Eksoplaneetta hukassa

Universaali elämä ja kuinka se havaitaan

19.10.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Havaitseminen

Toisen elävän planeetan löytäminen on seuraava suuri askel eksoplaneettatutkimuksen saralla. Se tuo samalla mukanaan seuraavan paradigman muutoksen tarjoten jatkumon tieteen historian suurille ajattelun vallankumouksille. Kopernikaaninen mullistus asetti Auringon planeettakuntamme keskiöön tuoden mukanaan sen ajatuksen, että Maa ei olekaan niin erityinen, vaan vain yksi planeetta muiden joukossa Aurinkoa kiertävällä radalla. Samoin Charles Darwinin ja Alfred Russell Wallacen havainto siitä, että elävät organismit kokevat evoluutiota, osoitti ihmisen olevan vain yksi planeettamme lajeista jättäen puheet ihmisestä ”luomakunnan kruununa” vain tietämättömien dogmaatikkojen horinaksi. Olemme saaneet selville, että juuri mikään tuntemamme ja näkemämme ei ole erikoista, vaikka onkin meille erityistä. Aurinko on vain yksi tähti satojen miljardien kumppaniensa joukossa Linnunradaksi kutsutussa tähtien saarekkeessa, joka sekin on vain yksi monista samankaltaisista tähtien joukoista, galakseista, joita voimme arvioida olevan näkyvissä avaruudessa noin tuhat miljardia.

Koska Maa on ainoa tuntemamme elävä planeetta maailmankaikkeudessa, on seuraava Kopernikaanisen periaatteen sovellus ehdottomasti se, että havaitsemme, miten edes planeettamme elämä ei ole minkäänlaisessa erikoisasemassa. Periaate kertoo, että kaikki havaitsijat ovat samanarvoisia, että luonnonlait ovat kaikkialla samat, ja että maailmankaikkeus näyttäytyy samanlaisena havaitsimmepa sen ominaisuuksia missä tahansa suunnassa. Koska elämää on siis syntynyt tässä omassa maailmankaikkeuden nurkassamme, ei ole syytä olettaa muuallakaan olevan toisin. Olemme löytäneet parin vuosikymmenen ajan eksoplaneettoja likimain kaikkialta. Se on osoittanut, että planeettakuntammekaan ei ole minkänlaisessa erikoisasemassa, vaan vain yksi monista esimerkeistä siitä, miten luonnonlait asettelevat erilaisia planeettoja erilaisiksi järjestelmiksi. Olemme arvioineet, että linnunradassa on noin kuusi miljardia maankaltaista planeettaa ja elinkelpoisia paikkoja on siten valtavia määriä kaikissa galaksimme kolkissa. Siksi pidetään suorastaan varmana, että on olemassa runsaasti muitakin eläviä planeettoja ja sellaisen löytyminen on vain ajan kysymys — ehkäpä olemme jo löytäneetkin sellaisen, vaikka tekniikkamme havaita merkkejä eksoplaneettojen biosfääreistä ovatkin vielä lapsenkengissään tehden asian varmistamisesta vaikeaa.

---

Ongelmallisinta toisen elävän planeetan havaitsemisessa on se, että on havaittava samalla merkkejä elämästä. Se on johtanut ajatuksiin koettaa havaita elämän toiminnasta johtuva kemiallinen epätasapainotila, jossa esimerkiksi oman planeettamme kaasukehä on. Maapallolla on nimittäin vapaata happea ja vaikka se kuulostaa aivan tavalliselta — eihän hapettomassa kaasukehässä voi hengittää — kyseessä on elämän ylläpitämä keinotekoinen kemiallinen tasapaino. Maapallolla ei ole ollut happea aina, vaan sitä muodostui vasta noin kaksi vuosimiljardia sitten, kun alkeelliset sinibakteerit oppivat yhteyttämään hiilidioksidin ja veden orgaanisiksi molekyyleiksi auringon säteilyn energiaa käyttäen. Prosessissa syntyy vapaata happea, joka kuitenkin muodosti tuolloin valtaisan ongelman. Happi oli aikakauden organismeille myrkky, koska se reagoi voimakkaasti rikkoen hapettomiin olosuhteisiin sopeutuneiden organismien molekyylikoneistot. Korkean reaktiivisuutensa vuoksi vapaa happi kuitenkin sitoutui nopeasti mineraaleihin muodostaen nykyteollisuutemme hyväksikäyttämät rautakerrostumat merten pohjasedimentteihin.

Hiljalleen hapen pitoisuus nousi merissä ja ilmakehässä mahdollistaen sen käytön soluhengitykseen mitokondrioissa, solujen biokemiallisissa energiantuotantokoneissa. Kasvanut teho mahdollisti niin monisoluiset eläimet kuin kasvitkin ja antoi edellytykset planeettamme pinnan monimuotoiselle biosfäärille. Mutta samalla Maan kaasukehä muuttui kosmiseksi huutomerkiksi, jonka tarkkailu kertoo jonkin vieraan sivilisaation astronomille vääjäämättä siitä, että planeetallamme on vapaata happea tuottava omituinen kemiallinen koneisto. Koska tehokkaasti happea tuottavia elottomia koneistoja ei ole olemassa, hapen runsaudesta voidaan päätellä planeettamme geokemiallisten prosessien ylittäneen sen rajan, jonka toisella puolella kemiallista koneistoa kutsutaan elämäksi. Voidaan sanoa hapen toimivan biomarkkerina, joka antaa mahdollisuuden havaita elävien organismien olemassaolo planeetallamme epäsuorasti.

Hapen havaitseminen muiden maankaltaisten planeettojen kaasukehissä kielisi mitä todennäköisimmin elämän olemassaolosta planeettojen pinnoilla. Mutta ei ole mitään takeita, että maanulkoiset elävät solut tuottaisivat juuri vapaata happea aineenvaihdunnassaan — Maapallokin on ollut yli puolet historiastaan vailla vapaata happea, vaikka onkin ollut elämän valtaama. Siksi on ehdotettu muitakin molekyylejä hyviksi eksoplaneettojen biomarkkereiksi. Esimerkiksi metaani on mikrobien aineenvaihdunnan tuote mutta sitä syntyy myös tulivuoritoiminnan ansiosta. Siksi metaanin havainto Marsin kaasukehässä ei saanut selvää tulkintaa merkkinä biologisesta aktiviteetista, vaan planeetan jäljellä olevasta tuliperäisyydestä. Hiljattain palstatilaa saanut fosfiini on myös biomarkkerina ongelmallinen, koska sitä voi syntyä niin ikään vulkaanisen aktiivisuuden sivutuotteena. Siksi kyseenalainen fosfiinihavainto Venuksen kaasukehässä tuskin kielii epätodennäköisestä planeetan yläilmakehän biosfääristä.

Eksoplaneettojen kaasukehän koostumusta voidaan jo tutkia ylikulkujen avulla tarkkailemalla kuinka paljon planeetta himmentää tähdestään teleskooppeihimme saapuvaa valoa eri aallonpituuksilla. Menetelmällä on saatu havaintoja jättiläisplaneettojen kaasukehien koostumuksista mutta myös pienempien planeettojen kaasukehien ominaisuuksia on päästy kartoittamaan karkealla tavalla. Ylikulkujen tarjoama mahdollisuus planeettojen koostumuksen havainnointiin tarjoaa mahdollisuuden koettaa havaita biomarkkereita niiden kaasukehissä. Asiassa on kuitenkin monet ongelmansa ja haasteensa, jotka on jollakin keinolla kyettävä ylittämään ennen kuin ensimmäinen biologiasta kertova havainto tulee mahdolliseksi.

Biomarkkerin on oltava sellainen, että sitä voi muodostua havaintojen kohteena olevan planeetan olosuhteissa vain elämän aineenvaihduntatuotteena tai aineenvaihdunnan seurauksena. Muussa tapauksessa se ei kerro biologisten organismien olemassaolosta, vaan vain niiden mahdollisuudesta tehden yksiselitteisten johtopäätösten vetämisestä mahdotonta. Jos jotakin planeetan kaasukehän molekyyliä voi siis muodostua abioottisesti, elottomissa geokemiallisissa prosesseissa, se ei ole kelvollinen biomarkkeriksi. Biomarkkerin on myös oltava riittävän stabiili kemiallisessa ympäristössään, jotta sitä voi olla olemassa havaittavia määriä. Esimerkiksi Maan happi ei ollut soveltuva biomarkkeriksi vielä kaksi miljardia vuotta sitten, koska se reagoi nopeasti hapettaen meriveteen liuennutta rautaa ja sen pitoisuus kaasukehässä pysytteli pitkään hyvin alhaisella tasolla. Kolmas vaatimus on biomarkkerin havaittavuus — on oltava mahdollista nähdä sen olemassaolo, koska muutoin se jää havaintojen tavoittamattomiin ja sen kertoma viesti elämän olemassaolosta jää auttamatta näkemättä. Lisäksi, biokemialtaan tuntemattomat elävät organismit saattavat olla aineenvaihdunnaltaa niin erilaisia verrattuna Maan elämään, että emme osaa ennustaa niille soveltuvia biomarkkereita. Tulisi siten keksiä universaaleja tapoja havaita elämän olemassaolo — suoraan tai epäsuorasti — planeetan pinnalla. Mutta mitä oikeastaan koetetaan havaita?

Mitä on elämä?

Elämän yleinen määrittely on ollut historiallisesti yllättävän haastavaa ja yleisesti hyväksytään, että universaalia määritelmää on ehkäpä mahdotonta antaa, vaikka erilaiset määritelmät soveltuvatkin erilaisiin tilanteisiin oikein hyvin. Esimerkiksi aineenvaihdunta on elämän ominaisuus mutta tulivuorikin vaihtaa ainetta ympäristönsä kanssa ja toisaalta bakteerit lakkauttavat lepotilassaan aineenvaihduntansa, vaikka kiistatta ovatkin edelleen eläviä. Lisäntyminenkin on elämän ominaisuus mutta esimerkiksi muulit eivät lisänny, vaikka ovat eläviä organismeja, ja toisaalta mineraalikiteetkin voivat jakautua ja tuottaa uusia kiteitä. Vanhan vitsin mukaan biologit kyllä sanovat tunnistavansa elävän organismin, kun sellaisen näkevät, ja määritelmää ei siksi tarvita. Mutta miten tunnistaa elämä elämäksi, jos sen aineenvaihdunta on vaikkapa liian hidasta havaitaksemme sen, jos se ei liiku tai tee mitään muutakaan havaittavaa ihmisiän aikaskaalassa tai jos sen muodot ja toiminta ovat meille täysin vieraita ja jäävät havaitsematta?

Erilaisia märitelmiä tarkasteltaessa on huomattu, että niiden avainviestin voi tiivistää sanomalla elämän olevan vain itsensä kopiointia variaatioilla. Tämä Edward Trifonovin ytimekäs tiivistelmä perustuu 123 tieteellisessä kirjallisuudessa julkaistuun elämän määrittelyyn mutta ehkäpä sekään ei ole täydellinen, koska sen soveltaminen käytännön tarkoituksiin, erityisesti puhuttaessa maanulkoisen elämän havaitsemisesta, on täysin mahdotonta. Tulisi havaita jokin, joka kopioi itseään ja jonka kopiot poikkeavat hiukan siitä jostakin. Se vaatii niin tarkkoja havaintoja, että eksoplaneettojen elävistä organismeista puhuttaessa Trifonovin määritelmän soveltamista ei voi edes harkita. Voimme kuitenkin lähestyä elämän havaitsemista toisellakin tapaa.

Itsensä kopiointi variaatioilla ei ole ainoa universaali eläviä organismeja yhdistävä tekijä. Toinen tekijä on elävien organismien kemiallinen monimuotoisuus, joka on väistämättä jo kaikkein yksinkertaisimmalla elävällä organismilla huikeasti mitään epäelollista kemiallista kompleksia suurempaa. Siksi yksi tuoreimpia ehdotuksia toimivaksi biomarkkeriksi onkin kompleksisuuden havaitseminen riippumatta yksittäisistä molekyyleistä, joiden merkitys biomarkkerina on lähes aina mahdollista kyseenalaistaa. Stuart Marshall ja Leroy Cronin tutkimusryhmineen ehdottavatkin biologisten organismien havaitsemista niihin aina läheisesti liittyvää kemiallista kompleksisuutta mittaamalla. Ajatuksena on käyttää tutkijoiden standardityökalua, massaspektrometria, jolla saadaan selville ionisoitujen molekyylien massan jakautuma ja siten kohtuullisen luotettava mittari niiden kompleksisuudelle. Parasta kuitenkin on, että mittari sopii mainiosti käytettäväksi, kun lähetämme luotaimia Aurinkokunnan lukuisille kiertolaisille ja se on luultavasti sovellettavissa myös eksoplaneetojen biosfäärien etsintään. Voidaan ajatella, että yksittäisiin molekyyleihin keskittyminen on joka tapauksessa epäluotettavampaa kuin elämän kompleksisen luonteen löytäminen havainnoista.

Ilmiselvästi siellä, missä on elämää, kemiallinen kompleksisuus on vääjäämättä suurta. Eläviä organismeja ei yksinkertaisesti voi olla olemassa ilman kasvanutta kemiallista kompleksisuutta, oli sen biokemiallinen koneisto rakentunut millä tavalla hyvänsä. Siksi kompleksisuuden havaitseminen auttaa kiertämään sen ongelman, että emme tunne vieraiden elämänmuotojen biokemiaa ja emme siksi osaa arvata mitkä molekyylit olisivat niiden havaittavissa olevia aineenvaihduntatuotteita. Jos on olemassa elävä organismi, joka kokee evoluutiota ja täyttää siten Trifonovin havaitseman tyypillisen määritelmän itsensä kopioinnista variaatioilla, kyseessä on jo niin monimuotoinen biologisten molekyylien kokoelma, että kompleksisuutta havaitsemaan kykenevä menetelmä tuskin voi erehtyä sen luonteesta. Sattumalta muodostuneet kemialliset yhdisteet voivat olla kohtuullisen monimutkaisia, mutta vain evoluutiota kokevat elävät organismit voivat nostaa kemiallisen kompleksisuuden uudelle tasolle. Marshallin ja Croninin menetelmä toimiikin tutkijoiden esimerkeissä loistavasti — se kertoo elottomien asioiden olevan elottomia ja elollisten olevan elollisia perustuen vain yksinkertaisiin kokonaislukuihin, jotka kuvaavat kuinka monta alkeisoperaatiota tarvitaan valmistamaan yksittäinen molekyyli.

Menetelmän sovellukset eksoplaneettahavaintoihin saavat vielä odottaa itseään, koska tarvitsemme instrumentteja, joilla havaita eksoplaneettoja ja määritää niiden kaasukehien kemiallisia koostumuksia suoraan. Silloinkin on tarpeellista havaita runsaasti erilaisia molekyylejä, kuten monet astrobiologian ekspertit ovat huomauttaneet, ennen kuin millään tasolla luotettavia elämän merkkejä on mahdollista löytää. Tuleva tapahtumakulku sujuu suunnilleen tuttuja tieteellisiä juonenkäänteitä noudattaen. Ensin jokin ryhmä raportoi näyttävästi havainneensa elämän merkkejä joltakin lähiplaneetalta. Sitten useat tutkimusryhmät julkaisevat tuloksensa, jotka asettavat havainnon kyseenalaiseksi. Lopulta usealta planeetalta havaitaan jonkinasteisia merkkejä elämästä ja ajan saatossa osa merkeistä todetaan epäelollisten prosessien tuottamiksi, kun taas jotkin vahvistuvat merkkeinä elämästä, kunnes niitä epäilee enää vain harva alan tutkija. Silloin on saavutettu uusi paradigman muutos ja siirrymme tutkimaan maanulkoisen elämän ominaisuuksia sen pelkän olemassaolon varmistamisen sijaan.

Mutta kuten muutkin suuret tieteellisen maailmankuvan mullistukset, maanulkoisen elämän havaitseminen hyväksytään luultavasti vain hyvin hitaasti osaksi tieteellistä maailmankuvaamme. Koska poikkeuksellisen suuret tulokset tarvitsevat taustalleen poikkeuksellisen vankkaa todistusaineistoa, elämän löytymistä eksoplaneettojen pinnoilta ei hyväksytä muitta mutkitta tieteelliseksi tosiasiaksi, vaan lukuisat epäilijät vähättelevät löytöjä vuosien, ehkäpä jopa vuosikymmenten ajan. Paradigmat kuitenkin muuttuvat yhdet hautajaiset kerrallaan ja lopulta elämän esiintymistä muualla maailmankaikkeudessa ei epäile enää juuri kukaan tiedeyhteisön sisällä. Silloin ajatus oman planeettamme erityislaatuisuudesta ainoana tunnettuna elävänä planeettana katoaa lopulta historian syövereihin. Tiedeyhteisön ulkopuolelta taas löytyy varmasti tulevaisuudessakin tiedosta piittaamattomia dogmaatikkoja.