Happi kompleksisen elämän taustalla
Hengittäessämme happipitoista ilmaa pyörittääksemme happea tarvitsevaa aineenvaihduntaamme, on helppoa unohtaa, että ilmakehä ei ole aina olut hapen kyllästämä. Happea on ollut Maan ilmakehässä merkittävästi vain viimeiset kaksi miljardia vuotta. Noin 2.5 miljardia vuotta sitten alkanut happivallankumous vakiinnutti hapen osana ilmakehämme koostumusta. Ilmakehän happipitoisuus nousi tasaisesti ja saavutti vakaan tason noin 1.9 miljardia vuotta sitten, vaikka sen määrä olikin tuolloin vain kymmenyksen nykyisestä. Vuosimiljardin ajan hapen määrä pysyi varsin vakaana, koska yhteyttämällä energiaa ja orgaanisia aineita tuottamaan ryhtyneet organismit vapauttivat sitä runsain mitoin mutta vapaa happi sitoutui nopeasti merenpohjien ja mantereiden kiviainekseen. Se hapetti vuosimiljoonien ajan erilaisia mineraaleja, mikä kulutti vapaata happea samaa tahtia kuin sitä ehti syntyä. Myöhemmin hapen tuotanto kuitenkin voitti, ja tehokkaammin yhteyttävät organismit sekä hapettuvien mineraalien harvinaistuminen kasvattivat happipitoisuuden nykyiselle tasolleen.
Happi vaikutti koko planeettaamme aivan kuten se vaikuttaa toisiinkin elinkelpoisiin planeettoihin, joiden olosuhteissa kehittyy yhteyttävää elämää. Oleellista on kuitenkin sen rooli kompleksisen, aitotumallisen ja monisoluisen elämän synnyssä ja yleistymisessä. Meitä ei olisi ilman muinaista happipivallankumousta, kuten ei olisi myöskään merkittävää osaa planeettamme elonkehästä ja sen ravintoverkoista ja monimuotoisuudesta. Happi antoi meille elämän mutta yliarvioimme samalla helposti sen tarpeellisuutta ja yleisyyttä elävien planeettojen kaasukehissä. Happi on modernin astrobiologian enigma. Se on kyllä merkittävässä roolissa etsiessämme elämän merkkejä toisilta planeetoilta mutta on varsin hankalaa määrittää minkälaisesta roolista on kyse.
Happi ja evoluutio
Happea on pidetty yhtenä merkittävänä tekijänä planeettamme kehityshistoriassa, koska sen on sanottu avanneen organismien käyttöön uusia tapoja järjestää aineenvaihdunta. Oikeastaan kyse ei ole niinkään uusista tavoista, vaan vanhojen, varhaisen Maan oloissa kehittyneiden aineenvaihduntamekanismien laajamittaisesta käyttöönotosta. Happi on hyödyksi, koska se reagoi herkästi. Se reagoi monenlaisten atomien kanssa ja pyrkii riistämään niiltä elektroneita muodostaen hapettuneita yhdisteitä kuten esimerkiksi raudan kanssa syntyvää rautaoksidia eli ruostetta. Yksi vakaimpia muotoja on hapen ja vedyn yhdiste, jossa vedyn elektroni päätyy intiimiksi osaksi hapen atomirakennetta ja saa vetyatomit yhdistymään happeen hyvin vakaaksi vesimolekyyliksi.
Hapellisessa aineenvaihdunnassa on pohjimmiltaan kyse siitä, että monimutkaisemmat orgaaniset molekyylit, kuten sokerit, yhdistetään happeen. Lopputuloksena on vettä ja hiilidioksidia, joka vapautetaan kuona-aineena solun ulkopuolelle. Prosessi on jaettu modernien solujen monimutkaisessa aineenvaihduntakoneistossa lukuisiin osiin, joista jokainen tuottaa solulle tarpeellista kemiallista energiaa sopivan suuruisissa paketeissa. Solut polttavat hiilivetyjä sisuksissaan tuottaakseen energiaa mutta vailla suoran polttamisen räjähtävää vaikutusta, jota hyödynnämme polttomoottoreissa. Prosessi vaatii tietenkin vapaata happea, ja organismit näkevät varsin paljon vaivaa kuljettaakseen vapaan hapen solujensa käyttöön. Solujen sisällä reaktiivinen happi on edelleen hyvin vaarallinen molekyyli ja sen sitominen vaarattomaksi onkin tärkeää ennen sen varsinaista käyttötarkoitusta. Hyötynä ovat kuitenkin muihin energiantuotantoreaktioihin verrattuna moninkertainen tehokkuus, mikä mahdollistaa monisoluiset organismit ja suurikokoiset, aktiivisesti liikkuvat eläimet.
Aitotumallisten organismien yhteinen esivanhempi on peräisin ajanjaksolta noin 2.2 miljardia vuotta sitten. Ajankohta osuu keskelle planeettamme happivallankumousta, eikä se uusimpien tietojen valossa ole sattumaa. Niihin aikoihin eräät arkkisolut havaitsivat hyötyvänsä joistakin sisälleen ottamistaan bakteerisoluista. Sen sijaan, että käyttäisivät pienemmät bakteerit tavalliseen tapaan ravinnokseen, arkit antoivatkin niiden jatkaa elämäänsä solujensa sisällä. Syntyi uudenlainen symbioosi, jossa solujen tehtävät vuosimiljoonien kuluessa hiljalleen eriytyivät. Arkki huolehti muista elävän organismin ylläpitämiseen vaadittavista toiminnoista, mutta hapelliseen aineenvaihduntaan erikoistunut bakteeri sopeutui tuottamaan runsaasti energiaa. Se käytti energiasta osan itse ja antoi loput arkin toimintoihin saaden vastalahjaksi suojan vihamieliseltä ympäristöltä. Kyse oli yhdestä ensimmäisistä askeleista kohti modernia aitotumallista solua, jossa hapellinen aineenvaihdunta on annettu siihen erikoistuneiden erikoisten soluelimien, mitokondrioiden tehtäväksi. Ne ovat muinaisen symbioosissa eläneen bakteerin jälkeläisiä, mistä kertoo esimerkiksi kourallinen mitokondrioiden omia geenejä sääntelemässä niiden tehokkuutta paikallisesti. Yhteistyö alkoi aikana, jolloin Maan happipitoisuus oli alkanut kasvaa mutta happea ei vielä ollut kaikkialla.
Pitkiin aikoihin juuri mikään ei muuttunut. Noin 1.7 miljardia vuotta sitten ensimmäiset aitotumalliset solut elelivät merten hapellisissa ympäristöissä, joihin päätyi tunsaasti happea yhteyttävien sinibakteereiden toimiessa pinnalla. Sinibakteerit tuottivat happea ja vapauttivat sen veteen, josta aitotumalliset saattoivat kerätä sen omiin tarkoituksiinsa. Ne tuskin kykenivät leviämään aavalle merelle, jossa happipitoisuus oli huomattavasti matalampaa tasoa ja suuret merialueet olivat täysin hapettomia. Ne keskittyivät elämään matalikkojen hapellisisa pohjakerroksissa, niin syvällä, etteivät nähneet päivänvaloa. Ne edustivat elämän marginaaleja kaukana parrasvaloista, merten pintakerroksista, joissa yhteyttävät sinilevät ja monenlaiset muut bakteerit olivat hallitsevina elämänmuotoina.
Aitotumalliset pääsivät marginaaleista pääosaan vasta paljon myöhemmin. Se tapahtui vasta vajaa miljardi vuotta sitten, kun Maan happipitoisuus oli kasvanut jo lähelle moderneja lukemia. Tehokkaampi energiantuotanto vapautti aitotumallisten potentiaalin ja antoi lähtölaukauksen monisoluisuudelle, joka kulminoitui kambrikauden räjähdykseksi kutsuttuun monimuotoistumiseen ja nykyisten eläinten pääjaksojen syntyyn. Happi oli kaiken taustalla ja teki planeettamme nykyisestä monimuotoisuudesta mahdollista mutta mikään ei ollut vääjäämätöntä. Planeettamme olisi voinut aivan mainiosti pysytellä elävänä maailmana ilman suuria määriä happea. Silloin biosfäärimme saattaisi muodostua edelleen monenlaisista mikrobeista ja niiden muodoista. Aitotumalliset solut olisivat ehkä merenpohjien tuntumassa, sopeutuneena ainoisiin sopiviin hapellisiin olosuhteisiin, poissa päivänvalosta, jossa ravinto on runsaampaa ja kilpailu armotonta.
Happi on vaikuttanut planeettamme elämään huomattavasti yksityiskohtaisemminkin. Mainion esimerkin tarjoavat modernit kalat, joilla on uimistaan helpottamassa erityinen elin. Uimarakko auttaa kaloja sääntememään uimissyvyyttään ja tekee sen erittäin tehokkaasti. Sääntelemällä uimarakon sisältämän kaasun määrää kalat kontrolloivat uimissyvyyttään käyttämättä eviään ja kuluttamatta siten paljoakaan energiaa. Ensimmäisiltä kaloilta uimarakot puuttuivat, mutta se ei tietenkään tehnyt niistä millään tavalla kömpelöitä uimareita. Esimerkiksi modernit hait ovat virtaviivaisia, tehokkaita merten saalistajia ovat pärjänneet mainiosti ilman uimarakkoa jo noin 440 miljoonaa vuotta. Joillekin varhaisista kaloista hapensaanti oli kuitenkin kriittisessä roolissa niiden päädyttyä elämään vähähappisiin pintavesiin.
Uimarakollisten kalojen esivanhemmille kehittyi tapa haukata ilmaa pinnasta niiden vetisen elinympäristön kärsittyä happivajeesta ja heikentäen kidusten riittävää toimintaa. Tapaa on saattanut edesauttaa planeettamme happipitoisuuden heilahdus matalammaksi biologisten ja geologisten tekijöiden seurauksena, mutta jotkin kalat oppivat haukkomaan happea suoraan ilmasta jo noin 400 miljoonaa vuotta sitten. Se antoi osalle niiden jälkeläisistä mahdollisuuden valloittaa kuiva maa tuottaen koko sen kirjon moderneja eläimiä, joihin mekin kuulumme. Happitasojen palattua jälleen korkeammiksi kalojen tapa haukata happea katosi mutta keuhkot jäivät jälj́elle saaden uuden toiminnon suljettuna ilmasäkkinä. Se muotoutui uimarakoksi, jonka kaasusisältöä kalat oppivat sääntelemään. Ne kuljettavat pientä palaa ilmakehää mukanaan aina merten syvyyksiin asti mutteivät haukatakseen happea, vaan uidakseen haluamallaan syvyydellä.
Eksoplaneettojen happi
Tutkiessamme toisia maankaltaisia planeettoja, jotka saattaisivat olla kykeneviä ylläpitämään elämää, on kiinnostavaa pohtia niiden mahdollisuuksia happipitoiseen kaasukehään. Mikään ei takaa, että happea olisi yhdenkään eksoplaneetan kaasukehässä. Toisaalta, edes hapen olemassaolo ei takaa planeetan olevan elävä, koska happea voi päätyä planeetan kaasukehään merkittäviä määriä myös elottomissa prosesseissa. Happi on tavallaan tärkeää tuntemallemme elämälle mutta sittenkin vain myöhäinen evoluution muokkaaman biosfäärin tuotos planeettamme kaasukehässä.
Oleellista on mahdollisuus elämään hapettomankin kaasukehän alla. Itse asiassa, noin puolet siitä ajasta kun planeetallamme on ollut elämää, se on pärjännyt aivan mainiosti hapettomissa olosuhteissa. Biosfäärimme on ollut pitkään vailla organismeja, jotka kykenisivät yhteyttämiseen merkittävässä mittakaavassa. Samalla planeettamme on ollut vailla happea aineenvaihtunnassan käyttäviä aitotumallisia soluja ja monisoluista elämää. Mutta silti elämää on ollut sen vakiinnutettua asemansa planeetallamme jo varhain, vähintään 4.1 miljardia vuotta sitten, kun planeettamme pinta oli vasta muotoutunut kiinteäksi Kuun muodostaneet suunnattoman törmäyksen jäljiltä. Happi ei siksi ole elämän merkki ja edellytys, vaikka voikin olla monimuotoisen, monisoluisuutta ja yhteyttäviä kasveja tuottaneen elonkehän merkkin.
Pyrkimykset etsiä merkkejä hapesta maankaltaisten eksoplaneettojen kaasukehissä ovat siksi vain pyrkimyksiä etsiä merkkejä elämästä sellaisena, kuin niitä havaittaisiin nykymaapallolta. Silloin saatamme kuitenkin ylenkatsoa kaikkia niitä maankaltaisia planeettoja, joiden meret kuhisevat mikrobeja hyödyntämässä energianlähteenään monenlaisia kemiallisia yhdisteitä. Niiden rantavesissä voi olla näyttäviä mikrobiyhteisöjä, kuten planeettamme muinaiset stromatoliitit, tarjoten erilaisille mikrobeille runsaasti mahdollisuuksia haalia elämäänsä riittävä energia ja rakenteensa materia. Emme osaa etsiä merkkejä elämästä sellaisilta planeetoilta.
Tiedämme varsin paljon siitä, millainen Maa oli ennen yhteyttävien sinibakteerien tuottamaa happivallankumousta. Mantereet olivat täysin tunnistamattomia ja peittivät eri aikakausina eri osia planeetastamme. Aina niitä ei edes näkynyt planeettamme pinnalla kovinkaan laajasti, koska mannerlaatat olivat ohuempia tai vähäisempiä planeettamme historiassa. Myös merenpinnan taso on ollut korkeammalla menneisyydessä planeettamme oltua vailla napajäätiköitä. Silmiinpistävintä oli kuitenkin mannerten väritys. Niillä ei näkynyt minkäänlaista vihreyden merkkiä, koska elämää esiintyi lähes yksinomaan merissä. Yhteyttävät kasvit olivat vielä kaukana tulevaisuudessa, ja edes sienten kehityslinja ei ollut eronnut muun monisoluisen elämän sukupuusta.
Maan varhainen kaasukehä oli koostumukseltaan muutonkin erilainen. Kaasukehän merkittävänä ainesosana kasvihuonekaasuista metaani lämmitti planeettaamme merkittävästi pitäen sen jäättömänä navoiltaan. Metaani ja muut kaasut tekivät Maan kaasukehästä myös tunnistamattoman väriltään. Sen alla taivas ei näyttäytynyt sinisenä, vaan rusehtavan usvaisena, kun kaasukehän metaania hajosi yläilmakehässä ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta ja jätti jälkeensä pidempiä hiiliketjuja. Joissakin arvioissa Maan on hahmoteltu jopa muistuttaneen nykyistä Titania, jonka kaasukehän hiilivedyt antavat planeetalle sen pintaa kauttaaltaan peittävän usvan. Maan muinaisesta ulkoasusta ei kuitenkaan ole voitu saada tarkkaa tietoa, vaan olemassa on vain erilaisia tieteellisiä arvioita.
Monet maankaltaiset eksoplaneetat voivat olla kuten muinainen Maa. Silloin meidän tulisi hapen sijaan etsiä merkkejä hiilidioksidista ja metaanista, jotka yhdessä esiintyessään muodostavat joka tapauksessa epävakaan kokonaisuuden. Ne reagoivat keskenään kaasukehässä ja metaani poistuu luonnollisia reittejä vapauttaessaan ultraviolettivalon hajottamana vetyä avaruuteen. Yhdistelmän havainnot kuitenkin osoittavat, että kaasukehä on geologisen aktiivisuuden muokkaama, koska metaania ja hiilidioksidia ei voi päätyä kaasukehään ilman tulivuoritoimintaa. Ja missä on geologista aktiivisuutta ja vettä, voi olla myös elämää.
Mutta yhteyttävän elämän synnyttyä on vaikeaa nähdä sen voittokulun pysähtyvän. Maankaltaisilla planeetoilla sen jatkuvasti kaasukehään vapauttama happi kerääntyisi lopulta kaasukehään havaittaviksi pitoisuuksiksi. Happea saattaisi siksi olla elävän planeetan kaasukehässä lähes mikä vain määrä nollasta nykyisen ilmakehämme 21 prosenttiin tai ylikin. Maan historiassa happipitoisuus on ollut peräti 30% tuntumassa, mikä luultavasti mahdollisti osaltaan muinaisten hyönteisten kasvun jättiläismäisiksi. Toisaalta, korkea happipitoisuus teki myös orgaanisesta aineksesta helposti syttyvää. Kivihiilikauden saniais- ja kortemetsät kärsivätkin jopa mannertenlaajuisista metsäpaloista huolimatta trooppisesta kosteudestaan.
Muinaista Maata korkeampia happipitoisuuksia on vaikeaa kuvitella edes eksoplaneetoilla. Matalammat happipitoisuudet voivat puolestaan olla havaittavissa, mutta niiden suhteen elävien planeettojen havaitsemisessa piilee vaaransa. Uusien tutkimustulosten mukaan jopa lähes kolmen prosentin happipitoisuuksia voi syntyä ultraviolettivalon vaikutuksesta hajoavan hiilidioksidin reaktiotuotteena (2). Samalla voisi syntyä havaittava otsonikerros planeetan yläilmakehään, eikä elämällä olisi asian kanssa mitään tekemistä. Prosessi olisi mahdollinen jopa planeetoilla, joilla olisi vettä, joten edes vetinen ja happipitoinen kaasukehä ei takaa elämän olemassaoloa. Siksi ainoaksi vaihtoehdoksi elävien planeettojen tunnistamisessa jää kemiallisen kompleksisuuden havaitseminen. Oikein mikään kuviteltavissa oleva kemiallinen yhdiste ei riitä siihen yksinään.