Ajan taju
Aika se vain virtaa ohi omaa tasaista tahtiaan. Sekunnit, minuutit, tunnit, päivät – vuodet … vuosisadat ja tuhannet. Mutta ihmisen kokemus ajan pituudesta on kovin suhteellinen –joskus aika ei riitä – joskus se on taas aivan liian pitkää. Elämme tässä hetkessä. Ajan pituutta osaamme konkreettisesti ajatella suunnilleen vain niin kauas taakse- tai eteenpäin kuin mihin asti lähiomaisten elämä ulottuu. Mummon iän verran … Näiden perusteella ihmisellä on taipumus kokea maailma muuttumattomana, tai ajatella että sen tulisi pysyä muuttumattomana. Ilmasto pitäisi pysyä sellaisena kuin se on, samoin olosuhteiden, politiikan, maailman valtasuhteiden ja eliökunnan lajiston.
Kuitenkin maailmaa hallitsee muutos. Joskus asiat muuttuvat rytinällä. Tapahtuu katastrofeja – esimerkiksi suurista meteoriittitörmäyksistä tai basalttipurkauksista johtuvia massa-sukupuuttoja. Suuri osa lajistosta voi tuhoutua – mutta jonkun toisen kannalta osapuolen kannalta – eli sen kannalta joka rytäkästä selviää hengissä – muutos voikin olla positiivinen, ja sitä voidaan kutsua anastrofiksi.
Meidän kannalta tällainen positiivinen anastrofi oli esimerkiksi Chicxulubin meteoriittitörmäys noin 65 miljoonaa vuotta sitten, joka päätti matelijoiden ja dinosaurusten valtakauden ja antoi tilaisuuden pussieläinten ja nisäkkäiden nopealle lisääntymiselle. Parikymmentä miljoonaa vuotta myöhemmin kaikki nisäkkäiden pääryhmät olivat jo olemassa – mukaanlukien pienten kädellisten nisäkkäiden linja. Aika kului – lajit kehittyivät, muuttuivat uusiksi lajeiksi, edelliset lajit hävisivät. N. 5 miljoonaa vuotta sitten simpanseihin ja hominoideihin johtavat linjat erosivat toisistaan, ja 4 miljoonaa vuotta sitten Afrikan savanneilla käveli jo – kummallisesti pystyasennossa – uusi laji, joka on sittemmin nimetty Etiopian apinaihmiseksi. Noin miljoona vuotta myöhemmältä ajalta tunnetaan tämän lajin tekemät ensimmäiset työkalut. Noin 200 000 vuotta sitten hominoidien sukuhaarassa ilmestyy linja jota kutsutaan nykyihmiseksi – mutta tämän rinnalla maailmassa on olemassa vielä kauan aikaa joitakin muitakin lähisukuisia lajeja. N. 60 000 vuotta sitten nykyihminen vaelsi pois Afrikasta, ja vähitellen asutti kaikki mantereet. Hieno esittely ihmisen lajin historiasta löytyy vaikkapa Smithosonian instituutin sivulta http://humanorigins.si.edu/
Ihmisen – kuten muidenkin lajien – kehittyminen liittyy ympäristön muutoksiin. Kaikenlaiset vaikeudet ja uudet olosuhteet ovat pakottaneet lajeja sopeutumaan ja muuttumaan. Erityisesti ilmaston muutokset ovat oleellisesti vaikuttaneet ihmisen lajin kehitykseen. Ilmaston kuivuminen ja sademetsien väheneminen esimerkiksi pakotti aikoinaan apinaihmisen siirtymään savannille. Siellä piti oppia kävelemään pystyssä ja juoksemaan – ja elämään ryhmissä, ja kommunikoimaan kavereiden kanssa. Genomiin kertyi muutoksia – lähimpään kädellislajiin eli simpanssiin verrattuna n. 4 % koko genomisesta sekvenssistä on aikojen kuluessa muuttunut. Tärkeimmät geneettiset muutokset jotka selittävät ihmisen ja simpanssin fyysisiä eroja liittyvät kuitenkin vain noin puoleen kymmeneen geeniin, jotka säätelevät ihmisen aivojen, kurkunpään ja käden rakenteen kehitystä. Nykyihmisen genomi on edelleen jotakuinkin se sama millaiseksi se kehittyi esi-isien metsästäessä Afrikan savanneilla.
Se mikä on muuttunut on meidän kulttuurimme, tietotasomme, viestintämme ja elämäntapamme. Biologisesti olemme yhä jotakuinkin samanlaisia kuin olimme 200 000 vuotta sitten. Muuten on elämä mallissaan, mutta tämä savannilla kehittynyt kroppa ei vain oikein sopeudu tähän toimistotuolilla työskentelyyn.
2 kommenttia “Ajan taju”
Vastaa
Miksi tämä elämä on nyt juuri tällaista – voisiko olla toisenlaista?
Miten elottomat aineet – hiili, vety, happi, typpi, fosfori ja rikki – ja vähäisessä määrin jotkut muut alkuaineet – ovat onnistuneet reagoimaan keskenään niin että niistä on syntynyt elämää? Elämä kohti rakentuvien molekyylien on pitänyt käydä läpi monia kiperiä vaiheita. Monia niistä vaiheista voidaan jotenkin mallintaa – mutta vielä toistaiseksi eri tutkijat ehdottelevat kuhunkin vaiheeseen aika erilaisia ja keskenään ristiriitaisia malleja. Syntyprosessin etenemisen todellisia reittejä ei ole pystytty todentamaan, tiedetään vain että tällainen elämä siitä sitten lopulta tuli. Valmiin elämän olemus kuitenkin tunnetaan jo hyvinkin tarkkaan – ja perusolemukseltaan se on sitä yhtä ja samaa, samanlaista elämää.
Kaikki elämä koostuu noista alussa mainituista alkuaineista – niistä muodostuu samanlaisia rakenne-molekyylejä (nukleotideja, aminohappoja, lipidejä, sokereita) ja näistä rakentuu varsin samantyyppinen solukoneisto. Kaikissa lajeissa elämää ohjaa geneettinen informaatio – vaikka sen sisältö vaihtelee lajista toiseen, niin sen rakenne ja käyttöjärjestelmä on sama: DNA ja RNA koostuvat kumpikin neljästä erilaisesta, keskenään pariutuvasta nukleotidista – tai kahdesta erilaisesta nukleotidiparista: DNAssa parit ovat A-T ja G-C – RNAn nukleotidit ovat hyvin samantapaisia kuin DNA:ssa (siksi informaatio voi kopioitua toisesta toiseen) – mutta niissä T-nukleotidin sijalla käytetään U-nukleotidia. Proteiinit taas rakentuvat yhteensä kahdestakymmenestä erilaisesta aminohaposta.
Mutta miksi elämä on juuri tällaista – onko sen pakko olla tällaista – vai voisiko se olla myös toisenlaista? Miksi käytössä on juuri nuo mainitut nukleotidit, juuri ne neljä erilaista DNAssa ja RNAssa? Ja miksi proteiineissa on käytössä juuri nuo tietyt kaksikymmentä erilaista aminohappoa? Elämän piti syntyä spontaanisti valmiina olemassa olevista rakennuspalikoista, jossakin sopivissa olosuhteissa – mutta ne samat olosuhteet jotka tuottivat juuri tämän elämän rakennuspalikoita, mitä todennäköisimmin tuottivat myös monia muita hyvin samantapaisia molekyylejä. Itseasiassa, suotuisat elottomat ympäristöt – esim. avaruudessa – tuottavat orgaanisten molekyylien kirjon joka on valtavasti suurempi kuin mitä elämä koskaan tuottaa. Miksi siis elämän käyttöön valikoitui juuri tuo hyvin tunnettu PIENI valikoima rakennuspalikoita. Selvää vastausta tähän kysymykseen ei tiedetä.
Asiaa on viime vuosina kokeellisesti tutkittu. Useat tutkimusryhmät ovat jo näyttäneet että solujen koodi-repertuarissa voidaan ottaa käyttöön koodeja uusille aminohapoille: soluun viedään geeni joka koodaa sitä vastaavaa (muunnettua) tRNAta, sekä uusi (muunnettu) geeni koodaamaan asylaasientsyymia, joka liittää ko. aminohapon ja tRNAn toisiinsa. Uusi aminohappo voidaan joka syöttää solun sisään ulkopuolelta, tai soluun voidaan rakentaa myös uusi synteesireitti ko. aminohapolle – ja voilaa, muunnettu organismi pystyy liittämään tätä vierasta aminohappoa osaksi proteiinirakenteitaan (ks. http://schultz.scripps.edu/research.php)
Synteettisesti voidaan DNA-rihmojen sisään ujuttaa myös ”vääriä” eli synteettisä nukleotideja. Useita erilaisia emäspareja on jo testattu – ja havaittu että ne pystyvät toimimaan kaksoiskierteen rakennuspalikoina luonnollisten emäsparien seassa. Tähän asti näitä rakennuspalikoita on testailtu vain koeputkessa – in vitro – mutta toukokuun alkupuolella julkistettiin tutkimus, jossa tuollaisia keinotekoisia nukleotideja oli onnistuttu viemään E.coli solujen sisälle (Malyshev et al. 2014, May 15, Nature 509, 385-3889). Siellä ne onnistuneesti lliittyivät kopioituvaan DNAhan – ja solut elivät ja jakaantuivat iloisesti eteenpäin niinkuin mitään kummallista ei olisi tapahtunut. Mediassa tämä kuitenkin aiheutta merkittävän kohun: Olihan tämä ensimmäinen kerta kun elävässä solussa toimivaa geneettistä informaatiota on onnistuttu rakentamaan synteettisistä komponenteista.
Tämä tutkimuksen viimeisen vaiheen haasteellisuus – eli näiden synteettisten nukleotidien vieminen sisälle E. coli soluun – kuvastaa sitä miten pitkällisen muuntelutyön takana tuollaisen uudenlaisen geneettisen koneiston rakentaminen on. Tässä tapauksessa kyseiset nukleotidt onnistuttiin viemään solujen sisälle ulkopuolelta – mutta tietenkin se pysyvämpi tapa rakentaa uusia geneettisiä komponettteja on että solun pitäisi tuottaa ne itse sisällään. Tähän tarvittaisiin kokonaiset biosynteesireitit – uudet geenit uusille entsyymeille – eikä ihminen vielä osaa kirjoittaa sekvenssejä jotka koodaisivat kokonaisia toimivia proteiineja. Jotta nukleotideista rakentuisi toimivaa koodaavaa sekvenssiä niin niille pitää tuottaa myös RNA-juosteissa toimivat vastinnukleotidit. Yhden uuden emäsparin lisäämisen jälkeen sekvenssissä olisi olemassa kuusi erilaista nukleotidia – eli se pystyisi koodaamaan 63 (=216) erilaista kolmikkokoodia – eri valtavan paljon enemmän aminohappoja kuin ne kaksikymmentä mitä nyt on käytössä. Nykyinenkin koodi tuottaa yhteensä 64 erilaista kolmikkoa – mutta käyttää vain kahtakymmentä aminohappoa – siispä millään elollosiella muodolla (ei edes bioinsinööreillä) ei varmasti olisi tarpeellista käyttää koko tuota repertuaaria — erityisesti kun jokaisen uuden aminohapon käyttöönottoon tarvitaan taas uudet kompnentit (tRNA, aminoasylaasientsyymi, aminopahon biosynteesi- ja hajotusreitit).
Mutta, periaatteessa – elämä siis VOI olla toisenlaista – ja täällä maan päällä elämä VOI kehittyä toisenlaiseksi, ainakin bioteknillisissä sovellutuksissa. Ainakin HIUKAN toisenlasaiseksi — . Tämä on nyt oikeasti sitä synteettistä elämää – uusista palikoista rakennettavaa solujen sisällä toimivaa elämää. Nämä ensimmäiset saavutukset ovat vielä vain sen osoittamista että tämä on periaatteessa mahdollista (proof of concept) – mutta jatkossa, kun menetelmät kehittyvät, uusia sovellutuksia voi löytyä loputtomasti: lääkkeitä, solutoimintojen muokkaamista – oikeaa synteettistä ja suunniteltua biologiaa. Mutta erityisesti: tämän reitin kautta varmaan löydetään vastauksia myös kysymykseen: MIKSI ELÄMÄ ON (OLLUT) TÄLLAISTA.
Vastaa
Eliökunnan vaihtoehtoisia kehitysskenaarioita planeetalla Maa
Elämä ilmestyi tällä planeetalle jo n. 4 miljardia vuotta sitten. Se alkoi yhdestä ainosta elämän alkumuodosta, ja kaikki elämän perusominaisuudet ovat peräisin tuolta alkumuodosta. Tästä elämän yhteisestä esi-isästä (niin kutsutusta LUCAsta) elämä sitten haarautui eri suuntiin.
Ensin kehittyivät erilleen arkit ja bakteerit – näin ainakin tällä hetkellä ajatellaan – ja näiden yhdistymisen tuotteena syntyivät myöhemmin tumalliset eliöt. Nykyisin jopa viruksetkin usein luetaan omaksi elämän päähaarakseen. Sittemmin eliökunta on kehittynyt ja muuttunut lakkaamatta, koko ajan. Tosin ensimmäisen kahden miljardin aikana se tuotti vain yksisoluisia elämänmuotoja. Sitten kun ilmakehä muuttui happipitoiseksi kuvaan ilmestyivät myös monisouiset eliöt – ensin levät, sitten kasvit, ja kabrikauden räjähdyksestä alkaen myös eläimet.
Elämä levittäytyi myös kuivalle maalle – ja synnytti loputtomasti muuttuvaa kasvien, eläinten ja mikrobien monimuotoisuutta. Se jatkuvasti kierrätti – ja yhä kierrättää – elämän välttämättömiä ravinteita (hiiltä, typpeä, fosforia, rautaa ja muita mikroravinteita) epäorgaanisen ja orgaanisen muodon välillä. Eliökunnan ja ympäristön vuorovaikutukset sekä satunnaiset ympäristökatastrofit – jääkaudet, meteoriittitörmäykset, mannerten liikkeet ja muut sattumukset – toimivat valintatekijöinä – ja ne kaikki yhdessä ovat tuottaneet juuri tällaisen eliökunnan kehityshistoria kuin mitä tiedämme tällä planeetalla tapahtuneen. Tähän eliökunnan kehityshistoriaan voitte tulla tutustumaan Tuorlan observatorion ja Turun yliopiston välillä kulkevalle Aikavellus-reitille: kaikki sen tärkeät vaiheet on merkitty tälle aikajanalle siten että reitin jokainen metri vastaa miljoonaa vuotta historiassa.
Näinhän se meni täällä Maassa – mutta entäpä, olisiko se voinut mennä toisin? Olisiko elämä saattanut alkaa toisenlaisena, olisiko sen kehitys heti alussaan voinut lähteä eri suuntaan – ja miten erilaisia elämänmuotoja tai eliökuntia nämä vaihtoehtoiset skenaariot olisivat voineet tuottaa?
Kehittyisikö elämä DNA- ja proteiinipohjaiseksi, ja solulliseksi? Olettakaamme näin – koska emme tässä kohtaa osaa ajatella muita realistisia elämän perusrakenteita. Varmasti ainakin varhaisimmat elämänmuodot olisivat yksisoluisia. Kuitenkin jo tässä vaiheessa lajistoon pitää syntyä tasapainoisesti sekä hiiltä sitovia perustuottajia että hiiliyhdisteiden hajottajia, jotta hiilen ja muiden ravinteiden kiertokulut käynnistyvät.
Voisimme myös olettaa että monisoluisuus pääsisi syntymään vain siinä tapauksessa, että planeetan ilmakehä muuttuisi happipitoiseksi, vettä hajottavan fotosynteesin tuotteena. Kuten olemme aiemmin keskustelleet (Elämän selviytymisen ja kehittymisen mahdolliset skenaariot planeetalla M) tämän kehitysvaiheen tapahtuminen on vähintäänkin epävarmaa. Mutta oletetaan että se tapahtuu – ja sallii monisoluisten eliöiden ilmestymisen kuvaan.
Kuitenkin, samalla kun ilmakehä muuttuu happipitoiseksi se välttämättä johtaa siihen että kasvihuonekaasujen määrä vähenee – ja hupsista, planeetta jäähtyy. Ehkä kokonaan jääplaneetaksi, niinkuin kävi Maassakin, jopa kahteen kertaan, kun ilman happipitoisuus nousi asteittain. Tällaiset totaali-jääkaudet ovat ankaria olosuhteita eliökunnalle ja muodostuvat uhkaksi, tai ainakin pullonkaulaksi, koko eliökunnan säilymiselle. Hapen kertyminen ilmakehään on muutenkin erittäin merkittävä tekijä eliökunnan kehitykselle, sillä se – otsonin muodossa – blokkaa maan pinnalle tulevan kovan UV-säteilyn, ja tätä kautta mahdollistaa elämän levittäytymisen kuivalle maalle.
Näissäkin uusissa elinympäristöissä tarvitaan monimuotoista eliökuntaa – kokonaisia ravintoketjuja – jotka hoitavat biomassan hajotuksen ja sen rakennusaineiden kierrättämisen takaisin alkuperäiseen epäorgaaniseen muotoonsa (kaasuiksi tai liukoisiksi yhdisteiksi). Tehokkaimpia loppuhajottajia ovat tietysti mikrobit – mutta on mahdollista että nämä yksinään eivät pystyisi hajottamaan meren pohjiin kerääntyviä paksuja (kasvi)biomassakerroksia! Pekka Janhusen kanssa taannoin pohdiskelimme (Biological Feedbacks as Cause and Demise of Neoproterozoic Icehouse: Astrobiological Prospects for Faster Evolution and Importance of Cold Conditions. PloS ONE, 2007; 2(2): e214) – että monisoluisten, liikkuvien, saalistavien ja ruokaa etsivien ja kaivavien eläinten – HUOM, NIMENOMAAN ELÄINTEN – ilmestyminen ravintoketjuihin aiheutti sen, että hiilen kierto biomassan ja ilmakehän välillä tehostui ja stabiloitui niin, että se ei enää sen jälkeen ole heilahtanut sellaiseen ääritilanteeseen joka olisi johtanut totaalisen jäätiköitymiseen…. Monimutkaiset takaisinkytkentään perustuvat säätelyverkot lisäävät systeemin stabiilisuutta! Eliökunnan ja planeetan olosuhteiden kehittyminen tapahtuu vastavuoroisesti: kaikki vaikuttaa kaikkeen.
Tiedämme suunnilleen, miten se on tapahtunut Maassa aikojen kuluessa – mutta jos kaikki alkaisi alusta uudelleen, kehittyisikö tämä suuri, erilaisiin vuorovaikutuksiin perustuva systeemi samalla tavalla? Syntyisikö eliökuntaan jo alussa riittävästi monimuotoisuutta, jotta ravinteiden globaalit kierrot käynnistyisivät? Käynnistyisikö jossakin vaiheessa happea tuottava fotosynteesi? Jos käynnistyisi, niin se mahdollistaisi monisoluisten eliöiden nousun. Tämä taas puolestaan voisi stabiloida hiilen (ja typen) kiertoa niin että ilmakehän koostumus ja hiilen kierto asettuisivat johonkin tasapainotilaan. Tämä taas pitkälti määräisi ilmastotyypit ja ekosysteemien laadun planeetalla.
Eliökunta kehittyisi ajan mittaan monimutkaisemmaksi, isot eläimet ja kasvit ilmestyisivät kuvaan. Ravintoketjuissa eläviin monisoluisiin eläimiin kehittyisi todennäköisesti liikuntaelimiä ja ympäristön aistimista mahdollistavia ominaisuuksia, sillä nämä parantavat sekä saalistajien että saaliseläinten kilpailukykyä. Hyvin vaihtelevat ja ravintorikkaat (energiarikkaat) olosuhteet tuottaisivat runsaasti lajeja ja monimuotoisuutta – tämä taas toisi mukanaan myös lisää kompleksisuutta. Ajoittain toistuvat katastrofit pyyhkisivät pois suuren osan lajeista – ja olisi onnen kauppaa (sanoo Stephen Gold, Ihmeellinen Elämä kirjassaan) mitkä lajit säilyisivät katastrofien yli, ja minkälaiset olosuhteet sen jälkeen ohjaisivat kehitystä taas uuteen suuntaan. Toisaalta, vaikeat ja haasteellisetkin ajat lisäisivät monimuotoisuutta ja tuottavat uusia ominaisuuksia – myös älykkyyttä.
Älykkyyttä – jonkinlaista – varmaan syntyisi siksi, että se antaa merkittävää kilpailuetua edustajilleen: nytkin tiedetään eräs varsin älykäs laji maapallolla, joka on pystynyt valloittamaan kaikkien mantereiden asuinkelpoiset alueet ja lisääntymään planeetalla ennennäkemättömiin mittasuhteisiin. Toisaalta, tuollainen ylenpalttinen älykkyys tuo mukanaan myös riskejä – mm. sellaisia, että ko. laji voi hetkellisesti ylittää ympäristönsä kantokyvyn. Toisaalta, näistä ylilyönneistä ei liene pysyvää haittaa: suurten ekosysteemien sisäiset vuorovaikutukset tai ajoittain toistuvat katastrofit kyllä pystyvät pyyhkäisemään pois minkä tahansa häiriötekijän – esimerkiksi muuttamalla ilmaston, vuoristot ja mantereiden sijainnit – ja eliökunta ja ympäristö löytää taas jonkun uuden tasapainotilan. Siis – eihän sitä koskaan tiedä – ei voi ennustaa – mitä kehitys tuo tullessaan…
Vastaa
Elämän identiteetti ja erillisyys (solukalvot: elämän synnyn ongelmia järjestysnumerolla 6)
Eräs elämän oleellinen ominaisuus on sen erillisyys – sen oma identiteetti: se on jotakin erilaista kuin mitä sen ympärillä on. Vaikka elämä on erillään ympäristöstään, sen on myös oltava koko ajan hyvässä ja kiinteässä kontaktissa sen kanssa. Sen pitää pystyä tekemään selvä raja itsensä ympärille, mutta myös kommunikoimaan tuon rajan yli. Rajojensa sisällä sen pitää pystyä pitämään yllä erilaisuutensa (identititeettinsä), sukupolvesta toiseen. Tämä pätee kaikkeen elämään – jokaiseen elävään soluun. Kaikki se jännä biokemia ja molekyylien ja reaktioiden kirjo mitä elämään kuuluu, se kaikki esiintyy vain solukalvojen sisällä.
Solukalvot ovat elämälle välttämättömiä siksi että ne luovat sen suljetun tilan jonka sisällä elämä voi säätää omaa koostumustaan. Ne ovat välttämättömiä myös siksi että ne sitovat kaikki kyseisen eliön komponentit (proteiinit, geenit, metaboliareitit) yhdeksi toimivaksi yksiköksi. Juuri tämä yksikkö (tämä ominaisuuksien yhdistelmä) on luonnonvalinnan kohteena, ja sukupolvien ketjussa kaikki sen komponentit kehittyvät yhdessä, toisistaan riippuvaisina. Solukalvot ovat myös hienoja ja dynaamisia soluelimiä: ne pystyvät tarkasti säätelemään mitä aineita ne kuljettavat sisään, ja mitä ulos. Kalvonsa sisällä elävä solu pystyy pitämään yllä hyvää ja tasapainoista olotilaa eli homeostasiaa.
Kuitenkin on epäselvää missä vaiheessa – ja miksi – solukalvot tulivat varhaisten elämän muotojen käyttöön. Monet tutkijat näyttävät suhtautuvan tähän kysymykseen jonkinlaisena itsestäänselvyytenä: elämä on – ja on siis aina, jo heti alusta alkaen ollut – solullista. Kalvon sisälle sulkeutumiseen liittyy kuitenkin vakavia ongelmia: elämänhän piti lähteä käyntiin jossakin sellaisessa ympäristössä missä oli runsaasti saatavilla juuri niitä oikeita rakennuspalikoita (nukleotideja, aminohappoja…), eikä ole ollenkaan selvää mitä hyötyä solukalvosta olisi ollut tällaisessa ympäristössä. Sehän olisi vain haitannut rakennuspalikoiden kulkeutumista reaktioihin, ja jätteiden kulkeutumista niistä pois. Kuitenkin monet tutkijat (ja hyvinkin merkittävät tutkijat, kuten esimerkiksi nobeltutkija Jack Szostack – ) ovat sitä mieltä että jo varhaisin elämän evoluutio on tapahtunut kalvorakkuloiden eli esi-solujen sisällä. Erilaiset (riittävän) pitkät hiilivetyketjut (rasvahappojen kaltaiset lipidit) olisivat spontaanisti muodostaneet kalvoja vesiliuoksessa – ja joissakin HYVIN sopivissa olosuhteissa nuo kalvot olisivat myös voineet spontaanisti muodostaa vesikkeleitä, eli rakkuloita. Nuo kalvot olisivat voineet olla puoliläpäiseviä, eli ne olisivat sallineet pienten molekyylien (rakennuspalikoiden) kulkeutua sisään päin, mutta olisivat pidättäneet isot molekyylit (polymeerit) rakkuloiden sisällä. Mainitut tutkijat ovat kokeellisesti osoittaneet että tuollainen molekyylien valikoiva spontaani kulkeutuminen on todellakin mahdollista alkeellisten kalvojen läpi.
Silti – silti – en oikein ymmärrä tätä: vaikka tuo kulkeutuminen onkin mahdollista, niin silti tuo kalvo ehkäisee, jossakin määrin, molekyylien liikkuvuutta. Lähtöaineiden konsentraation pitäisi välttämättä olla korkeampi rakkulan ulkopuolella kuin sen sisäpuolella – siis, mielestäni olosuhteet polymeerien syntymiselle eivät ainakaan parane sisälle päin mennessä. Ja mikä vielä hurjempi ongelma: solukalvo olisi estänyt lisääntyvien RNA-juosteiden –siis toimivan informaation – vapaan liikkumisen, ja niiden satunnaisen yhdistelemisen eli rekombinaation.Tämä on kuitenkin ollut (ehkä tärkein) uutta informaatiota tuottava prosessi. Jos vaikka jotakin polymeerejä syntyisikin satunnaisesti rakkuloiden sisällä, onnistuisivatko ne tuottamaan tässä suljetussa tilassa koko sen molekyylien moninaisuuden mitä elämän syntyyn tarvitaan (aiemmissa blogeissani esitetyt ongelmat, järjestysluvuilla 1-5).
Ja josko vaikka replikoituvien molekyylien kirjo syntyisikin tuollaisten sponttanien (ja keskenään yhdistyvien) rakkuloiden sisällä – niin mitä sitten: Kunkin esi-solun sisälle kehittynyt ”hieno” molekyylivalikoima menetetään kokonaan siinä kohtaa kun kyseinen esi-solu hajoaa. Ehjää, periytyvää solulinjaa voidaan ylläpitää vain jos ko. solussa on olemassa monimutkainen solunjakaantumiskoneisto, joka jakaa tytärkromososmit ja solu-organellit niin että solu jakaantuu tasan kahteen keskenään samanlaiseen tytärsoluun. Tällainen solunjakaantumis-koneisto tarvitsee toimiakseen useita proteiineja, ja se tulee mahdolliseksi vasta proteiinisynteesin ja niitä koodaavien geenien pitkällisen evoluution kautta.
Itse olisin sitä mieltä että pysyvästä solukalvosta ei ollut mitään hyötyä ennenkuin tällainen hallittu solun jakaantumismekanismi tuli käyttöön – ja että se tuli käyttöön vasta sitten kun elämän perustoiminnat (mm. proteiinisynteesi) olivat jo varsin pitkälle kehittyneet. Mutta kuinkas – miten ja miksi – solurakenne sitten ollenkaan lähti kehittymään tähän suuntaan? Se olisi voinut tapahtua vaikka samalla systeemillä miten pienet RNA-virukset nykyään lisääntyvät isäntäsolujensa sisällä: ne pystyvät aiheuttamaan sen että isäntäsolun erilaiset kalvorakenteet – siis solun sisäiset kalvostot – muodostavat pieniä rakkuloita, joiden sisällä virukset replikoituvat. Tällaiset tilapäiset lisääntymisrakkulat ovat erittäin hyödyllisiä nykyisille viruksille: Vesikkelit toimivat virus-RNAn turvapaikkana kopioitumisen ajan: niiden sisällä virus-RNA on turvassa isäntäsolun nukleaaseilta ja puolustusreaktioilta. Vesikkelin sisällä replikaasi kopioi juuri oikeaa RNAta, reaktiossa on saatavana kaikki tarvitut komponentit, ja replikaatio ei häiriydy saman RNAn translaatiosta. Replikaation jälkeen virus-RNAt taas vapautuvat isäntäsolun sisälle ja toimivat muissa tehtävissä. Ilmiötä on tutkittu erityisesti Professori Paul Ahlquistin ja suomalaisen Tero Aholan laboratoriossa.
Ilmeisesti samankaltaiset lisääntymis-rakkulat olisivat olleet hyödyllisiä myös ensimmäisille replikoituville molekyyleille. Aiemmin jo puhuimme varhaisten molekyyliyhteisöjen virhe-katastrofista: molekyylien joukkoon kehittyi paljon virheellisiä (parasiittisia) sekvenssejä, jotka olisivat voineet sekoittaa ja hävittää kilpailullaan koko molekyyliyhteisön elinvoiman. On mahdollista että replikaattori-molekyylit oppivat vetäytymään tilapäisten lisääntymis-rakkuloiden sisälle puolustautakseen tuollaisia parasiitteja vastaan. Solukalvot ovat siis voineet lähteä kehittymään tuollaisista viruksen-kaltaisista lisääntymis-rakenteista. Jokatapauksessa on todella hienoa että sellainen rakenne aikoinaan keksittiin. Nimittäin sen sisällä elämä on sittemmin pystynyt määrittelemään itsensä – ja kehittymään (evoluution kautta) kaikkiin niihin moninaisiin muotoihin mihin se on kehittynyt.
5 kommenttia “Elämän identiteetti ja erillisyys (solukalvot: elämän synnyn ongelmia järjestysnumerolla 6)”
-
Sisarliisa sanoo:
Näin tiedeohjelman kasvien ja mykoritsojen eli maasienten välisestä yhteistyöstä. Ohjelmassa kerrottiin, että kasvin juurisolukko pystyy tunnistamaan kemiallisesti itselleen sopivan mykoritsan ja päästämään sen soluväleihin, jopa solunseinämän sisälle. Tässä symbioosissa kasvi saa sieneltä vettä ja ravinteita ja sieni kasvilta sokeria. Tätä symbioosia yritetään käyttää hyväksi aavikoitumisen estämiseen Afrikassa. En tiedä liittyykö asia mitenkään ylläolevaan, mutta osoittaa aiankin sen, että solu voi oppia tunnistamaan sisäänpyrkijöitä ja osaa säädellä solukalvon läpäisevyyttä vielä nykyäänkin. Onko se solun alkuperäinen ominaisuus?
-
Kirsi Lehto sanoo:
Sisarliisa!
Hieno huomautus! Niinhän tässä näinä aikoina koko ajan kuullaan uusia havaintoja siitä miten ”viisaasti” alkeelliset eliöt osaavat käyttätyä. Varmasti tuo tarkoistuksenmukainen toiminta – myös vuorovaikutussuhteissa – siis siinä miten kannattaa kaveerate muiden elävien kanssa – esimerkiksi ryhtyä tuollaiseen molempia osapuolia hyödyttävään yhteistyöhön — niin, varmasti sen sorttista toimintaa on ollut olemassa jo ihan alusta lähtien. Alkaen siitä että ne ensimmäiset lisääntyvät molekyylit oppivat tekemään yhteistyötä – ja yhdessä rakensivat solun sisäisen molekyylikoneiston. Sitten ne varhaiset solut oppivat elämään ”yhteisöissä” – esimerkiksi ravintoketjuissa … toistensa kanssa. Semmosta se on – ei täällä kukaan ihan yksinään pärjää. Luulen että elävät eliöt ovat ”tajunneet” tuon ihan alusta alkaen. Pakkohan se on ollut – tuo lienee vahvimpia elossa selviytymista edistäviä tekijöitä… -
Lasse Reunanen sanoo:
Kupliminen luonnon (maailmankaikkeuden) perusominaisuus, jota kehityskulkua solukalvojen muodostuminenkin edellyttää.
Alkaen avaruudesta niin galaksit ryhmittyneet kuplamaiseen verkostoon ja yksittäiset galaksit sekä tähdetkin muodostaa kehitysvaiheissaan kuplallisia muotoja – liike-energian jatkumona…
Auringon pintakerros kuplii…
Planeetoilla – Maallakin omat kuplansa, ilmakehää – eri kerroksin… Merissä ilma ja kaasut kuplii sekä lämmön vaikutuksesta kattilan ruoka-aineet sekoittuu kuplimalla rakenteiksi.Elollisissa solurakenteissa myös vesielementti, joissa liike- ja painevaihtelua. Vesiliukoinen sokeriseoskin tuottaa ilmaan puhallettuna saippuakuplaa. Elollisissa soluissa myös sokeriainesta…
Solurakenteet kykenee kuplallisuudestaan mukautumaan useiksi muiksikin muodoiksi, mutta kuplallinen pallomaisuus niissä kaikissa on kehitystaustana… -
Metusalah sanoo:
Tämäkin kommentti voi mennä vähän ohi mielenkiintoisen blogin pääaiheesta, mutta kirjoitanpa sen silti.
Katsoin vuosia sitten tv:sta dokumentin, joka käsitteli solujen toimintaa ihmiskehossa. En tietenkään voi muistaa ulkoa kaikkea mitä ohjelma piti sisällään, mutta yksi asia jäi erityisesti mieleeni. Nimittäin se, että ihmisen jokainen solu on jo sikiövaiheessa ”ohjelmoitu” toimimaan ja tuottamaan vain sille tarkoitettua tehtävää. Vielä lähes muodottomassa alkiossa korvasolu ”tietää” olevansa korvan rakennuskomponentti, nenäsolu nenän, varvassolu varpaan ja niin edelleen.
Mutta: jos korvasolu siirretään itselleen vieraaseen ympäristöön, tai jätetään vaikkapa yksinään kellumaan koeputkeen, se on hukassa; se ei tiedä mitä pitäisi tehdä ja se tuhoutuu. Solun oikea toiminta perustuu siis vääjäämättömästi siihen tosiasiaan, että se saa työskennellä vain siinä kontekstissa, johon se on tarkoitettu, jossa se itse tunnistaa olevansa ”kotonaan”. -
Terve Lasse ja Metusalah,
Tuo ”kupliminen” on mielenkiintoinen konsepti — sehän liittyy siihen että aineet leviävät tai sekoittuvat väliaineessa kolmi- (tai neli-)ulotteisessa avaruudessa ympäräsymmetrisesti. Mutta se ei silti ainakaan yksinään ihan kuvaa tuota solukalvon syntyä – koska siinä on kysymys rajapinnan syntymisestä. Ja nimenomaan vielä puoliläpäisevän rajapinnan, joka samanaikaisesti sekä eristää että yhdistää, eli kuljettaa läpi aineita ja informaatiota… Silti, tuokin rajapinta kyllä voisi syntyä spontaaneista ”kuplista” — siksi että lipidit nimenomaan muodostavat spontaaneja kuplia — ja näinhän monet tutkija uskovatkin. Jotakin runollisia analogoioita on vedetty jopa Kreikan tarustoon, missä Afrodite nousi meren vaahdosta. Minä kuitenkin koetin tuossa blokissani arkumentoida että nuo spontaanit kuplat eivät ole tarpeeksi ”fiksuja” ja toimivia ja dynaamisia, ja siksi niistä on enemmän haittaa kuin hyötyä….Metusalah taas kertoi hyvän esimerkin siitä miten tärkeää on solun kommunikaatio ympäristön kanssa. Solu osaa määrittää oman identiteettinsä vain jos se tietää (siis saa tietoa erilaisten viestisysteemien kautta) mitä sen ympärillä on. Tämä pätee yksilön kehityksessä ja solukoiden erilaistumisessa, juuri niinkuin kerroit – ja se myös pätee monessa muussa tilanteessa: solut käynnistävät geenitoimintojansa (esim. patogeenien infektiivisyysgeenit, tai kasvien reagoiminen valoon tai veden määrään tai kasvuvaiheeseen, kaikenlaiset hormonaaliset vasteet aiheuttavat erilaisia reaktioita) riippuen siitä mitä niiden ympärillä on…
Tämähän on analoginen tilanne sille miten korkeammat monisoluiset eliötkin käyttäytyvät: ne reagoivat sen perusteella mitä niiden ympärillä on…
siis, niinkuin tuossa kuplimisessa: samantapainen ilmiö kaikissa eri mittakaavoissa …
Vastaa
Monimutkaisuus: onko sen syntyminen hyvin vaikeaa ja harvinaista – vai olisiko se ollut peräti helppoa ja yleistä? – elämän synnyn ongelmia järjestysnumerolla 5
Jormalle kiitoksia taas hyvästä kysymyksestä edelliseen blogini. Siinä hän esitti – aivan oikein – että eihän satunnainen muuntelu ole pahasta eliöiden lisääntymisessä, vaan kaiken kehittymisen perusta. Ja niin juuri onkin! Hän myös pahoitteli blogini vaikeaa kielenkäyttöä – ja minäkin pahoittelen sitä – mutta sitä ei voi nyt ihan kokonaan välttää kun tarkoitus on selvittää elämän olemusta ja sen alkuperää. Nimittäin, perusongelmana elämän synnyn problematiikassa on se käsittämättömän suuri, kerroksittain rakentunut monimutkaisuus – joka näyttää olevan elämän perusominaisuus. Tätä monimutkaisuutta tunnetaan vain molekyylibiologian menetelmien ja termien kautta, ja siksi sitä on pakko myös kuvailla näillä termeillä.
Monimutkaisuutta löytyy solujen sisältä todella huikaisevan paljon. Kosmiset rakenteet ja niiden dynamiikka ovat meille maallikoille käsittämättömän monimutkaisia – mutta uskaltaisinpa väittää että kompleksisuus solujen sisältä, molekyylien verkostoista ja niiden monikerroksisesta moniulotteisista vuorovaikutuksista on yhtä vaikuttavaa.
Suurin osa tästä kompleksisuudesta on syntynyt ja kasaantunut, kerros kerrokselta, juuri tuon satunnaisen muuntelun ja luononvalinnan tuotteena mitä tuossa alussa oli puheena. Ja se on ihan selvä ja helposti ymmärrettävissä oleva prosessi. Mutta on vaikeampaa ymmärtää mistä tuli se ensimmäinen riittävä kompleksisuus, eli se mitä vaadittiin siihen että lisääntyminen ja luononvalinta käynnistyivät. Nimittäin – ei ollut olemassa mitään valintaa joka olisi suosinut ”keskeneräisiä ” rakenteita, eli sellaisia rakenteita jotka eivät VIELÄ toimineet … vai olikohan sittenkin.
Jo niihinkin ensimmäisiin molekyylirakenteisiin tarvitaan paljon sidosenergiaa – ne siis saattoivat syntyä vain sellaisissa olosuhteissa joissa runsas energiavuo virtasi lähtöaineiden läpi. Se että energiavirta synnyttäisi monimutkaisia molekyylirakenteita – ja vielä vesiliuoksessa – kuulostaa perin oudolle siksi että nämä tekijät tyypillisesti hajottavat molekyylejä mieluummin kuin että rakentaisivat niitä. Tähän termodynamiseen paradoksiin onkin kuitenkin ilmeisesti olemassa aivan mahdollinen termodynaminen selitys.
Mainiossa artikkelissaan The inevitable journey to being (Phil. Trans. R. Soc. B 2013 368, 20120254, published 10 June 2013) Michael J. Russell, Wolfgang Nitschke and Elbert Branscomb kuvaavat että komplesisuutta voi syntyä ns.” entropiaa tuottavien moottoreiden” tuotteena. Nämä ”moottorit” muodostuvat erilaisista energian siirtoreaktioista, jotka muuntavat lähtösysteemin energia- ja/tai materiatason matalammaksi ja kokonaisentropiatason suuremmaksi. Suomeksi sanottuna, ne ovat siis ihan tavallisia energian läpivirtaussysteemejä. Kuitenkin, suuri energiavuo – siis suuri potentiaaliero alkuperäisen energialähteen (järjestyksen) ja lopputuloksena olevan maksimaalisen entropian välillä – JOS SE JOUTUU PURKAUTUMAAN JOTENKIN HITAASTI – niin se joutuu matkalla tekemään työtä. Tämähän on se ihan tavallinen vesimyllyn tai höyrymyllyn periaate. Luonnollisessa ympäristössä fysikaalinen energia muuttuu esimerkiksi kemiosmoottiseksi gradientiksi – ja lopulta sitoutua kemialliseksi energiaksi, esimerkiksi hiilen yhdisteisiin. SEN ON SIIS PAKKO PURKAUTUA SITEN ETTÄ SE TUOTTAA JÄRJESTYSTÄ. Jos tuo järjestys ei edelleenkään voi helposti hajota niin se siirtyy eteenpäin niin että se tuottaa lisää järjestystä – aina maksimaaliseen tilaansa asti missä kaikki energia on sitoutunut mahdollisimman suureen järjestykseen. Koko maailmankaikkeuden mittakaavassa, tämä maksimaalisen järjestyksen tila on ELÄMÄ, sanovat Russell ja kumppanit. Heidän mukaansa järjestystä synnyttävänä energialähteenä olisi toiminut koko varhaisen planeetan geoterminen energiavarasto, ja sen ajama serpentinisaatioreaktio. Myllyrakenteena – siis systeeminä joka muuntaa ja varastoi energian kemialliseen muotoon, olisi taas toiminut merenpohjan alta purkautuva kuuma vesi, sen alkaaliset olosuhteet ja pelkistävät yhdisteet jotka purkautuvat happamaan meriveteen mineraalikalvostojen läpi.
Tuo mylly on muuntanut lämpöenergiaa ensin pelkistysenergiaksi ja kemiallisosmoottiseksi gradientiksi . Se edelleen on muuttunut kemialliseksi energiaksi – eli edelleen, yhä suurempien ja monimutkaisempien molekyylien kemialliseksi energiaksi. Noiden molekyylien korkea järjestys on edelleen muuttunut elämäksi .
Tätä maailman suurta dynaamista järjestelmää ihmetellessäni joudun aina joskus hämmennyksen valtaan. Pienillä muurahaisen aivoillani koetan hahmottaa siitä jotakin suurempaa järjestystä ja säännönmukaisuutta – mutta ei voi mitään, toistaiseksi olen aina päätynyt vain tällaiseen suuren epätietoisuuteen:
Maailman attribuutit
Emmehän me voi tietää
mitä ovat maailmankaikkeuden attribuutit
emmehän tunne niitä edes täällä Maan päällä
Onko maailmankaikkeus kylmä, onko se pelkkää kvarkkien tanssia
fuusioreaktioiden lämpöpisteitä keskellä loputonta kylmyyttä,
olomuotojen muutoksia, kuin kiehuvaa keittoa
energian valumista aineesta ulos ja tyhjyyteen
ja annihiloitumista omaan maksimaaliseen epäjärjestykseensä
ja lopulliseen kylmyyteen, jäähän ja sammumiseen
Vai olisiko se lämmin ja järjestystä tuottava,
olisiko se suuri, lähes ääretön määrä energiaa, voimalaitoksia
jotka tuottavat koko ajan uutta hyvää, lämpöä ja rakennusaineita
ja niillä ruokkivat ja hoitavat ja ylläpitävät ympäristöään
lukuisia pieniä planeettoja, planeettakuntia
missä aine koko ajan leikkii ja luo uutta
kerää itseensä energiaa, voimaantuu, kasvaa ja ottaa muodon
uudelleen ja uudelleen, loputtomasti uusia muotoja
fraktaaleja, harmoniaa, säännönmukaisuutta ja sääntöjen rikkomista
vanhaa ja uutta, kuin sinfoniaa kaikissa äänilajeissa
kaikilla soittimilla, loputtoman monissa äänikerroissa
ja kauneutta
Vaikka näemme että näin tapahtuu,
että molemmat nämä toisensa poissulkevat vaihtoehdot
koko ajan ja samanaikaisesti tapahtuvat
emme edes tiedä onko se kaikki suurta sattumaa ja kaaosta
vai onko se hienosäädettyä; aina uudelleen säätyvää ja sopeutuvaa
luonnonlakeihin ja aineen ominaisuuksiin sisäänrakentuvaa
monimutkaisuuden rakentumisen välttämättömyyttä
elämän potentiaalia joka sisältyy jo kvarkkien tanssiin
joka välttämättä pyrkii esiin kylmän maailman rakenteista
pyrkii tekemään kotinsa jokaiselle planeetalle
asuttamaan kaiken mahdollisen tilan, ja juuri siinä
tulemaan todeksi, kauniiksi ja onnelliseksi
Emmehän me tiedä, emmekä ymmärrä
edes tätä oman lajimme ja elämämme laatua, saati sitten eliökunnan
tätä minkä kosmiset voimat, kvarkkien tanssi ja energian läpivirtaus
ovat tälle planeetalle kasvattaneet
hallitseeko tätä taistelu, sodan ja tuhon voimat
yksilöiden, kansojen, lajien välinen kilpailu
ja toinen toisensa hallitseminen ja hyväksi käyttäminen
vai hallitseeko tätä rinnakkainelo, yhteistyö ja harmonia
toinen toisestaan iloitseminen, antaminen ja ylläpito
uuden rakentaminen, kokeilu, etsintä
hyvään pyrkiminen, hyvään uskominen
ja kauneus
Kumpi on totta
riippuu siitä keneltä kysyt
Ja lopulta, se on sinun oma valintasi
sinun totuutesi, sinulle, henkilökohtaisesti
sillä – emmehän me tiedä ….
emme ainakaan vielä tänään –
mutta ehkä jo huomenna
17 kommenttia “Monimutkaisuus: onko sen syntyminen hyvin vaikeaa ja harvinaista – vai olisiko se ollut peräti helppoa ja yleistä? – elämän synnyn ongelmia järjestysnumerolla 5”
-
IkuinenRakkaus sanoo:
Jos pohtii sitä miten vetyatomit yhdistyvät tähtien keskustoissa, niin siihen tarvitaan erittäin suuri ulkoinen liike / paine joka puristaa kaksi vetyatomia isommaksi kokonaisuudeksi jne.
Itse ajattelen että aine koostuu tihentymistä jotka kierrättävät keskenään koko ajan laajenevaa asiaa ja jos näin, toimisivat laajenevan tähden jokainen erillinen laajeneva tihentymä laajenevana ”moottorina” jotka kohdistavat laajenemisensa työntävänä voimana ympärillä oleviin laajeneviin ”moottoreihin” ja näin laajenevan tähden keskustaan paine joka puristaa kaksi erillistä vetyastomia isommaksi kokonaisuudeksi!
Näinköhän elämä todellakin olisi saanut alkunsa meren syvyyksien paineessa siten että avaruudesta työntyi normaalia enemmän liikettä tihentymäaaltona jonka tihentymiä työntyi laajenevien vesimolekyylien ja muidenkin elämään liittyvien molekyylien atomien ytimiin ja näin nopea paineen kasvu isolla alueella joka yhdisti vesimolekyylejä ja joitakin muita molekyylejä uudella tavalla jne?
http://www.onesimpleprinciple.com malli olisi työntymässä aineen pienimpien osasten kautta kohti aineen isompi rakenteita ja molekyylibiologit OSP mallia kohti elämän isoimpien rakenteiden kautta kohti elämän pienimpiä rakenteita?
-
Energiansiirtoraktiot ovat ihan valtavan moninaiset maailmassa- koko ajan se vain virtaa paikasta toiseeen, kuumemmasta viileämpään, koko ajan se matkallaan pyörittää erilaisia myllyjä…
Mutta elämän synty on tarvinnut jonkun ison ja stabiilin energialähteen joka on kohdentanut sen energiansa kemiallisten raktioiden ajamiseen … ei siinä sen kummempaa -
Siitä pienestä alussa on lähdettävä – niin edelleenkin kehittyneet isot eliötkin, ihmisetkin saa alkunsa kahden vastakkaisen solun sulautuessa yhteen. Ja solullisetkin elämät kehittyneet jostain… Solullisuuden kautta elämän todellisuus selvitettävissä.
Tiedämme yhden poikkeusihmisen, jonka soluperimää elänyt yli 50 vuotta ihmiselämänsä päättymisen jälkeen – syöpäkasvaimen vaikutuksesta. Tätä HeLa (Henrietta La…) solujen kasvua lääketiede hyödyntää. Henrietta oli tietääkseni osittain mulattiperimää, jolla vanhemmat valkoisten – ja mustien sukuja – joista poikkeamien seoksesta pitkäkestoinen syöpäkasvain saanut elinkelpoisen kasvualustan. En tunne soluperimää riittävästi, mutta oletan pienempien virusten käynnistävän soluissa syöpäkasvua – siis sopiva kasvualusta mahdollistaa erityyppisten eliöainesten vuorovaikutusten käynnistymistä. Myös vastakkaista – kasvutekijöiden estoja ja pysäyttämistä tiedetään.
Näitä elämän edellytysten käynnistymisiä ja toisaalta rajoittavia estoja ollut sopivissa suhteissa riittämin määrin elämän alkuun. Joudumme kuitenkin nyt tyytymään olemassa olevan elämän muotoutumiseen. Mikäli kyettäisiin ymmärtämään elottomasta elollisen syntymää – niin siitä avautuisi samalla alkuluomisen salaisuutta. Ihminenhän tietää vain alkuluomisen rakenteita toimintoineen, joista tulkintoina uskonnolliset – ja tieteelliset kuvaukset muodostuneet… -
Aika vaikea juttu. Jos vaikka löytyisikin elämän synnyn hetki kemiallisesti, missä ja milloin on tietoisuuden synnyn hetki? Oliko jo ensimmäisellä elävällä solulla tietoisuus? On mahtanut olla superoivallus: minähä olen elävä! Olisiko kuitenkin joku ihme ohjaus ollut, joka ohjasi kaikkia näitä prosesseja. Runo on kuitenkin hyvä. Riittävä vastaus näille aivan toiselta planeetalta oleville teorioille!
-
Sisarliisa hyppää tässä jo taas kertaluokkia vaikeampiin kysymyksiin – joskin tietysti kovin aiheelliseen! Tuo tietoisuus – sekin menee sellaisen määrittelyongelman alle. Mitä se on? Voiko se olla muutakin kuin hermoverkkojen viestintää? Voiko se olla sama kuin yhden solun ”elämänhalu” –joka taas voisi alkeellisimmillaan olla vain sen yhden (geneettisen) polymeerin kyky – ja sitä kautta välttämättömyys – kopioitua … Nää on hauskoja kysymyksiä!
-
Jorma Kilpi sanoo:
Yksi hullu ehtii kysyä enemmän kuin 1000 viisasta vastata, varsinkin kun kiitellään. Siispä: jos riittävän monimutkaisuuden ja elämän syntyminen eivät ole aivan älyttömän vaikeita asioita, niin eikö planeetallamme silloin olisi edelleenkin periaatteessa eväät synnyttää elämä uudelleen alusta?
”siis systeeminä joka muuntaa ja varastoi energian kemialliseen muotoon, olisi taas toiminut merenpohjan alta purkautuva kuuma vesi, sen alkaaliset olosuhteet ja pelkistävät yhdisteet jotka purkautuvat happamaan meriveteen mineraalikalvostojen läpi.” Tällaiset olosuhteet voivat kai edelleenkin olla olemassa? Elämä on kai tosin muuttanut meriveden kemiallisia ominaisuuksia, mutta geotermistä energiaa on edelleenkin. Onko noilla Russel & al. tutkijoilla jokin sellainen oletus joka ei päde enään nykyisessä maapallossa? Kuinka paljon sitä energiaa tarvitaan ”kemiallisosmoottisen gradientin” tai ”serpentinisaation” synnyttämiseen? (Voitko avata noita termejä meille maallikoille?)
Voidaanko heidän tuloksiaan testata tai falsifioida?
-
Uusien teorioiden rakentelu ja kyseenalaistaminen on hauska ajatusleikki ainakin meille jotka emme asiaa työksemme tutki. Tutkijoiden pitänee pystyä esittämään jotain näyttöä teorioidensa tueksi. Mutta tämä taitaa olla asia, josta ei ihan varmaa faktaa ole olemassa, joten hullun kaikki tuhat kysymystä ovat sallittuja. Kukapa tietää vaikka jossain meren syvyyksissä syntyisi koko ajan uutta yksisoluista tai virus-tyyppistä elämää, joka vasta seuraavan 50miljardin vuoden kuluttua on vallitseva elämänmuoto maapallolla.
-
Hyvät kyselijät! Niin kauan kuin emme varman päälle tiedä vastauksia, kaikki teoriat ja kysymykset ovat avoimia, ja sellaisina niitä on hauska pyöritellä – myös näin meidän harrastajien kesken. Itseni luen myös harrastajaksi (aika vakavaksi)- en siis asiantuntijaksi, kun puhutaan meren pohjan geokemiasta. En tiedä tarkkaan millaiset olesunteet siellä nykyisin vallitsevat – paitsi tietysti sen että nuo kuuman veden purkausaukot toimivat yhä, ja pulputtavat yhä alkaalista ja mineraalipitoista vettä. Moottori siis pyörii yhä, ja maan kuoren lämpö on jotakuinkin ehtymätön käyttövoima. Kuitenkin olosuhteet ovat sillä tavalla muuttuneet että merivesi on nyt lievästi emäksistä – vastaavaa pH gradienttia ei siis synny mitä joskus alkuaikoina – eikä mylly voi rakentaa ainakaan samanlaista vetyioni (pH)-gradienttia kuin silloin. Myös olosuhteet ovat hapelliset — happi on tosi tuhoisaa vapaille isoille molekyyleille. Ja mikä vielä yksi juttu: nyt kun siellä on elämää joka puolella – varmasti kaikissa niisä lokeroissa jotka olisivat ehkä kenties suotuisa kemiallisille reaktioille — niin se olemassa oleva elämä syö kaiken ravinnoksi kelpaavan. Ei ole siis enää sijaa tässä majatalossa uusille tulokkaille!!
terv. K.
-
Jos ollaan tarpeeksi syvällä meressä sekä happi että eliömäärä lienevät hyvin vähäisiä. Jossain laulussa sanotaan: on nukahtanut Jumala, tai jatkaa luomistaan…kumminko lie?
-
Eipä sitä tiedä. Suattaahan sitä tilaa syntyä yks kaks? Sopivan tiheyden omaava energiapulssi sopivan lähellä räjähtävästä supernovasta voisi saada aikaan isoa tuhoa ja samalla se voisi saada aikaan sopivan paineenvaihtelun jonka seurauksena molekyylejä voisi yhdistyä taas täysin uudella tavalla?
Eikös näitä monien lajien sukupuuttoon kuolemia saman aikaisesti ole tapahtunut aina aika ajoin?
-
… ni niin, oottepa taas ihan oikeassa, hyvät lukijat. Ei voida sanoa että tilanne pysyy ikuisesti sellaisena kuin se on nyt – tai kuten koetin edelliskerralla väittää ettei tänne enää mahdu uusia elämän alkuja. Tänne voi kuitenkin iskeä joku isompi katastrofi, joko ylhäältä tai alhaalta, ja se voi steriloida kyseisen kohdan tai koko planeetan ihan hetkessä. Ja sitten voisi olla taas uusi mahdollisuus jossa uutta elämää voisi syntyä, vaikkapa vanhoista olemassa olevista biomolekyyleistä… tosin, jos se katastrofi on vain kohtuullisen kokoinen niin on todennäköistä että tämä olemassa oleva ja elossa säilynyt elämä valtaa sen tyhjän tilan taas hyvin nopeasti.
No niin – tässä sitten päästään kysymykseen että miten todennäköistä on että elämä täältä häviäsisi. Itse asiassa sitä on tosi vaikeata hävittää kokonaan. Sitä varten pitäisi koko maan kuori kuumentaa yli sata asteiseksi — nimittäin – siellä alhaalla kallioperässä elää kiveä syövä eliökunta (bakteereita ja arkkeja) joita löytyy niin syvälle asti missä lämpötila nousee haitallisen korkeaksi, eli yli sadan asteen. Siis, totaalituho tarviis koko maan kuoren kuumentamisen tätäkin koekeampaan (yli 122 C) asteen lämpötilaan…
Elämä on siis todella sitkeää sorttia…ja kilpailukykyista: aina kun syntyy uusia olosuhteita missä on nestemäistä vettä, ja lämpötila alle tuon 122C, niin jo kohta siihen sevittäytyy jotakin elävää… -
Avaruutta luotaamalla on, tämän aamun tiedon mukaan, nähty mitä tapahtui sekunnin sadasosa alkuräjähdyksen jälkeen. Voidaanko avaruutta tutkimalla siis katsoa ajassa taaksepäin, vai miten se tapahtuma voidaan sieltä nähdä? Mikäs silloin räjähti, jos sitä ennen ei ollut mitään? Tien rakentajat voisivat olla kiinnostuneita tietämään miten tyhjällä räjäytellään. Varsinkin, jos sen voisi tehdä hallitusti. Kuinka pian sen alkuräjähdyksen jälkeen, tämän edellä käsitellyn elämänsynnyn katsotaan olevan? Ja olisiko siinä välissä kuitenkin voinut olla joku muu elämän vaihe, joka olisi välillä tuhoutunut? Muutama muukin pikkujuttu vielä askarruttaa, mutta tässä nyt nämä tärkeimmät.
-
Harry Lehto sanoo:
Sisarliisa,
Tuosta eilisestä tärkeästä mikroaaltotaustasäteilyn polarisaatio uutisesta on Syksy Räsänen ehtinyt kirjoittaa hienon ja selventävän blogin luepa se.
https://www.ursa.fi/blogit/kosmokseen-kirjoitettua/index.php/ensimmaisen-sekunnin-perukoiltaAvaruus on sellainen että kun katsot mihin suuntaan tahansa näet menneisyyteen. Valo matkaa äärellisellä nopeudella ja esimerkiksi kosmisesta naapuristamme Andromedan galaksista sen kestää tulla tänne 2 miljonaa vuotta.
Alkupamauksen räjähdyksen olosuhteita tutkitaan esimerkiksi CERNissä jossa yksittäisiä hiukkasia kiihdytetään lähes valon nopeuteen ja sitten törmäytetään tarkkaan toiseen hiukkaseen. Tästäkin on ollut juttua aiemmin Syksyn blogeissa. Suosittelen.
Aurinkokunta muodostui noin 4.567 miljardia vuotta sitten, eli 9.2 alkupamauksen jälkeen. Nämä blogin tapahtumat ajoittuvat ajanjaksolla joka on noin 3.8-4.5 miljardia vuotta sitten. On se mahdollista että elämä olisi voinut syntyä muualla ennenkuin Aurinkokunta syntyi. Olihan siinä ainakin aikaa. Se elämä ei kuitenkaan olisi voinut tulla Maahan.
-
Osaamatta vastata siihen kysymykseen, miten elämä alkoi tai syntyi, voidaan pohtia sitä, miten todennäköistä tai mahdollista elämä Universumissa on?
Mielestäni elämän syntymisen mahdollistavia olosuhdeskenaarioita on kaksi. Ensimmäisen hypoteesin mukaan luonnonlait ovat sellaisia, että ne ”ruokkivat” elämälle suotuisia olosuhteita ja rakenteita. Koska kaikkeus näyttää joka suunnassaan identtiseltä, fysiikan lait ovat kaiken todennäköisyyden mukaan samanlaiset kaikkialla. Kun tähän lisätään lähes loputtomasti aikaa, voidaan päätellä kaikkeuden kuhisevan elämää erilaisin variaatioin.Toisen teorian mukaan, jos elämän synty on erittäin epätodennäköinen asia, siinäkin tapauksessa, ja varsinkin jos maailmankaikkeus on ääretön, biologista elämää syntyy joka tapauksessa jossakin. Tämä tosiasia syntyy yksinkertaisesti tilastotieteen pohjalta, eli jos mahdollisuuksia (planeettoja) ja aikaa on äärettömän paljon silloin myös epätodennäköisyydet käyvät toteen.
-
Mielenkiintoinen lukusarja tuo ”noin 4,567 miljardia vuotta” (Harry Lehto), joka siis noin 4 567 000 000 vuotta – jota jatkamalla 890 000 vuodella (4 567 890 000 vuotta) antaisi täsmäsarjan – tosin lisäyksen pyöristys muuttaisi seiskan kasiksi. Aurinkokunnan ikäarvio vähitellen lisääntynyt ja kenties tarkoituksella nyt pysäytetty tähän lukusarjaan. Alle miljoonan vuoden tulkinnat täsmentämättöminä elämän alun arvioissa kuitenkin jätetty pois, tarkemmin nykyihmisen risteymät neandertali- ja denisovanihmisten kanssa saatu ajoitetuksi viimeisten alle 100 000 vuoden aikaan…
[Inflaatio – täsmentymättömänä ajattomana laajenemisena olisi parempi määritelmä – kuin antamalla edelleen olemattoman pieni aikakäsite alkuräjähdyksen yhteyteen. Amerikkalaiset nyttemmin uusia aaltorakenteita löytäneet maailmankaikkeuden rajatasosta, mutta niiden avaruudellinen syvyysetäisyys kaiken alkuun kuitenkin edelleen teoriaa.] -
Kosmos sanoo:
”emme edes tiedä onko se kaikki suurta sattumaa ja kaaosta
vai onko se hienosäädettyä; aina uudelleen säätyvää ja sopeutuvaa
luonnonlakeihin ja aineen ominaisuuksiin sisäänrakentuvaa
monimutkaisuuden rakentumisen välttämättömyyttä
elämän potentiaalia joka sisältyy jo kvarkkien tanssiin
joka välttämättä pyrkii esiin kylmän maailman rakenteista
pyrkii tekemään kotinsa jokaiselle planeetalle
asuttamaan kaiken mahdollisen tilan, ja juuri siinä
tulemaan todeksi, kauniiksi ja onnelliseksi”
Emme todellakaan tiedä, mutta tämä vaihtoeto tuntuu kaikista uskottavimmalta. Tiedämme aika paljon atomien ja alkeishiukkasten ominaisuuksista ja uskon elämän syntyneen ja syntyvän luonnonlakeihin ja aineen ominaisuuksiin sisäänrakentuvan pakon vaikutuksesta.
Paul Davies pohtii näitä vaihtoehtoja, sanoisinko aika monelta kantita, kirjassaan Kultakutrin arvoitus.
-
Joo– näin se on: Maailmassa – kosmoksessa – ja elämän synnyssäkin – vielä on paljon sellaista mitä emme tiedä. Ehkä emme tiedä vielä paljoa mitään. Tämän elämän yleisyyden arvioinnissa isoin ongelma on se että havaintojen lukumäärä on yhä vielä tasan 1. Heti sitten – jos, tai kun – löydänne sen toisen esimerkin – ja näemme millaista se elämä on – onko samanlaista, vaiko vähän tai paljon erilaista – niin sitten voidaan paremmin arvioida sitä että tuottaako fysiikan ja kemian perusprosessit aina jonkinlaista elämää, helposti — vai onko se todella monimutkaisten ja jyrkkien ylämäkien takana…
Vastaa
Elämä on oppimista ja ylös-rakentamista – elämän synnyn ongelmia järjestysnumerolla 4
Luonnonvalinta on aina voimakkaasti suosinut sellaisten asioiden omaksumista, jotka ovat parantaneet kyseisen eliön hengissä säilymistä. Silloin alussa kun elämä oli vasta oli juuri oppinut kopioimaan itseään – eli kopioimaan RNAta RNAn avulla – silloin oli tavattoman paljon hyötyä siitä että kopioituminen tuli tehokkaammaksi ja tarkemmaksi. Oli myös hyödyllistä oppia tekemään lisää RNA rakennuspalikoita, eli ribonukleotideja, ja aktiovoida niitä fosfaattiryhmillä. Näitä toimenpiteitä hoidettiin aluksi RNAn avulla … mutta ilmeisesti sitten kävi niin että jotkut lähistöllä olevat aminohapot tai niiden pienet ketjut osallistuivat suotuisalla tavalla tuohon prosessiin. Ne ilmeisesti sitoutuivat kyseisiin RNA juosteisiin ja jotenkin parantasivat niiden toimivuutta – ehkä vain auttamalla sitä että ne säilyivät ehjinä pidempään, tai laskostuivat sopiviin kolmiulotteisiin rakentesiin. Sitten kävi vielä niinkin että joku paikallinen ribozyymi – siis aktiivinen RNA-rihma – alkoi liittää aminohappoja toisiinsa. Tämä oli aivan satunnainen reaktio, mutta kuitenkin yhteen liitetyt aminohapot paransivat edelleen ribosyymien toimivuutta tai säilyvyyttä. Tämän ansiosta nämä pystyivät taas ”keksimään” tai ”oppimaan” jotakin uusia toimintoja…. ja prosessi eteni positiivisen luonnonvalinnan ajamana vaiheesta toiseen. Monien erilaisten molekyylien vuorovaikutusten kautta se johti lopulta geneettisesti ohjattuun aminohappojen ketjuttamiseen, eli proteiinisynteesi-koneiston syntymiseen.
Aminohappojen ketjutuskoneisto oli jo alussaan hyvin moniosainen: yksi osa, eli RNA:sta koostuva molekyylikompleksi (nykynimeltään ribosomi) luki toisen RNA-nauhan (nykynimeltään lähetti-RNAn, lyhyesti mRNA) emäsjärjestystä, aina kolme emästä kerrallaan. Samalla se otti sisäänsä kolmansia RNA- molekyylejä (nykynimeltään siirtäjä-RNA-molekyylejä, lyhyesti tRNA) tuon mRNAn määräämässä järjestyksessä, nappasi kunkin tRNAn kantaman aminohapon, ja liitti sen edellisten aminohappojen ketjuun. Kyseinen aminohappo oli jo aikaisemmin liitetty tuohon tRNAhan jonkun viidennen komponentin toimesta (nykymaailmassa sen tekee tRNA-aminoasylaasi-entsyymit – alunperin sen teki joku tähän toimintaan sopiva ribozymi). Ja mikä vallan merkittävää ja tärkeää ja merkillistä – aminohapot oli liitetty tRNA-molkyyleihin tarkasti tietyn koodin perusteella, niin että kukin tRNA kantoi aina samanlaista aminohappoa. Tämä tunnistus-suhde tunnetaan nykyisin nimellä geneettinen koodi, ja se määrää sen miten proteiinisynteesikoneisto muuttaa mRNAn emäsjärjestyksen ketjutettavien aminohappojen järjestykseksi.
Kun tämä synteesikoneisto alkoi toimimaan, se osoittautui varhaisille elämänmuodoille ensiarvoisen tärkeäksi. Luonnovalinnan myötä sen tuottamat proteiinit kehittyivät erittäin hyödyllisiksi, sillä ne pystyivät tekemään lähes kaikkia elämän tarvitsemia töitä ja toimenpiteitä huomattavasti tarkemmin ja tehokkaammin kuin RNA-rihmat, eli ribozymit. Onkin sanottu, että vasta se elämänmuoto – tai molekyyliyhteisö – joka keksi tämän taidon, vakiinnutti paikkansa elävänä eliönä. Tästä syystä se on nimetty ”läpimurtoeliöksi” (Break through organism, Riborgis eigensis, Jeffares ym. 1998, J. Molec. Evol. 46:18-36)
Nykyisessä muodossaan tuo proteiinsynteesikoneisto on hyvin sofistikoitunut ja monimutkainen. Kuitenkin, jo sen ensimmäisenkin toimivan koneiston piti olla varsin kompleksinen, sillä se ei voinut ollenkaan toimia ilman että kaikki edellä mainitut viisi erilaista työkalua – eli ribosomien sisällä olevat rRNAt, aminohappoja kuljettavat tRNAt, geneettistä informaatiota kuljettavat mRNAt, aminohapot ja geneettinen koodi – kaikki pystyivät toimimaan yhdessä. Toisaalta tiedämme että evoluutio etenee aina vain pienin askelin: Olemassa oleva geneettinen infomaation muuttuu ja tekee uusia yhdistelmiä, ja tätä kautta syntyy uusia ominaisuuksia, toimintoja ja kykyjä. Mutta uusia asioita EI synny tyhjästä, vaan kaikkien toimintojen kehityshitoria pitäisi olla palautettavissa (tai purettavissa) aina yksinkertaisempiin, toimiviin lähtötilanteisiin. Näin ollen on vaikea ajatella kehityskulkua joka tuottaa viisi erillistä, hyvin monimutkaista ominaisuutta, jotka alkavat toimimaan vasta sitten kun löytävät toisensa, sopivat yhteen ja muodostaat yhdessä toimivan kokonaisuuden. Ongelmaa on kutsuttu kirjallisuudessa nimikkellä ”non-reducible complexity”. Se tarkoittaa sitä että tuon koneiston osien piti olla olemassa jostakin muusta syystä, eli tehdä jotakin MUUTA ennenkuin ne alkoivat yhdessä tuottamaan proteiineita.
Erityisen vaikeaa on ymmärtää geneettisen koodin kehittyminen jo tässä vaiheessa – itseasiassa jo ennen varsinaisen proteiinisynteesin alkua. Tuo koodi on eräs elämän pisimmälle optimoituja toimintoja: se tulkitsee geneettistä informaatiota hyvin ”ymmärtäväisesti”, sillä samantapaiset kolmikot koodaavat joko samoja tai samankaltaisia aminohappoja. Proteiinisynteesin varhaisimmissa vaiheissa ei vielä ollut käytössä yhtä monta aminohappoa kuin nykyään, mutta lopulta 64 erilaista koodinimeä tuli vastaamaan yhteensä 20 erilaista aminohappoa. Eri koodien merkitys ”fiksaantui” samanaikaisesti – joten ne eivät voineet valikoitua yksitellen, vertikaalisen periytymisen ja evoluution kautta, vaan koko järjestelmän piti optimoitua rinnakkain, horisontaalisen periytymisen ja jakamisen kautta, siten että kaikki kodonit optimoituivat samanaikaisesti.
Tuota geneettisen koodin optimoitumista monissa rinnakkaisissa molekyyliyhteisöissä samanaikaisesti on mallitettu hienosti paperissa Vetsigian, K., Woese, C., and Goldenfeld, N. (2006) Collective evolution and the genetic code. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 10696-10701. Koko proteiinisynteesikoneiston syntyä taas on mallinnettu mukavasti paperissa Yuri I Wolf, Eugene V Koonin Biology Direct 2007, 2:14 (31 May 2007) On the origin of the translation system and the genetic code in the RNA world by means of natural selection, exaptation, and subfunctionalization. Kuitenkin Eugene Koonin, joka on eräs elämän synnyn ansioituneimpia tutkijoita, kirjoitti samoihin aikoihin myös rinnakkaisen selitysmallin. Siinä hän spekuloi mahdollisuudella että proteiinisynteesi-systeemin esiinnousu on niin vaikea tapahtuma, että sen syntyminen on selitettävissä vain (antrooppisen periaatteen mukaisesti) rinnakkaisten maailmankaikkeuksien maailmassa, missä rajattoman monet erilaiset vaihtoehdot voivat tuottaa myös täysin mahdottomia ratkaisuja (E. Koonin, The cosmological model of eternal inflation and the transition from the chance to biological evolution in the history of life. Biology Direct 2007, 2:15).
Proteiinisynteesikoneiston keskeiset osat vakiintuivat ja optimoituivat siis elämän ensimmäisiksi työkaluiksi, ja ovat sen jälkeen pysyneet jotakuinkin samanlaisina RNA-molekyyleinä aina tähän päivään asti. Nyt ajatellaan että ne jäivät sellaisiksi siksi, että elämän uudemmat komponentit kehittyivät niiden päälle, eivätkä ne voineet sen jälkeen enää oleellisesti muuttua. Sanotaankin että ne ovat ”frozen accidents” – eli sattuman tuottamia ratkaisuja jotka ovat tallentuneet pysyväti solujen sisälle molekulaarisiksi fossiileiksi. Ne ovat ikäänkuin ”kuvia” joiden avulla saamme vielä näkymän tuohon miljardeja vuosia sitten valliinneeseen RNA-elämän aikaan….
3 kommenttia “Elämä on oppimista ja ylös-rakentamista – elämän synnyn ongelmia järjestysnumerolla 4”
-
Tämä oli maallikolle jo niin vaikea teksti että aika monta kertaa jouduin lukemaan sen läpi enkä silti tiedä ymmärsinkö. Joka tapauksessa minua jäi kaivelemaan tuo tapa puhua sattumasta.
Parhaan tietämykseni mukaan tulevaisuus on aina ennustamaton. Varhainenkaan elämä ei ole voinut ennustaa tulevaisuutta. Elämällä on kuitenkin melkein alusta lähtien ollut hyvä strategia pärjätä ennakoimattoman tulevaisuuden kanssa: nykyinen elävä luonto hyödyntää sattumaa aina kun voi. Suvullinen lisääntyminen takaa että joka sukupolvessa on erilaisia yksilöitä (muuntelu) joilla on pieniä erilaisia ominaisuuksia ja siten erilaisia kykyjä pärjätä ennakoimattomissakin olosuhteissa. Sellaiset suuret muutokset perimässä (mutaatiot) jotka eivät ole haitaksi lisääntymiselle voivat jäädä perimään ja osoittautua joskus hyödyllisiksi. Kaikki mistä suinkin vain voi olla hyötyä on siis sallittua.
Elämän alku voi olla täysin riippuvainen sattumasta, mutta voisiko ajatella niin päin että elämän alkamisessakin täällä sattumalla olisi enemminkin hyöty-rooli kuin määräävyys-rooli? Ajan takaa sitä, että havaittava maailmankaikkeus on aika suuri ja meidän tuntemalle elämänvyöhykkeelle osuu monia maailmoja. Olosuhteet joissa elämä täällä on alkanut voivat hyvinkin toistua monessa ajassa ja paikassa, mutta täällä varhaisenkin elämän keinot selvitä ennakoimattomasta tulevaisuudesta ovat olleet riittäviä. Aurinkokuntamme on ollut sopivan rauhallinen jotta varhainenkin elämä on voinut säilyä ja kopioitua.
Kuten edellisessä blogissasi tuli ilmi kopioitumisen pitää tapahtua riittävän hyvin, itse yritän siis väittää että liian täydellinen kopioituminen on yhtälailla haitallista. Kaikkein kannattavin strategia säilyä ennakoimattomassa tulevaisuudessa on olla kopioitumatta liian täydellisesti.
-
Tällä saitilla ei todellakaan ole kommentteja tungokseen asti. Johtuisikohan siitä, että kerrankin on löytynyt aihe, johon jokaisella sukankuluttajalla ei ole omaa mielipidettä:-)
Itse olen tykönäni pähkäillyt sitä, mikä mahtaa olla se yksittäinen tekijä, jota elämän syntyä simuloivissa olosuhteissa ei voida toistaa laboratorio-olosuhteissa?
Ainakin yksi sellainen tekijä on aika. Jos niin sanotun ”alkuliemen” (jossa elämä siis syntyi) yhtenä reunaehtona on ajan luomat tekijät, millään kokeella ei voida tutkia sitä, mitä vaikuttaa vaikkapa tuhat miljoonaa vuotta alkuliemikeittoa maustettuna sopivilla annoksilla meteoripommitusta?
Siinäpä sitä pohdittavaa kerrakseen, ikäänkuin Kirsi Lehdon blogissa ei olisi jo miettimistä kylliksi. -
Hyvät Jorma ja Metusalah! Molemmille kiitokset hyvistä ja aihellisista kommenteista – selvästikin olette perillä tästä elämän synnyn tematiikasta. Ensinnäkin tuonne Jormalle sanon että olet aivan oikeassa siinä että – vaikkakin riittävää tarkkuutta tarvitaan tuossa kopiointihommassa – niin myös ”vaihtelu virkistää”. Se on suorastaan välttämättömyys sille että elämä menee eteenpäin. Alkuvaiheessa kun systeemin piti parantua pian – esimerkiksi koko eliö-kolonian piti pian päästä levittäytymään ulospäin, uusiin energialähteisiin ja uusiin olosuhteisiin, ennenkuin ruoka loppui hautomossa – niin epätarkka kopiointi tuotti juuri sitä uutta materiaalia josta luonnonvalinta pääsi valitsemaan. Pitikin ladata tuohon alkuperäiseen tekstiin kuva jossa näkyy miten vaihtelu tuottaa uusia toimintoja – luonnonvalinta valitsee niistä toimivia, jotka voivat kopioida paremmin – tämä tuottaa isompia genomeja – nämä taas vaihtelun kautta uusia toimintoja –> toteutuu ikäänkuin itseään ruokkiva positiivinen paranemisen kierre.
Metusalah – olet myös oikeassa siinä että aikka on merkittävä tekijä. Emme tiedä millaisia aikoja nämä prosessit ovat vaatineet – on voinut olla pitkäkin (vuosia – tuhansia – miljoonia vuosia??) – mutta toisaalta on myös niin että tuollaiset vapaat RNA-juosteet eivät kestä pitkään ehjänä paikallaan, ainakaan lämpimissä olosuhteissa — siis todennäköisempää on että reaktioiden piti edetä reippaasti. Mielluummin päivissä ja viikoissa kuin vuosissa. Toisaalta – lähtömateriaalia piti olla olemassa paljon ennenkuin reaktiot käynnistivät – siis ainakin se vaihe kesti kauan….Laitan pian uuden jutun – mielestäni aika hauskasta aiheesta – eli siitä että onko tuo kompleksisuuden synty luonnollista vai epäluonnosllista, yleistä vaiko harvinaista…
Kirjoittelemisiin
K.
Vastaa
Miten eloton saattaa muuttua eläväksi – elämän synnyn ongelmia järjestysnumerolla 3
Elämä rakentui varsin tavallisista aineista – ja varsin pienestä ainevalikoimasta. Alkuaineita tarvittiin vain kuutta erilaista – eli hiiltä, vetyä, typpeä, happea, fosforia ja rikkiä (CHNOPS). Näistä syntyi pieni joukko tietynlaisia yhdisteitä – nukleotideja, aminohappoja ja lipidejä (vaikka ongelma no. 1 olikin että miksi ja miten juuri näitä). Sitten, jossakin sopivassa ympäristössä nukleotidit ketjuuntuivat kohtalaisen pitkiksi nauhoiksi – alkaa kehittyä polymeerien ihmeellinen maailma. (Tosin, ongelma no. 2 oli että nukleotideja on vaikea saada syntymään, ja vaikeaa niitä on myös ketjuttaa – ja saattaa olla että tämä piti mennä jotenkin mutkan kautta, eli käyttäen ensin jotakin yksinkertaisempia ”lenkkejä” ketjussa).
Kuitenkin, jossakin suotuisissa olosuhteissa ketjuja kuitenkin syntyi nimenomaan ribonukleidejä, ja niiden ketjuja – eli RNAta. Nämä, ihan oman aktiivisen luonteensa perusteella, automaattisesti vetäytyivät tai laskostuivat jonkinlaisiin sykkyröihin itsensä kanssa. Tällaiset RNA-sykkyrät sitten pystyivät toimimaan aktiivisina kemiallisina katalyyttäinä – samaan tapaan kuin proteiinit toimivat nykyään. Näitä kattalyyttisä RNA-juosteita kutsutaan entsyymiä muistuttavalla sanalla ”Ribozyymeiksi” – ja sitä toiminta-maailmaa jonka ne synnyttivät kutsutaan RNA-maailmaksi.
Eräs mielenkiintoinen kysymys on missä – siis minkälaisissa olosuhteissa – noita varhaisia, satunnaisia RNA-nauhoja saattoi syntyä. Viime vuosina on osoitettu että eutektiset jäät – siis suolaisten vesien jäät joiden lämpötila on alle -15 oC – edistävät tehokkaasti RNA-nukleotidien ketjuuntumista. Tämä johtuu siitä että jääkiteiden muodostuminen konsentroi nukleotidit tehokkaasti, ja pysäyttää niiden liikkeen. Näissä olosuhteissa voi syntyä jopa 20 nukleotidin pituisia ketjuja. Nämä ketjut voivat jopa kääntyä hännästään ympäri ja kopioitua ”itsensä päälle”. Voi kuulostaa hassulle – mutta asiaan voi tutustua tarkemmin vaikkapa Pierre-Alain Monnard ja Jack W. Szostak artikkelissa, Journal of Inorganic Biochemistry 102 (2008) 1104–1111) artikkelissa. Samantapaiset olosuhteet myös edesatuttavat tehokkaasti juosteiden kopiitumista, kuten Attwater, Wochner ja Holliger kirjoittavat Nature Chemistry artikkelissa DOI: 10.1038/NCHEM 1781 (2014).
Nuo varhaiet RNA-nauhat eivät koodanneet vielä mitään proteiineja – sihön ollut vielä olemassa edes mitään proteiinisynteesikoneistoakaan – mutta silti ne jo sisälsivät informaatiota. Tuokin informaatio sisältyi nauhojen emäsjärjestykseen, ja määräsi sen miten ko. nauha laskostui sykkyrään. Sykkyrän rakenne taas määräsi sen miten se pystyi suorittamaan jotakin tarpeellisia toimintoja. Nyt tiedetään että n. 50 nukleotidin pituiset RNA-nauhat pystyvät katalysoimaan jo jonkunlaisia reaktoita. Mitä pidempiä nauhat ovat, sen paremmin ja tarkemmin ne pystyvät toimimaan – sadan pituiset jo monenkinlaisia reaktioita. Ne pysytvät esimerkiksi tehokkaasti katkomaan RNA-nauhoja, ja liittämään niitä taas toisiinsa. Tämä liittämis-reaktio tehostuu jos liitettävät RNA-nauhat ovat pariutuneet johonkin juosteeseen – joka siis toimii alustana eli templaattina näille liitettäville pätkille – ja samalla itse kopioituu. On mahdollista – tai todennäköistä – etttä tuollainen RNA-palasten yhteen liitteleminen synnyttytti ensimmäisen kopioituvan systeemin. Se saattoi tuottaa olemassa olevista nauhoista kopioita nopeammin kuin niitä hajosi – ja tämä olisi johtanut nauhojen määrän lisääntymiseen. Ja tietysti, oleellista oli että juuri tuon kopioivan ribozyymin määrä lisääntyi, jotta toiminta saattoi jatku eteen päin. Sen ohella varmasti myös muita tuotteita syntyi – ehkä runsaastikin.
Tuo varhainen kopioituminen oli vielä hyvin alkeellista, ja epätarkkaa. Se ei siis mitenkään voinut tuottaa kovinkaan tarkkoja kopioita olemassa olevista templaateista. Ja virheiden tekeminen tietyn toimivan informatiivisen nauhan kopioinnissa on kohtalokasta – nimittäin kun virheitä tulee liikaa, niin kyseinen informaatio ja toiminta katoavat. Näin ollen, jotta tuo kopioiva nauha olisi pystynyt pysymään toiminnassa, sen olisi ainakin pitänyt pystyä kopioimaan itsensä oikein.
Suurpiirteisesti voidaan sanoa, että kopiointisysteemi ei voi ylläpitää sen pidempää nauhaa kuin minkä se pystyy kopioimaan virheettömästi. Kopiointitarkkuuden ohella informaation pysyvyyteen kuitenkin vaikuttaa toinenkin seikka – eli tuon informaation valintaetu, verrattuna muihin kopioituviin juosteisiin.
Tämä asia on kuvattu tarkasti kaavalla, joka määrittelee että kopioituvan juosteen maksimipituus L
L < ln s/ (1-q) missä L = pituus, s = valintaetu, (1- q) = virhetiheys
Tämän kaavan on johtanut nobel-palkittu biokemisti Manfred Eigen, joskus 60-luvulla, käyttäen viruksia mallisysteeminään. Kaavassa näkyy että tärkeänä nauhan pidentymistä lisäävänä seikkana toimii sen valintaetu muihin juosteisiin verrattuna. Jos ko. juosteen toiminta on erittäin tärkeä – sen valintaetu on suuri, niin siitä säilyy – tai valikoituu – aina vain niitä toimivia versioita, vaikka se olisikin niin pitkä että sen kopioiminen onnistuu vain satunnaisesti.
Tässä kohtaa siis nousee luonnonvalinta pitämään yllä ensimmäisiä hauraita elämänmuotoja: se mikä toimii, se säilyy. Voidaan ajatella että elämä alkaa Darwinilaisen luonnonvalinnan ja evoluution käynnistymisestä. Tämän varassa se on myös jatkunut ja kehittynyt tähän päivään saakka.
Kopioitujen juosteiden (varhaisten genomien) kasvaminen pidemmiksi oli ensiarvoisen tärkeää siksi, että se mahdollisti elintoimintojen rikastumisen, tarkentumisen ja parantumisen. Sitä kuitenkin koko ajan uhkasi edellä mainittu virhekatastrofi – eli virheiden lisääntyminen, ja sen myötä, toimivan informaation katoaminen. Tilanne olisi voinut olla samanlainen toivoton umpiperä kuin se kuuluisa ”catch 22” . Jonkinlaisena kokonaisvaltaisena ratkaisuna tässä tilanteessa toimi ns. Darwin-Eigen sykli, eli positiivinen nouseva kierre, missä satunnainen vaihtelu (rekombinaatio, mutaatiot) lisäsivät genomien pituuttaa monimuotoisuutta, nämä tuovat peliin uusia toimintoja ja ominaisuuksia – näistä taas luonnonvalinta valitsee niitä jotka pystyvät pitämään yllä tätä uutta isompaa genomia… Voila, itse itseään ylläpitävä ja korjaileva ja parantava automaatti oli syntynyt…
Kuva: Virheitä tekevän ja niistä positiivisia tuotteita valikoivan luonnonvalinnan yhteistuote on eteenpäin kehittyvä evoluutio
Vastaa
Mistähän ihmeen sopasta se elämä oikein syntyi (Elämän alun ongelmia järjestysnumerolla 2)
Elämän alkuperän ongelmaa on pohdiskeltu ja koetettu selittää jo niin kauan kuin ihminen on mitään kultturelleja ajatuksia muistiin kirjannut. Nyt näissä pohdiskeluissa – ja kokeellisessa tutkimuksessa – on päästy jo varsin hyvään yksimielisyyteen siitä että nykyinen elämänmuotomme – siis tämä elämä missä geneettinen informaatio on koodattuna DNA-juosteiden emäsjärjesykseen, se kopioidaan siitä RNAksi, RNAn emäsjärjestyksen avulla liitetään yhteen aminohappoja proteiinien tuottamiseksi, näiden avulla taas kopioidaan DNAta ja tuotetaan RNAta, ja niin edelleen, loputtomasti —-siis, nyt tiedetään että tätä elämää on edeltänyt yksinkertaisempi, itseään ylläpitävä systeemi, eli RNA-maailma. Tässä systeemissä RNA-juosteet pystyivät auttamaan (katalysoimaan) omaa (ja toistensa) kopioitumista, ja näin pitämään yllä itseään, ja kehittymään pidemmiksi ja monimutkaisemmiksi. Nämä RNA-yhteisöt myös vähitellen oppivat liittämään yhteen aminohappoja, eli tuottamaan proteiineja. Näistä sitten tulikin tärkeitä työkaluja, jotka edistivät RNA-eliöiden säilymistä ja lisääntymistä (RIEMUVOITTO!). Jossakin vaiheessa proteiinit myös mahdollistavat RNA:n kopioitumisen DNAksi – sekin oli riemuvoitto, sillä se mahdollisti genomien kasvamisen suuriksi ja kestäviksi. Nämä varhaiset kehitysvaiheet – itseään ohjailevat RNAt, proteiineja koodaavat RNAt, ja RNAt jotka kopioituvat DNAksi (säilyvyyden parantamiseksi) – ne kaikki muistuttivat hyvin läheisesti eri tyyppisiä nyky-viruksia, joka viittaa siihen että nuo varhaiset maailmat olivatkin (ehkä, todennäköisesti) jonkinlaisia virus-maailmoita … (tämä on taas oma tarinansa..)
Yksimielisyys siis vallitsee siitä että nuo varhaiset, replikoituvat, itseään ohjailevat RNAt olivat keskeinen askel elämän esiintulossa. Kun prosessia mietitään tästä taaksepäin, niin mielipiteet jakaantuvat kahteen koulukuntaan. Toiset elämän synnyn tutkijat (tyypillisesti solu- ja molekyylibiologit, ja maallikot) ovat sitä mieltä että RNAn rakennuspalikat – ne neljä erilaista, toisiinsa spesifisesti pariutuvaa nukleotidia – syntyivät jossakin sopivassa ympäristössä – sitten ne sattuivat ketjuuntumaan riittävän pitkäksi nauhaksi eli juosteeksi – ainakin yhdeksi sellaiseksi – joka sitten alkoi jollakin marginaalisella tehokkuudella kopioida itseään – joka prosessi sitten johti kyseisen juosteen rikastumiseen – ja siitähän se ikiliikkuva systeemi sitten käynnistyi …
Toinen koulukunta – ja tätä edustavat tyypillisesti orgaaniset kemistit jotka ovat laboratoriossa koettaneet toteuttaa noiden nukleotidien synnyttämistä ja ketjuunnuttamista, kaikenlaisissa mahdollisissa olosuhteissa – sanovat että jooo-o, onhan tuo ikäänkuin hiukan, teoriassa, ja marginaalisesti mahdollista – mutta äärimmäisen marginaalisesti. Periaatteelisina ongelmina ja esteinä ovat mm. sellaiset seikat kuin että 1) elottomassa luonnossa periaatteessa tapahtuu helppoja ja kemiaaliseen tasapainotilaan johtavia reaktioita (ei tällaisia ”lähes mahdottomia” reaktioita) – 2) kun johonkin pelkistävään molekyyliseokseen johdetaan energiaa, se synnyttää sekalaisen yhdistelmän kaikenmaailman orgaanisia molekyylejä ( ns. toliineja – eli tervan tapaista ainetta joka ei edes liukene veteen) – 3) ne yhdisteet jotka liukenevat veteen, näissä olosuhteissa, pyrkivät mieluummin hajoamaan kuin kasvamaan – 4) jos taas reaktio aloitetaan vain puhtailla nukleotideilla, siis juuri vain niillä ”oikeilla palikoilla”, niin ne eivät halua ketjuuntua, ja jos ketjuuntuvatkin, niin kaikilla mahdollisilla väärillä tavoilla … 5) eri synteesivaiheisiin ja molekyylien eri rakenteisiin, tarvittaisiin SAMANAIKAISESTI hyvin erilaisia olosuhteita – kuumaa ja kylmää, märkää ja kuivaa, ja erilaisia mineraalikatalyyttejä –.
Siis, RNA-kemistit näyttävät olevan taipuvaisia ajattelemaan että on hyvin epätodennäköistä että RNA-maailma olisi suoraan rakentunut noista elottamista rakennuspalikoista. Yksinään, ilman mallia, ne eivät pysty rakentamaan sitä ensimmäistäkään toimivaa polymeeria…
Ratkaisuksi RNA-kemistit ovat hakeneet ja testanneet erilaisia yksinkertaisempia rakennuspalikoita – eli molekyylejä jotka olisivat voineet helpommin tuottaa toimivia katalyyttisiä polymeereja – jotka sitten olisivat voineet synnyttää RNA maailman. Tuo esi-RNA-maailma olisi voinut koostua joistakin RNA:n kaltaisista juosteista, jotka sitten vähitellen olisivat optimoituneet, osa osalta, ja olisivat lopulta muuntuneet nykyisen tyyppiseksi RNAksi. Tätä todistaa sekin että nykyinen RNA (samoin kuin DNA) on kemiallisilta ominaisuuksitaan niin optimaalista että se ei olisi voinut syntyä suoraan sellaiseksi, vaan on välttämättä luonnonvalinnan tuottama huipputuote.
Ne varhaisemmat kopioituvat juosteet olisivat voineet muodostua mistä tahansa sokerikomponentista (esimerkiksi kuuden, viiden, neljän tai kolmen hiilen sokereista, eri tavoin kääntyneistä ja liittyneistä renkaista), tai yksinkertaisista aminohapoista (glysiinistä, kysteiinistä, alaniinista…). Informatiiviset osat taas olisivat voineet syntyä monista erilaisista puriini- ja pyrimidiini-emäksistä – myös pelkät puriiniryhmät olisivat voineet pariutua keskenään – tai ne olisivat voineet syntyä ihan muistakin typen ja hiilen rengasmaisista yhdisteistä, esimerkiksi aminotriatsiinirenkaista…. Sokeriyksikköjä taas olisi voinut yhdistää useat muutkin yhdisteet kuin fosfaattiryhmät (itseasiassa, fosfaatti tuli käyttökelpoiseksi VASTA entsyymikemian avulla!!) – ehkä käyttökelpoisin linkkerimolekyyli esi-RNA-juosteessa olisi ollut glyoksylaatti …
Mielenkiintoista on että kaikista näistä edellä mainituista komponenteista voidaan rakentaa synteettisiä juosteita jotka toimivat ohjaavana templaattina RNA:n (tai DNA:n) synteesille – siis, tällaiset juosteet olisivat voineet toimia varhaisena geneettisenä materiaalina joka sitten vähitellen olisi korvautunut paremmilla vaihtoehdoilla, ja lopulta muuttunut RNAksi…
Mielestäni tässä on kuitenkin sellainen käsitteellinen ongelma, että jos tuon varhaisen juosteen rakenne olisi vähitellen muuttunut ihan eri tyyppiseksi rakenteeksi, niin samalla sen ”toiminnallinen informaatio” olisi muuttunut ihan toisenlaiseksi – siis todennäköisesti – toimimattomaksi eli epäinformaatioksi… No, tuo ongelma osoittaa vain minun tietämättömyyttäni tässä asiassa. Luonnonvalinta pystyy tekemään ihmeitä.
Lisäksi, varsin ihmeellisen VIIISAITA ovat nuo orgaaniset kemistit. Kemiallisen osaamisensa ja mielikuvituksensa perusteella he pystyvät kuvittelemaan ja löytämään jostakin sekalaisesta ”orgaanisesta sopasta” (tai rajattoman suuresta kemiallisesta repertuaarista) molekyylejä, ”palikoita”, joista voisi rakentua, rakentua … jotakin … mistä esiin nousee … jotakin … elämän kaltaista…
Monipuoliset review-artikkelit jotka kattavat elämän synnyn tämän hetkisen tietämyksen löytyvät Cold Spring Harbour julkaisukokoelmasta, likistä
http://cshperspectives.cshlp.org/cgi/collection/the_origins_of_life
12 kommenttia “Mistähän ihmeen sopasta se elämä oikein syntyi (Elämän alun ongelmia järjestysnumerolla 2)”
-
Luin verkkouutisista, että Atlantin keskiselänteen lähellä on paikka nimeltä kadonnut kaupunki (Lost City). Siellä on hydrotermisten putkien alue(erilainen kuin mustat savuttajat).
On esitetty teoria, että elämä olisi voinut syntyä mainitun paikan tapaisissa olosuhteissa. Hydrotermisten putkien seinämissä on
puoliläpäiseviä huokosia, jotka ovat voineet toimia solumuotteina, joissa molekyylit ovat voineet monimutkaista.
Onko teoria miten uskottava elämän syntytavaksi? Onko siinä pahoja aukkoja? -
Blogissa selvästikin vinoillaan orgaanisille kemisteille. En näe siihen kuitenkaan mitään syytä, koska kemian kautta elämän syntyprobleemaa on lähestyttävä. Tämä johtuu tietenkin siitä, että biologiset elinolosuhteet maapallolla olivat ensimmäisinä satoina miljoonina vuosina sangen erilaiset nykyisyyteen verrattuna. Vasta noin miljardin vuoden ikäiselle Tellukselle ilmestyivät bakteerit, jotka kykenivät tuottamaan happea ilmakehään, eli luomaan edellytykset nykyisen kaltaisen elämän kehittymiselle.
-
Veljenpoika sanoo:
Olenko ymmärtänyt oikein, että elämän monogeneesi vs. polygeneesi ei ole nykytietämyksen kannalta kiinnostava kysymys?
Voisin kuvitella, että on mahdotonta ratkaista, onko elämä tai sen esiaste syntynyt kerran (monogeneesi) ja levinnyt moneen paikkaan tai syntynyt moneen kertaan (polygeneesi) samanlaisissa oloissa eri paikoissa ja mahdollisesti eri aikoina.
-
Vaikea arvioida ensimmäisiä elämänmuotoja ilman toimivaa mallia. Solullinen elämä kuitenkin lienee suolaisessa vesiliemessä – meren yhteydessä kehittynyt, josta maalle – ilmaan siirtynyt. Perimä kaksoiskierteenä pakkautunut kiinteän vetoketjumaisesti – joka jakautuessaan erkanee kokonaisena. Eri eliöillä Kronosomien määrät vaihtelevia (oliko ihmisellä niitä 46 – parillisesti 23) – erillispaketteina (simpansseillakin taitaa olla toisin). Ehkä niitä paketteja vähitellen kertautunut enemmin – ilman mallien ymmärtämistä ei osaa pidemmälle olettaa…
-
Tässä vastauksia kommentteihin:
Ensiksi, Metusalahin käsitykseen että vinoileisin kemisteille! Hyvänen aika, en suinkaan! Vaan suurella kunnioituksella ihmettelen sitä miten tämä elämän polymeerien hyvin vaikeasti selitettävä alkuperä alkaa nyt avautumaan erilaisten kemiallisten mallien ja kokeiden kautta. Hämmästyttävän hienoa kemiallisen evoluution tutkimista ja kartoittamista. Tällä tavalla elämän alkuperän mysteeri on meille pikkuhiljaa selviämässä…”Kosmos” kysyy olisiko elämän synty saattanut tapahtua Lost City -tyyppisissä mustissa (tai valkeissa)savuttajissa… juu-u, ehkä. Näin on arveltu. Tuollaiset meren alaiset kuumat lähteet tuottavat paljon pieniä orgaanisia yhdisteitä joista elämän rakennuspalikat olisivat voineeet syntyä… ongelmana on kuitenkin että kuumat olosuhteet paremminkin hajottavat kuin tuottavat polymeereja… Todennäköisintä on että elämän syntyyn on tarvittu vaihteleviä olosuhteita – voimakkaita vaihettumisvyöhykkeitä .. tarkkaan ei vielä tiedetä…
Veljenpojalle: Kysyt onko elämän monogeneesi yhä tärkeä tai kiinnostava asia. Kyllä, ehdottomasti. Nykyisin täällä maassa esiintyvä elämä on selvästi monogeenistä — se on keskeisiltä ominaisuuksiltaan niin yhdenmukaista että se kaikki on selvästikin peräisin yhdestä ja samasta alkuperästä – kaikki elämä siis polveutuu yhdestä yhteisestä varhaiskehityksestä ja sen tuottamasta viimeisestä yhteisetä esi-isästä. … Tämä koskee kaikkia solullisia eläviä eliöitä – -ja myös viruksia- sillä viruksetkin selvästi periytyvät sieltä samasta yhteisestä varhaisesta (esielollisesta) evoluutiosta kuin solullinenkin elämä.
Sitten on tietenkin mahdollista että yrityksiä elämän syntyy olisi varhaisessa vaiheessa ollut enemmänkin kuin tämä yksi — mutta juuri tämä kehityslinja tuotti vahvimman elämän alun, eli sen ainoan joka sitten säilyi hengissä ja valloitti Maan.
Lasse Reunasella: Olet aivan oikeassa tuossa mitäs sanot: on hyvin vaikeaa arvioida tai kuvitella sellaisia varhaisia elämän (tai esi-elämän) malleja joista ei ole mitään havaintoa enää olemassa täällä maan päällä. Voimme hyvin hahmottaa elämän kehitystä taakse päin niin pitkälle kuin se rakentuu samanlaisista komponenteista kuin nykyinen elämä (DNA – proteiinit – RNA) – mutta on vaikea rakentaa primitiivisempiä elämän malleja joistakin ihan muista ja yksinkertaisemmista molekyyleistä. Juuri siinä orgaaniset kemistit tekevät hienoa työtä, ihan vain hypoteesien pohjalta – vaikka vielä ei voidakaan todistaa näiden mallien yhteyttä kehittyneempiin elämän muotoihin.
-
Ihmettelijä sanoo:
Kiitoksia blogista. Olen nyt lukenut muutaman postauksen ja kirjoitatte kiinnostavasti aiheesta.
Minulla olisi yksi kysymys joka on ihmetyttänyt aina kun on puhe DNA:sta tai RNA:sta. Voi olla että tämä opetettiin jo koulussa, mutta kenties nukuin tunnilla.
Eli kuinka RNA pystyy kopioitumaan? Ts. mistä syystä RNA kopioituu? Tämä ihmetyttää siksi että käsittääkseni RNA on vain nippu molekyylejä, joilla ei pitäisi olla erityisempiä intressejä liikahtaa tiettyyn suuntaan, saati sitten keksiä kopioimaan itseään.
O,o
-
Kirsi Lehdolle: Hyvä niin. Tulkitsin tämän ”varsin ihmeellisen VIIISAITA ovat nuo orgaaniset kemistit” sarkasmiksi, mutta kerrankos sitä ihminen erehtyy. 🙂
-
Vastauksena Metusahalalle: Juu, se oli ehdottomasti tosissaan sanottu. Todella viisaita ovat – ja tietysti monet heistä Nobel-tasoa (Urey, Eigen, Esenmoser, Schosztac, .. varmaan Joyce pian.. ), muut muuten vaan juhlittuja ja kuuluisia …
Tämä ORIGINS kysymys on nyt saamassa jo laajaa kiinnostusta tutkijoiden piirissä. Uuden EU rahoitusohjelman (Horizon2020) myötä on käynnistynyt ORIGINS niminen työryhmä johon heti ilmoittautui noin sata osallistujaa… ja monia yhteistyö-projekteja on käynnisymässä saman tien… Elämme jänniä aikoja …Vastauksena Ihmettelijälle: Kysyt kuinka RNA pystyy kopioitumaan? Ts. mistä syystä RNA kopioituu? Tämä on erittäin hyvä kysymys. Ensiksi, triviaalina vastauksena tähän voi heittää sen koko teorian että RNA-maailman koko olemassa olo perustuu sille ajatukselle että erilaiset RNA-juosteet voivat laskostua sellaisiin rakenteiin jotka toimivat katalyyttisesti – siis proteiinientsyymien tapaan – ja oletettavasti jotkut tällaiset katalyyttiset RNA-juosteet olisivat pystyneet kopioimaan itseään ja myös muita RNA-juosteita, ja siten pitämään elossa koko RNA-maailman… No niin, näinhän se on oletettavsti voinut tapahtua. Ongelmana on kuitenkin se että tällä hetkellä ei vielä ole pystytty luomaan tai tuottamaan sellaisia RNA-juosteita, jotka tekisivät tämän riittävän tehokkaasti ja tarksti. RNA-maailman (siis, pelkkien RNA-genomeiden) on pitänyt kasvaa ja lisääntyä niin suureksi että se tuotti koko proteiinitranslaatiokoneiston – ennekuin se pystyi tuottamaan proteiineja, jotka sitten alkoivat tehdä näitä tarkempia synteesin-ohjailu-työtä.
Tähän on tarvittu vähintään 10000 nukleotidin kokoinen genomi – ja vähintään kymmenen eri tavalla toimivaa ribozymia — mutta oikeasti paljon paljon enemmän koska systeemi tuotti varmasti paljon muitakin osia kuin nämä jotka sitten sattuivat toimimaan juuri näin — . Jos kopioituminen on epätarkaa se ei pysty tuottamaan ja ylläpitämään näin isoa määrää informattivista sekvenssiä – siksi että virheiden myötä informaatio katoaa pois melkein yhtä nopeasti kuin se syntyykin… Tämä – riittävän geneettisen informaation kasvattaminen RNA-katalyyttien (ribozymien) avulla – on yksi RNA-maailma-ajatuksen suurempia ongelmia…. Mutta — antaahan olla, ehkä se on selviämässä… -
Juha Mehtälä sanoo:
Olisi kiva tietää millaisia todennäköisyyksiä noihin elämän syntyyn liittyviin prosesseihin liittyy. Ja millaisin perustein näitä voidaan arvioida? Kysymyksellä tavoittelen että kuinka hyvin kokeet/havainnot vastaavat maapallon kokoista systeemiä. Vaikka todennäköisyys olisi pieni, suuressa mittakaavassa se voi silti ihan hyvin toteutua pelkän sattuman kautta. Ja toisaalta vaihtelevat olosuhteet (mitä maapallolla varmasti on) voivat muuttaa todennäköisyyksiä eri suuntiin.
-
Vastauksena Juhalle:
Tuo ”todennäköisyys-kysymys” on vaikea vastata — siksi että kokeellinen tiede ei pääse siihen millää käsiksi tällä hetkellä. Sellaista kokonaista reaktioketjua joka tuottaisi elämää elottomista lähtömateriaaleista ei vielä ole keksitty – ei siis tiedetä millaisissa olosuhteissa tai millä ehdoilla se voisi tapahtua. Kokeellinen tiede sen sijaan on keskittynyt testaamaan sieltä erillisiä vaiheita – niitä koetan tässä blokisarjassa käydä läpi yksitellen. Nekin ovat kaikki erikseen vaikeita – mutta kuitenkin mahdollisia ratkaista, ainakin jollakin tapaa. Todennäköisyys sille että koko vaikea ketju toteutuu – tai, millaiset olesuhteet johtavat sen toteutumiseen — näistä meillä ei ole vielä tietoa – paitsi se että tällä planeetalla se ON TAPAHTUNUT. Ja geologisissa aikaskaaloissa mitattuna se on tapahtunut jopa hyvinkin nopeasti – sillä n. 100 miljoonan vuoden kuluessa siitä kun olosuhteet rauhottoúivat, merissä oli jo paljon elämää. Tämä viittaisi siihen että elämä syntyy helposti, ja heti kun olosuhteet sen sallivat…. No, ehkä tietomme näistä kysymyksistä tarkentuu jo lähiaikoina, koska näitä juttuja tutkitaan nyt PALJON. -
Elämän synnyn todennäköisyyttä Universumissa voidaan pohtia ihan maallikkojärjelläkin: Kaikkeudessa on vähintään 100 miljardia galaksia, joissa jokaisessa ehkä noin 100 miljardia tähteä. Kun lisäksi tiedetään, että jokaisen tähden syntyprosessiin kuuluu yleensä myös planeettakunnan muodostuminen, täytyy elämän syntymiselle suotuisia planeettoja olla käsittämättömän suuri määrä. Tällaisista lähtökohdista asiaa tarkastellen epätodennäköisetkin tapahtumat – kuten elämän synty – alkavat toteutua. Ja emmehän me lopulta tiedä vielä edes sitä, onko elämän synty planeettakunnissa epätodennäköinen, vai kenties todennäköinen prosessi.
Oma käsitykseni on, että Universum kuhisee elämää. Ongelmana asian toteamiseksi ovat vain lohduttoman suuret etäisyydet. -
Vastauksena Metusahalahelle: Pohdit tuossa maailmankaikkeuden planeettakuntien ja planeettojen määriä – ja päädyt siihen että mahdollisia ja sopivia elämän koteja etli asuinkelpoisia planeettoja lienee olemassa lukemattomanmonia. Silti emme kuitenkaan vielä tiedä onko elämä ihan tuiki yleistä, (tuiki) harvinaista vaiko peräti ainutlaatuista. Siitä aletaan saada selvempää käsitysta vasta sitten kun elämää löytyy jostakin muualta. Jos sitä löytyy tästä ihan läheltä – eli Marsista- ja jos se on (jotakuinkin) samanlaista kuin täällä meille, se vasta tarkoittaa sitä että se on samaa alkuperää kuin Maan elämä. Jos se olisi erilaista, niin sitten tietäisimme että elämä on syntynyt ainakin kahdesti, ja niillä molemmilla planeetoilla joita on päästy katsomaan – joka viittaisi jo vahvasti siihen että elämä syntyy helposti, ja sitä on olemassa melkein missä vaann missä olosuhteet sen sallivat. Jos taas Marsista ei löydy mitään elämään viittaavaa – ei edes vanhan elämän jäänteitä — tämä taas viittaisi siihen että elämän synty onkin vaikeaa. Tuo Mars – kun se on tuossa tavoittavalla etäisyydellä – tulee siis olemaan meille varsin merkittävä testipaikka, joka tulee antamaan meille ensimmäisen abroksimaation elämän mahdollisuuksista ja yleisyydestä maailmankaikkeudessa…
Vastaa
Syaanobakteereista alkavan elämän kehittymisen skenaariot planeetalla M; eräs vaihtoehto
Jorma Kilpi laittoi edelliseen blogiini kaksikin kiintoisaa kysymystä – selkeitä ja hyviä kysymyksiä – mutta toinen jo niin syvällinen että vastauksesta taitaa syntyä kokonainen blogi. Kysymys lähti oletuksesta että laitamme joitakin hyvin eläväisiä ja toimivia soluja – Jorman ehdotuksen mukaan vaikkapa syanobakteereita, siis omavaraisia (autotrofisia) soluja jotka pystyvät itse tuottamaan ruokansa merivedessä – siis, laitamme tuollaisia soluja tyhjän ja aution Maa-planeetan meriveteen. Siinähän niillä on hyvät edellytykset lähteä lisääntymään – ja jos elämä tällä tavalla saa pysyvän ”jalansijan” – niin mikä olisi elämän kehityskulku tästä eteenpäin. Jorma itse sanoo että elämän kehityksen yksityiskohdat olisivat varmasti erilaiset kuin mitä ne ovat olleet Maan historiassa, mutta olisivatko suuret suuntaviivat erilaisia vaiko samanlaisia. Esimerkiksi, hän kysyy, syntyisikö monisoluisia organismeja? Syntyisikö kasveja ja eläimiä? Syntyisikö lehtivihreä? Etenisikö elämä mereltä maalle ja kaasukehään?
Ensin sanoisin että tuo syanobakteereiden esiintuominen – jostakin – on jo varsin konstikas juttu. Elämä oli olemassa, kehittyi ja kokeili erilaisia ruuan-hankkimiskeinoja tällä planeetalla jo lähes kahden miljardin vuoden ajan, ennenkuin syaanobakteerit ilmestyivät ja keksivät vettä hajottavan ja happea tuottavan fotosynteesin. Tämä energian hankkimismuoto on tehokkain mahdollinen: siinä auringon valon avulla lehtivihreän elektronit nostetaan niin korkeaan viritystilaan, että sen hapetuspotentiaali pystyy irrottamaan veden hapelta kaksi elektronia (siis hapettamaan hapen) – ja tuottamaan vetyä (tai protoneja), elektroneja (= kemiallista energiaa) ja happea. Kuten tiedätte, veden hajottamiseen hapeksi ja vedyksi sähkövirran avulla tarvitaan merkittävän iso energiapotentiaali (Auts!!!) eli 1,23 eV. On todella merkillistä että pikkiriikkinen, proteiineista ja erilaisista pigmenteistä koostuva, kalvoon sidottu molekyylikompleksi pystyy ylläpitään sellaista reaktiota koko ajan, hallitusti ja tehokkaasti. Tähän tarvitaankin erittäin tarkka ja monimutkainen molekyylikoneisto – fotosynteesin reaktiokeskus II. Tämä kompleksi koostuu n. 20 proteiinista ja noin 100 erilaisesta apumolekyylistä – kaikki hyvin tarkasti asettuneet toistensa suhteen niin että elektronit voivat siirtyä helposti molekyyliltä toiselle. Tätä molekyylikompleksia kutsutaankin maailman 8. ihmeeksi. Kuinka todennäköistä on että planeetalla alkanut elämä keksii tällaisen koneiston? Ja varmasti sen ohella on jo syntynyt paljon muutakin.
No – harhaannuin tässä aika kauas Jorman alkuperäisestä kysymyksestä – mutta halusin tuoda ilmi että jos mereen ilmestyy syanobakteeriymppi – jostakin – niin se tarkoittaa että tämän elämänmuodon on pitänyt – jossakin – jo tätä ennen kehittyä varsin pitkälle. Jos tällainen ymppi kuitenkin ilmaantuisi elottomalla nuorelle planeetalle, niin voisiko siitä kehittyä samantapainen eliökunta kuin mitä Maassa on kehittynyt? Vastausta en ihan varmaksi tiedä, mutta todennäköisesti ei. Eliökunnan kasvuun liittyy ainakin pari oleellista ongelmaa. Ensimmäinen on se että tuollainen homogeeninen yhden lajin kasvusto – niin omavarainen kuin se olisikin energiantuoton suhteen, ja jos se pystyisi vielä sitomaan ilmakehän typpeäkin, niin että olisi omavarainen myös typen suhteen – niin lisääntyessään se kuitenkin käyttäisi pian loppuun kasvuympäristönsä ravinteet – ja kuolisi nälkään! Jos planeetalla on sellainen hiilidioksi- ja typpipitoinen ilmakehä kuin Maassa, näiden kaasujen pitoisuudet riittävät kasvattamaan biomassan varsin suureksi – mutta ensimmäiset kasvua rajoittavat ravinteet olisivat fosfori ja rauta, joita on merivedessä hyvin rajallisesti. Kasvustojen kuollessa biomassa painuisi meren pohjaan ja hautautuisi sedimentteihin – ja vapautuisi sieltä hiilidioksidina ja typen oksideina vasta hyvin hitaan tektonisen kierron kautta. Tämän hiiltä sitovan ja happea vapauttavan prosessin myötä myös ilmakehän koostumus muuttuisi totaalisesti – näinhän kävi oikeastikin Maapallolla, kahteenkin kertaan, kun happea tuottavat syaanobakteerit ja aitotumalliset levät ilmestyivät ja alkoivat yhteyttää ja tuottaa happea. Tehokkaiden hajottaja-organismien puuttuessa hiilidioksidi-kasvihuonekaasu väheni ilmakehässä, ja Maapallo jäähtyi totaali-jääkausiin.
Planeetalla pitää olla olemassa monimuotoinen eliökunta joka huolehtii omavaraisten eliöiden biomassan hajotuksesta ja siihen situtuneiden ravinteiden (hiili, typpi ja mineraaliset ravinteet) kierrätyksestä takaisin käyttökelpoiseen (kaasumaiseen tai liukoiseen) muotoon. Tämä erilaisten ravinteiden kierrätys perustuu eliökunnan ja ravintoketjujen monimuotoisuuteen.
Eliökunnan monimuotoisuuden kehittyminen on lähtenyt käyntiin tällä planeetalla jo heti elämän käynnistyessä. Varhaisimman kehitysvaiheen jälkeen eliökunta (Last common Universal Ancestor, LUCA) – joka ehkä jo silloin sisälsi vaihtelua – tuotti (oletettavasti) kaksi pysyvää solulinjaa, eli arkit ja ja bakteerit – joiden kahden linjan sisältä, jonkinlaisen yhtymisen kautta, syntyi myöhemmin aitotumallisten linja. Tämä monimuotoistuminen takasi sen että biomassan hajotusreitit ja ravinteiden kierrätys käynnistyivät, mutta myös sen että syntyi koko ajan uusia lajeja jotka pystyivät sopeutumaan aina uusiin ympäristöihin ja energialähteisiin. Tämän ansiosta eliökunta ei syönyt itseään nälkäkuolemaan, vaan pystyi aina uudelleen sopeutumaan uusiin olosuhteisiin ja tuottamaan uusia ja myös yhä monimutkaisempia lajeja.
Entä – jos eliökunta olisi lähtenyt käyntiin syanobakteeriympistä – olisiko se myös voinut käynnistää tuollaisen monimuotoisuuden kehittymisen. Ehkä jonkinlaista monimuotoisuutta olisi syntynyt – ehkä myös hajottajalajeja (syanobakteerilajit voivat kasvaa myös sokerialustalla) – mutta koska syanobakteerit ovat jo varsin pitkälle muuntuneita bakteereja, niistä ei kuitenkaan olisi kehittynyt arkkeja – eikä siis myöskään aitotumallisia lajeja.
Vastauksena alussa mainittuihin kysymyksiin: syanobakteereista käynnistynyt eliökunta olisi tuottanut (paljon ja monimuotoista) fotosynteettistä vihreää biomassaa. Se olisi voinut tuottaa monisoluisuutta – kuten bakteeririhmoja ja pesäkkeitä – se olisi tuottanut hapellisen ilmakehän – ja se olisi voinut ylläpitää globaaleja hiilen ja typen kertokulkuja. Mutta se ei olisi tuottanut eläimiä, eikä korkeampia elämänmuotoja.
Tämän spekuloinnin jälkeen haluaisin muotoilla Jorman kysymyksen uudelleen: entäpä jos elämä aloitettaisiin uudelleen samanlaisesta epämääräisestä ja erilaistumattomasta ”alkuliemestä” ja kolmeen päähaaraan jakautuvasta LUCAsta, niin olisiko tuo uusi eliökunta samankaltainen kuin tämä ensimmäinen. Mietitäänpäs tuota vaikka seuraavassa blogissa.
Nyt ulkona paukkuu ja rätisee niin kovin että taitaa olla jotakin merkittävää tapahtumassa. Siirryn juhlimaan – ja toivotan kaikille lukijoille onnekasta uutta vuotta.
PS. Kiinnostavasti, tällä hetkellä tunnetaan vain yksi yhden lajin muodostama ekosysteemi – eli Desulforudis audaxviator – sulfaatinpelkistäjäbakteeri joka elää syvällä Etelä-Afrikkalaisessa kultakaivoksessa ja sisältää myös joitakin arkkiperäisiä geenjä. Se saa energiansa mineraalien radioaktiivisesta hajoamisesta – eikä kyllä sekään yksinään pysty muodostamaan kovinkaan mittavaa ekosysteemiä. Ks. Science 10 October 2008: Vol. 322 no. 5899 pp. 275-278
4 kommenttia “Syaanobakteereista alkavan elämän kehittymisen skenaariot planeetalla M; eräs vaihtoehto”
-
Lauri Pullinen sanoo:
Hauska ajatus tuosta LUCA:sta. Se olisikin sinilevä, rantojen kiusa. Jokin täällä aikojen alussa on uinut alkumerissä.
-
Juupa juu — jos elämä olisi lähtenyt liikkeelle täällä tuolla tavalla niinkuin tuossa leikisti kuviteltiin – tai jos se olisi kehittynyt täällä toisella tavalla – menettänyt tai ohittanut monimuotoistumisen mahdollisuutensa – niin tämä maailma voisi tosiaa lillua kokonaan jonkinlaisen bakteerimassan peitossa. Tämähän juuri ehtikin olla vallitseva tilanne tällä planeetalla noin kahden miljardin vuoden ajan, ennenkuin elämä lähti kehittymään myös monisoluisiksi ja monimutkaisiksi eliöiksi. Jo tällä perusteella voimme olettaa että jos elämää esiintyy muualla, sekin saattaa hyvin tyytyä tuottamaan vain yksisoluisat mikrobimassaa…
Mietitään jatkossa mitkä tekijät vaikuttavat monisoluisuuden syntyyn … -
Tämä tuntuu vahvistavan ennakkoluuloani, että elämän syntyminen alunperinkin maapallolla on aivan merkittävästi yksinkertaisempi hypoteesi kuin elämän syntyminen jossakin muualla ja sen siirtyminen maahan jollakin tavalla. Kokeelliset tulokset astrobiologiassa antavat vielä odottaa itseään.
-
Kyllä näin. Elämän syntyminen jossakin muualla ja matkustaminen tänne – hypoteesinakin – siirtää vain tuon synty-prosessin kysymykset ”johonkin muualle” – kuitenkin senkin olisi pitänyt tapahtua ”lähellä” – esim. Marsissa. Eli koko prosessi (hypoteesinä) vain monimutakaistuu siten että siellä synnyttyään elämän olisi vielä pitänyt onnistua matkaamaan meteoriitin mukana tänne maahan (siis ensin päästä elossa ylös Marsin pinnalta – sitten matkustaa meteoriitin sisällä avaruuden läpi, pysyä elossa avaruuden vaikeissa olosuhteissa – ja sitten vielä onnistua putoamaan juuri Maahan, pysyä elossa putouksen aiheuttamassa shokissa – -ja sitten vielä onnistua käynnistämään täällä elinkelpoinen kolonia. Vaikka nämä kaikki kohdat ovat teoriassa mahdollisia -niin jokainen niistä on niin haastava että mahdollisuudet pienenevät askel askeleelta. Tällaista lisähankaluutta ei tähän prosessiin todellakaan kannata laskea mukaan — kuin korkeintaan siitä syystä että Marsissa olisi saattanut olla kemiallisesti suotuisampi ympäristö elämän käynnistymiselle. Mutta jos sen sitä kautta piti alkaa — niin kyllä tuo avaruusmatkailu laittaa siihen vain paljon lisää vaikeusasteita. Samoin kuin se että koko prosessin tiedetään tapahtuneen varsin sukkelasti – korkeintaan ”vain”, korkeintaan, joidenkin satojen miljoonien vuosien kuluessa, sen jälkeen kun nämä planeetat olivat tekeentyneet valmiiksi. Että semmosta — luulisinpa että täällä se alkoi…
Vastaa
Elämälle sopiva koti (Elämän synnyn ongelmia järjestysnumerolla -1)
Elämä ilmestyi Maa-planeetalle n. 4 miljardia vuotta sitten, heti pian sen jälkeen kun Aurinkokunta ja Maa olivat muodotuneet ja olosuhteet uudella planeetalla olivat rauhoittuneet elämälle kelvollisiksi. Mitkä asiat ja olosuhteet vaikuttivat siihen että elämä syntyi juuri täällä – sitä ei tarkkaan tiedetä. Ehkä jonkinlaista elämää on syntynyt muillakin planeetoilla, joko tässä tai muissa planeettakunnissa – itseasiassa on jopa mahdollista että Maan(kin) elämä olisikin saanut alkunsa jossakin muulla lähiavaruudessa, esimerkiksi Marsissa – ja on mahdollista että alkeellista elämän kemiaa tapahtuisi jossakin Aurinkoa kiertävässä komeetassa. Jokatapauksessa, elämä siis joko käynnistyi täällä, tai putosi tänne taivaalta – mutta merkittävää on että se kotiutui tänne ja on säilynyt tällä planeetalla aina näihin päiviin asti. Tämä Maan elämä on niin haurasta ja herkkää että se ei olisi selvinnyt millä tahansa taivaankappaleella.
Mitkä sitten ovat ne olosuhteet jotka ovat tehneet Maa-planeetasta niin mukavan kodin tälle Maan elämälle? Ensinnäkin siihen on vaikuttanut sopiva ja turvallinnen kosminen ympäristö: Aurinkokunta sijaitsee riittävän kaukana voimakkaista säteilylähteistä, kuten galaksin keskustasta. Se syntyi juuri galaktisen kiekon keskivaiheilla, missä tähtisumut ja niistä syntyvät nuoret tähdet kantavat jo rikasta kosmista perimää – raskaampia alkuaineita kuten hiiltä ja muita metalleja – ja näistähän päästään helposti rakentamaan elämän kodiksi kelpaavaa planeettaa. Galaktisen kehän ulkoreunoilla, vanhoissa tähdissä, ei ehkä olisi riittävästi näitä elämän rakennusaineita.
Tämän koti-planeetan ja planeettakunnan rakentuminen tapahtui n. 4,6 miljardia vuotta sitten jonkun paikallisen pölypilven romahtamisen kautta. Planeettakuntien syntymisen dynamiikka on vanhastaan ajateltu aika yksinkertaiseksi – mutta mitä enemmän siitä tiedetään, sen herkemmäksi ja dynaamisemmaksi prosessiksi se havaitaan. Joka tapauksenssa, pyörivän pölykiekon keskellä materiaali tiivistyy tähden esiasteeksi. Sitä kiertävään kiekkoon syntyy materiakeskuksia joihin kasaantuu enemmän ja enemmän samalla radalla kiertävää materiaalia, ja kun kiertoradan kaikki materiaali on kerääntynyt samaan protoplanetaariseen möhkäleeseen sitä voidaankin jo kutsua planeetaksi. Planeetat keräävät itseensä kaiken mitä niiden kiertoradalla on, mutta niiden lopullinen koostumus riippuu paljon siitä missä kohtaa kertymäkiekkoa ne syntyvät: Planetaarisen kiekon kuumemmissa sisäosissa niihin kerääntyy mineraaleja ja kaasuja, mutta kiekon ulommissa ja viileämmissä osissa kaasut ovat jään muodossa, ja yhdessä mineraalien kanssa ne muodostavat jättiläisplaneetoja. Nämä keräävät itseensä yhä enemmän jäitä ja kaasuja, ja näin jättiläisplaneettojen pinnat peittyvät syviin ja tiheisiin kaasukehiin. Näin ainakin kävi tässä meidän Aurinkokunnassamme – tosin tämä ei ilmeisesti ole mikään sääntö, koska muualla planeettakunnat näyttävät muodostuvan ihan eri näköisiksi.
Aurinkokunnan sisempien kiviplaneettojen kaasukehät kehittyivät hyvin dynaamisesti: Auringon syttyminen puhalsi pois niiden paksun alkuperäisen kaasukehän, mutta uusia kaasuja tuli planeetoille komeettojen mukana, ja kiviperään sitoutuneiden kaasujen vapautuessa ilmaan. Nuoren Maan pintaan paiskautuvat isot kappaleet tosin pyyhkivät nämäkin kaasukehät toistuvasti ulos avaruuteen – mutta planeetoille tuli kuitenkin yhä lisää haihtuvia yhdisteitä, ja pysyvän ilmakehän muodostuminen riippui lopulta siitä oliko planeetan vetovoima riittävän suuri estämään kaasumolekyylien pakenemisen ilmakehästä. Maa ja Venus pitivät ilmakehänsa, Mars taas vähitellen menetti sen. Maan ilmakehä siis vaihtui useita kertoja sen ensimmäisten vuosimiljoonien aikana. Samoin vaihteli lämpötila – alkaen sulasta magmapallosta, joka jäähtyi – jäähtyi – jäähtyi – ja olisi päätynyt jääplaneetaksi elleivät ilmakehän (vaihtelevat) kasvihuonekaasut olisi säätäneet termostaattia korkeammalle, aina kulloisesta kaasukoostumuksesta riippuen.
Monet tekijät yhdessä vaikuttivat siihen millaisiksi olosuhteet kehittyivät Maa-planeetalla ajan myötä. Auringon lämpötila määräytyi sen koon ja iän mukaan – planeetan lämpötila taas määräytyi Auringon lämpötilan, planeetan etäisyyden, sen pinnan heijastavuuden (albedon) ja sen kaasukehän perusteella. Planeetan kiertoradan muoto ja planeetan oman akselin kaltevuuskulma ja sen vaihtelut vaikuttivat myös merkittävästi olosuhteisiin. Maa-planeetalle kävikin sellainen onnellinen sattumoinen että törmättyään dramaattisesti yhteen naapurinsa (Theian) kanssa se sai kiertoradalleen hienon ja kauniin kiertolaisen – Kuun. Kuu vaikutti Maan olosuhteisiin merkittävästi: alkuvaiheissaan se pysytteli niin lähellä emoplaneettaansa että ehti kiertää planeetan viisikin kertaa vuorokaudessa ja nostattaa samalla satojen metrien korkuiset vuorovedet. Tämän merkitystä varhaiselle elämälle emme osaa edes arvioida. Etäännyttyään kauemmas se kuitenkin vakiinnutti Maan akselin pyörimiskulmaa ja samalla olosuhteiden ja vuodenaikojen vaihteluita, ja tämä ainakin vaikutti suotuisasti elämän olosuhteisiin. Planeetan ytimen koostumus (sula/kiinteä rautaydin- ilmeisesti) taas synnytti planeetan ympärille magneettikentän joka yhä suojelee koko planeettaa ja sen eliökuntaa kovalta ionisoivalta säteilyltä. Vesi-valtameret yhdessä veteen liunneiden ja vaippaan painuvien mineraalien kanssa tuottivat kidevedellisiä kevyitä mineraaleja, nämä edelleen mannerlaattoja jotka kelluvat merenpohjan laatan päälle, ja nämä puolestaan yhdessä Maan vaipan konvektiovirtausten kanssa tektonisen kiertokulun joka kierrätti – ja yhä kierrättää – Maan uumeniin painuneet kaasut – kuten veden, ja hiilen oksidit – takaisin ilmakehään.
Planeetta Maa itse on dynaaminen kokonaisuus, ja kaikki sen ominaispiirteet, yhdessä planeettakunnan muiden kappaleiden kanssa, määräävät siitä millaiset olosuhteet täällä vallitsevat. Nuo olosuhteet mahdollistivat sen että planeetta muuttui elämän kodiksi. Mutta kuinka ollakaan: kotonahan on tapana sisustaa uudelleen. Elämä onkin totaalisesti muuttanut tämän planeetan olosuhteita. Ensimmäisen vuosimiljardin ajaksi se muutti ilmaston metaanipitoiseksi ja nosti lämpötilan ehkä jopa 60-80 C asteeseen. Sittemmin, keksittyään miten vettä hajotetaan auringonvalon avulla, se muutti ilmakehän happipitoiseksi, ja samalla aiheutti – useaankin kertaan – koko planeetan painumisen syvään totaalijääkauteen. … Ja onhan elämä sittemminkin monella tavalla muuttanut Maan ilmakehää.
Vielä takavuosina monet tutkijat arvelivat että planeetalla pitää kaikkien tekijöiden olla juuri tasan kohdallaan, niinkuin sadun Kultakutrilla, jotta Elämä voi sinne asettua taloksi. Silti – silti emme vielä tiedä mikä on kriittistä, mikä ei.
7 kommenttia “Elämälle sopiva koti (Elämän synnyn ongelmia järjestysnumerolla -1)”
-
Pekka Janhunen sanoo:
Terve,
Tässä on paljon asiaa josta leijonanosasta olen samaa mieltä. Jäin kuitenkin miettimään seuraavia yksityiskohtia.
1) ”Auringon syttyminen puhalsi pois niiden paksun alkuperäisen kaasukehän”, tämä viittaa kaiketi nuoren tähden voimakkaaseen aurinkotuuleen joka sputteroi hiukkasia ilmakehän ylimmästä osasta ja/tai roihupurkausten UV- ja röntgensäteilyyn joka lämmittää ja laajentaa yläilmakehää. Koko ilmakehän häätäminen geologisesti ajatellen varsin lyhyessä ajassa on kuitenkin kova urakka näille prosesseille. Ehkä kuitenkin päämekanismi oli törmäykset, joihin tekstin jatkossa viitataankin.
2) ”Mars taas vähitellen menetti [ilmakehänsä]”. Ehkä, mutta on myös mahdollista että Marsin ilmakehän hiilidioksidin pääosa on sitoutuneena napakalotteihin. Hiilidioksidi härmistyy sitä korkeammassa lämpötilassa mitä korkeampi on paine. On mahdollista että Marsin ilmakehän paine ja napojen talvilämpötila asettuvat nykyisiin arvoihinsa tällaisen takaisinkytkennän kautta. Ajatus jonka mukaan Marsin ilmakehän pääosa olisi karannut avaruuteen herättää kysymyksen miksi prosessi olisi pysähtynyt juuri kun ilmakehästä oli enää rippeet jäljellä. Eli miksi Mars ei pakoteorian tapauksessa olisi täysin ilmakehätön kuten Merkurius? Yläilmakehän pakomekanismien tehokkuus (paennut massa per pinta-ala ja aika) riippuu vain heikosti painovoiman korkeusriippuvuuden kautta siitä kuinka tiheä ja syvä ilmakehä alla on.
3) ”…planeetan ympärille magneettikentän joka yhä suojelee koko planeettaa ja sen eliökuntaa kovalta ionisoivalta säteilyltä.” Ilmakehä on se pääasiallinen kilpi joka suojelee Maan pintaa kosmiselta säteilyltä, magneettikenttä suojaa lähinnä ISS:n astronautteja. Säteilyn kannalta elämä pärjäisi ilmankin magneettikenttää. Napa-alueilla kenttä suojelee nytkin melko heikosti, samoin käy koko planeetalla aina kun kentän napaisuus vaihtuu, silti naalit juoksevat ja elämä jatkuu.
t:/p. -
Pekka! Kiitos näistä tarkennuksista! Olinkin jo tietoinen siitä että ainakin tuon magneettikentän merkittävyys on tullut jo kiistetyksi – mutta myös nuo muut näkökohtasi osoittavat sitä miten moninaiset seikat vaikuttavat planeetoilla vallitseviin olosuhteisiin. Jatketaan keskutelua ja tarkennetaan kuvaa — tuo blokini olikin ikäänkuin sellainen vanha ”standardimalli” – sanotaan vaikka että tarkentavan keskustelun lähtökohdaksi! Kiitos sinulle!!
-
Aistien kehittyminen kenties oli se alkuun paneva voima, jota elämänmuodot alkoivat jalostaa. Kaikkein pienimmilläkin itsenäisesti liikkuvilla eliöillä on jonkinlaiset aistimet, monesti valon eri vaihteluita vastaanottavina silmät – yleensä parillisesti kaksi jakautumisperintönämme (muitakin valoaaltojen ulkopuolisten säteilyjen aistimia tunnetaan). Valon ”aistimista” voinee toteutua jo joissakin elottomissa yhdisteissä (en tiedä esimerkkejä niistä itse kertoakseni).
-
Ajatuskoe: ajatellaan maapalloa ilman elämää. Kiviplaneetta jossa meriä ja jonkinlainen kaasukehä sekä vuorovesi-ilmiön aiheuttava kuu. Etäisyys auringosta sopiva. Laattatektoniikka. Tiputamme mereen jotain alkeellisimpia/vanhimpia tuntemiamme elämänmuotoja ja odotamme. Valtaako elämä planeetan sisustaen sen uudelleen? Jos ei, niin miksi ei?
-
Jorma. Ajatuskokeesta tulee tällainen tulos: Jos pudotat elottoman Maan pinnalle jotakin jo hyvinkin eläväistä – siis soluja – niin niiden selviytyminen riippuu siitä millaisia ne ovat, ja mihin kohtaan ne pudotat – siis, ovatko ne ollenkaan sellaisia jotka ovat jo aiemmin sopeutuneet vastaaviin olosuhteisiin, osaavatko ne käyttää ravinnokseen sellaista materiaalia mitä siinä ympäristössä on. Jos tiputtaisit mereen vaikkapa jonkun syaanobakteerin tapaisen solun, siis sellaisen joka pystyy saamaan energiansa suoraan auringon valosta niin sehän lähtisi siinä iloisesti kasvamaan ja valtaisi ihan pienessa ajassa kaikki tuon elottaman maapallon meret. Jos taas pudottaisit siihen vaikkapa jotakin hyvin happamissa oloissa tai kuumissa oloissa viihtyviä rikkibakteereita tai arkkeja – ne tuskin säilyisivät…. Kaikista alkeellisimmat elämän muodot — niitähän emme tarkkaan tiedä mitä ne ovat olleet – mutta on oletettavaa että ne olisivat ollet jotakin virusten tapaisia lisääntymiskykyisiä RNA-juosteita — ja ne taas tarvitsevat hyvinkin tarkkaan oikean laiset olosuhteet, jotkut sellaiset ”alkuliemen” tapaiset – eli sellaisiet joissa on runsaasti valmiina paljon niiden tarvitsemia molekyylejä — joten nämä eivät varmastikaan olisi selvinneet avoimessa merivedessä (ne tarvitseivat jonkinlaiset ”hautomo-olosuhteet”). … Siis, aikamoista onnenkauppaa, tuo elämän selviytyminen, jos se putoaa uudelle ja oudolle planeetalla, vaikka se planeetta olisikin ”elämän vyöhykkeellä”. Mutta ihan varmaa on se että JOS tuo elämän ymppi säilyy ja lähtee kasvamaan, se tuottaa jonkun ihan toisenlaisen eliökunnan kehityskulun kuin mitä tällä planeetalla on tapahtunut… Mielenkiintoinen kokeilu, jokatapauksessa…
terv. K.
-
Kiitos vastauksestasi! Täsmennän vielä ajatuskokeeni ideaa joka liittyi oikeastaan tuohon planeetan sisustamiseen enemmin kuin elämän syntyyn. Siis laitamme vaikka sellaisia syaanobakteereita paikkaan jossa niillä on hyviä edellytyksiä lähteä lisääntymään. Ja oletetaan sitten että elämä tällä tavalla saa pysyvän jalansijan. Varmasti eliökunnan kehityskulku olisi aivan erilainen kuin Maan. Mutta: syntyisikö monisoluisia organismeja? Syntyisikö kasveja ja eläimiä? Syntyisikö lehtivihreä? Etenisikö elämä mereltä maalle ja kaasukehään? Eli olisivatko nämä suuret suuntaviivat täysin erilaisia?
-
Luin verkkouutisista, että Atlantin keskiselänteen lähellä on paikka nimeltä kadonnut kaupunki (Lost City). Siellä on hydrotermisten putkien alue(erilainen kuin mustat savuttajat).
On esitetty teoria, että elämä olisi voinut syntyä mainitun paikan tapaisissa olosuhteissa. Hydrotermisten putkien seinämissä on
puoliläpäiseviä huokosia, jotka ovat voineet toimia solumuotteina, joissa molekyylit ovat voineet monimutkaista.
Onko teoria miten uskottava elämän syntytavaksi? Onko siinä pahoja aukkoja?
Ihan siitä ilosta että kommentointi taas toimii pitää heti hyödyntää sitä.
Ajan tajuaminen ei ole suora aistihavainto, vai onko? Mielestäni tarvitaan muisti ja kyky hakea informaatiota muistista. Tarvitaanko muuta ajan tajuamiseen?
Evoluution perusmekanismi on sopeutumista, siis reaktiivista eikä ehkä edellytä geneettistä muistia. Geeniperimään jää kuitenkin jälkiä ominaisuuksista jotka joskus olivat tarpeellisia, nyt eivät ole mutta tulevaisuudessa ehkä taas ovat. Herää kysymys: jos geeniperimään ei jäisi jälkiä menneistä ajoista ja ominaisuuksista, niin olisiko yksilötasollakaan kehittynyt muistia?
Kaikenlaista sitä miettiikin kun pitäisi ihan muita töitä tehdä…
Jorma,
nämä on tosi kiehtovia kysymyksiä, ja itse liikun tässä ”tajunta-asiassa” ihan mutu-tuntumalta. Kuitenkin ajattelisin että ajan käsitteen ja ajan pituuden tajuaminen liittyy erittäin korkeaan tietoiseen ajatteluun – siis korkeaa alyykkyytä. Vai olisikohan sitä esim. sellaisilla muuttavilla eläimillä (esim. linnuilla) jotka palaavat aina uudelleen samoille paikolle. Ei kait? Onhan myös olemassa joku ihmisheimo (alkeelline) jolla ei ole käsitettä eilen tai huomenna, on vain nykyhetki. Kummallista!!
Tuosta geneettisestä muistista: käsittääkseni kaikki genomiin syntyvät muutokset – tai ainakin ne muutokset jotka säilyvät ja aiheuttavat jotakin valinta-etua – ne kaikki voidaan lukea geneettiseen muistiin. Se on siis oleellinen osa evoluutiota.