Ero sivun ”RNA-maailma” versioiden välillä
Ei muokkausyhteenvetoa |
|||
| Rivi 1: | Rivi 1: | ||
RNA-maailma on eräs [[abiogeneesi]]hypoteesi, ja sen mukaan ensimmäinen [[AW:S#alkukopioituja|alkukopioituja]] olisi ollut RNA-molekyyli, tai RNA:n kaltainen molekyyli. RNA-molekyyli on [[Tieteellinen | RNA-maailma on eräs [[abiogeneesi]]hypoteesi, ja sen mukaan ensimmäinen [[AW:S#alkukopioituja|alkukopioituja]] olisi ollut [[wp:RNA|RNA]]-[[wp:molekyyli|molekyyli]], tai RNA:n kaltainen molekyyli. RNA-molekyyli on [[Tieteellinen maailmankatsomus|tieteellisen maailmankatsomuksen]] puitteissa mielekkäämpi ehdokas ensimmäiseksi kopioitujaksi, kuin esimerkiksi kokonainen [[Abiogeneesi#Ensimmäinen solu|alkusolu]], joka olisi väistämättä suunnattoman paljon RNA-molekyyliä monimutkaisempi. RNA on myös mielekkäämpi ehdokas kuin [[wp:proteiini|proteiineista]], [[wp:DNA|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? == | == Yksinkertainen alkukopioituja? == | ||
| Rivi 5: | Rivi 5: | ||
Solujen kopioituminen tapahtuu pääpiirteissään seuraavasti: | Solujen kopioituminen tapahtuu pääpiirteissään seuraavasti: | ||
#DNA tallentaa proteiinien valmistuksessa käytettävän [[informaation]]. | #DNA tallentaa proteiinien valmistuksessa käytettävän [[informaation]]. | ||
# | #Proteiinit kopioivat tämän informaation RNA-molekyyliin. | ||
#Proteiinit tuottavat RNA-molekyylin ohjeen mukaisia uusia proteiineja. | #Proteiinit tuottavat RNA-molekyylin ohjeen mukaisia uusia proteiineja. | ||
#Tuotetut proteiinit rakentavat kaikki tarvittavat solun rakennusaineet saatavilla olevista raaka-aineista. | #Tuotetut proteiinit rakentavat kaikki tarvittavat solun rakennusaineet saatavilla olevista raaka-aineista. | ||
| Rivi 11: | Rivi 11: | ||
#Tuotetut proteiinit kopioivat myös DNA-molekyylin, jonka ohjeen mukaan nämäkin proteiinit on tuotettu. | #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. | Huomataan, että nykyisen elämän tapauksessa tarvitaan DNA:ta jotta voidaan saada proteiineja. Toisaalta tarvitaan myös proteiineja, jotta voidaan saada DNA:ta. Tietyissä tapauksissa kopioiminen voidaan kuitenkin suorittaa pelkän RNA-molekyylin ja proteiinien varassa. Tälläin kuitenkin tiedon säilyminen heikkenee ja kopioitumisen tehokkuus laskee. Toisaalta tällaisessa järjestelmässä on vähemmän osia, jolloin se on yksinkertaisempi, eikä sen syntyminen sattumalta olisikaan enää aivan niin epätodennäköistä, kuin nykyisenlaisen DNA:ta hyödyntävän solun syntyminen. 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 | RNA:lla on havaittu olevan samoja ominaisuuksia kuin joillakin proteiineilla. Sopivanlaiset RNA-molekyylit, ribotsyymit, kykenevät [[wp:katalyytti|katalysoimaan]] joitakin kemiallisia reaktioita proteiinientsyymien tavoin. Tämän havainnon pohjalta on lähdetty kehittämään ideaa RNA-kopioitujasta, joka kykenisi hoitamaan informaation varastoimisen lisäksi itse myös informaation kopioimisen. Tällöin RNA-molekyyli toimisi samalla sekä "geeninä", "viestinä" että "entsyyminä". Itseään kopioiva RNA-molekyylikompleksi on myös onnistuttu suunnittelemaan laboratoriossa.<ref>T A Lincoln and G F Joyce, Science, 2009, DOI: 10.1126/science.1167856</ref> | ||
== RNA:n rakenne == | == RNA:n rakenne == | ||
Tunnetuissa elämänmuodoissa RNA on pitkä pienemmistä molekyyleistä muodostunut molekyyliketju. Sen runko muodostuu [[wp:riboosi|riboosi]]-sokereista ja [[wp:fosfaatti|fosfaateista]], joita on ketjussa vuorotellen. Jokaiseen riboosiin on kiinnittynyt yksi neljästä erilaisesta typpiemäksestä. RNA:ssa nämä emäkset ovat adeniini, guaniini, sytosiini ja urasiili. Tästä riboosin, fosfaatin ja typpiemäksen muodostamasta RNA-ketjun perusyksiköstä käytetään nimitystä "nukleotidi". Nukleotidien järjestys ketjussa, eli emäsjärjestys, määrittää RNA-molekyylin toiminnalliset ominaisuudet. | |||
=== Riboosi === | === 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 %. | Riboosimolekyylit muodostavat yhdessä fosfaattien kanssa RNA-ketjun rungon. Riboosia voidaan syntetisoida [[wp:formaldehydi|formaldehydistä]] formoosireaktiossa. Riboosia on siis mahdollista valmistaa, mutta sopivanlainen 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 [[wp:isomeria|isomeria]]erotkin 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. | Riboosi voi esiintyä useissa eri muodoissa ja sattumakemia tuottaa näitä kaikkia. RNA-kopioitujan kannalta avaruusrakenne on kriittisen tärkeä, joten [[wp:isomeria|isomeria]]erotkin 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. Täysin mielivaltaisesti näitä erilaisia isomeerejä ei kuitenkaan voida käyttää, koska väärän muotoiset osat aiheuttavat molekyylin avaruusrakenteessa vääränlaista mutkittelua. | ||
=== Typpiemäs === | === Typpiemäs === | ||
[[Adeniinin]] tuotanto [[wp:syaanivety|syaanivedystä]] (HCN) on optimiolosuhteissa erittäin pientä, noin 1 % luokkaa. HCN kuitenkin reagoi riboosin tuottamiseksi tarvittavan 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 | [[wp:sytosiini|Sytosiinille]] ja [[wp:urasiili|urasiilille]] ei tunneta abioottista syntymekanismia, joten alku RNA:n olisi ilmeisesti täytynyt käyttää joitakin muita typpiemäksiä näiden tilalla. Tämä heikentää RNA-maailmahypoteesin uskottavuutta, jos sopivien 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 === | ||
| Rivi 34: | Rivi 37: | ||
=== Ketjuuntuminen === | === Ketjuuntuminen === | ||
Fosfaattiin ja typpiemäkseen kiinnittyminen voi tapahtua mielivaltaisesti missä tahansa riboosin neljässä hydroksyyliryhmässä. Samoin adeniini voi kiinnittyä mielivaltaisesti kolmessa | Fosfaattiin ja typpiemäkseen kiinnittyminen voi tapahtua mielivaltaisesti missä tahansa riboosin neljässä [[wp:hydroksyyliryhmä|hydroksyyliryhmässä]]. Samoin adeniini voi kiinnittyä mielivaltaisesti kolmessa eri kohdassa. 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. | ||
Molekyyleillä ei ole myöskään mitään luontaista taipumusta muodostaa pitkiä ketjuja. Kemian tunnetut lainalaisuudet johtavat reaktioita pikemminkin päinvastaiseen suuntaan, koska syntyneet ketjut pyrkivät hajoamaan jos saatavilla on vettä. Jos kuitenkin hyvällä tuurilla riittävän pitkä RNA:n kaltainen molekyyli sattuisi syntymään, sen pitäisi vielä olla emäsjärjestykseltään ja avaruusrakenteeltaan erittäin täsmällinen. RNA:n tavallisiin ominaisuuksiin ei kuulu itsensä kopioiminen, vaan itseään kopioivat RNA-molekyylit ovat poikkeuksellisen harvinaisia. | |||
== Alkuilmakehä == | == Alkuilmakehä == | ||
| Rivi 42: | Rivi 47: | ||
== Sattumanvaraisen muodostumisen todennäköisyys == | == Sattumanvaraisen muodostumisen todennäköisyys == | ||
Tehdään ihan alkuun | Jotta RNA-maailmahypoteesin uskottavuutta voidaan arvioida realistisesti, on syytä yrittää laskea sopivan alkukopioitujan, eli tässä tapauksessa oman kopioitumisensa katalysoimiseen kykenevän RNA-molekyylin, sattumanvaraisen synnyn todennäköisyydelle erittäin reilua yläraja-arviota. Pyritään siis arvioimaan oikein reilusti oletetun alkukopioitujan spontaanin synnyn todennäköisyyttä käyttäen arvioiden lähtökohtana "yksinkertainen alku-RNA-hypoteesia". Tehdään ihan alkuun muutama lieventävä alkuoletus, joita voidaan varmaankin pitää vähintäänkin reiluina: | ||
#Ensinnäkin riboosi ja typpiemäkset syntyvät toisistaan erillisissä liemissä, jolloin syaanivety ja formaldehydi eivät häiritse toisiaan. | #Ensinnäkin riboosi ja typpiemäkset syntyvät toisistaan erillisissä liemissä, jolloin syaanivety ja formaldehydi eivät häiritse toisiaan. | ||
| Rivi 53: | Rivi 58: | ||
#Oletetaan myös että alku-RNA käyttää nyky-RNA:n tavoin neljän emäkseen perustuvaa pariutumisjärjestelmää.<ref>Myös kahden emäksen pariutumisjärjestelmä olisi mahdollinen, mutta ei ole mitään näyttöä tällaisen molekyylin mahdollisesta entsyymiaktiivisuudesta. Toisaalta myös useamman emäksen järjestelmä olisi mahdollinen, mutta silloin molekyylistä tulee taas huomattavasti epätodennäköisempi.</ref> | #Oletetaan myös että alku-RNA käyttää nyky-RNA:n tavoin neljän emäkseen perustuvaa pariutumisjärjestelmää.<ref>Myös kahden emäksen pariutumisjärjestelmä olisi mahdollinen, mutta ei ole mitään näyttöä tällaisen molekyylin mahdollisesta entsyymiaktiivisuudesta. Toisaalta myös useamman emäksen järjestelmä olisi mahdollinen, mutta silloin molekyylistä tulee taas huomattavasti epätodennäköisempi.</ref> | ||
#Oletetaan että alku-RNA olisi käyttänyt jotakin helpommin saatavaa typpiemästä sytosiinin ja urasiilin lisäksi myös guaniinin paikalla. | #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 | #*Koska potentiaalisten typpiemästen syntymisen todennäköisyyttä ei tunneta, oletetaan että kaikki neljä tarvittavaa typpiemästä syntyvät yhtä todennäköisesti kuin adeniini pX = 4 * pA = 4 * 0.01 = 0.04 | ||
#Oletetaan myös, että keskimäärin joka toinen näistä emäksistä sopisi kullekin paikalle RNA-ketjuun, jotta ketju voisi olla oikealla tavalla toiminnallinen kopioidakseen itseään. | #Oletetaan myös, että keskimäärin joka toinen näistä emäksistä sopisi kullekin paikalle RNA-ketjuun, jotta ketju voisi olla oikealla tavalla toiminnallinen kopioidakseen itseään. | ||
#Lisäksi oletetaan, että adeniini voisi toimivan rakenteen saavuttamiseksi liittyä riboosiin kahdella kolmesta | #Lisäksi oletetaan, että adeniini voisi toimivan rakenteen saavuttamiseksi liittyä riboosiin kahdella kolmesta kiinnittymiskohdastaan. | ||
#*Oletetaan sama todennäköisyys adeniinin lisäksi myös muille typpiemäksille 0.67 * pX | #*Oletetaan sama todennäköisyys adeniinin lisäksi myös muille typpiemäksille 0.67 * pX | ||
#Oletetaan että Fosfaatit syntyvät varmasti ja ne liittyvät riboosimolekyyleihin sopivalla tavalla muodostaen | #Oletetaan että Fosfaatit syntyvät varmasti ja ne liittyvät myös varmasti riboosimolekyyleihin sopivalla tavalla muodostaen molekyyliketjun rungon. | ||
*Tällöin yhden sopivanlaisen nukleotidin muodostuminen tapahtuisi samalla todennäköisyydellä kuin yhden typpiemäksen ja yhden riboosimolekyyliin kiinnittyminen toisiinsa | *Tällöin yhden sopivanlaisen nukleotidin muodostuminen tapahtuisi samalla todennäköisyydellä kuin yhden typpiemäksen ja yhden riboosimolekyyliin kiinnittyminen toisiinsa oikealla tavalla. p(Nukl) = 0.67 * pX * 0.5 * pR = 0.67 * 0.04 * 0.5 * 0.16 = 2.15 * 10<sup>-3</sup> | ||
*Yhden oikeanlaisen nukleotidin saamiseksi oikeaan kohtaan ketjussa (ks. Oletus 7.) voidaan nyt laskea todennäköisyys p(Inf) = p(Nukl)<sup>2</sup> = (2.15 * 10<sup>-3</sup>)<sup>2</sup> = 4.6 * 10<sup>-6</sup> | *Yhden oikeanlaisen nukleotidin saamiseksi oikeaan kohtaan ketjussa (ks. Oletus 7.) voidaan nyt laskea todennäköisyys p(Inf) = p(Nukl)<sup>2</sup> = (2.15 * 10<sup>-3</sup>)<sup>2</sup> = 4.6 * 10<sup>-6</sup> | ||
Versio 17. lokakuuta 2009 kello 11.44
RNA-maailma on eräs abiogeneesihypoteesi, ja sen mukaan ensimmäinen alkukopioituja olisi ollut RNA-molekyyli, tai RNA:n kaltainen molekyyli. RNA-molekyyli on tieteellisen maailmankatsomuksen 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:
- DNA tallentaa proteiinien valmistuksessa käytettävän informaation.
- Proteiinit kopioivat tämän informaation RNA-molekyyliin.
- Proteiinit tuottavat RNA-molekyylin ohjeen mukaisia uusia proteiineja.
- Tuotetut proteiinit rakentavat kaikki tarvittavat solun rakennusaineet saatavilla olevista raaka-aineista.
- Tuotetut proteiinit kasaavat kaikki tarvittavat solun rakenteet tuotetuista ja saatavista rakennusaineista.
- 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. Tietyissä tapauksissa kopioiminen voidaan kuitenkin suorittaa pelkän RNA-molekyylin ja proteiinien varassa. Tälläin kuitenkin tiedon säilyminen heikkenee ja kopioitumisen tehokkuus laskee. Toisaalta tällaisessa järjestelmässä on vähemmän osia, jolloin se on yksinkertaisempi, eikä sen syntyminen sattumalta olisikaan enää aivan niin epätodennäköistä, kuin nykyisenlaisen DNA:ta hyödyntävän solun syntyminen. 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 informaation kopioimisen. Tällöin RNA-molekyyli toimisi samalla sekä "geeninä", "viestinä" että "entsyyminä". Itseään kopioiva RNA-molekyylikompleksi on myös onnistuttu suunnittelemaan laboratoriossa.1
RNA:n rakenne
Tunnetuissa elämänmuodoissa RNA on pitkä pienemmistä molekyyleistä muodostunut molekyyliketju. Sen runko muodostuu riboosi-sokereista ja fosfaateista, joita on ketjussa vuorotellen. Jokaiseen riboosiin on kiinnittynyt yksi neljästä erilaisesta typpiemäksestä. RNA:ssa nämä emäkset ovat adeniini, guaniini, sytosiini ja urasiili. Tästä riboosin, fosfaatin ja typpiemäksen muodostamasta RNA-ketjun perusyksiköstä käytetään nimitystä "nukleotidi". Nukleotidien järjestys ketjussa, eli emäsjärjestys, määrittää RNA-molekyylin toiminnalliset ominaisuudet.
Riboosi
Riboosimolekyylit muodostavat yhdessä fosfaattien kanssa RNA-ketjun rungon. Riboosia voidaan syntetisoida formaldehydistä formoosireaktiossa. Riboosia on siis mahdollista valmistaa, mutta sopivanlainen 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. Täysin mielivaltaisesti näitä erilaisia isomeerejä ei kuitenkaan voida käyttää, koska väärän muotoiset osat aiheuttavat molekyylin avaruusrakenteessa vääränlaista mutkittelua.
Typpiemäs
Adeniinin tuotanto syaanivedystä (HCN) on optimiolosuhteissa erittäin pientä, noin 1 % luokkaa. HCN kuitenkin reagoi riboosin tuottamiseksi tarvittavan 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 heikentää RNA-maailmahypoteesin uskottavuutta, jos sopivien 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 eri kohdassa. 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.
Molekyyleillä ei ole myöskään mitään luontaista taipumusta muodostaa pitkiä ketjuja. Kemian tunnetut lainalaisuudet johtavat reaktioita pikemminkin päinvastaiseen suuntaan, koska syntyneet ketjut pyrkivät hajoamaan jos saatavilla on vettä. Jos kuitenkin hyvällä tuurilla riittävän pitkä RNA:n kaltainen molekyyli sattuisi syntymään, sen pitäisi vielä olla emäsjärjestykseltään ja avaruusrakenteeltaan erittäin täsmällinen. RNA:n tavallisiin ominaisuuksiin ei kuulu itsensä kopioiminen, vaan itseään kopioivat RNA-molekyylit ovat poikkeuksellisen harvinaisia.
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
Jotta RNA-maailmahypoteesin uskottavuutta voidaan arvioida realistisesti, on syytä yrittää laskea sopivan alkukopioitujan, eli tässä tapauksessa oman kopioitumisensa katalysoimiseen kykenevän RNA-molekyylin, sattumanvaraisen synnyn todennäköisyydelle erittäin reilua yläraja-arviota. Pyritään siis arvioimaan oikein reilusti oletetun alkukopioitujan spontaanin synnyn todennäköisyyttä käyttäen arvioiden lähtökohtana "yksinkertainen alku-RNA-hypoteesia". Tehdään ihan alkuun muutama lieventävä alkuoletus, joita voidaan varmaankin pitää vähintäänkin reiluina:
- Ensinnäkin riboosi ja typpiemäkset syntyvät toisistaan erillisissä liemissä, jolloin syaanivety ja formaldehydi eivät häiritse toisiaan.
- Erillisten lienten yhdistymiseen liittyviä todennäköisyyksiä ei huomioida jatkossa, vaan laskut suoritetaan kaikesta huolimatta niin kuin reaktiot tapahtuisivat samassa liemessä.
- 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
- 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.
- Oletetaan myös että alku-RNA käyttää nyky-RNA:n tavoin neljän emäkseen perustuvaa pariutumisjärjestelmää.2
- 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 neljä tarvittavaa typpiemästä syntyvät yhtä todennäköisesti kuin adeniini pX = 4 * pA = 4 * 0.01 = 0.04
- Oletetaan myös, että keskimäärin joka toinen näistä emäksistä sopisi kullekin paikalle RNA-ketjuun, jotta ketju voisi olla oikealla tavalla toiminnallinen kopioidakseen itseään.
- Lisäksi oletetaan, että adeniini voisi toimivan rakenteen saavuttamiseksi liittyä riboosiin kahdella kolmesta kiinnittymiskohdastaan.
- Oletetaan sama todennäköisyys adeniinin lisäksi myös muille typpiemäksille 0.67 * pX
- Oletetaan että Fosfaatit syntyvät varmasti ja ne liittyvät myös varmasti riboosimolekyyleihin sopivalla tavalla muodostaen molekyyliketjun rungon.
- Tällöin yhden sopivanlaisen nukleotidin muodostuminen tapahtuisi samalla todennäköisyydellä kuin yhden typpiemäksen ja yhden riboosimolekyyliin kiinnittyminen toisiinsa oikealla tavalla. 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 10150 fysikaalista tapahtumaa. Ei ole tieteellisesti uskottavaa, että mikään näin pieni (<30 nukleotidia) RNA-molekyyli kykenisi katalysoimaan omaa kopioitumistaan.
Katso myös
ApologetiikkaWiki
Viitteet
- ^ T A Lincoln and G F Joyce, Science, 2009, DOI: 10.1126/science.1167856
- ^ Myös kahden emäksen pariutumisjärjestelmä olisi mahdollinen, mutta ei ole mitään näyttöä tällaisen molekyylin mahdollisesta entsyymiaktiivisuudesta. Toisaalta myös useamman emäksen järjestelmä olisi mahdollinen, mutta silloin molekyylistä tulee taas huomattavasti epätodennäköisempi.
