Seutuviikko 2015, Jämsä Kyösti Ryynänen LUENTO 2 MAA-PLANEETAN GEOLOGINEN KEHITYSHISTORIA ÄÄRIOLOSUHTEISIIN SOPEUTUNEET EKSTREMOFIILIT PLANEETTA MAA MUODOSTUI 4.5 MILJARDIA VUOTTA SITTEN PÖLY- JA KAASUKIEKON ALKUAINEPITOISUUDET JA JAKAUMA PROTOPLANEETAN ETÄISYYS KESKUSTÄHDESTÄ, TÖRMÄYKSET PLANEETAN RADAN MUOTO JA PYÖRIMISAKSELIN KULMA LISÄÄ AINETTA JA PREBIOOTTISIA MOLEKYYLEJÄ ASTEROIDI- JA KOMEETTATÖRMÄYKSISTÄ 1
PLANEETAN DIFFERENTIOITUMINEN ALUKSI PLANEETTA KUUMA, SULASSA TILASSA JA MATERIA SEKOITTUNUTTA VÄHITELLEN RASKAAMMAT AINEET ALKOIVAT VAJOTA SYVEMMÄLLE JA KEVYEMMÄT AINEET JÄIVÄT PINNALLE (DIFFERENTIOITUMINEN ERILAISIKSI KERROKSIKSI) JÄÄHTYMISEN MYÖTÄ KUORIKERROS ALKOI KIINTEYTYÄ ATMOSFÄÄRIN SYNTY ERI ALKUAINEIDEN JA MOLEKYYLIEN OLOMUOTO (KIINTEÄ, NESTEMÄINEN, KAASU) RIIPPUU LÄMPÖTILASTA JA PAINEESTA MANTEREET KELLUVAT RASKAAMMAN (TIHEÄMMÄN) OSITTAIN SULAN KIVIAINEKSEN PÄÄLLÄ KAIKKEIN KEVEIMMÄT AINEET MUODOSTAVAT PLANEETALLE ATMOSFÄÄRIN 2
ALKUILMAKEHÄ KUN ELÄMÄ SAI ALKUNSA, NIIN MAAPALLON OLOSUHTEET OLIVAT HYVIN ERILAISET KUIN NYKYÄÄN (ELÄMÄN ANAEROBINEN ALKU) AIKAISEMPI KÄSITYS, ETTÄ PELKISTÄVÄ (HAPETON) METAANI (CH 4 ), AMMONIAKKI (NH 3 ) JA VETY (H 2 ) ATMOSFÄÄRI EHDOTETTU HIILIDIOKSIDI (CO 2 ), TYPPI (N 2 ) JA VESIHÖYRY (H 2 O) VALTAISTA EHDOTETTU HIILIDIOKSIDI (CO 2 ), RIKKIVETY (H 2 S), VESIHÖYRY (H 2 O) JA METAANI (CH 4 ) VALTAISTA MIKÄLI ALKUILMAKEHÄ OLI PÄÄASIASSA CO 2 ja N 2 VALTAINEN JA VAIN VÄHÄN CH 4 JA H 2, NIIN HALUTTUJA MOLEKYYLEJÄ EI MUODOSTU HELPOSTI MAAPALLON ALKUAIKOINA KAASUKEHÄN TIHEYS JA KOOSTUMUS MUUTTUNEET MONESTI 5 LÄMPÖTILA JA LIUOTIN KORKEISSA LÄMPÖTILOISSA (LÄHELLÄ KESKUSTÄHTEÄ) RIKKIHAPPO NESTEMÄISENÄ MAAN JA MARSIN ETÄISYYDELLÄ VESI JA AMMONIAKKI NESTEMÄISINÄ MATALISSA LÄMPÖTILOISSA (KAUKANA KESKUSTÄHDESTÄ) METAANI, ETAANI, TYPPI JA VETY NESTEMÄISINÄ 6 3
LIUOTTIMIA RIKKIHAPPO (H 2 SO 4 ) NESTEMÄISENÄ +10 o C - +337 o C VESI (H 2 O), SUURI PINTAJÄNNITYS JA LÄMMÖNVARAUSKYKY, LAAJENEE JÄÄTYESSÄÄN, NESTEMÄISENÄ 0 o C- +100 o C AMMONIAKKI (NH 3 ) NESTEMÄISESSÄ OLOMUODOSSA VÄLILLÄ -78 o C - -33 o C AMMONIAKIN JA VEDEN SEOS METYYLIALKOHOLI (CH 3 OH) NESTEMÄISESSÄ OLOMUODOSSA VÄLILLÄ -98 o C - +65 o C 7 LIUOTTIMIA FORMALIINI (FORMALDEHYDIN VESILIUOS) METAANI (CH 4 ) NESTEMÄISENÄ VÄLILLÄ -182 o C - -164 o C ETAANI (C 2 H 6 ) NESTEMÄISENÄ VÄLILLÄ -183 o C - -89 o C TYPPI (N 2 ) NESTEMÄISENÄ VÄLILLÄ -210 o C - -196 o C VETY (H 2 ) NESTEMÄISENÄ VÄLILLÄ -260 o C - -253 o C 8 4
PLANEETAN LÄMPÖTILAMUUTOKSET AURINGON KIRKKAUDEN MUUTOKSET PLANEETAN RADAN MUUTOKSET PLANEETAN PYÖRIMISAKSELIN KULMAN MUUTOKSET MANNERTEN SIJAINNIN MUUTOKSET PLANEETAN ATMOSFÄÄRIN TIHEYDEN JA KOOSTUMUKSEN MUUTOKSET PLANEETAN HEIJASTUVUUDEN (ALBEDON) MUUTOKSET GEOLOGISIA MULLISTUKSIA SUPERTULIVUORTEN PURKAUKSET LAAKIOBASALTTIPURKAUKSET LAATTATEKTONIIKAN PYSÄHTYMINEN MERIVIRTOJEN MUUTOKSET ASTEROIDITÖRMÄYKSET MAGNEETTIKENTÄN MUUTOKSET HELLEKAUDET (NAPA-ALUEET SULIA) JÄÄKAUDET (LUMIPALLOMAA) 10 5
TRIASKAUDEN HELLEJAKSO NOIN 230 MILJOONAA VUOTTA SITTEN PÄIVÄNTASAAJA LIIAN KUUMA KASVEILLE JA LÄHES KAIKILLE ELÄIMILLE PÄIVÄNTASAAJALLA VESIEN PINTALÄMPÖTILA JOPA +40C ASTETTA JA MAALLA JOPA +60C ASTETTA KASVIT JA ELÄIMET SELVISIVÄT LÄHINNÄ NAPA-ALUEILLA SEURAUKSENA SUKUPUUTTOJA (New 11 Scientist) LUMIPALLOMAAT MAAPALLO JÄÄTYI LÄHES KOKONAAN PLANEETAN KESKILÄMPÖTILA LUOKKAA -50C (NYKYISIN +15C) SUURI OSA KASVILLISUUDESTA JA ELÄIMISTÄ KUOLI ELÄMÄ SÄILYI MAANKUORESSA JA MERISSÄ TUNNETAAN NELJÄ LUMIPALLOMAA- JAKSOA VÄLILLÄ 750-580 MILJOONAA VUOTTA SITTEN 12 6
LUMIPALLOMAAT MAAPALLO PYSTYI PALAUTUMAAN TULIVUORITOIMINNAN VOIMISTAESSA KASVIHUONEILMIÖTÄ (CO2- PITOISUUDET JOPA 350 KERTAA NYKYINEN TASO) TOISENA VAIKUTTAVANA TEKIJÄNÄ MAAPALLON RADAN JA PYÖRIMISAKSELIN MUUTOKSET 13 GAIA-TEORIA ELÄMÄ JA SEN YMPÄRISTÖ KIETOUTUVAT TOISIINSA TIUKASTI ELÄMÄ ITSE SÄÄTELEE JA KORJAA YMPÄRISTÖNSÄ OLOSUHTEITA ELÄMÄLLE SUOTUISAAN SUUNTAAN MONET NYKYISET MAAELÄMÄLLE VÄLTTÄMÄTTÖMÄT AINEET, KUTEN ILMAKEHÄN HAPPI JA HIILIDIOKSIDI, OVAT ELIÖIDEN TUOTTAMIA 14 7
ELIÖKUNTA DOMINION (TUNNETAAN YKSI, MAAELÄMÄ) YLÄKUNNAT (DOMAIN) KUNNAT PÄÄJAKSOT LUOKAT LAHKOT HEIMOT SUVUT LAJIT 15 KUNNAT DARWIN JA LINNÉ: ELÄIMET JA KASVIT 1900-LUVUN LOPPU: ELÄIMET, KASVIT, SIENET, ALKUELÄIMET JA BAKTEERIT KOLME YLÄKUNTAA: AITOTUMALLISET (EYCARYOTA), BAKTEERIT (BACTERIA) JA ARKKIELIÖT (ARCHAEA) ARKIT JA BAKTEERIT PROKARYOOTTEJA (ESITUMAISIA) EUKARYOOTIT (AITOTUMAISIA) 16 8
ELÄMÄN PUU FYLOGENEETTINEN PUU TUNNUSOMAISTA ASTEITTAINEN KEHITYS JA HAARAUTUMINEN KEHITYSLINJOIKSI KATKEAMATON KETJU SUKUPOLVIA ALKUELÄMÄSTÄ NYKYLAJIEN YKSILÖIHIN IHMISEN KEHITYS ON HAARAUTUNUT (MUISTA KEHITYSLINJOISTA) 40 KERTAA MAAPALLOLLA EHKÄ 15-50 MILJOONAA ERILAISTA LAJIA, JOISTA VAIN OSA LUOKITELTU 17 LAJIEN MÄÄRIÄ 1.6 MILJ NIMETTYÄ SELKÄRANGATONTA, BAKTEERIA, SIENTÄ JNE. 750 000 HYÖNTEISTÄ 250 000 KASVIA 123 000 NIVELJALKAISTA (HYÖNTEISET POISLUKIEN) 50 000 NILVIÄISTÄ 41 000 SELKÄRANKAISTA 18 9
TIENHAAROJA IHMISEN EVOLUUTIOSSA 3,85 MILJARDIA VUOTTA SITTEN VANHIMMAT SÄILYNEET ELÄMÄN SUOSIMAN HIILI-12 SEDIMENTTILÖYDÖT (LÄNSI- GRÖNLANTI) 3,5 MILJARDIA VUOTTA SITTEN ENSIMMÄISET PROKARYOOTIT (ARKKIBAKTEERIT JA EUBAKTEERIT) 1,5 MILJARDIA VUOTTA SITTEN ENSIMMÄISET EUKARYOOTIT 1,3 MILJARDIA VUOTTA SITTEN YHTEINEN ESIVANHEMPI NYKYISTEN KASVIEN KANSSA 1,2 MILJARDIA VUOTTA SITTEN YHTEINEN ESIVANHEMPI NYKYISTEN AMEEBOJEN KANSSA 1,1 MILJARDIA VUOTTA SITTEN YHTEINEN ESIVANHEMPI NYKYISTEN SIENTEN KANSSA 600 MILJOONAA VUOTTA SITTEN MONISOLUISET: ELÄINKUNNAN SELKÄRANKAISET JÄRJESTYKSESSÄ KALAT, SAMMAKKOELÄIMET, MATELIJAT, LINNUT JA NISÄKKÄÄT 19 TIENHAAROJA IHMISEN EVOLUUTIOSSA 545 MILJOONAA VUOTTA SITTEN KAMBRIN RÄJÄHDYS (ELÄMÄN NOPEA MONIMUOTOISTUMINEN) 530 MILJOONAA VUOTTA SITTEN YHTEINEN ESIVANHEMPI KÄRPÄSEN KANSSA (SAMA ALKIOKEHITYKSEN KAAVA) 370 MILJOONAA VUOTTA SITTEN KEUHKOKALAT 360 MILJOONAA VUOTTA SITTEN RAAJAT 100 MILJOONAA VUOTTA SITTEN YHTEINEN ESIVANHEMPI MUISTUTTI PÄÄSTÄISTÄ 5-7 MILJOONAA VUOTTA SITTEN AFRIKKALAISET APINAT 6 MILJOONAA VUOTTA SITTEN YHTEINEN ESIVANHEMPI SIMPANSSIN KANSSA 2,5 MILJOONAA VUOTTA SITTEN HOMO HABILIS KÄVELI PYSTYSSÄ (EHKÄ JO 3.6 Ma SITTEN) JA KÄYTTI TYÖSTETTYJÄ KIVIÄ (NOIN 100 000 SUKUPOLVEA SITTEN) 250 000 VUOTTA SITTEN HOMO SAPIENS AFRIKASSA 100 000 VUOTTA SITTEN HOMO SAPIENS LEVITTÄYTYY MAAPALLOLLE ERECTS, ARCHAICS (NEANDERTAL) JA MODERNS 20 10
MOLEKYYLIARKEOLOGIAA PCR (POLYMERAASIKETJUREAKTIO) TEKNIIKALLA MONISTETTU VANHOISTA NÄYTTEISTÄ (ESIM. MUUMIOT) RIITTÄVÄSTI DNA:TA GENEETTISTÄ LAJIEN VÄLISTÄ VERTAILUA VARTEN NEANDERTALIN IHMISEN 30 000 VUOTTA VANHAA DNA:TA ON LUETTU IKIJÄÄSSÄ SÄILYNEIDEN KASVIEN 400 000 VUOTTA VANHAA DNA:TA ON LUETTU DINOSAURUKSEN 65 MILJOONAA VUOTTA VANHAA DNA:TA (REISILUUSTA) ON LUETTU 3500 VUOTTA VANHOJA ITIÖITÄ HERÄTETTY ELOON 500 000 VUOTTA VANHOJA PSYKROFIILEJÄ JÄÄSSÄ HERÄTETTY ELOON 50 MILJOONAA VUOTTA VANHOJA BAKTEEREJA MERIPIHKASSA HERÄTETTY ELOON 250 MILJOONAA VUOTTA VANHOJA HALOFIILEJÄ SUOLAKITEISTÄ HERÄTETTY ELOON 21 EKSTREMOFIILEJA 1 Happamaan (ph alle 3) sopeutuneet ASIDOFIILIT Emäksiseen (ph yli 9) sopeutuneet ALKALIFIILIT Korkeaan paineeseen (jopa 600 atm) sopeutuneet BAROFIILIT Kiven sisällä selviytyvät ENDOLIITIT Suolaiseen (NaCl yli 0.2 mol/ltr) sopeutuneet HALOFIILIT Korkeisiin lämpötiloihin (+80-+110C) sopeutuneet HYPERTERMOFIILIT Kylmässä kivien alapinnoilla selviytyvät HYPOLIITIT 22 11
EKSTREMOFIILEJA 2 Kuivassa selviytyvät KSEROFIILIT Raskasmetalleja (esim. kupari, kadmium, arseeni, sinkki) ympäristössä kestävät METALOTOLERANTIT Niukkaravinteisessa ympäristössä selviävät OLIGOTROFIT Kylmään (alle -15C) sopeutuneet PSYKROFIILIT Ionisoivaa säteilyä (röntgen, gamma) kestävät RADIORESISTANTIT Lämpimään sopeutuneet (+60-+80C) TERMOFIILIT 23 SELVIYTYMISKEINOJA HIDASTAVAT ELINTOIMINTOJAAN, KASVUNOPEUTTAAN, LISÄÄNTYMISTÄÄN JA LIIKKUMISTAAN PYSÄHDYTTÄVÄT ELINTOIMINTOJAAN TUOTTAVAT MOLEKYYLEJA (PROTEIINISYNTEESI), JOTKA AIKAANSAAVAT SUOJAN YMPÄRISTÖÄ KOHTAAN (GLYSEROLI, SOLUKALVO) YLLÄPITÄVÄT RINNAKKAISIA KOPIOITA DNA:STA KORJATAKSEEN MUTAATIOT 24 12
ENSIMMÄINEN ELIÖ ALKUELÄMÄ SAATTANUT SAADA ALKUNSA MAANKUORESSA TAI VEDENRAJASSA, MUTTA KULKEUTUNUT SEN JÄLKEEN MERENPOHJAN KUUMIIN LÄHTEISIIN ARKKEIHIN KUULUVAT TERMOFIILIT JA HYPERTERMOFIILIT GENEETTISESTI LÄHINNÄ KAIKEN ELÄMÄN ALKUMUOTOA KORKEAAN LÄMPÖTILAAN SOPEUTUMINEN KERTOO YMPÄRISTÖSTÄ, MISSÄ NE OVAT KEHITTYNEET ENSIMMÄINEN ELIÖ SAATTANUT OLLA MOLEKYYLIEN (ULKOISESTI RAJATTU) YHTEISÖ ILMAN SOLUKALVOJA 25 LÄHDEKIRJALLISUUS Lewis Dartnell: Life in the Universe, Oneworld Publications, 2007 Iain Gilmour and Mark A. Sephton (eds.): An Introduction to Astrobiology, The Open University, 2003 Jörgen Sjöström: På Spaning efter Livets Ursprung, Om astrobiologi, människans rötter och evolutionen, Norstedts, 2010 Peter D. Ward ja Donald Brownlee: Planeetta Maan elämä ja kuolema, Ursa, 2002 fi.wikipedia.org/wiki/ekstremofiili 26 13