Elu tekkimise probleem

 

Autor: Ivar

Tõlge: Liina

2011

 

 

1. Iidsed arusaamad elu tekkest

 

Kuni evolutsiooniteooria loomiseni uskus enamik rahvad erinevatesse loomis- ja saamislugudesse. Elu loomine „eimillestki“ (ex nihilo), loomine kaosest, elu toomine teistest maailmadest jms [1].

 

2. Evolutsiooniteooria

 

Kuigi väidetavalt oli üks evolutsiooniteooria tuumikidee – elu on tekkinud eluta mateeriast – juba olemas Aristotelesel ja prantsuse zooloog Jean-Baptiste Lamarck väljendas liikide arenemise ja põlvnemise ideed küllaltki selgelt, loetakse evolutsiooniteooria loojaks siiski Charles Darwinit, kelle 1859. aastal ilmunud raamat „On the Origin of Species“ sisaldas selle idee süstemaatilist käsitlust.

Oluline on tähele panna, et evolutsiooniteooria loomise hetkel polnud Darwin’il veel arusaamist ei DNA’st, geenidest ega pärilikkuse mehhanismidest. Teadmised rakkudest olid väga algelised. Seda illustreerib lõik Darwin’i kirjast J.D. Hooker’ile 29. Märtsil 1863 [2]:

„Võtab mõnda aega enne, kui me näeme lima, protoplasmat jne tekitavat uut looma. Ma olen ammu kahetsenud, et ma olen lömitanud avaliku arvamuse ees ja ma kasutasin Pentateuhi (Moosese raamatute) loomise terminit, millega ma pidasin tegelikult silmas „ilmumist“ mingi täielikult tundmatu protsessi kaudu. See on täielik jama, rääkida tänapäeval elu päritolust; sama hästi võiks  rääkida mateeria päritolust“.

Samas loeme sellest tsitaadist, et Darwin teadis, et ei ole mõtet vaielda elu tekkimise teemal, sest meie teadmised sellest on liiga väikesed.

 

3. Intelligentne disain

 

Peale evolutsiooniteooria loomist hakkas selle positsioon järk-järgult tugevnema, sest teaduse areng kinnitas teadusliku maailmapildi kasulikkust ja teadusliku meetodi tulemuslikkust ning väidetavalt oli/on evolutsiooniteooria tugev teaduslik teooria. Kuigi vastuväited darvinismile on olnud tolle algusest saadik, on alles viimasel ajal asutud evolutsiooniteooriat teaduslikumalt positsioonilt kritiseerima.

Intelligentne disaini teooria väidabki vastupidist evolutsiooniteooriale: elu tekkimine ning liikide areng juhuslike protsesside tõttu on liiga vähetõenäoline. Intelligentse disaini positiivne argument väidab, et meie praeguste loodusteaduslike teadmiste juures on selge, et keerulisi mehhanisme ja informatsiooni on suutelised looma ainult intelligentsed subjektid. Intelligentse disaini ühed tuntumad ideoloogid on M. Behe ja W. Dembski.

 

4. „Minimaalne elu“

 

Jättes välja viirused on hetkel Maa peal elavatest eluvormidest lihtsaimad bakterid. Neist omakorda ühed lihtsamad bakterid Mycoplasma genitalium ja Buchnera aphidicola omavad ca 400-500 funktsionaalset geeni [3-4]. Tegelik minimaalne geenide arv hüpoteetilise „lihtsaima“ bakteri jaoks on sellest veelgi väiksem, kuid mitte oluliselt, sest näiteks Mycoplasma genitalium genoom on just seetõttu nii lühike, et tegemist on parasiidiga, kes elab teistes organismides (näiteks inimese genitaal- ja respiratoortraktides) ja saab niiviisi „tasuta“ sobiva elukeskkonna ning mitmeid eluks vajalikke aineid.

„Lihtsaima“ bakteri genoomi pikkust saab hinnata erinevate bakterite genoome omavahel võrreldes ja eeldades, et eluks tingimata vajalikud geenid on pea kõigil bakteritel olemas. Sedasi saadud hinnang on 156 geeni [5], kuid see on süstemaatilistel põhjustel tõenäoliselt tegelikust arvust väiksem. Niiviisi võiks hinnata minimaalseks bakteri genoomiks umbes 200 geeni [6]. On hinnatud, et absoluutne miinimumarv geene ühe lihtsaima raku funktsioneerimiseks oleks 105 [7].

Millised siis on operatsioonid, millega see lihtsaim bakter tegeleb?

Seega elu peab sisaldama nii informatsiooni ennast kui ka selle informatsiooni manipuleerimiseks ja kasutamiseks vajalikke vahendeid. Selle elu ühe omaduse väljendus elu tekke probleemi juures on nn RNA, DNA ja valkude tekkimise järjekorra probleem. Nimelt ei ole palja informatsiooniga midagi teha, sama moodi nagu CD plaat ilma lugejata on kasutu. Samuti ei piisa elu tekke juures ka ainult valkudest, sest need võivad küll lühikeseks ajaks moodustada raku, kuid ei ole võimelised paljunema ja lagunevad mõne aja möödudes.

 

5. Elu tekkimise tõenäosus

 

Olles nüüd lühidalt kirjeldanud seda nähtust nimega elu ja selle tekkimise teooriaid võibki tuua esile selle tekkimise probleemi. Nimelt on teadaolev nn „minimaalne elu“ liiga keeruline. Kuna eluks vajalik on ca 200 geeni ja iga geen on mitusada „tähte“ pikk, on sellise informatsiooni tekkimine väga ebatõenäoline. Näiteks kõige lühem bakteri genoom on Carsonella ruddii  nimelisel bakteril ja omab 159,662 „tähte“ [8], ehk ca 159 kilobitti informatsiooni.  Selle bakteri genoom on väga kompaktselt „kirja pandud“, kuid ta elab sümbioosis teiste eluvormidega ja ei suudaks eksisteerida iseseisvalt.

Darwin mainis oma 1.02.1871 kirjutatud kirjas J. D. Hooker’ile, et elu võis alata „soojast väiksest lombist, kus oli igasuguseid ammoonium- ja fosforisoolasid, valgust, soojust, elektrit ja muud,  [nii et] olid moodustunud valgu ühendid, valmis läbi tegema veelgi keerukamaid muutusi“. Edasi selgitas Darwin, et „tänapäeval pandaks selline aine koheselt nahka või neelataks ta, mis poleks juhtunud enne elusolendite formeerumist“.

See nn. orgaanilise supi idee pole küll Darwini oma, kuid esineb tema kirjas ning on tänapäevani üks populaarsemaid teooriaid elu tekke kohta. Oletatakse, et kunagisel noorel Maal tootis mingi protsess (näiteks äike) piisavas koguses aminohappeid, mis siis ürgses ookeanis lahustusid. Sedasi võis ürgses ookeanis kunagi eksisteerida mingis koguses eluks vajalikku orgaanilist ainet. Arvatakse, et piisava aja korral võis sellisel viisil tekkida lihtne elu (näiteks bakter).

Võiks välja tuua mõned probleemid selle teooria juures. Kogu tänapäeva orgaaniline aine koosneb ainult „ühekäelistest“ molekulidest. Erinevakäelised molekulid on küll keemiliselt ekvivalentsed, kuid erineva ruumilise struktuuriga (nad on teineteise peegeldused). Kui aga mõnes biovalgus oleks mõni aminohape „valekäeline“, siis too valk ei omaks korrektset struktuuri ja ei omaks funktsionaalsust. Eksisteerida saab ainult „ühekäeline“ elu, olgu ta siis vasaku- või paremakäeline, aga mitte nende segu. Kuna kõik anorgaanilised aminohapete sünteesimehhanismid produtseerivad vasaku- ja paremakäelisi aminohappeid võrdselt, siis pidi ka ürgses ookeanis olema sama olukord. Termodünaamika II seaduse tõttu muutub aja jooksul mistahes proportsioon vasaku- ja paremakäelisi aminohappeid alati lõpuks nende võrdseks seguks. Nähtus on tuntud racemization nime all ja seda kasutatakse ka orgaanilise aine dateerimisel — mida kauem on möödunud ajast mil organism elas, seda rohkem on temas „valekäelisi“ aminohappeid. Seetõttu on väga keeruline seletada „ühekäelise“ elu teket. Probleem on mõnevõrra sarnane aine ja antiaine tekke probleemile suure paugu käigus, mida pidi tekkima ka võrdselt ja mis on omavahel sobimatud.

Samuti peavad DNA ja RNA sisaldama just õige käelisusega riboosi. Praegune elu omab vasakukäelisi aminohappeid ja paremakäelist riboosi ning desoksüriboosi.

Oluline aminohapete valkudeks kokkumonteerimise reaktsioon — OH ja H radikaalide eemaldamine — on vesikeskkonnas tõsiselt raskendatud. Samuti on vesikeskkonnas keemiliselt hoopis eelistatud DNA ja RNA hüdrolüüs monomeerideks ehk lagunemine koostisosadeks. Nende ja mitmete teiste probleemide tõttu „orgaanilise supi“ teoorias on välja pakutud mitmeid teisi hüpoteese orgaanilise aine tekkimiskohtade ja –mehhanismide kohta: veealuste „allikate“ juures, savi pinnal, radioaktiivsete ainete juuresolekul, vee pinnal UV kiirguse käes, sügaval maakoore sees, komeetidel UV kiirguse käes jpm [9].

Olgugi, et esimese orgaanilise aine päritolu on hetkel veel segane, on siiski kõige suurem keerulisus elu tekkimise seletamisel informatsiooni probleem. Nimelt on informatsiooni tekkimine juhuslikult äärmiselt ebatõenäoline.

Võtame näiteks ühe elu jaoks olulisema valgu – DNA polümeraas III’e – mis on põhiline osa DNA kopeerimise mehhanismist ja hindame selle tekkimise tõenäosust. Bakteri e. coli DNA polümeraasi põhilise „tööosa“ kaal on ca 130kDa, seega selle valgu kodeerimiseks vajalik informatsioon on ca 3500 bitti [10]. Inimesel on selle valgu pikkus 900-1000 aminohapet [11]. Kui eeldada, et meil on vaja juhusliku protsessi tulemusena saavutada täpselt selline valk, siis selle tõenäosus on võrdne sellega, et viskaksime 2700 korda järjest kulli ja kirja ning saaksime kogu aeg näiteks kirja või et arvaksime ära arvu vahemikus 0-1.2×101171. Isegi kui loeme, et see valk jääb toimima ka siis, kui muudame juhuslikult pooled aminohapped (see on selgelt liialdus) ehk loeme selle elutähtsa valgu informatsioonisisalduse poole väiksemaks, on meie tõenäosus selle valgu juhuslikuks sünteesimiseks 3.4×10-586. Siia sobiks võrdlusena kõrvale veel üks arv elementaarosakeste arv nähtavas universumis on 2.5×1089.

Siit võib jääda mulje, et oleme valinud näitena küll eluks ülimalt olulise, kuid liiga keerulise valgu. Tegelikult mitte, näiteks ühe tuntuma ja enim uuritud bakteri e. coli keskmine valgu pikkus on 317 aminohapet [12]. Vaatleme, siis kõige lihtsamat (lühem) valku inimeses – insuliini, mis koosneb 51st aminohappest. Kui suur on tõenäosus, et kui paneme suvaliselt aminohappeid järjekorda, saame insuliini?

Ka see arv on tõesti väga väike.

Illustreerimaks kui raske on juhuslikult leida õiget valku ja kui väike on arv 10-67 kirjeldame ühte lihtsat mudelit. Võime hinnata erinevaid kombinatsioone, mida on võimalik orgaanilise supi soodsates tingimustes „läbi proovida“. Eeldame, et kogu (!) Maa on kaetud kolme kilomeetri paksuse merega temperatuuril 300K ja iga 4000 veemolekuli kohta on 1 aminohappe molekul (see oleks väga „rammus“ supp), loeme, et iga aminohapetevahelise „põrke“ või kokkupuute käigus sünteesitakse uus valk. Loomulikult tegelikkuses see nii ei ole ning kord kasvama hakanud valk ei pruugi edasi kasvada ning tegelikult on vaja valkude sünteesimiseks eritingimusi. Samuti „lukustuks“ osa aminohappeid mingiteks lihtsateks molekulideks, mis oleksid edasise muutumise suhtes stabiilsemad. Oma arvutustes, aga loeme, et iga kahe (!) aminohapetevahelise kokkupuute käigus sünteesitakse mõni 51 aminohappe pikkune valk, ning kui see ei osutu insuliiniks, siis see kohe taas laguneb tagasi aminohapeteks. Kirjeldatud mudel on seega äärmiselt optimistlik. Sellisel juhul kuluks eelnevalt käsitletud insuliini valgu sünteesiks umbes 482 miljonit aastat!

Olgugi, et nimetatud probleemid elu tekke juures olid juba ammu selged, ei ole neile lahendust leitud ning tundub, et just informatsiooni päritolu probleem on põhimõtteliselt lahendamatu.

 

6. Argumendid autoriteetidelt

 

Kasutame ka mõningaid argumente autoriteetidelt ehk mida arvavad spetsialistid?

Nobeli laureaat bioloogias George Wald sõnastas evolutsiooniteooria ühe põhi argumendi küllaltki hästi: „Tegelikult on aeg selles olukorras peakangelane. Andes nii palju aega, muutub võimatu võimalikuks, võimalik tõenäoliseks ja tõenäoline niisama hästi kui kindlaks. Lihtsalt ootama peab: aeg ise teeb imesid.“ [13]. Wald seega arvas nii nagu paljud inimesed tänapäeval, et miljonid aastad on nii pikk aeg, et selle aja jooksul võib kõike juhtuda.

Mis puutub elu spontaansesse tekkesse, siis Wald sõnas: „Tuleks lihtsalt vaadelda, kui raske on järele anda sellele, et iseeneslik elusa organismi teke on võimatu. Ja siiski, siin me oleme, ma usun, iseenesliku elutekke tulemusena.“ [13].

1970ndatel tegi briti astronoom Sir Frederick Hoyle rehkendused, kus püüdis hinnata elu spontaanse tekkimise tõenäosust orgaanilises supis. Rakendades keemia, tõenäosusteooria ja termodünaamika seaduspärasusi arvutas ta lihtsaima vabalt elava eluvormi — bakteri — spontaanse tekkimise tõenäosust. Hoyle ja tema kaastöötajad arvasid, et lihtsaim elu vajab vähemalt 2000 sõltumatut funktsioneerivat valku, et saaks toimuda metabolism ja paljunemine. Rehkenduse tulemusena leidis ta, et sellise eluvormi eluks vajalike valkude tekke tõenäosus on  10-40000. Enne seda projekti uskus Hoyle spontaansesse elu tekkesse, kuid tema arvamus pöördus 180 kraadi: „Elu tekke tõenäosus anorgaanilisest ainest on üks suhtes arvule, millel on 40 tuhat nulli järel. See on piisav, et matta Darwin ja kogu evolutsiooniteooria. Polnud mingit ürgsuppi, ei sellel planeedil ega ühelgi teisel, ning kui elu algus polnud juhuslik, siis pidi see olema järelikult eesmärgipärase intellekti toodetud.“[14]. Hoyle võrdles elu spontaanse tekkimise tõenäosust tõenäosusega, et tornaado „ehitab“ prügimäel olevatest asjadest lennuki 747. Seega Hoyle tegi elu vaadates sarnase järelduse intelligentse disaini teooriaga — teadaolevalt saab informatsioon tulla ainult intelligentsusest.

Sir Francis H.C. Crick on tuntud bioloog, kes koos oma kaastöötaja James Watson’iga avastas DNA topeltheeliksi struktuuri, mille eest määrati neile ka Nobel’i preemia.  Peale seda avastust aitas Crick ka DNA koodi tööpõhimõtteid lahti mõtestada.  Seetõttu võib teda lugeda vägagi tugevaks spetsialistiks elu toimimise alal.  Crick mõistis, et elu teke ei olnud juhuslik. Seetõttu pakkusid Crick ja tuntud keemik Leslie Orgel esmakordselt 1973. a. välja teistsuguse teooria. Crick kinnitas oma teooriat 1983. a kui ta kirjutas raamatu „Life Itself“ ja taas aastal 1992. a. intervjuus Scientific American’ile. Tema hüpotees ütleb, et mingi tsivilisatsioon mõnes teises päikesesüsteemis kartes oma väljasuremist otsustas teisi planeete oma eluga „seemendada“ ehk teisisõnu – elu Maal pärineb tegelikult mõnelt teiselt planeedilt.

Princetoni ülikooli bioloogia professor Dr. Harold Blum hindas tõenäosust, et orgaanilises supis tekib üks eluks vajalik valk. Biokeemiliste reaktsioonide tasakaalutingimuste ja pööratavuse tõttu leidis ta, et: „Väikseima tuntud valgu suuruse polüpeptiidi spontaanne formeerumine näib olevat väljaspool tõenäosust. Juba ainuüksi see arvutus esitab tõsise vastuväite ideele, et kogu elus mateeria ja süsteemid on arenenud ühest valgumolekulist, mis ise tekkis juhuslikult.“[15]. See järeldus on sarnane eelnevas peatükis leitule.

Keemik-füüsik lya Prigogine, kellele on omistatud kaks Nobeli keemia preemiat, kirjutas: „Statistiline tõenäosus, et elusorganismidele iseloomulikud orgaanilised struktuurid ja kõige täpsemalt kooskõlas olevad reaktsioonid oleksid tekkinud juhuslikult, on null.“[16].

 

7. Kokkuvõte

 

Darwin tahtis oma häid omadusi lastele edasi anda ja abiellus oma nõoga. Kolm tema lapsest suri varases eas ning tema 6st lapsest, kes olid hiljem pikaajalises abielus, said ainult pooled lapsi. Nende laste järeltulijate edasine uurimine tõi lähedaste sugulastega abiellumise probleemid veelgi selgemalt esile [17]. Tänapäeva geneetikast on muidugi hästi teada, et lähedaste sugulaste lastel on väga väike viljakus ning suur tõenäosus omada geneetilisi haigusi ja väärarenguid.

Jättes kõrvale küsimuse kas evolutsiooniteooria on teaduslik teooria, on hoopis suurem probleem selles, et inimesed, kes püüavad teaduslikult seletada elu teket, kasutavad oma arutluskäikudes ebateaduslikke seisukohti, meetodeid ja dogmasid. Või teisisõnu : kasutatakse läbisegi teaduslikke seisukohti, veel tõestamata hüpoteese ja isiklikke tundmusi või arvamusi. Hea näide on enne tsiteeritud nobelist Wald, kes sai aru, et teaduslikult on elu spontaanse tekkimise tõenäosus 0, kuid väitis siiski, et see pidi toimuma, sest elu on ju olemas.

Teame omast kogemusest, et keerulised süsteemid on vägagi kapriissed, neid on raske välja töötada ning vajavad hooldust. Näiteks piisab ühest oksüdeerunud kontaktist, et tänapäeva auto ei käivituks. Elu on mitmekordselt keerulisem kui miski, mida inimkond on loonud. Ometigi usub suur osa teadlastest kõikidele probleemidele ja küsimustele vaatamata, et elu tekkis juhuslike protsesside tulemusena. See on paradoks.

Lõpetuseks veel üks näide sellest, kuidas eelarvamused ja teadus käivad sageli läbisegi. Kuulus

Francis Crick kirjutas aastal 1988: „Bioloogid peavad pidevalt meeles pidama, et see, mida nad näevad, ei olnud kujundatud, vaid pigem arenenud."

 

 

8. Kasutatud kirjandus

 

 

[1]. http://en.wikipedia.org/wiki/Creation_myth

[2]. Life and Letters of Charles Darwin, 1887, 3:17. 1973, p. 594.

[3]. Fraser, C. M., J. D. Gocayne, O. White, M. D. Adams, R. A. Clayton, R. D. Fleischmann, C. J. Bult, A. R. Kerlavage, G. Sutton, J. M. Kelley, J. L. Fritchman, J. F. Weidman, K. V. Small, M. Sandusky, J. Fuhrmann, D. Nguyen, T. R. Utterback, D. M. Saudek, C. A. Phillips, J. M. Merrick, J. F. Tomb, B. A. Dougherty, K. F. Bott, P. C. Hu, T. S. Lucier, S. N. Peterson, H. O. Smith, C. A. Hutchison III, and J. C. Venter. 1995. The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium. Science 270:397-403

[4]. Gil, R., B. Sabater-Muñoz, A. Latorre, F. J. Silva, and A. Moya. 2002. Extreme genome reduction in Buchnera spp.: towards the minimal genome needed for symbiotic life. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99:4454-4458.

[5]. Klasson, L., and S. G. Andersson. 2004. Evolution of minimal-gene-sets in host-dependent bacteria. Trends Microbiol. 12:37-43.

[6]. Gil R, Silva FJ, Pereto J, Moya A. Determination of the core of a minimal bacterial gene set. Microbiol Mol Biol Rev. 2004;68:518–537

[7]. Tomita, M., K. Hashimoto, K. Takahashi, T. S. Shimizu, Y. Matsuzaki, F. Miyoshi, K. Saito, S. Tanida, K. Yugi, J. C. Venter, and C. A. Hutchison III. 1999. E-CELL: software environment for whole-cell simulation.

[8]. http://en.wikipedia.org/wiki/Carsonella_ruddii

[9]. http://en.wikipedia.org/wiki/Abiogenesis

[10]. http://web.virginia.edu/Heidi/chapter30/chp30.htm

[11]. http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_polymerase

[12]. László Patthy, Protein Evolution, http://hydra.icgeb.trieste.it/~pongor/biophys-homepage/Protein_evolution/Contents_Patthy.htm

[13]. George Wald, "The Origin of Life", Scientific American 191:48 (May 1954).

[14]. Nature, vol. 294:105, November 12, 1981.

[15]. Harold F. Blum, Time's Arrow and Evolution (2d ed., Princeton, N.J. Princeton University Press, 1955).

[16]. I. Prigogine, N. Gregair, A. Babbyabtz, Physics Today 25, pp. 23-28

[17]. Tim M. Berra, Gonzalo Alvarez, and Francisco C. Ceballos, BioScience, May 2010 / Vol. 60 No. 5, Was the Darwin/Wedgwood Dynasty Adversely Affected by Consanguinity?