Elämän synty ja kehitys

Tämän luvun tarkoitus on saada lukija rinnastamaan elämän synty ja kehitys maapallon erilaisiin geologisiin vaiheisiin (katso myös: Geologia ja aika). Olisi hyvä jos lukijalle jäisi jonkinlainen mielikuva siitä, mitä tapahtui missäkin vaiheessa. Alla esitetyt tiedot on poimittu useista eri tietolähteistä ja ne on pyritty esittämään mahdollisimman selkeästi. On mahdollista, että luvussa esitetyissä tiedoissa on epätarkkuutta.

Elämä mahdollistuu

Maapallo syntyi noin 4,7 miljardia (4 700 miljoonaa) vuotta sitten. Syntynyt löyhä massamöykky kasvoi kokoa ympäristöstään vetämillä hiukkasilla ja vähitellen planeetalle muodostui kiinteä kuori. Maan sisäosissa kiviaines oli sulaa ja maanpinnalle purkautuessaan se vapautti ilmaan vetyä ja happea. Vedyn ja hapen muodostama vesihöyry tiivistyi vedeksi ja maahan satanut vesi kerääntyi meriksi, joissa elämä myöhemmin kehittyi.

Elämän synnystä ei ole olemassa yhtä yleisesti hyväksyttävää kattavaa selitystä, mutta sen kehittymiselle oli oleellista tuolloin vallinneissa olosuhteissa kehittyiden neljän erilaisen nukleotididin muodostamien DNA:n ja RNA:n kyky säilyttää, siirtää ja monistaa geneettistä tietoa kahdentuessaan. Kahdentuneet kopiot tuottivat edelleen kopioita itsestään eli tuottivat kaltaisiaan jälkeläisiä, mikä tarkoittaa biologiassa lisääntymistä. Kaikki tunnetut eliöt lisääntyvät, ja lisääntymistä pidetäänkin yhtenä elävän luonnon muusta luonnosta erottavana seikkana.

 DNA on rakenteeltaan kuin tikapuut. Todellisuudessa DNA on rakenteeltaan kierteinen, mutta tässä se on nyt kuvattu suoraksi. Kahdentuessaan DNA aukeaa keskeltä, aivan kuin tikapuun puolat sahattaisiin kahtia. Molemmat puoliskot täydentyvät RNA:n avulla kokonaisiksi (kuvassa oleva punainen väri) ja tuloksena on kaksi täysin identtistä DNA rakennetta.

DNA:n ja RNA:n ohella Maassa vallinneissa olosuhteissa kehittyi myös aminohappoja. Aminohapot liittyivät toisiinsa muodostaen erilaisia proteiineja. Proteiinit ovat solujen rakennusainetta ja välttämättömiä elintoiminnoille. Jossain vaiheessa ja jotenkin proteiinien ja nukleiinihappojen (DNA ja RNA) vuorovaikutus kehitti järjestelmän, jossa nukleiinihappo toimi mallina proteiinin aminohappojärjestykselle. Proteiineja alkoi syntyä aminohapoista DNA:n mukaan.

SoluseinäVaikka erilaisia elämän syntyä pohtivia teorioita on useita, on niissä joitakin yhteisiä tekijöitä. Yksi tällaisista on se, että maapallolla on täytynyt olla jossain vaiheessa olosuhteet, joissa nykyiselle elämälle välttämättömät perusmolekyylit ovat voineet syntyä. Toinen kaikissa teorioissa esitetty tekijä on RNA:lle kehittynyt kyky monistaa itseään. Kolmantena ovat rasvahappojen muodostamat vastakkaiset lipidimolekyylikerrokset, jotka ovat soluseinämien (kuvassa oikealla) perusrakennusaineita. Kehittynyt kaksikerroksinen kalvo muotoutui pallomaiseksi ja sen sisälle jäi vettä ja jo muodostuneita nukleiini- ja aminohappoja. Nukleiinihappojen (DNA ja RNA) kahdentuminen jatkui solujen sisällä ja näin kokonaiset solut alkoivat kahdentua.

Elämän alkuvaiheet

Elämän kehittyminen oli aluksi hidasta. Vanhoja kivikerrostumia tutkimalla on päätelty, että DNA olisi muodostunut noin 3,5 miljardia vuotta sitten. Ensimmäiset solut on löydetty noin 3 miljardia vuotta vanhoista kerrostumista. Yksi elämän kehityksen käännekohdista, fotosynteesin alkaminen, on ajoitettu noin 2,5 miljardin vuoden päähän. Tuolloin sinilevät oppivat käyttämään auringonvaloa energianlähteenä yhdistäessään vettä ja hiilidioksidia sokeriksi. Fotosynteesin sivutuotteena vapautui ilmakehään happea. Hapen määrä lisääntyi hyvin hitaasti, sen arvellaan olleen nykyisellä tasollaan vasta 400 miljoonaa vuotta sitten.

Maapallo oli suojaton Auringon ultraviolettisäteilyä vastaan ennen hapen määrän lisääntymistä ilmakehässä. Liiallisella ultraviolettisäteilyllä on eliöitä tuhoava vaikutus ja se oli siten maapallolla elämän kehittymistä hidastava tekijä. Eliöiden oli saatava riittävästi auringonvaloa kyetäkseen fotosynteesiin, mutta liiallinen valo saattoi tappaa ne. Hapen määrän lisääntyminen ilmakehässä johti ultraviolettisäteilyltä suojaavan otsonikerroksen syntymiseen ja mahdollisti siten elämän siirtymisen suojaavista syvistä vesistä lähemmäksi rantoja.

TumaTuman arvellaan syntyneen noin 1,5 miljardia vuotta sitten kahden solun sulautuessa yhteen, toinen solu on jotenkin joutunut toisen sisään. Tumassa tapahtuu perintöaineksen tallettaminen, kahdentaminen ja siirto tytärsoluille. Tumallisilla soluilla perintöaineksen siirto on nopeampaa kuin sellaisilla soluilla, joilla ei ole tumaa lainkaan. Tuman kehittymisestä on siis ollut paljon hyötyä elämän kehitykselle. Kuvassa tumallinen solu. Solu sisältää tuman lisäksi paljon muutakin.

Hapen vaikutus evoluutiossa

HappiHappi jakoi elämän kahdelle polulle; happea tuottaviin ja happea kuluttaviin eliöihin (kuva oikealla). Jotkut solut (levät) olivat oppineet yhteyttämään eli valmistamaan käyttöönsä sokeria (energiaa) vedestä ja hiilidioksidista auringonvalon avulla (fotosynteesi). Yhteyttämisen sivutuotteena ne tuottivat ilmakehään happea. Koska niiden ei tarvinnut oppia liikkumaan saadakseen yhteyttämisessä tarvitsemiansa ravintoaineita, kehittyivät ne vähitellen kasveiksi. Ne solut, jotka eivät yhteyttäneet, oppivat vähitellen käyttämään solujensa aineenvaihdunnassa ilmassa olevaa happea. Hapen käyttö nopeutti solujen kemiallisia reaktioita ja eliöt kykenivät vähitellen liikkumaan. Liikkuminen mahdollisti niille mm. happea tuottavien eliöiden (kasvien) käytön ravinnonlähteenä. Näistä happea kuluttavista eliöistä kehittyivät maapallon eläimet.

Ensimmäiset varsinaiset monisoluiset eliöt kehittyivät noin 700 miljoonaa vuotta sitten. Tätä ennen oli kehittynyt jo joitakin monisoluisia leviä. Kaikki kahdentuneet solut eivät enää erkaantuneetkaan toisistaan vaan jatkoivat elämäänsä yhdessä. Osa monisoluisten eliöiden soluista erikoistui mm. liikkumiseen tai valon aistimiseen.

Eliöiden lisääntymistavan muuttuminen mahdollisti aiempaa nopeamman elämän kehityksen. Yksisoluiset eliöt lisääntyvät kahdentumalla, monisoluisilla eliöllä jotkut solut erikoistuivat niin pitkälle, että alkoivat tuottaa erityisiä lisääntymissoluja. Esimerkiksi levät alkoivat lisääntyä itiöiden välityksellä. Nämä olivat kuitenkin perimältään identtisiä emonsa kanssa eikä laji juurikaan kehittynyt. Noin 600 miljoonaa vuotta sitten kehittyi itiöitä, jotka saivat aikaan uuden yksilön vasta liittyessään toiseen saman lajin itiöön. Tällöin syntyvä uusi yksilö oli yhdistelmä kahden yksilön geenejä. Ns. suvullinen lisääntyminen kiihdytti entisestään elämän kehittymistä. Reilut 500 miljoonaa vuotta sitten tapahtuikin merkittävä eliölajien ja -muotojen lisääntyminen.

Elämänmuotojen runsastuminen

Noin 570 miljoonaa vuotta sitten maapallon eliömäärä runsastui huomattavasti (kambrikauden "räjähdys"). Tältä ajalta ovat peräisin suuret merenpohjiin hautautuneet kalkkikuoristen eläinten kerrostumat (kalkkikivi) sekä suuret määrät muita kuolleita eliöitä, jotka muuttuivat vähitellen merien syvänteiden hapettomissa olosuhteissa öljyksi ja maakaasuksi. Ulkoisten tukirankojen lisäksi kehittyivät myös sisäiset tukirangat. Varhaisimmat selkärankaiset alkukalat ovat noin 400 miljoonan vuoden takaa.

Ensimmäiset kasvit levisivät maalle noin 400 miljoonaa vuotta sitten. Vedessä ne eivät juurikaan tarvinneet vankkoja tukirakenteita, mutta maalla niiden piti pysyä pystyssä ja saada kuljetettua ravintoaineita juuresta kasvin yläosiin. Tuolloin vallinnut hiilidioksidipitoinen ilmasto kiihdytti kasvien kasvua ja ne kasvoivat hyvin nopeasti. Etenkin saniaispuut kasvoivat nopeammin kuin niitä ehti niiden kuoltua hajota. Kuolleet kasvit hautautuivat maakerroksiin ja niistä syntyi hapettomissa olosuhteissa kivihiiltä.

Dinosauruksen kalloEnsimmäiset eläimet nousivat maalle kasvien perässä noin 300 miljoonaa vuotta sitten. Ne olivat selkärangattomia pieneliöitä, joista kehittyi maalla eläviä hyönteisiä. Sammakkoeläimet sopeutuivat maaelämään noin 260 miljoonaa vuotta sitten. Ne kykenivät hengittämään ihonsa läpi. Keuhkot kehittyivät kalojen kiduksista ja ilmarakosta ja niiden evät muuttuivat maaelämässä tarvittaviksi raajoiksi. Kasvien ohella myös eläinten koko kasvoi niiden sopeutuessa maaelämään. Dinosaurusten valtakaudella (noin 210 - 65 miljoonaa vuotta sitten) aistinelimet, lihaksisto, hermosto ja sisäelimet kehittyivät voimakkaasti.

Kohti nykyisyyttä

Paljassiemeniset kasvit kehittyivät ja yleistyivät itiökasvien ohelle noin 350 miljoonaa vuotta sitten. Nykyiset paljassiemeniset kasvit ovat puuvartisia, Suomessa sellaisia ovat mm. mänty, kuusi ja kataja. Koppisiemeniset ovat siemenkasvien runsaslajisempi ja kehittyneempi ryhmä. Ne kehittyivät noin 110 miljoonaa vuotta sitten. Ilmaston viilentyessä noin 60 miljoonaa vuotta sitten, hävisivät saniaismetsät ja nykyisen kaltaiset metsät tulivat vallitseviksi.

Dinosaurusten valtakauden päättyminen mahdollisti nisäkkäiden yleistymisen. Dinosauruksilta vapautuneisiin ekologisiin lokeroihin kehittyi erilaisia kasveja syöviä nisäkkäitä sekä niitä syöviä petoja. Varhaisimpien koira-, kissa- ja sorkkaeläinten merkkejä on löydetty 60 miljoonan vuoden takaa. Lintujen on todettu kehittyneen matelijoista ja varhaisimmat merkit niistä ovat 160 miljoonan vuoden takaa.

Noin 75 miljoonan vuoden takaa on löydetty merkkejä varhaisista kädellisistä ja noin 35 miljoonaa vuotta sitten ihmisapinoiden ja häntäapinoiden kehityslinjat erkaantuivat toisistaan. Ihmisten ja simpanssien yhteinen kantamuoto eli Afrikassa noin 7 miljoonaa vuotta sitten. Varhaisimmat tunnetut ihmisten kehityshaaraan kuuluvat muodot ovat noin 5 miljoonan vuoden takaa. Ensimmäiset työkaluja käyttäneet ihmiset elivät Afrikassa noin 2 miljoonaa vuotta sitten. Nykyihminen kehittyi Afrikassa yli 100 000 vuotta sitten. Varhaisimmat nykyihmisen fossiilit ovat noin 130 000 vuoden takaa.

Evoluutio

Maailma muuttuu vähän vuodessa, hieman tuhannessa vuodessa, havaittavasti kymmenessä tuhannessa vuodessa, rajusti sadassa tuhannessa vuodessa ja arvaamattomasti miljoonassa vuodessa. Kuka tietää, miten se muuttuu kymmenissä ja sadoissa miljoonissa vuosissa?