Elu algus Maal

Arvatakse, et Universum tekkis Suure Pauguga umbes 12–15 miljardit aastat tagasi ning on sellest ajast saadik üha kiirenevalt paisunud. Universumis on umbes 200 miljardit galaktikat, millest üks on meie Linnutee. Meie päikesesüsteem asub väljaspool Linnutee galaktika keskust, rahulikumas piirkonnas, kus tähti on hõredalt ja tingimused seega stabiilsemad. Just see on üks põhjuseid, miks siin on saanud tekkida elu. Meie päikesesüsteem tekkis umbes 5 miljardit aastat tagasi. Maa vanuseks peetakse 4,6 miljardit aastat. Elu tekkis Maal umbes 3,5 miljardit aastat tagasi.

Elu teke on tavaliselt jagatud kolmeks etapiks

1. Anorgaanilistest ühenditest tekkisid orgaanilised lämmastikku sisaldavad ühendid, mis on nukleiinhapete ja valkude koostisosad.
2. Orgaanilised ühendid liitusid ja moodustasid suuri makromolekule: nukleiinhappeid, mida vajatakse raku elutegevuse juhtimiseks, ja valke, mida vajatakse raku ülesehituseks. Eri hüpoteeside kohaselt tekkisid kõigepealt kas valgud või nukleiinhapped.
3. Makromolekulid koondusid lipiidse membraani sisse, mis eraldas nad keskkonnast. On täheldatud, et suured orgaanilised molekulid jäävad üksteise külge kinni, nii moodustuvad tilgad. Tilga välispind on justkui rakumembraan, mis suudab kontrollida ainete liikumist sisse ja välja. Nukleiinhapete ja valkude sattumist tilga sisse võib pidada algelise raku tekkeks, millest algas evolutsioon.

Elu tekke selgitamine on bioloogia üks keerulisemaid ülesandeid, sest elu tekkeajast pärit konkreetseid tõendeid (näiteks kivistisi) on väga vähe. Kuna  3,5 miljardi aasta tagused elutingimused Maal erinesid praegustest väga suurel määral, on katseid elu tekke uurimiseks raske korraldada. Ent on olemas tõendeid, mida võib leida tänapäeva organismide seest. See, et kõikide organismide rakud on struktuurilt ja talitluselt üldjoontes samasugused, tõendab nende ühist päritolu (animatsioon).

Maa tekke algusaegadel kujutas Maa endast hõõguvkuuma taevakeha. Taevakeha jahtudes tekkis sellele püsiv maakoor, mida ümbritses gaaside segu. Tõenäoliselt koosnes gaasisegu süsinikdioksiidist, süsinikmonooksiidist, lämmastikust, metaanist, ammoniaagist, vesinikust ja veeaurust. Maa jahtudes kondenseerus veeaur veeks. Vihm aga pesi maakoorest välja mitmesuguseid mineraale ja täitis lõpuks maakoore madalamad osad, nii moodustusid ookeanid. Just ookeane peetakse kohaks, kus elu alguse sai. Ilma veeta poleks elu, seetõttu on vee leidmine üks peamisi eeldusi ka elu otsimisel teistelt planeetidelt.

Noore Maa atmosfääris polnud hapnikku. Hapnik eraldus atmosfääri alles elusorganismide elutegevuse tulemusena. Hapniku puudumine soodustas suurte molekulide teket, sest hapnikul on omadus suuri molekule lagundada (oksüdeerida). Seepärast öeldakse, et algse Maa atmosfäär oli redutseeriv. 

Tingimused noorel Maal (animatsioon) olid praeguste tingimustega võrreldes karmid. Vulkaaniline aktiivsus alles jahtuva maakoore all oli väga suur. Väga palju langes meteoriite. Sagedased olid äikesetormid. Polnud osoonikihti, mis blokeeriks Päikeselt tuleva ultraviolettkiirguse. See on veel üks põhjuseid, miks elu sai tekkida vaid sügaval vees, kus algelised organismid olid UV-kiirguse eest paremini kaitstud.

Kuigi üldiselt arvatakse, et elu tekkis Maal, on esitatud ka idee, et biomolekulid või lausa mikroobid sattusid Maale koos meteoriitidega kosmosest. Erinevad katsed on näidanud, et bakterite spoorid suudaksid kosmoses valitsevates tingimustes ellu jääda. Arvesse võttes planeetide hulka Universumis, tundub võimalik, et elu tekkeks sobivad tingimused on olemas ka kusagil mujal. Kuigi intelligentsete eluvormide arenemiseks soodsad tingimused on küll ilmselt üliharuldased, on üherakuliste mikroorganismide leidumine mõnel teisel planeedil küllalt tõenäoline. Seetõttu ei saa välistada võimalust, et mikroorganismid levivad meteoriitidega ühelt planeedilt teisele. See teooria, mida nimetatakse panspermiaks, ei seleta otseselt elu teket, kuid pakub välja, kuidas elu võis Universumis levida.

Enamik teooriaid keskendub siiski sellele, kuidas anorgaanilistest ühenditest said tekkida iseennast taastootvad orgaanilised ühendid. Tänini ei ole sellele probleemile ühest vastust leitud. 1920. aastatel esitasid Aleksander Oparin ja John Haldane nn ürgsupi hüpoteesi. Selle kohaselt võisid algsel maakeral valitsenud tingimused soodustada reaktsioone, mille käigus ühinesid lihtsad anorgaanilised molekulid esimesteks orgaanilisteks molekulideks. Tänapäeval poleks sellised reaktsioonid võimalikud, sest atmosfääris esinev hapnik lagundaks tekkivad orgaanilised ühendid kiiresti. Lisaks ei lase Maa atmosfääri osoonikiht piisaval hulgal läbi UV-kiirgust, mis on nende reaktsioonide energiaallikas.

Et kontrollida Oparini-Haldane’i hüpoteesi, ehitasid Stanley Miller ja Harold Urey 1953. aastal katseseadme, mis jäljendas täpselt maakeral esialgu valitsenud tingimusi. Nende katsed näitasid, et anorgaanilistest ainetest võivad sobivates tingimustes tekkida orgaanilised ühendid. Katse tulemusena saadi esialgsete andmete kohaselt neli erinevat aminohapet, hilisemad uuringud aga on näidanud, et tekkida võis ka 20 aminohapet.

Erinevaid hüpoteese on ka elu tekkekoha kohta. Ühe hüpoteesi järgi on elu tekkinud madalates merelahtedes. Teise hüpoteesi põhjal tekkisid biomolekulid mere põhjas kuumades allikates, kus nad olid kaitstud nii meteoriidisaju kui ka UV-kiirguse eest. Kolmanda hüpoteesi kohaselt tekkisid biomolekulid sügaval maakoores. Osa uurijaid arvab, et elu tekkeks sobiv pinnas on savi, kus väiksed molekulid on võimelised moodustama suuri biomolekule. Elu tekkekohana on välja pakutud ka ookeanipinnal ujuvaid pimsskiviparvi. Elu tekkekoha hüpoteesidele on ühine see, et neis kõigis on peetud tähtsaks vett, mis vedelas olekus toimib lahustina. 

Lahendage lk 6 ül 2 (ptk 1.2 ÜK „Mis on joonisel?“).

TV lk 6 ül 2 lahendus

Esimesed elusolendid olid ainuraksed prokarüoodid, kes lahknesid üsna varakult kaheks: arhedeks ja bakteriteks. Tänapäevani elavad arhed esialgsel Maal valitsenud tingimustega sarnastes äärmuslikes tingimustes. Ekstreemsed tingimused valitsevad näiteks sügaval maakoores, ookeani põhjas või kuumaveeallikates. Seetõttu nimetatakse paljusid arhesid ekstremofiilideks.

Esmased algelised organismid toitusid keskkonnas leiduvatest orgaanilistest ühenditest. Teistel organismidel arenes aga võime saada elutegevuseks vajalik energia anorgaanilisi ühendeid oksüdeerides ja nii saadud energia arvel olid nad vesinikust ja süsinikdioksiidist võimelised valmistama süsivesikuid. Sellist protsessi nimetatakse kemosünteesiks.

Märkimisväärne edasiminek elu arengus toimus umbes 3 miljardit aastat tagasi fotosünteesi tekkimisega. Fotosüntees on protsess, mille käigus toodetakse valgusenergia abil anorgaanilistest ühenditest orgaanilisi. Fotosünteesi eristab kemosünteesist energia saamise allikas. Nimelt saab fotosüntees energiat päikesekiirgusest, kemosüntees aga anorgaaniliste ühendite oksüdeerimisest. Fotosünteesi eelduseks oli bakterirakkudes moodustunud rohelise pigmendi (klorofülli) olemasolu, mis võimaldas siduda päikese valgusenergiat. Kuna vett ja valgust oli piisavalt, said fotosünteesiks võimelised organismid konkurentsieelise ja paljunesid kiiresti. Esimesed fotosünteesi kasutavad organismid olid tsüanobakterid.

Fotosünteesi käigus lagundatakse veemolekule, et saada protsessi jaoks vajalikke vesinikioone ehk prootoneid. Selle reaktsiooni jääkprodukt on hapnik, mida nüüd hakkas tekkima suurtes kogustes. Fotosünteesi tulemusel tekkinud hapnik lahustus algul vees, kus see seoti erisuguste ühenditega. Vaba hapnik hakkas alles kaks miljardit aastat tagasi suurets kogustes atmosfääri kogunema.

Hapniku kogunemisega kaasnesid Maa atmosfääris märkimisväärsed muutused. Näiteks reageeris hapnik atmosfääris olnud mürgiste gaaside metaani ja ammoniaagiga, misjärel hakkas atmosfääri koostis vähehaaval muutuma selliseks nagu tänapäeval. Muutused atmosfääris lõid elusorganismidele soodsamad tingimused. Teine oluline muutus oli osoonikihi teke. Hapniku molekulidest moodustus atmosfääri kõrgemates kohtades osoonikiht, mis kaitses elusorganisme ultraviolettkiirguse eest.

Kõik algelised organismid olid anaeroobid, see tähendab, et nad ei vajanud elutegevuseks hapnikku. Tegelikult oli hapnik neile lausa mürgine ja see pani elusorganismid valiku ette: kas kohaneda uue keskkonnaga või taanduda hapnikuvabasse keskkonda.

Esimesena arenes hapnikutaluvus tsüanobakteritel, neil arenes ka algeline rakuhingamine ehk toitainete lagundamine energia saamiseks hapniku kaasabil. Rakuhingamine osutus tõhusaks energiatootmisviisiks ja seda kasutavad elusorganismid levisid kiiresti. Kõik algelised organismid ei suutnud aga hapnikku sisaldava keskkonnaga kohaneda ja surid välja. See oli maakera ajaloos esimene suur väljasuremine.

Päristuumsete rakkude teket peetakse evolutsiooni üheks tähtsaimaks sündmuseks, sest see võimaldas elul areneda keerulisemaks ja mitmekesisemaks. Kõigil keerukamatel rakkudel ja hulkraksete organismide kõigil rakkudel on tuum. Päristuumsed rakud tekkisid 1,6–2,1 miljardit aastat tagasi. Arvatakse, et päristuumse raku tekkeks võisid ühineda erinevad tuumata rakud. Nii kasvas DNA hulk ja pärilikkusaine ümber moodustus tuumamembraan.

On ka võimalik, et päristuumsed rakud arenesid välja ühest arhede harust. Eukarüoodid on paljuski sarnasemad arhede kui bakteritega. Sarnasused esinevad eelkõige tuuma DNA-s ja geeniregulatsioonis. Membraani koostis sarnaneb päristuumsetel aga pigem bakteritega. Seetõttu on olemas eukarüootide põlvnemise kohta olemas mitu teooriat.

Eukarüootide ja arhede sarnasuse seletamiseks välja pakutud teooriad on järgmised:

1. Eukarüoodid tekkisid kahe eeltuumse raku ühinemisel: tsütoplasma ja rakumembraani moodustas bakter, tuuma aga arhe;
2. Eukarüoodid arenesid arhedest, sarnasused bakteritega tulenevad endosümbiontsest mitokondri eellasest;
3. Eukarüoodid ja arhed arenesid eraldiseisvalt, aga ühisest eellasest (bakterist).

Eukarüootsete rakkude evolutsioonis on olulisel kohal olnud endosümbioos – vastastikku kasulik kooselu vorm, kus üks organism elab teise kehas või rakus. Endosümbioosi teel on rakku sattunud rakuhingamiseks vajalikud mitokondrid ning fotosünteesis väga olulised kloroplastid. Nii pärinevad mitokondrid ja kloroplastid bakteritest, kes on eukarüootsesse rakku kunagi elama asunud või kelle eukarüootne rakk on ära söönud. Endosümbioosi teooriat kinnitab mitokondri ja kloroplasti erinevus teistest rakuorganellidest. Nagu bakteridki suudavad nad paljuneda pooldumise teel ja neis on oma pärilikkusaine, mis sarnanebki pigem bakterite omaga.

TV lk 7 ül 5 vastused

Ka tänapäeval on ainurakseid organisme, kes võimaluse korral teevad omavahel tihedalt koostööd ehk elavad kolooniatena. Näiteks on olemas koloonialisi baktereid ja vetikaid. Sellistest kolooniatest võisid areneda ka hulkraksed organismid, kui rakukogumikus arenes tööjaotus rakkude vahel nii kaugele, et rakud ei saanud enam üksteiseta hakkama.

Esimesed tõendid hulkraksete organismide kohta on 700 miljoni aasta vanused. Esimesed hulkraksed loomad olid tänapäeva käsnade sarnased. Nad koosnesid paljudest eri tüüpi rakkudest. Samas olid nende koed veel väga lihtsad, neil polnud lihaseid, närve ja siseorganeid.

Kui algeliste hulkraksete keha polnud sümmeetriline, siis kudede organiseerumise ja organismi ehituse keerukamaks muutumisega arenes sümmeetria. Esimesena tekkis loomadel kiireline sümmeetria ehk radiaalsümmeetria, see tähendab, et looma võis mõtteliselt mitmel viisil jagada sümmeetrilisteks osadeks. Vähehaaval hakkasid arenema bilateraalsümmeetrilised loomarühmad, nende kehas võis eristada paremat ja vasakut poolt.

Eristunud rakukihtide ja rakkude hulk kasvas, vähehaaval hakkasid spetsialiseerunud rakud moodustama kudesid ja elundkondi. Algelistel loomadel kujunes närvivõrgustik ning lõpuks moodustus keerukas närvisüsteem. Ka seedetrakt ja hingamisorganid muutusid keerulisemaks.

Esimesed hulkraksed loomad paljunesid kehavälise viljastumise teel. Vähehaaval arenes välise viljastumise kõrvale kehasisene viljastumine. Sugulise paljunemise areng tõi kaasa liikidele omase paaritumiskäitumise. Siiski säilitas osa loomarühmadest võime paljuneda mittesugulisel teel, näiteks pooldudes või pungudes. 550 miljonit aastat tagasi kasvas loomaliikide arv hüppeliselt. Seda suurimat adaptiivset radiatsiooni (ühest eellasgrupist lähtuv liikide või liigirühmade teke, mis erinevad märgatavalt üksteisest mingisuguste funktsionaalsete tunnuste poolest) nimetatakse kambriumi ajastu plahvatuseks. Sel ajal arenesid kõik põhilised loomahõimkonnad ja mõningad sellisedki hõimkonnad, mida tänapäeval enam pole, sest kambriumi ajastu lõppes suure väljasuremisega.

Elu tekke selgitamine on bioloogia üks keerulisemaid ülesandeid, sest elu tekkeajast pärit konkreetseid tõendeid on väga vähe. Katseliselt on siiski suudetud näidata, et teatud tingimustes võivad keskkonnas esinevatest anorgaanilistest molekulidest moodustuda elu aluseks olevad orgaanilised ühendid. Maa algperioodil võisid esineda just sellised tingimused – atmosfääris olid olemas mitmesugused anorgaanilised gaasid, kuid algse Maa atmosfäär oli redutseeriv. Energiat andsid äikesetormid, UV-kiirgus, vulkaanid ja meteoriidid.

Kui sellised tingimused sobisid elu tekkeks, siis elusorganismide püsimajäämiseks ja mitmekesistumiseks pidid tingimused palju sõbralikumaks muutuma. Kui Maa geoloogiline aktiivsus vähenes ja meteoriite langes harvem, hakkasid tingimusi ümber kujundama ka elusorganismid ise. Oluliseks sammuks oli fotosünteesi teke. Selle tulemusena kogunes atmosfääri fotosünteesi jääkprodukt, hapnik. Atmosfääri ülaosas moodustus sellest UV-kiirguse eest kaitsev osoonikiht. Elusorganismid pidid aga õppima toime tulema hapniku oksüdeeriva mõjuga. Kõige edukamaks osutusid need organismid, kes suutsid hapniku enda kasuks tööle panna, kasutades seda toitainetest energia kättesaamiseks.

Nüüd sai evolutsioon tõeliselt hoo sisse. Miljardeid aastaid elanud üherakuliste bakterite kõrvale tekkisid päristuumsed organismid, kellest hiljem arenesid hulkraksed organismid. Hulkraksete päristuumsete organismide areng pani aluse tänapäevasele elurikkusele. Samal ajal on maailmas oma koha säilitanud ka organismid, kes sarnanevad elu algeliste vormidega, näiteks bakterid ja arhed. Kuna ka nemad on tänapäevani vastu pidanud ja siiani väga laialt levinud, on nad evolutsioonis samasugused võitjad nagu inimenegi. 

Lisalugemine

• Artikkel „Varases ürgmeres võis olla hapnikku” (17.08.2011) teadusuudiste portaalis Novaator. Hapnikku kasutavad elusorganismid võisid tekkida varem, kui seni arvati. Lisalugemine õpilasele

Tööleht

• Küsimused teadusuudiste portaalis Novaator ilmunud artikli „Varases ürgmeres võis olla hapnikku” (17.08.2011) juurde

Kuulamissoovitus

• Reimo Sildvee ja teadusajakirjanik Tiit Kändler arutlevad Raadio 2 saates „R2 koolis” (23.11.2005, kestus 31:00) elu olemasolu üle teistel planeetidel. Missugused on elu tekke eeldused? Millised eluvormid võivad üldse esineda ja kuidas neid otsida? Kuulamissoovitus õpilasele