7. Elämä syntyi ja kehittyi merissä Flashcards
Millaisissa oloissa bakteerit ja arkeonit voivat elää? Mistä se kertoo?
Bakteerit ja arkeonit voivat elää monissa yllättävissäkin paikoissa, kuten Kuolleenmeren suolapitoisessa vedessä, rikkipitoisessa kiehuvassa vedessä, syvällä valtamerien pohjissa valtavassa paineessa tai syvällä maankuoressa kovassa kuumuudessa.
Tämä osoittaa sen, ettei alkumaapallon rajut, ylivoimaisilta tuntuvat ja nykyisestä poikkeavat olot olleet elämän synnyn kannalta mahdottomat.
Selitä maailmankaikkeuden synty kosmiseen evoluutioon saakka.
Noin 15 miljardia vuotta sitten käynnistyi tapahtumasarja, alkuräjähdys. Alkumaailmankaikkeus oli puristunut hyvin pieneen tilaan, ja sen lämpötila oli erittäin korkea. Alkuräjähdyksen seurauksena tapahtui kuitenkin kosminen inflaatio, eli maailmankaikkeuden nopea laajeneminen. Laajenemisen seurauksena maailmankaikkeuden lämpötila laski, jolloin alkoi muodostua myös yksinkertaisimpia alkuaineita, kuten vetyä ja heliumia. Noin 1 mrd vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, ensimmäiset tähdet syntyivät vety- ja heliumpilvien tihentymäkohtiin. Tähdissä tapahtuvissa ydinfuusioissa syntyi raskaampia alkuaineita, kuten hiiltä, typpeä ja happea. Tätä vaihetta kutsutaan kosmiseksi evoluutioksi.
Miten meidän Aurinkokunta syntyi? (kosminen evoluutio –>)
Tähdet eivät elä ikuisesti, vaan tulevat joskus tiensä päätökseen. Isot tähdet räjähtävät ja niiden sisällä muodostuneet alkuaineet leviävät ympäröivään avaruuteen uusien tähtien ja planeettojen rakennusaineiksi.
Oma Aurinkokuntamme (Aurinko ja sitä kiertävät planeetat) syntyi noin 4,6 miljardia vuotta sitten alkuaineista, jotka ovat peräisin aikaisemmin räjähtäneistä tähdistä, “ihmiset ovat tähtien lapsia”.
Kerro alkumaapallon olosuhteista valtamerien syntyyn.
Alkumaapallon olosuhteet poikkesivat hyvin paljon nykyisestä. Aluksi maapallo oli hehkuvan kuuma planeetta. Kun maapallo jäähtyi, syntyi kiinteä kivikuori ja sen ympärille epäorgaanisista kaasuista (hiilimonoksidi, vety, ammoniakki, typpi, vesihöyry) koostuva kaasukehä.
Kun maapallo jäähtyi, osa kaasukehän vesihöyrystä tiivistyi vedeksi ja syntyi sateita. Sateet piiskasivat maapallon autiota kivikuorta ja irrottivat siitä mineraaleja. Lopulta vesi täytti maanpintaan muodostuneet suuret altaat, jolloin muodostui pitkän ajan kuluessa nykyiset valtameret, joissa käynnistyi elämän synty.
Sateiden lisäksi maapallon pinta oli syntynsä jälkeen pitkään alttiina voimakkaalle ultraviolettisäteilylle, salamoille ja meteoriittipommituksille, sekä koki paljon tulivuorenpurkauksia. Nämä tekijät toimivat energianlähteinä, jolloin kaasukehän epäorgaaniset aineet saattoivat reagoida keskenään. Reaktioiden seurauksena meriin alkoi kertyä elämälle välttämättömiä yhdisteitä.
Miksi elämän synnyn selvittäminen on vaikeaa? Todisteita?
Elämän synnyn selvittäminen on yksi biologian haastavimmista tehtävistä. Yksi elämän synnyn selvittämiseen liittyvistä ongelmista on, että elämän alkuajoilta ei ole mitään konkreettisia todisteita, kuten fossiileja.
On kuitenkin yksi todiste, joka elämän synnyn selvityksessä auttaa. Kaikilla nykyisillä eliöillä solujen rakenne ja toiminta ovat pääpiirteittäin samanlaisia, joka viittaa yhteiseen alkuperään.
Mitä tarkoittaa kemiallinen evoluutio?
Elämän arvellaan syntyneen kolmessa vaiheessa olosuhteissa, jotka poikkeavat merkittävästi nykyisistä oloista.
Ensimmäisessä elämän syntymisen vaiheessa kaasukehän epäorgaanisista aineista muodostui hiilestä rakentuvia ja energiaa sisältäviä orgaanisia aineita, elämän rakennusaineita. Näitä olivat esimerkiksi nukleotidit, aminohapot ja monet muut hiiliyhdisteet. Tätä vaihetta, jossa epäorgaanisista aineista kehittyi vähitellen orgaanisia aineita, kutsutaan kemialliseksi evoluutioksi.
Kerro elämän synnyn toisesta vaiheesta.
Kemiallinen evoluutio jatkui ja elämän synnyn toisessa vaiheessa elämän rakennusaineet liittyivät yhteen, jolloin muodostui makromolekyylejä, lipidejä, proteiineja ja nukleiinihappoja.
Nukleotideista rakentui nukleiinihappoja. Nukleiinihapot sisälsivät perinnöllistä informaatiota ja kykenivät monistumaan, eli siirtämään perinnöllisen informaation eteenpäin. Ensimmäiset nukleiinihapot olivat RNA:ta (ribonukleiinihappo), joka kykeni kopioitumaan ja ohjaamaan solun toimintaa entsyymin tavoin. Myöhemmin nukleiinihapoista muodostui kaksijuosteinen, rakenteeltaan pysyvämpi, DNA-molekyyli. Lisäksi muodostui energiaa välittävä molekyyli ATP.
Aminohapoista alkoi rakentua puolestaan proteiineja, joiden rakennusohjeet tallenntuivat DNA:han.
Kerro elämän synnyn kolmannesta vaiheesta.
Kolmannessa vaiheessa rasvoista kehittyi pisaramaisia rakenteita niiden vesihakuisten ja vesipakoisten päiden seurauksena meren aallokon iskiessä rantaan. Näiden pisaroiden sisään saattoi kerääntyä makromolekyylejä. Suuret orgaaniset molekyylit, kuten rasvat, tarttuivat helposti kiinni toisiinsa (meressä olevaan rasvakalvoon) ja muodostivat siten edelleen pisaroita, joilla oli pintana kaksikerroksinen kalvo. Pisaran pintaeli lipidikalvo vastasi solukalvoa, sillä se voi vaikutta aineiden kulkuun pisaran sisään ja sieltä ulos. Kun nukleiinihappoja ja proteiineja kertyi pisaran sisään, voidaan alkusolun ja siten myös elämän katsoa syntyneen.
Miten biologinen evoluutio alkoi?
Alkumaapallon kaasukehässä ei ollut lainkaan otsonia, jonka seurauksena maapallon pinta altistui pitkään voimakkaalle ultraviolettisäteilylle. Näin myös alkusolut altistuivat tälle ionisoivalle säteilylle, joka aiheutti niiden perimässä runsaasti mutaatioita. Mutaatiot synnyttivät alkusoluille uusia ominaisuuksia, joista luonnonvalinta karsi sopeutumisen kannalta parhaita. Näin biologinen evoluutio saattoi alkaa.
Kerro arkeonien ja bakteerien synnystä/alkuajoista biologisessa evoluutiossa.
Alkusolusta kehitys haarautui hyvin varhain kahdeksi linjaksi: bakteereiksi ja arkeoneiksi. Näiden tumattomien eliörymien elinvaatimukset kehittyivät niin erilaisiksi, ettei niiden välille syntynyt kilpailua.
Suurin osa näiden eliöryhmien yksilöistä sai ravintoaineensa ja energiansa ottamalla ympäristöstään erilaisia orgaanisia yhdisteitä, eli ne olivat kuluttajia.
Joillekin yksilöille kehittyi kuitenkin kyky valmistaa itse tarvitsemansa energiapitoiset yhdisteet yhteyttämällä kemosynteesin avulla. Yhteyttämiseen tarvittava energia saatiin hapettamalla epäorgaanisia yhdisteitä. Kemosynteesiin pystyvät eliöt olivat tuottajia.
Miten UV-säteily vaikutti bakteerien ja arkeonien elämään ja sen kehitykseen alkumaapallolla?
Voimakas UV-säteily aiheutti runsaasti mutaatioita bakteerien ja arkeonien geeneissä (UV-säteily vaurioittaa DNA:ta ja muuttaa siten sen sisältämää perinnöllistä informaatiota). Muuntelun ja nopean, jakautumiseen perustuvan, lisääntymisen vuoksi luonnonvalinta vaikutti niiden evoluutioon tehokkaasti. Ne tumattomat eliöt jotka omasivat luonnonvalinnan kannalta parhaat geenit, pystyivät sopeutumaan ympäristöolojen muutoksiin ja levittäytymään maapallolla monenlaisiin elinympäristöihin.
Milloin fotosynteesi kehittyi, miten se toimii?
Merkittävä harppaus elämän kehityksessä tapahtui noin 3 miljardia vuotta sitten, kun fotosynteesi kehittyi. Fotosynteesissä Auringon valoenergia sitoutuu glukoosimolekyyliin kemialliseksi sidosenergiaksi. Epäorgaanisista raaka-aineista, vedestä ja hiilidioksidista, valmistuu monien vaiheiden kautta orgaanista yhdistettä, glukoosia eli rypälesokeria, sekä sivutuotteena vapautuu happea.
Miten fotosynteesi kehittyi?
Fotosynteesin kehittyminen käynnistyi, kun meressä elävien bakteerisolujen sisälle muodostui fotosynteesissä tarvittavia väriaineita, kuten lehtivihreää eli klorofylliä, joka pystyi sitomaan Auringon valoenergiaa. Nämä bakteerit olivat syanobakteereja - maailman ensimmäisiä ja vanhimpia fotosynteesiin kykeneviä eliöitä. Syanobakteerit saivat kilpailuedun suhteessa kemosynteesin avulla yhteyttäviin eliöihin, sillä fotosynteesiin tarvittavaa valoa ja vettä oli yllin kyllin saatavilla.
Syanobakteerien ja muiden samaan aikaan eläneiden bakteerien fossiloituneita jäänteitä kutsutaan stromatoliiteiksi.
Kerro fotosynteesin tuottamasta hapesta biologisessa evoluutiossa.
Fotosynteesin tuloksena vapautui sivutuotteena myös happea, mutta happi liukeni aluksi veteen ja sitoutui erilaisiin yhdisteisiin. Vasta noin 2 miljardia vuotta sitten vapaata happea oli niin paljon, että sitä alkoi kerääntyä myös maapallon kaasukehään. Hapen ilmaantumisella kaasukeään oli tärkeitä seurauksia:
- happi reagoi kaasukehän myrkyllisten kaasujen, kuten hiilimonoksidin ja ammoniakin kanssa. Myrkylliset kaasut hävisivät ja kaasukehän koostumus alkoi kehittyä nykyisenlaiseksi ilmakehäksi.
- happimolekyyleistä alkoi muodostua ilmakehän yläosaan otsonikerros, joka suojaa ultaviolettisäteilyltä
Kerro tumattomien eliöiden anaerobisesta ajasta.
Ennen hapen lisääntymistä, tumattomat eliöt olivat saneet elintoimintoihinsa vaatiman energian käymisreaktioista, joissa ei tarvittu happea. Tumattomat eliöt olivat siis anaerobisia, eli hapettomissa olosuhteissa eläviä eliöitä, joille happi oli myrkkyä. Täten hapen vapautuminen meriin ja vähitellen myös ilmaan, toimi uudenlaisena valintapaineena evoluutiossa. Se pakotti tumattomat eliöt joko sopeutumaan uuteen ympäristöön tai siirtymään hapettomiin oloihin. Kaikki tumattomat eliöt eivät pystyneet sopeutumaan hapekkaaseen ympäristöön, jolloin ne etsiytyivät hapettomiin oloihin (maan kuori, meren pohja) tai kuoli sukupuuttoon.
