Panspermia
Hypoteeseja ja teorioita elämän synnystä
Traditionaalinen teologian ja joidenkin filosofien kanta pitää elämän syntyä yliluonnollisen tapahtuman tuloksena, joka on pysyvästi kemian ja fysiikan kuvauskyvyn ulkopuolella. Yleisimmässä muodossaan tämä näkemys ei välttämättä ole ristiriidassa prebioottista evoluutiota koskevan nykyaikaisen tieteellisen tiedon kanssa, vaikkakin Raamatun kuvaukset luomisesta, jotka annetaan 1. Mooseksen kirjan kahdessa ensimmäisessä luvussa, kirjaimellisesti eikä metaforisesti ymmärrettynä, ovat ristiriidassa nykytietämyksen kanssa.
1700-luvun puoleenväliin saakka vallalla oli käsitys, jonka mukaan Jumala loi ihmisen yhdessä korkeampien eläinten ja kasvien kanssa, mutta yksinkertaiset elämänmuodot, kuten madot ja hyönteiset, syntyvät jatkuvasti mudasta, jätteistä ja maatuneesta aineksesta lyhyiden ajanjaksojen kuluessa. Hirvieläinten lisääntymistä ja kehitystä tutkinut fysiologi William Harvey (1578-1657) kyseenalaisti ensimmäisenä tämän näkemyksen postuloimalla, että jokainen eläin syntyy munasta (”omnia viva ex ovo”), kauan ennen kuin Karl-Ernst von Baer (1792-1876) havaitsi ihmisen munasolujen olemassaolon mikroskopoimalla. Italialainen tiedemies Francesco Redi (1626-1698) totesi Harveyn ajatuksen pitävän paikkansa ainakin hyönteisten osalta; hän havaitsi, että lihassa olevat toukat syntyvät kärpäsen munista. Myöhemmin Lazzaro Spallanzani (1729-1799) havaitsi, että siittiöitä tarvitaan nisäkkäiden lisääntymiseen. Ennen Pasteuria Spallanzani osoitti myös, että elävät aineet (”infusoriat”) eivät ole peräisin suljetuissa astioissa säilytetyistä keitetyistä nesteistä. Vaikka Redin ja Spallanzanin havainnot osoittivat varmasti, että hyönteiset ja suuremmat eläimet kehittyvät munista, suurelle enemmistölle jäi kuitenkin selväksi, että ainakin mikro-organismit syntyvät kaikkialle levinneisyytensä vuoksi jatkuvasti epäorgaanisesta aineesta. Keskustelu siitä, syntyykö elämä spontaanisti elottomasta aineesta vai ei, huipentui Louis Pasteurin ja Félix-Archimède Pouchet’n (1800-1872) väliseen kuuluisaan kiistaan, jonka Pasteur voitti voitokkaasti. Hän osoitti, että jopa nesteissä olevat mikro-organismit ovat peräisin ilmassa leijuvista pöpöistä, ja hän osoitti myös, että ravinneliuokset voidaan suojata näiltä olennoilta sopivalla steriloinnilla, kuten suodattamalla tai keittämällä. Nykytutkijat eivät kuitenkaan olleet tyytyväisiä Pasteurin kokeisiin, koska jäljelle jäi arkaluonteinen kysymys: Jos elävät organismit eivät synny elottomasta aineesta, miten elämä oli ylipäätään syntynyt?
1900-luvun lopulla toisen hypoteesin esitti ruotsalainen kemisti Svante Arrhenius (1859-1927). Hän uskoi vakaasti, että koko maailmankaikkeus täydentyy elävillä itiöillä, ilmiötä, jota hän kutsui ”panspermiaksi”. Hän esitti, että kosmista alkuperää olevat mikro-organismit ja itiöt levisivät aurinkokunnasta toiseen, ja näin ne saapuivat Maahan. Vaikka Arrheniuksen näkemys pikemminkin välttää kuin ratkaisee elämän alkuperää koskevan ongelman ja huolimatta siitä, että on äärimmäisen epätodennäköistä, että mikro-organismit selviytyisivät kylmyyden, tyhjiön ja säteilyn tähtienvälisistä vaikutuksista, muutamat 1900-luvun tiedeyhteisön jäsenet palasivat ajatukseen panspermiasta. Näihin tiedemiehiin kuuluvat tähtitieteilijä Fred Hoyle (1915-) ja molekyylibiologi Francis Crick (1916-), jotka ovat vakuuttuneita siitä, että maapallon synnyn ja ensimmäisten solueläinorganismien ilmaantumisen välinen aika tällä planeetalla oli liian lyhyt, jotta elämä olisi voinut syntyä spontaanisti.
Darwinin teoria ”luonnollisesta valinnasta evoluution liikkeellepanevana voimana” johti uudenlaiseen käsitykseen elämänilmiöstä, joka on edelleen voimassa. Vaikka Darwin ei sitoutunut elämän alkuperään, nykyajan tiedemiehet, kuten Thomas Huxley (1825-1895), laajensivat hänen ajatustaan ja väittivät, että elämä voisi syntyä epäorgaanisista kemikaaleista. Alexander Oparin (1894-1980), joka noudatti tätä näkemystä, oli vaikutusvaltaisin kannattaja, joka puolusti soluelinten peräkkäistä syntyä elottomasta aineesta. Hän epäili, että tämä siirtymä eteni säännöllisten ja asteittaisten kemiallisten reaktioiden sarjan kautta varhaisen maapallon fysikaalisissa ja kemiallisissa olosuhteissa. Yhdessä John Scott Haldanen (1860-1936) kanssa Oparin tunnusti, että orgaanisten molekyylien abiobiologinen tuotanto maapallon nykyisessä hapettavassa ilmakehässä on erittäin epätodennäköistä. Sen sijaan kumpikin ehdotti, että elämän alku tapahtui alkeellisissa kuumissa vesissä pelkistävämmissä (eli vetypitoisemmissa) olosuhteissa. Lisäksi Oparin esitti, että oli olemassa esisoluisia koaservaatteja – pallomaisia yksiköitä, joiden pintarakenteet muistuttavat kalvoja – joissa saattoi olla suuria pitoisuuksia tiettyjä kemiallisia yhdisteitä. Koaservaatit todellakin muodostuvat spontaanisti kahden tai useamman makromolekyylisen yhdisteen kolloidisista vesiliuoksista.
Monet perustavanlaatuiset ongelmat, jotka liittyvät siirtymiseen elottomasta aineesta elävään, jäivät kuitenkin ratkaisematta. Keskeinen kysymys koski termodynamiikan toisen lain roolia, joka määrittelee eristetyn systeemin tasapainotilan maksimaalisen entropian tilaksi, mikä näyttää olevan ristiriidassa erittäin järjestäytyneiden elävien organismien alkuperän ja olemassaolon kanssa. Erwin Schrödinger (1887-1961) antoi ratkaisevan vastauksen tähän kysymykseen toteamalla, että ”elävä aine välttelee tasapainoon hajoamista” eli kuolemaa kompensoimalla jatkuvasti entropian tuotantoa. Missä tahansa organismissa tämä saavutetaan syöttämällä sille vapaata energiaa tai runsaasti energiaa sisältävää ainetta, jota solukoneisto käyttää keskeisten kemiallisten reaktioiden käynnistämiseen. Schrödinger ja muut tajusivat myös, että elävät organismit voidaan termodynaamisesti kuvata avoimina systeemeinä, mutta he eivät kyenneet selittämään yleisiä fysikaalisia edellytyksiä itsejärjestäytymisprosesseille. Nämä hahmottivat Ilja Prigogine (1917-) ja Paul Glansdorff (1904-1999), jotka työskentelivät palautumattomien prosessien termodynaamisen teorian parissa. Prigoginen mukaan valintaa ja evoluutiota ei voi tapahtua tasapainossa olevissa tai lähes tasapainossa olevissa reaktiosysteemeissä, vaikka läsnä olisi oikeanlaisia aineita. Sen sijaan tietyt autokatalyyttisten reaktioiden ja kuljetusprosessien yhdistelmät voivat johtaa erikoisiin reaktiokumppaneiden alueellisiin jakaumiin, joita kutsutaan ”dissipatiivisiksi rakenteiksi”. Näillä järjestäytyneillä rakenteilla on merkitystä toiminnallisen järjestyksen muodostumiselle elämän evoluutiossa, erityisesti varhaisessa morfogeneesissä. Itseorganisoitumisen ensimmäiset vaiheet sisälsivät kuitenkin luultavasti vain vähän järjestäytymistä fyysisessä tilassa mutta laajan toiminnallisen järjestäytymisen valtavan monimutkaisessa kemiallisten yhdisteiden kirjossa. Manfred Eigen (1927-) selitti molekyylien järjestäytymisprosessin täydentämällä Prigogine-Glansdorffin periaatetta fenomenologisilla pohdinnoilla itseään monistavien molekyylien käyttäytymisestä: Tietty määrä lähestyy maksimiarvoa missä tahansa avoimessa systeemissä, joka monistuu autokatalyyttisesti riittävän tarkasti ja kuluttaa siten jatkuvasti energiaa ja ainetta. Tätä määrää kutsutaan ”informaatioksi”, ja se liittyy läheisesti Schrödingerin postuloimaan ”negatiiviseen entropiaan”. Sen lisäksi, että Eigen loi pohjan biologisen informaation molekyylitulkinnalle, hän kehitti matemaattisia malleja ”valinnan” kuvaamiseksi. Eigenin teorian mukaan valinta on perustavanlaatuinen luonnonperiaate, joka tuo järjestyksen mihin tahansa autokatalyyttisesti monistuvien lajien satunnaisjärjestelyyn. Valinnan avulla informaatio syntyy peräkkäin, mikä johtaa lajien, jotka voivat olla joko organismeja tai molekyylejä, tasaiseen optimointiin.
Eigenin kehittämät matemaattiset mallit tukevat yksityiskohtaista hypoteesia elämän synnystä, joka käsittää useita peräkkäisiä vaiheita siirtymisessä epäorgaanisesta aineesta elävään aineeseen. On kuitenkin mainittava, että joillakin tutkijoilla on Eigenin teoriasta poikkeavia teorioita elämän synnystä. Näihin kuuluu Stuart Kauffman (1939-), jonka mielestä luonnonvalinta on tärkeä mutta ei ainoa biologisen maailman järjestysperiaate. Sen sijaan hän pitää spontaania itseorganisoitumista luonnonjärjestyksen hallitsevana lähteenä. Kauffman osoitti, että toisiinsa liittyvien autokatalyyttisten reaktioiden joukot voivat siirtyä uuteen järjestäytyneeseen (eli itseorganisoituneeseen) tilaan heti, kun niiden kytkeytyneisyys saavuttaa tietyn kynnysarvon. Lisäksi Kauffman korostaa, että hänen teoriassaan keskeisessä asemassa oleva autokatalyysi-ilmiö ei rajoitu nukleiinihappoihin. Siksi hän päättelee, että edes geenit eivät olleet välttämättömiä elämän synnylle. Toisin kuin Kauffman, Eigen erottaa ”satunnaisen” autokatalyyttisen tai itsereplikoituvan toiminnan, jota on havaittu useilla molekyylilajeilla, ”luonnostaan” itsereplikoituvista nukleiinihapoista. Luontainen kyky itsereplikoitumiseen puolestaan edustaa Eigenin teorian mukaan luonnonvalinnan molekulaarista perustaa.
Hyvin määritellyt kokeet keksittiin molekyylievoluutiolle postuloitujen periaatteiden simuloimiseksi. Tietyillä koejärjestelyillä replikaatio ja valinta voidaan suorittaa koeputkessa. Samoin alkuaikojen maapallon kemiallisia olosuhteita voidaan jäljitellä laboratoriossa. Useat tutkijat yrittivät todentaa kokeellisesti 1900-luvun ajatukset biogeneesistä. Heidän kokeitaan käsitellään seuraavassa jaksossa.