Taustaa
Noin viisi miljardia vuotta sitten vastamuodostunut
Maa oli elämälle vihamielinen paikka, se oli kuumaa laavaa ja pitkään sen jälkeenkin
meteoriititenen ja muuta Aurinkokunnan pienkappaleet pommittivat Maata jatkuvasti. Elämän synty on vaatinut alkeellisten
molekyyli, monomeerien, polymeraatiota, ketjuuntumista. Elävät soluthan koostuvat pitkistä molekyyleistä,
polymeereista.
Elämän perusosasten kuten aminohappojen ajateltiin jo kauan syntyneen elottomalla tavalla mm. lämmön, sähköpurkausten ja katalyyttien edistäessä energialleen niiden syntyä, kunnes kuuluisa Millerin koe 1950-luvulla vahvisti tämän väitteen. Ei kuitenkaan tiedetä, miten nämä perusmolekyylit ovat järjestyneet valtaviksi, elämän vaatimiksi solun osasiksi, jättimolekyyleiksi. Varhaiset tutkijat ovat olettaneet elämän syntyneen lämpimissä lammikoissa olevista molekyyliliuoksista, nykyisissä malleissa spekuloidaan mm. merenalaisten tulivuorten vierustoilla, joissa elämän perusaineita purkautuu tulivuoren uumenista.
Elämän syntymiseen eli kemialliseen evoluutioon liittyy monia arvoituksia. On kiistelty muun muassa siitä, kumpi elämän perustoimijoista, geenit vai valkuaisaineet, syntyivät ensin. Elävässä solussahan geenin synty vaatii valkuaisaineita mutta toisaalta valkuaisten synty vaatii geenejä. Monet tutkijat uskovat alkeellisen perimän, RNA:n, syntyneen ensin, mutta tämä ei ole varmaa. On myös spekuloitu molekyylejä keränneiden rasvapisaroiden muistuttaneen alkusoluja. Elämän alkukehityksen uskotaan olleen aluksi hidasta, mutta nopeutuneen, kun tehokas valkuaisia tuottava systeemi oli syntynyt.
Ensimmäisten solujen oletetaan muistuttaneen alkeellisia
tumattomia bakteereja.
Nykytietämyksellä mahdollisesti elämän syntyäkin arvoituksellisempi on monimutkaisten solujen, aitotumaisten synty. Elämän synnyttyä eliöt olivat kauan aikaa mikroskooppisen pieniä: ensimmäiset merkit monisoluisista eliöistä ovat vasta noin 1,2 miljardin vuoden takaa[ }}]
Ongelma elämän alkuperästä
Solujen ja soluelinten alkuperä on herättänyt tiedeyhteisöissä valtavasti keskustelua, koska kattavaa selitystä elämän synnylle ei ole vielä kehitetty. Koska geologisia jäänteitä elämän synnyn ajoilta ei enää ole, voidaan sanoa, että tutkijoilla on ikään kuin tuhannen palan palapeli, jonka paloista on vain muutama koossa ja kokoamisohje kadonnut. Elämän synnyn tutkiminen on hidasta, mutta kehittynyt valtavasti viime vuosikymmeninä. Elämän syntyyn liittyvistä olosuhteista on tieteessäkin esitetty monia tietoja ja näkemyksiä, mutta mikään näistä ei ole tieteellisen tarkka teoria. Yleisesti hyväksyttyä, kattavaa mallia elämän synnystä nykytietämyksellä ei vielä ole saatu kehitettyä.
Elämän ilmestyminen Maahan on ajoitettu 3,5–3,9 miljardin vuoden taakse. Elämää on kuitenkin ehkä voinut olla ennen Maan muodostumista ja se olisi voinut kulkeutua tänne avaruuden läpi esimerkiksi kulkemalla komeettojen mukana. Tämä hypoteesi tunnetaan panspermiana. Näin voidaan laajentaa elämän synnyn aikaskaalaa kaikkeudessa 13,7 miljardin vuoden päähän aina alkuräjähdykseen saakka.
Useimmat elämän syntyä selittävät mallit sisältävät kuitenkin seuraavat kolme ajatusta:
- Maapallon olosuhteet synnyttivät nykyiselle elämälle välttämättömiä, melko alkeellisia perusmolekyylejä kuten aminohappoja, elottomasti.
- Fosfolipidit, fosforia sisältävät rasvamolekyylit, muodostivat spontaanisti lipiditeorianakaksoiskalvoja, jotka ovat soluseinämien perusrakennusaineita. Kaksoiskalvot voivat pisaroitua, ja pisarat kerätä sisäänsä molekyylejä ympäristöstä. Tämä tunnetaan lipidimaailma.
- Erityiset RNA-molekyylit, ribotsyymit, ovat alkaneet monistaa itseään. Tämä tunnetaan RNA-maailma-teoriana.
Elämän syntyteorioita rasittaa se, että monet elämälle välttämättömät molekyylit hajoavat niissä oloissa, joissa niiden oletetaan syntyneen (lähinnä Millerin hypoteesin mukaan), sillä ulkoa tuotu energia sekä synnyttää että hajottaa molekyylejä. Monet molekyylit myös hajoavat vedessä (
hydrolyysi). Toisaalta näitä olosuhteita ei tunneta kovinkaan luotettavasti.
Elämän synty pohjautui hiiltä sisältävien molekyylien ketjuuntumiseen, polymeraatioon. Alkeellista elämää muistuttaisi suuri molekyyli, joka osaa tuottaa kopioita itsestään. Itseään kopioiva molekyyli yleistyisi ja kehittyisi mutaatioiden kautta muunlaisiksi molekyyleiksi, joista yhdessä tulisi solun toiminnallinen ydin. Tätä kemiallista evoluutiota ei ole kyetty tutkimaan laboratoriossa tai fossiililöydöin. Se on olettamus kehityssarjasta elottomien molekyylien ja elävän solun välillä.
Kolme teoriaa
Siitä, miten molekyylit ovat muodostaneet eläviä kokonaisuuksia, on kolme perusteoriaa.
- Geenit ensin eli RNA-maailma-teorian mukaan nykyisissä soluissa DNA:n apurina toimiva RNA oli ennen ensimmäisten solujen ilmestymistä pääasiallinen tai todennäköisesti ainoa elämän muoto Maassa. Teoriaa tukee RNA:n kyky säilyttää, siirtää ja monistaa geneettistä tietoa ja sen lisäksi toimia kemiallisia reaktioita katalysoivana molekyylinä, ribotsyyminä. Teorian heikkous on se, että RNA hajoaa helposti hydrolyysissä vedessä ja säteilyn takia. RNA:lla on kuitenkin vakaampia muunnelmia PNA, TNA ja GNA. On myös spekuloitu että PAH-ketjut olisivat auttaneet RNA:n synnyssä, mutta tätä teoriaa ei ole testattu.
Toinen heikkous on se, että erityyppisten RNA:n osasten synty vaatii erilaisia kemiallisia oloja, jotka eivät esiinny yhdessä, ja joista esim. fosfaattiliuso, on luonnossa harvinainen. On arvioitu, että RNA vaatii syntyäkseen 18 eri kemiallista tilaa.
- Aineenvaihdunta ensin -teorian mukaan yksinkertaisia reaktioita ja aineenvaihduntaa on ollut ennen geenien syntyä. Aineenvaihdunta tarkoittaa tässä kemiallisten reaktioiden ketjua, jossa yksistä prosesseista vapautuva energia siirtyy toisen prosessin käyttöön, mikä lopulta johtaa monimutkaisempien molekyylien syntyyn.
- Sekamallit ovat koko ajan suositumpia malleja, jotka yhdistävät ajatuksia molemmista edellä mainituista malleista.
Kaikissa teorioissa on vielä joitain puutteita, mutta niitä voidaan mallintaa ja testata laboratorio-olosuhteissa. Koska koskemattomia kerroskivilajeja Maan alkuajoilta on lähes mahdoton löytää, on teorioiden testaaminen vedenpitävästi käytännössä hankalaa. Lisäksi näiden teorioiden mukaan elämän synnyn vaatima kemiallinen evoluutio on vienyt ainakin miljoonia vuosia.
John Desmond Bernal on ehdottanut, että elämän synnystä on tunnistettavissa muutamia 'askeleita'.
- Monomeerin synty
- Polymeerien, ketjumaisten suurmolekyylien synty
- Molekyylien evoluutio soluiksi
Bernal on myös ehdottanut, että darwinistinen evoluutio sai alkunsa asteiden 1 ja 2 välissä.
Elämän kehityksen päävaiheet
- Elämä maapallolla syntyi 3,5–3,9 miljardia vuotta sitten
- Prokaryootit hallitsivat 3,5–2,0 miljardia vuotta sitten
- Hapellinen ilmakehä muodostui noin 2,7 miljardia vuotta sitten
- Eukaryootit kehittyivät 2,1 miljardia vuotta sitten
- Monisoluiset eukaryootit kehittyivät noin 1,2 miljardia vuotta sitten
- Varhaisella kambrikaudella (550–530 miljoonaa vuotta sitten) eläinten diversiteetissa räjähdysmäinen kasvu
- Kasvit, sienet ja eläimet valtasivat Maan noin 500 miljoonaa vuotta sitten
Olettamuksia elämän synnystä
[[Kuva:Nur04506.jpg|thumb|On oletettu, että alkuelämä syntyi merenalaisen tulivuoren,
mustan savuttajan läheisyydessä. Tulivuori tuotti energiaa ja purki elämän perusrakenneosasia.]]
Kaikki elämä on järjestäytynyt soluiksi. Paljaalla silmällä näkyvä elämä, kuten ihmiset, kasvit, sienet ja muut eliöt koostuvat aitotumaisista soluista, kun taas mikroskooppisen pienet bakteerit ja arkkieliöt ovat rakenteeltaan yksinkertaisempia esitumallisia eli prokaryootteja. Aitotumainen solukoneisto kehittyi 2–4 miljardia vuotta sitten, ja se oli yksi suurimmista harppauksista maapallon elämälle.
Eloperäiset oliot eivät ole mitään erikoista ainetta, ne erottuvat ympäristöstään oikeastaan vain monimutkaisen rakenteensa ansioista. Elävällä oliolla on mm. kyky kasvaa, lisääntyä ja ottaa ravintoa ympäristöstään. Elämä koostuu suurelta osin alkuaineista, jotka ovat maailmankaikkeudessa yleisiä. Näitä ovat mm. hiili, vety, happi, typpi, rikki ja fosfori. Jotkut eloperäiset molekyylit, mm. solun reaktioita ohjaavat entsyymit, voivat kuitenkin vaatia myös harvinaisempia rakenneosia, ns. hivenaineita.
Elämän pohjamolekyylejä ovat geenit ja valkuaisaineet eli proteiinit. Geenitietoa voivat sisältää DNA ja RNA. DNA ja RNA koostuvat nukleotideista, joissa on emäs, sokeri ja fosforihappomolekyyli.
Osa valkuaisista on solun rakennusaineita, toiset ohjaavat solulle elintärkeitä kemiallisia reaktioita. Valkuaiset rakentuvat aminohapoista, joista elämä käyttää 22 erilaista. Kolmen nukleotidin pätkä eli kodoni vastaa geneettisessä koodissa yhtä valkuaista. Elämän käyttämät molekyylit ovat valtavia, satojen, jopa miljoonien atomien kokoisia. Todennäköisyys sille, että sattumalta syntyisi edes jokin tuhansista solun reaktioita ohjaavista entsyymeistä, on hyvin pieni. Tämä viittaa elämän synnyn suhteelliseen harvinaisuuteen.
On joitain viitteitä siitä, että elottomat molekyylit voisivat suotuisissa oloissa monimutkaistua alkeellisiksi eloperäisiksi molekyyleiksi. On tehty monia kokeilta, joissa on onnistuttu tuottamaan muun muassa yksinkertaisista molekyyleistä vedestä, ammoniakista, metaanista ynnä muusta alkeellisia eloperäisten suurmolekyylien osasia mm. lämmön, sähköpurkausten ja ultraviolettisäteiden avulla. Näitä alkeellisia molekyylejä esiintyy muun muassa jättiläisplaneettojen ilmakehissä ja tulivuorten purkauskaasuissa. Hapen kyky hapettaa orgaanisia yhdisteitä, joita tarvitaan elämän synnylle johtaa siihen, ettei näitä yhdisteitä voisi nykyisessä happi-rikkaassa ympäristössä kehittyä.
Ultraviolettisäteily toisaalta hajottaa eloperäisiä molekyylejä. On onnistuttu tuottamaan muun muassa valkuaisaineiden osia, aminohappoja. Joitain alkeellisia eloperäisiä molekyylejä leijuu tähtienvälisissä pilvissä, muun muassa alkoholia, ja aminohappoja, glysiiniä ja alaniinia. On myös kyetty tuottamaan lyhyitä RNA:n pätkiä. RNA:han on valkuaisaineiden tuoton apumolekyyli ja elämälle välttämätön. Millerin koetta muistuttavissa kokeissa on tehty jatkotutkimuksia, joiden perusteella oletetaan, että ensimmäiset elävät oliot sisälsivät nykyistä vähemmän aminohappoja.
Toistaiseksi ei osata sanoa, miten yksinkertaiset eloperäiset molekyylit olisivat järjestyneet elämän tarvitseviksi, valtaviksi suurmolekyyleiksi.
Fosfolipidit, fosforia sisältävät rasvat voivat esimerkiksi aallokossa pisaroitua ja sulkea sisäänsä eloperäisiä molekyylejä. Nämä fosfolipidipisarat voivat myös jakautua solun tavoin. Suotuisissa oloissa fosfolipidipisaraan saattaisi syntyä reaktioketju, joka ylläpitää itseään elämän tavoin. Alkeellinen solua muistuttava fosfolipidipisara vaatii ravinnokseen muun muassa aminohappoja ja RNA:n osasia.
On esitetty erilaisia käsityksiä elämän synty-ympäristöstä. Hypoteeseina mahdollista alkuelämän syntypaikoista pidetään muun muassa lämpimiä vuorovesilammikoita, rantavyöhykkeitä, kuumia lähteitä, meren pohjan vulkaanisia saostumia, kuumia maan syvyyksiä ja komeettoja. Myös komeetan ytimeen voi muodostua vettä ja olosuhteet ovat melko vakaat.
Darwinilta peräisin oleva perinteinen ajatus elämän syntypaikaksi on ollut matala, lämmin lammikko. Nykyisin ollaan löydetty valtameren keskiselänteistä bakteereja melko kuumista oloista 'mustien savuttajien', tulivuorten läheltä. Siellä tulivuoret purkavat hiiltä, rikkiä ym. elämän perusosasia. Energia elämän syntyyn olisi tullut esim. rauta-rikki-reaktioista.
Maan syvyyksistä löydetyt pienet elävät oliot, nanobit, ovat antaneet aihetta päätelmiin, että elämä olisikin saanut alkunsa Maan syvyyksissä, jossa on monia mineraaliaineita elämän rakennuspalikoiksi.
Geneetikot jäljittävät esisoluja geenien avulla. Molekyylin muodossa 'fossiileja' voidaan löytää jokaisen nykyisen eliön soluista. Esimerkiksi rna:n geenit ovat kopioituneet lähes muuttumattomina miljardien vuosien ajan kaikilla eliöillä. Nykyisin samoja geenejä jokaiselta eliöltä on löydetty 60, tosin se ei vielä riitä solulle sen elossa pysymiseen.
Arkkieliöt, bakteerit ja aitotumaiset ovat kaiken elämän päähaaraat. Muinoin niiden välillä oli lukuisia eri vaihtoehtoja ristiin rastiin. Aitotumaiset ovat kehittyneet esiaitotumaisten ja bakteerien välisestä symbioosista, joten elämän niin sanottu esi-isä muistutti joko bakteereja tai arkkibakteereja, joista todennäköisesti jälkimmäistä, tosin yhteisen esi-isän ominaisuuksia on vaikea selittää.
Varhainen elämä ei tarvinnut happea, eli se oli anaerobista. Hapellinen ilmakehä syntyi maapallolle noin kolme miljardia vuotta sitten, seurauksena ilmakehästä ja merten syanobakteereista, kun ne pilkkoivat vettä ja tuottivat happea sivutuotteena. Evoluution valintapaine johti symbioosiin, josta syntyi mitokondrioita. Happi oli aluksi vain myrkyllinen jäteaine, jota syntyi energiantuotannosta. Anaerobinen arkkibakteeria muistuttanut esisolu mahdollisesti siemaisi happea kuluttuvan bakteerin sisäänsä ja vältti täten hapen myrkyllisen vaikutuksen. Happea kuluttanut bakteeri sai suojaa ja ravintoaineita isäntäsolulta. Sisäeläjä tarjosi anaerobiselle isännälleen energiaa, jota syntyi tehokkaasti hapellisesta hengityksestä. Tätä tapahtumaa kutsutaan endosymbioosiksi, jota pidettiin vielä 1920-luvulla huuhaana. Näin happea kuluttavat aitotumaiset eliöt nousivat maapallon valtiaiksi. Symbioosin valintapaine on voinut olla myös vetyyn perustuva energiantuotantoa, jossa toinen olisi tuottanut ja toinen kuluttanut sitä, joten aitotumaiset olisivat voineet kehittyä jo varhaisemmassa vaiheessa.
Abiogeneesin kokeellinen historia
Yrityksissä mukailla varhaisia maapallon oloja on saatu molekyylejä reagoimaan keskenään, muodostaen muun muassa aminohappoja. Tunnetuin on Stanley Millerin ja Harold Ureyn vuonna 1953 tekemä koe, joka tunnetaan Millerin kokeena. Kokeessa ohjattiin lämpöä ja sähköpurkauksia vesi-metaani-vety-ammoniakkiseokseen. Tarkoitus oli tutkia venäläisen Alexander Oparinin aiemmin esittämää hypoteesia elämän luonteesta. Millerin kokeessa syntyi kolmeatoista elämän käyttämistä 22 aminohaposta, yksinkertaisinta aminohappoa,
glysiiniä, luonnollisesti eniten. Ureyn ja Millerin koejärjestelmässä kaikkiaan kymmenen prosenttia hiilestä muuttui organisiksi yhdisteiksi ja kaksi prosenttia aminohapoiksi. Samoja aminohappoja löydettiin vuonna 1969 Australiaan pudonneesta meteoriitista.
Alkuaan Espanjan Kataloniasta kotoisin oleva Joan Oró toteutti 1959–1962 koesarjan, jossa hän onnistui tuottamaan adeniinia ja aminohappoja vetysyanidista, ammoniakista ja vedestä. Nämä aineet ovat yleisiä tähtienvälisen aineen pilvissä. Myöhemmin Oró tuotti myös DNA:n rakenneosasia, nukleotideja. Nykyään yleinen näkemys, että komeetat olisivat tuoneet elämän syntyyn tarvittavia yhdisteitä avaruudesta on alkujaan Orón käsialaa.
Saksalainen Günter Wächtershäuser väitti 1980 vastoin Millerin tutkimuksia, että energia elämän syntyyn olisi tullut rautasulfidistaen hapettumisesta. Hänen kehittämässään reaktiossa syntyi aminohappoja, ja myös kahden-kolmen aminohapon ryhmiä, mutta hydrolyysi myös hajotti nämä samoissa oloissa nopeasti. Wächtershäuserin ajatus 'rauta-rikki maailma' oli ensimmäinen hypoteesi elämän synnystä merenpohjan hydrotermisten lähteiden ympäristössä.
1980-luvun puolivälissä Glasgow'n yliopiston tutkija Graham Cairns-Smith esitti oletuksen, jonka mukaan liuoksessa olevat pienet savikiteet auttaisivat eloperäisiä molekyylejä järjestymään. Teoria tuli kuuluisaksi ja siihen viitataan edelleen silloin tällöin, muttei ole saanut abiogeneesitutkimuksen alalla kovin laajaa kannatusta.
Yhdysvaltalainen biofyysikko David Deamer tutkimusryhmineen on tutkinut 'solukalvo ensin -hypoteesia', jonka mukaan soluja ympäröivät kalvot muodostuivat aluksi ja varsinainen elämän synty olisi kenties tapahtunut näiden pussien sisällä. Deamerin ryhmä on onnistunut tuottamaan alkeellista solukalvoa muistuttavia lipidipusseja äärimäisen yksinkertaisissa olosuhteissa osoittaen, että solukalvojen synty ei ainakaan muodosta merkittävää ongelmaa elämän historiassa.
Vuonna 2002 Eckard Wimmer tutkimusryhmineen onnistui rakentamaan koko polioviruksen 7500 nukleotidia pitkän genomin synteettisesti ja lisäksi syntetisoimaan itse infektion aiheuttavan partikkelin. Mikäli virukset laskettaisiin eläviksi organismeiksi, tämä koesarja olisi kiistatta tuottanut elävän olion elottomista lähtöaineista.
Vuonna 2004 Los Alamos National Laboratoryssä työskentelevä Steen Rasmussen ryhmineen julkaisi Chenin–Rasmussenin esisolu;n. Se on yksinkertainen lipidipussi, joka sisältää hieman DNA:ta muistuttavaa PNA:ta, joka kykenee toimimaan samanaikaisesti sekä geneettisen informaation varastona, että ohjaamaan kopioitumistaan. Mullistavaa oli, että tällä yksinkertaisella esisolulla on toimiva aineenvaihdunta: se käyttää valoenergiaa ja tuottaa sen turvin lisää lipidejä sekä PNA:ta. Chenin–Rasmussenin esisolu ei kuitenkaan osaa jakautua, joten se ei kykene lisääntymään eikä ole siinä suhteessa elävä. Se on kuitenkin toimiva yhdistelmä perimää ja aineenvaihduntaa.
Mytologisia näkemyksiä
- ''Pääartikkeli:Elämän alkuperä (mytologia)
Monissa uskonnollisissa ja mytologisissa näkemyksissä jokin yliluonnollinen ilmiö tai olento on saanut aikaan elämän.
Lähteet
Viitteet
Kirjallisuutta
Aiheesta muualla
Entstehung des Lebens
Origines de la vie
Livets uppkomst
