Koordinaatit Galileon linkkisysteemissä (https://www.kyberturvallisuuskeskus.fi/fi/toimintamme/satelliittipaikannus): 69,8787; 26,9666
Aurinkokunta syntyy 4 568 miljoonaa vuotta sitten
Eräs Linnunradan spiraalihaarassa sijaitseva tähtienvälinen kaasupilvi tiivistyi pyöriväksi kaasukiekoksi. Kaasukiekon kaasu ja pöly asettuivat ohueksi tasoksi. Siitä muodostuivat muutamassa kymmenessä miljoonassa vuodessa planeetat. Aurinko syttyi. Maaplaneetan synty alkoi.
Nuoren Auringon ympärille alkaa muodostua protoplaneettoja. (Fahad Sulerian)
Linnunrataamme kiersi kaasupilvi, joka oli tähtitieteellisellä asteikolla tiheä, muutama miljoona atomia kuutiosenttimetriä kohden. Pilvi oli kuitenkin harvempi kuin missään tyhjiöpumpussa Maan päällä voidaan saavuttaa. Noin valovuoden kokoinen hitaasti pyörivä alue alkoi painua kasaan oman sisäisen vetovoimansa vaikutuksesta.
Noin 100 000 vuodessa pilvi romahti pyöriväksi esiplanetaariseksi kertymäkiekoksi. Painovoiman johdosta kaasussa olevat pölyhiukkaset asettuivat, tai sedimentoituivat ohueen tasoon. Pyörivän kiekon keskitasossa lämpötila ja paine olivat korkeampia kuin kiekon ylä- ja alareunoilla. Lisäksi paine ja lämpötila kasvoivat voimakkaasti kohti kiekon pyörimisakselia.
Samalla kun kiekon pölyhiukkaset alkoivat kasvaa keskinäisten törmäysten seurauksena isommiksi kiviksi, nousi kiekon keskellä olevan esiauringon lämpötila. Kun lämpötila kiekon keskipisteessä nousi noin neljään miljoonaan asteeseen, ydinreaktiot käynnistyivät. Aurinko oli syntynyt.
Samaan aikaan planeettojen rakennuspalikat, eli esiplaneetat ja protoplaneetat olivat muodostuneet kertymäkiekossa. Aurinko ”puhalsi” aurinkotuulen avulla kevyet kaasut, vedyn ja heliumin, kauemmas Auringosta. Kiekko oli edelleen sen verran tiheä, ettei se tuhoutunut hetkessä. Esiplanetaarisen kiekon sisäosien lämpötila on reilusti yli 1000 °C, ja siellä kaikki haihtuvat aineet, kuten hiilidioksidi, typpidioksidi ja vesi, olivat kaasuuntuneet ja puhaltuneet pois. Kertymäkiekon ulko-osissa, noin 4–5 AU:n ulkopuolella (nykyisen Jupiter tienoilla) lämpötila oli sen verran kylmempi että haihtuvat aineet pysyivät jäiden muodossa. Täällä ne nopeasti kerääntyivät yhteen ja muodostivat suuria jää- ja kaasuplaneettoja
Aurinkokunnan ikä on määritetty meteoriittien iän perusteella. Meteoriitit ovat aurinkokunnan alkuperäisiä, kiertoradoille kiteytyneitä kappaleita jotka ovat jääneet jäljelle planeettakunnan alkuvaiheista.
Maa syntyy
Törmäykset kasvattavat Maan kokoa. (Ron Miller)
Maa syntyy 4 568 miljoonaa vuotta sitten silikaateista ja raudasta. Kertymäkiekon aines, josta maa syntyy, on niin kuuma, että kaikki vesi ja muut kaasuuntuvat yhdisteet ovat haihtuneet siitä. Vesi ja ilmakehän typpi tulevat Maahan myöhemmin asteroidien ja komeettojen mukana.
Maa syntyi aineesta, jota on noin 0,8–1,3 AU:n etäisyydellä Auringosta. Maan synty oli varsin dramaattinen prosessi. Protoplaneetta kasvoi hitaasti siten että siihen törmäili eri kokoisia kappaleita; monesti törmäävät kappaleet hajottivat osittain toisiaan, mutta kokoontuivat sitten uudelleen yhteen. Törmäykset, kasvavan planeetan gravitaatiopaine ja kertymäkiekon lämpötila kuumensivat planeetttaa niin että sen pintalämpötila oli ainakin 2000 celsius-astetta; sen pintaosat olivat sulaa magmamerta ainakin parinsadan kilometrin syvyyteen. Ajan kuluessa kappaleiden törmäykset Maahan harvenivat, mutta törmäävien kappaleiden koko kasvoi. Noin 20 miljoonan vuoden kuluttua planeetta on jo lähes nykyisessä koossaan. Tämän jälkeen vielä tapahtui massiivinen törmäys, kun Theia-niminen protoplaneetta törmäsi maahan niin voimakkaasti että törmäysroiskeista syntyi Kuu. Tämä törmäys puhalsi pois koko ensimmäisen ilmakehän. Planeetalla nykyisin olevat haihtuvat aineet, kuten vesi ja ilmakehän typpi, saapuvat Maahan vasta myöhemmin komeettojen ja asteroidien törmätessä Maahan seuraavien satojen miljoonien vuosien aikana. Nämä myöhemmät törmäykset toivat jatkuvasti myös lisää mineraaleja planeetalle.
Kuu syntyy
Kuu sai alkunsa jättimäisessä törmäyksessä. (Ron Miller)
Noin 30 miljoonaa vuotta Maan synnyn jälkeen syntyy Kuu. Todennäköisesti Marsin kokoinen kappale, Theia, törmää esimaahan. Kreikan mytologiassa Theia on Selenen eli Kuun äiti. Maan kiertoradalle lentää roisketta, josta syntyy Kuu.
Kuu syntyi todennäköisesti Marsin kokoinen kappaleen, Theian törmätessä Maahan. Tämä oli viimeisin erittäin suuri törmäys. Törmäyksen seurauksena Maan uloimmat osat sulivat täysin ja yli puolet silloisesta planeetastamme muuttui äärimmäisen kuumaksi magmamereksi. Haihtuvat aineet höyrystyivät ja karkasivat maapallolta; ilmakehän vesi ja typpi tulivat Maahan myöhemmin asteroidien ja komeettojen mukana.
Jo ennen törmäystä alkanut alkuaineiden differentiaatio eli Maan kemiallisten osien, ytimen, vaipan ja kuoren, erottuminen toisistaan jatkui. Törmäyksen voima oli niin suuri, että se myötävaikutti Maan akselin nykyiseen 23 asteen kallistuskulmaan. Tämä kallistuskulma on sittemmin määrännyt Maan vuodenaikaisvaihtelut, ja sitä kautta vaikuttanut oleellisesti planeetan ilmastoon ja olosuhteisiin.
Maan kerrokset erottuvat
Planeetan ydin on raskasta rautaa, kuori kevyitä silikaatteja.
Maan ydin, vaippa- ja kuorikerrokset erottuvat. Raskaammat alkuaineet painuvat alaspäin muodostaen Maan ytimen, kun taas kevyemmät jäävät paikalleen tai kohoavat.
Maan kerroksia ovat ydin, vaippa ja kuori. Kerrosten erottuminen oli hyvin tärkeää maapallon kehitykselle: vaipan konvektiovirtaukset ylläpitävät edelleen maapallon tuliperäistä toimintaa ja mannerlaattojen liikkeitä, kun taas rauta-nikkeli ytimen virtaukset muodostavat nykyään maata suojaavan magneettikentän. Tuliperäinen toiminta on puolestaan ollut ensisijaisen tärkeää sekä elämän kehittymiselle, että vakaiden ilmasto-olojen säilymiselle.
Kerrosten erottuminen
Raskaat alkuaineet, kuten rauta ja nikkeli vajosivat kohti keskustaa, jossa ne alkoivat muodostaa ydintä. Maan massasta noin 35% on rautaa ja suurin osa siitä sijaitsee ytimessä. Alkuaineiden tiivistyessä paine kasvoi, mikä johti ytimien erottumiseen: suurimmassa paineessa (13 000 kg/m 3 ) ollut osa muodosti kiinteän sisemmän ytimen. Sen ympärille muodostui nestemäinen ulompi ydin. Sisemmän ytimen kiinteä tila on todettu muun muassa seismisillä mittauksilla. Ulompi ydin alkaa noin 2900 kilometrin ja sisempi 5200 kilometrin syvyydessä.
Kevyemmät alkuaineet, kuten pii, happi, alumiini ja natrium pysyttelivät paikallaan tai alkoivat kohota. Näitä alkuaineita ja niiden muodostamia mineraaleja kutsutaan yleisesti silikaateiksi. Silikaatit muodostivat kemiallisia sidoksia raskaampiin alkuaineisiin, kuten toriumiin ja uraaniin, mikä esti differentiaatiossa näiden vajoamisen ytimeen. Myös ytimessä vallitseva paine vaikutti omalta osaltaan siihen, että jotkin raskaat alkuaineet jäivät Maan ylempiin osiin (ne viihtyivät paremmin ”väljässä” tilassa vaipassa tai kuoressa).
Ylempiin osiin jääneistä alkuaineista alkoi muodostua Maan toinen kemiallinen kerros, vaippa. Vaippa jakautuu ylempään ja alempaan osaan. Ylempi osa alkaa maan uloimman osan eli kuoren alapuolelta niin kutsutun Mohorovicicin epäjatkuvuusvyöhykkeen kohdalta ulottuen noin 670 kilometrin syvyyteen. Ylemmän vaipan alaraja ei ole terävä vaan pikemminkin vaiheittainen ja alemman vaipan katsotaan alkavan 400–670 kilometrin syvyydestä ja se ulottuu ytimeen eli noin 2900 kilometriin asti.
Maankuori muodostuu
Maan kuori pysyi kauan kuumana. (Walter Myers)
Maa saavuttaa nykyiset mittansa. Ensimmäinen maankuori ja vanhimmat zirkonikiteet muodostuvat. Niitä löytyy Australian Yilgarn kratonin Jack Hillsin hiekkakivistä. Ilmakehässä vesihöyrynä ollut vesi sataa alas. Maan ytimen muodostuminen ja differentaatio ovat valmiit.
Magmamerestä kiinteään kuoreen
Maa alkoi todella jäähtyä vasta vaipassa käynnistyneiden konvektiovirtausten myötä. Virtaukset alkoivat, kun ytimen muodostumisen yhteydessä vapautui runsaasti lämpöenergiaa (potentiaalienergia muuttui lämmöksi aineen tiivistyessä), joka nosti lämpötilan Maan sisimmissä osissa jopa 2000 °C asteeseen. Lämpötilan nousun myötä kuuma aines alkoi kohota kohti pintaa, jossa se jäähtyi ja laskeutui takaisin alas. Vastaava konvektio-ilmiö esiintyy myös esimerkiksi laavalampuissa tai vettä keitettäessä.
Jäähtymisen jatkuttua riittävän pitkään aleni pintalämpötila riittävästi, jotta sula kivi saattoi jähmettyä. Ensimmäiset kuorenpalaset olivat koostumukseltaan basalttisia (eli ne sisälsivät runsaasti rautaa ja magnesiumia) ja ne sulivat todennäköisesti useaan otteeseen ennen kuin pysyvää, meidän päiviimme asti säilynyttä kuorta muodostui.
Varhaisimmat zirkonit
Varhaisimmat viitteet alkeellisesta kuoresta on saatu tutkimalla zirkonikiteitä. Zirkonit ovat mineraaleja, jotka sisältävät radioaktiivisia isotooppeja. Näiden isotooppien puoliintumisajat tiedetään, joten määrittämällä kiteistä jäljellä olevat alkuainemäärät, voidaan niiden ikä laskea. Tällä menetelmällä vanhimpien, Australiasta löytyneiden, zirkonien iäksi on saatu määritettyä 4,4 miljardia vuotta. Toisin sanoen Maassa on täytynyt olla kiinteää kuorta runsas sata miljoonaa vuotta Theian törmäyksen jälkeen. Zirkonien perusteella on myös arveltu, että Maassa olisi ollut nestemäistä vettä 4400 miljoonaa vuotta sitten. Varhaisimmat todisteet alkeellisesta kuoresta ja nestemäisestä vedestä on saatu tutkimalla zirkonkiteitä.
Meret syntyvät
Jäähtyvästä planeetasta vapautui runsaasti kaasuja, jotka muodostivat sen ensimmäisen pysyvän ilmakehän. Kaasut sisälsivät samoja yhdisteitä, joita vapautuu nykyisinkin tulivuorista (hiilidioksidista, hiilimonoksidista, vesihöyrystä ja typestä). Maan pintalämpötila oli voimakkaan kasvihuoneilmiön ansiosta aluksi hyvin kuuma, mutta se laski vähitellen. Kun se laski 300 Celsius asteeseen, ilmakehässä ollut vesihöyrynä alkoi tiivistyö nestemäiseksi suuren ilmanpaineen ansiosta (40 – 200 bar). Vesi satoi vähiteelen alas, ja planeetta peittyi noin 2-3 kilometrisen meren alle. Toimivat tulivuoret muodostivat vähitellen mereen ensimmäisiä kuivan maan saarekkeita.
Myöhäinen asteroidipommitus
Taiteilijan näkemys myöhäisestä asteroidipommituksesta. (Ron Miller)
Maapalloon osuu paljon meteoriitteja. Jupiterin ja Saturnuksen kiertoajat tulevat yhteismitallisiksi aiheuttaen Uranuksen ja Neptunuksen ratojen vaihtumisen. Aurinkokunnan sisäosissa on paljon komeettoja. Valtava määrä kappaleita osuu Maahan ja tuhoaa suurimman osan Maan pinnasta. Jos Maahan on jo syntynyt elämää, se tuhoutuu. Kuun suuret kraaterit syntyvät.
Maapalloon osui poikkeuksellisen paljon erilaisia kappaleita noin neljä miljardia vuotta sitten.
Kuun ja Merkurius-planeetan pinnalla näkyvät törmäyskraaterit, ja Kuu-kivien kiteytymisaika osoittavat että Aurinkokunnan sisempiin kappaleisiin on osunut poikkeuksellisen voimakas putoavien kappaleiden (asteroidien, komeettojen, meteoriittien) pommitus, ja että tämä voimakas pommitus tapahtui noin 500 miljoonaa vuotta sisäplaneettojen kiinteytymisen jälkeen. Tämä on todennäköisesti aiheutunut aurinkokunnan kappaleiden ratojen epästabiilisuudesta, ja erityisesti neljän suuren ulkoplaneettojen vaeltamisesta ulospäin. Tämä aiheutti häiriöitä asteroidi- ja Kuiperin vyöhykkeissä, ja sinkosi niiden kappaleita uusille radoille aurinkokunnan sisäosiin, ja ulos aurinkokunnasta.
Tämä prosessi aiheutti valtavan tuhoisia ja suuria iskuja nuorille sisäplaneetoille. Jos Maassa on ollut elämää jo tuolloin, se on tuhoutunut. Samalla tämä pommituksen aika turvasi myöhempää kehitystä, koska se poisti paljon Aurinkokunnan sisäosien läheisyydessä kiertäviä kappaleita, jotka olisivat myöhemmin aiheuttaneet jatkuvaa tuhoisien törmäysten uhkaa Maapallolle.
Elämä syntyy
Elämän vanhimmat varmuudella tunnistetut fossiilijäänteet ovat 3750 miljoonaa vuotta vanhoja, ja sijaitsevat Läntisen Grönlannin alueella, Isuan sedimenttikallioissa. Tätäkin vanhempia mahdollisia fossiileja tunnetaan kivistä Hudson Bayn alueelta. Ne ovat peräti 4,1 miljardia vuotta vanhoja, mutta näiden eloperäisyyttä ei ole pystytty varmuudella osoittamaan. Näiden löydösten perusteella päätellään että elämä olisi syntynyt planeetalla ehkä noin 4 miljardia vuotta sitten. Kuitenkin, jos ”Heavy Late Bombardment” vaihe tapahtui n. 4 miljardia vuotta sitten, elämä olisi syntynyt vasta tämön jälkeen, koska se ei olisi ehkä selviytynyt hengissä tuosta voimakkaasta asteroidipommituskaudesta.
Elämä syntyi luultavasti tuliperäisellä seudulla, kuten fumarolikentällä, niin että sen synty-ympäristö oli ainakin ajoittain kuiva (Kuva: H. Lehto)
Elämän alkuperästä ei ole yhtä yleisesti hyväksyttyä teoriaa, vaan lukuisia keskenään ristiriitaisia hypoteesejä. Edes ajankohtaa ei tunneta tarkasti. Pääpiirteissään elämän synty lienee kuitenkin edennyt seuraavasti: Ensin ei-elollinen kemia tuotti elämän rakennusaineita, sitten näistä molekyyleistä rakentui sopivissa olosuhteissa itseään kopioivia RNA-ketjuja ja muita biologisia polymeerejä. Lopulta ensimmäiset elolliset solut rakentuvat näistä biomolekyyleistä. Hypoteesit ovat kuitenkin erimielisiä missä järjestyksessä ja miten eri elolliset rakenteet ja prosessit kehittyivät.
Tällä hetkellä ei vielä tarkkaan ymmärretä, miten elämä on aikoinaan voinut syntyä elottomista aineista, mutta tiedämme minkälaisista molekyyleistä ja toiminnoista elämä nykyään muodostuu. Ongelmana on, että nykyelämä tarvitsee kaikki keskeiset osansa toimiakseen ja on vaikea päätellä mitkä osat ovat voineet syntyä ensin, ilman muita osia. Jotain voidaan kuitenkin päätellä nykyisen elämän ja varhaisen maapallon olosuhteiden perusteella.
Hapettomassa, todennäköisesti tuliperäisessä ympäristössä syntyi erilaisten energiagradienttien ajamana *elämän rakennuspalikoita*: nukleotideja (RNA:n ja DNA:n rakennuspalikat), aminohappoja (proteiinien rakennuspalikat) ja lipidejä (kalvojen rakennuspalikat). Tämä tapahtui todennäköisesti kuivan maan tuliperäisten kenttien tai meteoriittikraaterien valumavesistöissä. Tuliperäisten ympäristöjen tuottamat yhdisteet sekä lämpötila ja pH erot pystyivät pitämään käynnissä elämän molekyylien synteesiä. Lisäksi orgaanisia yhdisteitä on tullut maahan meteoriittien mukana.
*Elämän keskeiset rakennusaineet* ketjuuntuivat pidemmiksi nauhoiksi sopivien energiagradienttien avulla. Ribonukleotideista syntyi RNA-juosteita. RNA pystyy sekä välittämään informaatiota DNA:n tapaan, että toimimaan katalyyttinä proteiinien tapaan. Jossain vaiheessa syntyi sattumalta myös sellaisia RNA-nauhoja, jotka kopioituvat peilikuvakseen, ja nämä taas alkuperäisen kaltaiseksi nauhaksi. Molekyylit olivat oppineet lisääntymään, *RNA-maailma* olli syntynyt.
Ei kuitenkaan tiedetä mitä muita biologisia rakenteita RNA-maailman muodostuminen vaati. Monet hypoteesit olettavat, että itseään kopioiva RNA kehittyi puoliläpäisevän *kalvorakkulan* sisään. Toisissa hypoteeseissä taas oletetaan, että elämä kehittyi aluksi mineraalihuokosissa ja proteiinit olisivat ilmaantuneet ennen solukalvoa. Joka tapauksessa, kopioituvat RNA-nauhat kehittyivät luonnonvalinnan seurauksena yhä vaihtelevammiksi, pidemmiksi, monimuotoisemmiksi ja monimutkaisemmiksi. Niistä syntyi monimutkainen yhteistyökykyinen molekyylien verkosto, joka pystyy liittämään aminohappoja toisiinsa RNA-nauhan sisältämän ohjeen perusteella. *Proteiinisynteesi* oli käynnistynyt. Proteiinit, elämän nanokoneet, oli valjastettu käyttöön.
Kun *solullinen elämä* oli käynnistynyt, saattoi evoluutio tuottaa soluihin yhä uusia ja uusia proteiineja ja näiden toimintoja. Jossain vaiheessa epävakaa RNA korvautui paremmin informaation varastointiin soveltuvalla DNA:lla, mikä mahdollisti ennennäkemättömän suuret ja monimutkaiset genomit. Solut alkoivat monimuotoistua ja erilaistua entisestään. Lopulta yhteisestä solupopulaatiosta eli *viimeisestä yhteisestä kantamuodosta* (LUCA:sta) erkaantui kaksi erilaista kehityslinjaa: arkeonit ja bakteerit.
Jokainen elävä solu sisältää valtavan määrän toiminnallisia biomolekyylejä, jotka muodostavat yhdessä suunnattoman monimutkaisen elämän koneiston. DNA:n tieto kopioidaan RNA:han, ja sen perusteella valmistetaan proteiineja, elämän nanokoneita. Esimerkiksi entsyymit, vasta-aineet ja välittäjäainereseptorit ovat proteiineja. RNA pystyy toisaalta välittämään informaatiota ja kopioitumaan DNA:n tapaan, ja toisaalta toimimaan katalyyttisenä molekyylinä proteiinien tapaan.
Huom! Elämän olemuksesta löytyy lisätietoa vielä erillisestä artikkelista.
Kuva: Isuanin hiilihippuset ovat 3 750 miljardia vuotta vanhoja. Isotooppisuhteiden ja sedimanttiraneteiden perusteella voidaan päätellä, että ne ovat varmasti elollista alkuperää.
Monimuotoiset mikrobit
3 500 miljoonaa vuotta sitten monilajisia mikrobikasvustoja esiintyy jo sekä merissä että kallioperässä. Niiden fossiileita löytyy nykyisin Etelä-Afrikasta ja Australiasta. Osa eliöistä osaa jo yhteyttää, mutta kyseinen reaktio ei vielä tuota happea.
Taiteilijan näkemys stromatoliiteista 3,5 miljardia vuotta sitten. (Walter Myers)
Koko planeetalle levittäytyvä eliökunta muodostuu vain yksisoluisista mutta monilajista ja monimuotoisista tumattomista eliöistä, bakteereista ja arkeoneista. Planeetan ilmakehä on täysin paheton. Jotkut bakteerilajit pystyvt jo käyttämään auringon valoa energialähteenään, mutta kaikkien niidne metabolia perustuu vielä erilaisten metallien, lähinnä rauta- ja rikkiyhdisteiden hapettamiseen ja pelkistämiseen.
Pudasjärven Siuruan trondhjemiittinen gneissi, Euroopan vanhin alue, muodostuu n. 3 miljardia vuotta sitten. Se on Suomen ja EU:n vanhin kallio.
Arktinen Aikavaellus 