Elämän alkuperä

Wikipedia

	Tämän artikkelin tai osion neutraalista näkökulmasta keskustellaan.
	Voit kirjoittaa oman mielipiteesi asiasta artikkelin keskustelusivulle.

	Tätä artikkelia tai artikkelin osaa on pyydetty parannettavaksi.
	Syy: oleellista tietoa puuttuu Voit auttaa Wikipediaa parantamalla artikkelia. Lisää tietoa saattaa olla keskustelusivulla.

Tähän artikkeliin tai osioon ei ole merkitty lähteitä tai viitteitä. Voit auttaa parantamaan artikkelia lisäämällä asianmukaisia lähteitä.

Maailman vanhimmat tunnetut fossiilit ovat noin 3,5 miljardia vuotta vanhoja. Ne ovat stromatoliitti-nimisiä kohoumia. Stromatoliitit syntyvät kun syanobakteerit muodostavat mineraalijyvistä tyynymäisia rakenteita kerros kerroksen jälkeen. Alkukantaisemmat edeltäjät ovat todennäköisesti olleet olemassa jo paljon aiemmin, mutta niistä on mahdoton löytää todisteita, sillä kemialliset jäljet ovat hävinneet kauan aikaa sitten.

Elämän alkuperällä tai elämän synnyllä tarkoitetaan luonnontieteissä elämän ilmaantumista maapallolle noin 3,5-3,9 miljardia vuotta sitten. Näin ollen elämää olisi ollut maapallolla 85-prosenttisesti sen historiasta. Elämän syntyä ei ole kyetty tutkimuksilla kartoittamaan, sillä elämän synnyn ajalta ei ole säilynyt kokonaisia kivikerrostumia. Monet tutkijat väittävät, että elämää syntyy automaattisesti suotuisissa oloissa, elämähän koostuu enimmäkseen yleisistä alkuaineista. Näin elämä olisi melko yleistä maailmankaikkeudessa. Toiset tutkijat sanovat, että elämän synty on erittäin harvinaista tai ainutlaatuista kaikkeudessa, minkä voi päätellä esim. elävän solun rakenteen mutkikkuudesta.

Aivan alussa maa oli elämälle vihamielinen paikka, se oli kuumaa laavaa, ja pitkään sen jälkeenkin meteoriitit pommittivat Maata jatkuvasti.

Elämän synty on tutkijoiden mukaan vaatinut alkeellisten molekyylien, monomeerien, polymeraatiota, ketjuuntumista. Elävät soluthan koostuvat mutkikkaista molekyyleistä, polymeereista.

Elämän perusosasten kuten aminohappojen ajatellaan syntyneen elottomalla tavalla mm. lämmön, sähköpurkausten ja katalyyttien edistäessä energialleen niiden syntyä. Millerin koe 1950-luvulla vahvisti tämän väitteen. Silti ei tiedetä, miten nämä perusmolekyylit ovat järjestyneet valtaviksi, elämän vaatimiksi solun osasiksi, jättimolekyyleiksi. Varhaiset tutkijat ovat olettaneet elämän syntyneen lämpimissä lammikoissa olevista molekyyliliuoksista, nykyään spekuloidaan merenalaisten tulivuorten vierustoja, joissa elämän perusaineita purkautuu tulivuoren uumenista.

Elämän syntymiseen eli kemialliseen evoluutioon liittyy monia arvoituksia, sen on täytynyt olla hyvin hidas prosessi. On kiistelty mm. siitä, kumpi elämän perustoimijoista, geenit vai valkuaiset, syntyivät ensin. Elävässä solussahan geenin synty vaatii valkuaista, ja valkuaisen synty geeniä. Monet tutkijat uskovat alkeellisen geenin, RNA:n syntyneen ensin, mutta tämä ei ole varmaa. On myös spekuloitu molekyylejä keränneiden rasvapisaroiden muistuttaneen alkusoluja. Uskotaan elämän alku kehityksen nopeutuneen kun tehokas valkuaisia tuottava systeemi oli syntynyt. Ensimmäisten solujen oletetaan muistuttaneen alkeellisia tumattomia bakteereja.

Ehkä elämän syntyä arvoituksellisempi on monimutkaisten solujen, aitotumaisten synty. Elämän synnyttyä eliöt olivat kauan aikaa mikroskooppisen pieniä, monisoluisia kehittyi vasta noin 1,2 miljardia vuotta sitten.

[muokkaa] Väittely elämän synnystä

Solujen ja soluelinten alkuperä on herättänyt tiedeyhteisöissä valtavasti väittelyä, koska tiedemiehet eivät kykene selittämään elämän syntyä. Tiedemiehillä on ikään kuin tuhannen palan palapeli, jonka paloista on vain muutama koossa. Elämän synnyn tutkiminen on hidasta, mutta kehittynyt valtavasti viime vuosikymmeninä. Elämän syntyyn liittyvistä olosuhteista on tieteessäkin esitetty monia tietoja ja näkemyksiä, mutta mikään näistä ei ole aukoton, varma tieteellisen tarkka teoria. Yleisesti hyväksyttävää, kattavaa ja täysin tarkkaa mallia elämän synnystä nykytietämyksellä ei vielä ole saatu kehitettyä.

Luonnontieteissä elämän synty ns. elottomasta on ajoitettu 3,5 - 3,9 miljardin vuoden taakse. Elämää on kuitenkin ehkä voinut olla ennen Maan muodostumista ja se olisi voinut kulkeutua tänne avaruuden läpi ns. panspermiaprosessilla, esimerkiksi kulkemalla komeettojen mukana avaruuden läpi. Näin voidaan laajentaa elämän synnyn aikaskaalaa kaikkeudessa 13,7 miljardin vuoden päähän aina alkuräjähdykseen saakka.

Useimmat elämän syntyä selittävät evoluutioteoriaan pohjautuvat mallit sisältävät kuitenkin seuraavat kolme ajatusta:

• Maapallon olosuhteet synnyttivät nykyiselle elämälle välttämättömiä, melko alkeellisia perusmolekyylejä, esim. aminohappoja elottomasti.
• Fosfolipidit, fosforia sisältävät rasvamolekyylit, muodostivat spontaanisti lipidikaksoiskalvoja, jotka ovat soluseinämien perusrakennusaineita. Kaksoiskalvot voivat pisaroitua, ja pisarat kerätä sisäänsä molekyylejä ympäristöstä, ns. lipidimaailmateoria.
• Erityiset RNA-molekyylit, ribotsyymit ovat alkaneet monistaa itseään, ns. RNA-maailma-teoria.

Elämän syntyteorioita rasittaa se, että monet elämälle välttämättömät molekyylit hajoavat niissä oloissa, joissa niiden oletetaan syntyneen (lähinnä Millerin hypoteesin mukaan).

Ulkoa tuotu energia sekä synnyttää että hajottaa molekyylejä. Monet molekyylit hajoavat hydrolyysissä vedessä.

Elämän synty pohjautui hiiltä sisältävien molekyylien ketjuuntumiseen, polymeraatioon. Alkeellista elämää muistuttaisi suuri molekyyli, joka osaa tuottaa kopioita itsestään. Silloin tämä molekyyli yleistyisi, ja kehittyisi mutaatioissa muiksi molekyyleiksi, joista yhdessä tulisi solun toiminnallinen ydin. Elämän kehitystä aminohappojen kokoisista pienistä molekyyleistä sanotaan kemialliseksi evoluutioksi. Kemiallista evoluutiota ei ole kyetty tutkimaan laboratoriossa tai fossiililöydöin, se on olettamus kehityssarjasta elottomien molekyylien ja elävän solun välillä.

Siitä, miten molekyylit ovat muodostaneet eläviä kokonaisuuksia, on kolme teoriaa.

Geenit ensin eli RNA-maailma-teorian mukaan nykyisissä soluissa DNA:n apurina toimiva RNA oli ennen ensimmäisten solujen ilmestymistä pääasiallinen tai todennäköisesti ainoa elämän muoto Maassa. Teoriaa tukee RNA:n kyky säilyttää, siirtää ja monistaa geneettistä tietoa ja sen lisäksi toimia kemiallisia reaktioita katalysoivana molekyylinä, ribotsyyminä. Teorian heikkous on se, että RNA hajoaa helposti hydrolyysissä vedessä, ja säteilyn takia. RNA:lla on vakaampia muunnelmia PNA, TNA ja GNA. On myös spekuloitu että PAH-ketjut olisivat auttaneet RNA:n synnyssä, mutta tätä teoriaa ei ole testattu.

Toinen heikkous on se, että erityyppisten RNA:n osasten synty vaatii erilaisia kemiallisia oloja, jotka eivät esiinny yhdessä, ja joista esim fosfaattiliuso, on luonnossa harvinainen. On arvioitu, että RNA vaatii syntyäkseen 18 eri kemiallista tilaa.

Aineenvaihdunta ensin -teorian mukaan yksinkertaisia reaktioita ja aineenvaihduntaa on ollut ennen geenien syntyä. Aineenvaihdunta tarkoittaa tässä kemiallisten reaktioiden ketjua, jossa yksistä prosesseista vapautuva energia siirtyy toisen prosessin käyttöön, mikä lopulta johtaa monimutkaisempien molekyylien syntyyn.

Sekamallit ovat koko ajan suositumpia malleja, jotka yhdistävät ajatuksia molemmista edellä mainituista malleista.

Teorioissa on vielä joitain puutteita ja niitä voidaan mallintaa ja testata laboratorio-olosuhteissa. Koska koskemattomia kerroskivilajeja Maan alkuajoilta on lähes mahdoton löytää, on teorioiden testaaminen vedenpitävästi käytännössä hankalaa. Teorioiden mukaanhan elämän synnyn vaatima kemiallinen evoluutio on vienyt ainakin miljoonia vuosia.

John Desmond Bernald on ehdottanut, että elämän synnystä on tunnistettavissa muutamia "askeleita".

1. Monomeerin synty
2. Polymeerien, ketjumaisten suurmolekyylien synty
3. Molekyylien evoluutio soluiksi

Desmond on myös ehdottanut, että darwinistinen evoluutio sai alkunsa asteiden 1 ja 2 välissä.

[muokkaa] Elämän kehityksen päävaiheet

• Elämä maapallolla syntyi 3,5-3,9 miljardia vuotta sitten
• Prokaryootit hallitsivat 3,5-2,0 miljardia vuotta sitten
• Hapellinen ilmakehä muodostui n. 2,7 miljardia vuotta sitten
• Eukaryootit kehittyivät 2,1 miljardia vuotta sitten
• Monisoluiset eukaryootit kehittyivät n. 1,2 miljardia vuotta sitten
• Varhaisella kambrikaudella eläinten diversiteetissa räjähdysmäinen kasvu
• Kasvit, sienet ja eläimet valtasivat maan n. 500 miljoonaa vuotta sitten

[muokkaa] Olettamuksia elämän synnystä

On oletettu, että alkuelämä syntyi merenalaisen tulivuoren, mustan savuttajan läheisyydessä. Tulivuori tuotti energiaa ja purki elämän perusrakenneosasia.

Kaikki elämä on järjestäytynyt soluiksi. Paljaalla silmällä näkyvä elämä, kuten ihmiset, kasvit, sienet ja muut eliöt koostuvat aitotumaisista soluista, kun taas mikroskooppisen pienet bakteerit ovat yksisoluisia. Aitotumainen solukoneisto kehittyi 2 - 4 miljardia vuotta sitten, ja se oli yksi suurimmista harppauksista maapallon elämälle.

Eloperäiset oliot eivät ole mitään erikoista ainetta, ne erottuvat ympäristöstään monimutkaisen rakenteensa ansioista. Elävällä oliolla on mm. kyky kasvaa, lisääntyä ja ottaa ravintoa ympäristöstään.

Elämä koostuu suurelta osin alkuaineista, jotka ovat maailmankaikkeudessa yleisiä. Näitä ovat mm. hiili, vety, happi, typpi, rikki ja fosfori. Jotkut eloperäiset molekyylit, mm. solun reaktioita ohjaavat entsyymit voivat vaatia harvinaisempia ns. hivenaineita. meidän tuntemamme elämä perustuu mm. ketjumaisiin ja rengasmaisiin hiiltä sisältäviin molekyyleihin.

Elämän pohjamolekyylejä ovat geenit ja valkuaiset. Geenitietoa voivat sisältää DNA ja RNA. DNA ja RNA koostuvat nukleotideista, joissa on emäs, sokeri ja fosforihappo. Valkuaiset ovat solun rakennusaineita. Toiset valkuaiset ohjaavat solulle elintärkeitä kemiallisia reaktioita. Valkuaiset koostuvat aminohapoista, joita on 22 erilaista. Kolmen nukleotidin pätkä vastaa geneettisessä koodissa yhtä valkuaista. Elämän käyttämät molekyylit ovat valtavia, satojen, jopa miljoonien atomien kokoisia. Todennäköisyys sille, että sattumalta syntyisi edes jokin tuhansista solun reaktioita ohjaavista entsyymeistä, on hyvin pieni. Tämä viittaa elämän synnyn suhteelliseen harvinaisuuteen.

On joitain viitteitä siitä, että elottomat molekyylit voisivat suotuisissa oloissa monimutkaistua alkeellisiksi eloperäisiksi molekyyleiksi. On tehty monia kokeilta, joissa on onnistuttu tuottamaan mm. yksinkertaisista molekyyleistä vedestä, ammoniakista, metaanista jne. alkeellisia eloperäisten suurmolekyylien osasia mm. lämmön, sähköpurkausten ja ultraviolettisäteiden avulla. Näitä alkeellisia molekyylejä esiintyy mm jättiläisplaneettojen ilmakehissä ja tulivuorten purkauskaasuissa. Todennäköisesti orgaanisia yhdisteitä, joita tarvitaan elämän synnylle, ei voisi nykyisessä happi-rikkaassa ympäristössä kehittyä.

Yrityksissä mukailla varhaisia maapallon oloja on saatu molekyylejä reagoimaan keskenään, muodostaen mm. aminohappoja. Tunnetuin on Stanley Millerin ja Harold Ureyn tekemä koe 1953 jossa ohjattiin lämpöä ja sähköpurkauksia vesi-metaani-vety-ammoniakkiseokseen. Tarkoitus oli tutkia venäläisen Oparinin aiemmin esittämiä väitteitä. Kokeessa syntyi 13 22:sta aminohaposta, glysiiniä eniten. Harold Ureyn ja Stanley Millerin koejärjestelmässä 10% hiilestä muuttui organisiksi yhdisteiksi ja 4% aminohapoiksi. Samoja aminohappoja löydettiin vuonna 1969 Australiaan pudonneesta meteoriitista. Alkuaan Espanjan Kataloniasta kotoisin oleva Joan Oro tuotti kokeessaan adeniinia vetysyanidista. Oro tuotti myös DNA:n emästä DNA:n osasia, nukleotideja.

Ultraviolettisäteily toisaalta hajottaa eloperäisiä molekyylejä. On onnistuttu tuottamaan mm valkuaisaineiden osia, aminohappoja. Joitain alkeellisia eloperäisiä molekyylejä leijuu tähtienvälisessä pilvessä, mm alkoholia, ja aminohappoja, glysiiniä ja alaniinia. On myös kyetty tuottamaan lyhyitä RNA:n pätkiä. RNA:han on valkuaisaineiden tuoton apumolekyyli ja elämälle välttämätön. Millerin koetta muistuttavissa kokeissa on tehty jatkotutkimuksia, joiden perusteella oletetaan, että ensimmäiset elävät oliot sisälsivät nykyistä vähemmän aminohappoja.

Günter Wächtershäuser väitti 1980 vastoin Millerin tutkimuksia, että energia elämän syntyyn olisi tullut rautasulfidien hapettumisesta. Reaktiossa syntyi aminohappoja, ja myös kahden-kolman aminohapon ryhmiä, mutta nämä hajaantuivat samoissa oloissa nopeasti hydrolyysissa.

1980-luvun puolivälissä Glasgowin yliopiston tutkija Graham Cairns-Smith esitti oletuksen, jonka mukaan liuoksessa olevat pienet savikiteet auttaisivat eloperäisiä molekyylejä järjestymään. Teoria tuli kuuluisaksi, muttei saanut laajaa kannatusta.

Ei osata sanoa, miten yksinkertaiset eloperäiset molekyylit olisivat järjestyneet elämän tarvitseviksi, valtaviksi suurmolekyyleiksi.

Fosfolipidit, fosforia sisältävät rasvat voivat mm aallokossa pisaroitua ja sulkea sisäänsä eloperäisiä molekyylejä. Nämä fosfolipidipisarat voivat jakautua solun tavoin. Suotuisissa oloissa fosfolipidipisaraan saattaisi syntyä reaktioketju, joka ylläpitää itseään elämän tavoin. Alkeellinen solua muistuttava fosfolipidipisara vaatii ravinnokseen mm aminohappoja ja RNA:n osasia.

On esitetty erilaisia käsityksiä elämän synty-ympäristöstä. Hypoteeseina mahdollista alkuelämän syntypaikoista pidetään muun muassa lämpimiä vuorovesilammikoita, rantavyöhykkeitä, kuumia lähteitä, meren pohjan vulkaanisia saostumia, kuumia maan syvyyksiä ja komeettoja. Myös komeetan ytimeen voi muodostua vettä ja olosuhteet ovat melko vakaat.

Perinteinen ajatus on ollut matala, lämmin lammikko. Nykyisin ollaan löydetty valtameren keskiselänteistä bakteereja melko kuumista oloista "mustien savuttajien", tulivuorten läheltä. Siellä tulivuoret purkavat hiiltä, rikkiä ym. elämän perusosasia. Energia elämän syntyyn olis tullut esim rauta-rikki-reaktioista.

Maan syvyyksistä löydetyt pienet elävät oliot, nanobit, ovat antaneet aihetta päätelmiin, että elämä oliskin saanut alkunsa Maan syvyyksissä, jossa on monia mineraaliaineita elämän rakennuspalikoiksi.

Geneetikot jäljittävät esisoluja geenien avulla. Molekyylin muodossa "fossiileja" voidaan löytää jokaisen nykyisen eliön soluista. Esimerkiksi rna:n geenit ovat kopioituneet lähes muuttumattomina miljardien vuosien ajan kaikilla eliöillä. Nykyisin samoja geenejä jokaiselta eliöltä on löydetty 60, tosin se ei vielä riitä solulle sen elossa pysymiseen.

Arkkieliöt, bakteerit ja aitotumaiset ovat kaiken elämän päähaaraat. Muinoin niiden välillä oli lukuisia eri vaihtoehtoja ristiin rastiin. Aitotumaiset ovat kehittyneet esiaitotumaisten ja bakteerien välisestä symbioosista, joten elämän ns. esi-isä muistutti joko bakteereja tai arkkibakteereja, joista todennäköisesti jälkimmäistä, tosin yhteisen esi-isän ominaisuuksia on vaikea selittää.

Varhainen elämä ei tarvinnut happea, eli se oli anaerobista. Hapellinen ilmakehä syntyi maapallolle n. 3 miljardia vuotta sitten, seurauksena ilmakehästä ja merten syanobakteereista, kun ne pilkkoivat vettä ja tuottivat happea sivutuotteena. Evoluution valintapaine johti symbioosiin, josta syntyi mitokondrioita. Happi oli aluksi vain myrkyllinen jäteaine, jota syntyi energiantuotannosta. Anaerobinen arkkibakteeria muistuttanut esisolu mahdollisesti siemaisi happea kuluttuvan bakteerin sisäänsä ja vältti täten hapen myrkyllisen vaikutuksen. Happea kuluttanut bakteeri sai suojaa ja ravintoaineita isäntäsolulta. Sisäeläjä tarjosi anaerobiselle isännälleen energiaa, jota syntyi tehokkaasti hapellisesta hengityksestä. Tätä tapahtumaa kutsutaan endosymbioosiksi, jota pidettiin vielä 1920-luvulla huuhaana. Näin happea kuluttavat aitotumaiset eliöt nousivat maapallon valtiaiksi. Symbioosin valintapaine on voinut olla myös vetyyn perustuva energiantuotantoa, jossa toinen olisi tuottanut ja toinen kuluttanut sitä, joten aitotumaiset olisivat voineet kehittyä jo varhaisemmassa vaiheessa.

[muokkaa] Mytologisia näkemyksiä

Pääartikkeli:Elämän alkuperä (mytologia)

Monissa uskonnollisissa ja mytologisissa näkemyksissä jokin yliluonnollinen ilmiö tai olento on saanut aikaan elämän.

[muokkaa] Kirjallisuutta

• Paul Davies - Viides ihme: elämän syntyä etsimässä, 1999, ISBN 952-5202-38-0

• Gribbin, John (2005): Syvä yksinkertaisuus: Kaaos, kompleksisuus ja elämän synty. (Alkuteos: Deep Simplicity: Chaos, Complexity and the Emergence of Life, 2004.) Suomentanut Arja Hokkanen. Ursan julkaisuja 95.. Helsinki: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa. ISBN 952-5329-41-0.

• Krauss, Lawrence M. (2002): Atomi: Matka maailmankaikkeuden alusta elämän syntyyn ja siitä edelleen. (Alkuteos: Atom: An Odyssey from the Big Bang to Life on Earth...and Beyond, 2001.) Suomentanut Juha Pietiläinen. Helsinki: Terra Cognita. ISBN 952-5202-51-8.

[muokkaa] Aiheesta muualla

• http://www.solunetti.fi/fi/solubiologia/etusivu/
• Kattava sivusto koskien elämää (englanniksi)
• How Life Began (englanniksi)
• Alkumaapallon mikrobit opettelivat sietämään happea
• Elämän synty ja kehitys maapallolla marxismin ja luonnontieteiden valossa