Elämän alut
Vain harva planeettamme elonkirjon tuotoksista on uniikki. Evoluution vääjäämätön populaatioita muokkaava voima toimii niin tehokkaasti, että joka ikinen mahdollinen keino parantaa oman geeniperimän siirtämistä tuleviin sukupolviin otetaan käyttöön. Eikä vain kerran, vaan useasti.
Esimerkkejä konvergentista evoluutiosta on lukuisia, mutta näkökyky tarjoaa yhden havainnollisimmista. Silmät, tutut valoa aistivat elimet, ovat kehittyneet lukuisille eliöryhmille toisistaan riippumatta useita kertoja. Ennen silmien syntyä valoherkkiä proteiineja ja soluja oli ollut jo kauan niiden kehityttyä useille eri eliöryhmille. Ne olivat kuitenkin varsin marginaalisessa roolissa, eikä tarvetta oikein ollut kuin valon suunnan havaitsemiseen. Kambrikauden nopea monimuotoistuminen kuitenkin pakotti monisoluiset eläimet kilpavarusteluun, jossa silmillä oli kriittinen rooli. Syntyi toisia eläimiä ravinnokseen käyttäviä saalistajia. Niiden pärjäämistä avittivat pienetkin parannukset kykyyn havaita saalis, ja saalislajeja taas auttoivat pienetkin parannukset kykyyn havaita saalistaja ajoissa. Primitiivisiä silmiä onkin kehittynyt ainakin 40-60 kertaa toisistaan riippumatta, mutta monimutkaisia meillekin tutumpia silmiä on kehittynyt ainakin kuudesti, jokainen niistä kambrikauden kuluessa.
Esimerkiksi valtamerten nautiluksilla on edelleen omista näköelimistämme varsin poikkeava silmä, joka muistuttaa neulanreikäkameraa. Siinä ei ole linssiä, vaan vain pieni aukko keskellä, ja se mahdollistaa valon suunnan summittaiset aistimukset tuottaen heikkolaatuista kuvaa. Nautiluksen silmä on ehkä yksinkertainen ja epätarkka, mutta se on mahdollistanut kantajiensa elämän jo satoja miljoonia vuosia. Seuraavina kehitysaskeleina voidaan pitää silmän aukon umpeutumista ja silmäontelon täyttämistä hyvin valoa läpäisevällä geelillä. Linssin kehitys ja valoa aistivien solujen eriytyminen herkiksi eri aallonpituuksiille ovat samaten tuottaneet niin suuria hyötyjä, että niiden kehityskin on tapahtunut monesti. Eläinkunnassa on useita erilaisia silmiä ja sukupuuttoon kuolleilta lajeilta niitä löytyy lisää. Muinaisten trilobiittien silmä koostui kuusikulmaisista kalsiittikiteistä järjestettynä symmetrisesti eläinten päätä peittäneiden pyöreäreunaisten muotojen alueelle. Ne olivat kivestä tehdyt silmät, jotka ovat säilyneet fossiloitumisprosessissakin niin hyvin, että niiden eri muotojen tutkiminen on ollut suorastaan helppoa, vaikka trilobiitit kuolivat sukupuuttoon jo 250 miljoonaa vuotta sitten sattuneessa massasukupuutossa.
Mutta viimeisenä uniikkina tapahtumana on pidetty elävien solujen syntyä ja siirtymää pois geologisten energia- ja mineraalivirtojen yhteydestä. Nyt tutkijat ehdottavat siihenkin muutosta. Uuden tutkimuksen mukaan vapaana eläviä soluja syntyi kahdesti, kun bakteerien ja arkkien muodot pakkasivat biokemialliset koneistonsa kompakteiksi soluiksi ja jättivät syntypaikkojensa geologiaan sidotut kehdot lopullisesti taakseen. Niiden sukulinjat ovat sittemmin kietoutuneet toisiinsa monilla tavoilla, näyttävimmin eläinsolujen symbioosissa, jossa arkit ottivat muinaisia bakteereita sisäänsä mitokondrioiksi. Mutta samalla on selvää, että eläviä soluja syntyi ainakin kahdessa paikassa muinaisella maapallolla. Ne vastaavat tavallaan kahta riippumatonta solullisen elämän syntypaikkaa.
Kuinka elämä alkoi
Olen kirjoittanut aiemmin elämän saaneen alkunsa yksinkertaisesti siitä, että paikalliset geokemialliset reaktioketjut muuntuivat biokemiallisiksi reaktioketjuiksi. Reaktiot tapahtuivat tehokkaammin pakkaamalla kriittisiä molekyylejä lipidimolekyylien kalvojen sisälle, mikä nosti molekyylien pitoisuutta ja toi ne lähemmäksi toisiaan. Se sai molekyylit kopioimaan itseään tehokkaammin, mikä tarkoittaa sellaisten muotojen yleistymistä muiden kustannuksella. Avainasemassa oli irtautuminen kivisistä kahleista ja monien biokemiallisia reaktioita katalysoineiden metallien tai mineraalien vaihto monimutkaisiksi orgaanisiksi molekyyleiksi, joita saattoi valmistaa itse vailla tarvetta haalia sopivia mineraaleja solun ulkopuolelta. Viime vuosina tutkijat ovat saaneet niistä alkuajoista hiukeita määriä tietoa tutkimalla eliöiden genetiikkaa ja etsimällä Maan elämän varhaisimpia yhteisiä biologisia tekijöitä.
Eräs oleellisimmista tekijöistä on aineenvaihdunta. Elävät organismit ottavat sisäänsä ainetta ja muuttavat sitä toisiin muotoihin vapauttaakseen energiaa omiin tarpeisinsa sekä ylläpitääkseen omaa muotoaan. Kyse on elämän perimmäisestä dynamosta, joka ylläpitää eläviä järjestäytyneitä rakenteita. Yksinään aineenvaihdunta voi kuitenkin olla elotontakin. Voimme kuvitella elämän alun geotermisen energiavirran keskellä, jossa orgaaniset aineet ja erilaiset energeettiset mineraalit rikastuvat ensin huokoisen tuliperäisen kiven ja spontaanisti muodostuvien kaksoiskalvojen sisään. Samalla elämän synty asettuu geologiseen kontekstiinsa — tarvitaan geologisen aktiivisuuden muodostama energiavirta kiven ja veden rajapintaan. Se tuo mukanaan myös planetaariset vaatimuksensa elämän synnylle. Alustaksi kelpaa kivplaneetta, jolla on netemäistä vettä ja geologista aktiivisuutta kivisen kuoren ja veden rajapinnassa.
Modernien solujen aineenvaihduntaa vauhdittavat monenlaiset entsyymit, jotka ovat biologisen toiminnallisuuden rakennuspalikoita. Ne saavat kemialliset reaktiot tapahtumaan tai kasvattavat niiden luontaista reaktionopeutta ja antavat mahdollisuuden hallita solunsisäistä kemiaa. Entsyymit ovat tyypillisesti proteiineja, mutta kyse voi olla muistakin molekyyleistä, kuten yksinkertaisista RNA -molekyyleistä. Varhaisissa olosuhteissa elämällä ei kuitenkaan ollut entsyymejä käytössään, vaan niiden virkaa hoitivat metallit ja mineraalit, joiden läsnäolo vaikuttaa kemiallisten reaktioiden todennäköisyyteen. Ottaessaan entsyymien tuotannon geneettiseen kontrolliinsa elämä saavutti itsenäisyyden geologisista muodostelmista, mutta sillä oli hintansa. Tarvitsemme edelleen monia metalleja entryymikompleksiemme ytimiin, joissa ne toteuttavat biokemian tehostamana muinaista rooliaan.
Genetiikka antaa meille tietoa siitä, minkälainen oli elävien organismien viimeisen yhteisen universaalin esivanhemman aineenvaihdunta (Kuva 1.). Tarkastelemalla eri eliöryhmien geenien samankaltaisuuksia, on mahdollista rakentaa malli niiden eriytymisen aikataulusta ja siten koko elämän historiasta. Elämän synnyn suhteen on kriittistä olivatko geneettiset ohjeet erilaisten aineenvaihdunnalle tärkeiden entsyymien valmistamiseen jo yhteisellä kantamuodolla, vai oliko kantamuoto kenties edelleen sidottuna geologisiin energiavirtoihin jossakin tietyssä planeettamme geologisesti aktiivisessa kolkassa. Myös bakteerien ja arkkien kantamuotojen tutkiminen erikseen voi kertoa siitä, kuinka paljon yhteistä näillä elämän suurilla päälinjoilla lopultakin on.
Tuoreen tutkimuksen yllättävin lopputulos koskeekin juuri arkkien ja bakteerien alkuperää. Tutkijat paljastivat tarkassa geneettisessä analyysissa, että bakteerit ja arkit korvasivat toisistaan riippumatta katalyytteinä toimineita metalleja entsyymeillä. Ne ottivat käyttöön erilaiset molekyylikoneistot samoihin tehtäviin, konvergentin evoluution periaatteiden mukaisesti, mikä näkyy geneettisessä informaatiossa vielä miljardien vuiosienkin jälkeen. Havainnon seuraukset ovat hämmästyttäviä. Bakteerit ja arkit vaikuttavat vapautuneen geokemiallisista juuristaan ja siirtyneen elämään vapaina soluina toisistaan riippumatta. Se taas tarkoittaa, että yhteinen esivanhempi ei ollutkaan vapaana elävä solu, vaan geotermisiin energiavirtoihin sidottuna pysynyt organismi, joka ei edes voinut liikkua kauemmaksi tarvitsemiensa metallien ja mineraalien lähteestä, kuten merenpohjan purkausaukosta, pitäen aineenvaihduntansa käynnissä.
Havaintoa tukee toinenkin tunnettu tekijä. Arkkien ja bakteerien lipidimolekyyleistä koostuvat kaksoiskalvot ovat perustavanlaatuisella tavalla toisistaan poikkeavat. Ne ovat siten syntyneet toisistaan riippumatta universaalista esivanhemmasta, jolla ei välttämättä ollut kattavia kalvorakenteita lainkaan. Viimeinen universaali esivanhempi ei siis ollut vapaana elävä solu, eikä välttämättä ylipäätään ollut soluksi tunnistettavassa muodossa, vaan ehkäpä vain orgaanisen aineen järjestäytynyt kokoelma huokoisen laavakiven sisällä. Jos geokemialliset reaktioketjut onnistuttiin siirtämään solukalvojen sisällä toimivien entsyymien järjestelmiksi kahdesti, on mahdollista, ettei niiden edeltäjää edes voida pitää elävänä organismina modernissa mielessä. Jos pääsisimme tutkimaan sellaisten edeltäjien rakennetta ja biokemiaa, emme ehkä edes tunnistaisi niitä eläviksi organismeiksi kuten tunnistamme arkit ja bakteerit.
Mutta aivan erillistä bakteerien ja arkkien synty ei ollut. Niiden rakenteiden ytimissä on yhteisiä proteiineja, jotka vastaavat geneettisen koodin kääntämisestä aineenvaihduntaa pyörittäviksi entsyymeiksi. Bakteereille ja arkeille on yhteisen kantamuodon jälkeen kehittynyt kuitenkin riippumattomasti uusia geneettistä koodia kontrolliovia proteiineja ja aineenvaihdunnan entsyymejä, mikä tarkoittaa, että kumpikaan muoto ei ollut valmis vapaana elävä solu silloin, kun niiden evoluutiohistorian polut erkanivat toisistaan. Samalla on selvää, että modernien solujenkaan synty ei ollut uniikissa asemassa planeettamme biosfäärin historiassa.
Arkit ja bakteerit pohjautuvat siis yhteiseen kantamuotoon, joka eli sidottuna geologisiin energia- ja mineraalivirtoihin, todennäköisesti merenpohjan mustien savuttajien tai vastaavien muodostelmien yhteydessä. Vaikka se osasikin kopioida itseään, se tuskin kykeni poistumaan geologisesta kontekstistaan, koska olisi menettänyt kykynsä ainenvaihduntaan. Se ei kuitenkaan tarkoita, että bakteerien ja arkkien entsyymikoneistojen sopeutumiset toimintaan vapaina soluina olisivat tapahtuneet maantieteellisesti lähellä toisiaan. Paikkana on voinut olla yksittäinen mustien savuttajien esiintymisalue merenpohjassa mutta se ei ole varmaa. Kyky sulkea aineenvaihdunta arvaamattomassa ympäristössä ja odottaa parempia aikoja on todennäköisesti kehittynyt varhain, joten arkkien ja bakteerien yhteiset esivanhemmat saattoivat osata siirtyä lepotilassa kenties jopa toisille alueille merivirtojen mukana. Geologisiin energiavirtoihinkin sidottuna elämä on voinut levitä laajalle, jos se osasi pakata tarvitsemansa spontaanisti syntyneen kalvorakenteen sisälle ja nukahtaa virtausten vietävänä odottamaan saapumista otollisiin olosuhteisiin.
Elämän synty eksoplaneetoilla
Tarvitaan vain kiviplaneetta, jonka kivisen kuoren päällä on nestemäistä vettä, sekä geologisia energiavirtoja. Ne vaatimukset täyttyivät muinoin Aurinkokunnassa ainakin kolmella planeetalla. Samaan aikaan, kun elävät solut vapautuivat geologian kahleista Maassa, vetiset olosuhteet antoivat elämän synnylle mahdollisuuden myös Marsin ja Venuksen pinnoilla. Se ei tarkoita, että elämää myös syntyi naapuriplaneetoillamme. On kuitenkin selvää, että elämä käynnistyi geologisessa hetkessä, mikä viittaa sen korkeaan todennäköisyyteen. Marsin ja Venuksen mahdollisuudet tuottaa omat muinaiset biosfäärinsä olivat tietojemme mukaan hyvät.
Samat mahdollisuudet ovat olleet muillakin tuntemillamme kivisillä, elinkelpoisen vyöhykkeen tai sen lähiympäristön planeetoilla. Niilläkin on geokemiallisia energiavirtoja ja orgaanista materiaa vesiliuoksessa. Niiden veteen liuenneet metallit ja mineraalit ja tuliperäinen kivi ovat voineet katalysoida orgaanisen kemian reaktioita tuottaen aina vain kompleksisempia muotoja. Ehkäpä lopulta on syntynyt myös biokemiallisia, kalvorakenteisiin suljettuja komplekseja, jotka katalysoivat omaa kopioitumistaan. Se antaisi lähtökohdan elämälle, ja siirtäisi kemiallista tasapainoa itseään kopioivien biokemiallisten koneiden synnyn eduksi. Luonnonvalinta hoitaisi lopun, eikä koneiden siirtymä elämään vapaina soluina olisi enää kuin vain ajan kysymys. Vieläpä hyvin lyhyen ajan, jos Maan evoluutiohistoriasta on universaaliksi esimerkiksi.
Yksityiskohdissa voisi tietenkin olla suuriakin eroja. Elämää synnyttävien planeettojen kirjo voi olla suurta, eikä planeetan maankaltaisuus ole kuin yksi mahdollisuuksista. Geologisen energian vapautuminen kiven ja veden rajapinnassa voi tuottaa elämää monenlaisissa olosuhteissa aivan planeetan pinnasta syvälle sen sisuksiin. Planeetta voi olla varsin kuiva ja karu tai veden kyllästämä valtamerimaailma. Se voi olla lämmin ja kylpeä Maan tapaan säteilyssä tai sitten kylmä, pinnaltaan jäätynyt tähtensä kaukainen kiertolainen. Elämää voi syntyä kosketuksiin planeetan kaasukehän kanssa tai sitten syvälle valtameren pohjaan jääkuoren alle. Myös laaja vety- ja heliumkaasusta koostuva kaasukehä voisi ylläpitää elämän synnyn mahdollisuuksia alapuolellaan, kunhan sen tuottama paine ei kuumenna vettä ja saa sitä höyrystymään kaasukehän alaosiin tuhoisin seurauksin.
Oleellista on kuitenkin se, että sopivat olosuhteet ovat tietojemme mukaan hyvin yleisiä, kuten ovat elämän perusaineenvaihduntaan vaadittavat lähtöaineetkin (Kuva 1.). Vesi on oleellinen liuotin, ja hiilidioksidia on runsaasti saatavilla geologisesti aktiivisten planeettojen kaasukehässä sekä liuenneena niiden meriin. Sen lisäksi tarvitaan vain fosforia, ammoniakkia ja rikkivetyä, joita riittää tuliperäisessä ympäristössä. Myös vedyn lähde on oltava olemassa, ja sitä onkin saatavilla erilaisista hapetus-pelkistys -reaktioista. Kaikki komponentit ovat siten valmiina, odottamassa elämän spontaania nousua valloittamaan planeettansa. Kun lisänä on vielä avaruudesta saapuva kokoelma monimutkaisempia molekyylejä, kuten aminohappoja ja sokereita, joita muodostuu jo tähtienvälisessä aineessa ja asteroidien ja komeettojen olosuhteissa, on elämän synnyn vaatimukset täytetty ja pöytä katettu. Lopputuloksena voi olla vaikkapa kaltaisiamme universumin aktiivisia havaitsijoita.
Maapallolla elämää syntyi hetkessä. Se ei takaa, että prosessi on ollut yhtä helppo muualla, mutta uudet tiedot osoittavat prosessin jatkuvasti vääjäämättömämmäksi kuin olemme aiemmin osanneet arvata. Siitä kertoo myös todennäköinen vapaiden solujen synty ainakin kahdesti planeetallamme.