Elämän keitaita

Terveisiä maan alta

12.6.2018 klo 15.37, kirjoittaja Kirsi Lehto
Kategoriat: Astrobiologia

Viime viikolla olin vierailemassa Pyhäsalmen kaivoksella, Callio lab (https://calliolab.com/ järjestön , tai tarkemmin sanottuna: Callio Space Lab) nimisen toimijan järjestämässä kokoontumisessa. Callio Lab on Oulun yliopistoon ja Kerttu Saalasti Instituuttiin assosioituva järjestö, joka pyrkii löytämään uusia ja innovatiivisia tutkimustoimintoja Pyhäsalmen 1444 metriä syvän kaivoksen luolastoihin. Erityisesti, tuo ”Space lab” painotus syntyy oivalluksesta että kaivos voisi toimia erinomaisena testipaikkana mahdollisille maanalaisille asumisjärjestelyille Marsissa. Pyhäsalmen syvissä kallioluolissa olisi siis nyt mahdollista tehdä monenlaista Mars-asutukseen liittyvää tutkimusta, edellyttäen että tutkimuksille löytyisi jostakin myös rahoitusta.

Viime viikon tapaamiseen oli kutsuttu edustajia hyvinkin monenlaisilta aloilta, jotka kaikki jotenkin liittyivät tuollaisen maanalaisen asumisen haasteisiin. Paikalla oli mm. edustaja Suomen luonnonvarakeskuksen tutkimusryhmästä, joka jo testaa kasvien kasvattamista (tälle hetkellä humalaa) vesiviljelmissä kaivostunnelissa. Hyvinhän se näyttää siellä kasvavan, ihan samoin kuin missä tahansa kasvihuonetiloissa. Itse esittelin kokouksessa syanobakteerien merkittävää roolia hapen ja biomassan primäärituottajana Marsin haastavissa olosuhteissa; syanobakteerit pitäisi kuitenkin mieluummin kasvatettaa katetuissa altaissa Marsin pinnalla, missä energialähteenä toimisi auringonvalo.

Eläinproteiinien tuottamisen mahdollisuuksia palaverissa edusti Robert Nemlande Entocube yhtiöstä; eri lajiset sirkat ja toukat ovat sellaisia eläimiä jotka mahdollisimman tehokkaasti ja ekologisesti, vähällä vedellä, jalostaisivat  kaikenlaisen biomassan syötäväksi eläinproteiiniksi.

Noita Marsin pinnalla toteutettavia ihmisen elossapitosysteemejä on toki mietitty paljon  isoissa avaruusjärjestöissä, kuten myös eri tahojen tutkimusprojekteissa, ja niiden suunnitelmissa. Ilmeisestikin Marsin paikallisten luonnvarojen varaan olisi mahdollista rakentaa jonkinlaisia minimaalisia suljettuja ekosystemejä, joissa kaikkia ravinteita voisi kierrättää täysin suljetuissa kierroissa.  Levien ja kasvien fotosynteesin ja yksinkertaisten eläintuotteiden kautta ne voisivat jalostua myös pienen ihmismäärän ravinnoksi ja hapeksi.

Jotkut kaupalliset tahot uskovat että Marsiin on mahdollista perustaa suuriakin, jopa miljoonan ihmisen yhdyskuntia https:/www.telegraph.co.uk/science/2017/06/21/elon-musk-create-city-mars-million-inhabitants/%20). Hurjimmissa kuvitelmissaan jotkut jopa kuvittelevat että koko punainen planeetta voitaisiin lämmittää niin että sen napajäätiköt, hiilidioksidijää ja maanalaiset jäätiköt sulavat, ja koko planeetta  muuttuisi (ainakin hiukan) asuinkelpoiseksi; tällaista prosessia kutsuttaisiin Marsin maankaltaistamiseksi (https://en.wikipedia.org/wiki/Terraforming_of_Mars).

Kuitenkin,  se ihmisten tai muiden eliöiden määrä mitä Marsin biologinen perustuotanto voisi pitää yllä, olisi välttämättä hyvin pieni. Näin ainakin nykyisin tunnettujen ja käytettävissä olevien luonnonvarojen varassa.

Marsin ilmakehä koostuu lähes kokonaan hiilidioksidioksidista, ja yleisesti ajattelemme että se olisi riittävä hiilen lähden fotosynteesin käyttöaineeksi. Ja niin olisikin aluksi: vastaisihan tuo 7 mbarin CO2 ilmakehä peräti 0,7 % CO2 pitoisuutta jos se esiintyisi osana 1 baarin ilmakehää. Verrattakoon tätä maan hiilidioksidipitoisuuteen, 400 ppm, joka siis muodostaa vain 0,4 promillea maan 1 baarin ilmakehästä.

Mutta verrataanpa kuitenkin näiden planeettojen kokonaishiilivarantoja ja hiilen saatavuutta biologisiin prosesseihin: Marsissa lähes kaikki tunnetut hiilivarannot ovat ilmakehässä, ja hiukan, hiilidioksidijäinä napajäätiköiden sisällä. Meillä maassa taas hiilidioksidia on paitsi ilmakehässä, myös suunnilleen yhtä paljon sitoutuneena biomassaan, noin 3 x enemmän sitoutuneena maaperään, noin 50 x enemmän liuenneena meriin, noin 10 x enemmän syvän meren sedimenteissä, ja samoin, n. 10 x enemmän sitoutuneena fossiilisiin hiilivarastoihin. Lisäksi hiili kiertää sujuvasti kaikkien näiden reservien välillä; joidenkin välillä jopa päivittäin (biomassa ja ilmakehä), ja joidenkin välillä vuosimiljoonien kuluessa. Nämä tasapainotilat säätelevät sitä että hiilen pitoisuus ilmakehässä säilyy suunnilleen vakioisena https://earthobservatory.nasa.gov/Features/CarbonCycle/.

Jos Marsissa koetettaisiin kasvattaa merkittäviä määriä biomassaa, se  sitoisi merkittävän osan ilmakehän hiilidioksidia, ja ilmakehää. Biomassaan sitoutunutta hiiltä voitaisiin periaatteessa kierrättää takaisin ilmakehään, mutta vain polttamalla sitä hapessa, esimerkiksi eliöiden hapettavasssa aineenvaihdunnassa. Happi tähän tarkoitukseen pitäisi taas irrottaa vedestä. Tämä saataisiin tehtyä fotosynteesireaktion avulla, eli samassa reaktiossa joka sitoo hiilidioksidin biomassaan.

Veden saatavuus on Marsissa vielä rajallisempaa kuin hiilidioksidin. Sitä tarvitaan paitsi hapen tuotantoon,  myös elävän biomassan rakennusaineeksi. Eliöiden biomassasta noin reilu puolet on vettä (keskimäärin). Näiden molempien luonnonvarojen rajoittamana luontaisen biomassan määrä Marsissa rajoittuisi jonkinlaisiin yksisoluisten mikrobien mattoihin.

Ihminen pystyy teknologian avulla rikastamaan niukkoja luonnonvaroja omiin tarpeisiinsa, mutta niitä ei pystytä tuottamaan tyhjästä lisää. Kun niitä on vain hyvin vähän olemassa, niistä ei voida mitään kovin ihmeellistä ekosysteemiä rakentaa. Oleellista tulisi olemaan se, että kaikki käyttöön otettavat luonnovarat, eli vesi, hiili, typpi ja muut ravinteet, pitäisi kierrättää täysin suljetuissa kierroissa.

Marsissa ihmiset siis eläisivät paineistetuissa, suljetuissa tiloissa ja kierrätettäisivät hiiltä ja vettä niin että ne ovat vuorotellen hapettuneessa ja pelkistyneessa muodossa. Hengitettävä happi saataisiin vettä hajottavista fotosynteesireaktioista, ja sama happi muuttuisi takaisin vedeksi kun biomassa hapettuisi hengitysreaktioissa. Miniatyyri-ekosysteemi kierrättäisi loputtomasti samaa pientä happimäärää, samaa vettä, ja samaa hiiltä, loputtomasti. Tällaisen yhtälön tasapainottaminen pienessä mittakaavassa olisi varmasti perin haasteellista.

Marsissa ihmiset joutuisivat myös suojautumaan ankaralta UV- ja kosmiselta säteilyltä. Parhaana säteilysuojana toimii kallioperästä rakennetut paksut kuvut tai rakennelmat. Liquifer-yhtiön edustjilta kuulimme että tuollaisia voidaan nyt tuottaa jo automaattisesti, 3D-printtaustekniikalla, auringonvalolla sulatetusta hiekasta (http://www.liquifer.com/).

Ja sitten on vielä olemassa se syvällä planeetan pinnan alla asumisen vaihtoehto.

Tämän yhtenä ongelmana on psykologinen luonnottomuus: suljetun ja täysin pimeän ympäristön aiheuttama ahdistus. Viime viikon tapaamisessa oli paikalla sisustusarkkitehtejä jotka miettivät miten nämä mielen ongelmat ratkaistaan sisustuksen ja valaistuksen avulla. Sanotaan, että kaikkeen ihminen tottuu.

Marsia pidetään myös ihmiskunnan viimeisenä mahdollisena turvapaikkana niissä katastrofiskenaarioissa missä ajatellaan että olemassaolon mahdollisuudet täällä kotiplaneetalla tuhoutuvat. Itse olisin sitä mieltä että jos niin kävisi, niin se olisi sitten kyllä ihmisen kannalta ”menetetty peli”. Ei meillä ole oikeasti muuta mahdollisuutta kuin koettaa pitää tämä pieni kotiplaneetta elinkelpoisena. Olosuhteet täällä ovat aivan ylettömän ylelliset, kaikkiin muihin vaihtoehtoihin verrattuna.

Ja alkuaineiden suuret kierrot toimivat täällä hienossa tasapainossa, globaalissa mittakaavassa. Kunhan emme sekoita yhtälöä liian perusteellisesti.

Ihmeellistä energian käyttöä

30.5.2018 klo 23.09, kirjoittaja Kirsi Lehto
Kategoriat: Astrobiologia

Näin kevätkuukausien aikana me täällä Pohjolassa näemme valtaisia luonnonprosesseja, mitä suuret energiavirrat saavat aikaan: Jäät ja lumet sulavat, routa häviää maasta ja sulamisvedet virtaavat valtoimenaan. Ja jos ilmanalat pysyvät kovin säteilevän lämpiminä, niin eipä aikaakaan kun maaperä jo alkaa rakoilla kuivuuttaan. Nämä veden olomuodon muutokset tietenkin ovat suoraa seurausta auringon lisääntyneestä säteilystä ja lämpötilan noususta, eikä niissä ole mitään ihmeellistä.

Sen sijaan ihan vallan ihmeellistä on se kasvillisuuden räjähdysmäinen kasvu mitä nämä olosuhteet saavat aikaan. Maasta, puista, pensaista, ja varvuista, joka puolella, myös kivipinnoilla ja luonnonvesissä, tunkee esiin kaikenlaista vihreää vartta, lehteä tai yksisoluista leväkasvustoa. Uutta biomassaa syntyy valtavalla vauhdilla. Tämä uusi biomassa puolestaan muuttuu meille kaikille muille eliöille ruuaksi ja energian lähteeksi.

Uuden vihreän ihme perustuu siihen että ilman hiilidioksidi sitoutuu yhteen vedestä eristettyjen vetyatomien kanssa, niin että nämä yhdessä muuttuvat kaikenlaisiksi isoiksi molekyyleiksi. Hiilidioksidi ja vesi muuttuvat sokereiksi, ja samalla syntyy lisää happea. Se varsinainen ihmeellinen juttu tässä on se hieno ja hyvin monivaiheinen prosessi miten auringon valoenergia sitoutuu kemiallisiin sidoksiin, eli muuttuu kemialliseksi energiaksi.

Kasveissa ja syanobakteereissa fotosynteesi lähtee siitä että valokvantit pommittavat klorofyllimolekyylejä, minkä seurauksena niiden ulooimmat elektronit virittyvät korkeammalle energiatasoille. Viritykset siirtyvät resonoimalla molekyyliltä toiselle. Lopulta, viritysten siirryttyä molekyylikompleksin keskelle, eli reaktiokeskukseen asti, elektronien energia onkin jo niin korkea että ne karkaavat kokonaan kyseisen klorofyllimolekyylin vaikutuspiiristä. Elektroni lähtee HYVIN sukkelasti, noin yhden pikosekuntin aikana, seilaamaan toisille, hyvin vastaanottavaisille molekyyleille; se sujahtaa monien erilaisten siirtäjämolekyylien muodostamaan sähköä johtavaan reittiin  jota kutsutaan elektroninsiirtoketjuksi.

Tämä elektronien virtaaminen klorofyllimolekyyleiltä poispäin edellyttää sitä, että ne voivat lopulta siirtyä  sellaiselle yhdisteelle joka voi ottaa vastaan ja varastoi niitä. Tällaisena ”akkuyhdisteenä” toimii kasveissa NADP⁺  niminen nukleotidijohdannainen. Elektronisiirtoketjun alkupäässä taas täytyy olla olemassa jokin aine joka loputtomasti luovuttaa elektroneja, ja koko ajan  korvaa klorofylliltä pakenevat elektronit, niin että koko koneisto pysyy ehjänä ja toimivana. Alkeellisilla fotosynteettisillä bakteereilla tällaisena elektronien luovuttajina voi toimia esimerkiksi  rikkivety, H₂S. Kuitenkin, jo ehkä kolme miljardia vuotta sitten syanobakteerit kehittivät niin voimakkaan elektronien viritystilan ja siirtoketjun, että ne alkoivat riistää elektroneja  vesimolekyyleiltä.

Syanobakteerien fotosynteesissä vedeltä otetut elektronit kuljetaan monien vaiheiden kautta NADP-molekyylille; auringonvalo siis pitää yllä miniatyyristä sähkövirtaa joka pumppaa (valtavaa vauhtia) elektroneja vesimolekyyleiltä NADP-akkuun. Vedestä irrotetaan myös vety-ytimet, joiden avulla rakennetaan kemiallinen gradientti kloroplastin kalvoston yli. Myös tämä muutetaan kemialliseksi energiaksi siten että ne valutetaan kalvon läpi, korkeammasta pitoisuudesta matalammalle, ATP-syntaasi-entsyymin läpi. Lopulta sekä elektronit että vety-ytimet liitetään hiilidioksidiin, ja tuotetaan sokeria. Vedestä jäljelle jäänyt happi haihtuu ilmaan.

Sama syanobakteereilta periytyvä molekyylikoneisto on käytössä myös kaikkien kasvien viherhiukkasissa. Koko koneisto on kaikessa miniatyyrisyydessään todellinen luonnon mestariteos. Rakenne vaihtelee hiukan lajista toiseen, mutta joka tapauksessa siihen kuuluu kaksi erillistä reaktiokeskusta ja niitä yhdistävä sytokromikompleksi, yli 10 erilaista proteiinia, erilaisia pigmenttejä (klorofyllejä, pheofytiiniä, karotenoideja), kinoneja, ja rauta-rikkikompleksi. Tämä koneisto siirtää elektroneja niin tehokkaasti siksi että molekyylit sijoittuvat hyvin tarkasti sopiviksi elektroninjohteiksi toistensa suhteen.

Fotosynteettisen koneiston jotkut osat näyttävät olevan ikivanhoja: erityisesti, klorofyllimolekyylien perustana oleva rengasrakenne,  protoporfyriinirakenne syntyy spontaanisti kuumissa olosuhteissa typpeä ja hiiltä sisältävistä pyrrolirenkaista; pyrrolirenkaita taas syntyy spontaanisti aminohapoista ja formaldefydistä. Renkaan keskelle, vetyjen paikalle sitoutuu helposti jokin metallikationi. Rautaionin sitoutuessa se muodostaa hemimolekyylin, Magnesiumionin sitoutuessa klorofyllin perusrakenteen. Myös elektronien vastaanottajana toimiva NADP, di-nukleotidijohdannainen, voisi olla peräisin vaikkapa jo RNA-maailman ajoilta. Myös rikki-rauta kompleksi voisi periytyä jo hyvin varhaisen (hapettoman) maailman ajoilta.

Happea tuottavat molekyylikoneistot ovat kaikki peräisin samasta alkumuodosta, joka tarkoittaa sitä että tuo toimiva kompleksi on kasaantunut tällä planeetalla vain kerran. Koneisto on niin moniosainen, ja niin ja tarkkaan rakentunut, että itse olen monesti epäillyt saattaisiko sellaista syntyä missään muualla, muilla planeetoilla.

Täällä meillä Maassa happea tuottava fotosynteesi on kuitenkin tehnyt mahdolliseksi monimutkaisen elämän ilmestymisen planeetalle. Fotosynteesi tuottaa ravinnon kaikille meille muille eliöille, ja sen tuottama happi myös mahdollistaa energian tehokkaan irrottamisen biomolekyylien sidoksista.  Tehokas hapettava aineenvaihdunta on välttämätön edellytys monisoluisten suurten eliöiden olemassaololle, ja erityisesti, se on ollut välttämätön edellytys suurten aivojen kehittymiselle ja toiminnalle. Siis ilmeisesti koko monimutkainen, suurikokoinen, ja erityisesti, tietoinen elämä on happea tuottavan fotosynteesin ansiota.

Fotosynteesin ansioista meillä on yläilmakehässä myös riittävä otsonikerros, joka hillitsee pinnalle tulevaa UV säteilyä riittävästi jotta elämä pystyy selviytymään kuivalla maalla. Sen ansioista auringon paiste ja kesätuuli tuntuvat ihanalle iholla.

Tieteen suuret kysymykset

29.4.2018 klo 14.35, kirjoittaja Kirsi Lehto
Kategoriat: Astrobiologia

Eräässsä tutkimuksessa on kyselty yleisöltä mitä he pitävät tieteen suurimpina kysymyksina ja haasteina (https://www.npr.org/sections/13.7/2013/09/10/221019045/the-10n-most-important-questions-in-science). Vastausten perusteella ihmisiä kiehtovat eniten perinteiset olemassa olomme perusteita ja kaiken alkuperää koskevat kysymykset: ”Mistä maailmankaikkeus on tullut”, ja ”Miten elämä on syntynyt”. Näitä kysymyksiähän on ihmetelty niin kauan kuin tietoinen laji on ollut olemassa ja koettanut ymmärtää maailman olemusta ja omaa alkuperäänsä. Menneinä aikoina näihin kysymyksiin on koetettu vastata myyttien ja uskomusten avulla. Nykyään luonnontieteet rakentavat pienistä tiedon palasista kokonaiskuvaa siitä miten nämä prosessit olisivat aikoinaan oikeasti tapahtuneet.

Nyt ymmärrämme maailmankaikkeuden syntyneen prosessissa jota kutsumme Alkuräjähdykseksi: jokin äärettömän pieni piste räjähti jonkinlaisen kvanttihypyn kautta, laajeni valoa nopeammin ensimmäisen sekunnin pikkiriikkisen murto-osan ajan, ja tuossa räjähdyksessä syntyi kaikki se mitä maailmassa on olemassa. Meille maallikoille tuo tapahtuma on täysin käsittämätön, mutta kosmologit ja hiukkasfyysikot ovat tykönään tutkineet sitä, ja päässeet tapahtumista niinkin hyvään yhteisymmärrykseen että  selittävät sitä nykyisin mallilla jota kutsutaan ”standardimalliksi”. Malli perustuu lähinnä suhteellisuusteoriaan, kvanttiteoriaan, hiukkasfysiikkaan ja havaintoihin maailmankaikkeuden laajenemista, ja sen taustasäteilyn rakenteesta.

Standardimallin mukaan maailmankaikkeus syntyi inflaatioprosessin ja kuuman alkuräjähdyksen kautta. Tässä prosessissa olemattoman pieni lähtökohta laajeni hyvin nopeasti, valoa nopeammin, alle sekunnissa, nuoreksi maailmankaikkeudeksi.

Alkuräjähdys eteni vaiheittain. Sen ensimmäinen vaihe, eli varsinainen kaiken aineen ja energian synty, tapahtui noin 10 ^-32 sekunnissa. Tätä aikaa kutsutaan Planckin ajaksi. Se on lyhin mahdollinen mitattavissa oleva aika, ja niin lyhyt ettemme pysty sitä ymmärtämään. Tänä aikana maailma oli laajentunut noin 10²⁸ kertaiseksi, ja tämä luku taas on käsittämättömän suuri. Kuitenkin, mallit ennustavat että tuon ajan kuluessa maailma olisi laajentunut noin metrin laajuiseksi palloksi: tyhjiö avautui tuon suuruiseksi tilaksi, joka nyt sisälsi kaiken mitä maailmassa tuli koskaan olemaan. Tapahtuma eteni valon nopeutta nopeammin, eikä siis lähettänyt ympäristöönsä mitään valoa tai säteilyä. Tapahtumaa ajoi valtava tyhjiön energia, joka muuttui äärimmäisen kuumaksi säteilyksi, eli valon nopeudella liikkuviksi fotoneiksi ja alkeishiukkasiksi. Tämä prosessi synnytti kaiken aineen ja energian mitä maailmassa on, ja sitä kutsutaan inflaatioksi.

Inflaation alussa alkoi aika, ja sen aikana määräytyivät myös maailmankaikkeutta hallitsevat luonnonlait ja parametrit, eli  gravitaatio, ja vahva, heikko ja sähkömagneettinen vuorovaikutus, joista ainakin kaksi viimeisintä olivat alussa yhdistyneenä yhdeksi, sähköheikoksi vuorovaikutukseksi. Suuren yhtenäisteorian puitteissa ajatellaan että myös vahva vuorovaikutus, ja ehkä myös gravitaatio, yhdistyisivät noilla suurilla energioilla yhdeksi vuorovaikutuskentäksi.

Inflaation aikana syntyneet ja kuuman alkuräjähdyksen aikana eriytyneet vuorovaikutusvoimat ohjaavat sitä miten erilaiset alkeishiukkaset käyttäytyvät ja reagoivat keskenään: Vahvat vuorovaikutukset vaikuttavat alkeishiukkasten välillä ja stabiloivat atomien ytimet: ne sitovat kvarkit toisiinsa ja muodostavat protoneja ja neutroneja. Ne myös ja pitävät koossa atomiytimiä sitomalla yhteen protoneja, jotka muutoin positiivisen sähkövarauksensa takia hylkisivät toisiaan; ne myös sitovat neutronit atomiytimien yhteyteen. Heikot vuorovaikutukset taas vaikuttavat leptoneihin ja kvarkkeihin siten että ne voivat muuttaa niitä toisiksi hiukkasiksi.

Sähkömagneettiset vuorovaikutukset taas vaikuttavat kaikkiin varautuneisiin hiukkasiin ja kappaleisiin siten että samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan, ja erimerkkiset vetävät toisiaan puoleensa. Esimerkiksi protonien positiiviset ja elektronien negatiiviset varaukset vetävät toisiaan puoleensa, neutraloivat toisensa ja pitävät koossa atomin rakennetta. Liikkuvat sähkövaraukset luovat ympärilleen magneettikentän. Sähkömagneettisen voiman kantama on suhteellisen lyhyt. Suurten, toisistaan kaukana olevien taivaankappaleiden välillä vaikuttaa vain gravitaatio.

Alkuräjähdyksen aikana syntyneiden vuorovaikutusvoimien suuruudet ja alkeishiukkasten ominaisuudet ja määrät säätelevät sitä, miten maailmankaikkeus kehittyy. Esimerkiksi, vahvan  vuorovaikutuksen voimakkuus (e = 0,007) kertoo kuinka lujasti atomien ytimet pysyvät kasassa ja kuinka paljon energiaa vapautuu kun vety-ytimet yhtyvät heliumiksi. Tämän voiman takia ydinreaktiot ovat tuottaneet eri alkuaineita, esimerkiksi happea ja hiiltä juuri niissä suhteissa kuin niitä nyt on olemassa; nämä ovat nyt vedyn ja heliumin jälkeen yleisimmät alkuaineet maailmankaikkeudessa.

Jos taas gravitaation voima olisi vallitsevaa arvoaan suurempi, olisi universumi ollut vain lyhytikäinen, se olisi romahtanut kasaan. Jos se olisi ollut pienempi, tähtiä ei olisi syntynyt. Myös koko joukko kosmisia vakioita,  mm. maailmankaikkeuden keskitiheys, tiheysvaihteluiden voimakkuus, laajenemisnopeus (= Hubblen vakio), pimeän aineen ja energian määrä ja näkyvän aineen ja energian määrä ovat vaikuttaneet siihen, miten maailmankaikkeus on kehittynyt. Kaikkien näiden vaikutuksesta maailmakaikkeus on kehittynyt juuri niin kuin se on kehittynyt: se tuottaa uusia tähtiä, planeettakuntia, ja planeettoja elinkelpoisella alueella. Nämä arvot ovat perustana sille että aine ja energia käyttäytyvät niinkuin ne käyttäytyvät: vety ja helium ytimet yhtyvät suurissa kuumuuksissa ja tuottavat suurempia alkuaineita kuten happea, typpeä, fosforia, rikkiä, ja raskaampia metalleita. Näiden parametrien ansioista maailma voi tuottaa elämää.

Jotkut sanovat että maailmankaikkeuden kehitystä ohjaavat parametrit ovat olleet tarkasti hienosäädettyjä niin että ne ovat mahdollistaneet monimutkaisen maailman ja elämän synnyn (tästä keskusteli mm. Pentti Varis alla olevan blogikirjoituksen ”Astrobiologian uudet foorumit” yhteydessä). Tämä ajatustapa kuitenkin sisältää oletuksen siitä että maailmanakaikkeudella olisi ollut jonkunlainen tarkoitus kehittyä juuri niin kuin se on kehittynyt, ja myös oletuksen siitä että maailma olisi tietoisesti pyrkinyt tuottamaan kaikkea tätä, eli planeettakuntia joissa monissa vallitsee sopivat olosuhteet elämälle, joissa ainakin joskus syntyy monimutkaista kemiaa ja jopa elämää, ja joskus, jopa monimutkaisia eliökuntia ja monimutkaisia tietoisia lajeja. Kuitenkin todennäköisempää lienee että kaikki tämä on tapahtunut vain siksi että se on ”voinut tapahtua”, maailman alkuperäisten parametrien hallitsemien satunnaisten prosessien kautta. Kaikki tämä kehitys on myös ollut edellytyksenä sille että nyt olemme tässä ja pohdimme näitä kysymyksiä; olemassa olomme on siis seuraus, eikä syy näille maailman parametreille (tätä johtopäätöstä kutsutaan antrooppiseksi periaatteeksi).

Maailmankaikkeuden kehitystä ja prosesseja määräävät myös termodynamiikan peruslait, joiden mukaan suljetussa systeemissä energian/materian kokonaismäärä säilyy, systeemin eri osat ajatutuvat keskenään (lämpö)tasapainoon, ja ajan mittaan epäjärjestys kasvaa maksimaaliseksi. Laajenevassa maailmankaikkeudessa nämä luonnon peruslait tarkoittavat sitä että pitkällä aikavälillä vain epäjärjestystä tuottavat prosessit voivat olla jatkuvia. On siis aika yllättävää että luonnolait ja prosessit silti yhdessä tuottavat myös suurta järjestystä, monimutkaisia rakenteita ja toimintoja, kuten galakseja, tähtiä ja planeettakuntia,  molekyylejä, polymeerejä ja niinkin monimutkaisia ja toiminnallisia systeemejä kuin eläviä soluja.  Kuitenkin näidenkin monimutkaisten prosessien on pakko toimia termodynamiikan ehdoilla. Kaikessa monimutkaisuudessaan ja korkeassa järjestyksen asteessaan, nekin ilmeisesti lisäävät maailman kokonaisentropiaa, eli epäjärjestystä.

Entropia lisääntyy tähtien sisällä niin että alkeishuikkasten massa hitaasti muuttuu säteilyksi. Elävän solun toiminnoissa se lisääntyy niin että solu sitoo säteilyenergiaa, ja muuttaa sitä kemialliseksi energiaksi, työksi ja lämmöksi. Sen sitoma säteilyenergia vapautuu lopulta pidempiaaltoisena lämpösäteilynä, jonka myötä systeemistä poistuu suurempi määrä matalampienergisiä fotoneita kuin mitä siihen alun perin sitoutui. Siis myös elämä systeemi, joka olemassaolollaan lisää maailman epäjärjestyksen astetta.

Uusia astrobiologian foorumeita

9.4.2018 klo 16.09, kirjoittaja Kirsi Lehto
Kategoriat: Astrobiologia

Pari viikkoa sitten Italian Bertinorossa kokoontui Life Origins nimisen COST hankkeen (life-origins.com) viimeinen tieteellinen kokous. Tämä nelivuotinen COST-hanke on ollut merkittävä edistysaskel Euroopan astrobiologien yhteisön muodostumisessa; itse olen toiminut tuon hankkeen suomalaisena jäsenenä yhdessä Jussi Meriluodon kanssa.

Hanke on järjestäytynyt viiteen eri työryhmään, jotka ovat keskittyneet aiheisiin 1) planetaariset systeemit, 2) elämän ja sen rakenneosasten preboioottinen synty, 3) elämän synty, evoluutio ja äärimmäiset olosuhteet, 4) elämän etsintä muiltä planeetoilta, ja 5) tieteen historia ja filosofia.

Hankkeeseen on osallistunut n. 60 virallista edustajaa Euroopan eri maista, mutta sen moniin tieteellisiin kokouksiin on osallistunut ainakin kaksi kertaa enemmän tutkijoita luonnontieteiden eri aloilta. Hankkeen  tiimoilta Euroopan astrobiologeista on muodostunut yhteisö, joka on oppinut tuntemaan toinen toistensa tutkimusalueita, tavotteita, kysymyksiä ja näkemyksiä.  Kokouksissa on kuultu tutkimustuloksia kaikenlaisista astrobiologisista aiheista, sellaisista kuin prebioottisesta kemiasta ja eliökunnan syvästä fylogeniasta; eksoplaneettojen ilmakehistä tai tektoniikasta, avaruusmissioista, Mars-tutkimuksesta, Titanin, Enceladuksen ja Europan olosuhteista, tai elämän varhaisimmista kehitysvaiheista. Kiehtovia ovat olleet myös täysin filosofiset aiheet, esimerkiksi vanha kysymys ”mitä elämä on”, tai miten vieraan elämän löytyminen vaikuttaisi meihin. Ennenkaikkea noissa kokouksissa astrobiologit ovat saaneet oppia tuntemaan toisiaan, ja innostumaan toinen toistensa ajatuksista.

Hankkeessa on syntynyt monenlaisia yhteisiä projekteja ja julkaisuja, sekä ”valkoinen paperi” aiheesta ”Astrobiology and society in Europe today”. Hanke panosti myös paljon resursseja useiden kesäkoulujen järjestämiseen; näitä on ollut tarjolla sellaisissa paikoissa missä kurssilaiset ovat tutustuneet joko vanhaan geologiseen historiaan ja fossiiliaineistoihin, tai erikoisiin geologisiin tai ekologisiin olosuhteisiin.  Tätä materiaalia löytyy runsaasti em. verkkosivulta.

Tämä hieno COST –hanke on siis juuri nyt päättymässä, mutta se ei suinkaan tarkoita sitä että Euroopan astrobiologiset yhteistyö-hankkeet olisivat nyt loppumassa, vaan sitä että ne nyt etsivät uusia muotoja, entistä suuremmilla ja vilkkaammilla foorumeilla.

Tuo Origins-yhteisö on nyt hakemassa uutta COST-hanketta nimeltä TRACERS. Tämän hankkee  ensimmäinen tavoite on edelleen tarkentaa ja määrittää elämän kriteereitä, ja sitten, määrittää menetelmiä miten elämä voidaan tunnistaa kaikissa mahdollisissa muodoissaan, myös hyvin kaukaisista kohteista. Käytännön tasolla hanke pyrkii määrittämään luotettavia elämän tuottamia tunnusmerkkejä, ja  niiden havaintomenetelmiä. Tavoitteena on selvittää mm. kuinka voidaan varmuudella tunnistaa kaikista vanhimmat mikrofossiilit tällä planeetalla, tai minimaalisen pienet tai eriskummalliset elämän tuotteet muilla planeetoilla, joko tässä planeettakunnassa tai exoplaneettojen kaukohavainnoissa. Tavoitteisiin  kuuluu myös kehittää teknologiaa, menetelmiä ja instrumenttejä mitä tähän tutkimukseen tarvitaan, sekä kouluttaa nuoria ihmisiä tätä tutkimusta tekemään.

Kouluttaminen kuuluukin astrobiologia-yhteisön suuriin tavoitteisiin. Yhteisö on voimakkaasti  huomioinut sen että kaikkialla Euroopassa tarvitaan lisää astrobiologian koulutusta, sekä peruskoulutus- että yliopistotasoille. Niinpä tämä yhteisö on nyt päättänyt perustaa Euroopan Astrobiologian Instituutin (EAI), joka aloittaa toimintansa keväällä 2019. NASAn Astrobiologia Instituutin (NAI) tavoin tämä tulee olemaan ”ilman kotipaikkaa” toimiva organisaatio, jonka jäseniksi voivat liittyä eri yliopistot ja tutkimuslaitokset. Ainakin alkuvaiheessaan organisaatio tulee tarjoamaan verkottumista, yhteistyöfoorumeita, kokouksia, opiskelijavaihtoa, ja erityisesti, kesäkouluja opiskelijoille ja nuorille tutkijoille. Koko toiminta tähtää voimakkaasti nuorten kouluttamiseen. Olisi erittäin suotavaa että myös jotkut (tai useat) suomalaiset yliopistot liittyisivät tuon organisaation jäseniksi. Olisi myös suotavaa että saisimme Suomessa taas aikaan toimivan astrobiologien verkoston, joka tiedottaisi kaikille kiinnostuneille tahoille tämän aihepiirin tapahtumista ja mahdollisuuksista.

Me astrobiologit Suomen Turussa pyrimme myös kehittämään maailman luonnonhistorian opetusmateriaalia koulujen käyttöön. Jo monta vuotta sitten perustimme Turkuun Aikavaelluksen, eli 13,8 km pitkän vaellusreitin joka aikajanan tavoin kuvaa koko maailman, kotiplaneettamme ja eliökuntamme kehitysvaiheita maailman historia eri aikoina. Jokainen metri reitillä vastaa miljoonaa vuotta. Tuo maailman koko tarina, monine yksityiskohtineen, lienee kuitenkin liian rankka käyntikohde monille koululaisille. Nyt olemmekin pystyttämässä samasta aiheesta tiivistettyä ja kevennettyä versiota, eli 1,38 km mittaista mini-aikavaellusta. Tämä tulee Tuorlan uuden tiedekeskuksen lähimetsään, ja maailmanhistoria kerrotaan sen varrella nyt tarinallisemmassa muodossa: kaikki tärkeimmät kehitysvaiheet tiivistetään noin 20 kuvitettuun tarinaan. Uudet sisällöt tulevat verkkosivullemme syksyyn mennessä, ja eri ryhmille räätälöityjä Aikavaellustapahtumia (luentoja + opastettuja vaelluksia) voi tilata verkkosivumme (aikavaellus.fi) kautta. Näiden sisältöjen avulla koululaiset voivat myös itse pystyttää aikavaelluksen oman koulunsa läheisyyteen.

Toivottavasti aikavaellus-ajatus saa nyt uutta puhtia myös siitä että itse Esko Valtaoja selostaa myös autoiltavan aikavaelluksen (https://yle.fi/aihe/artikkeli/2018/04/06/matkaoppaana-esko-valtaoja-koko-maailmankaikkeuden-historia-helsinki-tampere) joka kulkee Helsingistä Tampereelle.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Avaruuden käyttäytymiskoodi

26.2.2018 klo 00.43, kirjoittaja Kirsi Lehto
Kategoriat: Astrobiologia

Astrobiologian suurena teemana on tutkia elämän edellytyksiä, esiintymistä ja kehittymistä maailmankaikkeudessa. Enimmäkseen sen tutkimuskohteena on vain se yksi ainoa esimerkki minkä me elämästä tunnemme, eli tämä täällä Maa-planeetalla esiintyvä elämä.  Tämän yhden esimerkin perusteella tutkitaan ja pohditaan millaista elämä on, miten se syntyy, mihin se voi sopeutua, ja millaiset planeetat voisivat sitä synnyttää ja pitää yllä. Tämä kaikki tutkimus on hyvinkin konkreettista ja kokeellista, perinteisten luonnontieteiden menetelmillä maan laboratorioissa tai maastossa tehtävää tutkimusta.

Mutta kysymyksenasettelu ulottuu kotiplaneettaa laajemmallekin. Astrobiologian suurena tavoitteena olisi saada selville onko elämää muualla: olisiko sitä vaikka oman Aurinkokuntamme muilla planeetoilla, olisiko Marsin maaperässä, tai Jupiterin tai Saturnuksen jäisillä kuilla. Onko elämää olemassa muissa planeettakunnissa? Nämä ovat ihmiskunnan suurimpia tutkimushankkeita, sillä eksoplaneettojen tutkimiseen tarvitaan suuria avaruuskaukoputkia, lähiplaneetoilla piileskeleviä mikrobeja voidaan taas etsiä vain näille taivaankappaleille tehtävien lentojen avulla. Nämäkin ovat toki konkreettisia tutkimuskohteita, mutta tutkimusmenetelmät ovat kalliita, ja mainittuihin kysymyksiin ei ole vielä vastauksia olemassa.

Nämä ovat kuitenkin maailmankuvamme kannalta keskeisiä kysymyksiä. Vastauksista riippuu se miten meidän pitäisi ymmärtää omakin olemassaolomme: onko elämä noin yleisenä ilmiönä yleistä maailmankaikkeudessa, ja onko se ehkä monessakin paikassa kehittynyt monimutkaiseksi, älyykkääksi, tiedostavaksi ja teknisesti taitavaksi. Olemmeko yksi tiedostava olento monien  samankaltaisten joukossa, vai olemmeko harvinaisia kummajaisia, tai ehkä peräti ainoita. Kysymys on oleellinen sekä filosofiselta että tutkimuspoliittiselta kannalta, ja sen teoreettiseen pohdintaan tarvitaan myös filosofien ja uskontotieteilijöiden apua, siitäkin huolimatta että vastausta ei todellakaan vielä tiedetä.

Lueskelin juuri amerikkalaisen Kelly C. Smithin julkaisemaa artikkelia ”Manifest Complexity: A foundational Ethic for Astrobiology?” (http://tigerprints.clemons.edu/phil_pubs). Kirjoittaja pohtii astorbiologiaan, ja nimenomaan vieraisiin elämänmuotoihin liittyvää moraalista kysymystä, ja tarjoaa yleistä teoriaa sille miten niitä pitäisi eettisesti arvioida.

Vieraiden elämänmuotojen tärkeimmäksi arvomittariksi Smith ottaa tietoisuuden, mutta saman tien, liittää siihen myös yhteisöllisyyden ja kulttuurin ominaisuudet; näistä syntyy eettisesti hyvin arvokas ja moraalisesti velvoittava TYK-ominaisuuksien yhdistelmä. Hän pohdiskelee, että jos jossakin muualla on olemassa tällaisia tietoisia TYK-olentoja, niin todennäköisesti nämäkin olennot pohtivat ja arvioivat eettisyyden ja moraalin kysymymyksiä, ja ovat siis lähtökohtaisesti samalla tasolla ja yhdenvertaisia meidän itsemme kanssa. Tällaisten olentojen tappaminen ei olisi eettisesti sallittua, ei ainakaan sen enempää kuin on oman lajitovereidemmekaan tappaminen.

Toisen elävien olentojen katagorian tohtori Smithin moraalisessa arvoasteikossa muodostavat eliöt jotka ovat monimutkaisia, ehkä tietoisiakin, mutta jotka eivät ole kehittäneet yhteisöjä tai mitään kulttuurimuotoja. Nämä vastaisivat maanpäällisiä ”karvaturreja”, lemmikkejä ja kotieläimiä. Täällä Maassa nämä ovat tavallaan osa ihmisten yhteiskuntaa, niillä on siis paljon käyttöarvoa. Niiden tappaminen ”ihan vain urheilun vuoksi” ei ole moraalisesti oikein, ja niitä pitää kunnioitaa, ainakin jos se ei ole konflikstissa älykkään TYK-lajin etujen kanssa. Niitä voidaan kuitenkin tappaa tarvittaessa.

Kolmannen, alinta eettistä suojelua vaativan kategorian muodostavat täysin tiedostamatttomat yksisoluiset eliöt. Esimerkiksi, jos meidän TYK-lajimme löytää tällaisia elämänmuotoja Marsissa, niitä voidaan hyödyntää vapaasti omiin tarpeisiin. Ne eivät tarvitse mitään ehdotonta suojelua, sen enempää kuin mitä suojelemme niitä lukemattomia mikrobilajeja joita esiintyy omassa elinympäristössämme täällä Maa-planeetalla, vaikka omassa kylpyhuoneessamme. Tällaisia alkeellisia eliöitä meillä on täysi oikeus käyttää hyväksemme, ainakin jos yhteisöllisesti niin päätämme; korkeammelle tasolle kehtittyneiä lajeina meillä on oikeus ja jopa velvollisuus hyödyntää/hävittää näitä oman olemassaolomme turvaamiseen.

Kelly Smith kyllä useampaan otteeseen mainitsee että hänen luokituksensa on vain yksi ehdotus, se ei ole mitenkään yksiselitteinen, ja että tästä asiasta voidaan olla monta mieltä. Niinkuin ollaankin. Esimerkiksi hän siteeraa Carl Saganin kuuluisaa kannanottoa: ”If there is life on Mars, I believe we should do nothing with Mars. Mars then belongs to the Martians, even if the Martians are only microbes”.

Tuo teksti ottaa siis lähtökohdakseen sen eettisen ja moraalisen koodin, millä me TYK-eliöt kohtelemme ja hyväksikäytämme erilaisia elämänmuotoja täällä Maa-planeetalla. Isompaan mittakaavaan vietynä tuo on kovin hämmentävä ja arrogantti näkökulma. Tulee vain heti mieleen että toivottavasti ne avaruuden muut TYK-eliöt, jotka ehkä ovat kehityksessään miljardeja vuosia meitä pidemmällä, eivät käytä tuota samaa koodia.

Onneksi todellakin tätä asiaa pohtivat muutkin kuin amerikkalaiset ammatti-filosofit. Tarvitsemme ihmislajin parhaaseen eettiseen yhteisymmärrykseen perustuvan moraalisen käyttäytymiskoodin ENNENKUIN löydämme mistään muualta elämää. Ainakin toistaiseksi avaruuslennoilla pyritään noudattamaan planeettoje suojelun (https://en.wikipedia.org/wiki/Planetary_protection) periaatteita.

 

 

 

Ajatuksia Informaatiosta

31.1.2018 klo 23.48, kirjoittaja Kirsi Lehto
Kategoriat: Astrobiologia

Edellisessä blogissa pohdiskelimme aika perusteellisesti elämän kompleksista olemusta. Kuitenkin elämän voi ajatella olevan vain aineellisia rakenteita joita energia rakentaa ja liikuttaa, informaation ohjaamalla tavalla. Tästä kokoonpanossa aine ja energia ovat tuttuja suureita, ja informaatio on se komponentti jonka myötä tuo kompleksisuus syntyy. Mutta mitä informaatio oikein on? Tämäkin kysymys tuntuu johtavan aika syviin epämääräisyyksiin.

Yhteinen tietolähteemme wikipedia määrittelee informaation järjestykseksi, johon voidaan liittää jokin tulkinta. Television kuva on informaatiota, mutta sen kohina (”lumisade”) ei sitä ole, koska siinä ei ole järjestystä. Wikipedia sanoo myös että informaatio on vastaus jonkinlaiseen kysymykseen. Se on tietoa ja asiasisältöä, jotka liittyvät todellisiin tai abstrakteihin asioihin tai käsitteisiin. Jonkun sorttinen (pelkkä olemassaoleva) informaatio ei tarvitse vastaanottajaa, mutta merkitykselliseksi, ymmärretyksi ja toimivaksi se muuttuu vasta sitten jos sillä on vastaanottaja.

Esimerkiksi tietokirja voi sisältää paljonkin tietoa, joka kuitenkin jää aika merkityksettömäksi jos kukaan ei avaa kirjaa; merkittäväksi informaatioksi se muutttuu vasta sitten kun joku lukee ja ymmärtää sen, ja kun se johtaa johonkin tulkintaan tai toimintaan. Tai, maantieteellinen paikka kaikkine yksityskohtineen sisältää loputtomasti paikkatietoa omasta itsestään, mutta informaatioksi se muuttuu vasta sitä kautta että siitä tuotetaan kartta tai kuva johon joku vastaanottaja voi tutustua.

Informaatio on siis jotakin samantapaista kuin viesti joka välittää jonkun merkityksellisen asian tai ohjeen eteenpäin.

Varhaisimpaan elämään liittyvä informaatio olisi ilmeisesti  molekyyliketjuihin liittyvää järjestystä. Kuitenkaan liian tarkka tai toistuva järjestys ei ole kovinkaan informatiivista. Mineraalikiteet ovat järjestyneitä ja säännöllisiä, mutta niiden  informaatiosisältö on hyvin pieni. Ne kuvaavat vain niiden omaa atomi- tai molekyylirakennetta, ja olosuhteita joissa ne ovat muodostuneet.

Molekyyliketjun informaatio syntyy sen sisältämästä vaihtelusta.  Aiemmin mainittu fyysikko Schrödinger määritteli että DNA-nauha vastaa täysin epäsäännöllistä kidettä, ja juuri sen epäsäännöllisyys on samaa kuin sen informaatiosisältö. Mutta pelkkä epäsäännöllisyyskin voi olla vain tyhjää kohinaa. Informaatioksi se  muuttuu vasta sitten kun se sisältää ja välittää viestin, siis jotakin tietoa tai merkitystä.

Varhaisimman elämän kohdalla tuo viesti oli sellainen molekyylin tai molekyylijoukon rakenne joka kopioi itsensä uudeksi, jokseenkin samanlaiseksi; toistuvasti. Tälla tavalla toimivat rakenteet välittivät viestiä eteenpäin: ne tuottivat uusia molekyylejä.

Nuo viestit eivät välittyneet vielä minkäänlaisen koodin tai koodin tulkinnan kautta, vaan toimivat suoraan kyseisten molekyylirakenteiden ja vuorovaikutusten kautta. Rakenteet toimivat suoraan työkaluina. Molekyylirakenteiden sisältämää informaatiota voitaisiin verrata vaikka kansanperinteen suureen tietomäärään, joka aikoinaan välittyi työkalujen, esineiden, tapojen ja perittyjen taitojen ja tietojen myötä. Koodattuun kulttuuri-tiedon siirtoon olemme siirtyneet vasta kirjoitetun kielen myötä.

Nämä informatiiviset molekyylirakenteet muodostuivat ja toimivat juuri niiden ympärillä vallitsevissa olosuhteissa. Niiden sisältämät viestit olivat siis olosuhteisiin sopeutuneita, samoin kuin ovat kansanperinteen muovaamat työkalutkin.

Ketjumaiset molekyylit ovat hyvin potentiaalinen informaation säilyttämisen formaatti siksi että ne rakentuvat pienistä osista. Rakennuspalikoiden tuotetaan sarjatyönä, ja siihen ei kulu paljoakaan vaivaa tai energiaa. Oleellinen informaatio sisältyy vain ketjun sisäiseen järjestykseen, ja se säilytetään järjestystä kopioimalla.  Järjestystä vaihtelemalla sitä voidaan taas loputtomasti muunnella. Elämän varhainen epätarkka kopioituminen muunteli ketjujen sisältöjä  koko ajan, se hukkasi paljon olemassa olevaa informaatiota, joka virheiden myötä muuttui kohinaksi. Toisaalta virheet myös koko ajan tuottivat runsaasti uudenlaisia ketjuja ja rakenteita, ja uudenlaisia ja vaihtoehtoisia informaatiosisältöjä. Luonnonvalinta suosi ja piti yllä sellaisia versioita jotka olivat hyödyllisiä ja merkityksellisiä, nämä hiotuivat ja optimoituivat edelleen ja muuttuivat pysyvämmäksi geeniperimäksi. Tämä geeniperimän muokkaantuminen jatkuu tietenkin edelleen, tosin paljon rauhallisempaan tahtiin kuin elämän alkuvaiheissa.

Tässä kopioitumisen, muuntumisen ja valikoitumisen kiertokulussa informaatio näyttää olevan vain valikoima alati muuttuvia, ohi virtaavia olotiloja, vaihtoehtoisia aineen olomuotoja. Ne ovat olemassa hetken siksi että ne ovat toimivia, ja siis runsaasi energiaa käyttäviä ja entropiaa nostavia, termodynaamisesti edullisia tiloja.  Informaatio siis käyttäytyy jotenkin samalla tavalla kuin energia.

Teoreettiseen fysiikkan taipuvainen kommetaattorini Pentti S. Varis  ehdotteli että informaatio on pohjimmiltaan jotakin aineen kaltaista. Anil Ananthaswany taas siteeraa artikkelissaan ”parallel universes fix black hole hitch” (New Scientist 3159, s. 14) kvanttimekaniikan perussääntöä, jonka mukaan ”informaatiota ei voida luoda eikä hävittää”.  Ei tuo kvanttimaailman sääntö ainakaan näytä sopivan tähän oikeaan ja elävään maailmaan, missä informaatio koko ajan syntyy ja katoaa, ja virtaa läpi.

 

Ajatuksia elämästä, aineesta ja energiasta

21.1.2018 klo 00.30, kirjoittaja Kirsi Lehto
Kategoriat: Astrobiologia

Astrobiologian aihepiiriin kuuluu keskeisesti joitakin peruskysymyksiä joihin emme vielä osaa vastata. Tällaisia kysymyksiä ovat 1) miten elämä aikoinaan syntyi täällä Maa-planeetalla, 2) voisiko se syntyä jollakin toisella tavalla, ja 3) onko muualla maailmankaikkeuden ulottuvuuksissa elämää, ja jos on, niin onko se samanlaista kuin täällä, vaiko jotakin ihan toisenlaista.

Nämä kysymykset aina johtavat seuraavaan, vielä perustavampaa laatua olevaan kysymykseen: Mitä elämä ylipäänsä on? Vuosikymmenien mittaan tätä kysymystä on pohdittu paljon, ja eri alojen tutkijat ovat koettaneet antaa siihen kattavia ja ymmärtäväisiä vastauksia. Esimerkiksi nobel-palkittu fyysikko Erwin Schrödinger aikoinaan, jo 1940-luvulla, määritteli elämän hyvin fysikaalisesta näkökulmasta, sanoen että se on ”negatiivista entropiaa”. Tämä tarkoittaisi jotakin sellaista että elämä edustaa energiarikasta, korkeaa järjestystä. Nobel-palkittu kemisti Albert Szent Györgi on taas määritellyt elämän ”paikaksi missä elektroni voi levätä”, minkä perusteella elämä  pelkistyisi energiarikkaiden orgaanisten yhdisteiden kemiaksi. Nämä määritelmät kuvailevat joilstakin osin elämän perusolemusta, mutta eivät kovinkaan hyvin kuvaa sen dynaamista luonnetta.

Monet biologiset määrittelmät taas luettelevat monia elämän toiminnallisia ominaisuuksia. Näistä ensimmäisenä yleensä sen että elämällä on kyky tuottaa uusia kopioita itsestään. Muita oleellisia ominaisuuksia on evoluutio eli se, että eliökunnassa ja ekosysteemeissä menestyvät ja monistuvat parhaiten juuri sellaiset eliöt jotka ovat parhaiten sopeutuneet juuri niihin olosuhteisiin. Elämä on dynaamista, reaktiivista ja yllättävää. Myös hiiliyhdisteistä muodostuva kemiallinen koostumus ja toiminta vesiliuoksessa ovat oleellisia Maan elämän ominaisuuksia.

Nämä ns. määritelmät kuvaavat sitä millaista elämä on, mutta eivät kerro kovinkaan syvällisesti sen perusolemuksesta. Hiukan filosofisemmin ajattelavat kemistit Addy Pross ja Robert Pascal taas kuvaavat elämää alati vaihtuvana ja muuttuvana, energian ajamana aineen muotona, sellaisena jota voi verrata vaikkapa suihkulähteeseen. Materia vaihtuu koko ajan, energia virtaa läpi, mutta kokonaisuus säilyy suunnilleen samanlaisena, ainakin niin kauan kuin vettä ja energiaa riittää ja pumppu pysyy ehjänä. He sanovat elämän olevan toiminnallisuuteen perustuva stabiili tila, joka toimii ulkopuolelta tulevan energian varassa. He kutsuvat tällaista ilmiötä Dynaamiseksi Kineettiseksi Stabiilisuudeksi.

Mielestäni elämän olemusta voisi pohtia vieläkin perusteellisemmalla tasolla.  Voisimme todeta että elämä on aineen, energian ja informaation dynaaminen yhdistelmä joka hakee uusia muotoja. Se on prosessi jossa energia sitoutuu suuriin orgaanisiin molekyyleihin ja rakenteisiin, ja tekee työtä näiden rakenteiden ylläpitämiseen ja uudistamiseen. Toimintaa, rakeita ja energian käyttöä koordinoi informaatio, joka myös on syntynyt aineen ja energian (nukleotidit ja niiden tuottamiseen ja kopioimiseen tarvittu energia) vuorovaikutuksista. Informaatiota syntyy kun energian virtaa aineen rakenteissa ja tuottaa toimintoja jotka pitävät yllä näitä rakenteita, niin että prosessi voi jatkua loputtomasti.

Aineen ja energian virtaus elävien systeemien läpi voidaan ajatella osana sitä ikiaikaista jatkumoa, jossa aine ja energia levittäytyvät laajenevassa maailmankaikkeudessa, ajan virrassa.

Alkuräjähdyksessä, valtavan suuressa kuumuudessa ja paineessa, energia ja aine edustivat yhtä ja samaa olemisen muotoa. Maailman laajetessa ja lämpötilan laskiessa osa tästä ”alkuolevaisesta” päätyi pysyvästi aineelliseen muotoon, eli alkeishiukkasiksi, ja näiden yhtymisen kautta edelleen atomeiksi. Tähtien sisällä tapahtuvissa ydinreaktioissa jotkut protonit fuusioituvat isommiksi atomiytimiksi, ja osa niiden massasta muuttuu taas takaisin energiaksi. Vapautuva energia voi taas jossakin toisaalla sitoutua atomien välisiin sidoksiin ja tuottaa monimutkaisia rakenteita ja toimintaa, kuten elämää ja eliökuntia.

Olisiko elämä siis energian leikkiä aineessa, siten että ne yhdessä järjestyvät toiminnalliseksi informaatioksi?  Aine ja energia virtaavat läpi ajan toisiinsa kietoutuneina. Aine kiertää ja prosessoituu uusien tähtijärjestelmien, planeettakuntien, ja joissakin tapauksissa myös eliökuntien läpi, muuttuu vähitellen säteilyenergiaksi, ja haalistuu yhä pidempiin aallonpituuksiin. Maailman entropia eli epäjärjestys koko ajan kasvaa.

Elävien systeemien kohdalla materian järjestys kasvaa paikallisesti hyvin suureksi, ja voidaan ihmetellä mikä on se kummallinen tekijä joka tällaista tilapäistä järjestäytymistä edistää. Fyysikko Jeremy England on esittänyt ajatuksen että tämäkin prosessi olisi termodynamiikan ajama (https://www.quantamagazine.org/first-support-for-a-physics-theory-of-life-20170726/). Hänen mukaansa lämpöenergia sitoutuu molekyyleihin ja tuottaa monimutkaisia eläviä rakenteita siksi, että replikoidessaan ne vapauttavat tehokkaasti energiaa. Johtopäätös menee jopa niin pitkälle, että mitä suurempia replikoivat molekyylit ovat, sitä tehokkaammin ne vapauttavat energiaa, mikä sinänsä johtaisi kompleksisuuden kasvuun ja elämän syntyyn.

Jeremy England arvelee että elämän synty olisi siis termodynamiikan ajama prosessi, ja yhtä helppoa kuin kivien vierittäminen alas rinnettä.  Tämä tuntuu hyvin oudolle ajatukselle siksi, että elämä ei näyttäisi ainakaan lisäävän energian vapautumista, vaan paremminkin sitovan sitä. Tosiasiassa energia tietenkin virtaa biomassan läpi, eikä se varastoidu siihen kuin hetkeksi.

Mutta tässä täytyy vielä ottaa huomioon se että elävän systeemin ylläpitoon, replikaation ja kaikkiin muihin toimintoihin kuluu valtavan paljon työtä. Energian kulutuksen termein: kivet pitää ensin vierittää ylös rinteen päälle, ennenkuin ne voivat vieriä sieltä alas. Siispä, saattaahan se todellakin olla niin että Jeremy England on oikeassa, ja elämä olemassaolo lisää maailman entropiaa.

Mennyttä ja tulevaa

28.12.2017 klo 23.13, kirjoittaja Kirsi Lehto
Kategoriat: Astrobiologia

Näin vuoden viimeisinä päivinä on tapana muistella menneitä; tällä palstalla tietenkin sopii parhaiten kuluneen vuoden aikana tapahtuneiden luonnontieteellisten tapahtumien muistelu. Näitä löytyy listattuna erilaisten lehtien ja tietotoimistojen sivuilla. Omasta mielestäni niistä kiintoisimpia ovat nämä:

1) 17. elokuuta monet maailman teleskoopit havaitsivat kahden neutronitähden törmäystä, joka oli tapahtunut noin 130 miljoonaa vuotta aiemmin NGC 4993 galaksissa, vesikäärmeen tähdistössä. Törmäyksen aiheuttama räjähdys oli 1000 kertaa tavanomaista novaa voimakkaampi, ja sitä kutsutaan kilonovaksi. Tapahtumasta syntyneet gravitaatioaallot havaittiin Caltechin LIGO-laboratoriossa. Törmäystä kuvaavia hienoja animaatioita löytyy osoitteesta http://www.bbc.com/news/science-environment-41640256.

2) 15. Syyskuuta Cassini luotaimen löytöretki Saturnuksen ympäristöön päättyi sen pudottamiseen tuon jättilaisplaneetan sisälle. 13 vuotta kestäneen matkansa aikana Cassini ehti tehdä valtavan paljon tutkimusta kaikkien Saturnuksen 62 kuun olosuhteista ja ominaisuuksista, näistä tärkeimmät olivat tietenkin Titan ja Enceladus. Paljon uutta tietoa on myös saatu Saturnuksen renkaista, sekä koko tuon jättiläisplaneetan ilmakehästä ja koostumuksesta. Upeita videoita matkalla kerätystä datasta löytyy sivulta http://www.bbc.com/news/science-environment-41207827

3) Helmikuussa NASAn Spitzer teleskooppi löysi Trappist-1 tähden ympäriltä seitsemän planeetan planeettakunnan, joista peräti kolme sijaitsee elämän vyöhykkeellä – siis sellaisella etäisyydellä emotähdestä missä vesi saattaa pysyä nestemäisenä, sopivan ilmanpaineen vallitessa. Elämän kannalta olosuhteet noilla planeetoilla eivät kuitenkaan olisi ihan helpot, sillä Trappist-1 tähti on himmeä punainen kääpiö, jonka tapoihin kuuluvat voimakkaat  UV-purkaukset. Tämä  planeettakunta sijaitsee vain 40 valovuoden etäisyydellä omastamme. Lisätietoja löytyy sivulta http://www.bbc.com/news/science-environment-39034050

4) Lokakuussa havaijlainen Pan-Starrs teleskooppi havaitsi oudon muotoisen kappaleen lentävän hyvin elliptisellä radalla Auringon ohi; rataparametrit ja kappaleen suuri nopeus osoittivat sen olevan peräisin aurinkokunnan ulkopuolelta. Tämä on ensimmäinen syvän avaruuden kappale joka havaitaan aurinkokunnassa. Kappaleen toinen outo ominaisuus on sen hyvin pitkulainen muoto, sen pituus on ainakin 8, tai ehkä jopa 10 kertaa suurempi kuin sen läpimitta. Kappale myös pyörii nopeasti vaakatasossa. Sille annettu havaijilainen nimi Oumuamua tarkoittaa ”kaukaa tuleva ensimmäinen viestintuoja”; useita tähtitieteilijät ovat jopa spekuloineet että tällainen oudon mallinen kappale voisi olla vieraan älyn kehittämä alus.

5) Yhdysvaltojen uuden presidentin ihmeelliset hallinnolliset edesottamukset ja julkisuustemput ovat tietenkin pysyneet uutisotsikoissa pitkin vuotta, ja monet niistä ovat olleet kiintoisia (pöyristyttäviä tai huvittavia) vaikka eivät olekaan aiheuttaneet paljoa muuta kuin paheksuntaa. Yhden tulevaisuuden kannalta merkittävän päätöksen hän kuitenkin teki, 1. kesäkuuta, päätöksella jonka mukaan Yhdysvallat vetäytyy pois Pariisin ilmastosopimuksesta. Päätöksen perusteena oli ilmeisesti täysi välinpitämättömyys siitä mitä tuleman pitää http://www.bbc.com/news/world-us-canada-40127326. No, onneksi monet osavaltiot kuitenkin itsenäisesti pysyvät mukana näissä ilmastotalkoissa.

6) Monet tapahtumat – jättiläishelteet, tulvat ja kuivuus – eri puolilla planeettaa todistivat  ilmaston lämpenemistä. Heinäkuussa n. 6000 km ² jäävuori lohkesi irti Etelämantereen Larsen C jäähyllystä http://www.bbc.com/news/science-environment-40321674. Ilmaston muutos muuttaa olosuhteita planeetalla merkittävästi, mutta se ilmeisesti tulee alentamaan myös ravintokasvien ravintopitoisuutta https://www.sciencenews.org/article/nutrition-climate-change-top-science-stories-2017-yir

7) Kolme edellä mainittua tapahtumaa ovat muistutuksia meidän oman sivisaatiomme olemassa olon uhkatekijöistä. Sellaisia ovat myös supertulivuoren Campi Flegrein mahdollinen aktivoituminen (http://www.independent.co.uk/travel/news-and-advice/campi-flegrei-supervolvano-eruption-vesuvius-naples-pozzuoli-christopher-kilburn-a7737886.html). Suurinta uhkaa aiheuttanee kutitenkin erään totalitaarisen kaukoidän valtion harrastamat ydinase- ja ohjuskokeet – joista seuraava näyttää olevan taas valmisteilla https://www.express.co.uk/news/world/897512/North-Korea-news-Donald-Trump-World-War-3-Kim-Jong-un-missile-US.

8) Ihmiskunnan tulevaisuuteen saattavat hyvinkin vaikuttaa myös kuluneena vuonna tehty läpimurto molekyylibiologian alalla, missä ihmisen alkion genomia muokattiin CRISPR/Cas9 menetelmän avulla https://www.sciencenews.org/article/crispr-gene-editing-top-science-stories-2017-yir. Myös ensimmäiset geeniterapiamuodot on nyt hyväksytty vaikeiden verisyöpien hoitoon yhdysvalloissa https://www.sciencenews.org/article/car-t-cell-gene-therapy-top-science-stories-2017-yir

9) Samoin, hyvinkin merkittäviä voivat olla nyt kehitteillä olevat keinoäly-sovellukset, kvantti-tietokoneet, tai kuluneena vuonna kiertoradalle viety kiinalainen kvantti-satelliitti, joka tulevaisuudessa mahdollistaa kvantti-kommunikaatioon perustuvan internetin kehittämisen https://www.sciencenews.org/article/global-quantum-communication-top-science-stories-2017-yir

10) Uudet fossiililöydokset ovat muuttamassa käsityksiämme ihmisen suvun polveutumishistoriasta. Vanhimpien hominoidien, eli Graecopithecus nimisen sukulaisemme on havaittu eläneen jo n. 7 miljoonaa vuotta sitten, ja yllättäen, niiden asuinseudut eivät olleetkaan Afrikassa vaan Balkanilla. Ihmisen oma laji näyttää olleen olemassa ainakin 300 000 vuoden ajan, ja nyt näyttää että varhaisimmat Homo sapiens yhteisöt kehittyivät eri puolilla Afrikkaa, eikä pelkästään Itä-Afrikkalisessa ”alkukodissa” http://www.bbc.com/news/science-environment-40194150

Maailma muuttuu, samoin se mitä siitä tiedämme. Toivottelenkin teille, hyvät lukijat, mielenkiintoista tulevaa uutisvuotta. Siitä huolimatta, toivottelen turvallisia aikoja meille kaikille; toivotaan että yllätykset tulevat olemaan positiivisia.

Yhteisöllisyyttä, itsellisyyttä, hyötyjä ja haittoja

17.12.2017 klo 23.58, kirjoittaja Kirsi Lehto
Kategoriat: Astrobiologia

Yhteisöllisyys ja itsellisyys näyttävät edustavan eliöiden olemassa olon kahta vastakkaista ominaisuutta, mutta siitä huolimatta ne molemmat ovat välttämättömiä ominaisuuksia meidän kaikkien elämässä. Ne ovat välttämättömiä minka tahansa lajin olemassaololle, ainakin jos nuo käsitteet ymmärretään laajasti ja yleisesti. Kunkin eliön pitää olla olemassa omana erillisenä yksilönään. Samalla, kukin eliö on riippuvainen oman lajinsa olemassa olosta ja kehityshistoriasta: kaikki eliöt hyödyntävät niitä lukemattoman monia positiivisia geneettisiä keksintöjä joita edeltävät sukupolvet ovat tuottaneet ko. lajin kehityksen aikana.

Me kaikki eliöt hyödymme suuresti myös ympäröivistä ekosysteemeistä, ja olemme riippuvaisia moninaisista yhteistyö-, avunanto- tai hyötykäyttövuorovaikutuksista sekä oman lajin sisällä, että lajien välillä. Me ihmisetkin olemme täysin riippuvaisia esimerkiksi perustuottajaeliöiden tuottamasta ravinnosta ja hapesta, ravintoketjuista, hajottajaeliöistä, ja tuhansista mikrobilajeista jotka elävät meidän ympäristössämme ja sisällämme. Nämä pitävät yllä meille suotuisaa kemiallista ympäristöä sekä tuottamalla että hajottamalla erilaisia orgaanisia yhdisteitä.

Eliöiden ja eliökunnan positiiviset vuorovaikutukset kuitenkin kääntyvät samantien myös vastakkaisiksi ja tuhoisiksi, näkökulmasta riippuen. Ruuantuotanto ja ravintoketjut kääntyvät peto-saalissuhteiksi, mikrobit voivat olla toisille eliöille patogeeneja tai loisia, ja kaikkien lajien kehistyshistoriat perustuvat yksilöiden  ja lajien keskinäiselle kilpailulle ja  olemassa olon taistelulle. Näin lienee ollut asian laita jo aivan elämän alusta lähtien, ja myös välttämätön edellytys sille että varhainen elämä kehittyi, muuntui, kasvoi, ja synnytti eliökunnan joka on loppumattoman monimuotoinen, dynaaminen ja sopeutuva.

Parisssa edellisessä blogissani keskustelin elämän alun varhaisimmista kehitysvaiheista, sitä miten geokemia alunperin tuotti elämän rakennuspalikoita, eli nukleotideja ja aminohappoja. Nukleotidit ketjuuntuivat polymeereiksi eli RNA-juosteiksi, jotka laskostuivat ja pariutuivat keskenään, satunnaisesti. Jotkut ketjut katalysoivat toistensa katkaisu- ja liittymisreaktioita, jotkut oppivat myös kopioimaan toisiaan,  ja alkoivat lopulta pitää yllä jonkinasteista vakaata RNA-juosteiden populaatiota. Nämä edelleen omaksuivat uusia ominaisuuksia, ja hyvinkin monien erilaisten aktiivisten juosteiden yhteenliittymän kautta syntyi suotuisa yhteistyöverkosto joka loulta pystyi ketjuttamaan aminohappoja peptideiksi. Sitten luonnonvalinta vielä hioi ja optimoi tämän peptidisynteesin hienosäätöä, niin että siitä kehittyi tarkka, RNA-sekvenssin ohjaama proteiinisynteesi.

Näiden toimintojen synty RNA-maailmassa tarvitsi varmasti valtavan suuren määrän monimuotoisia juosteita, kokonaisen mittavan molekyyliyhteisön, joka sattumanvaraisesti ja luonnonvalinnan ohjaamana pystyi tuottamaan juuri oikeanlaiset juosteet. Toisaalta, sen jälkeen kun uudet proteiinikatalyytit alkoivat hoitaa aiempia RNA-katalyyttien toimintoja, koko vanha toimintamalli ja sen molekyylikoneistot katosivat tarpeettomina.

Tässä kohtaa varhainen molekyylievoluutio oli jo jotakuinkin valmista elämää.  Mutta yksi ominaisuus vielä puuttui, ehkä. Tutkijat eivät vielä tiedä, tai eivät ainakaan ole yksimielisiä siitä oliko elämä tuossa vaiheessa jo solullista, eli kalvorakkuloiden sisään rajautunutta. Toisen näkemyksen mukaan itselliset solut saattoivat syntyä ja kehittyä vasta myöhemmin, tuon orastavan proteiinisynteesin avulla.

Solullisuutta pidetään elämän perusominaisuutena, ja solua, eli solukalvon sisälle rajautunutta geneettistä ja metabolista itsellistä olemassaoloa pidetään elämän perusyksikkönä. Monet tutkijat ovat myös sitä mieltä että jo elämän varhaisimman  kehityksen, eli RNA-ketjujen kasvamisen toimivaksi RNA-maailmaksi olisi pitänyt tapahtua jonkinlaisten membraanivaipan eli vesikkeleiden sisällä.  Toisten mielestä taas tuo varhainen molekyylikehitys olisi tapahtunut yhdessä rajattomassa molekyylipoolissa, jossakin yhteisöllisessä olotilassa tai alkuliemessä, missä myös kaikki rakennusaineet olivat suoraan saatavana. Tässä mineraalisessa hautomossa  erilaiset juosteet saattoivat vapaasti reagoida ja vuorovaikuttaa keskenään. Molekyylikeitto tuotti kaikenlaista, sekä hyviä että toimivia, mutta välttämättä, enimmäkseen, myös huonoja ja toimimattomia sekvenssejä.

Itse olisin ehdottomasti tämän jälkimmäisen näkemyksen kannalla. Mielestäni solukalvon olemassaolo varhaisen molekyylievoluution aikana tuntuu hyvin ”huonolle ratkaisulle” ensinnäkin siksi että siitä ei olisi ollut mitään hyötyä perinnöllisyyden kannalta. Luonnonvalinnan kohteena toimivien perinnöllisten solulinjojen edellytyksenä on se että solu pystyy jakaantumaan hallitusti ja jakamaan kahdentuneen genominsa tasan molempiin tytärsoluihin. Tähän tarvitaan proteiinipohjainen solunjakaantumiskoneisto. Varhaisen RNA-maailman aikana syntyneet satunnaiset kalvovesikkelit olisivat taas jakaantuneet sattumanvaraiseti, tai olisivat kokonaan hajonneet ja muodostuneet taas uudelleen, satunnaisesti, eikä tämä olisi mitenkään edistänyt sen sisällä kehittyneiden molekyylien evoluutiota.

Varhaisten RNA-molekyylien perinnöllisyyteen liittyy myös toinenkin ongelma, jonka takia pysyvät solulinjat olisivat olleet jopa todella haitallisia: sen aikainen epätarkka kopiointi tuotti paljon virheitä, eli se kadotti olemassa olevaa informaatiota satunnaiseen kohinaan. Kalvon sisälle sujetussa pienessä populaatiossa tämä virheellinen kopiointi olisi pian muuttanut koko replikaation toivottamaksi ”suttaamiseksi”: siitä ei olisi tullut yhtään mitään. Erityisen haitallisia olisivat olleet miniatyyriset, emo-sekvenssejään tehokkaammin lisääntyvät parasiitti-sekvenssit. Näiden myötä koko varhainen olemassaoloyritys olisi kaatunut niin sanottuun virhekatastrofiin.

Virhekatastrofilta selvitymiseen auttaa se että molekyyliyhteisö on riittävän laaja, niin että tuo virheellisen kopioinnin haittavaikutus voi korvaantua myös sen tuottamalla toisella vaikutuksella, eli harvakseltaan syntyvillä positiivisilla mutanteilla ja yhdistelmillä joiden ominaisuudet ovat emosekvenssejäkin paremmat. Näidenkin suurena uhkana olivat parasiittisekvenssit, jotka eivät tuottaneet mitään hyötyä yhteisölleen, vaan kuluttivat sen resurssit turhiin tuotteisiin. Ne olivat oman aikansa viruksia.

Nuo varhaisen maailman parasiitit ja virukset olivat tuhoisia, mutta jatkoa ajatellen ne saattoivat olla myös erinomaisen hyödyllisiä. Nimittäin nuo olemassaoloa uhkaavat tuholaiset saattoivat olla se valintatekijä, joka pakotti itselliset replikaattorijuosteet vetäytymään erilleen johonkin erilliseen tilaan; se tarkoittaisi membraanin sulkemaan tilaan, jossa se saattoi kopoida vain omaa (tai lähisukuisia) juosteita. Tosin, varhaisimmassa vaiheessa tuo replikaattori ei vielä (ainakaan heti) voinut rakentaa kokonaista solu- ja proteiinisynteesikoneistoa ympärilleen, vaan se monimutkainen ja moniosainen toiminto olisi edelleen säilynyt ”yhteisöllisenä jätti-hankkeena”.  Pysyvät solulinjat, välttämättömät solunjakaantumistoiminnot ja tarkemmat kalvotoiminnot olisivat voineet kehittyä sitten myöhemmin, kun olosuhteet muuttuivat ja varhaiset eliöt joutuivat meriveteen. Tässä kohtaa niiden piti nopeasti oppia hallinnoimaan ja säätämään oman sisäisen ympäristönsä olosuhteita.

Tuollainen replikaattoreiden aktiivinen sulkeutuminen kalvopussien sisälle on helppo kuvitella varhaisen eliökunnan keksinnöksi, sillä hyvin monet RNA-virukset käyttävät sitä yhä. Replikaatioproteiineidensa avulla virukset ”osaavat” kaareuttaa isäntäsolun sisällä olevia kalvoja, ja siten aktiivisesti synnyttää kalvorakkuloita joiden sisälle ne sulkeutuvat replikaation ajaksi. Rakkuloiden sisällä ne ovat suojassa isäntäsolun vihamielisiltä puolustusreaktioilta, ja voivat ”rauhassa” monistaa vain juuri kyseistä virus-RNA:ta. Siis viruksetkin, jotka ovat vain pelkkiä RNA-polymeereja, ovat oppineet olemaan ”itsellisiä”.

Kirjoitin tästä aiheesta aikoinaan hypoteesijulkaisun (Laiterä, T. and Lehto, K. 2009. Protein-mediated Selective Enclosure of Early Replicators Inside of Membranous Vesicles: First Step Towards Cell Membranes. Orig Life Evol Biosph. 39:545–558). Tuo juttu ei oikein saanut tuulta alleen. Nyt äskettäin Matsumura ja kumppanit osoittivat kokeellisesti että juuri tuollaisen valikoivan väliaikaisen eristäytymisen avulla replikoiva RNA-populaatio pystyy välttämään virhekatastrofin ja toimintansa romahtamisen (Matsumura, Shigeyoshi, et al. ”Transient compartmentalization of RNA replicators prevents extinction due to parasites.” Science 354.6317 (2016): 1293-1296). Kiva juttu.

Solujen muistot

1.12.2017 klo 01.59, kirjoittaja Kirsi Lehto
Kategoriat: Astrobiologia

Aikoinaan nuorella Maa-planeetalla, ensimmäiset elämän muodot syntyivät sellaisessa ympäristössä joka oli kyllästynyt pienillä orgaanisilla yhdisteillä; erityisesti vetysyanidi ja sen erilaiset johdannaiset olivat hyviä lähtöaineita.  Lisäksi tarvittiin rikkivetyä ajamaan molekyylien pelkistymistä edelleen, sekä jonkinlaisia pelkistyneitä ja liukoisia fosforiyhdisteitä. Pieniin molekyyleihin oli latautunut hyvin paljon elektroneja, eli pelkistysenergiaa. Ympäristö ruokki vilkasta kemiaa tarjoamalla koko ajan lisää lähtöaineita, ja se tarjosi myös koko ajan lisää energiaa reaktioiden käyttövoimaksi. Energiaa tuli sekä molekyylien rakenteista että ympäristöstä, esimerkiksi UV säteilyn tai kuumuuden muodossa. Meteoriittien tai asteroidien iskeytyminen maahan, tai kuumat tulivuorenpurkaukset tai salamointi saattoivat toimia tehokkaina energialähteinä, samoin näiden yhdistelmä eli vulkaaninen salamointi, jota syntyy kun tulivuorten kaasu-ja tuhkapilvien suuret staattiset sähkövaraukset purkautuvat salamointina.

Kun sopivia lähtöaineita oli tarjolla runsaasti, hyvin konsentroituneena, tai jopa ajoittain kuivissa olosuhteissa, ne reagoivat keskenään ja synnyttivät yhä isompia ja monimutkaisempia tuotteita. Monimutkaisten kemiallisten reaktioiden sekamelska synnytti suuren määrän pienehköjä molekyylejä, mutta  olosuhteet suosivat juuri tietyn tyyppisiä reaktioreittejä ja tiettyjen molekyylien syntyä ja rikastumista. Esimerkiksi sellaiset molekyylit  rikastuivat jotka liukenivat ja kulkeutuivat virtaavan nesteen mukana lammikoihin, missä ne konsentroituivat suuriin pitoisuuksiin nesteen haihtuessa. Myös sellaiset molekyylit rikastuivat jotka kestivät UV-säteilyä, tai kuumuutta.

Näiden varhaisten vaiheiden lopputuleman perusteella tiedämme että ympäristöön rikastui runsaasti juuri niitä aineita joista elämä sitten rakentui, eli nukleotideja, ja aminohappoja. Tarpeeksi rikastuessaan, ehkäpä olosuhteissa missä vesi oli kokonaan haihtunut pois ympäristöstä, nukleotidit linkittyivät toisiinsa säännolliseksi ketjuiksi. Nämä taas liittyivät yhteen, katkeilivat, liittyivät uudelleen, ja kasvoivat pidemmiksi. Satunnainen yhdistely kasvatti ketjujen pituutta ja monimutkaisuutta. Ne oppivat myös kopioimaan itseään tai toisiaan. Kopiointi tuotti tosin vielä runsaasti virheitä, ja näiden myötä se sekä tuotti nopeasti uutta geneettistä informaatiota, ja myös hävitti olemassa olevaa toimivaa informaatiota.

Nukleotidiketjut oppivat liittämään yhteen aminohappoja, joista siten syntyi pieniä peptidejä. Aminohappojen ketjutusta ohjaava geneettinen  koodi kehittyi vähitellen tarkasti optimoiduksi kolmikkokoodi-kieleksi, jossa kullekin aminohapolle on käytössä keskimäärin kolme erilaista  koodia. Samantapaiset kolmikot koodaavat joko samaa, tai samankaltaisia aminohappoja. Päällekkäisyyden ansiosta koodi on hyvin kestävä sekvenssivirheitä vastaan: sekvenssi voi vaihdella paljonkin ilman että sillä on vaikutusta tuotettuun proteiinituotteeseen.

Proteiinisynteesikoneisto on suuri ja moniosainen molekyylien yhteistyöverkosto, jonka toimivuutta ja kehitystä ei voi jäljittää suoraan alkeellisempiin kehtiysvaiheisiin, sillä proteiinisynteesi ei voi toimia ennenkuin kaikki sen perusosat ovat olemassa. Onkin ollut vaikea ymmärtää miten kaikki sen osat syntyivät ja kehittyivät yhteensopiviksi, niin että ne saattoivat käynnistää saumattoman yhteistyön. Ne eivät suinkaan voineet ilmestyä suoraan ”tyhjästä”, vaan niiden piti kaikkien kehittyä erikseen, vähitellen. Niiden kaikkien piti ensin tuottaa jotakin toiminnallista hyötyä, ja vakiintua, ja vasta vähitellen nämä hyödylliset osatoiminnat yhdistyivät synergisteksi kokonaisuudeksi. Geneettisesti ohjattu proteiinisynteesi ei siis voinut olla mikään kehityksen tavoite, vaan se syntyi suotuisana yhdistelmänä monista erikseen kehittyneistä toiminnoista.

Proteiinisynteesin käynnistyminen kuitenkin tuotti valtavan suurta toiminnallista hyötyä RNA molekyyleille: se paransi elämän toimintaa ja selviytymisen mahdollisuuksia niin merkittävästi että jotkut tutkijat kutsuvat tätä vaihetta ”Läpimurtoeliksi”, nimeltä Riborgis eigensis. Tämä synteesikoneisto oli niin oleellinen kaikelle myöhemmälle kehitykselle että se vakiintui solujen peruskoneistoksi, ja sen keskeiset osat ovat alkuperäisen kaltaisia yhä vieläkin kaikissa elävissä soluissa. Ne ovat molekyylifossiileita jotka kertovat siitä miten elämän perusteet aikoinaan rakentuivat.

Proteiinientsyymit mahdollistivat monien uusien biokemiallisten reaktioiden ja synteesireittien keksimisen ja toteuttamisen hallitusti ja tehokkaasti. Näiden myötä elämä alkoi tulla omavaraiseksi, sen sijaan että se oli aiemmin saanut kaikki tarvitsemansa raaka-aineet suoraan ymäristöstään. Proteiinientsyymit myös mahdollistivat RNA-genomeiden kopioimisen DNA-muotoon, joka taas edusti paljon kestävämpää informaation tallennusmuotoa kuin RNA-ketjut. Kestävyys ja omavaraisuus tuli erityisen tarpeelliseksi siinä vaiheessa kun varhaisen elämän ympäristöt olivat muuttumassa toisenlaisiksi, ja nuori elämä oli joutumassa aivan uusien haasteiden eteen.

On ilmeistä että elämän varhaisin kehitys oli tapahtunut ympäristössä joka tuotti elävän solukoneiston omana kemiallisena tuotteenaan: ympäristö tarjosi rakennuspalikat joista elämän ensimmäiset ketjumaiset molekyylit rakentuivat, ja tarjosi niitä koko ajan lisää, jatkuvasti, niin että ketjut saattoivat aikojen kuluessa kopioitua, lisääntyä, ja kehittää toiminnallisia rakenteita.

Ympäristö tarjosi hienojakoisia mineraalikerroksia joiden alle valmiit molekyylit saattoivat kerrostua suojaan tuhoisalta UV-valolta, sekä mineraalisia katalyyttejä kuten Zn²⁺, Mn²⁺  ja Bo²⁺ ioneita reaktioiden ylläpitämiseen. Hienojakoiset mineraalipinnat myös auttoivat molekyylien konsentroimisessa ja aktivoinnissa. Erityisesti, RNA-maailmassa kehittyvä proteiinisynteesikoneisto oli riippuvainen siitä että ympäristössä vallitsi korkea K⁺ ionien pitoisuus, verrattuna vallitsevaan Na⁺ ionien pitoisuuteen. Tuo solujen sisälle tallentunut muisto, eli sytoplasman korkea pelkistysaste, sen K⁺/Na⁺ suhde ja Zn²⁺ ja Mn²⁺ ionien käyttö ko-faktoreina joidenkin entsyymien katalyyttisissä kohdissa kertoo siitä että elämä on saanut alkunsa kuivalla maalla, jossakin tulivuoritoiminnan ylläpitämällä vulkaanisten kaasujen kentällä.

Nämä elämän molekyylikoneiston toimintaedellytykset ovat olleet niin ehdottomia että ne ovat vakiintuneet elämän perusympäristöksi, ja vallitsevat yhä edelleen kaikkien elävien solujen sisällä. Siis, elämä kantaa yhä edelleen solujensa koostumuksessa muistoa siitä, millaisissa olosuhteissa se alunperin kehittyi.