Elämää esiintyy nykyään kaikissa maapallon kolkissa: niin syvällä kuumissa kallionkoloissa kuin lumipeitteisillä vuorenhuipuillakin. Ensimmäinen elollinen olio syntyi todennäköisesti tuliperäisen saaren geysirin tekemässä lammikossa.
Saari oli harvoja kuivan maan alueita nuorella maapallolla, joka oli lähes täysin meren peitossa.
Kuumassa maastossa lätäkkö pian taas kuivui lähes kokonaan ennen kuin geysir jälleen suihkutti siihen vettään. Lammikossa, joka vuoroin kuivui, vuoroin täyttyi, käynnistyi kemiallisia reaktioita, joista lopulta syntyi ensimmäinen eliö.
Elollisten olioiden syntyminen elottomista molekyyleistä on Maan historian keskeisimpiä käännekohtia. Yhtä tärkeää kuin se, miten se tapahtui, on kysymys, missä se tapahtui.
Vastaukset myös liittyvät toisiinsa. Tapahtumaketjut, joiden tuloksena ensimmäiset proteiinit syntyivät ja proteiinit ja muut aineet päätyivät soluihin, tarvitsivat tapahtuakseen tietynlaisen ympäristön ja juuri oikeat olosuhteet.
Jos siis saadaan selville, miten elämä syntyi, voidaan myös päätellä, missä se syntyi.
Tutkijoiden mukaan läpimurto on lähellä. Aiemmat teoriat kemiallisista reaktioista, joista elämä syntyi, olivat liian yksinkertaisia. Nyt tutkijoilla on myös ensimmäistä kertaa tekniset välineet, joilla voidaan jäljitellä varhaisen Maan kemiallisia oloja.
Darwin veikkasi lämmintä järveä
Elämän syntyajankohta on edelleen hämärän peitossa. Australiasta on löydetty eloperäiseltä vaikuttavaa hiiltä 4,3 miljardia vuotta vanhoista mineraaleista.
Jos iänmääritys on osunut oikeaan, elämä syntyi melko pian maapallon synnyn jälkeen. Toisen teorian mukaan elämä sai alkunsa vasta 3,7 miljardia vuotta sitten. Siltä ajalta on säilynyt viitteitä yhteyttävistä eliöistä Grönlannin kallioissa.
Tutkijat ovat kuitenkin yhtä mieltä siitä, että elämän on täytynyt syntyä vähintään 3,5 miljardia vuotta sitten. Nykyisin elävien lajien dna:sta tutkijat ovat nimittäin laskeneet, että kaikkien maailman eliölajien yhteinen kantamuoto on ilmestynyt maapallolle viimeistään tuolloin.
Tämä yhteinen esivanhempi kulkee nimellä LUCA eli last universal common ancestor (”viimeinen yleinen yhteinen esivanhempi”).
Sillä on ilmeisesti jo ollut ne biologiset ominaisuudet, jotka nykyisin ovat niin bakteereilla kuin valaillakin: rasvasta koostuva solukalvo, dna:han perustuva geneettinen koodi ja proteiinit, jotka pitävät yllä kemiallisia reaktioita, kuljettavat solujen ainesosia ja pitävät solut koossa.
Nämä tekijät ovat avainasemassa, kun yritetään selvittää, miten elämä sai alkunsa.
Elämän osaset tekevät soluissasi yhteistyötä
Kaikkien Maan eliöiden – myös ihmisen – elämä perustuu samanlaisten molekyylien yhteistoimintaan soluissa. Samojen ainesosien yhteistyö todennäköisesti aikoinaan synnytti elämän.
Dna ja rna luovat uusia proteiineja
Dna sisältää elimistön kaikkien proteiinien rakennusohjeet. Rna välittää dna:n tiedot eteenpäin ja auttaa valmistamaan proteiineja.
Proteiinit tuottavat dna:ta ja rasvoja
Proteiinien ansiosta dna kopioituu uusiin soluihin, kun solut jakautuvat. Ne myös muuttavat dna:n rna:ksi ja tuottavat rasvoja solukalvoon.
Rasva suojaa proteiineja ja dna:ta
Rasvaa eristää solun ympäristöstä ja muodostaa solun sisään lokeroita, joissa proteiinien, dna:n ja rna:n kemialliset reaktiot voivat tapahtua.
Varhaisimman tunnetun tieteellisen teorian elämän synnystä esitti kreikkalainen Aristoteles vuoden 350 eaa. tienoilla. Hän esitti, että elämää syntyy elottomasta aineesta koko ajan.
Ranskalainen biologi Louis Pasteur kumosi tämän teorian 1859. Hän osoitti, että ravinteikkaaseen mutta steriiliin nesteeseen ei itsestään synny bakteereja tai sieniä.
Niitä alkaa esiintyä vasta, kun ravinnenesteeseen pääsee ilmaa – ja sitä kautta ilmassa olevia pieneliöitä.
Pasteurin kokeen pohjalta syntyi teoria, jota monet tutkijat pitävät yhä pätevänä. Sen mukaan elämä on syntynyt maapallolla vain kerran ja sitten se on levinnyt kaikkialle maailmaan. Tämä ajatus on saanut tutkijat etsimään myyttistä elämän alkukotia eli paikkaa, jossa ensimmäinen eliö syntyi.
Ensimmäinen tutkija, joka esitti arvion siitä, millainen paikka elämän alkukoti saattoi olla, oli brittiläinen Charles Darwin. Kirjeessä ystävälleen Joseph Dalton Hookerille vuonna 1871 Darwin kuvaili, miten proteiinit ovat voineet muodostua pienessä lämpimässä järvessä, jonka vedessä oli typpi- ja fosforiyhdisteitä, valoa, lämpöä ja sähkön jännite-eroja.
Sitten proteiinit ovat reagoineet keskenään ja muodostaneet monimutkaisempia yhdisteitä.
Darwinin teoria oli ylimalkainen, mutta se antoi inspiraation uraauurtavaan kokeeseen, joka tehtiin 80 vuotta myöhemmin.
Rna pärjäsi omillaan
Yhdysvaltalaiskemistit Stanley Miller ja Harold Urey päättivät vuonna 1952 luoda laboratorioon vedestä ja metaanin, vedyn ja ammoniakin sekoituksesta olosuhteet, jotka olivat samanlaiset kuin varhaisella maapallolla.
Energianlähteeksi he loivat keinotekoisia salamoita.
Kokeen tuloksena syntyi aminohappoja eli proteiinien perusainesosia. Koe osoitti, että elämän perusaineksen syntyminen oli suhteellisen yksinkertaista niissä olosuhteissa, jotka todennäköisesti olivat vallinneet Maan lapsuudessa.
Viisi vuotta myöhemmin Miller uusi kokeen mutta lisäsi aineiden joukkoon rikkivetyjä.
Ne ovat yhdisteitä, joita on muun muassa tulivuorista purkautuvissa kaasuissa, ja varhaisella maapallolla oli paljon aktiivisia tulivuoria. Epäselväksi jäänestä syystä Miller ei tutkinut kokeensa tuloksia.
Vasta 50 vuotta myöhemmin yksi Millerin opiskelijoista, Jeffrey Bada, löysi sinetöidyt näytteet. Kun hän analysoi ne nykyaikaisilla laitteilla, tulos oli jopa kiinnostavampi kuin Millerin ja Ureyn alkuperäinen koe.
Kemikaaliseos ja keinotekoiset salamat olivat tuottaneet 23 aminohappoa. Yksi niistä oli rikkipitoinen metioniini, joka ihmisen soluissa käynnistää proteiinien muodostumisen.
Proteiinit ovat kuitenkin vain yksi elämän ainesosa. Harmaita hiuksia tutkijoille on aiheuttanut myös eliöiden geneettisen koodin eli dna:n alkuperä. Monet ovat sitä mieltä, että alun perin dna:n tilalla oli rna.
Rna on rakenteeltaan yksinkertaisempi kuin dna, ja se voi toimia sekä geneettisenä koodina että entsyyminä. Nykysoluissa se toimii viestinviejänä, joka siirtää dna:n sisältämät ohjeet eteenpäin solussa. Samalla se toimii entsyyminä, joka auttaa solua tuottamaan proteiineja dna:n ohjeiden mukaan.
Periaatteessa rna pystyy siis kopioimaan itse itsensä.Se on saanut jotkut tutkijat esittämään, että juuri rna on keskeinen ainesosa elämän synnyssä. Heidän mukaansa on mahdollista, että aluksi rna-juosteet huolehtivat niistä tehtävistä, joita nykyisin tekevät dna ja proteiinit. Varhaiset rna-juosteet siis lukivat omaa koodiaan ja loivat sen mukaan uusia rna-juosteita.
Teorian mukaan dna ja proteiinit kehittyivät vasta myöhemmin tekemään eliöiden rakenteesta vakaamman ja toimivamman. Tämä teoria oli pitkään vallitseva, mutta se on nyt saanut kilpailijan, joka näyttää pudottavan pohjan pois rna-maailmalta.
Mikrosiru jäljittelee alkulientä
Toistaiseksi ei ole saatu aikaan rna-molekyyliä, joka kopioisi itseään alkumaapallon olosuhteissa. Vaikka sellainen saataisiinkin tehtyä, on vaikeaa selittää, miten se olisi syntynyt itsestään. Avuksi onkin otettu toinen teoria: ehkä rna ei ollutkaan koskaan yksin, vaan sillä oli apulaisia alusta asti.
Tämä teoria perustuu uudenlaiseen tutkimusalaan, jotka kutsutaan systeemikemiaksi. Siinä tutkitaaan kemiallisia seoksia, joissa on runsaasti erilaisia molekyylejä.
Kokeet voidaan suorittaa esimerkiksi mikrosiruilla, joilla seosten ainesosien määriä voidaan mitata hyvin tarkasti ja aineisiin vaikuttavat ympäristön olosuhteet voidaan säätää tarkalleen. Mikrosiruilla on mahdollista testata iso joukko erilaisia seoksia yhtä aikaa ja tutkia, mitä yhdisteitä seosten reaktioissa syntyy.
Missä elämä syntyi?
Maapallon elämän alkukodiksi on esitetty hyvin erilaisia ympäristöjä: muun muassa merenpohjan kuumia lähteitä ja meteoriitin törmäyksessä syntyneitä kraattereita. Nyt jäljellä on neljä ehdokasta.
Rna sai alkunsa jäässä
PUOLESTA: Rna:n molekyyliketjut ovat voineet syntyä jään sulaessa ja jäätyessä. Kylmyys on voinut vakauttaa syntyneet molekyylit.
VASTAAN: On epävarmaa, oliko nuorella maapallolla jääesiintymiä. Monet kemialliset reaktiot myös tarvitsevat lämpöä.
Meteoriitit toivat elämän ainekset
PUOLESTA: Meteoriiteissa voi olla sinihappoa, joka sisältää elämälle välttämättömiä aineita, kuten hiiltä, vetyä ja typpeä.
VASTAAN: Sinihaposta olisi voinut muodostua elämän rakennusaineita vain vulkaanisissa lähteissä. Yksikään nykyeliö ei käytä sinihappoa.
Elämän ainekset suihkusivat geysireistä
PUOLESTA: Geysirit ja muut tuliperäiset lähteet sisältävät orgaanisia aineita, ja niissä voi syntyä rasvakalvoja ja aminohappoja ja rna:ta.
VASTAAN: Tutkijat eivät ole pystyneet oikein selittämään, miten rna tai dna voisivat syntyä tuliperäisessä lähteessä.
Merenpohjan kuuma lähde suojasi elämän syntyä
PUOLESTA: Merenpohjan kuumat lähteet voivat luoda kiveen huokosia, jotka suojasivat kemiallisia reaktioita samalla tavalla kuin solukalvo.
VASTAAN: Todennäköisyys, että juuri oikeanlaiset molekyylit sattumalta osuvat yhteen merenpohjassa, on häviävän pieni.
Systeemikemian tutkimat seokset ovat todennäköisesti lähin keinotekoisesti aikaansaatavissa oleva vastine sille alkuliemelle, jossa elämä syntyi. Tulokset ovat lupaavia. Kun tutkijat vuonna 2017 testasivat rasva- ja aminohappojen seosta, kävi ilmi, että rasva sai aminohapot asettumaan pareiksi, mikä on keskeinen vaihe proteiinien synnyssä.
Toisissa kokeissa on havaittu, että aminohapot edistävät rna:n muodostumista yksinkertaisista molekyyleistä. Systeeemikemia on ratkaissut monia rna-maailmaan liittyviä ongelmia.
Geneettisen koodin synty on helpompi hahmottaa, kun yhtälöön otetaan mukaan rasvat, aminohapot ja muut aineet.
Ja jos oletetaan, että proteiinit ja rna ovat toimineet yhdessä alusta asti, on helpompi selittää, miten ensimmäiset entsyymit pystyivät kopioimaan itsensä.
Nyt aletaan siis olla lähellä vastausta kysymykseen, miten elämä syntyi.
Kuivuus ja kosteus vuorottelivat
Solujen ainesosien yhteistyö ei kuitenkaan yksin riitä selittämään elämän syntyä.
Lisäksi tarvittiin juuri oikeanlaiset olosuhteet, jotta sopivat kemialliset reaktiot saattoivat tapahtua. Systeemikemia on valottanut myös elämän synnyn ulkoisia tekijöitä.
Vuonna 2017 australialais-yhdysvaltalainen tutkijaryhmä teki kokeen, jossa sekoitettiin rasvahappoja ja nukleotideja, jotka ovat rna:n perusosasia.
Sitten seos altistettiin lämmölle ja happamuudelle ja siitä haihdutettiin vettä ja siihen lisättiin vettä vuoron perään.
Tuloksena oli pitkiä, jopa sadan nukleotidin ketjuja, joita ympäröi rasvakupla.
Nasan kemiallisen evoluution tutkimuskeskuksen kokeissa on menty askel kauemmas menneisyyteen. Kokeet ovat osoittaneet, miten nukleotidit voivat syntyä vielä yksinkertaisemmista molekyyleistä.
Ensimmäisten nukleotidien muodostuminen on keskeisimpiä vaiheita matkalla elämän syntyyn, sillä siihen liittyy hyvin vaativia kemiallisia reaktioita.
Nasan tutkijat saivat selville, miten erilaisten yksinkertaisten aineiden, kuten melamiinin, barbituurihapon ja eri sokerien, seokset voivat tuottaa molekyylejä, jotka muistuttavat rna:n ainesosia. Nämä molekyylit voivat myös asettua ketjuksi, eli ne voivat olla eräänlainen geneettisen koodin esiaste. Tämänkin havainnon avain oli kuivuuden ja kosteuden vaihtelu.
Muiden tutkijoiden samantyyppiset kokeet ovat osoittaneet, että kosteuden ja kuivuuden vaihtelu voi saada myös aminohapot järjestymään ketjuksi. Se voi jopa panna käyntiin eräänlaisen alkeellisen version dna-juosteiden kopioitumisesta.
Monet tutkijat ovatkin vakuuttuneita siitä, että juuri kosteuden ja kuivuuden vuorottelu on ollut keskeinen tekijä elämän synnyssä.
Tutkijat ovat myös löytäneet paikan, jossa olosuhteet ovat juuri oikeat.
Elämä alkoi lammikosta
Darwin veikkasi elämän alkaneen lämpimässä järvessä.
Myöhemmin elämän alkukotia on etsitty merenpohjan kuumista lähteistä. Nykyisin etsintä on suuntautunut varhaisen Maan maa-alueille.
Maan lapsuudessa tulivuoret purkautuivat huomattavasti useammin kuin nykyisin.
Geysirit toivat elämän ainesosat yhteen
1. Yksinkertaiset aineet reagoivat keskenään
Kun yksinkertaiset molekyylit, kuten rasvat, aminohapot ja sokerit, reagoivat lätäkössä, syntyy nukleotideja, jotka ovat dna:n perusta.
2. Kuivuminen tuo molekyylit yhteen
Kun lätäkön vesi haihtuu, pohjaan kerrostuu rasvaa. Rasvakerrosten välissä aminohapot ja nukleotidit voivat muodostaa molekyyliketjuja.
3. Vesi luo solun esiasteen
Kun lätäkköön tulee taas vettä, aineet liukenevat ja veteen syntyy rasvasta kuplia, joissa molekyyliketjuista voi syntyä monimutkaisia aineita.
4. Toisto lisää aineiden monimutkaisuutta
Kuivuuden ja veden vuorottelu tekee aineista yhä monimutkaisempia. Lopulta syntyy aineita, jotka voivat suojata ja kopioida itseään.
5. Elämä tottuu veteen
Luonnonvalinnan myötä syntyy yhä kestävämpiä soluja, jotka tulevat toimeen vedessä. Niiden entsyymit hoitavat ne tehtävät, joihin ennen tarvittiin kuivaa kautta.
Kuivalla maalla oli paljon kuumia lähteitä, joista aika ajoin suihkusi vettä geysireinä kuten nykyisin Islannissa tai Yhdysvaltojen Yellowstonessa.
Geysirien ympärillä oli kuoppia, jotka välillä olivat täynnä geysirin vettä ja välillä kuivuivat lähes kokonaan.
Näissä tuliperäisten saarten lätäköissä vallitsivat juuri oikeat olosuhteet elämän synnylle. Niissä oli paljon tärkeitä orgaanisia aineita ja mineraaleja, ja kuivuuden ja kosteuden vuorottelu tuotti elämän ainesosat ja käynnisti oikeat reaktiot.
Systeemikemian saavutukset ovat saaneet jotkut tutkijat jo ennustamaan, että pian on mahdollista tuottaa laboratoriossa uutta elämää samaan tapaan kuin varhaisen Maan lammikoissa. Se olisi melkoinen sensaatio.
Silti jotkut tutkijat ovat sitä mieltä, että kokonaiskuvan kannalta se olisi varsin vähäpätöinen saavutus. Heidän mukaansa uusien elämän muotojen synty on luonnossa yleinen tapahtuma.
Onneksi uudet tulokkaat eivät ole meille uhka.
Ne häviävät meille, koska meillä elämän konkareilla – koko eliökunnalla bakteereista sinivalaisiin – on evoluutiossa lähes neljän miljardin vuoden etumatka.