Hvar kviknaði lífið?

Það er hægt að gera því skóna að líf á jörðinni megi rekja til smásærra geimvera - einfaldar að byggingu og sem komu utan úr geimnum og blómstruðu hér á jörðinni. Ef lífið kviknaði hins vegar hér á jörðinni eins og virðist líklegra hefur það getað gerst fyrir tæpum 4.000 Má þegar loftsteinadrífan hafði hjaðnað nægilega. Jafnvel eftir að jafnvægi var komið á við yfirborð jarðar þurfti að uppfylla viss skilyrði til að líf gæti kviknað.


Þegar Stanley Miller gerði tilraun sína 1953 ◊ og tókst að framleiða amínósýrur gerði hann ráð fyrir því að fyrstu lífrænu efnasamböndin og lífið sjálft hefði kviknað í tjörnum við stöðugar eldingar. Oft er vitnað til þessa vökva sem „frumgrautsins“. Jafnvel Darwin velti því fyrir sér hvort lífið hefði kviknað í lítilli volgri tjörn. Gallin við þessa tilgátu er að ekkert frjálst súrefni (O2) hefði mátt vera til staðar því að það hefði oxað og þar með eyðilagt lífræn hráefni í nauðsynleg lífræn efnasambönd. ◊ ◊


Við vitum að ljóstillífun framleiðir nú meirihluta af súrefni gufuhvolfsins og því álitu vísindamenn áður að ekkert súrefni hefði verið í gufuhvolfi jarðar fyrir daga ljóstillífandi lífvera. Við vitum nú hins vegar að útfjólublátt ljós brýtur vatnsgufuna í efri lögum gufuhvolfsins niður þannig að súrefni losnar hægt og sígandi og dreifist um gufuhvolfið. Þetta ferli hefur stuðlað að myndun ofurlítils súrefnis í gufuhvolfi upphafsaldar en samt nægilega miklu til að eyðileggja efnasambönd sem eru frumskilyrði þess að líf geti þrifist.


Það er ólíklegt að líf hafi kviknað í litlum tjörnum ◊ þar sem súrefni var til staðar. Umhverfi sem ekki er í beinni snertingu við gufuhvolfið er því betri kostur. Nú þykir líklegast að þetta hafi gerst á heitum svæðum neðansjávar í nágrenni miðhafshryggja. ◊


Á miðhafshryggjunum er jarðskorpan sprungin og bergið afar gropið og á sjórinn því greiða leið niður þar sem hann kemst í snertingu við heit innskot. Því jarðhitasvæði er að finna á þessum hryggjum þar sem heitt vatn mettað steinefnum flæðir upp um op og sums staðar um háar strýtur — hverastrýtur. ◊ ◊ ◊ ◊ Þarna er að finna fjölskrúðugan bakteríugróður sem nýtir aðstæður í umhverfinu á margvíslegan máta en flestar nýta uppleyst efni sem vatnið ber með sér á leið sinni upp úr sprungunum. Sumar þessara baktería lifa í vatni sem er heitara en 100°C en undir suðumarki vegna þrýstings við hafsbotninn. Aðrar tegundir kjósa að halda sig í volgu vatni fjær hverasvæðunum. Almennt séð má segja að þessar lífverur haldi sig í umhverfi þar sem líf hefði getað kviknað og þróast í árdaga jarðar.


Aðferðin sem hitabakteríur nota til að afla orku er einföld í sjálfu sér: þeir virkja orku sem losnar við efnahvörf í umhverfinu. Mörg efnasambandanna sem berast upp um hverastrýturnar eru ekki í jafnvægi við umhverfið þegar jarðhitavatnið hefur kólnað og blandast sjónum við opið. Efnahvörf gerast og efni falla út. Sum efnahvörfin eru hægfara og bakteríurnar nýta sér það. Bakteríurnar neyta þessara efnasambanda og leyfa þannig efnahvörfunum sem að óbreyttu hefðu átt sér stað í sjónum að gerast inni í frumunni. Þessi efnahvörf eru útvermin og losa orku. Bakteríurnar nýta þessa orku fyrir sín eigin efnaskipti og losa sig síðan við afurð efnaskiptanna sem úrgangsefni.


Sumar bakteríanna skila afurðum en ólíkt blágrænubakteríum nota þeir ekki ljós sem orkugjafa. Starf þeirra ef vanalega kallað efnatillífun. Sumar efnatillífandi bakteríur sameina t.d. vetni og brennistein til að framleiða vetnissúlfíð, H2S, en aðrir sameina vetni og kolefni og mynda þannig metan, CH4, og vatn. Aðrar tegundir baktería eru neytendur og oxa frumefni eins og vetni eða brennistein á líkan hátt og æðri lífverur oxa sykur.


Það er margt sem bendir til þess að hitakærar bakteríur sem þrífast á hverasvæðum miðhafshryggjanna séu í raun frumstæðustu bakteríur lífríkisins. Líffræðingar hafa rannsakað DNA og RNA í alls konar bakteríum til að gera sér grein fyrir þróunartré þeirra. Séreinkenni DNA og RNA sem finna má í mörgum tegundum baktería eru talin benda til frumstæðra eiginleika sem hafi erfst frá fornum forfeðrum. Afleiddir eiginlekar sem aðeins er að finna hjá fáum tegundum benda til yngri greina þróunartrésins. Svo lítur út sem frumstæðustu fornbakteríur (Archaeobacteria) séu aðlagaðir heitu súrefnissnauðu umhverfi. Þetta bendir til þess að bakteríur hafi þróast í slíku kjörlendi og etv. við jarðhitasvæði á miðhafshryggjum.


Á miðhafshryggjum er að finna hverasvæði með aðstæðum þar sem fyrstu bakteríur hefðu getað myndast og þróast.

  1. Hryggirnir eru afar stórir og víðáttumiklir því líklegt að margs konar tækifæri til þróunar hafi myndast.
  2. Margs konar lífræn efnasambönd sem nauðsynleg eru myndunar lífvera leysast auðveldlega upp í heitu vatni. Auk þess er vatnið þarna súrefnissnautt þannig að þessi lífsnauðsynlegu efnasambönd eru varin fyrir því að tortímast vegna oxunar í frjálsu súrefni.
  3. Þetta eru fágæt svæði sem bjóða upp á gnótt brennisteins, frumefnis sem allar lífverur þarfnast í talsverðum mæli.
  4. Á hryggjunum er að finna málma eins og nikkel og sink sem lífverur þarfnast sem snefilefni.
  5. Þarna mikið um leir en vitað er að hann er mikilvægt efni við myndun lífrænna stórsameinda. ◊ ◊
  6. Vitað er að þarna er að finna frumstæðar lífverur sem nýta sér efnahvörf til efnatillífunar.

Það er margt sem bendir til þess að líf hafi kviknað í heitu, súrefnissnauðu vatni sem runnið hafi um jarðlög á miðhafshryggjunum. Þarna hefur RNA-heimurinn etv. átt upptök sín og bakteríur urðu til.


Okkur verður etv. aldrei ljóst hvar heilkjörnungar komu fram. Engu að síður hafa komið fram markverðar vísbendingar frá DNA og RNA rannsóknum á þróunarsögu baktería um það hvenær heilkjörnungar urðu til. Litningabygging frumstæðra heilkjörnunga bendir til þess að þeir hafi þróast frá bakteríum þegar leiðir fornbaktería og eiginlegra baktería (eubacteria) skildu.


Með tilkomu ljóstillífunarbaktería ◊ ◊ þ.e.s. blágrænu- og rauðgrænu-baktería breyttist vistkerfið í grundvallaratriðum. Blágrænu bakteríurnar stunda ýmist ljóstillífun með grænukornum og breyta vatni og koldíoxíði í sykur og súrefni með aðstoð sólarljóss en rauðgrænubakteríur sem einnig nýta sólarljós og breyta brennisteinsvetni og koldíoxíði í sykur og brennistein. Súrefnisframleiðsla þessara baktería gerði fjölfruma lífverum fyrst mögulegt að lifa.