Älä aliarvioi pieniä asioita!

Kuva: Pienet asiat merkitsevät yllättävän paljon (Pixabay)

Pienillä asioilla on suuri merkitys.

Opin tämän henkilökohtaisesti tehdessäni lopputyötäni diplomi-insinööriopinnoissani. Ensimmäinen tutkintoni oli kemian ja tarkemmin sanottuna polymeerikemian alalla. Lopputyössäni yritin löytää sopivan pehmittimen biologisesti hajoavalle polymeerille nimeltä poly-L-laktidi. Monimutkaisen sanan poly-osa viittaa moniin samanlaisiin molekyyleihin, jotka on yhdistetty ketjuksi, mikä tekee siitä muovin.

Laktidi taas on kahden maitohappomolekyylin muodostama rengasmainen yhdiste. Jännittävin osa tuossa nimihirviössä on kuitenkin L-kirjain, joka ilmaisee laktidimolekyylin kiraalisuuden eli avaruudellisen konfiguraation. Laktidimolekyyleillä, kuten monilla muillakin molekyyleillä, on niin sanottuja stereoisomeerejä. Niissä on samat atomit, mutta vain avaruudellinen rakenne erottaa ne toisistaan. Ne ovat toistensa peilikuvia. Pelkkä avaruudellinen rakenne voi muuttaa molekyylien ominaisuuksia, vaikka ne olisivat samaa ainetta. Esimerkiksi molekyyli voi yhdessä avaruudellisessa muodossaan toimia lääkkeenä johonkin sairauteen, mutta toisessa muodossaan sillä ei ole mitään vaikutusta. Pienillä asioilla on väliä!

Kuva: stereoisomeeriset molekyylit ovat toistensa peilikuvia.

Aloitin myöhemmin väitöskirjani kauppakorkeakoulussa. Kirjoitin väitöskirjani heikoista signaaleista, jotka ovat pieniä, outoja ja jopa naurettavia muutoksia, jotka voivat parhaimmillaan ennakoida merkittäviä tulevia muutoksia. Yksi pieni heikko signaali ei kerro meille mitään muutoksesta. Ajatuksena on, että yhdistelemällä näitä pieniä muutoksen siemeniä voimme alkaa nähdä viitteitä suuremmista muutoksista. Jos pienet pisarat muodostavat suuria jokia, monet heikot signaalit voivat muodostaa merkittäviä trendejä.

Futuristina olen edelleen kiinnostunut pienistä asioista. Ne tuntuvat usein merkityksettömiltä, mutta yhdistettyinä niillä voi olla merkittäviä vaikutuksia. Monet meille tärkeät asiat ovat niin mikroskooppisen pieniä, ettemme aina muista niiden olemassaoloa. Harvoin yksi mikroskooppisen pieni asia muuttaa elämäämme, mutta jos näiden pienten asioiden määrä kasvaa tai vähenee tai niiden tasapaino muuttuu, niillä voi yhtäkkiä olla suuri vaikutus.

Ja kuten tiedämme, luvuissa on tietysti voimaa. Esimerkiksi solu on usein merkityksetön. Mutta kun yhdistetään noin 37 biljoonaa erilaista solua, saadaan ihminen.

Tässä artikkelissa olisin voinut käsitellä useita mielenkiintoisia mikroskooppisia asioita ja niiden merkitystä tulevaisuudellemme. Merkkien rajallisen määrän vuoksi rajoitan kuitenkin katsaukseni viiteen pieneen mutta merkittävään asiaan: kasviplanktoniin, hiukkasiin, viruksiin, hiilidioksidiin ja alkeishiukkasiin suurimmasta pienimpään.

Kuva. Tässä artikkelissa käsiteltyjen asioiden koot

KASVIPLANKTONI

Maailman keuhkot ovat märät. Niitä on valtamerissä ja tarkemmin sanottuna kasviplanktonissa. Valtamerten ylemmissä kerroksissa oleva kasviplankton sekä imee hiilidioksidia että tuottaa happea fotosynteesin avulla. Noin puolet ilmakehän hapesta on kasviplanktonin tuottamaa. Kasviplanktonilla on myös tärkeä rooli maapallon hiilen kierrossa, sillä kuollut kasviplankton vie hiiltä merenpohjaan. Tämän vuoksi valtameret toimivat hiilinieluina, jotka sitovat arviolta 40 prosenttia kaikista ihmisen aiheuttamista kasvihuonekaasuista. Lisäksi kasviplankton on valtamerten ravintoketjun perusta, joka takaa esimerkiksi sen, että valtamerissä ja vesistöissä on kalaa.

Kuva: Kasviplanktoni. Kuva: Pixabay

Kooltaan kasviplanktonit ovat halkaisijaltaan noin 0,2-200 mikrometriä. Kasviplankton on mikroskooppisen pieni, usein yksisoluinen organismi, kuten levät ja bakteerit. Niitä arvioidaan olevan yli 100 000 eri lajia. Esimerkki kasviplanktonista on syanobakteeri Prochlorococcus, joka on kooltaan 0,6 mikrometriä. Pienestä koostaan huolimatta syanobakteerit ovat pääosin vastuussa siitä, että maapallon ilmakehään kertyi aikojen alussa happea.

Ilmastonmuutos vaikuttaa kasviplanktonin elämään, kun valtameret lämpenevät, happamoituvat ja muuttuvat suolaisemmiksi. Ei ole selvää käsitystä siitä, miten valtamerten lämpeneminen lopulta muokkaa kasviplanktonin elämää. Koska kasviplanktoneita on erilaisia, vaikutukset vaihtelevat lajeittain. Veden lämpötilan muutosten on oletettu vaikuttavan kasviplanktontyyppien runsauteen. Esimerkiksi syanobakteerit lisääntyvät ja suuremmat kasviplanktonlajit vähenevät. Suuret syanobakteerilevät, jotka tunnetaan myös sinilevänä, ovat jo kasvaneet ja ovat valitettavasti tuttuja monissa vesissä. Jotkin syanobakteerit ovat hermomyrkkyjä, jotka aiheuttavat haittaa meri- ja vesieliöille, myös ihmisille. Muut haitalliset leväkukinnot, punalevä- ja kultaleväkukinnat, ovat aiheuttaneet kalojen joukkokuolemia.

Yksi lämpenevien vesien pelottava vaikutus voi olla se, että osa kasviplanktonista muuttuu hiilinieluista hiilentuottajiksi. Jotkut puolestaan häviävät. Vuonna 2010 kanadalaiset tutkijat havaitsivat, että kasviplanktonin määrä on vähentynyt maailmanlaajuisesti 40 prosenttia vuodesta 1950. Yhdistyneen kuningaskunnan Leicesterin yliopiston tutkijat julkaisivat vuonna 2015 yhden hälyttävän tutkimuksen. Sen laskelmien mukaan, jos maapallon lämpötila nousee 6 celsiusastetta, meriveden lämpötila nousee niin korkeaksi, että kasviplankton ei enää tuota happea. Tämä merkitsisi tuhoa maapallon eliöstölle. Myös meille ihmisille.

PIENHIUKKASET (PM)

Maailman terveysjärjestön (WHO) mukaan jopa 99 prosenttia maailman ihmisistä asuu alueilla, joilla ilmanlaatu on huono. Huono ilmanlaatu aiheuttaa vuosittain noin 4,2 miljoonaa kuolemantapausta maailmanlaajuisesti. Ilmanlaatuun vaikuttavat fossiilisten polttoaineiden ja puun poltosta, liikenteestä, teollisuudesta, rakentamisesta ja luonnosta peräisin olevat hiukkaset. Hiukkaset ovat hengitettäviä hiukkasia, kuten sulfaattia, nitraatteja, ammoniakkia, natriumkloridia, mustaa hiiltä, mineraalipölyä tai vettä. Ne jaetaan kahteen ryhmään niiden koon mukaan:  PM10- ja  PM2,5-hiukkasiin. Karkeat (suuremmat) hiukkaset, joita kutsutaan PM10:ksi, ovat kooltaan enintään 10 mikrometriä. Niitä ovat esimerkiksi katupöly, siitepöly ja merisumu. Hienot (pienemmät) hiukkaset, joita kutsutaan PM2.5:ksi, ovat kooltaan alle 2,5 mikrometriä, ja ne ovat peräisin pääasiassa puun ja fossiilisten polttoaineiden poltosta, teollisuudesta ja liikenteestä. Alle 2,5 mikrometrin kokoiset hiukkaset ovat ihmiselle kaikkein haitallisimpia, sillä ne voivat tunkeutua syvälle keuhkoihin ja verenkiertoon. Ne aiheuttavat sydän- ja verisuonitauteja ja hengityselinsairauksia, hengitystieoireita, aivohalvauksia ja keuhkosyöpää ja myötävaikuttavat ennenaikaisiin kuolemiin.

Siksi pienhiukkasten päästöjä ilmakehään pyritään välttämään. Esimerkiksi meriliikenteessä vuonna 2020 voimaan tulevien uusien säännösten mukaan polttoaineiden rikkipitoisuutta on vähennettävä 80-86 prosenttia. Terveyshyödyt ovat kiistattomat. Tämän muutoksen arvioidaan vähentävän lapsuusiän astmaa maailmanlaajuisesti 3,6 prosenttia. Mutta asia ei ole näin yksinkertainen. Pienhiukkaset hidastavat myös ilmastonmuutosta, mikä tarkoittaa, että siirtyminen puhtaampiin polttoaineisiin lämmittää ilmastoa, koska pienhiukkaset heijastavat auringonvaloa avaruuteen. Kaikilla pienhiukkasilla ei kuitenkaan ole ilmastoa viilentävää vaikutusta. Esimerkiksi mustalla hiilellä on merkittävä vaikutus ilmaston lämpenemiseen. Ilmassa se imee auringonvaloa, ja jäätiköille päästessään se nopeuttaa lumen sulamista.

Kuva: Hiukkaset uhkaavat ihmisten terveyttä mutta myös viilentävät ilmastoa. Kuva: Pixabay

VIRUKSET

Virukset ovat pieniä biologisia järjestelmiä, joilla ei ole solurakennetta tai aineenvaihduntaa. Niitä voidaan kutsua loisiksi, koska ne tarvitsevat isäntäsolun lisääntyäkseen. Virukset ovat nerokkaita muuttamaan rakennettaan, minkä ansiosta ne voivat levitä lajista toiseen.

Virusten koko vaihtelee 20 ja 400 nanometrin välillä. Vaikka ne ovat pieniä, kukaan tuskin epäilee niiden voimaa, varsinkaan vuodesta 2019 lähtien, jolloin maailma tutustui COVID-19-virukseen. Pikkuruinen virus pysähdytti liikkumisen. Se sulki ihmiset koteihinsa, ajoi lukuisia yrityksiä konkurssiin ja aiheutti kaaoksen terveydenhuoltoalalla. Se aiheutti kuolemaa ja tuskaa: WHO arvioi, että koronavirus tappoi lähes 15 miljoonaa ihmistä maailmanlaajuisesti vuosina 2020-2021.

Kuva: Korona pistin maailman polvilleen. Kuva: Pixabay

Niin häiritsevä kuin se olikin, koronaviruspandemia ei ollut ensimmäinen pandemia. Pandemioita on ollut monia vuosien ja vuosisatojen aikana. Tunnetuin lienee espanjantauti, jonka aiheutti H1N1-influenssa A -virus (kooltaan 80-120 nanometriä). Epidemia puhkesi vuosina 1918-1920, ja siinä kuoli kaksi kertaa enemmän ihmisiä kuin ensimmäisessä maailmansodassa (1914-1918). Suurimpien arvioiden mukaan kuolonuhreja oli jopa 100 miljoonaa. Isorokko, ainoa tauti, josta ihmiskunta on selvinnyt hengissä (viimeinen tautitapaus oli vuonna 1977), tappoi noin 500 miljoonaa ihmistä sadan vuoden aikana.

Tulevaisuudessa tulemme näkemään yhä useampia viruspandemioita. Syyt tähän ovat selvät: ilmastonmuutos, biologisen monimuotoisuuden väheneminen, väestönkasvu ja lisääntyvä vauraus, jotka ovat johtaneet lihan ja maitotuotteiden kulutuksen lisääntymiseen. Tämä tarkoittaa tuotantoeläinten määrän kasvua, mikä on erinomainen kasvualusta tuleville pandemioille.

Monet pandemiat johtuvat eläimistä ihmisiin siirtyneistä viruksista, jotka ovat mutatoituneet ihmiselle tuhoisiksi. Tällaisia eläimestä ihmiseen tarttuvia tauteja kutsutaan zoonooseiksi. Esimerkiksi HIV on peräisin apinoista, ja influenssa on peräisin linnuista tai sioista. Lepakot ovat todellisia virusten kantajia. Niillä on yli 60 virusta, jotka voivat tartuttaa ihmisiä. Näihin kuuluvat Ebola, raivotauti, Nipah ja Sars. Virukset voivat tarttua ihmisiin suoraan lepakoista tai välittäjäeläimen välityksellä. Kotieläinten määrän lisääntyminen ja luonnonvaraisten eläinten elinympäristöjen kutistuminen johtavat tulevaisuudessa uusiin pandemioihin. Globalisaatio, ihmisten liikkuminen paikasta toiseen ja kaupungistuminen edistävät pandemioiden leviämistä.

Virukset eivät vaikuta vain ihmisiin, vaan myös eläimiin ja kasveihin. Tällaiset virukset voivat aiheuttaa haasteita esimerkiksi elintarviketuotannolle, varsinkin kun tuotanto keskittyy maailmanlaajuisesti vain muutamiin viljelykasveihin. 

Kaikesta aiheuttamastaan haitasta huolimatta viruksista on myös hyötyä meille. Rokotteissa olevat heikennetyt virukset ehkäisevät vaarallisia tauteja, ja viruksia käytetään geeniterapiassa ja syöpähoidoissa. Bakteereja syövät virukset, niin sanotut bakteriofagit, voivat olla ratkaisu, kun bakteeri on tullut antibiooteille vastustuskykyiseksi.

HIILIDIOKSIDI

Yksi hiiliatomi ja kaksi happiatomia. Tämä yksinkertainen molekyyli on yksi ympäristömme tärkeimmistä molekyyleistä veden ja hapen ohella, ja sen määrä määrittää tulevaisuutemme. Hiilidioksidimolekyylin koko on 0,33 nanometriä, mutta pienestä koostaan huolimatta sen vaikutukset ovat kaikkien huulilla.

Aloitetaan perusasioista: hiilidioksidi on molekyyli, joka on elämällemme välttämätön. Se on tärkeä molekyyli fotosynteesissä, jossa kasvit muuttavat auringon energiaa kemialliseksi energiaksi. Fotosynteesissä syntyy myös happea. Hiilidioksidin ansiosta meillä on maailmassa yleensä kasvillisuutta. Hiilidioksidi on myös tärkeä kasvihuonekaasu. Se varmistaa, että maapallon lämpötila on sopiva elämällemme. Mutta kun ilmakehään kertyy liikaa hiilidioksidia, se johtaa liialliseen ilmaston lämpenemiseen, jolla on vakavia seurauksia tulevaisuudelle.

Hiilidioksidi on hallitseva kasvihuonekaasu, ja sen osuus kaikista kasvihuonekaasuista on noin 75 prosenttia. Sitä syntyy pääasiassa fossiilisten polttoaineiden (kuten öljyn, hiilen ja maakaasun) poltosta, metsäkadosta ja maankäytöstä. Ihmisen tuottama hiilidioksidi päätyy ilmakehään ja hiilinieluihin eli metsiin ja valtameriin. Kun hiilidioksidi imeytyy valtameriin ja vesistöihin, se muuttuu hiilihapoksi. Hiilihappo puolestaan happamoittaa valtameriä ja aiheuttaa ongelmia meriekosysteemeille.

Kuva: CO2 on elämämme kannalta tärkeä molekyyli, mutta liika on liikaa. Kuva: Pixabay

Hiilidioksidipitoisuus ilmakehässä on kasvanut tasaisesti ihmisen toiminnan seurauksena. Maaliskuussa 2024 sen pitoisuus ilmakehässä oli yli 425 miljoonasosaa (ppm). Hiilidioksidin määrä voi tuntua merkityksettömältä miljoonasosina mitattuna. Ilmassa on nimittäin noin 78 prosenttia typpeä ja noin 20 prosenttia happea. Miksi 0,04 prosenttia on jotenkin hälyttävää? Mitä näin vähäinen prosentuaalinen lisäys, jopa kaksinkertaistuminen, voi merkitä tulevaisuudessa?

Meidän ei tarvitse spekuloida sillä, miten maailma muuttuu, jos hiilidioksidipitoisuus kasvaa. Voimme tarkistaa historiasta, millaiset olosuhteet maapallolla vallitsivat silloin, kun hiilidioksidipitoisuus oli korkea.

Edellisen kerran maapallolla CO2-pitoisuus oli yli 400 ppm niin sanotulla plioseenikaudella, noin 5,3-2,6 miljoonaa vuotta sitten. Maapallon keskilämpötila oli tuolloin noin 2-4 celsiusastetta korkeampi, ja merenpinta oli jopa 9,1 metriä korkeammalla. Noista huippuajoista lähtien hiilidioksidipitoisuudet laskivat, mikä on päinvastainen kehityssuunta kuin nykyään: hiilidioksidipitoisuudet ovat vasta viime vuosina nousseet. (Niille, jotka ihmettelevät, miten noiden aikojen hiilidioksidipitoisuuksia on voitu mitata, salaisuus on ikiroudan ilmakuplat, jotka ovat säilyttäneet tämän tiedon).

Toisaalta eoseenikaudella (noin 56-34 miljoonaa vuotta sitten) hiilidioksidipitoisuudet olivat jopa 2-10 kertaa korkeammat kuin nykyään. Millaista elämä siis oli eoseenikaudella? Ilmasto oli mukavan lämmin ja kostea; keskilämpötila oli noin 10-14 astetta korkeampi kuin nykyään, jäätiköt olivat sulaneet ja merenpinta oli 120-150 metriä korkeammalla. Tuohon aikaan ihmisiä ei ollut olemassa. On vain käytettävä mielikuvitusta ajatellakseen ihmiselämää planeetalla, jossa merenpinta on kymmeniä metrejä, jopa satoja metrejä nykyistä korkeammalla.

ALKEISHIUKKASET

Alkeishiukkaset ovat maailmankaikkeuden pienimpiä yksiköitä. Ne ovat niin pieniä, ettei niillä ole edes määriteltyä kokoa. Kaikki ympärillämme oleva koostuu viime kädessä alkeishiukkasista: fermioneista (kvarkit ja leptonit) ja bosoneista. Atomit koostuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista, jotka ovat alkeishiukkasia (leptoneita). Protonit ja neutronit taas koostuvat kolmesta kvarkista, jotka gluonit "sitovat yhteen". Ympärillämme oleva aine on siis viime kädessä kvarkkeja ja leptoneita. Harvinaisemmat antihiukkaset lasketaan myös alkeishiukkasiksi. Jokaisella alkeishiukkasella on oma antihiukkanen, jolla on sama massa mutta eri varaus. Kun nämä hiukkaset törmäävät toisiinsa, ne tuhoavat toisensa ja synnyttävät energiaa.

Kuva: Me kaikki koostumme kasasta alkeishiukkasia. Kuva: Pixabay

Vaikka alkeishiukkaset ovat pieniä, niillä on merkitystä jokapäiväisessä elämässämme (sen lisäksi, että koko maailmankaikkeutemme koostuu viime kädessä alkeishiukkasista). Esimerkiksi elektroniikan perustiedot perustuvat elektronien käyttäytymisen ymmärtämiseen ja hyödyntämiseen. Sähkö on elektronien liikettä. Lääketieteellisessä PET-kuvantamisessa hyödynnetään elektronin antihiukkasta, positronia. Myös suprajohteiden ja nanomateriaalien kehittämisessä hyödynnetään tietoa alkeishiukkasista. Fotoniikka puolestaan perustuu fotonien (bosonien) logiikan ymmärtämiseen.

Alkeishiukkasten pienessä maailmassa ei sovelleta arkipäivän fysiikkaa. Tässä maailmassa sovelletaan kvanttifysiikan periaatteita, jotka arkipäiväisesti ajateltuna vaikuttavat vähintäänkin oudoilta. Esimerkiksi hiukkanen voi olla samanaikaisesti kahdessa tilassa (superpositio), ja kahden hiukkasen tilat voivat olla yhteydessä toisiinsa etäisyydestä riippumatta (kvanttilomittuminen). Näitä ominaisuuksia hyödynnetään kvanttitietokoneissa, jotka tarjoavat ennennäkemättömän nopeuden ja kyvykkyyden tietyissä laskutoimituksissa. Kvanttitietokoneiden odotetaan räjäyttävän tietojenkäsittelyn uusiin ulottuvuuksiin jossain vaiheessa tulevaisuudessa.

PIENILLÄ ASIOILLA VOI OLLA SUURI VAIKUTUS

Ajattelemme usein suuria muutoksia, kuten megatrendejä, kun ajattelemme tulevaisuutta. Mutta pienilläkin asioilla voi olla suuri vaikutus. Harvoin yksi pieni, mikroskooppisen pieni asia muuttaa maailmaa, mutta kun pienet voimat yhdistyvät, ne voivat saada aikaan räjähdysmäisen muutoksen. Yksi kirjain merkitsee vain muutamassa tapauksessa jotain, mutta kun yhdistelen niitä haluamallani tavalla, saan viestini lukijoille perille: älä koskaan aliarvioi pieniä asioita!

Tämä juttu on julkaistu COMPASS lehdessä  englanniksi syksyllä 2024.