Laajennettua ympäristöoppia eli astrobiologiaa lukiolaisille?
Koulujemme kaikki oppiaineet, yhdessä ja erikseen, tarjoavat nuorille tietoja ja taitoja, joiden avulla he oppivat toimimaan yhteiskunnassa. Opittujen asioiden pohjalta he myös pystyvät rakentelemaan itselleen jonkinlaista maailmankuvaa tai ymmärrystä siitä, miten maailma toimii. Humanististen aineiden puolella historian opinnot antavat perspektiiviä nyky-yhteiskuntaan ja auttavat ymmärtämään, miksi maailman yhteiskunnat ovat sellaisia kuin ne nyt ovat. Luonnontieteiden puolella tällainen historiallinen perspektiivi näyttää puuttuvan. Samoin opetuksesta näyttää puuttuvan näkemys siitä, miten eri mittaluokkaiset prosessit ja ilmiöt liittyvät ja vaikuttavat toisiinsa ja miten maailmamme on rakentunut juuri näistä vuorovaikutuksista. Tällaisen laajemman perspektiivin puuttuessa maailman olemassaolo ja nykyinen tila saattaa vaikuttaa jopa itsestään selvältä ja hyvin pysyvältä. Kuitenkin planeettamme olosuhteet ovat aikojen kuluessa moneen kertaan totaalisesti muuttuneet.
Luonnontieteelliset oppiaineet opettavat ansiokkaasti, miten erilaiset luonnonilmiöt ja prosessit toimivat ympäristössämme ja millaiset lainalaisuudet ohjaavat kaikkia fysikaalisia ja kemiallisia ilmiöitä. Näiden merkittävyys voisi avautua uudella tavalla, jos opetuksessa esiteltäisiin enemmän myös sitä moniulotteista ja monimutkaista vuorovaikutusten verkostoa, jonka ne muodostavat keskenään ja joka muodostaa meidän koko olemassaolomme ja aineellisen ympäristömme. Tämä luonnonvoimien ja vuorovaikutusten loputon piirileikki sisältää geologiset prosessit, ilmakehän ilmiöt ja koostumuksen sekä ilmaston – ja näiden vaikutukset toisiinsa ja eliökuntaan. Fysikaaliset luonnonvoimat ja kemialliset ympäristötekijät ovat muodostaneet sen ympäristön, missä elämä aikoinaan syntyi, ja missä se sittemmin on kehittynyt, vaihe vaiheelta, yhä monimutkaisemmaksi eliökunnaksi. Ympäristön olosuhteet ovat aina ohjanneet – joko hellästi tai väkivaltaisesti – elämänmuotojen kehitystä: vain ympäristöön sopeutuvat yksilöt ovat jatkaneet olemassaoloaan. Toisaalta myös massiiviseksi kasvanut eliöstö itse, kerta toisensa jälkeen, on muuttanut koko planeetan olosuhteita, ja eri lajit ovat aina vaikuttaneet toinen toisensa kehittymiseen ja selviytymismahdollisuuksiin. Koko planeetan tasolla tämä vuorovaikutusten verkosto stabiloi itse itseään ja vaikuttaa hyvinkin stabiilille, mutta jos jokin sen tekijöistä oleellisesti muuttuu, voi koko planeetan tila (esim. ilmasto ja lajisto) heilahtaa nopeasti ihan toisenlaiseen tasapainotilaan.
Elämän ensimmäiset olomuodot rakentuivat spontaanisti ympäristön tarjoamista lähtöaineista ja olivat hyvin hauraita ja yksinkertaisia. Ne ilmestyivät nuorelle Maa-planeetalle noin neljä miljardia vuotta sitten sellaisissa olosuhteissa, jotka tekivät monimutkaisen orgaanisen maaperäkemian mahdolliseksi. Oletettavasti tämä tapahtui varhaisen tulivuorisaaren kuumalla laavakentällä, nuoren auringon polttaessa maan pintaa ankarilla UV-säteillä. Ilmakehä oli hapeton ja kuuma, ja kuumat vulkaaniset olosuhteet liuottivat kallioperästä mineraaleja ja myös konsentroivat lähtöaineita valuma-altaisiin. Tulivuoritoiminta tarjosi paljon pelkistyneitä hiili- ja typpiyhdisteitä, joista tärkein oli ilmeisesti vetysyanidi HCN; tämä toimi prebioottisen synteesin lähtöaineena, mutta vesiliuoksessa se myös muuttui formamidiksi, joka oli vettä suotuisampi ympäristö hauraiden biomolekyylien säilymiselle. Elämän syntyprosessi alkoi ensimmäisten rakennuspalikoiden (ribonukleotidien, sokereiden, aminohappojen ja lipidien) synteesistä ja konsentroitumista, eteni niiden spontaanina linkittymisenä toimiviksi molekyyliketjuiksi ja tuotti lopulta jotakuinkin itsenäisesti toimivia ja elinkykyisiä soluja. Ei tiedetä miten kauan tämä prosessi kesti, ehkä sen eri vaiheet jatkuivat joitakin (tuhansia tai jopa miljoonia?) vuosia. Joka tapauksessa se tuotti autonomisia soluja, joilla oli olemassa jo kaikki tärkeimmät solun toiminnot (proteiinisynteesikoneisto, geneettinen koodi ja alkeellinen aineenvaihdunta). Ympäristö kuitenkin lopulta muuttui niin että solut joutuivat ”omilleen”, niiden piti alkaa pitää itse yllä itseään. Ne myös hajaantuivat kahdeksi eri populaatioksi ja muodostivat eliökunnan kaksi päähaaraa eli bakteerien ja arkeonien kehityslinjat.
Elämän synnyn alkuperäisiä ja aitoja kemiallisia prosesseja ja olosuhteita ei tietenkään päästä enää toistamaan käytännössä. Joitakin niiden vaiheita voidaan simuloida laboratoriossa synteettisesti, mutta monet niistä ovat vielä tuntemattomia, eikä elämän syntyprosessia kokonaan ymmärretä. Prosessi on kuitenkin hyvin merkittävä koko elämän olemassaolon kannalta, ja kemian tunnillakin (lukiotason kurssilla) voisi miettiä joitakin siihen liittyviä peruskysymyksiä. Siellä voisi esimerkiksi ihmetellä, miksi elämä rakentui juuri tämänkaltaisista homokiraalisista ribonukleotideista; mistähän tuli elämän tarvitsema energia silloin kun käytössä ei vielä ollut katalyyttisiä entsyymejä; miten energiaa varastoidaan ja siirretään (bio)kemiallisissa systeemeissä; mitenhän moni-tekijäinen geneettinen koodi saattoi syntyä jo hyvin varhain, vaikka se tuli proteiinisynteesikoneiston käyttöön vasta sitten kun koko koneisto oli valmis; millä tavalla ja missä kohtaa geneettinen koodi toimii proteiinisynteesissä; millähän tavalla (toimivia molekyylirakenteita) koodaava informaatio alkoi kasaantua genomeihin; tai millä tavalla hyvin moniosainen proteiinisynteesikoneisto syntyi ja kasvoi evoluution tuotteena, vaikka sen toiminta alkaa vasta sitten kun se on riittävän monimutkainen? Näiden vaikeiden kysymysten myötä oppilaat huomaisivat myös, millaisista monimutkaisista vuorovaikutuksista meidän nykyinen ”itsestään selvä” maailmamme nousee ja mitä ovat ne haasteet, joita luonnontieteet (fysiikka, kemia, biokemia, genetiikka) tällä hetkellä selvittelevät. Tiede ei ehkä vielä pitkään aikaan löydä vastauksia kysymykseen siitä, miksi elämä rakentui juuri sellaiseksi kuin se rakentui, voidaan vain todeta että ”näin tapahtui”. Varhaisin koneisto, jonka ympärillä elämä käynnistyi, oli kuin ”frozen accident”: alkunsa jälkeen se ei enää voinut muuttua, koska kaikki myöhemmät kehitysvaiheet rakentuivat entisten päälle.
Kemian tunnilla voisi ehkä myös pohtia sitä filosofista kysymystä, voisiko elämä olla toisenlaista, ihan vain hypoteettisesti: mikä voisi olla toisin, mikä ei voisi olla toisin. Mitkä toiminnot tai ominaisuudet ovat välttämättömiä elämän ilmiölle? Tähän aihepiiriin kuuluu myös kysymys siitä, onko elämää olemassa muilla taivaankappaleilla, ja jos on, onko se samanlaista vai erilaista kuin Maassa. Tähän kysymykseen on toki mahdollista saada jopa tietoa kokeellisista havainnoista lähivuosina: elämän löytyminen joltakin toiselta planeetalta vaikuttaisi merkittävästi koko maailmankatsomukseemme.
Fysiikan tunnilla (vai olisivatko nämäkin vielä kemiaa?) taas voisi olla antoisaa pohtia esimerkiksi kysymystä siitä, millä tavalla eri alkuaineiden ominaisuudet määräävät makromolekyylien laskostumista vesiympäristössä, tai miten vesiympäristö osallistuu makromolekyylien syntyyn ja laskostumiseen. Tai miksi vesi liottaa tiettyjä aineita, mutta ei toisia, ja miten tämä aineiden erilainen liukoisuus vaikuttaa biologisiin rakenteisiin ja prosesseihin. Veden olomuodot ovat tietenkin myös tärkeät elämän kannalta: miksi vesi esimerkiksi pysyy nestemäisenä niin laajalla lämpötila-alueella (verrattuna muihin samankokoisiin molekyyleihin) tai millaiset olosuhteet tarvitaan planeetalla (ilmanpaine ja etäisyys tietynlaisesta tähdestä), jotta vesi pysyy nestemäisenä. Miten vesi kiertää planeetalla eri muodosta toiseen, miten se eri olomuodoissaan vaikuttaa planeetan ilmastoon? Entä mitkä ovat hiilen erilaiset esiintymismuodot planeetalla ja miten se kiertää näiden eri olomuotojensa välillä? Miten tämä hiilen kierto vaikuttaa planeetan elinkelpoisuuteen?
Entä olisikohan kemian vai fysiikan oppisisältöjen mukaista pohtia sitä, miten hiilen atomirakenne onkin juuri tavattoman sopiva orgaanisten molekyylien rakentamiseen; neljän kovalenttisen sidoksensa avulla se rakentaa mielellään moninaisia ketjuja ja rengasmaisia molekyylejä (tosin juuri tiettyjen rakenteiden valikoituminen elämän käyttöön on avoin kysymys). Joku astrobiologi on sanonut, että elämä on koodattu jo hiilen atomirakenteeseen. Myös hapen ja typen atomirakenteet sopivat elektroniaffiniteetiltaan juuri hyvin antamaan molekyyleille käyttökelpoisia osittaisvarauksia, vety taas on se pieni ja kaikista yleisin alkuaine, jota tarvitaan kuljettamaan elektroneja kaikille niitä haluaville isommille alkuaineille. Nämä alkuaineet sopivat mitä parhaimmin elämän rakennustarpeiksi siksikin, että juuri niitä on tarjolla eniten avaruudessa (lukuun ottamatta heliumia – jota sitäkin tosin tarvitaan tähdissä hiilen fuusioreaktioissa). Tästä koko maailmankaikkeuden tavallisimmasta ainetarjonnasta syntyy se hieno planetaarinen hiilen kierrätystanssi, pelkistäminen ja hapettaminen, jota elämän koneistoon koodaantunut informaatio loputtomasti pyörittää.
Koko planeetan mittakaavassa voimme havaita suuren ja moniulotteisen hiilen, hapen ja vedyn (tai veden) kierrätysverkoston, joka tapahtuu sekä kaasumaisessa, nestemäisessä että kiinteässä muodossa ja jota ohjailevat sekä ympäristön elottomat prosessit (geologia, kaasujen ja liuosten kemia) sekä eliökunnan geneettisesti koodaamat prosessit, kaikki keskenään vuorovaikutuksessa. Tämän kierrätysverkoston elollinen komponentti käynnistyi kerran, hyvin pienesti ja ehkä perin satunnaisen kemian tuotteena, mutta kehittyi sittemmin planetaariseen mittakaavaan, siksi että se pystyi sopeuttamaan omat reaktionsa ympäristön tarjoamiin energian, veden, hiilen ja muiden tarpeellisten kemikaalien virtoihin. Nämä fysikaaliset ja kemialliset riippuvuudet sitovat eliökunnan olemassaolon tiukkaan yhteyteen elottoman ympäristön kanssa.
Fysikaalisista riippuvuuksista puheenollen pitää toki muistaa myös se, että koko tämän maailman olemassaolo ja kaikki sen lainalaisuudet juontavat juurensa niistä luonnonlaeista, jotka tulivat voimaan jo maailman syntyessä alkuräjähdyksessä. Jos gravitaatiovakio tai avaruuden keskitiheys olisivat jotakin muuta kuin mitä ne ovat tässä maailmankaikkeudessa, avaruudessa ei ehkä koskaan olisi syntynyt hitaasti ”palavia” tähtiä eikä niiden alkuainesynteesiä, eikä maailmankaikkeus olisi jatkanut kehittymistään rauhallisesti laajenemalla. Jos atomiytimien rakenteita säätävät heikko ja vahva vuorovaikutusvoima eivät olisi juuri sen kokoiset kuin ne ovat, ei maailmamme kemiallinen repertuaari olisi mitään sellaista kuin se nyt on. Jos sähkömagneettinen vuorovaikutusvoima ei toimisi sillä vahvuudella kuin se nyt toimii, alkuaineet (jos niitä ylipäätään olisi olemassa) eivät tuottaisi mitään nykyisenkaltaisia kemiallisia sidoksia. Maailmankaikkeuden perusparametrit näyttävät olevan tarkasti juuri sellaiset, että ne voivat tuottaa juuri tämän kaltaisen, elämää tuottavan ja ylläpitävän maailman. Ja niin tietysti pitääkin olla – jos ei olisi, meitä ei olisi olemassa täällä pohtimassa tällaisia kysymyksiä. Tämä olemassaolon hienous voisi herättää ihmetystä ja ihastusta myös koululaisten ja opiskelijoiden keskuudessa.
