elämän synty

Miller ja Harold Clayton Urey ottivat kaksi, huolellisesti steriloitua lasisäiliötä, josta toinen alemmaksi sijoitettu sisälsi noin puoliväliin vettä (H₂O) ja se oli yhdessä toiseen, ylemmäksi sijoitettuun lasipalloon. Niiden sisällä oli kaasua, joka koostui ammoniakista (NH₃), metaanista (CH₄) ja vedystä (H₂).

Ylemmässä astiassa oli lisäksi elektrodipari, jonka avulla kaasuun aiheutettiin sähköpurkauksia.

Idea oli hyvin yksinkertainen, sillä Miller ja Urey koettivat jäljitellä näin maapallon ammoisia olosuhteita sellaisina kuin ne 50-luvun alussa oletettiin. Vesi vastasi merta ja vety, ammoniakki sekä metaani muodostivat yksinkertaistettuna ilmakehän. Sähköpurkaukset puolestaan olivat salamaniskuja.

Iso osa tunnetuista eksoplaneetoista kiertää tähteään melko lähellä, jolloin niihin kohdistuu voimakas säteilyvuo ja hiukkasvirta. Olosuhteet ovat tappavan karut elämän synnyn, kehittymisen ja säilymisen kannalta.

Uuden tutkimuksen mukaan pieniä tähtiä kiertävillä maankaltaisilla planeetoilla on kuitenkin magneettikenttä, joka muodostaa suojan avaruuden pommitusta vastaan – samaan tapaan kuin Maalla.

Sen lisäksi, että magneettikenttä suojelee mahdollista elämää, se varmistaa olosuhteiden säilymisen suotuisina. Ilman magneettikenttää tähdestä puhaltava hiukkastuuli raastaisi kaasukehän avaruuteen. Ja vailla kaasukehää planeetta olisi väistämättä kuollut kiertolainen.

Pienimassaiset tähdet ovat maailmankaikkeudessa hyvin yleisiä. Niitä kiertäviä planeettoja on helpompi löytää ja tutkia, koska kulkiessaan tähtensä editse planeetta peittää siitä suuremman osan taakseen – edellyttäen, että se sattuu kulkemaan Maasta katsottuna tähtensä editse. 

Pienet tähdet ovat kuitenkin myös himmeitä, joten niitä ympäröivä elinkelpoinen vyöhyke, jolla kiertävän planeetan pinnalla voi esiintyä nestemäistä vettä, on melko lähellä. 

Silloin mahdolliseen planeettaan kohdistuu voimakas vetovoima, joka voi aiheuttaa pyörimisliikkeen lukkiutumisen: planeetta kääntää aina saman puolen kohti tähteä kuten Kuu kääntää aina saman puolen kohti Maata.

Vetovoima aiheuttaa myös vuorovesivoimia, jotka saavat planeetan sisuksen lämpenemään. Planeetan eri osiin kohdistuva vetovoima vaihtelee hieman, jolloin sen muoto muuttuu kaiken aikaa ja aineen sisäinen kitka vapauttaa lämpöä.

Peter Driscollin johtama tutkijaryhmä kävi selvittämään, miten vuorovesivoimat vaikuttavat planeetan magneettikenttään. Simulaatiossa tarkasteltiin planeettoja, joiden kiertämien tähtien massa vaihteli Auringon massasta kymmenesosaan siitä. 

Aikaisemmin vallitseva käsitys on ollut, että pyörimisliikkeeltään lukkiutuneella planeetalla ei todennäköisesti voi olla suojaavaa magneettikenttää. Näyttää siltä, että olettamus on väärä.

Sen sijaan, että vuorovesivoimat estäisivät magneettikentän muodostumisen, ne ilmeisesti edistävät sen syntyä. Samalla ne parantavat mahdollisuuksia elämän esiintymiselle. 

Syynä on se, että vuorovesivoimien ansiosta planeetan vaippakerros luovuttaa tehokkaammin lämpöä, jolloin ydin jäähtyy. Ja vaikka se tuntuu nurinkuriselta – ainakin osittain sula ydin on magneettikentän perusedellytys – jäähtyminen edesauttaa kentän syntyä.

Tietokonesimulaatioiden perusteella lukkiutuneille planeetoille syntyvä magneettikenttä on myös pysyvä: se säilyy koko planeetan elinajan, joka on miljardeja vuosia. 

"Oli jännittävää nähdä, että vuorovesivoimien aiheuttama kuumentuminen voi itse asiassa pelastaa planeetan, sillä se jäähdyttää ydintä", kertoo tutkimukseen osallistunut Rory Barnes.

Pienet ja vähämassaiset tähdet ovat aktiivisia erityisesti kehityksensä alkuvaiheissa eli olemassaolonsa ensimmäisten vuosimiljardien aikana, joten "magneettikenttiä saattaa esiintyä juuri silloin, kun elämä kaipaa niitä kipeimmin".

Simulaatiot osoittivat myös, että vuorovesivoimien aiheuttama kuumentuminen on voimakkaimmillaan, jos planeetta kiertää elinkelpoisella vyöhykkeellä hyvin pientä tähteä, massaltaan alle puolet Auringosta.

Jos planeetta on alunperin soikealla radalla, vuorovesivoimien ansiosta rata muuttuu ankarimman kuumennuksen aikana yhä pyöreämmäksi. Kun rata on pyöreä eli planeetan etäisyys tähdestään pysyy koko ajan samana, kuumentumista ei enää esiinny.

Tutkimuksesta kerrottiin Washingtonin yliopiston uutissivuilla ja se on julkaistu Astrobiology-tiedelehdessä.

Kuva: Danielle Futselaar/SETI Institute

Avaruuden kappaleiden törmäykset Maahan ovat menneinä vuosimiljardeina olleet tuhoisia. Ainakin osa suurista joukkotuhoista on ollut seurausta asteroidin tai komeetan iskusta, jonka seuraukset ovat muuttaneet ilmastoa radikaalisti.

Komeettoja on kuitenkin pidetty myös mahdollisina elämän edistäjinä – tosin monet "tutkimukset" ovat osoittautuneet huuhaaksi ainakin lennokkailta johtopäätöksiltään. 

Parhaillaan Prahassa käynnissä olevassa geokemian konferenssissa on esitelty tuoreita tutkimustuloksia, joiden mukaan komeettatörmäykset ovat saattaneet olla merkittävässä asemassa Maan elämän synnyn kannalta.

Japanilaistutkijat Haruna Sugahara ja Koichi Mimura ovat tehneet kokeita, joissa jäljilteltiin komeettojen iskuja Maahan noin neljä miljardia vuotta sitten, kun ensimmäiset merkit elämästä ilmaantuivat planeetallemme.

Kokeessa komeetoissa esiintyvien glysiini-aminohapon ja forsteriitti-silikaattimineraalin sekä veden seos jäähdytettiin noin -200 celsiusasteen lämpötilaan. Kosmista iskua simuloitiin ampumalla jäiseen kohteeseen polykarbonaatti-teräsammus.  

"Törmäyksessä" syntyneet aineet analysoitiin kaasukromatografilla ja tulosten mukaan aminohaposta oli syntynyt lyhyitä peptidiketjuja. Pituutta niillä oli korkeintaan kolmen yksikön verran, mutta ne olivat tyypiltään lupaavia. 

"Kokeemme osoitti, että alhainen lämpötila törmäyshetkellä oli synteesin kannalta keskeinen tekijä, sillä iskussa syntynyt peptidilaji muodostaa todennäköisemmin pidempiä ketjuja", arvioi Sugahara.

Tutkimustulosten mukaan kosmisissa törmäyksissä syntyneiden peptidien määrä olisi suunnilleen sama kuin aiemmin merkittävimpinä pidetyissä maanpäällisissä prosesseissa, kuten sähköpurkausten – eli ukkosmyrskyjen – seurauksena. 

Jos komeetat ovat olleet tärkeitä Maan elämän synnyn kannalta, se herättää kysymyksiä elämän mahdollisuuksista myös muualla. 

"Omassa Aurinkokunnassamme Jupiterin ja Saturnuksen jäisiin kuihin kuten Europaan ja Enceladukseen on ammoin kohdistunut samanlainen komeettapommitus", huomauttaa Sugahara. "Ja NASAn Stardust-luotain on osoittanut, että komeetoissa on glysiiniä."

"Lyhyiden peptidien muodostuminen on keskeinen askel mutkikkaampien molekyylien kemiallisessa evoluutiossa. Kun prosessi on ensin lähtenyt liikkeelle, tarvitaan paljon vähemmän energiaa pidempien peptidiketjujen muodostumiseen maanpäällisissä, vetisissä olosuhteissa", Sugahara päättelee.

Tutkimus on julkaistu Geochemical Journal -tiedelehdessä.

Kuva: NASA/JPL-Caltech/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

Saturnusta kiertävä Cassini-luotain on tehnyt havaintoja, jotka viittaavat hydrotermiseen toimintaan jäisen Enceladus-kuun uumenissa. Jo aiemmin on arveltu, että sellaista voisi esiintyä Jupiterin Europa-kuussa, jonka jääkuoren alla on syvä meri.

Havaintoja ei ole tehty suoraan Enceladuksesta, jonka etelänavan seutuvilta löytyi jo kymmenen vuotta sitten vesihöyryä ja jääkiteitä suihkuttavia geysirejä. Eri olomuodoissa olevan veden mukana avaruuteen kulkeutuu pieniä, alle kymmenen nanometrin läpimittaisia kivensiruja, joita luotaimen kosmisen pölyn mittalaite on tutkinut.

Pitkällisen analyysin, laboratoriokokeiden ja tietokonemallinnusten perusteella tutkijat ovat päätelleet, että piipitoiset kivensirut ovat syntyneet, kun Enceladuksen sisuksista on noussut kuumaa, mineraalipitoista vettä, joka on joutunut kosketuksiin kylmemmän veden kanssa. Hiukkasten ominaisuuksien perusteella vaadittava lämpötila on vähintään 90 celsiusastetta.

Samanlaisia hitusia syntyy Maan valtamerten syvänteissä, kun emäksisen, mineraalipitoisen veden lämpötila laskee äkisti. Tällainen ilmiö esiintyy hydrotermisten purkausaukkojen eli niin sanottujen valkoisten savuttajien, mustien savuttajien "serkkujen" yhteydessä.

Näyttää siis siltä, että Enceladuksen jäisen kuoren alla on meri, jonka pohjassa on samankaltaista hydrotermistä toimintaa kuin maapallon merissä. Ja valkoisten savuttajien arvellaan olleen mahdollisesti merkittävässä osassa, kun Maan elämä muinoin syntyi.

Kivensirujen pieni koko viittaa siihen, että ne kulkeutuvat alkulähteiltään avaruuteen melko nopeasti, muutamassa kuukaudessa tai korkeintaan muutamassa vuodessa. Painovoimamittausten perusteella on päätelty, että Enceladuksella on 30–40 kilometriä paksu jääkuori, jonka alla on kymmenen kilometriä syvä meri. Kivensirut olisivat siis peräisin noin 50 kilometrin syvyydestä.

Hydrotermiseen toimintaan viittaa myös Enceladuksen pinnan alta veden ja jään mukana purkautuva metaani. Kuun sisuksissa olevan meren suuressa paineessa voi syntyä klatraattia, jossa metaanimolekyylejä on sitoutunut vesijään kiderakenteeseen. Sitoutuva metaani olisi peräisin hydrotermisestä toiminnasta, johon myös kivensirujen tutkimus viittaa. 

Kumpikaan havainto ei kerro elämän esiintymisestä – vaikka sensuuntaisia otsikoita aiheesta epäilemättä tulemme näkemään – mutta ne osoittavat, että jättiläisplaneettojen jäisten kuiden sisuksissa olosuhteet voivat olla samankaltaiset kuin maapallolla elämän ilmaantuessa tänne.

Elämän synty on edelleen hämärän peitossa, mutta maapallo on kiistatta elävä planeetta – ja on ollut sitä jo pitkään. Liki 3,5 miljardia vuotta vanhoissa stromatoliiteissa on jälkiä muinaisista sinilevistä, mutta tähän asti on arveltu, että vielä kaksi miljardia vuotta sitten elämä oli melko rajoittunutta.

Tuolloin eliöiden katsotaan "oppineen" käyttämään hyväkseen ilmakehän typpeä, joka on tärkeä osa esimerkiksi dna-molekyylin rakennetta. Siitä alkoi elämän monimuotoistuminen ja levittäytyminen yhä laajemmille alueille nuoren Maan merissä.

Washingtonin yliopistossa tehty tutkimus, joka julkaistiin 16. helmikuuta Nature-tiedelehdessä (maksullinen), aikaisti monimuotoisemman elämän kehittymistä yli miljardilla vuodella. Luoteis-Australiassa sijaitsevissa sedimenttikivissä on kemiallisia viitteitä mikrobien typensidonnasta jo 3,2 miljardin vuoden takaa.

Tutkimusryhmään kuuluneen Roger Buickin mukaan aiemman käsityksen mukaan nuoren Maan elämä pärjäsi vaivoin vihamielisessä ympäristössä ja vasta typensidonnan myötä alkeelliset mikrobit alkoivat kukoistaa. Mitä ilmeisimmin niin tapahtui jo paljon otaksuttua aikaisemmin.

Tutkimuksessa tarkasteltiin kaikkiaan 52 näytettä, joiden ikä vaihteli 2,75 miljardista 3,2 miljardiin vuoteen. Näytteet oli kerätty Etelä-Afrikasta ja Luoteis-Australiasta (kuva alla). Sedimenttikerrokset ovat muodostuneet muinaisten mantereiden reunamilla, joten niiden kemialliseen koostumukseen ei ole vaikuttanut esimerkiksi merenalainen vulkanismi.

TEDx-tapahtuma laajeni 4. joulukuuta Suomessa ensimmäistä kertaa pääkaupungin ulkopuolelle, Turkuun ja tarkemmin sen Logomo-tapahtumakeskukseen. Kyseessä oli normaaliin TEDx-tapaan vapaaehtoisvoimin järjestetty tapahtuma, joka pohjautuu alkuperäisen TED-konferenssin ideaan: koota yhteen vetävästi esiintyviä eri alojen asiantuntijoita, joilla on kiinnostavaa sanottavaa teknologian, viihteen ja designin aluilta (TED tulee sanoista technology, entertainment ja design).

Turun TEDx-tapahtumassa oli 12 esitystä (joista 9 kpl löytyy YouTubesta). Niiden aiheet pyörivät pääasiassa lähellä ihmistä: esityksissä tavoiteltiin maailmaan lisää empatiaa ja kommunikaatiota. Se edistää yritysten toimintaa, lisää yksilöiden hyvinvointia, parantaa jaksamista, poistaa konflikteja. Niin työelämässä kuin kotosallakin. Kannattaa uskaltaa yrittää, uskaltaa munata itsensä, ja uskaltaa yrittää uudelleen. Muuten ei voi onnistua. Ja niin edelleen.

Yksi puheista oli kuitenkin poikkeus.

Maailmankaikkeus ilmiönä

Suomen tunnetuin tieteentekijä, Esko Valtaoja, kattoi puheessaan aikalailla kaiken sen, mitä alkuräjähdyksen ja TEDx-tapahtuman välillä on sattunut ja tapahtunut. Koska aihe on jokseenkin laaja, havainnollistavan Lego(TM)-leikin sallittiin venähtävän lähes neljä minuuttia yliajalle. TED-konseptin mukaan kun puheet saisivat olla vain 18-minuuttisia.

Valtaoja kansantajuisti vaikeasti ymmärrettäviä asioita. Kaikilla skaaloilla.

Kaikki syntyi tyhjästä ilmestyneessä alkuräjähdyksessä. Puf.

Sen jälkeen olimme kaikki hetken yhtä ainoaa, kuumaa, laajentuvaa kvarkkipuuroa. Kvarkithan ovat tämän hetken tiedon mukaan jakamattomia alkeishiukkasia, eli sitä, mistä kaikki aine rakentuu. (Jossain vaiheessa voi toki tulla hetki jolloin löydetään osaset joista kvarkitkin muodostuvat. Näin kävi atomeillekin, joiden kreikasta tuleva nimi tarkoittaa "jakamatonta".)

Laajentuessaan maailmankaikkeus jäähtyi, ja kvarkit alkoivat takertua toisiinsa pareittain tai kolmestaan. Muodostui protoneja, neutroneja, atomeja, ja ajan kuluessa yhä vain monimutkaisempia molekyylejä. Syntyneet kaasun ja pölyn ihentymät luhistuivat lopulta tähdiksi ikioman massansa ajamina.

Miksi näin sitten tapahtui? Yksinkertainen vastaus: koska luonnonlait, koska gravitaatio ja muut perusvoimat. Koska termodynamiikka. Koska maailma nyt vain sattuu olemaan tällainen. Jos se olisi erilainen, me eläisimme toisten lakien alaisuudessa, ja ihmettelisimme tismalleen samaa asiaa niiden kanssa (jos osaisimme). Ne kaikki vain ovat. "Miksi"-ongelmaan jutun lopussa.

Tähtien ympärille jäi ylijäämätavaran kiekkoja. Pölyä ja toisiinsa törmäileviä murkuloita. Planeettojen muodostumista voi verrata oivasti roskan kertymiseen. Sillä sitähän me olemme, ydinjätettä ammoin kuolleista tähdistä.

"Jättäkääpä viikkosiivous tekemättä, sanotaan vaikka 10 miljoonaksi vuodeksi, niin teillä on Maapallon kokoinen villakoira", kiteytti Valtaoja.

Elämästä Valtaoja muistuttaa, että ensiksi syntyi Eeva, meidän kaikkien kantaäiti. Itsensä kopioiva molekyyli.

"Aatamit ilmestyivät maisemiin vasta noin 2 miljardia vuotta myöhemmin. Sillä tavalla meillä yleensäkin urokset saa houkuteltua esiin - huhuilla että 'olisi seksiä tarjolla'."

Loppu on historiaa. Erittäin pitkän ajan kuluessa tapahtuneen luonnonvalinnan ansiosta olemme tässä.

Valtaojan perusviesti on, että maailmankaikkeuden historia tunnetaan pääpiirteissään. Siinä ei oikeastaan tarvita ulkopuolisia vaikuttajia, koska luonnonlait ovat vieneet vääjäämättä tähän suuntaan.

Mutta miksi näin kävi?

Mitä tuota historiaa "ennen" tapahtui? Mitä meidän universumimme "ulkopuolella" on? Se jää arvailujen varaan. Mattia ja Teppoa mukaillen: emme voi nähdä rajan taa.

"Yksi vaihtoehto on, että Jumala napsautti metafyysisiä sormiaan ja teki maailman tällaiseksi, automaattisesti toimivaksi, ettei tarvi joka välissä kääriä hihojaan. Tai sitten olemme vain yksi osa multiversumista."

Tai sitten jotain ihan muuta. Nämä lienevät asioita, joihin tiede ei pysty antamaan vastausta. Sen ei oikeastaan ole tarkoituskaan. Tieteen metodit kun toimivat vain tuntemassamme maailmankaikkeudessa.

Oli perimmäinen syy mikä tahansa, maailma on sekä lainalaisuuksiensa että äärettömän monimuotoisuutensa takia erittäin mielenkiintoinen. Sitä kannattaa tutkia, ja siitä kannattaa iloita. Sen monimutkaisuutta kannattaa ihastella.

Ja samalla kannattaa muistaa ne kanssatallaajat. Ne muut monimutkaiset molekyylit, jotka ihmettelevät sitä samaa maailmaa.

Turun TEDx-tapahtuman esitykset löytyvät YouTubesta:

• Turussa pidetyt puheet (9 kpl)

• Rap-mummo Eilan tarttuva ja kantaaottava laulu
• Candy Changin yhteisöllisyyttä edistävä idea
• Derek Sivers muistuttaa menestyksekkään idean seuraajien olevan ainakin yhtä tärkeitä kuin sen kehittäjä

Juttua on päivitetty myöhemmin käyttöön saadulla Valtaojan kuvalla, ja lisätty linkit YouTubesta löytyviin esityksiin.

Asteroiditörmäys tappoi dinosaurukset 65 miljoonaa vuotta sitten, mutta paljon aikaisemmat iskut saattoivat auttaa elämää syntymään ja kehittymään. Viitteitä tästä löytyy yllättäen Suomen kallioperästä, Etelä-Pohjanmaalla sijaitsevasta Lappajärven kraatterista.

Lappajärvi syntyi kymmeniä miljoonia vuosia sitten, kun noin puolikilometrinen asteroidi iskeytyi voimalla maankamaraan. Lukuisat jääkaudet ovat kuluttaneet kallioperää niin, että kraatteriin syntynyt järvi ei ole enää likikään pyöreä, mutta jo pitkään sen on tiedetty olevan erikoinen muodostelma.

Aiemmin Lappajärven arveltiin olevan tulivuoren kraatteri, mutta 1970-luvun lopulla Martti Lehtinen osoitti tutkimuksillaan, että kyse on törmäyskraatterista. Siitä huolimatta paikkakunnalla järjestetään kesäisin yhä Tulivuorirock-musiikkifestivaali.

Elämä on noin 3,8 miljardia vuotta sitten kenties saanut alkunsa kuumissa lähteissä, jotka liittyvät hydrotermiseen toimintaan. Nykyisin se kumpuaa vulkanismista, mutta Maan nuoruudessa sen pääasiallisena aiheuttajana olivat lukemattomat asteroiditörmäykset.

Kun valtaisa törmäys sulatti kallioperää ja höyrysti vettä, muodostui olosuhteiltaan suotuisia “keitaita”, joissa elämä saattoi syntyä ja kukoistaa. Ongelmana on ollut se, että hydrotermisen toiminnan on arveltu hiipuneen melko pian törmäyksen jälkeen, vain muutamassa kymmenessätuhannessa vuodessa. Niin lyhyt aika ei riittäisi elämän syntyyn.

Kaksi australialaisgeologia, Martin Schmieder ja Fred Jourdan, ovat määrittäneet aiempaa tarkemmin Lappajärven iän ja saaneet tulokseksi 76,2 miljoonaa vuotta. Helmikuisessa Geochimica et Cosmochimica Acta -lehdessä julkaistun tutkimuksen mukaan osa törmäyksen seurauksena syntyneistä mineraaleista on kuitenkin 1,6 miljoonaa vuotta nuorempia.

Tutkimuksen kohteena ollut kalimaasälpä on aikoinaan kiteytynyt iskun sulattaman kiven jäähtyessä, joten se on tapahtunut huomattavasti arvioitua myöhemmin. Hydroterminen toiminta on siten jatkunut selvästi pidempään kuin teorian mukaan on oletettu.

Lappajärven muodostumisen aikoihin elämää oli ollut maapallolla jo liki neljän miljardin vuoden ajan, joten elämän synnyn kannalta pitkään jatkuneella hydrotermisellä toiminnalla ei ollut merkitystä. Oikeastaan päinvastoin, sillä Lappajärven synnyttänyt isku tuhosi kaiken elollisen parinsadan kilometrin säteellä.

Lappajärvestä tehty odottamaton havainto antaa kuitenkin mahdollisuuden tarkastella miljardeja vuosia sitten vallinneita olosuhteita uudella tavalla. Asteroiditörmäykset olivat silloin paljon yleisempiä ja jos niissä muodostuneiden kraattereiden yhteydessä esiintyi hydrotermistä toimintaa aiemmin oletettua pidempään, ne ovat saattaneet muodostaa elämän synnyn kannalta keskeisen tärkeitä ympäristöjä.