Elämän synty – mitä siitä tiedetään nyt

20.2.2017 klo 23.02, kirjoittaja
Kategoriat: Astrobiologia

Elämän synnyn yksityiskohtia ei vielä tiedetä – eikä ehkä koskaan voidakaan varmuudella tietää, koska tuosta tapahtumasta ei ole säilynyt mitään konkreettisia jäämiä eikä fossiileja. Ei siis tiedetä missä, milloin tai miten se tapahtui. Kuitenkin jo vanhimmissa tänne asti säilyneissä kallioissa, eli Länsi-Grönlannin Isuan liuskeisissa kallioissa esiintyy ilmeisiä eloperäisiä hiilihippusia. Nuo kalliot syntyivät syvän meren sedimenteistä noin 3,8 miljardia vuotta sitten – ja jos nuo hiilijäämät ovat todella jäänteitä merenpohjalle painuneista eliöistä, ne osoittavat että elämä oli syntynyt jo ennen tuota ajankohtaa. Vieläkin vanhempi jäänne mahdollisesta eloperäistä hiilestä on löydetty 4,1 miljardia vuotta vanhan zirkoni kiteen sisältä.

Siis on mahdollista että elämä syntyi jo Hadeisella aikakaudella – mutta millaisessa maailmassa? Planeetta oli siihen aikaan meren peitossa. Meren pohjalla oli kiinteä Maan kuori eli merenpohjan laatta. Planeetan sisemmät kerrokset olivat vähitellen jäähtymässä: vaipassa kiertävät konvektiovirtaukset kuljettivat lämpöä pinnalle. Tämä todennäköisesti tuotti runsaasti tulivuoritoimintaa ja tulivuorisaaria planeettaa peittävään valtamereen. Kuu kiersi Maata paljon lähempänä, ja Maa pyöri nopeammin kuin nykyisin: jopa 100 metriä korkeat vuorovesiaallot kiersivät planeettaa sen pyörimisliikkeen tahdissa ja pyyhkivät korkeina tsunamiaaltoina varhaisten tulivuorisaarten kallioille.

Nuori aurinko oli tuolloin vielä noin kolmanneksen viileämpi kuin se on nykyään, ja tämän takia planeetta olisi voinut painunut pitkiksi ajoiksi jäisiin lämpötiloihin. Ilmasto-oloihin vaikuttivat kuitenkin myös useat muutkin tekijät, ja niiden yhteisvaikutusta ei tiedetä:  jos planeetalla säilyi paksu hiilidioksidi-ilmakehä, ja jos maan sisältä purkaantui runsaasti lämpöenergiaa, nämä saattoivat pitää meret sulana ja jopa lämpiminä koko Hadeisen kauden ajan. Lämmin meri olisi aiheuttanut runsaasti sadetta ja myrskyjä; myös voimakkaat tulivuorenpurkaukset olisivat aiheuttaneet vulkaanista salamointia tulivuorten ympärille. Ja sitten, Hadeisen kauden loppupuolella, planeettaa kohtasi voimakas meteoriitti-iskujen sarja, joista suurimmat – ehkä – haihduttivat kaikki valtameret. Ehkä. Tämä ei kuitenkaan ole varmaa.

Mutta jossakin näiden vaiheiden myllerryksissä elämä syntyi; tai sitten se syntyi heti sen jälkeen kun olosuhteet rauhoittuivat.

Elämä koostuu pienehköstä sarjasta kemillisia rakennuspalikoita, joista kukin tuottaa oman oleellisen osansa solujen rakenteisiin ja toimintoihin: Nukleiinihapot, DNA ja RNA, toimivat geneettisen informaation varastona. Nämä kumpikin rakentuvat neljästä erilaisesta nukleotidista jotka ketjuuntuvat pitkiksi ketjuiksi. Kemialliset työkalut eli protiinit taas muodostuvat 20 erilaista aminohaposta, jotka nekin ketjuuntuvat pitkiksi ketjuksi. Nyt oletetaan että elämä lähti käyntiin niin että näitä syntyi jossakin sopivissa olosuhteissa niin paljon että ne spontaanisti kasaantuivat toimiviksi polymeeriksi ja rakenteiksi. Kolmas rakennekomponetti elävissä soluissa ovat vielä lipidit, eli rasva-aineet, joiden ansiosta kaikki elävät solut sulkeutuvat oman kalvovaippansa sisään. Solut käyttävät monia erilaisia lipidejä – mutta niidenkin runkona toimiva molekyyli, eli fosforyloitunut glyseroli, on kaikissa eliöissä samanlainen.

Elämän synnyn tutkimuksen eräänä haasteena on ollut se että on näiden rakennuspalikoiden syntyreittejä on ollut vaikea ymmärtää; lisäksi on ollut vaikea ymmärtää miten nämä hyvin erilaiset orgaaniset yhdisteet voisivat spontaanisti syntyä ja kerääntyä samoissa olosuhteissa ja ympäristöissä.

Viime vuosina kuitenkin parikin erillistä tutkimusryhmää on osoittanut että nämä kaikki molekyylituotteet muodostuvat vetysyanidin erilaisina johdannaisina ja pelkistystuotteina; pelkistävänä reagensseina tarvitaan vetysulfidia ja erilaisia metalli-ioneita, ja katalyyttinä tarvitaan pelkistynyttä fosforia. Elegantissa artikkelissaan John Sutherlandin työryhmä (Patel ym. 2015, Nature Chemistry 7: 301-307) – osoittaa vaihe vaiheelta, miten kaasumainen vetysyanidi voi ensin sitoutua erilaisiin metalli-ioneihin ja muodostaa erilaisia rautasyanideja. Korkeissa lämpötiloissa, Na- ja K-suolojen läsnäollessa ne muuttuvat natrium- ja kaliumsyanideiski, mutta myös muiksi pelkistyneiksi typen ja hiilen yhdisteiksi, kuten nitriiteiksi ja amideiksi aldehydeksi, ammoniakiksi ja syanoasetyleeniksi. Nämä reagoivat keskenään, erilaisten reaktioreittien kautta, ja yhä uudelleen reagoiden vetysyanidin kanssa, vetysulfidin pelkistäminä ja UV-valon katalysoimina.

Kaikki nämä reaktiot olisivat voineet tapahtua kuumilla tuliperäisillä saarilla, missä kaasumainen vetysyanidi liukenee veden kastelemille pinnoille ja reagoi rauta-ionien kanssa; se voi liueta myös suoraan veteen ja muodostaa formamidia. Syanidiyhdisteet kerääntyvät erilaisiin valumavesilätäköihin, konsentroituvat veden haihtuessa,  ja muuntuvat erilaisiksi hiili- ja typpiyhdisteiksi joko vulkaanisen kuumuuden tai meteoriitti-törmäysten ajamana; myös pelkistynyt fosfori ilmeisesti saadaan meteoriiteista. Yhdisteet valuvat kuumilla mineraalipinnoilla, ja erilaisten reaktioreittien kautta, välillä kastuen ja välillä kuivuen, ne voivat muodostaa fosforyloituneita nukleotideja, ainakin 12 erilaisen aminohapon esiastetta, ja fosforyloitunutta glyserolia.  Täten elämän kaikki keskeiset rakennuspalikat olisivat syntyneet ainakin tuon saman kemiallisen ympäristön tuotteina, joskin vaikka erillisten reaktioreittien tuottamina.

Myös Mulkidjanian ja kumppanit (2012) kuvaavat samantapaista komplesisoitumiskemiaa varhaisilla tuliperäsillä saarilla (PNAS 821-E830). Nämä tutkijat myös huomauttavat, että kaikien elävien solujen tyypilliset soluliman ionikoostumukset, ja erityisesti, solujen sisällä esiintyvät korkeat K, Zn ja Mn pitoisuudet periytyvät juuri tämän tyyppisistä, kuivista vulkaanisista ympäristöistä. Olemme siis vetysyanidin reaktiotuotteita, tulivuorisaarilla syntyneitä. Tämä paperi korostaa myös sitä, että elämän piti kehittyä varsin pitkälle, tuottaa tiukkaoja kaksikerroksisia solukalvoja ja niihin tehokkaita ionipumppuproteiineja, ennekuin se pystyi levittäytymään kuivilta syntysijoiltaan mereen. Siis, alussa mainitsemani 3,8 miljardin vuoden ikäiset Isuan sedimentien hiilifossiilit olisivat olleet jo aika pitkälle kehittyneen elämän tuotteita.

Näin tämä kemia tällä hetkellä kirjoitetaan. Se on paras tämänhetkinen rekonstruointi elämää tuottaneesta prebioottisesta kemiasta. Sen lähtöaineena on vetysyanidi ja pelkistynyt fosfori, ja pelkistimenä vetysulfidi. Sutherlandin ryhmä kutsuu tätä syanosulfidiseksi kemiaksi.

Hyvät lukijat, mitä te ajattelette tämän kemian käyttövoimasta? Ovatko meteoriitit ainoa mahdollinen lähde pelkistyneelle fosforille (schreibersiitille)? Olisiko vulkaaninen kuumuus ja salamointi voinut tuottaa enemmän sitä? Entä suuret törmäykset – mitä ne tekivät? Tuottivatko ne kuivaa ja kuumaa maata, vaiko vain paljon vesihöyryä – entä olisiko niissä voinut syntyä kuumaa silikaattihöyryä joka olisi nostanut lämpötiloja vielä korkeammiksi?? Onko olemassa sellaisia erikoisia energisoivia olosuhteita joita ei ole vielä mainittu?

9 kommenttia “Elämän synty – mitä siitä tiedetään nyt”

  1. Jos törmäys on noin kilometrin kappale tai alle, se tuottaa mereen osuessaan vain vesihöyryä, maksimissaan luokkaa 1e14 kg (100 kuutiokilometriä vettä), eli höyryä 0.2kg per neliömetri, eli 0.2mm kuumaa sadetta. Eli kuumuusvaikutukset silloin globaalisti merkityksettömiä. Tärkein efektin tsunami.

    Jos törmäys isompi, silloin merenpohjaa paljastuu hetkeksi ja tulee silikaattipölyä. Jos törmäysenergia yli 1e25 J (törmääjä 40km tai isompi), tulee silikaattihöyryilmakehä vähäksi aikaa, eli energia riittää koko ilmakehän kuumentamiseen tuhansiin asteisiin (olettaen nykyinen ilmakehän massa). Silikaattihöyry keittää nopeasti meren pintavettä, eli hehkuvaa silikaatti-ilmakehävaihetta seuraa nopeasti vähän pitempikestoinen höyryvaihe. Höyryn pintapaine 1e25 J törmäysenergialla 1 bar, eli 10 m kerros merivettä kiehuu. Itse meri ei tuolla energiamäärällä vielä juuri lämpene. Meri kokee lähinnä vain tsunamin, merenpohjassa etenevät shokkiaallot ja hienojakoisen silikaattisateen.

    Koko meret kiehuvat vasta törmäysenergialla 3e27 J mikä vastaa törmääjän läpimittaa 200km.

    Pienten törmäysten lukumäärä on varmaankin aina ollut isompi kuin isojen, mutta varhaisen aurinkokunnan kappaleiden kokojakauma ei ole hyvin tunnettu (edes nykyinenkään ei ole). Nykyään asteroidivyöhykkeen massa on keskittynyt muutamaan isoimpaan, siitä huolimatta että osa on pilkkoutunut törmäyksissä. Toisaalta pieniä kappaleita on Hadean-ajan jälkeen poistunut asteroidivyöhykkeestä säteilypaine-efekteillä yms. häiriöillä. Monet poistuneet siis juurikin törmäämällä planeettoihin. NEO-populaation ikä vain muutamia miljoonia vuosia.

    1. Kirsi Lehto sanoo:

      Kiitos Pekka näistä lukuarvoista!!!

  2. Pentti S. Varis sanoo:

    Abiogeneesia on yritetty selittää jo kauan. Lupaavia kehityskulkuja on löytynyt, muun muassa Cairns-Smithin ”saviteoriaa” ei ole vieläkään täysin hylätty, vaikka ei todistettukaan – mahdollisten testien vaikeudesta johtuen.
    http://www.bbc.com/earth/story/20160823-the-idea-that-life-began-as-clay-crystals-is-50-years-old
    Siinä sovelletaan ajatusta topologisten defektien, erityisesti dislokaatioiden kyvystä aktiivisesti muuttuvalla tavalla toimia joidenkin orgaanisten aineiden strukturoitumisen templaattina. Idea saattoi 50 vuotta sitten olla paljonkin edellä aikaansa, koska topologisten defektien tuntemus alkoi merkittävästi kehittymään hieman myöhemmin
    http://www.tiede.fi/keskustelu/21601/ketju/defektit_materian_ydintaso
    Vuoden 2008 tienoilla esiteltiin muistaakseni Scince-lehdessä paljon huomiota herättänyt elämänsynnyn nestekideteoria, jota arvelisin seuraavankin artikkelin tarkoittavan
    https://www.neowin.net/forum/topic/603162-abiogenesis-tiny-dna-molecules-show-liquid-crystal-phases/
    Nämä kaksi teoriaa ovat tuntemukseni mukaan hyvin lähellä toisiaan perustuessaan molemmat esimerkiksi Nambun-Goldstonen bosonien aiheuttamaan strukturoitumiseen.
    Nestekiteiden runsaat järjestyneet muodot perustuvat nimittäin Nambun-Goldstonen bosoniin:
    http://alevine.chem.ucla.edu/Documents/ … ne-PRL.pdf
    ”Liquis crystals provide a tabletop laboratory to study broken symmetries and the resulting low energy Nambu-Goldstone -modes.”
    Syanosulfidisen kemian tiimoilta herää kaksi ajatusta. Voitaisiinko tämän elämänsynnyn varsin todennäköiseltä tuntuvan kemian lisäksi tarvita vielä kemiallisia osastruktuureja yhteen kuljettava ja järjestystä luova templaatti tai vastaava, joka voisi olla esimerkiksi Nambun-Goldstonen bosonin aiheuttama. Vai voisivatko alkuaineet alun perin olla ”sisäisesti” valmiita muodostamaan jo kemiallisen toimintansa tuloksena elämänsynnyn osarakenteita ikään kuin ennalta säädetyin tuloksin?

    1. Kirsi Lehto sanoo:

      Cairns-Smithin ”saviteoria” on edelleen ihan käypäinen: monet meistä ajattelevat että varhaiset molekyylit ovat järjestyneet savihiukkasten pinnalla. Nuo muut esittämäsi ajatukset ovat minulla vieraita, ainakin nuo nestekiteet ja Nambun-Goldstonen bosonit. Mutta tuo viimeiseksi mainitsemasi ajatus on todella merkittävä. Sitä ovat jotkin astrobiologit esittäneet aiemmin. Se myös liittyy kysymykseen siitä, onko elämä yleista vaiko aivan poikkeksellista. Sitä emme tiedä vielä.

  3. Jorma Kilpi sanoo:

    Mielikuvitusta kutkuttava kirjoitus taas kerran! Jäin miettimään veden roolia. Vesi on toisaalta informaatiokanava joka kuljettaa mukanaan siihen liuenneita tai sen mukana kulkevia kemiallisia aineita. Toisaalta haihtuminen, jäätyminen ja vuorovesi ovat vedessä olevien molekyylien kannalta toistuvia valintaprosesseja. Elämän tarvitsemia palikoita on siis voinut syntyä vulkaanisissa ympäristöissä tai avaruudessa, veden kiertokulku on kuitenkin se tekijä joka on voinut saattaa eri tavoin ja eri paikoissa syntyneitä palikoita suhteellisen nopeasti yhteen. Nestemäisessä vedessä vielä molekyylien lämpöliike, Brownin liike, on kaikkialla läsnä oleva molekyylitason satunnaisgeneraattori. Siis veden kiertokulku synnyttää järjestystä, lämpöliike auttaa hyödyntämään sattumaa.

    Jos elämä on kopioituvaa informaatiota, niin tuon informaation kopioitumisen olisi kai pitänyt alkaa jo ennen solukalvon mudostumista?

    1. Kirsi Lehto sanoo:

      Juuri näin.

  4. Pentti S. Varis sanoo:

    Elämänsynnyn ongelmaa pohtiessa tahtoo mieli tyhjentyä kaikesta järkevästä. Yhtäkkiä voi kuitenkin tulla mieleen jotain, joka ainakin sillä hetkellä tuntuu sanomisen arvoiselta. Tulee mieleen, että kaikki materiaalinen, mistä myös eliöt koostuvat, on vakuumin transformaatioita – niin kuin jää on veden transformaatio. Itsekin olemme vakuumissa eläviä, vakuumin ”merestä” spontaanien symmetriarikkojen ja muiden transformaatiomekanismien pitkällisten sarjojen tuloksena syntyneitä olioita.
    Roman Pasechnik seuraavassa esittelee, mitä kaikkea vakuumin nykyisin tiedetään sisältävän. Useimmat taulut ovat niin korkeatasoisia, että niiden ymmärtäminen vaatisi vuosia kestäviä teor. fysiikan opintoja. Viimeinen taulu on kuitenkin varsin ymmärrettävä, koska kirjoittaja tosissaan ajattelee elämän olevan vakuumin tuote ja sen salaisuuksien selviävän vakuumia tutkittaessa
    https://www.youtube.com/watch?v=ZniIYFSIcT8
    Paul C.W. Daviesin uusien ajatuksien soveltaminen johtaa kuitenkin vielä syvemmän kerroksen, informaatiokerroksen olettamiseen. Vakuumin matemaattinen rakenne olisikin jonkinasteinen kuva perimmäisen kerroksen, informaation operaatioista. Mutta matematiikan ohella muutkin aineelliset ja henkiset asiat olisivat samalla tavalla vakuumin informaatioprosessien luomia kuvia itsestään. Esimerkiksi puhekieli, ajatukset ja tunteet olisivat tällaisia.
    Jos näin oletetaan ja muistetaan myös, että aistimuksia, ajatuksia, tunteita jne. sävyttävä elämyksellinen tietoisuus on pysynyt salaisuutena ainakin materiaan rajoittuvalle ajattelulle, voidaan ajatella, että sekä elämyksellinen tietoisuus että elämän synty ovat informaatiotaustaisia prosesseja, joita on mahdotonta täysin kuvata materian tasoon rajoittuneen tieteen puitteissa.

  5. Jorma Kilpi sanoo:

    Osaisitko selittää kansantajuisesti mitä nuo hematiittiputket ovat?
    https://www.avaruus.fi/uutiset/astrobiologia/ennatysvanha-fossiililoyto-viittaa-elaman-kehittyneen-merenpohjalla.html
    Kyseisen jutun mainittu 3.7 miljardia vuotta osuu hyvin yhteen blogissa olevan 3.8 miljardin vuoden kanssa.

    1. Kirsi Lehto sanoo:

      … Kiitos kysymyksestä Näistä tullee uusi blogi vielä tänään…

Vastaa käyttäjälle Pentti S. Varis Peruuta vastaus

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *