Valtaosa elämästä ei näe valoa – eikä sitä kaipaa. Bakteerit pärjäävät uskomattoman hyvin kallionraoissa kilometrien syvyyksissä.

Teksti: Lotta Purkamo ja Maija Nuppunen-Puputti

Valtaosa elämästä ei näe valoa – eikä sitä kaipaa. Bakteerit pärjäävät uskomattoman hyvin kallionraoissa kilometrien syvyyksissä.

Julkaistu Tiede-lehdessä 3/2012

Käsitys maapallon elämästä on mullistunut kahden viime vuosikymmenen aikana. Ensimmäisinä kumousta ovat todistaneet mikrobiologit, mutta nyt asia voisi jo kuulua yleistietoon.

Kallioperästä kilometrien paksuudelta sekä merenpohjien syvistä sedimenteistä on nimittäin löydetty aivan uudenlainen ja valtavan laaja elinympäristö. Siellä mikrobien monimutkaiset yhteisöt menestyvät äärioloissa. Arvioiden mukaan siellä saattaa olla jopa 80 prosenttia maapallon koko biomassasta.

Pintaelämästä poiketen syvyyksien elämä ei hyödynnä fotosynteesiä eli sido aurinkoenergian avulla hiiltä elottomasta aineesta elolliseen. Sen sijaan uumenien mikrobit käyttävät hiilen sitomiseen kemikaalien energiaa. Tämä havainto on kumonnut vanhan käsityksen, jonka mukaan koko elämä maapallolla olisi fotosynteesin varassa. Nyt voi ajatella, että vaikka koko fotosynteesiin perustuva pintakerros kuolisi, syvyyksissä porskutettaisiin kuin mitään ei olisi tapahtunut.

Kaikki kallioperän eliöt ovat mikroskooppisen pieniä. Valtaosa niistä on bakteereita. Vähemmistön muodostavat arkit, jotka ovat bakteerien näköisiä mutta kemialtaan omanlaisiaan ja monet erikoistuneita hyvin kuumaan tai suolaiseen ympäristöön. Pieniä määriä löytyy myös mikroskooppisia sieniä, leviä, alkueläimiä ja matoja.

Laskeudutaan syvyyteen

Tässä artikkelissa sukellamme peruskallion säkkipimeisiin uumeniin ja tutkailemme, miten sen rakosiin kotiutuneet mikrobit hankkivat kivisen elantonsa.

Maanpinnan irtoaineksessa elämää näkee paljain silmin ja meno on vilkasta. Maaperässä on monenlaista mikrobitoimintaa, joka hajottaa ja kierrättää luonnon materiaaleja kuin tehokas kierrätyskeskus. Madot ja muut isot eliöt möyhentävät maata ja liikuttavat samalla sekä buffettia että syöjiä uusille apajille.

Kallioperä on rajana useimmille silmin näkyville otuksille. Sen sijaan mikrobeille kallion pienet raot ja huokoset sekä suuremmat rakovyöhykkeet ja halkeamat toimivat väylinä, joissa niin bakteerit kuin ravinteet kulkeutuvat veden mukana.

Mikrobien sopeutumiskyky on huima, eivätkä ne nirsoile aineenvaihdunnassaan. Energian ja hiilen lähteiksi kelpaavat vety, hiilidioksidi ja metaani sekä rikki- ja rautayhdisteet.

Suolaistuu ja kuumenee

Mitä syvemmälle kallioperässä mennään, sitä suolaisemmaksi ympäristö käy, koska vesi vähitellen liuottaa kiviainesta. Happea ei kallioperän syviin osiin kulkeudu, joten siellä mikrobit käyttävät hengitykseen muita kemiallisia yhdisteitä.

Lämpötila ja paine kasvavat syvyyksiä kohti. Paineen nousu itse asiassa auttaa mikrobeja: ne tarvitsevat nestemäistä vettä, ja kovassa paineessa vesi pysyy nesteenä vielä sellaisessakin kuumuudessa, jossa se maanpinnan paineessa kaasuuntuisi.

Nykytiedon mukaan eräät arkit pystyvät kasvamaan vielä 121 asteessa. Siitä arvioiden mikrobien elämä on Suomen oloissa mahdollista noin kahdeksan kilometrin syvyyteen asti.

Outokummussa sijaitseva Suomen syvin porausreikä ulottuu 2,5 kilometriin, ja siitä on löydetty elämän merkkejä kaikista tutkituista syvyyksistä. Käytännössä elämää on tähän mennessä päästy hakemaan muualtakin maailmasta vasta vajaan neljän kilometrin syvyydestä.

Mallia myös mikrobimarsilaisille

Maapallon syväbiosfäärin löytyminen on ravistellut käsitystä siitä, millaisissa ympäristöissä ensimmäiset solut ovat voineet kehittyä ja mistä elämää kannattaisi etsiä muilta planeetoilta.

Ennen ensimmäisiä soluja maapallolla oli jo tapahtunut pitkä kemiallinen evoluutio, ja sen yksityiskohdista on erilaisia käsityksiä. Joka tapauksessa solut ovat saattaneet muodostua nykyistä syväbiosfääriä muistuttavissa oloissa. Tutkijat ovat nimittäin nykyisin yksimielisiä siitä, että varhaismikrobien täytyi olla kemolitotrofeja eli kemiallisella energialla yhteyttäjiä. Niille edullisia ympäristöjä oli kallioperän lisäksi merenpohjan kuumissa lähteissä, kuten nykyisinkin.

Maapallon äärioloissa elävien mikrobien ymmärtäminen on paras käsillä oleva tapa hahmottaa elämän mahdollisuuksia muualla avaruudessa, kuten lähinaapurissamme Marsissa.

Marsin kaltaista suurta lämmönvaihtelua, kuivuutta ja säteilyä mikrobit joutuvat sietämään Etelämantereen jääerämaassa. Ne selviytyvät kallioperässä ja kivien huokosissa.

Geokemiallisesti Marsin oloja muistuttaa Espanjan RÍo Tinto -jokialueen maaperä. Siellä suoritettavat tutkimukset valottavat, kuinka mikrobit voisivat Marsin uumenissa hyödyntää paikallisia elämän eväitä, kuten rautaa ja rikkiä.

Lotta Purkamo ja Maija Nuppunen-Puputti tekevät VTT:ssä väitöskirjatutkimusta Suomen kallioperän mikrobiekosysteemeistä sekä mikrobien toiminnasta ja energianlähteistä eri syvyyksissä.

Suomen syvin reikäMeikäläisen kallioperän elämää tutkitaan erityisesti Outokummun syväreiästä, parikymmentä senttiä leveästä porakuilusta, josta päästään tarkastelemaan mikrobiyhteisöjä jopa 2,5 kilometrin syvyydestä. Tutkimustuloksia sovelletaan ydinjätteiden loppusijoitukseen ja ehkä myös tulevaisuuden energiantuotantoon.

Aiheesta lisää: Kurkistus Suomen syvimpään reikään, Tiede 6/2011 tai tiede.fi/arkisto

Yläkerta tahkoaa vihreää energiaaEsimerkiksi Outokummun kallioperän yläkerroksen vähäsuolaisessa vedessä pulikoi vedyllä herkuttelevia bakteereita. Niiden hydrogenaasientsyymi yhdistää vetyä ja happea vedeksi, jolloin bakteeri saa energiaa. Hydrogenaaseja on tutkittu paljon, koska ne voisivat soveltua vihreän energian tuotantoon. Jos bakteerien hydrogenaaseilla tuotetulla vedyllä saisi korvatuksi fossiiliset polttoaineet, päästöiksi jäisi vain puhdasta vettä, energiaa ja lämpöä.

Syvällä eletään kuin elämän alussaVarhaisella maapallolla ei vielä ollut kehittynyt fotosynteesiä eli yhteyttämistä auringon energian avulla. Silloin kaikki alkutuotanto perustui kemiallisten yhdisteiden käyttöön yhteyttämisen energianlähteinä. Näin elävät myös kallion mikrobiyhteisöt nykyisin. Pimeiden syvyyksien alkutuotannosta huolehtivat mikrobit käyttävät energianlähteenään vetyä, jota muodostuu kivien ja veden välisissä reaktioissa. Mikrobisolujen rakennusmateriaaliksi tarvittava hiili tulee hiilidioksidista, jota vesi ja kivimineraalit sisältävät. Tällaista elämäntapaa nimitetään kemolitoautotrofiaksi.

Osa käyttää muinaista aurinkovoimaaVaikka kalliomaailman alkutuotanto perustuu kemialliseen energiaan, jotkin mikrobiyhteisöt hyödyntävät myös muinaista aurinkoenergiaa. Ne nimittäin syövät sellaisia kivilajeja, jotka ovat muodostuneet maanpinnalla fotosynteesin tuottamasta eloperäisestä aineesta. Tällaista kiveä on esimerkiksi Suomenkin kallioperästä löytyvä mustaliuske, joka on syntynyt mätäliejusta noin kaksi miljardia vuotta sitten.

Raskasmetalleille oma ongelmajätelaitosMustaliuskeen hajottajat vapauttavat kiven muinaisen hiilen kiertoon, jolloin ne tarjoavat ravintoa muillekin ja sysäävät liikkeelle kokonaisen ravintoketjun. Kolikolla on myös kääntöpuoli: mustaliuske voi sisältää raskasmetalleja. Äärioloissa mikrobit kuitenkin sopeutuvat. Raskasmetallien ympärille voi muodostua mikrobien oma ongelmajätelaitos, jossa vaaralliset aineet katoavat parempiin suihin.

Harva kivimikrobi kasvaa laboratoriossaSyvyyksien mikrobien verkkainen aineenvaihdunta ja hidas lisääntyminen vaikeuttavat niiden pyydystämistä ja laboratoriokasvatusta. Useimpia niistä ei osata kasvattaa lainkaan. Voidaan vain analysoida kallionrakojen vedestä löydetyn dna:n perusteella niiden geenejä. Onneksi mikrobien perimä kertoo tutkijalle niin eliöyhteisön jäsenistä kuin niiden mahdollisista tavoista hyödyntää ympäristön tarjoamia eväitä.

Syvyyksien peto on sukkulamatoSilloin tällöin kallionraon uneliasta bakteeriyhteisöä järkyttää hirmuinen peto: mikrobeja ahmiva puolen millimetrin mittainen sukkulamato. Eteläafrikkalaisesta kultakaivoksesta löytyi tällaisia matoja yli kilometrin syvyydestä ja niiden dna:ta aina 3,6 kilometristä saakka. Syvyyden mikrobit voivat päätyä myös virusten uhreiksi. Virukset ovat hyödyllisiäkin ekosysteemille, sillä niiden hajottamista mikrobisoluista vapautuu ravinteita kiertoon, toisten käyttöön.

Ruoka kannattaa laittaa naapurin kanssaSyvällä selviytyminen vaatii usein yhteistyötä. Eri mikrobiryhmät tuottavat toisilleen syötävää. Siksi ne elävät mielellään kiinnittyneinä pintoihin, joissa voi vaihtaa kaverin kanssa kuulumisia ravinnon merkeissä. Esimerkiksi tietyt mikrobit valmistavat hiilidioksidista ja vedystä metaania. Toiset ottavat metaania ja tuottavat karbonaatti-ioneja muiden hyödynnettäviksi.

Metusalemit osaavat hidastaaSyvän kallioperän mikrobit voivat olla varsinaisia metusalemeja ja verkkaisen elämän mestareita. Suolistossamme elävät kolibakteerit jakautuvat jopa kahdenkymmenen minuutin välein, mutta kalliomikrobien kahdentumisaikoja mitataan pikemmin viikoissa tai vuosissa kuin minuuteissa. Täydellistä hiljaiseloa syvyyksissäkään ei silti vietetä, vaan kun sopivaa ravintoa tulee tarjolle, aktiivinen herkutteluhetki käynnistyy heti. Tämä on havaittu laboratoriokokeissa, kun uinuville mikrobeille on tarjottu ruokaa. Kallioperässä kilpailu ravinteista on kovaa ja nopeimmat syövät parhaat herkut.

Sähköteknikot hengittävät rautaaMonet syvyyksien mikrobit sopivat malliesimerkeiksi elämästä, jollaisen uskotaan vallinneen maapallolla yli miljardi vuotta sitten, kun kaikki elämänmuodot olivat yksisoluisia. Näihin muinaismuistoihin kuuluvat mikrobit, jotka käyttävät hengitysreaktioissaan maankuoren neljänneksi yleisintä alkuainetta, rautaa. Kolme miljardia vuotta sitten maapallolle syntyi rautapitoisia mineraalikerrostumia ilmeisesti juuri tällaisten eliöiden ansiosta. Rautamikrobit ovat mikromaailman sähköteknikoita, sillä ne siirtävät hengitysreaktioissa käyttämänsä elektronit ympäristöönsä nanojohtoja eli pienen pieniä sähköä johtavia rihmoja pitkin.

Bakteeri kairaa reikiäKivipinnoilla istuvat mikrobit osaavat muinaisia erityistaitoja. Ne saattavat jopa porautua kemikaaleillaan kiven sisään etsiessään suojaa tai irrottaessaan kivestä ravinteita. Tällainen kyky syntyi jo yli miljardi vuotta sitten, mistä muistuttavat mikroskooppiset kairausreiät muinaismerien kivettyneissä bakteeririutoissa eli stromatoliiteissa.

Kiven vanki avaa ikkunan muinaisuuteenKallion uumenien vedessä on liuenneita mineraaleja, ja sopivissa oloissa ne kiteytyvät. Silloin bakteeri voi jäädä vahingossa vangiksi. Aikojen päästä sen voi löytää mineraalikiteen pienestä nestepisarasta eli fluidisulkeumasta. Molekyylibiologian kehityksen ansiosta tällaisten aikakapseloituneiden mikrobifossiilien dna:ta voi tutkia ja näin saada uutta tietoa elämän historiasta.

Onko ydinjäte turvassa bakteereilta?Suomen ydinvoimaloiden käytetyt polttoainesauvat aiotaan ensi vuosikymmeneltä alkaen varastoida kuparikapseleissa noin 400 metrin syvyyteen Olkiluodon peruskallioon. Loppusijoituksesta vastaava asiantuntijaorganisaatio Posiva on tänä vuonna hakemassa valtioneuvostolta lupaa varastointiin. Jätteen radioaktiivisuuden laimentumiseen luonnonuraanin lukemiin menee noin 250 000 vuotta, ja siksi Posiva on selvittänyt kallioperän mahdollisia tapahtumia tuona aikana, myös mikrobien toimintaa.

Ainakin yksi selvä mikrobiriski tunnistettiin. Jos rikkiyhdisteitä käsittelevät bakteerit kasvavat jätekapselin pinnalla ja tuottavat runsaasti sulfideja, ne alkavat syövyttää kuparia. Radioaktiivisuus ei pysäytä niitä.

Onneksi kapselien ulkovuoraukseen käytettävä bentoniittisavikerros pysäyttää. Posivan selvityksen mukaan savi reagoi veden kanssa ja pakkautuu kapselin ympärille niin tiukasti ja niin kovalla paineella, ettei saven huokosista pääse säiliön pinnalle riittävästi rikkiyhdisteitä tai muutakaan. Ravinnon puutteessa ja liian tiukassa puristuksessa bakteerien kasvu tyrehtyy alkuunsa, eivätkä ne pysty muodostamaan kapselin pinnalle kalvomaista kasvustoa, joka olisi syövyttämisen edellytys.

Teksti: Petri Riikonen

Loppusijoituksen muista riskeistä: Katse kauas: Ovatko ydinjätteet turvassa, kun jääkausi tulee?, Tiede 8/2007 tai tiede.fi/arkisto

Posivan raportti loppusijoituspaikan tulevaisuudesta: Expected evolution of a spent nuclear fuel repository at Olkiluoto, 2007, www.posiva.fi/files/346/Posiva2006-05_revised_081107web.pdf 

Ihmiset kokevat monenlaista outoa ilman, että heidän mielenterveytensä olisi uhattuna. Uusi kirja esittelee ja selittää näitä kokemuksia.

Peräti miljoonia amerikkalaisia joutui ufojen sieppaamiksi 1990-luvulla, pääteltiin erään kyselytutkimuksen perusteella pääteltiin.

Usein uhrin makuuhuoneeseen tunkeutui vieraita olentoja, jotka tekivät hänet ensin toimintakyvyttömäksi. Sitten hänet lennätettiin katon läpi avaruusalukseen.

Ufosieppausten vyörystä kertoo Helsingin Sanomien haastattelema psykologian tutkija Jukka Häkkinen kirjassaan Outojen kokemusten psykologia (Docendo 2018). Leipätyökseen Häkkinen tutkii näkemistä Helsingin yliopistossa.

Uusi kirja näyttää, miten ihmismieli loihtii esiin kokemuksia, joita monet pitävät selittämättöminä tai yliluonnollisina.

Sieppaukset avaruusalukseen ovat modernia jatkoa sille, mitä ihmiset ovat kokeneet maailman sivu. Ennen vanhaan makuuhuoneeseen eivät tunkeutuneet harmaat isopäiset avaruusolennot, vaan pelottavat vieraat olivat demoneja, keijukaisia, noitia tai vampyyreja.

”Mielenkiintoista on, että nyt ufosieppaukset ovat kokonaan loppuneet”, Häkkinen sanoo.

Ne olivat 1990-luvulla kulttuurinen ilmiö, joka liittyi scifitarinoihin. Yhdysvalloissa niiden kokijat olivat nähneet scifisarjoja ja -elokuvia, joissa oli isopäisiä, ihmiskokeita tekeviä olentoja.

Makuuhuonevierailujen ja sieppausten takana näyttää Häkkisen mukaan olevan unihalvaus.

Unihalvauksessa siirtymä uni- ja valvetilan välillä häiriintyy. Ihminen on tavallaan sekä hereillä että unessa, selittää Häkkinen kirjassaan. Unen hahmot astuvat valvetodellisuuden päälle.

Halvaantumisen kokemus syntyy siitä, että unen aikana aivojen liikekäskyt eivät pääse etenemään lihaksiin. Tämä lihaslama estää kokijaa liikkumasta.

Unihalvauksen aikana ihmiset näkevät usein harhoja tunkeilijoista. Yleisiä ovat myös tasapainoaistin hallusinaatiot: keinumisen, putoamisen, kohoamisen ja kehostapoistumisen kokemukset. Tällaisella matkalla ufojen sieppaamat ovat mahdollisesti olleet.

Sieppauskokemusten lisäksi Häkkinen esittelee kirjassaan kehostapoistumis- ja kuolemanrajakokemuksia, enneunia, telepatiaa, déjà -vu -ilmiöitä ja synestesiaa ja selittää, miten tällaiset aivojen jekut syntyvät.

Kysely

Mitä outoa olet kokenut?

Laulettu sana kuului puhuttua paremmin ja pidemmälle.

Koulujen lukukausi lähestyy loppuaan. Pian tulevat ne ajat, jolloin taas kerran pähkäillään, sopiiko päättäjäisissä laulaa suvivirttä vai ei.

Aiempien vuosien kädenvääntö on osoittanut, että virttä voivat iloisin mielin ja henkisesti häiriintymättä laulaa muutkin kuin luterilaista uskoa tunnustavat. Yhdessä laulaminen vahvistaa yhteistä tunnekokemusta enemmän kuin juhlapuheen kuuntelu.

Suomen evankelisluterilaisessa kirkossa virrellä tarkoitetaan yleensä kirkolliskokouksen hyväksymää hengellistä yhteislaulua, mutta tämä ei ole virsi-sanan vanhin eikä ainoa merkitys.

Virsi on alkanut vakiintua tietynlaisen kirkkolaulun nimitykseksi vasta luterilaisen reformaation myötä.

Reformaation ohjelmaan kuului seurakunnan ottaminen mukaan jumalanpalveluksiin aktiivisesti virsiä laulamalla. Sitä ennen laulusta olivat huolehtineet papit ja heidän koulutetut avustajansa. Muutoksesta seurasi epäilemättä kirkkomusiikin tason dramaattinen lasku, ainakin väliaikaisesti.

Virsi-sana on esihistoriallisella ajalla saatu balttilainen laina, joka alun perin lienee tarkoittanut sanaa tai puhetta. Suomalaisessa kansankulttuurissa virsi on ollut pitkän kertovan runon nimitys. Kalevalan henkilögalleriaan kuuluu virsikäs eli runsaasti runoja taitava Vipunen, ja hänen muistissaan olevaa runovarastoa nimitetään sanaiseksi arkuksi tai virsilippaaksi.

Pitkiä runomuotoisia kertomuksia on tyypillisesti esitetty laulamalla. Laulettu sana kuuluu paremmin ja kauemmas kuin puhuttu. Sävelmä ja kalevalainen runomitta antavat sisällölle muodon, joka on helpompi muistaa ja toistaa kuin vapaa puhe.

Suvivirrelle antaa erityistä viehätystä sanan alkuosa suvi. Se on ikivanha kesää merkitsevä perintösana, jota on käytetty länsimurteissa, mutta nykyään se tuntuu runolliselta ja ylätyyliseltä, kun se on yleiskielessä jo aikoja sitten korvattu itämurteista poimitulla kesä-sanalla. Virressä vaikutelmaa tehostaa vielä alkusointuinen sanayhdistelmä suvi suloinen.

Muissakin tapauksissa suvi on tehokas tunnelman luoja. Suvisunnuntai on autuaan rauhallinen ja kaunis. Suvituuli on lempeä ja lauha, suvipäivä lämmin ja suviyö romanttinen. Kesän alkaessa suunnitellaan proosallisesti aikatauluja ja lasketaan rahoja, mutta suven kynnyksellä haaveillaan tulevan suven parhaista hetkistä.

Kaisa Häkkinen on suomen kielen emeritaprofessori Turun yliopistossa.

Julkaistu Tiede-lehdessä 6/2018