För cirka 4 miljarder år sedan, Jorden var en ogästvänlig plats, utan syre, sprängfylld av vulkanutbrott, och bombarderas av asteroider, utan tecken på liv i ens de enklaste former. Men någonstans mitt i denna kaotiska period, jordens kemi vände till livets fördel, vilket ger upphov, dock osannolikt, till planetens allra första organismer.

Vad föranledde denna kritiska vändpunkt? Hur samlades levande organismer i en så flyktig värld? Och vilka var de kemiska reaktionerna som skapade de första aminosyrorna, proteiner, och andra byggstenar i livet? Det här är några av de frågor som forskare har funderat över i årtionden när de försökte sätta ihop livets ursprung på jorden.

Nu har planetforskare från MIT och Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics identifierat nyckelingredienser som fanns närvarande i stora koncentrationer precis vid den tidpunkt då de första organismerna dök upp på jorden.

Forskarna fann att en klass av molekyler som kallas sulfidiska anjoner kan ha funnits rikligt i jordens sjöar och floder. De räknar ut att för cirka 3,9 miljarder år sedan, vulkanutbrott släppte ut enorma mängder svaveldioxid i atmosfären, som så småningom sedimenterade och löstes upp i vatten som sulfidiska anjoner - specifikt, sulfiter och bisulfiter. Dessa molekyler hade sannolikt en chans att ackumuleras i grunda vatten som sjöar och floder.

"I grunda sjöar, vi fann att dessa molekyler skulle ha varit en oundviklig del av miljön, säger Sukrit Ranjan, en postdoc vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap. "Om de var en del av livets ursprung är något vi försöker reda ut."

Preliminärt arbete av Ranjan och hans medarbetare tyder på att sulfidiska anjoner skulle ha påskyndat de kemiska reaktionerna som krävs för att omvandla mycket enkla prebiotiska molekyler till RNA, en genetisk byggsten i livet.

"Innan detta arbete, människor hade ingen aning om vilka nivåer av sulfidiska anjoner som fanns i naturliga vatten på den tidiga jorden; nu vet vi vad de var, Ranjan säger. "Detta förändrar i grunden vår kunskap om den tidiga jorden och har haft direkt inverkan på laboratoriestudier av livets ursprung."

Ranjan och hans kollegor publicerade sina resultat i dag i tidskriften Astrobiologi .

Sätter jordens tidiga stadium

2015, kemister från Cambridge University, ledd av John Sutherland, som är medförfattare till den aktuella studien, upptäckte ett sätt att syntetisera prekursorerna till RNA med bara vätecyanid, vätesulfid, och ultraviolett ljus – alla ingredienser som tros ha varit tillgängliga på den tidiga jorden, innan de första livsformerna uppträdde.

Ur kemisynpunkt, forskarnas fall var övertygande:De kemiska reaktionerna de utförde i laboratoriet övervann långvariga kemiska utmaningar, för att framgångsrikt ge de genetiska byggstenarna till liv. Men ur planetvetenskaplig synvinkel, det var oklart om sådana ingredienser skulle ha varit tillräckligt rikliga för att få fart på de första levande organismerna.

Till exempel, kometer kan ha varit tvungna att regna ner kontinuerligt för att få tillräckligt med vätecyanid till jordens yta. Under tiden, vätesulfid, som skulle ha släppts ut i enorma mängder av vulkanutbrott, skulle mest ha stannat i atmosfären, eftersom molekylen är relativt olöslig i vatten, och skulle därför inte ha haft regelbundna möjligheter att interagera med vätecyanid.

Istället för att närma sig livets ursprungspussel ur ett kemiperspektiv, Ranjan tittade på det ur ett planetperspektiv, försöker identifiera de faktiska förhållandena som kan ha funnits på den tidiga jorden, ungefär när de första organismerna dök upp.

"Livets ursprung har traditionellt letts av kemister, som försöker lista ut kemiska vägar och se hur naturen kan ha fungerat för att ge oss livets ursprung, " säger Ranjan. "De gör ett riktigt bra jobb med det. Vad de inte gör så mycket detaljerat är, de frågar inte hur förhållandena var på den tidiga jorden före livet? Kan de scenarier de åberopar verkligen ha hänt? De vet inte lika mycket vad scenen var."

Skruva ihop ingredienserna för livet

I augusti 2016 Ranjan höll ett föredrag vid Cambridge University om vulkanismen på Mars och vilka typer av gaser som skulle ha släppts ut av sådana utbrott i den röda planetens syrefria atmosfär. Kemister vid föreläsningen insåg att samma allmänna förhållanden skulle ha inträffat på jorden före livets början.

"De tog bort från det [pratet] att, på den tidiga jorden, du har inte mycket syre, men du har svaveldioxid från vulkanismen, ", minns Ranjan. "Som en konsekvens, du borde ha sulfiter. Och de sa:"Kan du berätta hur mycket av den här molekylen det skulle ha varit?" Och det är vad vi tänkte begränsa."

Att göra så, han började med en vulkanismmodell utvecklad tidigare av Sara Seager, MIT:s klass 1941 professor i planetära vetenskaper, och hennes tidigare doktorand Renyu Hu.

"De gjorde en studie där de frågade, 'Anta att du tar jorden och bara ökar mängden vulkanism på den. Vilka koncentrationer av gaser får du i atmosfären?'" säger Ranjan.

Han konsulterade det geologiska dokumentet för att fastställa mängden vulkanism som troligen ägde rum för cirka 3,9 miljarder år sedan, ungefär när de första livsformerna tros ha uppstått, letade sedan upp vilka typer och koncentrationer av gaser som denna mängd vulkanism skulle ha producerat enligt Seager och Hus beräkningar.

Nästa, han skrev en enkel vattenbaserad geokemimodell för att beräkna hur mycket av dessa gaser som skulle ha lösts upp i grunda sjöar och reservoarer – miljöer som skulle ha varit mer gynnsamma för att koncentrera livsbildande reaktioner, mot stora hav, där molekyler lätt kan skingras.

Intressant, han konsulterade litteraturen i ett ganska oväntat ämne medan han utförde dessa beräkningar:vinframställning – en vetenskap som involverar, till viss del, lösa upp svaveldioxid i vatten för att producera sulfiter och bisulfiter under syrefria förhållanden liknande de på den tidiga jorden.

"När vi arbetade med denna tidning, många av konstanterna och data vi tog fram var från vinkemitidskrifterna, eftersom det är där vi har anoxiska miljöer här på den moderna jorden, " säger Ranjan. "Så vi tog aspekter av vinkemi och frågade:'Anta att vi har x mängd svaveldioxid. Hur mycket av det löser sig i vatten, och vad blir det då?'"

Gemenskapens korshörning

I sista hand, han fann det, medan vulkanutbrott skulle ha spytt ut enorma mängder av både svaveldioxid och vätesulfid i atmosfären, det var den förra som löste sig lättare i grunda vatten, producerar stora koncentrationer av sulfidanjoner, i form av sulfiter och bisulfiter.

"Under stora vulkanutbrott, du kan ha haft upp till millimolära nivåer av dessa föreningar, som handlar om koncentrationer på laboratorienivå av dessa molekyler, i sjöarna, " säger Ranjan. "Det är en enorm mängd."

De nya resultaten pekar på sulfiter och bisulfiter som en ny klass av molekyler - sådana som faktiskt var tillgängliga på den tidiga jorden - som kemister nu kan testa i labbet, för att se om de från dessa molekyler kan syntetisera prekursorerna för livet.

Tidiga experiment ledda av Ranjans kollegor tyder på att sulfiter och bisulfiter verkligen kan ha uppmuntrat biomolekyler att bildas. Teamet genomförde kemiska reaktioner för att syntetisera ribonukleotider med sulfiter och bisulfiter, kontra med hydrosulfid, och fann att de förra kunde producera ribonukleotider och relaterade molekyler 10 gånger snabbare än de senare, och med högre avkastning. Mer arbete behövs för att bekräfta om sulfidiska anjoner verkligen var tidiga ingredienser i att brygga upp de första livsformerna, men det råder nu lite tvivel om att dessa molekyler var en del av den prebiotiska miljön.

Tills vidare, Ranjan säger att resultaten öppnar upp för nya möjligheter till samarbete.

"Detta visar ett behov för människor i planetarisk vetenskapsgemenskap och livets ursprungsgemenskap att prata med varandra, Ranjan säger. "Det är ett exempel på hur korspollinering mellan discipliner verkligen kan ge enkla men robusta och viktiga insikter."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.