Eipä uskoisi, että Saharasta kaikkine kuivuuksineen ja hiekkamyrskyineen löytyisi valaiden jäännöksiä. Kuitenkin 1870-luvulta alkaen niitä on sieltä löydetty useista paikoista, joiden on täytynyt olla muinoin meren peitossa. Esimerkiksi 35 miljoonaa vuotta sitten eläneen valaslajin Dorudon atrox (kuvia) lähes täydellinen luuranko löytyi paikasta, jolle on annettu nimi Wadi Hitan, ’Valaiden laakso’. Saharan valasfossiilit ovat merkittäviä dokumentteja muinoin tapahtuneesta nisäkkäiden siirtymisestä maalta merielämään.
Lähes kaikkialta maailmasta löytyy fossiileja, jotka kertovat samanlaista tarinaa: muinaiset eliöt olivat hyvin erilaisia kuin nykyiset. Fossiilien paljastama elämänmuotojen muuttuminen planeetallamme kuvastaa makroevoluutiota, suuria linjoja lajitason yläpuolella. Esimerkkejä siitä ovat elämän siirtyminen maalle ja maaselkärankaisten ilmestyminen tietyn lajiutumisten sarjan välityksellä, massasukupuuttojen vaikutus biodiversiteetille eli monimuotoisuudelle sekä sellaisten adaptaatioiden syntyminen, joita lentotaito edellyttää.
Mainitunkaltaiset muutokset tarjoavat yleisnäkymän elämän evoluutiohistoriaan. Aloitetaan hypoteeseista, jotka koskevat elämän syntyä. Siitähän ei ole olemassa minkäänlaisia fossiileja. Tuonnempana tutustutaan fossiilistoon, joka kertoo elämän historian päävaiheista, ja tekijöihin, jotka ovat muovanneet erilaisten eliöryhmien syntyä ja tuhoa aikojen kuluessa.
Elämä alkoi kemiallisesta evoluutiosta
Nuoren Maan olosuhteet tekivät elämän synnyn mahdolliseksi. Varhaisimmat mikrobien fosiilit ovat 3,5 miljardia eli tuhatta miljoonaa vuotta vanhoja. Mitenkä ne lienee syntyneet? Kemialliset, geologiset ja fysikaaliset havainnot ja kokeet ovat saaneet tutkijat ajattelemaan, että kemialliset ja fysikaaliset prosessit ovat tuottaneet yksinkertaisia soluja neljässä vaiheessa:
- Pienten orgaanisten molekyylien, kuten aminohappojen ja typpeä sisältävien emäksien, syntyminen abioottisesti
- Näiden pienten molekyylien yhtyminen makromolekyyleiksi, kuten proteiineiksi ja nukleiinihapoiksi
- Näiden molekyylien pakkautuminen alkusoluiksi eli pieniksi kalvon peittämiksi pisaroiksi, jotka pitivät sisällään ympäristöstään eristettyjä kemiallisia prosesseja
- Itseänsä kopioivien molekyylien syntyminen; perinnöllisyys tuli mahdolliseksi
Vaikka nämä vaiheet ovatkin spekulatiivisia, ne johtavat ennusteisiin, jotka voidaan testata laboratorioissa. Seuraavassa joitakin todisteita kustakin vaiheesta.
vaihe 1: orgaaniset molekyylit
Planeettamme Maa muotoutui 4,6 miljardia vuotta sitten Aurinkoa ympäröineestä suunnattomasta pöly- ja kivipilvestä. Muutaman sadan miljoonan vuoden ajan Maata pommittivat suuret kivi- ja jäälohkareet, joita oli jäänyt yli aurinkokunnan syntyessä. Törmäykset aiheuttivat niin paljon lämpöä, että kaikki vesi höyrystyi eikä meriä tai järviä päässyt syntymään.
Neljä miljardia vuotta sitten tämä pommitus päättyi, ja näyttämö elämän synnylle oli valmis. Varhaisessa ilmakehässä oli vain vähän happea, ja se oli todennäköisesti sakeana vesihöyrystä. Tulivuoritoiminta toi ilmakehään typpeä ja sen oksideja, hiilidioksidia, metaania, ammoniakkia ja vetyä. Kun Maa jäähtyi, vesihöyry tiivistyi meriksi, ja suuri osa vedystä pakeni avaruuteen.
Lähes sata vuotta sitten 1920-luvulla venäläinen kemisti A. I. Oparin ja brittiläinen tiedemies J. B. S. Haldane esittivät toisistaan tietämättä hypoteesin, että Maan varhainen ilmakehä oli pelkistävä (elektroneja lisäävä) ympäristö, jossa olisi voinut syntyä orgaanisia yhdisteitä. Energia siihen olisi voinut tulla salamoinnista ja UV-säteilystä. Haldane ajatteli, että alkumeret olisivat olleet orgaanisten molekyylien liuos, ”alkuliemi”, josta elämä syntyi.
Vuonna 1953 Chicagon yliopistossa työskennelleet Stanley Miller ja Harold Urey testasivat Oparinin ja Haldanen hypoteesia luomalla laboratorioon olosuhteet, jotka vastasivat silloista käsitystä varhaisen Maan olosuhteista. Koelaitteisto tuotti erilaisia eliöissä esiintyviä aminohappoja muiden orgaanisten yhdisteiden ohella. Monet laboratoriot ovat sen jälkeen toistaneet Millerin ja Ureyn klassisen kokeen käyttäen erilaisia ilmakehän koostumuksia. Eräät niistäkin tuottivat orgaanisia molekyylejä.
On kuitenkin todisteita siitä, että alkuilmakehä muodostui pääasiassa vedystä ja hiilidioksidista eikä ollut sen enempää pelkistävä kuin hapettavakaan (elektroneja poistava). Uudet Miller-Urey-tyyppiset kokeet, joissa on käytetty edellisen kaltaisia neutraaleja ilmakehäkoostumuksia, ovat nekin tuottaneet orgaanisia molekyylejä. Sitä paitsi pienet osat ilmakehää, kuten tulivuorten kraatereissa, ovat voineet olla pelkistäviä. Ehkä ensimmäiset orgaaniset yhdisteet syntyivät niissä. Vuonna 2008 käytettiin uudenaikaisia välineitä niiden molekyylien analysointiin, joita Miller säästi yhdestä kokeestaan. Analyysiraportissa todettiin, että lukuisia aminohappoja olisi syntynyt olosuhteissa, jotka jäljittelivät tulivuoren purkausta.
Toisen hypoteesin mukaan orgaanisia yhdisteitä olisi syntynyt aluksi syvän meren pohjan hydrotermaalisissa aukoissa, joista Maan sisuksista purkautuu kuumaa vettä ja mineraaleja. Eräät näistä aukoista, jotka tunnetaan ns. mustina savuttajina, syöksevät 300-400 -asteista vettä, mikä on niin kuumaa, että niissä syntyneet yhdisteet eivät ehkä olleet vakaita. Mutta toisenlaisissa, ns. emäksisissä aukoissa, vesi on pH-arvoltaan 9-11 ja 40-90 -asteista ja sopivampaa elämän synnylle.
Tulivuoritoimintaa ja emäksisiä hydrotermaalisia aukkoja koskevat tutkimukset osoittavat, että orgaanisten yhdisteiden syntyminen on mahdollista erilaisissa olosuhteissa. Meteoriitit ovat voineet myös olla orgaanisten yhdisteiden lähde. Esimerkiksi Australiaan v. 1969 pudonneen ja 4,5 miljardin vuoden ikäisen Murchisonin meteoriitin kappaleissa on yli 80 erilaista aminohappoa, joista eräitä suuria määriä. Ne eivät voi olla Maasta peräisin, sillä niissä on saman verran L- ja D-muotoisia molekyylejä, jotka ovat toistensa peilikuvia (kirjaimet tulevat latinan sanoista laevus ’vasen’ ja dexter ’oikeanpuoleinen’). Eliöissä esiintyy vain L-muotoisia lukuun ottamatta muutamaa harvaa poikkeusta. Viimeaikoina on Murchisonin meteoriitista löytynyt myös muita elämälle tärkeitä molekyylejä, kuten lipidejä, joista solukalvostot muodostuvat, yksinkertaisia sokereita ja typpiemäksiä, joita tarvitaan DNAssa ja RNAssa.
vaihe 2: makromolekyylit
Pienten orgaanisten molekyylien ilmaantuminen ei riitä tuntemamme kaltaiselle elämälle. Jokaisessa solussa on monenlaisia makromolekyylejä, kuten entsyymejä ja muita proteiineja sekä nukleiinihappoja (DNA, RNA), joita tarvitaan itsekopiointiin. Olisiko tämänlaisia makromolekyylejä voinut syntyä nuorella maapallolla? Vuonna 2009 saatiin osoitus siitä, että RNA:n monomeerien synty voi tapahtua itsekseen yksinkertaisista lähtöaineista. Aminohappo- tai RNA-nukleotidiliuoksen tiputtelemisella kuumalle hiekalle, savelle tai kivelle on saatu aikaan näiden molekyylien polymeerejä. Ne syntyivät itsekseen ilman entsyymien tai ribosomien apua. Toisin kuin proteiinit aminohappopolymeerit ovat sekoitus toisiinsa liittyneitä aminohappoja. Silti on mahdollista, että ne toimivat heikkoina katalysaattoreina erilaisissa kemiallisissa reaktioissa nuoressa Maassa.
vaihe 3: alkusolut
Kaikkien eliöiden täytyy suoriutua lisääntymisestä ja energian prosessoinnista (aineenvaihdunta eli metabolia). DNA-molekyylit sisältävät geneettisen informaation, kuten ohjeet itsensä kopioimiseen tarkasti lisääntymisessä. Se vaatii monimutkaisen entsyymikoneiston ja runsaan varaston nukleotideja, joita solun metabolia tuottaa. Tämä viittaa siihen, että itsensä kopioivat molekyylit ja nukleotideja tuottava metabolia ovat voineet syntyä yhdessä varhaisissa alkusoluissa. Tarpeelliset olosuhteet ovat voineet vallita vesikkeleissä (rakkuloissa) eli nesteen täyttämissä ja kalvomaisen rakenteen sulkemissa rakenteissa. Viimeaikaiset kokeet osoittavat, että abioottisesti tuotetut vesikkeleissä voi esiintyä tietynlaisia elämälle ominaisia piirteitä, kuten yksinkertainen lisääntyminen ja aineenvaihdunta sekä rakkulan sisäisen kemiallisen ympäristön ylläpito.
Em:n kaltaisia vesikkeleitä voi syntyä spontaanisti kun lipidejä ja muita orgaanisia molekyylejä lisätään veteen. Kun näin tapahtuu, lipidimolekyylien vesipakoiset ja vesihakuiset alueet järjestyvät kaksikerroksiseksi kalvoksi solukalvon tapaan. Kun veteen lisätään esim. erästä vulkaanisesta tuhkasta peräisin olevaa mineraalisavea (montmorilloniittia), vesikkeleiden muodostuminen lisääntyy suuresti. Tätä savea arvellaan olleen yleisesti varhaisen Maan pinnalla, ja se tarjoaa pintoja, joilla orgaaniset molekyylit tiivistyvät lisäten todennäköisyyttä, että molekyylit reagoivat keskenään ja muodostavat rakkulamaisia vesikkeleitä. Abioottisesti tuotetut vesikkelit voivat lisääntyä itsekseen ja ne voivat kasvaa kooltaan niiden sisällön laimentumatta. Ne voivat myös absorboida montmorilloniittikappaleita, joihin on kiinnittynyt RNAta ja muita orgaanisia molekyylejä. Myös on osoitettu, että joidenkin vesikkelien kalvo on valikoivasti läpäisevä ja voi saada aikaan aineenvaihduntareaktioita käyttämällä ulkoisia lähtöaineita, mikä myös on tärkeä elämän edellytys.
vaihe 4: kopiointi
Ensimmäinen geneettinen materiaali oli todennäköisimmin RNA, ei DNA. RNA:lla on keskeinen osa proteiinisynteesissä, mutta se voi toimia myös entsyymimäisenä katalysaattorina, ribotsyyminä. Eräät niistä voivat tehdä lyhyiden RNA-kappaleiden kopioita, jos on saatavilla nukleotideja.
Luonnonvalinta molekyylitasolla on tuottanut ribotsyymejä, jotka pystyvät isekopiointiin laboratoriossa. Toisin kuin DNA:n kaksoiskierre, RNA esiintyy ilman paria ja muodostaa erilaisia kolmiulotteisia muotoja nukleotidijärjestyksensä mukaisesti. Tietyn sekvenssin omaavilla RNA-molekyyleillä voi olla muotoja, jotka tekevät mahdolliseksi nopeamman ja tarkemman replikoinnin eli kahdentumisen kuin muilla sekvensseillä ja muodoilla. RNA, joka on kyvykkäin kahdentumaan, saa enemmän jälkeläismolekyylejä kuin muut. Satunnaisesti kopiointivirhe saa aikaan sen muotoisen molekyylin, joka on entistä kyvykkäämpi replikoitumaan. Tämänlaisia valintatapahtumia on saattanut tapahtua nuorella planeetallamme. Niinpä tuntemaamme elämää on saattanut edeltää RNA-elämä, jossa pienet RNA-molekyylit pystyivät kahdentumaan ja varastoimaan geneettistä informaatiota vesikkeleistä, joissa ne asuivat.
Vuonna 2013 tri Jack Szostak kollegoineen onnistuivat rakentamaan vesikkelin, jossa mallina käytetyn RNA-juosteen kopiointi saattoi tapahtua, mikä on ratkaiseva askel luoda vesikkeli, jossa on itsensä kahdentava RNA. Varhaisessa Maassa sellainen kahdentuva katalyyttinen RNA eroaisi monista naapureistaan, joilla ei ollut sellaisia molekyylejä. Jos sellainen vesikkeli kykeni kasvamaan, jakautumaan ja välittämään RNA:nsa jakautumistuloksiinssa, ne olisivat olleet alkusoluja. Vaikka ensimmäiset alkusolut luultavasti kantoivat vain rajallista määrää geneettistä informaatiota, joka määritteli vain muutamia ominaisuuksia, luonnonvalinta olisi alkanut vaikuttaa niiden perimiin ominaisuuksiin. Menestyvimmät alkusolut olisivat lisääntyneet määrältään, koska ne pystyivät hyödyntämään resursseja tehokkaasti ja välittämään kykynsä seuraavalle sukupolvelle.
Kun alkusoluihin ilmestyi RNA-sekvenssejä, joissa oli geneettistä informaatiota, monet muut muutokset tulivat mahdollisiksi. Esim. RNA on voinut antaa mallin, jonka mukaan DNA:n nukleotidit järjestyivät. Kaksoisnauhainen DNA on kemiallisesti vakaampi geneettisen infon säilyttämiseen. Se voi myös kahdentua tarkemmin. Tarkka replikaatio oli edullisempi, kun genomit suurenivat geenien kahdentumisen ja muiden prosessien tuloksena, ja kun yhä enemmän alkusolun ominaisuuksia koodautui geneettiseen informaatioon. Kun DNA ilmestyi, oli näyttämö valmis uusien elämänmuotojen ilmestymiselle ja kukoistamiselle, mistä fosiilit meille kertovat.
Lähteenä: Szostak, J. W.: Evolution. – Teoksessa Biology. A Global Approach. 11. p. 2018. – Pearson, New York.