5.3 Elämän esiaika: ensimmäiset eliöt kehittyivät
Maapallon ensimmäisiä eliöitä olivat yksisoluiset arkit ja bakteerit. Arkit sopeutuivat elämään vaativissa ääriolosuhteissa, kuten äärimmäisen kuumissa ympäristöissä.
Arkkeja löytyy nykyään alkumaapallon kaltaisista olosuhteista – esimerkiksi erittäin suolaisista, happamista ja hapettomista ympäristöistä, kuten valtamerten pohjista ja kuumista lähteistä.
Syanobakteereja eli sinileviä.
Noin 3,5 miljardia vuotta sitten tapahtui merkittävä kehitysaskel elämän historiassa: kehittyi valon avulla tapahtuva yhteyttäminen eli fotosynteesi. Ensimmäiset kasvien kaltaiseen fotosynteesiin kykenevät eliöt olivat syanobakteereita eli sinileviä. Vanhimmat tunnetut fossiilit, stromatoliitit, ovat muinaisista syanobakteereista muodostuneita kerrostumia.
Fotosynteesiin kykenevät esitumaiset saivat kilpailuedun, koska fotosynteesin tarvitsemaa vettä ja valoa oli runsaasti tarjolla. Fotosynteesi oli muullakin tavoin tärkeä kehitysaskel eliökunnan kehityksessä. Tämä johtuu siitä, että fotosynteesin sivutuotteena muodostui happea. Ensiksi sitä liukeni veteen, mutta noin kaksi miljardia vuotta sitten sitä alkoi vapautua myös kaasukehään. Happi muutti varhaisen kaasukehän koostumusta ja siitä muodostui UV-säteilyltä suojaava otsonikerros, mikä myöhemmin mahdollisti elämän siirtymisen maalle.
Happi oli myrkyllistä hapettomiin olosuhteisiin sopeutuneille esitumaisille. Suuri osa muinaisista eliölajeista ei sopeutunut uudenlaisiin aerobisiin (hapellisiin) olosuhteisiin, ja siksi ne kuolivat sukupuuttoon. Aerobisiin olosuhteisiin sopeutuneille esitumaisille kehittyi soluhengitys, joka oli uusi, happea vaativa energian vapauttamistapa. Soluhengityksen avulla voitiin vapauttaa tehokkaammin energiaa kemiallisista yhdisteistä. Niukkahappisissa olosuhteissa esitumaiset eliöt olivat saaneet siihen asti energiansa käymisreaktioiden avulla.
Vasemmalla: Stromatoliitit ovat muinaisista syanobakteereista muodostuneita kerrostumia. Ne kuuluvat vanhimpiin tunnettuihin fossiileihin. Oikealla: Syanobakteerit ovat yhteyttämiskykyisiä bakteereja, joiden ajatellaan olevan viherhiukkasten edeltäjiä. Ns. sinileväkukinnot ovat itse asiassa syanobakteeriesiintymiä.
Aitotumaiset solut ja endosymbioosi: solujen rakenne monimutkaistuu
Ensimmäisten aitotumaisten arvellaan kehittyneen 1,5 miljardia vuotta sitten. Varhaisille aitotumaisille kehittyi tuma, mutta niillä ei ollut vielä monia muita soluelimiä. Mitokondrioiden ja viherhiukkasten arvellaan syntyneen siten, että varhaiset aitotumaiset alkoivat elää läheisessä yhteistyössä bakteerien kanssa. Lopulta nämä bakteerit siirtyivät isäntäsolun sisään ja niistä kehittyi soluelimiä.
Soluhengitystä hyödyntävät bakteerit kehittyivät vähitellen mitokondrioiksi, ja fotosynteesiin kykenevistä bakteerista kehittyivät viherhiukkaset.
Tämän endosymbioositeorian mukaan aitotumaisten solujen viherhiukkaset ja mitokondriot ovat alun perin olleet bakteereita. Tätä näkemystä tukee se, että näillä soluelimillä ja bakteereilla on rengasmainen DNA:sta muodostunut genomi. Lisäksi mitokondriot ja viherhiukkaset sekä niiden perintöaines jakautuvat muusta solusta itsenäisesti.
Monisoluisuus kehittyi elämän esiajan lopulla
Noin 700 miljoonaa vuotta sitten yksisoluisten eliöiden rinnalle kehittyi monisoluisia eliöitä. Ensimmäisten monisoluisten eliöiden kehitys kesti siis noin kolme miljardia vuotta. Monisoluisuuden kehittyminen oli merkittävä käännekohta eliökunnan evoluutiossa. Solut yhdistyivät soluryhmittymiksi, joissa solujen välille kehittyi työnjakoa. Osa soluista erikoistui ravinnon käsittelyyn, osa lisääntymiseen ja osa liikkumiseen.
Monisoluisuudesta oli useita etuja. Se tehosti työnjaon kautta eliön toimintaa ja mahdollisti eliön koon kasvun. Monisoluisuus kehittyi erikseen sekä kasvi- että eläinkunnassa. Monisoluisia eliöitä löytyy myös sienistä, joistakin levistä ja limasienistä.
Ensimmäiset aitotumaiset ja monisoluiset eliöt kehittyivät elämän esiajan lopulla.
Suvullinen lisääntyminen lisäsi perinnöllistä muuntelua
Yksi mullistava kehitysaskel oli suvullisen lisääntymisen ja sukusolujen kehittyminen. Aikaisemmin eliöt olivat lisääntyneet suvuttomasti eli kopioimalla itseään. Sukusolujen kehittymisestä oli etua, sillä suvullisen lisääntymisen tuloksena kahdesta vanhemmasta syntyy aina uudenlainen jälkeläinen. Näin perinnöllisen muuntelun määrä lisääntyi.
Monisoluisuus ja suvullinen lisääntyminen olivat merkittäviä käännekohtia evoluutiossa. Suvullinen lisääntyminen mahdollistaa perinnöllisen muuntelun määrän kasvun. Munasolu ja siittiöitä.
Arkkeja löytyy nykyään alkumaapallon kaltaisista olosuhteista – esimerkiksi erittäin suolaisista, happamista ja hapettomista ympäristöistä, kuten valtamerten pohjista ja kuumista lähteistä.
Syanobakteereja eli sinileviä.
Kemo- ja fotosynteesi: solut pystyvät valmistamaan oman ravintonsa
Ensimmäiset esitumaiset hyödynsivät ympäristössä olevia orgaanisia yhdisteitä energian- ja ravinnonlähteenään toisenvaraisten eliöiden tavoin. Vähitellen osalle esitumaisista kehittyi kyky valmistaa itse orgaanisia aineita kemosynteesin avulla. Sen avulla eliöt pystyivät itse valmistamaan erilaisia orgaanisia yhdisteitä ja sitomaan epäorgaanisissa yhdisteissä olevaa kemiallista energiaa käyttöönsä.Noin 3,5 miljardia vuotta sitten tapahtui merkittävä kehitysaskel elämän historiassa: kehittyi valon avulla tapahtuva yhteyttäminen eli fotosynteesi. Ensimmäiset kasvien kaltaiseen fotosynteesiin kykenevät eliöt olivat syanobakteereita eli sinileviä. Vanhimmat tunnetut fossiilit, stromatoliitit, ovat muinaisista syanobakteereista muodostuneita kerrostumia.
Fotosynteesiin kykenevät esitumaiset saivat kilpailuedun, koska fotosynteesin tarvitsemaa vettä ja valoa oli runsaasti tarjolla. Fotosynteesi oli muullakin tavoin tärkeä kehitysaskel eliökunnan kehityksessä. Tämä johtuu siitä, että fotosynteesin sivutuotteena muodostui happea. Ensiksi sitä liukeni veteen, mutta noin kaksi miljardia vuotta sitten sitä alkoi vapautua myös kaasukehään. Happi muutti varhaisen kaasukehän koostumusta ja siitä muodostui UV-säteilyltä suojaava otsonikerros, mikä myöhemmin mahdollisti elämän siirtymisen maalle.
Happi oli myrkyllistä hapettomiin olosuhteisiin sopeutuneille esitumaisille. Suuri osa muinaisista eliölajeista ei sopeutunut uudenlaisiin aerobisiin (hapellisiin) olosuhteisiin, ja siksi ne kuolivat sukupuuttoon. Aerobisiin olosuhteisiin sopeutuneille esitumaisille kehittyi soluhengitys, joka oli uusi, happea vaativa energian vapauttamistapa. Soluhengityksen avulla voitiin vapauttaa tehokkaammin energiaa kemiallisista yhdisteistä. Niukkahappisissa olosuhteissa esitumaiset eliöt olivat saaneet siihen asti energiansa käymisreaktioiden avulla.
Vasemmalla: Stromatoliitit ovat muinaisista syanobakteereista muodostuneita kerrostumia. Ne kuuluvat vanhimpiin tunnettuihin fossiileihin. Oikealla: Syanobakteerit ovat yhteyttämiskykyisiä bakteereja, joiden ajatellaan olevan viherhiukkasten edeltäjiä. Ns. sinileväkukinnot ovat itse asiassa syanobakteeriesiintymiä.
Aitotumaiset solut ja endosymbioosi: solujen rakenne monimutkaistuu
Ensimmäisten aitotumaisten arvellaan kehittyneen 1,5 miljardia vuotta sitten. Varhaisille aitotumaisille kehittyi tuma, mutta niillä ei ollut vielä monia muita soluelimiä. Mitokondrioiden ja viherhiukkasten arvellaan syntyneen siten, että varhaiset aitotumaiset alkoivat elää läheisessä yhteistyössä bakteerien kanssa. Lopulta nämä bakteerit siirtyivät isäntäsolun sisään ja niistä kehittyi soluelimiä. Soluhengitystä hyödyntävät bakteerit kehittyivät vähitellen mitokondrioiksi, ja fotosynteesiin kykenevistä bakteerista kehittyivät viherhiukkaset.
Tämän endosymbioositeorian mukaan aitotumaisten solujen viherhiukkaset ja mitokondriot ovat alun perin olleet bakteereita. Tätä näkemystä tukee se, että näillä soluelimillä ja bakteereilla on rengasmainen DNA:sta muodostunut genomi. Lisäksi mitokondriot ja viherhiukkaset sekä niiden perintöaines jakautuvat muusta solusta itsenäisesti.
Monisoluisuus kehittyi elämän esiajan lopulla
Noin 700 miljoonaa vuotta sitten yksisoluisten eliöiden rinnalle kehittyi monisoluisia eliöitä. Ensimmäisten monisoluisten eliöiden kehitys kesti siis noin kolme miljardia vuotta. Monisoluisuuden kehittyminen oli merkittävä käännekohta eliökunnan evoluutiossa. Solut yhdistyivät soluryhmittymiksi, joissa solujen välille kehittyi työnjakoa. Osa soluista erikoistui ravinnon käsittelyyn, osa lisääntymiseen ja osa liikkumiseen. Monisoluisuudesta oli useita etuja. Se tehosti työnjaon kautta eliön toimintaa ja mahdollisti eliön koon kasvun. Monisoluisuus kehittyi erikseen sekä kasvi- että eläinkunnassa. Monisoluisia eliöitä löytyy myös sienistä, joistakin levistä ja limasienistä.
Ensimmäiset aitotumaiset ja monisoluiset eliöt kehittyivät elämän esiajan lopulla.
Suvullinen lisääntyminen lisäsi perinnöllistä muuntelua
Yksi mullistava kehitysaskel oli suvullisen lisääntymisen ja sukusolujen kehittyminen. Aikaisemmin eliöt olivat lisääntyneet suvuttomasti eli kopioimalla itseään. Sukusolujen kehittymisestä oli etua, sillä suvullisen lisääntymisen tuloksena kahdesta vanhemmasta syntyy aina uudenlainen jälkeläinen. Näin perinnöllisen muuntelun määrä lisääntyi. Monisoluisuus ja suvullinen lisääntyminen olivat merkittäviä käännekohtia evoluutiossa. Suvullinen lisääntyminen mahdollistaa perinnöllisen muuntelun määrän kasvun. Munasolu ja siittiöitä.