Elämän keitaita

Elämän synty – mitä siitä tiedetään nyt

20.2.2017 klo 23.02, kirjoittaja Kirsi Lehto
Kategoriat: Astrobiologia

Elämän synnyn yksityiskohtia ei vielä tiedetä – eikä ehkä koskaan voidakaan varmuudella tietää, koska tuosta tapahtumasta ei ole säilynyt mitään konkreettisia jäämiä eikä fossiileja. Ei siis tiedetä missä, milloin tai miten se tapahtui. Kuitenkin jo vanhimmissa tänne asti säilyneissä kallioissa, eli Länsi-Grönlannin Isuan liuskeisissa kallioissa esiintyy ilmeisiä eloperäisiä hiilihippusia. Nuo kalliot syntyivät syvän meren sedimenteistä noin 3,8 miljardia vuotta sitten – ja jos nuo hiilijäämät ovat todella jäänteitä merenpohjalle painuneista eliöistä, ne osoittavat että elämä oli syntynyt jo ennen tuota ajankohtaa. Vieläkin vanhempi jäänne mahdollisesta eloperäistä hiilestä on löydetty 4,1 miljardia vuotta vanhan zirkoni kiteen sisältä.

Siis on mahdollista että elämä syntyi jo Hadeisella aikakaudella – mutta millaisessa maailmassa? Planeetta oli siihen aikaan meren peitossa. Meren pohjalla oli kiinteä Maan kuori eli merenpohjan laatta. Planeetan sisemmät kerrokset olivat vähitellen jäähtymässä: vaipassa kiertävät konvektiovirtaukset kuljettivat lämpöä pinnalle. Tämä todennäköisesti tuotti runsaasti tulivuoritoimintaa ja tulivuorisaaria planeettaa peittävään valtamereen. Kuu kiersi Maata paljon lähempänä, ja Maa pyöri nopeammin kuin nykyisin: jopa 100 metriä korkeat vuorovesiaallot kiersivät planeettaa sen pyörimisliikkeen tahdissa ja pyyhkivät korkeina tsunamiaaltoina varhaisten tulivuorisaarten kallioille.

Nuori aurinko oli tuolloin vielä noin kolmanneksen viileämpi kuin se on nykyään, ja tämän takia planeetta olisi voinut painunut pitkiksi ajoiksi jäisiin lämpötiloihin. Ilmasto-oloihin vaikuttivat kuitenkin myös useat muutkin tekijät, ja niiden yhteisvaikutusta ei tiedetä:  jos planeetalla säilyi paksu hiilidioksidi-ilmakehä, ja jos maan sisältä purkaantui runsaasti lämpöenergiaa, nämä saattoivat pitää meret sulana ja jopa lämpiminä koko Hadeisen kauden ajan. Lämmin meri olisi aiheuttanut runsaasti sadetta ja myrskyjä; myös voimakkaat tulivuorenpurkaukset olisivat aiheuttaneet vulkaanista salamointia tulivuorten ympärille. Ja sitten, Hadeisen kauden loppupuolella, planeettaa kohtasi voimakas meteoriitti-iskujen sarja, joista suurimmat – ehkä – haihduttivat kaikki valtameret. Ehkä. Tämä ei kuitenkaan ole varmaa.

Mutta jossakin näiden vaiheiden myllerryksissä elämä syntyi; tai sitten se syntyi heti sen jälkeen kun olosuhteet rauhoittuivat.

Elämä koostuu pienehköstä sarjasta kemillisia rakennuspalikoita, joista kukin tuottaa oman oleellisen osansa solujen rakenteisiin ja toimintoihin: Nukleiinihapot, DNA ja RNA, toimivat geneettisen informaation varastona. Nämä kumpikin rakentuvat neljästä erilaisesta nukleotidista jotka ketjuuntuvat pitkiksi ketjuiksi. Kemialliset työkalut eli protiinit taas muodostuvat 20 erilaista aminohaposta, jotka nekin ketjuuntuvat pitkiksi ketjuksi. Nyt oletetaan että elämä lähti käyntiin niin että näitä syntyi jossakin sopivissa olosuhteissa niin paljon että ne spontaanisti kasaantuivat toimiviksi polymeeriksi ja rakenteiksi. Kolmas rakennekomponetti elävissä soluissa ovat vielä lipidit, eli rasva-aineet, joiden ansiosta kaikki elävät solut sulkeutuvat oman kalvovaippansa sisään. Solut käyttävät monia erilaisia lipidejä – mutta niidenkin runkona toimiva molekyyli, eli fosforyloitunut glyseroli, on kaikissa eliöissä samanlainen.

Elämän synnyn tutkimuksen eräänä haasteena on ollut se että on näiden rakennuspalikoiden syntyreittejä on ollut vaikea ymmärtää; lisäksi on ollut vaikea ymmärtää miten nämä hyvin erilaiset orgaaniset yhdisteet voisivat spontaanisti syntyä ja kerääntyä samoissa olosuhteissa ja ympäristöissä.

Viime vuosina kuitenkin parikin erillistä tutkimusryhmää on osoittanut että nämä kaikki molekyylituotteet muodostuvat vetysyanidin erilaisina johdannaisina ja pelkistystuotteina; pelkistävänä reagensseina tarvitaan vetysulfidia ja erilaisia metalli-ioneita, ja katalyyttinä tarvitaan pelkistynyttä fosforia. Elegantissa artikkelissaan John Sutherlandin työryhmä (Patel ym. 2015, Nature Chemistry 7: 301-307) – osoittaa vaihe vaiheelta, miten kaasumainen vetysyanidi voi ensin sitoutua erilaisiin metalli-ioneihin ja muodostaa erilaisia rautasyanideja. Korkeissa lämpötiloissa, Na- ja K-suolojen läsnäollessa ne muuttuvat natrium- ja kaliumsyanideiski, mutta myös muiksi pelkistyneiksi typen ja hiilen yhdisteiksi, kuten nitriiteiksi ja amideiksi aldehydeksi, ammoniakiksi ja syanoasetyleeniksi. Nämä reagoivat keskenään, erilaisten reaktioreittien kautta, ja yhä uudelleen reagoiden vetysyanidin kanssa, vetysulfidin pelkistäminä ja UV-valon katalysoimina.

Kaikki nämä reaktiot olisivat voineet tapahtua kuumilla tuliperäisillä saarilla, missä kaasumainen vetysyanidi liukenee veden kastelemille pinnoille ja reagoi rauta-ionien kanssa; se voi liueta myös suoraan veteen ja muodostaa formamidia. Syanidiyhdisteet kerääntyvät erilaisiin valumavesilätäköihin, konsentroituvat veden haihtuessa,  ja muuntuvat erilaisiksi hiili- ja typpiyhdisteiksi joko vulkaanisen kuumuuden tai meteoriitti-törmäysten ajamana; myös pelkistynyt fosfori ilmeisesti saadaan meteoriiteista. Yhdisteet valuvat kuumilla mineraalipinnoilla, ja erilaisten reaktioreittien kautta, välillä kastuen ja välillä kuivuen, ne voivat muodostaa fosforyloituneita nukleotideja, ainakin 12 erilaisen aminohapon esiastetta, ja fosforyloitunutta glyserolia.  Täten elämän kaikki keskeiset rakennuspalikat olisivat syntyneet ainakin tuon saman kemiallisen ympäristön tuotteina, joskin vaikka erillisten reaktioreittien tuottamina.

Myös Mulkidjanian ja kumppanit (2012) kuvaavat samantapaista komplesisoitumiskemiaa varhaisilla tuliperäsillä saarilla (PNAS 821-E830). Nämä tutkijat myös huomauttavat, että kaikien elävien solujen tyypilliset soluliman ionikoostumukset, ja erityisesti, solujen sisällä esiintyvät korkeat K, Zn ja Mn pitoisuudet periytyvät juuri tämän tyyppisistä, kuivista vulkaanisista ympäristöistä. Olemme siis vetysyanidin reaktiotuotteita, tulivuorisaarilla syntyneitä. Tämä paperi korostaa myös sitä, että elämän piti kehittyä varsin pitkälle, tuottaa tiukkaoja kaksikerroksisia solukalvoja ja niihin tehokkaita ionipumppuproteiineja, ennekuin se pystyi levittäytymään kuivilta syntysijoiltaan mereen. Siis, alussa mainitsemani 3,8 miljardin vuoden ikäiset Isuan sedimentien hiilifossiilit olisivat olleet jo aika pitkälle kehittyneen elämän tuotteita.

Näin tämä kemia tällä hetkellä kirjoitetaan. Se on paras tämänhetkinen rekonstruointi elämää tuottaneesta prebioottisesta kemiasta. Sen lähtöaineena on vetysyanidi ja pelkistynyt fosfori, ja pelkistimenä vetysulfidi. Sutherlandin ryhmä kutsuu tätä syanosulfidiseksi kemiaksi.

Hyvät lukijat, mitä te ajattelette tämän kemian käyttövoimasta? Ovatko meteoriitit ainoa mahdollinen lähde pelkistyneelle fosforille (schreibersiitille)? Olisiko vulkaaninen kuumuus ja salamointi voinut tuottaa enemmän sitä? Entä suuret törmäykset – mitä ne tekivät? Tuottivatko ne kuivaa ja kuumaa maata, vaiko vain paljon vesihöyryä – entä olisiko niissä voinut syntyä kuumaa silikaattihöyryä joka olisi nostanut lämpötiloja vielä korkeammiksi?? Onko olemassa sellaisia erikoisia energisoivia olosuhteita joita ei ole vielä mainittu?