Elämän keitaita

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.