Elämän alkuperä
'Elämän alkuperä tarkoittaa elävien järjestelmien syntyä elottomasta aineesta Maan varhaisessa historiassa. Elämän syntyyn johtanutta luonnollista prosessia kutsutaan myös abiogeneesiksi. Sen tutkimuksessa yhdistyvät muun muassa biokemia, orgaaninen kemia, geokemia, molekyylibiologia, evoluutiobiologia, geologia ja astrobiologia. Elämän syntyä edeltäneitä kemiallisia prosesseja tutkivaa alaa kutsutaan prebioottiseksi kemiaksi.
Elämän täsmällistä syntytapaa, -paikkaa tai tapahtumien järjestystä ei tunneta. Tutkimuksessa on kuitenkin osoitettu kokeellisesti useita prosesseja, joiden avulla yksinkertaisista lähtöaineista voi syntyä biologisesti merkittäviä orgaanisia yhdisteitä, polymeerejä ja itsejärjestyviä rakenteita. Tutkimuksen keskeisiä kysymyksiä ovat biologisten rakennusaineiden abioottinen muodostuminen, niiden rikastuminen ja polymeroituminen, periytyvän kemiallisen informaation synty, katalyysin ja aineenvaihdunnan esiasteiden kehittyminen sekä kemiallisten järjestelmien rajautuminen solukalvoa muistuttaviin osastoihin eli esisoluihin.[1]
Elämän synnystä ei nykyisin ole yhtä yleisesti hyväksyttyä yksityiskohtaista mallia. Esimerkiksi RNA-maailmaa, aineenvaihdunnan varhaista syntyä, mineraalipintojen katalyysiä, hydrotermisiä ympäristöjä sekä lipidikalvojen ja muiden esisolujen muodostumista koskevat hypoteesit eivät välttämättä sulje toisiaan pois. Nykyisessä prebioottisessa systeemikemiassa tutkitaan yhä useammin mahdollisuutta, että periytymisen, katalyysin, aineenvaihdunnan ja kompartmentalisaation esiasteet kehittyivät rinnakkain ja vaikuttivat toisiinsa.[2]
Varhainen Maa ja elämän synnyn ajankohta
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Pääartikkeli: Varhainen Maa
Maa muodostui noin 4,54 miljardia vuotta sitten. Varhaisimman hadeeisen aionin aikana planeetan pinta, kuori, ilmakehä ja hydrosfääri muuttuivat voimakkaasti. Vettä on saattanut esiintyä Maan pinnalla jo noin 4,4 miljardia vuotta sitten, mutta suuret törmäykset ovat ajoittain voineet haihduttaa osan varhaisesta hydrosfääristä.[3]
Varhaisen ilmakehän koostumus on yksi elämän alkuperän tutkimuksen keskeisistä epävarmuustekijöistä. 1900-luvun puolivälissä sen oletettiin usein olleen voimakkaasti pelkistävä ja sisältäneen runsaasti metaania, ammoniakkia ja vetyä. Myöhempi geokemiallinen tutkimus on tuottanut monimutkaisemman kuvan: ilmakehän koostumus muuttui ajan kuluessa, ja siinä saattoi esiintyä sekä hapettavampia että paikallisesti tai tilapäisesti voimakkaasti pelkistäviä olosuhteita. Tulivuoritoiminta, meteoriittitörmäykset, veden ja kiviaineksen reaktiot sekä Auringon ultraviolettisäteily vaikuttivat varhaisen Maan kemiaan.[3]
Elämän varhaisimmista merkeistä ei ole täydellistä yksimielisyyttä. Noin 3,5 miljardin vuoden ikäisistä kivistä tunnetaan mikrofossiileiksi, stromatoliiteiksi ja biologiseksi tulkittuja isotooppisia jälkiä. Vielä vanhemmista, jopa yli neljän miljardin vuoden ikäisistä kivistä ja mineraaleista on raportoitu mahdollisia biologisia signaaleja, mutta niiden tulkinta on kiistanalaisempaa.
Kaikkien nykyisten solullisten eliöiden viimeinen universaali esivanhempi eli LUCA ei ollut ensimmäinen elämänmuoto eikä välttämättä ensimmäinen solu. Se oli populaatio tai eliöjoukko, josta nykyiset bakteerit ja arkeonit sekä niiden kautta aitotumaiset polveutuvat. Vuonna 2024 julkaistussa molekyylikelloon ja geeniperheiden historiaan perustuvassa tutkimuksessa LUCA:n iäksi arvioitiin noin 4,2 miljardia vuotta, mutta näin varhaisiin ajankohtiin ulottuviin molekyylikelloihin liittyy huomattavaa epävarmuutta.[4]
Elämän synnyn kemialliset ongelmat
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Elävän solun toiminta perustuu useisiin keskenään kytkeytyneisiin ominaisuuksiin. Abiogeneesin tutkimuksessa pyritään selvittämään, miten näiden ominaisuuksien yksinkertaisemmat esiasteet olisivat voineet syntyä ilman valmiita soluja ja biologisia entsyymejä.
Orgaanisten rakennusaineiden muodostuminen
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Nykyisten eliöiden keskeisiä molekyylejä ovat muun muassa aminohapot, nukleotidit, sokerit ja lipidit. Niiden muodostuminen ei sinänsä vaadi elämää. Laboratoriokokeissa useita biologisesti merkittäviä orgaanisia yhdisteitä on valmistettu yksinkertaisista lähtöaineista käyttämällä energianlähteinä esimerkiksi sähköpurkauksia, ultraviolettisäteilyä, lämpöä tai geokemiallisia hapetus-pelkistysreaktioita.
Orgaanisia yhdisteitä syntyy myös avaruudessa. Hiilipitoisista meteoriiteista, kuten Murchisonin meteoriitista, on löydetty aminohappoja, hiilivetyjä, karboksyylihappoja, nukleoemäksiä ja sokerien kaltaisia yhdisteitä.[5] Meteoriitit ja komeetat ovat siksi voineet täydentää varhaisen Maan orgaanisten yhdisteiden varastoa. Ne eivät kuitenkaan itsessään muodosta selitystä abiogeneesille, sillä orgaanisten rakennusaineiden saatavuus ei vielä selitä niiden järjestäytymistä eläväksi järjestelmäksi.
Rikastuminen ja polymerisaatio
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Monet biologisesti tärkeät makromolekyylit ovat polymeerejä. Proteiinit koostuvat aminohappoketjuista ja nukleiinihapot nukleotidiketjuista. Niiden muodostuminen laimeassa vesiliuoksessa on ongelmallista, koska veden läsnäolo suosii monissa tapauksissa sidosten hydrolyysiä ja lähtöaineet hajaantuvat suureen tilavuuteen.[6]
Mahdollisiksi rikastumis- ja polymerisaatiomekanismeiksi on ehdotettu muun muassa mineraalipintoja, haihtuvia matalia altaita, jäätymistä, lämpötilagradientteja sekä toistuvia märkä–kuiva-syklejä. Montmorilloniittisavella on kokeellisesti saatu aktivoiduista nukleotideista jopa kymmenien yksiköiden mittaisia oligomeerejä.[7]
Vuonna 2024 julkaistussa kokeessa toistuvat kastumis- ja kuivumisjaksot saivat nukleotidimonomeereja muodostamaan fosfodiesterisidoksin jopa yli 50 nukleotidin mittaisia ketjuja.[8]
Informaatio ja kopioituminen
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Darwinilainen evoluutio edellyttää järjestelmää, jossa ominaisuuksia voidaan siirtää jälkeläisille riittävän tarkasti mutta jossa esiintyy myös periytyvää muuntelua. Nykyisessä elämässä geneettistä informaatiota säilyttää pääasiassa DNA, jonka kopiointi ja ilmentäminen vaativat lukuisia proteiineja ja RNA-molekyylejä. Tämä synnyttää elämän alkuperän kannalta ongelman: kuinka ensimmäinen periytyvä järjestelmä saattoi toimia ennen nykyaikaista DNA–RNA–proteiini-koneistoa?
Yksi keskeinen tutkimuslinja on nukleiinihappojen ei-entsymaattinen, templaattiohjattu kopioituminen. Kokeissa kemiallisesti aktivoidut nukleotidit voivat liittyä olemassa olevan nukleiinihappojuosteen ohjaamina komplementaariseksi ketjuksi ilman proteiinientsyymiä. Täydellistä, itsenäisesti jatkuvaa RNA-genomin kopioitumissykliä prebioottisesti uskottavissa olosuhteissa ei kuitenkaan ole vielä saatu aikaan.
Katalyysi ja aineenvaihdunta
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Elävät järjestelmät tarvitsevat kemiallisia reaktioita nopeuttavia katalyyttejä ja jatkuvan vapaan energian lähteen. Nykyisissä soluissa suurin osa katalyysistä tapahtuu proteiinientsyymien avulla, mutta myös RNA voi katalysoida kemiallisia reaktioita. Tällaisia katalyyttisiä RNA-molekyylejä kutsutaan ribotsyymeiksi. Sidney Altmanin ja Thomas Cechin 1980-luvun alussa tekemät katalyyttisen RNA:n löydöt osoittivat, että sama molekyylityyppi voi sekä kantaa informaatiota että osallistua katalyysiin.[9]
Toisen tutkimuslinjan lähtökohtana on, että aineenvaihduntaa muistuttavat reaktioverkostot saattoivat alkaa jo ennen geneettistä järjestelmää. Tällöin mineraalit ja ympäristön redox-gradientit olisivat voineet toimia varhaisina katalyytteinä ja energianlähteinä.
Kompartmentalisaatio ja kalvot
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Kemialliselle evoluutiolle on hyödyllistä, jos keskenään vuorovaikuttavat molekyylit pysyvät samassa paikassa eivätkä hajaannu ympäristöön. Nykyisissä soluissa tämän tekee lipidinen solukalvo.
Yksinkertaiset amfifiiliset molekyylit, kuten eräät rasvahapot, voivat vedessä järjestäytyä itsestään miselleiksi ja kaksikerroksisiksi vesikkeleiksi. Tällainen itsejärjestyminen ei tarvitse geenejä eikä entsyymejä. Siksi yksinkertaisia rasvahappovesikkeleitä pidetään yhtenä mahdollisena varhaisten esisolujen mallina.
Vuonna 2008 Sheref Mansy, Jack Szostak ja työtoverit osoittivat, että yksinkertaisen rasvahappokalvon ympäröimään esisolumalliin saattoi kulkeutua aktivoituja nukleotideja samalla, kun suuremmat nukleiinihappopolymeerit pysyivät kalvon sisällä. Vesikkelin sisällä tapahtui templaattiohjattua geneettisen polymeerin synteesiä.[10]
Homokiraalisuus
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Elämän molekyyleissä esiintyy voimakas kiraalinen valikoituminen: proteiinien aminohapot ovat lähes yksinomaan L-muotoisia ja luonnollisten nukleiinihappojen sokerit D-muotoisia. Useimmat yksinkertaiset abioottiset synteesit tuottavat sen sijaan molempia enantiomeerejä suunnilleen yhtä paljon.
Joistakin hiilikondriiteista on löydetty tiettyjen aminohappojen L-enantiomeerien ylimäärää. Tämä osoittaa, että kiraalinen epäsymmetria voi syntyä ilman elämää ja että avaruusperäinen materiaali on voinut vaikuttaa varhaisen Maan molekyylien kiraalisuuteen.[11] Elämän täydellisen homokiraalisuuden alkuperää tämä ei kuitenkaan ratkaise, ja sen synty on edelleen avoin tutkimuskysymys.
Prebioottisen kemian kokeellinen historia
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Oparin, Haldane ja alkuliemihypoteesi
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]1920- ja 1930-luvuilla Aleksandr Oparin ja J. B. S. Haldane esittivät toisistaan riippumatta, että elämä oli voinut syntyä asteittaisen kemiallisen evoluution tuloksena. Heidän mukaansa varhaisen Maan olosuhteissa muodostuneet orgaaniset molekyylit saattoivat kerääntyä ympäristöön ja muodostaa yhä monimutkaisempia järjestelmiä.
Oparin tutki myöhemmin koaservaatteja, makromolekyyleistä syntyviä pisaroita, jotka kykenevät rikastamaan ympäristöstään aineita. Niillä ei ole solukalvon kaltaista lipidikaksoiskerrosta, eikä niitä nykyisin pidetä varsinaisina ensimmäisten solujen malleina. Koaservaattien tutkimus oli kuitenkin historiallisesti tärkeä askel ajatuksessa, jonka mukaan kemiallinen itsejärjestyminen ja aineiden paikallinen rikastuminen saattoivat edeltää elämää.
Ureyn–Millerin koe
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Pääartikkeli: Ureyn–Millerin koe
Vuonna 1953 Stanley Miller julkaisi Harold Ureyn laboratoriossa tekemänsä kokeen, joka oli ensimmäisiä järjestelmällisiä yrityksiä jäljitellä varhaisen Maan orgaanista synteesiä laboratoriossa.[12]
Koejärjestelmä oli suljettu kiertojärjestelmä. Vettä kuumennettiin kolvissa, josta vesihöyry siirtyi metaania, ammoniakkia ja vetyä sisältävään kaasutilaan. Kaasuseokseen johdettiin sähköpurkauksia, joiden tarkoituksena oli jäljitellä salamoita. Reaktiotuotteet jäähdytettiin lauhduttimessa, minkä jälkeen neste kiersi takaisin järjestelmään.
Muutamassa päivässä kokeessa muodostui suuri joukko orgaanisia yhdisteitä, mukaan lukien useita aminohappoja kuten glysiiniä ja alaniinia. Kokeessa ei syntynyt elämää, proteiineja eikä varsinaista solua. Sen historiallinen merkitys oli osoittaa, että biologisesti tärkeitä orgaanisia molekyylejä voi syntyä abioottisesti suhteellisen yksinkertaisista lähtöaineista.
Millerin käyttämää voimakkaasti pelkistävää kaasuseosta ei nykyisin pidetä yksiselitteisenä mallina koko varhaisen Maan ilmakehästä. Kokeen perusperiaate on silti säilynyt tärkeänä: sähköpurkaukset ja muut energianlähteet voivat tuottaa orgaanisia yhdisteitä erilaisissa kaasuseoksissa. Lisäksi myöhemmissä Millerin säilyttämien näytteiden analyyseissä on modernilla massaspektrometrialla tunnistettu huomattavasti enemmän yhdisteitä kuin 1950-luvun analyysimenetelmillä voitiin havaita.
Foxin proteinoidit ja mikropallot
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]1950-luvun lopulla Sidney Fox ja Kaoru Harada tutkivat seuraavaa ongelmaa: voisivatko abioottisesti syntyneet aminohapot liittyä suuremmiksi molekyyleiksi ilman entsyymejä? Aminohapposeoksia kuumentamalla he tuottivat polymeerimäisiä yhdisteitä, joita kutsuttiin proteinoideiksi.[13]
Kun kuumennettuja proteinoidiliuoksia jäähdytettiin vedessä, yhdisteet järjestyivät mikroskooppisiksi pallomaisiksi rakenteiksi.[14] Proteinoidit eivät kuitenkaan ole tavallisia biologisia proteiineja, eikä mikropalloilla ole geneettistä järjestelmää tai itsenäistä aineenvaihduntaa. Kokeet olivat silti varhainen osoitus siitä, että kemialliset polymeerit voivat itsejärjestyä solumaisia rakenteita muistuttaviksi kokonaisuuksiksi.
Oró ja nukleoemästen abioottinen synteesi
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Vuonna 1960 Joan Oró osoitti, että adeniinia voidaan syntetisoida väkevistä ammoniumsyanidiliuoksista kuumentamalla niitä alle 100 °C:n lämpötilassa useiden päivien ajan.[15] Tulos oli tärkeä, koska adeniini on sekä DNA:n ja RNA:n nukleoemäs että osa muun muassa solujen keskeisestä energianvälittäjästä ATP:stä.
Orón ja muiden tutkijoiden työt osoittivat, että vetysyanidi ja sen johdannaiset voivat toimia lähtöaineina useille biologisesti merkittäville molekyyleille. Vetysyanidin kemialla on edelleen keskeinen asema monissa prebioottisen kemian malleissa.
RNA:n ei-entsymaattinen polymerisaatio ja mineraalipinnat
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]1960-luvulta lähtien Leslie Orgelin ja muiden tutkijoiden ryhmät selvittivät, pystyvätkö kemiallisesti aktivoidut nukleotidit liittymään toisiinsa olemassa olevan nukleiinihappotemplaatin ohjaamina ilman entsyymejä. Tällaiset kokeet osoittivat, että ainakin osittainen templaattiohjattu kopioituminen on mahdollista puhtaasti kemiallisesti.
Mineraalien merkitystä tutkittiin erityisesti 1980- ja 1990-luvuilla. James Ferrisin ryhmä osoitti, että montmorilloniittisavi voi huomattavasti edistää aktivoitujen nukleotidien polymerisaatiota. Vuonna 1996 julkaistussa kokeessa mineraalipinnoilla muodostui jopa noin 55 monomeerin pituisia oligomeerejä.[7]
Ribotsyymit ja RNA-maailman vahvistuminen
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]1980-luvun alussa Thomas Cechin ja Sidney Altmanin tutkimukset osoittivat, että RNA voi toimia katalyyttinä. Löydöt muuttivat käsitystä nukleiinihappojen ja proteiinien työnjaosta ja vahvistivat ajatusta varhaisesta maailmasta, jossa RNA:n kaltaiset molekyylit saattoivat toimia sekä informaation kantajina että katalyytteinä. Cech ja Altman saivat löydöistään vuoden 1989 Nobelin kemianpalkinnon.[9]
RNA-maailmahypoteesin vaikeaksi osaksi jäi kuitenkin selittää, kuinka RNA:n rakennusaineet syntyivät. Erityisesti riboosin ja nukleoemästen valmistaminen erikseen ja yhdistäminen nukleosideiksi osoittautui hankalaksi.
Ribonukleotidien prebioottinen synteesi
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Vuonna 2009 Matthew Powner, Béatrice Gerland ja John Sutherland julkaisivat reaktioreitin aktivoitujen pyrimidiiniribonukleotidien muodostumiselle yksinkertaisemmista lähtöaineista.[16]
Reitin merkitys oli siinä, ettei siinä tarvinnut ensin muodostaa valmista riboosia ja valmista nukleoemästä ja vasta sitten liittää niitä toisiinsa. Rengasrakenteen ja sokeriosan esiasteet muodostuivat yhteisen reaktiosarjan kautta. Tutkimus havainnollisti, ettei prebioottisen synteesin tarvitse jäljitellä nykyisten solujen biosynteesireittejä.
Esisolut ja nukleiinihappokemia samassa järjestelmässä
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]2000-luvulla esisolututkimuksessa alettiin yhdistää aiemmin erillisinä tutkittuja kalvo- ja nukleiinihappojärjestelmiä. Jack Szostakin tutkimusryhmän rasvahappovesikkelikokeet osoittivat, että yksinkertaiset kalvot voivat kasvaa ja vaihtaa rakennusaineita ympäristönsä kanssa.
Vuoden 2008 kokeessa pienet aktivoidut nukleotidit läpäisivät rasvahappovesikkelin kalvon, kun taas suurempi geneettinen polymeeri pysyi sisällä. Vesikkelin sisään päässeet nukleotidit osallistuivat templaattiohjattuun polymerisaatioon.[10] Kokeessa yhdistettiin näin samassa järjestelmässä kaksi keskeistä esisolun ominaisuutta: kompartmentalisaatio ja geneettisen polymeerin kemiallinen synteesi.
Yhteinen kemia RNA:n, aminohappojen ja lipidien esiasteille
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Vuonna 2015 Bhavesh Patel, John Sutherland ja työtoverit osoittivat, että vetysyanidiin perustuvasta reaktioverkostosta voidaan muodostaa RNA:n rakennusaineiden, aminohappojen ja lipidien esiasteita. Reaktiot perustuivat muun muassa ultraviolettivaloon, rikkivetyyn ja kuparin fotoredox-kemiaan.[2]
Tutkimuksen merkitys oli ennen kaikkea systeeminen. Aikaisemmassa kirjallisuudessa oli usein oletettu, että yksi elämän osajärjestelmä – esimerkiksi RNA, aineenvaihdunta tai lipidikalvo – olisi syntynyt ensin ja muut myöhemmin. Yhteiseen lähtökemiaan perustuvat kokeet osoittavat, että eri biomolekyyliluokkien esiasteita olisi ainakin periaatteessa voinut muodostua rinnakkain.
Märkä–kuiva-syklit ja dynaamiset ympäristöt
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Matalissa altaissa, kuumissa lähteissä ja tuliperäisillä alueilla vesi voi haihtua ja palata toistuvasti. Kuivumisen aikana lähtöaineet rikastuvat ja kondensaatioreaktiot voivat edistyä, kun taas veden palatessa syntyneet yhdisteet voivat liueta, sekoittua ja joutua vesikkelien sisään.
David Deamerin ja muiden tutkijoiden kehittämässä kuumien lähteiden hypoteesissa tällaisilla hydrataatio–dehydrataatiosykleillä on keskeinen merkitys polymeerien ja esisolujen synnyssä.[17]
Vuoden 2024 kokeissa tällaisilla märkä–kuiva-sykleillä tuotettiin pitkiä nukleiinihappoketjuja ilman entsyymejä.[8]
Epätasapainotilat ja lämpövirtaukset
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Elämä on termodynaamisesti kaukana tasapainosta, joten myös sen syntyyn johtaneiden reaktioiden on täytynyt saada jatkuvasti energiaa ympäristöstä. Moderni prebioottinen tutkimus tarkastelee siksi myös virtaavia ja ajallisesti muuttuvia järjestelmiä pelkkien tasapainotettujen koeputkireaktioiden sijasta.
Vuonna 2024 julkaistussa tutkimuksessa lämpövirtausten osoitettiin voivan rikastaa prebioottisesti merkittäviä yhdisteitä pieniin tilavuuksiin ja samalla edistää niiden reaktiivisuutta. Tällaiset mekanismit voivat auttaa selittämään, kuinka hyvin laimeista ympäristöistä olisi voinut syntyä paikallisesti korkeita lähtöainepitoisuuksia.[18]
Mahdollisia syntympäristöjä ja malleja
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Elämän alkuperää koskevassa tutkimuksessa ympäristöhypoteesit ja kemialliset mallit limittyvät. Yksittäisen mekanismin toimivuus laboratoriossa ei vielä osoita, että juuri sitä reittiä käytettiin varhaisella Maalla. Geologisesti uskottavan mallin pitäisi yhdistää lähtöaineiden saatavuus, energianlähteet, rikastuminen, katalyysi ja järjestelmän pitkäaikainen jatkuvuus.
RNA-maailma
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Pääartikkeli: RNA-maailma
RNA-maailmahypoteesin mukaan RNA:n kaltaisilla molekyyleillä oli keskeinen asema ennen nykyistä DNA–RNA–proteiini-järjestelmää. RNA soveltuu tähän ajatukseen, koska se voi sekä säilyttää emäsjärjestykseen koodattua informaatiota että muodostaa katalyyttisesti aktiivisia rakenteita.
RNA-maailmaa tukevat ribotsyymien olemassaolo, RNA:n keskeinen rooli ribosomissa ja lukuisat kokeet ei-entsymaattisesta nukleiinihappokemiasta. Ongelmia ovat kuitenkin muun muassa RNA:n rakennusaineiden synty, pitkien ketjujen muodostuminen, virheettömän kopioitumisen saavuttaminen ja vastinjuosteiden erottaminen toisistaan.
RNA-maailman ei tarvitse tarkoittaa täysin puhdasta ”RNA-only”-vaihetta. Monet nykyiset mallit tarkastelevat RNA:n rinnalla peptidejä, lipidejä ja muita pienmolekyylejä.
Aineenvaihdunta ensin ja rauta–rikkimaailma
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Pääartikkeli: Rauta-rikkimaailma
Aineenvaihdunta ensin -malleissa oletetaan, että itseään ylläpitävät tai sykliset kemialliset reaktioverkostot saattoivat edeltää geneettisiä polymeerejä. Günter Wächtershäuserin kehittämässä rauta–rikkimaailmahypoteesissa rauta- ja nikkelisulfidimineraalit toimivat katalyyttisinä pintoina, joilla varhaista orgaanista synteesiä tapahtui.
Wächtershäuser ja Claudia Huber osoittivat kokeellisesti vuonna 1998, että aminohapoista voi muodostua peptidejä nikkeli- ja rautasulfidien sekä hiilimonoksidin läsnä ollessa kuumissa, hapettomissa vesiolosuhteissa.[19]
Emäksiset hydrotermiset lähteet
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Merenpohjan hydrotermisiä lähteitä on ehdotettu ympäristöiksi, joissa geokemiallinen energia, mineraalikatalyysi ja huokoiset kivirakenteet olisivat voineet edistää elämän syntyä.
Erityistä huomiota ovat saaneet Lost City -tyyppisiä järjestelmiä muistuttavat viileämmät emäksiset lähteet. Niissä serpentinisaatio tuottaa vetyä, ja emäksisen lähdeveden ja happamamman muinaismeren välinen pH-ero voi muodostaa luonnollisia protonigradientteja. Nykyiset solut käyttävät sähkökemiallisia protonigradientteja energianmuunnoksessaan, mikä on tehnyt tällaisista geokemiallisista gradienteista kiinnostavan mahdollisen aineenvaihdunnan esiasteen.[20]
Hydrotermisten mallien haasteisiin kuuluu selvittää, miten syntyneet orgaaniset tuotteet voisivat rikastua riittävästi, kuinka herkät polymeerit säilyisivät ja miten mineraaliosastoista siirryttäisiin itsenäisiin orgaanisiin solukalvoihin.
Maanpäälliset kuumat lähteet ja matalat altaat
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Maanpäällisten altaiden etuna ovat toistuvat märkä–kuiva-syklit, auringon ultraviolettisäteily ja aineiden mahdollisuus rikastua haihtumisen kautta. Tuliperäisillä alueilla esiintyy lisäksi lämpötila- ja pH-gradientteja sekä mineraalipintoja.
Mallit eivät edellytä, että elämä olisi syntynyt yhdessä pysyvässä ”alkuliemessä”. Prebioottiset yhdisteet ovat voineet kulkeutua ympäristöstä toiseen veden, tuulen, hydrotermisten virtausten tai törmäysten välityksellä.
Lipidimaailma ja esisolut
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Lipidimaailmaan ja muihin kompartmentalisaatiota korostaviin malleihin liittyy ajatus, että elämän kannalta ratkaiseva askel oli rajatun sisätilan synty. Yksinkertaisten amfifiilien spontaani järjestäytyminen vesikkeleiksi tarjoaa tähän fysikaalisesti yksinkertaisen mekanismin.
Varhaisten kalvojen ei oleteta välttämättä koostuneen nykyisten solujen monimutkaisista fosfolipideistä. Yksinkertaisemmat rasvahapot ja niiden seokset muodostavat tietyissä olosuhteissa läpäiseviä kalvoja, jotka voivat kasvaa ja ottaa ympäristöstä uusia molekyylejä.
Täysin geneettisestä järjestelmästä riippumattoman ”lipidimaailman” sijasta nykyinen esisolututkimus pyrkii usein yhdistämään lipidikalvot, nukleiinihappokemian ja primitiivisen aineenvaihdunnan samaan järjestelmään.
Avaruusperäiset orgaaniset yhdisteet ja panspermia
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Meteoriitit ja komeetat voivat kuljettaa planeetoille orgaanisia molekyylejä, ja hiilikondriittien analyysit osoittavat, että biologisesti merkittävien yhdisteiden abioottista synteesiä tapahtuu myös Maan ulkopuolella.[5]
Tämä on erotettava panspermiahypoteesista, jonka mukaan itse elämä tai sen hyvin pitkälle kehittyneet esiasteet olisivat saapuneet Maahan avaruudesta. Panspermia voisi periaatteessa selittää elämän siirtymisen yhdeltä taivaankappaleelta toiselle, mutta se ei itsessään ratkaise elämän alkuperän kemiallista ongelmaa, vaan siirtää sen toiseen paikkaan.
Prebioottinen systeemikemia
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]2000-luvulla elämän alkuperän tutkimuksessa on korostunut systeemikemiallinen lähestymistapa. Sen taustalla on ongelma, että yksittäinen prebioottisesti mahdollinen reaktio ei välttämättä toimi samoissa olosuhteissa kuin muut elämälle tarvittavat reaktiot.
Esimerkiksi nukleotidien synteesi voi vaatia olosuhteita, joissa yksinkertainen rasvahappokalvo hajoaa, tai polymerisaatiota edistävä metalli-ionipitoisuus voi estää vesikkelien muodostumisen. Siksi tutkimuksessa pyritään tunnistamaan reaktioverkostoja ja ympäristösyklejä, joissa useita elämän kannalta olennaisia prosesseja voi tapahtua yhteensopivasti.
Patelin ja työtovereiden vuonna 2015 julkaisema syanosulfidinen reaktioverkosto oli yksi tunnetuista esimerkeistä tästä lähestymistavasta: samasta lähtökemian kokonaisuudesta saatiin nukleotidien, aminohappojen ja lipidien esiasteita.[2]
Systeemikemiallinen näkökulma on muuttanut myös kysymystä siitä, mikä ”tuli ensin”. Nykyinen tutkimus ei välttämättä edellytä yksittäistä puhdasta RNA-, proteiini-, lipidi- tai aineenvaihduntavaihetta, vaan varhainen kemiallinen evoluutio on voinut koostua useiden yksinkertaisten osajärjestelmien yhteisevoluutiosta.
Siirtymä kemiasta biologiseen evoluutioon
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Abiogeneesin ja biologisen evoluution välinen raja ei välttämättä ollut yksittäinen tapahtuma. Yksinkertaiset orgaaniset molekyylit eivät vielä ole eläviä, eikä myöskään yksittäinen vesikkeli tai itseään kopioiva molekyyli välttämättä täytä elämän kaikkia määritelmiä.
Keskeinen muutos tapahtui viimeistään silloin, kun järjestelmät kykenivät tuottamaan periytyvästi erilaisia jälkeläisiä siten, että erot vaikuttivat niiden säilymiseen ja lisääntymiseen. Tällöin luonnonvalinta saattoi alkaa vaikuttaa kemiallisten järjestelmien ominaisuuksiin.
Kompartmentalisaatio on tässä tärkeä, koska se voi yhdistää hyödyllisen molekyylin vaikutuksen juuri siihen esisoluun, joka sisältää kyseisen molekyylin. Ilman tällaista kytkentää hyödyllisen katalyytin tuotteet voisivat levitä myös kilpailevien replikaattorien käyttöön.
Esisolun sisällä kopioituva geneettinen polymeeri, kalvon kasvu, ympäristöstä saatava energia ja katalyyttinen kemia muodostavat siksi keskeisen tutkimuskohteen. Täysin autonomista, prebioottisesti uskottavista yksinkertaisista lähtöaineista rakennettua järjestelmää, joka ylläpitäisi itseään, lisääntyisi jatkuvasti ja kävisi läpi avoimen Darwinin evoluution, ei ole toistaiseksi tuotettu laboratoriossa.[1]
Avoimia kysymyksiä
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Elämän alkuperää koskevassa tutkimuksessa on saavutettu huomattavaa kokeellista edistystä, mutta tapahtumien historiallista kulkua ei tunneta. Keskeisiä avoimia kysymyksiä ovat muun muassa:
- missä ympäristössä tai ympäristöjen verkostossa abiogeneesi tapahtui;
- mitkä varhaisen Maan ilmakehän ja hydrosfäärin koostumukset olivat ratkaisevia prebioottiselle kemialle;
- miten orgaaniset lähtöaineet rikastuivat riittävinä pitoisuuksina;
- miten pitkät informaatiota sisältävät polymeerit muodostuivat ennen entsyymejä;
- miten ensimmäinen riittävän tarkka mutta evoluution salliva kopioitumisjärjestelmä kehittyi;
- syntyikö geneettinen järjestelmä ennen aineenvaihduntaa ja kompartmentalisaatiota vai kehittyivätkö ne rinnakkain;
- miten varhainen aineenvaihdunta kytkeytyi jatkuviin energialähteisiin;
- kuinka solukalvojen esiasteet muuttuivat nykyisten solujen fosfolipidikalvoiksi;
- kuinka biologinen homokiraalisuus syntyi;
- kuinka esibioottisesta kemiallisesta evoluutiosta siirryttiin varsinaiseen avoimeen Darwinin evoluutioon;
- kuinka monta abiogeneesitapahtumaa varhaisella Maalla tapahtui ja miksi kaikki nykyinen tunnettu soluelämä näyttää polveutuvan yhteisestä kantapopulaatiosta.
Elämän alkuperän tutkimuksen erityinen vaikeus on se, että kokeellinen mahdollisuus ei yksin osoita historiallista tapahtumaa. Laboratoriossa toimivan reaktioreitin on myös sovittava varhaisen Maan geologiaan ja oltava yhteensopiva muiden tarvittavien kemiallisten prosessien kanssa. Tämän vuoksi tutkimuksessa yhdistetään yhä enemmän kokeellista kemiaa, geokemiaa, planeettatutkimusta, molekyylien evoluutiota ja synteettistä biologiaa.
Katso myös
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Viitteet
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- 1 2 Otto, Sijbren: From self-replication to replicator systems en route to de novo life. Nature Reviews Chemistry, 2020, 4. vsk, s. 331–347. doi:10.1038/s41570-020-0196-x (englanniksi)
- 1 2 3 Patel, Bhavesh H. ym.: Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism. Nature Chemistry, 2015, 7. vsk, s. 301–307. PubMed:25803468 doi:10.1038/nchem.2202 (englanniksi)
- 1 2 Vulpius, Sara ym.: Formation and redox evolution of Earth's early atmosphere and hydrosphere. Nature Reviews Earth & Environment, 2026, 7. vsk, s. 412–426. doi:10.1038/s43017-026-00803-0 (englanniksi)
- ↑ Moody, Edmund R. R. ym.: The nature of the last universal common ancestor and its impact on the early Earth system. Nature Ecology & Evolution, 2024, 8. vsk, s. 1654–1666. doi:10.1038/s41559-024-02461-1 (englanniksi)
- 1 2 Burton, Aaron S.; Stern, Jennifer C.; Elsila, Jamie E.; Glavin, Daniel P.; Dworkin, Jason P.: Understanding prebiotic chemistry through the analysis of extraterrestrial amino acids and nucleobases in meteorites. Chemical Society Reviews, 2012, 41. vsk, s. 5459–5472. doi:10.1039/C2CS35109A Artikkelin verkkoversio. (englanniksi)
- ↑ Whitaker, Daniel; Powner, Matthew W.: On the aqueous origins of the condensation polymers of life. Nature Reviews Chemistry, 2024, 8. vsk, s. 817–832. doi:10.1038/s41570-024-00648-5 (englanniksi)
- 1 2 Ferris, James P.; Hill, Aubrey R.; Liu, Rihe; Orgel, Leslie E.: Synthesis of long prebiotic oligomers on mineral surfaces. Nature, 1996, 381. vsk, s. 59–61. PubMed:8609988 doi:10.1038/381059a0 Artikkelin verkkoversio. (englanniksi)
- 1 2 Song, Xiaowei; Simonis, Povilas; Deamer, David; Zare, Richard N.: Wet–dry cycles cause nucleic acid monomers to polymerize into long chains. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024, 121. vsk, nro 49, s. e2412784121. PubMed:39585974 doi:10.1073/pnas.2412784121 (englanniksi)
- 1 2 The Nobel Prize in Chemistry 1989: Award ceremony speech Nobel Prize Outreach. (englanniksi)
- 1 2 Mansy, Sheref S. ym.: Template-directed synthesis of a genetic polymer in a model protocell. Nature, 2008, 454. vsk, s. 122–125. PubMed:18528332 doi:10.1038/nature07018 Artikkelin verkkoversio. (englanniksi)
- ↑ Glavin, Daniel P. ym.: Insights into Abiotically-Generated Amino Acid Enantiomeric Excesses Found in Meteorites. Life, 2018, 8. vsk, nro 2, s. 14. PubMed:29757224 doi:10.3390/life8020014 (englanniksi)
- ↑ Miller, Stanley L.: A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions. Science, 1953, 117. vsk, nro 3046, s. 528–529. doi:10.1126/science.117.3046.528 Artikkelin verkkoversio. (englanniksi)
- ↑ Fox, Sidney W.; Harada, Kaoru: Thermal Copolymerization of Amino Acids to a Product Resembling Protein. Science, 1958, 128. vsk, nro 3333, s. 1214. PubMed:13592311 doi:10.1126/science.128.3333.1214 Artikkelin verkkoversio. (englanniksi)
- ↑ Fox, Sidney W.; Harada, Kaoru; Kendrick, J.: Production of Spherules from Synthetic Proteinoid and Hot Water. Science, 1959, 129. vsk, nro 3357, s. 1221–1223. PubMed:17757274 doi:10.1126/science.129.3357.1221-a Artikkelin verkkoversio. (englanniksi)
- ↑ Oró, Joan: Synthesis of adenine from ammonium cyanide. Biochemical and Biophysical Research Communications, 1960, 2. vsk, nro 6, s. 407–412. doi:10.1016/0006-291X(60)90138-8 Artikkelin verkkoversio. (englanniksi)
- ↑ Powner, Matthew W.; Gerland, Béatrice; Sutherland, John D.: Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature, 2009, 459. vsk, s. 239–242. PubMed:19444213 doi:10.1038/nature08013 Artikkelin verkkoversio. (englanniksi)
- ↑ Damer, Bruce; Deamer, David: The Hot Spring Hypothesis for an Origin of Life. Astrobiology, 2020, 20. vsk, nro 4, s. 429–452. PubMed:31841362 doi:10.1089/ast.2019.2045 (englanniksi)
- ↑ Matreux, Thomas ym.: Heat flows enrich prebiotic building blocks and enhance their reactivity. Nature, 2024, 628. vsk, s. 110–116. doi:10.1038/s41586-024-07193-7 (englanniksi)
- ↑ Huber, Claudia; Wächtershäuser, Günter: Peptides by activation of amino acids with CO on (Ni,Fe)S surfaces: implications for the origin of life. Science, 1998, 281. vsk, nro 5377, s. 670–672. PubMed:9685253 doi:10.1126/science.281.5377.670 Artikkelin verkkoversio. (englanniksi)
- ↑ Martin, William; Baross, John; Kelley, Deborah; Russell, Michael J.: Hydrothermal vents and the origin of life. Nature Reviews Microbiology, 2008, 6. vsk, s. 805–814. doi:10.1038/nrmicro1991 (englanniksi)
Kirjallisuutta
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Deamer, David: Assembling Life: How Can Life Begin on Earth and Other Habitable Planets? Oxford University Press, 2019. ISBN 978-0-19-064638-7.
- Hazen, Robert M.: Genesis: The Scientific Quest for Life's Origin. Joseph Henry Press, 2005. ISBN 978-0-309-09432-0.
- Luisi, Pier Luigi: The Emergence of Life: From Chemical Origins to Synthetic Biology. Cambridge University Press, 2006. ISBN 978-0-521-82117-9.
- Sutherland, John D.: Studies of prebiotic chemistry and the chemical origins of cellular building blocks, useita katsauksia ja alkuperäistutkimuksia.
- Szostak, Jack W. ym.: tutkimuksia ei-entsymaattisesta RNA-kopioitumisesta ja esisolujen kemiasta.