Artikkeli / Sampsa Korpela / 5.11.2019

Elämän perusedellytysten hienosäätö, osa 2: Valo

Valo on elämän yksi perusedellytyksistä. Ilman valoa meillä ei voisi olla näköaistia, eivätkä kasvit voisi tuottaa energiaa yhteyttämällä. Näkyvä valo on kuitenkin vain yksi pieni osa sähkömagneettisen säteilyn spektriä. Elämän kannalta välttämätöntä sähkömagneettista säteilyä on myös esimerkiksi infrapunasäteily, joka pitää maapallon lämpimänä. Kun sähkömagneettista säteilyä tarkastellaan kokonaisuutena, havaitaan sen elämälle välttämättömien ominaisuuksien olevan niin hienovaraiset, että ne vaikuttavat hienosäädetyiltä.

Se, mitä tunnemme näkyvänä valona, on vain yksi alue sähkömagneettisen säteilyn laajalla spektrillä. Sähkömagneettisen säteilyn spektrillä on seitsemän aluetta: gammasäteily, röntgensäteily, ultraviolettisäteily, näkyvä valo, infrapunasäteily, mikroaaltosäteily ja radioaaltosäteily. Mitä lyhyempi on säteilyn aallonpituus, sitä korkeamman energiatason säteilyä se on. Gamma-aallot ovat siis kaikkein korkeimman energiatason sähkömagneettista säteilyä ja radioaallot kaikkein matalimman energiatason sähkömagneettista säteilyä. Sähkömagneettisen säteilyn spektri on todella laaja: sen pisin aallon pituus on 1025 kertaa pidempi kuin sen lyhyin aallonpituus.

Kuva: Säteilyn aallonpituutta mitataan yleensä mikroneissa (mikrometreissä eli metrin miljoonasosissa). Tässä kuvassa säteilyn aallonpituus (λ eli lamda) on kuitenkin ilmoitettu metreinä (ja näkyvän valon kohdalla nanometreinä eli metrin miljardisosina). Taajuus on kääntäen verrannollinen aallonpituuteen.

Korkean energiatason sähkömagneettisen säteilyn törmätessä aineeseen säteily luovuttaa energiaansa. Korkean energiatason säteily, kuten ultraviolettisäteily, voi olla tuhoisaa eläville organismeille, koska sen luovuttama energia voi repiä atomeja ja molekyylejä kappaleiksi. Matalan energiatason säteilyn aallot, kuten radioaallot, puolestaan kulkevat aineen läpi vuorovaikuttaen suhteellisen vähän sen kanssa.

Oikeastaan vain infrapunasäteilyllä ja näkyvällä valolla on sopiva energiataso aineen kanssa vuorovaikuttamiseen. Niiden energiataso on tarpeeksi matala ollaakseen aiheuttamatta vahinkoa aineelle, mutta tarpeeksi korkea, jotta aallot eivät vain kulje aineen läpi vuorovaikuttamatta.

Näkyvää valoa tarvitaan energian lähteeksi moniin kemiallisiin reaktioihin kuten fotosynteesiin. Suurimpaan osaan kemiallisista reaktioista vaadittava aktivointienergia on välillä 15 ja 65 kilokaloria per mooli. Tällainen energiamäärä on juuri näkyvän valon aallonpituuksilla.

Infrapunasäteily puolestaan saa atomit ja molekyylit liikkumaan. Tämän liike-energian havaitsemme lämpöenergiana. Lämpöenergia on välttämätöntä kemiallisille reaktioille, sillä se saa atomit ja molekyylit törmäilemään toisiinsa, jolloin ne voivat reagoida toistensa kanssa.

Auringon säteily sisältää elämän kannalta oikeat taajuudet

Auringon säteilyn spektri sisältää pääasiassa ultraviolettisäteilyä, näkyvää valoa ja infrapunasäteilyä eli se on keskittynyt hyvin kapealle alueelle koko sähkömagneettisen säteilyn spektrillä. Auringon säteilyenergia on elämän ylläpitämiselle välttämätöntä kahdella tavoin: infrapunasäteily antaa lämpöä ja näkyvän valon spektri antaa energian fotosynteesille, joka tuottaa monimutkaiselle elämälle välttämättömät polttoaineet eli sokerit ja rasvat.

Suunnitelmallisesta hienosäädöstä viestii se seikka, että Auringon säteily koostuu pääosin juuri näistä kahdesta elämän kannalta hyödyllisestä sähkömagneettisen säteilyn muodosta. Hienosäädön näkökulmasta erityisen merkittävän tästä seikasta tekee se, että Auringon säteilyn spektrin muodostumista säätelevät täysin eri fysiikan lait kuin sitä, millä tavoin nämä säteilyn muodot ovat elämän kannalta hyödyllisiä.

Kuva: Auringon säteilyn kapea spektri johtuu tasaisesta noin 6000 celsiusasteen pintalämmöstä. Aurinko on tyypillinen keskikokoinen tähti.

Infrapunasäteilyn ja näkyvän valon määrään verrattuna Auringon säteilyssä on hyvin vähän elämälle haitallista korkean energiatason sähkömagneettista säteilyä. Aurinko säteilee jonkin verran ultraviolettisäteilyä, josta pieni määrä pääsee otsonikerroksen ja ilmakehän läpi. Evoluutiobiologian mukaan tämä pieni määrä ultraviolettisäteilyä on itse asiassa hyödyllistä elämän kannalta, sillä se saa aikaan elämän kehitykselle välttämättömiä DNA:n mutaatioita. Elämän kannalta tuhoisia röntgen- ja gammasäteilyä on Auringon säteilyspektrissä vähän, ja ilmakehä absorboi ne täysin.

Ilmakehä päästää läpi Auringon hyödyllisen säteilyn

Lähes kaikki muut tunnetut aineet paitsi ilmakehän kaasut ja vesihöyry ovat valoa läpäisemättömiä. Denton kutsuu ”jälleen yhdeksi merkittäväksi sattumaksi” sitä, että ilmakehän kaasut ja vesihöyry päästävät maan pinnalle asti noin 80 prosenttia Auringosta saapuvasta näkyvästä valosta ja infrapunasäteilystä. Lisäksi ilmakehän kaasut ja vesihöyry päästävät läpi erittäin vähän lyhyen aallonpituuden sähkömagneettista säteilyä suojaten näin elämää korkean energiatason säteilyltä.

Myös Auringon säteilyn yhteistoiminta veden kanssa on hämmästyttävää. Vesi absorboi ultraviolettisäteilyä erittäin tehokkaasti. Evoluutiobiologian mukaan fotosynteesi on saanut alkunsa merissä, suojassa ultraviolettisäteilyn vahingoittavalta vaikutukselta. Veden suojaavalla vaikutuksella on ollut suuri merkitys elämän kehityksen alkuaikoina, kun maalla ei ole vielä ollut kasveja muodostamassa yhteyttämällä happea ja sitä myötä ultraviolettisäteilyltä suojaavia otsonikerrosta ja ilmakehää. Merissä tapahtuneen fotosynteesin tuottaman hapen ja hapesta muodostuneen otsonikerroksen ansiosta on myös maalle muodostunut elinkelpoiset olosuhteet.

Kuva: Vesi läpäisee parhaiten näkyvän valon spektristä sinistä valoa, joka pääsee jopa 240 metrin syvyyteen asti. Luultavasti tämän vuoksi kasvien lehtivihreä ottaa vastaan energiaa tehokkaimmin sinisestä valosta.

Vesi absorboi myös infrapunasäteilyä melko tehokkaasti. Tämän ansiosta infrapunasäteily ei pääse syvälle asti, ja vain pintavedet lämpenevät luovuttaen lopulta suurimman osan vastaanottamastaan lämmöstä takaisin ilmakehään. Siten suurin osa lämpöenergiasta jää vesistöjen ulkopuolisen ekosysteemin käytettäväksi. Merivirtojen myötä lämpöä siirtyy myös tehokkaasti merten kylmemmille alueille, jolloin lämpötilat ympäri maapallon tasapainottuvat.

Näkyvän valon hienosäätö mahdollistaa näkemisen

Silmän toimintamekanismi aiheuttaa monia rajoitteita näkökyvyn mahdollistavalle säteilylle. Näistä rajoitteista johtuen näkyvän valon alue sähkömagneettisen säteilyn spektrissä on ainut alue, joka voi mahdollistaa tarkan näkökyvyn.

Valoaaltojen läpäistessä silmän keskellä olevan aukon eli pupillin tapahtuu diffraktiota, joka johtaa valoaaltojen taittumiseen. Diffraktio on ilmiö, jossa aalto taittuu, kun sen kulkuun vaikuttaa jokin kappale tai aukko. Aaltojen läpäistessä aukon taittuminen on sitä vähäisempää, mitä laajempi aukko on. Silmässä tapahtuva diffraktio voisi siten periaatteessa olla vähäisempää, jos pupilli olisi laajempi. Optisista rajoitteista johtuen pupilli ei kuitenkaan voi olla laajempi, koska sen suurentaminen heikentäisi silmän tarkentamiskykyä.

Kuva: Periaatteessa pupillin aukkoa kasvattamalla voisi vähentää diffraktiota. Teleskooppien kohdalla tarkkuuden lisääminen aukkoa kasvattamalla onkin mahdollista. Suuresta aukosta johtuen teleskooppien näkökenttää ei kuitenkaan voi tarkentaa lähelle, joten niillä voi kuvata vain kaukaisia kohteita. 

Diffraktio asettaa rajoituksen aallonpituudelle, jolla voi piirtyä tarkka kuva verkkokalvolle: aallonpituuden on oltava 0,5 mikronin tienoilla. Näkyvä valo asettuu juuri tälle alueelle: sen aallonpituus on 0,4-0,7 mikronia.

Diffraktion vuoksi säteily ei osuu verkkokalvolle pisteenä, vaan ympyrän muotoiselle kahden mikronin eli mikrometrin laajuiselle alueelle levittäytyneenä. Silmän toiminnalla on myös biologinen rajoite: silmän verkkokalvon valoreseptorit muodustuvat sellaisista molekyylirakenteista, jotka eivät mahdu kahta mikronia pienempään tilaan. Siten valoreseptorin vähimmäiskoko vastaa täsmälleen diffraktiosta aiheutuvan hajaantumisen aluetta.

Optisen ja biologisen rajoituksen lisäksi valon aallonpituudella on myös kolmas rajoitus. Kuten aiemmin on jo todettu, liian korkean energiatason säteily vuorovaikuttaa tuhoisasti aineen kanssa. Liian matalan energiatason säteily puolestaan ei juurikaan vuorovaikuta aineen kanssa. Siten silmän näkökyky voi perustua vain sopivan energiatason säteilyyn, jollaista juuri näkyvä valo  on: sillä on sopiva energitaso aineen kanssa vuorovaikuttamiseen. Joidenkin vaihtolämpöisten eläinlajien kuten käärmeiden, sammakoiden ja hyönteisten silmä voi reagoida myös  infrapunasäteilyyn, mutta tällöin ei muodostu yhtä tarkkaa kuvaa kuin näkyvästä valosta.

Silmän optiset ominaisuudet, reseptorien molekyylirakenteen määrittämä vähimmäissolukoko ja näkyvän valon sopiva energiataso materian kanssa vuorovaikuttamiseen johtavat täsmälleen samoihin vaatimuksiin valon aallonpituudelle. Näiden vaatimusten täsmällinen yhteensopivuus viestii hienosäädöstä.

Yhteenveto

Valo, tai laajemmin tarkasteltuna sähkömagneettinen säteily, on elämän perusedellytys, jonka ominaisuudet sekä hienovarainen yhteensopivuus biologisen ympäristön ominaisuuksien kanssa viestivät hienosäädöstä. Sähkömagneettisen säteilyn spektristä erityisesti näkyvä valo ja infrapunasäteily ovat elämän kannalta välttämättömiä. Onkin ihmeellistä, että Auringon lähettämä sähkömagneettinen säteily muodostuu pääosin juuri näistä elämän kannalta välttämättömistä aallonpituuksista.

Näkyvän valon, infrapunasäteilyn, ilmakehän ja veden muodostama systeemi näyttää olevan ominaisuuksiltaan tarkasti hienosäädetty elämän mahdollistajaksi. Ilmakehä päästää läpi juuri  hyödylliset aallonpituudet ja suojelee haitalliselta liian korkean energiatason säteilyltä. Vesi päästää läpi pinnan alla yhteyttäville kasveille ja kasviplanktonille välttämättömän näkyvän valon, mutta palauttaa infrapunasäteilyn tuoman lämmön ilmakehään.

Silmän toiminnan kannalta puolestaan optiikka, biologiset rajoitteet sekä näkyvän valon reagointikyky aineen kanssa muodostavat rajoitteiden yhdistelmän, jossa näiden rajoitteiden tarkka yhteensopivuus vaikuttaa hienosäädöltä.

Lähteet:

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

Artikkelikuva: Alex Gorham @ Unsplash

Kuva 1: Sähkömagneettinen säteily @ Wikipedia.fi (CC BY-SA 3.0)

Kuva 2: Nasa Goddard Space Flight Center @ Flickr

Kuva 3: Ex libris @ Flickr

Kuva 4: Simon Kuznetsov @ Unplash

Haluatko tukea Areiopagin toimintaa? Harkitse kannatusjäseneksi ryhtymistä!

Ylös