Miller-Urey tilraunin „Ráðgátan um uppruna lífsins hefur reynst mun dularfyllri en mig, og flestum öðrum, óraði fyrir.“ - Stanley Miller

Lífið í dag byggist á efnahvörfum fjölda lífrænna efnasambanda. Þar af leiðandi virðist rökrétt að gera ráð fyrir því að fyrstu lífverurnar á jörðinni hafi einhvern veginn orðið til úr lífrænum sameindum sem urðu til í efnafræðilegum ferlum snemma í sögu jarðar. Vísindatilraunir renna stoðum undir þá hugmynd að jörðin hafi snemma verið nokkurs konar risavaxin tilraunastofa í lífrænni efnafræði.

Í dag kemur súrefnisríkur lofthjúpur jarðar í veg fyrir myndun flókinna lífrænna sameinda utan frumna. Súrefni er mjög hvarfgjarnt gas sem ræðst á efnatengi, fjarlægir rafeindir og eyðileggur lífrænar sameindir. Árið 1929 bentu breski lífefnafræðingurinn John Haldane (1892-1964) og sovéski lífefnafræðingurinn Alexander Oparin (1894-1980), hvor í sínu lagi, á að í upphafi hafi lofthjúpur jarðar innihaldið mjög lítið súrefni en mikið vetni, og að súrefnið væri afleiðing lífsins. Lífrænu efnasamböndin, sem eru lífinu nauðsynleg, hefðu ekki getað myndast á jörðinni ef lofthjúpurinn hefði verið súrefnisríkur. Súrefni hvarfast við vetnisatóm í öðrum efnasamböndum og truflar þannig efnahvörfin sem umbreyta einföldum lífrænum sameindum í flóknari sameindir. Efnasambönd sem geta lagt vetnisatóm til annarra efna eru til dæmis metan og ammóníak.

Árið 1952 benti bandaríski efnafræðingurinn Harold Urey (1893-1981) á að í upphafi hafi lofthjúpur jarðar að mestu verið úr vetni og að örlitlu leyti úr öðrum frumefnum. Urey taldi að súrefni, nitur og kolefni hefðu bundist vetni og myndað vatn, ammóníak og metan. Vetni í svo miklu magni þýddi að laust súrefni gat ekki verið til, vegna þess að það myndi alltaf bindast vetni og mynda vatn. Þökk sé tiltölulega lágu þyngdartogi jarðar og léttleika vetnisatóma, losna þau á löngum tíma og streyma út í geiminn uns jafnvægi hefur náðst. Án aukalegs vetnis gat laust súrefni loks safnast saman í lofthjúpi jarðar. Urey taldi að lífið hefði kviknað áður en vetnið glataðist.

Miller-Urey tilraunin

Á þessum tíma var Stanley Miller (1930-) doktorsnemi Urey við Chicagoháskóla og vann að rannsóknum á mögulegum umhverfisaðstæðum á jörðinni í fyrndinni. Árið1953 birti hann niðurstöður sínar af stórmerkilegri tilraun þar sem hann sameinaði tilgátur Urey, Haldane og Oparin.

Tilraun Millers var afar einföld. Í henni bjó Miller til líkan af lofthjúpi jarðar og líkti eftir þeim aðstæðum (í litlum tilraunaglösum) sem talið er að hafi verið snemma í sögu jarðar. Eina flöskuna fyllti hann með vatni sem táknaði hafið. Vatnið var hitað til að framkalla vatnsgufu. Metani (CH₄), vetni (H₂) og ammóníaki (NH₃) var bætt við og blandað vatnsgufunni til að líkja eftir lofthjúpnum. Þessar gastegundir streymdu inn í aðra flösku þar sem rafneistar líktu eftir eldingum (sem talið er að hafi verið algengar snemma í sögunni) og veittu orku fyrir efnahvörfin. Undir þessari flösku var gasið kælt svo það gæti þést í nokkurs konar rigningu sem rigndi aftur í vatnsflöskuna. Efnablandan byrjaði mjög fljótlega að mynda dökkbrúnt, tjörukennt efni og undir lok tilraunarinnar var ílátið þakið rauðbrúnu efni. Viku síðar var innihaldið efnagreint og í ljós kom að það innihélt fjölmargar amínósýrur og önnur lífræn efnasambönd.

Miller komst að því að 10% kolefnisins sem myndaðist var á formi lífrænna efnasambanda. Tvö prósent kolefnisins hafði myndað nokkrar amínósýrur, byggingarefni prótína sem eru byggingarefni lífsins. Glysín var algengasta amínósýran en hún er önnur algengasta amínósýran í prótínum. Tuttugu aðrar amínósýrur fundust í minna magni, til dæmis alanín sem er ein einfaldasta amínósýran og er algeng í prótínum á jörðinni.

Þessi tilraun virtist styðja þá hugmynd manna að lífræn efnasambönd gátu hæglega myndast af sjálfu sér við réttar aðstæður, þær aðstæður sem talið var, á þeim tíma, að hafi verið til staðar snemma í sögu jarðar.

Niðurstaða Millers varð tilefni margra annarra sambærilegra tilrauna. Árið 1961 komst lífefnafræðingurinn Juan Oró, prófessor við Houstonháskóla, að því að amínósýrur gátu myndast úr blásýru (HCN) og ammóníaki í vökvalausn. Hann komst einnig að því að við tilraunir myndaðist ótrúlegur fjöldi af niturbasanum adenín (athugaðu að niturbasarnir eru í rauninni fleiri en fjórir þar sem t.d. úrasíl kemur í stað týmíns í RNA, auk þess sem fleiri sjaldgæfari umbreyttir basar finnast í tRNA. Þeir eru þó einungis fjórir í DNA.). Adenín er mjög mikilvægt lífrænt efnasamband, enda eitt af bösunum í RNA og DNA auk þess sem það er hluti af adenónsínþrífósfati eða ATP, sem er lífverum lífsnauðsynlegt en það geymir og miðlar orku í frumum.Síðari tilraunir hafa framleitt að minnsta kosti 17 af öllum þeim amínósýrum sem finnast í lífverum, nokkrar flóknar sykrur og lípíð (fitur), og alla niturbasana sem mynda DNA og RNA .

Spurningunni um uppruna lífsins senn svarað?

Þessar uppgötvanir urðu tilefni til bjartsýni meðal vísindamanna. Margir voru á því að spurningunni um uppruna lífsins yrði senn svarað. Sú hefur þó ekki orðið raunin og þess í stað virðist sem rannsóknir á uppruna lífsins vera rétt að hefjast.

Mikilvægt er að leggja áherslu á að vísindamenn hafa ekki skapað líf í tilraunaglasi. Stökkið frá steindauðum lífrænum efnasamböndum yfir í líf er ansi stórt. Í náttúrunni er ekki til neitt millistig milli lífs og dauðs efnis. Þótt lífræn efnasambönd hafi líklega verið á jörðinni frá upphafi hafa líffræðingar ekki enn komist að því hvernig þessi efnasambönd söfnuðust saman og mynduðu frumur sem gátu afritað sig. Engu að síður virðist rökrétt að gera ráð fyrir því að líf gæti hafa kviknað í kjölfar efnafræðilegra ferla, vegna þess hversu mörg byggingarefni lífs myndast svo auðveldlega við réttar aðstæður. Þar sem þær sameindir sem mynda þessi efnasambönd eru tiltölulega algengar er ekki ósennilegt að líf gæti hafa kviknað á svipaðan hátt á öðrum reikistjörnum.

Síðan að upprunalega tilraunin var gerð hafa flestir vísindamenn komist að þeirri niðurstöðu að lofthjúpur jarðar í fyrndinni hafi ekki innihaldið mjög mikið magn af metani og ammóníaki. Líklegra er að hann hafi innihaldið koltvíoxíð (CO₂), nitur (N₂), vetni og vatnsgufu sem kom úr eldfjöllum. Þar að auki krefst tilraunin mikillar orku, en þótt talið sé að eldingar hafi verið mjög algengar á jörðinni í árdaga, voru þær ekki stöðugar eins og í tilraunaglösum Millers.

Nútíma útgáfur af Miller-Urey tilrauninni, með mismunandi efnablöndum og orkuupsprettum (t.d. útfjólublátt ljós í stað rafneista), hafa gefið góða raun og sýnt hversu auðvelt það er að búa til lífræn efnasambönd. Byggingarefni lífsins gætu þó líka hafa komið til jarðar með loftsteinum og halastjörnum sem rigndi yfir jörðina í árdaga sólkerfisins.

Murchison-loftsteinninn

Sunnudagsmorguninn 28. september 1969 vöknuðu íbúar bæjarins Murchison, nærri Melbourne í Ástralíu, upp við drunur í lofsteini sem féll til jarðar yfir bænum. Loftsteinninn var úr kolefni, hluti af smástirni sem hafði reikað um geiminn, einhvers staðar milli Mars og Júpíters, og hafði haldist óbreyttur frá því skömmu eftir myndun sólkerfisins. Þótt einungis 100 kg hafi fundist af steininum leiddi greining á leifum hans í ljós að hann innihélt lífræn efnasambönd, þar á meðal amínósýrur. Sú uppgötvun bendir til þess að snemma í sögu sólkerfisins hafi orðið mikil nýmyndun á lífrænum efnasamböndum.

Uppgötvun á svipuðum lífrænum efnasamböndum í Murchison-loftsteininum og Miller-Urey tilrauninni styðja þá hugmynd að myndun byggingarefna lífsins sé algeng í alheiminum. Svo virðist sem einfaldar lífrænar sameindir hafi verið til staðar snemma í sögu sólkerfisins og jarðar. Ekki er erfitt að ímynda sér að einfaldar sameindir myndi að lokum fjölliður sem gætu náð eiginleikum lífs.

Úr efnafræði í líffræði – leitin að afritandi sameind

Í tilraunastofu getum við framleitt byggingarefni lífsins úr gastegundunum sem voru til staðar í árdaga jarðarinnar og næstum hvaða orkuuppsprettu sem er. En í tilraunaglösunum urðu aðeins nóturnar í tónlist lífsins til – ekki tónlistin sjálf, svo vitnað sé til orða Carl Sagan. Líf er vissulega meira en bara amínósýrur sem mynda prótín. Líkurnar á því að einfaldar byggingareiningar byrji að raða sér saman og mynda lífveru í tilraunaglasi eru álíka miklar og að apar leiki skyndilega níundu sinfóníu Beethovens, fái þeir hljóðfæri í hendurnar. Jafnvel bjartsýnustu menn viðurkenna að slíkt er nánast óhugsandi, jafnvel þótt tilraunin sé endurtekin sí og æ í milljónir ára. Það hljóta að vera einhver fáein skref, sem auðvelda stökkið frá ólífrænum efnasamböndum til starfhæfs lífs. Um þetta fjallar Guðmundur Eggertsson líffræðiprófessor í greinum sínum um uppruna lífsins og RNA-stigið í þróun hinna fyrstu lífvera.

Áhugaverðir tenglar:

• Viðtal við Stanley Miller

• Hversu langt er í að hægt verði að skapa líf á rannsóknarstofum? eftir Guðmund Eggertsson á Vísindavefnum

• Hvort varð til fyrr, prótín eða DNA? eftir Guðmund Eggertsson á Vísindavefnum

Heimildir:

1. Carl Sagan. Cosmos.
2. Jeffrey Bennett, Seth Shostak og Bruce Jakosky, Life in the Universe.
3. Iain Gilmour og Mark Sephton, Introduction to Astrobiology.
4. Leslie Orgel „The Origin of Life on Earth“. Life in the Universe: Scientific American: A Special Issue.
5. Umfjöllun Duke-háskóla um Miller-Urey tilraunina
6. Umfjöllun David Darling um Miller-Urey tilraunina

Við þökkum Lárusi Viðari Lárussyni sameindalíffræðingi fyrir góðar ábendingar.