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….
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.