Eliökunnan vaihtoehtoisia kehitysskenaarioita planeetalla Maa
Elämä ilmestyi tällä planeetalle jo n. 4 miljardia vuotta sitten. Se alkoi yhdestä ainosta elämän alkumuodosta, ja kaikki elämän perusominaisuudet ovat peräisin tuolta alkumuodosta. Tästä elämän yhteisestä esi-isästä (niin kutsutusta LUCAsta) elämä sitten haarautui eri suuntiin.
Ensin kehittyivät erilleen arkit ja bakteerit – näin ainakin tällä hetkellä ajatellaan – ja näiden yhdistymisen tuotteena syntyivät myöhemmin tumalliset eliöt. Nykyisin jopa viruksetkin usein luetaan omaksi elämän päähaarakseen. Sittemmin eliökunta on kehittynyt ja muuttunut lakkaamatta, koko ajan. Tosin ensimmäisen kahden miljardin aikana se tuotti vain yksisoluisia elämänmuotoja. Sitten kun ilmakehä muuttui happipitoiseksi kuvaan ilmestyivät myös monisouiset eliöt – ensin levät, sitten kasvit, ja kabrikauden räjähdyksestä alkaen myös eläimet.
Elämä levittäytyi myös kuivalle maalle – ja synnytti loputtomasti muuttuvaa kasvien, eläinten ja mikrobien monimuotoisuutta. Se jatkuvasti kierrätti – ja yhä kierrättää – elämän välttämättömiä ravinteita (hiiltä, typpeä, fosforia, rautaa ja muita mikroravinteita) epäorgaanisen ja orgaanisen muodon välillä. Eliökunnan ja ympäristön vuorovaikutukset sekä satunnaiset ympäristökatastrofit – jääkaudet, meteoriittitörmäykset, mannerten liikkeet ja muut sattumukset – toimivat valintatekijöinä – ja ne kaikki yhdessä ovat tuottaneet juuri tällaisen eliökunnan kehityshistoria kuin mitä tiedämme tällä planeetalla tapahtuneen. Tähän eliökunnan kehityshistoriaan voitte tulla tutustumaan Tuorlan observatorion ja Turun yliopiston välillä kulkevalle Aikavellus-reitille: kaikki sen tärkeät vaiheet on merkitty tälle aikajanalle siten että reitin jokainen metri vastaa miljoonaa vuotta historiassa.
Näinhän se meni täällä Maassa – mutta entäpä, olisiko se voinut mennä toisin? Olisiko elämä saattanut alkaa toisenlaisena, olisiko sen kehitys heti alussaan voinut lähteä eri suuntaan – ja miten erilaisia elämänmuotoja tai eliökuntia nämä vaihtoehtoiset skenaariot olisivat voineet tuottaa?
Kehittyisikö elämä DNA- ja proteiinipohjaiseksi, ja solulliseksi? Olettakaamme näin – koska emme tässä kohtaa osaa ajatella muita realistisia elämän perusrakenteita. Varmasti ainakin varhaisimmat elämänmuodot olisivat yksisoluisia. Kuitenkin jo tässä vaiheessa lajistoon pitää syntyä tasapainoisesti sekä hiiltä sitovia perustuottajia että hiiliyhdisteiden hajottajia, jotta hiilen ja muiden ravinteiden kiertokulut käynnistyvät.
Voisimme myös olettaa että monisoluisuus pääsisi syntymään vain siinä tapauksessa, että planeetan ilmakehä muuttuisi happipitoiseksi, vettä hajottavan fotosynteesin tuotteena. Kuten olemme aiemmin keskustelleet (Elämän selviytymisen ja kehittymisen mahdolliset skenaariot planeetalla M) tämän kehitysvaiheen tapahtuminen on vähintäänkin epävarmaa. Mutta oletetaan että se tapahtuu – ja sallii monisoluisten eliöiden ilmestymisen kuvaan.
Kuitenkin, samalla kun ilmakehä muuttuu happipitoiseksi se välttämättä johtaa siihen että kasvihuonekaasujen määrä vähenee – ja hupsista, planeetta jäähtyy. Ehkä kokonaan jääplaneetaksi, niinkuin kävi Maassakin, jopa kahteen kertaan, kun ilman happipitoisuus nousi asteittain. Tällaiset totaali-jääkaudet ovat ankaria olosuhteita eliökunnalle ja muodostuvat uhkaksi, tai ainakin pullonkaulaksi, koko eliökunnan säilymiselle. Hapen kertyminen ilmakehään on muutenkin erittäin merkittävä tekijä eliökunnan kehitykselle, sillä se – otsonin muodossa – blokkaa maan pinnalle tulevan kovan UV-säteilyn, ja tätä kautta mahdollistaa elämän levittäytymisen kuivalle maalle.
Näissäkin uusissa elinympäristöissä tarvitaan monimuotoista eliökuntaa – kokonaisia ravintoketjuja – jotka hoitavat biomassan hajotuksen ja sen rakennusaineiden kierrättämisen takaisin alkuperäiseen epäorgaaniseen muotoonsa (kaasuiksi tai liukoisiksi yhdisteiksi). Tehokkaimpia loppuhajottajia ovat tietysti mikrobit – mutta on mahdollista että nämä yksinään eivät pystyisi hajottamaan meren pohjiin kerääntyviä paksuja (kasvi)biomassakerroksia! Pekka Janhusen kanssa taannoin pohdiskelimme (Biological Feedbacks as Cause and Demise of Neoproterozoic Icehouse: Astrobiological Prospects for Faster Evolution and Importance of Cold Conditions. PloS ONE, 2007; 2(2): e214) – että monisoluisten, liikkuvien, saalistavien ja ruokaa etsivien ja kaivavien eläinten – HUOM, NIMENOMAAN ELÄINTEN – ilmestyminen ravintoketjuihin aiheutti sen, että hiilen kierto biomassan ja ilmakehän välillä tehostui ja stabiloitui niin, että se ei enää sen jälkeen ole heilahtanut sellaiseen ääritilanteeseen joka olisi johtanut totaalisen jäätiköitymiseen…. Monimutkaiset takaisinkytkentään perustuvat säätelyverkot lisäävät systeemin stabiilisuutta! Eliökunnan ja planeetan olosuhteiden kehittyminen tapahtuu vastavuoroisesti: kaikki vaikuttaa kaikkeen.
Tiedämme suunnilleen, miten se on tapahtunut Maassa aikojen kuluessa – mutta jos kaikki alkaisi alusta uudelleen, kehittyisikö tämä suuri, erilaisiin vuorovaikutuksiin perustuva systeemi samalla tavalla? Syntyisikö eliökuntaan jo alussa riittävästi monimuotoisuutta, jotta ravinteiden globaalit kierrot käynnistyisivät? Käynnistyisikö jossakin vaiheessa happea tuottava fotosynteesi? Jos käynnistyisi, niin se mahdollistaisi monisoluisten eliöiden nousun. Tämä taas puolestaan voisi stabiloida hiilen (ja typen) kiertoa niin että ilmakehän koostumus ja hiilen kierto asettuisivat johonkin tasapainotilaan. Tämä taas pitkälti määräisi ilmastotyypit ja ekosysteemien laadun planeetalla.
Eliökunta kehittyisi ajan mittaan monimutkaisemmaksi, isot eläimet ja kasvit ilmestyisivät kuvaan. Ravintoketjuissa eläviin monisoluisiin eläimiin kehittyisi todennäköisesti liikuntaelimiä ja ympäristön aistimista mahdollistavia ominaisuuksia, sillä nämä parantavat sekä saalistajien että saaliseläinten kilpailukykyä. Hyvin vaihtelevat ja ravintorikkaat (energiarikkaat) olosuhteet tuottaisivat runsaasti lajeja ja monimuotoisuutta – tämä taas toisi mukanaan myös lisää kompleksisuutta. Ajoittain toistuvat katastrofit pyyhkisivät pois suuren osan lajeista – ja olisi onnen kauppaa (sanoo Stephen Gold, Ihmeellinen Elämä kirjassaan) mitkä lajit säilyisivät katastrofien yli, ja minkälaiset olosuhteet sen jälkeen ohjaisivat kehitystä taas uuteen suuntaan. Toisaalta, vaikeat ja haasteellisetkin ajat lisäisivät monimuotoisuutta ja tuottavat uusia ominaisuuksia – myös älykkyyttä.
Älykkyyttä – jonkinlaista – varmaan syntyisi siksi, että se antaa merkittävää kilpailuetua edustajilleen: nytkin tiedetään eräs varsin älykäs laji maapallolla, joka on pystynyt valloittamaan kaikkien mantereiden asuinkelpoiset alueet ja lisääntymään planeetalla ennennäkemättömiin mittasuhteisiin. Toisaalta, tuollainen ylenpalttinen älykkyys tuo mukanaan myös riskejä – mm. sellaisia, että ko. laji voi hetkellisesti ylittää ympäristönsä kantokyvyn. Toisaalta, näistä ylilyönneistä ei liene pysyvää haittaa: suurten ekosysteemien sisäiset vuorovaikutukset tai ajoittain toistuvat katastrofit kyllä pystyvät pyyhkäisemään pois minkä tahansa häiriötekijän – esimerkiksi muuttamalla ilmaston, vuoristot ja mantereiden sijainnit – ja eliökunta ja ympäristö löytää taas jonkun uuden tasapainotilan. Siis – eihän sitä koskaan tiedä – ei voi ennustaa – mitä kehitys tuo tullessaan…