keskiviikko 2. tammikuuta 2013

Syntyikö elämä merenpohjan kuumissa purkausaukoissa?


Tutkijat uskovat, että merenpohjan kuumat purkausaukot tarjosivat otolliset olosuhteet elämän synnylle ja että ionipumppujen alkuperä on avain elämän synnyn arvoitukseen. Asiasta kertova uusi tutkimus on julkaistu Cell-tiedelehdessä.

Elämän uskotaan syntyneen merenpohjan kuumissa purkausaukoissa. (Kuva:Ralph White/CORBIS)

Kiviä, vettä ja kuuma, vetyä sisältävä alkalinen neste pulppuamassa ulos syvällä merenpohjasta: tätä elämän synnyn reseptiä on jo vuosia kannattanut pieni tutkijoiden joukko. Nyt kaksi heistä on kirjoittanut aiheesta tutkimusraportin, joka esittää ajatuksen siitä, kuinka ensimmäiset solut ovat saattaneet kehittyä ja siirtyä pois syntysijoiltaan.

Nick Lane (University College London) ja Bill Martin Düsseldorfin yliopistosta uskovat, että vastaus elämän synnyn ongelmaan löytyy solujen ionipumpuista, kalvoproteiineista, jotka säätelevät solun ionitasapainoa.

Kaikissa nykyisissä soluissa ATP-syntaasi käyttää solukalvon läpi kulkevan ionivirran energiaa (protoni [H+] gradientti) solun energiavarastoina toimivien ATP-molekyylien tuottamiseen. Tässä on kuitenkin muna vai kana ongelma: solut käyttävät energian varastoimiseen proteiinien tuottamaa protonigradienttia, mutta näiden proteiinien valmistamiseen on myös tarvittu energiaa.

Lane ja Martin sanovat, että vedyllä kyllästetyn alkalisen veden kohdatessa happaman meriveden merenpohjan kuumissa purkausaukossa, syntyy ohuiden, rautaa ja rikkiä sisältävien katalyyttisten mineraalikalvojen väliin luonnollinen protonigradientti. Tämä kokoonpano voisi synnyttää otolliset olosuhteet hiilidioksidin ja vedyn muuttamiseksi orgaanisiksi hiiliyhdisteiksi. Nämä voisivat sitten reagoida toistensa kanssa ja muodostaa elämän rakennuspalikoita, kuten nukleotideja ja aminohappoja. Merenpohjan kuumat alkaliset purkausaukot eivät ole vulkaanisia, vaan ne saavat energiansa serpentinisaatioksi kutsutusta reaktiosta.

Purkausaukkojen kivilabyrintit sisältävät pieniä ohutseinäisiä huokosia, jotka olisivat voineet toimia 'protosoluina', synnyttäen protonigradientin ja kokoamalla muodostuneet pienet orgaaniset molekyylit. Näistä olisi edelleen kehittynyt monimutkaisia proteiiniineja ja RNA:ta. Nämä protosolut olisivat olleet ensimmäinen elämän muoto, Lane ja Martin väittävät.

Kivisten protosolujen rinnalle oletetaan kehittyneen avoimia orgaanisia solukalvoja. Siirtyäkseen pois mustasta savuttajasta ja tullakseen itsenäiseksi meren eliöksi, orgaanisesta protosolusta täytyisi tulla suljettu. Ongelmana olisi kuitenkin luonnollisen protonigradientin estyminen. Vaikka ATP-syntaasi voisi pumpata protoneita soluun, niin solussa ei olisi mitään, mikä siirtäisi niitä ulos ja pian protonikonsentraatiot solukalvon molemmilla puolilla olisivat yhtä suuret. Protonigradientti lakkaisi olemasta ja protosolu menettäisi teholähteensä, Lane sanoo. Protoneita ulos pumppava proteiini olisi ratkaisu ongelmaan, mutta niille ei olisi olemassa mitään valintapainetta ennenkuin soluista tulisi suljettuja. Siinä tapauksessa "niiden olisi täytynyt kehittää protonin pumppausjärjestelmä hetkessä, mikä ei ole mahdollista," Lane toteaa.

Lane ja Martin uskovat, että protosolut kiersivät tämän ongelman kehittämällä natrium-protoni antiportterin
(Na+/H+ antiportteri) - yksinkertaisen proteiinin, joka käyttää protonigradienttia natriumin pumppaamiseen solusta ulos. Kun protosolun kalvot alkoivat sulkeutua, ne eivät enää läpäisseet suurikokoisia natrium-ioneja, mutta kylläkin pienikokoisia protoneja. Tästä olisi ollut hyötyä protosoluille, jotka kehittivät natriumpumpun, koska ne pystyivät edelleen hyötymään luonnollisen (kivisten protosolujen) protonigradientin tarjoamasta energiasta. Antiportterit tuottivat myös natriumgradientin ja kun protosoluista tuli suljettuja, ne kykenivät toimimaan natriumgradientin avulla ja olivat vapaita jättämään mustan savuttajan.

Lane ja Martin saivat inspiraation hypoteesilleen ääriolosuhteissa elävistä bakteereista ja arkeista. "Niiden biokemia näyttää juontuvan saumattomasti kuumien purkausaukkojen olosuhteista," Lane sanoo. Nämä mikrobit käyttävät rautaa ja rikkiä sisältäviä proteiineja muuttaakseen vetyä ja hiilidioksidia orgaaniksiksi molekyyleiksi. Ne käyttävät natrium-protoni antiporttereita ionigradientin muodostamiseen ja niiden ATP-syntaasit toimivat sekä natrium- että protonigradientilla.

Biokemisti Wolfgang Nitschke Ranskan kansallisesta tutkimuskeskuksesta (French National Center for Scientific Research, Marseille) ylistää kaksikkoa (Lane ja Martin) modernin mikrobiologisen tiedon käyttämisestä yksityiskohtaisen elämän syntyskenaarion luontiin. "Päinvastoin kuin periaatteessa kaikki muut elämän synty hypoteesit, merenpohjan kuuma purkausaukko-skenaariota käsittelevä tutkimus on kokeellinen," hän sanoo. "Se on erittäin huomattava tutkimusraportti."

Wolfgang Nitschken käsitys kokeellisesta luonnontieteestä on ainakin hyvin omaperäinen. Hän väittää Lanen ja Martinin tutkimuksen olevan kokeellinen ja eroavan siten muista elämän syntyhypoteesitutkimuksista. Tosiasiassa Lanen ja Martinin tutkimusraportti ei sisällä minkäänlaisia kuvauksia kokeista. Koko tutkimusraportti sisältää vain solujen metabolian ja siihen liittyvien nanokoneiden kuvauksia, sekä hypoteettisia ajatusrakennelmia siitä, kuinka elämä ja sen rakennuspalikat olisivat mahdollisesti voineet syntyä.

Tutkimusraportissaan Lane ja Martin myöntävät energiaa tallentavan pyörimismoottorin - ATP-syntaasin - olevan "eräs hämmästyttävimmistä nanokoneista (some of the most astonishing nanodevices)." Todettuaan ATP-syntaasi pyörimismoottorin teknisesti korkealaatuisen rakenteen, he väittävät sen ja toisen monimutkaisen nanokoneen eli ribosomin syntyneen merenpohjan kuumassa purkausaukossa "pitkään jatkuneen geeneihin ja proteiineihin kohdistuneen valinnan tuloksena evoluution varhaisina aikoina." Lane ja Martin eivät kuitenkaan kerro kuinka geenit ja proteiinit ilmaantuivat. Väite on uskonnollinen, koska se ei perustu empiiriseen havaintoon. ATP-syntaasin tai ribosomin eikä geenien tai proteiinien kehittymistä ei ole havaittu. Vain niiden monimutkainen rakenne ja toiminto on havaittu. ATP-syntaasin tai ribosomin kaltaisten huippuhienojen nanokoneiden kehittyminen vähittäisen darwinistisen mekanismin avulla on vähintäänkin erittäin epätodennäköistä. Lane ja Martin toteavat, että lähes 4 miljardia vuotta jatkunut evoluutio ei ole tuottanut mitään parannuksia alkuperäiseen ATP-syntaasiin, joka siis ilmaantui loppullisessa muodossaan heti elämän synnyttyä.

Loppupäätelmässä he kuitenkin vähättelevät natriumioneja (Na+) pumppaavaa proteiinia: "...natriumionien pumppauksen alkuperä ei vaatinut mekaniikaltaan mitään erityistä geneettistä innovaatiota, vain antiportterin eli proteiinin, joka muunsi geokemiallisen protonigradientin (H+) biokemialliseksi natriumionigradientiksi (Na+)."  Tässä Lane ja Martin olettavat pumppuproteiinin noin vain ilmaantuvan jollakin hokkuspokkustempulla. Tämä Lanen ja Martinin mukaan vähäpätöinen hokkuspokkustemppu muuttaa kemiallisen biologiseksi. Ei sen vähempää! Eikä tähän siis tarvita edes mitään erityistä geneettistä innovaatiota. Lane ja Martin eivät siis tarvitse informaatiota tämän proteiinin tuottamiseen. He eivät myöskään esitä mitään ratkaisua aminohappojen kätisyysongelmaan. Eliöiden proteiinit muodostuvat vain vasenkätisistä enantiomeereista. Lanen ja Martinin hokkuspokkustemppu ratkaisee myös tämän vakavan elämän syntyyn liittyvän ongelman.

Lane ja Martin tuntuvat olevan tutkimuksen jälkijunassa, sillä hiljattain Paul Davies ja Sara Walker ehdottivat informaatiota elämän syntyhypoteesien lähtökohdaksi, koska kemiaan perustuvat lähestymistavat ovat jämähtäneet paikoilleen hyvin varhaisessa vaiheessa ja kaukana siitä, mitä me kutsumme elämäksi. Lane ja Martin unohtavat informaation kokonaan omasta hypoteesistaan, vaikka kaikki tunnetut elämänmuodot ja kaikki elämän "hämmästyttävät nanokoneet" perustuvat informaatioon.



Lähde:

http://www.nature.com/news/how-life-emerged-from-deep-sea-rocks-1.12109

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti