Luonnonvalintaa varhaisilla tulivuorisaarilla

15.11.2017 klo 23.57, kirjoittaja
Kategoriat: Astrobiologia

Elämän alkuperän ihmettely on aina kiehtonut ihmisten mieliä. Menneinä aikoina se ymmärrettiin vain myyttien ja uskomusten kautta, ja suurempien henkivoimien tuotteena. Darwinin ajoista alkaen on kuitenkin alettu ymmärtää että luonnonlakien ohjaamat kehitysprosessit ovat tuottaneet kaiken mitä maailmassa nyt on, tai on koskaan ollut. Darwin itse arveli että kaikki elämän monimuotoisuus ja lajien kirjo olisi lähtenyt kehittymään yhdestä ainoasta elämän alusta, tai solusta joka ehkä syntyi jossakin pienessä lämpimässä lätäkössä, sopivien kemiallisten lähtöaineiden ja reaktoiden tuotteena (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2745620/). Darvin osui arvelussaan ilmeisesti hyvinkin oikeaan.

Luonnonvalinta, eli evoluutio, on aina ohjannut elämän kehittymistä monimuotoiseksi ja monimutkaiseksi, ja ilmeisesti samankaltainen luonnonvalinta ohjasi jo elämää edeltänyttä kemiaakin. Ne kemialliset komponentit joita syntyi tehokkaimmin, ja/tai jotka säilyivät parhaiten vallitsevissa olosuhteissa, alkoivat kerääntyä ja reagoida keskenään. Olosuhteet määräsivät elämän kehityksen suunnan.

Esimerkiksi, vetysyanaatti ja sen johdannaiset (syaaniamidi, syanasetyleeni, glykoaldhydi, glyseraldehydi, syanoasetaldehydi ja urea) toimivat orgaanisten reaktioreittien tehokkaina lähtöaineina. Näistä aineista syntyy monimutkaisten reaktioverkostojen kautta juuri niitä molekyylejä joista elämä on syntynyt, eli neljää erilaista ribonukleotidiä, ja laajahko valikoima erilaisia aminohappoja. Jopa nukleotidien ohella syntyvät vaihtoehtoiset rinnakkaistuotteet eliminoituvat reaktiotuotteista pois siksi että ne hajoavat UV-valossa. (https://www.nature.com/articles/nature08013; https://www.nature.com/articles/nchem.2202; http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/cbic.201200068/abstract).

Nukleotidien synteesireaktiot etenevät tuohon mainittuun suuntaan vain sellaisessa ympäristössä missä on tarjolla riittävästi (runsaasti) energiaa pelkistyneiden lähtöaineiden (syanidin ja sen johdannaisten) tuottamiseen,  sekä vetysulfidia reaktiotuotteiden pelkistämiseen. Ainakin joissakin reaktiovaiheissa tarvitaan vedettömät, siis esimerkiksi orgaanisen foramidiliuoksen kyllästämät olosuhteet, ja hyvin konsentroituneita lähtöaineiden pitoisuuksia. Tällaiset olosuhteet olisivat voineet vallita vain kuumilla, vuorotellen  kastuvilla ja kuivuvilla tulivuoriperäisillä saarilla, missä tulivuorenpurkaukset ja vulkaaninen salamointi tuotti paljon energiaa. Impakteja saattoi myös tulla avaruudesta, mutta nuo paikalliset energialähteet olivat juuri tässä ympäristössä vallitsevia. Reaktoihin tarvittiin myös liukoista fosfaattia –  senkin alkuperä olisi voinut olla hyvin kuumissa vulkaanisissa purkauksissa (https://www.nature.com/articles/srep08355)

Ympäristön olosuhteiden ajamana kemia eteni myös monimutkaisemmaksi.  Syntyneet nukleotidit saattoivat ketjuuntua sen ansiosta, että vedettömissä olosuhteissa (formamidissa) ne pinoutuvat keskenään lähes kidemäisiin jonoihin, jotka sitten saattavat  kemiallisesti yhdistyä keskenään http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/cbic.201200068/abstract ). Ketjuuntuneet nukleotidit saattoivat yleistyä siksi että kuumissa olosuhteissa ne ovat hiukan kestävämpiä kuin yksittäiset.

Myös keskenään emäspariutuneet ketjut ovat kestävämpiä kuin yksisäikeiset ketjut, ja tämä ominaisuus edisti sellaisten juosteiden yleistymistä jotka muodostivat tehokkaasti emäspariutuneita rakenteita. Ketjut siis laskostuivat monenmuotisiin sykkyröihin. Kuinka ollakaan, tällaiset 3-ulotteiset molekyylisykkyrät taas pystyvät aktivoimaan kemiallisia reaktioita, ehkä katkomaan ketjuja, mutta myös liittämään niitä yhteen. Ketjut alkoivat kasvaa pidemmiksi ja monimuotoisemmiksi.

Molekyyliketjujen säilymisen mahdollisuudet paranivat valtavasti sitten jos – ja kun – niille kehittyi sellainenkin ominaisuus että ne kopioituivat uusiksi samankaltaisiksi ketjuiksi. Kopioituneiden ja keskenään pariutuneiden ketjujen piti aina uudelleen avautua uutta kopioitumista varten – tällainenkin syklinen reaktio saattoi tapahtua vain hyvin vahtelevissa, välillä kastuvissa ja välillä kuivuvissa kuumissa olosuhteissa. Luonnonvalinnan avulla molekyyliketjut kasvoivat yhä toiminnallisemmiksi ja paremmin säilyviksi. Niiden rakenteeseen tallentui tieto siitä mikä säilyy – sillä juuri tämä tieto auttoi niiden säilymisessä.

Sittemmin elämä on kehittynyt ja kasvanut samankaltaisten – tosin alati muuttuvien ja luonnonvalinnan valitsemien –  molekyyliketjujen kemian ajamana.  Sekä nukleiinihappoketjujen sisältämä informaatio että aminohappoketjujen (proteiinien) toiminnallisuus ovat molemmat valikoituneet vain sillä perusteella että ne edistävät säilymistä vallitsevissa olosuhteissa. Molekyyliketjujen tarkat keskinäiset tunnistusraktiot ja vuorovaikutukset pyörittävät ikiliikkujan kaltaista säilyttämis-koneistoa.

Niinkuin kaikki suuremmatkin koneet, tämä solunsisäinen nanokoneisto toimii vain ulkopuolelta saatavan ja läpivirtaavan energian ajamana. Energiaa siirretään yhdisteeltä toiselle, sitä sidotaan isompien yhdisteiden kemiallisiin sidoksiin, ja lopulta se taas vapautuu kun molekyylien sidokset hajotetaan. Tuon energian talteenotto- ja siirtoreaktioiden kehittyminen on ollut yksi suuria valintatekijöitä. Tärkempänä energiankuljetusmolekyylinä elämän reaktoissa toimivat edelleen ATP molekyylit, jotka olivat yksi tärkeimpiä alkuperäisen ympäristön tarjoamia rakennuspalikoita.

 

 

15 kommenttia “Luonnonvalintaa varhaisilla tulivuorisaarilla”

  1. Pekka Janhunen kirjoitti:

    Tässä on nyt hyvää se että ei ole kovin montaa parametria. Kuiva/liuos. Formamidi/vesi. Kuuma/kylmä. UV kyllä/ei. Kertaluonteinen tai syklinen olosuhdeketju. Erilaisia rikastumisprosesseja voi olla, pilvipisarat, sade/haihdunta, meren vaahto/tuulikuljetus/rantatyrskyt, vuorovesi. Kuivuneen aineen pölyäminen takaisin ilmakehään. Pitäisi iteroida muutama kerta kemian ja geofysiikan välillä, suoraan oikeaa vastausta vaikea arvata.

    1. Kirsi Lehto kirjoitti:

      Joo, tuossa kyllä luettelit jo aika mona parametria. Sitten tulee vielä loputtoman rikas keitto lähtöaineita eli pieniä orgaanisia molekyylejä jotka reagoivat keskenään, samoin mineraalipintoja, vettä, elektroneja, säteilyä. Molekyylitasolla loputon kaaos ja sekamelska. Mutta hienosti se jotenkin organisoitui. Mielestäni tuo järjestyksen nouseminen suuren kaaoksen keskeltä on juuri erikoista.

      1. Pekka Janhunen kirjoitti:

        – Mitkä olosuhdeketjut ovat mahdollisia geofysikaalisesti. Niitä on monta, mutta äärellinen määrä. Mutta enemmän kuin yksi.

        – Molekyylit joita elämä /ei/ käytä, ne voivat olla johtolankoja. Mitkä ovat prosessit joissa ne poistuvat automaattisesti. Luettelit jutussa jo joitakin.

        – Pidän tulivuorisaarilammikkoideasta, mutta monia muitakaan vaihtoehtoja ei ole poissuljettu.

        1. Kirsi Lehto kirjoitti:

          Joo. Ilmeinen valintatekijä on ainakin ollut UV-valo, samoin H2S, joka on vulkaaninen tuote — ja eräs mikä näyttää välttämättömälle on liukoinen fosfaatti. Josta sitten tuli myös oleellinen osa rakenteita. Tämänhän alkuperää ei oikein tiedetä. Itse tykkään nyt ajatukseta ettäse olisi syntynyt hyvin kuuman tulivuoritoiminna tuloksena…

  2. Jorma Kilpi kirjoitti:

    Siis vulkaaniset ilmiöt ja eri olomuodoissaan oleva vesi (melkein) riittävät elämän syntyyn?

    ”Niiden rakenteeseen tallentui tieto siitä mikä säilyy – sillä juuri tämä tieto auttoi niiden säilymisessä.” Tässä kiteytät hienosti evoluution pähkinänkuoressa. Säilyvän informaation määrän kasvu. Johtaako se (lähes) automaattisesti elämän syntyyn? Olisiko säilyvällä informaatiolla tietyn monimutkaisuuden tason saavutettuaan kyky eristäytyä eläviksi kopioituviksi yksilöiksi?

    Tyynen valtameren muovijätelautat kuvaavat mielestäni veden roolia valitettavan hyvin: vaikka tarvittavia ainesosasia syntyisi vain sattumalta ja hyvinkin pieniä määriä kerrallaan, niin jos ne säilyvät ja vesi pystyy niitä kuljettamaan niin ennen pitkää ne kasautuvat jonnekin suurissa määrin.

    1. Mikko Väyrynen kirjoitti:

      mitä jos informaatio onkin elämää?

      kvanttitasollakin kai se informaatio on perustana kaikelle, eli missä olet, mistä olet tullut ja mihin olet menossa

      vai miten se meneekään?

      1. Kirsi Lehto kirjoitti:

        Tuossa jo vastasinkin Jorman kommenttiin: minunkin puolestani itseään ylläpitävä informaatio muuten kelpaisi elämän määritelmäksi – mutta siinä on se ongelma että sen pitää olla olemassa jossakin formaatissa. Aineellista. Ja nuo aineelliset olomuodot ovat aika katoavaisia — paitsi ne jotka ovat oikeasti eläviä. Vai kuinka?

        1. Mikko Väyrynen kirjoitti:

          Tässä ilmeisesti haluat pitäytyä näkemyksessä että ainoastaan molekyyli tason yläpuolella olevaa voi kutsua eläväksi, mutta elämän määrittelyhän ei ole niin yksioikoista. Tuo ensimmäinen vastaukseni oli tiivistelmä ajatuksesta jota en ole aikaisemmin pukenut perustelu tasolle, joten koitan tässä selventää ajatuksen juoksuani.. Eli on esitetty että haju-aisti sekä yhteyttäminen käyttäisi hyödykseen kvanttitason ilmiöitä josta voisi olettaa kvanttitason ilmiöiden synnyttäneen elämää eikä toistepäin eli niin että molekyylitasolla elämä olisi oppinut käyttämään kvanttitason ilmiöitä niin kuin ihmiselle on ominaista ajatella. Lisäksi on olemassa informaation säilyvyys periaate (josta tosin ei kai täyttä varmuutta vieläkään voi olla Hawkins mm kyseenalaisti tämän joskus) jopa Bosen-Einstein kondensaatissa informaatio näyttelee tärkeää osaa ja ilmeisesti jopa planck tasolle asti olennaista. Tästä voi vetää johtopäätöksen että itse universiumi on elossa ja synnyttäneen meidän tunteman elämän. Eikö paikkansa tietäminen vaadi itsetietoisuutta? Eli jos jollain on tieto olinpaikastaan niin silloin voi tai pitää olla itsetietoinen

          sori tekstin mahdollisesta epäloogisuudesta ja kirjoitus virheistä

          1. Kirsi Lehto kirjoitti:

            … mielenkiintoisia, mutta kovin pitkällle meneviä johtopäätöksiä ja arveluja…

    2. Kirsi Lehto kirjoitti:

      kyllä vain, näyttäisi siltä että tuliperäisen maan kemia synnytti elämän; ympäristöolosuhteet tuottivat jotakin sellaista joka säilyi ja kasaantui näissä olosuhteissa. Vesi auttaa kuljettamaan ja kasaamaan aineita, haihtuminen taas konsentroimaan niitä, ja välillä tarvittiin myös rutikuivia tilanteita.

      Elämän synty-prosessissa se hyvin erikoinen tapahtuma on ollut tuo informaatioon perustuvan toimivan rakenteen syntyminen. Itsensä ylläpitämiseen tarvitaan jonkunlainen toimiva koneisto. Enpä siis tiedä voitaisiinko vetää yhteläisyysmerkkiä säilyvän informaation ja elämän välillä, nimittäin tuo informaatio tarvitsee sen koneiston jolla se ylläpitää – kopioi tai monistaa – itseään. … Jonkinlainen tiedoston kierrättäminen ja loputon kopioituminen tietokoneessa voi säillyttää sitä vain niin kauan kuin kone pysyy ehjänä. Itse uudistuvia koneita ovat vain sellaiset jotka rakentuvat orgaanisista yhdisteistä, ja sellaisista aineista (hiili, vety, typpi) jotka voivat kiertää kaasu- tai nestemäisen hapettuneen muodon ja kiinteän pelkistyneen muodon välillä. Vai mitä? Kun tämän elämän kuitenkin pitää olla jotakin aineellista?

      1. Jorma Kilpi kirjoitti:

        Mielestäni elämän pitää ehdottomasti olla aineellista. Elämän määritelmä (jos sellaisesta on mitään hyötyä) kannattaa tietenkin muotoilla niin, ettei se ole sidoksissa esimerkiksi hiilipohjaiseen elämään.

        Ajattelin vielä tässä, että tärkeimmät veden sykliseen kiertoon maapallolla vaikuttavat kolme tekijää ovat maan kierto auringon ympäri, maan pyörimisliike ja kuun vaikutus maahan. Riittävän massiivisen kuun rooli tuntuisi olleen veden kiertoa nopeuttava tekijä ja siten myös elämän syntyä nopeuttava tekijä. ”Missä kaikki ovat”-ongelma voisi selittyä sillä, että Kuun veden kiertoa nopeuttavan vaikutuksen takia elämä maassa on syntynyt keskimääräistä nopeammin ja siksi sellaisissa lähiaurinkokunnissa joissa on elämän edellytyksiä mutta hitaampi veden kierto ollaan meistä jäljessä.

  3. Pekka Janhunen kirjoitti:

    Suosikki-ideani näiden joukossa on se formamidi, kahdesta syystä: 1) molekyylit kuten RNA säilyvät formamidissa pitempään kuin vedessä, 2) jos protoelämä kehittyi formamidissa, sitä kuitenkin pian kulkeutui myös liuokseen joka oli pääasiassa vettä, tuo veteensopeutumispaine saattoi generoida kompleksisuutta joka nykyelämässä on.

    1. Kirsi Lehto kirjoitti:

      Kyllä näin näyttäisi olevan. Kompleksi kemia nousee HCN:n – ja sen vesilioksen eli formamidin ajamana. Ensin se suojaa hyvin orgaanisia molekyylejä, ja samalla, polariisena vesipohjaisena liuottimena se muodostaa hyvän mahdollisuuden siihen että reaktiot siirtyvät vähitellen laimeampaan formamiidiin – ja sitten veteen. Hieno aine!!

      1. Pekka Janhunen kirjoitti:

        Ei ole täysin poissuljettua (joskin varmaan epätodennäköistä) etteikö nykyisistäkin mikrobeista tai viruksista löytyisi vielä piilevää kykyä sopeutua formamidiin, jos se on ollut alkuperäinen liuotin. Sitä voisi testata kokeellisesti yrittämällä kasvattaa esim. kuumien lähteiden mikrobeja liuoksessa johon lisätään asteittain enemmän formamidia.

        1. Kirsi Lehto kirjoitti:

          Juu, kyllä sellaisia löytyy: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/3073060

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *