Moni kuvaa elämän syntyä tarinana, jossa kemia ”kokeilee” miljoonia vuosia ja lopulta ”löytää” toimivan ratkaisun. Kun katsoo asiaa synteettisen kemian ja laboratoriotyön näkökulmasta, tarina ei enää kuulostakaan uskottavalta. Synteettisen orgaanisen kemian kokemukset osoittavat, että tarvittavien välivaiheiden tuotteet hajoavat, harhautuvat sivureiteille tai katoavat veden mukana ennen kuin ehtivät edetä seuraavaan vaiheeseen. (Katso synteettisen kemian selitys artikkelin lopusta.)
Laboratorio opettaa: aika, matka ja energia eivät ole elämän spontaanin synnyn kavereita
Monet elämälle tärkeät molekyylit pysyvät luonnossa kasassa vain hetken. Jos seuraava reaktio ei tapahdu nopeasti, välituote palaa lähtöruutuun tai muuttuu joksikin hyödyttömäksi elämän synnyn etenemisen kannalta.
Pitkä aika onkin siten vihollinen eikä ratkaisija. On helppoa sanoa, että ”miljoonat vuodet hoitavat loput”. Mutta jos yksittäinen välituote kestää vain tunteja tai minuutteja, ajasta ei ole apua. Yksi askel ei auta, jos se hajoaa ennen jatkoa.
Pitkä matka on myös vihollinen. Vesi laimentaa, virrat kuljettavat väärään paikkaan, valo ja lämpö hajottavat. Välituote, jonka pitäisi kohdata seuraava "kumppaninsa" kohti solun syntymää, ehtii yleensä kadota kauan ennen kuin se ajelehtii määränpäähänsä.
Korkea energia ei ratkaise. Ajatus ”lisää energiaa, niin reaktio monipuolistuu” toimii harvoin. Kun reaktantteja on monia, paljon energiaa tekee lopputuloksesta sekavan sekoituksen. Silloin syntyy paljon kaikkea muuta ja vain vähän sitä, mitä tarvitaan. Kemian kielellä saanto on häviävän pieni.
Erilaiset olosuhteet. Eri reaktiot taas tarvitsevat erilaisia olosuhteita. Olosuhteiden muuttaminen ei luonnossa ole nopeaa. Kuumasta kylmään tarvitaan joko paljon aikaa tai pitkää matkaa. Kosteasta kuivaan taas paljon energiaa ja aikaa. Emäksisestä happamaan monia eri prosesseja, jotka taas vievät aikaa. Tässä oli vain muutamia olosuhde muutoksia monesta tarvittavasta.
Yhteinen johtopäätös synteettisestä kemiasta: elämän kannalta tärkeiden reaktioiden pitäisi tapahtua nopeasti, lähellä toisiaan, vaihtuvissa olosuhteissa ja valikoidusti. Muuten ketju katkeaa ja mitä pidempään joutuu odottamaan, sitä varmemmin se katkeaa.
Suuri ristiriita: kaaos vastaan järjestys
Laboratoriossa pyritään hallintaan. Valitaan (usein ostetaan kaupallisilta toimijoilta) puhtaat lähtöaineet, oikea järjestys ja sopiva lämpötila. Varhaisella Maalla tällaista kemistiä ei ollut. Ajatus ”luonnon kaaos kokeilee kaiken” törmää siihen, että kaaos myös rikkoo sen, mikä juuri muodostui. Pitäisi olla tarkkaan harkittu järjestys, jossa olosuhteet nopeasti vaihtelevat kuumasta aina jäätymiseen asti ja monien muiden parametrien vaihtelut huomioiden.
Tässä on perusristiriita: kaaosreaktiot tuottavat paljon vaihtoehtoja, mutta kaaos myös hajottaa lupaavat välituotteet ennen kuin ne ehtivät edetä. Synteettisessä kemiassa kaikkea tätä hallitaan kovalla työllä: valikoidaan välituotteet, siivotaan roskat ja muutetaan olosuhteita nopeasti tarkkaan harkiten - ei pitkiä aikoja odotellen.
Siksi pelkkä ”keitos meren rannalla” ei riitä elämän synnyn selitykseksi.
Mikä voisi auttaa?
Tutkijat ovat ehdottaneet luonnon ”suodattimia”, jotka voivat parantaa tilannetta. Mineraalipinnat ja huokoinen kivi voisivat olla näitä mikrokokoisia alimaailmoja, jotka tarjoavat erilaisia olosuhteita lähellä toisiaan: Pinta voi kerätä molekyylejä lähekkäin, vähentää veden vaikutusta ja hidastaa karkaamista. Tämä voi antaa välituotteelle lisää aikaa kohdata seuraava kumppani ja edetä seuraavaan vaiheeseen.
Valon ja lämmön paikalliset pulssit tarkkaan valikoiden ja huokoinen säilyttävä pinta voisivat altistaa molekyylin valolle tai lämmölle juuri oikeassa hetkessä. Energia toimii silloin tarkkaan valikoituna työntönä eteenpäin eikä pelkkänä hajottajana.
Pienet mikroympäristöt kuten tällaiset kiven huokonen tai suolainen tasku voisi toimia kuin luonnon oma minireaktori. Etäisyydet olisivat mikroskooppisia olosuhteista toiseen, joten ”pitkää aikaa ja matkaa” olosuhteiden välillä ei siten syntyisi.
Nämä tällaiset ajatukset toimivat kyllä elämän synnystä kertovilla youtube-videoilla, mutta eivät käytännössä. Tällaisia toimivia mikromaailmareaktoreita ei ole löydetty eikä pystytty laboratoriossakaan älykkäästi suunnittelemalla rakentamaan. Synteettisen kemian ammattilainen tietää, että teollisten molekyylien valmistamisesta saatu kokemus kertoo aivan muuta kieltä.
Kolme vaatimusta, joiden on pakko täyttyä
Olipa ehdotettu selitys mikä tahansa, sen on läpäistävä nämä synteettisen kemian vaatimukset:
1. Nopeus: Seuraavan vaiheen on tapahduttava ennen kuin edellinen välituote hajoaa. Ei riitä, että se on mahdollista – sen on tapahduttava käytännössä ajoissa.
2. Läheisyys: Reagoivien osien on oltava fyysisesti lähellä. Milleistä mikrometreihin, ei kilometrejä eikä edes metrejä vapaassa vedessä. Erilaisia olosuhteita tarvitaan useita ja nopeasti vaihdellen: Ne ovat kuitenkin luonnossa kaukana toisistaan ja hitaasti vaihtuvia.
3. Valikointi ja poistuminen: Kun hyödyllinen tuote syntyy, sen on hyvä poistua sivureaktioiden aineiden ulottuvilta. Muuten sekin päätyy takaisin sekamelskaan. Mikä voisi puhdistaa sivutuotteet nopeasti pois? Muu kuin ihminen laboratoriossa.
Ilman näitä kolmea ehtoa ketju ei pysy kasassa. Pitkä aika ei suinkaan auta tässä asiassa, vaan tekee prosessin etenemisestä mahdotonta juuri väliaineiden hajoamisen (takaisin alkuperäiseen muotoonsa) vuoksi. Mitä enemmän aikaa, sitä varmemmin ollaan takaisin lähtöpisteessä.
”Solun alkuräjähdys”: miksi moni asia olisi pitänyt tapahtua kerralla
Jos välituotteet eivät kestä odottamista, seuraa väistämätön johtopäätös: useiden osien olisi pitänyt syntyä samassa paikassa ja samaan aikaan ja niiden olisi pitänyt löytää toisensa nopeasti. Tämä ei tarkoita kirjaimellista räjähdystä, vaan äkillistä kynnysilmiötä: kun juuri oikea yhdistelmä pitoisuuksia, pintoja ja syklistä energiaa osuu kohdalle, kokonaisuus ”syttyy” toimimaan. Se on hyvin vaativa vaatimus – mutta se sopii paremmin yhteen laboratoriohavaintojen kanssa kuin ajatus hitaasta odottelusta.
Missä tiede nyt – rehellinen tilannekuva
Synteettinen kemia toimii armottomana opettajana: se kertoo, että aika, matka, moninaisuus ja vapaa energia kääntyvät elämän alkua vastaan.
Luonnon ”suodattimista” on toiveunia, mutta ei mitään esimerkkiä. Siksi elämän synnyn kemia on monen yhtäaikaisen ongelman keskellä ilman varmaa suuntaa.
Näitä synteettisen kemian ongelmia varjostaa vielä suurempikin ongelma: mistä olisi syntynyt tähän prosessiin tieto ja tietojenkäsittely. Milloin molekyyli olisi alkanut itsekseen kopioimaan ja kirjoittamaan perimää ja siitä riippuvat prosessit olisivat käsitelleet tätä tietoa samalla tavalla.
 |
Jos haluat kuulla tämän saman todelliselta asiantuntijalta, ehdotan kuuntelemaan James Touria: https://www.youtube.com/@DrJamesTour/featured
---
Tietolaatikko: Synteettinen kemia
Mikä se on?
Synteettinen kemia on tieteenala, jossa suunnitellaan ja rakennetaan uusia molekyylejä. Tavoitteena on tuottaa haluttu aine – esimerkiksi lääke, materiaali tai reagenssi – hallitusti ja toistettavasti.
Miten se toimii?
• Suunnittelu: Päätetään kohdemolekyyli ja reittikartta, eli millaisista lähtöaineista ja välivaiheista se rakennetaan.
• Reaktiot ja olosuhteet: Valitaan liuotin, lämpötila, paine, katalyytti ja reagenssit, jotka ohjaavat sidosten muodostumista oikeaan suuntaan.
• Eristys ja puhdistus: Kun reaktio on valmis, tuote erotetaan seoksesta (esim. suodatus, uutto, kromatografia) ja puhdistetaan.
• Tunnistus: Varmistetaan rakenne ja puhtaus analyyseillä (esim. NMR, massaspektrometria, IR).
• Optimointi: Parannetaan saantoa, nopeutta, turvallisuutta ja kustannuksia toistamalla ja säätämällä ehtoja.
• Monivaiheisuus: haluttuun lopputuotteeseen harvoin päästään yhdellä vaiheella vaan välivaiheita on useita ja jokaisessa niissä on omat haasteensa.
Missä sitä käytetään?
• Lääkekehitys: Uusien vaikuttavien aineiden ja niiden välituotteiden valmistus.
• Materiaalit: Polymeerit, väriaineet, pinnoitteet, akut ja aurinkokennot.
• Maatalous: Kasvinsuojeluaineet, biosignaalimolekyylit.
• Hienokemia ja teollisuus: Hajusteet, makuaineet, katalyytit, erikoiskemikaalit.
• Tutkimus ja opetus: Mallimolekyylit, merkkiaineet, rakenteen–ominaisuuden suhteiden selvitys.
Miksi se on tärkeää?
Se mahdollistaa kokonaan uusien ominaisuuksien luomisen – paremman tehon, turvallisuuden, kestävyyden ja skaalautuvuuden – eikä rajoitu luonnossa valmiiksi esiintyviin aineisiin.
Haasteet ja rajoitukset
• Sivureaktiot ja matalat saannot, jos olosuhteet eivät ole tarkasti hallinnassa.
• Turvallisuus ja ympäristökuormitus (myrkylliset reagenssit, jätteet).
• Skaalaus laboratoriosta teolliseen tuotantoon vaatii usein uusia ratkaisuja.
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti