Kaiken takana onkin vesi

Oulun yliopiston kemian professori Jouni Pursiainen toteaa planeettamme elollisen ja ei-elollisen luonnon olevan suurelta osin veden ja sen ominaisuuksien muokkaamaa. Veden ja jään sormenjäljet näkyvät monin tavoin jo maan pinnan muodoissa, minkä lisäksi vesihöyry on tärkeimpänä kasvihuonekaasuna mahdollistanut keskilämpötilan nousun plussan puolelle. 

Elämää monissa vesistöissä on helpottanut se, että vesi on tiheämpää nesteenä kuin kiin­teässä muodossa. Tämän takia jää kelluu, eivätkä esimerkiksi järvet jäädy pohjiaan myöten. 

Ominaisuus on varsin poikkeuksellinen, veden lisäksi se on vain muutamilla germaniumin ja galliumin kaltaisilla harvinaisilla alkuaineilla. Ominaisuuden syynä ovat hapen ja vedyn vuorovaikutukset, jotka jättävät jään rakenteeseen pieniä aukkoja. 

– Tiheys jää näin vähäisemmäksi kuin nesteessä, jossa vesimolekyylit pakkautuvat tilatehokkaammin. 

Sormenjäljet evoluutiossa

Pursiainen näkee veden ohjanneen evoluutiota monin tavoin. Yksi esimerkki tästä on näköaisti, joka toimii kaikilla eläinlajeilla sähkömagneettisen säteilyn vettä läpäisevällä aallonpituusalueella. Näkökyky rajoittuu luonnossa tälle alueelle varsin universaalisti: esimerkiksi tietyillä petolinnuilla näkyvä aallonpituusalue voi ylettyä kauemmas ultraviolettivalon puolelle, mutta ei pitkälle.

Fyysinen luonto pyrkii omien lakiensa ajamana tasoittamaan kaiken.

– Näköaistin rajaaminen näille aallonpituuksille on järkevää, koska kaistan ulkopuolella vesi peittäisi tehokkaasti näkyvyyttä. Hämmästyttävää olisikin, jos veden läsnäolo ympäristössä ei olisi vaikuttanut näkökyvyn evoluutioon. 

Vesi on vahvasti läsnä myös haju- ja makuaisteissa, jotka molemmat tunnistavat veteen liuenneita aineita, mutta eivät itse vettä. 

– Aistimukset olisivatkin vähemmän tarkkoja, jos matriisin haju ja maku peittäisi itse signaalin.

Elämän kehys myös muualla

Pursiainen uskoo veden tarjoavan parhaan kehyksen elämälle myös muualla maailmankaikkeudessa. Elämän luontevin ympäristö on hänen mielestään lähtökohtaisesti neste, mikä voisi periaatteessa olla veden sijasta esimerkiksi ammoniakkia, metaania tai typpeä. 

Monet veden ”kilpailijoista” ovat kuitenkin nestemäisessä muodossa lämpötila-alueilla, jotka olisivat hankalia evoluutiolle. Esimerkiksi nestemäisessä typessä aineiden pitäisi reagoida toisiinsa ja järjestyä rakenteiksi parinsadan miinusasteen tietämillä.

– Vesi on nesteenä sellaisella lämpötila-alueella, joka mahdollistaa monimutkaisten hiilipohjaisten rakenteiden tuottamisen. Maapallolla esiintyvä elämä voisi tuskin toteutua muissa nesteissä kuin vedessä. 

Norsun tasapaino

Pursiainen kertoo kiinnostuneensa opintaipaleensa alkumetreillä kemian oppikirjan kompakysymyksestä ’milloin norsu saavuttaa tasapainon ympäristönsä kanssa’. Vastaus oli, että norsun kuollessa.

Tämä tosiasia vie tutkijan suoraan altaan syvään päätyyn. Elämä on lähtökohtaisesti työtä edellyttävä termodynaaminen epätasapainotila, jota ei luulisi edes syntyvän elottomalle planeetalle.

Fyysinen luonto pyrkii omien lakiensa ajamana tasoittamaan kaiken. Jos mahdollista, lämpötilat tasoittuvat, jännitteet purkautuvat, eksergia häviää energiasta. Maailmankaikkeus haluaa lepoon entropian syliin, missä kaiken tasoittuminen on purkanut kaikki jännitteet. 

Itseään ylläpitävä elämä rimpuilee kuitenkin tiukasti vastaan.

– Elämän ylläpito perustuu jatkuvaan energian ja ravinnon pumppaamiseen eikä ole koskaan tasapainossa ympäristönsä kanssa. 

Pursiainen näkee tässä ”termodynaamisessa ylämäessä” valtavan haasteen elämän selittämisessä. Meille tuttu elonkehä toimii perimmiltään fotosynteesissä syntyvällä sokerilla, jonka lähtöaineina on ollut vesi ja hiilidioksidi. Energia yksinään ei kuitenkaan riitä selittämään elämän olemassaoloa: resursseja on myös käytettävä tehokkaasti solujen sisäisessä tuotannossa ja ylläpidossa, missä energia, aineet ja rakenteet ohjautuvat ja vuorovaikuttavat hieman samalla tapaa kuin teollisessa tuotannossa. Ohjaus voi perustua kappaleiden sattumanvaraiseen törmäilyyn tilastollisen todennäköisyyden puitteissa yhtä vähän soluissa kuin tehtaissa. 

Elämään liittyykin Pursiaisen mukaan ohjausta ja säätelyä, jonka mekanismeja ei vielä kaikilta osin tunneta. Täysi sattumanvaraisuus esimerkiksi solujen sisäisissä reaktioissa tuskin tuottaisi toivottua tulosta. 

Vesi on Pursiaisen mukaan monissa reaktioissa enemmän kuin vain ympäristön tarjoava liuotin. 

– Vesi on reagoivana aineena esimerkiksi proteiinien rakentamis- ja hajottamisreaktioissa ja sen merkitys voi siten olla suurempi myös säätelyn näkökulmasta.  

Elämän syntyä ja veden roolia miettiessään Pursiainen on lähellä myös päivän uutistodellisuutta. Marsiin äskettäin laskeutunut luotain etsii muinaisen elämän merkkejä nimenomaan alueelta, jolla uskotaan olleen muinoin vettä.

– Emme tiedä, onko elämä maapallolla harvinainen sattuma vaiko ilmiö, joka ilmentää itseään kaikkialla, missä tähän tarjoutuu mahdollisuus. 

– Se on kuitenkin tullut selväksi, että kaiken takana on vesi.