Miten eloton saattaa muuttua eläväksi – elämän synnyn ongelmia järjestysnumerolla 3
Elämä rakentui varsin tavallisista aineista – ja varsin pienestä ainevalikoimasta. Alkuaineita tarvittiin vain kuutta erilaista – eli hiiltä, vetyä, typpeä, happea, fosforia ja rikkiä (CHNOPS). Näistä syntyi pieni joukko tietynlaisia yhdisteitä – nukleotideja, aminohappoja ja lipidejä (vaikka ongelma no. 1 olikin että miksi ja miten juuri näitä). Sitten, jossakin sopivassa ympäristössä nukleotidit ketjuuntuivat kohtalaisen pitkiksi nauhoiksi – alkaa kehittyä polymeerien ihmeellinen maailma. (Tosin, ongelma no. 2 oli että nukleotideja on vaikea saada syntymään, ja vaikeaa niitä on myös ketjuttaa – ja saattaa olla että tämä piti mennä jotenkin mutkan kautta, eli käyttäen ensin jotakin yksinkertaisempia ”lenkkejä” ketjussa).
Kuitenkin, jossakin suotuisissa olosuhteissa ketjuja kuitenkin syntyi nimenomaan ribonukleidejä, ja niiden ketjuja – eli RNAta. Nämä, ihan oman aktiivisen luonteensa perusteella, automaattisesti vetäytyivät tai laskostuivat jonkinlaisiin sykkyröihin itsensä kanssa. Tällaiset RNA-sykkyrät sitten pystyivät toimimaan aktiivisina kemiallisina katalyyttäinä – samaan tapaan kuin proteiinit toimivat nykyään. Näitä kattalyyttisä RNA-juosteita kutsutaan entsyymiä muistuttavalla sanalla ”Ribozyymeiksi” – ja sitä toiminta-maailmaa jonka ne synnyttivät kutsutaan RNA-maailmaksi.
Eräs mielenkiintoinen kysymys on missä – siis minkälaisissa olosuhteissa – noita varhaisia, satunnaisia RNA-nauhoja saattoi syntyä. Viime vuosina on osoitettu että eutektiset jäät – siis suolaisten vesien jäät joiden lämpötila on alle -15 oC – edistävät tehokkaasti RNA-nukleotidien ketjuuntumista. Tämä johtuu siitä että jääkiteiden muodostuminen konsentroi nukleotidit tehokkaasti, ja pysäyttää niiden liikkeen. Näissä olosuhteissa voi syntyä jopa 20 nukleotidin pituisia ketjuja. Nämä ketjut voivat jopa kääntyä hännästään ympäri ja kopioitua ”itsensä päälle”. Voi kuulostaa hassulle – mutta asiaan voi tutustua tarkemmin vaikkapa Pierre-Alain Monnard ja Jack W. Szostak artikkelissa, Journal of Inorganic Biochemistry 102 (2008) 1104–1111) artikkelissa. Samantapaiset olosuhteet myös edesatuttavat tehokkaasti juosteiden kopiitumista, kuten Attwater, Wochner ja Holliger kirjoittavat Nature Chemistry artikkelissa DOI: 10.1038/NCHEM 1781 (2014).
Nuo varhaiet RNA-nauhat eivät koodanneet vielä mitään proteiineja – sihön ollut vielä olemassa edes mitään proteiinisynteesikoneistoakaan – mutta silti ne jo sisälsivät informaatiota. Tuokin informaatio sisältyi nauhojen emäsjärjestykseen, ja määräsi sen miten ko. nauha laskostui sykkyrään. Sykkyrän rakenne taas määräsi sen miten se pystyi suorittamaan jotakin tarpeellisia toimintoja. Nyt tiedetään että n. 50 nukleotidin pituiset RNA-nauhat pystyvät katalysoimaan jo jonkunlaisia reaktoita. Mitä pidempiä nauhat ovat, sen paremmin ja tarkemmin ne pystyvät toimimaan – sadan pituiset jo monenkinlaisia reaktioita. Ne pysytvät esimerkiksi tehokkaasti katkomaan RNA-nauhoja, ja liittämään niitä taas toisiinsa. Tämä liittämis-reaktio tehostuu jos liitettävät RNA-nauhat ovat pariutuneet johonkin juosteeseen – joka siis toimii alustana eli templaattina näille liitettäville pätkille – ja samalla itse kopioituu. On mahdollista – tai todennäköistä – etttä tuollainen RNA-palasten yhteen liitteleminen synnyttytti ensimmäisen kopioituvan systeemin. Se saattoi tuottaa olemassa olevista nauhoista kopioita nopeammin kuin niitä hajosi – ja tämä olisi johtanut nauhojen määrän lisääntymiseen. Ja tietysti, oleellista oli että juuri tuon kopioivan ribozyymin määrä lisääntyi, jotta toiminta saattoi jatku eteen päin. Sen ohella varmasti myös muita tuotteita syntyi – ehkä runsaastikin.
Tuo varhainen kopioituminen oli vielä hyvin alkeellista, ja epätarkkaa. Se ei siis mitenkään voinut tuottaa kovinkaan tarkkoja kopioita olemassa olevista templaateista. Ja virheiden tekeminen tietyn toimivan informatiivisen nauhan kopioinnissa on kohtalokasta – nimittäin kun virheitä tulee liikaa, niin kyseinen informaatio ja toiminta katoavat. Näin ollen, jotta tuo kopioiva nauha olisi pystynyt pysymään toiminnassa, sen olisi ainakin pitänyt pystyä kopioimaan itsensä oikein.
Suurpiirteisesti voidaan sanoa, että kopiointisysteemi ei voi ylläpitää sen pidempää nauhaa kuin minkä se pystyy kopioimaan virheettömästi. Kopiointitarkkuuden ohella informaation pysyvyyteen kuitenkin vaikuttaa toinenkin seikka – eli tuon informaation valintaetu, verrattuna muihin kopioituviin juosteisiin.
Tämä asia on kuvattu tarkasti kaavalla, joka määrittelee että kopioituvan juosteen maksimipituus L
L < ln s/ (1-q) missä L = pituus, s = valintaetu, (1- q) = virhetiheys
Tämän kaavan on johtanut nobel-palkittu biokemisti Manfred Eigen, joskus 60-luvulla, käyttäen viruksia mallisysteeminään. Kaavassa näkyy että tärkeänä nauhan pidentymistä lisäävänä seikkana toimii sen valintaetu muihin juosteisiin verrattuna. Jos ko. juosteen toiminta on erittäin tärkeä – sen valintaetu on suuri, niin siitä säilyy – tai valikoituu – aina vain niitä toimivia versioita, vaikka se olisikin niin pitkä että sen kopioiminen onnistuu vain satunnaisesti.
Tässä kohtaa siis nousee luonnonvalinta pitämään yllä ensimmäisiä hauraita elämänmuotoja: se mikä toimii, se säilyy. Voidaan ajatella että elämä alkaa Darwinilaisen luonnonvalinnan ja evoluution käynnistymisestä. Tämän varassa se on myös jatkunut ja kehittynyt tähän päivään saakka.
Kopioitujen juosteiden (varhaisten genomien) kasvaminen pidemmiksi oli ensiarvoisen tärkeää siksi, että se mahdollisti elintoimintojen rikastumisen, tarkentumisen ja parantumisen. Sitä kuitenkin koko ajan uhkasi edellä mainittu virhekatastrofi – eli virheiden lisääntyminen, ja sen myötä, toimivan informaation katoaminen. Tilanne olisi voinut olla samanlainen toivoton umpiperä kuin se kuuluisa ”catch 22” . Jonkinlaisena kokonaisvaltaisena ratkaisuna tässä tilanteessa toimi ns. Darwin-Eigen sykli, eli positiivinen nouseva kierre, missä satunnainen vaihtelu (rekombinaatio, mutaatiot) lisäsivät genomien pituuttaa monimuotoisuutta, nämä tuovat peliin uusia toimintoja ja ominaisuuksia – näistä taas luonnonvalinta valitsee niitä jotka pystyvät pitämään yllä tätä uutta isompaa genomia… Voila, itse itseään ylläpitävä ja korjaileva ja parantava automaatti oli syntynyt…
Kuva: Virheitä tekevän ja niistä positiivisia tuotteita valikoivan luonnonvalinnan yhteistuote on eteenpäin kehittyvä evoluutio