Torstaina 20.2. klo 18-20 Dosentti Esko Keski-Vakkuri esitelmöi aiheena Säieteoria, mustat aukot ja holografiaperiaate. Tieteiden talon sali 104, Kirkkokatu 6, Helsinki.

Säieteoria(t) (engl. string theory; suomeksi joskus käytetty myös nimitystä jousiteoria) on toistaiseksi lupaavin kandidaatti teoriaksi, jonka puitteissa yhdistyvät kaikki tunnetut luonnon perusvoimat ja kvanttimekaniikka. Säieteoriassa perushiukkaset kuvataan erittäin lyhyiden (n. 10^-35 m eli ns. Planckin pituus) säikeiden erilaisina värähtelytiloina. "Säiemäisyys" tulee esiin vasta erittäin korkean energian tai pienen mittakaavan ilmiöissä, matalammilla energiolla ja karkeammilla skaaloilla säieteoria redusoituu "tavallisiin" hiukkasfysiikan kenttäteorioihin. Säieteoria edellyttää myös tarkastelua moniulotteisessa, esim. 10- tai 11-ulotteisessa aika-avaruudessa, tosin ylimääräiset ulottuvuudet ovat teoriassa Planckin pituuden luokkaa ja siten havaitsemattomia.

Säieteoria sai alkunsa 1960-luvun lopulla yrityksenä ymmärtää ns. hadronien (hiukkasluokka johon kuuluvat esimerkiksi protoni ja neutroni) luokittelussa havaittu säännönmukaisuus. Tähän tehtävään säikeet eivät alkuperäisessä muodossaan kuitenkaan lopulta soveltuneet, vaan hadronien teoriaksi muotoutui ns. kvanttiväridynamiikka. Myöhemmin Joel Scherk ja John Schwarz oivalsivat että säieteoria sisältää gravitonin ja soveltuisi ehkä paremmin teoriaksi, jonka puitteissa gravitaatio voidaan yhdistää kvanttimekaniikkaan. Säieteorian kehittely jatkui sivuissa parrasvaloista, kunnes viimein vuonna 1984 Michael Green ja John Schwarz osoittivat että säieteoria on kvanttimekaanisesti konsistentti teoria vain tietyillä symmetriaehdoilla, jotka mahdollistavat sen sisältävän kaikki neljä luonnon perusvuorovaikutusta. Tästä alkoi valtava innostus säieteoriaan ja se nousi yhdeksi teoreettisen hiukkasfysiikan aktiivisimmiksi tutkimuskohteiksi.

Ajatus mustista aukoista kaiken aineen ja valonkin itseensä imevinä pohjattomina syövereinä on yleisesti tunnettu. Mustan aukon perusperiaatteen esitti jo v. 1783 englantilainen John Michell. Nimitys musta aukko tuli kuitenkin käyttöön vasta v. 1969 John Wheelerin ansiosta. Mustien aukkojen teoriaa ovat kehittäneet mm. Stephen Hawking, Roger Penrose ja Jacob Bekenstein. Myös Suomella on osansa niiden historiassa, sillä suomalainen Gunnar Nordström osoitti ensimmäisenä Hans Reissnerin kanssa suhteellisuusteorian mahdollistavan sähköisesti varatut mustat aukot (joita nykyään kutsutaan Reissner-Nordström mustiksi aukoiksi). Hawking osoitti v. 1974 että mustat aukot eivät ole pysyviä, vaan ne kuluttavat energiansa loppuun kvanttimekaanisesti säteilemällä lämpösäteilyä. Mustien aukkojen termodynamiikkaan liittyy eräitä paradokseja, joiden selittämisen uskotaan olevan mahdollista vain gravitaation kvanttiteoriassa. Säieteorian puitteissa on onnistuttu selittämään eräitä näistä avoimista ongelmista, missä aiemmat teoriat ovat epäonnistuneet.

Mustien aukkojen termodynamiikan tutkimus on myös muokannut syvällisemmin ymmärtämystämme gravitaatiosta. Nobel-palkittu Gerard 't Hooft ja Leonard Susskind ovat mustien aukkojen tutkimuksiensa pohjalta esittäneet, että gravitaatio ja itse aika-avaruuden rakenne kvanttitasolla voidaan "pakata" alempiulotteiseen muotoon samaan tapaan kuin hologrammeissa. Erityisesti koko avaruuden sisältämä informaatio voidaan "projisoida" kaleidoskooppiseksi "kuvaksi" avaruuden reunalle. Tätä ideaa kutsutaan gravitaation holografiaperiaatteksi. Säieteorian kautta on löydetty esimerkkejä siitä miten tällainen holografinen kuvaus voidaan toteuttaa.

Esko Keski-Vakkuri (s. 1965) on kotoisin Huittisista. Hän on suorittanut teoreettinen fysiikka pääaineena filosofian kandidaatin tutkinnon Helsingin yliopistossa v. 1989. Vuosina 1990-95 hän opiskeli Yhdysvalloissa tunnetussa Massachusetts'in teknillisessä korkeakoulussa (MIT) suorittaen siellä doctor of philosophy tutkinnon v. 1995. Vuosina 1995-98 hän toimi tutkijatohtorina Kalifornian teknillisessä korkeakoulussa (Caltech) säieteoriaa kehittäneen John Schwarzin tutkimusryhmässä ja vuosina 1998-99 tutkijana Upsalan yliopistossa. Palattuaan kotimaahan 1999 Esko Keski-Vakkuri on toiminut tutkijana Fysiikan tutkimuslaitoksella. Tällä hetkellä hän on Suomen Akatemian tutkija ja teoreettisen fysiikan dosentti Helsingin yliopistossa johtaen säieteoriaan ja kvanttikenttäteoriaan liittyviä aiheita tutkivaa projektia: http://www.hip.fi/research/index.html .

Säieteoriaan ja mustiin aukkoihin liittyviä tietoja on löydettävissä mm. seuraavista kirjoista:
Stephen Hawking: Ajan lyhyt historia (suom. Risto Varteva; WSOY 1988; 1997 ); Michio Kaku: Hyperavaruus (suom. Kimmo Pietiläinen; Art House 1996); Steven Weinberg: Unelmia viimeisestä teoriasta (suom. Jukka Maalampi; Art House 1999) sekä Osmo Pekosen artikkelista M-teoria: mitä? missä? milloin? Tieteessä tapahtuu -lehdessä 4/1999, joka on luettavissa myös internetosoitteessa http://www.tsv.fi/ttapaht/944/pekonen.htm .Internetissä säieteoriaan liittyvien tietojen lähteenä voidaan erityisesti mainita http://www.superstringtheory.com (The Official String Theory Webb Site). Osoitteessa http://hamilton.uchicago.edu/~flarsen/compton/lectures.html on tanskalaisen Finn Larsenin v. 1999 pitämiin Compton luentoihin perustuva havainnollinen kuvaus esitelmän aihepiiriin liittyvistä käsitteistä mukaan lukien holografiaperiaate.

Torstaina 27.2. Luonnonfilosofian seuralla ei ole omaa kokousta, mutta silloin on mahdollisuus osallistua Tieteiden talossa klo 18.15 alkavaan Suomen Biologian Seura Vanamon vuosikokoukseen, jossa esitelmöi toimittaja Juha Valste aiheena Ihmisen evoluutio. Juha Valste oli mukana viime vuonna Luonnonfilosofian seuran järjestämässä ihmisen evoluutiota käsittelevässä paneelikeskustelussa ja häneltä on tämän vuoden aikana ilmestymässä WSOY:n kustantama ihmisen evoluutiota käsittelevä kirja, jossa kuvataan viimeisimmät fossiililöydöt ja pohditaan kysymystä siitä mitä ihmisen evoluutiosta nykyisen tietämyksen perusteella voidaan sanoa. (Vuosikokoukseen liittyvien virallisten asioiden käsittelyn vuoksi esitelmän voidaan arvioida alkavan jonkin verran ilmoitettua ajankohtaa myöhemmin.) Tieteiden talon sali 505. Kirkkokatu 6, Helsinki.

Torstaina 6.3. klo 18-20 Dosentti Yrjö Helariutta esitelmöi Luonnonfilosofian seuran kokouksessa aiheena Kasvien geenitutkimus mullistaa maailmaa.    Tieteiden talon sali 312. Kirkkokatu 6, Helsinki.

Yrjö Helariutta (s. 1965) on kotoisin pääkaupunkiseudulta ja valmistunut filosofian maisteriksi Helsingin yliopistossa v. 1990 pääaineina perinnöllisyystiede, biokemia ja kasvifysiologia. Filosofian tohtoriksi hän valmistui v. 1995 professori Teemu Teeren tutkimusryhmässä Gerbera hybrida -koristekasvin flavonoidiväriaineiden geeneihin liittyvällä tutkimuksella. Vuosina 1995-98 Helariutta on toiminut vierailevana tutkijana New Yorkin yliopistossa ja sen jälkeen Suomen Akatemian tutkijana ja kasvien puusolukon muodostumista selvittävän ryhmän johtajana Helsingin yliopiston biotekniikan instituutissa Viikissä: http://www.biocenter.helsinki.fi/bi/PLANT/Helariutta/index.html .

Dosentti Helariutta esitelmöi nyt puheena olevasta aiheesta jo tammikuussa Tieteen päivillä Viikissä. Koska mm. Tieteen päivien runsaasta ohjelmatarjonnasta johtuen kaikki aiheesta kiinnostuneet eivät päässeet esitystä kuulemaan hän on nyt luvannut palata tähän ajankohtaiseen aiheeseen uudelleen. Esitelmään liittyvä tiivistelmä on luettavissa oheisena.

Lituruohon (Arabidopsis thaliana) genomin emäsjärjestyksen julkistaminen joulukuussa 2000 siirsi kasvien geenitutkimuksen uudelle aikakaudelle; suurin osa kasvien geenitoiminnoista selvitettäneen seuraavan noin kymmenen vuoden kuluessa. Samalla tavalla kuin ihmisgenomin emäsjärjestyksen selvittäminen avaa uusia näköaloja lääketieteessä, ensimmäisen kasvigenomin tunteminen mullistaa useita luonnontieteen aloja (kasvitieteen ohella biologiaa yleensä ja farmasiaa) sekä soveltavan luonnontieteen aloja (kuten jalostustieteitä ja osin lääketiedettä).

Keskityn esitelmässäni metsäpuiden geenitutkimukseen. Metsäpuut ovat sekä ekologisesti että ekonomisesti tärkeä kasviryhmä. Pitkän sukupolvenvälin ja ristisiittoisuuden vuoksi metsäpuiden geneettinen tutkimus on kuitenkin varsin hankalaa. Tästä syystä myös metsäpuiden geneettisessä tutkimuksessa, vastaavalla tavalla kuin lääketieteellisessä tutkimuksessa, on mielekästä käyttää ns. malliorganismia. "Kasvikunnan banaanikärpänen" lituruoho on kaalin ja rypsin läheinen sukulainen. Sillä on vain viisi pientä kromosomia, joissa kuitenkin on pääosin samat geenit kuin kaikissa muissakin kasveissa. Lituruoho on pieni ja sen elinkierto on lyhyt. Tämä mahdollistaa helpon ja nopean kasvattamisen laboratio-olosuhteissa.

Vaikka lituruoho on yksivuotinen ja ruohovartinen kasvi, sillä on kuitenkin samantyyppiset kasvinosat ja solut kuin puuvartisillakin kasveilla. Tietyllä tavalla kasvatettuna lituruohon varsi jopa saadaan muuttumaan puumaiseksi. Tässä mielessä voidaan siis ajatella, että lituruohon geenistön tutkimus edesauttaisi myös metsäpuiden geenitutkimusta. Koska metsäpuut yhdessä ja toisaalta kukin laji erikseen edustavat ainutlaatuisia ympäristöönsä sopetuneita elinstrategioita, on paikallaan pyrkiä selvittämään miten paljon lituruohosta suhteellisen nopeasti saatava tieto on sovellettavissa metsäpuiden geenitutkimukseen. Tässä lähtökohtana on eri metsäpuulajien geenitoimintojen vertaileva tutkimus perustuen geenien emäsjärjestyksen laajamittaiseen kartoitukseen. Oma ryhmäni on äskettäin löytänyt lituruohon "puunmuodostuksen" solunjakautumisille välttämättömän reseptorigeenin, ja tutkimme parhaillaan, säätelevätkö rakenteellisesti samanlaiset koivun reseptorigeenit puunmuodostusta.

Miten lituruohon ja muiden kasvien, kuten metsäpuiden, geeneistä saatua tietoa voidaan hyödyntää? Kasvigeeneihin pohjautuvalla tiedolla on huomattavan laaja-alainen merkitys ainakin seuraavilla tasoilla:

1. Geeni- ja molekyylitason tieto kasvien kasvun ja ympäristöön sopeutumisen mekanismeista on arvokasta sinänsä. Sen avulla voidaan yhä paremmin kartoittaa ja tarkkailla kasvien ja kasvillisuuden nykytilaa ja ennustaa, miten se muuttuu ympäristön muuttuessa.
2. Geeni- ja molekyylitason tieto tehostaa perinteistä valintajalostusta. Sekä peltokasvien jalostus (joka alkoi jo ihmiskunnan kulttuurievoluution varhaisessa vaiheessa) että metsäpuiden jalostus (jota on harjoitettu vasta 1900-luvulta lähtien) ovat laajalti perustuneet mekanismeiltaan varsin heikosti tunnettuihin biologisiin prosesseihin. Geenitason tieto lisää ratkaisevasti näiden mekanismien tuntemusta, jolloin yhä kohdennetumpi valinta tulee mahdolliseksi.
3. Siirtogeeniset kasvit. Geenitutkimus tuottaa tyypillisesti hypoteeseja, joiden testaus tapahtuu viime kädessä geeninsiirroin. Toisaalta tätä tekniikkaa on mahdollista käyttää myös itse jalostuksessa. Tämä voi kuitenkin tapahtua vain laajamittaisen riskinarvioinnin ja yhteiskunnallisen keskustelun kautta. Tässä keskustelussa on kuitenkin tärkeää tehdä ero itse tutkimukseen liittyvän (joka on olennainen osa perustutkimusta) ja sovellutuksiin tähtäävän (jossa on mukana yhteiskunnallinen ulottuvuus) geeninsiirtotoiminnan välillä.

Kirjallisuutta: The Arabidopsis Genome Initiative. Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana. Nature 2000;408:796–815.

Torstaina 13.3. klo 18-20 Akatemiaprofessori Riitta Hari esitelmöi aiheena Ihmisen peilisolujärjestelmä. Tieteiden talon sali 505. Kirkkokatu 6, Helsinki.

Torstaina 20.3. klo 18 alkaen oikeuskansleri Paavo Nikula ja arkkipiispa Jukka Paarma pohtivat Helsingin yliopiston Studia Generalia -tilaisuudessa sitä Mikä on oikein? (Porthania PI, Yliopistonkatu 3). Koska myös Luonnonfilosofian seuran jäsenet voivat olla aiheesta kiinnostuneita seuralla ei tällöin ole omaa kokousta. Tilaisuuteen aikovien on syytä mennä paikalle hyvissä ajoin, koska sali voi täyttyä.

Seuran XV toimintavuosi
Puheenjohtaja: Paul Talvio • Kyläkirkontie 19 • 00370 Helsinki • p. (09) 555 146 (k) Paul.Talvio@kolumbus.fi
Sihteeri: Seppo Laurema • Vanha Saunalahdentie 4 • 02330 Espoo • p. 801 5688 (k); 050-5410514 • fax 22869 291
Tieteiden talo: Kirkkokatu 6 • 00170 Helsinki • p. 22869 274 • p. 228691 (keskus) • p. 22869 265 (vahtimestari)
Sähköposti: lfs@protsv.fi Pankkiyhteys: Merita Pankki Oy, Helsinki-Kruununhaka, Tili n:o 101930-204652
Luonnonfilosofian seuran Internet-sivut: http://www.protsv.fi/lfs