Tieteen suuret tuntemattomat: 20 ratkaisematonta kysymystä

Mistä maailmankaikkeus on tehty?

LONDON – Tähtitieteilijät ovat kiusallisen pulman edessä: he eivät tiedä, mistä 95 prosenttia maailmankaikkeudesta on tehty. Atomien, jotka muodostavat kaiken ympärillämme näkyvän, osuus on vain vaivaiset 5 prosenttia. Viimeisten 80 vuoden aikana on käynyt selväksi, että huomattava loppuosa koostuu kahdesta hämärästä kokonaisuudesta – pimeästä aineesta ja pimeästä energiasta. Ensin mainittu, joka löydettiin ensimmäisen kerran vuonna 1933, toimii näkymättömänä liimana, joka sitoo galakseja ja galaksijoukkoja yhteen. Vuonna 1998 paljastunut jälkimmäinen saa maailmankaikkeuden laajenemisen etenemään yhä nopeammin. Tähtitieteilijät lähestyvät näiden näkymättömien tunkeutujien todellista identiteettiä.

Miten elämä sai alkunsa?

Neljä miljardia vuotta sitten jokin alkoi sekoittua alkukeitossa. Muutamat yksinkertaiset kemikaalit kokoontuivat yhteen ja synnyttivät biologian – ensimmäiset itsensä monistamiseen kykenevät molekyylit ilmestyivät. Me ihmiset olemme evoluution kautta yhteydessä noihin varhaisiin biologisiin molekyyleihin. Mutta miten maapallon alkuaikojen peruskemikaalit järjestäytyivät spontaanisti joksikin elämää muistuttavaksi? Miten saimme DNA:n? Miltä ensimmäiset solut näyttivät? Yli puoli vuosisataa sen jälkeen, kun kemisti Stanley Miller esitti ”alkukeittoteoriansa”, emme vieläkään ole yhtä mieltä siitä, mitä tapahtui. Joidenkin mielestä elämä sai alkunsa tulivuorten lähellä olevissa kuumissa altaissa, toisten mukaan se sai alkunsa mereen iskeytyneistä meteoriiteista.

Olemmeko yksin maailmankaikkeudessa?

Ehkä ehkä emme. Tähtitieteilijät ovat tutkineet maailmankaikkeutta etsien paikkoja, joissa vesimaailmat olisivat voineet synnyttää elämää, aurinkokuntamme Europasta ja Marsista monien valovuosien päässä oleviin planeettoihin. Radioteleskoopit ovat salakuunnelleet taivaita, ja vuonna 1977 kuultiin signaali, joka kantoi mahdollisen muukalaisviestin tunnusmerkkejä. Tähtitieteilijät pystyvät nyt tutkimaan vieraiden maailmojen ilmakehää hapen ja veden varalta. Seuraavat vuosikymmenet ovat jännittävää aikaa avaruusolentojen metsästäjälle, sillä pelkästään Linnunradassamme on jopa 60 miljardia potentiaalisesti asumiskelpoista planeettaa.

Mikä tekee meistä ihmisiä?

Pelkkä DNA:n katsominen ei kerro sitä – ihmisen perimä on 99-prosenttisesti identtinen simpanssin geeniperimän kanssa ja lisäksi 50-prosenttisesti banaanin kanssa. Meillä on kuitenkin suuremmat aivot kuin useimmilla eläimillä – eivät suurimmat, mutta niissä on kolme kertaa enemmän hermosoluja kuin gorillalla (tarkalleen ottaen 86 miljardia). Monet asiat, joita pidimme aikoinaan tunnusomaisina meille – kieli, työkalujen käyttö, itsensä tunnistaminen peilistä – ovat nähtävissä myös muilla eläimillä. Ehkä kulttuurimme – ja sen vaikutus geeneihimme (ja päinvastoin) – tekee eron. Tutkijat uskovat, että ruoanlaitto ja tulen hallitseminen ovat saattaneet auttaa meitä saamaan suuret aivot. Mutta on mahdollista, että kykymme yhteistyöhön ja taitojen vaihtoon on se, mikä todella tekee tästä planeetasta ihmisten eikä apinoiden planeetan.

Mitä on tietoisuus?

Emmekään ole vieläkään täysin varmoja. Tiedämme kuitenkin, että se liittyy pikemminkin eri aivoalueiden verkostoitumiseen keskenään kuin yksittäiseen aivojen osaan. Ajatus on, että jos saamme selville, mitkä aivojen osat ovat osallisina ja miten hermopiirit toimivat, saamme selville, miten tietoisuus syntyy, mihin tekoäly ja yritykset rakentaa aivot neuroni neuroni kerrallaan voivat auttaa. Vaikeampi, filosofisempi kysymys on, miksi minkään pitäisi ylipäätään olla tietoinen.

Hyvä ehdotus on, että integroimalla ja käsittelemällä paljon informaatiota sekä keskittymällä ja estämällä sen sijaan, että reagoisimme meitä pommittaviin aistitietoihin, pystymme erottamaan toisistaan sen, mikä on todellista, ja sen, mikä ei ole todellista, ja voimme kuvitella useita tulevaisuuden skenaarioita, jotka auttavat meitä sopeutumisessa ja hengissä selviytymisessä.

Miksi näemme unta?

Vietämme noin kolmanneksen elämämme ajasta nukkuen. Ottaen huomioon, kuinka paljon aikaa käytämme siihen, voisi luulla, että tiedämme siitä kaiken. Tutkijat etsivät kuitenkin yhä täydellistä selitystä sille, miksi nukumme ja näemme unta. Sigmund Freudin näkemysten kannattajat uskoivat unien olevan täyttymättömien – usein seksuaalisten – toiveiden ilmauksia, kun taas toiset pohtivat, ovatko unet mitään muuta kuin nukkuvien aivojen satunnaisia laukaisuja.

Tutkimukset eläimillä ja aivojen kuvantamisen edistysaskeleet ovat johtaneet monimutkaisempaan ymmärrykseen, joka viittaa siihen, että unilla voisi olla merkitystä muistissa, oppimisessa ja tunteissa. Esimerkiksi rottien on osoitettu toistavan valveillaolokokemuksiaan unissa, mikä ilmeisesti auttaa niitä ratkaisemaan monimutkaisia tehtäviä, kuten suunnistamaan sokkeloissa.

Miksi täällä on tavaraa?

Sinun ei todellakaan pitäisi olla täällä. ”Kama”, josta olet tehty, on materiaa, jolla on vastine nimeltä antimateria, joka eroaa vain sähkövaraukseltaan. Kun ne kohtaavat, molemmat katoavat energian välähdyksessä.

Parhaat teoriamme viittaavat siihen, että alkuräjähdys loi näitä kahta yhtä paljon, mikä tarkoittaa, että kaiken materian olisi pitänyt sittemmin kohdata antimaterian vastineensa, tuhota molemmat ja jättää maailmankaikkeus pelkkään energiaan. Selvästikin luonnolla on hienovarainen ennakkoasenne materiaa kohtaan, muuten sinua ei olisi olemassa. Tutkijat seulovat Large Hadron Colliderin tietoja yrittäen ymmärtää miksi, ja supersymmetria ja neutriinot ovat kaksi johtavaa ehdokasta.

Onko olemassa muita maailmankaikkeuksia?

Meidän maailmankaikkeutemme on hyvin epätodennäköinen paikka. Jos muutat joitain sen asetuksia edes hieman, elämä sellaisena kuin me sen tunnemme muuttuu mahdottomaksi. Yrittäessään ratkaista tätä ”hienosäätöongelmaa” fyysikot turvautuvat yhä useammin ajatukseen muista universumeista. Jos niitä on ääretön määrä ”multiversumissa”, jokainen asetusten yhdistelmä toteutuisi jossakin, ja tietysti löydät itsesi universumista, jossa voit olla olemassa. Se saattaa kuulostaa hullulta, mutta kosmologian ja kvanttifysiikan todisteet viittaavat tähän suuntaan.

Mihin laitamme kaiken hiilen?

Viimeiset parisataa vuotta olemme täyttäneet ilmakehän hiilidioksidilla – vapauttaneet sen polttamalla fossiilisia polttoaineita, jotka aikoinaan lukitsivat hiilen maapallon pinnan alle. Nyt meidän on palautettava kaikki tuo hiili takaisin tai vaarannettava ilmaston lämpenemisen seuraukset. Mutta miten teemme sen? Yksi ajatus on haudata se vanhoihin öljy- ja kaasukenttiin. Toinen vaihtoehto on piilottaa se merenpohjaan. Emme kuitenkaan tiedä, kuinka kauan se säilyy siellä tai millaisia riskejä siihen liittyy. Sillä välin meidän on suojeltava luonnollisia, pitkäkestoisia hiilivarastoja, kuten metsiä ja turvesoita, ja ryhdyttävä tuottamaan energiaa tavalla, joka ei röyhtäytä entistä enemmän.

Miten saamme lisää energiaa auringosta?

Fossiilisten polttoaineiden hupenevien varantojen vuoksi tarvitsemme uuden tavan tuottaa energiaa planeetallemme. Lähin tähtemme tarjoaa useamman kuin yhden mahdollisen ratkaisun. Valjastamme jo nyt auringon energiaa tuottamaan aurinkoenergiaa. Toinen ajatus on käyttää auringonvalon energiaa veden pilkkomiseen sen osiksi: hapeksi ja vedyksi, mikä voisi tarjota puhdasta polttoainetta tulevaisuuden autoihin. Tutkijat työskentelevät myös energiaratkaisun parissa, joka perustuu tähtien sisällä tapahtuvien prosessien luomiseen – he rakentavat ydinfuusiokonetta. Toiveena on, että näillä ratkaisuilla voidaan tyydyttää energiantarpeemme.

Mitä outoa on alkuluvuissa?

Se, että voit tehdä turvallisesti ostoksia internetissä, on alkulukujen ansiota – niiden numeroiden, jotka voidaan jakaa vain itsellään ja yhdellä. Julkisen avaimen salaus – internetin kaupankäynnin sydämenlyönti – käyttää alkulukuja muodostaakseen avaimia, joilla arkaluonteiset tietosi voidaan lukita uteliailta katseilta. Vaikka alkuluvuilla on perustavanlaatuinen merkitys jokapäiväisessä elämässämme, ne ovat edelleen arvoitus. Niiden sisältämä näennäinen kuvio – Riemannin hypoteesi – on piinannut joitakin matematiikan älykkäimpiä mieliä vuosisatojen ajan. Kukaan ei kuitenkaan ole vielä kyennyt kesyttämään niiden outoutta. Sen tekeminen saattaisi rikkoa internetin.

Miten voitamme bakteerit?

Antibiootit ovat yksi modernin lääketieteen ihmeistä. Sir Alexander Flemingin Nobel-palkittu keksintö johti lääkkeisiin, jotka torjuivat joitakin tappavimpia tauteja ja mahdollistivat leikkaukset, elinsiirrot ja kemoterapian. Tämä perintö on kuitenkin vaarassa – Euroopassa noin 25 000 ihmistä kuolee vuosittain moniresistentteihin bakteereihin. Lääkeputkistomme on pysähtynyt jo vuosikymmeniä, ja olemme pahentaneet ongelmaa antibioottien liiallisella määräämisellä ja väärinkäytöllä – arviolta 80 prosenttia yhdysvaltalaisista antibiooteista käytetään tuotantoeläinten kasvun edistämiseen. Onneksi DNA:n sekvensointi auttaa meitä löytämään antibiootteja, joita emme tienneet bakteerien voivan tuottaa. Innovatiivisten, joskin ällöttävältä kuulostavien menetelmien, kuten ”hyvien” bakteerien siirtäminen ulosteesta ja uusien bakteerien etsiminen syvällä valtamerissä, ohella voimme vielä pysyä mukana tässä asevarustelukilpailussa meitä kolme miljardia vuotta vanhempien organismien kanssa.

Voivatko tietokoneet muuttua yhä nopeammiksi?

Tablettitietokoneemme ja älypuhelimemme ovat miniatyyrikokoisia tietokoneita, joissa on enemmän laskentatehoa kuin astronautit veivät kuuhun vuonna 1969. Mutta jos haluamme jatkuvasti lisätä taskuissamme kannettavan laskentatehon määrää, miten aiomme tehdä sen? Tietokonesirulle voi tunkea vain rajallisen määrän komponentteja. Onko raja saavutettu, vai onko olemassa toinen tapa tehdä tietokone? Tutkijat harkitsevat uusia materiaaleja, kuten atomimaisen ohutta hiiltä – grafeenia – sekä uusia järjestelmiä, kuten kvanttilaskentaa.

Parannetaanko syöpä koskaan?

Lyhyt vastaus on ei. Syöpä ei ole yksittäinen sairaus, vaan monien satojen sairauksien löyhä ryhmä, ja se on ollut olemassa jo dinosauruksista lähtien, ja koska se johtuu vinoutuneista geeneistä, riski on sisäänrakennettu meihin kaikkiin. Mitä pidempään elämme, sitä todennäköisemmin jokin voi mennä pieleen, millä tahansa tavalla. Syöpä on elävä olento, joka kehittyy jatkuvasti selviytyäkseen.

Vaikka syöpä on uskomattoman monimutkainen, genetiikan avulla opimme yhä enemmän siitä, mistä se johtuu, miten se leviää ja miten sitä pystytään yhä paremmin hoitamaan ja ehkäisemään. Ja tietäkää tämä: jopa puolet kaikista syövistä – 3,7 miljoonaa vuosittain – on ehkäistävissä; lopettakaa tupakointi, juokaa ja syökää kohtuullisesti, pysykää aktiivisina ja välttäkää pitkäaikaista altistumista keskipäivän auringolle.

Kuinka saan robottihovimestarin?

Robotit osaavat jo tarjoilla juomia ja kantaa matkalaukkuja. Nykyaikainen robotiikka voi tarjota meille yksilöllisesti erikoistuneiden robottien ”henkilökunnan”: ne valmistelevat Amazon-tilauksesi toimitusta varten, lypsävät lehmiäsi, lajittelevat sähköpostisi ja kuljettavat sinut lentokenttäterminaalien välillä. Todella ”älykäs” robotti edellyttää kuitenkin tekoälyn murtamista. Todellinen kysymys on, jättäisitkö robottihovimestarin yksin taloon mummosi kanssa. Japanin tavoitteena on saada robottiavustajat hoitamaan vanhuksiaan vuoteen 2025 mennessä, joten mietimme asiaa nyt tarkkaan.

Mitä meren pohjassa on?

Merestä 95 prosenttia on tutkimatta. Mitä siellä alhaalla on? Vuonna 1960 Don Walsh ja Jacques Piccard matkasivat seitsemän mailin syvyyteen, valtameren syvimpään osaan, etsimään vastauksia. Heidän matkansa venytti inhimillisten ponnistelujen rajoja, mutta antoi heille vain välähdyksen merenpohjan elämästä. Meren pohjaan on niin vaikea päästä, että meidän on useimmiten turvauduttava miehittämättömien alusten lähettämiseen tiedustelijoiksi.

Tähän mennessä tekemämme löydöt – oudoista kaloista, kuten barreleye, jonka pää on läpinäkyvä, ja mahdollisesta Alzheimerin taudin hoidosta, jonka ovat tehneet äyriäiset – ovat vain pieni murto-osa siitä oudosta maailmasta, joka kätkeytyy aaltojen alapuolelle.

Mitä on mustan aukon pohjalla?

Se on kysymys, johon vastaamiseen meillä ei ole vielä välineitä. Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria sanoo, että kun musta aukko syntyy kuolevasta, romahtavasta massiivisesta tähdestä, se jatkaa sortumistaan, kunnes se muodostaa äärettömän pienen, äärettömän tiheän pisteen, jota kutsutaan singulariteetiksi.

Mutta tällaisissa mittakaavoissa myös kvanttifysiikalla on luultavasti jotain sanottavaa. Paitsi että yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttifysiikka eivät ole koskaan olleet kaikkein onnellisimpia petikumppaneita – vuosikymmeniä ne ovat vastustaneet kaikkia yrityksiä niiden yhdistämiseksi. Tuore ajatus – nimeltään M-teoria – saattaa kuitenkin jonain päivänä selittää erään maailmankaikkeuden äärimmäisimpiin luomuksiin kuuluvan näkymättömän keskuksen.

Voisimmeko elää ikuisesti?

Elämme hämmästyttävää aikaa: alamme ajatella ”ikääntymistä” ei enää elämän tosiasiana vaan sairautena, jota voidaan hoitaa ja mahdollisesti ehkäistä tai ainakin lykätä hyvin pitkäksi aikaa. Tietämyksemme siitä, mikä saa meidät vanhenemaan – ja mikä antaa joillekin eläimille mahdollisuuden elää pidempään kuin toiset – laajenee nopeasti.

Ja vaikka emme olekaan vielä selvittäneet kaikkia yksityiskohtia, DNA-vaurioista, ikääntymisen tasapainosta, aineenvaihdunnasta ja lisääntymiskyvystä sekä näitä säätelevistä geeneistä saamamme vihjeet täyttävät laajemman kokonaiskuvan, joka saattaa johtaa lääkehoitoihin.

Mutta varsinainen kysymys ei olekaan se, miten elämme pidempään, vaan se, miten pidempään elämme hyvin. Ja koska monet sairaudet, kuten diabetes ja syöpä, ovat ikääntymisen aiheuttamia sairauksia, itse ikääntymisen hoitaminen voisi olla avainasemassa.

Miten ratkaisemme väestöongelman?

Planeetallamme asuvien ihmisten määrä on kaksinkertaistunut yli seitsemään miljardiin 1960-luvulta lähtien, ja vuoteen 2050 mennessä meitä odotetaan olevan vähintään 9 miljardia. Missä me kaikki aiomme asua ja miten aiomme tuottaa riittävästi ruokaa ja polttoainetta alati kasvavalle väestöllemme? Ehkä voimme lähettää kaikki Marsiin tai alkaa rakentaa kerrostaloja maan alle. Voisimme jopa alkaa ruokkia itseämme laboratoriossa kasvatetulla lihalla. Nämä saattavat kuulostaa scifi-ratkaisuilta, mutta meidän on ehkä alettava ottaa ne vakavammin.

Onko aikamatkailu mahdollista?

Aikamatkailijat kulkevat jo keskuudessamme. Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian ansiosta kansainvälisellä avaruusasemalla kiertävät astronautit kokevat ajan tikittävän hitaammin. Tällä nopeudella vaikutus on häviävän pieni, mutta jos nopeutta nostetaan, vaikutus tarkoittaa, että jonain päivänä ihmiset saattavat matkustaa tuhansia vuosia tulevaisuuteen. Luonto ei näytä pitävän yhtä paljon siitä, että ihmiset menevät toiseen suuntaan ja palaavat menneisyyteen, mutta jotkut fyysikot ovat kuitenkin keksineet monimutkaisen suunnitelman siitä, miten se voitaisiin tehdä madonreikien ja avaruusalusten avulla. Sen avulla voisi jopa ojentaa itselleen lahjan joulupäivänä tai vastata joihinkin niistä monista kysymyksistä, jotka ympäröivät maailmankaikkeuden suuria tuntemattomia.

”Tieteen suuret kysymykset: The Quest to Solve the Great Unknowns”, on Andre Deutschin kustantama.