RNA-maailma

RNA-maailma on eräs abiogeneesihypoteesi, ja sen mukaan ensimmäinen alkukopioituja olisi ollut RNA-molekyyli, tai RNA:n kaltainen molekyyli. RNA-molekyyli on tieteellisen maailmankuvan puitteissa mielekkäämpi ehdokas ensimmäiseksi kopioitujaksi, kuin esimerkiksi kokonainen alkusolu, joka olisi väistämättä suunnattoman paljon RNA-molekyyliä monimutkaisempi. RNA on myös mielekkäämpi ehdokas kuin proteiineista, DNA:sta ja RNA:sta tai edes pelkästään proteiinista ja RNA:sta muodostuva molekyylijoukko, joka tarvitsisi monesta osasta koostuessaan jonkun mekanismin pitämään kaikki osat lähellä ja saatavilla.

Yksinkertainen alkukopioituja?

Solujen kopioituminen tapahtuu pääpiirteissään seuraavasti:

1. DNA tallentaa proteiinien valmistuksessa käytettävän informaation.
2. Tämä informaatio kopioidaan RNA-molekyyliin.
3. Proteiinit tuottavat RNA-molekyylin ohjeen mukaisia uusia proteiineja.
4. Tuotetut proteiinit rakentavat kaikki tarvittavat solun rakennusaineet saatavilla olevista raaka-aineista.
5. Tuotetut proteiinit kasaavat kaikki tarvittavat solun rakenteet tuotetuista ja saatavista rakennusaineista.
6. Tuotetut proteiinit kopioivat myös DNA-molekyylin, jonka ohjeen mukaan nämäkin proteiinit on tuotettu.

Huomataan, että nykyisen elämän tapauksessa tarvitaan DNA:ta jotta voidaan saada proteiineja. Toisaalta tarvitaan myös proteiineja, jotta voidaan saada DNA:ta. Kopioiminen voidaan kuitenkin suorittaa pelkän RNA-molekyylin ja proteiinien varassa, jolloin tiedon säilyminen heikkenee ja kopioitumisen tehokkuus laskee. Toisaalta järjestelmässä on tällöin vähemmän osia, jolloin se on yksinkertaisempi, eikä sen syntyminen sattumalta olekaan enää aivan niin epätodennäköistä. Tällöin RNA hoitaa sekä DNA:n että RNA:n tehtävät, mutta tarvitaan edelleen proteiineja toteuttamaan RNA-molekyyliin tallennettu informaatio.

RNA:lla on havaittu olevan samoja ominaisuuksia kuin joillakin proteiineilla. Sopivanlaiset RNA-molekyylit, ribotsyymit, kykenevät katalysoimaan joitakin kemiallisia reaktioita proteiinientsyymien tavoin. Tämän havainnon pohjalta on lähdetty kehittämään ideaa RNA-kopioitujasta, joka kykenisi hoitamaan informaation varastoimisen lisäksi itse myös sen kopioimisen. Tällöin RNA-molekyyli toimisi samalla sekä "geeninä" että "entsyyminä". Itseään kopioiva RNA-molekyylikompleksi on myös onnistuttu suunnittelemaan laboratoriossa.¹

RNA:n rakenne

Riboosi

Riboosimolekyylit muodostavat yhdessä fosfaattien kanssa RNA-ketjun rungon. Riboosia voidaan syntetisoida formaldehydistä. Riboosia on siis mahdollista valmistaa, mutta formoosireaktio edellyttää riittävän suuria pitoisuuksia juuri oikeita lähtöaineita, koska yhden riboosimolekyylin syntymiseen tarvitaan useita formaldehydimolekyylejä. Alkuliemen täytyisi siis sisältää selittämättömän suuria pitoisuuksia formaldehydia, jotta ne voisivat mielekkäällä todennäköisyydellä reagoida juuri keskenään. Parhaissa laboratorio-olosuhteissakin riboosia syntyy kuitenkin vain n. 7 %.

Riboosi voi esiintyä useissa eri muodoissa ja sattumakemia tuottaa näitä kaikkia. RNA-kopioitujan kannalta avaruusrakenne on kriittisen tärkeä, joten isomeriaerotkin voivat olla ratkaisevia. Nykyisessä elämässä RNA:n rakenneosana toimii D-riboosi (oikeakätinen muoto). Tällaisten optisesti puhtaiden pitkien ketjujen muodostuminen on erittäin epätodennäköistä, ja siksi onkin ehdotettu että alku-RNA olisi voinut hyödyntää myös muita isomeerejä.

Typpiemäs

Lisäksi adeniinin tuotanto syaanivedystä (HCN) on optimiolosuhteissa erittäin pientä, n. 1 % luokkaa. HCN kuitenkin reagoi formaldehydin kanssa, jolloin näiden esiintyminen samassa liemessä vähentäisi sekä riboosin, että typpiemästen tuottoa. Vaihtoehtoisesti riboosin täytyisi syntyä yhdessä liemessä ja typpiemästen toisessa, jonka jälkeen nämä seokset sekoittuisivat sopivalla tavalla. Tällainen tapahtuma olisi alkumaapallollakin ymmärrettävästi harvinainen.

Sytosiinille ja Urasiilille ei tunneta abioottista syntymekanismia, joten alku RNA:n olisi ilmeisesti täytynyt käyttää joitakin muita typpiemäksiä näiden tilalla. Tämä jo murentaa RNA-maailmahypoteesin uskottavuutta, jos raaka-aineiden syntymisen todennäköisyyksiä ei edes tunneta. Guaniinille tunnetaan syntymekanismi, mutta sen syntyminen on huomattavasti epätodennäköisempää kuin adeniinilla. Se vaatii myös niin korkeata HCN-pitoisuutta, ettei riboosia voida synnyttää samassa liemessä, koska sen vaatima formaldehydi reagoisi syaanivedyn kanssa ja estäisi guaniinin synteesin. Guaniinin synteesi olisi kuitenkin optimioloissakin alle 0.1 %.

Fosfaatti

Fosfaatti sitoutuu helposti metalli-ioneihin ja painuu pohjaan. Tämä vähentää käytettävissä olevan fosfaatin määrää.

Ketjuuntuminen

Fosfaattiin ja typpiemäkseen kiinnittyminen voi tapahtua mielivaltaisesti missä tahansa riboosin neljässä hydroksyyliryhmässä. Samoin adeniini voi kiinnittyä mielivaltaisesti kolmessa hydroksyyliryhmässä. Toisin sanoen sekä riboosin että adeniinin rakenteessa on useita kohtia joihin muut molekyylit voivat kiinnittyä aivan yhtä helposti. Vääränlainen kiinnittyminen puolestaan vaikuttaa merkittävästi saatavan molekyylin avaruusrakenteeseen. Jos kuitenkin hyvällä tuurilla onnistuttaisiin synnyttämään riittävän pitkä RNA:n kaltainen molekyyli, sen pitäisi vielä olla erittäin spesifi sikäli, ettei RNA:n tavallisiin ominaisuuksiin kuulu itsensä kopioiminen.

Alkuilmakehä

Geologinen todistusaineisto viittaa voimakkaasti siihen, että alkumaapallon ilmakehä on ollut hapettava, jolloin formoosireaktion raaka-aineena toimiva formaldehydi hajoaisi hyvin helposti. Jos ilmakehässä oli hiilidioksidia, se olisi liuennut veteen muodostaen hiilihappoa, joka tuhoaa hyvin tehokkaasti jo syntyneet riboosimolekyylit. Syaanivety ja formaldehydi reagoivat keskenään, jolloin nukleotidien ja sokereiden synteesit eivät onnistu yhtä aikaa.

Sattumanvaraisen muodostumisen todennäköisyys

Tehdään ihan alkuun pari lieventävää premissiä, joita voidaan varmaankin pitää vähintäänkin reiluina:

1. Ensinnäkin riboosi ja typpiemäkset syntyvät toisistaan erillisissä liemissä, jolloin syaanivety ja formaldehydi eivät häiritse toisiaan.
2. Erillisten lienten yhdistymiseen liittyviä todennäköisyyksiä ei huomioida jatkossa, vaan laskut suoritetaan kaikesta huolimatta niin kuin reaktiot tapahtuisivat samassa liemessä.
3. Tehdään myös täysin epärealistinen oletus, jonka mukaan liemien olosuhteet ovat myös samat, kuin optimaalisissa laboratorio-olosuhteissa.
   • Sopivan riboosimolekyylin syntyminen tapahtuu siis todennäköisyydellä pR = 0.07
   • Sopivan adeniinimolekyylin syntyminen tapahtuu todennäköisyydellä pA 0.01
4. Riboosilla kiinnittyminen voi tapahtua neljässä kohdassa, mutta oletetaan, että keskimäärin joka toisessa kohdassa tapahtuva kiinnittyminen typpiemäkseen tuottaa oikean avaruusrakenteen.
   • Tällöin yhden oikeanlaisen riboosin liittyminen typpiemäkseen oikealla hydroksyyliryhmällä tapahtuu todennäköisyydellä 0.07 * 0.5 = 0.035.
5. Oletetaan myös että alku-RNA käyttää nyky-RNA:n tavoin neljän emäkseen perustuvaa pariutumisjärjestelmää.²
6. Oletetaan että alku-RNA olisi käyttänyt jotakin helpommin saatavaa typpiemästä sytosiinin ja urasiilin lisäksi myös guaniinin paikalla.
   • Koska potentiaalisten typpiemästen syntymisen todennäköisyyttä ei tunneta, oletetaan että kaikki tarvittavat typpiemäkset syntyvät yhtä todennäköisesti kuin adeniini pX = 4 * pA = 4 * 0.01 = 0.04
7. Oletetaan myös, että keskimäärin joka toinen näistä emäksistä sopisi kullekin paikalle RNA-ketjuun, jotta ketju voisi olla oikealla tavalla toiminnallinen kopioidakseen itseään.
8. Lisäksi oletetaan, että adeniini voisi toimivan rakenteen saavuttamiseksi liittyä riboosiin kahdella kolmesta hydroksyyliryhmästään.
   • Oletetaan sama todennäköisyys adeniinin lisäksi myös muille typpiemäksille 0.67 * pX
9. Oletetaan että Fosfaatit syntyvät varmasti ja ne liittyvät riboosimolekyyleihin sopivalla tavalla muodostaen ketjun rungon varmasti.

• Tällöin yhden sopivanlaisen nukleotidin muodostuminen tapahtuisi samalla todennäköisyydellä kuin yhden typpiemäksen ja yhden riboosimolekyyliin kiinnittyminen toisiinsa oikeilla hydroksyyliryhmällään. p(Nukl) = 0.67 * pX * 0.5 * pR = 0.67 * 0.04 * 0.5 * 0.16 = 2.15 * 10^-3

• Yhden oikeanlaisen nukleotidin saamiseksi oikeaan kohtaan ketjussa (ks. Oletus 7.) voidaan nyt laskea todennäköisyys p(Inf) = p(Nukl)^2 = (2.15 * 10^-3)^2 = 4.6 * 10^-6

• Ketjun todennäköisyys pienenee ketjun pituuden mukaan yhtälön p(RNA) = p(Inf)^X , jossa X on ketjun pituus nukleotideinä.

X	p
1	4.6 * 10-6
5	2.1 * 10-27
10	4.2 * 10-54
15	8.7 * 10-81
20	1.8 * 10-107
25	3.7 * 10-123
30	7.6 * 10-161

Vertailun vuoksi koko maailmankaikkeudessa on voinut tapahtua korkeintaan 10^150 fysikaalista tapahtumaa. Ei ole tieteellisesti uskottavaa, että mikään näin pieni (<30 nukleotidia) RNA-molekyyli kykenisi katalysoimaan omaa kopioitumistaan.

Katso myös

ApologetiikkaWiki

• Abiogeneesi