uniVersI/O


Category Archive

The following is a list of all entries from the Evoluutio category.

Tiedeviikko 36+37/10

Tiedeviikko sisältää jälleen kaksi edellistä viikkoa, sillä vietin suurimman osan tästä ajasta IAU Symposium 275: Jets at all scales -konferenssissa (josta todennäköisesti tulee jonkinlainen tiivistelmä vähän myöhemmin). Mutta sitten asiaan:

Tähden kuoleman spiraali

Credits: ESA/NASA/R. Sahai

Tutkijat ovat havainneet uskomattoman säännöllisen spiraalimaisen muodostelman käyttäen Hubble -avaruusteleskoopin Advanced Camera for Surveys -instrumenttia. Kyseessä ei ole spiraaligalaksi vaan esi-planetaarinen sumu IRAS 23166+1655, joka on paksun pölypilven taakse piiloutuneen tähden LL Pegasi (tai AFGL 3068) ympärillä. Spiraalin muodostava materia liikkuu noin 15 kilometriä sekunnissa ja mittaamalla spiraalin kerrosten etäisyyden toisistaan (noin 0.035 valovuotta) tutkijat pystyivät arvioimaan kerrosten pyyhkäisevän saman kohdan avaruudessa noin 710 vuoden välein. Näin säännöllinen kuvio edellyttää säännöllistä fysikaalista prosessia sen syntymiseltä ja tutkijat huomasivat LL Pegasin olevan kaksoistähti käyttäen infrapunahavaintoja Keck II -teleskoopilla (infrapunasäteily läpäisee pölypilven helpommin kuin näkyvä valo). Havaintojen perusteella tutkijat pystyivät arvioimaan LL Pegasin tähtien kiertoajaksi toistensa ympäri olevan 810 M-0.5 vuotta olettaen, että molemmat tähdet painavat saman verran (=M). Samojen havaintojen mukaan toinen tähdistä on vanhempi, elämänsä loppuvaiheessa oleva, materiaa menettävä hiilitähti ja toinen nuorempi, noin Auringon massainen tähti. Hiilitähti on normaali, noin Auringon massainen tähti, joka on fuusioinut kaiken vetynsä heliumiksi ja vedyn loputtua alkanut fuusioida heliumia hiileksi. Tämä prosessi aiheuttaa tähden pullistumisen ja voimistuva säteilypaine puhaltaa tähden ulkokuoren valtavana tähtituulena avaruuteen. Tähtituuli on pallosymmetrinen, mutta tähden kiertäessä toista tähteä, tähtituuli muodostaa spiraalimaisen kuvion pyörivän sprinklerin tapaan. Kaksoistähden kiertoaika-arvio onkin erittäin lähellä spiraalin kerrosten etäisyydestä saatua aika-arviota, joten todennäköisesti yllä kuvailtu mekanismi on spiraalikuvion syntymekanismi. Jotta pystymme kuitenkin ylipäätään näkemään tämän spiraalin, täytyy sitä valaista taustalta jollain, samaan tapaan kuin Aurinko valaisi pyörivästä ohjuksesta vuotavan polttoainesuihkun Norjan taivaalla viime vuonna. Valo ei kuitenkaan voi tulla itse kaksoistähdestä, sillä se on tähtituulen synnyttämän paksun pölysumun peitossa, joten tutkijat arvevat itse galaksin kaikkien tähtien yhteenlasketun valon valaisevan spiraalia. Spiraali näyttäisikin olevan kirkkaampi oikealta laidaltaan, jossa galaksin taso ja näin ollen suuri määrä tähtiä sijaitsee.

Tieteellinen artikkeli

Elämä alkoi ehkä kunnon rysäyksellä

Yksi kuuluisimpia elämän syntyä tutkivista kokeista on Stanley Millerin koe, jolla hän osoitti, että Maapallon esi-ilmakehä pystyisi synnyttämään aminohappoja, jotka ovat proteiinien rakennuspalikoita. Myöhemmin tutkijat ovat kuitenkin osoittaneet, että Maapallon esi-ilmakehän koostumus ei itseasiassa vastaa Millerin kokeessa käytettyä koostumusta. Nyt kuitenkin Nature Chemistry -lehdessä julkaistu artikkeli ehdottaa, että komeetan shokkiaalto sen törmätessä Maahan pystyisi synnyttämään elämän tarvitsemat biologiset osaset huolimatta siitä, mikä Maapallon ilmakehän koostumus oli. Komeetat sisältävät yksinkertaisia orgaanisia yhdisteitä kuten ammoniakkia (salmiakkia!) ja etanolia, mutta ei lähellekkään niin monimutkaisia yhdisteitä kuten aminohappoja. Komeetoilla näyttäisi olevan kuitenkin oma tapansa synnyttää aminohappoja. Ensinnäkin niitä on paljon ja Maapalloon törmäsi todennäköisesti valtava määrä komeettoja tuoden arviolta 1013 kilogrammaa orgaanista materiaalia vuosittain Maapallolle satojen miljoonien vuosien ajan. Toiseksi komeettojen törmäykset olivat vähintäänkin väkivaltaisia prosesseja, joissa epätavallisia kemiallisia prosesseja saattoi tapahtua, mitä ei olisi tapahtunut ’normaaleissa’ sen aikakauden olosuhteissa. Näin ollen tutkijat ajoivat molekyyliskaalan simulaatioita supertietokoneilla, joissa tutkittiin mitä tapahtuu kun shokkiaalto kulkee komeettojen tuoman orgaanisen aineen läpi. Shokkiaalto luo nopeasti olosuhteet, joissa yksinkertaiset yhdisteet hajoavat ja luovuttavat vetyioneita, muodostaen hiili-typpiyhdisteitä, jotka ovat olennaisia osasia aminohapoissa ja nukleotideissä. Shokkiaallon aiheuttaman paineen olessa suurimmillaan, jopa kymmenen atomin ketjut olivat mahdollisia. Shokkiaallon liikkuessa nopeasti eteenpäin, juuri syntyneet yhdisteet eivät hajonneet ja näin ollen jäljelle jäi runsaasti glysiiniä, yksinkertaisinta aminohappoa sekä sinihappoa ja formaldehydiä, jotka voivat synnyttää monimutkaisempia aminohappoja reagoidessaan toistensa kanssa. Nykyään tutkijat uskovat elämän syntyneen kuitenkin RNA-maailmassa, jossa proteiineja ei ollut, aminohappojen ollessa mukana vain joissain tärkeissä kemiallisissa reaktioissa. Siitä huolimatta ko. tutkimus luo valoa siihen, miten elämä on voinut alkaa käyttää aminohappoja matkalla proteiinien tuotantoon. Jos yksinkertaisia aminohappoja oli jo valmiiksi helposti tarjolla on evoluutio voinut yksinkertaisesti valita tavan käyttää niitä.

Tieteellinen artikkeli

Hienorakennevakio ei ehkä olekaan vakio

Credit: Berengut/UNSW

Tutkiessaan maailmankaikkeutta tähtitieteilijät luottavat fysikaalisten prosessien olevan avaruuden kaukaisimmassa kolkassa samanlaiset kuin Maan päällä mitatut. Havaintojen mukaan tämä oletus näyttäisi pätevän erityisen hyvin. Mikäli fysiikan lakien vakiot vaihtelisivat suuresti paikasta toiseen ei tähtiä tai galakseja muodostuisi, mutta koska näemme niitä niin kaukana kuin havaintolaitteet antavat myöten, ainakin näkyvän maailmankaikkeuden alueella vakiot ovat tosiaan vakioita. Tästä huolimatta uusi tutkimus (tosin vasta lähetetty arvioitavaksi Physical Review Letters -lehteen) näyttäisi osoittavan, että yhden universumin vakion, hienorakennevakion, arvo vaihetelisi riippuen mihin suuntaan maailmankaikkeutta tarkastellaan. Hienorakennevakio kuvaa sähkömagneettisen vuorovaikutuksen suuruutta ja se on osa vedyn rakenteen kvanttimekaanista kuvausta määrittäen sallitut elektronien energiatasot atomissa. Ensialkuun tuntuu hieman oudolta, että tähtitieteen havaintoja käytetään atomiskaalan ilmiöiden tutkimisessa, mutta havaitsemalla tähtitieteellisten kohteiden energiaspektrejä, atomien energiatasot näkyvät niissä absorptio- ja emissioviivoina. Atomien absorboidessa sopivan aallonpituuden omaavan säteilyn fotoneja vastaten energiaa, jolla elektroni voi siirtyä energiatasolta toiselle, se jättää energiaspektriin kuopan kyseisen energian kohdalle ja päinvastoin atomin emittoidessa fotonin elektronin pudotessa ylemmältä energiatasolta alemmalle, se muodotaa piikin kyseisen energian kohdalle spektriin. Ko. tutkimuksessa tutkijat havaitsivat 300 galaksin energiaspektrejä ja havaitsivat pieniä muutoksia energiaspektrien absorptioviivojen paikoissa, jotka voivat syntyä mikäli hienorakennevakio ei olisikaan vakio. Käyttäen kahta teleskooppia sekä pohjoisella (Keck) että eteläisellä (VLT) pallonpuoliskolla tutkijat huomasivat, että hienorakennevakio on hitusen pienempi pohjoisella pallonpuoliskolla ja hitusen suurempi eteläisellä pallonpuoliskolla. Tämä hitunen on kuitenkin melko pieni, vain yksi sadastuhannesosa ja sillä ei olisi suurta merkitystä näkyvän maailmankaikkeuden rakenteen kannalta. Kuitenkin tutkijat spekuloivat, että hienorakennevakion ei-vakioisuudella on merkitys suuremman mittakaavan etäisyyksillä kuin näkyvän maailmankaikkeuden. Tutkijat ehdottavat tulosten olevan ristiriidassa Einsteinin ekvivalenssiperiaatteen kanssa ja osoittavan maailmankaikkeuden olevan hyvin suuri (jossa näkyvä maailmankaikkeus on vain pieni osa), missä hienorakennevakio voi vaihdella hyvinkin paljon muuttaen paikallisia fysiikan lakeja. Näin ollen oma maailmankaikkeuden kolkkamme olisi kuin pieni keidas, jossa elämän synty on mahdollista. Tämä lähestymistapa poistaisi myös ns. hienosäädetyn kaikkeuden ongelman ilman tukeutumista sellaisiin konsepteihin kuin multiversumi. Kaikesta huolimatta kyseinen tutkimus on vasta ensimmäinen laatuaan ja näin mullistavalle tulokselle vaaditaan lisää varmistavia havaintoja (skeptinen näkökulma löytyy esim. täältä). Joten sanoisin, että tämä tutkimus kuuluu ’stay tuned’ -kategoriaan.

Viikon kuva

Astronomy Photographer of the Year -kisan voittokuva ’Blazing Bristlecone’:

Credits: Tom Lowe

Viikon video

Lähes 400 km/h, yli 10 G:n kiihdytysvoimat ja senttien päässä maasta: muutto- ja kanahaukan uskomattomat lentotaidot (katso erityisesti loppupuolella oleva metsäosuus)

Mainokset

Kuudes aisti: Magnetismi

Muutama päivä sitten geokätköillessäni pohdiskelin miten kätevää olisi, jos pystyisin aistimaan Maan magneettikentän, eikä tarvitsisi pyöriä GPS kädessä edestakaisin yrittäen paikantaa kätkön sijaintia. Monet muut eläimet käyttävät kyseistä aistia hyväkseen. Kyyhkyt ja luultavasti myös muut muuttolinnut suunnistavat magneettiaistinsa avulla, lepakot, delfiinit ja merikilpikonnat käyttävät magneettikenttää avukseen pitkillä muuttomatkoilla sekä hait ja rauskut metsästävät magneettiaistinsa avulla. Myös eräällä bakteerilla, yllätyksellisesti nimetty Magnetospirillum magneticum:ksi, on löydetty pieniä magneettisia hiukkasia, magnetosomeja, joiden avulla se aistii Maan magneettikentän. Magneettikentän avulla se voi määritellä itselleen ylös ja alas suunnan, jonka avulla se ui kohti pohjaa ja vähemmän hapellista, mutta sille luontaista ympäristöä. Hämmästyttävin seikka tällä bakteerilla on, että eteläisellä pallonpuoliskolla elävät yksilöt uivat kohti magneettista etelänapaa ja pohjoisella pallonpuoliskolla elävät yksilöt kohti magneettista pohjoisnapaa. Kiinnostavaa olisikin tietää miten nämä bakteerit käyttäytyvät päiväntasaajalla. Myös kasvit käyttävät hyväkseen magneettikenttää. Riippumatta siitä missä asennossa siemen on maan pinnan alla, siitä kasvava verso osaa suunnistaa aina kohti pintaa.

Maan magneettikenttä on varsin heikko, 0.3 Gaussia päiväntasaajalla ja 0.7 Gaussia navoilla. Tätä suuruusluokkaa kuvaa hyvin se, että Maan magneettikenttä hädin tuskin jaksaa liikuttaa ohutta metallin palasta kompassissa. Ei siis ole mikään ihme, että suurin osa Maan eläinlajeista ei ole magneettisesti orientoituneita. On toki hyödyllisempää nähdä, tuntea tai kuulla lähestyvä saalistaja kuin brassailla absoluuttisella ilmansuuntatietämyksellään. Mutta asiat voisivat olla toisin magneettisesti aktiivisemmalla planeetalla tai magneettisesti aktiivisemman tähden ympärillä kiertävällä planeetalla.

Tähtien ominaisuuksilla veikataan olevan olennainen osa sitä kiertävän planeetan elämän kehityksessä. Ainakin erään NASA:n tutkimuksen mukaan, eri väristen tähtien planeetoilla voisi esiintyä eri väristä kasvillisuutta. Esimerkiksi Auringon spektrin huippu osuu vihreän värin aallonpituudelle, eli Maapalloon osuu eniten ’vihreitä’ fotoneita. Ilmakehän otsoni kuitenkin absorboi, eli imee itseensä, osan vihreän valon fotoneista, joten Maan pinnalle saapuu eniten punaisen ja sinisen valon fotoneita. Näin ollen kasvit käyttävät Auringon säteilystä punaisen ja sinisen valon fotonit ja heijastavat vihreän valon fotonit. Tästä syystä kasvit näyttävät Maapallolla vihreiltä. Maailmankaikkeudessa on kuitenkin koko joukko tähtiä, joiden spektrin huippu osuu jonnekin muualle kuin vihreän valon aallonpituudelle. Esimerkiksi hieman Aurinkoa kuumemman tähden säteilyn huippu on sinisempi. Jos tätä tähteä kiertävällä planeetalla olisi kasvillisuutta, käyttäisi se luultavasti fotosynteesiin sinisen valon fotoneita, jolloin kasvit todennäköisesti heijastaisivat enemmän oranssia ja punaista säteilyä. Kyseisen planeetan maisema voisi näyttää vaikkapa seuraavanlaiselta:

Caltech illustration by Doug Cummings

Credit: Caltech illustration by Doug Cummings

Tähden säteily ei vaikuta pelkästään planeetan kasvillisuuteen vaan yhtä lailla planeetan eläimistöön. Ei ole mikään sattuma, että ihmisen näkemä valo osuu juuri Auringon spektrin huipulle. Jos Aurinko säteilisi eniten ultraviolettialueella, luultavasti myös ihminen näkisi parhaiten ultraviolettivalossa. Energialähteenä olemisen lisäksi tähdet määräävät koko joukon planeetoilla elävän elämän ominaisuuksista. Yhtä lailla magneettikenttä voi osaltaan vaikuttaa joihinkin ominaisuuksiin, kuten yllä on kuvailtu joidenkin Maapallolla elävien lajien osalta.

Mitä iloa voimakkaammasta magneettikentästä olisi ihmiselle pään sisäisen GPS:n lisäksi? Miltä kuulostaisi vaikkapa levitaatio? Mieleen tulisi heti hyviä käyttötarkoituksia levitaatiolle näin loskaisen ja mustan jään täyttämän alkutalven keskelle. Huomattavasti voimakkaammassa magneettikentässä ihminen pystyisi luonnollisesti levitoimaan eli leijumaan ilmassa. Ilmiö perustuu veden diamagnetismiin ja erityisesti sen alhaiseen magneettiseen suskeptibiliteettiin. Tämä ominaisuus aiheuttaa sen, että vesi hylkii magneettikenttää. Koska ihminen koostuu suureksi osaksi vedestä, myös ihminen hylkii magneettikenttää. Tämä vedestä aiheutuva levitaatio on todettu laboratorio-oloissa esimerkiksi sammakoilla.


Pallokalat ja älykäs suunnittelu

Viime kesäkuisessa SEED lehdessä oli artikkeli Pharyngula blogin kirjoittajalta, jossa oli mielenkiintoinen näkökulma siitä, että ihminen ei ole geneettisen suunnittelun perikuva tai luomakunnan kruunu. Jos tarkastelemme ihmistä pintaa syvemmältä aina geenien kokoluokkaan saakka (~ miljoonasosa millimetristä) tilanne ei enää näytä niin siistiltä kuin päälle päin luulisi. Ihmisen DNA paljastuu melkoiseksi sekasotkuksi aikojen saatossa kerättyjä geenejä ja geeninpätkiä, jotka ovat myöhemmin jääneet tarpeettomaksi painolastiksi. Niillä on tosin voinut olla aikanaan tärkeäkin merkitys tai sitten ei. Luonnonvalinnan kautta kerääntyneet ominaisuudet ovat jättäneet meille jälkeensä sotkuisen genomin ja on vaikea väittää sitä erityisen elegantiksi tai älykkäästi suunnitelluksi. Edellinen lausahdus viittaa erityisesti vaihtoehtoteoria Älykkään suunnittelun väitteeseen, jonka mukaan

tietyt kaikkeuden ja elollisten olentojen ominaisuudet ovat parhaiten selitettävissä älyllisellä syyllä, ei ohjaamattomalla tapahtumasarjalla kuten luonnonvalinnalla.¹

Huolestuttavaa Älykkään suunnittelun kannalta on juuri se, että genomimme ovat suurimmaksi osaksi täyttä roskaa, mikä on ollut yksi selkeä havainto ihmisen perimän kartoittamisessa (Human Genome Project). Mielestäni ylläoleva väite ei kuulosta kovin järkevältä, jos älyllisesti kehittynein olento Maan päällä onkin kävelevä geeniroskapankki. DNA:sta vain noin viisi prosenttia on tarpeen täysin toimivan homo sapiensin rakentamisessa, kun vastoin loppua 95 prosenttia on tituleerattu roska-DNA:ksi tai ainakaan sen funktionaalisuudesta ei olla yhtä mieltä. Siitä huolimatta tiedämme mitä suurinosa tästä jätteestä itseasiassa on, eikä se ole meille ollenkaan hyödyllistä.

Ihmisen genomista noin 45 prosenttia koostuu kahden sekvenssin kopioista, jotka kulkevat lyhenteillä LINE (Long Interspersed Element) ja SINE (Short Interspersed Element). LINE on noin 6000 emäsparia pitkä geeni, joka koodaa käänteiskopioijaentsyymiä. Erikoinen seikka tässä on se, että kyseinen entsyymi tunnistaa sen oman RNA-sekvenssin ja näin ollen toistuvasti kopioi itseään uudelleen takaisin genomiin. Asian voi kuvitella eräänlaiseksi copy-paste-prosessiksi. Sitä vastoin SINE on vain muutaman sadan emäsparin mittainen sekvenssi, joka ei yksinkertaisesti tee mitään, koska se ei koodaa mitään funktionaalista proteiinia. SINEissä on kuitenkin sääteleviä elementtejä, jotka laukaisevat solukoneiston tekemään RNA:ta niistä. Näillä RNA-pätkillä on erittäin itsekäs ominaisuus: LINE:n käänteiskopioijaentsyymi tunnistaa SINE-RNA:n, joka suostuvaisesti kopioi tämän takaisin genomiin. Tästä herää ajatus, että se viisi prosenttia, joka tuottaa kaikki ihmiselle tarpeelliset toimenpiteet onkin tarkoitettu luomaan mahdollisimman tuottoisat olosuhteet LINEille ja SINEille. Tämä tuottoisa ympäristö nyt sattuu olemaan se kaikki mitä tarvitaan luomaan Maapallon älyllisesti kehittynein eläin. Siinä vasta olisi kyse satunnaisesta evoluutiosta. Ihmiset olisivatkin itsekkäiden DNA-jaksojen sivutuotteita.

Mikä olisi sitten geneettisesti puhtain selkärankainen, älykkäimmän suunnittelun paras kandidaatti? Tällöin meidän on käännyttävä erään pallokalalajin, Tagifugu rubribesin tai tuttavallisemmin vain fugun, puoleen. Kyseessä on yksi japanilaisen ruokakulttuurin huipentuma ja extreme-sushiruokailijoiden herkku, joka väärin laitettuna voi tappaa. Puolustusmekanismikseen fugussa symbioottisesti elävät bakteerit erittävät kalaan myrkyllistä detrotoksiinia, joka syötäessä voi aiheuttaa tukehtumiskuoleman. Fugun genomi on vain kahdeksasosa ihmisen genomin pituudesta, mutta fugugeenit käsittävät siitä kolmasosan (vrt. ihmisen 5%) ja itseään toistavat LINEt ja SINEt kattavat vain kuudesosan (vrt. ihmisen 45%). Jotta fugu on päässyt näinkin hyvään tilanteeseen on sille kehittynyt mekanismi, joka poistaa näitä kopiokoneita genomista hieman nopeammin kuin ne ehtivät kopioida itseään. Vuosien saatossa on fugusta kehittynyt geneettisesti siistein selkärankainen Maapallolla.

Jos joskus pääset maistamaan kyseistä gourmet-herkkua, niin nautintoa varmasti lisää tieto siitä, että sushi-ateriasi ei vain päällepäin näytä täydelliseltä vaan itseasiassa koko ruoka itsessään on geneettisesti täydellisintä Maan päällä.

¹ Intelligent Design 2007. Intelligent Design network.