Seutuviikko 2015, Jämsä Kyösti Ryynänen LUENTO 5

Transkriptio

1 Seutuviikko 2015, Jämsä Kyösti Ryynänen LUENTO 5 ELÄMÄ ON SYSTEEMITASON OMINAISUUS, JOKA VOI RAKENTUA JA TOIMIA ERILAISISSA BIOKEMIOISSA AVARUUDEN MOLEKYYLIT PREBIOOTTISTEN MOLEKYYLIEN ESIINTYMINEN 1 ELÄMÄN EDELLYTYKSET AIKA-AVARUUS-MATERIA TIETYNLAINEN UNIVERSUMI (AIKA- AVARUUDEN DIMENSIOT JA FYSIIKAN LAIT, JOTKA MUODOSTUVAT ALKURÄJÄHDYKSESSÄ MATERIAN KANSSA) OIKEANIKÄINEN UNIVERSUMI (RAKENTEET SUOTUISIA JA ALKUAINEPITOISUUDET RIITTÄVIÄ) PAIKALLISESTI ELÄMÄN RAKENTEILLE JA PROSESSEILLE SUOTUISAT OLOSUHTEET (VÄLTTÄMÄTTÖMÄT EHDOT) ELÄMÄN KÄYNNISTYMINEN (RIITTÄVÄT EHDOT TAI SATTUMA) 2 1

2 AIKA-AVARUUS 3 AVARUUS-DIMENSIOTA 1 AIKA-DIMENSIO AVARUUDEN DIMENSIOILLA VAIKUTUS LUONNONLAKIEN MUOTOON JA LUONNONVAKIOIDEN ARVOIHIN ATOMIT STABIILEJA PLANEETTASYSTEEMIT STABIILEJA SÄHKÖMAGNEETTISEN AALLON KÄYTTÄYTYMINEN 3 LISÄULOTTUVUUDET OLTAVA PALJON PIENEMPIÄ (SYKKYRÄLLÄ) KUIN HAVAITSEMAMME 3D + 1D JOS 4D-AVARUUS, NIIN LUONNONLAIT TOIMIVAT MYÖS NELJÄSSÄ AVARUUSULOTTUVUUDESSA SÄIETEORIAT (10-12-ULOTTUVUUTTA) ERI UNIVERSUMEISSA SAATTAISI OLLA ERI MÄÄRÄ ULOTTUVUUKSIA (EHKÄ VAIN OSA ULOTTUVUUKSISTA LAAJENEE) 4 2

3 MUUNLAISET UNIVERSUMIT GRAVITAATIO RIIPPUVAINEN AVARUUDELLISTEN DIMENSIOIDEN MÄÄRÄSTÄ (nd niin voimakkuus kääntäen verrannollinen r n-1 ) 2D (TASO) - MAAILMASSA MONIMUTKAINEN ELÄMÄ EI OLISI MAHDOLLISTA ULOTTUVUUKSIEN LISÄÄNTYESSÄ MAHDOLLISIA RAKENTEITA ENEMMÄN (VAIHTOEHTOISIA REITTEJÄ PISTEIDEN VÄLILLÄ) 5 PERUSVOIMAT GRAVITAATIO (MASSA KOKEE) VAHVA YDINVOIMA (PITÄÄ ATOMIYTIMEN KOOSSA) HEIKKO YDINVOIMA (SÄÄTELEE ATOMIYTIMIEN HAJOAMISTA) SÄHKÖMAGNEETTINEN VOIMA (VARAUSTEN VÄLILLÄ) 6 3

4 LUONNONVAKIOT FYSIIKKA OLEMASSA ENNEN UNIVERSUMIN ALKUA LUONNONVAKIOIDEN ARVOT SAADAAN HAVAINNOISTA (EI TIEDETÄ OVATKO NE OIKEASTI RIIPPUMATTOMIA TOISISTAAN) ELÄMÄ EI OLISI MAHDOLLISTA, JOS LUONNONVAKIOIDEN ARVOT POIKKEAISIVAT PALJOAKAAN HAVAITUISTA JOS GRAVITAATIOVAKIO SUUREMPI, NIIN TÄHDET PALAISIVAT LOPPUUN NOPEAMMIN JA PLANEETAT SYÖKSYISIVÄT KESKUSTÄHTIIN 7 VAHVA YDINVOIMA VOIMAKKAAMPI VAHVA YDINVOIMA, NIIN KAIKKI VETY MUUTTUISI RASKAAMMIKSI ALKUAINEIKSI EIKÄ VETYÄ EIKÄ SITEN VETTÄ PÄÄSISI MUODOSTUMAAN PALJON VOIMAKKAAMPI VAHVA YDINVOIMA, NIIN EI ENÄÄ MUODOSTUISI HIILTÄ EIKÄ HAPPEA HEIKOMPI VAHVA YDINVOIMA, NIIN ATOMEJA EI OLISI MUODOSTUNUT, KOSKA SAMANMERKKISIÄ VARAUKSIA HYLKIVÄ SÄHKÖMAGNEETTINEN VOIMA OLISI ESTÄNYT PROTONIEN SITOUTUMISEN YTIMIKSI 8 4

5 HEIKKO YDINVOIMA JOS HEIKKO YDINVOIMA HIEMANKIN ERISUURUINEN, NIIN MASSIIVISET TÄHDET EIVÄT RÄJÄHTÄISI SUPERNOVINA LEVITTÄEN RASKAAMPIA ALKUAINEITA AVARUUTEEN VAHVEMPI HEIKKO YDINVOIMA, NIIN AINEEN VUOROVAIKUTUKSET JA ANNIHILAATIOT TEHOKKAAMPIA JA JÄLJELLE JÄÄNYT VÄHEMMÄN PIMEÄÄ AINETTA HEIKOMPI HEIKKO YDINVOIMA, NIIN VASTAAVASTI JÄLJELLE JÄÄNYT ENEMMÄN PIMEÄÄ AINETTA 9 ANTROOPPINEN PERIAATE BIOFIILINEN UNIVERSUMI MAAILMANKAIKKEUDEN LOGIIKKA MAHDOLLISTAA ELÄMÄN MAAILMANKAIKKEUDESSA ON NEGATIIVISTA ENTROPIAA (ELI JÄRJESTYSTÄ) ALUSTA ALKAEN, LUONNONVAKIOIDEN ARVOT OVAT IKÄÄN KUIN HIENOSÄÄDETTYJÄ MAAILMANKAIKKEUDEN RAKENNE JA FYSIIKAN LAIT SINÄLLÄÄN (LUONNONVAKIOIDEN ARVOT) OVAT SELLAISET, ETTÄ IHMISEN KALTAISTEN OLIOIDEN ON MAHDOLLISTA ALKAA KEHITTYMÄÄN (BIOYSTÄVÄLLINEN UNIVERSUMI) ATOMIEN JA MOLEKYYLIEN PROSESSIT OVAT LUONNOSTAAN ELÄMÄN KANNALTA SUOSIOLLISIA FYSIIKKA -> KEMIA -> BIOLOGIA TÄSTÄ SEURAISI ETTÄ ELÄMÄ OLISI TAI AINAKIN VOISI OLLA YLEISTÄ MAAILMANKAIKKEUDESSA VASTA-ARGUMENTTINA ON ETTÄ ELÄMÄ ON YKSINOMAAN MYÖHÄISEMMÄN MAAILMANKAIKKEUDEN HARVINAISLAATUINEN KEMIALLINEN ANOMALIA 10 5

6 TOISET UNIVERSUMIT VOIDAAN AJATELLA OMINAISUUKSILTAAN JA SITEN MAHDOLLISUUKSILTAAN ERILAISIA UNIVERSUMEJA ERI LOGIIKKA ERI LUONNONLAIT ERI LUONNONVAKIOT ERI MÄÄRÄ AVARUUS- JA AIKADIMENSIOITA ERI LÄHTÖARVOT ERI KEHITYSHISTORIA ERILAINEN ELÄMÄ 11 KOSMOLOGIA ELÄMÄ MAHDOLLISTA VAIN TIETYSSÄ UNIVERSUMIN KEHITYSVAIHEESSA (JOLLOIN ELÄMÄN KÄYTTÄMÄT RAKENTEET OVAT OLEMASSA) ALUKSI (BIG BANG) OLI PUHDASTA ENERGIAA, JOSTA ATOMIEN RAKENNUSOSASET PROTONIT, ELEKTRONIT JA NEUTRONIT KONDENSOITUIVAT ENERGIATIHEYDEN ALKAESSA LASKEA UNIVERSUMIN ERI KEHITYSVAIHEISSA ERILAISET ELÄMÄNMUODOT OVAT MAHDOLLISIA (ALKUAINEET,PRIMITIIVISET/KOMPLEKSISET) METALLIPITOISUUDEN (VETYÄ JA HELIUMIA RASKAAMMAT ALKUAINEET) KASVATTAMISEEN TARVITAAN KYMMENKUNTA TÄHTISUKUPOLVEA, JOHON KULUU AIKAA EHKÄ 10 MILJARDIA VUOTTA (HIILIPITOISUUS RIITTÄVÄ MONIPUOLISELLE BIOKEMIALLE), SEURAUKSENA MM. VETTÄ LÖYTYY LÄPI GALAKSIEN, PIENI OSA KEHOMME VETYATOMEISTA ON PERÄISIN JOPA TOISISTA GALAKSEISTA KUIN LINNUNRADASTAMME, OLEMME OSIN INTERGALAKTISIA OLIOITA UNIVERSUMIN HIILIPITOISUUS RIITTÄVÄ VIELÄ AINAKIN VUOTTA MAAILMANKAIKKEUDEN EDELLEEN LAAJETESSA (KIIHTYVÄLLÄ VAUHDILLA) PLANEETTASYSTEEMIT JA GALAKSIT ALKAVAT HAJOTA LOPULTA PÄÄTYEN MUSTIIN AUKKOIHIN, JOTKA NEKIN LOPULTA HÖYRYSTYVÄT ENERGIATIHEYDEN KOKO AJAN LASKIESSA UNIVERSUMISSA 12 6

7 KOSMOLOGIA PUNAISET KÄÄPIÖTÄHDET KEHITTYVÄT (POLTTAVAN ENERGIANSA) HITAASTI SINISIKSI KÄÄPIÖIKSI, ELÄMÄ MAHDOLLISTA KAUAN NÄIDEN TÄHTIEN PLANEETOILLA RUSKEAT KÄÄPIÖT (EPÄONNISTUNEET TÄHDET) TÖRMÄÄVÄT TOISIINSA, JOLLOIN NIIDEN YHTEISMASSA RIITTÄÄ YDINREAKTIOIDEN KÄYNNISTÄMISEEN (TÄHTI SYTTYY), ELÄMÄ MAHDOLLISTA NÄIN MUODOSTUVIEN TÄHTIEN PLANEETOILLA 13 KOSMOLOGIA UNIVERSUMIN IÄN KASVAESSA TÄHTIEN SYNTYNOPEUS PIENENEE VÄHEMMÄN UUSIA PLANEETTOJA SYNTYVÄT PLANEETAT EROAVAT (KESKIMÄÄRÄISELTÄ) KOOSTUMUKSELTAAN AIKAISEMMIN MUODOSTUNEISTA, SEURAUKSENA PUUTTUU EHKÄ VULKANISMI JA SITEN MYÖS ELÄMÄÄ SUOJAAVA MAGNEETTIKENTTÄ PARHAAT PLANEETAT ELÄMÄN KANNALTA VAIN TIETYNIKÄISESSÄ UNIVERSUMISSA 14 7

8 MILLER JA UREY -KOE STANLEY MILLER JA HAROLD UREY 1953 LABORATORIOSSA YRITETÄÄN AIKAANSAADA ELÄMÄÄ (TAI AINAKIN SEN RAKENNUSAINEKSIA) VETTÄ (H 2 O), MERI METAANIA (CH 4 ), AMMONIAKKIA (NH 3 ) JA VETYÄ (H 2 ), ALKUILMAKEHÄ SÄHKÖPURKAUKSIA (SALAMOINTI) VETTÄ KUUMENNETTIIN JA VIIKON SISÄLLÄ SYSTEEMI TUOTTI ORGAANISIA YHDISTEITÄ KUTEN AMINOHAPPOJA (SEITSEMÄÄ KAPPALETTA, JOISTA KOLMEA; GLYSIINIÄ, ASPARGIINIHAPPOA JA ALANIINIA ELÄMÄ KÄYTTÄÄ BIOKEMIASSAAN) MM. GLYSIINIÄ (CH2NH2COOH) MUODOSTUI REAKTIOKETJUSSA, JOSSA OSALLISINA FORMALDEHYDI (H2CO), VETYSYANIDI (HCN), AMMONIAKKI JA VESI BIOLOGISESTI TÄRKEITÄ PIENIÄ MOLEKYYLEJÄ: AMINOHAPPOJA, SOKEREITA SEKÄ MYÖS DNA:N JA RNA:N OSAMOLEKYYLEJÄ SAADAAN AIKAAN VASTAAVILLA KOKEILLA KOE TOISTETTU ERILAISILLA OLETUKSILLA ALKUILMAKEHÄSTÄ 15 EHDOTETTUJA ALKUELÄMÄN PAIKKOJA MINERAALIT JA SAVI (SUOJAA, TUKIRAKENNETTA, VALINTAA, KATALYYSIÄ JA ENERGIAA); MAANKUOREN LÄMPIMÄT, HUOKOISET JA KOSTEAT KERROKSET MERENPOHJAN KUUMAT PURKAUSAUKOT (MUSTAT SAVUTTAJAT) RIKKIPITOISET KUUMAT LÄHTEET JA GEYSIRIT LAGUUNIT JA VUOROVESIALTAAT (VEDENRAJA), MERET YLIPÄÄNSÄ MANNER- JA MERIJÄIDEN HUOKOSET OVATKO NÄMÄ ALKUELÄMÄN SYNTYPAIKKOJA VAI ONKO ELÄMÄ SIIRTYNYT NIIHIN MYÖHEMMIN SUOJAAN? NYKYISIN SAMANLAINEN ELÄMÄNALKU EI OLE MAHDOLLINEN, KOSKA OLEMASSAOLEVA ELÄMÄ KÄYTTÄISI RAVINNOKSEEN TARVITTAVAT MOLEKYYLIT 16 8

9 PANSPERMIA AJATUKSENA ETTÄ ELÄMÄ PYSTYY SIIRTYMÄÄN UNIVERSUMISSA PAIKASTA TOISEEN ELÄMÄ SUOJASSA JO 20CM METEORIITIN SISÄLLÄ, PÖLYKERROS SUOJAA, KUOLLUT BIOIMASSA SUOJAA, KYLMÄÄ, KUIVAA, EI RAVINTOA, JOTEN HORROKSESSA ELÄMÄN SÄILYMINEN METEORIITISSA MATKAN AJAN AVARUUDESSA (PLANEETALTA YLÖS- SINKOUTUMINEN JA ALAS-SYÖKSYMINEN ATMOSFÄÄRIN LÄPI MUKAAN LUKIEN), RIITTÄÄ KUN YKSI LUKEMATTOMISTA MILJARDEISTA MIKROBEISTA SELVIYTYISI MEREEN TAI JÄÄHÄN ISKEYTYMINEN PEHMEÄMPI JA ELÄMÄLLE SUOTUISA YMPÄRISTÖ HETI LÄSNÄ MAAHAN JOUTUNUT METEORIITTEJA MARSISTA, KUUSTA JA VENUKSESTA (AINAKIN NÄISTÄ), LENTOAIKA TYYPILLISESTI 15 MILJOONAA VUOTTA MARSISTA LASKEUTUJIEN MUKANA MAAMIKROBEJA VIETY KUUHUN, MARSIIN, VENUKSEEN, TITANIIN JNE. (KONTAMINAATIO) ALKUELÄMÄ SAATTANUT SINKOUTUA KOSMISISSA TÖRMÄYKSISSÄ (TÖRMÄYSEROOSIO) KIVIEN MUKANA MAATA KIERTÄVÄLLE RADALLA, KUUHUN, MARSIIN JA VENUKSEEN, JOISTA PALAUTUNUT JÄLLEEN TAKAISIN MAAHAN (ELÄMÄ SELVIYTYNYT PLANEETAN KATASTROFEISTA), MAAELÄMÄN ALKUHETKIÄ VOI OLLA USEITA MAAPALLON HISTORIASSA MAAN, VENUKSEN, MARSIN JA KUUN SYNNYN JÄLKEEN PALJON KOSMISIA TÖRMÄYKSIÄ, JOLLOIN MAHDOLLINEN ELÄMÄ TODENNÄKÖISESTI SIIRTYI PLANEETALTA TOISELLE, MAASTA MARSIIN METEORIITTEJA 1/100 TOISENSUUNTAISISTA, KOSKA MAAN PAINOVOIMA SUUREMPI ELÄMÄN MATKAT PLANEETALTA TOISELLE TOIMINEET EVOLUTIIVISINA PULLONKAULOINA (ITIÖT JA BAKTEERIT VALIKOITUNEET KESTÄMÄÄN AVARUUDEN SÄTEILYÄ) PANSPERMIA MAHDOLLISTA JA TODENNÄKÖISTÄ AURINKOKUNNASSA MUTTA ERITTÄIN EPÄTODENNÄKÖISTÄ TÄHTIEN VÄLISILLÄ ETÄISYYKSILLÄ 17 SOLUKALVOJEN ALKU PREBIOOTTISET MAKROMOLEKYYLIT AMBIFIILISET RASVAMOLEKYYLIT ASETTUVAT VEDENPINNALLE HYDROFIILISET PÄÄT ALASPÄIN (KOHTI VETTÄ) JA HYDROFOBISET PÄÄT YLÖSPÄIN MUODOSTAEN KALVON (MONOLAYER) RIKKOUTUESSAAN KALVO JÄRJESTYY PIENIKSI PALLOSIKSI (MICELLS), JOISSA MOLEKYYLIEN HYDROFOBISET PÄÄT JÄÄVÄT PALLON SISÄLLE JA HYDROFIILISET PÄÄT PALLON ULKOPINNALLE PAINOTTOMUUDESSA VESIPISARA MUODOSTAISI PALLOMAISEN SULJETUN PROTOSOLUN PROTOSOLUN RAKENNE MÄÄRÄYTYNYT ULKOISISTA TEKIJÖISTÄ KÄSIN, MUTTA ELÄVÄN SOLUN SOLUKALVOJEN RAKENNE MÄÄRÄYTYY SOLUN SISÄISEN INFORMAATION PERUSTEELLA 18 9

10 SOLUKALVOJEN ALKU KAKSINKERTAISESSA KALVORAKENTEESSA RASVAMOLEKYYLIEN HYDROFOBISET PÄÄT OVAT VASTAKKAIN KALVON SISÄLLÄ JA MOLEKYYLIEN HYDROFIILISET PÄÄT MUODOSTAVAT KALVON ULKOPINNAT KAKSINKERTAISEN KALVORAKENTEEN MUODOSTAMIA PALLOSIA (RAKKULOITA) KUTSUTAAN VESIKKELEIKSI (BILAYER VESICLES) KOASERVAATIT (COACERVATES) OVAT PALLOSIEN (PISAROIDEN) RYHMITTYMIÄ 19 KOMPLEKSISUUDEN ALKU KOMPLEKSISET SYSTEEMIT OVAT (LUONNOSTAAN) EPÄTODENNÄKÖISIÄ (EPÄTODENNÄKÖINEN ELÄMÄ), KUN EI OLE EVOLUUTIOALUSTAA (ELÄMÄÄ) TUOTTAMASSA NIITÄ SYSTEEMIN PAIKALLISET MUUTOKSET AIKAANSAAVAT KOKONAISUUDEN KOMPLEKSISUUDEN KASVUN PROTOSOLUJEN SISÄÄN VOI JÄÄDÄ ERILAISIA MOLEKYYLEJÄ MUODOSTAEN BIOKEMIAA PROTOSOLUJEN KASTUMINEN JA KUIVUMINEN EDESAUTTAA MOLEKYYLIEN SEKOITTUMISTA JA AINEIDEN KONSENTROITUMISTA UV-SÄTEILY ANTAA ENERGIAA YKSINKERTAISTEN MOLEKYYLIEN MUODOSTUMISEEN (MUTTA HAJOTTAA OLEMASSAOLEVIA MONIMUTKAISIA MOLEKYYLEJÄ) TOISAALTA MYÖS VESI HAJOTTAA MOLEKYYLEJÄ EIKÄ NIINKÄÄN OLE AINA AVUKSI NIIDEN KOKOAMISESSA VEDEN HÖYRYSTYMINEN (LÄMMETESSÄ) SITÄ VASTOIN EDISTÄÄ AMINOHAPPOJEN MUODOSTUMISTA LIUOKSESSA 20 10

11 KOMPLEKSISUUS POLYMEEREJA JA MAKROMOLEKYYLEJÄ NUKLEOTIDIT KETJUUNTUVAT SOKERIMOLEKYYLIT KETJUUNTUVAT (REAKTIIVISET OH RYHMÄT) AMINOHAPOT KETJUUNTUVAT (REAKTIIVISET NH 2 JA COOH RYHMÄT) POLYMEERIEN PÄÄT SISÄLTÄVÄT EDELLEEN REAKTIIVISIA RYHMIÄ, JOIDEN KAUTTA MOLEKYYLI VOI KASVAA LUONNOSSA ESIINTYY KOMPLEKSISUUTTA, JOTA ELÄMÄ ON EDELLEEN PYSTYNYT KASVATTAMAAN ALKUELÄMÄN ON TÄYTYNYT HYÖDYNTÄÄ EI-ELÄVÄN LUONNON VALMIINA ESIINTYVIÄ KOMPLEKSISUUDEN MUOTOJA ARVIOITU, ETTÄ ALKUELÄMÄ VOISI KÄYNNISTYÄ ALLE 20 MILJOONASSA VUODESSA, SOPIVIEN MOLEKYYLIEN OLLESSA LÄSNÄ ELÄMÄ VÄHENTÄÄ ENERGIAN JA RAVINNON SISÄLTÄMÄÄ KOMPLEKSISUUTTA SAMALLA LISÄTEN JA YLLÄPITÄEN ELÄMÄN SYSTEEMIN KOMPLEKSISUUTTA 21 AUTOKATALYYSI MONET REAKTIOT OVAT HITAITA KATALYYTTI ON AINE, JOKA NOPEUTTAA REAKTIOTA (JOPA MILJARDIKERTAISEKSI) ENTSYYMIT MAHDOLLISTAVAT ELÄMÄN, VAIKKA REAKTIOT MUUTOIN OLISIVAT LIIAN HITAITA AUTOKATALYYSISSÄ SYNTYVÄ YHDISTE TOIMII REAKTION KATALYYTTINÄ ENSIMMÄINEN REAKTIO ON EPÄTODENNÄKÖINEN, MUTTA HETI TÄMÄN JÄLKEEN REAKTIONOPEUS KASVAA KORKEAMPI LÄMPÖTILA KATALYSOI REAKTIOITA 22 11

12 REPLIKAATIO POLYMEERIEN KOPIOITUMINEN ITSEREPLIKAATIO RNA- JA DNA-MOLEKYYLIEN PÄTKÄT PYSTYVÄT JOSSAKIN MÄÄRIN KOPIOIMAAN ITSEÄÄN, MUTTA ENTSYYMIEN PUUTTUESSA KOPIOITUMISESSA TAPAHTUU VIRHEITÄ ENSIMMÄISTEN ELIÖIDEN GENOMIN ON TÄYTYNYT OLLA LYHYT, JOTTA ONNISTUNEET VÄLTTÄMÄÄN VIRHEKATASTROFIN VIRUKSET KOPIOITUMISKYKYISIÄ ISÄNTÄSOLUSSA 23 INFORMAATION TARVE ELÄMÄ TARVITSEE INFORMAATIOTA (OHJELMISTON) RAKENTUAKSEEN JA TOIMIAKSEEN (TOIMIVA KOKONAISUUS ON ENEMMÄN KUIN OSIENSA SUMMA) RIITTÄVÄN BIOKEMIAN LISÄKSI ELÄMÄN PROSESSI TARVITSEE INFORMAATIOTA JOKA KATTAA PROSESSIN PERUSTOIMINTOJEN OHJAUKSEN PROSESSIN ALKAMINEN EDELLYTTÄÄ PROSESSIN OHJAUTUMISTA YMPÄRISTÖN (ESIM. HUOKOISEN MINERAALIN, KONSENTROITUMISEN, SATTUMAN) MUODOSTAMAN INFORMAATIOKEHYKSEN SISÄLLÄ JA ITSENÄISTYÄKSEEN TÄSTÄ ALUSTASTAAN RINNAKKAISTA MOLEKYYLIEN INFORMAATIOSISÄLLÖN KASVUA PROSESSIN KOMPLEKSISUUDEN KASVAESSA, KOMPLEKSISUUDEN EMERGENTIT LAIT FYSIKAALINEN YMPÄRISTÖ (UNIVERSUMI ERI TASOILLAAN) ON AINOA ALKUELÄMÄLLE MAHDOLLINEN INFORMAATION LÄHDE JA INFORMAATIOTA VALIKOIVA TEKIJÄ, GRAVITAATIO YHTENÄ MERKITTÄVIMPÄNÄ VAIKUTTAJANA KAIKKI ELÄMÄN INFORMAATIO EI OLE VOINUT OLLA ALUSSA VALMIINA, BAKTEERIN GENOMISTA TULISI JO 1000 SIVUINEN KIRJA JA IHMISEN GENOMIN ARKISTOINTIIN TARVITTAISIIN JO KIRJASTO 24 12

13 ITSEORGANISOITUVA PROSESSI ELÄMÄN INFORMAATION ON TÄYTYNYT MUUTTUA ULKOA YMPÄRISTÖSTÄ SÄÄDELLYSTÄ NYKYISENKALTAISEKSI SISÄISEN KOODIN SÄÄTELEMÄKSI SIMULAATIOT OSOITTAVAT, ETTÄ KUN SYSTEEMISSÄ RIITTÄVÄSTI OSIA JA VUOROVAIKUTUKSIA, NIIN SE ALKAA ITSEORGANISOIDA TOIMINTAANSA BIOKEMIAN RAKENTUMINEN, MISSÄ JOKIN MOLEKYYLI(KETJU) KOODAA MOLEKYYLIEN MUODOSTAMISTA JA JOKIN MOLEKYYLIRAKENNE KONSTRUOI NÄITÄ MOLEKYYLEJÄ (GENEETTISEN JA KATALYYTTISEN AINEKSEN EROTTAMINEN LISÄÄ TEHOKKUUTTA) RNA-MAAILMASSA ERILAISILLA RNA-MOLEKYYLEILLÄ ON NÄITÄ OMINAISUUKSIA (mrna, rrna ja trna) ENNEN RNA:ta TÄYTYNYT OLLA VIELÄ YKSINKERTAISEMPIA MOLEKYYLEJÄ, JOILLA SAMANSUUNTAISIA OMINAISUUKSIA, EHDOTETTU TNA:ta, JOSSA SOKERINA TREOOSI (MAHDOLLISTAISI JOPA KAKSOISKIERTEEN) EI-ELÄVÄSTÄ MATERIASTA ELÄVÄKSI MATERIAKSI ILMAN MITÄÄN EPÄJATKUVUUSKOHTIA ENSIMMÄISTEN KOODAAVIEN JA KONSTRUOIVIEN MOLEKYYLIEN SYNTYYN JA VALIKOITUMISEEN VAIKUTTAA SE MIKÄ ON FYSIKAALISESTI JA KEMIALLISESTI MAHDOLLISTA, NÄIN OLLEN ELÄMÄN RAKENNE JA KOODI AINA HEIJASTAA TODELLISUUDEN RAKENNETTA 25 TODENNÄKÖISYYS Molekyylien välisten reaktioiden käynnistyminen elämäksi riippuu Millaisia molekyylejä on saatavilla Kuinka runsaasti eri molekyylejä on Pääsevätkö (erilaiset) molekyylit kosketuksiin keskenään Ympäristön lämpötila, paine jne. Pystyykö ympäristö katalysoimaan muutoin epätodennäköisiä reaktioita Onko käyttökelpoista energiaa tarjolla Kauanko olosuhteet ovat edulliset 26 13

14 PAUL DAVIS TODENNÄKÖISYYS KAIKKI MIKÄ ON MAHDOLLISTA TAPAHTUU ENNEMMIN TAI MYÖHEMMIN TÄMÄN VUOKSI MYÖS ELÄMÄÄ ESIINTYY UNIVERSUMISSA 27 ENSIMMÄINEN ELIÖ ABIOGENEESI (EI-ELÄVÄSTÄ ELÄVÄÄ) MOLEKYYLIT+LIUOTIN+ENERGIAA H 2 O, H 2, HCN, CH 2 O, NH, CH JNE. JOISTA PREBIOOTTISESTI MONIMUTKAISEMPIA MOLEKYYLEJÄ (REAKTIOT ILMAKEHÄSSÄ, KUUMISSA LÄHTEISSÄ, ASTEROIDI- JA KOMEETTATÖRMÄYKSISSÄ) 1. SAATAVILLA OLTAVA NUKLEOTIDEJÄ JA AMINOHAPPOJA 2. JÄRJESTÄYTYMINEN RNA:KSI (ITSEREPLIKAATIO) 3. PROTEIINISYNTEESIN KÄYNNISTYMINEN (ENTSYYMIT, RIBOSOMIT) RNA+RIBOSOMIT+SOLUKALVOT+METABOLISMI 28 14

15 ENSIMMÄINEN ELIÖ ONGELMANA ETTÄ KÄYNNISTYÄKSEEN SOLUN KAIKKIEN KESKEISTEN OSIEN PITÄÄ OLLA SAMALLA HETKELLÄ JA SAMASSA PAIKASSA TOIMINTAVALMIINA MISSÄ JÄRJESTYKSESSÄ KAIKKI ALKOI, EHDOTETTU ETTÄ 1. SOLUT 2. ENTSYYMIT 3. GEENIT 1. GEENIT 2. ENTSYYMIT 3. SOLUT 1. METABOLISMI 2. GEENIT/SOLUT MYÖS KAHDEN ALKUPERÄN HYPOTEESI, JOSSA TOISESTA PROTEIINEJA (ENTSYYMEJÄ JA RAKENTEITA) JA TOISESTA NUKLEIINIHAPPOJA (INFORMAATIOTA), JONKA JÄLKEEN NÄMÄ YHTYIVÄT (MOLEKYYLIRAKENTEIDEN TÖRMÄYKSISSÄ) YHDEKSI ELÄMÄN ALKUPROSESSIKSI (USEITA MAHDOLLISIA KEHITYSKULKUJA) ALKUELÄMÄN TAPAHTUMAKETJU EI OLE REKONSTRUOITAVISSA EIKÄ SIITÄ OLE JÄÄNNYT MUITA TODISTEITA KUIN ELÄMÄN KÄYTTÄMÄN KEMIAN ANTAMIA VIITTEITÄ ALKUPERÄSTÄÄN 29 PREBIOOTTISET MOLEKYYLIT PELKISTÄVISSÄ OLOSUHTEISSA (ELEKTRONEJA JA VETTÄ) HIILESTÄ, VEDYSTÄ, HAPESTA, TYPESTÄ JA FOSFORISTA MUODOSTUU METAANIA, AMMONIAKKIA, SYANIDEJA JA ALDEHYDEJÄ, JOISTA KESKENÄÄN EDELLEEN MUODOSTUU (USEITA ELÄMÄN KÄYTTÄMIÄ) AMINOHAPPOJA VETEEN LIUENNUT VETYSYANIDI REAGOI JA MUODOSTAA MM. UREAA, AMINOHAPPOJA JA EMÄKSIÄ NUKLEOTIDISYNTEESI (RNA) JA NUKLEOTIDIPOLYMEROITUMINEN VAIKEAMMIN YMMÄRRETTÄVISSÄ (Di Mauro ja Saladino EHDOTTANEET NUKLEOTIDISYNTEESIN TAPAHTUNEEN VETYSYANIDIN LIUETESSA VETEEN MUODOSTUNEEN (KUUMAN) FORMALIININ AVULLA FOSFAATTIMINERAALIEN PINNOILLA) 30 15

16 RNA -> DNA RNA ENNEN DNA:TA RNA SYNTETISOITUU HELPOMMIN RNA:N TÄYTYNYT OLLA ENNEN PROTEIINEJA, KOSKA MUUTOIN PROTEIINEJA EI VOISI SYNTETISOITUA RNA:N KOODAUSKYKY (VIRHEETÖN KOODIN PITUUS) RIITTI VAIN PIENTEN ORGANISMIEN TARPEISIIN DNA ON STABIILIMPI MOLEKYYLI PROKARYOOTEILLA DNA RENKAINA EUKARYOOTEILLA DNA FRAGMENTOITUNEENA (JAKAANTUNEENA ERI KROMOSOMEIHIN) 31 ENSIMMÄINEN ELIÖ ALKUELÄMÄ SAATTANUT SAADA ALKUNSA MAANKUORESSA TAI VEDENRAJASSA, MUTTA KULKEUTUNUT SEN JÄLKEEN MERENPOHJAN KUUMIIN LÄHTEISIIN ARKKEIHIN KUULUVAT TERMOFIILIT JA HYPERTERMOFIILIT GENEETTISESTI LÄHINNÄ KAIKEN ELÄMÄN ALKUMUOTOA KORKEAAN LÄMPÖTILAAN SOPEUTUMINEN KERTOO YMPÄRISTÖSTÄ, MISSÄ NE OVAT KEHITTYNEET ENSIMMÄINEN ELIÖ SAATTANUT OLLA MOLEKYYLIEN (ULKOISESTI RAJATTU) YHTEISÖ ILMAN SOLUKALVOJA 32 16

17 YKSINKERTAISIN SOLU SOLU ON ELÄMÄN PIENIN TUNNETTU YKSIKKÖ (SUURIN OSA ELIÖISTÄ EDELLEEN YKSISOLUISIA) POISTAMALLA TAI LISÄÄMÄLLÄ GEENEJÄ, VOIDAAN TUTKIA MITKÄ GEENIT OVAT ELÄVÄLLE SOLULLE (BAKTEERILLE) VÄLTTÄMÄTTÖMIÄ YKSINKERTAISIMMASSA SOLUSSA EHKÄ GEENIÄ (YKSINKERTAISIMMISSA VAPAASTI ELÄVISSÄ ELIÖISSÄ EHKÄ 1600 GEENIÄ) DNA:N KOODAAVAA KIRJAINTEN (EMÄSTEN) LUKUMÄÄRÄÄ JA SANANPITUUTTA (KODONIN TILALLE) MUUTETTU UUDENLAISIA AMINOHAPPOJA (PROTEIINEJA) LUOTU 33 VAIHTOEHTOINEN ELÄMÄ VALIKOITUIVATKO MAAELÄMÄN PERUSMOLEKYYLEIKSI RUNSAASTI TARJOLLA OLLEET VAIHTOEHDOT VAI AINOASTAAN NE MOLEKYYLIT, JOILLA OLI RIITTÄVÄT KEMIALLISET OMINAISUUDET TOIMIA ELÄMÄN OSASINA? KUINKA TYYPILLISTÄ MAAPALLON ELÄMÄ ON? KUINKA PALJON ELÄMÄ VOI POIKETA MAAELÄMÄSTÄ? MITKÄ MAAELÄMÄN OMINAISUUDET OVAT UNIVERSAALEJA (YLEISIÄ)? MITKÄ MAAELÄMÄN OMINAISUUDET OVAT LOKAALEJA (PAIKALLISIA)? ELÄMÄLLÄ ON VALINTAMAHDOLLISUUKSIA (ESIM. PROTEIINISYNTEESIN KOODAUSJÄRJESTELMÄN REDUNDANSSI) 34 17

18 ELIÖIDEN KOMPLEKSISUUS DNA-MAAILMA (KOMPLEKSISIMMAT ELIÖT) RNA-MAAILMA (ELÄMÄ EHKÄ MONIMUOTOISIMMILLAAN TUOLLOIN 4 MILJARDIA VUOTTA SITTEN) RIKETSIAT (DNA:ta ja RNA:ta) VIRUKSET (VIITTAAVAT RNA-ELIÖIDEN OLEMASSAOLOON EDELLEEN) VIROIDIT (PROTEIINIKUORI PUUTTUU) 35 VAIHTOEHTOISET BIOKEMIAT FYSIKAALINEN YMPÄRISTÖ (ALKUAINEET, MOLEKYYLIT, LÄMPÖTILA, GRAVITAATIO JNE.) MAHDOLLISET KEMIALLISET REAKTIOT JA MOLEKYYLIEN VÄLISET SIDOKSET SEKÄ NIIDEN MUUTOKSET ELÄMÄ PROSESSINA TOIMISI ERILAISILLA BIOKEMIOILLA EVOLUUTIO (MUTAATIOT, KILPAILU, KUOLEMA) TOIMISI ERILAISILLA BIOKEMIOILLA JA ALUSTOILLA (TEKOELÄMÄ) BIOKEMIOIDEN EROT NÄKYISIVÄT ELÄMÄNMUODON RAKENTEESSA, KOODAUSJÄRJESTELMÄSSÄ, KOMPLEKSISUUDESSA JA KEHITYSPOTENTIAALISSA 36 18

19 BIOKEMIOIDEN TODENNÄKÖISYYDET JAKSOLLISESTA JÄRJESTELMÄSTÄ VOIDAAN POIMIA ALKUAINEITA, JOIDEN VARAAN BIOKEMIOITA VOIDAAN AJATELLA JA SUUNNITELLA ELÄMÄ TARVITSEE ERI OLOMUODOSSA OLEVIA ALKUAINEITA (RAKENNE, LIUOTIN, ATMOSFÄÄRI) HIILI- JA VESIPOHJAINEN ELÄMÄ TODENNÄKÖISIN UNIVERSUMISSA, MUTTA EI AINOA PERIAATTEESSA MAHDOLLINEN 37 VAIHTOEHTOISET HIILIKEMIAT HIILIPOHJAINENKIN BIOKEMIA OLISI MUUALLA TOISENLAISTA (KÄYTTÖÖN VALIKOITUNEET BIOMOLEKYYLIT VAIHTELISIVAT) VAIKKA MYÖS MUUT ELÄMÄNMUODOT PERUSTUISIVAT HIILEEN, NIIN ELIÖISTÄ MUUNLAISISSA OLOSUHTEISSA KEHITTYISI TOISENLAISIA (PAIKALLISEEN YMPÄRISTÖÖN SOPEUTUNEITA) 38 19

20 PII PII (Si) PYSTYY MUODOSTAMAAN 1,2,3 JA 4 KERTAISIA KOVALENTTISIDOKSIA, KUTEN HIILIKIN PII-ATOMIT EIVÄT KETJUUNNU HELPOSTI PIIN SIDOSTEN LUJUUS ON VAIN PUOLET HIILEN SIDOSTEN LUJUUDESTA PIIN MOLEKYYLIT HAJOAVAT HELPOSTI JA MUODOSTAVAT UUSIA MOLEKYYLEJÄ SOPIVAMPI KORKEISIIN PAINEOLOSUHTEISIIN SEKÄ KYLMIIN JA KORKEISIIN LÄMPÖTILOIHIN KUIN HIILI (Si:n sulamislämpötila o C) SILAANIT (-185 o C o C) SOPIVIA PIIYHDISTEITÄ MATALIIN LÄMPÖTILOIHIN PIIN YHDISTEET ESIINTYVÄT LÄHINNÄ SIDOTTUINA MAANKUOREEN MAAN KUORESTA 30% ON PIITÄ, PII-ELÄMÄLLE OLISIVAT ALKUAINEET OLLEET OLEMASSA, MUTTA HIILI OLI TÄLLÄ PLANEETALLA KILPAILUKYKYISEMPI VAIHTOEHTO UNIVERSUMISSA EI PIIYHDISTEITÄ KÄYTETTÄVISSÄ VAPAASTI PLANEETTOJEN PINNOILLA JA ATMOSFÄÄREISSÄ YHTÄ PALJON KUIN HIILIYHDISTEITÄ 39 VAIHTOEHTOISIA ENERGIALÄHTEITÄ ENERGIAN EI TARVITSE OLLA KESKUSTÄHDESTÄ PERÄISIN GEOTERMINEN LÄMMITYS PLANEETAN JÄLJELLÄOLEVA JÄÄHTYMISLÄMPÖ RADIOAKTIIVISTEN AINEIDEN HAJOAMINEN MAANKUORESSA MAANKUOREN LÄMPÖTILA 110 C ASTETTA 4-7 KM SYVYYDELLÄ (SYVEMMÄLLE MENTÄESSÄ LÄMPÖTILA NOUSEE NOIN 20 C ASTETTA KILOMETRIÄ KOHDEN) HYPERTERMOFIILIEN KESTÄMÄ 121 C MAANKUOREN PAKSUUDESTA RIIPPUEN NOIN 10 KM:SSA VUOROVESIVOIMIEN AIKAANSAAMA KITKALÄMPÖ (KUORIKERROKSISSA) KEMOSYNTEESI (KEMIALLISISTA REAKTIOISTA, GEOKEMIALLISESTI MAANKUOREN MINERAALEISTA HAPETTAMALLA), KÄYTTÄVÄT ALKUAINEITA VETY, RAUTA, RIKKI, MANGAANI, SINKKI JNE., MUTTA ILMAN VALOA, HAPPEA JA ORGAANISTA RAVINTOA EKSTREMOFIILIT JOTKA KÄYTTÄVÄT RAVINTONA URAANIA, PLUTONIUMIA JA MUITA RADIOAKTIIVISIA ALKUAINEITA KOSMISISTA SÄTEISTÄ (IONISOIVASTA SÄTEILYSTÄ) LUONNON AIKAANSAAMA SÄHKÖPARISTO (MERENALAISTEN TULIVUORTEN LÄHISTÖLLÄ HAPON, KALVON JA NESTEEN KOHTAAMINEN) ALKUKANTAISET FOTOSYNTEESIN MUODOT HEIKKOKIN VALO (ESIM. NEPTUNUKSEN ETÄISYYDELLÄ) HYÖDYNNETTÄVISSÄ 40 20

21 AVARUUDEN MOLEKYYLIT TUNNETAAN NOIN 150 KAASUNA TAI JÄÄTYNEINÄ (pölyhiukkasten pinnalle), TIHEISSÄ TÄHTIENVÄLISISSÄ PILVISSÄ PÖLYHIUKKASIA MUODOSTUU PUNAISTEN JÄTTILÄISTÄHTIEN KAASUKEHIEN VIILEISSÄ ULKO- OSISSA (ionisoitunut kaasu rekombinoituu atomeiksi ja edelleen molekyyleiksi) USEIMMAT YKSINKERTAISIA H2, CO 41 AVARUUDEN MOLEKYYLIT TÄHTITUULI PUHALTAA PÖLYÄ MASSIIVISTEN TÄHTIEN ULKOKERROKSISTA PLANETAARISISSA SUMUISSA (TÄHDEN LAAJENNUTTUA PUNAISEKSI JÄTTILÄISEKSI JA ULKO-OSIEN HAJOTTUA) PÖLY LEVIÄÄ SUPERNOVARÄHDYKSISSÄ MYÖS KAIKKEIN RASKAIMMAT ALKUAINEET 42 LEVIÄVÄT AVARUUTEEN 21

22 AVARUUDEN MOLEKYYLIT MONIATOMISIA MONIMUTKAISIA esim. CH3OH, CH3CHO3, HC11N ja CH2OHCHO 13 ATOMINEN HCC-CC-CC-CC-CC-CN MOLEKYYLIEN EVOLUUTIO PÖLYHIUKKASTEN PINNOILLA KESKUSTÄHDEN SÄTEILY SULATTAA JÄÄTÄ JA RIKKOO SIDOKSIA KESKUSTÄHDEN SÄTEILY (JA KOSMISET HIUKKASET) MYÖS IONISOI 43 ATOMEJA JA MOLEKYYLEJA KOMEETAT MUODOSTUNEET PLANEETAKUNNAN ALKUAIKOINA OSA KOMEETOISTA ON MUODOSTUNUT AURINGON LÄHITÄHTIEN YMPÄRILLÄ, ELI ALKUAINEKOOSTUMUS POIKKEAVA MOLEKYYLIEVOLUUTIO KOMEETOISSA, NIIDEN SULAESSA JA JÄÄTYESSÄ, SISUKSISSA SAATTAA OLLA MERIÄ 44 22

23 MURCHISON-METEORIITTI HIILIPITOINEN METEORIITTI SISÄLSI 74 ERILAISTA AMINOHAPPOA, JOISTA 8:aa PLANEETTAMME ELÄMÄ KÄYTTÄÄ RUNSAASTI ELÄMÄN RAKENNUSAINEITA NIIN LÄHIAVARUUDESSA KUIN YLEISESTIKIN UNIVERSUMISSA 45 PREBIOOTTISET MOLEKYYLIT MAA-PLANEETALLE TIPPUU 300 TONNIA ORGAANISTA AINETTA VUODESSA AVARUUDESTA AMINOHAPPOJA JA NIIDEN RAKENNEMOLEKYYLEJA NUKLEOTIDIEN RAKENNEMOLEKYYLEJA 46 23

24 LÄHDEKIRJALLISUUS Fred Adams: Elämää multiversumissa, Like, 2004 (2002) Susan Aldridge: Elämän lanka, Geenitekniikan tarina, Art House, 1999 (1996) Jorma Harju: Tähtipöly ja elämän reunaehdot, artikkeli, Bennett, Shostak, Jakovsky: Life in the Universe, Addison Wesley, 2003 George H. A. Cole: Wandering Stars, About Planets and Exo-Planets; An Introductory Notebook, Imperial College Press, 2006 Lewis Dartnell: Life in the Universe, Oneworld Publications, 2007 Paul Davies, Viides ihme, elämän syntyä etsimässä, Terra Cognita, 1999 Iain Gilmour and Mark A. Sephton (eds.): An Introduction to Astrobiology, The Open University, 2003 Marianna Ridderstad: Elämän synty avaruudessa on edelleen arvoitus, artikkeli, ojs.tsv.fi/index.php/tt/article/download/4938/4501 Jörgen Sjöström: På spaning efter livets ursprung, Om astrobiologi, människans rötter och evolutionen, Norstedts, 2010 Peter Ward; Tuntematon elämä, Ursa, 2006 (2005) 47 24