Elämän rakennuspalikat pikapostissa
Tuntemamme maanpäällisen (ja -alaisen) elämän rakennuspalikat ovat jokseenkin yksinkertaisia orgaanisia molekyylejä. Sillä tarkoitetaan hiiliatomien ketjuuntumiskykyyn perustuvaa kemiaa, jossa monet muut alkuaineet sitoutuvat hiilen muodostamiin ketjuihin saaden aikaiseksi erilaisia biokemiallisten koneiden toimintaan osallistuvia kompleksisia molekyylejä. Molekyylien rakennuspalikat ovat kuitenkin tavallisesti hyvin yksinkertaisia. Esimerkiksi proteiinit, jotka toimivat niin organismien rakennusmateriaaleina kuin aineenvaihduntaa pyörittävinä biokemiallisia reaktioita vauhdittavina komplekseina, koostuvat vain 22 erilaisesta yksinkertaisesta aminohaposta. Ne puolestaan ovat typen sisältämän emäksisen amiini- ja happea sisältävän happaman karboksyyliryhmän värittämiä hiilipohjaisia molekyylejä. Koska amiini- ja karboksyyliryhmät ikään kuin neutraloivat toisensa yhdistymällä toisten molekyylien vastakkaisiin ryhmiin, syntyy pitkiä aminohappojen ketjuja, joita kutsumme proteiineiksi.
Planeettamme eliöt valmistavat tarvitsemansa aminohapot itse tai saavat ne ravinnokseen käyttämistään toisista eliöistä. Elämän syntyessä kumpikaan menettelytapa ei kuitenkaan ollut mahdollinen, vaan oleellisesti solujen toiminnan mahdollistavien proteiinien syntyyn on täytynyt olla saatavilla aminohappoja varhaisten elävien solujen elinympäristössä. Aminohappojen on täytynyt syntyä olemassaolevista kemiallisista yhdisteistä. Kaikeksi onneksi hiili, typpi ja happi ovat yleisiä alkuaineita kaikkialla maailmankaikkeudessamme ja aminohappoja voi syntyä niistä monella tapaa monenlaisissa olosuhteissa.
Aminohappoja voi havaita vaikkapa avaruuden molekyylipilvissä — tähtienvälisen aineksen pölynsekaisen kaasun pilvissä, joista uudet tähdet syntyvät pilvien saavuttaessa kriittisen tiheyden romahtaakseen kasaan oman vetovoimansa vaikutuksesta. Sellaisten pilvien pölyisiin sisäosiin ei pääse juuri säteilyä, ja niiden hyvin kylmissä olosuhteissa voi muodostua molekyylejä, jotka eivät heti hajoa läheisten tähtien ultraviolettivalon vaikutuksesta. Koska infrapunasäteily läpäisee pölypilvet, voimme havaita merkkejä molekyyleistä infrapunateleskooppien avulla. Esimerkiksi Spitzer -avaruusteleskoopilla on havaittu tryptofaaniksi kutsuttua aminohappoa läheisestä molekyylipilvestä IC 348 ja lukuisista muista vastaavista tähtienvälisen aineksen alueista (1). Kyse on yhdestä Maan elämän tarvitsemista aminohapoista, ja voimme siksi sanoa sen olevan yleinen molekyyli galaksissamme.
Monet aminohapot siis muodostuvat spontaanisti jo tähtienvälisessä avaruudessa. Niitä on siksi tarjolla jo siinä vaiheessa, kun planeetat vasta muodostuvat tähden synnyn sivutuotteena molekyylipilvien keskellä. Niitä päätyy runsaasti planeettojen pinnoille ja niiden valtameriin, jos sellaisia vain on.
Aminohappoja muodostuu aivan spontaanisti monissa erilaisissa olosuhteissa. Kuuluisassa jo seitsemän vuosikymmenen takaisessa elämän synnyn mahdollisuuksia tutkineessa kokeessaan, yhdysvaltalaiset kemistit Stanley Miller ja Harold Urey selvittivät voisiko aminohappojen synty olla mahdollista niissä olosuhteissa, joiden arveltiin esiintyneen maapallolla planeettamme vasta synnyttyä. Heidän kokeidensa lähtökohdat olivat planeettamme varhaisten olosuhteiden suhteen väärin mutta ne osoittivat silti kiistatta, että aminohappojen spontaani synty yksinkertaisemmista kemiallisista lähtöaineista, vedestä, metaanista, ammoniakista ja vedystä, joiden reaktioita katalysoitiin salamoita simuloivilla sähkönpurkauksilla, on mahdollista. Modernit kokeet osoittavat selvästi, että aminohappojen erilaisia muotoja syntyy laajassa skaalassa kemiallisia olosuhteita. Niitä syntyy myös suurempi kirjo kuin vain planeettamme elämän käyttämät 22 yksinkertaista aminohappoa, joten mahdollisuudet tuntemamme kaltaisen elämän rakennuspalikoiden muodostumiselle maankaltaisten planeettojen olosuhteissa ovat hyvät.
Myös merenpohjan sedimenttien kemia on sopivaa aminohappojen synnylle, jos vain mukaan saadaan sopiva energialähde. Mustien savuttajien ympäristöissä muodostuukin juuri sopivia energiagradientteja aminohappojen syntyyn — spontaanisti, ilman elävien organismien vaikutusta, syntyneitä aminohappoja onkin havaittu sedimenttien sisällä (2). Pelkkä nestemäinen vesi ja geologinen aktiivisuus siis vaikuttavat riittävän aminohappojen spontaaniin muodostumiseen, joten niiden saatavuus elämän syntyä silmällä pitäen vaikuttaa suorastaan todennäköiseltä.
Komeettojen ja asteroidien orgaanisen molekyylit
Elämän syntyä edesauttaneiden aminohappojen alkuperää koskeva keskustelu sai kierroksia viitisenkymmentä vuotta sitten, kun tutkijat saivat käsiinsä kaksi erikoista hiilikondriiteiksi kutsuttua meteoriittia Australiasta ja Meksikosta. Niiden kemiallinen analyysi osoitti meteoriittien sisältävän aminohappoja, joiden alkuperä kuitenkin jäi hämärän peittoon, koska maanpäällisen kontaminaation mahdollisuutta ei kyetty täysin sulkemaan pois. Vastaavia hiilikondriitteja on kuitenkin aivan lähiavaruudessakin runsaasti, joten niiden tarkastelu paikanpäällä on mahdollista uusin avaruusteknologian keinoin. Voimme lähettää jopa laskeutujia hakemaan näytteitä vastaavista hiilikondriittiasteroideista tutkiaksemme niiden koostumusta tarkemmin turvallisesti maankamaralla. Yksi sellainen on asteroidi Ryugu (Kuva 1.). Ryugun ja muiden vastaavanlaisten asteroidien olosuhteissa ammoniakki ja vesi voisivat reagoida yksinkertaisten aldehydien, eli happea sisältävien hiiliketjujen, ja metanolin kanssa muodostaen kompleksisempia orgaanisia molekyylejä, kuten moninaisia aminohappoja. Tarvittaisiin vain jokin energianlähde, ja aminohappoihin vaadittavat olosuhteet olisivat olemassa.
Monet energialähteet voivat vauhdittaa kemiallisia reaktioita asteroidien ja komeettojen olosuhteissa. Yksi sellainen lähde on ultraviolettisäteily, jolta maanpäällisissä olosuhteissa pyrimme suojautumaan, koska se myös tuhoaa auliisti ihosolujemme orgaanisia molekyylejä. Suurienergisten tähtien lähettyvillä esiintyy runsaasti ultraviolettisäteilyä mutta sitä ei puutu myöskään tähtienväliestä avaruudesta. Avaruudessa on jatkuvasti supernovaräjähdyksistä peräisin olevaa ultraviolettisäteilyä, joka mahdollistaa kemiallisten reaktioiden etenemisen kohti kompleksisempia lopputuotteita. Myös asteroidien törmäyksistä voi vapautua lämpöä, jonka puitteissa aminohappojen muodostumiseen vaadittavat reaktiot voivat tapahtua.
Aminohappoja voi muodostua myös hiukan epätodennäköisemmiltä vaikuttavien mekanismien tuloksena. Gammasäteily, jota vapautuu hitaasti mutta varmasti esimerkiksi radioaktiivisen hajoamisen seurauksena, voi tarjota energian, jonka avulla kemialliset reaktiot voivat edetä. Ne läpäisevät asteroidin materiaa helposti, ja saadessaan alkunsa asteroidin itsensä pienistä määristä radioaktiivisia isotooppeja, vaikuttavat koko asteroidiin sen ydintä myöten. Suurienergisenä säteilynä gammasäteily kyllä tuhoaa kaikenlaisia yhdisteitä helposti, mutta samalla se tuottaa molekyyleistä reaktiivisia radikaaleja, jotka reagoivat auliisti ympäröivien toisten molekyylien kanssa. Hiilikondriittiasteroidien olosuhteissa syntyy silloin enemmän aminohappoja kuin niitä ehtii tuhoutumaan — tutkijoiden arvion mukaan asteroidien sisäosien aminohappopitoisuudet kasvavat vain vuosituhannessa sille tasolle, kuin mitä niiden kemiaa tutkimalla on havaittu.
Asteroidien sisäosien eksoottisissa olosuhteissa tarvitaan sielläkin nestemäistä vettä aminohappojen muodostumisen reaktioihin. Sitä kuitenkin löytyy runsaasti sitoutuneena mineraaleihin ja kaikki reaktioiden vaatimat komponentit ovat vääjäämättä läsnä. Kosmisessa mittakaavassa tiedon tulkinta on selvä. Aminohappoja on aivan kaikkialla, ja esiintyessään asteroidien ytimissä asti, ne voivat selvitä sen kummemmin kuumentumatta ja hajoamatta jopa osumasta maankaltaisten planeettojen pintoihin. Kaasukehän kitka kyllä kuumentaa ja haihduttaa asteroidien ulkokerrokset niiden syöksyessä kaasukehän läpi, mutta sisäosiin rikastuneet aminohapot päätyvät vaivatta planeetan pinnalle ja sen meriin, jos niitä vain on.
On selvää, että nuoren Maan vetisellä pinnalla oli kosmista alkuperää olevia aminohappoja edesauttamassa elämän syntyä. Osa niistä varmasti kulkeutui planeetallemme asteroidien mukana, kuin kosmisena elämän siementen pikapostina.
Kirjoitukseen innoitti teksti ”Inside Ancient Asteroids, Gamma Rays Made Building Blocks of Life”, John Rennie ja Allison Parshall, Quanta Magazine, 2023.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lisää aiheesta
Lähteet
Mikko Tuomi
Satunnaislukuja 