Syaanobakteereista alkavan elämän kehittymisen skenaariot planeetalla M; eräs vaihtoehto
Jorma Kilpi laittoi edelliseen blogiini kaksikin kiintoisaa kysymystä – selkeitä ja hyviä kysymyksiä – mutta toinen jo niin syvällinen että vastauksesta taitaa syntyä kokonainen blogi. Kysymys lähti oletuksesta että laitamme joitakin hyvin eläväisiä ja toimivia soluja – Jorman ehdotuksen mukaan vaikkapa syanobakteereita, siis omavaraisia (autotrofisia) soluja jotka pystyvät itse tuottamaan ruokansa merivedessä – siis, laitamme tuollaisia soluja tyhjän ja aution Maa-planeetan meriveteen. Siinähän niillä on hyvät edellytykset lähteä lisääntymään – ja jos elämä tällä tavalla saa pysyvän ”jalansijan” – niin mikä olisi elämän kehityskulku tästä eteenpäin. Jorma itse sanoo että elämän kehityksen yksityiskohdat olisivat varmasti erilaiset kuin mitä ne ovat olleet Maan historiassa, mutta olisivatko suuret suuntaviivat erilaisia vaiko samanlaisia. Esimerkiksi, hän kysyy, syntyisikö monisoluisia organismeja? Syntyisikö kasveja ja eläimiä? Syntyisikö lehtivihreä? Etenisikö elämä mereltä maalle ja kaasukehään?
Ensin sanoisin että tuo syanobakteereiden esiintuominen – jostakin – on jo varsin konstikas juttu. Elämä oli olemassa, kehittyi ja kokeili erilaisia ruuan-hankkimiskeinoja tällä planeetalla jo lähes kahden miljardin vuoden ajan, ennenkuin syaanobakteerit ilmestyivät ja keksivät vettä hajottavan ja happea tuottavan fotosynteesin. Tämä energian hankkimismuoto on tehokkain mahdollinen: siinä auringon valon avulla lehtivihreän elektronit nostetaan niin korkeaan viritystilaan, että sen hapetuspotentiaali pystyy irrottamaan veden hapelta kaksi elektronia (siis hapettamaan hapen) – ja tuottamaan vetyä (tai protoneja), elektroneja (= kemiallista energiaa) ja happea. Kuten tiedätte, veden hajottamiseen hapeksi ja vedyksi sähkövirran avulla tarvitaan merkittävän iso energiapotentiaali (Auts!!!) eli 1,23 eV. On todella merkillistä että pikkiriikkinen, proteiineista ja erilaisista pigmenteistä koostuva, kalvoon sidottu molekyylikompleksi pystyy ylläpitään sellaista reaktiota koko ajan, hallitusti ja tehokkaasti. Tähän tarvitaankin erittäin tarkka ja monimutkainen molekyylikoneisto – fotosynteesin reaktiokeskus II. Tämä kompleksi koostuu n. 20 proteiinista ja noin 100 erilaisesta apumolekyylistä – kaikki hyvin tarkasti asettuneet toistensa suhteen niin että elektronit voivat siirtyä helposti molekyyliltä toiselle. Tätä molekyylikompleksia kutsutaankin maailman 8. ihmeeksi. Kuinka todennäköistä on että planeetalla alkanut elämä keksii tällaisen koneiston? Ja varmasti sen ohella on jo syntynyt paljon muutakin.
No – harhaannuin tässä aika kauas Jorman alkuperäisestä kysymyksestä – mutta halusin tuoda ilmi että jos mereen ilmestyy syanobakteeriymppi – jostakin – niin se tarkoittaa että tämän elämänmuodon on pitänyt – jossakin – jo tätä ennen kehittyä varsin pitkälle. Jos tällainen ymppi kuitenkin ilmaantuisi elottomalla nuorelle planeetalle, niin voisiko siitä kehittyä samantapainen eliökunta kuin mitä Maassa on kehittynyt? Vastausta en ihan varmaksi tiedä, mutta todennäköisesti ei. Eliökunnan kasvuun liittyy ainakin pari oleellista ongelmaa. Ensimmäinen on se että tuollainen homogeeninen yhden lajin kasvusto – niin omavarainen kuin se olisikin energiantuoton suhteen, ja jos se pystyisi vielä sitomaan ilmakehän typpeäkin, niin että olisi omavarainen myös typen suhteen – niin lisääntyessään se kuitenkin käyttäisi pian loppuun kasvuympäristönsä ravinteet – ja kuolisi nälkään! Jos planeetalla on sellainen hiilidioksi- ja typpipitoinen ilmakehä kuin Maassa, näiden kaasujen pitoisuudet riittävät kasvattamaan biomassan varsin suureksi – mutta ensimmäiset kasvua rajoittavat ravinteet olisivat fosfori ja rauta, joita on merivedessä hyvin rajallisesti. Kasvustojen kuollessa biomassa painuisi meren pohjaan ja hautautuisi sedimentteihin – ja vapautuisi sieltä hiilidioksidina ja typen oksideina vasta hyvin hitaan tektonisen kierron kautta. Tämän hiiltä sitovan ja happea vapauttavan prosessin myötä myös ilmakehän koostumus muuttuisi totaalisesti – näinhän kävi oikeastikin Maapallolla, kahteenkin kertaan, kun happea tuottavat syaanobakteerit ja aitotumalliset levät ilmestyivät ja alkoivat yhteyttää ja tuottaa happea. Tehokkaiden hajottaja-organismien puuttuessa hiilidioksidi-kasvihuonekaasu väheni ilmakehässä, ja Maapallo jäähtyi totaali-jääkausiin.
Planeetalla pitää olla olemassa monimuotoinen eliökunta joka huolehtii omavaraisten eliöiden biomassan hajotuksesta ja siihen situtuneiden ravinteiden (hiili, typpi ja mineraaliset ravinteet) kierrätyksestä takaisin käyttökelpoiseen (kaasumaiseen tai liukoiseen) muotoon. Tämä erilaisten ravinteiden kierrätys perustuu eliökunnan ja ravintoketjujen monimuotoisuuteen.
Eliökunnan monimuotoisuuden kehittyminen on lähtenyt käyntiin tällä planeetalla jo heti elämän käynnistyessä. Varhaisimman kehitysvaiheen jälkeen eliökunta (Last common Universal Ancestor, LUCA) – joka ehkä jo silloin sisälsi vaihtelua – tuotti (oletettavasti) kaksi pysyvää solulinjaa, eli arkit ja ja bakteerit – joiden kahden linjan sisältä, jonkinlaisen yhtymisen kautta, syntyi myöhemmin aitotumallisten linja. Tämä monimuotoistuminen takasi sen että biomassan hajotusreitit ja ravinteiden kierrätys käynnistyivät, mutta myös sen että syntyi koko ajan uusia lajeja jotka pystyivät sopeutumaan aina uusiin ympäristöihin ja energialähteisiin. Tämän ansiosta eliökunta ei syönyt itseään nälkäkuolemaan, vaan pystyi aina uudelleen sopeutumaan uusiin olosuhteisiin ja tuottamaan uusia ja myös yhä monimutkaisempia lajeja.
Entä – jos eliökunta olisi lähtenyt käyntiin syanobakteeriympistä – olisiko se myös voinut käynnistää tuollaisen monimuotoisuuden kehittymisen. Ehkä jonkinlaista monimuotoisuutta olisi syntynyt – ehkä myös hajottajalajeja (syanobakteerilajit voivat kasvaa myös sokerialustalla) – mutta koska syanobakteerit ovat jo varsin pitkälle muuntuneita bakteereja, niistä ei kuitenkaan olisi kehittynyt arkkeja – eikä siis myöskään aitotumallisia lajeja.
Vastauksena alussa mainittuihin kysymyksiin: syanobakteereista käynnistynyt eliökunta olisi tuottanut (paljon ja monimuotoista) fotosynteettistä vihreää biomassaa. Se olisi voinut tuottaa monisoluisuutta – kuten bakteeririhmoja ja pesäkkeitä – se olisi tuottanut hapellisen ilmakehän – ja se olisi voinut ylläpitää globaaleja hiilen ja typen kertokulkuja. Mutta se ei olisi tuottanut eläimiä, eikä korkeampia elämänmuotoja.
Tämän spekuloinnin jälkeen haluaisin muotoilla Jorman kysymyksen uudelleen: entäpä jos elämä aloitettaisiin uudelleen samanlaisesta epämääräisestä ja erilaistumattomasta ”alkuliemestä” ja kolmeen päähaaraan jakautuvasta LUCAsta, niin olisiko tuo uusi eliökunta samankaltainen kuin tämä ensimmäinen. Mietitäänpäs tuota vaikka seuraavassa blogissa.
Nyt ulkona paukkuu ja rätisee niin kovin että taitaa olla jotakin merkittävää tapahtumassa. Siirryn juhlimaan – ja toivotan kaikille lukijoille onnekasta uutta vuotta.
PS. Kiinnostavasti, tällä hetkellä tunnetaan vain yksi yhden lajin muodostama ekosysteemi – eli Desulforudis audaxviator – sulfaatinpelkistäjäbakteeri joka elää syvällä Etelä-Afrikkalaisessa kultakaivoksessa ja sisältää myös joitakin arkkiperäisiä geenjä. Se saa energiansa mineraalien radioaktiivisesta hajoamisesta – eikä kyllä sekään yksinään pysty muodostamaan kovinkaan mittavaa ekosysteemiä. Ks. Science 10 October 2008: Vol. 322 no. 5899 pp. 275-278
Hauska ajatus tuosta LUCA:sta. Se olisikin sinilevä, rantojen kiusa. Jokin täällä aikojen alussa on uinut alkumerissä.
Juupa juu — jos elämä olisi lähtenyt liikkeelle täällä tuolla tavalla niinkuin tuossa leikisti kuviteltiin – tai jos se olisi kehittynyt täällä toisella tavalla – menettänyt tai ohittanut monimuotoistumisen mahdollisuutensa – niin tämä maailma voisi tosiaa lillua kokonaan jonkinlaisen bakteerimassan peitossa. Tämähän juuri ehtikin olla vallitseva tilanne tällä planeetalla noin kahden miljardin vuoden ajan, ennenkuin elämä lähti kehittymään myös monisoluisiksi ja monimutkaisiksi eliöiksi. Jo tällä perusteella voimme olettaa että jos elämää esiintyy muualla, sekin saattaa hyvin tyytyä tuottamaan vain yksisoluisat mikrobimassaa…
Mietitään jatkossa mitkä tekijät vaikuttavat monisoluisuuden syntyyn …
Tämä tuntuu vahvistavan ennakkoluuloani, että elämän syntyminen alunperinkin maapallolla on aivan merkittävästi yksinkertaisempi hypoteesi kuin elämän syntyminen jossakin muualla ja sen siirtyminen maahan jollakin tavalla. Kokeelliset tulokset astrobiologiassa antavat vielä odottaa itseään.
Kyllä näin. Elämän syntyminen jossakin muualla ja matkustaminen tänne – hypoteesinakin – siirtää vain tuon synty-prosessin kysymykset ”johonkin muualle” – kuitenkin senkin olisi pitänyt tapahtua ”lähellä” – esim. Marsissa. Eli koko prosessi (hypoteesinä) vain monimutakaistuu siten että siellä synnyttyään elämän olisi vielä pitänyt onnistua matkaamaan meteoriitin mukana tänne maahan (siis ensin päästä elossa ylös Marsin pinnalta – sitten matkustaa meteoriitin sisällä avaruuden läpi, pysyä elossa avaruuden vaikeissa olosuhteissa – ja sitten vielä onnistua putoamaan juuri Maahan, pysyä elossa putouksen aiheuttamassa shokissa – -ja sitten vielä onnistua käynnistämään täällä elinkelpoinen kolonia. Vaikka nämä kaikki kohdat ovat teoriassa mahdollisia -niin jokainen niistä on niin haastava että mahdollisuudet pienenevät askel askeleelta. Tällaista lisähankaluutta ei tähän prosessiin todellakaan kannata laskea mukaan — kuin korkeintaan siitä syystä että Marsissa olisi saattanut olla kemiallisesti suotuisampi ympäristö elämän käynnistymiselle. Mutta jos sen sitä kautta piti alkaa — niin kyllä tuo avaruusmatkailu laittaa siihen vain paljon lisää vaikeusasteita. Samoin kuin se että koko prosessin tiedetään tapahtuneen varsin sukkelasti – korkeintaan ”vain”, korkeintaan, joidenkin satojen miljoonien vuosien kuluessa, sen jälkeen kun nämä planeetat olivat tekeentyneet valmiiksi. Että semmosta — luulisinpa että täällä se alkoi…