Elämän alkuperä

Elämän alkuperä eli elämän ilmaantuminen maapallolle on edelleen ratkaisematon kysymys. Suosituimmat luonnontieteelliset teoriat elämän lähteeksi maapallolla ovat salamanisku, kuumat lähteet ja komeetta.
Edellytykset.
Elämän perusedellytykset ovat energia, hiili ja vesi. Ilman niitä elämää ei olisi voinut syntyä, eikä se olisi säilynyt. Heti synnyttyään 4,5 miljardia vuotta sitten maapallo oli sulaa laavaa ja liian kuuma elämän syntymiselle. Kun maapallo jäähtyi, kiinteä maankuori syntyi sekä ilmakehä ja valtameret muodostuivat, elämän synnyn edellytykset olivat syntyneet.
Varhaisin elämä.
Elämä maapallolle syntyi ehkä 3,5–4,1 miljardia vuotta sitten. Vuonna 2024 julkaistun tutkimuksen perusteella kaikkien nykyisten eliöiden viimeinen universaali esivanhempi olisikin 4,2 miljardia vuotta vanha, eli vain 300 miljoonaa vuotta maapalloa nuorempi, mutta tästä ei ole yksimielisyyttä.
Australialaisen New South Walesin yliopiston tutkijat kertoivat vuonna 2019 osoittaneensa, että Australian Pilbaran alueen 3,48 miljardia vuotta vanhojen kivinäytteiden stromatoliitit ovat syntyneet bakteerien vaikutuksesta. Näitä kiviä pidetään toistaiseksi vanhimpina tunnettuina elämän merkkeinä.
Nuvvuagittuqin viherkivissä säilyneet hematiittiputket ja filamentit ovat 3,770–4,280 miljardia vuotta vanhoja. Niiden rakenteet muistuttavat eräitä nykyisiä bakteereja, minkä lisäksi niistä löytynyt hiili on kevyempää isotooppia, mikä kertoo sen orgaanisesta alkuperästä.
Viimeinen universaali esivanhempi, josta kaikki elämä maapallolla on polveutunut, eli arviolta noin 3,8 miljardia vuotta sitten. Sitä on kuvattu "puoliksi eläväksi", sillä se saattoi olla vielä riippuvainen merenpohjan purkausaukkojen elottomista reaktioista tuottaakseen tarvitsemiansa kemikaaleja.
Teoriat.
Elämän synnystä on esitetty useita teorioita. Kolme nykyään eniten kannatusta tiedeyhteisössä saavaa teoriaa ovat salamanisku, merenpohjan kuumat lähteet, ja komeetta.
Salamateorian mukaan kipinän elämän kehittymiselle antoi salaman aiheuttama voimakas energiapurkaus. Sen seurauksena osa alkuliemessä olleista epäorgaanisista aineista muuttui orgaanisiksi, ja näin syntyivät ehkä elämän perusaineksiin kuuluvat aminohapot.
Merenpohjan kuumista lähteistä purkautuu vetyä ja rikkivetyjä, joita vielä nykyäänkin useat alkeelliset yksisoluiset eläimet hyödyntävät. Onkin mahdollista, että tämä runsaasti energiaa sisältävä aineiden yhdistelmä synnytti elämän maapallolle. Lisäksi eräät kaikkien elävien solujen yhteiset molekyylibiologiset piirteet viittaavat kuumiin olosuhteisiin varhaisen elämän aikana. Merenpohjassa on tulikuumaa hapanta vettä syytäviä ”mustia savuttajia” ja viileämpää, emäksistä vettä syytäviä ”valkoisia savuttajia”. Valkoisten savuttajien ulkopinnan ohueen mineraalikerrokseen kertyy positiivisesti varautuneita vetyioneja eli protoneja. Siitä on seurauksena epätasapaino, josta varhaiset elämänmuodot ovat voineet saada energiansa. Lisäksi kun Maan meriin miljardeja vuosia sitten sitoutunut hiilidioksidi reagoi savuttajista purkautuvan vedyn ja metaanin kanssa, niiden välillä saattoi tapahtua elektronien vaihtoa eli syntyi sähkövirtaa. Näissä kemiallisissa reaktioissa syntyi sitten orgaanisia molekyylejä. Katalyyttinä muinaisissa valkoisissa savuttajissa ovat saattaneet vaikuttaa rautapitoinen mineraali ”vihreä ruoste” ja molybdeeni. Näiden vaikutuksesta syntyi fosfaattia sisältäviä molekyylejä, jotka kykenevät varastoimaan energiaa.
Maahan iskeytynyt komeetta saattoi tuoda mukanaan ensimmäiset elämän ainekset. Orgaaniset aineet ovat avaruudessa yleisiä, ja komeettoja peittää usein ohut kerros mutkikkaita orgaanisia aineita, jotka ovat muodostuneet ultravioletti- tai muun säteilyn vaikutuksesta.
Charles Darwin esitti vuonna 1871 elämän syntyneen pienessä, lämpimässä lammikossa, jossa oli erilaisia kemiallisia yhdisteitä ja sähköä.
FUCA.
FUCA (first universal common ancestor) on hypoteettinen ensimmäinen yhteinen esivanhempi. Sillä ei olisi solua ja se olisi varhaisin geneettinen organismi, joka pystyisi biologisesti RNA-molekyylien perusteella tuottamaan peptidejä proteiinien valmistamiseksi. Se olisi myös sukupuuttoon kuolleiden LUCA:n sisarusten esivanhempi. Niistäkin on voinut siirtyä geenejä horisontaalisesti esivanhempiimme.
Elämän alkuperään liittyviä hypoteeseja.
Elämän syntytapahtumaa ei tunneta täsmällisesti. Siksi elämän synnystä on laadittu lukuisia hypoteeseja. Nämä ajatukset kilpailevat keskenään, ja joskus täydentävät toisiaan. Jos hyvin käy, tutkijat pystyvät tulevaisuudessa johtamaan elämän syntyyn vieneen tapahtumasarjan laboratoriokokeiden ja teoreettisten mallien avulla.
RNA-maailman hypoteesi herätti 2000-luvun alussa innostusta elämän synnyn ongelman ratkaisun löytymiseen ja silloin ennustettiin että ongelma ratkeaa 15 vuoden kuluessa.
Kokeellinen historia.
Yrityksissä mukailla varhaisia maapallon oloja on saatu molekyylejä reagoimaan keskenään, niin että muodostuu muun muassa aminohappoja. Tunnetuin on Stanley Millerin ja Harold Clayton Ureyn vuonna 1953 tekemä koe, joka tunnetaan Millerin kokeena. Kokeessa ohjattiin lämpöä ja sähköpurkauksia vesi-metaani-vety-ammoniakkiseokseen. Tarkoitus oli tutkia venäläisen Alexander Oparinin aiemmin esittämää hypoteesia elämän luonteesta. Millerin kokeessa syntyi 13 elämän käyttämistä 22 aminohaposta, yksinkertaisinta aminohappoa, glysiiniä, luonnollisesti eniten. Ureyn ja Millerin koejärjestelmässä kaikkiaan kymmenen prosenttia hiilestä muuttui orgaanisiksi yhdisteiksi ja kaksi prosenttia aminohapoiksi.
Alkuaan Kataloniasta kotoisin oleva Joan Oró toteutti 1959–1962 koesarjan, jossa hän onnistui tuottamaan adeniinia ja aminohappoja vetysyanidista, ammoniakista ja vedestä. Nykyään yleinen näkemys, että komeetat olisivat tuoneet elämän syntyyn tarvittavia yhdisteitä avaruudesta, on alkujaan Orón kehittämä.
Saksalainen Günter Wächtershäuser esitti ajatuksen ”rauta-rikkimaailmasta”
1980-luvun puolivälissä Glasgow'n yliopiston tutkija Graham Cairns-Smith esitti kirjassaan "Seven Clues to the Origin of Life – a scientific detective story" oletuksen, jonka mukaan liuoksessa olevat pienet savikiteet auttaisivat eloperäisiä molekyylejä järjestymään.
Yhdysvaltalainen biofyysikko David Deamer tutkimusryhmineen on tutkinut ”solukalvo ensin -hypoteesia”, jonka mukaan soluja ympäröivät kalvot muodostuivat aluksi ja varsinainen elämän synty olisi kenties tapahtunut näiden pussien sisällä. Deamerin ryhmä on onnistunut tuottamaan alkeellista solukalvoa muistuttavia lipidipusseja äärimmäisen yksinkertaisissa olosuhteissa osoittaen, että solukalvojen synty ei ainakaan muodosta merkittävää ongelmaa elämän historiassa.
Vuonna 2004 Los Alamos National Laboratoryssä työskentelevä Steen Rasmussen ryhmineen julkaisi Chenin–Rasmussenin esisolun. Se on yksinkertainen lipidipussi, joka sisältää hieman DNA:ta muistuttavaa PNA:ta, joka kykenee toimimaan samanaikaisesti sekä geneettisen informaation varastona, että ohjaamaan kopioitumistaan. Mullistavaa oli, että tällä yksinkertaisella esisolulla on toimiva aineenvaihdunta: se käyttää valoenergiaa ja tuottaa sen turvin lisää lipidejä sekä PNA:ta. Chenin–Rasmussenin esisolu ei kuitenkaan osaa jakautua, joten se ei kykene lisääntymään eikä ole siinä suhteessa elävä. Se on kuitenkin toimiva yhdistelmä perimää ja aineenvaihduntaa.
Jason Dworkin ja Daniel Glavin löysivät Tagish-järven meteoriitista vasenkätisiä aminohappoja, jotka eivät ole peräisin eloperäisestä aineesta. Vasenkätisyyttä selittyy meteoriitissa olleen vesiliuoksen lämpötilan vaihteluilla, joka on kiteyttänyt ja sulattanut aminohappoja, ja näin jättänyt kaikki aminohapot vasenkätisiksi. Tällöin elämän synnyn suuri ongelma, miten proteiinien raaka-aineena olleet aminohapot saattoivat olla samankätisiä, on ratkennut.