Kun puhutaan elämän alkuperästä, simulaatiokokeet ovat olleet tärkeä työkalu tutkijoille. Nämä kokeet pyrkivät jäljittelemään maan alkuaikojen olosuhteita ja tutkimaan, miten elämän perusmolekyylejä, kuten aminohappoja ja nukleiinihappoja, on mahdollisesti voinut muodostua. Simulaatiokokeissa on onnistuttu tuottamaan molekyylejä mikä voitaisiin tulkita positiivisena näyttönä kemiallisen evoluution puolesta, mutta silloin ohittaisimme simulaatiokokeisiin liittyvän perimmäisen ongelman. Tämä ongelma on varsin perustavanlaatuinen ja sitä ei välttämättä poistaisi edes koe, josta seuraisi funktionaalisen solun spontaani muodostuminen. Tässä kirjoituksessa esittelen sinulle tämän simulaatiokokeiden perimmäisen ongelman ja sen eri puolia.
Simulaatiokokeiden perusidea
Simulaatiokokeet pyrkivät jäljittelemään Maan alkuaikojen olosuhteita laboratorio-olosuhteissa. Vaikka kokeet ovat onnistuneet tuottamaan joitakin orgaanisia yhdisteitä, kuten aminohappoja, ne kohtaavat useita merkittäviä ongelmia.
Miller-Urey -koe on yksi tunnetuimmista ja merkittävimmistä simulaatiokokeista elämän alkuperän tutkimuksen historiassa. Se suoritettiin 1950-luvun alussa, ja sen toteuttivat Stanley Miller ja Harold Urey Chicagon yliopistossa. Tämä koe oli ensimmäinen merkittävä yritys simuloida oletettuja olosuhteita varhaisella maapallolla ja tutkia, voisiko elämän perusmolekyylejä syntyä näissä olosuhteissa.
Koekuvaus:
Lähtökohta:
Miller ja Urey pyrkivät simuloimaan maan alkuaikojen ilmakehää ja olosuhteita. Tuolloin vallalla olevan hypoteesin mukaan maan varhainen ilmakehä oli pelkistävä ja sisälsi kaasuja kuten metaania (CH4), ammoniakkia (NH3), vetyä (H2) ja vesihöyryä (H2O). Tämä hypoteesi perustui aiempiin teorioihin maan kehityksestä ja sen varhaisen ilmakehän koostumuksesta.
Kokeen asetelma:
Koejärjestelyssä käytettiin lasista valmistettua suljettua järjestelmää, joka sisälsi edellä mainitut kaasut. Tämä järjestelmä oli suunniteltu simuloimaan maan alkuaikojen olosuhteita, mukaan lukien salamoiden aiheuttamat sähköpurkaukset. Kokeessa kaasuseosta kuumennettiin ja se altistettiin sähköiskuille, jotka simuloivat salamointia.
Tulokset:
Kokeen jälkeen Miller ja Urey havaitsivat, että monia orgaanisia yhdisteitä, mukaan lukien aminohappoja, jotka ovat proteiinien rakennuspalikoita, oli syntynyt. Tämä löytö oli merkittävä, koska se osoitti, että elämän perusmolekyylejä voi syntyä abioottisesti, eli ilman eläviä organismeja, oletetuissa varhaisen maan olosuhteissa.
Merkitys ja jälkiseuraukset:
Miller-Urey -koe sai aikaan suuren innostuksen ja oli tärkeä askel abiogeneesin tutkimuksessa. Se osoitti, että orgaanisia yhdisteitä voidaan tuottaa yksinkertaisista, epäorgaanisista lähtöaineista. Kokeen tulokset olivat inspiroivia ja johtivat lisätutkimuksiin elämän alkuperästä ja esielämän kemiallisista prosesseista.
Vaikka myöhemmät tutkimukset ovat kyseenalaistaneet kokeessa käytetyn alkuperäisen ilmakehän koostumuksen, Miller-Urey -koe pysyy keskeisenä virstanpylväänä elämän alkuperää koskevassa tutkimuksessa. Sen lisäksi, että kokeen oletukset varhaisen maan ilmakehästä on kyseenalaistettu, sisältyy kokeeseen monia muitakin ongelmia. Monet näistä ongelmista toistuvat muissakin simulaatiokokeissa. Tällä kertaa keskitymme kaikkein perustavanlaatuisimpaan ongelmaan.
Simulaatiokoe ei ole ohjaamaton tapahtuma
Elämän syntyminen kemiallisen evoluution kautta pitäisi vallitsevan näkemyksen mukaan olla älyä vailla oleva ohjaamaton tapahtuma, sillä luonto ei ole älyllinen olento.
Tässä on simulaatiokokeiden perimmäinen ongelma. Niin kauan kuin simulaatiokokeen suorittaa kemisti, joka on älykäs toimija, ei koe ole esimerkki ohjaamattomasta ja älyä vailla olevasta prosessista.
Tähän mennessä tehdyissä simulaatiokokeissa kemistin osallisuus kemiallisen synteesin ohjaamisessa on kaiken lisäksi todella merkittävä. Kyse ei ole pelkästä alkuolosuhteiden tarkoituksellisesta säätämisestä, vaan kemistin täytyy tavallisesti puuttua prosessiin pitkin matkaa, jotta syntyy toivottu lopputulos. Eikä saavutetut lopputulokset ole realistisesti katsottuna toistaiseksi kovinkaan hyviä kemiallisen evoluution selittämisen kannalta.
Ongelma ei poistuisi edes siinäkään tapauksessa, että tutkijat onnistuisivat luomaan laboratoriossa olosuhteet, joissa muodostuisi spontaanisti kokonainen toimiva protosolu. Miten niin? Koska edelleen kokeen onnistuminen olisi vaatinut alkuolosuhteiden tarkoituksellista säätämistä oikeanlaisiksi älykkään toimijan toimesta. Kyseessä olisi siis pohjimmiltaan älykkäästi suunniteltu prosessi, vaikka kuviteltu protosolu olisi muodostunut prosessin käynnistämisen jälkeen spontaanisti pelkkien luonnollisten mekanismien vaikutuksesta.
Perimmäinen haaste siis on se, että abiogeneesi ei oletetusti pitänyt sisällään minkäänlaista älykästä suunnittelua, joten sen toistaminen laboratoriossa on varsin ongelmallista. Laboratoriokokeen voi tehdä vain älykäs kemisti.
Elämän alkusynty on myös äärimmäisen monimutkainen ja historiallisesti ainutkertainen tapahtuma. Miten sellainen voidaan toistaa laboratoriossa?
Asiaan liittyy vielä yksi iso haaste.
Toinen ongelma: Aika
Kemiallisen evoluution hypoteesit luottavat yleensä siihen, että luonnolla oli miljoonia vuosia aikaa käytettävissä. Aikaan liittyy kaksi haastetta. Ensinnäkin molekyylien synteesissä asioiden täytyy yleensä tapahtua nopeasti, koska molekyylit ovat herkkiä hajoamaan. Joten se, että aikaa on paljon ei välttämättä auta. Tämä ei niinkään ole simulaatiokokeiden ongelma, koska niissä kemisti voi nopeasti puuttua synteesiin aina tarpeen mukaan. Mutta luonnossa ei ole kemistiä pelastamassa syntyneitä tuotteita hajoamiselta.
Toinen aikaan liittyvä haaste liittyy kuitenkin suoraan simulaatiokokeisiin. Oletetaan, että elävään soluun johtanut kemiallinen evoluutio kesti miljoonia vuosia. Miten voimme tehdä laboratoriokokeen, joka kestää miljoonia vuosia? Kokeen on pakko edetä pikakelauksella. Tämä tekee kokeesta epärealistisen. Vaikka lopputuloksena olisi jopa toimiva protosolu, ei prosessin nopeus vastaisi sitä mitä tapahtui luonnossa.
Lopuksi
Simulaatiokokeisiin liittyy siis todella iso ongelma, jota on vaikeaa kiertää. Se on kemistin osuus toimivassa simulaatiokokeessa. Näin ollen positiiviset koetuloksetkaan eivät ole päteviä selittämään miten kemiallinen evoluutio voisi tuottaa toimivan solun ilman tarkoituksellista tapahtumien ohjausta.
Ongelma ulottuu itse asiassa vielä kemian tuolle puolen fysiikan maailmaan. Toimiva kemia tarvitsee ensin maailmankaikkeuden, jossa on juuri oikeanlaiset fysikaaliset perusominaisuudet ja -voimat. Perimmäinen kysymys on siis se, että miksi on yleensäkään olemassa maailmankaikkeus, jossa elämän ilmaantuminen ja kehittyminen on mahdollista.
Yritin käsitellä tässä abiogeneesitutkimukseen liittyvää perusongelmaa yksinkertaisella ja helppotajuisella tavalla. Jos haluat lukea vähän tarkempia kuvauksia abiogeneesin ongelmista niin löydät niitä aiemmista artikkeleistani.
Meidän maallikkojen haasteena on se, että meille voi olla vaikeaa ymmärtää aiheeseen liittyviä tieteellisiä tutkimusartikkeleita, mikäli edes uskallamme vilkaista niitä. Moni voi kokea vähemmän teknisetkin selostukset vaikeiksi. Se on kuin lukisi vierasta kieltä, josta ymmärtää vain muutamia sanoja, ja niidenkin erilaisia merkitysvivahteita puutteellisesti. Onneksi aiheesta on kuitenkin olemassa helppotajuisempia selostuksia. Muistetaan, että aina kaikkien pienimpien teknisten yksityiskohtien tunteminen ei ole tarpeellista, jotta voisi muodostaa aiheesta valistuneen ja hyvin perustellun mielipiteen.
Abiogeneesissä juuri kuvailemani perusongelman ymmärtäminen on merkittävä asia, eikä siihen tarvita tieteellistä koulutusta. Avain asioita ymmärtää abiogeneesitutkimuksesta ovat:
Elämän alkuperää ei ole vielä selvitetty.
Elämän alkuperään liittyvät simulaatiokokeet ovat ratkaisevalla tavalla epärealistisia.
Jos tilanne olisi toinen ei aihe herättäisi niin paljon kiistelyä ja kilpailevia hypoteeseja tutkijoiden keskuudessa. Selkeän konsensuksen puute tarkoittaa, että tutkimustyö on kesken.
Mitä sitten on saatu aikaan ja mitä haasteita on kohdattu?
Tutkimuksissa, joissa on pyritty simuloimaan prebioottisia olosuhteita ja syntetisoimaan elämän rakennuspalikoita on kohdattu monia ongelmia, kuten korkea epäspesifisyys, alhaiset saannot ja tarve käyttää monimutkaisia ja tarkkoja laboratoriomenetelmiä. Vaikka tiedemiehet ovat onnistuneet tuottamaan yksinkertaisia orgaanisia molekyylejä, monimutkaisempien järjestelmien, kuten solujen, synteesi on edelleen kaukainen tavoite.
Vaikuttaa siltä, että prebioottisen kemian tutkimus on perustunut toiveajatteluun, spekulaatioihin ja teoreettisiin oletuksiin, jotka eivät välttämättä vastaa todellisia prebioottisia olosuhteita. Tieteenala voi edistyä jos se on avoin tunnustamaan nykyisen ymmärryksen rajat ja tarve uusille lähestymistavoille elämän alkuperän tutkimuksessa.
Terveisin,
Okulaarinen tieteilijä
Lähteet:
Bada, J. L., & Lazcano, A. (2003). Prebiotic Soup—Revisiting the Miller Experiment. Science, 300(5620), 745-746. DOI: 10.1126/science.1085145
Shapiro, R. (2007, February 12). A Simpler Origin for Life. Scientific American. Saatavilla: https://www.scientificamerican.com/article/a-simpler-origin-for-life/
Tour, James. "Animadversions of a Synthetic Chemist." Inference: International Review of Science, vol. 2, no. 2, May 2016. Saatavilla: https://inference-review.com/article/animadversions-of-a-synthetic-chemist
Comments