Kaasukehän happi merkkinä yhteyttävästä elämästä — vai onko?
Elämä muokkaa elinympäristöään moninaisilla tavoilla aivan kuten ympäristö muokkaa elämää evoluution voimien välityksellä. Elävät organismit vaikuttavat aineenvaihduntatuotteidensa välityksellä kotiplaneettansa kaasukehän kemiaan omilla omalaatuisilla tavoillaan. Maassa planeettamme mikro-organismit oppivat kehityshistoriansa saatossa fotosynteesiksi kutsutun biokemiallisen reaktioiden sarjan, jotta saisivat tuotettua tehokkaammin energiaa epäorgaanisista yhdisteistä auringon valoa hyväkseen käyttämällä. Sen prosessin sivutuotteena planeettamme kaasukehä kuitenkin kyllästettiin vuosimiljardien kuluessa hapella. Happi puolestaan mullisti aivan kaiken. Se teki monisoluisesta elämästä energeettisesti mahdollista tarjoten uusia, tehokkaampia kemiallisia reaktiovaihtoehtoja energiantuotantoon. Samalla se kuitenkin sotki koko planeettamme kemian ja jätti hapettomiin olosuhteisiin sopeutuneet eliöt ikuisesti marginaaliin, Auringon parrasvalojen tavoittamattomiin.
Tyypillinen ennuste siitä, miten onnistumme tunnistamaan jonkin eksoplaneetan eläväksi planeetaksi omamme tapaan, pitää sisällään biomarkkereiksi kutsuttujen molekyylien havainnon planeetan kaasukehästä. Happi on tavallisesti katsottu molekyyliksi, jonka havaitseminen muutoin maankaltaisen planeetan kaasukehästä kertoisi aukottomasti elämän, ja erityisesti yhteyttävän elämän, esiintymisestä planeetan olosuhteissa. Ajatukseen on päädytty, koska vapaan hapen muodostumiselle kiviplaneetan olosuhteissa ei ole tunnettu ainoatakaan elotonta kemiallista mekanismia. Nyt se ajatus joudutaan hautaamaan, mikä tekee astrobiologisesta tutkimuksesta ja elävien planeettojen tunnistamisesta paljon haastavampaa kuin arveltiin.
Astrobiologian tutkijat, jotka pyrkivät kehittämään menetelmiä elämän merkkien löytämiseksi toisilta planeetoilta, ovat jo pitkään pohtineet mahdollisuuksia havaita elämän merkkejä eksoplaneettojen kaasukehissä. Samalla, kun tähtitieteilijät ovat rakentaneet instrumentteja, joilla maankaltaisten planeettojen kaasukehistä tehtävät havainnot ovat hiljalleen tulossa mahdollisiksi, kokonainen joukko kemistejä ja biokemistejä on pohtimassa mitkä kaasukehän molekyylit tosiasiallisesti kielisivät elämästä.
Oleellista on huomioida ensin mitä voidaan havaita, ennen sen pohtimista, mikä havainto kielisi elämästä. Tutkimalla läheisten kiviplaneettojen ylikulkuja, voimme tarkkailla kuinka paksulta planeetan kaasukehä näyttää eri aallonpituuksilla sen kulkiessa tähden editse. Koska eri molekyylit suodattavat eri aallonpituuksia omilla ominaisilla tavoillaan, voimme mitata kaasukehällisen planeetan näennäisen koon eri aallonpituuksilla selvittääksemme mistä molekyyleistä sen kaasukehä koostuu.
Menetelmä on ollut lähihistoriassa hyvin menestyksekäs. Aivan hiljattain raportoitiin ensimmäisestä onnistumisesta kivisen planeetan kaasukehän ominaisuuksien havaitsemisessa, kun 55 Cancri e planeetan kaasukehästä havaittiin hiilen, vedyn, hapen ja typen yhdisteitä. Havainto onnistui James Webb -avaruusteleskoopin suunnattoman infrapuna-alueen herkkyyden ansiosta. Webb on niin ikään valjastettu hiljattain havaitsemaan metaanin ja hiilidioksidin merkkejä planeetan K2-18 b kaasukehästä — kaasujättiläisten koostumuksen tarkkailu Webbin avulla on puolestaan jo jokseenkin rutiininomaista.
Ei aukottomia biomarkkereita
Kykenemme jo, ainakin periaatteessa, havaitsemaan merkkejä elämän tuottamista kemiallisista omituisuuksista toisten planeettojen kaasukehissä. Astrobiologit ovatkin koettanet kiivaasti pohtia millaisia ne merkit voisivat käytännössä olla. On yksi asia havaita jonkin kemiallisen yhdisteen signaali planeetan kaasukehässä mutta kokonaan toinen kysymys liittyy molekyylin olemassaolon tulkintaan merkkinä elämästä. Eikö todellakaan ole minkäänlaisia elottomia kemiallisia reaktioreittejä, jotka voisivat tuottaa molekyyliä havaittujen pitoisuuksien verran? Voivatko vastuussa olla geokemialliset prosessit, kuten tulivuoritoiminta? Voiko molekyyliä syntyä kaasukehässä tähden säteilyn avustuksella, valokemiallisissa reaktioissa? Voiko jokin tuntematon eloton kemiallinen reaktioketju tuottaa molekyyliä riittäviä määriä? On kyettävä sulkemaan pois useita erilaisia mahdollisuuksia ennen kuin minkään molekyylin voi sanoa kielivän elämästä.
Kaikkein tärkeintä on kuitenkin kokonaisuus: kaasukehän kemialliset ominaisuudet määrittävät mitä reaktioita voi tapahtua ja mitä ei, ja mitkä molekyylit voi tulkita biomarkkereina. Esimerkiksi maanpäällisen elämän aineenvaihduntansa fotosynteesireaktioissa tuottama happi hylätään kuona-aineena ilmakehään mutta se ei jää pelkäksi hapeksi, vaan reagoi edelleen. Oleellista on otsonin, kolmen happiatomin molekyylin, muodostuminen yläilmakehään, jossa se on niin havaittavana biomarkkerina kuin biosfäärin ultraviolettisäteilysuojanakin.
Planeetallamme elämä tuottaa ilmakehään hapen lisäksi myöskin ilokaasua, metaania, metyylikloridia, etaania, ammoniakkia, ja monia muita yhdisteitä, vaikkakin niitä esiintyy ilmakehässä huomattavasti happea vähäisempiä määriä. Metaani on tyypillinen hapettomissa oloissa toimivien mikrobien aineenvaihduntatuote, ja Maan mikrobit ovat tuottaneet sitä jo varhaisista ajoista lähtien. Nämä metanogeenit ovat vastuussa kuolleiden organismien hajottamisesta ja niitä löytyy kaikkialta vesistöistä maaperään ja jopa syvältä maankuoren sisältä. Metanogeenit kykenevät tuottamaan metaania lukuisissa erilaisissa kemiallisissa reaktioissa, joista jokainen kuitenkin tarvitsee katalyytikseen kallioperän mineraaleja ja liuottimekseen vettä. Reaktioiden reunaehdot saattavat kieliä niistä olosuhteista, joissa Maan elämä on saanut alkunsa. Samoissa olosuhteissa kuitenkin esiintyy myös elottomia kemiallisia reaktioketjuja, jotka tuottavat metaania. Metaani ei siis yksinään ole kovinkaan hyvä biomarkkeri. Metaani on lisäksi hyvin yleinen ja stabiili molekyyli, jota esiintyy runsaasti vaikkapa Saturnuksen kuun Titanin kaasukehässä. Sellaisissa hapettomissa (kemiallisesti pelkistävissä) olosuhteissa sen ei voidakaan katsoa olevan minkäänlainen biomarkkeri.
Mikrobit tuottavat Maassa ilokaasua osana typen kiertokulkua niiden aineenvaihdunnassa. Se katsotaan huomattavasti metaania paremmaksi biomarkkeriksi, koska sille ei ole osoitettu merkittäviä elottomia muodostumisreittejä. Ilokaasua muodostuu Maassa ilmakehään vain vähän, mutta sen etuna ovat voimakkaat spektriviivat ja siten havaittavuus pieninäkin, alle tuhannesosan pitoisuuksina. Ilokaasua kuitenkin syntyy esimerkiksi salamoinnin yhteydessä, joten voimakkaat ukkosmyrskyt planeetan kaasukehässä saattaisivat tuottaa ilokaasua riittävästi huijatakseen meidät luulemaan havainneemme elämän merkkejä. Myös aktiivisten tähtien hiukkaspurkaukset ja ultraviolettisäteily tuottavat planeetan kaasukehään osuessaan ilokaasua. Sen rooli biomarkkerina riippuu siis planeetan olosuhteiden lisäksi tähden aktiivisuudesta ja purkauksista.
Muillakin potentiaalisilla biomarkkereilla on vastaavankaltaiset ongelmansa, ja minkään yksittäisen molekyylin ei voida katsoa olevan selvä elämän merkki eksoplaneetan kaasukehässä. Ainoastaan vapaa happi on tyypillisesti nähty varmana biomarkkerina havaitessamme sitä merkittäviä määriä kivisen planeetan kaasukehästä. Maan kaasukehän happipitoisuus on vaihdellut merkittävästi vuosimiljardien kuluessa, joten elävillä planeetoilla ei välttämättä esiinnyt vapaata happea havaittavia määriä. On silti täysin selvää, että happea muodostui runsaasti vasta elävien organismien tuotettua sitä ainenvaihdunnassaan. Aivan samoin, otsonin havaitseminen kielisi elämästä, koska vapaata otsonia voi esiintyä vain siellä, missä on runsaasti vapaata happea, josta otsoni muodostuu ultraviolettivalon hajottaessa happimolekyylejä yläilmakehässä. Siksi oli valtaisa yllätys, kun tutkijat raportoivat löytäneensä merkittävän hapen lähteen merenpohjasta.
Merenpohjan noduulit happitehtaina
Meret ovat periaatteessa täynnä happea. Se on kuitenkin sitoutunut yhdeksi universumin yleisimmistä yhdisteistä muodostamalla vesimolekyylejä yhdessä vetyatomien kanssa. Vedestä voi tuottaa sopivissa olosuhteissa happea ja vetyä ja esimerkiksi teollisen vedyntuotannon elektrolyysi onnistuu sähkön avulla mainiosti mutta vaatii energiaa, koska kyse ei ole spontaanista reaktiosta. Elektrolyysissä tarvitaan tyypillisesti sähköä johtavat anodi ja katodi, jotka on asetettava erisuuruisiin sähköisiin potentiaaleihin, eli yhdistettävä esimerkiksi pariston eri napoihin. Toinen yhteys muodostetaan suolaisen veden välityksellä ja virtapiiri on valmis. Lopputuloksena positiivisesti varattu katodi vapauttaa happea ja negatiivisesti varattu anodi vetyä — vesimolekyylit saavat sähkövirrasta energiaa hajotakseen hapeksi ja vedyksi. Oleellista on veden toimiminen väliaineena ja eri sähköisten potentiaalien olemassaolo, jotta voi muodostua jännite-ero.
Anodi ja katodi voivat mainiosti muodostua sähköä hyvin johtavista metalleista. Sellaisia metalleja voisivat olla vaikkapa merenpohjan metallinoduuleiksi kutsutut esimerkiksi mangaanista, nikkelistä, koboltista ja kuparista koostuvat muodostelmat (Kuva 1.). Vaikka mekanismin yksityiskohdat eivät olekaan täysin selvillä, tutkijat havaitsivat metallinoduulien yhteydessä vapaan hapen muodostumista. Se viittaa vahvasti luonnolliseen elektrolyysiin hapen lähteenä.
Merenpohjan piti olla happipitoisuuksiltaan matala, pois lukien alueet, joissa pinnalta saapu happirikasta vettä ylläpitämään hapen suhteellisesti korkeampia pitoisuuksia. Happea aineenvaihdunnassaan käyttävien organismien piti joka tapauksessa olla harvinaista alueilla, joissa happipitoista vettä ei virtaa paikalle jatkuvalla syötöllä. Mutta luonto kieltäytyy ajoittain hyvinkin sinnikkäästi noudattamasta tutkijoiden sille asettamia odotuksia. Tutkijat törmäsivät asiaan kuin sattumalta tarkkailessaan merenpohjan eliöiden hapenkulutusta pohjaan asennettujen kammioiden avulla. Heidän suureksi yllätyksekseen, joissakin kammioissa happipitoisuus ei laskenutkaan, koska pohjan mineraalit tuottivat happea tuntemattomilla mekanismeilla. Kyse oli alueen metallinoduuleista, jotka tuottivat vapaata happea ylläpitämään merenpohjan hapesta riippuvaisia ekosysteemejä. Eikä hapentuotanto ollut mitenkään vähäistä, vaan jopa suurempaa kuin pintavesissä, joissa yhteyttävät sinilevät tuottavat vapaata happea.
Löydöllä on kauaskantoisia seurauksia. Noduulien esiintymisalueilla, jotka ovat erittäin houkuttelevaa merenpohjaa kaivosteollisuudelle, on ilmeisesti noduulien hapentuotannosta riippuvaisia ekosysteemejä, joiden tuhoutumisen estäminen on uusi rintama taistelussa ihmiskunnan aiheuttamia luonnontuhoja vastaan. Astrobiologisesti kyseessä on kuitenkin järisyttävä uusi tulos, koska vapaan hapen olemassaolon ei pitänyt olla mahdollista maankaltaisten planettojen olosuhteissa ilman elävien oganismien aineenvaihduntaa. Jos laajojen merenpohjan alueiden elämä onkin riippuvaista elottomasta hapentuotannosta, on hapen merkitys biomarkkerina vähintäänkin kyseenalaista muillakin planeetoilla.
Vapaata happea syvällä kallioperässä
Jos merenpohjan runsas hapentuotanto tuli yllätyksenä, sellaisena voi pitää toistakin tuoretta tulosta, jonka mukaan mikrobit tuottavat runsaasti vapaata happea myös syvällä kallioperän sisällä. Maankuori, planeettamme päällimmäisen litosfääriksi kutsutun osan ylin kerros, tarkoittaa sitä valtaisaa tilavuutta, joka alkaa jalkojemme alla peruskallion pinnasta ja jatkuu useiden kilometrien syvyyteen kaikkialla planeetallamme, merepohjat mukaan lukien. Vaikka se vain harvoin mielletään elävien organismien täyttämäksi ekosysteemiksi, kyse on arviolta kaksi kertaa valtameriä suuremmasta elinkelpoisesta tilavuudesta, jota kansoittavat mikrobit eivät piittaa tuon taivaallista maanpinnan auringonvalosta tai muusta biosfääristä.
Kaikeksi yllätykseksi maankuoren mikrobit eivät kuitenkaan välitä edes planeettamme kaasukehän happirikkaista olosuhteista, vaikka käyttävätkin happea aineenvaihdunnassaan maanpinnan mikro-organismien tapaan. Kyse on paradoksista — miten hapesta riippuvaisia reaktioita on mahdollista ylläpitää maankuoren syvyyksissä, jonne happea pääsee pinnalta vain häviävän pieniä määriä? Pohjaveden organismeja tutkineet mikrobiologit saivat kuitenkin vastaansanomattomia tuloksia. Ensinnäkin, he löysivät sitä suurempia määriä mikrobeja, mitä syvemmältä he saivat pohjavesinäytteensä. Tulos vaikutti hämmentävältä, ja aluksi tutkijat arvelivat tehneensä jonkin virheen. Mutta lukuisten mittausten tuotettua samankaltaisia tuloksia, epäilylle ei jäänyt enää sijaa. Toiseksi, merkittävä osa mikrobeista oli hapellisiin olosuhteisiin tottuneita bakteereita. Sen ei pitänyt olla mahdollista, elleivät ne saaneet happea jostakin lähettyvillään olevasta lähteestä.
Lisäanalyysit paljastivat veteen liuenneen hapen, ja sen lähteen. Kyseessä oli vasta hiljattain löydetty metanogeeni, eli metaania tuottavien arkkibakteerien tyyppi, joka käyttää hyväkseen maankuoren nitraatteja, typen ja hapen yhdisteitä. Niistä bakteerit tuottavat tarvitsemansa hapen saadakseen sen oman aineenvaihduntansa käyttöön vapauttaen samalla osan ympäröivään veteen. Eikä kyse ole aivan pienistä hapen määristä. Havaittu noin puoli milligrammaa happea litrassa vettä on vähemmän kuin tyypillinen meriveden happipitoisuus (7-8 milligrammaa happea litrassa vettä), eikä se riittäisi esimerkiksi monisoluisten eliöiden aineenvaihduntaan. Mutta kyse on happea tarvitseville mikrobeille aivan riittävästä määrästä ja mahdollistaa planeettamme pintaosissa vaikkapa massiivisten mikrobikasvustojen muodostumisen.
Maasta merkittävästi poikkeavissa olosuhteissa happea voi arvioiden mukaan esiintyä elottomien prosessien tuloksena. Mutta vaikuttaa ilmeiseltä, että yhteyttävä elämä, sinibakteereista mäntyihin ja jäkälistä kieloihin, ei ole ainoa tapa tuottaa happea merkittävässä mittakaavassa edes maankaltaisilla planeetoilla. Ja vaikka hapen olemassaolo kielisi elämästä, ei se tarkoita varmuudella juuri yhteyttävää elämää, vaan hapentuotantoa voi olla olemassa ilman yhteyttämistäkin. Olemme siis yhdessä rysäyksessä menettäneet happi- ja otsonimolekyylien merkitykset luotettavina yhteyttävän elämän merkkimolekyyleinä ja päätynet tilanteeseen, jossa niiden olemassaolo maankaltaisen eksoplaneetan kaasukehässä ei välttämättä kieli sen enempää fotosynteesin kuin elämänkään olemassaolosta.
On toistaiseksi mahdotonta sanoa olisiko vapaasta hapesta merkittävissä määrin koostuva kaasukehä mahdollinen lopputulos, saavutettavissa pelkästään merenpohjan metallinoduulien elektrolyysin avulla. Se on kuitenkin mahdollisuus, joka on nyt otettava vakavasti, kun arvioimme mahdollisuuksia käyttää happimolekyyliä biomarkkerina tulevissa yrityksissämme löytää maailmankaikkeudesta merkkejä maanulkopuolisesta elämästä.