Elämä sai alkunsa maapallolla noin neljä miljardia vuotta sitten. Todennäköisesti se tapahtui tuliperäisen lämpimän maaston koloissa. Mutta minkälainen liemi sai biomolekyylit rikastumaan tällaiseksi elämäksi, jonka nyt tunnemme? Oliko alkuliemessä vettä vai tarjosiko joku muu hapettomissa oloissa syntynyt liuos otollisemmat olot RNA-pohjaisen elämän syntymiselle? Elämän synty on tieteen vaikeimpia kysymyksiä.
– Elämä on yksi prosessi, jatkumo. Elämä on alkanut kerran ja jatkunut neljän miljardin vuoden ajan, sanoo tutkimuspäällikkö Pekka Janhunen Ilmatieteen laitokselta.
Miljardien vuosien kuluessa elämä on kehittynyt molekyyleistä bakteereiksi ja arkeoneiksi, ja uusia haaroja on syntynyt: sieniä, kasveja, eläimiä ja ihmisiä eli aitotumallisia eliöitä. Elämän haarautuminen tumallisiin lajeihin alkoi noin 2,7 miljardia vuotta sitten. Arkeoneissa ja bakteereissa ei puolestaan ole tumaa, ne ovat yksisoluisia tumattomia pieneliöitä.
Elämä on yksi prosessi, jatkumo. Kehityskulku bakteerista ihmiseen tunnetaan evoluution myötä, mutta matka ensimmäisistä molekyyleistä bakteeriksi on täysi mysteeri.
Kaikki eliöt - olivat ne sitten pieniä tai isoja - ovat kuitenkin samaa alkujuurta. Elämän rakennuspalikat eli nukleiinihapot RNA ja DNA ovat bakteereissa, ameeboissa, banaaneissa ja ihmisissä, siis kaikissa eliöissä samat. Nämä perimän osaset, kopioitumisesta vastaavat biomolekyylit ovat pysyneet samoina miljardien vuosien ajan ja ne edustavat järjestystä pitäen sisällään informaation, joka siirtyy sukupolvelta toiselle.
– Me kaikki kannamme soluissamme muistoja elämän alkumetreiltä. Meissä on solukoneisto, joka syntyi miljardeja vuosia sitten, ja kehittyi niin oivalliseksi, että se toimii edelleen, kertoo dosentti Kirsi Lehto Turun yliopistosta.
– Kehityskulku bakteerista ihmiseen tunnetaan jollain lailla evoluution kautta, mutta matka ensimmäisistä molekyyleistä bakteeriksi on täysi mysteeri, koska välivaiheita ei ole enää olemassa. Ne ovat kuolleet sukupuuttoon, selittää Pekka Janhunen elämän varhaista kehittymistä.
Me kaikki kannamme soluissamme muistoja elämän alusta miljardien vuosien takaa. Meissä on solukoneisto, joka kehittyi niin oivalliseksi, että se toimii edelleen.
Bakteeria, sientä, ihmistä, siis jokaista eliötä voi kutsua koneeksi, jossa jokainen atomi on oikealla kohdallaan.
– Jos näin ei olisi, eliö kuolisi, sanoo Pekka Janhunen ja jatkaa eliöiden uskomattomasta kyvystä tehdä kopioita itsestään; eliö pysyy ehjänä ja jakautuu.
– Tällaiseen lisääntymiseen ei yksikään ihmisen tekemä kone toistaiseksi kykene – ainoastaan elämä osaa kopioida itseään jatkuvasti uudelleen, muistuttaa Janhunen. Perinnöllinen informaatio siirtyy näin sukupolvelta toiselle.
Nukleiinihapot RNA ja DNA luovat järjestystä elämään
Kirsi Lehdon mukaan elämä on aineen, energian ja informaation dynaaminen yhdistelmä, joka koko ajan hakee uusia muotoja. Elämä on siis reaktiivista ja yllättävää.
Elämän synty on kemiaa ja alkuaineita oli käytössä yllättävän vähän. Kuusi tärkeää alkuainetta olivat hiili, vety, typpi, happi sekä fosfori ja rikki.
Nukleiinihapot RNA ja DNA edustavat eliöissä järjestystä, vaikka systeemeissä epäjärjestys yleensä lisääntyy. Kun eliö tekee kopion itsestään, lisääntyy ja kasvaa, niin epäjärjestys biomassassa vähenee. Aine ja energia virtaavat eliöiden läpi aikojen kuluessa – neljä miljardia vuotta sitten muodostunut elämä jatkuu edelleen.
Elämä syntyi, koska sen piti taistella olemassaolonsa puolesta.
Toisaalta Pekka Janhunen muistuttaa, että eliöiden kemiallisissa reaktioissa vapautuu lämpöä, joka säteilee avaruuteen pitkäaaltoisena säteilynä, valohiukkasina eli fotoneina. Nämä hiukkaset edustavat epäjärjestystä eli entropiaa kasvaa.
– Elämä tekee siis paikallisesti jekun eli vähentää epäjärjestystä samojen elämän rakennusosasten, RNA:n ja DNA:n kautta, mutta isossa systeemissä epäjärjestys kasvaa fysiikan lämpöopin mukaan, valottaa Pekka Janhunen.
Ajoiko elämän syntyä sattumalta fiksaantunut kemia, jota edusti nukleiinihappojen synty ja niiden kopioituminen sekä tiedon muuntuminen proteiineiksi? Vai määräsikö sitä fysiikan lämpöopista tuttu epäjärjestyksen lisääntyminen?
Elämä tekee paikallisesti jekun: se vähentää epäjärjestystä rakennuspalikoiden, RNA:n ja DNA:n kautta, mutta isossa systeemissä epäjärjestys kasvaa fysiikan lämpöopin mukaan.
Fysiikan lämpöopin eli termodynamiikan toinen pääsääntö epäjärjestyksen lisääntymisestä määrittää kaikkia systeemejä. Epäjärjestyksen lisääntyminen kuvaa todennäköisiä prosesseja. Elämän synty oli siis todennäköinen tapahtuma, ja RNA- ja DNA-pohjainen elämä lähti liikkeelle.
– Elämä syntyi, koska sen piti taistella olemassaolonsa puolesta. Evoluutiota ovat ajaneet kilpailu ja uhkia vastaan suojautuminen, tiivistää Kirsi Lehto.
Kuuntele podcast: Ajoiko elämän syntyä sattumalta fiksaantunut kemia, jota edusti nukleiinihappojen synty ja niiden kopioituminen sekä tiedon muuntuminen proteiineiksi? (Artikkeli jatkuu audion jälkeen.)
Mikä neste tarjosi otolliset olot elämän synnylle?
Elämän alkuperäinen liuotin ei ehkä ollutkaan vesi, koska vesi tuhoaa RNA:n ja DNA:n muutamassa tunnissa. Voisiko liuotin ollakin pelkistävissä hapettomissa oloissa syntynyt formamidi? Se säilyttää RNA:n ja DNA:n pidempään toimintakykyisenä kuin vesi.
Formamidi sisältää hiiltä, vetyä, typpeä, ja happea. Se on syaanivedyn sukulainen ja Maan varhaiset hapettomat ja lämpimät olot edesauttoivat sen muodostumista.
– Oliko kenties joku vulkaaninen lammikko paikka, jossa formamidi ja muut otolliset molekyylit alkoivat rikastua? Ja tästä olisi syntynyt ribonukleiinihappoa RNA:ta, miettii Pekka Janhunen.
Ajatusta tukee se, että formamidi haihtuu 210 celsiusasteessa ja vesi 100:ssa. Kirsi Lehdon mukaan formamidi suojaa hauraita biomolekyylejä ja edistää niiden syntymistä. Tällaiset molekyylit olivat elämän synnyn kannalta oleellisia.
Tulivatko osa näistä elämän synnyttävistä molekyyleistä maapallolle komeetoilta ja meteoriiteiltä? Elämän synty vaatii liukoista fosfaattia, jota nykyään tulee vain meteoriittien mukana Maahan.
– Mutta olisiko tällainen fosfori voinut syntyä aikanaan tuliperäisissä oloissa, pohtii Kirsi Lehto.
Formamidia ei enää löydetä maapallolta, koska elämän synnyn aikaiset lämpimät ja hapettomat olot muuttuivat hapellisiksi yhteyttämisen eli fotosynteesin kautta.
Toisaalta jos elämän syntyä määräsikin fysiikan laki epäjärjestyksen eli entropian lisääntymisestä, alkuliemen olosuhteilla ei niin olisikaan merkitystä? Mutta joku energia sysäsi kaiken liikkeelle miljardeja vuosia sitten.
Kuuntele podcast siitä, kuinka elämä on yksi prosessi jatkumo, ja kuinka me kaikki kannamme soluissamme muistoja miljardien vuosien takaa. (Artikkeli jatkuu audion jälkeen.)
Astrobiologia rakentaa maailmankaikkeuden tarinaa
Dosentti Kirsi Lehdon mukaan astrobiologia rakentaa maailmankaikkeuden elämän suurta tarinaa. Astrobiologiassa tutkijat hakevat syy-seuraussuhteita siitä, miten kaikki alkoi miljardeja vuosia sitten ja eteni kosmiseen ja planeettakunnan kehitykseen.
Usean tieteenalan osaaminen ja tutkimus antavat tietoa astrobiologialle, muun muassa planeettatiede, mikrobiologia ja evoluutiobiologia ja jopa filosofia. Eettiset kysymykset ovat yksi osa astrobiologiaa.
Ihminen on kiinnostunut etsimään omansa kaltaista elämää muilta planeetoilta. Ensimmäisten avaruusohjelmien kautta keskiöön tuli Mars. Tutkimusta on tehty paljon, mutta mitään meidän kaltaisen elämän tapaista sieltä ei ole löydetty.
Keväällä 2018 Euroopan avaruusjärjestö ESA lähetti Marsiin Trace Gas Orbiterin, joka etsii planeetan ympäriltä eloperäisiä kaasuja. Jos näitä ei löydy, niin on hyvin epätodennäköistä, että Maan kaltaista elämää Marsista löytyisi.
– Elämän synty on yksi tieteen vaikeimmista kysymyksistä. Tätä on hankala ymmärtää, kuinka alussa me olemme elämän synnyn suhteen, sanoo tutkimuspäällikkö Pekka Janhunen Ilmatieteen laitokselta.
Katso Yle Tieteen sarja maailmankaikkeudesta: Kosmos – maailmankaikkeus viidessä minuutissa
