Eksoplaneetta hukassa

Planeettojen uumenissa — elämän uskomattomat mahdollisuudet maailmankaikkeudessa

7.9.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus

Kallio jalkojemme alla tarjoaa esillä ollessaan vaivalloisen kasvualustan männyille ja muille rankkoja olosuhteita kestäville, kitukasvuisille puille. Siihen puiden juuret eivät kiinnity kovin vahvasti ja vähät ravinteet huuhtoutuvat pois aina sateiden sattuessa. Karu ympäristön tekee kilpailusta vähäistä ja kasvussaan onnistuvista puista kallion valtiaita. Mutta niiden kasvu on hidasta ja kallioisen elinympäristön puilla ja muilla kasveilla kuivuuden mukanaan tuoma välitön kuolema uhkaa jatkuvasti, kuin yläpuolella roikkuva Damokleen miekka. Kallion päällä on silti hyvä kasvaa runsaassa valossa, jos kykenee yhteyttämään Auringon säteilyenergiaa ja ilman hiilidioksidia sokereiksi ja edelleen aineenvaihdunnan energiaksi ja rakennusaineiksi. Ja siihen puiksi kutsutut eukaryoottisolujen monimutkaiset organismit kykenevät. Missä on auringonvaloa, voi olla elämää, joka käyttää keräämänsä energian kasvuunsa. Auringon säteet eivät kuitenkaan yllä kaikkialle.

Olemme tottuneet ajattelemaan maaperän ja ilmakehän rajapinnan, sen maankamaran, jonka päällä kävelemme, olevan tuntemamme biosfäärin kehto. Mutta jo metsän keskellä havaitsemme biologisten organismien valloittaneen korkeudet. Sademetsissä valtaosa lajeista on latvustossa, jossa valo antaa elämän kasveille ja niitä ravintonaan käyttäville eläimille — latvuksen varjoon ja katveeseen saapuu vain murto-osa valosta ja siellä pärjää vain pieni osa kaikista sademetsien lajeista. Linnut, hyönteiset ja monenlaiset mikrobit ovat myös valloittaneet ilmakehämme kilometrien korkeuksiin asti, ja lentävät tai kulkeutuvat vaikeuksitta planeettamme korkeimpienkin vuorenhuippujen yli. Biodiversiteetti on siten levinnyt kaikkialle, minne ilmavirrat voivat kuljettaa organismeja.

Aivan viime vuosiin asti ajattelimme Maan tilavimpien elinympäristöjen olevan planeettamme kilometrien syvyisissä, lähes kauttaaltaan tutkimattomissa merissä. Mutta niitäkin suuremman tilavuuden kattaa elinkelpoinen kallioperä jalkojemme alla. Minne ikinä poraammekaan jopa kilometrien syvyisiä reikiä, löydämme mikrobeja, jotka eivät piittaa tuon taivaallista Auringosta, valosta, tai tavanomaisista ravinnesykleistä, joiden puitteissa oma lajimme on kehittynyt. Elämää on kiven sisällä kaikkialla planeetallamme, missä vain ei ole liian kuuma, jotta orgaaniset molekyylit tuhoutuisivat. Kallioperän sisällä on yli kaksi kertaa enemmän tilaa kuin kaikissa merissä yhteensä. Ja se kuhisee eläviä soluja.

---

Tieto elämästä syvällä jalkojemme alla on verrattaen uusi. Mutta kallioperä on yksi vanhimmista elinympäristöistä, joita on ollut olemassa ja joihin mikrobit ovat sopeutuneet vuosimiljardien saatossa. Elämä on luultavasti syntynyt merenpohjan vulkaanisen toiminnan ansiosta, paikoissa, joissa tulivuoritoiminta kohtaa jääkylmän merenpohjan veden. Olemme tottuneet ajattelemaan ensimmäisten elävien solujen synnyttyään vain valloittaneen meret ja lopulta mantereet mutta osa niistä löysikin elinkelpoisia paikkoja toisesta suunnasta, kallion sisältä, jossa ne edelleen kukoistavat kaukana tuliperäisistä alueista ja niiden lämpögradienttien muodostamista energiavirroista. Valon ja orgaanisten ravinnevirtojen tavoittamattomissa, mikrobit saavat aineenvaihduntansa ylläpitämiseen tarvittavan energian radioaktiivisen hajoamisen tuotteista. Mutta ne eivät luultavasti ole epätodennäköisiä, äärimmäisyyksiin tottuneita friikkejä — me planeetan pinnan erikoisen kaksiulotteisen ekosysteemin kädelliset nisäkkäät olemme.

Syvällä kallioperässä on kylmää, pimeää ja valtaisa paine. Mutta peruskallion ja merenpohjan sedimenttien sisällä on pieniä määriä radioaktiivisia aineita vapauttamassa energiaa hajotessaan. Niiden tuottama säteily voi hajottaa kallion lukemattomissa mikroskooppisissa halkeamissa ja taskuissa olevia vesimolekyylejä peroksideiksi tai vetyradikaaleiksi, joiden ärhäkästä reagoinnista ympäröivien mineraalien kanssa mikrobit saavat tarvitsemansa energian. Kyseessä on hidas tapa tuottaa riittäviä määriä energiaa ja orgaanisia molekyylejä, koska radioaktiivisten aineiden kuten uraanin pitoisuus on vain hyvin pieni, mutta hidaskasvuiset mikrobit voivat mainiosti tyydyttää aineenvaihdunta- ja energiatarpeensa maanalaisessa orgaanisten aineiden sopassaan.

Vaikka maan alaista biosfääriä ei voi vain mennä katsomaan ja tutkimaan, kaivoksista ja porausrei’istä saatuja näytteitä on voitu analysoida laboratoriossa ja ne ovat paljastaneet tärkeän vihjeen: heliumim. Toiseksi keveimmän alkuaineen esiintyminen syvällä maankuoressa on mahdollista vain radioaktiivisten aineiden hajotessa ja vapauttaessa alfa-hiukkasia, heliumatomin ytimiä. Samalla on syntynyt runsaasti vapaata vetyä, joka on mainiota ravintoa mikrobien aineenvaihdunnalle, sillä sitomalla sitä yhdisteiksi vapautetaan elämälle käyttökelpoista kemiallista energiaa. Elämä voi kukoistaa ydinreaktioiden varassa mutta mekanismiksi kelpaavat Auringon fuusioreaktion lisäksi myös muut ydinreaktiot.

Kallioperän biosfäärillä on tietenkin rajansa. Se voi ulottua vain niin syvälle, että lämpötila ei nouse liian korkeaksi tuhotakseen biologisia rakenteita nopeammin kuin niitä voidaan valmistaa. Samalla tilaa on aivan valtavasti — kaikkialla, jopa merenpohjien alla, on kilometreittäin maankuoren sedimenttikiveä, jonka sisällä olosuhteet mahdollistavat mikrobisolujen ikiaikaisen elämänkierron. Tutkijat ovat ottaneet näytteitä kallioperästä, jonka sisältämä vesi on ollut jopa kaksi miljardia vuotta eristyksissä planeettamme vesisykleistä. Sen sisältä paljastui runsaasti mikrobeja, jotka eivät elinympäristössään välitä tippaakaan Auringosta tai maanpäällisestä, meille tutummasta maailmasta. Syvällä maankuoressa esiintyvä elämä voisi olla aivan yhtä hyvin vaikkapa toisella planeetalla — niin vähän se vuorovaikuttaa maanpäällisen biosfäärin kanssa. Vertaus on tietenkin valittu tarkoitushakuisesti. Sopivaa kallioperää riittää Maan lisäksi muuallakin jo omassa aurinkokunnassamme ja sen ulkopuolella. Voisiko elämä kukoistaa muidenkin planeettojen kivisissä kuorikerroksissa, suojassa pinnan oikuttelevilta olosuhteilta?

Laajennettu elinkelpoinen vyöhyke

Planeetallamme on elämää aivan kaikkialla, missä biokemialliset reaktiot vain ovat lämpötilan ja paineen asettamissa puitteissa mahdollisia. Yläilmakehässä paine ja siten käytettävissä olevan aineen tiheys on niin pieni, että mikrobien aineenvaihdunta väistämättä pysähtyy. Liian kuumassa, suunnilleen 120 Celsiusasteen yläpuolella, lämpöliike tuhoaa biologisia molekyylejä nopeammin kuin niitä voi rakentaa. Mutta muutoin mikrobit pärjäävät suunnilleen kaikkialla, missä on ainetta ja biokemiallisiin reaktioihin valjastettavissa olevaa energiaa. Maan päällä energia saapuu Auringosta valona, sopivan energian omaavina fotoneina, jotka voidaan ohjata lataamaan biologisten organismien kemiallisia akkuja. Maan alla taas energia saadaan radioaktiivisesta hajoamisesta — tai geotermisellä energialla kuumaksi lämmitetystä merivedestä, johon liukenee runsaasti mineraaleja ja joiden kemiallista energiaa voi sitten vapauttaa hallitusti matalammissa lämpötiloissa. Näyttää yhä varmemmin siltä, että maanpäällinen elämä, johon itse olemme sopeutuneet, on vain omituinen pinnan olosuhteisiin sopeutuneiden kummallisten organismien verkosto. Elämä syntyi merenpohjan geokemiallisten prosessien osaksi ja on levinnyt sieltä laajalle planeettamme kuorikerroksen ja valtamerten sisällä. Pinnalla olevat organismit ovat planetaarisessa mittakaavassa vain anomalia.

Ei ole syytä arvella muualla olevan toisin. Tarvitaan vain vettä, radioaktiivisia aineita, ripaus sulfideja ja veteen liuenneita karbonaatteja hiilen lähteeksi, ja omavarainen elinkelpoinen paikka on valmis. Sellainen voi löytyä aivan mainiosti vaikkapa Marsin pinnan alta. Elämä on varmasti vaikeuksissa Marsin pinnalla, jossa hajanainen magneettikenttä ei tarjoa suurtakaan suojaa kosmiselta hiukkastuulelta. Ultraviolettisäteilykin pääsee pinnalle lähes esteettä kaasukehän ollessa ohut ja vailla sitä estävää otsonia ja vesihöyryä. Siten orgaaniset yhdisteet tuhoutuvat nopeasti Marsin pinnan olosuhteissa. Mutta tiedämme, että planeetan pinnan alla virtaa vesi — geologista aktiivisuutta on hiukan ja radioaktiivista hajoamista tapahtuu kallioperässä varmasti. Lämmönlähteet, paine ja suolaisuus riittävät varmasti pitämään ainakin pieniä määriä vettä nestemäisessä olomuodossaan Marsin pinnan alla. Vaikka havainnot eivät kerrokaan mitään siitä onko Marsissa eläviä kotoperäisiä organismeja, voimme päätellä Marsin kamarassa olevan ainakin otolliset olosuhteet elämän esiintymiselle. Elävät solut voivat mainiosti puuhata omia elämiseen — ravinnonhankintaan, aineenvaihduntaan ja lisääntymiseen — liittyviä prosessejaan Marsin pinnan alla, aivan kuten Maassakin. Kaikki elämään tarvittava aine ja energia on saatavilla.

Marsin elollisuus vaatii tietenkin sen, että elämä on saanut siellä alkunsa. Vaikka elämän synnystä ei yleisellä tasolla tiedetä paljoakaan yksityiskohtia, tiedämme, että Maassa elämää syntyi suunnilleen heti, kun planeetan pinta jäähtyi riittävän viileäksi alun laavakenttien ja meteoripommituksen jäljiltä ja valtameret pääsivät muodostumaan. Planeettamme syntyi noin 4.54 miljardia vuotta sitten mutta elämä sai alkunsa viimeistään 3.77, ehkäpä jo 4.41 miljardia vuotta sitten — elämä syntyi mahdollisesti vain 140 miljoonaa vuotta vanhassa maailmassa. Se on geologisessa ja tähtitieteelisessä mittakaavassa vain kosminen silmänräpäys, joten elämä on vallannut planeettamme käytännössä välittömästi, kun sen nykyiset geokemialliset prosessit ovat kunnolla käynnistyneet.

Samoin on hyvinkin voinut käydä Marsissa, jossa pohjoista puoliskoa peitti laaja valtameri planeetan nuoruudessa mahdollistaen samankaltaiset olosuhteet kuin Maassa. Jos Marsissa syntyi elämää, se on ehkäpä vain hävinnyt pinnalta merten mukana mutta porskuttaa pinnan olosuhteista välittämättä planeetan pinnan alla aivan kuten on tehnyt jo miljardeja vuosia. On hyvinkin mahdollista, että Marsista on vain hävinnyt kaksi merkittävää elinympäristöä. Valtameret hävisivät planeetan pinnan kuivuttua. Samalla katosi se maanpinnan virtaavien vesien, tuulten, sateiden ja eroosiota kokevan kallion maailma, joka on meidän näkökulmastamme erityisasemassa vain siksi, että se synnytti oman lajimme.

Pelkän kostean kiviaineksen havaittu elinkelpoisuus laajentaa galaksimme elinkelpoiseksi arveltua tonttimaata aivan valtavasti. Marsin ilmeisen elinkelpoisuuden lisäksi, lukuisilla eksoplaneetoilla on kivinen pinta ja vettä, mikä tekee niistä elinkelpoisia riippumatta sitä kuinka voimakkaasti niiden tähdet piiskaavat planettojaan säteilyllään ja hiukkastuulellaan. Pinnan alle säteily ei pääse ja elämä, jos se kiviainekseen on kerran päätynyt, ei lähde sieltä kuin vain koko planeetan pintakerrokset höyrystävien kosmisten törmäysten myötä. Elämä on tietojemme mukaan erittäin sitkeää ja hankalaa tapettavaksi kerran planeetalle juurruttuaan.

---

Kuuluisa havainto mahdollisista marsilaisista mikrobeista Etelämantereelta löydetyn meteoriitin ALH 84001 sisältä on tässä kontekstissa odotettu (Kuva 3.). Marsin pinnan alla bakteerit ovat voineet kehittyä omaltakin planeetaltamme tutuiksi pitkulaisiksi muodoiksi ja niiden jäännösten päätyminen meteoriittien mukana Maahan olisi siten jopa todennäköistä. Jos mikrobeja on kiviaineksen sisällä kaikkialla, niitä on silloin ilman muuta myös niissä kappaleissa, jotka päätyvät meteorien impaktien tuottamien paineaaltojen sinkauttamana avaruuteen ja aina toisille planeetoille asti. Aurinkokunnan planeetat eivät ole eristyksissä toisistaan, vaan ne vaihtavat ainetta ja mikrobit voivat siksi hyppiä planeetalta toiselle valloittaen lopulta jokaisen kelvollisen elinympäristön Aurinkokunnassa ja ehkäpä jopa sen ulkopuolella. Tässä kontekstissa panspermia ei ole vain mahdollisuus, vaan suorastaan vääjäämätön, yleinen tapahtumakulku galaksissamme.

Elävät solut ovat valloittaneet kaikki kuviteltavissa olevat paikat planeettamme pintakerroksissa. Mannerlaattojen ja merenpohjien alla olevissa kerroksissa on jopa 10³⁰ bakteerisolua — se on yhden kertaluvun tarkkuudella sama lukema kuin bakteerisolujen määrä Maan valtamerissä. Siten kallioperä on yksi suurimmista planetaarisista ekosysteemeistä, mikä saattaa kertoa siitä, että monet koko universumin yleisimmistä elävien organismien elinympäristöistä olisivatkin ikuisesti havaintojemme tavoittamattomissa planeettojen pintakerrosten alla. Tarvitaan vain kiviplaneetta, jonka kallioperässä on ripaus radioaktiivisia aineita ja runsaasti vettä, universumin yleisintä liuotinta ja yhdistettä. Sellaisilla planeetoilla elävät mikrobit vähät välittäisivät yrityksistämme määritellä elinkelpoisia vyöhykkeitä vain huomioiden pintalämpötilojen kaltaisia meille tuttuja suureita, joiden arviointi sattuu olemaan suhteellisen helppoa.

Tarkasteltaessa kandidaatteja elinkelpoisiksi planeetoiksi voidaan havaita elinkelpoisen kallioperän olevan yleistä. Abel Mendezin johtama Planetary Habitability Laboratory on listannut tunnettuja eksoplaneettoja elinkelpoisten eksoplaneettojen luetteloonsa perustuen niiden maankaltaisuuteen, jota he ovat mitanneet erilaisilla indekseillä. Listan 24 maankaltaisinta planeettaa muodostavat siten hyvän näytteen potentiaalisesti elinkelpoisista planeetoista. Hylkäämällä massaltaan yli kaksi kertaa oman planeettamme kokoiset planeetat, joiden kaasukehä on luultavasti paljon omaamme paksumpi heikentäen elinkelpoisuutta, jäljelle jää 15 Maan kokoluokan planeettaa. Niistä jokaisen kivisen pinnan alla on erittäin todennäköisesti elinkelpoista kallioperää riippumatta siitä onko vesi tai jopa kaasukehäkin hävinnyt planeettojen pinnoilta tähden aktiivisuuden, purkauksien ja tähtituulen vuoksi. Luettelon kärjessä ovat Teegarden b ja uusi TESS-avaruusteleskoopin löytö TOI-700 d mutta kuudennella sijalla on lähin naapurimme Proxima b. Ensimmäisen asteen approksimaationa voidaan arvioida, että näistä jokaisella on elinkelpoista tilaa kuoressaan suunnilleen saman verran kuin Maapallolla, mikä tarkoittaa, että jopa pinnaltaan todennäköisesti autioitunut Proxima b voi hyvinkin olla biosfäärin omaava planeetta, jos elämä yksinkertaisesti jäi kukoistamaa suojassa pinnan tappavilta säteilyolosuhteilta. Sen tutkimiseen ei kuitenkaan toistaiseksi ole edellytyksiä — tarvitaan vähintäänkin mahdollisuus suoraan kuvaamiseen, jotta voidaan saada mitään tietoa planeetan kaasukehästä tai geologiasta.

Maailmankaikkeutemme planeetat voivat hyvinkin olla elinkelpoisempia kuin olemme ajatelleet. Ehkäpä olemmekin olleet täysin väärässä ja elämän yleisyyden arvionti, joka on perustunut ainoastaan planeettojen pintojen fysikaalisiin olosuhteisiin, tuottaakin harhaanjohtavia arvioita. Olemme ehkä antaneet oman kokemuspiirimme sanella yleisempiä reunaehtoja elämälle, sen esiintymiselle ja yleisyyydelle. Se ei olisi ensimmäinen kerta — ennakko-oletukset ovat usein hidastaneet tieteellisen tiedon karttumista, koska tutkijat eivät ole tunnistaneet omia subjektiivisia oletuksiaan ja ajattelunsa rajoitteita. Ehkäpä maailmankaikkeuden elämä ei olekaan vain yleisempää kuin olemme kuvitelleet, vaan jopa yleisempää kuin olemme edes osanneet kuvitella vajavaisissa mielissämme. Onneksemme toisten elävien planeettojen tutkiminen auttaa tulevaisuudessa vastaamaan moninaisiin kysymyksiimme elämästä maailmankaikkeudessa — jos siis onnistumme sellaisia löytämään.

---

Teksti sai inspiraation Jordana Cepelewiczin kirjoituksista ”Radioactivity May Fuel Life Deep Underground and Inside Other Worlds” ja ”Inside Deep Undersea Rocks, Life Thrives Without the Sun”, Quanta Magazine. Suuret kiitokset Lotta Purkamolle asiantuntijuutensa lainaamisesta käyttööni.