Elämän kaksi alkukynttilää – uusi tutkimus haastaa käsityksemme kaikkien elävien olentojen yhteisestä esi-isästä
Olen pyöritellyt tätä tutkimuslöydöstä mielessäni jo useita päiviä enkä voi lakata ajattelemasta sitä. Oletko valmis?
Kuvittele tilanne noin neljän miljardin vuoden takaa. Maapallo on vihamielinen paikka – happea ei ole, tulivuoria pursuaa kaikkialla, ja valtameret näyttäisivät meistä täysin vieraalta. Nyt kuvittele, että voisit kurkistaa kuumaan merenpohjan lähteeseen ja seurata, kuinka elämän ensimmäiset yritykset ottavat muotoaan.
Heinrich Heine -yliopiston Düsseldorfissa julkaiseman uuden tutkimuksen mukaan olisit nähnyt jotain hämmästyttävää: kaksi täysin erilaista solutyyppiä, jotka syntyvät rinnakkain. Varhaisten bakteerien ja varhaisten arkeonien ensimmäiset askeleet kohti olemassaoloa, molemmat kehittyen samoin ympäristöolosuhtein mutta jotenkin kulkien pohjimmiltaan eri suuntiin.
Tässä on se asia, joka tekee löydöksestä niin kiehtovan.
LUCA:n keskeneräinen työkalupakki
Tutkijat – kansainvälinen ryhmä, jota johti biologi Natalia Mrnjavac – otti uskomattoman kunnianhimoisen lähestymistavan. Sen sijaan, että he olisivat keskittyneet vain muutamaan aineenvaihduntareaktioon, he tutkivat koko nykysolujen kemiallisten reaktioiden verkoston, jota elämä käyttää perusainesosien rakentamiseen: aminohappoja, RNA:n rakennuspalikoita ja vitamiineja.
Yhteensä 420 kemiallista reaktiota. Kaikki yhdessä. Ne muodostavat sen, mitä kutsemme aineenvaihdunnaksi, ja nämä reaktiot ovat niin ikivanhoja, että ne ovat säilyneet kaikessa maapallon elämässä – yksinkertaisimmista bakteereista ihmisiin. Säilymisaste on rehellisesti sanottuna hämmästyttävä, vertailukelpoinen jopa geneettiseen koodiin.
Mutta tässä asiat alkavat kiinnostaa oikeasti. Reaktioita kiihdyttävät entsyymit? Niitä ei ole säilytetty bakteerien ja arkeonien välillä. Elämän kaksi suurta haaraa osoittavat yllättäviä eroja molekyylikoneistossaan, jota ne käyttävät tehdäkseen pohjimmiltaan samoja biokemiallisia tehtäviä.
Heidän keskeinen löydöksensä: viimeinen yhteinen esivanhempi (LUCA) – hypoteettinen eliö, josta kaikki elämä polveutuu – oli varustettu entsyymeillä vain noin puoleen näistä aineenvaihduntareaktioista. Toinen puolikas? Ne katalysoitiin metalleilla, joita luonnollisesti esiintyi LUCA:n elinympäristössä.
Tämä tarkoittaa, että varhainen aineenvaihdunta oli omituinen hybridejä. Osa entsymaattinen, osa epäorgaanisten katalyyttien ajama syvässä merenpohjassa. Aika villiä, eikö?
Kun bakteerit ja arkeonit lähtivät omille teilleen
Kun tutkijat jäljittivät näiden entsyymien evoluutiota taaksepäin, he tunnistivat neljä erillistä vaihetta biologisten katalyyttien kehityksessä:
- Puhtaasti metalleilla toimivat reaktiot – entsyymejä ei tarvita
- LUCA:n aikakausi, jolloin metallit ja varhaistentensyymit tekivät yhteistyötä
- Suuri jakautuminen, jolloin bakteerit ja arkeonit alkoivat kehittyä erikseen
- Itsenäinen innovaatio, jolloin kumpikin kehityshaara korvasi vähitellen ympäristön katalyytit omilla uusilla entsyymeillään
Ja tässä on se todella jännittävä osuus: tutkimusryhmä löysi esimerkkejä tilanteista, joissa bakteerit ja arkeonit näyttävät keksineen eri entsyymejä suorittaakseen saman välttämättömän aineenvaihduntareaktion. Se on kuin kaksi erillistä insinööriryhmää, joille annetaan sama ongelma, ja molemmat kehittävät täysin erilaiset ratkaisut – ja molemmat ratkaisut toimivat.
Tämä rinnakkainen evoluutio saattoi olla avain, joka avasi mahdollisuuden itsenäiseen solulliseen elämään. Kehittämällä omia katalyyttisiä työkalujaan nämä alkeelliset eliöt saattoivat vähentää riippuvuuttaan synnyinpaikkansa tietynlaisesta kemiasta ja lopulta kasvaa tarpeeksi vahvoiksi selviytyäkseen todellisina vapaina soluina.
Mitä tämä tarkoittaa elämän synnyn kannalta
Olen aina pitänyt elämän synnyn kysymystä melkein ylivoimaisen monimutkaisena. Miten päädytään kemiallisesta sopasta itseään monistavaan soluun? Tavallinen käsitys sisältää yleensä yhden ainoan alkuperän – jonkin onnekkaan molekyyliyhdistelmän, joka keksi miten tehdä kopioita itsestään, ja kaikki muu haarautui siitä.
Mutta tämä tutkimus viittaa jotakin erilaista. Ehkä elämä oli vähemmän kuin yksittäinen salama ja enemmän kuin... kaksi kipinää, jotka putoavat lähekkäin, molemmat syttyvät ja kasvavat omaksi liekikseen.
Tutkimuksen vanhempi tutkija William Martin tiivisti asian näin: "Mitä tarkemmin katsoemme, sitä selvemmin näemme, että varhainen biokemiallinen evoluutio oli entsyymikatalyyttien ja metallikatalyyttien hybridituotos."
Se on kaunis tapa muotoilla se. Elämä ei ponnahtanut täysin muotoutuneena. Se nousi esiin vähitellen, yhteistyössä, maapallon oman kemian avustuksella.
Laajempi kuva
Se, mikä minua eniten hämmästyttää tässä tutkimuksessa, on se miten se muuttaa käsitystämme elämän sitkeydestä. Jos elämä voi potentiaalisesti syntyä useiden itsenäisten reittien kautta, jopa samoin lähtöolosuhtein, ehkä maailmankaikkeus on hedelmällisempi paikka kuin mitä joskus oletamme.
Toki emme vieläkään tiedä tarkalleen miten ne ensimmäiset solut muodostuivat, tai miksi kaksi kehityshaaraa eikä yksi tai kolme tai kymmenen. Tiede, kuten aina, herättää yhtä paljon kysymyksiä kuin vastaa.
Mutta tiedän tämän: elämme poikkeuksellista aikaa biologian parissa. Nykyiset työkalumme – genomin sekvensoitni, rakennubiologia, laskennallinen kemia – mahdollistavat sen, että voimme kurkistaa biologisten historiaamme kauemmas kuin koskaan ennen.
Ja mitä löydämme? Elämä kaikessa monimutkaisuudessaan saattaa olla vielä sitkeämpi ja kekseliäämpi kuin kuvittelimme.
Neljä miljardia vuotta myöhemmin nuo muinaiset pioneerit elävät yhä jokaisen eliön jokaisessa solussa. Olemme kirjaimellisesti niiden jälkeläisiä, jotka ehkä olivat kaksi itsenäistä yritystä tulla eläviksi.
Se ei ole vain tiedettä. Se on yksi nöyryyttävimmistä ja inspiroivimmista tarinoista, jonka tiedän.
Mitä sinä ajattelet? Muuttaako kahden elämän synnyn ajatus tapaasi nähdä paikkamme maailmankaikkeudessa? Haluaisin kuulla ajatuksesi kommenteissa!