4. Mikrobit vapauttavat mereen vettä, metaania ja rikkiä.

Transkriptio

1 uusi teoria elämä syntyi Maan ensimmäiset elävät solut ilmestyivät ympäristöön, joka ei varsinaisesti kuulosta elämän kehdolta: syvänmeren pohjaan, auringonvalon ulottumattomiin, äärimmäisen kovaan paineeseen. Näin uskovat kaksi biokemistiä, jotka ensimmäisinä ovat dokumentoineet teorian elämän synnystä vaihe vaiheelta. T utkimusalus Atlantis keinui keskellä Atlantin valtamerta joulukuussa Kahdelta aamuyöllä vahtivuorossa oli jatko-opiskelija Gretchen Früh- Green. Hän istui tuolilla tarkastelemassa merenpohjaa syvänmeren kameran välittämästä ajantasaisesta kuvasta. Laivan kölin alla 800 metrin syvyydessä levittäytyi valtava Keski-Atlantin selänne vedenalainen vuoristo, joka muodostui supermanner Pangean hajotessa noin 250 miljoonaa vuotta sitten. Yhtäkkiä kamera vangitsi jotain, mitä kukaan ei ollut nähnyt ennen: rakenteen, joka lähinnä muistutti muinaisen katedraalin raunioita. Suuret, kaltevat, 60 metriä korkeat pylväät kohosivat merenpinnasta kuin aavekaupungin rakennukset. Alueelle an- Vedenalaiset eliöt syövät myrkkylientä Maan päällä kasvit tuottavat hiilidioksidista ja vedestä auringon säteilyenergian avulla yhteyttämällä happea ja glukoosia. Merenpohjan eliöiden pitää tyytyä kemiallisiin yhdisteisiin, jotka syntyvät kemosynteesissä. Kemosynteesi 2. Mikrobit, jotka elävät lähteen ympärillä, hyödyntävät epäorgaanisia aineita. Ne keräävät niihin sitoutunutta kemiallista energiaa mm. hajottamalla vetyä ja rikkivetyjä. 1. Maankuoren alla lämmennyt neste, jossa on runsaasti epäorgaanisia aineita, kuten vetyä, rikkivetyä ja ammoniakkia, pursuaa lähteestä. 3. Alueen eläimet, kuten putkimadot, elävät esimerkiksi sokerista ja metaanista, joita bakteerit tuottavat hiilidioksidista kemiallisen energian avulla. Teksti: Rasmus Kragh Jakobsen. Piirrokset: Mikkel Juul Jensen 4. Mikrobit vapauttavat mereen vettä, metaania ja rikkiä. nettiin nimeksi Lost City, kadonnut kaupunki. Lähemmin tutkittaessa pylväät osoittautuivat hydrotermisiksi lähteiksi, missä merenpohjan alta kohoaa kuumaa nestettä. Se luo kemiallisen ympäristön, joka on maapallolla ainutlaatuinen. Syvässämeressä kaukana auringon lämmöstä elämä on saattanut alun perin saada alkunsa niin yksinkertaisista aineksista kuin vedestä ja kivestä. Näin uskovat ainakin biologit Nick Lane Lontoon University Collegesta ja William (Bill) Martin Heinrich- Heine-yliopistosta Saksan Düsseldorfista. He ovat yhdysvaltalaisen Kalifornian teknisen korkeakoulun geologin Mike Russellin kanssa tutkineet niitä kemiallisia prosesseja, joiden pohjalta elämä on voinut syntyä Lost Cityn kaltaisten muodostelmien ympärillä nelisen miljardia vuotta sitten. Kaikissa aiemmissa elämän syntyteorioissa on ollut aukkoja kehityskulun eri vaiheissa. Lane ja Martin ovat nyt ensimmäisinä selvittäneet koko tapahtumasarjan vaihe vaiheelta, ensimmäisten yksinkertaisten orgaanisten molekyylien synnystä aina solujen muodostumiseen. Savupiiput kuhisivat elämää Syvänmeren ekosysteemeihin törmättiin ensimmäisen kerran vuonna 1977, kun merigeologit löysivät niin sanottuja mustia savuttajia (black smokers) Galápagossaarten edustalta Tyynestämerestä. Suuret savu piiput kohosivat merenpohjasta kohdissa, joissa Maan sisuksen magmakammioista suihkusi paksuja tulikuumia mineraalipitoisia happopilviä. Jo pelkät piippumaiset rakenteet olivat tutkijoille uusia ja outoja, mutta varsinainen yllätys seurasi vasta sitten, kun aluetta alettiin tutkia tarkemmin. Kuumien lähteiden ympärillä vilisi simpukoita, rapuja, katkarapuja, putkimatoja sekä hohtavia kaloja ja meduusoja. Jos

2 syvyyksissä Akira Suemori Tunnemme nyt elämän luoneet prosessit ja niiden vuorovaikutuksen nuoren planeetan geologian kanssa. Nick Lane, biologi, University College, Lontoo, Britannia. Lost Cityksi nimetty korkeiden kalkkikivipylväiden alue löytyi Atlantista vuonna D. Kelley/University of Washington

3 WHOI Atlantti on halki keskeltä Keskellä Atlanttia maankuori on revennyt. Repeämää peittää valtava vuoriketju, jonka alla velloo hehkuvan kuuma nestemäinen kiviaines. Piippumaisista purkausaukoista nousee kuumaa nestettä kylmään mereen. Teorian mukaan maapallon elämä on voinut syntyä täällä. Maankuoren repeämien piipuista nousee kuumaa happoa meriveteen. tällaiset monimutkaiset elämänmuodot viihtyivät hyvin näin karuissa oloissa, miksei sitten elämä olisi voinut syntyäkin syvyyksissä eikä auringonvalossa? Merenpohjan elämää ei pidä yllä auringonvalo, vaan maan sisuksista peräisin oleva energia, jota eliöt käyttävät hyväkseen kemosynteesin avulla. Näiden eliöiden perimä ja biokemia ovat kuitenkin samanlaisia kuin muidenkin eliöiden. Huokoset tarjosivat suojaa Pian kuitenkin selvisi, että ajatukseen elämän synnystä syvässämeressä liittyi monia ongelmia. Vaikka mustat savuttajat pystyvätkin ruokkimaan niiden ympäristöön sopeutuneita eliöitä, olivatko ne pystyneet luomaan elämää tyhjästä? Savuttajien lämpö sulattaa lyijynkin, joten ne ovat pikemminkin parempia hajottamaan orgaanisia yhdisteitä kuin muodostamaan niitä. Ja vaikka elämän ensimmäiset molekyylit (atomien yhteenliittymät) tavalla tai toisella olisivat onnistuneet syntymään savuttajien karussa ympäristössä, niin missä ne olisivat pysyneet hengissä sen jälkeen? Miten Musta savuttaja Tieteen Kuvalehti. 13/2013 Magmaa Lost City Lost City sijaitsee Atlantin geologisella murrosvyöhykkeellä, Keski-Atlantin selänteellä. nuoret molekyylit olisivat voineet laajassa valtameressä kohdata toisensa ja muodostaa monimutkaisempia yhdisteitä, kun pienessä lätäkössäkin etäisyydet ovat niin suuret, että molekyylit harvoin törmäävät toisiinsa? Todennäköisyys, että molekyylit kohtaisivat ja loisivat kemiallisen sidoksen, on häviävän pieni. Vaikeat kysymykset johdattivat tutkijat Atlantilta löytyneeseen Lost Cityyn. Kylmää vettä Siellä merenpohjan purkautumisaukoista ei nimittäin nouse voimakasta happoa niin kuin mustista savuttajista vaan emäksistä nestettä, jonka lämpötila on astetta. Neste pulppuaa rauhallisesti ylös maankuoren läpi, ja mineraalit saostuvat prosessissa ja kasautuvat ajan mittaan valkeiksi kalkkikivipylväiksi. Lanen ja Martinin teorian kannalta keskeisin löytö kätkeytyi kuitenkin pylväiden erikoisiin rakenteisiin. Pylväät koostuivat nimittäin mikroskooppisista huokosista, joiden seinämät olivat puoliläpäiseviä. Ne olivat kuin mineraalipitoinen mehiläiskenno, jonka kolosissa tai huokosissa vasta muodostuneet molekyylit saattoivat rauhassa kohdata toisensa. Huokosista saatiin teoriaan puuttuva palanen: eräänlainen muotti, jossa elämä pääsi alkamaan. Samoin kuin iho pitää ihmisen sisäelimet koossa, jokaisen solun sisäinen kemia pysyy sen rasva-aineesta koostuvan kalvon takana. Siihen asti, kun ensimmäiset solut kasvoivat tarpeeksi suuriksi kehittääkseen kalvon, pitivät geologisten pylväiden huokoset nuoria

4 Lost City Lämmintä vettä Elämä perustuu kemialliseen prosessiin Lost Cityn on muodostanut ikivanha kemiallinen prosessi, serpentiiniytyminen. Sillä on keskeinen osa, kun elämää syntyy kiviaineksen ja veden reaktioista. 1. Vesi tunkeutuu maankuoren sisään ja reagoi mineraalien kanssa. 2. Mineraalit hajottavat vesimolekyylit vedyksi ja hapeksi. Vety sekoittuu lämpimään emäksiseen nesteeseen ja happi sitoutuu kiviainekseen. Lost City on noin 15 km:n päässä repeämästä. D. Kelley/University of Washington Print: slu Status: Er PDFet Layout:KM Red.sek:CN 3. Kun emäksiseksi muuttunut neste suihkuaa ylös, se kohtaa heikosti happaman meren. Nesteeseen on liuennut paljon rautaa. molekyylejä kasassa niin, että ne pääsivät reagoimaan keskenään. Huokosmuotit tekivät mahdolliseksi elämän syntymisen syvyyksissä. Lane ja Martin ovat analysoineet Lost Cityn kemiallisia prosesseja, ja he uskovat voivansa rekonstruoida täsmälleen sen, mitä merenpohjassa tapahtui noin neljä miljardia vuotta sitten. 4. Reaktio luo Lost Cityn kaltaisia kalkkikivimuodostelmia, joissa on mikroskooppisia huokosia. Saostuneista mineraaleista kasautuu hitaasti korkeita valkoisia pylväitä. 5. Rauta, rikki ja nikkeli tekevät huokosten seinämistä katalyyttisiä: ne saavat vedyn reagoimaan meren hiilidioksidin kanssa ja luomaan yksinkertaisia orgaanisia yhdisteitä elämän varhaisia rakennusosia. Reaktiokammio merenpohjassa Salamat, meteoripommitukset ja jättiläistulivuorten laava tuhosivat kaikki elämän synty-yritykset maan pinnalla. Syvällä meressä oli kuitenkin hiljaista, pimeää ja jääkylmää. Katastrofit eivät yltäneet tähän maailmaan, jossa ei ollut valoa eikä ilmasto-olojen vaihtelua. Niissä merenpohjan kohdissa, missä Lost Cityn kaltaiset kalkkikivipylväät muodostuivat, emäksistä nestettä pulppusi kylmään, happamaan mereen. Neste läpäisi pylväiden huokosten ultraohuet seinämät, joita peitti rauta- ja rikkikerros. Lanen ja Martinin mukaan emäksisen nesteen ja meriveden kohtaaminen loi mikroskooppisen kemiallisen reaktio- Mineraaleja Rikkiä Vetyä Happea Rautaa Nikkeliä 13/2013. Tieteen Kuvalehti

5 Nanokoneet vauhdittivat elämää Syvänmeren pylväät tarjosivat elämän rakennusosille oikeat edellytykset. Proteiinit, jotka toimivat nanokokoisina pumppuina ja myllynrattaina, saivat solut lähtemään maailmalle. 1. Kemialliset lähteet muodostuvat Lost Cityn kaltaiset alueet syntyvät tuhansien vuosien kuluessa niin kutsutussa serpentiiniytymisprosessissa, kun asteinen vetypitoinen neste kuplii happamaan, hiili dioksidipitoiseen mereen ja rautaa, rikkiä ja nikkeliä sisältävä kalkkikivi saostuu huokoisiksi pylväsrakenteiksi. Valmis solu Tieteen Kuvalehti. 13/2013 Varhainen pylväsmuodostelma Mikroskooppisia huokosia 2. Reaktiot käynnistyvät Huokosten rautapitoiset seinämät toimivat katalysaattoreina eli reaktioiden käynnistäjinä. Ne saavat meren hiilidioksidin reagoimaan vedyn kanssa, jolloin syntyy yksinkertaisia orgaanisia molekyylejä. Näin muodostuneet metaani, propaani ja etikkahappo kasautuvat huokosiin. Muotti Katalyyttinen seinämä Molekyylejä kammion. Hiilidioksidi ja vety muuttuivat ensimmäisiksi yksinkertaisiksi orgaanisiksi yhdisteiksi, kuten metaaniksi ja etikkahapoksi. Pylväiden huokosiin kasautuneet uudet molekyylit saattoivat nyt alkaa reagoida keskenään ja muodostaa yhä monimutkaisempia molekyylejä. Pitkälle ulottuva kemiallinen evoluutio oli alkanut. Elämän rakennuskivet syntyivät vähitellen aminohappoina, rasva-aineina, rna:na ja dna:na, joista muodostui proteiineja, kalvoja ja perimäainesta. Proteiinit ovat solujen työjuhtia, perintötekijöihin (geeneihin) sisältyvät työpiirustukset, ja kalvo on kuin aitaus, joka sulkee sisäänsä elämän prosessit. Merenpohjan reaktiokammiossa muodostui ensimmäinen hauras ja osittain läpäisevä kalvo, joka pystyi pitämään koossa kaikki uudet yhdisteet. Varhaisen solun ääriviivat olivat näin alkaneet piirtyä mineraali pitoiseen huokoseen. Ei ihmeitä eikä ulkoisia tekijöitä Lanen ja Martinin teoriassa on merkittävää se, että kehitys hajanaisesta yksinkertaisten molekyylien keitoksesta johonkin paljon kehittyneempään ei vaadi selittämättömiä ihmeitä eikä äkillisiä ulkoisia vaikutuksia. Tutkijoiden mukaan luonnollinen evoluutio on tapahtunut yksinkertaisesti siksi, että molekyyleillä on ollut huokosissa ihanteelliset olot. Varhainen solu on voinut kattaa energiantarpeensa lähteestä pulppuavan nesteen vetyionivirrasta. Lanen ja Martinin Rna Rna Proteiinia 3. Reaktiot kiihtyvät Uudet molekyylit reagoivat keskenään, ja muodostuu yhä suurempia ja monimutkaisempia molekyylejä. Kemiallinen evoluutio on käynnistynyt. Ne molekyylit, jotka pystyvät kahdentumaan, voittavat kilpailussa muut ja luovat perustan geeneille ja proteiineille. 6. Solut lähtevät maailmalle Pyöröoven ansiosta riittävän isoksi kasvanut solu voi irtautua muotistaan. Se on valmis jättämään hydrotermisen lähteen taakseen ja viemään mukanaan kaikki geenit, proteiinit ja solukalvot, jotka ovat kehittyneet muotissa. Elämä on valmis leviämään maapallolle. analyysien mukaan solut ovat saaneet energiaa ATP-syntaasiksi kutsutun proteiinin avulla. Se on yksi niistä noin proteiinista, jotka ovat ominaisia kaikille eliöille ja jotka ilmeisesti ovat syntyneet jo ensimmäisissä soluissa. ATP-syntaasi takasi energiansaannin yhä monimutkaisemmille prosesseille siihen vaiheeseen asti, kun solut olivat valmiit jättämään muottinsa. Ennen lähtöään ne kehittivät korvaavan polttoainepumpun, jonka turvin ne kykenivät tulemaan toimeen avoimessa meressä. Lane ja Martin ovat päätyneet tuloksiinsa tutkimalla vanhimpia elämänmuotoja bakteerien ja arkkieliöiden joukosta. (Arkki eliöt ovat yksi eliökunnan kolmesta pääryhmästä.) Näiden nykyeliöidenkin

6 Solukalvo Dna Rna ATP-syntaasi 4. Vesimylly luo energiaa Ajan mittaan kasvaa hauras solu, joka tarvitsee energiaa. Se kehittää proteiinin, joka nanokokoisen koneen tavoin pystyy hyödyntämään lähiympäristön vetyioneja luodakseen niistä ATP:ksi kutsuttua polttoainetta. Kone, ATPsyntaasi, toimii kuin vesimylly padolla. Sitä pyörittävät happamasta merestä virtaavat ionit. Solukalvo Solukalvo Natriumioni Vetyioneja Roottori kääntyy myötäpäivään, kun vetyionit ohittavat sen. Mylly pyörii, reagoi fosfaatin kanssa ja muodostaa ATP:tä. Pumpun ansiosta solussa on aina vähemmän ioneja kuin sen ulkopuolella. Kolme teoriaa elämän synnystä Teoria elämän syntymisestä merenpohjassa on toistaiseksi parhaiten dokumentoitu. Se ei ole kuitenkaan ainoa teoria. Kipinä sytytti elämän Maan pinnalla Vuonna 1929 esitelty alkuliemiteoria on sitkeimmin pintansa pitänyt käsitys elämän alku perästä. Sen mukaan ensimmäiset orgaaniset yhdisteet syntyivät matalassa vedessä eräänlaisessa kemiallisessa sulatus uunissa. Vuonna 1953 esitettiin, mistä liemen ainekset olivat peräisin. Kokeet osoittivat, että sähköpurkaukset, kuten salamat, ovat voineet luoda aminohappoja ja sokereita Maan varhaisesta ilmakehästä, joka sisälsi vettä, metaania, ammoniakkia ja vetyä. Print: slu Status: Er PDFet Layout:KM Red.sek:CN Osittain tiivis kalvo ATP-syntaasi Pyöröovi Vetyioni Pyöröovi työntää natrium ionit ulos, kun vetyionit tulevat sisään. 5. Solukalvo saa ionipumpun ATP-syntaasi voi toimia myös muuallakin kuin syvänmeren lähteiden olosuhteissa, mutta solu ei voi irtautua muotistaan, jos sen kalvo ei ole tiivis. Täysin tiivis kalvo taas aiheuttaisi ionien kerty misen soluun. Solukalvoon kehittyykin ionipumppu, erään lainen pyöröovi, joka heittää natriumionin ulos aina, kun vetyioni tulee sisään. Elämä syntyi syvänmeren pakastimessa Joidenkin tutkijoiden mukaan elämän alkuperään ei liity lainkaan kuumuus vaan kylmyys. He perustelevat tätä sillä, että merijää voi käynnistää kemiallisia reaktioita. Kokeellisesti on osoitettu, että monet tärkeät yhdisteet, kuten rna, voivat syntyä spontaanisti simuloidussa merijäässä. Ensimmäiset orgaaniset yhdisteet ovat hyvin saattaneet muodostua usean kilo metrin paksuisen jäävaipan alla napa seuduilla hyvässä suojassa radioaktiiviselta säteilyltä ja meteoripommitukselta. Tuoreet havainnot osoittavat, että tietyt pieneliöt viihtyvät meri veden ja jään rajakerroksessa. biokemia olisi voinut syntyä Lost Cityn kaltaisen hydrotermisen lähteen luona. Se, miten solut sitten ovat selviytyneet meressä ja muodostaneet yhä monimutkaisempia soluja, on asia erikseen. Valmiina pallon valtaukseen Lanen ja Martinin mukaan elämä ei ole alkanut vapaana soluna, vaan mineraalisena huokosena, joka kihisi biokemiallisia prosesseja. Huokosesta lähti liikkeelle soluja kahdessa vaiheessa, ja niistä saivant alkunsa bakteerit ja arkkieliöt. Noin kaksi miljardia vuotta sitten syntyivät tumalliset solut ehkä niin, että ahne bakteeri nielaisi toisen ja ne sulautuivat yhteen. Niistä taas ovat kehittyneet kaikki monisoluiset eliöt, kuten eläimet ja kasvit. Moni seikka viittaa siis siihen, että elämän alkuperää kannattaa taivaan sijasta tähyillä merenpohjasta. tieku.fi Virtuaalimatka syväänmereen Lähde katsomaan mustia savuttajia ja syvässämeressä kuhisevaa elämää. Matkalla Lost Cityyn selviää, miten elämä on saattanut syntyä. Shutterstock Rakennusaineet tulivat Maahan ulkopuolelta Laajasti kannatusta saaneen teorian mukaan elämän ainesosat tulivat avaruudesta. Nuoreen Maahan iskeytyi jatkuvasti meteoriitteja, ja jotkut tutkijat uskovat juuri niiden tuoneen Maahan mikrobeja. Toiset taas esittävät, että elämä on tullut komeettojen mukana kaukaisista aurinkokunnista, mutta sitä on luonnollisestikin varsin vaikea todistaa.