Løsningen på livets gåde findes muligvis som et ekko inde i dig selv

Klokken havde passeret midnat, og ekspeditionsleder Deborah Kelley havde egentlig trukket sig tilbage til sin kahyt på havforskningsskibet Atlantis, da en af de andre forskere kom stormende.

»Vi har fundet noget her, som ikke ligner noget, vi har set før,« fortalte kollegaen.

De videobilleder, som skibet fik op fra det atlantiske dyb, viste ikke de sædvanlige bjergvægge, som de var draget ud for at undersøge. I stedet tonede klare, hvide strukturer frem. Som lyse søjler, eller skorstene med udhæng og Disney-spir, rejste de sig i højder på op mod 60 meter fra havbunden på et område på størrelse med en fodboldbane.

Siden 1970’erne havde man vidst, at der ved undersøiske vulkaner kunne opstå »skorstene«, der udspyede kulsort, mineralholdigt vand. Men dette sted var ikke sådan et sted, det var noget ganske andet.

Næste morgen, den 4. december 2000, krøb Deborah Kelley og et par kolleger ned i ubåden Alvin og dykkede mod bunden af havet. Lyset svandt ind, vandet blev mørkt, og overalt omkring den lille titaniumboble tændtes små gløder fra lysende organismer.

Det var »som at rejse gennem stjernerne«, har hun senere fortalt. I lyset fra ubådens lygter iagttog de søjlerne og så, hvordan mineralfyldt og varmt, basisk vand flød ud gennem masser af små sprækker. Processen her var ikke drevet af vulkaner, men af mødet mellem nedsivende havvand og dybtliggende bjergarter i Jordens kappe, som reagerede med hinanden, frigav varme og sendte vandet opad igen, boblende af brint. Havbundens søjler voksede så frem af kildevældets mineraler.

På grund af stedets majestætiske fremtoning, og fordi de nu engang sejlede på skibet Atlantis, navngav de stedet The Lost City – Den forsvundne by.

Opdagelsen kom bag på de fleste, men næppe på geologen Michael Russell, som årtier forinden havde forudsagt, at søjlerne måtte eksistere – eller i hvert fald måtte have eksisteret – for ellers kunne hans hypotese om selveste livets opståen ikke hænge sammen.

Modsat den gængse hypotese, som foreslår, at livet er udsprunget af en slags ursuppe nær overfladen, pegede Russell og et par andre mod havets bund. Her skulle kemiske reaktioner drevet af mødet mellem vand og visse typer mineraler fra Jordens kappe skabe strukturer, som livets kemi kunne tage bolig i.

Men hypotesen handlede ikke bare om lokation, den flyttede også fokus væk fra biologisk information i form af forløberne til genetikken og satte i stedet energi og stofskifte i centrum. 

Ifølge Russells model skulle livet have udviklet sig i mikroskopiske mineralske celler i store hvide skorstene, hvor brint og mineralholdigt vand sørgede for et righoldigt flow af stof og energi. Derfor kaldes Russells idé – som altså er et af flere konkurrerende bud på livets opståen – for ’energi først’-hypotesen. 

Sporene fra den fjerne fortids havbund kan muligvis stadig ses i den måde, som energien udnyttes på inde i vores celler i dag. Vi bærer alle på en form for ekko af det første liv, vi er jo trods alt dets efterkommere, og der er nogle grundlæggende strukturer, som ligner hinanden, når man sammenligner geologi og biologi. 

Så inden vi rejser milliarder af år tilbage til en fjern havbund, skal vi først en tur ind i kroppen for at se, hvordan energien opfører sig inden i os. 

Den store pizzarejse

Selv når du slapper allermest af, er der helt enormt meget gang i dig. Hjertet banker, lungerne arbejder, og i din krops mikroverden bygges hele tiden nye proteiner, mens dine billioner af celler pumper stoffer ind og ud. Alt det har en pris, og prisen er energi.

Når vi forbrænder næringsstoffer i kroppen, er det ikke meget anderledes, end når man smider en kævle på et lejrbål, og træet reagerer med ilten i luften og bliver til CO₂ og vand og fået frigjort energi i form af varme

Dog er der visse forskelle på et menneske og et brændende stykke træ – for eksempel at vi er levende. Forudsætningen for det er et molekyle, som hedder ATP, og som er den biologiske energis svar på en valuta. Der skal betales i ATP for at få hjertet til at slå, for at sætte molekyler som dna sammen eller for at løfte mere pizza op til munden.

Denne valuta bliver især dannet inden i nogle særlige afdelinger i kroppens celler. Disse hedder mitokondrier og er lettest at forstå, som nogle småceller inden i cellen, der er specialiserede i energiproduktion. Her udspiller sig nogle kemiske reaktioner i en særlig struktur, som udnytter nogle grundlæggende forhold i naturen – og vi tager dem én for én.

Kemien først:

Når kulhydrat udvundet fra din pizza træder ind i mitokondriet, sker der en hel del ting, men det centrale i denne sammenhæng er, at nogle brintatomer bliver strippet fra – hvilket udleder lidt CO₂. Disse brintatomers elektroner leverer nu energi til et vildt system af pumper, inden de havner i favnen på et iltmolekyle fra vores vejrtrækning, tilføjes en brintkerne og bliver til vand.

Hermed er der sket nogenlunde det samme som i lejrbålet, bare mere bøvlet. Kulhydrat har reageret med ilt, og vi har fået CO₂ og vand 0g frigjort noget energi i form af varme – og det bliver man jo ikke levende af. Men undervejs har vi også opnået noget andet, nemlig at drive et pumpesystem, og det skaber nogle forhold, som er afgørende for livet.

Her kommer strukturen på banen:

Det virker ikke særlig logisk, når man hører om det første gang, men man kan prøve at forstå det hele lidt som et vandkraftværk, hvor der er indsat nogle pumper til at sørge for, at der kommer vand op bag dæmningen, som kan løbe igennem og blive tappet for sin energi.

I kroppens mikroverden bliver der ikke pumpet vand, men protoner – altså atomkerner fra brint – ind i et rum mellem to membraner, der gør det ud for reservoir. Det betyder, at der kun er ganske få protoner inden i mitokondriets indre, hvor pumperne sidder, men masser af dem inden i mellemrummet, og det bringer os frem til et centralt princip i naturen, som det hele spiller ind i.

Naturen forsøger altid at udligne forskelle – at skabe ligevægt – og det er der energi i. Din kop med kaffe får samme temperatur som omgivelserne, når den står på bordet, for varmen flytter sig fra kaffen i koppen til luften. Når en opdæmmet flod vælder ned på den anden side af en dæmning, forsøger naturen blot at udligne forskellen mellem to vandspejle.

Og i vores kroppes mitokondrier ønsker naturen ligeledes at udligne den kemiske og elektriske spænding, som opstår hen over membranen på grund af pumperne. Kort sagt vil protonerne gerne strømme hjem til centrum igen. Og ligesom mennesker har lært at udvinde elektricitet fra en strøm af vand, så har evolutionen fundet ud af at tappe energi fra en strøm af protoner. Protonerne kan nemlig kun vende tilbage, hvis de passerer gennem en slags biologisk turbine, et særligt enzym, som endda drejer rundt, og i den proces lykkes med at skabe – ikke elektricitet, men ATP – altså det molekyle, som er den biologiske energis møntfod, som driver livet. 

Det kan virke som et lidt bøvlet krumspring, at vi først skal skabe den her forskel hen over en membran for at høste energien, men vi er ikke alene om det – stort set alt liv benytter sig af metoden. Og ideen er så, at når alt fra bakterier til bøgetræer og babyer gør sådan, kan det måske skyldes, at det i tidernes morgen var nogle lignede processer i lignende strukturer, der satte gang i livet på en ellers steril klode.

Da geologi blev biologi

Den unge Jord var meget anderledes end den midaldrende planet, vi bebor i dag godt fire milliarder år senere. Efter et brutalt sammenstød med en anden planet var hele Jorden forvandlet til et magmahav, og atmosfæren fyldt med vanddamp og CO₂. Her kunne ikke leve noget.

Men efterhånden som planeten kølede af, blev kloden stort set dækket af hav, hvor vandet havde let adgang til uforstyrret at sive ned i Jordens kappe, gå i forbindelse med stenene her og frigive masser af varme og brint, der blev sendt opad igen gennem bittesmå, labyrintiske hulrum i lost city-lignende skorstene over store dele af havbunden.

Her opstod livet, lyder ’energi først’-hypotesen – eller hypoteserne, for der er faktisk flere, og de adskiller sig i afgørende detaljer, som vi her vil skøjte let hen over. I stedet vil vi blot konstatere, at det altså ifølge teorien var her, de første celler blev født. 

For livet handler jo om celler, om indhegnede områder, hvor livets stofskifte kan få lov at udspille sig, og gennemskærer man en af de undersøiske skorstene, ser man, at de er fyldt med mikroskopiske, afgrænsede blærer med ganske tynde vægge mellem sig.

Således samler de undersøiske skorstene to af de vigtigste forudsætninger for liv på ét og samme sted: Her er et konstant flow af stof og energi, der kommer nede fra jordens kappe og løber gennem nogle fysisk afgrænsede rammer, hvor kemien kan udfolde sig.

Og hvad er det så, der skal ske inden i de små blærer?

En af hypotesens fædre, geologen Michael Russell, har ganske kækt udtrykt det sådan her: »Meningen med livet er at hydrogenisere CO₂« – hvilket er en fancy måde at sige, at man klistrer brint og CO₂ sammen til såkaldte organiske molekyler, som udgør livets byggesten.

Problemet er bare, at brint og CO₂ ikke er sådan lige at klistre sammen. Normalt reagerer de overhovedet ikke med hinanden, da det kræver, at der bliver tilført temmelig meget energi.

Heldigvis er forholdene i de hvide skorstene absolut ikke normale, hvilket muliggør, at reaktionen her kan foregå på en måde, der afgiver energi.

Sagen er den, at brint har lettere ved at reagere, når det er i et basisk miljø – og vandet, som flyder op gennem havbunden, er jo netop basisk. CO₂, derimod, bliver langt mere medgørligt i et surt miljø – og at havet dengang var langt mere CO₂-holdigt og surere end i dag. Syrer og baser er hinandens modsætninger, og mødes de, neutraliserer de hinanden, og så gider stofferne ikke reagere. Derfor skal der altså være en membran, der kun tillader en smule passage – og netop dét kan skorstenen levere.

Her kan surt havvand nogle steder sive nedad på den ene side af en tynd, metalholdig væg, mens basisk brintholdigt vand flyder opad på den anden side – og der har vi fidusen. Lad os genkalde os, hvad vi oplevede på vores tidligere besøg inden i menneskekroppen: at energi er forskel, og at naturen gerne vil udligne forskelle. På grund af væggen kan de to væsker ikke blande sig og udligne hinanden, men brintmolekylerne på den basiske side af væggen kan afgive elektroner, der kan sendes gennem væggen som strøm i metallerne og om på den anden, sure side, hvor CO₂-molekylerne står klar til at tage imod.

Det minder om noget af det, vi har set i menneskekroppen, men her er det ikke celler, men selve Jorden, der virker som et gigantisk batteri. En positivt ladet brintkerne hopper nu på molekylet for at neutralisere den ekstra elektron og vupti – CO₂’en er blevet hydrogeniseret.

Det ligner menneskets energistofskifte i omvendt rækkefølge. I stedet for at splitte organiske byggesten ad i CO₂ og brint, udnyttes energien her til at klistre CO₂ og brint sammen til livets organiske byggesten. Og hele showet foregår, alene fordi en membran adskiller en sur side fra en basisk side – hvilket i praksis vil sige, at der er mange protoner på den ene side og få på den anden.

Også det ligner en geologisk og meget forsimplet version af processer og strukturer, som findes i vores celler i dag. Med andre ord bør vi måske føle et slags slægtskab med sten og vand.

De næste skridt på vej mod liv skulle ifølge teorien så gå slag i slag dernede i dybet. De organiske molekyler ville koncentreres inde i væggenes små blærer og skabe et miljø, hvor de kan reagere videre og sættes sammen i større og mere avancerede enheder, som hjælper til i processen.

Tilsætter man rigeligt med tid, ender man måske med noget, der minder om en celle, som kan udnytte forskelle til at lave ATP, og som indeholder dna, og som hen ad vejen udskifter sin mineralske membran med en organisk af slagsen. Over dette kontinuum bliver systemet gradvist mere levende, indtil urcellen, som alt andet liv stammer fra, endelig opstår, og livets vifte kan bredes ud.

Urcellens efterkommere undslap dybet og rejste gennem vandet op mod lyset, og her fandt nogle af dem senere ud af at udnytte energien fra Solen, og livet blev aldrig det samme igen. Og selv om vi mennesker er børn af Solen og lever af dens energi, minder hele denne fortælling om, at vi faktisk har to forældre, og at den anden er Jorden, hvis mørke vi måske er udsprunget fra.

Interview: Tobias Wang, professor, Institut for Biologi – Zoofysiologi, Aarhus Universitet, Kai Finster, professor, Institut for Biologi – Mikrobiologi, Aarhus Universitet.

Bøger: ’The Vital Question’ (2017) og ’Transformer’ (2022) af Nick Lane. ’Evolutionsbiologiske milepæle’ (2016) af Kai Finster m.fl.

Artikler: ’First Life’ af Michael Russell, American Scientist, 2006. ’Free Energy and the meaning of Life’, Sean Carroll, Discover Magazine 2010, ’Energy at Origins: Favorable Thermodynamics of Biosynthetic Reactions in the Last Universal Common Ancestor (LUCA)’, Jessica Wimmer m.fl., Frontiers of Microbiology, december 2021. ’Discovering “The Lost City”, an interview with Dr. Deborah Kelley’ af Sean Carman, McSweeney’s 2002. ’Havets Søjlehaver’, Uffe Wilken, Dagbladet Information 2001.

Forelæsninger: ’Early Evolution of Life on Earth’, William Martin, Life in the Universe Symposium 2021. ’Why is life the way it is?’, Nick Lane, Royal Institution 2015. ’How the Krebs cycle powers life and death’, Nick Lane, Royal Institution, 2022.