkefølgen på aminosyrene i proteinkappen.
Husk at ursuppa strakte seg over en hel planet. Og sjøl om vi innskrenker oss til tidevannssonen på leirgrunn, er det mer enn nok å ta av. Leirkrystallene og de organiske molekylene teller vi i trillioner på trillioner, og begynte prosessene for rundt 4 milliarder år sien, har vi iallfall 500 millioner år på oss før vi finner de første bakteriene for ca 3,5 milliarder år siden. Med andre ord, nok av substans og nok av tid. Og Darwin begynner å gjelde allerede her. De kjemisk og organisatorisk mest vellykkete leirkrystallene med deres RNA- og proteinmolekyler tok etter hvert over. Vi kan tenke oss at hele proteinsyntesemaskineriet med de ulike triplettene, transport-RNA, aminosyrene og de nødvendige enzymene ble til steg for steg ved at nye mikromoduler ble tilpasset og føyd til. Og dagens proteinsyntese er universell! Den fins fra de enkleste RNA-virus til mennesker, blåhvaler, grantrær og kantareller.
De fleste proteinene som ble dannet var ikke noe annet enn bare "protein", men noen kunne fungere som enzymer og iverksette kjemiske reaksjoner av ulike slag. Kanskje noen proteiner liknet på enzymet vi finner i HIV, som forårsaker AIDS, enzymet med det tungebrekkende navnet: revers transkriptase. Dette enzymet lager DNA fra RNA! - Stikk motsatt sentraldogmet, som er RNA fra DNA. - DNA-nukleotider fantes også i ursuppa, men de er treigere til å reagere med hverandre og danne den berømmelige dobbeltspiralen. Men straks noen RNA-molekyler hadde greid kunststykket å lage DNA fra RNA ved hjelp av revers transkriptase, eller noe tilsvarende, da var det i gang. For det første er DNA et atskillig mer stabilt molekyl enn RNA. Det muterer ikke oftere enn leirkrystallen. Det har evne til å lage nøyaktige kopier av seg sjøl og det tilhørende RNA-molekylet, men det har også evne til sjeldne mutasjoner slik at evolusjonen kunne ta tak i de mest vellykkete og føre dem videre etter Darwins lover. For det andre er DNA mye mer fleksibelt enn leirkrystallene og mindre plasskrevende. I det lange løp tok DNA over hele butikken: gjorde leirkrystallen overflødig og tok kontroll over RNA ved at enzymet revers transkriptase ble erstattet av et enzym som snudde prosessen og laget RNA fra DNA. Kampen for tilværelsen ble vunnet av DNA! - Og husk en ting til: menneskenes inngående undersøkelser av en av deres aller verste fiender, HIV, ga dem samtidig innsikt i en viktig brikke i studiet av livets opprinnelse, enzymet revers transkriptase. Som den kinesiske filosofen Sun Tzu skrev i boka "Krigens kunst" i 512 f. Kr.: 'Hold dine venner nær deg, og dine fiender enda nærmere!' Det gjelder i sannhet også HIV!
Dette var replikatoren. Vi kan på mange måter skissere tilblivelsen av metabolismen på liknende måte. Noen aminosyrer har, lik nukleinsyrebasene adenin, guanin osv., elektriske ladninger. Dette betyr at proteinene også kan være ladet, iallfall de som inneholder ladete aminosyrer som f.eks. lysin og glutaminsyre. Derfor vil også proteiner kunne organisere seg på leirkrystaller. Dersom de proteinene som satt på leirkrystallen fungerte som enzymer som kunne bryte ned glukose til en enklere forbindelse og samtidig generere ATP, fikk vi et primitivt metabolsk system. Melkesyregjæring er ganske ukomplisert, og kunne kanskje ha vært den første velfungerende metabolismen. Et molekyl glukose reagerer her først med to molekyler ATP til det reaktive fruktose-bifosfat. Så brytes sistnevnte stoff trinnvis ned til melkesyre, og det dannes fire molekyler ATP. Netto: to ATP for hvert molekyl glukose.
Og hvor kom glukosen fra? Jo, atmosfæren var som sagt reduserende og manglet ozonlag. UV-strålene kunne trenge uhemmet ned. Derfor ble de organiske molekylene, som for eksempel glukose, dannet på nytt og på nytt. Dette vil være umulig i dag fordi atmosfæren er oksiderende, UV-strålinga er blokkert, og det er talløse levende organismer til å bruke opp de ytterst få organiske molekylene som måtte bli laget.

Ursuppa kom altså til å bestå av en herlig mikstur av leirpartikler med RNA, leirpartikler med proteiner, DNA med RNA og fosfolipider. Her fantes replikatorer, metabolismer og membraner av alle slag! En passende metabolisme, melkesyregjæring for eksempel, kunne bli omsluttet av en membranboble av fosfolipid. De enzymene som skal til for å utføre denne prosessen organiserte seg inni membranen og leirkrystallen fikk "sparken". Da fikk vi en såkalt protobiont, et system som kan gjøre enkle biologiske prosesser innafor en membran. Slike er faktisk laget i laboratoriet. Og hvis nå en protobiont tok opp en replikator med DNA -> RNA -> protein, ja, da begynner vi å nærme oss...
Nå er det jo slik at replikatoren ikke nødvendigvis laget de proteinene som utgjorde de essensielle enzymene i metabolismen. Det var prøving og feiling. Men det var - som sagt - nok materiale å ta av, og godt om tid. Rent tilfeldig kunne det plutselig framstå at replikatorens proteiner passet til dem som metabolismen trengte, og da var det egentlig gjort. Da fikk vi en replikator og en metabolisme som samarbeidet innafor en felles membran. Og gjennom membranen kunne glukose gå inn, og avfallsproduktene, for eksempel melkesyre, gå ut.

Vi har fått den første cella! Langt fra noen velfungerende celle; men for si tid, den beste av alle celler. Merk dere at evolusjonen er relativ. Ei dårlig løsning er den beste i en verden der det ikke fins noen bedre løsninger. Men evolusjonen jobbet videre. Samarbeidet mellom replikator, metabolisme og membran ble bedre og bedre, og mer og mer intimt og samstemt. Og samtidig ble replikator, metabolisme og membran mer og mer effektiv og mer og mer komplisert. Etter 500 millioner år - i løpet av et tidsrom som tilsvarer slutten av kambrium til i dag - kom de første bakteriene. Bakterier virker nok veldig enkle, men de er ufattelig mer kompliserte sammenliknet med livets aller første, nølende skritt.

Oppsummert:

1. For fire milliarder år siden var jordskorpa blitt så nedkjølt at vann kunne samle seg. Den reduserende atmosfæren ble utsatt for ultrafiolett stråling og elektriske utladninger. Organiske molekyler dannet seg, sank ned og blandet seg i vannet. Ursuppa oppsto.
2. I tidevannsbelter på leire organiserte RNA-nukleotider rundt leirkrystallene. Det samme gjorde aminosyrer og proteiner. Rundt omkring fløt bobler av fosfolipidmembraner. Livets viktige moduler, repliatoren, metabolismen og membranen, oppsto, men var ennå atskilt.
3. RNA-replikatoren rundt leirkrystallen begynte å organisere proteiner. Noen av disse proteinene kunne fungere som enzymer og sette i gang kjemiske prosesser. Et av disse enzymene kunne ha liknet på revers transkriptase og lage DNA fra RNA. Metabolismemoduler ble innesluttet av fosfolipidmembran til protobionter, samtidig som leirkrystallen forsvant derfra.
4. Sentraldogmet oppsto, dvs. replikatoren snudde prosessen slik at DNA ga RNA som ga protein. DNA erstattet leirkrystallen som innehaver av informasjon. RNA fikk viktige funksjoner i proteinsyntesen, funskjoner som kanskje hadde eksistert lenge før DNA kom inn i bildet. En protobiont - metabolisme omgitt av membran - tok opp en DNA-basert replikator. Mineralriket ble nå koplet helt ut. Vi fikk istedenfor ei urcelle. De mest funksjonsdyktige urcellene ble selektert etter Darwins lover.
5. En stadig forbedring av replikator, metabolisme og membran. Samspillet mellom modulene ble mer og mer integrert. Proteinsyntesen hos replikatoren ble helt avhengig av prosessene til metabolismen. Metabolismen ble helt avhengig av proteinene fra replikatoren. Membranen utviklet proteinkanaler og andre forbedringer som lettet transport inn og ut av cella. De første bakteriene oppsto for minst 3,5 milliarder år siden.
    

I see trees of green, red roses too
I see them bloom for me and you
And I think to myself what a wonderful world.

I see skies of blue and clouds of white
The bright blessed day, the dark sacred night
And I think to myself what a wonderful world.

Bob Thiele / George David Weiss (kanskje best kjent i Louis Armstrongs fantastiske versjon!)