Astrobioloogia on noor, kuid kiirelt arenev teadusharu, mille huvifookuses on elu teke, Maa-väline elu ning elu tulevik Maal ja mujal.

Mõiste “astrobioloogia” võeti esimest korda kasutusele juba 1957. aastal Nõukogude Liidus kirjeldamaks teadust, mis tegeles elu otsingutega väljaspool Maad. Läänes kasutati veel 1990. aasta esimesel poolel sama uurimisvaldkonna kohta terminit “eksobioloogia”. Hiljem, kui elu tekke ja arengu uuringuid Maal hakati üha enam seostama elu otsingutega väljaspool meie koduplaneeti, sai kogu maailmas populaarseks termin “astrobioloogia”, mille all mõeldi elu tekke ja evolutsiooni uurimist kogu Universumis.

Taas tärkas huvi elu otsingute vastu Marsil ja Jupiteri kaaslasel Europal. Ameerika kosmoseagentuur (NASA) lõi 1998. aastal esimese astrobioloogia instituudi (NAI) [4], mis ühendas teadlasi tosinast ülikoolist ja uurimiskeskusest nii NASA-st kui ka väljastpoolt seda. Järgnenud kaheksa tegevusaasta jooksul on NAI programmidega liidetud mitu teiste maade astrobioloogiaga tegelevat institutsiooni Austraalias ja Euroopas (peale Euroopa keskse võrgustiku EANA eraldi keskused Hispaanias, Inglismaal ja Prantsusmaal).

Usutavasti on praeguseks paljude teadlaste suhtumine astrobioloogiasse muutunud: esialgsest skepsisest on saanud tunnustus. Astrobioloogia tunnustamisele on kaasa aidanud 2001. ja 2002. aastast ilmuvad rahvusvahelised teadusajakirjad Astrobiology ja International Journal of Astrobiology ning NASA ja Euroopa kosmoseagentuuri (ESA) uurimisprogrammid ja konverentsid. Esimene suur rahvusvaheline astrobioloogiakonverents peeti 2000. aasta aprillis NASA Ames’i uurimiskeskuses Californias, osavõtjaid oli 600. ESA korraldatud konverents samal teemal peeti 2001. aasta mais Itaalias. 2006. aasta märtsis toimub Washingtonis juba neljas suur NASA astrobioloogiakonverents (4th Astrobiology Science Conference) [6]. Hea ülevaate astrobioloogia uurimisvaldkondadest annab nendest konverentsidest osa võtnute kirjutatud mahukas artiklikogumik [3].

Uued vaatenurgad igihaljastele probleemidele. Õpikutes on tavakohaste elu tekke käsitluste aluseks Aleksandr Oparini (1924) ja John Haldane’i (1929) hüpoteesid elu tekke kohta elutust ainest ning nendest inspireeritud Stanley Milleri (1953) ja Sindney Foxi (1960) katsed. Oluliseks astrobioloogia lähtekohaks peetakse ka Sir Fred Hoyle’i antroopsusprintsiipi ning 1957. aastal ilmunud tööd, mis näitas, et kõik eluks vajalikud keemilised elemendid võivad tekkida tähtede sees. Hilisemad avastused kinnitasid keerukamate elusaine komponentide teket väljaspool Maad ning võimalust, et need on Maale kandunud meteoriitidega. Näiteks on 1969. aastal Austraaliasse kukkunud Murchisoni meteoriidist leitud üle 90 aminohappe, nii maiseid kui ka Maal tundmatuid. Peale nende on meteoriidist eraldatud suhkruid ja muid orgaanilisi aineid.

Juba eeltoodud väike valik fakte ja hüpoteese on inspireerinud mitut elu tekke ja arengu hüpoteesi. Astrobioloogia on seadnud endale ambitsioonika sihi pürgida selles vallas uute avastuste poole, rakendades laia käsitlusviiside ja meetodite spektrit, mis on tuttavad füüsikutele, keemikutele, bioloogidele ja geoloogidele.

NASA astrobioloogia teejuht on esitanud seitse probleemideringi, millele astrobioloogia peaks tähelepanu pöörama [5].

1. Asustuskõlblike keskkondade olemus ja levik Universumis. Eesmärk on kirjeldada väljaspool Päikesesüsteemi asuvaid asustamiskõlblikke planeete ja selgitada välja nende asustuspotentsiaal. Selleks tuleks kindlaks teha Päikesesüsteemi-väliste planeedisüsteemide elamiskõlblik tsoon, selliste planeetide tekke ja arengu mudelid ning planeedisüsteemidega tähtede ja planeedikandidaatide omadused. Esimese sammuna on aga vaja selgitada välja, milliseid otseseid ja kaudseid astronoomilisi vaatlusi on vaja teha, et vaadelda eeltoodud omadusi.

2. Praeguste ja varasemate asustuskõlblike keskkondade ja elu tunnuste otsimine Päikesesüsteemist. Selle uurimissuuna siht on leida nii iidseid kui ka nüüdisaegseid asustuskõlblikke keskkondi meie lähimatelt naabritelt, ehk siis planeetidelt ja nende kaaslastelt meie Päikesesüsteemis, kus on olnud elu tekkeks sobilikud keemilised tingimused. Selle raames kirjeldada väljasurnud eluvorme ning nende potentsiaalseid leiukohti nii Marsil kui ka Päikesesüsteemi välimistel aladel. Kesksel kohal on vee uurimine: vesi on meile tuntud elu eeltingimus. Seni on Maa-välise mikroobse elu otsinguil olnud huvipakkuvad avastused vee-erosiooni jäljed Marsi pinnal, lämmastikjääd, metaani ja vett sisaldav ookean Jupiteri kaaslasel Europal ning võimalik lämmastikuga segunenud vesi Saturni kaaslase Titani sisemistes kihtides.

Hea alus Maa-välise (mikroobse) elu otsinguteks võib olla Maal asuvate ekstreemsete elamistingimustega paikade uurimine. Nii näiteks võivad igikeltsa ning teiste külmade keskkondade mikroobikoosluste uuringud Antarktikas, Gröönimaal ja Siberis anda informatsiooni mikroorganismide eksistentsivõimaluste ja ainevahetuse kohta madalatel temperatuuridel.

Tugev vulkanism ja sage meteoriitide langemine varajasele Maale tõenäoliselt ei suutnud hävitada sel ajal juba eksisteerinud varajast elu. Seega pidid tolleaegsed eluvormid olema vastupidavad kõrgetele temperatuuridele. Kuna ühe hüpoteesi järgi on üks varajase Maa võimalik elukeskkond just kuumaveeallikaid ookeanide põhjas, on kõrgeid temperatuure taluvaid baktereid ja arhebaktereid (hüpertermofiile) peetud ürgse Maa varajaste organismide headeks kandidaatideks. Hüpertermofiilide uuringud võivad mängida võtmerolli ka Marsi eluvormide otsingutel.

3. Elu võimalik teke kosmilisest ja planetaarsest lähtematerjalist. Puhtalt maise algmaterjali kõrval kaalutakse tõsiselt ka võimalusi, mille järgi elu võis/võib tekkida kosmilisest või planetaarsest materjalist. Selle probleemistiku raames tehakse mitmesuguseid vaatlusi ning eksperimentaalseid ja teoreetilisi uurimistöid, et mõista põhilisi elu tekke füüsikalisi ja keemilisi seaduspärasusi. Olulised aspektid selles vallas on prebiootilise materjali ja katalüüsi allikad; funktsioneerivate biomolekulide teke ja evolutsioon ning rakulisuse ja protobioloogiliste süsteemide päritolu tähtedevahelises ja tähti ümbritsevas ruumis, protoplaneetide rõngastes, komeetides ja meteoriitide orgaanilises aines.

4. Eelajaloolise elu ja Maa vastastikmõju pidevalt muutuvas planetaarses keskkonnas. Eesmärk on võtta vaatluse alla ajaloolised suhted Maa ja selle elustiku vahel geoloogiliste ja biomolekulaarsete faktide integreerimise kaudu, uurides Maa varajast biosfääri ning maaväliste sündmuste mõju sellele. Vastastikune mõju väljendub peamiselt geofüüsikaliste mehhanismide (elektromagnetvälja, kiirguse) ja elu omavahelise mõjutuste ning seostena. Nii näiteks pakub Marsi elu otsingutega seoses huvi kunagise tugeva magnetvälja olemasolu sel planeedil. Tugeval magnetväljal olnuks suurem mõju Marsi tihedama atmosfääri kujunemisele ning ühtlasi oleks see vähendanud vee lendumist kosmosesse. Evolutsiooni seisukohalt pakub veel huvi, milline oli Päikese ultraviolettkiirguse bioloogiline mõju Arhaikumiaegsele Maale ning kas neid kiirguse tingimusi on võimalik võrrelda oludega varajasel Marsil. Samuti on oluline uurida bioloogilisi kaitsemehhanisme kosmosest tuleva kiirguse (ultraviolett-, kosmilise, röntgen- ja gammakiirguse) vastu, pidades silmas võimalikku elusainese ellujäämist kosmoses – planeetidel ja/või nende kaaslastel, mida atmosfäär kaitseb vähe.

Tähtsat rolli Maa geokeemilises ja bioloogilises evolutsioonis on mänginud gravitatsiooniväli. Peale erisuguste keskkonnatingimuste loomise on Maa gravitatsiooniväljal püsiv mõju organismide arengule, näiteks raskusjõu mõju raku tasemel; mikroorganismid, taimed ja loomad tajuvad ja kasutavad raskusjõudu, näiteks navigatsiooniks.

5. Evolutsioonilised mehhanismid ja elu arengut piiravad keskkonnatingimused. Selle valdkonna uurimistööde siht on teha kindlaks molekulaarsed, geneetilised ja biokeemilised mehhanismid, mis kontrollivad ja limiteerivad evolutsiooni kulgu, ainevahetuse mitmekesisust ning elu kohanemis- ja kohastumusvõimalusi. Siia alla kuuluvad: keskkonnast olenev molekulaarne evolutsioon mikroorganismides; mikrobioloogiliste koosluste koevolutsioon; biokeemilised kohanemised ja kohastumused ekstreemsete keskkondadega. Siin on olulised geokeemilised ja bioloogilised uuringud selgitamaks välja võimalikud Maa-välise mikroobse elu tüübid ning keskkonnatingimused varajasel Maal.

6. Loodusseadused, mis vormivad elu tulevikus nii Maal kui ka väljaspool seda. Selleks et teada saada ja mõista, mis ootab meid tulevikus ees, on oluline tunda ökosüsteemi muutuste käivitumise põhjusi ja mõjusid. Selle põhjal saab luua kümnete ja miljonite aastate pärast aset leidvate muutuste tõenäolised stsenaariumid. Siin on näiteks vaatluse all mikroobse elu võimalik areng ja keskkonnaga kohastumine väljaspool tekkeplaneeti: elustiku, koosluste ja ökosüsteemide põhjustatud keskkonnamuutused; elementide ringlus ning elu kohanemine, kohastumine ja evolutsioon väljaspool Maad. Ühtlasi uuritakse, kas on võimalik elu levik Päikesesüsteemis mikroorganismide planeetidevahelise siirde kaudu, arvestades vaakumit, kosmilist ja ultraviolettkiirgust, ühelt taevakehalt välja pääsemise ning teisel maandumise protsesse ning organismide ellujäämisvõimalusi nendes protsessides.

7. Elu tunnuste kindlakstegemine varajasel Maal ja väljaspool meie koduplaneeti. Eesmärk on selgitada, millised on elu tunnused ehk bioloogilised signatuurid, mis võimaldaksid kindlaks teha minevikus eksisteerinud või praegust elu iidsetes Maa kivimiproovides, kohapeal mõõdetavates Maa-välistes proovides, kosmosesondidega Maale toodud proovides või planeetide atmosfääride kaugmõõdistamise abil saadud andmetes. Huvi keskmes on elu tunnuste otsingud Päikesesüsteemist ja lähedal asuvatest planeedisüsteemidest.

Faktid, hüpoteesid, spekulatsioonid: näiteid päevateemadest. Illustreerimaks eeltoodud probleemide uurimist sobib valik artikleid teadusajakirja Astrobiology värskest numbrist. NASA teadlaste artikkel [1] annab ülevaate Marsi-konverentsi peateemadest: Marsi varajane hüdrosfäär, soodsaimad elukeskkonnad, võimalik mikroorganismide eksisteerimine varajasel Marsil ning selle säilimise võimalused praeguseni. Teises artiklis [2] on kirjeldatud eksperimenti “kunstliku meteoriidiga”. Graniidiproovide sisemusse paigutati mikroobid liigist Bacillus subtilis ning läkitati raketiga kosmosesse. Sisenedes atmosfääri kiirusel kuni 1,2 km/s ja temperatuuril kuni 145 °C, jäid mikroobid ellu, kuid 4% neist andsid mutante, kes ei olnud paljunemisvõimelised. See pakub huvi nn. litopanspermia hüpoteesi seisukohalt; litopanspermia uurib mikroorganismide kosmosereiside võimalusi eri taevakehade vahel. Hüpoteeside rubriigis avaldatud artikkel [8] käsitleb elu otsingute kavandamist Veenusel ja Marsil ning Merkuuril ja Kuul leitud jääkihi piirkondades. Lende planeerides on lähtutud komplekssest uurimisprogrammist, mis algab orbiidil ja atmosfääris tehtavate vaatlustega, jätkub planeedi pinna uuringutega kulguri abil ning planeedi sisemuse uuringutega georadari ja puurimise abil.

Kas ja miks huvituda astrobioloogiast? Astrobioloogia pakub traditsioonilisemate loodusteaduste esindajatele võimalust teha avastusi nii uute empiiriliste faktide kui ka hüpoteeside toel, laskmata silmast tervikpilti. Mõneti on need võrreldavad võimalustega, mida pakkusid 17., 18. ja 19. sajand maadeavastajatele, natuurfilosoofidele ja loodusteadlastele.

Isegi kui astrobioloogia ei kinnita kanda iseseisva teadusdistsipliinina, on selle valdkonna entusiastid teinud suure teene, äratades huvi loodusteaduste vastu. See teadusvaldkond pole elitaarne ning on võimaldanud doktorantidel ja üliõpilastel juurdepääsu uusimatele avastustele. Viimastel aastatel on Euroopas ESA algatusel ning koostöös Suurbritannia, Soome, Taani ja Rootsi teadlastega korraldatud doktorantidele ja üliõpilastele mõeldud astrobioloogiakursusi ja loengusarju. 2006. aasta algust märkis Lapimaal peetud Euroopa esimene astrobioloogia talvekool, millest võttis osa 15 õppejõudu ja 30 üliõpilast (neist 2 Eestist). Osalejad esindasid eri uurimisvaldkondi: astrofüüsikat, astronoomiat, (mikro)bioloogiat, geokeemiat, geoloogiat, mineraloogiat ja geomikrobioloogiat [7].

Eesti teadlased osalevad aktiivselt nii Universumi, varajase elu kui ka meteoriidikraatrite uuringutes, tehes koostööd NASA ja ESA uurimisprogrammide raames. Need võimalused on tekkinud tänu uurijate mitmekülgsetele teadmistele füüsika, keemia, bioloogia, geoloogia jt. distsipliinide vallas. Et Eesti saaks ka edaspidi uute maailmade avastamisel kaasa rääkida, peaks haridussüsteem senisest rohkem toetama ulatuslikku loodusteaduste õpetamist.

Evelin Verð (1979) on Tartu ülikooli geoloogia ja mineraloogia doktorant.

Ivar Puura (1961) töötab Tartu ülikooli geoloogia instituudi paleontoloogia ja stratigraafia õppetooli teadurina.

Kirjandus:

1. Beaty, David W. et al. 2005. Key Science Questions from the Second Conference on Early Mars: Geologic, Hydrologic, and Climatic Evolution and the Implications for Life. – Astrobiology 5 (6): 663–689.

2. Fajardo-Cavazos, Patricia et al. 2005. Bacillus subtilis Spores on Artificial Meteorites Survive Hypervelocity Atmospheric Entry: Implications for Lithopanspermia. – Astrobiology 5 (6): 726–736.

3. Horneck, Gerda; Baumstark-Khan, Christa (eds.) 2002. Astrobiology – The Quest for the Conditions of Life. Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. K.; http://www.eid.dlr.de/internet/me/Institut/Abteilungen/Strahlenbiologie/pdf/astrobiologie

4. NASA astrobioloogia instituut (NAI) http://nai.arc.nasa.gov/

5. NASA astrobioloogia teejuht http://astrobiology.arc.nasa.gov/roadmap/

6. Neljas astrobioloogia konverents http://abscicon2006.arc.nasa.gov/abscicon2006.html

7. Põhjamaade astrobioloogia talvekool 2006 http://www.nordita.dk/conference/AstroBioSchool/

8. Schulze-Makuch, Dirk et al. 2005. Venus, Mars, and the Ices on Mercury and the Moon: Astrobiological Implications and Proposed Mission Designs – Astrobiology 5 (6): 778–795.