Elämän synnyn hypoteeseja

 

Esa Eklund
Tietoliikenneohjelmistojen ja multimedian laboratorio
Teknillinen korkeakoulu
Esa.Eklund@hut.fi

 

 

Tiivistelmä

Elämän ensiaskeleisiin oletetaan kuuluneen itseään kopioivien molekyylien syntyminen. Näistä rakenteista on lopulta kehittynyt elävä, itseään kopioiva solu. Itseään kopioivan järjestelmän syntyä ja toimintaa on selitetty hypersyklien ja autokatalyyttisten verkkojen avulla. Hypersyklien syntyä on simuloitu atomoid-atomimallilla, jossa atomoid-yhdisteiden reaktioketjuissa syntyy hypersyklejä. Tiiliautomaation sääntöjä noudattavassa maailmassa on voitu tuottaa monimutkaisia dynaamisia järjestelmiä, jotka muodostavat autokatalyyttisesti tiiliyksiköitä valmistavia tehtaita.

 

1. Elämän synnyn perusperiaatteita

Se kuinka elämä aikojen alussa syntyi on hämärän peitossa. Venäläinen kemisti A. I. Oparin esitti jo 1924 teorian, jonka mukaan elämän ilmaantuminen oli tulosta pitkästä prosessista, jossa ei-biologista alkuperää olevat orgaaniset molekyylit järjestäytyvät itsekseen kolloideiksi järjestelmiksi ja muodostavat ensimmäisiä anaerobisia bakteereja.

Vuonna 1953 Miller et al. osoittivat, että ohjaamalla sähköpurkauksia kaasuseokseen, joka koostuu CH4, NH3, H2, H20 molekyyleistä, voidaan tuottaa aminohappoja, jotka ovat proteiinien rakennusosasia. Vastaavasti myös muita elämän peruspalikoita, kuten rasvahappoja, alkoholeja ja entsyymejä, on voitu tuottaa laboratoriokokeissa.

Nykyisin tuntemamme elämän perusosia voidaan siis tuottaa synteettisesti laboratorio-olosuhteissa. Tällä ei välttämättä ole kuitenkaan suurta merkitystä pohdittaessa elämän syntyteorioita. Tutkijat eivät ole ensinnäkään päässeet yksimielisyyteen siitä, minkälainen primitiivinen ilmakehä oli ja mistä kaasuista se koostui. On myös esitetty arvioita, että orgaaniset yhdisteet voivat olla peräisin avaruudesta ja tulleet maan päälle meteoriittipommituksen seurauksena. Ylipäätään ei tiedetä olivatko orgaaniset yhdisteet mukana jo ensimmäisissä itseään kopioivien järjestelmien synnyssä vai tulivatko ne mukaan myöhemmin. On esitetty teorioita, joiden mukaan savi tai mineraalikiisut olivat ohjaamassa ja katalysoimassa rikkipohjaisten yhdisteiden reaktiosyklejä, joista orgaaninen elämä myöhemmin kehittyi.

Itseään kopioivan elämän perusvaatimuksiin kuuluu mekanismi, joka sisältää informaation järjestelmän rakenteesta, jotta tätä tietoa voidaan käyttää järjestelmän rakentamiseen ja informaation siirtämiseen jälkeläisille. Yleisesti ajatellaan, että DNA-pohjaista järjestelmää edelsi jokin yksinkertainen mekanismi geneettisen tiedon tallentamiseen. RNA-molekyylejä pidetään nykyisin vahvana ehdokkaana mekanisimiksi, joka säilytti geneettisen tiedon ensimmäisissä soluissa. Tähän viittaa se, että RNA:lla on edelleen tärkeä osa solun sisäisissä proteiinisynteeseissä ja että proteiinisynteesi voi tapahtua ilman DNA:n olemassaoloa (vrt. viirukset).

On kuitenkin yhä hämärän peitossa miten esimerkiksi RNA-pohjainen jatkuva proteiinisynteesi toimi ensimmäisessä solussa. Perusoletuksena on se, että hyvin rikkaassa kemiallisessa seoksessa tapahtui lukemattomia rinnakkaisia reaktioita, jotka johtivat valtavien toisiaan katalysoivien ja reaktiotuotteita tuottavien kemiallisten reaktioiden syntyyn. Näiden syklien vakaantuminen johti myöhemmin ensimmäisen elävän organismin syntyyn.

Kompleksisuusteoria esittää hyvin samankaltaisesti että elämä ei ollut tulosta itseään kopioivien molekyylien lisääntymisestä, vaan oli seurausta itseään ruokkivien toisiaan katalysoivien suljettujen reaktioverkkojen toiminnasta, jotka kehittyivät ja loivat toisia samankaltaisia reaktioverkkoja. Kun reaktiot saavuttivat tietyn kompleksisuustason siinä tapahtui äkillinen faasimuutos, jonka seurauksena järjestelmän kompleksisuus kasvoi ja sen katalyyttiset omaisuudet paranivat. Tämäntyyppisiä kemiallisia malleja ovat Kauffmanin esittämät autokatalyyttiset verkot ja Eigenin esittämät hypersyklit.

 

1.1 Autokatalyyttiset verkot

Kauffman esitti teorian autokatalyyttisistä verkoista 1993. Teoriassa on kyse suuresta joukosta satunnaisia reaktioverkkoja. Hän totesi että tämänkaltaisessa järjestelmässä yhdisteiden määrän ja katalyyttisten ominaisuuksien ollessa tietyn rajan alapuolella reaktioverkko ei voi kasvaa. Jos tämä raja-arvo ylitetään reaktioverkko alkaa kasvaa rajattomasti.

 

1.2 Hypersyklit

Hypersykli perustuu kahdella tasolla toimivaan autokalyyttiseen järjestelmään. Alemmalla tasolla tapahtuu RNA-ketjujen autokatalyyttisiä reaktioita, joiden tuloksena RNA-ketjut kopioituvat. Samalla syntyy sivutuotteena entsyymejä, jotka katalysoivat toisten RNA-ketjujen kopioitumisreaktion. Näin syntyy ylemmän tason syklinen rakenne. (kuvassa 1.1)

Eigen esitti tämän teorian vuonna 1971 ja samalla hän osoitti, että alemman tason autokatalyyttinen sykli ei pystynyt kehittymään eteenpäin, mutta hypersyklin syntyessä alemman tason sykleissä voi tapahtua mutaation kaltaisia muutoksia, mutta hypersykli säilyy. Tällöin kyseessä on hypersyklin evoluutio.

Kuva 1.1 Hypersykli

 

2. Hypersyksit atomoid-atomimallissa

Atomoid-mallilla on pyritty tutkimaan itseään kopioivien molekyylijärjestelmien syntyä. Tässä mallissa käytetään yksinkertaistettua mallia atomista, jota kutsutaan atomoidiksi. Näiden keskinäiset reaktiot on mallinnettu todellisten atomien reaktioista siten, että reaktiot ovat riippuvaisia atomoidien energiatasoista.

 

2.1 Atomoidien ominaisuudet ja reaktiosäännöt

Jokaiselle eri atomoidi-tyypille k on ominaista sen sidosliittymät, joilla atomoidi voi sitoutua toisiin atomoideihin. Atomoidilla jokaisella sidosliittymällä on erilaiset sidosominaisuudet, jotka koostuvat liittymän sidosenergian operaattorista, joka vaikuttaa sidoksien syntyessä, sidoksien sidosenergiaa kuvaavasta vakiosta, liittymän energiatasosta sekä energiatilasta, joka voi olla maa tai ladattu.

Energiataso muuttuu sen mukaan miten atomoidi muodostaa sidoksen toiseen atomoidiin. Systeemissä vaikuttaa myös fotoneita, jotka absorboituessaan tai emittoituessaan siirtävät energiatilan maahan tai ladatuun tilaan. Fotonin ominaisuuksiin kuuluvat energia ja vaihe, jossa se on.

Kahden atomoidin muodostaessa sidoksen tämä vaikuttaa molempien energiatilaan. Seurauksena saattaa olla se, että muiden sidosten väliset energiatilat laskevat ja viereinen heikko sidos purkautuu. (kuva 2.1)

Fotonit vaikuttavat sidoksissa siten, että ladatussa energiatilassa olevaan sidosliittymään energiataso on suurempi. Tämän seurauksena saattaa syntyä yhdisteitä, joiden synty ei muuten olisi mahdollista. Jotta atomoidi voisi absorboida fotonin sen täytyy ylittää simulaatiossa atomoidille asetettu vaihekulman kynnysarvo.

Kuva 2.1 Esimerkki atomoidin ja molekyylin välisestä reaktiosta sekä kahden molekyylin välisestä reaktiosta.

 

2.2 Koetulokset

Simulaatiossa käytettiin neljää erilaista atomoidia. Molekyylejä kuvaamaan kehitettiin molekyylikaava, jonka avulla rakenteellisesti erilaiset molekyylit voidaan erottaa toisistaan. (kuva 2.2)

Alkutilanteessa simulaatio käynnistetään ja kuvassa 2.3 nähdään kuinka reaktiot asettuvat tasapainotilaan 200 simulaatioaskeleen jälkeen.

Kuva 2.2 Molekyylikaava

Kuva 2.3 Reaktio päätyy tasapainoon 200 askeleen jälkeen.

 

Reaktioiden päädyttyä tasapainotilaan sinne aletaan suihkuttaa sopivassa vaiheessa olevia fotoneja, jotka tuovat järjestelmään energiaa. Reaktioiden dynamiikka muuttuu selvästi ja samalla systeemissä havaitaan spontaaneja hypersyklejä. (kuva 2.4)

Esimerkiksi kuvassa c) molekyylit 210-10 ja 10-0 tuottavat parin molekyylejä 110-6, joka reaktio muistuttaa toisiaan katalysoivaa Eigenin kuvaamaa itseään ruokkivaa hypersykliä. Samoin kuvassa d) reaktio toimii autokatalyyttisenä itseään ruokkivana hypersyklinä molekyylin 110-6 muodostaessa 210-12:n, joka taas reagoidessaan 310-14 kanssa muodostaa suoraan yhden 110-6 molekyylin sekä 210-10:n hajoamisen kautta toisen 110-6:n. Kuvasta 2.3 nähdään että molekyylin 210 alkaa kasvaa itseään ruokkivan hypersyklin syntymän jälkeen.

Kuva 2.4 Spontaaneja itseään ruokkivia hypersyklejä

 

Atomoidi-maailmassa saadut simulaatiotulokset muistuttavat mielenkiintoisella tavalla kemiallisen evoluution vaihetta, jossa reaktiossa syntyvät molekyylit vaikuttavat edelleen uusien molekyylien syntyyn ja näiden määrän kasvamiseen.

 

3. Tiiliautomaatti

Tiiliautomaatissa on kyse kaksiulotteisessa tasossa liikkuvista tiilistä, jotka voivat törmäillä ja sen seurauksena muuttaa muotoa yhdistymällä tai hajoamalla. Tiilet ovat erimuotoisia kappaleita ja ne liikkuvat kukin omalla nopeudellaan.

Kaksiuloitteinen tiilimaailma on reunoilta rajattu taso ja tiilen ylittäessä reunan se katoaa maailmasta. Tämän tason voidaan ajatella olevan jaettu ruudukoihin. Tiilien perusrakenneyksikkö on ruudukon kokoinen solu, jolla on reaaliarvoiset koordinaattiarvot maailmassa ja reaaliarvoinen nopeusvektori. Yksittäinen tiili koostuu yhteen liittyneistä soluista. Kahden tiilen törmäyksen tapahtuessa koordinaatit pyöristetään kokonaisluvuksi reaktiosääntöjen toteuttamisen ajaksi.

 

3.1 Tiilimaailman ominaisuudet

Kahden tiilen törmätessä syntyy reaktio-alue. Tämä on kahden tiilen rajapinnan viereisten solujen muodostama joukko. Reaktio-alueen sisällä ja reunoilla sovelletaan seuraavia reaktiosääntöjä:

Kääntösääntö: reaktioalueen ruudukossa poistetaan niistä ruuduista solu, missä sellainen on ja niihin ruutuihin missä solua ei ollut sellainen lisätään. Solujen määrä ei pysy vakiona tässä reaktiossa. Poistettujen solujen liikemomentti jaetaan tasaisesti syntyvien solujen kesken, jotta maailman liikemäärä säilyy. Jos reaktiossa syntyy vierekkäisiä soluja, nämä yhdistetään muodostamaan tiili. (ks. kuva 3.1)

Yhdistymissääntö: Uudet solut saattavat olla vierekkäin reaktioalueen ulkopuolella olevien solujen kanssa. Tällöin solut liitetään näihin tiiliin.

Reaktion raja-arvosääntö: Raja-arvosäännöllä määritellään tapahtuuko törmäyksessä reaktiota vai ei. Raja-arvo lasketaan reaktioalueen sisällä olevien solujen määrän suhteesta alueen ruutujen määrään. Jos raja-arvo on alle 0.5, niin solujen määrä ei voi vähetä simulaation aikana. Tässä viitatuissa kokeissa raja-arvona käytettiin lukua 0.55-0.6, jolloin havaittiin mielenkiintoista käyttäytymistä. (ks. kuva 3.1)

Kuva 3.1 Kääntösääntö ja yhdistymissääntö

Kuva 3.2 Reaktioalue

 

Tiilien liikettä maailmassa ohjaavat Newtonin mekaniikan mukaiset säännöt. Tiilelle lasketaan nopeusvektori sen muodostavien solujen arvoista. Mikäli törmäyksessä ei tapahdu reaktiota, tapahtuu tiilien välillä kimmoisa törmääminen, jolloin liikemäärä ja -energia säilyy.

Jos kaksi tiiltä joutuu alle 2.0 yksikön etäisyydelle toisistaan, ne alkavat vaikuttaa toisiinsa. Tällöin tiilien välille kuvitellaan jousi, jonka lepopituus on 2.0. Jousen vaikutus on kaksitahoinen. Ensinnäkin se hidastaa tiilien törmäystä. Toinen mielenkiintoisempi vaikutus saa järjestelmän matkimaan kemiallisten reaktioiden ominaisuuksia.

Ilman jousta liike-energia säilyisi törmäyksissä Newtonin mekaniikan mukaisesti. Törmäyksen aikana syntyvien solujen välille määritellään kuitenkin uudet jouset, joten energia ei säily ja reaktio voi olla endo- tai eksoterminen. Eksotermisessä reaktiossa vapautuva energia siirtyy tiilien liike-energiaksi ja tiilien nopeus kasvaa.

Liian nopean tiilien liikkeen välttämiseksi on asetettu nopeusraja-arvo, jonka ylittävien tiilien liikkeeseen vaikuttaa kitka. Jarruttava kitkakerroin on suoraan verrannollinen tiilen nopeuteen.

Simulointiin on säädetty myös aika-askel, jotta nopeasti liikkuvat tiilet eivät voi liukua toistensa yli. Askel on dt = 0.5/vmax, jossa vmax on nopeusraja-arvo.

 

3.2 Koetuloksia tiilimaailmasta

Tarkastellaan esimerkkinä yksinkertaista törmäysreaktiota, joka voi edetä esimerkiksi seuraavalla kolmella eri tavalla riippuen tiilien liikesuunnasta (kuva 3.3).

Kuva 3.3 Kolme reaktiomahdollisuutta

Varsinaisia kokeita ajettiin maailmassa, jonka koko oli 96*72. Kuvassa 3.4 nähdään koeajo, jossa on 204 solua ja 160 tiiltä. Tiilien törmäykset alkavat muodostaa nopeasti klustereita. Yhdistämissäännön vaikutuksesta käy niin, että törmäyksissä muodostuu yhä suurempia tiiliä.

Klustereita syntyy myös siten, että tiiliryhmä alkaa synnyttää uusia tiiliä ympärilleen. Osa syntyvistä tiilistä saattaa myös singota ulos klusterista. Klusterin koon kasvaessa ne alkavat vakaantua, eivätkä ole enää kovin herkkiä toisista klustereista sinkoavien tiilien vaikutukselle. Näin on syntynyt 'tehdas'.

Kuva 3.4 Tiilimaailman simulaatio

 

Tehtaan syntyminen on yksi tiilimaailman mielenkiintoisimmista tuloksista. Tulee huomata että kyseessä ei ole itsensä kopioiminen, vaan tehdas tuottaa uusia tiiliä ympäristöönsä. Tehtaan reuna-alue ei myöskään pysy kiinteänä, vaan muuttuu tehtaan sisäisten törmäysten ja reaktioiden seurauksena. Syntyneet tiilet jäävät joko osaksi tehtaan prosessia tai sinkoutuvat ulos ja voivat olla mukana käynnistämässä uusia tehtaita tai aktivoimassa toisia epäaktiivisia klustereita. Tässä suhteessa tehtaat muistuttavat hypersykliä, mutta erona on se, että tehtaiden kehitysprosessissa ei synny varsinaista sykliä.

Tehtaat tuottavat mielenkiintoisen muotoisia uusi tiiliä jatkuvasti ja tässä suhteessa tiilimaailma eroaa esim. Conwayn Life-pelistä, jossa maailma asettuu nopeasti toisiaan seuraaviin periodisiin tiloihin.

 

4. Johtopäätökset

Kemiallisia yhdisteitä ja niiden reaktioita karkeasti yksinkertaistavilla malleilla on voitu simuloida prosesseja, joissa esiintyy autokatalyyttisiä sekä rakenteita kopioivia ja tuottavia ilmiöitä. Samankaltaisten molekyylimaailmassa tapahtuvien ilmiöiden oletetaan olleen ensi askeleita itseään kopioivan biokemiallisen järjestelmän synnyn tiellä, josta on lopulta kehittynyt elävä ja lisääntyvä solu.

 

 

 

Viitteet

Lazcano, A. Prebiotic Chemistry, Artificial Life, and Complexity Theory: What Do they Tell us About the Origin of Biological Systems? Teoksessa Advances in Artificial Life, Third European Conference on Artificial Life. Granada, Spain, June1995. Toim. Moran, F., Moreno, A., Merelo, J.J., Chacon, P. Springer-Verlag, Berlin 1995.

Moran, F., Moreno, A., Minch E. & Montero F.; Further steps towards realistic decsription of the essence of life. Teoksessa Artificial Life V, Proceedings of the Fifth International Workshop on the Synthesis and Simulation of Living Systems, toim. Langton, Cristopher G. & Shimohara, Katsunori. A Bradford Book. The MIT Press. Campbridge, Massachussetts, London, England, 1997.

Yamamoto, Tomoyuki & Kaneko, Kunihiko; Tile Automation for Evolution of Metabolism. Teoksessa Advances in Artificial Life, Third European Conference on Artificial Life. Granada, Spain, June1995. Toim. Moran, F., Moreno, A., Merelo, J.J., Chacon, P. Springer-Verlag, Berlin 1995.

Yamamoto, Tomoyuki & Kaneko, Kunihiko; Igniting the cycle of creation - an approach tp create metabolism with Tile Automation. Teoksessa Artificial Life V, Proceedings of the Fifth International Workshop on the Synthesis and Simulation of Living Systems, toim. Langton, Cristopher G. & Shimohara, Katsunori. A Bradford Book. The MIT Press. Campbridge, Massachussetts, London, England, 1997.

Yoshii, Shinichiro; Inayoshi, Hiroaki & Kakazu, Yukinori; Atomoid: A New Prospect in Reaction-Formation System Spontaneous Hypercycles Guided by Dissipative Structural Properties. Teoksessa Artificial Life V, Proceedings of the Fifth International Workshop on the Synthesis and Simulation of Living Systems, toim. Langton, Cristopher G. & Shimohara, Katsunori. A Bradford Book. The MIT Press. Campbridge, Massachussetts, London, England, 1997.