Happi nousi merestä: Elämän polttoaine

Tutkijat tietävät, miten vesi saapui Maahan.

Ja tiedossa on myös, miksi maankuori liikkuu ja muodostaa korkeita vuoria ja syviä rotkoja.

Mutta se, miten happi nousi Maan ilmakehään ja antoi vauhtia elämän kehitykselle, on vuosikymmeniä askarruttanut tutkijoita. Miksi kului 1,2 miljardia vuotta siitä, kun ensimmäiset yhteyttävät bakteerit alkoivat tuottaa happea valtamerissä, siihen, kun happea oli vapaana ilmassa?

Ja kun happi vihdoin pääsi vapaaksi, miksi se tuhosi suurimman osan tuolloisesta elämästä ja aiheutti 300 miljoonaa vuotta kestäneen ilmastokriisin?

Nyt tutkijat ovat vihdoin saaneet vastaukset kysymyksiin. Ratkaisu löytyi syvältä Maan pinnan alta.

Rauta ja kaasut söivät hapen

Happi on yksi maailmankaikkeuden yleisimmistä alkuaineista. Sen atominumero on 8, eli happiatomin ytimessä on 8 protonia ja ydintä kiertää 8 elektronia.

Kun kaksi happiatomia yhdistyy, syntyy halppimolekyyli O₂. Kun yleiskielessä puhutaan hapesta, tarkoitetaan juuri molekyyliä O₂.

3,6 miljardia vuotta sitten ilma maapallolla oli myrkyllistä. Happeakin ilmassa oli, mutta se oli yhdistyneenä hiilidioksidiin, CO₂ . Maan ilmakehässä oli hiilidioksidin lisäksi metaania, vetyä, typpeä ja argonia.

Elämä syntyi karuissa oloissa meressä, missä syanobakteerit kehittyivät. Bakteerit muodostivat laajoja stromatoliitteja ja käynnistivät fotosynteesillä eli yhteyttämisellä hapentuotannon valtamerissä.

Kun syanobakteerit olivat saaneet tuotettua happea, se poistui vedestä nopeasti. Suunnilleen samalla sekunnilla, kun happea vapautui, se reagoi vedenalaisista lähteistä peräisin olleen raudan kanssa ja muodosti merenpohjaan painuvia rautaoksideja.

Meren rauta on kuitenkin vain osasyy siihen, miksi syanobakteerien yhteyttämistoiminnan alusta kului 1,2 miljardia vuotta siihen, että happea alkoi vapautua Maan ilmakehään.

Vuonna 2019 kemisti Chadlin M. Ostrander Arizonan yliopistosta osoitti, että vaikka happea vapautui ilmakehään vasta 2,4 miljardia vuotta sitten, maapallon valtamerten matalissa osissa happea oli vapaana jo 2,5 miljardia vuotta sitten – ehkä jo aiemminkin.

Meressä olevan vapaa hapen pitäisi johtaa ilmakehän hapettumiseen, sillä kun kaasua liukenee veteen, prosessi tapahtuu suhteessa kaasun paineeseen pinnan yläpuolella ja päinvastoin. Vapaa happi vedessä tarkoittaa siis vapaata happea ilmassa, jos kaasu ei reagoi muiden aineiden kanssa heti, kun sitä vapautuu ilmakehään.

Matalien merien hapen olisi pitänyt siirtää happea myös ilmaan, mutta ensimmäiset merkit hapesta kaasuna ilmaantuivat vasta 2,4 miljardia vuotta sitten, toisin sanoen 100 miljoonaa vuotta myöhemmin. Tutkijat ihmettelivät syytä, kunnes selitys löytyi vuonna 2020.

Biokemisti Shintaro Kadoyan tutkijaryhmä Washingtonin yliopistosta osoitti, että tuolloin syvällä maan kuoren alla tapahtui ratkaiseva muutos.

Maa koostuu kerroksista. Kuoren alla on vaipaksi kutsuttu kerros. Tutkijoiden mukaan vaippa hapettui 2,4 miljardia vuotta sitten, toisin sanoen sinne alkoi kasautua happea sisältäviä yhdisteitä, mikä aiheutti sen, että maan pinnalle nousevat tulivuorten kaasupäästöt muuttuivat.

Aiemmin vulkaaniset kaasut olivat koostuneet happea himoavista aineista, kuten vedystä ja hiilimonoksidista, jotka reagoivat nopeasti ilman vapaiden happiatomien kanssa. Nyt tulivuorista purskahti enemmän vettä, H₂ 0, ja hiilidioksidia, CO₂ , joissa oli mukana happea.

Niistä happimolekyyleistä, joita syanobakteerit tuottivat ilmakehään, yhä harvempi reagoi oitis jonkin muun aineen kanssa, ja siksi ilman happipitoisuus nousi hitaasti mutta varmasti.
Vaikka happi kaiken kaikkiaan oli tae maapallon elämälle, se aiheutti aluksi täydellisen katastrofin, joka vaikutti myös happea tuottaviin syanobakteereihin.

Happi johti joukkotuhoon

Happi oli silkkaa myrkkyä monille organismeille, jotka aiemmin olivat eläneet hapettomissa oloissa. Happi synnytti maailman ensimmäisen joukkotuhon, jossa kuoli jopa 99 prosenttia tuolloisesta elämästä.

Katastrofi oli kuitenkin vasta alussa, sillä happi muutti myös ilman koostumusta ja hajotti joitakin niistä kaasuista, joista aiempi ilmakehä oli koostunut.

Siihen asti kasvihuonekaasuihin kuuluva metaani oli muodostanut kannen maanpinnan ylle ja pitänyt Maan lämpimänä. Nyt metaani kuitenkin alkoi reagoida hapen kanssa. Yhdessä ne muodostivat hiilidioksidia ja vettä, ja vaikka myös hiilidioksidi on kasvihuonekaasu, se ei ole lainkaan niin tehokas kuin metaani.

Prosessin tuloksena Maan lämpötila romahti ja kylmyys kesti lähes 300 miljoonaa vuotta. Jää levisi moneen otteeseen napa-alueilta aina päiväntasaajalle asti ja synnytti niin kutsutun lumipallomaan.

Katastrofista hengissä säilyneet lajit hakeutuivat vähähappisiin ympäristöihin, kuten merenpohjaan. Samalla kuitenkin hapekas ympäristö vauhditti uusien eliöiden kehittymistä.

Happi on erittäin tehokas väline eliöiden aineenvaihdunnassa eli prosessissa, jota biologiassa kutsutaan metaboliaksi. Happi toimii polttoaineena solujen mitokondrioissa tapahtuvassa energiantuotannossa. Siellä ravintoaineisiin sitoutunut kemiallinen energia muuttuu ATP:ksi eli adenosiinitrifosfaatiksi, kun glukoosi hapettuu.

Glukoosin hajoaminen hapen ollessa läsnä aitotumaisissa eliöissä on 13 kertaa niin tehokasta kuin ilman happea glukoosia hajottavien esitumaisten eliöiden eli esimerkiksi bakteerien energiantuotanto. Tämä ero antoi suuren edun eliöille, jotka käyttävät happea energia-aineenvaihduntaansa.

Happipitoisuus pysyi kuitenkin matalana. Hapen määrä ilmakehässä oli sadasosasta kymmenesosaan nykytilaaan verrattuna, ja eliöiden koko pysyi pienenä, kunnes 850 miljoonaa vuotta sitten tapahtui käänne. Syy ilmiöön selitettiin tieteellisessä artikkelissa toukokuussa 2021.

Vähähappisessa ilmassa elää pieniä eliöitä

Tutkimuksessa yhdysvaltalaisen Georgian teknillisen yliopiston tutkijat tekivät biologi Ozan Bozdagin johdolla kokeita erityisellä muuntogeenisellä hiivalla, joka toimii kuten yksinkertainen monisoluinen eliö ja tuottaa suuria äiti - ja tytärsolujen muodostelmia.

Hiivalaji viihtyy hapekkaassa ympäristössä, mutta se selviää myös ilman happea. Tutkijat pitivät hiivaa eri happipitoisuuksissa ja jalostivat sitä yli 800 sukupolven ajan.

Kun hiiva eli hapettomassa ympäristössä, yksilöiden koko kaksinkertaistui 800 sukupolven aikana. Sama muutos havaittiin myös silloin, kun hiiva eli ympäristössä, jossa oli korkea happipitoisuus.

Kun koe toistettiin matalassa happipitoisuudessa, hiivan koko pysyi pienenä. Maan happipitoisuus alkoi kasvaa vasta 850 miljoonaa vuotta sitten.

Tutkimuksessa siis todettiin, että happi rajoittaa eliöiden kokoa silloin, kun happea on tarjolla rajallinen määrä, sillä yksinkertaiset eliöt pystyvät hyödyntämään happea vain silloin, kun se tunkeutuu soluihin suoraan ympäristöstä.

Siksi monisoluiset eliöt, Ediacara-eliöstöt, muodostuivat ensimmäisen kerran noin 600 miljoonaa vuotta sitten.

Nykyisin elämä tarvitsee happea

Nykyisin eliöt ovat levittäytyneet kaikkialle maapallolle. Evoluution aikana eliöille on kehittynyt erilaisia järjestelmiä, jotka tuovat happea elimistöön ja kuljettavat sitä elimistön eri osiin.

Edelleenkin eliöillä on sama haaste kuin ennenkin: happea pitää saada yksilön jokaiseen soluun, muuten solu kuolee, ja lopulta kuolee eliökin.

Viime vuosiin asti tutkijat olivat sitä mieltä, että kaikki kehittynyt elämä tarvitsee happea.

Vuonna 2010 Roberto Danovaron johtama tutkimusryhmä Italiassa Anconassa toimivasta Marchen teknillisestä yliopistosta löysi Välimerestä kolme mikroskooppista haarniskaisiin kuuluvaa lajia, jotka viettävät koko elämänsä täysin hapettomassa ympäristössä.

Tutkijat arvelevat, että haarniskaisten solut saavat energiaa solujen mitokondrioita muistuttavien hydrogenosomien avulla. Hydrogenosomit ovat soluelimiä, jotka tuottavat vetyä ja toimivat ilman happea. Aiemmin niitä oli tavattu vain yksinkertaisilla eliöillä, kuten sienillä.

Vuonna 2020 löydettiin vielä yksi eläin, joka selviää ilman happea. Israelilainen eläintieteilijä Dayana Yahalomi ja hänen tutkimusryhmänsä löysivät lohissa loisena elävän Henneguya salminicola -polyyppieläimen.

Henneguya salminicola on ensimmäinen tunnettu eläin, jonka perimästä puuttuu solujen voimalaitoksia, mitokondrioita, koodaava dna-pätkä. Ilman mitokondriota solulla ei ole tarvetta saada happea.

Kuten haarniskaisiinkin kuuluvien lajien kohdalla tutkijat eivät vielä täysin ymmärrä, miten Henneguya salminicola -laji saa energiaa.

Ihmiset eivät kuitenkaan haarniskaisten tai lohissa elävien loisten tavoin voi selviytyä ilman happea.

Nykyisin Maan ilmakehässä on riittävästi vapaata happea, mutta muualla universumissa tilanne on toinen.

Astronautit hengittävät Mars-happea

Esimerkiksi ISS-asemalle tai muualle avaruuteen lähtevien astronauttien pitää viedä happea mukanaan Maasta.

Nasassa on jo pitkään kehitetty menetelmiä, joilla happea voitaisiin tuottaa vierailla planeetoilla. Nasan Marsissa toimivassa uudessa Perseverance-mönkijässä on MOXIE-laite, joka voi muuttaa hiilidioksidia hapeksi, sillä Marsin kaasukehä koostuu suureksi osaksi hiilidioksidista.

MOXIE voi tuottaa noin kymmenen grammaa puhdasta happea tunnissa. Se vastaa yhtä kolmasosaa ihmisen samassa ajassa tarvitsemasta happimäärästä. Tekniikkaa pitää siis tehostaa, ennen kuin sitä voidaan käyttää tulevilla Mars-lennoilla.

Sen lisäksi, että MOXIEn tai sitä vastaavan järjestelmän on määrä pitää astronautit hengissä Marsissa, se tuottaa happea rakettimoottorin polttoaineeksi, jotta alus voi palata Maahan. Nasan laskelmat osoittavat, että 7 tonnin rakettipolttoaineen palamista varten tarvitaan noin 25 tonnia happea, jotta neljä astronauttia voi palata Marsista Maahan.

Hapen löytäminen Marsissa ei ole ongelma, sillä happi on universumin kolmanneksi yleisin alkuaine vedyn ja heliumin jälkeen. Happi on vain sitoutuneena erilaisiin kemiallisiin yhdisteisiin.

Haasteena on se, miten happi saadaan vapautettua hiilidioksidista niin, että atomien väliset kemialliset liitokset katkeavat. Siihen nimittäin tarvitaan energiaa.

MOXIEn ja vastaavien laitteiden lisäksi astronauttien pitää saada Marsiin laitteita, joilla tuotetaan energiaa, esimerkiksi aurinkopaneeleja tai pieniä ydinreaktoreita.

Voi olla, että MOXIE jää vain kokeiluksi ja tulevilla lennoilla käytetään jotain muuta tekniikkaa hapen tuottamiseen.

Vuonna 2020 kemisti Pralay Gayen johtama tutkijaryhmä Washingtonin yliopistosta osoitti, miten Marsista löydettyä suolavettä voidaan hajottaa hapeksi ja vedyksi elektrolyysissä.

Prosessi tarvitsee vain 1/25 siitä energiasta, joka vaaditaan vastaavan happimäärän tuottamiseen MOXIElla. Energian säästäminen on aina hyvä asia avaruuslennolla, sillä jokaisen kilon kuljettaminen Marsiin maksaa valtavasti.

Ilmakehä palaa lapsuuteen

Jossain vaiheessa hapen tuottaminen tulee ajankohtaiseksi myös Maassa. Nykyisin happea syntyy yhteyttämisen tuloksena, mutta Maan hapentuotanto pysähtyy, kun Aurinko runsaan miljardin vuoden kuluttua muuttaa Maan liian kuumaksi kasveille. Näin ennustivat astrobiologi Kazumi Ozaki ja hänen kollegansa Christopher T. Reinhard maaliskuussa 2021 julkaistussa tutkimuksessa.

Tutkijat laativat ilmastomalleja maapallolle miljoonien vuosien päähän tulevaisuuteen.

Kaikissa malleissa Maan ilmakehä hajoaa ja jäljelle jää vain yksi prosentti ilmakehän nykyisin sisältämästä happimäärästä. Sen sijaan ilmakehään tulee vastavasti hiilidioksidia ja metaania. Olosuhteet alkavat siis muistuttaa nuoren maapallon oloja eli aikaa, jolloin happea ei vielä ollut vapautunut ilmakehään.

Maan tarina siis päättyy siihen, mistä se alkoi.