Onko muilla planeetoilla elämää? Jos muut planeetat voivat ylläpitää elämää kemiallisesti sellaisena kuin me sen tunnemme täällä maapallolla, miten tämä liittyy itse elämän syntyyn?
Tutkijat ovat jo pitkään spekuloineet teorialla, jonka mukaan elämä alkeellisimmassa muodossaan saattaa olla seuraava askel kosmisessa evoluutiossa planeettojen muodostumisen jälkeen. Vaikka tämä on edelleen vain teoria, uudet ajatukset planeettojen synnystä ja viimeaikaiset kemian löydöt ovat antaneet sille tukea.
Tässä kirjoitusvaiheessa neljänkymmenen miljoonan kilometrin päässä Maasta on esimerkiksi Mars, maapalloa kylmempi planeetta, jonka ilmakehässä ei ole happea ja jonka pinnalla on vähän vettä. Marsiin kuljetettu ihminen haukkoisi henkeään ja kuolisi – ja useimmat muutkin tutut organismit menehtyisivät.
Mutta yli puolen vuosisadan ajan tähtitieteilijät ovat havainneet planeetalla lieviä vuodenaikaisia värivaihteluita; vaihtelut ovat ilmeisesti yhteneviä veden saatavuuden kanssa. Niitä on tulkittu todisteiksi Marsin kasvillisesta elämästä, elämästä, joka on erityisesti sopeutunut Marsin ympäristön ankariin olosuhteisiin. Jos raportoidut värimuutokset ovat todellisia, muuta järkevää tulkintaa ei näytä olevan.
W. M. Sintonin tekemät marginaaliset spektroskooppiset havainnot viittaavat lisäksi siihen, että Marsin pinnalla saattaa olla molekyylejä, joissa on C-H-sidoksia. Hiili ja vety ovat kaikkien maanpäällisten organismien peruselementtejä, ja niitä yhdistävä kemiallinen sidos on välttämätön proteiinien, nukleiinihappojen ja muiden biologisten rakennusaineiden rakenteelle. Onko siis mahdollista, että samantyyppinen, kemialliselta perusrakenteeltaan samanlainen elämä on syntynyt kahdesti samassa aurinkokunnassa? Vaikka jotkut yksityiskohdat ovatkin spekulatiivisia, kosmisen evoluution yleinen kaava on melko hyvin vakiintunut.
Kosminen evoluutio alkaa valtavasta kosmisesta pölypilvestä, jollainen on nykyään tähtien välissä. Tällaisessa pilvessä on ”kosminen” alkuaineiden runsaus, sillä se koostuu pääasiassa vedystä ja heliumista ja sisältää vain vähän raskaampia alkuaineita. Täällä ja siellä aine on jonkin verran tiheämpää kuin läheisillä alueilla. Hajanaisemmat alueet vetävät painovoiman vaikutuksesta puoleensa tiheämpää aluetta, jonka koko ja massa kasvavat. Kun aine virtaa kohti tiivistyvää keskusydintä, kulmamomentin säilyminen saa koko alueen, ytimen ja virranneen aineen, pyörimään yhä nopeammin.
Lisäksi, kun suuret ainemäärät törmäävät edelleen ytimeen, sen lämpötila nousee tasaisesti. Ehkä sadan miljoonan vuoden kuluttua pilven keskipisteen lämpötila on noussut noin viiteentoista miljoonaan asteeseen. Tämä on lämpöydinreaktioiden syttymislämpötila (kuten vedyn muuttuminen heliumiksi vetypommissa). Tällöin pilven ytimestä tulee tähti, joka ”syttyy” ja säteilee valoa ja lämpöä läheiseen avaruuteen. Jos pyöriminen on riittävän nopeaa, muodostuva tähti jakautuu tietyissä olosuhteissa pienempiin osiin, jolloin syntyy kaksois- tai monitähtijärjestelmä.
Tähden muodostuessa tähteä ympäröi edelleen suuri pölypilvi, joka pyörii sen mukana. Tässä pilvessä, Aurinkosumussa, pienet, tiheämmät alueet alkavat vetää puoleensa läheistä ainetta, kuten tähdenmuodostuksessa. Näistä alueista (läheisen tähden gravitaatiokentässä) kasvavat protoplaneetat eivät kuitenkaan koskaan nouse törmäyskuumennuksen kautta lämpöydinsyttymislämpötilaan, joten niistä tulee planeettoja eikä tähtiä.
Yerkesin observatorion tähtitieteen professori Gerard P. Kuiper on viime vuosina kuvannut, miten planeetat syntyvät tällä tavalla. Muodostuvissa protoplaneetoissa olisi taipumus, että raskaammat alkuaineet vajoaisivat keskelle, jolloin paljon runsaammat vety ja helium jäisivät uusia planeettoja ympäröivän ilmakehän pääainesosiksi. Kun vasta muodostunut tähti ”syttyy”, säteilyn paine pyrkii puhaltamaan tämän ilmakehän pois.
Mutta jos protoplaneetta on hyvin massiivinen tai hyvin kaukana auringosta, protoplaneetan vetovoima kaasumolekyyliä kohtaan voi olla suurempi kuin säteilyn voima, joka yrittää puhaltaa ilmakehän pois, ja protoplaneetta voi säilyttää ilmakehän. Tämä ilmakehä voi olla jäännös protokehän ilmakehästä, tai se voi johtua kaasumaisista uloshengityksistä planeetan sisuksista. Esimerkiksi maapallon nykyinen ilmakehä johtuu uloshengityksistä; Jupiterin nykyinen ilmakehä on jäännösilmakehä.
Siten voidaan yleisesti ottaen ymmärtää tämän aurinkokunnan planeettojen ilmakehät:
- Merkurius: Ei massiivinen, lähellä Aurinkoa, säilyttää vähäisen ilmakehän.
- Venus: Merkuriusta massiivisempi, kauempana auringosta, säilyttää vain raskaan kaasun, hiilidioksidin.
- Maa: Säilyttää kevyemmät kaasut, typen, hapen ja vesihöyryn, mutta on menettänyt lähes kaiken vedyn ja heliumin.
- Mars:
- Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus: Vaikka se on kauempana Auringosta, se on vähemmän massiivinen kuin Maa tai Venus, joten siinä on säilynyt pääasiassa vain raskas kaasu, hiilidioksidi.
- Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus:
Eräs aurinkokuntaamme koskeva tosiasia, joka on soittanut monien kosmogonioiden kuoliniskua, on se, että vaikka yli 99 prosenttia aurinkokunnan massasta on auringossa, yli 98 prosenttia järjestelmän kulmavoimasta on planeetoilla. Aivan kuin pyörimisinertia olisi siirretty auringosta planeettoihin. H. Alfven on selittänyt tämän auringon pyörimisen magneettisena jarrutuksena, joka johtuu ”sen magneettikentän ja ionisoituneen aurinkosumun vuorovaikutuksesta”. Tällä perusteella Auringon tähtisumun olemassaolo, josta planeettajärjestelmät muodostuvat, aiheuttaa sen, että keskustähti pyörii yhä hitaammin.
Nyt planeettojen synnyn täytyy olla riippuvainen keskustähden lämpötilasta. Jos se on liian kylmä, protoplaneettojen ilmakehä ei puhallu pois, jolloin syntyy ehkä Jupiterin kaltainen, mutta vielä suurempi ja massiivisempi planeettajärjestelmä. Toisaalta, jos tähti on liian kuuma, säteilyn paine hajottaa aurinkosumun nopeasti, jolloin jäljelle jää, jos mitään, pieniä ilmakehättömiä planeettoja tai miljoonien pienten asteroidien muodostama järjestelmä. Jotta planeettoja voisi muodostua, tähden lämpötilan on oltava näiden ääripäiden välissä.
On toinenkin syy uskoa, että kuumilla tähdillä ei ole planeettoja. Jos planeettajärjestelmien muodostuminen ja tähtien pyörimisnopeuden hidastuminen johtuvat molemmat aurinkosumujen olemassaolosta, meidän pitäisi odottaa, että kuumat tähdet, jotka hajottavat aurinkosumunsa eivätkä muodosta planeettoja, pyörivät nopeammin. Juuri näin on havaittu! Mitä kuumempi tähti on, sitä nopeammin se pyörii. Viileämmät tähdet pyörivät hitaammin kuin muutoin odotettaisiin.
Lämpötilassa noin 7000 astetta, joka on ominaista niin sanotuille F-tähdille, keskimääräiset pyörimisnopeudet laskevat yhtäkkiä huomattavasti, ja on ehkä mahdollista, että tämän lämpötilan alapuolella kaikki tähdet säilyttävät riittävästi aurinkosumuaan muodostaakseen planeettoja (edellyttäen, etteivät ne ole kuluttaneet aurinkosumuaan muodostaessaan kaksois- tai moniaurinkoisia aurinkojärjestelmiä).
Tällaisten tähtien määrä on yhdestä kymmeneen prosenttia tähtien kokonaismäärästä, mikä viittaa siihen, että pelkästään meidän galaksissamme on jopa kymmenen miljardia aurinkokuntaa. Näistä ehkä yhdellä prosentilla eli 100 miljoonalla on maapallon kaltaisia planeettoja. Mikä on elämän todennäköisyys näissä maailmoissa?
Koska kosmisesti runsain alkuaine on vety, minkä tahansa järjestelmän varhaisten protoplaneettojen ilmakehän täytyy sisältää paljon vetyä ja vetyyhdisteitä. Hiilen, typen ja hapen vety-yhdisteet ovat luultavasti runsaimmat vety-yhdisteet proto-ilmakehässä. Ne ovat vastaavasti metaani, CH4, ammoniakki, NH3, ja vesihöyry, H20.
Vuonna 1953 Stanley Miller, PhD’54, joka oli tuolloin jatko-opiskelijana professori Harold C. Ureyn alaisuudessa, osoitti, että kun vetyä, metaania, ammoniakkia ja vesihöyryä sekoitetaan toisiinsa ja niihin syötetään energiaa, syntyy joitain orgaanisia perusyhdisteitä. (Protoatmosfäärissä energialähteenä on luultavasti auringon ultraviolettivalo, jota protoplaneetta kiertää.)
Nämä yhdisteet ovat lähes kaikki aminohappoja, biokemiallisia rakennusaineita, joista proteiinit rakentuvat. On myös syytä uskoa, että aminohapot johtavat puriinien ja pyrimidiinien muodostumiseen, jotka puolestaan ovat nukleiinihappojen rakennusaineita. Proteiinit ja nukleiinihapot ovat maapallolla tuntemamme elämän kaksi peruskomponenttia; perintöaines, kuten geenit ja kromosomit, koostuu ehkä yksinomaan nukleiinihapoista ja proteiineista. Lisäksi entsyymit, jotka katalysoivat hitaita kemiallisia reaktioita ja siten mahdollistavat monimutkaiset elämänmuodot, ovat aina proteiineja.
Millerin kokeisiin verrattavan tärkeitä kokeita on tehnyt S. W. Fox. Fox sovelsi lämpöä, 100 ja 200 celsiusasteen välillä, yksinkertaisiin molekyyleihin, kuten Millerin syntetisoimiin molekyyleihin. Tämä yksinkertainen menettely tuotti pieniä määriä monimutkaisia orgaanisia molekyylejä, joita sattuu olemaan laajalti kaikissa maanpäällisissä eliöissä. Fox on tuottanut erityisesti ureidosukliinihappoa, joka on keskeinen välituote nukleiinihappojen synteesissä. Foxin tarvitsemat lämpötilat voidaan helposti saavuttaa kuorta radioaktiivisesti lämmittämällä. On todisteita siitä, että tällainen radioaktiivinen kuumentaminen on normaali osa kaikkien planeettojen varhaista evoluutiota.
Nyt on todella silmiinpistävää, että Millerin ja Foxin tuottamat molekyylit ovat juuri niitä molekyylejä, jotka ovat välttämättömiä elämän muodostumiselle sellaisena kuin me sen tunnemme. Lähes yhtään sellaista molekyyliä ei tuotettu, joka ei ole olennaisesti mukana nykyaikaisissa maanpäällisissä eliöissä.
Millerin ja Foxin kuvaamat prosessit tapahtuisivat todennäköisesti ainakin yhdellä planeetalla jokaisesta kohtalaisen lämpöisestä tähdestä. Tarvitaan vain tapa kerätä näiden prosessien tuottamat molekyylit yhteen paikkaan, jossa ne voivat olla vuorovaikutuksessa keskenään. Nestemäinen väliaine planeetan pinnalla palvelee tätä tarkoitusta erinomaisesti. Ilmakehässä syntyneet molekyylit putoaisivat näihin nestemäisiin kappaleisiin, ja myös maalla lämmön vaikutuksesta syntyneet molekyylit huuhtoutuisivat niihin. Vaikka nestemäisestä ammoniakista tai fluorivetyhaposta koostuvat meretkin toimisivat, voidaan osoittaa, että vesimeret olisivat tehokkaimpia biomolekyylien keräämisessä ja säilyttämisessä.
Jokaisen tarkastelemamme järjestelmän yhdellä planeetalla on todennäköisesti ollut nestemäisiä vesimeriä jo varhain sen historiassa, ja siksi tällaisilla planeetoilla voidaan odottaa proteiinien ja nukleiinihappojen tuotantoa.
Nyt proteiineilla ja nukleiinihapoilla on joitakin epätavallisia ominaisuuksia; tietojemme mukaan sellaisia, joita ei löydy mistään muusta molekyylistä. Ne voivat muodostaa uuden molekyylin, joka ei ainoastaan kykene rakentamaan muita samanlaisia molekyylejä ympäröivässä meressä kelluvasta aineesta, vaan joka jollakin tavalla muuttuneena voi myös rakentaa kopioita muuttuneesta rakenteestaan. Tällaisen mutatoituvan, itsestään lisääntyvän molekyylin tai molekyylikokoelman on käytävä läpi luonnonvalinta. Näistä syistä se on tunnistettava kyseisen planeetan ensimmäiseksi eläväksi olennoksi.
Siten pelkästään tässä galaksissa saattaa olla sata miljoonaa planeettaa, joilla kukoistaa meitä ainakin biokemiallisesti muistuttavia eliöitä. Toisaalta luonnonvalinnan ansiosta näiden organismien on oltava hyvin sopeutuneita, kukin omaan ympäristöönsä. Koska pienetkin erot ympäristössä aiheuttavat lopulta äärimmäisiä eroja eliöiden rakenteessa, meidän ei pitäisi hyväksyä, että maan ulkopuoliset elämänmuodot muistuttaisivat mitään tuttua. Mutta on syytä uskoa, että niitä on olemassa.