Miten erilaista elämä voisi olla?

Transkriptio

1 Miten erilaista elämä voisi olla? Millaista elämää? Millaisia energialähteitä? Millaisissa ympäristöissä? Benner et al, 2004, Current opinion in chemical biology, 8, : Is there a common chemical model for life in the universe?

2 Miten elämän määrittelemme? Dirk Schulze-Makuchin ja Louis N. Irwinin kirjasta Life in the Universe: Elävä entiteetti on Itseorganisoituva paikallinen ympäristö, joka on epätasapainossa ympäristönsä kanssa, Muokkaa vapaata energiaa ja materiaaleja ympäristöstään aineenvaihdunnallisten prosessien kautta ylläpitääkseen matalaa entropian astetta ja tehdäkseen työtä, Kopioi oman muotonsa raaka-aineista ja toiminnalliset ominaisuutensa informaation mukaisesti, joka välittyy uusille kopioille prosessin toistamisen myötä.

3 Elämä tarvitsee rakennusaineet ja energialähteen Rakennusaineet: jotakin polymeroituvaa Energialähteet täällä maanpäällä: -valo -kemiallinen energia: orgaaniset yhdisteet (heterotrofia) (C6H12O6) + 6O2 glukoosi tai muut orgaaniset yhdisteet 6CO2 + 6H2O +hν Pelkistysenergia, hapetettavat mineraalit (kemotrofia)

4 Fotosynteesi planeetan mittakaavassa Composite image showing the global distribution of photosynthesis, including both oceanic phytoplankton and terrestrial vegetation. The amount of energy trapped by photosynthesis is immense, approximately 100 terawatts:[3] which is about six times larger than the power consumption of human civilization.[4] In all, photosynthetic organisms convert around 100,000,000,000 tonnes of carbon into biomass per year.[5]

5 Miten se toimii Myös H2, S ja Fe-yhdisteet voivat luovuttaa elektroneja -Reaktiokeskus II:n (redox-potentiaali 1,23 V) virittyy pelkistyspotiaaliin 0.6 (pelkistyspotentiaaliero 1.81 ev > riittää n. neljän ATP-molekyylin lataamiseen) ja tuottaa pitkäkestoisen varauksen erottumisen ja elektronin siirtymisen pois reaktiokeskuksesta. Elektroni korvataan vedeltä otettavalta elektronilla. -Tapahtuu pikosekunnissa!

6 Happea tuottava fotosynteesireaktio Perustuu elektronien siirtoon vedeltä NADPH:lle, ja H+ gradientin luomiseen tylakoidikalvon yli Tarvitaan suuret entsymaattiset reaktioreitit näiden hyödyntämiseen, ja edelleen energian varastoimiseen ja siirtämiseen energiarikkaiden yhdisteiden (ATP, NAD(P)H) avulla

7 Reaktiokeskus II:n rakenne Sisältää n. 30 proteiinikomponenttia a, Surface of PSII homodimer drawn from the averaging mask generated during density modification. View direction along the membrane plane; the position of local-c2 rotation axis, is shown. b, Cytochrome (Cyt) b-559 heterodimer with electron densities contoured at 1.2 (r.m.s. deviation above the mean electron density) for protein and haem group, and at 4.0 for Fe2+. The termini of the -helices are labelled N, C for the -subunit, and N', C' for the -subunit. c, Head groups of P680 chlorophyll (Chl) a PD1 and PD2 with view perpendicular to their planes. Mg2+ are depicted as red spheres. d, Head group of pheophytin PheoD1.Athina Zouni, Horst-Tobias Witt, Jan Kern, Petra Fromme, Norbert Krauss, Wolfram Saenger and Peter Orth Nature 409, (8 February 2001) a, Arrangement of transmembrane -helices and cofactors in PSII. One monomer of the dimer is shown completely, with part of the second monomer related by the local-c2 axis (filled ellipse on the dotted interface). Chl a head groups and haems are indicated by black wire drawings. The view direction is from the luminal side, perpendicular to the membrane plane. The -helices of D1, D2 and Cyt b-559 are labelled. D1/D2 are highlighted by an ellipse and antennae, and CP43 and CP47 by circles. Seven unassigned -helices are shown in grey. The four prominent landmarks (three irons and the manganese (Mn) cluster) are indicated by arrows. b, Side view of PSII monomer looking down the long axis of the D1/D2 subunits from the right side in Fig. 2a, at slightly tilted membrane plane and rotated 180 so that the luminal side is bottom. PsbO (33K protein) is shown as a -sheet structure (green), and Cyt c-550 as a helical model (grey) Bernhard Loll, Jan Kern, Wolfram Saenger, Athina Zouni and Jacek Biesiadka Nature 438, (15 December 2005).

8 Klorofyllimolekyylien rakenteita Energia absorboidaan kaksois-sidossysteemin viritystilaan Chlophylls a, b and c Bacteriochlorophylls

9 Absorption spectra of different pigments Erilaiset pigmentit virittyvät eri aallonpituuksilla Energia siirtyy resonanssin avulla molekyyliltä toiselle Reaktiokeskuksen viritystila syntyy 680nm valokvantin avulla ja johtaa varausten erottumiseen MITEN JA MIKSI OVAT KEHITTYNEET JUURI TÄLLAISIKSI?

10 Fotosynteettisten pigmenttien absorbtio spektrit liittyvät planeetalla vallitsevaan valoon Light absorption maximas at peak photon flux intensities; with the RC pigments absorbing at the longest wavelength, allowing energy transfer from accessory pigments (shorter wavelengths) to the RC (longest wavelengths) Kiang et al. 2007, Astrobiology 7: 222

11 Meillä kasvit absorboivat sinistä ja punaista, ja heijastavat vihreää ja infrapunaista valoa Entäpä muilla planeetoilla?

12 Valon käyttömahdollisuudet elämän energialähteenä Valo yleisin ja riittoisin energialähde Valo on matalan entropian, korkean järjestystason kvantittunutta energiaa. Sopii hyvin hyödynnettäväksi. Olisiko fotosynteesi muualla samanlaista kuin meillä? Yhteistä -perustuu pigmenttien virittymiseen valokvanttien avulla -perustuu varausten erottumiseen, hapetus-pelkistysreaktioihin, sopiviin hapetus-pelkistyspotentiaaleihin Tarvitsee elektroninluovuttajan (H2O O2??) Happea tuottava fotosynteesi tarvitsee HYVIN MONIMUTKAISEN molekyylikoneiston!! Onko mahdollinen? JOS KÄYNNISTYY, niin vaikuttaa koko ko. eliökunnan kehitykseen! Vapaa happi olisi myös elävän planeetan indikaattori

13 MUITA MAHDOLLISIA ENERGIAN LÄHTEITÄ NÄITÄ TUNNETAAN MAAN ELÄMÄSTÄ

14 Ekstremofiilien tunnetut kemotrofiset metaboliat Neljää päätyyppiä (mutta muitakin löytyy) Vetyä happettavat Metaania tuottavat Rikkiä käyttävät Lähinnä elämän puun juurta Rautaa käyttävät Ei lainkaan eukaryooteissa (ei siis monisoluisissa) (Martin ja Russell, Phil Trans R Soc Lond B, 358, 59-85, 2003, Pilcher, C.B., Astrobiology, 3, (3), )

15 Vedyn hapetus tuottaa energiaa H2 + ½ O2 -> H2O kcal/mole Metaania tuottavat arkit: 4H2+CO2 CH4+2H2O Kaikki ovat ehdottoman anaerobisia. Menehtyvät jos saavat vähänkin happea. Erittäin läheistä sukua rikkimetabolialle Monet pystyvät myös pelkistämään S:ä H2S:ksi Metaanin tuotto on saattanut olla tärkeä seikka maan lämmittämiseksi alkuaikoina Merkittäviä määriä edelleen lehmän pötsissä, termiittikeoissa ja soissa.

16 Rikkiä käyttävät metaboliat Rikki voi esiintyä hapetusasteilla +7, +5, +4, +31/3, +3, +2.5, +2, 0, -0.4, -0.5, -2/3, -1 Rauta voi esiintyä hapetusasteilla 0, +1, +2, +3, +4

17 Rikin pelkistys ja hapetusreaktioita H2+S0 H2S, Orgaaninen+S0 H2S+CO2 S0 elektronin vastaanottaja (vrt. O2 aerobisessa) H2 on yleisin elektronin luovuttaja (=energian lähde) Rikin hengittäjät: Rikin pelkistys yleisin energiaa tuottava reaktio elämänpuun juuressa. Rikkiä oli saatavilla elämän alun aikoihin ilmakehässä tai esim Rautasulfidina (FeS) kuumissa lähteissä. H2S + FeS FeS2 (pyriitti)+ H2 H2S+NO3 NO2 +S0 + H2O (Ferroglobus), 2S0+3O2+2H2O H2SO4 (Asidofiilit) S on elektronin luovuttajana

18 Rautametabolia H2+2Fe3+ 2Fe2++2H+ Rauta pelkistyy Rauta toimii elektronin luovuttajana monilla rikinhengittäjillä Oli vaikeasti saatavilla alkumaassa? Hapettamalla (anaerobisesti) Fe2+ Fe3+: 2FeCO3+NO3 +6H2O 2Fe(OH)3+NO 2 +2 HCO3 +2H++H2O (Ferroglobus) Rauta on tässä H2:n paikalla Voisi selittää ensimmäiset heikot BIFit (Banded Iron Formation) noin 3.8 G vuotta sitten. Ferric Iron = Fe3+; Ferrous Iron = Fe2+

19 Bakteerien energiantuottoreaktioita

20 Arkkien energiantuottoreaktioita

21 vielä yksi erikoinen: Desulforudis audaxviator is able to extract all its food and energy directly from the surrounding water and rocks, and researchers say the independent microbe offers a glimpse of the shape life could take on other planets. D. audaxviator derives energy from the radioactive decay of uranium in surrounding rocks and gets carbon and nitrogen, two of the building blocks of life, either from dissolved gases or by cannibalizing other bacteria. a habitat completely devoid of light and oxygen, in depth of 2.8km Science (vol 314 p 479, Oct 2008)

22 Muita mahdollisia energialähteitä NÄITÄ EI TUNNETA MAAN ELÄMÄSTÄ - mutta olisi runsaasti saaatavana esim. muualla aurinkokunnassa: Geoterminen lämpö / gravitaatio / impaktit (tätä kylläkin käytetään pelkistyneiden orgaanisten yhdisteiden lähteenä) Ionigradientit Vuorovesivoimat, venytys Radioaktiivinen säteily (tosin aurinkokunnassa lähes kaikki energia peräisin on tästä energiasta) Nestevirtaus, konvektio Magneettikentät

23 Merkillisten energiamuotojen hyödyntämismekanismit Hypoteettisia tarvitsevat molekyylikoneistoja jotka muuttavat energian kemialliseen muotoon. Voidaan hyödyntää esim. seuraavasti: -ionigradientit - tarvitaan ionipumppuja tai kanavia -kineettinen energia -molekyylien konformaatiomuutokset ja faasitransitiot -piezosähköiset ilmiöt, pelkistyspotentiaalit

24 Elämän pakolliset komponentit? Meillä hiili rakenteiden runkona, vesi liuottimena, typpi, happi ja fosfori käytössä polymeerien sidoksissa Entä muualla? Pii hiilen tilalla? Ammoniakki liuottimena? Rakennuspalikat: Voisi olla mitä tahansa (saatavana olevia) poolisia polymeroituvia molekyylejä?

25 Pii-pohjaisen biokemian mahdollisuus? Ominaisuukiltaan hiilen kaltainen, mutta kooltaan isompi atomi Si-Si sidokset heikommat kuin C-C sidokset, ei aromaattisia rakenteita Hapettuu helposti => silikaatteja, piin ja hapen polymeereja Pelkistyy => silaaneja, silikon-hydridejä, SiH4 ja SinH2n+2. Nämäkin hapettuvat helposti! Epästabiileja maan olosuhteissa mutta voisivat toimia hiilivetyjen tavoin hyvin kylmissä olosuhteissa Pii-happi ketjut, joihin liittyy orgaanisia (esim. Metaani) ryhmiä, ovat stabiilimpia => silikoneja Näitä tuotettu laboratoriossa, ei tunneta luonnosta.

26 Silaani-elämän edellytyksiä Hapeton ympäristö Vedetön ympäristö => joko kaikki kevyet kaasut puuttuvat ilmakehästä, tai lämpötila niin alhainen että kaikki vesi on jäänä Kylmä, korkea paine => pitämään silaanit kiinteinä Liottimeksi metyylialkoholi (pysyisi nesteenä ko. olosuhteissa) Hiiletön ympäristö jotta hiili ei hallitse reaktioita

27 Silikoni- tai silikaatti-elämän mahdollisuudet Silikonit (R2SiO)n: Kestäviä molekyyliketjuja, kiinteä Ei vesiliukoisia, tarvitsee orgaanisen liuottimen Tarvitsee korkean lämpötilan reaktioille => mahdoton yhdistelmä Silikaatit (SiO4n johdannaisia), eri mineraalien suoloina: Sulavat vasta useiden satojen (tuhansien) asteiden lämpötiloissa. Elämää sulassa laavassa? Esiintyy kiteisinä mineraaleina, myös SAVILAMELLEINA

28

29 Mahdollisia polaarisia liuottimia MW: H2O Sulaa T 0 Haihtuu T Sitkeys 9.6 Dipoli m Yleisyys 1 NH3 HCN HF H2S H2SO4 H2O2 N2H NA NA 0.26 Biomolekyylien laskostumien, hydrolysoituminen, polycondensoituminen koko biokemia toisenlaista Kemiallisten reaktioiden tapahtuminen kylmässä hyvin hidasta Saatavuus ongelmana

30 Eliöiden mahdolliset rakenteet Yksisoluisuus -maassa ainoa eliötyyppi n. kahden miljardin vuoden ajan. Yhä vallitseva Monisoluisuus -kehittynyt vasta eukaryoottien linjassa, vaatii isoja genomeita, kehittyvät hitaasti vaatii riittävän stabiilit ja suuntaavat olosuhteet -vaatii tehokkaan metabolian happiilmakehän? -mahdollistaa monimutkaisten eliöiden kehittymisen

31 Eliöt ja eliökunta Monimutkaisten eliöiden kehittyminen liittyy eliökunnan monimuotoisuuteen, ympäristöolojen monipuolisuuteen Primäärituottajiin, ravintoketjuihin Peto/saalis, isäntä/loinen suhteisiin ajavatko nämä aina monimutkaistumista? Olosuhteiden muutokset ja geneettinen muuntelu ajavat variaatiota. Vaihtelu satunnaista, ei mitään tiettyä suuntaa.

32 Eliöiden ominaisuuksia JOS SYNTYISI MONIMUTKAISIA ELIÖITÄ, näillä ilmeisesti tulisi käyttöön samantyyppisiä ominaisuuksia (konvergentti evoluutio): Ympäristön aistiminen Yksilöiden ja lajien välinen viestintä Liikuntakyky Jonkinasteinen älykkyys Nämä kai voisivat kehittyä hyvinkin eri tyyppisille eliöille, ja erilaisissa ympäristöissä

33 Teknisen älyn mahdollisuus Edellyttää (ainakin näin voisimme päätellä ihmisen perusteella): Käsitteellistä ajattelua ja viestintää. Puhetta tuottava kurkun pää ja kitalaki (tai vastaava elin) Pystyä kävelyasentoa (riippuu lantion rakenteesta) Vapauttaa kädet Pihtiotetta (käden rakenne) Riittävää (sopivaa) sukupolven pituutta suhteessa lisääntymisikään (mahdollistaa tiedon siirron) Yhdyskuntarakennetta, kulttuuria Riittävää aivokapasiteettia (riippuu ravinnosta) Kirjoitustaitoa

34 Mitä muuta tarvitaan Sopiva ympäristö: Hapellinen ilmakehä Kuivaa maata Onko todennäköistä, vaikka kaikki nuo ehdot täyttyisivät? Tapahtunut vain Homo sapien lajissa, ei muissa ihmislajeissa Voiko minkään muun tyyppinen laji pystyä vastaavaan? Mustekalat?

35 KIITOS KURSSIN SEURAAMISESTA Kysymys: Miten uniikkeja me olemma maailmankaikeudessa?