Nykysin lääketiede on aivan huimalla tasolla ja joka päivä lähisairaaloissammekin tehdään operaatioita, jotka vielä muutama kymmentä vuotta sitten olivat joko mahdottomia tai ainakin hyvin vaikeita. Tie tähän on kuitenkin ollut pitkä, ja aina välillä kannattaa muistaa miten tähän on tultu.

Yksi pieni esimerkki nykylääketieteen tasosta on siamilaiset kaksoset. Siamilaisiksi kutsutaan kaksosia, jotka jakavat ruumiinosia, joskus jopa sisäelimiä, tai ovat muutoin kiinni toisissaan, esimerkiksi kylkien välisellä kudoksella. Kyse ei suinkaan ole pelkistä ihmisistä, vaan ilmiötä esiintyy kaikken muidenkin eläinten keskuudessa. Tämä harvinainen ilmiö esiintyy vain samanmunaisilla kaksosilla, eli geeniperimältään täysin samanlaisilla kaksosilla, jotka syntyvät  yhdestä jakautuneesta hedelmöittyneestä munasolusta. Siamilaisilla munasolu alkaajakautua hedelmöittymisen jälkeen jakautua normaaliin tapaan muodostaakseen alkion, mutta jakautuminen ei tapahdukaan täydellisesti, vaan kaksi alkiota jää kiinni toisiinsa jostain kohtaa, enemmän tai vähemmän.

Nimitys ”siamilaiset kaksoset” juontuu 1800-luvulla Siamissa (nykyisessä Thaimaassa) syntyneistä, mutta Yhdysvaltoihin muuttaneista ja siellä paljon julkisuutta saaneista kaksosista Chang ja Eng Bunkerista. He olivat kiinni toisissaan rinnasta.

1900-luvun alkuun saakka siamilaisille ei voitu tehdä mitään. Monet heistä, jotka eivät kuolleet nuorina, löysivät tiensä sirkuksiin tai muihin paikkoihin, missä he elivät kummajaisina. Esimerkiksi Bunkerin veljekset työskentelivät Amerikassa Barnum and Bailey -sirkuksessa.

Kirurgian kehittyminen kuitenkin teki vähitellen mahdolliseksi siamilaisten erottamisen toisistaan, etenkin "helpoissa" tapauksissa. Vielä nykyisinkin sisäelimiä, etenkin sydämen tai osia aivoistaan jakavien siamilaisten erottaminen on hyvin hankalaa.

Ensimmäisenä tässä onnistui ranskalaislääkäri Eugène-Louis Doyen vuonna 1902, jolloin hän erotti toisistaan Radika ja Dodika Neik -kaksoset. Leikkaus tapahtui tänään, siis täsmälleen 112 vuotta sitten.

Virallinen, kansainvälinen massan yksikkö, kilogramma, perustuu Pariisissa säilössä olevaan kilonmallikappaleeseen, joka tehtiin vuonna 1889. Kyseessä on viimeinen SI-yksiköistä, jotka määritellään yhä edelleen fyysisen mallikappaleen pohjalta.

Kappale on 39,17 mm halkaisijaltaan ja korkeudeltaan oleva sylinteri, joka on tehty 90% platinasta ja 10% iridiumista. Aineet ja niiden suhteelliset osuudet valittiin siksi, että seos ei hapetu juuri lainkaan ja se on hyvin kestävää.

Jotta kaikkialla maailmassa tiedettäisiin kuinka paljon kilo painaa, tehtiin mallikappaleesta 39 tarkkaa kopiota. Niitä on kuljetettu aina 40 vuoden välein Pariisiin, missä niitä on verrattu alkuperäiseen. Vuosikymmenten varrella on havaittu, että jostain syystä alkuperäinen kilo kevenee koko ajan, kun taas muut kilogrammat pitävät painonsa hieman paremmin.

Syyksi kevenemiseen on ehdotettu samoissa tiloissa kilon mallin kanssa olevia elohopeainstrumentteja, mikroskooppisia pintailmiöitä ja useita muita teorioita, mutta tärkeintä on kuitenkin se, että kilolle pitää löytää pian uusi, tarkempi määritelmä. Kilogramma on osa monissa vakioissa ja sen tarkka arvo vaikuttaa kovin moneen, joten se on eräs tärkeimmistä ja perustavimmista yksiköistä. Siksi se pitää saada kuntoon.

Tätä pohditaan ensi viikolla Kaliforniassa alkavassa 26. kansainvälisessä painojen ja mittojen konferenssissa. Kokouksessa tullaan sitomaan kilogramma Planckin vakioon: se on luonnon perusvakio, joka kuvaa sitä miten sähkömagneettinen säteily syntyy tietyn suuruisina kvantteina, joiden energia on suoraan verrannollinen säteilyn taajuuteen. Vakion arvo on 6,62606957 x 10^-34 J s, ja kun toinen yksiköistä – Joule – voidaan ilmaista myös muodossa kg·m²/s², on Planckin vakio mahdollista ilmaista kilogrammaa lukuun ottamatta erittäin tarkasti määriteltyjen SI-yksiköiden (metri ja sekunti) avulla.

Ongelmana on vain se, että vakiota ei tunneta niin tarkasti kuin fyysikon haluaisivat. Siksi jo jonkin aikaa ilmassa ollutta ajatusta Planckin vakion kilogramman naittamisesta on lykätty, kunnes ensi viikolla todennäköisesti kokous tekee päätöksen kilogramman uudesta määrittelystä. Tosin kyse on siitä, että mikäli arvon tarkentuminen jatkuu nykyisellä vauhdilla, on se tarpeeksi tarkka vuonna 2018, jolloin Pariisin kilon malli voidaan viimein siirtää museoesineeksi.

Kansainvälinen tutkimuskonsortio on ehdottamassa Suomeen rakennettavaksi suurta neutriinoteleskooppia, joka olisi maailmanlaajuisesti ainutlaatuinen mittalaite. Kyseessä olisi suurin yksittäinen kansainvälinen tiedehanke Suomessa ja nostaisi suomalaiset neutriinotutkimuksessa samaan asemaan, missä CERN on hiukkasfysiikassa.

Tämän LAGUNA-teleskoopin sijoituspaikka olisi Pyhäsalmen kaivos, noin puolivälissä Jyväskylästä Ouluun vievän tien varressa. Kaivos on Euroopan eräs syvimmistä kaivoksista, missä on louhittu kuparia ja sinkkiä jo yli 50 vuoden ajan. Aluksi maan pinnalta avolouhoksena, mistä vuosien varrella sitä on syvennetty vaiheittain aina 1,4 kilometrin syvyyteen. Nykyisin kaivoksesta louhitaan vuodessa noin 1,4 miljoonaa tonnia malmia, mutta tuotanto on pian loppumassa, joten LAGUNA voisi pitää paikkaseudun vilkkaana.

Pyhäsalmen kaivoksen suuri etu on myös se, että kaivos on erittäin hyvässä kunnossa ja siisti. Siellä on kovapintaisia, hyviä käytäviä ja halleja, joissa tosin pienten henkilöautojen sijaan on suuria kaivostraktoreita, kuorma-autoja, poralaitteita ja muutamia maastoautojakin, sinistä valoaan vilkuttavat lyhyet valomastot katoillaan. Ja on myös työmaaruokala, sosiaalitiloja ja tupakkanurkkaus, ihan kuin olisi missä tahansa teollisuustilassa.

Tähtäimessä alkeishiukkanen

Siinä missä mainarit kaivavat syvyyksistä tonnikaupalla malmia, on tutkijoiden tähtäimessä suurempi asia: koko maailmankaikkeus.  Avain siihen on kuitenkin erittäin pieni alkeishiukkanen nimeltä neutriino. 

Neutriino on eräs alkeishiukkasista ja niitä on todella paljon. Noin 65 miljardia neutriinoa kulkee jokaisen kehosi neliösentin lävitse joka sekunti. Siis 65 miljardia joka sekunti jokaisen neliösentin läpi. Ja tässä ovat vain Auringon tuottamat neutriinot. Lisäksi kosmiset säteet tuottavat niitä ilmakehään törmätessään ja maankuoressa itsessäänkin syntyy paljon neutriinoita, kun radioaktiiviset aineet hajoavat. Ja sitten vielä big bang - maailmankaikkeuden alussa syntyi niin paljon neutriinoita, että se on maailmankaikkeuden yleisin alkeishiukkanen heti fotonin jälkeen.

"Nykyfysiikassa on pienenpieni ongelma", valittelee David Wark, neutriinotutkija Rutherford Appleton -laboratoriosta, Iso-Britanniasta. "Nimittäin emme tiedä mistä kaikki aine on peräisin. Ymmärrämme varsin hyvin fysiikan peruslait, jotka määrittelevät sen miten alkeishiukkaset toimivat; kun mittaamme miten ne käyttäytyvät ja ovat keskenään, niin saamme suurimmalle osalle hiukkasista täsmälleen oikeat vastaukset teoriasta, jota kutsumme standardimalliksi."

"Meidän mieltämme vaivaa kuitenkin yksi asia: nimittäin jos koitamme laskea näiden teorioiden mukaan maailmankaikkeuden alkua, niin emme saa lainkaan ainetta. On kuitenkin selvää, että ympärillämme on ainetta, aika paljonkin, ja me itsekin olemme ainetta, joten mistä ihmeestä se on tullut?"

Wark kertoo, että fyysikot koittavat etsiä nyt erilaisia paikkoja fysiikan perusteista, joissa voisi olla luuraamassa lakeja joita emme vielä tunne. Ja yksi tällainen tuntematon alue on neutriinojen tuntemus: "Emme tiedä niistä vielä paljoakaan. Pystymme havaitsemaan niitä, mutta niitä on tavattoman vaikeaa mitata, joten emme ole pystyneet tutkimaan niitä lähellekään niin tarkasti kuin muita alkeishiukkasia. Toivommekin, että sitten kun tunnemme paremmin neutriinon ominaisuuksia, niin voimme paikata teorioitamme ja lopulta ymmärtää miten maailmankaikkeus on sellainen kuin se on."

Kallio suojaa ja sinne on hyvä rakentaa

Warkin puheet muistuvat helposti mieleen, kun ajaa maastoautolla kaivoskäytävässä. Ajovalot tukevat pimeyteen ja auto heiluu hieman epätasaisella lattialla. Muutaman minuutin ajon jälkeen saavumme tunnelin päähän, kymmenkunta metriä korkeaan ja leveään syvennykseen. 

Tuntuu siltä, että olemme tosiaankin syvällä, siis tosi syvällä maan alla, kun kiveä on joka puolella ja tunneleissa kaikuvat kaukana menevien ajoneuvojen äänet. Kivi seinä on myös selvästi lämmin: maan sisällä on kuumaa.

"Olemme nyt täällä noin 1400 metrin syvyydessä ja yhteiseurooppalaisessa Laguna-hankkeessa suunnitellaan tänne syvälle maan alle sijoitettavaa neutriinoja havaitsevaa instrumenttia", sanoo Marko Aittola, Laguna-neutriinoteleskooppihankkeen projektipäällikkö.

"Nämä neutriinohavaintolaitteet täytyy sijoittaa syvälle maan alle, suojaan ympäröivältä taustasäteilyltä, koska silloin päällä oleva kivikerros suojaa laitetta ylimääräiseltä säteilyltä. Näin voidaan havaita vain neutriinoja, jotka kulkevat maan kuoren läpi tänne ilmaisimeen."

Neutriinot vuorovaikuttavat muun aineen kanssa niin huonosti, että ne voivat kulkea teoreettisesti valovuosia paksun seinän läpi noin vain. Mutta koska niitä on niin valtavasti, niin sattumalta jokunen saa aikaa reaktion jopa sinunkin sisälläsi aina silloin tällöin - ei mitään paniikkia, siitä ei ole mitään vaaraa.

"Neutriinot vuorovaikuttavat ainoastaan heikolla vuorovaikutuksella, niitä syntyy radioaktiivissa reaktiossa ydinreaktioissa, kun ne syntyvät ne läpäisevät aineen kuin tyhjää vain, siksi niitä on niin vaikea havaita. mm aurinko tuottaa valtavia määriä", selittää Kari Rummukainen, Helsingin yliopiston fyysikko.

"Jotta niitä voidaan havaita pitää olla valtavan suuria, massiivisia instrumentteja, siksi tässä Lagunassakin tutkitaan suuruusluokaltaan olevia sata metriä olevia laitteita."

Sata tuhatta tonnia tuikeöljyä?

Jos kerran neutriinot ovat niin hankalia havaita, niin kuinka ihmeessä sellaisia saadaan kiinni ja voidaan analysoida?

"Se tapahtuu niin että meillä on jotain kirkasta ainetta, vettä tai öljyä, tuikeainetta, johon neutriino osuu yhteen atomiin ja siitä tule valontuikahdus ja sitä havaitaan valomonistinputkin, mutta ainetta pitää olla tonneja ja suunnitteilla olevissa laitteissa 10 000 - 100 000 tonnia."

Se, miten neutriinoita havaitaan, riippuu laitteen tekniikasta. Joka tapauksessa tuikahdus kertoo energiasta, ja kun voimme nähdä mistä tuikahdus menee, tiedetään mistä se tulee. "Neutriinoja on kolmea eri lajia, niitä syntyy eri reaktiossa eri lajisia, ja siitä millainen tuikahdus tulee tiedämme millainen neutriino oli kyseessä."

Tarkemmin sanottuna neutriinot voivat olla elektronin kaltaisia, myonin kaltaisia ja tau-leptonin kaltaisia neutriinoita, nämä viittaavat suoraan näihin elektronin kaltaisiin hiukkasiin. "Yleensäkin hiukkasfysiikassa on aina kolme sukupolvea eri hiukkasia", jatkaa Rummukainen. "Ja neutriinolla on sellainen mielenkiintoinen ominaisuus, että kun niitä syntyy, ne ovat tietyntyyppisiä, mutta ne voivat muuttaa olomuotomaan matkalla." 

Kyse on niin sanotusta neutriino-oskillaatiosta, joiden tarkempaa olemusta ei toistaiseksi tunneta. Yksi tärkeimmistä Lagunalla selvitettävistä asioista on juuri nämä neutriino-oskillaatiot. "Jotta varmasti löytäisimme nämä kaikki ns, kriittisen parametrit, tarvitaan tällainen noin kymmenen kertaa aikaisempia neutriinokokeita suurempi havaintolaite."

Neutriino-oskillaatioiden selvittämiseksi tarvitaan neutriinoita, joiden ominaisuudet tiedetään täsmällee. Siksi Sveitsissä, Eurooppalaisessa hiukkastutkimuskeskuksessa CERN on laitteisto, jolla voidaan valmistaa juuri halutunlaisia, täsmälleen samanlaisia  neutriinoja. Sellaisia, joiden ominaisuudet tunnetaan täsmällisesti. 

Kun nämä neutriinot suunnataan maapallon kuoren läpi suoraan Pyhäsalmen kaivokseen, on etäisyys juuri oikea oskillaatioiden havaitsemiseen. Teorian mukaan paras välimatka olisi 2500 kilometriä, ja Pyhäjärvi sijaitsee 2300 kilometrin päässä CERNistä. "Se on aivan täydellistä", huokaisee Rummukainen.

Glideriksi, eli suomalaisittain liitimeksi kutsuttu laite on automaattinen miehittämätön vedenalainen tutkimusrobotti, jota kauko-ohjataan maista tai laivalta käsin.

Liikkuessaan laite kerää meren fysikaalista tilaa koskevia mittaustuloksia pitkin reittiä, joka laitteelle annetaan etukäteen. Laite lähettää mittaustuloksia satelliitin välityksellä maihin ja taltioi niitä muistiinsa.

Liitimen aikaisempi, valtameriversio matkasi itsenäisesti Atlantin poikki vuonna 2009, sellaiset voivat sukeltaa aina tuhannen metrin syvyyteen asti ja kulkea tuhansia kilometrejä ja useita kuukausia yhtäjaksoisesti.

Nyt Ilmatieteen laitos tutkii sen uudempien, pienten versioiden käyttöä myös Suomen lähivesillä. Tavoitteena on rakentaa yhteiseurooppalainen kauko-ohjattavien vedenalaisten merentutkimuslaitteiden infrastruktuuri, jonka avulla saataisiin edullisesti ja tehokkaasti mittaustietoa meristä koko ajan.

Jotta liitimen soveltuvuus matalan ja rantaviivaltaan moninaisen Itämeren oloihin tiedettäisiin, niitä testattiin nyt 11.–18. syyskuuta tutkimusalus Arandalla Selkämerellä ja Saaristomerellä.

Arandan tutkimusmatkalla testattiin Kanarian saarilla toimivan PLOCAN-laitoksen glideria Itämeren oloissa yhdessä espanjalaisten asiantuntijoiden kanssa. Liidintä ohjattiin erilaisissa olosuhteissa ja kokeet onnistuivat hyvin. Ilmatieteen laitoksen yhteistyö Gran Canarialla toimivan PLOCAN:n asiantuntijoiden kanssa on jatkunut jo parin vuoden ajan ja sitä on tarkoitus laajentaa.

PLOCAN:n liitimet tekevät Kanarian saarten vesillä säännöllisesti neljä kahden kuukauden tutkimusjaksoa vuodessa ja keräävät arvokasta tietoa meren tilasta.

Esihistoriallisen Japanin metsästäjä-keräilijät tai oikeastaan kalastajat käyttivät saviastioita ruoanvalmistukseen jo paljon ennen riisinviljelyn aloittamista. Jos muinaiset japanilaiset olisivat syöneet lautasensa – tai keittoastiansa – tyhjiksi ja pesseet ne putipuhtaiksi, löytöä ei kuitenkaan olisi ikinä tehty.

Vielä parikymmentä vuotta sitten oltiin siinä käsityksessä, että Japanissa alettiin valmistaa saviastioita vasta noin 2300 vuotta sitten. Sitten Jōmon-kautiselta asuinpaikalta löytyi rakennusten jäänteiden lisäksi runsaasti saviruukkujen palasia. Jōmon-kausi ulottuu noin 12 000 vuotta ajassa taaksepäin. Nyt tutkitut saviastiat ovat vielä varhaisempia ja siten peräisin paleoliittisen kauden loppuvuosituhansilta. (Kuvan ruukut ovat paljon uudempaa mallia, sillä ne on löydetty Pompeijin raunioista.)

Bioarkeologi Oliver Craigin johtama tutkijaryhmä Yorkin yliopistosta Englannista on päätynyt tulokseen, jonka mukaan japanilaisissa saviastioissa on porissut ruokaa vähintään 11 000 vuotta, mutta mahdollisesti jopa 15 000 vuotta sitten. Sirpaleista löytyneissä ruoantähteissä olevan typen perusteella on voitu päätellä, että niitä on käytetty kokkaamiseen.

Jäänteissä on todettu olevan myös rasvahappoja, jotka osoittavat, että astioissa on kypsennetty nimenomaan kalaa, mahdollisesti lohta, tai muita mereneläviä – tuhansia vuosia ennen kuin viljelyskulttuureissa alettiin käyttää saviastioita ruoanlaittoon. Craigin ryhmä tutki jäänteitä kaikkiaan 101 saviastiasta, jotka ovat peräisin 13 löytöpaikasta eri puolilta Japanin saaria. Noin 80 astiasta löytyi merkkejä joko makeassa tai merivedessä viihtyneistä eläimistä.

Manner-Aasian puolella, erityisesti Kiinassa, on hallittu saviastioiden tekotaito jo paljon aikaisemmin eli noin 20 000 vuotta sitten, mutta niitä ei ainakaan varmuudella tiedetä käytetyn ruoanvalmistukseen, vaan pelkästään säilytysastioina. Oliver Graig ryhmineen aikoo kuitenkin tutkia näiden vielä vanhempien saviastioiden palasia ja selvittää, olisivatko ne Japanista löytyneitä ruukkujakin vanhempia ”aromipesiä”.

Muinaisesta kokkaamisesta kertoi ScienceNews ja alkuperäinen artikkeli ilmestyi Nature-lehdessä 11.4.2013.

Hankkeeseen osallistuvan kansainvälisen tutkijajoukon kiinnostuksen kohteena on ilmakehän alimmat kaksi kilometriä, joiden vaikutusta ilmastonmuutokseen ja sääilmiöihin ei täysin tunneta. Se on myös meille ihmisille, muille eläimille ja kasveille kaikkein tärkein ilmakehän osa, koska suurin osa päästöistä on siellä. Saasteet kulkeutuvat toki vähitellen korkeammallekin ja huuhtoutuvat sateen mukana takaisin maahan, mutta niitä on runsaasti hengitysilmassamme.

Hitaasti lentävä ja käytännössä täysin tärinätön ilmalaiva soveltuu erinomaisesti nyt tehtäviin havaintoihin. Kyseessä on maailman suurin operatiivisessa käytössä oleva ilmalaiva, saksalainen Zeppelin NT, eli perinteikkäiden Zeppeliinien uudella tekniikalla varustettu ja nykyaikaisesti rakennettu malli - siitä kirjaimet NT, Neue Technologie, tai New Technology.

Mittauksia varten alun perin maisemalentoihin tehdyn aluksen matkustamo on muutettu pieneksi tietokonesaliksi ja ilmalaivan ulkopuolelle on asennettu runsaasti mittalaitteita. Sikarimaisen ilmalaivan päällä on jopa kymmenmetrinen mittauspuomi. Monet putket imevät ilmaa ulkopuolelta ja johtavat sitä matkustamon sisälle tutkittavaksi.

Zeppeliinissä on mukana monien muiden mittalaitteiden lisäksi myös laboratoriotasoinen massaspektrometri, joka kykenee analysoimaan 50-1000 nanometriä kooltaan olevia hiukkasia ja niiden koostumusta erittäin tarkasti.

Eräs koko hankkeen suurimmista ongelmista olikin saada pienhiukkasia mittaavat suuret laitteet pakattua matkustamoon siten, että ilmalaivan suurin sallittu lentoonlähtöpaino ei ylity.

Zeppelin NT voi ottaa maksimissaan 1900 kg painavan kuorman, jolloin koko laivan massa lentoon lähdettäessä on tarkalleen 10690 kg. Se voi lentää 2,6 kilometrin korkeuteen ja olla ilmassa yhtäjaksoisesti noin 24 tuntia.