Arkisto
- syyskuu 2020
- elokuu 2020
- kesäkuu 2020
- toukokuu 2020
- huhtikuu 2020
- maaliskuu 2020
- helmikuu 2020
- tammikuu 2020
- joulukuu 2019
- marraskuu 2019
- lokakuu 2019
- syyskuu 2019
- elokuu 2019
- kesäkuu 2019
- toukokuu 2019
- huhtikuu 2019
- maaliskuu 2019
- helmikuu 2019
- tammikuu 2019
- joulukuu 2018
- marraskuu 2018
- lokakuu 2018
- syyskuu 2018
- elokuu 2018
- heinäkuu 2018
- kesäkuu 2018
- toukokuu 2018
- huhtikuu 2018
- helmikuu 2018
- tammikuu 2018
- joulukuu 2017
- marraskuu 2017
- lokakuu 2017
- syyskuu 2017
- elokuu 2017
- heinäkuu 2017
- kesäkuu 2017
- toukokuu 2017
- huhtikuu 2017
- maaliskuu 2017
- helmikuu 2017
- tammikuu 2017
- joulukuu 2016
- marraskuu 2016
- lokakuu 2016
- syyskuu 2016
- elokuu 2016
- heinäkuu 2016
- kesäkuu 2016
- toukokuu 2016
- huhtikuu 2016
- maaliskuu 2016
- helmikuu 2016
- tammikuu 2016
- joulukuu 2015
- marraskuu 2015
- lokakuu 2015
- syyskuu 2015
- elokuu 2015
- kesäkuu 2015
- toukokuu 2015
- huhtikuu 2015
- maaliskuu 2015
- helmikuu 2015
- tammikuu 2015
- joulukuu 2014
- marraskuu 2014
- lokakuu 2014
- syyskuu 2014
- elokuu 2014
- kesäkuu 2014
- toukokuu 2014
- maaliskuu 2014
- helmikuu 2014
- tammikuu 2014
- joulukuu 2013
- marraskuu 2013
- lokakuu 2013
- syyskuu 2013
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.
5 kommenttia “Elämän identiteetti ja erillisyys (solukalvot: elämän synnyn ongelmia järjestysnumerolla 6)”
Vastaa
Sähkömagneettiset aistit
Aiemmin näissä blogeissa olen jo pohtinut aistien merkitystä elämälle – ne ovat tärkeitä, niidenhän avulla elävät voivat orientoitua, sopeutua ja reagoida ympäristöönsä. Meillä täällä Maassa näkö- ja kuuloaistit ovat tärkeitä useimmille korkeammille eläimille – mutta ne lienevät merkittäviä muuallakin, sillä kaikkien elinkelpoisten planeettojen pinnalla on varmaankin valoa (paras mahdollinen energialähde) ja myöskin jonkinlainen ilmakehä. Näiden aistien tärkeys näkyy myös siinä että niihin molempiin on Maan elämä löytänyt useita erilaisia tehokkaita ratkaisuja.
Mitäs sitten ympäristöissä joissa ei ole valoa eikä ehkä paljoa ääniäkään. Millaiset aistit tulisivat käyttöön siellä? Miten eliöt voisivat löytää kaverinsa – siis muut saman lajin kumppanit, tai miten ne löytäisivät ruokansa? Tällaisia varsin valottomia ympäristöjä on esimerkiksi syvällä meren pohjassa, vaikkapa mustien savuttajien lähellä – siellä tosin äänille voisi olla käyttöä. Myös maanalaisten luolaverkostojen päästä löytyy valottomia ympäristöjä. Tälläisia paikkoja löytyy esimerkiksi Meksikosta Tabascon osavaltoista Villa de la Luzin luolasta http://en.wikipedia.org/wiki/Cueva_de_Villa_Luz ja Namibian Kalaharin autiomaan Lohikäärmeen henkosesta http://en.wikipedia.org/wiki/Dragon%27s_Breath_Cave
Lepakoilla ei ole luolissa mitään ongelmia sillä ne pystyvät kommunikoimaan ja suuntimaaan kaikuluotaamalla. Eliöt pystyvät myös aistimaan Maan vetovoiman, gravitaation suunnan, mutta onko siitä varsinaisesti hyötyä. Noiden luolastojen pinnoilla kasvaa erilaisia bakteeri-, arkki- ja sienikasvustoja, ja niillä ei liene väliä mikä suunta on ylöspäin ja mikä alaspäin http://en.wikipedia.org/wiki/Snottite . Luolastossa oleva vesi pyrkii alaspäin ja muodostaa lampia ja järviä. Niissä elää erilaisia sokeita eläimiä, joilta puuttuvat pigmentit kokonaan. Kasvien puuttuessa nämä eläimet syövät mikrobikasvustoja. Tärkein eläinten aisti näissä olosuhteissa on tuntoaisti, ja mahdollisesti hajuaisti. Noista paikoista löytyy kaloja ja katkoja, joilla on gravitaation antama ylös-alas aistimus, ja lisäksi niillä esiintyy myös mielenkiintoista sähköaistia. Siis näissäkin olosuhteissa eliöt voivat aistia ympäristöään useammalla eri tavalla.
Sähkömagneettisten kenttien aistiminen ovat meille aika outo ajatus – mutta joillekin lajeille se näyttää onnistuvan hyvin. Esimerkiksi magnetotaktisilla bakteereilla on pieniä magnetiittipitoisia hitusia jotka aistivat magneettikentän suunnan. Jotkut merietanat näyttävät aistivan mageettikentän suunnan, vaikka mekanismia ei tunneta. Lintujen arvellaan käyttävän suunnistuksessa magneettikenttiä. Lepakoilla ja lehmillä näyttää olevan kyky tunnistaa magneettikentän suunta. Voisikohan ihminen astia heikosti mageettikenttiä? Pään sisäisestä kompassista voisi olla merkittävää apua pilvisten päivien suuntavaistossa ja revontulten aavistamisessa. Ne pikkukompassit voivat sijaita vaikkapa nenässä.
Sähkökentän aistiminen on paremmin tunnettu tosiasia. Vesi johtaa hyvin sähköä, joten on helppo ymmärtää että vedessä elävillä eläimillä on kehittynyt sähkökenttää tunnistava aisti. Tämä kattaa elöit kaloihin ja delfiineihin asti. Maanisäkkäistä aikakin australialainen vesinokkaeläin ja Uudenguinean eräs nokkasiillilaji pystyvät aistimaan sähkökenttiä. Muista nisäkkäistä tiedetään että suurilla sähkölinjoilla on vaikutusta eläimiin. Jotkut ihmiset saavat päänsärkyä voimakkaiden voimalinjojen lähellä.
Olisikohan niin että ympäristömme etätarkkailemisessa näkö- ja kuuloaisti ovat niin voimakkaita ja toimivat niin koordinoidusti että ne peittävät yhdessä alleen heikommat magneettikenttien ja säkhökenttien aistimisen? Voisiko jossain olla toinen maailma jossa sähkömagneettiset aistit olisivat voimakkaampia kuin näkö ja kuuloaisti?
3 kommenttia “Sähkömagneettiset aistit”
-
Lasse Reunanen sanoo:
Kyllä ihminenkin voimakkaan sähkökentän kykenee ”värähtelynä” aistimaan (keho magneettikentässä). Ainakin itse ollessani 20 kilovoltin sähkölinjojen tai muuntajien lähettyvillä, joissa suojaetäisyydet ja suojukset välissä. Muuntajissa sähkökentän värähtelyt kuultavissa myös äänin. Suuria sähköjännitteitä lähelle mentäessä (merkittyjen suojaetäisyyksien taakse) voi myös ilman kautta iskeä kuolettava valokaari (kuten sähköjunien yhteydessä).
Tiedä sitten mitä aistii, mutta pimeässä silmät kiinni (minimoi näköärsykkeet) varsinkin tutussa ympäristössä kykenee aistimaan seinäpintoja ennalta koskettamatta (mahdollisesti ilmanpaine-eroistakin tms.). Myös toisinaan pimeässä esim. yöllä herätessä kun saa välähdyksen ”näkymätöntä” ympäristöä silmiinsä niin sitten sulkemalla silmät voi osittain ”hahmottaa” sitä ympäristöä näkömuistiansa täydentämällä. Sokeilla tämän kaltainen aistimus lienee paremmin harjaantunut, mutta näkevätkin voinee siten harjaantua sulkemalla näköaistimukset minimiin (kuulo ja tunto auttaa pysymään turvallisesti tasapainossa)… -
Metusalah sanoo:
”Voisiko jossain olla toinen maailma jossa sähkömagneettiset aistit olisivat voimakkaampia kuin näkö ja kuuloaisti?”
Aivan epäilemättä näin voisi olla. Meidän maapallollamme eläimet, kuten ihminen, eivät erityisen paljon tarvitse ko. aisteja, koska olosuhteet elämälle ovat muutenkin niin suotuisat. Vain sähkömagneettiset ääri-ilmiöt, kuten häikäisy tai lämpö, saavat aistimme kavahtamaan vaaran läsnäolosta.
Mutta evolutiivisesti ajatellen, ja mikäli sähköiset ilmiöt elinympäristössä olisivat aggressiivisempia, lajien säilyminen tietenkin edellyttäisi suojautunista ja sitä kautta aistien herkistymistä näiden ilmiöiden havaitsemiselle. -
Kvanttierkale sanoo:
Onhan näkö itseasiassa hyvinkin sähkömagnettinen aisti. Silmä havaitsee sähkömagneettista aaltoliikettä ja tunnistaa sen eri taajuuksia.
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 …