Takaisin Ajatusvarikolle
-
Back to the Thought Deposit
Dinoglyyfit
-
Dinoglyfs
Oparin ja Odysseia
Tyhjästä on paha nyhjästä, muka. Legendaarinen venäläinen biokemian professori A. I. Oparin oli ensimmäisiä tutkijoita, jotka tarttuivat rohkeasti aiheeseen [1]. Tarzan-kirjoissa Oparin on luvattu kaupunki. Elämän ensi askeleet 4.6 miljardia eli 4600 miljoonaa vuotta sitten ovat eräs ongelmallisimpia kohtia evoluutiohypoteesissa. Jaksoa kutsutaan nimellä "kemiallinen evoluutio".
Edgar Rice Burroughs oli evolutiivisen romantiikan lumoissa. Burroughsin kirjoissa Marsistakin löytyi Tarzan ja gorillayhteisön jäsenet olivat, paitsi paremmin järjestäytyneitä kuin Afrikan neekerit, myös verbaalisesti lahjakkaampia. (Tyylilleen uskollisena lännenkirjoissaan Burroughs paljasti lopussa taitavimman ja viimeisen intiaanisankarin olevan tosiasiassa lapsena ryöstetty kalpeanaama.) Marsissa kehittynyttä omalaatuista elämää esitellään samaan tapaan kuin George Lucaan Tähtien Sodissa. 1870-luvulla italialainen tähtitieteilijä Giovanni Schiaparelli väitti havainneensa Mars-planeetalla pitkiä, selkeitä viivoja. Hän käytti niistä italiankielistä sanaa canali, vesiuomat. Sana kääntyi kuitenkin kanaviksi ja ensimmäinen Marsin elämään liittyvä myytti oli valmis. Marsissa oli sen mukaan aikoinaan elänyt kansa, joka oli sulattanut juomavedekseen Marsin napajäätiköitä. Myös Percival Lowell (1855-1916) käytti 20 viimeistä elinvuottansa kanavien markkinoimiseen. Nämä tutkimukset olivat kuin lähdeteoksena H.G. Wellsin kirjalle "Maailmojen Sota", joka julkaistiin 1898. (Nimeä on sittemmin käytetty samassa asiayhteydessä uudelleenkin.) Mars-planeetan säännölliset kuviot eivät olleet kastelujärjestelmiä, vaan osoittautuivat optisiksi virheiksi teleskoopin linsseissä. Uutinen siis osoittautui ankaksi, mutta ajatuksen siemen oli kylvetty. Ankkaa ei ammuttu julkisuudessa yhtä näyttävästi, kuin se oli otettu esiin. Wellsin kirjasta muokattiin myöhemmin radiokuunnelma, joka lähetettiin New Yorkin radioasemalta vuonna 1938. Kuunnelma sai amerikkalaiset paniikin valtaan, koska uskoa ulkoavaruuden elämään oli uutisoitu vain alkeelliset tieteelliset pohjatiedot omistaneelle yleisölle liki puoli vuosisataa.
Takaisin Venäjälle mennäksemme edesmenneessä Neuvostoliitossa taas uskottiin vielä 1950-luvun lopulla, että Marsin ihmisten kaltaisten pienten eliöiden haaksirikkoutunut alus kiersi Marsia sen lähietäisyydellä [2]. Marsin pinnalla arveltiin kasvavan paikoin sammalta ja jäkälää aina vuoteen 1962 asti [3]. Vuonna 1820 matemaatikko Karl Gauss ehdotti, että Pythagoraan laki esiteltäisiin marssilaisille. Eikös raivattaisi Siperiaan valtaisa suorakulmaisen kolmion muotoinen alue, jossa viljeltäisiin vehnää ja mäntyjä! Parikymmentä vuotta myöhemmin fyysikko Joseph von Littrow esitti ajatuksen, että Saharaan kaivettaisiin ympyröiden ja kolmioiden muotoon kilometrien pituisia ojia, joihin kaadettaisiin bensiiniä ja sytytettäisiin palamaan. Charles Cros taas otaksui 1869 että marssilaisiin saataisiin yhteys heijastamalla avaruuteen Auringon valoa ympäri Eurooppaa sijoitetuilla valtavilla peileillä. Vuonna 1900 Nikola Tesla lähetti avaruusukoille radioviestejä niin voimakkaalla lähettimellä, että ihmisten hiukset nousivat pystyyn kilometrien säteellä. Tesla sai myös vastauksen kuu-ukoilta, totta kai. (Todellisuudessa viesti lienee ollut salaman aiheuttama.) Varsinainen huijaus liittyi britti John Herscheliin, joka matkusti Etelä-Afrikkaan rakentamaan tähtitornia. New York Sun alkoi julkaista "Herschelin" kirjoittamia artikkeleita Kuun yksisarvisista ja siivekkäistä ihmisistä. Toimittaja laski sen varaan, ettei Herschel ehtisi kuulla ratsastuksesta nimellään kauas Etelä-Afrikkaan.
Percival Lowell työn touhussa, Marsin kanvarakennelmat kiikarissa. (Lowell Observatory Photograph)
Oparin vaikutti nuorisokirjailija Burroughin ohella myös nuoreen opiskelijaan, Stanley Milleriin. Valmistumisvaiheessa ollessaan 23-vuotias fyysikon alku sai opettajaltaan, nobelisti Harold Ureyltä, kurssiluennolla Oparinin peruja olleen virikkeen elämän syntyä simuloivien koeolosuhteiden pystyttämisestä laboratoriossa.
Valitettavasti gradutöikseen vuonna 1953
"elämää koeputkessa synnyttäneen" 23-vuotiaan Millerin jubileeraukseen näyttää liittyneen enemmän julkisuussyitä
kuin tarpeen olisi. Em. Loeb nimittäin suoritti
vastaavat kokeet tasan 40 vuotta Milleriä aiemmin, mutta saksaksi julkaistun
artikkelin englannin käännösvirhe CO2:sta CO:iin
pyöri jaloissa aina 80-luvun alkuun saakka [4, 5, 6, 7]. Discovery without priority
is a bitter fruit.
Kemiallista evoluutiota jäljittelevissä kokeissa metaania, ammoniakkia, vetyä ja vesihöyryä sisältävään reaktioastiaan johdetaan voimakkaita sähkövirtoja sekä tehokasta UV-säteilyä. Millerin vuonna 1952 suorittamien kokeiden kaltaisissa koejärjestelyissä saadaan täysin itsestään muodostumaan etikkahapon kaltaisia orgaanisia yhdisteitä, kaikkia viittä DNA:n ja RNA:n nukleiinihapon emäksiä, monia solukalvon lipidejä sekä lysiiniä lukuunottamatta [8] kaikkia 20:stä aminohaposta [9]. - "Elämää koeputkessa", kirjoittivat keltaiset lehdet.
Biomolekyylejä voi siis syntyä itsestään. Tätä ei voi kiistää. Tarkoittaako tämä siis informaation syntymistä sattumalta? Koejärjestelyn tarkempi analyysi paljastaa kokeen epäkohtia.
Ensinnäkin on ymmärrettävä, että happea kokeessa ei missään nimessä saa olla läsnä. Molekulaarinen happi (O2) estää takuuvarmasti järjestäytymisreaktiot. Alkuilmakehän sanotaan ongelman vuoksi olleen "pelkistävä", ja happea alkaneen muodostua vasta paljon myöhemmin kehityksen varrella, vihreiden kasvien kehitettyä alkeellisen fotosynteesin. Hapen poissaolo maailman alussa on kuitenkin täysin hypoteettinen ajatus ja tietyt havainnot puhuvat teoriaa vastaan [10]. Esimerkiksi syvimmältäkin kaivetut metallit ovat saostuneet oksideinaan malmeina, eivätkä suinkaan metallisina ja pelkistyneinä [11]. Jopa populaarissa valtamediassa kuten Tekniikka ja talous -lehdessä on kuvattu näitä löytöjä: "Löydöstänsä tutkijat ovat päätelleet edelleen, että yhteyttäviä eliöitä täytyi olla Maassa jo noin 3,5 miljardia vuotta sitten. Tämä tarkoittaisi käytännössä, että elämän varhaishistoria Maan päällä täytyisi rakentaa suurimmalta osaltaan uusiksi." (http://www.tekniikkatalous.fi/tk/article263161.ece). Siksi toisekseen, merkittävät happitasot ovat välttämättömiä yläilmakehän otsonikerroksen (O3) aikaansaamiseksi. Otsoni taas suojaa Maata biologiselle elämälle kohtalokkailta ultraviolettitasoilta.
Hapettavista olosuhteista puhutaan käytännön pakosta, sillä hapen läsnäollessa kemiallisessa evoluutiossa ei muodostu mitään biokemiallisesti mielenkiintoisia yhdisteitä. Tänä päivänäkin elävässä solussa solunsisäisten olosuhteiden pitää olla hyvin pelkistävät ja tämä on varmistettu eräänlaisen pelkistyspuskurijärjestelmän ansiosta (glutationi yms.) Soluun on varustettu pieniä soluelimiä eli organelleja hapettavinkin olosuhtein. Näiden lysosomien ym. tarkoitus on kuitenkin pilkkoa fagosytoidut infektiiviset partikkelit tai nimenomaan rikkoa solun omat, käytöstä poistetut makromolekyylit alkutekijöihinsä kierrätystä varten. Kyse on solun jätelaitoksesta.
Toisinaan elämän sanotaan syntyneen "alkumeressä". Tällä tarkoitetaan kehityksen myöhäisempiä, koaservaattien tapaisten alkusolujen syntyvaiheita. Kemiallisen evoluution suhteen fraasinomainen alkumeri on kuitenkin virheellinen ilmaus. Biomolekyylien syntyreaktiot ovat kondensaatioreaktioita. Esimerkiksi kaksi aminohappoa muodostaa proteiinien peptidisidoksen vettä lohkaisemalla. Reaktion lopputuotteena on siis dipeptidin lisäksi yksi vesimolekyyli. Le Chatelierin periaatteen mukaisesti jonkin reagenssin ylimäärä johtaa muutokseen jossa sitä kuluu. Mikäli vettä siis olisi ympäristössä ylimäärin, reaktion tasapaino olisi huomattavasti reaktion lähtöaineiden puolella. Alkumeri olisi siis viimeinen paikka, missä kemiallinen evoluutio olisi tapahtunut [12].
Kaikki tunnetut biologiset reaktiot ovat sellaisenaan reversiibelejä, eli kulkevat myös toiseen suuntaan, takaisin lähtöaineittensa puolelle. Makromolekyylit rakentuvat termodynaamiseen ylämäkeen, mikä vaikeuttaa entisestään informaation kasautumista. Sähköpurkausten sanotaan jäljittelevän vulkaanisen alkumaailman salamointia, mikä onkin välttämätön energianlähde kyseisille reaktioille. Ongelma syntyvien pienten rakenneosasten kohdalla on, että ne hajoavat nopeammin kuin ovat syntyneet. Kuvatun kaltaisissa koejärjestelyissä tämä ongelma on ratkaistu ilmalukon avulla, jossa yhdisteet kertyvät kerran muodostuttuaan suojaan sähkönpurkauksilta. Tämä on kuitenkin selektiivistä käsittelyä ja teleonomista toimintaa. Pikkuseikkoihin takertuaksemme enää ei liikutakaan puhtaan sattuman puitteissa. On tietysti teoriassa mahdollista, että syntyneitä molekyylejä olisi saostunut luonnossakin joitakin määriä.
Energian syöttäminen systeemiin ei oikopäätä tarkoita järjestyksen asteen suurenemista. Energian valjastaminen vaatii myllyn tai solun kaltaisen koneen, muuten syötetty energia ainoastaan nopeuttaa hajoamista. UV-säteily esimerkiksi pyrkii muodostamaan metaanista korkean molekyylipainon omaavia öljymäisiä hiilivetyjä, joita ei voi käyttää bioreaktioihin [13]. Fotodissosiaatio rikkoo vettä vety- ja happikaasuksi, joista edellinen karkaa avaruuteen ja jälkimmäinen on tehokkain kemiallisen evoluution este, niin kuin edellä on käynyt ilmi. Ammoniakki rikkoutuu UV-säteilyssä vedyksi ja typeksi.
Kun aminohappojen lähtöaineina käytetään ammoniakkia, metaania ja vetyä, reaktio on eksoterminen ja vapauttaa energiaa 200 Kcal/mol. Tehtäessä aminohappoja typestä, hiilidioksidista ja vesihöyrystä reaktio on endoterminen ja vaatii tapahtuakseen +50 Kcal/mol. Termodynamiikka johtaa kemistit suosimaan Oparinin esittelemää edellisen mallista ilmakehää. Jotta aminohapot edelleen reagoisivat keskenään, pitää myös tehdä työtä (endoterminen reaktio), mikä on epäsuotuisaa vaihtoehtoisiin reaktioihin nähden. Vaihtoehtoisia alkeellisten biomolekyylien reaktioita on toki monia [14]. Aminohapoissa biologisesti merkitykselliset sivuketjut liittyvät aina alfa-hiileen, koeputkessa mihin tahansa kolmesta "selkärangan" hiilestä.
Koeputkessa syntetisoitu "elämä" on raseemista elämää. Tämä tarkoittaa, että syntyneiden aminohappojen kohdalla on yhtä paljon sekä L- että D-aminohappoja. Elämän toistaiseksi melko tuntematon mysteeri on kuitenkin optinen aktiivisuus. Elämän rakennusyksiköt ovat optisesti puhtaita, aminohapot L-aminohappoja ja sokerit D-sokereita. (L niin kuin latinan laevo, vasen. D niin kuin dextro, oikea.) D-aminohappoja käytetään bakteerien peptidoglykaanissa myrkkyinä. Metaboliaan joutuessaan oikeakätinen aminohappo on soraa rattaissa ja hyvin tuhoisa. Keinotekoisesti tuotetuissa seoksissa on parhaimmillaan 49%-51% rasemisaatiosuhteet [*].
Optinen isomeria on hämmentävä havainto. Kehitysopin lautasella tätä palaa ronkitaan ja pyöritellään nenää nyrpistellen. Minkä vuoksi elämä muodostuu vain vasenkätisten aminohappojen ja oikeakätisten sokerien pohjalle? Jollei näin olisi, hukkuisimme kaikkiin tarvittaviin entsyymeihin, koska jokaisen metaboliitin kaksi muotoa tekisivät tarvittavien entsyymien lukumäärästä näiden nykyisen lukumäärän kertoman n! (!!)
Elämän uskotaan syntyneen itseään kopioivan molekyylin synnyttyä. Tällaisen yhdisteen ajatellaan syrjäyttäneen tai ikään kuin syöneen kilpailijansa. Pääehdokas ensimmäiseksi itseään kopioivaksi yhdisteeksi on RNA-molekyyli. Tätä teoriaa ei pidä väheksyä, sillä RNA todellakin on erittäin mielenkiintoinen yhdiste. RNA on enemmän kuin yhdiste. Se on käsite. Ihmisten tuottamassa informaatiossa tunnemme vain softwaren ja hardwaren, ohjelman ja koneen, emme välimuotoa näille. Luonnossa RNA voi toisinaan, harvemmin tosin, esiintyä pääasiallisena informaation kantajana, mutta yleensä se toimii informaation välittäjänä ja selaajana.
Pitkillä nukleiinihapoilla on taipumus pariutua keskenään. Tälle ilmiölle perustuu myös paljon käytetty hybridisaatio-laboratoriotekniikka. Tietyn sekvenssin omaava juoste etsii tehokkaasti oman parinsa. Geneettinen koodi varastoidaan yleensä kaksijuosteisena, vastinjuosteella tuettuna. Kemiallisen evoluution RNA-maailman perustelut pohjautuvat pitkälti havaintoihin, joissa RNA kykenee toisinaan toimimaan proteiinin tavoin katalyyttina. Ilmiö on kiehtova, mutta pitää muistaa, että RNA:n katalysoimissa reaktioissa kyseessä ovat hyvin yksinkertaiset reaktiot, lähinnä oman juosteen katkaisut tietyistä sekvensseistä. "Aika on purkaa ja aika rakentaa", sanoi Saarnaaja nimeään kantavan kirjan kolmannessa luvussa. Purkaminen on helpompaa kuin rakentaminen. RNA:n esiintyminen perustunee pitkälti juuri hybridisaatiotekniikoissa sovellettuun toimintaan. Ribosomin ja snRNA:n (Small nuclear RNA) tapaisissa proteiineista ynnä RNA:sta koostuvissa entsyymikomplekseissa RNA hoitaa sekvenssiselauksen jotta proteiinikompleksi pariutuisi oikeasta kohden nukleiinihappoihin. RNA on lisäksi erittäin labiili eli herkkä molekyyli. RNA:n rakenneosasten synteesi on muihin biomolekyyleihin nähden hankalaa ja valmiskin RNA-molekyyli rikkoutuu välittömästi vähänkään virheellisessä käsittelyssä [15, 16]. Käytännön laboratoriotyöskentelyssä RNA-laboratorio on RNA:tä pilkkovien RNAasien vuoksi eniten tarkkuutta ja streliisiyttä vaativa.
RNA:ta on esitetty ensimmäiseksi koodin kantajaksi myös siitä syystä, että RNA:n sokeriosa riboosi on DNA:n deoksiriboosia helpompi valmistaa. Riboosia syntyy Millerin keitoksissa helpommin, mutta tämä ei millään muotoa tarkoita sitä, ettäkö riboosia syntyisi helposti. Eräs biotekniikan yritys valmisti 90-luvulla tilauksesta kilon riboosisokeria, ja toimituksen hinnaksi tuli 4 miljoonaa markkaa. (Erä valmistettiin vieläpä valmiista orgaanisista lähtöaineista orgaanisen kemistin synteesitaidoilla, ei metaanista, vedestä ja hiilidioksidista.) DNA:n deoksiriboosia ja RNA:n riboosia ei käytännössä kyetä valmistamaan alkuilmakehää simuloivissa olosuhteissa [17].
On taitovirhe puhua elämän synnyttämisestä koeputkessa. Mielestäni kemiallisessa evoluutiossa ei olla joko sisäistetty tai tunnustettu informaation käsitettä. Kyse on kuin aakkosista: kirjainten olemassaolo on eri asia, kuin Encyclopedia Britannica. Shakespearen sonaatit ovat taiteellisesti monisäikeisiä, vaikka ovat muodostuneet yksinkertaisista kirjaimista, sanoista ja lauseista. Mozartin kappaleet ovat musikaalisesti komplekseja, vaikka ovat muodostuneet yksittäisistä ja sinänsä yksinkertaisista nuoteista. Komponentit ja patternit ovat eri asia.
Vaikka elämä muodostuu yksinkertaisista kemikaaleista, ei meidän tule kuvitella, että elävät oliot sitä olisivat. Yksittäiset, vieläpä raseemiset ja sivuketjujen kiinnityspaikoiltaan kirjavat aminohapot, eivät vielä ole elämää. Elämän suuri salaisuus on nimenomaan geneettisten koodien sekvenssi eli merkkijärjestys. Vain hyvin pientä osaa kaikista mahdollisista sekvensseistä on käytetty soluissa. Elämä koostuu sekvenssien saarekkeista. Jokaisen automobiilin osan toiminta voidaan selittää fysiikan ja kemian avulla, mutta auton olemassaolon selitys vaatii muita ulottuvuuksia. Eläkkeelle siirtyessään 40 vuotta menestyksekkään kokeensa jälkeen Stanley Miller kertoo haastattelussa: "Elämän alkuperän ongelma osoittautui paljon vaikeammaksi kuin minä ja useimmat muutkin aavistimme." [18]
Odysseialla on kilpakosijoita ja kemiallisessa evoluutiossa vaaditaan Penelopen kärsivällisyyttä. Mikä salamoinnin valossa ja kosijoiden läsnäollessa päivän aikana Odysseian kuolinpalttinasta saadaan kudottua kokoon, se moninverroin alkumaan yön pimeydessä puretaan - jousenjännittäjää odotellessa.
Pauli Ojala
Biokemisti
Post Troijan Scriptum: Vielä vuoden 1996 syksyllä koko maailma kohisi
Marsin "nanofossiileista". Joukko Yhdysvaltain avaruusvirasto Nasan
tutkijoista ilmoitti silloin, että Etelämantereelta löydetystä ja Marsista
singonneesta meteoriitista oli löytynyt elämän alkeita, fossiloituneita
bakteereja. Meteoriitti kiikutettiin ensin salaa Yhdysvaltain presidentille ja
tältä kysyttiin, uskalletaanko asia paljastaa suurelle yleisölle. Vasta
myöhemmin paljastunut seikka oli, että meteoriittia oli tutkittu jo 14 vuotta
ilman suurempia tunteita ja että kongressi oli juuri päättämässä tutkimusrahoista,
joita suunnataan meteoriittien ja Marsin tutkimiseen. Tiedotustilaisuudessa
toimittajille näytettiin meteoriitista kuvia, joista puuttui mittakaava.
Sittemmin asian ajamista paheksuttiin myös arvostetussa tiedelehti Naturessa. Mutta Heleijaa!
- Mars-mönkijä pääsi matkalleen [19].
Lähteitä:
1. A.I. Oparin, Origin of Life, trans. S. Morgulis (New York:
Macmillan 1924).
2. Kimmo Pälikkö, Markku Särelä. Taustaa - Tekijänoikeudesta maailmaan. KP-Art
1999. s. 94.
3. Tieteen Kuvalehti 10/99 s. 68.
4. Miller, SL (1953) A production of amino acids under possible primitive earth
conditions. Science 117, 528-528.
5. Loeb, W (1913) Ueber das Verhalten des Formamids unter der Wirkung der
stillen Entlandung. Ein Beitrag zur Frage der Stickstoff-Assimilation, Berichte
der deutschen chemischen Gesellschaft 46, 684-697.
6. Yockey, H. P. (1997) Walther Löb, Stanley L. Miller, and prebiotic "building
blocks" in the silent electrical discharge. Perspect. Biol. Med. 41, 125-131.
7. More light on pioneers of electrochemistry Nature, 415, 833 (HP Yockeyn
kirje, 21 February 2002).
8. J. P. Ferris, Prebiotic Synthesis: Problems and Challenges. Cold Spring
Harbor Symposia on Quantitative Biology 52 (1987): 30.
9. Stanley L. Miller, Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth
Conditions. Science 117 (1953): 528-529.
10. Wang, H., and Lynedjian, PB (1997) Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94,
4372-4377.
11. W. Fox, K. Dose, Molecular Evolution and the origin of life (New York:
Marcel Dekker, 1977); I Shklovskii and C. Sagan, Intelligent Life in the
Universe (New York: Dell, 1966) s. 231.
12. W. Fox, K. Dose, Molecular Evolution and the origin of life (New York:
Marcel Dekker, 1977).
13. Thaxton, Bradley ja Olsen, Mystery of Life’s Origin, s. 43.
14. Walter L. Bradley & Charles B. Thaxton, Information and the Origin of Life.
The Creation Hypothesis. Intervarsity Press 1993 s. 173-210.
*Viime vuosina rasemisaatiota on itse asiassa ehdotettu myös
ajanmääritysreaktioksi. Menetelmää ei kuitenkaan otettu koskaan laajaan
käyttöön, käsittääkseni juuri sen vuoksi että se ei antanut paradigmaan sopivia
tuloksia.
15. Kenyon D ym., The RNA world criticue. Origins & Design, Vol 17 no 1. Winter
1996.
16. Madsen BEH, No soup for starters? Autotrophy and the origins of metabolism.
TIBS 20, September 1995 s 337-341.
17. K. Dose, The Origin of Life: More Questions Than Answers. Interdisciplinary
Science Reviews 13 (1988).
18. J Horgan, In the Beginning... Scientific American. February 1991 s. 117.
19. HS 15.8.1998 D1.
http://www.kp-art.fi/default.htm
Pelasta elämä - lahjoita verta!
Safe a Life - Donate Blood!