Livet på Jorden kan være opstået to gange

Seniorforfatter William Martin opsummerede det sådan: »Vi ser på én oprindelse for den genetiske kode, men to oprindelser for livet« .

LUCA var måske ikke fuldt levende

På klassiske illustrationer står LUCA som én organisme nederst på livets stamtræ – den fælles rod, som alle senere livsformer udspringer fra. Det nye studie tegner et mere komplekst billede.

Forskerne sammenlignede genomer fra de vigtigste grupper af bakterier og arkæer og fulgte udviklingen af de enzymer, der driver det centrale stofskifte. Det er de kemiske reaktioner, som blandt andet gør det muligt at opbygge aminosyrer, RNA-baser og cofaktorer ud fra simple molekyler som brint, CO₂, ammoniak og fosfat .

Analysen tyder på, at LUCA kun havde enzymer til omkring halvdelen af de cirka 420 centrale stofskifterektioner. De øvrige reaktioner blev ifølge modellen ikke drevet af enzymer, men af metaller, der forekommer naturligt i hydrotermale kilder – blandt andet jern, nikkel og kobolt .

Det betyder, at LUCA ikke kunne opretholde sit stofskifte uden hjælp udefra. Den var derfor ikke en autonom, fritlevende celle i den moderne betydning.

»Overraskelsen er, at de enzymer, der katalyserer disse reaktioner, ikke er bevaret på tværs af den evolutionære skillelinje mellem bakterier og arkæer,« sagde Martin til Scientific American .

Fire trin fra geokemi til biologi

Forskerne rekonstruerede en udvikling i fire faser, som kan have ført fra ikke-levende kemi til moderne cellers stofskifte :

1. Reaktioner drevet alene af metaller: I den tidligste fase kunne uorganiske metaller katalysere simple kemiske reaktioner.
2. En blanding af metaller og enzymer: LUCA opstod med nogle primitive enzymer, men var stadig afhængig af metaller i miljøet til mange afgørende reaktioner.
3. Udviklingslinjerne skiltes: Forstadierne til bakterier og arkæer begyndte at udvikle sig hver sin vej og arvede hver sin del af LUCA’s begrænsede enzymværktøj.
4. Uafhængig udvikling af enzymer: De to linjer udviklede hver for sig nye og strukturelt forskellige enzymer, der kunne erstatte metal-katalysatorerne.

Netop det sidste punkt er centralt. Bakterier og arkæer ser ud til at have løst de samme kemiske problemer på forskellige måder, efter at deres evolutionære veje var blevet adskilt . Det er ifølge forskerne et vigtigt tegn på, at de blev selvstændige, fritlevende celler uafhængigt af hinanden.

Hvad drev stofskiftet før ATP?

I moderne celler fungerer ATP som en slags universel energivaluta. Men ATP er et komplekst molekyle, der selv fremstilles ved hjælp af enzymer. Det kunne derfor ikke uden videre have været tilgængeligt på den tidlige Jord, før de første celler og deres enzymer fandtes.

Studiet peger på fosfit som en mulig energikilde. Fosfit er en form for fosfor, der kan findes i hydrotermale kilder. Når fosfit reagerer med organiske forbindelser i vand, og reaktionen katalyseres af det naturligt forekommende metal palladium, kan den drive fosforyleringsreaktioner – kemiske reaktioner, der overfører fosfatgrupper og er afgørende for stofskiftet .

Det kan have leveret energi til tidlige metaboliske processer, før enzymer og ATP blev en del af systemet. Forslaget giver dermed en mulig kemisk bro mellem geologien i hydrotermale kilder og den biokemi, som senere blev indbygget i levende celler.

Et nyt billede af livets stamtræ

Den traditionelle model viser LUCA som stammen på ét stort træ, hvorfra alle livets grene vokser. Den nye analyse peger i stedet mod et billede, der minder mere om en busk med to tidlige hovedstammer :

• Én fælles oprindelse for den genetiske kode: Alt liv deler den genetiske arv fra LUCA, herunder den grundlæggende mekanisme for DNA, RNA og opbygning af proteiner.
• To oprindelser for fritlevende liv: Bakterier og arkæer kan hver for sig have gennemført overgangen fra afhængig, ikke-levende eller før-celulær kemi til autonome celler.

Det er derfor vigtigt at skelne mellem to påstande. Studiet siger ikke nødvendigvis, at hele livet på Jorden begyndte to helt separate gange. Det foreslår snarere, at den fælles genetiske platform havde én oprindelse, mens udviklingen af egentlige fritlevende celler skete uafhængigt i de to tidlige linjer.

Hvad betyder det for jagten på liv andre steder?

Hvis selvstændigt liv kunne opstå mere end én gang på Jorden, rejser det store spørgsmål for astrobiologien. Måske er springet fra simpel kemi til liv mere sandsynligt, end man hidtil har antaget.

Den modsatte mulighed er også åben: Måske kræver processen meget særlige forhold – for eksempel den metalrige kemi og de energigradienter, der findes i hydrotermale kilder . Resultatet kan derfor både pege på, at livets første skridt er tilgængeligt, og at det kun sker under ganske bestemte geologiske omstændigheder.

Forbeholdene er stadig vigtige

Studiet bygger i høj grad på genomdata fra bakterier. Genomer fra arkæer er ikke lige så omfattende repræsenteret, og det kan påvirke konklusionerne. Desuden er fosfit og palladium foreløbig en plausibel kemisk model – ikke en dokumenteret vej, som de første organismer faktisk fulgte .

Der er endnu heller ikke gennemført laboratorieforsøg, der viser hele overgangen fra metal-katalyserede reaktioner til et enzymdrevet stofskifte i et syntetisk system.

Alligevel giver analysen et af de mest detaljerede bud til dato på, hvordan livets tidligste stofskiftenetværk kan være blevet samlet. Den peger på, at livets oprindelse sandsynligvis var mindre lige­linjet, mere afhængig af lokale forhold og endnu mere bemærkelsesværdig, end det klassiske stamtræ har givet indtryk af.