Koevoluutio on syyllinen

Hyvät lukijat, tämä tarina on tosi.

Kolme metsästäjää löytyy kuolleena leiristään Oregonissa. Mitään väkivallan merkkejä ei näy, eikä mitään ole varastettu tai rikottu. Ainoa johtolanka on nuotion kahvipannusta löytynyt pieni salamanteri, hännällinen sammakkoeläin. Poliisi jättää tutkimuksen kesken muiden johtolankojen puutteessa.

Kymmenen vuotta myöhemmin biologi alkaa selvittää tapausta, olisiko kahvipannusta löytynyt salamanteri – länsirannikonsalamanteri eli Taricha granulosa – myrkyllinen ja metsästäjät kuolleet salamanterin myrkkyyn napattuaan sen vahingossa kahviveteensä? Pian selviää, että onhan se myrkyllinen – järkyttävän myrkyllinen! – yhden pyrstösammakon myrkky riittäisi tappamaan kymmeniä ihmisiä.

Samaan aikaan toisaalla kemisti tutkii samaa salamanteria ja saa selville, että sen myrkky on tetrodotoksiinia, samaa vahvaa hermomyrkkyä, jota on esimerkiksi pallokaloilla.

Mutta miksi? Myrkyn valmistaminen ei ole ilmaista. Mihin pikkuruinen salamanteri tarvitsee sellaisen määrän myrkkyä, että sillä tappaisi norsun? Oregonissa ei ole norsuja, eivätkä norsut syö salamantereita.

Arvoitus alkoi ratketa onnekkaasti, kun biologi huomasi sukkanauhakäärmeen (Thamnophis sirtalis) nappaavan ja popsivan yhden salamantin ämpäristä, johon biologi oli niitä keräännyt. Biologi ei ollut tutkinut myrkyn tehoa käärmeisiin ei ollut tutkittu koska ei pitänyt käärmeistä (kumma biologi!) – ja kas kummaa, peto ei ollut moksiskaan tetrodotoksiiniannoksestaan.

Pieni sukkanauhakäärme, veikeä, kiemurteli pois myrkyllinen vesilisko vatsassaan.

Supermyrkyllisen salamanterin arvoituksen takana oli evolutiivinen kilpavarustelu. Salamanterit ovat myrkyllisiä, mutta käärmeet kehittävät vastaiskuksi immuniteettiä myrkylle: tit for tat eli potut pottuina. Salamanteri lisää myrkyn määrää ja käärme parantaa vastustuskykyään – kierre on valmis.

Lopulta myrkkyä on ihan valtava yliannos kaikille muille saalistajille kuin sukkanauhakäärmeille. Sukkanauhakäärmeet ovat kuitenkin mitä ilmeisimmin niin paha peto länsirannikonsalamantereille ja vastaavasti länsirannikonsalamanterit niin tärkeää ravintoa sukkanauhakäärmeille. Kilpavarustelu salamanterin ja käärmeen välillä jatkuu ja sivustakärksijöiksi voivat joutua viattomat retkeilijät, jotka haluavat vain keittää kahvia.

Lähteitä:

http://mentalfloss.com/article/56743/silence-newts

https://www.youtube.com/watch?v=fAR4ri3zDjE&feature=youtu.be&a

http://phys.org/news/2014-11-snakes-evolutionary-arms-poisonous-newt.html

http://blogs.discovermagazine.com/loom/2011/06/21/a-beautiful-web-of-poison-extends-a-new-strand/

Hanifin, C.T., Brodie, E. D. Jr ja  Brodie E. D. III 2008: Phenotypic mismatches reveal escape from arms-race coevolution. PLoS Biol 6: e60.

Advertisement

Puhumista itsekseen ja unissaan – viittomalla

Uudessa Tiede -lehdessä (@tiede_lehti) on Jani Kaaron juttu Martha’s Vineyard -saaresta. En ole lehteä vielä nähnyt – se tulee Heurekaan (@Heurekafi) ja näen lehden, kun minulla seuraavan kerran on siellä vaihteeksi työvuoro – enkä tiedä onko kirjoitukseen otettu mukaan seuraavaa tarinaa. Mutta se on niin ihana tarina, että se on kahdenkin kertomisen arvoinen (-:

Neurologi Oliver Sacks (@OliverSacks) vieraili Marha’s Vineyardilla, kun siellä vielä oli elossa saaren kuuroa ja kuulevaa viittomakielistä kantaväestöä.

Saarihan on kuuluisa siitä, että sen ihmispopulaatiosta hyvin suuri osa, noin neljännes, oli aikanaan perinnöllisesti kuuroja, niin että saarella käytännössä kaikki osasivat saaren viittomakieltä ja monelle kuulevalle se oli toinen äidinkieli.

Seuraavassa Sacksin mainiossa Seeing Voices -kirjassaan (1989) kertoma tarina (suomennos omani):

”[…] puolisen tusinaa vanhoja ihmisiä juoruilemassa keskenään kuistilla. He olisivat voineet olla keitä tahansa vanhuksia, vanhoja naapuruksia, puhelemassa yhdessä – kunnes yhtäkkiä, hyvin hämmästyttävästi, kaikki vaihtoivat viittomakieleen. He viittoilivat minuutin verran, nauroivat ja vaihtoivat takaisin puheeseen. Tuolla hetkellä tiesin, että olin saapunut oikeaan paikkaan. Kun puhuin yhdelle vanhimmista siellä, huomasin toisen hyvin kiinnostavan asian. Vanha rouva, yhdeksissäkymmenissä, mutta terävä kuin partaveitsi, vaipui aina välillä rauhalliseen haaveiluun. Samalla hänen olisi voinut kuvitella neulovan, kädet jatkuvassa mutkikkaassa liikkeessä. Mutta hänen tyttärensä, joka oli myös viittoja, kertoi, että hän ei neulonut, vaan ajatteli itsekseen, ajatteli viittomalla. Unissaankin, minua valistettiin edelleen, vanha leidi saattoi tapailla osittaisia viittomia sängynpeitteeseen – hän näki unia viittomilla.”

Lähde: Sacks, O. 1989: Seeing voices. (Vintage Books edition 2000: s. 29-30)

Oliver Sacks itsekin on jo 81-vuotias ja silmäsyöpäänkin sairastunut, mutta niin vain tweettailee ja kaikkea vielä hyvin aktiivisesti. Sacksin haastattelu: ”My interest in the deaf and Martha’s Vineyard” .

Kuinka paljon neurotutkijan päässä säteilee

Löysin eilen lähikirjastosta kiinnostavan uuden kirjan neurologiasta (Eagleman 2011). Aloin lukea ja pääsinkin jo ensimmäisen kappaleen ensimmäiselle sivulle…

Eagleman kirjoittaa:

”Aivosi koostuvat soluista, joita kutsutaan neuroneiksi ja gliasoluiksi – ja niitä on satoja miljardeja. […] Jokainen neuroni lähettää sähkösykäyksiä muihin neuroneihin satoja kertoja sekunnissa. Jos jokaista näistä aivojen biljoonista ja biljoonista sykäyksistä kuvattaisiin yhdellä ainoalla valofotonilla, niiden loiste olisi häikäisevän kirkas.”

Havainnollistus on muuten aivan mahtava, mutta minulle tuli epäilys, että se ei ole totta…

Asia piti tarkistaa. Jatkan kivan kirjan lukemista sitten myöhemmin.

Neuroneja on aivoissa noin 10¹¹. Jos arvioidaan vähän yläkanttiin, että jokainen neuroni lähettää tuhat sähköimpulssia sekunnissa, siitä tulee yhteensä 10¹⁴ sykäystä.

Jos siis jokainen sykäys kuvataan yhdellä fotonilla, valohiukkaisia saadaan joka sekunti matkaan 10¹⁴ eli sata biljoonaa kappaletta. Kuulostaa aika isolta määrältä, mutta fotonit ovat pieniä. Tosi pieniä. Tosi, tosi pieniä.

Otetaan vertailuksi hehkulamppu. Millaisia määriä hehkulamppu lähettää fotoneja?

Tällainen pitäisi tietysti laskea itse, mutta – hei, tämä on Tiedettä laiskoille – joten etsin netistä. Helppo homma, hehkulampun fotonien määrä tuntuu olevan aika suosittu laskutehtävä yliopistojen fysiikan perusopinnoissa…

Sadan watin hehkulamppu, joka säteilee keskimäärin 550 nanometrin valoa, lähettää noin 8.3^.10¹⁸ valohiukkasta sekunnissa eli pyöreästi kymmenen triljoonaa. (Hiukan lampusta tulee myös aallonpituuksia mitä silmä ei näe, mutta valtaosa on ihan näkyvää valoa.)

Hehkulamppu säteilee enemmän kuin edellisen vertailun mukainen aivojen kuviteltu säteily – satatuhatta kertaa enemmän!

Hehkulamppu säteilee satatuhatta kertaa kirkkaammin kuin pää säteilisi, jos jokainen neuronin sykäys lähettäisi liikkeelle valohiukkasen. En oikein osaa pitää sadastuhannesosaa hehkulampun kirkkaudesta häikäisevänä (alkukielellä blinding = sokaiseva)… 🙂

Edellinen ei tarkoita, etteikö aivojen kapasiteetti olisi käsittämättömän huimaava juuri kuten Eagelman hehkuttaa. Fotonit olivat vain epäonnistunut vertailu, niillä ei sinänsä ole mitään tekemistä aivojen sähköimpulssien kanssa.

Kirja näyttää edelleen lupaavalta. Selailin sitä vähän sieltä täältä ja löysin heti toisen mukavan vertailun [alunperin Read Montaguen kirjasta Your brain is (almost) perfect: How we make decisions]: Kun Deep Blue -tietokone voitti Garry Kasparovin shakkiturnauksessa, se pyöri tuhansien wattien teholla. Kasparovin aivojen energiankulutus oli noin kaksikymmentä wattia.

Deep Bluen tehoja oli yllättävän vaikea nopeasti tarkistaa. Tyydyin siihen mitä yleensä löysin vanhoista supertietokoneista. Lienee turvallista sanoa, että voittoisa shakkitietokone käytti vähintään satoja kertoja enemmän tehoja kuin vastustajana ollut ihminen.

Voimme ylpeillä aivojemme tehottomuudella! Tästä saakin hyvän moton: Aivot: hyviä tuloksia vähällä vaivalla.

Lähde: Eagleman, D. 2011: Incognito: Aivojen salattu elämä. Suom. 2012 J. Kankaapää. Avain, 304 s.

Miksi taivas ei ole violetti

Niin kuin kaikki maailman tylsät ”miksi taivas on sininen?”-selitykset tietävät kertoa, spektrin sinisen alueen aallonpituudet siroavat voimakkaammin kuin punaisen pään aallonpituudet ja siksi taivaalta tulee silmiin enemmän sinistä valoa.

Esimerkkitweetti 1: ”Newton places prism in the path of white sunlight coming through a slit in curtains at Woolshorpe. Projected on darkened wall, he sees… [fuskua, jatkuu toisessa tweetissä] …fanned out into a ’spectrum’, all colours of rainbow – red (r), orange (o), yellow (y), green (g), blue (b), indigo (i), violet (v)” (Chown ja Schilling 2011, s. 3).

Jotenkin tuo hyvin ilmeinen pikkufakta, että sateenkaaren toinen laita on violetti, ei sininen unohtuu usein taivaan sinisyys -selityksistä.

Esimerkkitweetti 2:Key fact 2: White sunlight, as Newton discovered, is made of all colours of the rainbow, from blue (smallest wavelength) to red (longest)” (Chown ja Schilling 2011, s. 5).

Jos ihan tieteellisen oikeasti aletaan mitata, että minkälaista säteilyä ”sinitaivaalta” silmiin saapuu, niin tulos on tämä: sinistä ja violettia tulee runsaasti – molempia suunnilleen saman verran – ja vihreääkin ihan merkittäviä määriä. Kaikkea muunkin sortin valoa taivaalta silmiin saapuu, mutta niin vähän, että sitä ei tarvitse tässä yhteydessä huomioida.

Selitystä taivaan sinisyydelle ja ei-violettisuudelle pitää hakea fysiikan lisäksi myös fysiologiasta ja neurologiasta – ja fysiologian ja neurologian kummallisuuksien ultimaattiin ymmärtämiseen tarvitaan edelleen evoluutiobiologiaa.

Silmien värien näkemiseen erikoistuneet rakenteet ovat – niin kuin biologisen evoluution viritelmät yleensäkin – käytännössä ja normaaleissa oloissa erittäin toimivat, mutta periaatteeltaan hiukan kummalliset ja poikkeuksellisissa oloissa helposti harhautuvat.

Taivaan näkeminen tasaisen vaaleana yksivärisenä taustana on epäilemättä kätevää ja hyödyllistä ja siksi luonnonvalinnan suosiossa, koska silloin erottaa paremmin mitä olennaista etualalla tapahtuu.

Silmässä on kolmenlaisia valoa aistivia soluja (niitä koulukirjoista tuttuja tappeja). Ihmisen valoa aistivat solut ovat erikoistuneet niin, että kaikki rekisteröivät parhaiten omaa kohtaansa spektristä: 460, 530 ja 650 nanometrin aallonpituuksia.

Siihen se yksinkertaisuus sitten loppuukin: aistisolut eivät ole niin turhan tarkkoja mihin reagoida. Solut voivat toimia kunhan aallonpituus on suunnilleen oikea ja ihmisen kolmen eri solutyypin havaitsemat spektrikaistat menevät kaikki iloisesti päällekkäin.

Käytännössä homma toimii niin, että eri aallonpituuksien yhdistelmät voivat näyttää samalta kuin puhdas yhden aallonpituuden valo.

Ensimmäinen esimerkki: kun silmään tulee yksinään punaiselta ja vihreältä näyttävää valoa yhdistelmänä, niin solut toimivat aivan samoin kuin jos silmään tulisi puhdasta sellaisenaan keltaiselta näyttävää valoa.

Toinen esimerkki: auringosta tulee eniten vihreää valoa ja silmä on myös herkin vihreälle (luonnonvalinnan suosima ominaisuus taas, kannattaa nähdä sitä valoa mitä on paljon). Aurinko ei silti näytä vihreältä, koska auringosta tulee paljon kaikkea muutakin näkyvää valoa ja aivot yhdistelevät kokonaisuudesta käytännöllisen taustavärin kaikelle muulle.

Kolmas esimerkki: jos  silmään tulee violettia ja sinistä valoa ja lisäksi vähän vihreää, silmä toimii samoin kuin jos siihen tulisi puhdasta sinistä valoa ja sen lisäksi vähän valkoiselta näyttävää säteilyä, mikä puolestaan tarkoittaa kaikkien näkyvien aallonpituuksien yhdistelmää (Smith 2005)…

… ja siinähän se selitys tulikin sille, että miksi taivas on (vaalean-) sininen.

…noin niin kuin ihmisen (ja luultavasti läheisimpien kädellissukulaistemme) silmin.

Lintujen silmissä on neljänlaisia väriä aistivia soluja, ei vain kolmea sorttia niin kuin meillä.

Olisi kiinnostavaa vaihtaa kokeeksi silmiä linnun kanssa, niin että omat aivot näkökeskuksineen saisi kuitenkin pitää. Miltä näyttäisi silloin ihmisen aivoissa taivaan vihreä-sini-violetti (+ultravioletti!) säteily? Entä miltä näyttäsi vain kolmeen väriin perustuva tietokoneruutu, kun silmässä olisikin kapasitettia neljään väriin?

Vielä kiinnostavampi olisi kokeilla sirkkaäyriäisen eli mantiksen silmiä, joissa on 12 eri tavoin valon aallonpituudelle herkkiä soluja plus neljänlaisia soluja valon eri polarisaatiotasoille kaikkien muiden hienouksien lisäksi. Mantis itse ei välttämättä saa silmistään ihan kaikkea iloa irti.

Viitteet:
Chown, M.  ja Schilling, G. 2011: Tweeting the Universe: Tiny explanations of very big ideas. Faber and Faber, 311 s. (pehmeäkantinen painos 2013). Kirjan idea on että kaikki kappaleet ovat korkeintaan yhden twitter-viestin mittaisia. Chownin kirjoja olen lukenut ja tiedän, että tämä on taitava popularisoimaan, mutta 140 merkkiä on aika vähän. Twitter-virkkeet lyhyitä. Usein ei predikaattia. Paljon esim. lyhenteitä ym. Tässä esimerkki kirjan minusta onnistuneesta tweetistä (s. 41): ”Space is a dangerous place. It’s a bitterly cold vacuum, pervaded by lethal radiation, deadly particles, meteorites and killer asteroids.”

Smith, G. S. 2005: Human color vision and the unsaturated blue color of the daytime sky. Am. J. Phys. 73: 590-597 (pdf). Tiettävästi ensimmäinen artikkeli, jossa koottiin kattavasti yhteen sinitaivaan fysiikka ja fysiologia.

Kuvat:
Aallonpituuskäyrät
Xkcd-originaali.