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
- toukokuu 2014
- huhtikuu 2014
- maaliskuu 2014
- helmikuu 2014
- tammikuu 2014
- joulukuu 2013
- marraskuu 2013
- lokakuu 2013
- syyskuu 2013
Miksi tämä elämä on nyt juuri tällaista – voisiko olla toisenlaista?
Miten elottomat aineet – hiili, vety, happi, typpi, fosfori ja rikki – ja vähäisessä määrin jotkut muut alkuaineet – ovat onnistuneet reagoimaan keskenään niin että niistä on syntynyt elämää? Elämä kohti rakentuvien molekyylien on pitänyt käydä läpi monia kiperiä vaiheita. Monia niistä vaiheista voidaan jotenkin mallintaa – mutta vielä toistaiseksi eri tutkijat ehdottelevat kuhunkin vaiheeseen aika erilaisia ja keskenään ristiriitaisia malleja. Syntyprosessin etenemisen todellisia reittejä ei ole pystytty todentamaan, tiedetään vain että tällainen elämä siitä sitten lopulta tuli. Valmiin elämän olemus kuitenkin tunnetaan jo hyvinkin tarkkaan – ja perusolemukseltaan se on sitä yhtä ja samaa, samanlaista elämää.
Kaikki elämä koostuu noista alussa mainituista alkuaineista – niistä muodostuu samanlaisia rakenne-molekyylejä (nukleotideja, aminohappoja, lipidejä, sokereita) ja näistä rakentuu varsin samantyyppinen solukoneisto. Kaikissa lajeissa elämää ohjaa geneettinen informaatio – vaikka sen sisältö vaihtelee lajista toiseen, niin sen rakenne ja käyttöjärjestelmä on sama: DNA ja RNA koostuvat kumpikin neljästä erilaisesta, keskenään pariutuvasta nukleotidista – tai kahdesta erilaisesta nukleotidiparista: DNAssa parit ovat A-T ja G-C – RNAn nukleotidit ovat hyvin samantapaisia kuin DNA:ssa (siksi informaatio voi kopioitua toisesta toiseen) – mutta niissä T-nukleotidin sijalla käytetään U-nukleotidia. Proteiinit taas rakentuvat yhteensä kahdestakymmenestä erilaisesta aminohaposta.
Mutta miksi elämä on juuri tällaista – onko sen pakko olla tällaista – vai voisiko se olla myös toisenlaista? Miksi käytössä on juuri nuo mainitut nukleotidit, juuri ne neljä erilaista DNAssa ja RNAssa? Ja miksi proteiineissa on käytössä juuri nuo tietyt kaksikymmentä erilaista aminohappoa? Elämän piti syntyä spontaanisti valmiina olemassa olevista rakennuspalikoista, jossakin sopivissa olosuhteissa – mutta ne samat olosuhteet jotka tuottivat juuri tämän elämän rakennuspalikoita, mitä todennäköisimmin tuottivat myös monia muita hyvin samantapaisia molekyylejä. Itseasiassa, suotuisat elottomat ympäristöt – esim. avaruudessa – tuottavat orgaanisten molekyylien kirjon joka on valtavasti suurempi kuin mitä elämä koskaan tuottaa. Miksi siis elämän käyttöön valikoitui juuri tuo hyvin tunnettu PIENI valikoima rakennuspalikoita. Selvää vastausta tähän kysymykseen ei tiedetä.
Asiaa on viime vuosina kokeellisesti tutkittu. Useat tutkimusryhmät ovat jo näyttäneet että solujen koodi-repertuarissa voidaan ottaa käyttöön koodeja uusille aminohapoille: soluun viedään geeni joka koodaa sitä vastaavaa (muunnettua) tRNAta, sekä uusi (muunnettu) geeni koodaamaan asylaasientsyymia, joka liittää ko. aminohapon ja tRNAn toisiinsa. Uusi aminohappo voidaan joka syöttää solun sisään ulkopuolelta, tai soluun voidaan rakentaa myös uusi synteesireitti ko. aminohapolle – ja voilaa, muunnettu organismi pystyy liittämään tätä vierasta aminohappoa osaksi proteiinirakenteitaan (ks. http://schultz.scripps.edu/research.php)
Synteettisesti voidaan DNA-rihmojen sisään ujuttaa myös ”vääriä” eli synteettisä nukleotideja. Useita erilaisia emäspareja on jo testattu – ja havaittu että ne pystyvät toimimaan kaksoiskierteen rakennuspalikoina luonnollisten emäsparien seassa. Tähän asti näitä rakennuspalikoita on testailtu vain koeputkessa – in vitro – mutta toukokuun alkupuolella julkistettiin tutkimus, jossa tuollaisia keinotekoisia nukleotideja oli onnistuttu viemään E.coli solujen sisälle (Malyshev et al. 2014, May 15, Nature 509, 385-3889). Siellä ne onnistuneesti lliittyivät kopioituvaan DNAhan – ja solut elivät ja jakaantuivat iloisesti eteenpäin niinkuin mitään kummallista ei olisi tapahtunut. Mediassa tämä kuitenkin aiheutta merkittävän kohun: Olihan tämä ensimmäinen kerta kun elävässä solussa toimivaa geneettistä informaatiota on onnistuttu rakentamaan synteettisistä komponenteista.
Tämä tutkimuksen viimeisen vaiheen haasteellisuus – eli näiden synteettisten nukleotidien vieminen sisälle E. coli soluun – kuvastaa sitä miten pitkällisen muuntelutyön takana tuollaisen uudenlaisen geneettisen koneiston rakentaminen on. Tässä tapauksessa kyseiset nukleotidt onnistuttiin viemään solujen sisälle ulkopuolelta – mutta tietenkin se pysyvämpi tapa rakentaa uusia geneettisiä komponettteja on että solun pitäisi tuottaa ne itse sisällään. Tähän tarvittaisiin kokonaiset biosynteesireitit – uudet geenit uusille entsyymeille – eikä ihminen vielä osaa kirjoittaa sekvenssejä jotka koodaisivat kokonaisia toimivia proteiineja. Jotta nukleotideista rakentuisi toimivaa koodaavaa sekvenssiä niin niille pitää tuottaa myös RNA-juosteissa toimivat vastinnukleotidit. Yhden uuden emäsparin lisäämisen jälkeen sekvenssissä olisi olemassa kuusi erilaista nukleotidia – eli se pystyisi koodaamaan 63 (=216) erilaista kolmikkokoodia – eri valtavan paljon enemmän aminohappoja kuin ne kaksikymmentä mitä nyt on käytössä. Nykyinenkin koodi tuottaa yhteensä 64 erilaista kolmikkoa – mutta käyttää vain kahtakymmentä aminohappoa – siispä millään elollosiella muodolla (ei edes bioinsinööreillä) ei varmasti olisi tarpeellista käyttää koko tuota repertuaaria — erityisesti kun jokaisen uuden aminohapon käyttöönottoon tarvitaan taas uudet kompnentit (tRNA, aminoasylaasientsyymi, aminopahon biosynteesi- ja hajotusreitit).
Mutta, periaatteessa – elämä siis VOI olla toisenlaista – ja täällä maan päällä elämä VOI kehittyä toisenlaiseksi, ainakin bioteknillisissä sovellutuksissa. Ainakin HIUKAN toisenlasaiseksi — . Tämä on nyt oikeasti sitä synteettistä elämää – uusista palikoista rakennettavaa solujen sisällä toimivaa elämää. Nämä ensimmäiset saavutukset ovat vielä vain sen osoittamista että tämä on periaatteessa mahdollista (proof of concept) – mutta jatkossa, kun menetelmät kehittyvät, uusia sovellutuksia voi löytyä loputtomasti: lääkkeitä, solutoimintojen muokkaamista – oikeaa synteettistä ja suunniteltua biologiaa. Mutta erityisesti: tämän reitin kautta varmaan löydetään vastauksia myös kysymykseen: MIKSI ELÄMÄ ON (OLLUT) TÄLLAISTA.
Eliökunnan vaihtoehtoisia kehitysskenaarioita planeetalla Maa
Elämä ilmestyi tällä planeetalle jo n. 4 miljardia vuotta sitten. Se alkoi yhdestä ainosta elämän alkumuodosta, ja kaikki elämän perusominaisuudet ovat peräisin tuolta alkumuodosta. Tästä elämän yhteisestä esi-isästä (niin kutsutusta LUCAsta) elämä sitten haarautui eri suuntiin.
Ensin kehittyivät erilleen arkit ja bakteerit – näin ainakin tällä hetkellä ajatellaan – ja näiden yhdistymisen tuotteena syntyivät myöhemmin tumalliset eliöt. Nykyisin jopa viruksetkin usein luetaan omaksi elämän päähaarakseen. Sittemmin eliökunta on kehittynyt ja muuttunut lakkaamatta, koko ajan. Tosin ensimmäisen kahden miljardin aikana se tuotti vain yksisoluisia elämänmuotoja. Sitten kun ilmakehä muuttui happipitoiseksi kuvaan ilmestyivät myös monisouiset eliöt – ensin levät, sitten kasvit, ja kabrikauden räjähdyksestä alkaen myös eläimet.
Elämä levittäytyi myös kuivalle maalle – ja synnytti loputtomasti muuttuvaa kasvien, eläinten ja mikrobien monimuotoisuutta. Se jatkuvasti kierrätti – ja yhä kierrättää – elämän välttämättömiä ravinteita (hiiltä, typpeä, fosforia, rautaa ja muita mikroravinteita) epäorgaanisen ja orgaanisen muodon välillä. Eliökunnan ja ympäristön vuorovaikutukset sekä satunnaiset ympäristökatastrofit – jääkaudet, meteoriittitörmäykset, mannerten liikkeet ja muut sattumukset – toimivat valintatekijöinä – ja ne kaikki yhdessä ovat tuottaneet juuri tällaisen eliökunnan kehityshistoria kuin mitä tiedämme tällä planeetalla tapahtuneen. Tähän eliökunnan kehityshistoriaan voitte tulla tutustumaan Tuorlan observatorion ja Turun yliopiston välillä kulkevalle Aikavellus-reitille: kaikki sen tärkeät vaiheet on merkitty tälle aikajanalle siten että reitin jokainen metri vastaa miljoonaa vuotta historiassa.
Näinhän se meni täällä Maassa – mutta entäpä, olisiko se voinut mennä toisin? Olisiko elämä saattanut alkaa toisenlaisena, olisiko sen kehitys heti alussaan voinut lähteä eri suuntaan – ja miten erilaisia elämänmuotoja tai eliökuntia nämä vaihtoehtoiset skenaariot olisivat voineet tuottaa?
Kehittyisikö elämä DNA- ja proteiinipohjaiseksi, ja solulliseksi? Olettakaamme näin – koska emme tässä kohtaa osaa ajatella muita realistisia elämän perusrakenteita. Varmasti ainakin varhaisimmat elämänmuodot olisivat yksisoluisia. Kuitenkin jo tässä vaiheessa lajistoon pitää syntyä tasapainoisesti sekä hiiltä sitovia perustuottajia että hiiliyhdisteiden hajottajia, jotta hiilen ja muiden ravinteiden kiertokulut käynnistyvät.
Voisimme myös olettaa että monisoluisuus pääsisi syntymään vain siinä tapauksessa, että planeetan ilmakehä muuttuisi happipitoiseksi, vettä hajottavan fotosynteesin tuotteena. Kuten olemme aiemmin keskustelleet (Elämän selviytymisen ja kehittymisen mahdolliset skenaariot planeetalla M) tämän kehitysvaiheen tapahtuminen on vähintäänkin epävarmaa. Mutta oletetaan että se tapahtuu – ja sallii monisoluisten eliöiden ilmestymisen kuvaan.
Kuitenkin, samalla kun ilmakehä muuttuu happipitoiseksi se välttämättä johtaa siihen että kasvihuonekaasujen määrä vähenee – ja hupsista, planeetta jäähtyy. Ehkä kokonaan jääplaneetaksi, niinkuin kävi Maassakin, jopa kahteen kertaan, kun ilman happipitoisuus nousi asteittain. Tällaiset totaali-jääkaudet ovat ankaria olosuhteita eliökunnalle ja muodostuvat uhkaksi, tai ainakin pullonkaulaksi, koko eliökunnan säilymiselle. Hapen kertyminen ilmakehään on muutenkin erittäin merkittävä tekijä eliökunnan kehitykselle, sillä se – otsonin muodossa – blokkaa maan pinnalle tulevan kovan UV-säteilyn, ja tätä kautta mahdollistaa elämän levittäytymisen kuivalle maalle.
Näissäkin uusissa elinympäristöissä tarvitaan monimuotoista eliökuntaa – kokonaisia ravintoketjuja – jotka hoitavat biomassan hajotuksen ja sen rakennusaineiden kierrättämisen takaisin alkuperäiseen epäorgaaniseen muotoonsa (kaasuiksi tai liukoisiksi yhdisteiksi). Tehokkaimpia loppuhajottajia ovat tietysti mikrobit – mutta on mahdollista että nämä yksinään eivät pystyisi hajottamaan meren pohjiin kerääntyviä paksuja (kasvi)biomassakerroksia! Pekka Janhusen kanssa taannoin pohdiskelimme (Biological Feedbacks as Cause and Demise of Neoproterozoic Icehouse: Astrobiological Prospects for Faster Evolution and Importance of Cold Conditions. PloS ONE, 2007; 2(2): e214) – että monisoluisten, liikkuvien, saalistavien ja ruokaa etsivien ja kaivavien eläinten – HUOM, NIMENOMAAN ELÄINTEN – ilmestyminen ravintoketjuihin aiheutti sen, että hiilen kierto biomassan ja ilmakehän välillä tehostui ja stabiloitui niin, että se ei enää sen jälkeen ole heilahtanut sellaiseen ääritilanteeseen joka olisi johtanut totaalisen jäätiköitymiseen…. Monimutkaiset takaisinkytkentään perustuvat säätelyverkot lisäävät systeemin stabiilisuutta! Eliökunnan ja planeetan olosuhteiden kehittyminen tapahtuu vastavuoroisesti: kaikki vaikuttaa kaikkeen.
Tiedämme suunnilleen, miten se on tapahtunut Maassa aikojen kuluessa – mutta jos kaikki alkaisi alusta uudelleen, kehittyisikö tämä suuri, erilaisiin vuorovaikutuksiin perustuva systeemi samalla tavalla? Syntyisikö eliökuntaan jo alussa riittävästi monimuotoisuutta, jotta ravinteiden globaalit kierrot käynnistyisivät? Käynnistyisikö jossakin vaiheessa happea tuottava fotosynteesi? Jos käynnistyisi, niin se mahdollistaisi monisoluisten eliöiden nousun. Tämä taas puolestaan voisi stabiloida hiilen (ja typen) kiertoa niin että ilmakehän koostumus ja hiilen kierto asettuisivat johonkin tasapainotilaan. Tämä taas pitkälti määräisi ilmastotyypit ja ekosysteemien laadun planeetalla.
Eliökunta kehittyisi ajan mittaan monimutkaisemmaksi, isot eläimet ja kasvit ilmestyisivät kuvaan. Ravintoketjuissa eläviin monisoluisiin eläimiin kehittyisi todennäköisesti liikuntaelimiä ja ympäristön aistimista mahdollistavia ominaisuuksia, sillä nämä parantavat sekä saalistajien että saaliseläinten kilpailukykyä. Hyvin vaihtelevat ja ravintorikkaat (energiarikkaat) olosuhteet tuottaisivat runsaasti lajeja ja monimuotoisuutta – tämä taas toisi mukanaan myös lisää kompleksisuutta. Ajoittain toistuvat katastrofit pyyhkisivät pois suuren osan lajeista – ja olisi onnen kauppaa (sanoo Stephen Gold, Ihmeellinen Elämä kirjassaan) mitkä lajit säilyisivät katastrofien yli, ja minkälaiset olosuhteet sen jälkeen ohjaisivat kehitystä taas uuteen suuntaan. Toisaalta, vaikeat ja haasteellisetkin ajat lisäisivät monimuotoisuutta ja tuottavat uusia ominaisuuksia – myös älykkyyttä.
Älykkyyttä – jonkinlaista – varmaan syntyisi siksi, että se antaa merkittävää kilpailuetua edustajilleen: nytkin tiedetään eräs varsin älykäs laji maapallolla, joka on pystynyt valloittamaan kaikkien mantereiden asuinkelpoiset alueet ja lisääntymään planeetalla ennennäkemättömiin mittasuhteisiin. Toisaalta, tuollainen ylenpalttinen älykkyys tuo mukanaan myös riskejä – mm. sellaisia, että ko. laji voi hetkellisesti ylittää ympäristönsä kantokyvyn. Toisaalta, näistä ylilyönneistä ei liene pysyvää haittaa: suurten ekosysteemien sisäiset vuorovaikutukset tai ajoittain toistuvat katastrofit kyllä pystyvät pyyhkäisemään pois minkä tahansa häiriötekijän – esimerkiksi muuttamalla ilmaston, vuoristot ja mantereiden sijainnit – ja eliökunta ja ympäristö löytää taas jonkun uuden tasapainotilan. Siis – eihän sitä koskaan tiedä – ei voi ennustaa – mitä kehitys tuo tullessaan…