Kas meile tuntud organismide kõrval võivad elada ka seni tundmatud eluvormid? See küsimus on seotud märksa suuremate küsimustega: mis on elu?, kuidas see on tekkinud? kuidas seda ära tunda?
Kuidas elu alguse sai?
Me ju ei tea, kuidas elu Maal alguse sai. Ilmselt kõige iidsem on ettekujutus elust kui mingi üleloomuliku jõu loodud nähtusest. Piiblis kirjeldatakse maailma ja sealhulgas ka elu loomist Jumala poolt. Ja Jumal ütles: „Maast tärgaku haljas rohi, seemet kandavad taimed, viljapuud, millede viljas nende seeme on, nende liikide järele maa peale.“ (1 Mo 1.11). Edasi lõi Jumal samal viisil ka kõik teised elusolendid.
Teisel seisukohal olijad väidavad, et elus ja elutu mateeria on igavesti koos eksisteerinud. Kuna Maale ilmus elu mitte palju varem kui 4 miljardit aastat tagasi, eeldavad sellised teooriad tavaliselt mingit tüüpi elueoste kandumist kosmilisest ruumist meie planeedi pinnale. Kolmandaks kontseptsiooniks, mida valdavalt toetab ka tänapäevane teadus, on elu teke mitteelusast ainest teatud eelbioloogiliste reaktsioonide tulemusena. Kusiaine ehk karbamiidi sünteesimine Friedrich Wöhleri poolt 1828. aastal näitas esmakordselt, et orgaaniliste ainete süntees anorgaanilistest ei vaja mingit erilist „elujõudu“. Tegemist oli muidugi probleemiga, mis tekkis koos moodsa teadusega.[1] Varsematel aegadel käsitleti elu iseeneslikku teket täiesti hariliku nähtusena. Ovidius kirjutab „Metamorfoosides“, et mesilased tekivad lagunevatest veistest, herilased hobustest, skorpionid krabikodadest ja hiired mudast.[2] Need lähteained tuleb jätta mädanema ning siis ilmuvadki vastavad elusolendid. Mitmed eelsokraatilised filosoofid väitsid samuti, et elu on tekkinud ürgmudast evolutsioonilise protsessi tulemusena. Anaximandroselt Mileetosest (u 610–546 eKr) on säilinud järgmised katkendid:
„Anaximandros ütles, et esimesed elusolendid sündisid niiskusest, kaetuna okkalise soomusega; vanemaks saades tulid nad kuivale maale ning pärast seda, kui nende soomus oli purunenud, muutsid veidi aega hiljem oma eluvormi.“ Ja veel: „Elusolendid sünnivad niiskusest, mis on Päikese poolt aurustatud. Inimene sündis algselt samamoodi nagu teisedki loomad, nimelt kalad.“[3] Aristotelese ajaks oli elu iseenesliku tekkimise teooria muutunud Kreeka kultuuris ja teaduses üldtunnustatuks. Aristoteles aktsepteeris seda igati ja kinnitas paljude empiiriliste näidetega. „Loomad ja taimed tekivad maas ja vedelikus, kuna maas on vett ja õhk vees ja õhus on eluline soojus, nii et kõik asjad on tegelikult täis hinge. Seetõttu formeeruvad ka elusolendid, kui millessegi on kogunenud õhk ja eluline soojus.“[4] Ta kirjeldab näiteks seda, kuidas täid ja sügelislestad tekivad inimese kehast liigse niiskuse mõjul. Aristotelese loodud elusolendite tekke teooria kehtis suuremate muudatusteta kuni XVIII sajandini. Hilisemad kirikuautoriteedid Albertus Magnus ja Aquino Thomas lisasid Aristotelese väidetule veel taevakehade astroloogilised mõjud: „… lagunemise teel tekkivate loomade korral on vormimoodustavaks jõuks taevakehade mõju“.[5]
Tänapäeval on elutust ainest bioloogilise elu tekke ehk abiogeneesi protsessi seletamiseks kaks peamist teooriat. Ribonukleiinhappe (RNA) maailma hüpotees väidab, et just RNA oli see ühend, millest algas elu. RNA suudab iseennast paljundada ning lisaks suudab see katalüüsida ka teisi keemilisi reaktsioone. Nii et esmalt kujunes RNA, mis hakkas seejärel organismidele omaseid keemilisi reaktsioone katalüüsima. Teise hüpoteesi kohaselt kujunesid esmalt välja keemilised autokatalüütilised protsessid ning lõpuks kujunes nende alusel ka organismi geneetiline infosüsteem.
Maisele elule iseloomuliku võtabki hästi kokku molekulaarbioloogia tsentraalne dogma, mis väidab, et bioloogilist teavet säilitavad desoksüribonukleiinhape (DNA) ja RNA ning et seda kasutatakse valkude, mis on organismide ehitusüksusteks ja biokeemiliste reaktsioonide katalüsaatoriteks, kokkupanekul. Sellest erineva elu tähistamiseks on bioloogid võtnud kasutusele varibiosfääri (shadow biosphere) mõiste. Varibiosfääri moodustavad hüpoteetilised organismid, kes ei ole olemasolevate organismidega evolutsiooniliselt seotud ning kelle biokeemilised ja geneetilised protsessid põhinevad teistel ühenditel kui meile tuntud elul. Termini võtsid 2005. aastal kasutusele Carol Cleland ja Shelley Copley.[6]
Veidra elu biokeemia
Kui elu tekkis Maal mitte üks, vaid mitmeid kordi, eri aegadel ja mitmesugustes paikades, siis võib ju oletada, et need erinevad eluvormid ei ole keemiliselt ja biokeemiliselt täpselt ühesugused. Millised võiksid olla keemilised erinevused? Selle selgitamiseks tuleb alustada elu määratlemisest. Tegemist on vägagi keeruka küsimusega, kuid esialgu pole vaja kõikidesse peensustesse süveneda, piisab vaid üldisest vaatest.
Venemaal sündinud Iisraeli bioinformaatik ja biofüüsik Edward Trifonov kogus kokku 123 teiste teadlaste esitatud elu määratlust ja tuletas nende ühisosal põhineva elu definitsiooni: elu on varieeruv enesepaljundamine (self-reproduction).[7] NASA poolt kasutatav elu definitsioon kõlab järgmiselt: elu on jätkusuutlik (self-sustaining) keemiline süsteem, mis on võimeline darvinlikuks evolutsiooniks.[8] Nagu näha, ei viita kumbki määratlus mingitele konkreetsetele keemilistele ühenditele, kuigi Maal baseerub elu süsinikuühenditel. Nii enesepaljundamine kui ka evolutsioon eeldab seda, et organismides leidub infosüsteem, mis suudab infot säilitada ja seda järglastele edasi anda. Nii nagu ubadest kasvavad jälle oataimed, sünnivad ka kassile kassipojad ja inimlapsedki on oma vanemate nägu ja tegu.
Oma põhimõtteliselt ehituselt on geneetiline süsteem kõikidel Maal elavatel organismidel ühesugune. Pärilikkuse materiaalseks kandjaks on geneetilised struktuurid. Viimased on organiseeritud diskreetselt, s.t jaotuvad funktsionaalseteks üksusteks. Neid üksusi nimetatakse geenideks.[9] Sellisel kujul avastas geenid Gregor Mendel (1866), kuigi ta loomulikult ei teadnud midagi nende materiaalsest olemusest. Tegemist on püsivate struktuuridega, mis siiski aja jooksul teatud määral muutuvad. Kõikide geenide kogumit nimetatakse genoomiks. Organismi genoom kannab teavet, mis muidugi ei moodusta veel organismi terviklikku kavandit või joonist,[10] tegemist on vaid infoga, mis määrab aminohapete järjestused valkudes ja mitmesugused regulatsioonimehhanismid. Geneetilist infot kasutatakse organismide ülesehitamise käigus.
Füüsik Erwin Schrödinger pakkus 1943. aastal välja hüpoteesi, et elusolendites peab olema replitseeruv aperioodiline kristall, milles saab sisalduda ja säilida informatsioon organismi omaduste kohta.[11] Tegemist oli hämmastavalt õige hüpoteesiga. Kuigi ka tema ei aimanud, mis võiks olla pärilikkuse materiaalseks kandjaks, kirjeldas ta õigesti selle aine omadusi.
Pärilikkuseaine säilitab informatsiooni. Enamik meie genoomis olevast infost on miljardeid aastaid vana, pärinedes elu algaegadest. Seda infot kahekordistatakse kogu aeg ning antakse peaaegu muutumatul kujul üle põlvkonnast põlvkonda. Füüsiliselt moodustavad genoomi rakus leiduvad kromosoomid, mis omakorda koosnevad pikast DNA molekulist koos sidestunud valkudega.
Lühendit DNA, mis tähistab desoksüribonukleiinhapet, teavad tänapäeval küll vist kõik. Nukleiinhapped avastas juba 1869. aastal Šveitsi teadlane Friedrich Miescher ja need koosnevad lämmastikalusest, suhkrust ja fosforhappejäägist. Eristatakse kaht tüüpi nukleiinhappeid, desoksüribonukleiinhape (DNA) ja ribonukleiinhape (RNA). Kui DNA ehituskomponendid on desoksüribonukleotiidid, kus suhkruks on desoksüriboos, siis RNA koosneb ribonukleotiididest, mille suhkruks on riboos.
DNA koosneb neljast nukleotiidist – adeniinist, tümiinist, guaniinist ja tsütosiinist. Nii et tegemist ei ole mitte binaarse koodiga, vaid kvaternaarsega, kus info kirjapanekuks kasutatakse nelja sümbolit. Igas kromosoomis on kaks heeliksisse keerdunud DNA ahelat. DNA kaksikhelikaalse struktuuri avastasid James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins ja Rosalind Franklin ning see avastus pälvis 1962. aastal ka Nobeli auhinna, preemia pälvisid küll vaid esimesed kolm, kuna Franklin oli surnud 1958. aastal.[12]
Tavamõistes jagatakse kromosoom geenideks. Geen on mingi jupp DNAst, mida kasutatakse teatud valgu valmistamisel. Kui organismis vajatakse mingit valku, lülitub vastav geen tööle ja sealt saadakse info, mille järgi vastav valk aminohapetest kokku pannakse. Inimese geenid kodeerivad kõiki ligikaudu 100 000 inimkehas leiduvat valku. Valgud osalevad organismide ülesehituses ja samuti kõikides rakkudes toimuvates biokeemilistes protsessides. Valgud koosnevad 20 peamisest (standardsest) aminohappest.
Veider elu, nagu seda ka on nimetatud, võib näiteks kasutada valkude ehitamiseks teistsuguseid aminohappeid või siis teistsuguseid lämmastikaluseid ja suhkruid nukleiinhapetes.[13] Looduses teatakse ligikaudu 500 aminohapet, kuid organismides valkude moodustamises osaleb neist vaid 23. Nii et võimalusi teistsuguste valkude loomiseks on küllaldaselt. Isegi kui teistsugune elu kasutab info salvestamiseks DNAd, ei pruugi see tugineda samasugustele lämmastikalustele kui meile tuntud elu. Nagu eelnevalt selgus, on DNAs neli lämmastikalust, neile lisandub RNAs leiduv uratsiil, mis asendab seal tümiini. Neid viit lämmastikalust kutsutakse primaarseteks või ka kanoonilisteks lämmastikalusteks. Mõnedel viirustel on adeniini asemel aminonitropüridiin. Teadlased on loonud DNA ahelaid, mis lisaks tavalistele alustele sisaldavad ka tehislikke lämmastikaluseid, nii et võimalusi maisest erineva biokeemia kujunemiseks on küll ja küll.
Kust võib veidrat elu otsida?
Need hüpoteetilised eluvormid võivad olla lõplikult kadunud, jäädes olelusvõitluses alla meile tuntud elule. Samuti võivad need olla sulandunud, näiteks horisontaalse geenitriivi kaudu olemasoleva eluga. Väike võimalus on ka selleks, et see kummastav elu on säilinud kusagil äärmiselt ekstreemsetes tingimustes, näiteks veealustes kuumaveeallikates (nn mustad tossutajad), kõrgmägedes, soolajärvedes, Antarktika jääkilbi alustes järvedes ja kõrbetes.
Kuna enamik organisme kuulub mikroorganismide hulka, siis on vägagi tõenäoline, et tundmatud organismid on samuti mikroskoopilised olendid. Miks neid aga avastatud ei ole? Vastus selle küsimusele on üllatavalt lihtne. Mikroorganismide ja ka teiste elusorganismide uurimiseks kasutatakse meetodeid, mis põhinevad meie praegusel arusaamisel elust. Hoopis teistsugustel biokeemilistel printsiipidel põhinevat elu ei osata otsida ja kui selle otsa ka komistatakse, siis ei tunta seda ära. Tõsi küll, kõik seni välja pakutud võimalikud varibiosfääri ilmingud, nt kõrbelakk (desert vanish) või fosfori asemel arseeni kasutavad mikroorganismid, on osutunud valehäireks.
Teistsuguse elu küsimus tõuseb kohe esile ka siis, kui arutatakse elu otsimise võimalusi teistelt taevakehadelt. Kui elu Maal oleks saanud alguse enam kui üks kord, siis võiks üsna kindlalt väita, et seda on ilmselt juhtunud korduvalt ka teistel taevakehadel. Enamik astrobioloogilisi uuringuid proovib leida nn biosingatuure ehk signaale, mis viitavad elule iseloomulikele molekulidele. Juhul kui maaväline elu põhineb teistsugustel ühenditel, on selline strateegia määratud juba algusest peale läbikukkumisele. Uuemate uuringutega püütakse leida elule omaseid üldisemaid tunnuseid, sõltumata sellest, millistest konkreetsetest keemilistest ehitusüksustest elu koosneb. NASA on asutanud sellistele uuringutele eraldi laboratooriumi – agnostiliste biosignatuuride labori (laboratory for agnostic biosignatures, LAB).
Teistelt planeetidelt otsitakse elu jälgi, tuginedes maisele elule. Nii näiteks üritatakse leida teiste planeetide atmosfäärist hapnikku, kuna Maal on hapnik tekkinud atmosfääri eluprotsesside tulemusena. Maal toimus hapniku plahvatuslik tõus atmosfääris nn suure hapnikusündmuse ajal ligikaudu kaks miljardit aastat tagasi. Tsüanobakterid hakkasid kasutama energia hankimiseks fotosünteesi ja selle käigus eraldus hapnik. Sellele järgnes teine nn neoproterosoiline hapnikusündmus umbes 850–540 miljonit aastat tagasi ja sellest ajast alates ongi Maa atmosfääris 21% hapnikku, maakoores on hapniku sisaldus ligikaudu 46%. Võib vabalt öelda, et Maa on hapnikuga küllastunud. Kui Maa puhul on hapniku kõrge sisaldus tõepoolest elu keemiline signatuur, siis ei pea see igal pool nii olema. Teistel taevakehadel võib hapnik tekkida ka mitme mittebioloogilise protsessi tulemusena. Üks võimalus hapniku tekkeks on vääveldioksiidi või süsihappegaasi lagunemine tugeva valguskiirguse toimel.[14] Nii et eksoplaneetide atmosfääris sisalduv hapnik, mida saab avastada infrapunateleskoobiga, ei näita kohe kindlasti, et seal tingimata on elu.
Kuidas määratleda täiesti tundmatut elu?
Küsimus „mis on elu?“ on teadlasi vaevanud juba iidsetest aegadest peale. Võib küll arvata, et inimene eristab elutuid asju elusatest üsna hõlpsalt, kuid lähemal käsitlusel muutub pilt hulga segasemaks. Paljuski johtuvad elu määratlemise probleemid sellest, et me tunneme vaid üht tüüpi elu ehk siis seda, mis on arenenud Maal. Aga mis siis, kui nii Maal, rääkimata kosmoseavarustest, esineb eri tüüpi elusid? Kui see veider elu tugineb küll teistsugustel, kuid ikkagi biokeemilistel reaktsioonidel, siis on veel ehk lootust seda leida. Aga järsku ei ole teistmoodi elu üldse bioloogiline? Sellise elu avastamiseks tuleks määratleda elu kõige üldisemad tunnused. Inglise keeles on sellisele kõige üldisemale elule pandud nimeks elu (ingl life) asemel lyfe, mille eesti vasteks võiks näiteks siis olla elü.[15]
Kõige üldisemalt iseloomustavad elu järgmised neli protsessi. Esiteks toimub sellistes süsteemides energia hajutamine, süsteem kulutab väljast saadavat energiat enda üleseehitamiseks ja toimimiseks. Teiseks süsteem paljuneb, toodab endasarnaseid süsteeme, kasutades selleks sisemisi protsesse ning suudab areneda ja muutuda. Kolmandaks suudab süsteem säilitada oma sisetingimused ka siis, kui väliskeskkond muutub. Selleks peab süsteem olema mingit moodi välisest ümbrusest eraldatud. Samal ajal ei tohi see eraldatus olla absoluutne, süsteem peab vahetama väliskeskkonnaga ainet ja energiat ning koguma informatsiooni. Maise elu korral on selleks eraldavaks piiriks rakumembraan. Rakumembraan koos rakus toimuvate biokeemiliste protsessidega takistab tasakaalu saavutamist keskkonna ja raku vahel. Kui elusorganism sureb, siis need protsessid lakkavad ja see saavutab keskkonnaga tasakaalu. Nii et elu iseloomustab tasakaalutus keskkonnaga. Aga kuidas seda ära tunda? Kui tundmatu elu põhineb nagu maine elugi mingitel keemilistel reaktsioonidel, siis tuleks otsida keemilisi erinevusi keskkonnast. Kui mingis piirkonnas esinevad kindlate keemiliste elementide kontsentratsioonide suured erinevused, siis võib see viidata elule. Samuti võib elule viidata mingite kindlate elementide ja isotoopide vahekordade muutus.
Neljandaks protsessiks on väliskeskkonnast info hankimine ning vastavalt sellele süsteemi toimimise muutmine. Need neli protsessi peaksid iseloomustama kõiki selliseid süsteeme, mida me loeme mingilgi viisil elusaks.
Veel üheks elule omaseks tunnuseks on keerukus ehk komplekssus. Kui mõelda kõige lihtsamate elusolendite, näiteks viiruste peale, siis on nad küll kõike muud kui lihtsad. Mida keerukam on mingi molekul, seda kindlamini võib seda seostada eluprotsessidega. Komplekssuse mõõtmine on aga jällegi problemaatiline ülesanne. Koosteteooria (assembly theory) pakub molekulide keerukuse mõõduks molekulaarse koosteindeksi, mis näitab, mitu erinevat ehitusüksust ja kui suures koguses on vaja mingi molekuli kokkupanekuks. Mida suurem on see arv, seda komplekssem on molekul ja seda keerukama signaali annab see ka massispektromeetris. Massispektomeetris uuritav ioniseeritakse ja määratakse osakeste massi ja elektrilaengu suhted. Keerukamate molekulide massispektris on rohkem signaale (energiapiike) ja nende signaalide arv on otseselt seotud molekuli koostenumbriga. Kui massispektromeetriga mõõdetud piikide arv ületab teatud läve, võib öelda, et tegemist on elusa ainega. Kogu vaatluse ilu peitub selles, et pole isegi vaja teada, millise ainega on täpselt tegemist. Seda meetodit kasutati näiteks Murchisoni meteoriidi uurimiseks. See 1969. aastal Austraaliasse kukkunud meteoriit on tuntud väga suure arvu orgaaniliste ühendite sisalduse poolest. Meteoriit sisaldab süsivesinikke, karboksüülhappeid, alkohole, puriine ja pürimidiine. Aminohappeid on leitud 70, nende hulgas on nii Maal tavalisi kui ka harva esinevaid. Tegemist on kõige keerukama keemilise koostisega kosmilise kehaga, millega inimesed on seni kokku puutunud. Analüüsi tulemuse võib lühidalt kokku võtta järgmiselt: tegemist on küll pisut veidra koostisega objektiga, kuid mitte mingil juhul ei sisalda see elusainet. Aga kui analüüsida 14 miljoni aasta vanust fossiile sisaldavat kivimit, saadakse kindel vastus, et tegemist on tõepoolest bioloogilise päritoluga ainega.
Kunagi tegelesid veidrate eluvormidega peamiselt ulmekirjanikud, nüüdseks on need teemad jõudnud teadlaste töölauale. Miks peaks sellise teemaga üldse tegelema? Kõige tähtsamaks põhjuseks on see, et me oleme tuttavad vaid Maal oleva eluga, me oleme ise selle elu esindajad ja seega kahekordselt piiratud. Täiesti erisugused eluvormid annaksid võimaluse mõista elu fenomeni märksa paremini.
Tuleb rõhutada, et varibiosfääri korral on tegemist hüpoteetilise oletusega, mille kohta puuduvad igasugused otsesed tõendid. Aga mõtlemist virgutav on see idee igal juhul. Meie nina all võib olla terve maailm, millest me midagi ei tea!
[1] Evamaria Kinne-Saffran, Rolf Kinne, Vitalism and synthesis of urea. From Friedrich Wöhler to Hans A. Krebs. – American Journal of Nephrology 1999, 19, 290–294.
[2] Ovidius, Metamorphoses XV, 361–390.
[3] Anaximandros, Eelsokraatikud. Tekste antiikfilosoofia ajaloost.
[4] Aristotle, Generation of Animals, III, 11.
[5] Aquino Thomas, Summa Theologiae, I, q. 71.
[6] Carol Cleland, Shelley Copley, The possibility of alternative microbial life on Earth. International. – Journal of Astrobiology 2005, 4 (4),165–173.
[7] Edward N. Trifonov, Vocabulary of Definitions of Life Suggests a Definition. – Journal of Biomolecular Structure & Dynamics 2011, 29 (2), 259–266.
[8] NASA, About Life Detection.
[9] Geeni mõiste keerukuse ja mitmetähenduslikkuse kohta vt: Helen Pearson, What is a gene? – Nature 2006, 441, 399–401;
Toivo Maimets, Kas siniste silmade, valgete õite ja haiguste geenid on olemas? – Akadeemia 2005, 11, 2344–2384.
[10] Hubert Yockey, Information Theory, Evolution, and the Origin of Life. Cambridge University Press 2005, 3-4.
[11] Erwin Schrödinger, Mis on elu? Ilmamaa, Tartu 2015.
[12] DNA struktuuri avastuslugu on haaravalt kirjapandud järgmises raamatus: James D. Watson, Kaksikheeliks. Isiklik jutustus DNA struktuuri avastamisest. Geenikeskus 2003. Raamatust on eesti keeles olemas ka varasem väljaanne: James D. Watson, Kaksikspiraal. Loomingu Raamatukogu 34/35. Perioodika, Tallinn 1970.
[13] Carol Cleland, Shelley Copley, The possibility of alternative microbial life on Earth. International. – Journal of Astrobiology 2005, 4 (4),165– 173.
[14] Måns Wallner, Mahmoud Jarraya, Emelie Olsson, Veronica Ideböhn Richard J. Squibb, Saida Ben Yaghlane, Gunnar Nyman, John H.D. Eland, Raimund Feifel, Majdi Hochlaf, Abiotic molecular oxygen production – Ionic pathway from sulfur dioxide. – Science Advances 2022, 8, 33.
Zhou Lu, Yih Chung Chang, Qing-Zhu Yin, C. Y. Ng, William M. Jackson. Evidence for direct molecular oxygen production in CO2 photodissociation. – Science 2014, 346, 6205, 61–64.
[15] Stuart Bartlett, Michael L. Wong, Defining Lyfe in the Universe: From Three Privileged Functions to Four Pillars. – Life 2020, 10(4), 42.