NEW SCIENTIST ⟩ Kuidas tekkis elu? Mida rohkem me sellest teame, seda keerulisemaks kõik läheb

Nii see kõik algas: kunagi moodustus maapind kuumast kemikaalide kokteilist, millest hiljem hakkasid arenema keerukamad ühendid ja elu. Foto: Mark Garlick / TNS / ZUMA Wire / Scanpix

• Elu ongi keeruline – palju rohkem keerulisem, kui me 70 aastat tagasi arvasime.
• Organism, mis tekitas elu Maal, eksisteeris siin vähemalt 3,9 miljardit aastat tagasi.
• Suurim vihje elu päritolule võis meil olla kogu aeg silme ees.

Kuidas sai elu Maal alguse? Veel 70 aastat tagasi ei olnud teadlased suutnud bioloogia hämarat algusaega kuigi palju valgustada. Kuid siis tulid järjest kolm olulist avastust, mis aga asju palju lihtsamaks ei teinud.

1953. aasta aprillis saabus n-ö DNA võidujooksus haripunkt. Geneetikud mõistsid siis, et DNA topeltheeliksi kuju võib aidata välja selgitada, kuidas elu end taastoodab. Paljunemine on elu üks põhiomadustest ja see arvatakse olevat tekkinud kohe elu arenemise alguses.

Vaid kolm nädalat hiljem levisid aga uudised teadlasi hämmastanud Miller-Urey eksperimendist, mis näitas, kuidas üsna lihtne kemikaalide kokteil võib spontaanselt tekitada aminohappeid, mis on eluks vajalike molekulide ehitamiseks üliolulised. Lõpuks, 1953. aasta septembris, saadi ka esimene täpne hinnang Maa vanuse kohta, mis andis meile selgema ülevaate sellest, kui vana elu siin võib olla.

Sel hetkel tundus, et olemegi juba valmis mõistma lõpuks elu teket ja selle päritolu. Tänapäeval jäävad aga lõplikud vastused ikka veel tabamatuks. Kuid viimased aastad on toonud selles valdkonnas tõelisi edusamme.

Näiteks oleme nüüdseks avastanud, et elusorganismide võime paljuneda ei sõltu täielikult DNA-st. Meil on ka palju parem ettekujutus keskkonnatingimustest varajasel Maal, kui elu esimest korda tekkis – ja nüüd saame juba läbi viia palju keerukamaid katseid selle tekkimise kohta, kui suutsid Miller ja Urey.

Mateeria saab aja jooksul muutuda aina keerukamaks, kusjuures elu määratletakse punktina, kus on saavutatud teatud keerukuse tase.

Niisiis, 70 aastat pärast seda uskumatut läbimurdeaastat, kui elu tekke kohta nii palju avastati, peaks meie ettekujutus elu päritolust olema selginenud. Kuid kas on? Ja mida tuleb veel välja uurida, enne kui saame kindlalt vastata bioloogia ülimale küsimusele?

«Arvan, et 50ndatel teadsime me elu tekkest veel väga vähe,» ütleb Joana Xavier Londonis asuvast biokeemia tehisintellekti mudeleid loovast ettevõttest Dayhoff Labs. Kuigi juba oli selge, et kogu elu koosneb rakkudest, oli seni nende rakkude sisemine toimimine peaaegu täielikult seletamatu.

Molekulaarbioloogia revolutsioon muutis kõike ja väidetavalt sai see alguse 1953. aastal.

25. aprillil avaldasid James Watson ja Francis Crick põhjaliku artikli, mis kirjeldas DNA struktuuri. Muidu desoksüribonukleiinhappena tuntud DNA oli juba määratud kui molekul, mis kannab endas kõiki meie geene. Watson ja Crick olid üks mitmest teadlaste rühmast, kes püüdsid just sel ajal DNA struktuuri avastada. Osaliselt Rosalind Franklini tehtud röntgenkristallograafia piltidest inspireerituna jõudsidki nad järeldusele, et DNA peab olema topeltheeliksi kujuga: see koosneb kahest pikast ahelast, mis keerduvad üksteise ümber.

Keemilised maastikud

See avastus tõi kaasa plahvatusliku uurimistööde laine. Lühidalt kokku võttes näitasid biokeemikud, kuidas vajalik teave kodeeritakse DNA molekuli moodustavate ehitusplokkide järjestuses ja kuidas seda järjestust kasutatakse hiljem keerukate valkude konstrueerimiseks, millest organismi üles ehitatakse.

Kuid 1950. aastate bioloogid ei saanud teada, kui erakordselt keeruline on isegi kõige lihtsamate elusrakkude loomine. 2022. aastal läbi viidud katsetega saadi alles hakkama bakteri raku esimese täieliku kolmemõõtmelise mudeliga.

Teadlased valisid oma uuringu jaoks parasiitliigi nimega Mycoplasma genitalium, kuna sellel on suhteliselt vähe geene ja seetõttu on arvutuslikult lihtsam seda mudelit luua.

Sellegipoolest võttis valgumolekulide kuju väljaselgitamine rohkem kui kaheksa kuud. Teisisõnu, elu ongi keeruline – palju keerulisem, kui me 70 aastat tagasi arvasime.

Kui planeet Maa veel noorem oli, siis tegutsesid ka vulkaanid palju aktiivsemalt ning tekitasid ohtralt erinevaid kemikaalide kokteile, millest võisid spontaanselt moodustuda elu ehitusplokid. Foto: Jrico144 / Pixabay

Sellel elu keerukuse uuel mõistmisel on ka laiemad tagajärjed. Näiteks DNA kaksikheeliksi avastamisele järgnenud aastatel hakkasid paljud bioloogid elusolendeid vaatama läbi paljunemis- ja pärilikkuse objektiivi. Selles vaates on elu seotud geneetilise teabega, mida antakse edasi põlvest põlve.

Viimastel aastakümnetel on aga muutunud üha selgemaks, et elu ei seisne ainult genoomis. Näiteks elusrakud on väga dünaamilised, komponendid liiguvad ja muunduvad pidevalt: kõik ikka selleks, et säilitada omamoodi stabiilsus. Seega teame nüüd, et elu tekke põhjuste sidumine ühe või paari komponendi või protsessiga on viga.

Üht vastust polegi olemas

See aitab selgitada, miks bioloogid ei ole veel otsustanud anda elu tekkimisele üht selget definitsiooni, mis koguks laialdast toetust.

See pole seletuste puudumise pärast: kümme aastat tagasi avaldatud ülevaade tuvastas kokku lausa 123 erinevat elu võimalikkuse definitsiooni. Ja neid tuleb aina juurde. 

Üks uus idee, mis kerkis hiljuti esile, on nn koosteteooria, mis pakub välja universaalse protsessi, mille kaudu mateeria saab aja jooksul muutuda aina keerukamaks, kusjuures elu määratletakse punktina, kus on saavutatud teatud keerukuse tase.

Esmapilgul viitab see püüdlus elu täpsemale määratlemisele, et oleme lootusetult kaugel selle päritolu lahti harutamisest.

Kuid seda on võimalik võtta ka teisest vaatenurgast. Kui mõistame elu keerukust, saame aru, et on palju erinevaid (teoreetilisi) teid, millega kemikaalide segud oleksid võinud esimesteks organismideks koonduda.

See tähendab, et viimase 70 aasta jooksul on saanud selgemaks, et mõneti üllataval kombel ei pruugi me tegelikult leidagi elu kokkulepitud määratlust, et mõista selle päritolu.

Selle asemel, et alustada nutika, kuid mittetäieliku kirjeldusega – näiteks ühe kanoonilise protsessiga – ja seejärel proovida välja mõelda, kuidas kemikaalide kokteilist selle tulemuseni jõuda, uurivad mõned teadlased selle asemel keemilist maastikku, mis põhjustas elusorganismide tekke. Loodame, et sealt selgub midagi põhjapanevat meie planeedil elu tekke kohta.

Teada tuleb tingimusi elu tekkimise varajastel hetkedel

Katsetes, mille eesmärk on taastada elu tekkimise varajased staadiumid, tuleb luua ka keskkonnatingimused, mis sel ajal maal eksisteerisid.

«See taandub keemia teostatavuse mõistmisele,» ütleb Betül Kaçar Wisconsini-Madisoni ülikoolist. Kuid selle teostatavuse mõistmiseks peavad teadlased kõigepealt kindlaks tegema, milline oli Maa keskkond elu tekkimise ajal.

Inimkonna ajaloo jooksul on olnud üsna võimatu öelda midagi nende tingimuste kohta, mis eksisteerisid elu tekkimise ajal sel lihtsal põhjusel, et meil polnud siis veel kindlaid tõendeid Maa või biosfääri vanuse kohta.

Radioaktiivsuse avastamisega 1896. aastal avanes võimalus planeedi tegeliku vanuse määramiseks. Iga radioaktiivne element nimelt laguneb teatud kiirusega, mõned elemendid lausa sadade miljonite aastate jooksul.

Arvestades, et mõnda neist elementidest leidub ürgvanades kivimites, pakkus avastus võimaluse arvutada nende ja laiemalt ka kogu Maa vanus.

Kuid selle juures on üks konks: Maa on geoloogiliselt aktiivne, mistõttu kivimeid hävib ja tekib pidevalt. See tähendab, et vähesed neist on sama vanad kui planeet.

Võtmeprobleemiks oli leida need kivimid, mis tekkisid Maaga samal ajal, ja 1950. aastateks oli geoloogidel lahendus olemas: meteoriidid. Need kivikamakad – sama tüüpi materjal, mis oli ühinenud kunagi meie planeedi moodustamiseks – olid triivinud Päikesesüsteemis alates Maa sünnist enne siia maandumist.

Meteori ehk Barringeri kraater USA-s Arizona osariigis on üks vanimaid meteoriidikraatreid Maal, kust võetud proovide põhjal tehti esimest korda kindlaks planeedi Maa vanus. Kuid millal tekkis planeedil elu? Foto: Stocktrek Images / Scanpix

1953. aasta septembris toimunud konverentsil paljastasid Clair Patterson California Tehnoloogiainstituudist ja tema kolleegid, et olles analüüsinud Canyon Diablo meteoriidi fragmente, mis moodustasid kuulsa Meteori ehk Barringeri kraatri Arizonas, määrasid nad ka selle vanuse. Mõõtes, kui suur osa meteoriidi uraanist oli pliiks lagunenud, leidsid nad, et see – ja seega ka planeet Maa – on 4,55 miljardit aastat vana.

Esimesena avaldas selle leiu ametlikult aga füüsik Fritz Houtermans Berni ülikoolist Šveitsis detsembris 1953. Ta arvutas Maa vanuseks 4,5 miljardit aastat pärast seda, kui talle oli saadetud infot Pattersoni uuringute kohta.

Lõpuks teadsime me, et elu võis Maal eksisteerida miljardeid aastaid tagasi. Kuid 1953. aastal oli veel ebaselge, millal see täpselt tekkis ja millised olid tingimused meie planeedil, kui see juhtus. Seda ebakindlust ei aidanud hajutada asjaolu, et tol ajal olid vanimad teadaolevad fossiilid veidi rohkem kui poole miljardi aasta vanused.

Organism, mis tekitas Maal elu, eksisteeris siin vähemalt 3,9 miljardit aastat tagasi.

Peagi avastati aga ka vanemad kivistised. Näiteks 1957. aastal kirjeldasid paleontoloogid Ühendkuningriigist pärit lehelaadset fossiili, mida tuntakse Charnia nime all ja mille vanus on praeguseks välja arvutatuna umbes 570 miljonit aastat.

Sellest ajast alates on vanimate teadaolevate fossiilide vanus ajas palju kaugemale nihutatud: 2019. aasta uuring leidis kindlaid tõendeid selle kohta, et Austraalias Pilbaras asuvad 3,5 miljardi aasta vanused kivimid sisaldavad ainuraksete mikroorganismide säilinud jäänuseid.

Veelgi enam, tuginedes sellele, mida me evolutsioonilisest elu sugupuust teame, väidavad mõned teadlased, et viimane universaalne ühine esivanem – organism, mis andis aluse kõigele tänapäeval elavale – eksisteeris vähemalt 3,9 miljardit aastat tagasi.

Charnia ehk leheke, mis on rohkem kui pool miljardit aastat vana. Praeguseks on teada, et elu tekkis siiski väga palju aega varem. Foto: Ghedoghedo / Wikimedia Commons

Oluline on see, et meil on nüüd palju parem ettekujutus sellest, milline meie planeet tol ajal oli. Viimase 20 aasta jooksul oleme õppinud, et Maa tõenäoliselt jahtus ja sai endale ookeanid, mis oleks põhimõtteliselt suutnud elu toetada juba umbes 4,2 miljardit aastat tagasi.

«Viimastel aastatel on palju laiemalt tunnistatud, et maakeral oli vett juba väga ammu,» ütleb Beth A. Bell California ülikoolist Los Angeleses. Kuiv (tahke) maa võis eksisteerida väga varakult, tõendeid selle olemasolu kohta on aga 3,7 miljardit aastat tagasi.

See tähendab, et me mõistame nüüd, et nii maal kui ka meres ei olnud elu tekkeks sobivatest keskkondadest puudust. Viimase 70 aasta jooksul oleme palju õppinud selle kohta, kuidas see oleks võinud toimuda.

Elu ehitusplokid õnnestus taasluua juba 50ndatel

Põhieksperiment elu nullist loomisel viidi läbi juba 1952. aasta lõpus ja sellest avaldati teadustöö 15. mail 1953.

Noor Chicago ülikooli magistrant Stanley Miller soovis teada saada, kas elu molekulid võisid tekkida varajasel Maal. Tol ajal oli Maa varaseimast ajaloost teada vähe, kuid Miller andis endast parima, et luua võimalikult usutavad keskkonnatingimused.

Ta kavandas aparaadi, mis koosneb kahest klaaskolvist, mis on ühendatud torudega. Üks kolb mahutas vett, jäljendades ookeane, mille olemasolu Miller eeldas. Seda kolbi võis soojendada, kuna Miller arvas, et noorel planeedil oli palju aktiivseid vulkaane. Teine kolb esindas varajast atmosfääri ja sisaldas metaani, ammoniaagi ja vesiniku segu. Miller sisestas ka välgulöökide simuleerimiseks keskkonda elektroodid.

Juba mõne päeva pärast muutus vesi esmalt kollaseks ja seejärel pruuniks. Kui Miller saadud segu analüüsis, leidis ta, et see sisaldab glütsiini. Tegemist on kõige lihtsama aminohappega, mis on valkude põhiliseks ehitusplokiks.

Aminohapped on meile tuntud kui elu jaoks hädavajalikud ained ning Miller oli näidanud, et need võivad looduslikes tingimustes tekkida spontaanselt.

Elu alusmaterjali leidub kosmoses igal pool

Milleri juhendaja, keemik Harold Urey, andis ennastsalgavalt kogu tunnustuse Millerile. Sellegipoolest tuntakse seda seadet sageli Miller-Urey katseseadmena. Seitse aastakümmet hiljem on see eksperiment, mida avalikkus tunneb esimese eluks vajaliku keskkonna loomise katsena, ütleb Xavier.

Kuigi aminohapped on eluks olulised, leidub neid ka elututes keskkondades – sealhulgas süvakosmoses –, nii et need ei ütle meile iseenesest kuigi palju elu tekke kohta. «Aminohapete valmistamine ei ole veel elu loomine,» lisab Xavier.

Seega tekib küsimus, milline elu tekkimise põhiprotsess oli siis kõige esimene?

Nagu me juba teame, väidavad mõned teadlased, et geneetika on üks elu alustalasid. Kuid vähesed arvavad nüüd, et see tähendab, nagu DNA esines juba kõige esimestes organismides.

Pigem väidavad mõned teadlased, et elu sai alguse RNA-st, mis on DNA molekulaarne sugulane ning millel on laiem valik omadusi. Muuhulgas on sel oluline võime kontrollida eluks vajalike keemiliste reaktsioonide kiirust. Just sellega seoses on keemikud viimase 40 aasta jooksul näidanud, et RNA suudab täita paljusid eluks vajalikke funktsioone. Näiteks on võimalik luua RNA molekule, mis suudavad minimaalse abiga usaldusväärselt kopeerida teisi RNA ahelaid, millega nad kokku puutuvad.

DNA kaksikheeliks ei peida siiski elu tekke kogu saladust. Foto: Darwin Laganzon / Pixabay

Vahepeal on Ryo Mizuuchi Jaapanis Tokyos asuvast Waseda ülikoolist näidanud, et pärast kokkupanemist võivad RNA ahelad käituda viisil, mis meenutab elusolendit. Eelmisel aastal näitas tema ja ta kolleegid, et üks RNA ahel võib areneda viieks «liiniks», millel on erinevad geneetilised omadused.

Kuid isegi Mizuuchi kahtlustab, et ainult RNA-le keskendumine võib olla liiga lihtne lahendus. Teised biomolekulid on tõenäoliselt olnud elu tekkel sama olulised, lisab ta. Näiteks kaaluvad teised teadlased võimalust, et tähtis on ka ainevahetus ehk reaktsioonid, mis toetavad elu võimet end toita ja säilitada.

Need protsessid on ülikeerulised ja tänapäeva organismides juhivad neid ensüümide pataljonid – erilised valgud.

Alates 2014. aastast on aga rida katseid näidanud, et paljud reaktsioonid võivad vees toimuda spontaanselt, ilma et oleks vaja ensüüme. Reaktsioonide toimumiseks piisab mõnest lihtsast metallist nagu raud, nikkel ja koobalt, mis on looduses levinud.

Suurim vihje võis meile kogu aeg näkku vaadata

Xavier ja tema kolleegid otsivad nende keemiliste ühendite jaoks üldisemat versiooni. Xavier väidab, et elu võti on «autokatalüüs» ehk molekulide komplekti võime end koos replitseerida.

2022. aastal kaardistasid Xavier ja tema kolleeg Stuart Kauffman Seattle'i Süsteemibioloogia Instituudist üherakulistes mikroobides toimuvate keemiliste reaktsioonide võrgustikud. Nad vaatlesid 6683 erinevat võrgustikku: igaüks neist sisaldas molekulide ja reaktsioonide komplekti, mis võisid teha autokatalüüsi. See tähendab, et taoline paljunemise võime on üsna tavaline.

Siiski on selles lahenduses üks pööre. Xavier väidab, et elusorganismide autokatalüütilised võrgud on alati puudulikud. Bioloogilised molekulid vajavad välist abikätt – ja jällegi tulevad appi keskkonnas leiduvad metallid. «Kogu elu sõltub metallidest,» ütleb Xavier. Ta väidab, et metallide keskne tähtsus on vaid üks viise, kuidas elu sõltub ellujäämiseks oma keskkonnast.

Ka teised teadlased rõhutavad nüüd vajadust asetada elu tekkimine selle keskkonna konteksti.

«Me ei saa elu planeedist eraldada,» ütleb Kaçar. Tõepoolest, viimaste aastakümnete üks suuremaid nihkeid päritolu uuringutes on liikunud kaugemale lihtsalt kemikaalide segamisest vees Milleri stiilis. Selle asemel on suundutud hoopis selliste katsete suunas, mis simuleerivad täpsemalt neljamõõtmelist keskkonda, mille kuju ja pinnad aja jooksul muutuvad. Kavandatud keskkonnad hõlmavad geokeemilist basseini ultraviolettkiirgusele avatud maal, mille servad kuivavad päikese käes ja muutuvad seejärel vihma korral uuesti märjaks, ning süvamere hüdrotermilist õhuavaga sügavikku, mille alt merepõhjast voolavad üles keerulised kemikaalide segud.

Lõpuks tunnistavad mõned teadlased, et suurim vihje elu päritolule võis meile kogu aeg näkku vahtida: elu on tegelikult kogukond. Tänapäeval sõltub kõigi organismide ellujäämine teistest. See viitab asjaolule, et peaksime kiiresti lõpetama keskendumise esimeste organismide päritolule ja selle asemel uurima esimese ökosüsteemi päritolu.

Võimalik, arvab Xavier, et sellel ürgsel ökosüsteemil oli kolmemõõtmeline struktuur – nagu kleepuvad biokiled, ja et esialgu polnud üksikuid rakke olemas.

Kui esimeste organismide rekonstrueerimine on juba piisavalt keeruline, siis pole see kaugeltki nii keeruline võrreldes ürgsete ökosüsteemide rekonstrueerimise väljakutsetega. Seega on üsna tõenäoline, et elu päritolu uurimine jätab meid veel hämmingusse  paljudeks aastakümneteks. «Kui mõistad probleemi suurust, muudab see sind aina alandlikumaks,» ütleb Kaçar.

Algselt populaarteaduslikus ajakirjas New Scientist avaldatud artikkel ilmub Postimehes väljaande loal. Inglise keelest tõlkis Kaido Einama.