9. Elämän historian esiaika
Luvun sisältö
- 9.1 Elämän historian maailmankaudet ja massasukupuutot
- Taulukko: Elämän maailmankaudet
- 9.2 Kemiallinen evoluutio
- 9.3 Alkusolun synty
- 9.4 Kemo- ja fotosynteesi: yksisoluiset eliöt pystyvät valmistamaan oman ravintonsa
- 9.5 Tumallisten solujen syntyminen
- 9.6 Monisoluisuus kehittyi elämän esiajan lopulla
- 9.7 Suvullinen lisääntyminen lisäsi perinnöllistä muuntelua
- Yhteenveto
- Kuvagalleria: Elämän kehityksen alkuvaiheet ja maailmankaudet
9. Johdanto
Elämä on kehittynyt maapallolle pitkän ajan kuluessa. Elämän historia jaetaan neljään maailmankauteen: Elämän esiaikaa käsitellään tässä luvussa. Elämän vanha aika, keskiaika ja uusi aika käsitellään seuraavassa luvussa.
Trilobiilit ovat muinaisia niveljalkaisia.
Maapallo syntyi nykytiedon mukaan noin 4,6 miljardia vuotta sitten ja ensimmäisten merkit elämästä ovat yli 3,5 miljardin vuoden takaa. Eliöt olivat pitkään yksinkertaisia, nykyisten arkeonien ja bakteerien kaltaisia eliöitä, sillä ensimmäiset monisoluiset eliöt kehittyivät vasta noin 700 miljoonaa vuotta sitten.
Kaikkien nykyisten elollisten eliöiden viimeinen yhteinen kantamuoto (”esi-isä”) LUCA (last universal common ancestor) eli maapallolla noin 3,5 miljardia vuotta sitten. Sillä oli nykyisille soluille ominaisia piirteitä, esimerkiksi jakautumiskyky sekä RNA:ta tai DNA:ta.
Tässä luvussa tarkastellaan elämän alkuperää, yhteistä polveutumista ja kehittymistä.
Trilobiilit ovat muinaisia niveljalkaisia.
Maapallo syntyi nykytiedon mukaan noin 4,6 miljardia vuotta sitten ja ensimmäisten merkit elämästä ovat yli 3,5 miljardin vuoden takaa. Eliöt olivat pitkään yksinkertaisia, nykyisten arkeonien ja bakteerien kaltaisia eliöitä, sillä ensimmäiset monisoluiset eliöt kehittyivät vasta noin 700 miljoonaa vuotta sitten.
Kaikkien nykyisten elollisten eliöiden viimeinen yhteinen kantamuoto (”esi-isä”) LUCA (last universal common ancestor) eli maapallolla noin 3,5 miljardia vuotta sitten. Sillä oli nykyisille soluille ominaisia piirteitä, esimerkiksi jakautumiskyky sekä RNA:ta tai DNA:ta.
Tässä luvussa tarkastellaan elämän alkuperää, yhteistä polveutumista ja kehittymistä.
9.1 Elämän historian maailmankaudet ja massasukupuutot
Elämän historia jaetaan neljään maailmankauteen. Nämä ovat elämän esiaika (prekambrinen), elämän vanha aika (paleotsooninen), elämän keskiaika (mesotsooinen) ja elämän uusi aika (kenotsooinen). Maailmankausien rajakohdissa on tapahtunut geologisia mullistuksia, massasukupuuttoja tai harppauksia eliökunnan kehityksessä.Lajien kuoleminen sukupuuttoon on osa evoluutiota. On arvioitu, että 95–99 % maapallolla joskus eläneistä lajeista on hävinnyt. Elämän historian aikana on tapahtunut useita suuria sukupuuttoaaltoja, joiden aikana monet eliöryhmät hävisivät tai harvinaistuivat. Massasukupuuttoihin on liittynyt ympäristöolojen muuttuminen. Niiden syinä ovat olleet mahdollisesti merenpinnan korkeuden muutokset, mannerliikunnoista johtuvat ilmastonmuutokset, tulivuorenpurkaukset ja meteoriittipommitukset. Parhaillaan on menossa ihmisen aiheuttama kuudes sukupuuttoaalto. Joidenkin arvioiden mukaan lajeja häviää nykyään jopa päivittäin.
Massasukupuuttoja on seurannut suuria elinolosuhteiden muutoksia ja ekologisten lokeroiden nopea tyhjentyminen. Näin on tullut elintilaa uusille eliöryhmille. Sopeutumislevittäytymisen ansiosta uuden eliöryhmän lajimäärä kasvaa hitaan alun jälkeen nopeasti. Eliökunnan evoluutiolle on ollut tyypillistä, että hallitsevan eliöryhmän on syrjäyttänyt aina joku uusi valtaryhmä.
Elämän keskiajan lopun hirmuliskojen sukupuutto on tunnetuin sukupuuttotapahtuma.
9.2 Kemiallinen evoluutio
Maapallon jäähtyessä tulivuorista peräisin oleva vesihöyry tiivistyi sateiksi ja valtameret muodostuivat. Maapallolle syntyi myös kiinteä kivikehä ja kaasukehä.
Varhainen kaasukehä poikkesi koostumukseltaan nykyisestä ilmakehästä. Se sisälsi vesihöyryä, hiilidioksidia, typpeä, hiilimonoksidia ja myrkyllisiä kaasuja, mutta siinä ei ollut happea (O2) eikä siten UV-säteilyltä suojaavaa otsonikerrosta. Nykyisten eliöiden olisi ollut vaikeaa tulla toimeen alkumaapallon olosuhteissa.
Oheisessa kuvassa on nuoren opiskelijan Stanley Millerin laboratoriokoe, jolla tutkittiin mm. aminohappojen syntyä kuvitelluissa varhaisen Maan olosuhteissa. Koe osoitti, että kemiallinen evoluutio on ollut mahdollista alkumaapallon oloissa.
Elämän alkuvaiheista on olemassa erilaisia teorioita ja olettamuksia. Elämän oletetaan syntyneen vaiheittain. Aluksi kaasukehässä oli vain yksinkertaisia aineita, jotka yhdistyivät salamoinnin ja meteoriittipommitusten ansiosta. Näin muodostui elämälle tärkeitä aineita, kuten aminohappoja ja nukleiinihappoja (DNA ja RNA).
Aminohapot liittyivät yhteen ja muodostui monimutkaisia makromolekyylejä, proteiineja. Elämän synty oli ottanut ensimmäisen askeleensa, kemiallisen evoluution.
Alkumaapallon aikana meteoriittipommitus, jatkuva salamointi ja Auringon UV-säteily saivat aikaan monimutkaisia kemiallisia yhdisteitä. Tätä kutsutaan kemialliseksi evoluutioksi. Elämän esiajalla kehittyivät ensimmäiset solut.
9.3 Alkusolun synty
Seuraavaksi elämän rakennusaineet kerääntyivät eräänlaisen alkeellista solua muistuttavan kalvorakkulan sisään. Ensimmäisen alkusolun arvellaan muodostuneen noin neljä miljardia vuotta sitten. Tätä voidaan pitää biologisen evoluution alkuhetkenä, josta alkoi eliöiden kehittyminen. Ensimmäiset solut olivat nykyisten tumattomien (esitumaisten) kaltaisia mikroskooppisia eliöitä.
Kemiallisen evoluution tärkeimmistä tapahtumapaikoista ei olla varmoja. Eräs teoria on, että kemiallisen evoluution tapahtumapaikkana olisivat olleet kuivalla maalla olleet tulivuorien reunamat. Kemiallisen evoluution reaktioketjuja voidaan toistaa laboratorioissa, esimerkiksi glysiini-aminohappoa saadaan muodostumaan reaktiossa, jossa lähtöaineina on formaldehydia, vetysyanidia, ammoniakkia ja vettä.
Kemiallisen evoluution tärkeimmistä tapahtumapaikoista ei olla varmoja. Eräs teoria on, että kemiallisen evoluution tapahtumapaikkana olisivat olleet kuivalla maalla olleet tulivuorien reunamat. Kemiallisen evoluution reaktioketjuja voidaan toistaa laboratorioissa, esimerkiksi glysiini-aminohappoa saadaan muodostumaan reaktiossa, jossa lähtöaineina on formaldehydia, vetysyanidia, ammoniakkia ja vettä.
9.4 Kemo- ja fotosynteesi: yksisoluiset eliöt pystyvät valmistamaan oman ravintonsa
Maapallon ensimmäisiä eliöitä olivat arkeoneja ja bakteereja muistuttavia yksisoluisia eliöitä. Arkeonit sopeutuivat elämään vaativissa ääriolosuhteissa, kuten äärimmäisen kuumissa ympäristöissä.
Arkeoneja löytyy nykyään alkumaapallon kaltaisista olosuhteista – esimerkiksi erittäin suolaisista, happamista ja hapettomista ympäristöistä, kuten valtamerten pohjista ja kuumista lähteistä.
Syanobakteereja eli sinileviä.
Ensimmäiset tumattomat, yksisoluiset eliöt hyödynsivät ympäristössä olevia orgaanisia yhdisteitä energian- ja ravinnonlähteenään toisenvaraisten eliöiden tavoin. Vähitellen osalle tumattomista (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 fotosynteesiin kykenevät eliöt olivat syanobakteereita eli sinileviä. Vanhimmat tunnetut fossiilit, stromatoliitit, ovat muinaisista syanobakteereista muodostuneita kerrostumia.
Fotosynteesiin kykenevät eliöt 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. Kehittyi UV-säteilyltä suojaava otsonikerros, mikä myöhemmin mahdollisti elämän siirtymisen maalle.
Happi oli myrkyllistä hapettomiin olosuhteisiin sopeutuneille tumattomille. Suuri osa muinaisista eliölajeista ei sopeutunut uudenlaisiin aerobisiin (hapellisiin) olosuhteisiin, ja siksi ne kuolivat sukupuuttoon. Aerobisiin olosuhteisiin sopeutuneille tumattomille kehittyi soluhengitys, joka oli uusi, happea vaativa energian vapauttamistapa. Soluhengityksen avulla voitiin vapauttaa tehokkaammin energiaa kemiallisista yhdisteistä. Niukkahappisissa olosuhteissa tumattomat 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.
Arkeoneja löytyy nykyään alkumaapallon kaltaisista olosuhteista – esimerkiksi erittäin suolaisista, happamista ja hapettomista ympäristöistä, kuten valtamerten pohjista ja kuumista lähteistä.
Syanobakteereja eli sinileviä.
Ensimmäiset tumattomat, yksisoluiset eliöt hyödynsivät ympäristössä olevia orgaanisia yhdisteitä energian- ja ravinnonlähteenään toisenvaraisten eliöiden tavoin. Vähitellen osalle tumattomista (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 fotosynteesiin kykenevät eliöt olivat syanobakteereita eli sinileviä. Vanhimmat tunnetut fossiilit, stromatoliitit, ovat muinaisista syanobakteereista muodostuneita kerrostumia.
Fotosynteesiin kykenevät eliöt 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. Kehittyi UV-säteilyltä suojaava otsonikerros, mikä myöhemmin mahdollisti elämän siirtymisen maalle.
Happi oli myrkyllistä hapettomiin olosuhteisiin sopeutuneille tumattomille. Suuri osa muinaisista eliölajeista ei sopeutunut uudenlaisiin aerobisiin (hapellisiin) olosuhteisiin, ja siksi ne kuolivat sukupuuttoon. Aerobisiin olosuhteisiin sopeutuneille tumattomille kehittyi soluhengitys, joka oli uusi, happea vaativa energian vapauttamistapa. Soluhengityksen avulla voitiin vapauttaa tehokkaammin energiaa kemiallisista yhdisteistä. Niukkahappisissa olosuhteissa tumattomat 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.
9.5 Tumallisten solujen syntyminen
Ensimmäisten tumallisten (aitotumaisten) arvellaan kehittyneen 1,5 miljardia vuotta sitten. Varhaisille tumaisille kehittyi tuma, mutta niillä ei ollut vielä monia muita soluelimiä. Mitokondrioiden ja viherhiukkasten arvellaan syntyneen siten, että varhaiset tumalliset 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 tumallisten solujen viherhiukkaset ja mitokondriot ovat alun perin olleet bakteereita. Tätä näkemystä tukee se, että näillä soluelimillä ja bakteereilla on rengasmainen DNA:sta muodostunut genomi.
Eliökunnan sukupuu ja endosymbioosi.
Soluhengitystä hyödyntävät bakteerit kehittyivät vähitellen mitokondrioiksi, ja fotosynteesiin kykenevistä bakteerista kehittyivät viherhiukkaset.
Tämän endosymbioositeorian mukaan tumallisten solujen viherhiukkaset ja mitokondriot ovat alun perin olleet bakteereita. Tätä näkemystä tukee se, että näillä soluelimillä ja bakteereilla on rengasmainen DNA:sta muodostunut genomi.
Eliökunnan sukupuu ja endosymbioosi.
9.6 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 tumalliset ja monisoluiset eliöt kehittyivät elämän esiajan lopulla.
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 tumalliset ja monisoluiset eliöt kehittyivät elämän esiajan lopulla.
9.7 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.
Monisoluisuus ja suvullinen lisääntyminen olivat merkittäviä käännekohtia evoluutiossa. Suvullinen lisääntyminen mahdollistaa perinnöllisen muuntelun määrän kasvun. Munasolu ja siittiöitä.
Yhteenveto
| Ajanjakso | Miljoonaa vuotta sitten | Tärkeimmät tapahtumat | Uudet eliöryhmät |
|---|---|---|---|
| Elämän synty | 4 600 | Orgaanisten yhdisteiden syntyminen, alkusolun synty | Tumattomat (esitumaiset) |
| Elämän esiaika | 4 600 – 550 | Fotosynteesi, tuma, soluelimet, suvullinen lisääntyminen, monisoluisuus | Bakteerit ja arkeonit (eli tumattomat), tumalliset: ensimmäiset monisoluiset eläimet |
| Elämän vanha aika | 550 – 250 | Kambrikauden räjähdys, elämän nousu maalle | Eläinkunnan pääjaksot (+ selkärankaiset), sammalet, sanikkaiset, paljassiemeniset |
| Elämän keskiaika | 250 – 65 | Matelijoiden valtakausi | Matelijat, linnut, nisäkkäät, koppisiemeniset kasvit |
| Elämän uusi aika | 65 – | Alussa dinosaurusten massasukupuutto, lintujen ja nisäkkäiden monimuotoistuminen |
Kuvagalleria: Elämän kehityksen alkuvaiheet ja maailmankaudet
Tiivistelmä
- Elämän historia jaetaan neljään maailmankauteen: esiaika (luku 9), vanha-, keski- ja uusi aika (luku 10)
- Elämän esiaika:
- Maapallo syntyi noin 4,6 miljardia vuotta sitten.
- Kemiallisessa evoluutiossa syntyi elämälle tärkeitä aineita, jotka liittyivät yhteen.
- Elämän rakennusaineet kerääntyivät kalvorakkulan sisään ja muodostui ensimmäinen alkusolu. Tästä alkoi biologinen evoluutio.
- Elämän esiajalla kehittyivät kemosynteesi ja fotosynteesi sekä happea hyödyntävä soluhengitys.
- Varhaisille tumallisille eliöille kehittyi tuma. Mitokondriot ja viherhiukkaset syntyivät endosymbioosin seurauksena.
- Monisoluiset eliöt ja suvullinen lisääntyminen kehittyivät elämän esiajan lopulla.