Elämän synty ja elämän puu

Synnyinvuotenani 1953 eräs Stanley Miller -niminen henkilö Chicagon yliopistossa tuli järjestäneeksi mielenkiintoisen laboratoriokokeen. Koejärjestelyyn kuului laitteisto, joka koostui kammioista ja putkistosta. Yhdessä kammiossa kuumennettiin vettä niin, että se höyrystyi ja kulki putkea pitkin toiseen kammioon, jossa oli kaasuja, joita tuohon aikaan arveltiin alkuilmakehän maapallolla sisältäneen: vetyä, metaania ja ammoniakkia ja sinne em. kammiosta tulevaa vesihöyryä. Kammiossa oli myös elektrodit, joilla aiheutettiin salamointia simuloivaa kipinöintiä. Kaasuseos johdettiin sitten kondensaattoriin, jossa se jäähdytettiin kylmän veden avulla. Vesi ja siihen liuenneet molekyylit tiivistyivät keräyspulloon, jonka sisällöstä tehtiin ajoittain kemiallisia analyysejä. Sen tuloksena havaittiin, että liuos sisälsi erilaisia orgaanisia molekyylejä, jotka ovat yleisiä eliöissä, mm. aminohappoja ja pitkiä hiilivetyketjuja.

Elävät olennot sisältävät alkuaineista pääasiassa hiiltä, vetyä, happea, typpeä, rikkiä ja fosforia. Kautta koko eliökunnan niiden prosenttiosuudet ovat melkein yhtä suuret, mikä heijastaa eliöiden kehityksen yhteistä alkua. Hiiliatomin kyky muodostaa neljä kemiallista sidosta mahdollistaa sen, että tämä rajallinen määrä alkuaineita voi muodostaa suuren määrän erilaisia orgaanisia molekyylejä. Pelkistäen voidaan sanoa, että eliökunnan monimuotoisuus on seurausta hiilen ainutlaatuisesta kemiallisesta monipuolisuudesta.

Miten elottomasta tulee elävää? Polttava kysymys, eikä kukaan tiedä tarkasti, mutta vihjeitä asiasta on saatu ja voitu jopa rekonstruoida todennäköisiä tapahtumakulkuja. Puhutaan kemiallisesta evoluutiosta.

Kemia itse antaa vihjeen siitä, kuinka kemialliset reaktiot voivat johtaa DNA:n kaltaisten itseään kopioivien molekyylien syntyyn, ja kuinka ne voivat säädellä muiden molekyylien syntyä. Niin syntyy perusta periytyvyydelle.

Kemiallisista reaktioista paljastuu ominaisuus nimeltä emergenssi. Se tarkoittaa sitä, että alkuaineiden ja yhdisteiden reagoidessa keskenään syntyy yhdisteitä, jotka ovat enemmän kuin osiensa summa. Syntyy uusia ominaisuuksia.

Esimerkiksi vety ja happi ovat kumpikin kaasuja ilmakehässä, mutta kun ne reagoivat keskenään ja muodostuu yhdiste H2O, jolla on ominaisuuksia, joita mainituilla kaasuilla ei itsellään ole. Kyse on nimittäin vedestä, joka on neste.

Planeettamme Maa syntyi noin 4,6 miljardia vuotta sitten. Ilmakehän koostumus poikkesi nykyisestä: vapaata happea ei ollut. Puhutaan pelkistävästä ilmakehästä, joka koostui vesihöyrystä, ammoniakista ja metaanista. Jäämeteorit toivat maapallolle vettä, ja sekä vesi että pelkistävä ilmakehä olivat suotuisia ympäristöjä erilaisille kemiallisille reaktioille, joita jatkui noin 800 miljoonaa vuotta ennenkuin ensimmäiset elämänmuodot ilmaantuivat.

Elämän synnyn ajatellaan yleisesti tapahtuneen neljässä vaiheessa.

1. Monomeerien syntyminen. Alkuilmakehän tapaisissa olosuhteissa syntyy typpiyhdisteitä, jotka johtavat lopulta aminohappojen syntyyn. Ne ovat proteiinien rakennusaineita. Tämän S. Miller sai aikaan laboratotiossaan jo v. 1953 (jolloin muuten myös DNA:n rakenne selvitettiin).

   

2. Polymerisaatio. Monomeerit alkoivat liittyä yhteen eli polymeroitua tuottamaan makromolekyylejä, kun monomeeriliuokset kävivät tarpeeksi väkeviksi. Nykyään arvellaan, että asiaan olisivat vaikuttaneet myös maankuoren rapautumistuotteet, savihiukkaset, joissa esiintyy sähköistä polarisaatiota. Se olisi antanut tarvittavan energian. 

   

3. Polymeerien kasautuminen ja järjestäytyminen. Kun proteiinit alkoivat kasautua yhteen ja vähitellen toimia yhdessä, syntyi protobiontteja, jotka olivat proteiini- tai lipidipallosia. Osa proteiineista alkoi toimia entsyymeinä, yhdisteinä, jotka saavat aikaan muiden yhdisteiden synteesiä. Syntyi alkeellista aineenvaihduntaa eli metaboliaa. 

   

4. Lopuksi kehittyi piirre nimeltä perinnöllisyys. Protobionttiin syntyi ribonukleiinihappoa (RNA) muodostavia molekyylejä, joita sanotaan nukleotideiksi. Ne pystyivät kopioimaan itseään. TNA on yksinkertainen nukleiinihappo, josta entsyymi nimeltä DNA-polymeraasi tuottaa DNA:ta.

Tämä lienee todennäköisin tapahtumasarja, joka synnytti elämän puun tyven, ensimmäisen solun, jolla oli aineenvaihduntaa ja kyky tuottaa itsensä kaltaisia uusia soluja.

Kun eliöiden sukupuuta, evoluutiopuuta, on ryhdytty laatimaan on perusteena ollut ajatus, että yhteiset ominaisuudet todistavat yhteisestä alkuperästä. Deoksiribonukleiinihappo eli DNA sisältää periytyvät ominaisuudet geeneissä, mistä voidaan päätellä, että geenien järjestykset (sekvenssit) ja niiden tuottamat proteiinit dokumentoivat eliön perinnöllisen taustan. Nämä sekvenssit periytyvät vanhemmilta jälkeläisille, ja siksi sisaruksilla on DNA:ssaan ja proteiineissaan suurempi yhtäläisyys kuin saman lajin muilla yksilöillä. Samoin lähilajien DNA muistuttaa toisiaan enemmän kuin muiden lajien, samoin lähisukujen jne.

Esimerkkinä tästä ilmiöstä voidaan mainita eräs selkärankaisilla esiintyvä hemoglobiinin polypeptidi eli aminohappoketju, joka koostuu 146 aminohaposta. Ihmisellä ja gorillalla ketju eroaa vain yhden aminohapon osalta, kun taas etäisempää sukua olevien ihmisen ja hiiren välillä ero on 67 aminohappoa. Vastaavasti voidaan vertailla kokonaisia genomeja: ihminen ja simpanssi ovat geeneiltään 95-98-prosenttisesti samanlaisia, ihminen ja hiiri noin 85-prosenttisesti.