Kuinka Maa 2.0 maankaltaistetaan?
MAANKALTAISTETAAN
Kuinka toinen maankaltainen planeetta luodaan juuri meille sopivaksi?
J.V. CHAMARY selvittää, miten maailmanlaajuinen lämpeneminen ja ääriolosuhteita kestävät mikrobit voivat opettaa meitä kehittämään ”huippuvahvoja kasvihuonekaasuja” ja synteettisiä eliöitä, jotka mahdollistavat
ihmiselämän kaukaisella planeetalla.
Kuvittele, että lopullisen tuhon uhka pakottaa ihmiskunnan lähtemään maapallolta tai että päätämme siirtokunnittaa toisen maailman. Mistä maankaltaistaminen olisi paras aloittaa? Aurinkokunnastamme löytyy muutamia kandidaatteja. Koska Saturnuksen kaltainen kaasujättiläinen ei tule kysymykseenkään, meidän pitää aloittaa kiviplaneetoista. Venusta ja Titania (Saturnuksen suurinta kuuta) on ehdotettu, mutta niiden ulkolämpötilat
(462 °C ja –180 °C) ovat liian ankaria. Venuksen viilentämiseksi pitäisi esimerkiksi rakentaa avaruuteen kilpi, joka varjostaisi Venusta Auringolta.
”Venus on aivan liian kuuma ja Titan liian kylmä meidän teknologiallemme”, sanoo Mountain View'ssa Kaliforniassa sijaitsevan Nasan tutkimuskeskuksen astrofyysikko Chris MCKAY. ”Teknologiamme ei sopeudu sellaisiin oloihin – niistä puhuminenkin on silkkaa science fictionia.”
Realistiseksi mahdollisuudeksi aurinkokuntaamme jää: mars Punaisen planeetan massa on kymmenesosa Maan massasta ja painovoima kolmasosa Maan painovoimasta, mutta planeetat ovat silti samankaltaisia. Päivä kestää Marsissa suunnilleen 24 tuntia, ja planeetan akseli on melkein samassa kulmassa kuin Maan (kallistus määrittää vuodenajat). Se auttaisi kasveja yhteyttämään, eli hyödyntämään auringon energiaa, kun ne valmistavat vedestä ja hiilidioksidista hiilihydraatteja ja vapauttavat samalla sivutuotteena happea.
Elinkelpoisessa maailmassa tärkeintä ei kuitenkaan ole happi, vaan ilman tiheys. Tiheä ilmakehä imee tappavaa kosmista säteilyä ja luo painetta, joka pitää veden nestemäisenä. Ulkolämpötila taas vaikuttaa siihen, onko planeetalla nestemäistä vettä, jota useimmat tuntemamme elämänmuodot tarvitsevat. Maan keskilämpötila on 15 °C, kun taas Marsin on –60 °C. Lämpeneminen voi tihentää ilmakehää.
Maailmanlaajuinen lämpeneminen
Maankaltaistamisen ensimmäinen vaihe on ilmaston muuttaminen. Vaikka Mars on nyt kylmä ja kuiva autiomaa, se on aikoinaan ollut lämmin ja kostea. Tutkijat uskovat, että meri on peittänyt jopa kolmasosan Marsin pinnasta kolme miljardia vuotta sitten. Punainen planeetta on ollut osittain sininen.
Me ihmiset olemme jo osoittaneet, että kokonaisen planeetan voi lämmittää. Yksi tapa maankaltaistaa Mars onkin toimia niin, että Maan ilmastonmuutos käynnistyy Marsissakin – päästää ilmakehään kaasuja, jotka voimistavat kasvihuoneilmiötä eli vangitsevat auringon lämmön planeetan pinnan ylle.
Marsia maannettaessa voitaisiin rakentaa tehtaita, jotka pumppaisivat ilmaan fluorihiilivetyjä – ”superkasvihuonekaasuja”, jotka ovat tehokkaampia kuin hiilidioksidi ja jotka eivät vahingoita otsonikerrosta, toisin kuin freonit (CFC:t). Lämpötilan nousu höyrystäisi jäätynyttä hiilidioksidia Marsin napajäätiköillä, mikä lämmittäisi jäätä ja sulattaisi sitä juoksevaksi vedeksi.
Mutta edes lämmin ja kostea Mars ei silti sopisi täysin ihmisille.
”Ihmiset eivät voisi edelleenkään kävellä ilman jonkinlaista happilaitetta, koska ilmassa olisi paljon hiilidioksidia ja vähän happea”, MCKAY selittää. Marsin ilmakehä olisi otollinen puille ja heinille ja ehkä eläimille, jotka tarvitsevat
Tutkijat uskovat, että kolmasosa Marsin pinnasta on ollut meren peitossa kolme miljardia vuotta sitten. Punainen planeetta oli osittain sininen.
vähemmän happea, esimerkiksi maamyyrille ja hyönteisille. Siitä huolimatta MCKAYN mukaan kannattaisi luoda ”kasvien Mars”, siltä varalta että ihmisille tarvitaan lisätilaa. ”Marsin ilmakehä tihenisi niin, ettei siellä tarvittaisi avaruuspukua”.
Mars osoittaisi meille myös, kuinka maankaltaistamisen periaatteet voitaisiin toteuttaa muualla, myös toisten aurinkokuntien kaukaisilla planeetoilla. ”Voisimme oppia paljon”, MCKAY toteaa. ”Tiedot tarjoaisivat meille paremmat lähtökohdat muiden tähtien ympärillä olevien maailmojen maankaltaistamiseen.”
Hengitysilma
Maankaltaistamisen toinen etappi on hapekkaan ilmakehän luominen.
Sekin kehitys on jo tapahtunut maapallolla: yli kaksi miljardia vuotta sitten suuren hapetustapauksen jälkeen muinaiset syanobakteerit (kasvisolujen yhteyttävien viherhiukkasten esi-isät) muuttivat maailman vapauttamalla valtavia määriä happea. Nykyään Maan ilmakehässä on 78 prosenttia typpeä, 21 prosenttia happea ja 0,4 prosenttia hiilidioksidia. Marsin ilma koostuu 95-prosenttisesti hiilidioksidista, ja siinä on vain 3 prosenttia typpeä ja 0,13 prosenttia happea.
”Minä väittäisin, ettei Mars sovi maankaltaistettavaksi. Ongelmat ovat huomattavia”, sanoo professori James Kasting, Pennsylvania State -yliopiston planeettojen ilmakehien asiantuntija. Hän lisää myös, ettei hengityskelpoisen ilman valmistaminen ole helppoa. Liika happipitoi- suus muodostaa esimerkiksi palovaaran, ja lisäksi se on myrkyllistä ihmisille, joten siksi ilma tarvitsee kemiallisesti reagoimattoman ”puskurikaasun” – kuten typen – jottei se syty itsestään palamaan tai ole myrkyllistä.
Marsin isoin ongelma on kuitenkin hiilen kiertokulun puuttuminen, mikä johtuu planeetan vahvasta kuoresta. Maapallolla ilmakehän hiilidioksidi reagoi veden kanssa ja muodostaa hiilihappoa, joka rapauttaa kiven kalsiumkarbonaatiksi, järvissä ja merissä olevaksi suolaksi. Sillä tavalla hiiltä poistuu ilmasta, ja mannerlaattojen siirtyminen saa aikaan sen, että suolasaostumat painuvat maan alle, missä yli 1 000 °C lämpötilat muuttavat ne taas hiilidioksidiksi. ”Maapallolla on myös geokemiallisia kiertokulkuja”,
Kasting kertoo. ”Laattojen liikehdintä säätelee niitä.”
Jos lähdemme siitä, että haasteista selvitään, minkälainen maankaltaistamisen aikataulu on? Kastingin ja MCKAYN laskelmien mukaan – jos kaikki Marsiin tuleva auringonvalo saadaan hyödynnettyä – lämpeneminen voisi teoriassa tapahtua kymmenessä vuodessa. Kasvihuoneilmiö ei kuitenkaan ole sataprosenttisen tehokas, joten oletettavampi aika-arvio on 100 vuotta. Koska fotosynteesin kokonaisvaikutus maapallolla on vain 0,01 prosenttia, hapettamisvaihe veisi yli 100 000 vuotta. Sillä aikaa me voimme asua samanlaisissa asumuksissa kuin Antarktiksen tutkimusasema MCMURDO, jonka kupolit pysäyttävät UV-säteet.
Kastingin ajatuksiin sisältyy sellaisten tähtien ympärillä olevien eksoplaneettojen, ”elinkelpoisten vyöhykkeiden” etsintä, joissa on sopivat edellytykset nestemäiselle vedelle (ks. sivu 102). Hän uskoo, että maankaltaistaminen onnistuisi parhaiten maailmoissa, joissa on geokemiallisia kiertoja, toisin kuin Marsissa. ”Parempi maantamiskohde olisi planeetta, joka olisi jotakuinkin entisen maapallon kaltainen”, hän sanoo. ”Sinne voitaisiin kylvää syanobakteereja, joka käynnistivät hapentuotannon maapallolla.”
Elämän siemenet
Bakteerien on todettu kasvavan viljelyalustalla, joka sisältää ravinteita tuskin marsilaisia kiviä enempää, eli jotkin lajit menestyisivät Punaisella planeetallakin. ”Löydän kyllä kasvin, joka eläisi Marsissa jo nyt”, vakuuttaa Lynn Rothschild, Nasan Amestutkimuskeskuksen biologi. ”Miten ne leviäisivät ja todella loisivat meidän mittapuumme mukaisen elinkelpoisen planeetan, on toinen juttu.”
Kaikki tuntemamme lajit ovat sopeutuneet maapallolle. Jotkin selviäisivät – mutta eivät kukoistaisi – toisella planeetalla. Menestyäkseen ja levitäkseen maapallon ulkopuolella organismien pitäisi olla geneettisesti muunneltuja. Muuntelun pitäisi onnistua ottamalla oppia ekstremo-
Synteettisessä biologiassa yritetään mm. rakentaa eläviä koneita Legoja muistuttavista, geneettisistä rakennuspalikoista.
fiileista, jotka elävät karuissa oloissa (ks. yllä). Muuntelu ei yksin riitä, vaan eliöiden kehittelyssä pitäisi ottaa avuksi synteettinen biologia – hahmotella uusia elämänmuotoja.
Synteettisessä biologiassa rakennetaan eläviä koneita perusvaraosista, geneettisistä, legomaisista palasista, joita kutsutaan ”BIOBRICKEIKSI” (biotiiliksi). Ajatuksena on valita yhdistelmästä käyttökelpoiset osat ja kiinnittää sitten kyseinen dna ”alustaorganismin” genomiin. Maankaltaistuksessa painotettaisiin toivottuja ominaisuuksia, kuten stressinsietokykyä, ja aineenvaihduntaa, joka pystyisi hyödyntämään paikallisia voimavaroja. Synteettiset elämänmuodot voisivat myös nopeuttaa Marsin maantamista – vihreiden lehtien yhteyttämistehokkuus on noin viisi prosenttia, joten kasvigeenillä varustettu mikrobi voisi lyhentää hapettamisvaihetta pariin vuosisataan.
Rothschildin laboratorio on kehittänyt useita mikrobeja hedelmöityskokeissa, jotka osoittavat, kuinka synteettistä biologiaa voidaan hyödyntää. Hän neuvoo Stanfordin ja Brownin yliopiston opiskelijoita vuosittaisessa synteettisen biologian kansainvälisessä opiskelijakilpailussa (IGEM). Vuonna 2012 yksi IGEM-TIIMI loi ”Hell cellin”, muunnellun version kolibakteerista
– sen jälkeen kun extremofiileista oli tunnistettu noin 20 geeniä – joka kestää paremmin kylmää, kuivumista ja säteilyä. Geenit siirrettiin suhteellisen säyseään kolibakteeriin. ”Jokainen niistä sisälsi ylimääräiset ominaisuudet”, Rothschild kertoo.
Ihminen hyödyntää jo toisia lajeja tuottaakseen sitä, mitä haluaa. Esimerkiksi hiivaa valmistaakseen olutta ja leipää. Synteettisiä organismeja voidaan käyttää kaikkeen perustehtävistä – ravinnon viljelystä tai jätteiden kierrätyksestä – biopolttoaineiden, lääkkeiden tai vaatteiden valmistukseen.
Keino-organismeja voidaan käyttää kaikissa mahdollisissa materiaaleissa rakennuksista muihin rakennelmiin. Toisessa IGEM pro- jektissa, jossa tutkittiin Bacillus subtilista, osoitettiin, kuinka vahva, resistenttejä itiöitä muodostava mikrobi voi sitoa marsilaista maa-ainesta – regoliittia – tiileksi. Rothschild ja hänen entinen opiskelijansa Diana Herreman ovat myös muuntaneet soluja niin, että ne erittävät luunkaltaista mineraalia (kalsiittia), josta voidaan tulostaa 3D-tulostimella vanerin kaltaista levyä. ”Jos sanoisin rakentavani Marsiin taloja luusta, vastustus olisi kova”, Rothschild toteaa. ”Mutta mitään estettä sille ei olisi.”
Jos elämää luodaan, voitaisiin hyödyntää myös evoluutiota – mutaatiot ja valikoiva suvunjatkaminen synnyttävät ehkä eliöitä, jotka sopeutuvat paremmin uuteen ympäristöön. ”Suositaan niitä, joista pidetään, ja annetaan niiden lisääntyä”, Rothschild selittää. Se voi olla käytännöllistä, kun yhteys geenien ja toivottujen ominaisuuksien välillä ei ole selvä. Deinococcus radioduransin säteilynkestävyys – hurjan vastustuskykynsä ansiosta se on saanut lempinimekseen ”Conan-bakteeri” – ei johdu yhdestä tekijästä, vaan eri geenien yhdistelmästä. ”Valinta on darwinistinen ja hyvin tehokas, koska geeniyhdistelmien yhteensopivuus on lähtöisin organismeista itsestään”, Rothschild kertoo.
Ekosysteemin luominen
Jotta maailmasta olisi pysyväksi kodiksemme, sen täytyy olla omavarainen. Sama pätee ekosysteemiin – biologisiin vuorovaikutuksiin, joissa energia ja aine siirtyvät eliöstä toiseen, kuten ravintoketjuissa, joissa petoeläimet syövät saaliseläimiä. Koska maankaltaistettu maailma ei ehkä näytä maapallolta, on osuvampaa nimittää maankaltaistusprosessia ”planetaariseksi ekosynteesiksi”.
Ekosysteemin käynnistävät tuottajat, yleensä yhteyttävät syanobakteerit tai kasvit, jotka tuottavat energiaa muuttamalla valon ravinnoksi. Tuottajat joutuvat kasvinsyöjien ja muiden eliöiden suihin, ja ne puolestaan petojen. Sitten maaperän mikrobit ja sienet hajottavat orgaanisen aineksen niin, että energia kierrättyy.
Maapallon ulkopuolinen ekosysteemi toimisi samalla tavalla. Yksi Rothschildin projekteista on ”Power Cell” (voimasolu), syanobakteeri,
joka yhteyttää ja tuottaa typpeä sellaisessa muodossa kuin sitä aineenvaihdunnassa käytetään. Muunneltu Anabaena- mikrobi on kehitetty sokerintuotantoa varten – ravinnoksi kuluttajalle B. subtilis, niin että
Power Cellistä voi tulla mahdollinen uranuurtaja, kun ekosysteemi vahvistuu.
Planetaarinen ekosynteesi hankaloituisi, jos planeetalla olisi paikallisia eliöitä. Se herättääkin tärkeän eettisen kysymyksen: vaikka voisimme maankaltaistaa maailman, pitääkö meidän tehdä se? Jos
Marsissa on omaa elämää, suojaavan ilmakehän katoaminen on saattanut ajaa syntyperäiset marsilaiset ”maan alle”. Vaihtoehtoisesti voisimme kohdella maan ulkopuolisia lajeja uhanalaisina lajeina, jotka ovat vaarassa kuolla sukupuuttoon täällä maapallolla – voisimme maantaa planeetan niin, että sen biologinen monimuotoisuus säilyisi. Mutta jos vaakakupissa painaisi oma eloonjäämisemme, emme todennäköisesti piittaisi etiikasta.
Motiiveistamme huolimatta vieras ekologia vaikuttaisi siihen, kuinka hyvin maankaltaistaminen onnistuisi. ”Mikrobeja, jotka muistuttavat vähänkin Maan eliöitä, ei voi jättää huomiotta”, sanoo John Rummel, SETI:n (Search for Extraterrestrial Intelligence, Maan ulkopuolisen älykkyyden etsintä) evoluutioekologi. ”Planeettaa yritetään ehkä pakottaa liian Maan kaltaiseksi, ja se saattaa yrittää palautua takaisin.”
Johdettuaan Nasan astrobiologiaohjelmaa Rummel työskenteli Nasan planetaarisena työsuojeluvaltuutettuna, jonka tehtävänä oli minimoida se, etteivät Maan mikrobit saastuta maapallon ulkopuolisia eliöitä ja päinvastoin. ”Avaruusohjelmasta, erityisesti planetaarisesta tutkimuksesta, vastaavat pääosin fyysikot ja kone- tai lentoinsinöörit, jotka eivät ole koskaan nähneetkään mikrobia, paitsi olutpullossa”, hän vitsailee. Siksi avaruusalukset pitää steriloida. ”Ellei sitä tehdä kunnolla, maankaltaistamme Marsin, ennen kuin saamme tietää, onko siellä elämää.”
Tulevaisuudessa planeettaamme uhkaa vaara, joka voi johtaa sivilisaation tuhoon ympäristön säätelyn myötä (ks. sivu 76). ”Toisessa maailmassa ihmiskunta saa mahdollisuuden levittäytyä paikkoihin, joissa se todella voisi elää siltä varalta, että maapallo – ainakin väliaikaisesti – muuttuisi liian karuksi”, Rummel toteaa.
Tutkiessamme toisen maailman muuttamista elinkelpoiseksi voimme pitää huolta myös siitä, että nykyinen kotimme pysyy hyvässä kunnossa tulevaisuudessakin. ”Maankaltaistaminen on ehkä väärä sana, mutta tarvitsemme sanan maapallon pitämiseksi 'toimivana'”, MCKAY sanoo. ”Jos opimme planeetanhoitoa, pärjäämme paremmin.”
Koska maankaltaistettu maailma ei ehkä näytä maapallolta, on sopivampaa nimittää maantamisprosessia ”planetaariseksi ekosynteesiksi”.