Abiogeneesi

Abiogeneesi eli kemiallinen evoluutio tarkoittaa elämän syntymistä itsestään elottoman aineen yksinkertaisista yhdisteistä. Käytännössä elämän syntyä koskeva tutkimus pyrkii löytämään mahdollisimman yksinkertaisen itsensä kopioimiseen kykenevän biomolekyylin, jonka rakennusaineita voisi syntyä riittävän runsaasti realistisissa olosuhteissa.

Haasteet

Alkukopioitujan täytyy täyttää ainakin neljä minimivaatimusta voidakseen kopioida itseään:

• Tiedon varastoiminen
• Tämän tiedon toteuttaminen
• Tiedon toteuttamista varten tarvittavan energian valjastaminen käyttöön
• Kaikkien tarvittavien rakennusaineiden valmistus, joita ei saa riittävästi ympäristöstä

Yksinkertaisimmatkin eläviksi luokitellut eliöt toteuttavat nämä ehdot, mutta ne ovat aivan liian monimutkaisia ollakseen ehdokkaita alkukopioitujaksi. Virukset sen sijaan ovat huomattavasti yksinkertaisempia, mutta ne eivät kykene tuottamaan omia rakennuspalikoitaan, vaan tarvitsevat tähän isäntäsolun valtavaa tuotantokoneistoa. Suhteellisesta yksinkertaisuudestaan huolimatta niidenkin syntyminen itsestään on realistisissa olosuhteissa täysin mahdotonta.

• Olivatko alkuliemi ja alkuilmakehä hypoteesin mukaiset?
• Miten yksinkertaisista molekyyleistä saadaan tarvittavat aminohapot?
• Miten aminohapoista saadaan samoissa olosuhteissa muodostettua elämän tarvitsemat proteiinit?
• Miten yksinkertaisista molekyyleistä saadaan nukleotidit (DNA:n “kirjaimet”)?
• Miten nukleotideista saadaan pitkä DNA/RNA molekyyli?
• Miten ilmaantuu solun hieno koodausjärjestelmä ja toimiva ohjelmakoodi eli informaatio DNA tai RNA molekyyliin?

Tieteen lähtökohta on kokeellisuus, ilmiöiden täytyy siis olla kokeellisesti todennettavissa ja toistettavissa.

Naturalistisen ajattelun lähtökohta on, että kaikki voidaan selittää luonnollisten prosessien kautta. Naturalistisen ajattelun seuraus on, että elämän on täytynyt syntyä itsestään ja kehittyä korkeammiksi eliöiksi sattuman (ja luonnonvalinnan) kautta.

Kysymys elämän synnystä on luonteeltaan historiallinen. Tapahtumat eivät ole suoraan kokeellisesti todennettavissa. Kyseeseen tulevat aihetodisteet ja teoreettiset mallit, jotka ovat testattava saatavissa olevan tiedon ja kokeellisen aineiston avulla. Elämän synty ei siis ole puhtaan tieteellinen kysymys, mutta aihetodisteita voidaan tarkkailla tieteellisesti

Suurista ongelmista huolimatta monet ajattelevat, että joissain olosuhteissa elämä voisi syntyä kuolleesta aineesta. Naturalistinen maailmankatsomus ja filosofia vaikuttavat voimakkaasti.

“Kemiallinen evoluutio”: elämän synty itsestään yksinkertaisista yhdisteistä

Yksinkertaisista epäorgaanisista yhdisteistä pitäisi järjestäytyä hyvin monimutkainen, itsensä monistamiseen kykenevä systeemi ja lopulta ensimmäinen solu. Se, onko tämä evoluutiota, riippuu täysin siitä kuinka laajassa merkityksessä sanaa käytetään. (Joskus evoluutioon uskovat haluavat eristää mahdottoman abiogeneesin evoluutiosta erilleen, joskus taas sanalla evoluutio tarkoitetaan mitä tahansa muutosta) Joka tapauksessa kemialliset yhdisteet eivät voi lisääntyä, luonnonvalinta ei vaikuta, evoluutiomekanismista on mukana ainoastaan sattuma. Tarkempi termi on abiogeneesi.

Solun "työyhteisöstä"

Solu on täynnä erilaisia järjestelmiä; jokaisella järjestelmällä ja yhdisteellä on tehtävänsä kokonaisuuden hyväksi. Solu on siis kuin valtava “työyhteisö”. Solua on usein verrattu toiminnallisesti suurkaupunkiin. Tutustuminen biokemian oppikirjoihin on erittäin valaisevaa; solu on hyvin monimutkainen.

Joitain yhdisteryhmiä elävässä solussa

• Proteiinit – pitkiä aminohappoketjuja erityisessä muodossa; toimivat mitä erilaisimmissa tehtävissä: “monialaosaajat”, "duunarit", “erikoisasiantuntijat”
• Lipidit (rasvat) – solun kalvorakenteet ja energianlähde: “kaupungin muuri”, "polttoöljy"
• Hiilihydraatit (sokerit) – esim. aineenvaihdunnassa energianlähde, toimivat myös tunnistusaineina: “akkukennostot”, "tienviitat"
• DNA/RNA – perintöaines (kuuluisa kaksoiskierre): "arkisto"

Mitä tiedämme solusta?

Darwinin aikana sekä solun sisäinen rakenne että toiminta oli luonnontieteille täysin tuntematonta aluetta – solu oli "musta laatikko". Aina 1950-luvulle asti soluja koskeva tieto ja ymmärrys oli hyvin vajavaista. Nyt on toisin: elävän solun kaikki rakenneosat tunnetaan, vaikkei solun toimintaa vieläkään ymmärretä kuin osin. Biokemian uuttera perustutkimus on kantanut vuosikymmenten mittaan paljon hedelmää. Kemia on osoittautunut solujen sisäisen toiminnan riittäväksi selitykseksi. Solun toiminnan ymmärtäminen ei vaadi atomitasoa pienempien yksiköiden tarkastelua, pelkkää atomi- ja molekyylitason analyysia vain. Koska myös “tavallista” kemiaa ymmärretään nykyisin erittäin hyvin, ehdotettujen kemiallisen evoluution skenaarioiden uskottavuus on luotettavasti arvioitavissa.

Abiogeneesin ongelmia

DNA:n kaltaisten molekyylien synty abiogeneettisissä olosuhteissa on vieläkin täysi mysteeri.

Kokeelliset havainnot viittaavat poikkeuksetta siihen, että “elämä syntyy vain elämästä”. Kemiallisen evoluutioskenaarion todistusaineiston tulisi olla erittäin hyvä ja kattava/kiistaton, jotta teoria olisi vakuuttava. Toisaalta “päättelyketju on yhtä vahva kuin sen heikoin lenkki”.

Alkuliemi ja alkuilmakehä

Nykyään laajimmin kannatetun elämänsyntyhypoteesin mukaan alkuilmakehässä tapahtui ensin kemiallisia reaktioita, jotka tuottivat yksinkertaisia “elämän rakennusaineita”, jotka sitten kulkeutuivat ilmakehästä edelleen alkuliemeen, jossa ensimmäiset elämänmuodot tämän jälkeen rakentuivat. Jotta tämä hypoteesi voisi periaatteessakaan olla mahdollinen, alkuilmakehä on oletettava pelkistäväksi (hapettomaksi): sallittuja kaasuja ovat lähinnä vain H₂O (vesihöyry), CO₂ (hiilidioksidi), N₂ (typpi) ja H₂ (vety) sekä lisäksi esim. NH₃ (ammoniakki), CO (hiilimonoksidi eli häkä) ja CH₄ (metaani). Ilmakehän happi (O₂) estäisi aminohappojen, sokereiden ja typpipitoisten nukleotidien synteesin.

Alkuilmakehän olosuhteet ovat kaiken kaikkiaan erittäin spekulatiivisia; kokeellinen havaintoaineisto ei ole yhtäpitävä.

Kokeelliset simulaatiot: Aminohapot alkuilmakehässä

Stanley Miller, 1953, pelkistävän ilmakehän simulaatiokoe:

• olosuhteiden optimointi, jotta aminohappoja saataisiin syntymään (ei realistista)
• poistettiin selektiivisesti tuotteita reaktioseoksesta (ei realistista)
• lähes jokaista elämän käyttämää 20:tä aminohappoa on saatu syntymään Miller-tyyppisesti poikkeuksena typpeä sisältävät aminohapot
• yksittäisessä kokeessa yleensä saadaan aikaan vain muutamia aminohappoja (max. 13 kpl)

Julkisuus: “Elämää syntyi koeputkessa”

Kokeelliset simulaatiot: Aminohapot alkuilmakehässä

• Problemaattinen kehä hapen suhteen: Jos alkuilmakehässä oli happea, aminohappojen synteesi estyy. Jos alkuilmakehässä ei ollut happea, ilmakehässä ei ollut myöskään otsonia jolloin voimakas UV-säteily pääsee maan pinnalle. Mahdollisesti syntyneistä aminohapoista 97% hajoaisi UV- säteilyn vaikutuksesta ilmakehässä (matkalla mereen).

Kokeelliset simulaatiot: Alkuliemi täynnä aminohappoja?

• Alkuliemestä ei ole mitään geologista näyttöä. Hiilen ja typen isotoopit kivikerrostumissa viittaavat siihen että esibioottista liemeä ei ole ollut.
• mm. ei suuria määriä orgaanista materiaalia kivikerrostumissa fossiilikerrostumien alla
• Toivottujen yhdisteiden stabiilisuus on ongelma: yhdisteet hajoavat mm. UV-säteilyn vaikutuksesta. UV-säteilyn läpäisy vedessä on noin 19 m
• Alkuliemessä olisi teoreellisesti vain erittäin pieni pitoisuus aminohappoja (<10^-7 mol/l)
• Sivureaktiot häiritsevien yhdisteiden kanssa. Alkuilmakehän simulaatiokokeissa syntyy suuri määrä yhdisteitä, jotka reagoivat aminohappojen kanssa (jolloin aminohapot eivät ole käytettävissä jatkoreaktioihin)

Aminohapoista proteiineiksi

Ehdotetun ketjun toinenkin lenkki on hyvin heikko:

• Proteiinien syntetisoimiseksi aminohappojen tulee liittyä toisiinsa peptidisidoksilla muodostaen pitkiä ketjuja, joista lopulta voisi muodostua proteiineja
• Simulaatiokokeissa syntyy suuri määrä ketjunmuodostusta häiritseviä monofunktionaalisia yhdisteitä (esim. karboksyylihappoja)
• Synteesit aloitetaan puhtaista lähtöaineista. Täysin epärealistista (vrt. alkuliemikokeiden tulokset)
• Homokiraalisuus eli sama optinen isomeria (peilikuvaisomeria) on suuri ongelma. Aminohappoja ja sokereita syntyy spontaanisti puolet vasenkätistä L-muotoa ja puolet oikeakätistä D-muotoa. Näiden muotojen molekyylit ovat kemiallisesti samanlaisia, niiden ero on molekyylin avaruudellisessa rakenteessa. Elämän syntyyn tarvittaisiin puhtaasti vain vasenkätisiä aminohappoja ja vain oikeakätisiä sokereita DNA:han ja RNA:han. Tälläisen tapahtuminen sattumalta on mahdotonta. (On olemassa meteoriittilöytöjä joissa on hieman enemmän L-aminohappoja mutta nämä meteoriitit ovat todennäköisesti maapallolta ja vaikkeivat olisikaan, pieni 50-50 suhteen muutos ei tee elämän synnystä olennaisesti mahdollisempaa.)

Nukleotidit

Nukleotidit (typpiemäkset) ovat DNA:n ja RNA:n "aakkosia". Nukleotidien saanti (DNA/RNA varten) kohtaa paljon ongelmia. Nukleotidejä voidaan syntetisoida syaanivedystä. Ongelmana synteesissä ovat pieni saanto (<0,5%), nukleotidien stabiilius sekä jatkoreaktiot muiden yhdisteiden kanssa. Sokerit muodostavat DNA:n ja RNA:n “selkärangan”. Riboosia voidaan syntetisoida formaldehydistä. Ongelmana yhdisteiden stabiilius ja hyvin kirjavat tulokset, vaikka käytetään hyvin puhtaita lähtöaineita, joita alkuliemessä ei olisi saatavilla. Syaanivety ja formaldehydi reagoivat keskenään, jolloin nukleotidien ja sokereiden synteesit eivät onnistu yhtä aikaa.

DNA/RNA

DNA: esim. 580 000 nukleotidia, “kirjainta”. Kokeelliset synteesit aloitetaan puhtaista,monimutkaisista yhdisteistä. Epärealistista (vrt. alkuliemikokeiden tulokset, joita ei käytännössä DNA:n osalta ole).

• yhdisteet eivät spontaanisti muodosta DNA:ta/RNA:ta. Ongelmana stabiilisuus sekä häiritsevät sivureaktiot
• kiraalisuusongelma kuten proteiinien tapauksessa. DNA: D-deoksiriboosi, RNA: D-riboosi. Erittäin pienet todennäkoisyydet saada optisesti puhtaita pitkiä ketjuja (vrt. proteiinit)

Koodijärjestelmän alkuperän ongelma

DNA tarvitsee proteiineja (>50 kpl) työstämiseensä (transkriptio; koodin lukeminen), mutta nämä proteiinit koodataan itse DNA:ssa. Tämä on yksi kehitysopin “Kumpi oli ensin: muna vai kana”-ongelma. RNA-maailmaa on ehdotettu ratkaisuksi, mutta siinä ongelmana RNA:n muodostuminen, stabiilisuus sekä siirtyminen hypoteettisesta RNA-maailmasta nykyiseen elämän käyttämään koodausjärjestelmään.

Koodausjärjestelmän “kana”Ribosomi. Ribosomi on noin 50 proteiinin ja RNA:n muodostama “kasausrobotti” proteiinisynteesissä (aminohappojen ketjutus DNA:n koodin mukaan).

Solu ja solukalvo

Solulla oltava kalvo. Solukalvo mm. eristää solun sisällön ympäristöstä ja hoitaa aineiden tunnistusta ja kuljetusta soluun/solusta. Kalvolla on monimutkainen rakenne, pelkkä ympäristöstä eristäminen ei riitä, sillä se estää aineenvaihdunnan. Sama kuin laittaisi muovipussin pään ympärille. Kalvossa on erilaisia proteiineja, fosfolipidejä, glygolipidejä, ... Solukalvon on oltava erittäin spesifinen toiminnassaan (aineenvaihdunta, ionikuljetus). Toiminnallisuuden (eristys, tunnistus, kuljetus) oltava heti alusta asti. Biomembraanit ja soluorganellit syntyvät vain olemassa olevista jakautumalla, niitä ei pystytä syntetisoimaan de novo, eli osistaan (molekyyleistä). Kauanko ensimmäistä ateriaa voi odottaa?

Solun aineenvaihdunta on erittäin monimutkainen

• kytkee lukemattomat kemialliset reaktiot solun toiminnan kannalta järkeväksi kokonaisuudeksi
• yksi keskeisimpiä reaktioketjuja on ravintoaineiden käyttö solun energiatarpeisiin
• Solun aineenvaihdunnassa “syömisessä” nopeus on erittäin tärkeää
• proteiinit (entsyymit), jotka koodataan DNA:ssa nopeuttavat aineenvaihduntareaktioita miljoonakertaisesti. Entsyymit ovat elämälle välttämättömiä.

Ongelmana on, miten ensimmäisessä solussa olisi sattumalta kaikki aineenvaihdunnan tarvitsemat entsyymit. Entsyymikoneiston tulee olla valmiina, jotta hypoteettinen ensimmäinen solu voisi elää.

“Yksinkertainen” solu

Solu on kuin monimutkainen, toimiva kaupunki (esim. Lontoo). Mycoplasma genitalium on yksinkertaisin tuntemamme bakteeri (tosin se on loisbakteeri, joka on riippuvainen muista eliöistä). Perimä 470 geniä, noin 580 000 nukleotiidia “kirjainta” DNA-koodissa. Vakuuttavassa naturalistisessa kemiallisen evoluution mallissa täytyisi saavuttaa vähintään tämän bakteerin monimutkaisuus ja toiminnallisuus. Mitään tälläistä vakavasti otettavaa mallia ei ole olemassa. Todellisuudessa tälläistä bakteeria ei voida saada aikaan yksinkertaisista molekyyleistä sattuman avulla. Syy tähän on se, että DNA koodin ja muiden solun osasten informaation todennäköisyys laskee exponentiaalisesti koodin pituuden funktiona. Hyvin nopeasti todennäköisyydet ovat pienempiä kuin mitä esim. atomeja ja aikaa olisi alkuliemessä tai edes koko universumissa.

Informaation alkuperä

Ehdotetun ketjun viimeinenkin lenkki on viallinen.

• Koodijärjestelmän alkuperä? Koodijärjestelmä muodostuu sovitusta merkeistä: kirjaimet, sanat, yhdistelysäännöt, tarkoitus. Miten koodijärjestelmä voisi syntyä sattuman kautta?
• DNA on informaatiota kantava molekyyli. Koodin luku tapahtuu lukuisten entsyymien ja muiden koneistojen avulla. Näiden täytyy olla valmiina jotta itse koodilla tekee mitään.
• Koodijärjestelmä on vieläpä monessa mielessä optimaalinen. Miksi olisi osuttu juuri optimaaliseen järjestelmään?
• Informaatio ei ole aineen ominaisuus. Aineen avulla informaatiota voidaan välittää ja säilyttää. Esimerkki: SOS voidaan ilmaista eri tavoin: savu taivaalla, ääni ilmassa, solmut narussa, muste paperilla, urat hiekassa. VIESTI on oleellista, ei media. Informaatio “ratsastaa” aineella.

Toiminnallisen informaation synty

Tyhjä tai sattumanvarainen CD on aivan eri asia kuin CD täynnä Bachin musiikkia. Miten toiminnallisesti mielekäs informaatio voi syntyä sattuman kautta? Elämän monimutkaisuus viittaa suunnitteluun. Empiirinen havaintomme on, että suurien toiminnallisten informaatiomäärien lähteenä on aina joku älyllinen suunnittelija. Kokeellisen tiedon valossa ei näytä järkevältä uskoa elämän syntyneen itsestään.

Tiedeyhteisö ei kuitenkaan ole alkuperäkysymyksessä puolueeton (neutraali). Naturalistinen tieteenfilosofia määrää edeltäkäsin, että jonkinlainen abiogeneesi on ainoa "tieteellinen" hypoteesi. Tällä ei ole mitään tekemistä kokeellisen tieteen kanssa – johtopäätös on päätetty ennen tutkimusta. Metodologinen naturalismi johtaa siis pitäytymiseen evoluutioteoriassa ja muiden teorioiden halveksimiseen todisteista huolimatta. Esim. Richard Dawkins: "Elämä näyttää suunnitellulta, muttei ole sitä."

Toisaalta toisenlaisissa kysymyksissä sama logiikka suunnittelijasta hyväksytään. Esim. NASA:n S.E.T.I.-ohjelmassa suunnittelija hyväksyttäisiin selitykseksi jo paljon pienemmillekin informaatiomäärille, mikäli niitä vain havaittaisiin. Sattumanvaraisesta kohinasta poikkeava informaatio/viesti kertoo älystä. Vaihtamalla teleskooppi mikroskooppiin voisi päätellä DNA:n informaation/viestin tai elävien olentojen hienostuneiden koneistojen kertovan älykkäästä suunnittelijasta.

Yhteenveto

Naturalistinen kemiallisen evoluution malli ei ole vakuuttava. Kemiallisen evoluution hypoteesissa ja sen kulun “ketjussa” on suuria ongelmia

• yksinkertaisten epäorgaanisten molekyylien ja yksinkertaisten orgaanisten molekyylien välillä
• yksinkertaisen orgaanisten molekyylien ja monimutkaisten biomolekyylien välillä
• biomolekyylien ja elävän solun välillä
• erityisesti puhtaus-, kiraalisuus- ja sivureaktio-ongemat
• Mycoplasma genitalium; vain 470 geeniä (proteiinia), mutta silti eliö erittäin monimutkainen, eikä tiede ole päässyt lähellekkään eliön synnyn kuvausta sattumanvaraisten prosessien kautta
• ratkaisua ei näköpiirissä

Kemiassa ei ole mitään taipumusta kohti elämää, pikemminkin päin vastoin. Orgaaninen materia hajoaa spontaanisti, solun täytyy jatkuvasti käyttää korjaussysteemejään. Nykyinen tieto soluista on riittävän kattavaa, alle atomitason ei ole tarvetta mennä selitysmalleissa. Naturalistinen elämän synty sattuman kautta näyttää mahdottomalta. Kuitenkaan naturalistisista malleista ei olla valmiita luopumaan. Kyseessä on sokea usko, ristiriidassa havaintoaineiston kanssa (esim. elämä syntyy vain elämästä). Julkisuudessa esitetään, että evoluutio ja elämän synty itsestään ovat itsestään selvyyksiä, tapahtuneita tosiasioita, ongelmia vähätellään, niitä voidaan tuoda julki vasta kun koetaan että on kehitetty jokin tapa ohittaa ongelma.

Vallitseva ajatusmalli on, että “Elämää syntyy helposti kun vain on aikaa tarpeeksi”. Pitkällä aikajänteellä yritetään “selittää” ongelmia. Odottamalla kemiassa päästään tasapainotilaan. Kemialliset reaktiot ovat tasapainoreaktioita. Biomolekyylien spontaani hajoaminen on todennäköisempää kuin niiden muodostuminen. Elämän kemia toimii tyypillisesti kaukana tasapainotilasta

Nykyisen tiedon, tietotaidon ja laitteistojen avulla emme pysty rakentamaan eläviä soluja tai edes soluorganelleja/solurakenteita yksinkertaisista molekyyleistä. Elämään tarvitaan paljon hienostuneita ja monimutkaisia, vuorovaikuttavia systeemejä. Edes kattava tieteellinen tieto ja älykkyys eivät ole saaneet aikaan reseptiä elävän solun synnyttämiseksi. Olosuhteet olisi mahdollista kontrolloida hyvin tarkasti laboratorio-oloissa ja suunnitella prosessit optimaalisesti. Miten elävä solu sitten voisi syntyä sattumalta ja täysin kontrolloimattomissa olosuhteissa ilman mitään ohjausta/kontrollia? Sattuma ei pysty luomaan “tyhjästä” elämän kannalta ratkaisevia koneistoja ja rakenteita. Mikäli tulevaisuudessa pystyisimme rakentamaan eläviä soluja, se osoittaisi, että elämän synnyttämiseen tarvitaan paljon informaatiota ja suunnittelua sekä taitava, tarkoitushakuinen työn tekijä. Kokeellisen tiedon valossa elämä ja sen synty vaikuttaa vahvasti suunnitellulta.

Kirjallisuutta

• Scherer, S., Junker, R., (suom. Leisola, M.) Evoluutio – kriittinen_analyysi, Datakirjat Oy, Lahti 2000.
• Charles B. Thaxton, Walter L. Bradley ja Roger L. Olsen, The Mystery of Life's Origin. Joitain kappeleita luettavissa http://ldolphin.org/mystery/
• Bird, W.R., The Origin of Species Revisited, Vol 1., Thomas Nelson Inc., Nashville 1991.
• Johnson, P.E., Darwin on Trial, Monarch Publications, Crowborough 1991.
• Proteiinitietopankki www.rcsb.org/pdb/