Röyh vai plöts – Cereksen hiilivetyjen alkuperä
Orgaaniset yhdisteet, nuo tiedeviestinnän ikuiset kiusankappaleet, eivät ole laisinkaan harvinaisia aurinkokunnassamme. Näitä vetypitoisista hiiliketjuista koostuvia elämänkin rakennuspalikoita esiintyy etenkin Jupiterin radan ulkopuolelta peräisin olevissa jäisissä kappaleissa, kuten komeetoissa ja kentaureissa. Hiilikondriittimeteoriittien myötä avaruuden orgaanisia aineksia on saatu tutkittaviksi myös maanpäällisiin laboratorioihin. Viime aikoina orgaaniset molekyylit ovat näkyneet ilahduttavan tiuhaan otsikoissa.
Pikkuruiselta ja siksi geologisten prosessien kannalta melko rajoittuneelta asteroidi Bennulta tuoduista näytteistä löydetyt ja tammikuun lopulla raportoidut moninaiset hiiliyhdisteet saivat ymmärrettävästi runsaasti julkisuutta. Yllättävämpää olisi kuitenkin ollut, jollei niitä olisi löydetty. Bennun nimittäin tiedettiin olevan hyvin hiilipitoinen asteroidi, siksi OSIRIS-REX-luotain juuri sen pintaa lähetettiinkin törkkäisemään. Aurinkokunnan dynaaminen flipperi luultavasti toi aikoinaan Bennun emäkappaleen jostain kauempaa Marsin ja Jupiterin välissä sijaitsevalle asteroidivyöhykkeelle. Siellä tapahtuneen törmäyksen seurauksena Bennu päätyi Maan läheisyyteen. Toisen vaihtoehdon mukaan Jupiterin radan takaa kulkeutui pieniä jäisiä möykkyjä sisemmäksi, ja Bennun emäkappale kasautui asteroidivyöhykkeellä niistä. Niin tai näin, Bennun hiiliyhdisteet ovat tutkijoiden käsityksen mukaan lähtöisin kylmemmästä ja pimeämmästä osasta aurinkokuntaa kuin asteroidivyöhyke.
Sisempänä aurinkokunnassa – jos Maa unohdetaan – orgaanisten molekyylien esiintyminen onkin varsin harvinaista. Pääasteroidivyöhykkeeltä havainnot hiiliketjuista ovat poikkeuksellisia. Niinpä vuonna 2017 oli iso uutinen, että asteroidivyöhykkeen suurimman kappaleen, nimellisesti ”planeetasta” ”asteroidiksi” ja edelleen ”kääpiöplaneetaksi” muuttuneen kiehtovan ja monimuotoisen Cereksen pinnalta löydettiin spektroskooppisia todisteita orgaanisista molekyyleistä. Havainto oli erittäin kiinnostava, vaikka Cereksenkin alkuperän oletetaan olevan jossain kauempana kuin asteroidivyöhykkeellä. Cereksen kuoren alla nimittäin saattaa edelleen olla meri tai ainakin jonkinlaisia sulan veden taskuja, ja sen pinnalla on todisteita vesiliuoksiin perustuvasta kryovulkanismista. Nestemäinen vesi ja hiiliyhdisteet ovat tietenkin elämän kannalta aina kiinnostava yhdistelmä.
Cereksen orgaanisten yhdisteiden jakauma herätti kummastusta jo löydettäessä. Selvin, noin tuhannen neliökilometrin laajuinen esiintymä oli 50-kilometrisen Ernutet-kraatterin ympäristössä ja osin sen sisällä. Tutkijoita ihmetytti, miten orgaaninen aines oli kasaantunut roiskeiksi enimmäkseen yhdelle isolle alueelle. Orgaanisten yhdisten esiintymispaikoilta ei nimittäin löytynyt merkkejä kryovulkanismista, joka olisi voinut röyhtäistä pinnalle hiilimönjää syvemmältä Cereksen sisuksista.
Kun orgaaniset ainekset eivät näyttäneet sisäsyntyisiltä, jäi loogiseksi vaihtehdoksi olettaa, että ne ovat peräisin Cereksen pintaan törmänneistä kappaleista. Komeetoissa on runsaasti hiiliyhdisteitä, joten voisivatko havainnot selittyä komeettatörmäyksellä? Ajatus on muuten mukava, mutta taivaanmekaniikka ja törmäystapahtuman olemus tekevät siitä lähes mahdottoman. Hitaimpienkin komeettojen törmäysnopeus asteroidivyöhykkeellä on yli 10 km/s. Näin suuret nopeudet johtavat myös hurjaan kuumuuteen. Tämä aiheuttaa väistämättä sen, että pidempiketjuiset molekyylit kärvähtävät, eikä alkuperäisistä orgaanisista aineksista jää jälkeäkään.1
Cereksen orgaaniset molekyylit muodostavat siis kiusallisen ongelman. Niitä selvästikin on olemassa, mutta vain siellä täällä, eikä kukaan tiedä, mistä ne ovat tulleet. Ranjan Sarkar Max Planck -instituutista Göttingenistä rohkeni kollegojensa kanssa käydä haasteen kimppuun uuden tekniikan avustuksella. Tammikuun lopulla AGU Advances -verkkolehdessä julkaistiin heidän artikkelinsa Ceres: Organic‐Rich Sites of Exogenic Origin? Siinä tutkijat kouluttivat syväoppivan neuroverkon pyydystämään Dawn-luotaimen tuottamasta spektridatasta poikkeuksellisen punaisia pikseleitä. Mikäli sellaisista pikseleistä löytyy vielä noin 3,4 mikrometrin aallonpituudella sijaitseva orgaanisille hiiliyhdisteille ominainen absorptioviiva eikä toisaalta karbonaateista näy jälkiä, voi tunnistusta hiilivedyksi pitää melkoisen varmana.
Neuroverkkoon tarttuikin orgaanista riistaa. Mistään Pietarin kalansaaliista ei kuitenkaan voida puhua, vaan tarina viidestä leivästä ja kahdesta kalasta on vertauskohtana osuvampi: aiempiin kohteisiin nähden neuroverkkoanalyysi paljasti kaksi uutta varmahkoa orgaanisten ainesten esiintymää. Näistä toinen lienee jatke Ernutet-kraatterin seudun suurelle esiintymälle, joten aivan uusia kohteita löytyi vain yksi. Sen lisäksi kuitenkin heikompia mahdollisia orgaanisia signaaleja paljastui muutamilta uusilta alueilta. Siinä mielessä syväoppiva neuroverkko osoittautui hyödylliseksi.
Eivät tietokoneiden neuroverkot silti vielä ihmisaivoja ole syrjäyttämässä. Sarkarin ryhmän tutkimuksessakin kiinnostavimmat johtopäätökset olivat puhtaasti ihmisten tekemän perinteisen kartoitustyön ja tulkinnan tulosta. Yhdenkään tunnistetun orgaanisen hiilen esiintymän kohdalta ei nähty merkkejä kryovulkaanisesta toiminnasta. Tämä on täysin linjassa aiempien havaintojen kanssa.
Sama pätee myös toisin päin: ainoallakaan nuorella kryovulkaanisella alueella ei edes syväoppivan neuroverkon avulla näy spektroskooppisia todisteita orgaanisista molekyyleistä. Esiintymät ovat myös hyvin harvinaisia, mikä ei puolla ainakaan sellaista ajatusta, että esimerkiksi globaaliin hiilivetypitoiseen mereen liittyvä sisäsyntyinen toiminta nostaisi ainesta pintaan. Mikään ei siis vaikuta tukevan ajatusta, että Ceres itse olisi lähimenneisyydessään purskautellut orgaanisia molekyylejä pinnalleen.
Jostakin orgaanista ainesta kuitenkin täytyy tulla, joten tutkijat palasivat törmäysidean pariin. Komeetat ovat aivan liian nopeina poissuljettuja, mutta entäpä asteroidivyöhykkeen ulkoreunan kappaleet, joissa orgaanisia yhdisteitä kuitenkin jonkun verran on? Kun oppikirjasta etsii asteroidivyöhykkeen kappaleiden keskinäisen törmäysnopeuden, saa vastaukseksi noin 5 km/s. Törmäyskokeiden ja teoreettisten tarkastelujen perusteella nopeus ei kuitenkaan saisi olla kuin korkeintaan 4 km/s, jotta orgaaniset molekyylit voisivat ainakin osin säilyä ehjinä. Ei siis kelpaa, kuten aiemmat tutkijat ovat todenneet.2
Tässä vaiheessa pitäisi kuitenkin kaikkien yläasteen matematiikasta läpi päässeiden päässä hälytyskellojen alkaa kilkattaa. Tuo noin 5 km/s on keskimääräinen törmäysnopeus. Eivät kaikki törmäykset tapahdu samaisella nopeudella. Jotkut ovat selvästi nopeampia, jotkut hitaampia. Vertailun vuoksi muistutettakoon, että Maassa minimitörmäysnopeus on 11 km/s ja tyypillinen asteroidi iskeytyy Maahan noin 17 km/s:n vauhdilla. Cereksen törmäykset ovat siis varsin verkkaisia.
Niinpä Sarkar & kumpp. kaivoivat laskutaitoisten kollegojen artikkelin esiin ja selvittivät, miten homma ihan oikeasti menee. Osoittautui, että merkittävä osa asteroidivyöhykkeen törmäyksistä tapahtuu selvästi alle neljän kilometrin sekuntinopeudella. Nopeuden puolesta osa orgaanisista molekyyleistä voi näin ollen selvitä törmäyksistä. Selviämismahdollisuuksia parantaa, jos kohde on jäinen ja huokoinen, jolloin törmäävä aines pääsee helposti pruuttautumaan hieman syvemmälle. Ceres täyttää nuo molemmat kriteerit mainiosti. Näin hiljaiset pehmeään höttöön tapahtuvat plötsähdykset voivat tuoda Cereksen pinnan alle säteilysuojaan orgaanisia hiiliyhdisteitä.
Toisin kuin aiemmin on hieman nolosti mutkia suoristaen oletettu, ei siis ole mitään varsinaista estettä sille, etteivätkö asteroidivyöhykkeen kappaleiden mukana Cerekseen iskeytyvät orgaaniset molekyylit voisi säilyä huokoisen jään sisällä geologisesti merkittäviä aikoja. Myöhemmät pienet törmäykset ovat sitten paljastaneet niitä muutamien kymmenien metrien syvyydestä. Nykyisin ne näkyvät näiden pienten, tyypillisesti joidenkin satojen metrien läpimittaisten kraatterien pohjilla, niiden heittelekentillä, tai joissain tapauksissa rinteeseen tapahtuneiden törmäysten synnyttämissä vyörykerrostumissa.
Vaaka on ainakin tämän tutkimuksen valossa siis kallistumassa vahvasti siihen suuntaan, ettei Cereksen pinnan tuntumassa ole Cereksestä itsestään peräisin olevia orgaanisia molekyylejä. Astrobiologisesta näkökulmasta tämä on tietenkin melko tylsää. Mahdollisen elämän kehityksen kannalta olisi paljon suotuisampaa, jos Cereksellä olisi sulana pysyvä valtameri, jossa olisi runsaasti orgaanisia molekyylejä, joilla elämää edeltävä kemia voisi tehdä kokeilujaan. Varmasti jonkun verran orgaanista ainesta on ollut mukana Cereksen synnyssä, mutta myöhemmin harvakseltaan törmäysten mukana kertyvä orgaaninen aines on hyvinkin saattanut jäädä mahdollisesta merestä eristyksiin kuoren yläkerroksiin. Lisämausteita mahdolliseen mereen ei siis luultavasti ole tullut aikoihin. Tämä sama ongelma on monella muullakin muutoin astrobiologisesti kiinnostavalla aurinkokunnan kappaleella: kun ei ole laattatektoniikkaa, on aineen kiertokulku pinnan ja syvempien osien välillä olematonta tai ainakin hyvin vajavaista.
Sarkarin ryhmän tuloksista huolimatta kaikki toivo runsaammasta orgaanisten ainesten esiintymisestä Cereksessä ei kuitenkaan ole vielä mennyt. Dawn-luotaimen laitteisto ei nimittäin kyennyt havaitsemaan aromaattisia hiilivetyjä. Ne ovat tyypillisesti kuuden hiiliatomin renkaista koostuvia yhdisteitä. Sellaisia voi Cereksessä olla, me vain emme pysty niitä näkemään. Lisäksi erilaiset karbonaatit, eli karbonaatti-ionin (CO32-) muodostamat yhdisteet, joita Cereksessä todistetusti on omasta takaa, vaikeuttavat merkittävästi orgaanisten yhdisteiden spektroskooppista tunnistamista. Näin ollen mahdollisuuksia orgaaniselle kemialle Cereksessä yhä on. Vaikuttaa vain siltä, että Dawnin mittausdatasta ei vakuuttavia todisteita sen puolesta tai sitä vastaan pystytä tiristämään. Siihen tarvittaisiin monipuolisemmalla mittalaitearsenaalilla varustettu Ceres-luotain, jonka mukana olisi mieluusti myös laskeutuja. Sellaista vain ei ole vakavasti suunnitteilla. Positiivisesti ajatellen tämä jättää planeettageologeille, geokemisteille ja astrobiologeille runsaasti tilaa kehitellä hypoteeseja Cereksen prebioottisesta kemiasta. Ja mikseipä niissä hypoteeseissa voisi tehdä loikkaa myös biologian puolelle.
1Blogin yksi hyvä(?) puoli virallisempiin toimituksellista laaduntarkkailua harjoittaviin julkaisukanaviin nähden on, että rönsyilyn määrää säätelee lähinnä vain itsekritiikki, omalla kohdallani valitettavan usein sen puute. Cereksen orgaanisiin molekyyleihin tämä seuraava juttu liittyy vain marginaalisesti, mutta koska asia on minusta mielenkiintoinen eikä sitä liki missään koskaan kerrota vallankaan suomeksi, annan rönsyilyinnolleni vallat.
Jonnejen lisäksi kukaan muukaan ei valitettavasti muista, että 1970-luvun lopussa ja 1980-luvun alussa Alvarezien tutkimusryhmä ei suinkaan ollut ainoa, joka vakavasti tutki jättimäisen törmäyksen mahdollisuutta liitukauden lopun joukkosukupuuton selittäjänä. Alvarezit kollegoineen eivät myöskään saaneet vertaisarvioitua artikkeliaan julkaistuksi ensimmäisinä: Jan Smit ja Jan Hertogen julkaisivat omat vakuuttavat todisteensa toukokuussa Naturessa ja Alvarezien ryhmä kesäkuussa 1980 Sciencessa.
Smitin ja Hertogenin artikkelin kanssa samassa Naturen numerossa ilmestyi toinenkin tutkimus törmäyksistä ja liitukauden päätteneestä joukkosukupuutosta. Kenneth J. Hsün ideana tosin oli, että törmännyt kappale oli komeetta. Hsün mukaan sen sisältämä syanidi olisi myrkyttänyt merten pintavedet ja näin aiheuttanut merieliöiden joukkotuhon. Maaeläimet olisivat hänen mallissaan kuolleet törmäyksen aiheuttaman ilmakehän lämpöpulssin seurauksena.
Varsin pian varsinaiset törmäystutkijat kuitenkin kertoivat Hsülle, ettei hänen ajatuksensa merten syanidimyrkytyksestä voi toimia. Komeettatörmäysten nopeuden vuoksi lämpötila on niin paljon Maan normitörmäystäkin korkeampi, ettei syanidimolekyyleillä ole mitään mahdollisuutta selvitä siitä ja päätyä tappamaan merieliöitä. Toisin sanoen ongelma on sama kuin Cereksen tapauksessakin, mutta Maassa törmäysnopeus ja sitä myötä lämpötila on vielä tuhoisampi orgaanisten ainesten kannalta. Periaatteessa hyvä idea siis, mutta ei vain toimi käytänössä.
Mikäli Hsün muistelukset noista geologian ja paleontologian kannalta käänteentekevistä ajoista kiinnostavat, kannattaa lukea hänen mainio, vaikkakin jokseenkin omituista (tieteen)filosofiaa paikoin sisältävä kirjansa The Great Dying (joka nimestään huolimatta käsittelee enimmäkseen liitukauden lopun katastrofia eikä tuohon nimeen nykyisin yhdistettyä permikauden lopun joukkotuhoa).
2Tunnustan, etten suinkaan itse ole juuri noita tutkimuksia läpi kahlannut, joten luotan tässä Sarkarin juttuun. Uskokaamme ainakin tämän kerran, että hän kollegoineen on oikeassa. Jos tämä olisi tieteellinen artikkeli, tarkistaisin nuo väitteet, koska ikinä ei pidä luottaa siihen, että toiset tutkijat tulkitsevat tai siteeraavat aiempia tutkimuksia oikein. Kraatteritutkimus on täynnä toistuvia älyttömyyksiä, jotka johtuvat vain siitä, että joku on alkujaan töpeksinyt sitaatissaan, ja myöhemmät tutkijat ovat lainanneet sitä vaivautumatta itse kaivamaan alkuperäislähdettä esiin. En usko, että muut tutkimusalat olisivat yhtään sen parempia, koska ihmiset niitäkin juttuja tekevät, ja ihminen on luonnostaan laiska.