Mitä elämä on? Astrobiologian luento 15.9.2015 Kirsi
Määritelmän etsimistä Lukemisto: Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 2010, issue 2., selaile kokonaan Perintteisesti: vaikeasti määriteltävä ilmiö! http://www.liebertonline.com/toc/ast/10/10
Elämän määritelemisen vaikeus N = 1: Kaikki tuntemamme elämä on kemiallisesti samanlaista Helppo tunnistaa mutta vaikea määritellä. Miksi pitäisi määritellä: Jotta voisimme tunnistaa toisenlaisen elämän elämäksi
mitä elämä on... H. Lehto
Lisääntyy, kasvaa,... Ainakin SOLUT JAKAANTUVAT...vaikka yksilöt eivät välttämättä lisäänny
Kemiallinen systeemi joka ottaa sisäänsä energiaa ja rakennusaineita
...prosessoi ja muuntaa yhdisteitä ja energiaa muodosta toiseen, ja poistaa ne lopulta jätteenä, lämpönä, työnä...
Energian käyttö ja kierrätys Energiaa C 6 H 12 O 6 O 2 H 2 O Energiaa Metabolia: -solutasolla -eliötasolla CO 2 -ekosysteemitasolla -globaalilla tasolla
... ja kuolee Vai kuoleeko?
http://visual.ly/great-tree-life
Solullisuus ja solulinjojen jatkuvuus Solukalvo: ympäristöstä erottava, ja ympäristön kanssa kommunikoiva rajapinta Solut lisääntyvät jakaantumalla Solulinjojen jatkuvuus: Elämää syntyy vain elävistä soluista. Kaikki elämä juontaa juurensa yhteen yhteiseen elämän alkuun Nyt elossa olevat solulinjat EIVÄT ole koskaan kuolleet Ovatko syntyminen ja kuoleminen ollenkaan oleellisia elämän ominaisuuksia?
Onko elämä välttämättä solullista? Lisääntyminen jakaantumalla kuolematonta Onko solullinen elämä riippumatonta? Niin on perinteisesti ajateltu...
Entä virukset? Virusten kuoriproteiineiden perusrakenteet ovat yhteisiä eliökunnan kaikissa haaroissa Komponentit samoja kuin soluissa Syntyneet ennen solullista elämää!!?? Tosi tehokkaita lisääntyjia!! Ovatko uhka vai ylläpitäjä solulliselle elämälle??
Kaikkien yhteinen solukoneisto Geneettinen informaatio transkriptoidaan RNA:ksi joka ohjaa proteiinisynteesiä Proteiinit toimivat työkaluina ja katalyytteinä kaikissa prosesseissa
Solun merkitys elävänä yksikkönä Solu tai eliö - sen geneettinen informaatio ja kaikki sen tuottamat tuotteet ja toiminnat ovat yhdessä evoluution valinnan kohteena. => Kehittyy yksikkönä
Kemiallinen koostumus poikkeaa oleellisesti elottomasta ympäruistöstä Mutta miten?? H. Lehto
PNAS (2010)107:2763-2768 Samples extracted with different polar and apolar solvents: Water, methanol, ethanol, acetonitrile, DMSO, chloroform, toluene -Electrospray ionization
Erilaisten orgaanisten molekyylien määrä elottomassa luonnossa meteoriitti-näytteissä havaittu yli 100 000 erilaista molekyylikoostumusta molekyylirakenteita moninkertaisesti enemmän eniten kokoluokassa 15 40 x CH 2 keskim. kaava: C 100 H 155 O 20 N 3 S 3
Samalla molekyylipainolla monta erilaista molekyylikoostumusta Esim. Massalla 319 voidaan tunnistaa 11 erilaista yhdistettä jotka taas muodostavat paljon enemmän erilaisia rakenteita
Elämän koostumus Elämä koostuu vain hyvin harvalukuisista rakenneyksiköistä -nukleotidit -aminohapot (20 erilaista) -lipideistä -metaboliiteista (sokereita, org. happoja, jne) POLYMEEREISTÄ! INFOSTA! Vedestä: kemiaa vesilioksessa, joka perustuu molekyylien vesihakuisille ja vesipakoisille ominaisuuksille
Elämän kemia tarvitsee katalyyttejä Enimmäkseen: Geneettisen informaation koodaamia ensyymejä
Elämän kompleksisuus Eri tasoista Molekyylien, Solun, Yksilön, Populaation, Ekosysteemin, Biosfäärin tasolla -Ei perustu rakennuspalikoiden suureen valikoimaan vaan niidne tarkkaan järjestykseen: informaatioon -Polymeerikemiaan!
... kompleksisuus Solun tasolla ei vielä kokonaan tunneta! genomien sekvenssit geenisäätely tämä tärkeää!! geenituotteet (rakenteet ja sisäiset vuorovaikutukset) molekyylien vuorovaikutukset moniulotteiset verkostot! Solussa hallitaan samanaikaisesti satojen tuhansien molekyylien muodostamaa kokonaisuutta
Elämä on...... Elämä on monitasoista, monimutkaista, hyvin tarkkaan järjestäytynyttä, itseään ylläpitävää orgaanista kemiaa vesilioksessa... Mitä muuta??
Elämä on reaktiivista, vuorovaikuttavaa.. ja toiminnallista
... Suurin osa elämää on mikroskooppista, yksisoluista,... ja hyvin moniin olosuhteisiin sopeutunutta Photo by C. Cockell, by permission
... Vuorovaikutuksia...... Mutta mikrobit osallistuvat oleellisesti globaalin biosfäärin toimintaan ja ylläpitoon! Miten??? Myös monisoluiset eliöt voidaan ajatella yksitäisten sojlujen suurina kolonioina! Monisoluiset eliöt ovat ekosysteemejä!!
Elämän ominaisuuksia Lisääntyminen, itsensä ylläpito informaatio (elämän rakennus- ja toimintaohje) erillisyys ympäristöstä: solullisuus systeemin korkea sisäinen järjestys: entropian paikallinen aleneminen energian läpivirtaus, sitoutuminen rakenteisiin evoluutio (lisääntyminen, muuntuminen, valinta sopeutuminen) => SYNNYTTÄÄ INFORMAATION
Elämän evoluution merkitys Muuttuiko eloton eläväksi kun evoluutio alkoi? Evoluutio tuottaa koko ajan uusia satunnaisia vaihtoehtoja kaaosta Antaa elämälle mahdollisuuden kokeilla äärettömän monia mahdollisuusavaruuden eri vaihtoehtoja (vrt. fraktaalit) ylläpitää elämän sopeutumiskykyä Elämän yhteys fraktaaleihin ja kaaokseen Elämä sijoittuu kaaoksen ja järjestyksen rajalle
...määrittely-yrityksiä Self-sustaining chemical systems capable of Darwinian evolution (NASA) Systeemeitä, jotka pystyvät säilymään ja lisääntymään ympäristössään (Erkki Haukioja, mukaillen). Vesiliukoinen kemiallinen systeemi, joka siirtää molekyylirakenteisiin sisältyvän informaation ja kehittyy edelleen (A. Brack). Ympäristöstään rajattuja, toiminnallisia monimutkaisia systeemejä (dynaamisia komplekseja), jotka käyttävät informaatiota ja energiaa sisäisen järjestyksensä luomiseen ja ylläpitoon (K. Lehto). Kinetic, dynamic equilibrium
... ongelmallista Lisääntyminen? Evoluutio? Informaatio --- Sisältö hyvin vaihtelevaista Mutta välttämätöntä vain vähän soluilla minimissään n. 400 geeniä viruksilla vain joitakin geenejä Kemia? Solujen riippumattomuus? Tekee tietynlaisia asioita on tietyn laista Mutta MITÄ se on?
Kotitehtävän perusteella: Miten elämä eroaa esim. tulesta kiteistä ja pölypalloista jääkukkasista tietokoneista, tietokoneohjelmista oikeista ja tietokoneviruksista kiertokirjeistä galakseista, planeettakunnista ja tähdistä pörssikursseista ideologioista Evoluution merkitys lajille?
Lukemista ensi kerraksi http:/www.youtube.com/watch?v=hvt3y3 _ghgg TEHTÄVÄ: veden merkitys elämälle...
ELÄMÄN KEMIAA -alkuaineet, rakennuspalikat, polymeerit, vesi, energia
Työnjako Monenlaiset Katalyysit: Proteiinit Infon kuljetus ja katalyysit RNA DNA OH OH OH OH Purves et al, Life, The Science of Biology, 2
Nukleotidien komponentit Nukleotidit muodostuvat emäsrenkaista (A,T/U,G,C) Deoksiriboosi- (DNA) tai Riboosi (RNA) sokerista, ja fosfaatti-ryhmistä Näiden kaikkien alkuperä vaikea
DNA:n rakenne Kaksoiskierre koostuu kahdesta erilaista vastinnukleotidiparista
Elämä käyttää 20 erilaista aminohappoa Näitä syntyy helposti... mutta loputtoman monia erilaisia