Ilmakehä on maapallon kartoittamaton habitaatti

Ilman pitkillä pihoilla, avaroilla autioilla, lausuu Kalevalan ensimmäinen runo. Onko ilma elämästä autio, voiko siinä elää? Linnut, hyönteiset ja tietyt nisäkkäät lentävät tai liitävät ilmojen halki. Kasvien ja sienten itiöt, siitepöly ja leviäimet ratsastavat tuulen harjalla.. Varsinainen elinympäristö eli habitaatti ilmakehä ei kuitenkaan näille eliöille ole. Jotta se olisi sitä, mainittujen eliöiden tulisi kyetä elämään pidempiaikaisesti ilmassa ja lisääntymään siellä, ei vain piipahtamaan.

Eliömaantieteellinen tutkimus on perinteisesti keskittynyt maa- ja vesiympäristöihin. On ajateltu, että ilmakehä on vain kulkukäytävä, jota pitkin siirrytään maantieteellisestä paikasta toiseen. Käsitys on kuitenkin muuttumassa. Yksi kuutiometri ilmaa voi sisältää satoja tuhansia yksittäisiä mikrobisoluja sadoista eri lajeista. Ilma vaikuttaa olevan yhtä elossa kuin maa tai vesi. Lynn Rothschild ja Rocco Mancinelli ovat osuvasti kuvanneet ilmakehää “maapallon viimeiseksi biologisten löytöretkien rintamaksi”.

Todistusaineisto ilmakehän pysyvistä asukkaista on toistaiseksi pitkälti päättelemällä saatua. Ilmassa esiintyvät mikro-organismit voidaan jakaa kolmeen ryhmään: aineenvaihdunnallisesti epäaktiivisiin, aineenvaihdunnallisesti aktiivisiin sekä niihin, jotka sekä lisääntyvät että ovat aineenvaihdunnallisesti aktiivisia. Jos ajatellaan elinympäristön yllä kuvattua määritelmää, vain viimeinen ryhmä täyttää “ilmakehässä asumisen” kriteerit.

Viitteet tämän ryhmän olemassaolosta on saatu tutkimalla kasvuympäristön olosuhteita, aineenvaihduntaa, biogeokemiallista kiertoa sekä ilmassa esiintymisen aikoja. Ensinnäkin, ilmakehä ei suinkaan ole äärimmäisin habitaatti, jossa mikrobeja on havaittu. Tämä koskee niin happamuutta, lämpötilaa ja UV-säteilyä kuin resurssien ja veden saatavuutta. Pilvien ja sadeveden pH-arvo vaihtelee välillä 3-7, kun se tietyissä muissa ympäristöissä voi olla lähellä nollaa tai äärimmäisen emäksinen eli jopa 11. Ilmakehän lämpötila on sen alimmissa kerroksissa, merenpinnan tasolta 20 kilometrin korkeuteen, keskimäärin viidestätoista Celsius-asteesta -56:en Celsius-astetta, laskien sitä mukaa kun korkeus kasvaa. Monet mikrobit elävät miinusasteissa, ja mikrobikasvun minimilämpötilana pidetään noin miinus kahtakymmentä astetta. Pilviolosuhteet kuitenkin muodostavat poikkeuksen, sillä alijäähtymisen ansiosta pisarat pysyvät nestemäisinä jopa -40 Celsius-asteeseen saakka. Tämä tarkoittaa sitä, että mikrobisolujen aineenvaihdunta voi jatkua, vaikkakin hyvin hitaana. Niiden on todettu pystyvän jopa jakautumaan. UV-säteily lisääntyy mitä korkeammaksi mennään, mutta tämä ei välttämättä tarkoita sitä, että ilmakehän mikro-organismit olisivat sille alttiimpia kuin maan pinnalla elävät eliöt. Suojautumiskeinoja UV-säteilyltä on monia, minkä lisäksi mikrobeilla on DNA-korjausmekanismi. Ja lopuksi, mitä resursseihin tulee, sadevedessä ja pilvien sisältämässä vedessä on todettu olevan ravinteita niukkaravinteisten järvien verran. Myös potentiaalisia hiilen lähteitä on lukuisia.

Toisekseen, ilmassa tapahtuu mikrobien aineenvaihduntaa. Suora näyttö on pientä ja nojaa etupäässä sellaisiin tutkimusmenetelmiin, joissa kasvatetaan mikrobeja laboratorioissa. On kuitenkin osoitettu, ettei tutkittujen mikrobien aineenvaihdunta tai lisääntyminen esty sen takia, että ne esiintyvät aerosoleina eli ilmassa leijuvina hiukkasina. Kolmanneksi, kemialliset jalanjäljet kielivät yhdisteiden kierrosta ilmakehässä. Mikrobit ovat tärkeä osa biogeokemiallista kiertoa, jossa erilaiset kemialliset yhdisteet siirtyvät elottomasta ympäristöstä eliöihin ja toisinpäin. Pilvistä todettu typpikierto kertoo aineenvaihdunnallisesti aktiivisten mikrobien olemassaolosta. On myös jonkinlaista näyttöä hiilikierrosta. Bakteerien aineenvaihdunnan lopputuotteita löytyy yleisesti pilvien sisältämästä vedestä.

Neljäs perustelu ilmakehälle elinympäristönä on se, että mikrobien esiintymisaika ilmakehässä riittää lisääntymiseen. Esiintymisajat todennäköisesti riippuvat hiukkasten kokoluokasta, ilman lämpötilasta ja suhteellisesta kosteudesta. Erilaisilla matemaattisilla malleilla on arvioitu, että ajat vaihtelevat kahden ja 188 päivän välillä. Lyhimmät arviot olettavat, että sateet, jää ja lumi poistavat mikrobeja ilmasta tehokkaasti. Ihanteellisissa olosuhteissa mikrobit voivat kahdentua 20 minuutissa, mutta kylmässä ja niukkaravinteisessa ilmakehässä ajat lienevät merkittävästi pidempiä. Pilvien mikrobeilta on todettu 4-20 päivän kahdentumisaikoja. Tämä tarkoittaa sitä, että ainakin jotkin mikrobit ehtisiät jakautua yli viisikymmentä kertaa ilmakehässä viipymisensä aikana.

Uudet menetelmät ovat jo tuoneet lisää ymmärrystä siitä, miten eliöiden monimuotoisuus vaihtelee eri osissa ilmakehää, ja mitkä tekijät ovat tämän vaihtelun taustalla. DNA- ja RNA-menetelmin on muun muassa osoitettu, että pilvissä tapahtuu niin esitumallisten kuin  aitotumaisten (enimmäkseen sienten) aineenvaihduntaa. Kymmenen kilometrin korkeudesta on löydetty mikrobiryhmiä, joiden tiedetään käyttävän hiilen lähteenään ilmakehässä esiintyviä hiiliyhdisteitä. Selvitettävää on silti vielä paljon. Litosfäärin (maan) ja hydrosfäärin (veden) eliömaantiede,  eli tutkimus eliöiden ja eliöryhmien maantieteellisestä levinneisyydestä, kaipaa rinnalleen atmosfäärin (ilman) vastaavaa. Vain nämä kolme yhdistämällä päästään lähemmäs kokonaisvaltaista ymmärrystä koko maapallomme elämän monimuotoisuudesta ja sen levinneisyydestä.

J. Rothschild ja R.L. Mancinelli 2001. Life in extreme environments. Nature 409, 1092–1101.

M. Womack, B. J. M. Bohannan ja J. L. Green 2010. Biodiversity and biogeography of the atmosphere. Phil. Trans. R. Soc. B 365, 3645–3653.

DeLeon-Rodriguez, T.L. Lathem, L.M. Rodriguez, J.M. Barazesh, B.E. Anderson, A.J. Beyersdorf, L.D. Ziemba, M. Bergin, A. Nenes, K.T. Konstantinidis 2013. Microbiome of the upper troposphere: species composition and prevalence, effects of tropical storms, and atmospheric implications. Proc Natl Acad Sci U S A 110(7), 2575-80.

Clarke,  G.J. Morris, F. Fonsecam B.J. Murray, E. Acton ja H.C. Price 2013. A Low Temperature Limit for Life on Earth. PLoS ONE 8(6), e66207.

Amato, M. Joly, L. Besaury, A. Oudart, N. Taib, A.I. Moné AI, L. Deguillaume, AM Delort ja D. Debroas 2017. Active microorganisms thrive among extremely diverse communities in cloud water. PLoS ONE 12(8), e0182869.