Från livets ursprung till livet i universum

Redan tre sekler före vår tideräknings början bemötte Epikuros Herodotos med utsagan att ”världarna är till antalet oräkneliga. […] Man torde aldrig kunna visa att sådana frön från vilka djur kan bildas, eller växter eller vad helst annat som man kan se, inte kan finnas i en viss värld.”

Två århundraden senare nämner Lucretius i sitt verk De natura rerum möjligheten att utomjordiskt liv kan existera: ”Om samma kraft, samma natur existerar som överallt kan förena elementen på det sätt som de förenats i vår värld, måste man medge att det i andra delar av kosmos finns andra jordar än vår, andra människosläkten och olika slags vilda djur.” Likaså nämner Giordano Bruno (1548–1600) i sitt verk La Cena de le Ceneri möjligheten av liv på andra världar: ”Dessa världar är lika fulla med djur med intelligens; de hyser en oräknelig mängd av såväl enkla som utvecklade varelser, som lever ett vegetativt liv eller ett med förstånd, precis som de vi ser leva och växa i vår egen värld.” Bernard Le Bovier de Fontenelle publicerade år 1686 sitt verk Entretiens sur la pluralité des mondes, medan den holländske fysikern och astronomen Christiaan Huygens publicerade sitt verk Kosmotheoros år 1698. Immanuel Kant försvarade också ivrigt tanken att liv existerar utanför jorden. Och närmare vår egen tid har tanken ifråga bidragit till en omfattande science fiction-litteratur.

Speglar den här optimismen en existentiell vånda? Om vi är ensamma, bär mänskligheten på ett tungt ansvar: Om hon förintar livet på jorden, kommer all intelligens att försvinna ur universum. Men om vi inte är ensamma, varför avslöjar inte de andra livsformerna sin existens för oss? Hur kan deras existens påverka mänsklighetens framtid? I dag tillåter våra anmärkningsvärda framsteg i biovetenskap, de alltmer perfekta instrument som står till astronomernas förfogande och de expeditioner som ägnats utforskningen av solsystemet att vi närmar oss frågorna om utomjordiskt liv på ett vetenskapligt sätt genom att observera, i stället för att studera ämnet enbart med tankens hjälp.

Varifrån kommer vi?

Mänskligheten finner sina djupaste rötter nere i uroceanernas mikroskopiska liv. De flesta menar att övergången från blott materia till liv skedde i vattnet, livets verkliga vagga, för ungefär fyra miljarder år sedan. Då bildades organiska molekyler, som bestod av kolatomer förenade med atomer av väte, syre, kväve, svavel och fosfor. Dessa molekyler kunde sedan självständigt reproducera sig och vidareutvecklas.

Vattnets betydelse

Om man tar hänsyn till den ringa vikten hos en vattenmolekyl, borde vatten uppträda i gasform på jordytan. Men det faktum att vatten möter som vätska beror på den täta bindning som förenar väteatomerna med syreatomerna.

Vatten är en kemisk förening som tvingar vissa kemiska reaktioner att följa särskilda regler. Man har i Orléans polymeriserat en blandning av aminosyror med och utan proteiner i vatten. Den blandning som isolerats vid reaktionens slut har fått ett tillskott på aminosyror med proteiner. I den processen spelar vatten en avgörande roll, eftersom det är vattnet som styr den kemiska reaktionen.

Vattnet producerar lera genom att bryta ner silikater. John Desmond Bernal pekade redan år 1951 på lerans betydelse för de kemiska processer som bidragit till att liv kunnat uppstå. Lera erbjöd en välordnad struktur, en stor absorptionsförmåga och ett skydd mot de skadliga effekterna av solens ultravioletta strålning. Den bidrog till att koncentrera de organiska ämnena och tjänade som en matris för polymeriseringen. Alltsedan Bernal framförde sin banbrytande hypotes har talrika experiment inom den prebiotiska kemin som involverat lera krönts med framgång.

Kolets betydelse

Kolets fyrfaldiga valens [förmåga att binda andra atomer] möjliggör uppbyggandet av de alltmer komplexa molekyler som är nödvändiga för att liv skall kunna utvecklas. Det är svårt att tänka sig att ett annat kemiskt grundämne har samma benägenhet att skapa sådana komplexa molekyler. Man har ofta föreslagit kiselatomen som ett möjligt alternativ. Dess valens är fyrfaldig liksom kolets, och den skulle därför kunna ingå i sofistikerade molekylära konstruktioner. Men eftersom den är tyngre än kolatomen, skapar kiselatomen normalt svagare bindningar till andra atomer, och den ger därför upphov till bräckligare polymerer.

De tre etapperna vid tillkomsten av kolföreningar

Tanken att aminosyrorna, proteinernas grundläggande byggstenar, kunde ha syntetiserats i den primitiva jordens atmosfär bekräftades år 1953 genom Stanley Millers uppseendeväckande rön. Han fick fyra aminosyror som resultat, när han utsatte en blandning av metan, väte, ammoniak och vatten för elektriska urladdningar. Men när man sedan upprepade Millers experiment och efter hand ersatte metanet med koldioxid och därmed skapade förhållanden som låg närmare den historiska verkligheten, blev det allt svårare att skapa aminosyror. Det är därför sannolikt, att den primitiva atmosfären inte utgjorde huvudkällan för den organiska materia som var nödvändig för att liv skulle uppkomma på jorden.

Heta undervattenskällor erbjuder däremot en miljö som gynnar kolföreningarnas kemi. De gaser som sipprar fram från dessa källor är rika på väte och koldioxid, vilket underlättar syntesen av organiska molekyler. Man har exempelvis funnit, att kolväten med mellan 16 och 29 kolatomer strömmar fram i de heta Rainbow-källorna i den atlantiska centralryggen i höjd med Azorerna.

Kolhaltiga meteoriter av Orgueil- och Murchison-typer innehåller föreningar som är besläktade med organiska föreningar som aminosyror. Sålunda innehöll en kolmeteorit som uppkallats efter Murchison mer än 70 olika aminosyror. Bland dem fann man åtta som var av proteintyp.

Genom att samla in interplanetariskt damm på Grönlands och Antarktis isar har Michel Maurette och hans forskargrupp gjort det möjligt att beräkna hur mycket mikrometeoriter som samlats på jorden under de 200 miljoner år som den utsattes för ett intensivt bombardemang. Den totala mängden av kolhaltigt material som kom till jorden genom mikrometeoriterna har visat sig vara 25 000 gånger så stor som den aktuella mängden biologiskt kol som nu omsätts på jordytan.

Experimentell bekräftelse på en utomjordisk tillkomsthistoria

Vid Astrofysiska laboratoriet i Leyden i Nederländerna har man bestrålat en blandning av olika slags is, is av vatten, av ammoniak, av metanol, av kolmonoxid och koldioxid under förhållanden som efterliknar de som råder i den interstellära rymden, det vill säga alltså absolut vakuum och en temperatur på –261 grader Celsius. Sedan proven antagit omgivningens temperatur, har de analyserats, och man har då identifierat 16 aminosyror. Av dem hörde sex till de 20 som är av proteintyp. Det visar sig alltså, att aminosyror kan syntetiseras under förhållanden som efterliknar de som råder i den interstellära rymden.

Man har med hjälp av satelliter i omloppsbana runt jorden undersökt möjligheten av att aminosyror kan färdas genom rymden. Sex aminosyror som fanns i Murchison-meteoriten utsattes under två veckors tid för de förhållanden som råder i rymden ombord på automatiska ryska rymdkapslar av typen Foton. En tredje flygning ägde rum med rymdstationen Mir. Efter tre månader i omloppsbana runt jorden hade aminosyrorna brutits ner till hälften. Man hade använt sig av olika mineraler som skydd: lera, basalt och meteorit. Vid samma tjocklek var det pulvriserad meteorit som gav det bästa skyddet, förutsatt att det skyddande lagret var minst fem mikrometer djupt. Man kan dra slutsatsen, att varje mikrometeorit som är större än fem mikrometer utgör en möjlig rymdfarkost för aminosyror. Erfarenheterna som man fått av att utsätta aminosyror för en omloppsbana runt jorden har sedan följts upp av två flygningar om ett och ett halvt respektive två år ombord på den internationella rymdstationen. De experimenten har bekräftat att det främst är den ultravioletta strålningen i rymden som bidragit till att bryta ner de organiska föreningarna. De som gjort den interplanetariska resan, skyddade inne i meteoriter, i mikrometeoriter och i kometer har på så sätt blivit utsatta för en urvalsprocess, som medfört att endast de molekyler som varit mest motståndskraftiga mot förhållandena i rymden överlevt färden till jorden.

Livets ursprung

Det sätt på vilket alla levande varelser fungerar på cellnivå antyder att livet på jorden har tagit sin början i form av en miniatyrcell. Med utgångspunkt i små organiska molekyler har kemisterna bemödat sig att (åter)skapa ett förenklat liv i provrör genom att i laboratoriet rekonstruera modeller som berövats membran, proteiner och nukleinsyror, framför allt ribonukleinsyra (RNA). Resultatet har varit tillfredsställande vad beträffar minimembran och miniproteiner, som återskapats i laboratoriet under enkla förhållanden. Men man har ännu inte lyckats att under dessa enkla förhållanden skapa längre kedjor av ribonukleinsyra. Vissa sorters ribonukleinsyra förmedlar inte bara information; de fungerar också som katalysatorer i likhet med proteinhaltiga enzymer. Mycket snabbt växte tanken fram att ribonukleinsyran utgör själva grunden för det jordiska livets existens. Men en värld som dominerades av ribonukleinsyra utgjorde troligtvis bara en episod i livets historia. Medan det framstår som föga troligt, att ribonukleinsyra spontant har bildats i uroceanen, är det sannolikt att tillkomsten av en värld präglad av denna syra föregicks av enklare självkatalytiska system, som utvecklades i ytskiktet på olika mineraler.

Är vi ensamma?

Exobiologerna studerar sådana platser utanför jorden där en liknande kemi kan tänkas utvecklas som den som rådde när det jordiska livet kom till. Denna kemi förutsätter existensen av vatten och kolföreningar, och den har inte valts för att man skulle vilja efterapa det jordiska livet, utan därför att dessa två komponenter har alldeles speciella egenskaper, som kan beskrivas och som är universella. Vattenmolekyler förekommer spritt i universum, eftersom de blir resultatet av att väte och syre förenas. Dessa två reaktiva grundämnen är de som är mest spridda i världsalltet, där de utgör 70 procent respektive 0,92 procent av den totala massan. Vidare har radioastronomerna identifierat mer än 100 olika molekyler som innehåller kol i den interstellära rymden, jämfört med endast elva olika molekyler som innehåller kisel. Detta visar tydligt, att kolets kemi är universell och långt mera aktiv än den som bygger på kisel.

Mars

Planeten Mars är föremål för en alldeles speciell uppmärksamhet. De resultat som man har uppnått genom Marssonder som Mariner 9, Viking 1 och 2, Mars Pathfinder, Mars Global Surveyor, Mars Odyssey, Mars Express, de båda Mars-bilarna Spirit och Opportunity, Phoenix-sonden och nu helt nyligen sonden Curiosity, visar tydligt att Mars har hyst stora mängder vatten på sin yta.

Långvarig närvaro av vatten förutsätter en temperatur som konstant ligger nära eller över fryspunkten, något som antagligen har kunnat uppnås tack vare att en tät atmosfär genererat en betydande drivhuseffekt. Tack vare denna atmosfär har planeten i likhet med jorden kunnat samla mikrometeoriter på sin yta. De ämnen som möjliggjort för livet att etablera sig på jorden har alltså samlats också på Mars. Det är därför lockande att tänka sig att primitiva livsformer av jordisk typ kan ha uppträtt och utvecklats på den röda planeten. Viking-sonderna lyckades inte finna några organiska molekyler på Mars yta, men vissa meteoriter som kommit från Mars innehåller sådana. Bland dem märks särskilt den berömda meteoriten ALH 84001, som man trodde innehöll fossiliserade nanobakterier från Mars, en hypotes som numera dock har övergivits.

Den amerikanska Curiosity-missionen, som landade framgångsrikt i Gale-kratern den 6 augusti 2012, har som främsta mål att söka efter indicier för att liv eventuellt kan ha existerat på Mars. De europeiska förhoppningarna knyts till expeditionen ExoMars, som man förbereder och hoppas kunna skicka iväg år 2018.

Europa

Jupitermånen Europa kan mycket väl tänkas härbärgera marina miljöer, som liknar undervattenskällor på jorden. Europa kretsar runt Jupiter på ett avstånd av omkring 600 000 kilometer, alltså tillräckligt nära för att värmas av tidvattenseffekten på grund av jätteplanetens enorma dragningskraft. Voyager-sonderna fotograferade Europa redan 1979 och 1980 och visade då, att ytan döljs av is som genombrutits av djupa sprickor. Därefter har rymdfarkosten Galileo tillhandahållit utmärkta bilder, inte minst av isblock ovanpå varandra. Man har också observerat förekomsten av salt på Europas yta, förekomster som skulle kunna härröra från en därunder liggande ocean av saltvatten. Slutligen har Galileo-sonden registrerat ett inducerat magnetfält som avslöjar existensen av en elektrisk ledare, med all sannolikhet saltvatten. Allt detta tyder på att en ocean döljer sig under ytan av is. Det är nu viktigt att få veta, om det finns magma på Europa som kan skapa hetvattenskällor och, om så är fallet, organiska molekyler. Att bekräfta förekomsten av magma på Europa är en av de prioriterade uppgifterna för forskningen i dag.

Titan

Titan, den största av Saturnus månar, har en tät atmosfär på 1,5 bar. Den består huvudsakligen av kväve (mer än 90 procent) men också av metan och något väte. Atmosfären innehåller även en tät dimma av organiska aerosoler. Observationer som gjorts av Voyager- och Cassini/Huygens-sonderna visar tillsammans med mätningar från jorden tydligt, att många kolväteföreningar och nitriler också finns i atmosfären. Titan utgör därmed ett sannskyldigt laboratorium i planetär skala för tillkomsten av prebiotiska föreningar.

Instrumenten som Huygens-sonden förde med sig i den i oktober 1997 uppskjutna Cassini/Huygens-expeditionen undersökte den 14 januari 2005 atmosfärens kemiska sammansättning från 140 kilometers höjd och ner till ytan. Den visade sig huvudsakligen bestå av kväve och metan. Men fastän också spår av vattenånga har upptäckts i den övre atmosfären av ISO-satelliten, förhindrar den mycket låga temperatur som råder vid ytan, omkring –180 grader Celsius, att där finns vatten i flytande form. Likväl tyder de modeller som man har skapat för Titans inre struktur och de data som Cassini/Huygens-expeditionen samlat in på förekomsten av djupa akviferer. En sådan ocean antas innehålla ungefär 10 procent ammoniak och vara ungefär 100 kilometer djup. Den skulle vara belägen mellan två trögflytande lager av vattenis. Det är tänkbart att detta hav under de första tiotals miljoner år som följde på Titans tillkomst var i kontakt med atmosfären och täckte en botten av sten. Ett sådant scenario skulle vara snarlikt det som förekommer på jorden. Det är följaktligen tänkbart att liv kan ha uppkommit.

Enceladus

Cassini-sonden har observerat geofysisk aktivitet på Enceladus, en annan av Saturnus månar. Flera av dess instrument har sålunda noterat förekomsten av gigantiska, flera hundra kilometer höga, gejsrar som sprutar upp vid sydpolen. De består huvudsakligen av is och vattenånga, men de innehåller också åtskilliga organiska föreningar, metan, acetylen och propan. Dessa gejsrar skulle kunna genereras av underjordiska reservoarer, som är fyllda med flytande vatten under högt tryck och står i kontakt med magma, en hypotes som styrks av att de innehåller salt. De nödvändiga förutsättningarna för att liv skall kunna uppkomma och utvecklas tycks alltså föreligga i Enceladus inre.

Exoplaneterna

Utanför solsystemet är kolets kemi universell, och sökandet efter liv kan bara ske genom observationer på långt håll. För att en exoplanet skall kunna härbärgera vatten, och följaktligen liv, måste den ha rätt storlek och befinna sig på rätt avstånd från sin stjärna. Under april månad 2013 omfattade katalogen över exoplaneter 872 dylika planeter. De allra flesta av dessa är alltför stora för att vara beboeliga. Det europeiska rymdteleskopet Corot och det amerikanska Kepler har till uppgift just att upptäcka planeter som befinner sig inom den beboeliga zonen. Man har redan lyckats identifiera tio planeter som kan tänkas vara beboeliga och som kretsar runt röda dvärgstjärnor. Eftersom de röda dvärgstjärnorna utgör 80 procent av alla stjärnor i Vintergatan, finns det antagligen tiotals miljarder beboeliga planeter som kretsar kring sådana röda stjärnor med låg ljusstyrka.

Sökandet efter liv på exoplaneterna kan bara ske genom spektralanalys av hur detta liv manifesterar sig i form av egenheter i planeternas atmosfär. På jorden är sålunda förekomsten av syre under lång tid ett resultat av det intensiva liv som härskar på dess yta. Den samtidiga förekomsten av syre, vattenånga och koldioxid framstår i dag som en kombination som gör det sannolikt att en planet hyser liv som i det väsentliga bygger på fotosyntes. Man arbetar nu på ett projekt som går ut på att skjuta upp fyra teleskop i rymden och låta dem flyga i formation, för att analysera planetatmosfärer och söka efter detaljer som kan tänkas bero på biologisk aktivitet. En annan metod är att analysera en stjärnas ljus, när det passerar genom atmosfären på en exoplanet när denna befinner sig rakt framför stjärnan, sett från jorden.

Vilka är vi, och varifrån kommer vi?

Den amerikanska rymdsonden Voyager I som sändes i väg 1977 har nu nått fram till solsystemets yttre gränsområden. År 1990 tog den på ett avstånd av på 6,4 miljarder kilometer från jorden en bild av vår planet, som syns som ett knappnålshuvud mot bakgrund av Vintergatan.

Vi vet numera åtskilligt om livets historia på jorden. Livet har fötts i vatten, och det har förblivit beroende av vatten under hela sin historia.

De tidigaste levande organismerna var antagligen heterotrofa och livnärde sig av organiska kolföreningar, som oftast var av utomjordiskt ursprung. När detta himmelska tillskott upphörde för omkring 3,8 miljarder år sedan, började de levande organismerna att hämta sitt kol från atmosfärens koldioxid, och de blev därigenom autotrofa. Förutom den kemiska reduktionen av koldioxid genom kemotrofa/autotrofa levande varelser i miljöer som vi vet mycket litet om, drog det stora flertalet levande varelser nytta av atmosfärens koldioxid, för att sätta igång fotosyntesen, anaerobiska i början, längre fram beroende av syre. Fotosyntesen har alltsedan dess varit en nödvändig förutsättning för livet på jorden genom att frambringa den äldsta kolbaserade materien och möjliggöra termisk energi genom elden och mekanisk energi genom muskelarbete. Det är först helt nyligen som mänsklig intelligens, driven av en ohämmad strävan efter profit och ekonomisk tillväxt, börjat ersätta den energi som kommer från biomassan med underjordiska energikällor. Tiden kanske har kommit att vi erinrar oss biomassans fundamentala roll för livets fortbestånd i det slutna och begränsade system som vår planet utgör.

Det oavvisliga behovet att förstå

Epikuros drömde om ett obegränsat antal världar med liv, en dröm som senare upprepades av stora tänkare som Giordano Bruno, Bernard Le Bovier de Fontenelle, Christiaan Huygens och Immanuel Kant. Förvisso har drömmen ännu inte förverkligats. Men man har allt bättre kommit att förstå de omständigheter som låtit livet växa fram på jorden. På samma sätt har utomjordiska platser där liknande förhållanden råder efter hand blivit identifierade.

Man har ibland ifrågasatt det berättigade i denna envisa strävan att förstå och de ekonomiska resurser som investerats för detta syfte, men det är denna nyfikenhet och detta oavvisliga behov att förstå som har lyft människosläktet till vår tids kunskaper och insikter. Förutom detta behov att förstå bevisar denna forskning den betydelse som vattnet har som en nödvändig förutsättning för liv, liksom människosläktets bräckliga situation, en mikroskopisk varelse som hon är, utlämnad åt universums oändlighet. Den första upptäckten av utomjordiskt liv kommer att få genomgripande betydelse, eftersom den för det mänskliga livet ut ur dess kosmiska ensamhet.

Pirahas, en grupp på knappt 200 jägare-samlare i Amazonas och som huvudsakligen lever vid stränderna av Rio Maici-floden i Brasilien, har ett enkelt räknesystem. De räknar till två. Efter två talar man bara om ’många’. På ett något likartat sätt skulle upptäckten av en andra framväxt av liv, exobiologernas verkliga graal, tillåta att man i stället talar generellt om livet ’överallt’.

Översättning: Tord Fornberg

Artikeln var ursprungligen publicerad i tidskriften Études juninummer 2013.

Not

En utförligare framställning av artikelns tema ges i Peter Lindes Jakten på liv i universum (Karavan 2013) och de uppdateringar som författaren ger på sin hemsida www.peterlinde.net.

Enligt denna uppgick antalet kända exoplaneter den 17 januari 2014 till 1 070.

André Brack är astrobiolog och tidigare forskningsledare vid Centre de biophysique
moléculaire, Orléans.