Elinkelpoisen planeetan ja elämän synnyn olosuhteista

Kirsi Lehto

17.2.2022

Avaruustutkijoiden ja tähtitieteilijöiden uusin innostuksen ja ylpeyden aihe, James Webb teleskooppi on päässyt turvallisesti perille sijoituskohtaansa Lagrange 2 pisteeseen, noin 1,6 miljoonan kilometrin päähän maasta. Se on saanut monimutkaiset peilirakenteensa avattua, ja noin viikko sitten on jo lähettänyt ensimmäisen tähtivalokuvansa maahan. Tutkijat ovat tyytyväisiä, vaikka kaikkien 18 peilin tarkkaan suuntaamiseen menee vielä paljon työtä.

Tämän teleskoopin tarkka erottelukyky mahdollistaa että sillä voidaan nähdä himmeämpiä ja kaukaisempia kohteita, syvemmälle maailmankaikkeuden historiaan, kuin millään muulla instrumentilla tähän mennessä. Sen infrapuna-spektrometreillä on mahdollista nähdä myös paksujen pölypilvien sisälle. Tätä ominaisuutta tullaan käyttämään monien juuri syntymässä olevien planeettakuntien ja kertymäkiekkojen tutkimiseen. Tavoitteena on selvittää tarkemmin planeettakuntien muodostumista, ja erityisesti sitä mitkä tekijät vaikuttavat syntyvien planeettojen elinkelpoisuuteen.

Planeetan elinkelpoisuus on meille erinomanisen tärkeä kysymys, ja toistaiseksi siihen vaikuttavia tekijöitä tunnetaan aika huonosti. Tiedämme että oma planeettamme on aurinkokunnassa ainoa selkeästi elinkelpoinen taivaankappale, emmekä tiedä onko vastaavia olosuhteita, tai muita mahdollisesti elämälle kelvollisia olosuhteita olemassa muuallakaan exoplaneettakunnissa.

Yleisissä puheissa planeetan elinkelpoisuutta määritetään yleensä vain hyvin yksinkertaisella parametrilla, eli sillä, sijaitseeko se tähteensä nähden ns. elämänvyöhykkeellä, i.e. etäisyydellä missä tähden säteilyenergiaa tulee sen verran että se pitäisi veden nestemäisessä muodossa. Lisäksi tähden säteilyominaisuuksissa huomioidaan myös sen purkausaktiivisuutta – eli sellaista aktiivisten säteilypurkausten määrää, joka olisi tuhoisaa  elämän vyöhykkeellä kiertävälle planeetalla. Tämä ongelma koskee lähinnä punaisten kääpiöiden ympärillä olevia planeettoja. Suurten jättiläistähtien ympärillä ongelma taas olisi näiden lyhyt elinikä, joka ei antaisi eliökunnalle riittävästi aikaa syntyä, tai ainakaan kehittyä. Parhaita, turvallisimpia  ja kohtalaisen pitkäkestoisia elinympäristöjä ilmeisesti löytyy juuri keskisuurten G ja K spektriluokan tähtien ympäriltä.

Meillä täällä Maassa asiat ovat sijainnin suhteen hyvin: sijaitsemme  lempeän G-luokan tähden elämänvyöhykkeen keskivaiheilla.

Mutta tämä ei tosiaankaan vielä riitä tekemään olosuhteita täällä elinkelpoisiksi. Elämä tarvitsee ympäristöönsä vettä, hiilidioksidia, ja muitakin orgaanisen kemian rakennusainetia. Siis planeetalla pitää olla sopiva painovoima joka pitää sen ympärillä sopivan paksuisen ilmakehän, ei liian suurta (joka muuttaisi veden jääksi), eikä liian pientä (joka päästäisi veden hajoamaan vedyksi ja hapeksi, ja haihtumaan avaruuteen). Tosin tällainen planeetta saattaisi myöhemmin tuottaa aerobiselle elämälle kelvolliset hapelliset, joskin vedettömät olosuhteet.

Stabiilia ilmakehää tarvitaan pitämään yllä sopivan kokoista ilmanpainetta, mutta siinä tarvitsee olla myös sopiva määrä kasvihuonekaasuja jotka pitävät planeetan ilmastoa ja lämpötilaa sopivasti sulan veden alueella. Maa-planeetalla kasvihuonekaasujen lämmittävä vaikutus on tällä hetkellä n. 30o, ja ilman niitä tämä olisi pysyvästi paksun jään peitossa oleva planeetta.

Paitsi ilmastosyistä, hiilidioksidia tarvitaan ilmakehässä tietysti myös eliökunnan rakennusaineiksi. Molemmista syistä on tärkeää että sen pitoisuus ilmakehässä pysyy jotakuinkin vakaana. Tämä ei kuitenkaan ole itsestään selvää. Jos planeetalla on runsaasti vettä (meriä), hiilidioksidi liukenee veteen, ja muodostaa mineraali-ionien kanssa karbonaatteja, jotka saostuvat merien pohjalle. Tällainen poistuma voi vähitellen viedä tämän välttämättämän hiilivaraston kokonaan meren pohjan sedimentteihin, jonka seurauksena planeetta viilentyisi jäiseksi (tämä mekanismi on voinut hävittää osan Marsin ilmakehästä). Toisaalta, jos planeetalla ei ole meriä jotka absorboisivat pois ylimääräistä hiilidioksidia (tai jos lämpötila on jo noussut niin ylös että myös kaikki vesi on kaasumaisessa muodossa), suuri osa maan kuoren hiilestä päätyy vähitellen ilmakehään kaasumaiseen muotoon tulivuorenpurkausten kautta. Tästä syntyy suuri ja hallitsematon kasvihuoneilmiö, joka lämmittää planeetan pintakerroksia liian kuumaksi, kuten on käynyt Venuksella. VAIN MAASSA on  toiminnassa hieno, planeetan laajuinen säätelyjärjestelmä, eli TEKTONIIKKA, joka hitaasti kuljettaa meren pohjiin saostuneita hiiliyhdisteitä syvälle maan vaippaan. Sieltä ne taas aikanaan vapautuvat tulivuorten kautta takaisin ilmakehään. Tämä suuri hiilen kierto pitää planeetan ilmakehän kaasukoostumusta suhteellisen vakaana.

Tektoniikan syntymekanismia ei tarkkaan tunneta, mutta sen oletetaan riippuvan Maan kuoriosan paksuudesta, lämpötilasta ja koostumuksesta.

Tektoniikan ohella toinen tärkeä, elämää suojelava mekanismi on Maan magneettikenttä, joka estää  kovan hiukkassäteilyn pääsyn planeetan pinnalle. Kolmas tärkeä suojatekijä on eliökunnan itsensä tuottama hapekas ilmakehä, ja erityisesti sen ylöosassa sijaitseva otsonikerros, joka estää UV-säteilyn pääsyn planeetan pinnalle. Vasta tämä tekijä on mahdollistanut eliökunnan kehittymisen monimutkaiseksi ja levittäymisen kuivalalle maalle.

Kaikki edellä mainitut tekijät ja olosuhteet ovat koko ajan asettaneet rajaehtoja eliökunnan olemassaololle. Olemassaoleva eliökunta on aina kuitenkin kyennyt sopeutumaan olosuhteiden muutoksiin, ja nämä ovat sitten aikojen mittaan ohjanneet elämän kehitystä uusiin suuntiin, kohti korkeampaa monimuotoisuutta ja monimutkaisuutta.

Kaikista kriittisimmin (ainakin minun mielestäni) olosuhteet  ovat kuitenkin vaikuttaneet planeetan elinkelpoisuuteen juuri elämän synnyn aikoihin, siis jo pian planeetan muodostumisen jälkeen. Tässä vaiheessa ainakin Maan olosuhteet ovat olleet jotakin aivan muuta kuin mitä ne ovat olleet koskaan sen jälkeen.

Elämän syntyprosessin tarkkoja yksityiskohtia ei tunneta. On kuitenkin selvää että se perustuu hiilen spontaaniin pelkistymiseen, sitä seuraavan monimutkaisten orgaanisten reaktioketjujen spontaaniin käynnistymiseen, ja sellaisten molekyylien valikoitumiseen ja rikastumiseen jotka sitten edelleen spontaanisti ketjuuntuvat pitkiksi (toiminnallisiksi) molekyyliketjuiksi. Monimutkaisten molekyylien synty tarvitsee paljon raaka-aineita (hiiltä, typpeä, vetyä, happea, ja katalyyttisä mineraaleja), se tarvitsee paljon energiaa, mutta myös suojamekanismeja jotka ehkäisevät molekyylien hajoamista. Se tarvitsee ajoittain vettä joka kuljettaa aineita, ja välillä kuivumista joka konsentroi niitä ja edistää molekyylirakenteiden kasvamista ja monimutkaisuuden kasvua. Oletettavasti syklinen kastuminen ja kuivuminen olisi edullisin tilanne. Tällaisia olosuhteita saattaa löytyä vain kuivalta maalta, jota varhaiselle maa-planeetalle alkoi ilmestyä varhaisten tulivuorisaarten myötä. Korkeana vellova vuorovesiaalto olisi tarjonnut sopivasti toistuvaa kastelua, ja kuuma laavakenttä taas haihduttavia, kuivattavia ja konsentroivia olosuhteita.

Armen Mulkidjanian esittää kahdessa hypoteesiartikkelissaan (On the origin of life in the Zinc world: 1. Photosynthesizing, porous edifices built of hydrothermally precipitated zinc sulfide as cradles of life on Earth: http://www.biology-direct.com/content/4/1/26  ja: On the origin of life in the Zinc world. 2. Validation of the hypothesis on the photosynthesizing zinc sulfide edifices as cradles of life on Earth http://www.biology-direct.com/content/4/1/27) seikkaperäisen teorian, missä kuumista lähteistä pulppuava mineraalipitoinen vesi saattoi luoda juuri sopivan energisoivan reaktioalustan näille saarille.

Mulkidjanian teoria perustuu sille, että maan vaipasta purkautuvaan kuumaan veteen liuonneet siirtymämetallien sulfidisuolat, ja erityisesti ZnS ja MnS, pystyvät virittymään kovassa UV-valossa niin korkealle energiatasolle, että ne pystyvät pelkistämään hiilidioksidia suoraan pieniksi orgaanisiksi hapoiksi, jotka edelleen käynnistävät krebsin syklin kaltaisen spontaanin reaktioreitin. Tähän vain tarvitaan riittävän suurta ilmanpainetta (> 10 atm) joka pitää lähteistä purkautuvan veden riittävän kuumana (200 – 300 C) niin että siirtymämetallien suolat pysyvät siinä liuokoisina. Tarvitaan myös runsaasti hiilidioksidia (tuo sama > 10 atm) ja tarvitaan hyvin voimakasta ja runsasta UV-säteilyä, joka virittää saaren pinnalle kiteytyneitä ZnS kiteitä (pimeässä tämä sama aine taas purkaa pois viritystään ja säteilee sinihohtoisena, ja tätä käytetty joskus fluoresoivissa laitteissa).  Juuri nämä olivat vallitsevat olosuhteet elämän synnyn aikoihin nuorella Maa-planeetalla.

Teorian mukaan Maan pinnalle tullut kova UV-säteily on ainoa riittävän voimakas ja pitkäkestoinen energialähde  ajamaan suurimittaista hiilen ja typen pelkistystä. Kuitenkin siinä ohella UV-valo on toiminut tuhoavana energiana. Elämän synnyn kannalta tämäkin on ollut välttämätön tekijä, sillä sen kautta ympäristössä ovat rikastuneet vain sellaiset molekyylit (kuten nukleotidiemäkset, nukleotidit ja niiden ketjut) jotka ovat muita paremmin kestäneet kovaa säteilyä. Luonnonvalinta on siis ohjannut elämän syntyä ja kehittymistä jo heti sen rakennusaineiden valinnasta lähtien. Vain sellaiset molekyylit, varhaiset solut ja (myöhemmin) eliölajit ovat valikoituneet ja selviytyneet, jotka ovat kestäneet vallitsevia olosuhteita.

Jossakin muualla, toisissa planeettakunnissa ja toisenlaisissa olosuhteissa voi lähteä kehittymää elämää, joka voi olla hyvinkin erilaista kuin se elämä minkä tunnemme täällä. Jokatapauksessa, se ensimmäinen ja tärkein ominaisuus sillä on se, että se kehittyy ympäröivien olosuhteiden ehdoilla, niiden valintapaineissa ja ohjauksessa.

Ehkä James Web teleskoopilla saatavien tutkimustulosten perusteella alamme tietää tarkemmin millaisia olosuhteita on tarjolla muilla, mahdollisesti elinkelpoisilla planeetoilla. Ehkä sitten noista olosuhteista voisimme tehdä jotakin päätelmiä siitä, millaista elämää ne saattaisivat ylläpitää. Jos vain mielikuvituksemme riittää pohtimaan mahdollisuuksia jotka ovat meille täysin tuntemattomia.

Keskustelu

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.