Elämän alkuperä | on tieteellinen ongelma, jota ei ole vielä ratkaistu

Fossiilitiedot

Varhaisin väitetty elämä maapallolla

Varhaisimmat väitetyt elämänmuodot ovat fossiilisia mikro-organismeja (tai mikrofossiileja). Niitä löydettiin runsaasti rautaa ja piidioksidia sisältävistä kivilajeista, jotka olivat aikoinaan hydrotermisia purkauksia Nuvvuagittuqin vihreäkivivyöhykkeellä Quebecissä Kanadassa.

Nämä kivet ovat niinkin vanhoja kuin 4,28 miljardia vuotta. Niiden sisältämät putkimaiset muodot on esitetty raportissa. Jos tämä on vanhin todiste elämästä maapallolla, se viittaa siihen, että "elämä syntyi lähes välittömästi" valtamerten muodostuttua 4,4 miljardia vuotta sitten. Stephen Blair Hedgesin mukaan "jos elämä syntyi suhteellisen nopeasti Maassa... se voisi olla yleistä maailmankaikkeudessa".

Edellinen aikaisintaan

Vuonna 2002 tehty tieteellinen tutkimus osoitti, että 3,45 miljardia vuotta vanhat stromatoliittien geologiset muodostumat sisältävät fossiilisia syanobakteereja. Tuolloin oltiin laajalti sitä mieltä, että stromatoliitit olivat maapallon vanhimmat tunnetut elämänmuodot, jotka olivat jättäneet merkinnän olemassaolostaan. Jos elämä siis syntyi maapallolla, se tapahtui joskus 4,4 miljardia vuotta sitten, jolloin vesihöyry nesteytyi ensimmäisen kerran, ja 3,5 miljardia vuotta sitten. Tämä on edellä käsitellyn viimeisimmän löydön tausta.

Varhaisimmat todisteet elämästä ovat peräisin Isuan superkrustisesta vyöhykkeestä Länsi-Grönlannissa ja samankaltaisista muodostumista läheisillä Akilia-saarilla. Tämä johtuu siitä, että siellä esiintyy runsaasti hiilen kevyempää isotooppia. Elävät olennot ottavat kevyempiä isotooppeja, koska se vie vähemmän energiaa. Kalliomuodostumiin joutuvan hiilen alkuainepitoisuus δ¹³ C on noin -5,5.¹² C:stä, biomassan δ¹³ C on -20 ja -30 välillä. Nämä isotooppiset sormenjäljet säilyvät kivissä. Näiden todisteiden avulla Mojzis esitti, että elämää oli olemassa planeetalla jo 3,85 miljardia vuotta sitten.

Muutamat tiedemiehet uskovat, että elämä on saattanut kulkeutua planeetalta toiselle itiöiden avulla. Tämän ajatuksen, joka nykyään tunnetaan nimellä panspermia, esitti ensimmäisenä Arrhenius.

Elämän alkuperää koskevien tutkimusten historia

Spontaani sukupolvi

Vielä 1800-luvun alkupuolella monet uskoivat elämän säännölliseen spontaaniin syntymiseen elottomasta aineesta. Tätä kutsuttiin spontaaniksi sukupolveksi, ja Louis Pasteur kumosi sen. Hän osoitti, että ilman itiöitä bakteerit tai virukset eivät kasvaneet steriilillä materiaalilla.

Darwin

Kirjeessään Joseph Dalton Hookerille 11. helmikuuta 1871 Charles Darwin ehdotti luonnollista prosessia elämän synnylle.

Hän ehdotti, että elämän alkuperäinen kipinä saattoi alkaa "lämpimästä pienestä lammesta, jossa oli kaikenlaisia ammoniakki- ja fosforisuoloja, valoja, lämpöä, sähköä ja niin edelleen". Sen jälkeen muodostui kemiallisesti proteiiniyhdiste, joka oli valmis käymään läpi vielä monimutkaisempia muutoksia". Hän jatkoi selittämällä, että "nykyään tällainen aine ahmittaisiin tai imeytyisi välittömästi, mitä ei olisi tapahtunut ennen elävien olentojen muodostumista".

Haldane ja Oparin

Varsinaista edistystä ei tapahtunut ennen vuotta 1924, jolloin Alexander Oparin päätteli, että ilmakehän happi esti orgaanisten molekyylien synteesin. Orgaaniset molekyylit ovat välttämättömiä rakennusaineita elämän kehittymiselle. Kirjassaan The Origin of Life (Elämän alkuperä) Oparin väitti, että orgaanisten molekyylien "alkukeitto" voisi syntyä hapettomassa ilmakehässä auringonvalon vaikutuksesta. Nämä yhdistyisivät yhä monimutkaisemmiksi, kunnes muodostaisivat pisaroita. Nämä pisarat "kasvaisivat" fuusioitumalla toisten pisaroiden kanssa ja "lisääntyisivät" jakautumalla tytärpisaroiksi, ja näin niillä olisi alkukantainen aineenvaihdunta, jossa ne tekijät, jotka edistävät "solun eheyttä", selviytyisivät, ja ne, jotka eivät selviydy, kuolisivat sukupuuttoon. Monet nykyaikaiset teoriat elämän synnystä lähtevät edelleen liikkeelle Oparinin ajatuksista.

Samoihin aikoihin J.B.S. Haldane esitti myös, että maapallon esibioottiset valtameret, jotka olivat hyvin erilaisia kuin nykyiset valtameret, olisivat muodostaneet "kuuman laimean keiton". Tässä keitossa olisi voinut muodostua orgaanisia yhdisteitä, elämän rakennusaineita. Tätä ajatusta kutsuttiin biopoieesiksi, eli prosessiksi, jossa elävä aine kehittyy itseään monistavista mutta elottomista molekyyleistä.

Varhaiset olosuhteet maapallolla

Ennen 3,8 miljardin vuoden takaista aikaa ei ole juuri lainkaan geologisia merkintöjä. Hadean-kaudella vallinnut ympäristö oli elämälle vihamielinen, mutta sitä, kuinka paljon, ei tiedetä. 3,8-4,1 miljardia vuotta sitten oli ajanjakso, joka tunnetaan nimellä Late Heavy Bombardment (myöhäinen raskas pommitus). Se on saanut nimensä siksi, että monet Kuun kraatterit ovat luultavasti muodostuneet tuolloin. Tilanne muilla planeetoilla, kuten Maassa, Venuksessa, Merkuriuksessa ja Marsissa, on täytynyt olla samanlainen. Nämä törmäykset todennäköisesti sterilisoivat maapallon (tappoivat kaiken elämän), jos sitä olisi ollut olemassa tuolloin.

Useat ihmiset ovat ehdottaneet, että solun kemikaalit antavat viitteitä siitä, millaisia varhaiset meret ovat olleet. Vuonna 1926 Macallum totesi, että solun sytosolin epäorgaaninen koostumus eroaa dramaattisesti nykyaikaisen meriveden koostumuksesta: "Solu... on saanut ominaisuuksia, jotka ovat peräisin menneisyydestä, joka on lähes yhtä kaukana kuin elämän synty maapallolla". Esim: "Kaikki solut sisältävät paljon enemmän kaliumia, fosfaattia ja siirtymämetalleja kuin nykyiset ... valtameret, järvet tai joet". "Anoksisessa, CO₂ -valtaisessa alkuaikojen ilmakehässä geotermisten kenttien sisämaan altaiden kemia olisi [samanlainen kuin nykyaikaisten solujen sisällä oleva kemia]".

Lämpötila

Jos elämä on kehittynyt syvällä valtameressä, lähellä hydrotermistä aukkoa, se on voinut syntyä jo 4-4,2 miljardia vuotta sitten. Jos taas elämä on syntynyt planeetan pinnalla, yleinen käsitys on, että se on voinut syntyä vasta 3,5-4 miljardia vuotta sitten.

Lazcano ja Miller (1994) esittävät, että molekyylien evoluution tahti määräytyi sen mukaan, miten nopeasti vesi kiertää valtameren keskiosien merenalaisissa purkausaukoissa. Täydellinen kierrätys kestää 10 miljoonaa vuotta, joten kaikki siihen mennessä syntyneet orgaaniset yhdisteet muuttuisivat tai tuhoutuisivat yli 300 °C:n lämpötiloissa. He arvioivat, että DNA:n/proteiinin 100 kilobaasin genomin kehittyminen alkeellisesta heterotrofista 7000 geenin filamenttiseksi syanobakteeriksi olisi vaatinut vain 7 miljoonaa vuotta.

Maan ilmakehän historia

Alun perin Maan ilmakehässä ei ollut juuri lainkaan vapaata happea. Se muuttui vähitellen nykyiseksi hyvin pitkän ajan kuluessa (ks. Suuri hapettumistapahtuma). Prosessi alkoi syanobakteereista. Ne olivat ensimmäiset organismit, jotka valmistivat vapaata happea fotosynteesin avulla. Useimmat eliöt tarvitsevat nykyään happea aineenvaihduntaansa varten; vain harvat voivat käyttää muita lähteitä hengitykseen.

On siis odotettavissa, että ensimmäiset proto-organismit olivat kemoautotrofisia eivätkä käyttäneet aerobista hengitystä. Ne olivat anaerobisia.

Nykyiset mallit

Ei ole olemassa "standardimallia" siitä, miten elämä alkoi. Useimmat hyväksytyt mallit perustuvat molekyylibiologiaan ja solubiologiaan:

1. Koska olosuhteet ovat oikeat, syntyy joitakin pieniä perusmolekyylejä. Näitä kutsutaan elämän monomeereiksi. Aminohapot ovat yksi näiden molekyylien tyyppi. Tämä todistettiin Stanley L. Millerin ja Harold C. Ureyn Miller-Urey-kokeessa vuonna 1953, ja nyt tiedämme, että nämä perusrakennusaineet ovat yleisiä kaikkialla avaruudessa. Varhaisella maapallolla olisi ollut niitä kaikkia.
2. Fosfolipidit, jotka voivat muodostaa lipidikaksoiskerroksia, jotka ovat solukalvon pääkomponentti.
3. Nukleotidit, jotka saattavat liittyä satunnaisiksi RNA-molekyyleiksi. Tämä olisi saattanut johtaa itsereplikoituviin ribosyymeihin (RNA-maailman hypoteesi).
4. Kilpailu substraateista valitsisi miniproteiinit entsyymeiksi. Ribosomi on kriittinen proteiinisynteesin kannalta nykyisissä soluissa, mutta meillä ei ole käsitystä siitä, miten se on kehittynyt.
5. Aikaisemmin ribonukleiinihapot olisivat olleet katalyyttejä, mutta myöhemmin nukleiinihapot ovat erikoistuneet genomikäyttöön.

Vaikka perus-biomolekyylien alkuperää ei ole ratkaistu, se on vähemmän kiistanalainen kuin vaiheiden 2 ja 3 merkitys ja järjestys. Peruskemikaalit, joista elämän uskotaan muodostuneen, ovat:

• Metaani (CH₄ ),
• Ammoniakki (NH₃ ),
• Vesi (H₂ O),
• Rikkivety (H₂ S),
• hiilidioksidi (CO₂ ) tai hiilimonoksidi (CO) ja
• Fosfaatti (PO₄^3- ).
• Syaanivety (HCN)

Molekyylinen happi (O₂ ) ja otsoni (O₃ ) olivat joko harvinaisia tai puuttuivat kokonaan.

Kolme vaihetta

• Vaihe 1: Biologisten monomeerien alkuperä
• Vaihe 2: Biologisten polymeerien alkuperä
• Vaihe 3: Evoluutio molekyyleistä soluiksi

Bernal ehdotti, että evoluutio on saattanut alkaa jo varhain, joskus vaiheen 1 ja 2 välillä.

Orgaanisten molekyylien alkuperä

Orgaanisia molekyylejä on varhaisessa maapallossa kolmesta lähteestä:

1. orgaaninen synteesi energialähteiden (kuten ultraviolettivalon tai sähköpurkausten) avulla.
2. Maan ulkopuolisten esineiden, kuten hiilipitoisten meteoriittien (kondriittien), aiheuttamat päästöt;
3. orgaaninen synteesi, jota ohjaavat iskujen aiheuttamat iskut.

Näiden lähteiden arvioiden mukaan raskas pommitus ennen 3,5 miljardia vuotta sitten on tuottanut orgaanisia aineita, jotka ovat verrattavissa muiden energialähteiden tuottamiin määriin.

Millerin koe ja alkukeitto

Vuonna 1953 jatko-opiskelija Stanley Miller ja hänen professorinsa Harold Urey tekivät kokeen, joka osoitti, miten orgaaniset molekyylit ovat voineet muodostua maapallon alkuaikoina epäorgaanisista lähtöaineista.

Tunnetussa Miller-Ureyn kokeessa käytettiin voimakkaasti pelkistettyä kaasuseosta - metaania, ammoniakkia ja vetyä - orgaanisten perusmonomeerien, kuten aminohappojen, muodostamiseen. Nyt tiedämme, että yli puolet maapallon historiasta sen ilmakehässä ei ollut lähes lainkaan happea.

Foxin kokeet

1950- ja 1960-luvuilla Sidney W. Fox tutki peptidirakenteiden spontaania muodostumista olosuhteissa, jotka saattoivat vallita maapallon varhaishistoriassa. Hän osoitti, että aminohapot voivat itsessään muodostaa pieniä peptidejä. Näitä aminohappoja ja pieniä peptidejä voitiin rohkaista muodostamaan suljettuja pallomaisia kalvoja, joita kutsuttiin mikropalloiksi.

Erityisehdot

Jotkut tutkijat ovat ehdottaneet erityisolosuhteita, jotka voisivat helpottaa solusynteesiä.

Savimaailma

A. Graham Cairns-Smith ehdotti savimallia elämän synnylle. Saviteorian mukaan monimutkaiset orgaaniset molekyylit syntyivät vähitellen jo olemassa olevalle epäorgaaniselle alustalle eli liuenneille silikaattikiteille.

Syvästi kuuman biosfäärin malli

Thomas Gold esitti 1970-luvulla teorian, jonka mukaan elämä ei kehittynyt ensin maapallon pinnalla vaan useita kilometrejä maanpinnan alapuolella. 1990-luvun lopulla löydetyt nanobakteerit (bakteereja pienemmät, mutta mahdollisesti DNA:ta sisältävät rakenteet syvissä kivissä) saattavat tukea Goldin teoriaa.

Nykyään on melko hyvin tiedossa, että maapallon matalissa syvyyksissä (jopa viiden kilometrin syvyydessä maanpinnan alapuolella) esiintyy runsaasti mikrobielämää, joka muodostuu pikemminkin extremofiilisistä arkeoista kuin tunnetummista eubakteereista (jotka elävät helpommin saavutettavissa olosuhteissa).

Gold väitti, että eloonjääminen edellyttää ravintoa syvältä, tavoittamattomasta lähteestä, koska orgaanisen aineen lammikossa syntyvä elämä todennäköisesti kuluttaa kaiken ravintonsa ja kuolee sukupuuttoon. Goldin teorian mukaan ravintovirta johtuu alkukantaisen metaanin kaasuuntumisesta maan vaipasta.

Itseorganisoituminen ja monistuminen

Itseorganisoituminen ja itsereplikoituminen ovat elävien järjestelmien tunnusmerkkejä. Epäelävillä molekyyleillä on joskus näitä piirteitä sopivissa olosuhteissa. Esimerkiksi Martin ja Russel osoittivat, että solukalvot, jotka erottavat sisällön ympäristöstä, ja itseorganisoituvien redox-reaktioiden itseorganisoituminen ovat elävien olentojen parhaiten säilyneitä ominaisuuksia. He väittävät, että tällainen epäorgaaninen aine olisi elämän todennäköisin viimeinen yhteinen esi-isä.

Teoriat

RNA-maailman hypoteesi

Tässä hypoteesissa RNA:n sanotaan toimivan sekä entsyyminä että geenien säiliönä. Myöhemmin DNA otti sen geneettisen roolin.

RNA-maailman hypoteesissa ehdotetaan, että ribonukleiinihappoon (RNA) perustuva elämä on edeltänyt nykyistä deoksiribonukleiinihappoon (DNA), RNA:han ja proteiineihin perustuvaa elämää. RNA pystyy sekä tallentamaan geneettistä tietoa, kuten DNA, että katalysoimaan kemiallisia reaktioita, kuten entsyymi. Se on saattanut tukea esisoluista elämää ja olla merkittävä askel kohti soluelämää.

On olemassa joitakin todisteita, jotka tukevat tätä ajatusta:

1. Jotkut RNA:t toimivat entsyymeinä.
2. Jotkin virukset käyttävät RNA:ta periytymiseen.
3. Monet solun perustavimmista osista (jotka kehittyvät hitaimmin) vaativat RNA:ta.

Aineenvaihdunta ja proteiinit

Tämä ajatus viittaa siihen, että proteiinit toimivat ensin entsyymeinä, jotka tuottavat aineenvaihduntaa. Sen jälkeen DNA ja RNA alkoivat toimia geenien säiliöinä.

Myös tästä ajatuksesta on joitakin todisteita, jotka tukevat sitä.

1. Proteiini entsyyminä on nykypäivän elämässä välttämätöntä.
2. Jotkut aminohapot muodostuvat perustavammista kemikaaleista Miller-Ureyn kokeessa. Jotkut kiistävät tämän ajatuksen, koska proteiinit eivät voi kopioida itseään.

Lipidit

Tässä järjestelmässä lipidikaksoiskalvoista koostuvat kalvot syntyvät jo varhaisessa vaiheessa. Kun orgaaniset kemikaalit on suljettu, monimutkaisempi biokemia on mahdollista.

Panspermia

Tämä on Arrheniuksen esittämä ja Fred Hoylen kehittämä ajatus, jonka mukaan elämä kehittyi muualla maailmankaikkeudessa ja saapui Maahan itiöiden muodossa. Tämä ei ole teoria siitä, miten elämä on alkanut, vaan teoria siitä, miten se on voinut levitä. Se on voinut levitä esimerkiksi meteoriittien välityksellä.

Joidenkin mielestä varhainen Mars oli parempi paikka elämän alkamiselle kuin varhainen Maa. Molekyylit, jotka yhdistyivät geneettisen materiaalin muodostamiseksi, ovat monimutkaisempia kuin neljä miljardia vuotta sitten Maassa olleiden orgaanisten (hiilipohjaisten) kemikaalien "alkukeitto". Jos RNA oli ensimmäinen geneettinen materiaali, booria ja molybdeeniä sisältävät mineraalit saattoivat auttaa sen muodostumisessa. Nämä mineraalit olivat paljon yleisempiä Marsissa kuin Maassa.

Uskonnossa

Kristinuskossa jotkut ihmiset torjuvat ajatuksen evoluutiosta. He uskovat, että maapallo on vain muutamia tuhansia vuosia vanha. Tämä tunnetaan nimellä nuoren maan kreationismi. Raamatussa ei kuitenkaan nimenomaisesti mainita maapallon ikää, vaan ainoastaan, että "alussa Jumala loi taivaan ja maan" (1. Moos. 1:1).

Aiheeseen liittyvät sivut

• Astrobiologia
• Varhaisimmat tunnetut elämänmuodot