Astrobiologian tutkimusta Suomessa

Tälle sivulle kerätään pikkuhiljaa tietoa Suomessa tehtävästä, astrobiologian alaan liittyvästä tutkimuksesta.

PM2
Bakteriofagi PM2:n rakenne ja yksityiskohta pintaproteiinista.

Virusten alkuperän tutkimusta
Tutkimme virusten syntyä ja kehitystä sekä virusten vaikutusta varhaisen elämän evoluutioon professori Jaana Bamfordin tutkimusryhmässä, Jyväskylän yliopiston bio- ja ympäristötieteiden laitoksella. Tutkimusryhmä on osa Suomen Akatemian virustutkimuksen huippuyksikköä.

Ensimmäiset virukset ovat syntyneet käsi kädessä solullisen elämän kanssa ja siten virusten syntymän ymmärtäminen liittyy läheisesti koko elämänsyntyprosessiin. Millaisissa olosuhteissa virukset ja solut muodostuivat? Miten virukset ovat vaikuttaneet solujen syntyyn ja myöhempään kehitykseen? Millaista elämä voisi olla ilman viruksia (esimerkiksi vieraalla planeetalla)? Muun muassa näihin kysymyksiin haemme vastausta tutkimalla bakteerien ja arkkien viruksia sekä simuloimalla evoluutiota in vitro ja in silico.
Ryhmän kotisivut

RVK
Tähden HD 154345 radiaalinopeuskäyrä. Kuvaan on merkitty myös havainnot virheineen.

Eksoplaneettahavaintojen tehostamista astrometrialla
Eksoplaneettojen havainnoiminen on hankalaa puuhaa. Suurin osa noin kolmestasadasta tunnetusta eksoplaneetasta on havaittu mittaamalla planeetan emotähden näkösäteen suuntaista liikettä, radiaalinopeutta, josta voidaan laskea niin radan muoto, kuin sen kokokin. Mitataan siis tähden heilahtelua planeetan kiertäessä sitä ja vaikuttaessa sen kanssa gravitaation välityksellä – tähti ja planeetta kun kiertävät molemmat yhteistä massakeskipistettään. Menetelmällä saadaan myäs tietoa planeetan massasta.

Eksoplaneetan massaa ei kuitenkaan voida laskea näistä radiaalinopeushavainnoista täsmällisesti edes periaatteessa: tuloksena saadaan vain massan alaraja. Tähän on syynä se, ettei planeetan radan inklinaatio, eli kallistuskulma suhteessa havaitsijaan, selviä radiaalinopeushavainnoista. Ongelmasta päästään eroon tulevaisuudessa tekemällä havaintoja myös planeetan aiheuttamasta tähden heilahtelusta näkösädettä vastaan kohtisuorassa suunnassa – siis taivaankannella. Näitä astrometriaksi kutsuttuja havaintoja on yritetty tehdä planeetoista jo vuosikymmeniä mutta niiden tarkkuus ei ole ollut riittävää. Vasta tulevaisuuden tarkat avaruusteleskoopit ja adaptiivisella optiikalla varustetut suuret maanpäälliset teleskoopit kykenevät erottamaan tämän äärimmäisen pienen heilahtelun.

Tavallisesti on oletettu, että planeetan havaitseminen näillä menetelmillä vaatii koko rataperiodin kattavia havaintoja. Esimerkiksi, Jupiterin kaltaisen planeetan havaitsemiseksi täytyisi siis tehdä havaintoja kahdentoista vuoden ajan.

Helsingin yliopiston matematiikan ja tilastotieteen laitoksen sekä Turun yliopiston Tuorlan observatorion välisessä yhteistyöprojektissa olemme selvittäneet teoreettisesti, pitääkö tämä oletus paikkansa soveltamalla todennäköisyysteoriaa kahden havaintolähteen ongelmaan. Tulokset kertovat, että käyttämällä radiaalinopeus- ja astrometriahavaintoja samanaikaisesti tilastollisessa analyysissä, riittää planeettojen radan muodon ja koon, sekä todellisen massan selville saamiseen jopa vain neljäsosa rataperiodista. Jupiterin kaltaisen planeetan havaitsemiseen riittäisi siis vain kolmen vuoden aikana tehdyt havainnot. Käytännössä tämä tarkoittaa, että onnistuneen havainnon saamiseen tarvittaisiin huomattavasti vähemmän aikaa, joskin havaintoja on tehtävä tällä ajanjaksolla käyttäen kumpaakin havaintomenetelmää.

Osoittautuu myös, että mikäli planeetta on jo havaittu radiaalinopeusmenetelmällä, astrometrisia havaintoja tarvitaan vieläkin vähemmän. Esimerkkinä käytimme planeettaa HD 154345 b (radiaalinopeuskäyrä ohessa), joka on Jupiteria, niin massaltaan kuin radaltaan, muistuttava planeetta noin kuudenkymmenen valovuoden päässä Maasta. Kohteesta tehdyt radiaalinopeushavainnot kattavat noin kymmenen vuoden ajanjakson. Laskelmiemme mukaan astrometriamenetelmällä tarvitsisi tehdä havaintoja vain vuoden ajan, jotta planeetan todellinen massa saataisiin selville ja voisimme varmistua sen olevan todellakin Jupiterin kokoinen. Tulos on merkittävä, sillä havaintojen tekeminen vuoden ajan vie huomattavasti vähemmän resursseja, kuin kymmenen vuoden ajan, mikä on yleisesti oletettu tarvittavan.

Käytännössä generoimme simuloituja radiaalinopeus- ja astrometriamenetelmien mittaussarjoja, joissa mittausten kattama aikaväli vaihtelee ja analysoimme näitä aikasarjoja Markovin ketju Monte Carloksi kutsutulla analyysimenetelmällä, jolla on mahdollista laskea planeetan rataparametrien ja massan täydet todennäköisyysjakaumat, ei vain suurimman uskottavuuden arvoja. Käyttämällä edelleen kahden mittauslähteen Bayesilaista inferenssiä, eli todennäköisyysteoriaan pohjautuvaa yhdistämistä, on mahdollista laskea kahden mittauslähteen yhteinen todennäköisyysjakauma parametreille. Tällä tavalla voidaan kahdesta, tai vaikka useammastakin, mittauslähteestä saada enemmän informaatiota, kuin mitä olisi mahdollista saada analysoimalla niitä erikseen, mikä mahdollisti saamamme tulokset. Projektin ensimmäiset tulokset on julkaistu Astronomy and Astrophysics -lehdessä.
Lisätietoja antaa FM Mikko Tuomi

PLA
Eräs, tehdyt säteisnopeusmittaukset selittävä malli HD 11506:n planeettakunnasta.

Ensimmäinen suomalainen planeettalöytö

Jatkona bayesilaisten analyysimenetelmien hyödyntämisessä vieraiden planeettakuntien tutkimukseen, kävimme läpi joukon eri planeettakuntien keskustähdistä tehtyjä säteisnopeusmittauksia. Keskeisinä kriteerinä oli, että mittaukset ovat suhteellisen tuoreita ja että ne ovat vapaasti tutkijayhteisön saatavilla. Analyysien tuloksena havaitsimme, että muutamien otokseen valikoituneiden tähtien säteisnopeusmittaukset vaikuttivat sisätävän jo entuudestaan tunnettujen planeettojen tuottamien signaalien lisäksi tuntemattomia signaaleja, merkkejä mahdollisesti vielä löytymättömistä planeetoista.

Voidaksemme varmistaa, että mallivertailusta saadut, puhtaasti todennäköisyyslaskentaan perustuvat tulokset ovat myös fysikaalisesti mielekkäitä, laskimme signaalit parhaiten selittävät rataparametrit olettaen, että havaitut signaalit todellakin olisivat planeetan aiheuttamia. Tämän jälkeen integroimme hypoteettisen planeettakunnan dynamiikkaa nähdäksemme, onko saatu ratkaisu mielekäs. Nämä simulaatiot osoittivat, että "ylimääräiset" signaalit ovat pääsääntöisesti jonkin muun ilmiön kuin tuntemattoman planeetan aiheuttamia. Tällaisia tekijöitä ovat esimerkiksi tähden oma magneettinen aktiivisuus ja alkuperäisen mittausdatan huono redusointi.

Kohteen HD 11506 kohdalla tilanne oli kuitenkin erilainen. Todennäköisyys, että signaalin selittää juuri aikaisemmin tuntematon planeetta, eikä jokin muu ilmiö oli käytännössä 1. Myöskään dynamiikan simulointi ei antanut perusteita epäillä, etteivätkö tehdyt havainnot selity parhaiten juuri aikaisemmin tuntemattoman, noin 0.8 Jupiterin massaisen planeetan läsnäololla. Tämä ensimmäinen suomaisen tutkimusryhmän tekemä planeettalöytö on julkaistu Astronomy and Astrophysics -julkaisusarjassa.
Lisätietoja antaa FM Samuli Kotiranta, sekä artikkeli M. Tuomi ja S. Kotiranta (2009). Bayesian analysis of the radial velocities of HD 11506 reveals another planetary companion. Astron. Astrophys. 496, L13

PM2
Syanobakteeriviljelmä Marsin kaltaisissa olosuhteissa.

Syanobakteerien viljelyä Marsin kaltaisissa olosuhteissa

Miehitettyjen Mars-lentojen suunnittelussa eräs välttämätön alue on elossapitojärjestelmien kehittäminen. Niiden avulla voidaan luotettavasti tuottaa miehistön matkan aikana tarvitsema happi, elintarvikkeet ja vesi. Tähänastisilla avaruuslennoilla kaikki nämä tuotteet on kuljetettu mukana maasta, ja pitkien oleskelujen aikana esim. kansainvälisellä avaruusasemalla vesivaroja ja happea on ylläpidetty suodattalla ja kierrättämällä. Kuitenkin näiden tarvikkeiden kuljettaminen maasta on hyvin kallista; kuljetuskustannus ylös maan pinnalta on 40 000 euro/kg materiaalia. Mahdolliset Mars-lennot kuitekin olisivat välttämättä ajallisesti hyvin pitkiä, ja mukaan tarvittavien elossapitotarvikkeiden määrä olisi hyvin suuri (esimerkkilaskelmissa käytettyjen 1000 päivän avaruusmatkan tarvikkeet kuuden henkilön miehistölle 175 000 kg), ja niiden kuljettaminen mukana tulee vastaavasti hyvin kalliiksi. Edullisempaa olisi hyödyntää Marsin pinnalta saatavia resursseja elintarvikevaraston täydentämiseksi.

Marsissa on todellakin saatavana vettä jään muodossa, ja Marsin ilmakehässä hiilidioksidia. Marsin maaperän kiviaineesta olisi saatavana lähes kaikkia kasvien tarvitsemia mineraaliravinteita, ja siellä on myös saatavana auringonvaloa, jonka avulla fotosynteettiset eliöt, siis joko vihreät kasvit, levät tai syanobakteerit, pystyisivät tuottamaan vedestä ja hiilidioksidista happea ja ruokaa. Kivipinnoilla eläviä syanobakteereita voitaisiin myös hyödyntää rapauttamaan mineraaleja ja vapauttamaan niistä viljelyssä tarvittavia ravinteita.

Tutut viljelykasvit soveltuisivat parhaiten elintarvikkeeksi kelpaavaa biomassan tuottamiseen, mutta myös tietyt syanobakteerilajit ovat syötäväksi kelpaavia, ja myös hyvin ravintorikkaita. Tällaisia ovat esim. terveystuotteina käytettävät spirulina-levätuotteet. Marsin pinnalla tehtävän kasvintuotannon ongelmana ovat kuitenkin hyvin ankarat paikalliset olosuhteet: vallitsevan matalan ilmanpaineen takia vesi ei pysy siellä nestemäisessä muodossa, ja avoimessa tilassa kasvatukset kuolisivat välittömästi kuivuuteen. Myös hyvin kylmät lämpötilat sekä voimakas UV- ja ionisoiva säteily ovat niin tuhoisia, etteivät mitkään elävät lajit voi säilyä suojaamattomina Marsin olosuhteissa. Kaikki kasvien tai levien viljely pitää siis tehdä suljetuissa, suojatuissa ja paineistetuissa olosuhteissa. Kuitenkin korkeat paine-erot viljelytilojen ja ulkoisen ilmakehän välillä aiheuttavat sen että kaikkien viljelytilarakenteiden pitäisi olla hyvin vahvoja ja kestäviä, mikä taas puolestaan lisää materiaalikustannuksia merkittävästi.

Teknisiltä kustannuksiltaan edullisin vaihtoehto fotosynteettisten organismien tuottamiselle Marsissa on kasvattaa niitä olosuhteissa, jotka ovat mahdollisimman lähellä ulkopuolella valtsevaa ilmanpainetta, ja joissa myös lämpötila voi vaihdella voimakkaasti. Viljelykasvit eivät kuitenkaan siedä tällaisia olosuhteita. Alustavissa kokeissamme olemme kuitenkin havainneet, että useat syanobakteerilajit kasvavat hyvin matalissa ilmanpaineissa, kunhan tuota ilmanpainetta on sen verran että vesi pysyy nestemäisenä eli ilmanpaine veden kolmoispisteen yläpuolella, kunhan ilmaa kosteutetaan riittävästi niin etteivät kasvustot pääse kuivumaan, ja ilma sisältää riittävästi hiilidioksidia. Marsin ilmakehän hiilidioksidipitoisuus (95%, n. 10 mbarin ilmanpaineessa) on noin 20–30 kertaa korkeampi kuin Maan ilmakehässä (0.038%, 1bar), ja toimii tehokkaana hiilen lähteenä kasvustoille. Olemme parhaillaan testaamassa, miten tällaiset korkeat hiilidioksidipitoisuudet ja matalat ilmanpaineet vaikuttavat syanobakteerikasvustojen kasvuun ja kemialliseen koostumukseen, ja miten ne vaikuttavat mineraalien liukenemiseen, kun syanobakteereja kasvatetaan Marsin kiviperää vastaavilla ravintoalustoilla.
Lisätietoja antaa FT Kirsi Lehto sekä artikkelit: K. Lehto, E. Kanervo, K. Ståhl, H. Lehto M. Tammi ja J. Virtanen (2007). Photosynthetic life support systems in the Martian conditions. In: 'Microorganisms and the Martian Environment – Report of the ROME Topical Team', (Ed. Charles Cockell). ESA SP-1299 ESA Publications Division, European Space Agency, Noordwijk, The Netherlands. pp. 151–160.
E. Kanervo, K. Lehto, K. Ståhl, H. Lehto ja P. Mäenpää (2005). Characterization of growth and photosynthesis of Synechocystis sp. PCC 6803 cultures under reduced atmospheric pressures and enhanced CO2 levels. Int. J. Astrobiol. 4, 97
K. Lehto, H. Lehto ja E. Kanervo (2006). Suitability of Different Photosynthetic Organisms for Extra-terrestrial Biological Life Support System. Res. Microbiol. 157, 69

RNA
Kaaviokuva kattaran (Bromus sp.) mosaiikkiviruksen replikaatiokompleksista, joka sulkeutuu isäntäsolun sytoplasmisen kasvoston muodostamaan pussukkaan. Harmaa viiva osoittaa ER-kalvoa, 1a and 2a osoittavat viruksen kahta repliaasiproteiinia. RI osoittaa replikaation aloituskohtaa, johon myös proteiini 1a tarttuu.

Elämän syntyyn liittyvä tutkimus

Solullisen elämän syntyyn, RNA-maailmaan ja prebioottisen kemialliseen evoluutioon liittyviä vaikeita kysymyksiä pohditaan Turun yliopistossa astrobiologian peruskurssilla (KAFY4586, XFYS 4261), sekä Elämän synty -kurssilla (KAFY 3040). Tutkimuksen puitteissa olemme mm. mallintaneet sitä miten homokiraaliset rakennekomponentit – nukleotidit ja aminohapot – olisivat voineet valikoitua elämän rakennusaineiksi. Olemme myös mallintaneet elämän varhaisia kehitysvaiheita, ja erityisesti RNA-proteiini -maailman toimintoja RNA-virusten molekyylibiologisten ominaisuuksien perusteella. Nykyisin yleisesti hyväksytyn hypoteesin mukaisesti oletamme RNA-maailman kehittyneen varsin monimutkaiseksi molekyylien yhteisöksi jossakin suljetussa tilassa; esimerkiksi merenpohjan mustien savuttajien kaltaisissa rakenteissa, missä paikallinen geokemia tuotti suotuisat olosuhteet ja runsaasti sopivia lähtöaineita. Tällaisessa "elämän hautomossa" RNA-molekyylien evoluutio olisi voinut tuottaa toimivan translaatiokoneiston ja geneettisesti ohjattu proteiinisynteesi on saattanut käynnistyä. Elämän keskeiset molekyylikoneistot (geneettinen informaatio ja sen kopioitumiskoneisto, proteiinisynteesikoneisto, geneettinen koodi) olisivat siis voineet syntyä tällaisessa tilassa mikä rajasi molekyyliyhteisön sisäänsä.

Solullisen elämän syntymiseen tarvittiin kuitenkin lisäksi, että elämän tärkeimmät molekyylikoneistot sulkeutuivat erillisten solukalvojen sisälle. Esitämme, että 1) joko näin monipuoliset molekyyliyhdistelmät eivät olisi syntyneet sattumalta eli ne eivät olisi onnistuneet satunnaisesti kapseloitumaan vesikkeleiden sisälle tai 2) jos toimiva esi-solu olisikin vielä saattanut syntyä sattumalta, se ei olisi ainakaan onnistunut lisääntymään, koska solunjakaantumistoiminnot eivät olleet vielä kehittyneet. Näin satunnaisesti syntynyt esi-solu olisi voinut lisääntyä vain hajoamisen ja uudelleen muodostumisen kautta, jolloin koko koneisto olisi taas menetetty. Toimivan ja hallitusti muodostuvan esisolun synnyn selittämäksi olemme esittäneet hypoteesin, jossa varhaisimmat, solukalvoja muistuttavat rakenteet olisivat syntyneet aktiivisesti, geneettisesti koodatun proteiinitoiminnan tuloksena. Kyseinen proteiinitoiminta olisi aluksi vain ohjannut RNA-molekyylien replikaation tapahtumaan vesikkeleiden sisällä. Tämä voisi tapahtua siten, että jokin replikaatioon osallistuvista proteiineista sitoutuu sopiviin kalvostoihin ja samalla sitoo replikoituvan RNA:n ja replikaasikompleksin muut komponentit. Tällainen vuorovaikutus myös aiheuttaa kalvoston vetäytymisen vesikkeliksi, jotka sulkevat sisäänsä aktiivisen RNA-replikaatiokompleksin.

Monet pienet RNA-virukset yhä edelleen tuottavat replikaasiproteiineja jotka toimivat juuri tällä tavalla: kyseiset proteiinit tarttuvat isäntäsolussa tietyn kalvoston pinnalle, minkä seurauksena kalvosto vetäytyy pussimaiseksi rakenteeksi ja sulkee sisälleen viruksen replikaatiokompleksin. Nämä replikaatiovesikkelit suojaavat virusgenomia isäntäsolun puolustusreaktioilta: RNaaseilta ja RNA-hiljennysreaktioilta. Ne myös konsentroivat replikaatiossa tarvitut komponentit, ja tekevät replikaatioprosessin spesifiseksi siten etteivät isäntäsolun RNA-molekyylit pääse sekaantumaan reaktioon.

Esitämme että samantapaiset yksinkertaiset replikaatiopussukat olisivat voineet toimia jo hyvin varhain RNA-proteiini -maailmassa ja olisivat olleet erittäin hyödyllisiä suojatessaan replikoituvia molekyylejä toisten, parasiittisten RNA-sekvenssien kilpailulta. Tällainen kalvopussukoiden muodostaminen olisi toiminut jo yhdenkin kalvoston pinnalle sitoutuvan replikaasiproteiinin avulla. Siihen tarvitaan siis vain hyvin vähän koodaavaa informaatiota, minkä vuoksi se olisi voinut toteutua paljon aikaisemmin kuin monimutkainen solunjakautumiskoneisto.

Lisätietoja antaa FT Kirsi Lehto sekä artikkeli T. Laiterä ja K. Lehto (2009). Protein-mediated Selective Enclosure of Early Replicators Inside of Membranous Vesicles: First Step Towards Cell Membranes. Orig. Life Evol. Biosph. 39, 545