Vedestä sanotaan usein, että se on elämän perusedellytys. Mikä tekee vedestä niin ihmeellisen, että sitä voidaan pitää biologisen elämän mahdollistajana? Mitä veden ominaisuudet kertovat meille Jumalan olemassaolosta?

Hienosäädöllä (engl. fine-tuning) tarkoitetaan sitä luonnontieteellistä havaintoa, että mutkikkaan, älyllisen elämän olemassaolo riippuu tarkasti sopivista luonnon olosuhteista. Kuten fyysikot Stephen Hawking ja Leonard Mlodinow kirjoittavat teoksessaan Grand Design (2010), “Luonnonlait muodostavat järjestelmän, joka on äärimmäisen hienosäädetty ja fysiikan lakeja voidaan muuttaa vain hyvin vähän tuhoamatta tuntemamme elämän kehittymisen mahdollisuutta.” Hienosäädölle tyypillisinä selityksinä on esitetty joko luomista tai multiversumia, ja asiaan liittyvistä tarkoista todennäköisyyksistä käydään myös kriittistä keskustelua. Asiaan liittyvistä argumenteista on Areiopagilla julkaistu artikkelit kosmisesta hienosäädöstä (tässä ja tässä) sekä luomista ja multiuniversumia käsittelevästä keskustelusta.

Hienosäätöä käsittelevistä argumenteista kosmisten perusvuorovaikutusten ja niistä seuraavien luonnonlakien hienosäätöön liittyvät argumentit ovat varmaankin kaikkein tunnetuimpia. Hieman harvemmin keskustelussa ovat olleet esillä elämälle välttämättömien elementtien kuten veden, valon, hapen ja hiilen ominaisuuksiin perustuvat hienosäätöargumentit. Näiden ominaisuudet perustuvat luonnollisesti taustalla oleviin fysiikan lakeihin, joiden perustana puolestaan ovat kosmisten perusvuorovaikutusten ominaisuudet. Siten ne kertovat epäsuorasti myös koko kosmoksen hienosäädöstä. Kosmisiin hienosäätöargumentteihin verrattuna ne tuovat hienosäädön konkreettisesti havainnoitavalle, suorastaan käsin kosketeltavalle tasolle.

Tässä sarjassa esittelen keskustelun pohjaksi konkreettisia esimerkkejä hienosäädöstä. Sarja perustuu biokemisti Michael Dentonin kirjaan Nature’s Destiny: How the Laws of Biology Reveal Purpose in the Universe (The Free Press 1998). Kirjassaan Denton lähtee liikkelle englantilaisen monialatieteilijä Willian Whewellin (1794–1866) ja kemisti Lawrence Hendersonin (1878–1942) vuonna 1913 kirjassaan The Fitness of the Environment esittämistä hienosäätöargumenteista, ja täydentää niitä nykytietämyksen valossa. Argumentit kertovat kiinnostavalla tavalla siitä, miten hienovaraiset ovat ne olosuhteet, joissa elämä on ylipäänsä mahdollista.

Kirjassaan Denton käsittelee nimenomaan biologista elämää sellaisena kuin sen tunnemme eli hiilipohjaista elämää. Hän toteaa, että tutkijat pitävät mahdollisina esimerkiksi pii-, ammoniakki- tai nanoteknologiapohjaisia elämänmuotoja. Vaihtoehtoisten elämänmuotojen mahdollisesta rakenteesta ei voi sanoa tiedettävän, koska muuta elämää ei ole löydetty. Dentonin mukaan on kuitenkin syytä ajatella, että hiili on esitetyistä vaihtoehdoista ylivertainen elämän perustana. Jos kosmoksessamme on muita elämänmuotoja, myös ne ovat todennäköisesti hiilipohjaisia.

Tässä neliosaisessa artikkelisarjassa käsitellään veden, valon, hapen ja hiilen hienosäätöä. Veden hienosäätöä käsittelevä artikkeli on sarjan ensimmäinen osa.

Veden hienosäätö

Vesi on kaikista tunnetuista nestemäisistä aineista ainoa mahdollinen perusta orgaaniselle hiilipohjaiselle elämälle. Yksi veden keskeisistä ominaisuuksista on yksinkertainen molekyylirakenne. Tästä seuraa, että vettä esiintyy runsaasti luonnossa. Elämän perustaksi ei kelpaisi mikään aine, jota esiintyy harvakseltaan.

On vaikea kuvitella, miten mikään orgaaninen elämänmuoto voisi olla olemassa ilman nestemäistä perustaa ja ravinteiden välittäjäainetta. Elämän perustaksi eivät kelpaisi kaasut, koska niiden atomit ovat täysin vapaasti liikkeessä, joten ne ovat liian epävakaita tähän rooliin. Myöskään kiinteässä muodossa olevat aineet eivät kelpaa, koska niiden atomit ovat liian tiiviisti yhdistyneinä toisiinsa, ja siten elämän vaatimat dynaamiset prosessit eivät pääse tapahtumaan eli muut ainesosat eivät pääse virtaamaan joukossa.

Vedellä on erityislaatuisia ominaisuuksia elämän rakennusalustana, jollaisia ei ole millään muilla aineilla. Veden erityislaatuiset ominaisuudet voidaan jakaa neljään osa-alueeseen: ympäristöä muokkaaviin ominaisuuksiin, nestemäisen muodon säilymistä edistäviin ominaisuuksiin, tehokkaan lämmönsäätelyn mahdollistaviin ominaisuuksiin sekä biologiset organismit mahdollistaviin muihin ominaisuuksiin.

Veden ympäristöä muokkaavat ominaisuudet

Vesi muokkaa tehokkaasti ympäristö muokaten maaperää ja irrottaen siitä ravinteita. Irrottamansa ravinteet vesi kuljettaa ekosysteemiin. Veden ympäristöä muokkaavia ominaisuuksia ovat veden korkea liuottamisteho, sopiva kemiallinen reaktiivisuus, korkea pintajännite, laajeneminen jäätyessä sekä jään korkea viskositeetti eli sitkeys.

Veden korkea liuottamisteho on erittäin keskeinen sen biologisen elämän mahdollistajana toimimisen kannalta. Vesi liuottaa tehokkaasti ravinteita maaperästä ja kuljettaa ne ekosysteemiin.

Veden kemiallinen reaktiivisuus on juuri sopivaa tasoa eli se ei reagoi kovinkaan helposti kemiallisesti muiden aineiden kanssa. Siten se on ideaalinen muiden aineiden kuljettajana ekosysteemissä.

Korkea pintajännite saa veden painumaan kallioperän pieniinkin halkeamiin edistäen maaperän eroosiota ja kallion sisältämien ravinteiden päätymistä ekosysteemiin.

_{Korkea pintajännite saa veden painumaan pieniinkin kallion halkeamiin, mikä edistää tehokkaasti eroosiota}

Veden laajetessa jäätyessä kallioperän halkeamiin imeytynyt vesi saa aikaan kallion lohkeilemisen. Tämä nopeuttaa entisestään eroosiota ja ravinteiden päätymistä ekosysteemiin.

Jään korkea viskositeetti eli sitkeys on mahdollistanut maaperän, erityisesti jääkausien päätteeksi korkeiden vuorten, kulumisen ja niistä irronneiden ravinteiden siirtymisen ekosysteemiin. Kun suuret jäämassat ovat lähteneet liikkeelle, ne ovat saaneet aikaan huomattavan maaperän kulumisen. Jos jään viskositeetti olisi pienempi, sen aiheuttama paine ei olisi riittänyt kuluttamaan maaperää yhtä tehokkaasti.

Veden nestemäisen muodon säilymistä edistävät ominaisuudet

Veden ominaisuudet näyttävät olevan optimoidut nestemäisen muodon säilyttämiseen. Suurimmassa osassa maapalloa vesi pystyy säilyttämään pääosin nestemäisen muodon jäätyen vain ääriolosuhteissa pysyviksi massoiksi. Ilman näitä ominaisuuksia elämää voisi olla vain alueilla, joissa ilmasto pysyy jatkuvasti lämpimänä. Veden nestemäisen muodon säilymistä edistäviä ominaisuuksia ovat laajeneminen jäätyessä, veden tiheimmillään oleminen neljässä asteessa, jään alhainen lämmönjohtavuus, jään tarpeeksi alhainen viskositeetti sekä veden korkea latenttilämpö jäätyessä ja höyrystyessä.

Kaksi veden nestemäisen muodon säilymistä edistävistä ominaisuuksista liittyvät veden tiheyteen eri lämpötiloissa. Ensimmäinen näistä on laajeneminen jäätyessä. Vesi on ainut aine, jonka tiheys ei kasva lineaarisesti sen lämpötilan laskiessa. Kaikilla muilla tunnetuilla aineilla tiheys kasvaa lämpötilan laskiessa: molekyylit puristuvat yhä pienempään tilaan. Tiivistymisen sijaan vesi jatkaa laajenemista kiinteässä olomuodossa, toisin kuin kaikki muut aineet.

Toinen tiheyteen liittyvä ominaisuus on, että vesi on tiheimmillään plus neljässä celsiusasteessa. Nestemäisessä muodossa olevan veden lämpötilan laskiessa vesi muuttuu tiiviimmäksi, kuten kaikki muutkin aineet, mutta ainutlaatuisella tavalla tiivistyminen loppuu neljässä asteessa. Tästä ja veden laajenemisestä jäätyessä seuraa, että jää on kevyempää kuin sula vesi, joten jää kelluu vesistöjen pinnalla.

Muita aineita kuin vettä tarkasteltaessa tiheys kasvaa lämpötilan laskiessa luonnonlain omaisesti. Veden kohdalla tämän kaavan rikkominen näyttää viestivän suunnitelmallisesta hienosäädöstä. Ilman edellä mainittuja kahta ominaisuutta maapallon sellaisilla alueilla, joissa vedet jäätyvät talvella, vesistöt jäätyisivät pohjasta lähtien ja olisivat ympäri vuoden umpijäässä. Koska pakkasella sula vesi kuitenkin painuu pohjaa kohden, vesistöt jäätyvät vain pinnasta, ja ehtivät sulamaan lämpimän ajanjakson aikana. Jos näin ei olisi, elämän olemassaolo olisi mahdollista vain alueilla, joissa vedet eivät koskaan jäädy. Myöskin elämän kehittyminen kylminä aikakausina vesistöissä on ollut mahdollista vain, koska jääpeitteen alla on ollut sulaa vettä.

_{Kuva: Veden kahden ainutlaatuisen ominaisuuden ansiosta, laajenemisen jäätyessä ja tiheimmillään olemisen neljässä asteessa, vesistöt jäätyvät vain pinnasta}

Ilman jään ja lumen alhaista lämmönjohtavuutta pienet järvet jäätyisivät todennäköisemmin kokonaan, koska lumi ja jää eivät toimisi tehokkaana eristeenä. Tällöin järvet luovuttaisivat lämpönsä nopeasti jäätyen pohjaan asti.

Jään viskositeetti on tarpeeksi alhainen. Jos viskositeetti olisi huomattavasti korkeampi, jää muodostaisi liikkumattomia massoja, ja kaikki jää kerääntyisi vuoristoihin ja navoille.

Latenttilämmöksi kutsutusta ilmiöstä seuraa, että jään sulaessa tai veden höyrystyessä ympäristöstä imeytyy siihen lämpöä. Jään sulaessa veden latenttilämpö on erittäin korkea; kaikista tunnetuista aineista vain ammoniakin latenttilämpö on korkeampi. Tämä tarkoittaa myös, että jäätyessään vesi luovuttaa suuren määrän energiaa ympäristöönsä, mikä puolestaan hidastaa jäätymistä. Höyrystyessä veden latenttilämpö on korkein kaikista tunnetuista luonnollisissa lämpötiloissa nestemäisinä esiintyvistä aineista. Tämä tarkoittaa, että veden höyrystyessä siihen absorboituu paljon energiaa. Jos veden latenttilämpö ei olisi näin korkea, maapallon ilmaston muutokset tapahtuisivat huomattavasti nopeammalla tahdilla, koska lämpötilanmuutokset saisivat aikaan nopeammin jäätymisen ja höyrystymisen. Pienet järvet ja joet ilmestyisivät ja katoaisivat jatkuvalla tahdilla.

Veden tehokkaan lämmönsäätelyn mahdollistavat ominaisuudet

Veden ominaisuudet mahdollistavat ilmaston vakauden sekä eliöiden selviytymisen niin kuumissa kuin kylmissäkin olosuhteissa. Veden omaamia tehokkaan lämmönsäätelyn mahdollistavia ominaisuuksia ovat veden korkea lämmönvarausaste, sopiva lämmönjohtavuus, korkea latenttilämpö höyrystyessä sekä lumen ja jään alhainen lämmönjohtavuus.

Veden korkea lämmönvarausaste tarkoittaa, että vesi voi ottaa vastaan paljon lämpöenergiaa. Lämpöenergian määrä, joka tarvitaan nostamaan veden lämpötilaa, on suurempi kuin suurimmalla osalla nesteitä. Ilman tätä ominaisuutta lämpötilaerot talven ja kesän välillä olisivat huomattavasti suuremmat. Lisäksi sään suhteen olisi enemmän ääriolosuhteita, ja merivirroilla olisi vähemmän kapasiteettia lämmön kuljettamiseen eri puolille maapalloa.

Veden lämmönjohtavuus on suurempi kuin useimmilla yleisillä nesteillä. Ilman korkeaa lämmönjohtavuutta lämpö ei pystyisi jakautumaan tasaisesti kehossa sekä solujen sisällä, ja vesi ei voisi johtaa ylimääräistä lämpöä verenkiertojärjestelmän mukana ulos kehosta. Toisaalta jos veden lämmönjohtavuus olisi huomattavasti korkeampi, samaa luokkaa kuin esimerkiksi kuparilla, kehon lämpötila vaihtelisi nopeasti ympäristön lämpötilan mukaan, jolloin tasaista kehonlämpöä olisi mahdotonta ylläpitää.

Ilman korkeaa latenttilämpöä höyrystyessä eläinten ja ihmisten olisi huomattavasti vaikeampaa päästä eroon ylimääräisestä lämmöstä, koska hikoillun veden höyrystyessä iholla mukana siirtyisi vähemmän lämpöä.

_{Vedellä on höyrystyessä korkea latenttilämpö, jonka ansiosta lämpöenergiaa siirtyy tehokkaasti vesihöyryn mukana}

Jään ja lumen lämmönjohtavuus ovat alhaiset, jota ilman lumi ja jää eivät toimisi tehokkaasti eristeenä. Ilman tehokasta eristävyyttä monien lunta ja jäätä suojanaan käyttävien elämänmuotojen selviytyminen olisi mahdotonta.

Veden muut ominaisuudet, jotka mahdollistavat biologiset organismit

Vesi toimii eräänlaisena matriisina, perustana, biologiselle elämälle. Ilman veden optimoituja ominaisuuksia esimerkiksi ravinteiden välittäjänä ei edes bakteeritason elämä olisi mahdollista. Monimutkaisen elämän kehittymisen kannalta vedellä on monia ominaisuuksia, jotka näyttävät olevan optimaalisia. Veden ominaisuudet, jotka mahdollistavat biologisten organismien olemassaolon, ovat veden korkea pintajännite, sopiva tiheys sekä alhainen viskositeetti.

Veden korkean pintajännitteen ansiosta kasvit voivat imeä vettä maaperästä. Jos veden pintajännite olisi samaa luokkaa kuin useimmilla muilla nesteillä, tämä ei olisi mahdollista.

Veden tiheys on juuri sopiva. Veden tiheys määrittää suoraan veden painon, joten jos vesi olisi huomattavasti tiheämpää, voisivat elävät organismit olla kooltaan vain murto-osan nykyisestä. Esimerkiksi ihmisen ruumiinpainosta 60-70% koostuu vedestä. Ihmisen kaltaista kaksijalkaista elämää ei olisi voinut kehittyä, koska ruumis olisi liian raskas kannettavaksi kahdella jalalla. Raajoja ei olisi voinut kehittyä, koska niiden paino liian suuri liikuteltavaksi.

Jos vesi olisi puolestaan vähemmän tiheää, vedessä elävät eliöt painuisivat pohjaan. Tällöin vesistöissä ei voisi olla kompleksista elämää.

Veden viskositeetti on alhaisempi kuin lähes kaikilla muilla nesteillä. Veden viskositeetti on juuri sopiva elämän mahdollistamiseksi. Jos se olisi paljon alhaisempi, biologisten organismien liikkuessa niiden sisällä olevalla vedellä olisi huomattavasti suurempi liikevoima altistaen organismit repiville voimille. Tällöin esimerkiksi solun rakenteet vahingoittuisivat.

Jos veden viskositeetti olisi korkeampi, vesistöissä olevan elämän, kuten kalojen, liikkuminen olisi hyvin vaikeaa. Myöskään solutason organismien toiminta ei olisi mahdollista, koska vesi ei pääsisi virtaamaan.

_{Jos veden viskositeetti olisi korkeampi, kalojen liikkuminen vedessä olisi vaikeaa}

Veden tarpeeksi alhainen viskositeetti vaikuttaa myös ravinteiden levittäytymiseen vedessä. Vedessä ravinteet leviävät tehokkaasti varsinkin pienillä etäisyyksillä diffuusion eli tasaisen sekoittumisen kautta. Jos viskositeetti olisi korkeampi, ravinteet eivät levittäytyisi sen mukana tehokkaasti. Tällöin bakteerien ja muiden pieneliöiden, joilla ei ole verenkiertojärjestelmää, olisi vaikea saada tehokkaasti ravinteita ja päästä eroon jätöksistä.

Veden viskositeetti on myös tarpeeksi alhainen olemaan optimaalinen verenkiertojärjestelmän kannalta. Koska diffuusion kautta ravinteet levittäytyvät vain hyvin pienille alueille tehokkaasti, pieneliötä suuremmat organismit tarvitsevat verenkiertojärjestelmän ravinteiden levittämiseen. Tällaisessa järjestelmässä on oltava hyvin tiheässä pieniä hiussuonia, jotta kaikki osa-alueet saavat ravintoa tehokkaasti. Jos veden viskositeetti olisi vähänkin korkeampi, hiussuonten olisi oltava niin suuria, että käytännössä ne veisivät koko tilan lihaskudoksessa.

Yhteenveto

Elämä sellaisena kuin sen tunnemme näyttää olevan mahdotonta ilman vettä. Edellä käsitelty hiilipohjaisen elämän mahdollistavien ominaisuuksien lista on vedellä mykistävä: korkea liuottamisteho, sopiva kemiallinen reaktiivisuus, korkea pintajännite, korkea latenttilämpö höyrystyessä ja jäätyessä, laajeneminen jäätyessä, tiheimmillään oleminen neljässä asteessa, korkea pintajännite, sopiva tiheys, alhainen viskositeetti, korkea lämmönvarausaste, korkea lämmönjohtavuus, lumen ja jään alhainen lämmönjohtavuus sekä jään sopivan korkea viskositeetti.

Jos yksikin edellä mainituista ominaisuuksista puuttuisi, elämä maapallolla olisi vähintäänkin hyvin erilaista, ellei jopa mahdotonta. Kaikkiin muihin aineisiin verrattuna nämä kaikki ominaisuudet yhdistyvät vedessä täysin poikkeuksellisella tavalla. Muilla huoneenlämmössä nestemäisinä esiintyvillä aineilla on havaittu olevan vain yksittäisiä edellä mainituista ominaisuuksista, ja monet veden ominaisuudet ovat hyvin poikkeuksellisia. Vesi todella näyttää olevan ominaisuuksiltaan ylivertainen hiilipohjaisen elämän perustana. Tämän voi tulkita viestivän sellaisesta suunnitelmallisuudesta luomakunnan biologisen rakenteen taustalla, jolle sattuma on hyvin epätodennäköinen selitys.

Lähteet:

Denton, Michael (1998): Nature’s Destiny: How the Laws of Biology Reveal Purpose in the Universe. The Free Press, New York.

Hawking, Stephen & Mlodinow, Leonard (2010): The Grand Design. Random House, New York.

Artikkelikuva: Jong Marshes @ Unsplash

Kuva 1: Jeremy Bishop @ Unsplash

Kuva 2: NOAA Oean Exploration @ Flickr

Kuva 3: Gaelle Marcel @ Unsplash

Kuva 4: Delbert Pagayona @ Unsplash