Innan livet på jorden dök upp, för ungefär 3,5 miljarder år sedan, var oceanerna en soppa av slumpmässigt virvlade molekyler. Då, på något sätt, några av dessa molekyler arrangerade sig i välorganiserade strängar av DNA, skyddande cellväggar och små organliknande strukturer som kan hålla celler levande och fungera. Men precis hur de åstadkommit denna organisation har länge förvirrat forskare. Nu tror biofysiker vid Ludwig-Maximilians universitet i München att de har ett svar: bubblor.
Livets början var inte direkt. Tidiga prekursormolekyler förvandlades på något sätt till livets byggstenar, som RNA, DNA, salter och lipider. Sedan organiserade dessa molekyler för att bilda de första tidiga versionerna av celler, som sedan blev de första encelliga organismerna.
"Detta är grunden för alla levande arter," berättade Dieter Braun från Ludwig-Maximilians universitet, huvudförfattaren till studien, Live Science.
För att celler ska formas, börja replikera och ta sitt eget liv på urjord, men alla kemiska delar som först behövdes för att samlas, sa Braun.
I djuphavet, där många forskare tror att livet började, kan molekyler som lipider, RNA och DNA ha funnits; men trots det hade de varit för spridda för att allt intressant skulle kunna hända.
"Molekylerna går vilse. De diffunderar," sade Braun. "Reaktionerna händer inte bara av sig själva."
Forskare är överens om att en viss kraft var nödvändig för att molekylerna skulle samlas och reagera med varandra, sa Henderson Cleaves, en kemist vid Tokyo Institute of Technology, till Live Science. Forskare håller bara inte med om vad den kraften var.
Det är där bubblor kommer in.
Bubblor fanns överallt i jordens tidiga havslandskap. Varma, djuphavsvulkaner sprutade klyftiga plommor. Dessa luftiga orbs, bosatte sig på den porösa vulkaniska berget. Dessa var de villkor som Braun och hans kollegor försökte replikera. De skapade ett kärl av ett poröst material som efterliknade strukturen hos vulkaniskt berg och fyllde det i sin tur med sex olika lösningar, var och en modellerade ett annat steg i livbildningsprocessen. En lösning, som representerade ett tidigt steg, innehöll ett socker som kallas RAO, vilket skulle ha varit nödvändigt vid konstruktionen av nukleotider, byggstenarna för RNA och DNA. Andra lösningar, som representerar de senare stadierna, innehöll RNA själv, såväl som de fetter som var nödvändiga för att konstruera cellväggar.
Sedan värmde forskarna lösningen i ena änden och kylde den i den andra. De skapade något som kallas en "termisk lutning", där temperaturen gradvis förändras från ena änden till en annan, liknande det som vattnet nära djuphavs termiska ventiler gradvis förändras från hett till kallt.
"Det är som ett mikro-hav," sa Braun.
I varje lösning tvingar temperaturförändringen molekylerna att klumpa sig - och de graviterade mot bubblorna som naturligt bildas under dessa förhållanden. Nästan omedelbart började de reagera.
Sockerarter bildade kristaller, ett slags skelett för RNA och DNA-nukleotider. Syror bildade längre kedjor och tog ytterligare ett steg mot bildningen av komplexa, RNA-liknande molekyler. Slutligen ordnade molekylerna sig i strukturer som liknade enkla celler. I en grundläggande mening, sade Braun, är celler molekyler inneslutna i påsar gjorda av fetter. Det var exakt vad som hände på ytan av hans bubblor: Fetter arrangerade sig i sfärer runt RNA och andra molekyler.
Det mest överraskande för Braun och hans kollegor, sade han, var hur snabbt dessa förändringar skedde på under 30 minuter.
"Jag blev förvånad", sa han. Även om detta är första gången han och hans kollegor tittade specifikt på bubblor, har forskarna tidigare försökt att replikera hur dessa biologiska molekyler genomgår de komplexa reaktioner som behövs för livet. Normalt, sa han, tar dessa reaktioner timmar.
Vissa kemister är dock skeptiska till att Brauns bubblor är en exakt representation av den ursprungliga miljön. Braun och hans kollegor såg ut sin lösning med många av de komplexa molekylerna som behövs för livet. Även deras enklaste lösningar representerade fortfarande senare stadier av livbildningsprocessen, berättade Ramanarayanan Krishnamurthy, en kemist vid Scripps Institution of Oceanography som inte var inblandad i studien, till Live Science. Det är lite som att baka en kaka med en lådmix, snarare än att börja från början.
Däremot kanske de gamla oceanerna inte hade rätt förhållanden för att bilda dessa initiala molekyler, sade Krishnamurthy.
Dessutom ägde bubbelexperimentet i liten skala. Det är viktigt, eftersom det innebär att temperaturförändringen från testet till nästa var mycket plötslig. I verkligheten är de termiska lutningarna under havet mer gradvisa, sade Cleaves.
Fortfarande hävdade Braun att det finns några orsaker till att bubblor kan vara den perfekta platsen för livets början. Först ger de ett perfekt gränssnitt mellan luft och vatten. Utan luft kunde många av de reaktioner som behövs för livet inte ske. Till exempel måste fosforylering, en reaktion som gör det möjligt för små molekyler att bilda komplexa molekylsträngar, ske under åtminstone delvis torra förhållanden. Inuti bubblorna är det inte ett problem; även om de är små, bubblor ger den perfekta miljön för dessa reaktioner att torka ut, åtminstone tillfälligt.
Men det finns en annan viktig roll bubblor kan spela: De skapar ordning. I stillastående vatten sprids molekyler vanligtvis utan speciellt arrangemang. Bubblor ger emellertid molekyler - och kanske livets början - något att hålla fast vid i en kaotisk värld.
