Keskustelu:RNA-maailma

Hei, keskustelin elämänsyntyteorioista Skepsiksen facebook-saitilla ja siellä annettiin ymmärtää että teillä olisi jonkinlainen vakava virhe todennäköisyyslaskelmissa koskien RNA-molekyylin pinoutumista pienemmistä osistaan, ja joka johtaa maailmankakkeudenkin aikaskaalassa käsittämättömän pieniin syntytodennäköisyyksiin jo muutamalla kymmenellä nukleotidillä. Tarkoitetaan siis laskelmaanne linkissä RNA-maailma#Sattumanvaraisen_muodostumisen_todenn.C3.A4k.C3.B6isyys.

Sitaatti kritiikistä:

"Lisäksi kyllähän siinä puhutaan "yksittäisestä lottoajasta" jatkuvalla syötöllä. Esimerkiksi:

'Tehdään myös täysin epärealistinen oletus, jonka mukaan liemien olosuhteetkin ovat yhtä edulliset kuin optimaalisissa laboratorio-oloissa. Sopiva riboosimolekyyli syntyy siis todennäköisyydellä p(R) = 0,07. Sopiva adeniinimolekyyli syntyy todennäköisyydellä p(A) = 0,01.'

Paitsi että ei. Sopivia riboosimolekyylejä ja adeniinimolekyylejä syntyy tutkimusten perusteella luonnossa niin helposti että niitä on monissa erilaisissa ympäristöissä saatavilla valmiiksi. Eli edelleen tehdään oletus että koko molekyyli pitää muodostua kerralla, ja ylikorostetaan sitä sattumaa, eikä huomioida että myös kemiassa, ja varsinkin orgaanisessa kemiassa, tapahtuu valintaa. Ja se on juurikin sen UV-valon pointti. Todennäköisyydet muuttuvat heti, kun endotermisessä ympäristössä olevat molekyylit a) muodostuvat helpommin, ja b)pysyvät kasassa ja jatkoreagoivat helpommin."(End of the quote)

Jatkokysyin asiasta, ovatko todennäköisyydet 0,01 tai 0,07 ristiriidassa liuosten yleiseen esiintymiseen sinänsä luonnossa. Viittasin itse siihen, että eihän jonkin liuoksen esiintyminen 0,01 pitoisuudella ole ristiriidassa sen esiintymisen kanssa vaikka kaikkialla tai eri ympäristöissä luonnossa. Siihen en toistaiseksi saanut vastausta.

Kysyisin nyt, ymmärtääkseni asian selvästi, Apowikin po. artikkelin tekijöiltä:

Miten saadaan itse noiden pinoutuvien nukleotidien (joita vertaisin pelikortteihin) alemman tason molekyyleistä rakentumisen oma todennäköisyys? Koetan karkeasti kuvata alla miten asian itse ymmärrän.

1. Ilmeisesti yksittäisen molekyylin johonkin toiseen molekyyliin törmäämisen todennäköisyys "seuraavaksi" on ensiksikin sama kuin po. toisen molekyylin esiintymistiheys eli pitoisuus jossain koealtaassa?
2. Silloin tämä liittyisi liuosaltaan sisäiseen partikkeleiden keskinäiseen satunnaiseen kohtaamistodennäköisyyteen oletetun _toisen_ molekyylin kanssa niin että jos ja kun liuoksessa olisi molekyylejä A pitoisuudella 0,01, ja toista yhdistettä B pitoisuudella 0,07, siihen po. molekyyli A törmää _seuraavaksi_ sen omalla todennäköisyydellä 0,07 (=7/100). (Molekyyli B:stä lähtien taas se törmääkin molekyyliin A todennäköisyydellä 0,01)
3. Mikä tarkoittaa että esim. riboosimolekyylejä siis melko varmastikin syntyy po altaaseen, sillä jos sellainen syntyisi sitä alemmista partikkeleista sopivassa liuoksessa esim todennäköisyydellä 1/100, niin tämä tarkoittaisi sitä että huolimatta suuresta epätodennäköisyydestään osapartikkeleista koostumiselleen (1/100 = 1%), niin kuitenkin, koska po. partikkeleita on missä hyvänsä makrokokoisessa altaassa (sanokaamme 1x1x1 m3) on miljardeja, po molekyylejä syntyisi varmasti siellä täällä, mutta sellaisia olisi kokonaisuudessaan liuoksen kaikista partikkeleista lukumääräisesti vain 1%.
4. Edellisestä seuraisi että nukleotidin osayhdisteitä voidaan olettaa varmasti syntyneeksi liuokseen pitoisuudella 1% (mlekyyli A), 7% (molekyyli B)jne., joka tarkoittaisi helposti miljardeja yksilöitä kumpiakin. Sen todennäköisyys, että A ja B kytkeytyvät toisiinsa oikeassa järjestyksessä, on todennäköisyydeltään korkeintaan noiden partikkeleiden oman synnyn tulo. Lähtökohdaksi otetulle partikkelille ei tällöin tule laskea pientä todennäköisyyttä, koska sehän on oletettava varmaksi, vaan aloittaa kertominen vasta toisesta partikkelista (tällä ei minusta ole vielä suurta vaikutusta laskelman kokonaistodennäköisyyteen).
5. Kun noita yksittäisiä alkupartikkeleita on liuoksessa hyvin paljon, todennäköisesti po altaassa syntyisi myös tällaisia kahden oikean partikkelin koosteita vielä varsin paljon, mutta kuitekin vain esim sadasosa noihin aiempiin pitoisuuksiin verraten.
6. laskelmia vaikeuttaa se että esim nukleotidi voi lähteä kertymään mistä hyvänsä kokonaisuutensa osan kohdasta, ei juuri tietystä sen osasta, mutta jätän tämän nyt pois
7. Kun sitten mietitään kolmannen kappaleen oikein liittymistä, näitä on jälleen murto-osa edeltävistä, jne. jolloin kokonaisen nukleotidin pitoisuus edelläkuvaamassani liuosaltaassa jää hyvin pieneksi prosenttuaalisesti, mutta ilmeisesti niitäkin voisi olla vielä esim. miljoonia?
8. Sitten todennäköisyydet ja pitoisuudet liuoksessa lähtevät todella nopeasti pienenemään, kun pitää pinota jo valmiista nukleotideista RNA-ketjua. Sehän on tietystikin kunkin nukleotidin - tai siis samanlaisena toistuvan RNA-ketjun osan oman satunnaissynnyn niin mones potenssi kuin on vaadittavan pinon nukleotidilukumäärä.
9. Jolloin saataisiin, jos olette laskeneet oikein, tuo esittämänne hyvin alhainen todennäköisyys esim. 50 nukleotidin pinolle 2,8 * 10 potenssiin -167.

Elikkä siis summa summarum, ymmärrän että tähän liittyy, ei vain molekyylien kohtaamiset, vaan myös näiden omat syntytodennäköisyydet liemessä omista osapartikkeleistaan (siis, ei riitä että kootaan "korttitalo", vaan ensin pitää koota itse "kortitkin", eli nuleotidit alemman tason partikkeleistaan). Sekä myös, että molekyylikohtaamisten tapahtumisen lisäksi niiden on tapahduttava oikeassa _asennossa_, jotta saataisiin oikea avaruusrakenne. Näitä olittekin koettaneet huomioida.

Alkutilannehan näissä on otettava "annettuna" - todennäköisyydet on aloitettava jollain valmiiksi oletetuilla partikkeleilla. Näin ollen alkutilan kokonaisuuden todennäköisyys laskelmassa on 1, ja sen "pitoisuus" 100%. Mutta siinä olevien osa-ainesten pitoisuudet ovat kukin jotain alle 100%, mutta niiden yhteenlaskettu pitoisuus on 100%. Po pitoisuus lienee oletettu jollain järkevällä alkuaineiden / -molekyylien pitoisuusyhdistelmällä joka voisi vastata alkumaapallon olosuhteissa tavattavaa. (Tosin olitte tehneet tässä helpottavia oletuksia laboratorio-olosuhteiden suuntaan kun tavoittelitte maksimitodennäköisyyttä. Jos maksimitodennäköisyys laboratorioliemessäkin on äärettömän epätodennäköinen, vielä enemmän alkumaapallon olosuhteissa, voidaan tietenkin oikeutetusti päätellä.)

Ja kun ollaan saatu selville po liuosaltaan pitoisuudet ja siinä olevien RNA-ketjujen todennäköisyydet, voidaan siitä interpoloida vaikkapa koko maapallon kokoisen liuosaltaan (alkumeri) mahdollistamien kohtaamisten synnyttämien RNA-ketjujen lukumäärä. Ja tietysti myös koko maailmankaikkeudessa yhteenlaskettujen edullisten ympäristöjen koko määrään tuottama suuren liuosaltaiden koosteen mahdollistama lukumäärä. Jolloin, näin ajattelen teidän päätelleen, yhdenkin lisääntymiskykyiseksi riittävän pitkän RNA-molekyylin todennäköisyys jäisi reilusti alle 0,5:n, ts. olisi epätodennäköistä koko tunnetun maailmankaikkeuden koon ja iän mittakaavassa. Näin olen käsittänyt kantanne.

Siis kysymykseni kuuluu:

1) pidättekö edelleen kiinni laskelmienne oikeutuksesta, ottaen huomioon yllä siteeraamani kritiikki?

2) olenko käsittänyt oikein liuosten pitoisuuksien ja molekyylien satunnaissynnyn todennäköisyyden yhteyden? --Zachary 22. toukokuuta 2020 kello 22.30 (EEST)

Hei ja kiitos viestistäsi! Keskustelin viitatun laskelman alkuperäisen kirjoittajan kanssa ja hain myös alkuperäisen keskustelun Facebookista. Kakkoskohtaan voimme todeta, ettemme näe ongelmaa selityksessäsi liittyen liuosten pitoisuuksien ja molekyylien satunnaissynnyn todennäköisyyden yhteyteen.

Laskelman kritiikissä ei ole noudatettu Anatol Rapoportin neljää ohjetta kriittisen kommentin laatimiseen [1]. Suosittelen käyttämään niitä, niin vastapuolellakin saataisiin varmuus, että käsiteltävä asia on ymmärretty oikein.

Nyt ei voida olla varmoja, onko esimerkiksi lause ”Sopiva adeniinimolekyyli syntyy todennäköisyydellä p(A) = 0,01” ymmärretty oikein. Onhan mahdollista, että se on ymmärretty suunnilleen seuraavasti: ”On vain yhden prosentin todennäköisyys, että edes optimaalisissa olosuhteissa syntyisi yksikin adeniinimolekyyli”, (minkä voisi tulkita siis vedonlyöntikertoimeksi 1:99, että tällainen molekyyli syntyisi). Artikkelin kontekstissa tuossa on kuitenkin selvästi kyse frekvenssitodennäköisyyksistä, eli sen voisi kääntää muotoon: ”optimaalisessa liuoksessa voisi teoriassakin syntyä korkeintaan prosentin verran adeniinimolekyylejä.”

Oletetaan nyt, että lause on ymmärretty oikein. Sen lisäksi kritiikissä on havaittu oikein, että molekyylin pitää olla kasassa kokonaan. Ei siis riitä, että yksi sidos oli olemassa eilen ja toinen tänään. Sillä ei kuitenkaan ole väliä, kuinka kauan tähän yhteen kertaan pääseminen kestää tai millaisia välivaiheita kokonaisen molekyylin muodostumisessa on.

UV-valoon ja valintaan perustuva argumentti on lähtökohtaisesti kiinnostavin. Jos aikoo vastata tämän artikkelin laskelmaan, on tietysti välttämätöntä, että alkuliemen olosuhdetekijät saadaan tekemään leijonanosa työstä, ja että mukaan saadaan jonkinlainen valintaefekti.

Vaikka orgaanisten molekyylien maailmassa ei olekaan perinnöllistä replikaatiota, niin jonkinlaisen luonnollisen valikoitumisen ehdot siellä täyttyvät. Oikeastaan niin käy missä tahansa muuttuvassa järjestelmässä. Muutokset synnyttävät erilaisia objekteja, joilla on eri muotoja ja näin eri ominaisuuksia. Ne muodot, jotka syntyvät helpommin ja katoavat harvemmin, tulevat tilastollisella välttämättömyydellä kertymään ympäristöönsä suurempina pitoisuuksina kuin sellaiset muodot jotka ilmaantuvat harvoin ja katoavat nopeasti. Tarvittaisiin kuitenkin tarkempaa näyttöä siitä, että tämä olisi RNA-maailman puolella, sillä nyt käsitys on, ettei oikeanlaisia olosuhteita esiinny riittävän usein, eivätkä ne silloinkaan ole suuntautuneet juuri itsereplikoivien ribotsyymien suuntaan.

Artikkelin laskelma muuttuu toki radikaalisti, jos sopivat olosuhteet suodattavat kaikki vääränlaiset molekyylit ja säästävät juuri oikeanlaiset. Lähtöoletukset on kuitenkin haettu jostain James Tourin esitelmästä ja alkuperäinen kirjoittaja oletti hänen tietävän, jos tällaisia UV-valon kaltaisia suodattavia mekanismeja on. Näistä tulisi kuitenkin olla tutkimusnäyttöä, mutten jää vaikutelma, että tässä on nyt ns. nojatuolista käsin spekuloitu jostain luonnonilmiöstä, joka puhdistaisi liuoksesta kaiken turhan ihan vain molekyylien fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien perusteella ja tämän luonnonilmiön suodatus osuisi vielä RNA-maailman kannalta suotuisiin ominaisuuksiin. Tällöin tosin tulee jo mieleen, olisiko tällaisessa luonnonilmiössä kyse jo kosmisesta hienosäädöstä.

Parhaassakin – tai pahimmassa – tapauksessa argumentin pitäisi myönnytyksenä lähteä liikkeelle kunnolla vasta siitä, kun nukleotidit ovat jo valmiina, ja liuos on rikastettu niillä. Jäljelle jäisi siis ennen kaikkea informaatio-ongelma, jota voisi sitten vahvistaa esimerkiksi realistisemmilla arvioilla siitä, paljonko tavoiteltu ribotsyymi sietää variaatiota. Näitä pitäisi olla riittävän monta ja riittävän oikeassa järjestyksessä, jotta tavoiteltu funktio käynnistyisi. Tämän pidemmälle ei pelkästään molekyylejä valitsemalla päästä, koska optimitilanteessa halutaan juuri näitä (neljää) erilaista molekyyliä, joita voidaan sitten laittaa peräkkäin oikealla tavalla. Tämän todennäköisyys kutistuu jo itsessään eksponentiaalisesti molekyylin pituuden mukana.

Mutta yhtä lailla tulisi alkaa kysyä, kuinka todennäköisesti todella saataisiin kuinkakin optimaalista liuosta ja kuinka suuria määriä. Orgaaniset kemistit varmastikin kykenisivät luomaan tällaisen liuoksen, joten kysymys kuuluu, kuinka vaikeaa sen luominen olisi ilman ohjausta? UV-säteily on varsin yksinkertainen mekanismi, joten jos se kykenisi tähän yksin, siihen olisi jo törmätty. Käytännössä voisimme laskea oman laskelmamme tämän ”alkuliemen” syntymiselle, ja käytännössä huomaisimme että sopivia olosuhteiden yhdistelmiä tapahtuisi äärimmäisen harvoin (tarkka lukema riippuisi argumentin rakenteesta), ja syntyvän alkuliemen tilavuus olisi tietysti paljon pienempi kuin artikkelin laskelmassa.

Sitaatin viimeisessä lauseessa todetaan: ”Todennäköisyydet muuttuvat heti, kun endotermisessä ympäristössä olevat molekyylit a) muodostuvat helpommin, ja b)pysyvät kasassa ja jatkoreagoivat helpommin.”

Itse asiassa todennäköisyyslaskelma olettaa että molekyylit pyrkivät muodostamaan pitkiä ketjuja helposti ja käytännössä välttämättä. Lisäksi nämä ketjut pysyvät kasassa eivätkä ehdi hajoamaan kun ketjun muita jäseniä odotellaan. Nämä ovat pikemminkin epärealistisia myönnytyksiä, koska orgaanisilla molekyyleillä on aina myös taipumus hajota, ja usein tasapainotila on irrallisten molekyylien puolella, mutta RNA-maailman eduksi tällaiset hankaluudet on nyt vain unohdettu laskuista.

Lisäksi keskustelussa sama kriitikko toteaa: ”On relevantimpaa puhua yksinkertaisemmista proteiineista jotka riittävät kyseiseen tehtävään, ja silloin puhutaan todennäköisyyslukemista kuten 10^45. Ja kun huomioidaan että kuinka paljon kemiallisia reaktioita ehtii tapahtumaan satojen miljoonien vuosien aikana maapallon kokoisella alueella, niin pienetkin todennäköisyydet muuttuvat lähes varmoiksi, mikäli ne vaan ovat mahdollisia.”

Artikkelin laskemassa on kuitenkin tarkoituksena selvittämää tarkemmin, paljonko resursseja (”lottoajia”) todella on käytettävissä siihen nähden, mitä tarvittaisiin. Realistisemmilla oletuksilla kävisi ilmi, että ”lottoajia” eli resursseja on oikeasti hyvin vähän siihen nähden, mitä tarvittaisiin. Kritiikki on siis kovin yleisellä tasolla, emmekä näe, että laskelmien oikeutuksesta olisi paljastunut ongelmia, jotka horjuttaisivat sitä.--Samuli Koivisto (keskustelu) 30. toukokuuta 2020 kello 11.38 (EEST)