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.
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?
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…
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…
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 …