Vaikka suuri osa soluistamme uusiutuu koko ajan, tulemme koko ajan vanhemmiksi ja kehomme ikääntyy. Uudet solut, jotka korvaavat vanhempia soluja, eivät ole enää yhtä hyviä ja organisoituja.
Jos keksisimme keinon, millä uudet solut voisivat olla yhtä tuoreita kuin alkuperäiset, olisi käsissämme nuoruuden eliksiiri.
Ihan tätä ei ole nytkään löydetty, mutta Jerome Mertens työryhmineen Massachusettsin teknillisen instituutin MIT:n biologiaan erikoistuneesta Salk-instituutista on kehittänyt tavan muuttaa tavallisia ihosoluja hermosoluviljelmiksi laboratorio-olosuhteissa.
Aiemmin hieman vastaavaa on tehty kantasoluista, mutta tuloksena on ollut alkioiden hermosoluja vastaavia soluja. Nyt kyse on “aikuisen” ihmisen soluista, ja siten tässä voisi olla tapa millä solujen ikääntymistä voitaisiin ellei nyt kääntää nuortumiseksi, niin ainakin hillitä.
Kantasolujen avulla vastaus ikääntymiseen on ollut siis kellon kääntäminen nollaan, mutta nyt Mertens on onnistunut muuntamaan soluja toisenlaisiksi ilman, että niiden “ikä” on muuttunut. Tämä muuntotekniikka kehitettiin alun perin Stanfordin yliopistossa, mutta Mertensin ryhmä onnistui käyttämään sitä nyt ihon solujen muuntamiseen hermosoluiksi.
Tässä onkin oikeastaan tutkimuksen kiinnostavin puoli: vaikka ikäasia onkin raflaava, on solujen muuntaminen toisenlaiseksi, samanikäisiksi ja toimiviksi soluiksi tärkeämpää. Etenkin se, että tuoreita, terveitä hermosoluja voitaisiin tehdä vaikkapa ikääntymisen myötä tulevien sairauksien hoitoon.
Muun muassa ALS-potilaan ja Alzheimerin taudista kärsiville tästä tutkimuksesta saattaa poikia uutta toivoa.
Jotta tutkijat olisivat voineet olla varmoja siitä, että uudet solut vastasivat alkuperäisen “ikää”, he keräsivät ihosoluja 19 vapaaehtoiselta, joiden iät olivat lapsista 89-vuotiaiksi. Näistä näytteistä tehtyjä hermosoluja verrattiin näytteisiin, jotka saatiin ruumiinavausten yhteydessä samanikäisiltä kuolleilta ihmisiltä.
Tehdyt solut olivat vastaavanlaisia ja toimivat normaalisti: ne välittivät signaaleja yhtä hyvin kuin vastaavan ikäisten terveiden ihmisten solut.
Hermosolujen lisäksi tekniikkaa voidaan periaatteessa käyttää muidenkin solujen valmistamiseen, joten esimerkiksi sisäelimiin voidaan kenties piankin saada lisää soluja. Niinpä esimerkiksi munuais- ja maksasairauksia voidaan mahdollisesti hoitaa pian ihosta saatavia soluja viljelemällä laboratoriossa.
Päivän kuvana on tänään ranskalainen tutkimusilmapallo täytettävänä Kanadassa sijaitsevassa Timminsin tutkimusasemalla.
Ranskalla on pitkä historia stratosfääriin lähetettävien pallojen ja niiden kantamien tutkimuslaitteiden tekemisessä. Nyt syyskuun lopussa sekä lokakuun alussa olleen Strato Science 2015 -kampanjan aikana tehtiin kuusi lentoa, joilla tutkittiin yläilmakehän kemiaa, vesihöyryn määrää ja jakautumaa, aerosoleja sekä koetettiin saada talteen avaruudesta ilmakehään tullutta planeettainvälistä ainetta.
Kampanjan aikana käytettiin myös uudenlaista, kevyttä ja monitoimista gondolia, mihin tutkimuslaitteet asennettiin. Usein nykyisin pallojen kantamat gondolit tehdään lähes räätälintyönä kullekin lennolle, joten standardoitu monikertakäyttögondoli helpottaisi toimintaa olennaisesti – ja leikkaisi myös kustannuksia.
Samaan aikaan kun ranskalaiset lennättivät suuria (tilavuudeltaan jopa 800 000 m3 olleita pallojaan Kanadasta, tehtiin Ruotsin Kiirunassa myös pallolentoja. Kiiruna on eräs maailman aktiivisimmista stratosfääripallojen lennätyspaikoista, ja tällä kerralla siellä olivat vuorossa Saksan avaruustutkimuskeskuksen, Ruotsin avaruushallinnon ja Euroopan avaruusjärjestön yhdessä toteuttamat BEXUS-opiskelijalennot.
Lennoilla on on mukana eurooppalaisten opiskelijaryhmien tutkimuslaitteita, ja nämä lennot ovat avoimia myös suomalaisille – olettaen, että ryhmillä onniin hyviä ideoita, että tulevat valituiksi mukaan.
Ennakkoon jo kohua herättänyt paljastus Plutosta ei ollut mikään varsinainen yllätys, mutta kiinnostava vahvistus oletuksille: Plutossa on vesijäätä.
Plutoa heinäkuussa ohilennolla tutkineen New Horizons -luotaimen päätutkija Alan Stern oli hehkuttanut paljastusta ennalta suureksi ja merkittäväksi, ja kiinnostavinta tässä onkin kenties se, miten Nasa koetti jo eilisestä alkaen vaimentaa noussutta hälyä. Stern on varmasti innoissaan, mutta yhtä lailla hän on innostunut saamaan lennolleen lisää rahoitusta.
Vesijään olemassaoloa on arveltu jo siitä alkaen, kun kuvat Pluton jäätiköiden, jäävirtausten, kanjonien ja vuoristojen peittämästä pinnasta tulivat.
Luotaimen Ralph -spektrometrin, värikameran ja infrapunaspektrometrin kuvia yhdistelemällä merkit vesijäästä ovat varsin selvät ja ne on merkitty otsikkokuvana olevaan kuvaan sinisellä. Vesijää on Pluton pinnalla kovaa kuin kallio, ja sitä varmasti on enemmänkin kuin kuvissa nyt näkyy – tämä lienee "vain" pinnalle pilkottavaa jäätä.
Muualla muut jäätyypit, etenkin metaani- ja typpijää peittänee vesijään, ja tutkijaryhmä koettaa nyt ymmärtää miksi vesijäätä näkyy siellä missä sitä näkyy ja miksi muualla sitä ei ole havaittavissa.
Kuva alla näyttää missäpäin Plutoa jää on havaittu. Tarkka kuva on noin 450 km leveä.
Jännittävää kuvassa on myös se, että samoilta seuduilta on havaittu punertavaa ainetta. Se on todennäköisesti toliinia, samanlaista Auringon ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta metaanista tai etaanista muodostuvaa orgaanista väriainetta, mitä on havaittu myös Titanissa. Saturnuksen Titan-kuun punerrus johtuneen juuri samasta aineesta. Mikä on sen ja vesijään yhteys, on nyt yksi jännimmistä kysymyksistä.
Tänään julkistettiin myös näyttävä kuva Plutosta kuvattuna suoraan sen varjosta.
Kuvassa näkyy kääpiöplaneetan kaasukehä, joka näyttää siniseltä, koska kaasukehän harmaasta ja punertavasta aineesta siroava valo tekee siitä sinisen. Kyseessä on päinvastainen ilmiö kuin kuunpimennyksen aikaan Kuun punaisessa värissä.
Sinerryksen voimakas sinisyys kertoo siitä, että korkealla kaasukehässä on todennäköisesti pieniä hiukkasia. Ne voivat olla samoja punertavia toliineita, jota on pinnallakin.
Kenties Plutossa on Titanin tapaan varsin paljon typestä ja hiilivedyistä kaasukehän yläosissa muodostuneita monimutkaisia molekyylejä, jotka kerääntyvät pieniksi hiukkasiksi kaasukehässä. Ne vajoavat alaspäin ja putoavat lopulta myös pinnalle esimerkiksi typen kanssa sen tiivistyessä lämpötilan laskiessa. Näin toliineja on taivaalla ja pinnalla.
Koska Pluto on niin kaukana, prosessi lienee vain heikompi ja hitaampi kuin esimerkiksi Titanissa, joka on silmiinpistävän tiilenpunainen.
Tuoreessa Nature-lehdessä vastikään julkaistu tutkimus kertoo, että maapallon sisäydin on paljon nuorempi kuin aikaisemmin on luultu. Kivien magnetismimittaukset kertovat, että se syntyi noin 1-1.5 miljardia vuotta sitten.
Sisäytimeksi kutsutaan Maan syvintä pallomaista kerrosta, joka muodostuu kiinteästä raudasta. Nimensä mukaisesti se luuraa maapallon keskellä ja sen koko on hieman Plutoa suurempi.
Sisäydintä ympäröi nestemäisestä rauta-nikkeliseoksesta koostuva ulkoydin, joka alkaa noin 3000 kilometrin syvyydessä Maan pinnalta. Päinvastoin kuin ulkoydin, sisäydin on verrattain uusi tulokas maapallon sisukseen, ja sen syntytavasta ja syntyhetkestä käydään ankaraa keskustelua kansainvälisessä tiedeyhteisössä. Arviot sisäytimen syntyhetkestä vaihtelevat 0.5 miljardista aina 2 miljardiin vuoteen.
Naturen artikkelissa kansainvälinen tutkimusryhmä raportoi Maan sisäytimen muodostuneen nestemäisen ulkoytimen jäähtyvästä materiaalista noin 1-1.5 miljardia vuotta sitten. Uudessa tutkimuksessa analysoitiin vanhojen magmakivien magneettisia havaintosarjoja ja todettiin merkittävä nousu Maan magneettikentän voimakkuudessa tuolloin.
Magneettikentän voimakkuus kertoo kehittyvästä kiinteästä sisäytimestä
Tämä Maan magneettikentän kohonnut voimakkuuden arvo on todennäköisesti ensimmäinen selkeä viite siitä, että nestemäisen ulkoytimen jäähtyvästä aineksesta alkoi kehittyä kiinteä sisäydin maan keskipisteeseen.
"Uusi tulos pakottaa meidät katsomaan planeetta Maan sisuksen syntyä uudelta kannalta ja muistuttaa pitkäaikaisten aikasarjojen tärkeydestä Maan historian selvittelyssä", sanoo tutkijaryhmässä mukana oleva Helsingin yliopiston kiinteän maan geofysiikan laboratorion emeritusprofessori Lauri J. Pesonen.
"Maan ydin jäähtyy todennäköisesti hitaammin kuin mitä aiemmin on ajateltu. Sisäytimen koko kasvaa noin 1 millimetriä vuodessa."
Nyt esitellyt tutkimustulokset perustuvat eri puolilla maailmaa tehtyihin kivien magnetismin mittauksiin, joiden koonti kansainväliseksi tietokannaksi aloitettiin jo vuonna 1986 Pesosen toimesta. Tietokanta kokoaa maailmanlaajuiset tutkimusaineistot kaikille avoimeksi tietokannaksi ja myös laatuluokittelee aineistot luotettavuusindeksien avulla.
Liverpoolin yliopiston tutkijan, professori Andy Biggin mukaan Maan sisäytimen alkusynnyn teoriat ovat kiistanalaisia, ja sisäytimen syntyhetken selvittäminen on erityisen tärkeätä Maan magneettikentän luonteen ja synnyn selvittämiseksi, koska kenttä toimii paitsi suojaavana kilpenä kosmiselle säteilylle myös apuna navigoinnissa.
"Teoreettinen malli, joka parhaiten selittää uudet mittaustulokset, kertoo, että ydin luovuttaa lämpöä vaippaan hitaammin kuin koskaan aikaisemmin Maan 4.5 miljardin vuoden historiassa ja että tämä energia pitää yllä Maan magneettikenttää ainakin seuraavat miljardit vuodet", kertoo Biggin.
"Maapallo on tässä mielessä täysin erilainen kuin esimerkiksi Mars, joka omasi vahvan magneettikentän historiansa alkuhetkillä, mutta joka jostain syystä historiansa aikana sen menetti.
Artikkeli perustuu suoraan Helsingin yliopiston lähettämään tiedotteeseen.
Linnuilla on takanaan pitkä historia, sillä Archaeopteryx liitelimuinaisten metsien siimeksessä jo jurakauden lopulla eli 150 miljoonaa vuotta sitten. Tutkijat ovat kuitenkin kiistelleet siitä, missä vaiheessa linnut oppivat lentämään – siis tavalla, joka on niille ominaista nykypäivänä.
Espanjasta löytyneen fossiilin perusteella on nyt pystytty tekemään päätelmiä lintujen lentotaidosta 125 miljoonaa vuotta sitten. Luiden lisäksi hyvin säilyneessä siivessä erottuu yksityiskohtia lihaksista ja nivelsiteistä. Ne muistuttavat lihaksistoa, jolla nykylinnut hallitsevat siipisulkiaan.
"Fossiilissa säilyneen lihaksiston ja nykyisin elävien lintujen siipilihasten anatominen vastaavuus viittaa vahvasti siihen, että ainakin osa muinaisista linnuista osasi lentää yhtä taidokkaasti kuin monet nykylinnut", arvioi Luis M. Chiappe, Los Angelesin luonnonhistoriallisen museon dinosaurusinstituutin johtaja, joka oli mukana tutkijaryhmässä.
"On hyvin yllättävää, että huolimatta luuston rakenteellisista eroista nykylajeihin verrattuna alkukantaisten lintujen pehmytkudokset olivat hätkähdyttävän samanlaisia", ihmettelee tutkimusta johtanut Guillermo Navalón.
"Uusi fossiili antaa meille ainutlaatuisen kuvan suurimpien dinosaurusten kanssa samaan aikaan eläneiden lintujen siiven anatomiasta", toteaa Chiappe. "Tällaisten fossiilien avulla tutkijat pystyvät selvittämään lintujen lentotaidon kehittymisen mutkikkaimpia yksityiskohtia."
Luonnontieteiden Nobel-palkintojen viimeinen, kemian palkinto, menee tänä vuonna osittain takaisin Ruotsiin, sillä yksi kolmesta palkinnonsaajasta on ruotsalainen – vaikkakin vaikuttaa Brittein saarilla. Tomas Lindahl saa palkinnon yhdessä amerikkalaisen Paul Modrichin ja amerikkalaistuneen turkkilaisen Aziz Sancarin kanssa .
Kolmikko on kartoittanut molekyylitasolla sen, kuinka sovut korjaavat vaurioitunutta DNA-kaksoiskierrettään ja siten auttaa geenejämme vastustamaan haitallisia mutaatioita ja muita vaurioita.
Löytö paitsi on auttanut ymmärtämään paremmin solun toimintaa, niin sen avulla on myös keksitty uudenlaisia hoitoja mm. syöpäsairauksiin.
Solujemme geenit vaurioituvat koko ajan
Etenkin geenimuuntelusta puhuttaessa tuntuu usein siltä, että monet olettavat geenien pysyvät luontaisesti koko ajan samanlaisina. Näin ei ole, vaan koko ajan soluissamme ja niiden perintötekijöissä tapahtuu muutoksia.
Luonnossa oleva luontainen säteily, ultraviolettivalo, elintarvikkeissa ja hengitysilmassa olevat karsinogeenit ja monet muut seikat saavat aikaan sen, että soluissamme tapahtuu koko ajan vaurioitumista. Geenitietoa sisältävä DNA on myös sinällään epävakaa ja haluaa purkautua itsestään.
Kun DNA kopioi itseään solujen jakautuessa, tapahtuu tässäkin virheitä.
Kun nämä kaikki lasketaan yhteen, tapahtuu meissä kaikissa tuhansia mutaatioita ja miljoonia kopiointivirheitä joka päivä.
Tästä ei kuitenkaan aiheudu meille normaalisti mitään haittaa, koska soluissa olevat turvasysteemit huolehtivat koodin korjaamisesta. Mutta joskus tämä ei onnistu, ja tuloksena saattaa olla esimerkiksi syöpä.
Juuri näitä molekyylitason korjausprosesseja ja niiden toimintaa käytännössä ovat tämän vuoden nobelistit selvitelleet.
Tie tämän prosessin ymmärtämiseen alkoi 1970-luvulla, jolloin vielä kuviteltiin DNA:n olevat hyvin vakaa ja pysyvä. Tomas Lindahl osoitti kuitenkin tuolloin, että DNA hajoaa oikeasti niin nopeasti, että ilman jonkinlaista korjaus- ja huoltoprosessia ei elämä maapallolla olisi edes mahdollista.
Aziz Sancar puolestaan keskittyi tutkimaan sitä, miten ihon solut suojaavat itseään ultraviolettivaloa ja sen aiheuttamia vaurioita vastaan. Ihmiset, joilla tämä prosessi ei toimi kunnolla, ovat hyvin herkkiä saamaan ihosyövän pienestäkin altistumisesta Auringon valolle, ja Sancar onnistui selvittämään kuinka solujen nukleotidit (DNA:n rakenneyksiköt) korjaavat itsestään vaurioita.
Seuraavaksi Paul Modrich keskittyi DNA:n kopioitumisessa tapahtuvien virheiden automaattiseen korjaamiseen. Hänen löytämänsä mekanismi auttaa geeniä vähentämään virheitä solunjakautumisen aikana tuhatkertaisesti. Samalla tutkimus paljasti esimerkiksi sen, että periytyvässä paksusuolen syövässä kyse on pitkälti tämän korjausmekanismin toimintahäiriöstä.
Tämä osaltaan osoittaa hyvin, miten lääketieteellinen perustutkimus tuottaa erittäin hyödyllisiä käytännön sovelluksia.
Tämän vuoden fysiikan Nobel annettiin kahdelle neutriinotutkijalle, joiden työkalut ovat valtavia, syvällä kallioperässä olevia tutkimuslaitteita, joiden kohteina ovat pienenpienet alkeishiukkaset, neutriinot.
Neutriinot ovat pitkään massattomaksi oletettuja hiukkasia, joita syntyy ällistyttävän paljon koko ajan joka puolella erilaisten ydinreaktioiden oheistuotteina. Miljardeja sellaisia lentää itse asiassa lävitsemme joka sekunti, eikä niistä ole meille mitään haittaa – itse asiassa ne vuorovaikuttavat kaiken aineen kanssa niin vähän, että niiden havaitseminen on hyvin hankalaa.
Siihen tarvitaankin suuria, varsin omalaatuisia havaintolaitteita, ja jotta kaikki häiriötekijät voitaisiin karsia pois havainnoista, täytyy havaintolaitteet sijoittaa syvälle maaperään, kallion keskelle.
Juuri tällaista ollaan kaavailemassa myös Suomeen, Pyhäsalmen kaivokseen, missä voitaisiin tutkia tarkemmin ja paremmin myös tämänvuotisten nobelistien havaitsemaa omituista neutriino-oskillaatiota.
Kyse on siitä, että neutriinot muuttavat luonnettaan samalla kun ne lentävät valon nopeudella avaruuden halki. Tämä antaa viitteen siitä, että neutriinoilla olisi hyvin, hyvin pieni massa, mikä vaikuttaa kuvaamme koko maailmankaikkeudesta.
Ja ravistaa koko fysiikkaa.
Valontuikahduksia
Yllä oleva kuva on japanilaisen Super-Kamiokande -neutriino-observatorion sisältä Tokion luoteispuolelta.
Kyseessä on kilometrin syvyydessä sijaitseva noin 41 metriä korkea ja 40 metriä leveä sylinteri, jonka sisällä on 50 000 tonnia äärimmäisen puhdasta vettä. Kun neutriinot kulkevat veden läpi, pienenpieni osa niistä törmää vesiatomiin ja synnyttää heikon välähdyksen valoa. Näitä tuikahduksia havaitaan 11 000 säiliön seinillä olevilla ilmaisimilla.
Kuvassa huoltohenkilöt liikkuvat tyhjennetyn ilmaisimen sisällä kumiveneellä, koska näin he eivät vaurioita herkkiä lasista tehtyjä ilmaisimia.
Tämä on ollut japanilaisen Takaaki Kajitan työväline ja hänen kanssaan palkinnon jakava kanadalainen Arthur B. McDonald on tehnyt tutkimustaan toisella vastaavalla, Sudburyn lopetetussa nikkelikaivoksessa olevalla neutriinohavaintolaitteella.
Kajita julkaisi vuonna 1998 tutkimuksen, jonka mukaan Maan ilmakehässä kosmisten säteiden ja ilman molekyylien välisten törmäysten vuoksi syntyvät neutriinot muuttuvat ominaisuuksiltaan ennen osumistaan maan uumenissa olevaan Super-Kamiokanden ilmaisimeen.
Samaan aikaan Sudburyssä, Kanadan Ontariossa, McDonald työryhmineen havaitsi samanlaista tapahtuvan neutriinoissa, jotka ovat peräisin Auringosta. He julkaisivat havaintonsa vuona 2001.
Kummassakin tapauksessa kyse oli niin sanotusta neutriino-oskillaatiosta, missä neutriinot muuttuvat toisenlaisiksi.
Tämän ymmärtämiseksi täytyy kuitenkin katsoa hieman historiaan.
Hiukkanen, jota ei voi havaita?
Maailmankaikkeudessa on vain valoa sekä muuta sähkömagneettista säteilyä kuljettavia fotoneita enemmän kuin neutriinoita. Niitä syntyi valtavasti jo maailmankaikkeuden alussa, big bangissä, mutta niitä sikiää lisää koko ajan joka puolelta mitä erilaisimmista ydinreaktioista.
Jopa meistä ihmisistä sinkoaa ulos koko ajan uusia neutriinoja, sillä muun muassa kaliumin hajoaminen synnyttää niitä noin 5000 kappaletta sekunnissa.
Lisäksi niitä syntyy huimasti ydinreaktoreissa sekä Auringossa, josta pelkästään tulee Maahan noin 70 miljardia hiukkasta neliösentille.
Vaikka neutriinoja on näin paljon, on niiden erittäin huonon vuorovaikutuksen vuoksi niitä hankala havaita, ja niiden olemassaolosta saatiin vinkkiä vasta vuonna 1930. Silloin itävaltalainen fyysikko Wolfgang Pauli päätteli niiden olemassaolon epäsuorasti, sillä useat havaitut reaktiot voitiin selittää vain siten, että niistä vapautuisi tuntematon, neutraali ja hyvin kevyt tai massaton hiukkanen.
Pauli kertoi ajatuksistaan ensimmäistä kertaa joulukuussa 1930 kollegoilleen lähettämässään kirjeessä, jonka hän aloitti sykähdyttävästi sanoilla “Hyvät radioaktiiviset rouvat ja herrat”.
Kirjeensä lopussa hän totesi, että “olen tehnyt kauhean teon. Olen päätellyt olemassa olevaksi hiukkasen, jota ei voi havaita.”
Pauli sai tästä kauheasta teostaan Nobelin vuonna 1945.
Pian tämän jälkeen italialainen Enrico Fermi kehitti teorian, missä Paulin hiukkanen oli mukana ja hän nimesi hiukkasen neutriinoksi.
Neutriino saatiin nalkkiin
Vasta 1950-luvulla saatiin ensimmäiset havainnot, jotka voitiin tulkita neutriinojen aiheuttamiksi. Kun ydinvoimaloita alettiin rakentaa ja ydintekniikan kanssa tehtiin kokeita paremmin ja tarkemmin kuin koskaan, tuli neutriino väistämättä esiin.
Olennaisin oli kesäkuussa 1956 tehty havainto, missä fyysikot Frederick Reines ja Clyde Cowan löysivät selvästi neutriinon aikaan saamia jälkiä kokeissaan. He lähettivät löydöstä sähkeen heti Paulille, joka luonnollisesi oli harmissaan siitä, että hänen salahiukkasensa oli saatu havaittua. Tai kenties ei ollut.
neutriinojen tarkempi olemus on kuitenkin ollut hämärän peitossa viime vuosikymmeniin saakka. Niihin liittyi myös monia perustavaa laatua olleita (ja olevia) kysymyksiä, kuten se, että vaikka Auringosta tulee valtavasti neutriinoja, on niitä havaittu vain noin kolmannes teoreettisesti lasketusta.
Yksi ratkaisu tähän voisi olla se, että neutriinot muuttuvat toisenlaisiksi. Teorian mukaan on kolmenlaisia neutriinoja: elektronineutriinoja, muonineutriinoja ja tau-neutriinoja, joilla kullakin on hiukkaskartalla omat varaukselliset versionsa, eli elektroni, muoni ja tau.
Aurinko synnyttää teorian mukaan vain elektronineutriinoja, mutta jos osa niistä muuttuisi Auringosta lähtönsä jälkeen muunlaisiksi, selittyisi kahden kolmanneksen vajaus tällä.
Kun maanalaiset neutriino-observatoriot alkoivat olla tarpeeksi suuria ja tarkkoja 1990-luvun lopussa, tuli neutriinojen ongelmaan myös lisävaloa.
Ne hyvin harvat neutriinot, jotka törmäävät havaintolaitteissa olevassa nesteessä oleviin atomeihin tai elektroneihin, syntyy nopea, sähköisesti varattu hiukkanen, joka puolestaan synnyttää niin sanottua Cherenkovin säteilyä. Se on aavemaista, heikkoa sinertävää valoa, joka syntyy kun hiukkanen kulkee valoa nopeammin.
Kyllä: valoa nopeammin. Tämä tapahtuu silti Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan, vaikka se sanoo, ettei mikään koskaan voisi kulkea valoa nopeammin. Olennaista onkin se, että valon nopeus vedessä on vain 75% siitä mitä se on tyhjiössä, ja siten pikavauhtia kulkeva hiukkanen voikin kulkea vedessä nopeammin kuin valo – mutta silti hitaammin kuin valo tyhjiössä.
Kun tätä Cherenkovin valoa analysoidaan tarkasti, voidaan päätellä millainen neutriino sen sai aikaan ja mistä se on peräisin.
Neutriinohavaintoja liukuhihnalta!
Super-Kamiokande oli huima askel eteenpäin neutriinojen tuntemuksessa, koska kahden ensimmäisen toimintavuotensa aikana se onnistui saamaan viitisentuhatta havaintoa. Laite havaitsee neutriinoja, jotka tulevat sen yläpuolelta ilmakehästä kosmisten säteiden törmätessä ilman kaasumolekyyleihin. Samoin se havaitsee neutriinoja suoraan altaan, maapallon toiselta puolelta – maapallon kiviaines ei neutriinoja paljoa hetkauta.
Nopeasti ajatellen havaintoja pitäisi tulla yhtä paljon ja samanlaisia ylä- ja alapuolelta, mutta näin ei ollut: maapallon toiselta puolelta havaittiin olennaisesti enemmän muonineutriinoja.
Elektronineutriinojen määrä oli se mitä teoriat ennustivat ja tau-neutriinojen määrästä ei voitu sanoa mitään varmaa, koska niitä ei voitu havaita. Jos siis alun perin muonineutriinoja on saman verran ala- ja yläpuolella, niin oli todennäköistä, että alapuolelta tulevat voisivat muuttua tau-neutriinoiksi, koska matkaa on riittävästi.
Tosin myös Sudburyn havainnoissa tosin tiedetään varsin hyvin millaisia neutriinoita lähtöpaikassa on, sillä Aurinko tuottaa vain elektronineutriinoita. Sudburyssä käytetään myös puhtaan veden sijaan ns. raskasta vettä, jolloin se pystyy havaitsemaan kaikkia neutriinotyyppejä. Raskaassa vedessä on hapen lisäksi tavallisen vetyatomin sijaan deuterium, eli vedyn raskaampi isotooppi. Se tekee havainnoista tarkempia (ja samalla vaikeampia tulkita).
Siten siellä tehdyistä havainnoista voitiin nähdä selvästi, että Auringon neutriinoista elektronityyppisiä oli olennaisesti arveltua vähemmän. Havaintomäärän kasvaessa kävi yhä ilmeisemmäksi, että osan neutriinoista on täytynyt muuttua matkallaan Auringosta Maahan toisenlaisiksi. Itse asiassa kaksi kolmasosaa neutriinoista muuttuisi 150 miljoonaa kilometriä pitkällä matkallaan toiseksi lajiksi.
Kun Sudburyn havainnot osuivat aika tarkalleen yksiin neutriino-oskillaation ennustamien määrien kanssa, oli asia aika saletti.
Hiukkasen kvanttifysiikkaa
Tällä tosin oli se mullistava seuraus, että teoreetikoiden mukaan muuttuminen toiseksi on mahdollinen vain jos neutriinolla on massa.
Tämä tulee siitä, että kvanttimaailmassa hiukkanen voidaan käsittää joko aaltona tai pienenpienenä kappaleena, hiukkasena. Tietyn määrän energiaa sisältävä hiukkanen vastaa tiettyä aallonpituutta. Niinpä elektroni-, muoni- ja tau-neutriinot voidaan käsittää omanlaatuisina aaltoinaan.
Kun aallot etenevät tasatahtiin, ei neutriinon eri persoonallisuuksia voi erottaa toisistaan, mutta mitä pitempään aallot matkaavat, sitä enemmän ne menevät epätahtiin. Vaihe-eron mukaisesti aallot voivat vaikuttaa toisiinsa, oskilloida keskenään, ja lopulta aallot ovat erilaisia ja siten neutriinot ovat eri tyyppisiä.
Tässä massa tulee kuvaan, sillä sen mukaisesti neutriinojen aallot muuttuvat – hyvin, hyvin, hyvin vähän, mutta silti, ja etenkin pitemmillä matkoilla käy juuri näin. Kun neutriinon massa, jos ja kun se on olemassa, on äärimmäisen pieni, ja erot massoissa ovat erittäin pieniä, ovat eroavaisuudetkin hyvin pieniä. Mutta kuten on huomattu, havaittavia.
Teorian mukaan pari tuhatta kilometriä on matka, jonka kuluessa muuttuminen saattaisi tapahtua. Siksi Laguna-ilmaisimen Pyhäsalmi olisi erinomainen paikka ilmaisimelle, koska siellä on tarkoitus havaita Euroopan hiukkastutkimuskeskuksessa CERNissä noin 2300 kilometrin päässä synnytettyjä neutriinoja: kun tiedetään tarkasti millaisia neutriinoja lähtöpisteessä on ja kuinka paljon, niin tätä neutriino-oskillaatiota on helpompi tutkia.
Fyysikoille hommia
Se, että neutriinoilla on pieni massa, saa aikaan monennäköistä harmia. Ensinnäkin kosmologeille tämä tarkoittaa sitä, että maailmankaikkeuden massa-arvio on pielessä. Vaikka neutriinon massa olisi lähes nolla, se ei ole nolla, ja koska neutriinoita on niin paljon, tulee niistä yhdessä arvioiden mukaan yhtä paljon “lisää” massaa maailmankaikkeuteen kuin kaikista näkyvistä tähdistä.
Tämä saattaa selittää osan havaituista kummallisuuksista maailmankaikkeuden laajenemistahdissa, mutta siihen vaikuttaa moni muukin asia.
Fyysikkojen parinkymmenen vuoden ajan rakentama ns. Standardimalli myös vaatii viilausta. Malli koettaa selittää paitsi hiukkaset, niin myös niiden väliset voimat ja vaikutukset, ja nyt massattomaksi oletettu neutriino ei olekaan massaton.
Mistä sen massa tulee? Mitkä on eri neutriinotyyppien massat? Miksi ne ovat niin äärimmäisen kevyitä? Onko niillä omat antihiukkasensa, kuten muilla? Ja miksi neutriinot vaikuttavat muutenkin niin erilaisilta kuin muut hiukkaset?
Vastauksista näihin perustavaa laatua oleviin kysymyksiin tullaan varmasti jakamaan monta Nobelia tulevaisuudessa.
Alla on Tiedetuubin video Suomeen suunniteltavasta Laguna-ilmaisimesta ja siinä selitetään varsin paljon myös neutriinojen omituisuuksia:
Juttumme lääketieteen Nobelista tulee hieman myöhässä, vähän kuin palkinto näille loistautitutkijoille: palkinnon saaneiden William C. Campbellin, Satoshi Ōmuran ja Youyou Tun työn ansiosta miljoonat ihmiset ennen kaikkea Afrikan ja Aasian köyhissä maissa ovat saaneet apua ja parantuneet, mutta heidän työtään kunnioitetaan vasta nyt.
Palkinto jaettiin kahteen osaan, joista toisen saivat amerikkalainen William C. Campbell ja japanilainen Satoshi Ōmura. He kehittivät lääkkeen nimeltä Avermectin, joka versioineen on vähentänyt roimasti niin sanottua jokisokeutta ja elefanttitautia sekä tepsii myös muihin loisten aiheuttamiin tauteihin.
Toisen puolikkaa saanut Youyou Tu puolestaan löysi Artemisinin-nimisen lääkeaineen, joka on vähentänyt malariaan sairastuneiden kuolleisuutta olennaisesti.
Tuoreiden nobelistien yhteinen tekijä on siis loistautien tutkimus ja niihin avun löytäminen. Loisia on erilaisia, ja nyt huomio kiinnittyi kahteen hankalimpaan: mäkäräisten levittämiin sukkulamatoihin sekä malariahyttysiin. Kummatkin ovat haittana jotakuinkin samoilla alueilla Saharan eteläpuoleisessa Afrikassa, Etelä-Aasiassa ja Keski-Amerikassa sekä Etelä-Amerikan pohjoisosassa.
Maaperällä matoja vastaan
Jokisokeudessa (Onchocerciasis) loinen saa aikaan silmän sarveiskalvon kroonisen tulehduksen, joka johtaa lopulta sokeuteen. Tautia kutsutaan jokisokeudeksi, koska loisia on tyypillisesti saatu helposti jokien luona.
Niin sanotussa elefanttitaudissa (Lymphatic Filariasis) ennen kaikkea raajat paisuvat muodottomiksi möhkäleiksi imusuonten ahtautumisen vuoksi.
Mikrobiologi Satoshi Ōmura onnistui eristämään maaperästä Streptomyces-bakteereja, joista hän teki tuhansia viljelmiä ja valitsi niistä noin 50 parhaiten haitallisia mikro-organismeja vastaan vaikuttanutta. Yksi niistä päätyi lopulta Avermectin-lääkkeeseen.
William C. Campbell on puolestaan loisbiologian erikoistuntija ja hän hankki tutkittavakseen Ōmuran bakteeriviljelmiä ja osoitti, että ne tepsivät erityisesti koti- ja talouseläimien loisia vastaan. Hän auttoi paitsi kehittämään Avermectinia, niin myös jatkojalosti siitä tehokkaamman eläimille tarkoitetun lääkkeen nimeltä Ivermectin. Sitä testattiin myöhemmin myös ihmisillä hyvin tuloksin.
Kiinalaisyrtit tepsivät malariaan
Malariaa on koetettu hoitaa perinteisesti kiniinin ja klorokiinin avulla, mutta näiden teho on ollut kyseenalainen ja lisäksi ne toimivat yhä huonommin tautia vastaan. Malariaan on koetettu löytää pitkään muitakin lääkkeitä, mutta turhaan – paitsi että se on vaikeaa, niin myös lääkeyhtiöt eivät ole katsoneet sitä tarpeeksi kannattavaksi, koska malaria vaivaa ennen kaikkea maailman köyhimpiä alueita.
Youyou Tu tutki myös asiaa jo 1960-luvun lopulla ja kiinnitti huomionsa perinteisiin kiinalaisiin yrttilääketieteen oppikirjoihin, joissa jo kerrottiin erilaisista yrityksistä hoitaa ja ehkäistä malariaa.
Niiden mukaan Artemisia annua -kasvi olisi tehokas malarialääke, ja Tu alkoi tutkia sitä tarkemmin. Hän testasi siitä tehtyä uutetta malarian sairastuttamiin eläimiin, mutta huonoin tuloksin.
Hän tutki vanhoja tekstejä lisää ja löysi sitten tavan saada kasvista eristetyksi sen vaikuttavan ainesosan, mistä tuli myöhemmin malarialääke nimeltä Artemisinin. Se onnistuu tappamaan malarialoiset hyvin varhaisessa kehitysvaiheessa, ja pystyy hoitamaan siten myös hyvin vaikeita malariatapauksia – niin eläimillä kuin ihmisilläkin.
Lääkkeen merkitys on suuri, sillä malariaan sairastuu vuosittain noin 200 miljoonaa ihmistä ja sen avulla pelastetaan yksistään Afrikassa (yhdessä muiden hoitojen kanssa) yli 100 000 henkeä vuosittain.
Nobelistien paljastusviikko jatkuu tänään fysiikan palkinnon saajien julkistamisella.
Kvanttifysiikan mukaan ei kovinkaan tyhjä. Werner Heisenbergin 1920-luvulla kehittämän epätarkkuusperiaatteen mukaan sähkö- ja magneettikentät eivät koskaan voi samanaikaisesti kadota tyystin.
Siksi jopa "täydellisessä" tyhjiössä ja pilkkopimeässä tapahtuu pieniä sähkömagneettisia fluktuaatioita, joiden ansiosta tyhjiö ei ole täydellinen.
Suoraa havaintoa tästä vähäisestä väreilystä on pidetty mahdottomuutena, joten tutkijat ovat joutuneet tyytymään epäsuoriin mittauksiin, esimerkiksi virittyneistä atomeista lähtevän spontaanin emission ja alkuräjähdyksen seurauksena syntyneiden maailmankaikkeuden rakenteiden tarkasteluun.
Konstanzin yliopistossa on nyt onnistuttu tekemään mahdottomasta mahdollista. Alfred Leitenstorferin johtama tutkijaryhmä on pystynyt mittaamaan tyhjän avaruuden perustilan ominaisuuksia.
"Huipputarkkuuden ansiosta pystyimme havaitsemaan ensimmäisen kerran, että meitä ympäröivät kaiken aikaa sähkömagneettisten tyhjiöfluktuaatioiden kentät", toteaa Leitenstorfer.
"Mittauksessamme oli tieteellisesti yllättävää ja kiehtovaa, että pystyimme tarkastelemaan suoraan kvanttijärjestelmän perustilaa muuttamatta sitä."
Yksi kvanttifysiikan ongelmia ja samalla perusasioita on, että hiukkasmaailman mittakaavassa mittaukset vaikuttavat mitattaviin asioihin.
Tyhjiön fluktuaatioita voidaan ajatella kvanttikentän värähtelynä, jonka jakauma on satunnainen. Se muuttuu kaiken aikaa, mutta saadut lukemat värähtelyjen voimakkuudesta kasvavat, kun mittauksessa käytetty aikaväli ja matka pienenevät.
Kokeessa tyhjiön sähkömagneettisten kenttien luotaamiseen käytettiin hyvin lyhyitä valopulsseja. Mittalaitteisto rakentui elektro-optisesta kiteestä, joka oli sijoitettu kahden kullalla päällystetyn paraboloidipeilin väliin.
Peilien avulla laajakaistaiset "valokentät" keskitettiin ja säteenjakajan avulla ainoastaan femtosekunnin eli sekunnin tuhannesbiljoonasosan mittaiset valopulssit yhdistettiin kvanttikenttiin. Laitteiston tarkkuutta rajoittivat enää ainoastaan kvanttifysikaaliset tekijät.
Tämän vuoden Nobel-palkinnot julkistetaan tällä viikolla ja show pyörähtää käyntiin tänään lääketieteen palkinnon julkistamisella. Perinteiseen tapaan nimi kerrotaan aikaisintaan klo 11:30 Ruotsin aikaa ja toisinaan voittajaa pohditaan viime hetkeen saakka, ja julkistus lykkääntyy vähän.
Lääketieteen palkinnon saajan ilmoittaa Urban Lendahl, tästä palkinnosta vastaava sihteeri Nobel-komiteassa. Suomen aikaa ilmoitus tapahtuu aikaisintaan klo 12:30.
Huomenna tiistaina klo 12:30 (aikaisintaan) on luvassa fysiikan palkinnon voittajan tai voittajien ilmoittaminen. Niistä kertoo Göran K. Hansson, Ruotsin kuninkaallisen tiedeakatemian pysyvä sihteeri.
Keskiviikkona kerrotaan kemian palkinnon saajat, ja näistä tietoa odotetaan klo 12:45 alkaen. Jälleen ilmoituksen tekee Göran K. Hansson.
Torstain lepopäivän jälkeen perjantaina klo 12:00 huomio kääntyy Norjaan, sillä silloin Kaci Kullmann Five, Norjalaisen Nobel-komitean puheenjohtaja kertoo rauhanpalkinnon saajan.
Talouspalkinnon saaja ilmoitetaan viikon kuluttua maanantaina 12. lokakuuta klo 14 Suomen aikaa (aikaisintaan), ja tämänkin kertoo meille vanha tuttu Göran K. Hansson.
Joukosta puuttuu vielä kirjallisuuden Nobel-palkinto, jonka saajasta Ruotsin akatemia ilmoittaa myöhemmin.
Lääketieteen Nobel-palkinnosta
Tänään siis jaetaan lääketieteen palkinto ja tähän mennessä kaikkiaan 105 henkilöä on saanut tämän arvostetun palkinnon vuosien 1901 ja 2014 välillä. Palkittujen keski-ikä on 58 vuotta, ja nuorin oli Frederick G. Banting, joka vuonna 1923 sai palkintonsa insuliinin löytämisestä vain 32-vuotiaana.
Tilastojen mukaan vain 11 naista on saanut tähän mennessä Nobelin lääketieteen palkinnon.
Vain 38 kertaa palkinto on annettu yhdelle ainoalle henkilölle, joten on varsin todennäköistä, että etenkin nykyisenä ryhmätyöaikana tälläkin kertaa palkinnonsaajia on useampia.
