Før livet på jorden vokste fram, for rundt 3,5 milliarder år siden, var havene en suppe av tilfeldig virvlete molekyler. Så, på en eller annen måte, arrangerte noen av disse molekylene seg i velorganiserte DNA-strenger, beskyttende cellevegger og bittesmå organlignende strukturer som er i stand til å holde liv i celler og fungere. Men akkurat hvordan de oppnådde denne organisasjonen, har forskere lenge forvirret. Nå tror biofysikere ved Ludwig-Maximilians universitet i München at de har et svar: bobler.
Livets begynnelse var ikke øyeblikkelig. Tidlige forløpermolekyler forvandlet på en eller annen måte til livets byggesteiner, som RNA, DNA, salter og lipider. Deretter organiserte de molekylene seg for å danne de første tidlige versjonene av celler, som deretter ble de første encellede organismer.
"Dette er grunnlaget for alle levende arter," sier Dieter Braun fra Ludwig-Maximilians University, hovedforfatteren av studien, til Live Science.
For at celler skal danne seg, begynne å replikere og ta sitt eget liv på jordens jord, var imidlertid alle de kjemiske delene som trengs for å komme sammen, sa Braun.
På det dype hav, der mange forskere tror livet fikk begynnelsen, kan molekyler som lipider, RNA og DNA ha vært til stede; men til tross for det, ville de ha vært for spredt for at noe interessant skulle skje.
"Molekylene går seg vill. De diffunderer," sa Braun. "Reaksjonene vil ikke bare skje av seg selv."
Forskere er enige om at en viss kraft var nødvendig for at molekylene skulle samles og reagere med hverandre, fortalte Henderson Cleaves, en kjemiker ved Tokyo Institute of Technology, til Live Science. Forskere er bare ikke enige om hva den styrken var.
Det er der det kommer inn bobler.
Bobler var overalt i jordas tidlige seascape. Varme vulkaner på dyp hav spredte kvisete plommer. De luftige kulene, slo seg ned på den porøse vulkanske bergarten. Dette var forholdene som Braun og kollegene prøvde å gjenskape. De skapte et kar av et porøst materiale som etterlignet strukturen til vulkansk berg, og fylte det deretter på sin side med seks forskjellige løsninger, som hver modellerte et annet trinn i livsdannelsesprosessen. En løsning, som representerer et tidlig trinn, inneholdt et sukker kalt RAO, som ville vært nødvendig i konstruksjonen av nukleotider, byggesteinene til RNA og DNA. Andre løsninger, som representerer de senere stadier, inneholdt selve RNA, så vel som fett som var nødvendig for å konstruere cellevegger.
Deretter varmet forskerne løsningen i den ene enden og avkjølte den på den andre. De var i ferd med å lage noe som kalles en "termisk gradient", der temperaturen gradvis endres fra en ende til en annen, på lik linje med måten vannet nær havets termiske ventilasjonsåpninger gradvis endres fra varmt til kaldt.
"Det er som et mikro-hav," sa Braun.
I hver løsning tvinger temperaturendringen molekylene til å klumpe seg - og de graviterte mot boblene som naturlig dannes under disse forholdene. Nesten umiddelbart begynte de å reagere.
Sukkerarter dannet krystaller, et slags skjelett for RNA og DNA-nukleotider. Syrer dannet lengre kjeder, og tok enda et skritt mot dannelsen av komplekse, RNA-lignende molekyler. Til slutt arrangerte molekylene seg i strukturer som lignet på enkle celler. I en grunnleggende forstand, sa Braun, er celler molekyler innkapslet i poser laget av fett. Det var nøyaktig hva som skjedde på overflaten av boblene hans: Fett arrangerte seg i kuler rundt RNA og andre molekyler.
Mest overraskende for Braun og kollegene, sa han, var hvor raskt disse endringene skjedde på under 30 minutter.
"Jeg ble overrasket," sa han. Selv om dette er første gang han og kollegene har sett spesielt på bobler, har forskerne tidligere prøvd å gjenskape hvordan disse biologiske molekylene gjennomgår de komplekse reaksjonene som trengs for livet. Normalt, sa han, tar disse reaksjonene timer.
Noen kjemikere er imidlertid skeptiske til at Brauns bobler er en nøyaktig fremstilling av det primordiale miljøet. Braun og hans kolleger så deres løsning med mange av de komplekse molekylene som trengs for livet. Selv de enkleste løsningene representerte fremdeles senere stadier av livsdannelsesprosessen, fortalte Ramanarayanan Krishnamurthy, en kjemiker ved Scripps Institution of Oceanography, som ikke var involvert i studien, til Live Science. Det er litt som å bake en kake med en boksemiks, i stedet for å starte helt fra bunnen av.
I kontrast til dette, kan de gamle havene ikke ha hatt de rette betingelsene for å danne disse innledende molekylene, sa Krishnamurthy.
Pluss at bobleeksperimentet fant sted i liten skala. Det er viktig, fordi det betyr at endringen i temperatur fra den ene enden av testen til den neste var veldig brå. I virkeligheten er de termiske gradientene under havet mer gradvise, sa Cleaves.
Likevel hevdet Braun at det er noen få grunner til at bobler kan være det ideelle stedet for begynnelsen av livet. For det første gir de et perfekt grensesnitt mellom luft og vann. Uten luft kunne mange av reaksjonene som er nødvendige for livet, ikke skje. F.eks. Må fosforylering, en reaksjon som gjør det mulig for små molekyler å danne komplekse molekylstrenger, skje under minst delvis tørre forhold. Inne i boblene er det ikke noe problem; selv om de er små, gir bobler det perfekte miljøet for at disse reaksjonene skal tørke ut, i det minste midlertidig.
Men det er en annen viktig rolle bobler kan spille: De skaper orden. I stille vann sprer molekyler seg typisk uten noen spesiell ordning. Bobler gir imidlertid molekyler - og kanskje livets begynnelse - noe å feste seg til i en kaotisk verden.
