Miten eloton materia voi muuttua elolliseksi?

Eli jos alkuräjähdyksen lämpötila ja paine ovat olleet niin suuria, ettei mikään tunnettu solu kestä niin miten elämän synty on ollut mahdollista?

Yliopistolehtori Kirsi Lehto, biokemian laitos, Turun yliopisto:

Alkuräjähdyksessä 13,7 miljardia vuotta sitten syntyi vain kahta ainetta, vetyä ja heliumia, eikä soluja vielä ollut. Elämän edellytykset kehittyivät vasta paljon myöhemmin maailmankaikkeuden kosmisen kehityksen myötä.

Elämän syntyyn on tarvittu raskaampia alkuaineita, jotka syntyivät tähdissä tapahtuneissa fuusioreaktioissa. Vasta kun kehittyi niin sanottuja kolmannen sukupolven tähtiä, niiden ympärille saattoi syntyä kiviplaneettoja, joissa on sekä kuivaa maata että vettä, ja joiden pinnalle elämän rakennusaineita (hiiltä, vetyä, happea, typpeä, fosforia ja rikkiä, sekä erilaisia mineraaleja) saattoi kertyä. Tarvittiin myös suuria kuumuuksia elämän kemian lähtöaineiden tuottamiseksi näistä alkuaineista.

Kului yhdeksän miljardia vuotta ennen kuin oma aurinkokuntamme syntyi, ja nämä olosuhteet toteutuivat Maassa. Vasta tällaisessa planeettakunnassa, nuoren planeetan pinnalla, saattoi esiintyä sellaisia olosuhteita, joissa pienistä orgaanista lähtöaineista syntyi elämän rakennusaineita eli nukleotideja ja aminohappoja.

Elämä maapallolla on ainoa elämä, jonka tunnemme ja jonka syntyä voimme tutkia. Kokeellista tutkimusta tehdään Euroopassa Cambridgen yliopistossa Englannissa ja lisäksi Roomassa ja Prahassa sekä useissa laboratorioissa Yhdysvalloissa. Kokeet osoittavat, että paras lähtöaine elämän rakennuspalikoiden tuottamiseen on vetysyanidi eli sinihappo (HCN). On myös hyvin todennäköistä, että elämä syntyi kuivan maan olosuhteissa, mutta ainakin osittain vesiliuoksessa.

Olosuhteet ovat maapallolla olleet hyvin toisenlaiset kuin nyt, esimerkiksi ilmakehä oli täysin hapeton. On myös tarvittu olosuhteiden vaihdoksia. Ajoittainen kuivuminen on konsentroinut lähtöaineita, jäiset olosuhteet taas olisivat edesauttaneet nukleotidien ketjuuntumista.

Itse pidän todennäköisimpänä, että ensimmäinen elävä organismi on ollut joukko RNA-juosteita ja muita monimutkaisia molekyylejä, jotka ovat kehittyneet toimivaksi molekyyliverkostoksi ympäristönsä kemian varassa. Tuliperäisestä ympäristöstä se on saanut kaikki tarvitsemansa aineet, ja näin pysynyt elossa. Vasta vähitellen se on kemiallisen evoluution myötä kehittynyt niin pitkälle, että sille on kehittynyt omia biosynteesireittejä. Kun sitä ympäröivät olosuhteet ovat pakottaneet, se on sulkeutunut solukalvon sisälle ja muodostanut itsenäisiä soluja. Näistä soluista on alkanut tuntemamme biologinen evoluutio.

Tarkkaa tietoa kehitysvaiheista ei siis vielä ole, vaan elämän synty on yhä mysteeri.

Elämä on sitä, että molekyylit pitävät yllä itse itseään geenien sisältämän informaation avulla. Luonnonvalinta on synnyttänyt tämän informaation rakentamalla nukleotidiketjuja, ensin RNA:ta, ja myöhemmin DNA:ta. Ihminen pystyy lukemaan tätä tietoa ja rakentamaan geenin uudestaan toimivaksi, käyttäen samaa järjestystä. Mutta emme pysty vieläkään kirjoittamaan ainoatakaan uutta toimivaa nukleotidijärjestystä – emme pysty tuottamaan itse elämää elottomasta materiaalista.

Eteenpäin on kuitenkin päästy. Nyt kyetään jo rakentamaan nukleotideja vetysyanidista lähtien ja simuloimaan joitakin reaktioreittejä. Nukleotideja on myös saatu ketjuuntumaan lyhyisiin ketjuihin, jotka myös saadaan katalysoimaan erilaisia reaktioita. Nukleotidiketjujen spontaania kopioitumista ei kuitenkaan vielä ole onnistuttu tuottamaan riittävän tehokkaasti.

Suurimpia ongelmia on vaihtoehtojen valtava määrä ja se, että elämä on järjestelmä, joka perustuu emergenssiin. Tämä tarkoittaa, että mikään yksittäinen molekyyli ei yksin pysty elämään, vaan tarvitaan toimiva molekyyliverkosto, joka vuorovaikuttaa keskenään. Kun kaikki oikeat palikat ovat kasassa, elämä käynnistyy kuin moottori. Sitä ei kuitenkaan voi tunnistaa ennen kuin se on saavuttanut tason, jossa toiminta voi alkaa.

Tulevaisuudessa ongelman voisi ratkaista tehokas keinoäly. Kun kemiallisia reaktioita voidaan simuloida keinoälyn avulla, ilman että niitä tarvitsee testata koeputkessa ja hyvin erikoisissa olosuhteissa, niitä voidaan tutkia paljon tehokkaammin.  Tämä voisi merkittävästi lisätä kemistien mahdollisuuksia löytää sellaisten ketjujen yhdistelmiä, joista kehittyy elämää.