Haasteena elämän arvoitus

Biofysiikka selvittää fysiikan lainalaisuuksien toimintaa elävässä aineessa. Helsingin yliopiston fysiikan osaston professori Ilpo Vattulainen kertoo kiinnostuneensa jo uransa alkuvaiheessa tieteenalojen rajapinnoista. Vaikka klassisessakin fysiikassa tai kemiassa on vielä tutkimista, matalalla roikkuvia hedelmiä niistä on vaikea hakea. Raja-alueilla tilanne voi olla toinen.

Vattulainen itse etsii näitä makeita hedelmiä biofysiikasta, joka selvittää elävän aineen käyttäytymisen taustalla olevia fysikaalisia periaatteita. Biofysiikan tutkimuskenttä voi ulottua yksittäisten molekyylien välisestä vuorovaikutuksesta biologisia systeemeitä ohjaavien lainalaisuuksien selvittämiseen. 

Vattulainen kertoo omalla alallaan fysiikan ja kemian rajan hämärtyvän usein. Hän toteaa tutkimuksen jaottelemisen eri tieteenaloiksi olevan hyvä idea, koska erilaiset lähestymiskulmat helpottavat ison kokonaisuuden hahmottamista. Luonto itse ei kuitenkaan näistä raja-aidoista piittaa.

Vaikka fyysikon näkökulma ei ole paras mahdollinen työkalu kaikkien biologian piiriin kuuluvien ilmiöiden tutkimuksessa, monissa tapauksissa se on hyvinkin käyttökelpoinen. Yksi esimerkki tästä on molekyylien välistä tarttumista ohjaavien voimien selvittäminen.

Elämän yhteydessä tapahtumien ympäristönä on vesi, jossa molekyylit liikkuvat työntäen samalla vettä tieltään. Koko ”keitos” on pyörteilevässä liikkeessä eräänlaisena nanoskaalan virtauksena, jossa ajelehtii monenlaisia partikkeleita toinen toisiinsa vaikuttaen.

– Tässä virtauksessa uiskentelevat molekyylit voivat vaikuttaa toinen toisiinsa varsin kaukaakin pitkän kantaman vuorovaikutusvoimien takia.

– Elävässä aineessa vaikuttavat samat lainalaisuudet kuin muuallakin.

Myös kvanttifysiikan piiriin liittyvät ilmiöt voivat olla relevantteja ajureita yksittäisten atomien tai atomiklustereitten tasolla. Kvanttifysiikan ilmiöiden aika- ja kokoskaala jättää ne kuitenkin usein biofysiikan tutkimuksen ulkopuolelle. 

– Biofysiikassa tutkitaan harvemmin suoraan lomittumista tai muita kvanttifysiikan piiriin lukeutuvia ilmiöitä, vastaan tulevat lähinnä niiden seuraukset.  

Biofysiikkaan liittyy myös aivan omat haasteensa. 

Yksi näistä on elämän säilyttäminen tutkimuksen yhteydessä. Elämään liittyvien ilmiöiden tutkiminen voi lopahtaa alkuunsa, ellei esimerkiksi soluviljelmää pystytä pitämään elossa tutkimuksen ajan. 

– Biofysiikka on tältä osin paljon hankalampaa kuin esimerkiksi materiaalitieteisiin liittyvä tutkimus, jolla haetaan ratkaisuja vaikkapa uusien materiaalien kehittämiseen energiateknologiassa. 

Luonto ei piittaa tieteenalojen rajoista.

Ehdottomasti mielenkiintoisin hankaluus on itse elämä. Vaikka esimerkiksi fuusioreaktoriin voidaan rakentaa reaktiivisia toimintoja, reaktori itsessään ei pyri mihinkään. Vaikka olosuhteet reaktorin sisällä kriisiytyisivät, laite ei pyri sopeuttamaan toimintaansa muuttuneeseen tilanteeseen. Ehjänä pysyminen tai taivaan tuuliin räjähtäminen on pöntölle yhdentekevää. 

Elämän kanssa asia näin ei todellakaan ole. Jo solut ovat usein aktiivisia ja älykkäitä toimijoita, jotka reagoivat tilanteisiin ja pyrkivät tukemaan elämän säilymistä. Fysiikan näkökulmasta tämä on eräänlaista syvää hämärää, minkä takia tapahtumavirtaa on vaikea kuvata muutamien tunnettujen luonnonlakien vääjäämättömänä lopputuloksena. Fyysikko pääsee paljon helpommalla avaruudessa ajelehtivien kivenmurikoiden tai fuusioreaktorin seinän kanssa. 

Elämän piiristä löytyykin Vattulaisen mukaan valtavan paljon tutkittavaa aivan perusasioistakin. Esimerkkinä hän mainitsee niinkin perustavan asian kuin hengittämisen. 

– Kukaan ei tunne tarkalleen keuhkojen rakennetta, niiden toiminnasta puhumattakaan. Esimerkiksi se, kuinka happiatomi pääsee keuhkojen läpi vereen, on vielä täysi salaisuus.

Biofysiikan tutkimus johtaakin helposti perimmäisiin kysymyksiin elämän ja tietoisuuden luonteesta. Vattulainen on pohtinut asiaa esimerkiksi bakteerien toiminnan yhteydessä.

– Vaikka bakteerilla ei ole aivoja eikä mitään niihin liittyviä kognitiivisia kykyjä, sekin aistii ravinnon lähteitä ja pyrkii aktiivisesti niiden luo. 

Elämän näkeminen omana, aineesta irrallisena, mutta sen kanssa vuorovaikutuksessa olevana ulottuvuutena, voi olla ammatillisesti turhauttava ajatus luonnontieteilijälle. Ilmiöiden olennaisin ajuri olisi tällöin luonnontieteen menetelmien tavoittamattomissa. Oli asia miten tahansa, Vattulainen  uskoo tiedon karttumisen johtavan vielä pitkälle. 

– Tutkimuksen kautta kertyvä ymmärrys siitä, mitä ihmisenkin kehossa tapahtuu, tulee lisääntymään vielä tuntuvasti.

Tekoäly löytää hiljaisenkin signaalin 

Tätä ymmärrystä kartuttaa osaltaan myös tekoäly, jonka myötä laskenta on tulossa ryminällä mukaan myös biologiaan. Vattulaisen mukaan tekoäly sopii erinomaisesti tutkimukseen, missä selvitetään mutkikkaiden systeemien kehittymistä. Hyvin koulutettu tekoäly pystyy ennakoimaan lopputulosta silloinkin kun kaikkia prosessiin vaikuttavia tekijöitä ei tunneta. Kone pystyy samalla seulomaan valtavasta tapahtuma-avaruudesta yhteyksiä, joiden löytäminen olisi ihmiselle todella vaikeaa. 

Biofysiikankin piirissä merkitykselliset yhteydet ja toisiinsa liittyvät tapahtumaketjut ovat usein kätkeytyneet erittäin suureen, merkityksettömään tapahtuma-avaruuteen. Vattulainen kuvailee näiden etsimistä signaalien poimimiseksi kohinasta.

– Signaalien ja kohinan suhde on usein erittäin heikko eli neulaa on etsittävä todella isosta heinäsuovasta. 

Tutkijoiden onneksi heinäsuovaa päästään Suomessa pöyhimään Lumi -nimisellä supertietokoneella, joka sopii tähän tarkoitukseen eriomaisesti. 

– Kone on loistava työkalu hiljaisten signaalien etsimiseen. 

– Piakkoin tehtävien päivitysten jälkeen Lumi onkin maailman tehokkain julkisista lähteistä rahoitettu supertietokone.