Kirjoittaja on Geologian tutkimuskeskuksessa työskentelevä geomikrobiologi, joka tutkii ympäristömikrobien toimintaa, monimuotoisuutta ja yhteyksiä kiviin, sekä toimii Suomen edustajana European Astrobiology Network Association:issa eli EANAssa.

Maapallolla elämä rajautuu tropopaussiin yläilmakehässä ja n. 10 km syvyyteen syvällä kallioperässä ja merenpohjan alla, eli vain pienenpieni parinkymmenen kilometrin paksuinen kaistale maapallon pinnan molemmin puolin sisältää kaiken tunnetun elämän maailmankaikkeudessa.

Kasvit muodostavat pääosan pinnan päällisestä biomassasta maapallolla, n. 450 gigatonnia. Esitumalliset eliöt eli bakteerit ja arkeonit ovat kuitenkin hyvänä kakkosena, 77 Gt, ja niiden valtakunta on erityisesti maankamaran pinnan alla. Yli 80 % sekä bakteerien ja arkeonien kokonaisbiomassasta on syväbiosfäärissä¹. Solumäärissä tämä tarkoittaa 2-6 x 10²⁹ solua, joka on heittämällä yli universumin tähtien arvioidun määrän. Luku kuulostaa suurelta, mutta mikrobisolut ovat hyvin pieniä, yleensä alle pari mikrometriä läpimitaltaan, ja jakautuneet maankuoren valtavaan kivimassaan. Solutiheys onkin syväbiosfäärissä aika matala, usein vähemmän 1 x 10⁴ eli 10 000 solua/ml vettä². Jos tätä verrataan vaikka tavalliseen puutarhan maaperään, jossa teelusikallisessa maata voi olla yli miljardi solua, on syväbiosfääri huomattavasti väljemmin asutettu. On laskettu, että jos mikrobeja olisi vaikkapa viiden kilometrin syvyyteen asti kallioperässä suurin piirtein tällä tiheydellä, koko se mikrobibiomassa voitaisiin levittää puolentoista metrin kerrokseksi kaikkien mantereiden päälle³!

Mikrobien elämää ja levittäytymistä kallioperässä säätelevät fyysinen tila ja veden saatavuus, sopivien energia- ja ravinnelähteiden saatavuus, lämpötila ja paine. Syväbiosfäärissä vallitsee ääriolosuhteet monen näiden tekijöiden takia, ja tämä selittää myös sen, että pääosin esitumallinen elämä on vallannut tämän elinympäristön. Elämää voi nykytietämyksen mukaan olla vain siellä, missä on nestemäistä vettä, eli kallion huokosissa, halkeamissa tai suuremmissa rakovyöhykkeissä. Joskus rakovyöhykkeet ovat voineet olla miljoonia vuosia eristyksissä maan pinnan vesikierrosta, joskus taas matala pohjavesi tai merivesi sekoittuu aktiivisesti näihin kallioperän rakovyöhykkeisiin. Pintavedet voivat ruokkia syväbiosfääriä matalammissa kallioperän osissa, mutta mitä syvemmälle mennään, sitä todennäköisempää on, että vedet ovat vanhoja, ja mikrobit joutuvat käyttämään mitä kiviympäristöstään irti saavat. Kanadasta, Timminsin kultakaivoksesta 2,8 km syvyydestä on määritetty jopa yli 2 miljardin vuoden ikäisiä vesiä⁴! Suomen kallioperä on paikoitellen yli 2 miljardia vuotta vanhaa, mutta tähän mennessä meiltä löytyneet vanhimmat vedet ovat n. 50 miljoonan vuoden ikäisiä, Outokummun paleoproterotsooisesta kallioperästä⁵. Mikäli maan pinnalta ei virtaa fotosynteesillä tuotettua energiaa ja ravinteita syväbiosfääriin, kivien keskellä elävien mikrobien täytyy olla kemolitotrofeja eli kemiallisella energialla eläviä, kiviä syöviä eliöitä.

Useimmat syvät ympäristöt ovat vähäravinteisia eli oligotrofisia. Vaikka vedellä on aikaa liuottaa kivimateriaalia, elämälle tärkeimmät rakennuspalikat hiili, vety, typpi, happi, rikki ja fosfori voivat olla vähissä. Vesiin liuenneet kaasut, kuten hiilidioksidi tai metaani ovat sopivia hiilenlähteitä kemolitotrofisille eliöille. Hapen puute syvällä kallioperässä ei näitä mikrobeja haittaa, sillä niiden soluhengityskoneisto voi käyttää vaikkapa rautaa, mangaania, sulfaattia tai hiilidioksidia elektronin vastaanottajana. Vety on tyypillinen elektroninluovuttaja kemolitotrofien aineenvaihdunnassa, ja vetyä syntyy kallioperässä esimerkiksi kivimateriaalin mekaanisen hajoamisessa eli kataklaasissa, ja veden radioaktiivisen hajoamisen seurauksena. Myös maafisten ja ultramaafisten kivilajien muuntumisessa muodostuu vetyä. Yksinkertaisimmillaan syväbiosfäärin ravintoketjun primäärituottajat käyttävät kallioperän tarjoaman hiilidioksidin ja vedyn, saaden niistä energiaa ja kasvattaen biomassaa.

Lämpötila ja paine kasvavat mitä syvemmälle kallioperässä mennään. Ylin lämpötila, missä tunnettu elämä on mahdollista, on 122 °C. Ennätystä pitää nimissään Methanopyrus kandleri -arkeoni, joka löydettiin syvän merenpohjan kuumavesilähteestä⁶. Suomen kallioperässä pitää mennä jopa 7 km syvyyteen, ennen kuin lämpötila nousee yli 120 asteen. Myös paine-ennätyksen haltija on arkeoni, joka on löydetty samantyyppisestä ympäristöstä syvältä merenpohjasta. Thermococcus piezophilus kestää 125 Mpa:n painetta, ja on myös sopeutunut kuumiin olosuhteisiin⁷. Tämä on korkeampi paine kuin Mariaanien haudassa, ja mantereilla samoihin painelukemiin päästään vasta yli viiden kilometrin syvyydessä.

Syväbiosfäärin tutkimus voi auttaa meitä määrittelemään elämän rajat ja mahdollisuudet muilla taivaankappaleilla. Maankuoren syvät elinympäristöt muistuttavat osin mahdollisia Marsissa olleita tai tällä hetkellä olevia elinpaikkoja. Jotkut biosfääriympäristöt ovat samantyyppisiä, joita on arveltu löytyvän Jupiterin ja Saturnuksen jään peittämistä kuista Europasta ja Enceladuksesta⁸. Mikrobien monimuotoisuus ja monipuolisuus, joka uusien lajien löytymisen kautta jatkuvasti kasvaa, ei lakkaa ihmetyttämästä, ja toisaalta antaa meille mahdollisuuden kuvitella entistä oudompia mahdollisuuksia elämälle, jopa oman Aurinkokuntamme ulkopuolella. Tästä enemmän seuraavassa blogissani!

P.S. Ensi keväänä järjestetään Biennial European Astrobiology Conference eli BEACON La Palman saarella Kanarialla, eli jos mielesi halajaa Espanjan aurinkoon, nyt riipustelemaan abstraktia, dl on tammikuun lopussa! Ohjelma ja muut tärkeät tiedot täältä https://europeanastrobiology.eu/beacon/

Ennen BEACONia järjestetään lisäksi kolmipäiväinen AbGradE-konferenssi nuorille tutkijoille.

1.          Bar-On, Y. M., Phillips, R. & Milo, R. The biomass distribution on Earth. Proc Natl Acad Sci U S A 115, 6506–6511 (2018).

2.          Magnabosco, C. et al. The biomass and biodiversity of the continental subsurface. Nat Geosci 11, 707–717 (2018).

3.          Gold, T. The deep, hot biosphere. Proc Natl Acad Sci U S A 89, 6045–6049 (1992).

4.          Holland, G. et al. Deep fracture fluids isolated in the crust since the Precambrian era. Nature 497, 357–60 (2013).

5.          Kietäväinen, R. et al. Noble gas residence times of saline waters within crystalline bedrock, Outokumpu Deep Drill Hole, Finland. Geochim Cosmochim Acta 145, 159–174 (2014).

6.          Takai, K. et al. Cell proliferation at 122 degrees C and isotopically heavy CH4 production by a hyperthermophilic methanogen under high-pressure cultivation. Proc Natl Acad Sci U S A 105, 10949–10954 (2008).

7.          Dalmasso, C. et al. Thermococcus piezophilus sp. nov., a novel hyperthermophilic and piezophilic archaeon with a broad pressure range for growth, isolated from a deepest hydrothermal vent at the Mid-Cayman Rise. Syst Appl Microbiol 39, 440–444 (2016).

8.          Preston, L. J. & Dartnell, L. R. Planetary habitability: Lessons learned from terrestrial analogues. Int J Astrobiol 13, 81–98 (2014).