Pitääkö elollinen luonto maapallon asumiskelpoisena?

Transkriptio

1 MAAPALLO POTILAANA Pitääkö elollinen luonto maapallon asumiskelpoisena? M aapallon fysikaaliset olosuhteet ovat monessa suhteessa suotuisat elävän luonnon kannalta. Ilmakehä suojaa liialliselta auringon säteilyltä, vesikehä pysyy pääosin nestemäisenä, ja lämpötila on suotuisa. Lisäksi nämä olosuhteet ovat vuosimiljardeja pysyneet hämmästyttävän vakaina, vaikka jääkaudet ovat ajoittain vallanneet osan pohjoisia ja eteläisiä leveysasteita. Evoluutioteoria pystyy kyllä selittämään elävän luonnon sopeutumisen vallitseviin oloihin mutta ei selitä olojen pysymistä näinkin tasaisina. Ilmakehän kemian ja maapallon mikrobiologian tutkimus ovat antaneet viitteitä siitä, että elollinen luonto itse säätelee maapallon fysikaalisia olosuhteita erilaisten takaisinkytkentämekanismien kautta. Tämä Gaia- Äiti Maa -hypoteesi saa tukea monista empiirisistä havainnoista mutta sotkeutuu toisaalta romantikkojen kuvitelmiin ja New Age -hömpötykseen. Tässä katsauksessa tarkastellaan perusteluja Gaia-hypoteesin puolesta ja sitä vastaan. Charles Darwinia tulkitaan monesti väärin, kun korostetaan olemassaolon taistelua ja vahvimpien eloon jäämistä (»survival of the fittest»). Evoluutioteorian ydin on vaihtelu, jonka tuotteista luonnonvalinnan kautta ne yksilöt jäävät eloon ja jatkavat sukuaan, jotka parhaiten sopeutuvat ympäristön olosuhteisiin, eivät välttämättä vahvimmat ja aggressiivisimmat. Olennaista on, että elävä luonto joutuu sopeutumaan ympäristönsä fysikaalisiin ja kemiallisiin olosuhteisiin. Eräät suoritukset tässä suhteessa ovatkin lähes uskomattomia, esimerkkeinä mainittakoon tulikuumissa lähteissä elävät bakteerit sekä syvänmeren painetta, kylmyyttä ja pimeyttä kestävä eliöstö. Duodecim 113: ,

2 Vaikka elävä luonto joutuu toimimaan ympäristön ehdoilla, niin samalla se myös muokkaa ympäristönsä olosuhteita. Tämä on ihmisen lisääntymisen ja teollisen kulttuurin lieveilmiöiden kautta tullut yleiseen tietoisuuteen. Kuitenkin elolliset oliot ovat jo miljardeja vuosia vaikuttaneet merkittävästi maapallon fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin. Eräät näitä vuorovaikutuksia selvitelleet tutkijat uskovat, että maapallon ilmakehä, maaperä ja valtameret ovat homeostaattisen säätelyn alaisia. Sen ansiosta olosuhteet pysyvät optimaalisina elollisen luonnon kannalta, ja säätelystä huolehtii elollinen luonto eli biosfääri itse. Tämän hypoteesin esitti ensimmäisenä brittiläinen kemisti James Lovelock (1979), ja hänen naapurinsa, kirjailija William Golding ehdotti sille nimeksi Gaia-hypoteesi. Kreikkalaisessa tarustossa Gaia eli Ge oli maan jumalatar, jonka nimestä juontavat juurensa mm. geologia ja geografia. Ilmakehän ihmeellisyydet Lovelock on ilmakehän tutkija, joka 1960-luvulla osallistui Yhdysvaltain avaruushallinnon (NASA) hankkeeseen etsiä elämän merkkejä Marsista ja muiltakin planeetoilta. Monet tutkijat, mm. astronomi Carl Sagan, ovat pitäneet itsestään selvänä, että useillakin maailmankaikkeuden biljoonista tähdistä on tai on ollut elämän syntymisen edellytykset. Ensimmäinen niistä on aineen ja energian lähde, kuten Aurinko. Sopiva etäisyys Auringosta mahdollistaa lämpötilan, jossa kaasut pysyvät kaasuina ja vesi nesteenä, kun taas esimerkiksi Merkuriuksen vesi on haihtunut avaruuteen ja Jupiterin jäätynyt. Sopivan koon sanelema vetovoima pidättää ilmakehän, joka ei ole liian tiheä valoenergian läpäisevyyden kannalta. Maapallo ei näissä suhteissa suinkaan ole ainutlaatuinen taivaankappale. Koska kuitenkin erilaiset olosuhteet ovat voineet johtaa evoluution kovin erilaisiin lopputuloksiin, niin ensimmäinen ongelma on määritellä, mitä»elämä» on ja mitkä olisivat sen havaittavissa olevat tunnusmerkit. Lovelock lähti pohdinnoissaan ajatuksesta, että»elämä» aina muuttaa ympäristönsä koostumusta käyttämällä ainetta tai energiaa ja tuottamalla jätettä tai kuona-ainetta. Tällaiset muutokset olisi helpointa todeta neste- tai kaasufaasissa, ja ne johtaisivat meriveden tai ilmakehän koostumuksen poikkeamiseen siitä, mikä se olisi puhtaasti kemiallisten ja fysikaalisten lakien vallitessa. Sekä Maan että lähiplaneettojen ilmakehien koostumus tunnetaan varsin tarkoin, ja niiden teoreettinen kemiallinen tasapainotila voidaan laskea. Sen mukaan kunkin ilmakehässä tulisi olla 99 % hiilidioksidia ja 1 % argonia mutta ei lainkaan typpeä tai happea. Sekä Venuksen että Marsin ilmakehän hiilidioksidipitoisuus ylittääkin 95 %, happea on alle 0.1 % ja typpeä alle 3 %. Maan ilmakehässä sen sijaan hiilidioksidin osuus on vain 0.03 %, typen 79 % ja hapen 21 %. Lisäksi Maan ilmakehässä esiintyy kaasuja, joita siellä ei pitäisi laisinkaan olla. Esimerkiksi metaanin pitoisuus on varsin tasaisesti 10 4 %, ja kun tunnetaan sen helppo reagointi hapen kanssa, voidaan laskea, että vuosittain ilmakehään täytyy ilmestyä noin miljardi tonnia metaania. Myös typpioksiduulia, rikin kaasuja ja metyylikloridia siirtyy ilmakehään miljoonaa tonnia vuodessa. Vain pieni osa on peräisin Maan sisuksista vulkaanisen toiminnan tuottamana. Ilmakehän kemiallista epätasapainoa voidaan siis pitää diagnostisena merkkinä elämästä. Askel pitemmälle on hypoteesi, että ilmakehän koostumus pysyy vakiona ja että sen säätelystä huolehtii pääosin elollinen luonto. Gaia-romantikkojen mukaan Äiti Maa kantaa vastuuta omistaan. Merkittävin muutos Maapallon olosuhteissa sai alkunsa noin 2 miljardia vuotta sitten, jolloin aiemmin anaerobiseen ilmakehään alkoi kertyä happea. Sitä tuottivat pää- 2362

3 asiassa syanobakteerit fotosynteesin kautta, ja koska happi on toksinen aine, seurauksena oli mittava ympäristökatastrofi. Silloinen fauna koostui pelkästään prokaryooteista eli bakteereista, joista suurin osa tuhoutui. Loput joutuivat joko kehittämään itselleen antioksidanttipuolustuksen tai hakeutumaan hapettomiin oloihin. Toisaalta evoluutio johti hapen hyväksikäyttöön soluhengityksen kautta. Tämä taas antoi mahdollisuuden energiantuotannon maksimointiin, ja sitä on pidetty edellytyksenä evoluution jatkumiselle. Tumattomista bakteereista kehittyi tumallinen eli eukaryoottisolu, joka on eläinten, kasvien, sienten ja yksisoluisten eukaryoottien eli protistien rakenteen, toiminnan ja reproduktion perusta. Noin 1.5 miljardia vuotta sitten ilmakehän happipitoisuus oli suurentunut 21 %:iin, ja tälle tasolle se sitten vakiintui. Kyseessä on tietynlainen säätelyjärjestelmä, jossa elollisen luonnon tuottama ja kuluttama happi ovat tasapainossa. Jos ilmakehän happipitoisuus suurenisi 25 %:iin, hallitsemattomat tulipalot hävittäisivät pääosan maakasvullisuudesta. Pienemmät pitoisuudet johtaisivat aerobisten eliöiden tukehtumiseen. Valtameret ja biosfääri Maapallo syntyi arviolta 4.5 miljardia vuotta sitten kiehuvan kuumana tulipallona. Kesti noin miljardi vuotta, kunnes se oli jäähtynyt riittävästi, jotta sen pinnalla oleva vesi pysyi nesteenä ja valtameret saattoivat muodostua. Varsin pian tämän jälkeen löytyvät ensimmäiset melko luotettavat elollisen luonnon merkit, Swazimaan kalliosta todetut 3.4 miljardia vuotta vanhat mikrofossiilit. Geologisten havaintojen perusteella valtamerten suolapitoisuus on jokseenkin noista ajoista lähtien pysynyt lähes samansuuruisena kuin nykyisin, noin 3.4 %:na. Kuitenkin sateet ja joet kuljettavat vuosittain noin 540 megatonnia suoloja maaperästä meriin, ja lisää tulee mannerlaattojen raoista meren pohjaan. Yhteen laskettuina nämä suolamäärät kaksinkertaistaisivat valtamerten suolapitoisuuden noin 60 miljoonassa vuodessa. Jollakin mekanismilla merivedestä täytyy siis poistua suuria määriä natriumia, kalsiumia, magnesiumia ja piitä. Pelkästään kemialliset saostumisreaktiot eivät tätä selitä. Valtamerten pienimmät mutta runsaslukuisimmat asukit, planktoniin kuuluvat yksisoluiset levät ja alkueläimet, rakentavat itselleen eräänlaisen selkärangan lähinnä kalsiumin (Coccolithophora) tai piin (Diatoma) suoloista. Näiden eliöiden jäänteet putoavat aikanaan merten pohjaan jatkuvana sateena, josta muodostuu paksuja sedimenttikerroksia. Jos jokin planktoniin kuuluva laji on erityisen suolaherkkä, sen kuolevuus suurenee suolapitoisuuden kasvaessa ja sedimentaatio tasaa tämän kautta olosuhteita. Selviä todisteita biosfäärin toteuttamasta valtamerten suolapitoisuuden säätelystä ei ole esitetty, mutta Gaia-hypoteesin mukaisia ajatusrakennelmia on varsin helppo pystyttää. Maapallon lämpötila Fysiikan lakien mukaiset laskelmat osoittavat, että Auringon lähettämän valoenergian määrä on maapallon syntyvaiheista alkaen suurentunut vähintään 30 %:lla. Jos Aurinko nyt vastaavassa suhteessa himmenisi, maapallon keskilämpötila laskisi pakkasen puolelle. Kuitenkin fossiili- ja sedimenttitutkimukset osoittavat, että elämän alkuvaiheista saakka keskilämpötila on ollut noin 22 C. Vaikka historian aikana on ollut useita jääkausia, nämä ovat rajoittuneet maapallon pohjoisimpaan ja eteläisimpään kuudennekseen, kun taas vaikutukset kasvi- ja eläinmaailmaan kahdessa kolmanneksessa maapalloa ovat olleet vähäiset. Mikä selittää lämpötilan vakioisuuden? Pitääkö elollinen luonto maapallon asumiskelpoisena? 2363

4 Auringonvalon vaikutus lämpötilaan riippuu lähinnä kahdesta seikasta: siitä, kuinka suuri osa säteilystä imeytyy maapallon pintaan ja kuinka suuri osa heijastuneesta säteilystä karkaa takaisin avaruuteen. Ensin mainittuun tekijään vaikuttaa pinnan tummuus: mitä vaaleampi pinta, sitä suurempi on takaisin heijastuvan säteilyn määrä, jota kutsutaan termillä albedo. Toista tekijää puolestaan säätelevät ilmakehän kaasut, lähinnä hiilidioksidi, jonka pitoisuuden suureneminen estää lämpösäteilyn avaruuteen ja johtaa ns. kasvihuoneilmiöön. Onkin todennäköistä, että maapallon syntyhistorian alkuvaiheissa, kun ilmakehän hiilidioksidipitoisuus oli noin 30 %, se piti huolta mukavasta lämpötilasta huolimatta Auringon pienemmästä säteilyenergiasta. Biosfääri voi vaikuttaa lämpötilan säätelyn molempiin päämekanismeihin homeostaasia edistävällä tavalla. Maapallon heijastavuus eli albedo riippuu paljolti pilvikerroksesta, joka nykyisin peittää noin puolet maapallon pinnasta. Pilvien muodostukseen tarvitaan aerosolipartikkeleita, joiden ympärille vesi tiivistyy. Tärkein aerosolipartikkeli on ilmakehän sulfaatti, jonka yksi päälähde on teollisen kulttuurin aiheuttama rikkidioksidisaaste. Ainakin eteläisellä pallonpuoliskolla merkittävämpi on valtamerten fytoplanktoniin kuuluvien levien tuottama dimetyylisulfidikaasu, joka ilmakehässä hapettuu sulfaatiksi. Jos dimetyylisulfidin tuotanto suurenee, pilvien muodostus lisääntyy, niiden aiheuttama albedo suurenee, enemmän auringon säteilyä heijastuu pois maapallon pinnalta ja lämpötila pienenee (Charlson ym. 1987). Vaikutus on siis päinvastainen kuin kasvihuoneilmiön, ja onkin laskettu, että ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kaksinkertaistumisen aiheuttaman lämpenemisen estämiseksi tarvittaisiin sulfaattiaerosolipartikkeleiden määrän kaksinkertaistuminen. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuuteen biosfääri tietenkin myös vaikuttaa. Fotosynteesin kuluttama ja soluhengityksen tuottama hiilidioksidi näyttää periaatteessa olevan tasapainossa, mutta biosfäärin hallitsevin eläinlaji ihminen on toiminnallaan selvästi lisäämässä kasvihuoneilmiön vaaraa. Toisaalta kuitenkin ilmakehän ja meriveden hiilidioksidi ovat tasapainotilassa, ja meriveden kyky sedimentoida ylimääräistä hiiltä on lähes rajaton. Todettua ilman hiilidioksidipitoisuuden suurenemistrendiä ei siis voi lineaarisesti ekstrapoloida tulevaisuuteen, koska siihen vaikuttavat monet homeostaattiset mekanismit. Samasta syystä myöskään hiilidioksidipitoisuuden suurenemisen ja lämpötilan nousun välinen suhde ei pitkällä aikavälillä ole välttämättä lineaarinen. Vaikka periaatteessa on paikallaan varoittaa maapallon ekologisen tasapainon järkyttämisestä, johon runsaat hiilen, rikin ja typen oksidien päästöt voivat johtaa, niin tulevaisuuden näkymät eivät välttämättä ole niin synkät kuin jotkut ekopessimistit antavat ymmärtää. Biosfäärin itsesäätely onko maapallo elävä superorganismi? Näyttö siitä, että biosfääri vaikuttaa merkittävällä tavalla maapallon olosuhteisiin, on melko vakuuttava. On myös paljon todisteita niistä takaisinkytkentämekanismeista, joiden avulla homeostaasi säilyy. Näiden mekanismien moninaisuus ja monimutkaisuus vaikeuttaa kuitenkin kokonaiskuvan hahmottamista ja syysuhteiden selvittämistä. Toinen vaikeus johtuu aikaskaalasta, jossa perusyksikkö on lähempänä miljoonaa kuin yhtä vuotta. Pitkän aikavälin muutokset eivät helposti erotu lyhyen aikavälin vaihtelusta, ja osin tästä syystä kaikki eivät vielä ole vakuuttuneet maapallon lämpenemisestä (Holopainen, tässä numerossa). Gaia-hypoteesin merkittävimmät puolestapuhujat kemisti James Lovelock ja mikrobiologi Lynn Margulis ovat alansa tutkijoina kiistatta huippuluokkaa. Sitä paitsi molempien asiantuntemus on juuri oikealta alalta biosfäärin vaikutusten arvioimiseksi, sillä 2364

5 ilmakehän kemia on ehkä selvin argumentti hypoteesin puolesta, ja kautta maapallon historian juuri bakteerit ja yksisoluiset eukaryootit ovat määrällisesti hallinneet elävää luontoa. Bakteerien maailmassa kasvu on nopeaa, samoin muutos ja sopeutuminen uusiin oloihin. Tämä johtuu geeniaineksen helposta siirtymisestä bakteerilajista toiseen, minkä seurauksista antibiooteille resistenttien bakteerien kanssa tuskailevat lääkärit voivat todistaa. On myös viitteitä siitä, että eri eliölajien välisellä symbioottisella yhteenliittymällä voi olla merkitystä evoluutiossa ja että sen kautta uusia ominaisuuksia syntyisi paljon nopeammin kuin mutaatioiden kautta. Selvin esimerkki tästä ovat kasvi- ja eläinsoluissa todettavat kloroplastit ja mitokondriot, joiden alkuperäksi on osoittautunut eukaryoottisoluun liittynyt bakteeri. Tästä havainnosta ansio kuuluu juuri Lynn Margulikselle (Sagan ja Margulis 1997). Silti ihmetyttää, että hypoteesin kannattajien katsannossa Gaia on kuin ajatteleva ja intentionaalinen organismi, joka toimii osastensa eli elävään luontoon kuuluvien yksilöiden ja lajien kaikinpuolisen onnen ja menestyksen turvaamiseksi. Tällainen asenne lähenee jo Gaian alkuperäistä viitekehystä eli kreikkalaista mytologiaa ja on omiaan vähentämään tieteellisten perustelujen uskottavuutta. On myös vaikea ymmärtää, miksi Äiti Maa haluaisi säilyttää juuri nykyisen kaltaiset olosuhteet maapallolla, kun toisaalta tunnetaan eliöiden valtava kyky sopeutua muutoksiin. Nykyisenä postmodernina ja ympäristötietoisena aikana on selvää, että ajatus huolehtivaisesta maaemosta herättää monissa ihmisissä vastakaikua. Siitä voi vakuuttua vaikkapa uppoamalla suunnattomaan Gaia-hakusanalla löytyvään suohon Internetissä. Jos ihminen todella mielletään osaksi koko biosfäärin käsittävää superorganismia, on perusteltua korostaa vastuuta muista lajeista ja yhteisistä olosuhteista. Toisaalta voi olla lohdullista, jos tieteellisin argumentein todistellaan biosfäärin kyllä pitkällä aikavälillä korjaavan maapallon olosuhteet takaisin ihanteellisiksi, vaikka ihminen ymmärtämättömyydessään ne tärväisi. Tällöin on kuitenkin hyvä muistaa aikaskaala ja se, että Gaia ei piittaa yksilön tai edes tietyn lajin hyvinvoinnista ja säilymisestä. Äiti Maa ei ajattele ihmiskeskeisesti. Tärkeintä on, että elämä jossakin muodossa tulee varmaankin jatkumaan ja kukoistamaan. Kirjallisuutta Charlson R J, Lovelock J E, Andreae M O, Warren S G: Oceanic phytoplankton, atmospheric sulphur, cloud albedo and climate. Nature 326: , 1987 Lovelock J E: Gaia: A new look at life on earth. Oxford University Press, New York, 1979 Margulis L, Sagan D: Microcosmos. Four billion years of evolution from our microbial ancestors. University of California Press, Berkeley 1997 KARI RAIVIO, rehtori Helsingin yliopisto Pitääkö elollinen luonto maapallon asumiskelpoisena? 2365