Chaos: Making a New Science

Vaihto-oppilaana huomasin, että Kanadassa koulufysiikan opetus nojasi koejärjestelyihin huomattavasti enemmän kuin suomalaisessa lukiossa. Esimerkiksi painovoimaa mallinnettiin mittaamalla leikkiauton liikettä kaltevaa luiskaa pitkin. Tutkimme luiskan kaltevuuden vaikutusta auton nopeuteen, kirjasimme tulokset ja sovelsimme kaavoja, jotka pysyivät melko yksinkertaisina verrattuna lukion pitkään fysiikkaan.

Kuten tavallista, fysiikan luokkaa kiersi rivi työtasoja vesipisteineen. Jossain vaiheessa ryhmämme hämmästellessä prisman pirstomaa lasersädettä aloin leikkiä vesihanalla. Avasin hanaa juuri sen verran, että vesi valui jatkuvana ohuena norona. Jos kiersin hanaa hieman kiinni, noroon ilmestyi kohta, jossa se alkoi väristä ja valua tippoina. Pienin säädöin tätä värinää saattoi siirrellä ylösalas lavuaarin pohjalta hanan suulle.

Meidän kohdallemme saapuessaan luokkaa kiertävä opettaja kumartui vesihanan äärelle ja totesi, että fysiikka virtaustekniikoineen pystyy mallintamaan jatkuvan valumisen, mutta katkeamiskohdan jälkeen, missä hana alkaa tiputtaa, siirrytään kaaoksen puolelle, jolloin täsmälliset ennusteet ovat mahdottomia. Hyvin arkisen ilmiön äärellä moderni fysiikka osoittautuu voimattomaksi.

Kaoottisia ilmiöitä on tietysti muitakin, kuten James Gleickin erinomainen kirja Chaos: Making a New Science (1987, suom. Kaaos, 2013) tietää kertoa, mutta minulle vesihana on ollut konkreettisin.

* * *

Determinismin eli lainalaisuusopin mukaan jokaisella ilmiöllä on syynsä. Tuntemalla alkutilanne ja ilmiötä hallitsevat luonnonlait tai lainalaisuudet on mahdollista ennustaa hyvinkin tarkasti, mihin esimerkiksi taivaalla keikkuva planeetta tai vihreää verkaa pitkin liikkuva biljardipallo päätyy hetken päästä. Mitä tarkempia mittaukset ovat ja mitä tarkemmin lainalaisuudet tunnetaan, sitä pidemmälle ja sitä yksityiskohtaisempia ennusteita voidaan tehdä. Luonnontieteet ovat paljolti näiden lainalaisuuksien tunnistamista.

Gleick toteaa, että tähän lainalaisuuden ihanteeseen ilmestyi 1900-luvun mittaan kolme merkittävää halkeamaa: Ensin suhteellisuusteoria musersi käsityksen tarkastelijasta riippumattomasta ajasta ja absoluuttisesta samanaikaisuudesta. Sitten kvanttimekaniikka paljasti, ettei äärettömän tarkka mittaaminen ole mahdollista, koska itse mittaaminen vaikuttaa havainnon kohteeseen. Lopulta kaaosteoria osoitti, että monet dynaamiset systeemit ovat hyvin herkkiä alkutilanteelle: pienikin muutos tuottaa hyvin erinäköisiä tuloksia. Näin ollen systeemi ei ole ennustettava.

Kaoottinen ei kuitenkaan tarkoita kuitenkaan täysin satunnaista. Melko pian tutkijat alkoivat tunnistaa heilahtelevissa tuloksissa rakennetta ja säännönmukaisuutta. Vaikka yksittäisen ilmiön tarkka ennustaminen osoittautuikin mahdottomaksi, tuloksiin saattoi kiinnittää todennäköisyysjakauman. Sään ennustaminen useamman päivän päähän on vaikeaa — ilmakehässä on useita erilämpöisiä, eritiheyksisiä ja eri nopeuksin liikkuvia kaasukerroksia, jotka ovat jatkuvassa liikkeessä hiertäen toisiaan ja joita on hyvin vaikea mitata tarkasti — mutta lämpötilan tai sateen todennäköisyyttä voidaan arvioida. Tulokset eivät myöskään heittäydy aivan mahdottomiksi, vaan suppenevat kohti joukkoa, jota kutsutaan attraktoriksi.

Tuossa yllä on Edward Lorenzin mukaan nimetty ”outo attraktori”, joka löytyi kolmen yksinkertaistetun ilmakehän virtausta kuvaavan yhtälön tuloksista. Lorenzin julkaisusta sai alkunsa myös kaaosteorian metafora, jossa perhosen siivenisku Brasiliassa voi aiheuttaa tornadon Texasissa. Perhosen kepeä lento ei tietenkään riitä aiheuttamaan tornadoa, mutta siiveniskun ilmavirta voi dynaamisessa järjestelmässä aiheuttaa sellaisen muutoksen, että tornado vaikkapa aikaistuu. Toisaalta: yhtä hyvin perhosen siivenisku tai syvä huokaus voi viivästyttää tornadoa.

Oleellista dynaamisissa järjestelmissä on pienten erojen vaikutus: kun peräkkäiset ”tilat” ovat syötteinä aina seuraaville, aivan mikroskooppisen pienetkin erot kertautuvat hyvin nopeasti ja johtavat hyvin erilaisiin tuloksiin. Esimerkiksi yksinkertainen nivelletty kaksiosainen heiluri tuottaa kovin erilaisia ja hankalasti mallinnettavia liikeratoja riippuen alkuasennosta.

* * *

Todellisuus on luonteeltaan loputtoman karhea. Britannian rantaviivan pituudelle tai vuorijonon harjanteelle saadaan hyvin erilaisia tuloksia riippuen siitä, miten pitkää viivainta mittaamiseen käytetään. Luonnossa ja matematiikassa on monia tämänkaltaisia fraktaalisia, mittakaavasta riippumatta itsensä kanssa samanlaisia rakenteita.

Yllättäen kaoottisen järjestelmän tuloksista voi myös löytyä fraktaalirakenteita. Toisin sanoen järjestelmän attraktori voi olla joukko, joka näyttää samalta riippumatta, miten läheltä tai kaukaa sitä katsoo. Funktiona fraktaali on kaikkialla jatkuva mutta ei missään derivoituva, eli erotusosamäärällä ei ole raja-arvoa missään pisteessä, vaan tulokset heittelevät rajusti mielivaltaisenkin pienessä ympäristössä. Fraktaalien itsesimilaarisuus on seurausta niiden rekursiivisesta muodosta: ne viittaavat itseensä, syöttävät itselleen omat tuloksensa ja tavallaan uppoavat itseensä.

Yhteys fraktaalien kaoottisiin järjestelmiin syntyy juuri niiden itseensä viittaavasta rakenteesta. Esimerkiksi Benoît Mandelbrot löysi IBM:llä työskennellessään Cantorin joukon puhelinlinjojen häiriöistä: millään aikavälillä ei ollut selkeästi jatkuvaa häiriöjaksoa. Tarkastelipa linjaa tuntien, varttien, minuuttien tai sekuntien tarkkuudella löytyi siitä aina häiriöttömiä jaksoja ja häiriöllisiä jaksoja. Kääntäen: jokaisen häiriöjakson sisällä oli lyhyempiä häiriöttömiä jaksoja. Puhelinlinjan häiriöt olivat mittakaavasta riippumatta samanlaisia.

Erikoista on myös kaoottisten järjestelmien taipumus palata häiriöiden jälkeen takaisin normaaliin, jos kohta vaikeasti ennustettavaan rutiiniinsa. Toistuvia tai eri tavoin jaksollisia prosesseja löytyy biologiasta ja vaikkapa ihmisen kehosta runsaasti. Esimerkiksi sydän kammioineen, läppineen ja lihaksineen kokonaisuutena on kompleksinen järjestelmä, joka pystyy kahden, kolmen miljardin lyöntinsä aikana ylläpitämään painetta, muuttamaan tahtia sekä estämään veren tukkeumat ja turbulenssit, jotka kaikki ovat osoittautuneet virtaustekniseksi kompastuskiveksi keinosydämille. Epälineaarisen takaisinkytkennän on tiedetty säätelevän ja ohjaavan prosesseja, ja jotkut lääkärit ovat alkaneet pitää kehon toimintojen kaoottisuutta terveytenä.

* * *

Vaikka Gleickin kirja käsittelee luonnontieteitä, on se pohjimmiltaan journalismia. Gleick kokoaa tarinaa uuden ja paljon tieteen piirissä vastustusta herättäneen ilmiön matkasta tiedeyhteisön harhaoppisilta laitamilta sen keskelle. Alkuun tutkijoita, jotka tekivät levottomuutta herättäviä havaintoja tai omituisia löytöjä, oli vain muutamia, joten tiedon kulkeutuminen heidän välillään on mahdollista jäljittää. Monet tekivät tutkimusta vapaa-aikanaan paljastamatta harrastustaan kollegoilleen. Niillä, jotka syventyivät aiheeseen vakavasti (usein omalla rahallaan), oli vaikeuksia saada papereitaan julkaistuksi. Lopulta kaoottisuus pystyi selittämään ilmiöitä paremmin tai ainakin elegantimmin. Kuhnilainen vallankumous toteutui.

Vaikka Chaos: Making a New Science on erittäin sujuva ja erinomaisen mielenkiintoinen (siitä huolimatta, että työkaverilta lainaamani kirja hautautui ponnekkaan alun jälkeen lukupinoon puoleksi vuodeksi), on se kolmekymmentä vuotta vanha. Kirjoitusajankohtanaan kaaos oli vasta asettunut osaksi tieteenkäsitteistöä ja menetelmistöä. Nyt sillä on muutama vuosikymmen historiaa ja ainakin sukupolven verran koulutettuja tieteilijöitä, joten olisi hauska tietää, missä tällä hetkellä mennään.

Omaan lukion pitkän fysiikan oppimäärääni ei mahtunut paljoakaan mainituista kolmesta vallankumouksesta. Ehkä ne vaativat sellaista matematiikkaa, jota ei lukiossa ehdi tulla vastaan. Kaaoksen myötä fysiikka muuttuu tilojen mittaamisesta ja kuvaamisesta prosessien mittaamiseen ja kuvaamiseen. Onkohan siihen mahdollisuutta paneutua lukiossakaan?

James Gleick, Chaos: Making a New Science (1987). Penguin Books, New York, NY, USA, 1988.

Kuvat: 
- Lorenzin attraktori (Wikimedia / CC BY-SA 3.0)

Sapiens: Ihmisen lyhyt historia

En ole kiinnostunut siitä, mitä Suomi lukee — edes juhlavuonna. Tapaan ottaa kirjojen kansiin painetut Kirjakauppaliiton varoitukset todesta, mutta ystäväni, jonka makuun uskallan luottaa, suositteli teosta — tai itse asiassa sen jatko-osaa. Niinpä kesällä lukupino asettui uuteen järjestykseen. Nyt syksyllä luin kirjan uudestaan.

Yuval Noah Hararin teos Sapiens: Ihmisen lyhyt historia (2017) on ollut kansainvälinen menestys. Kenties lajimme menneisyyttä käsittelevät teokset ovat nousseet tietokirjallisuuden pinnalle, kun lajimme tulevaisuus entiseen tapaan näyttää olevan vaakalaudalla. Hararin teos ei tietenkään nojaa suosiossaan pelkästään aiheen synnyttämään nosteeseen, vaan se on helposti lähestyttävä, monipuolinen ja hyvin kirjoitettu.

Harari kuvaa olosuhteita ja vaiheita, joiden kautta homo sapiens vähitellen siirtyi savanneilta kaupunkeihin. Monet eläimet ovat sosiaalisia ja käyttävät kieltä. Jotkut ovat painottaneet kieliopin tehostaman kielen poikkeuksellisuutta, mutta Harari korostaa toista luonnolliseen kieleen liittyvää piirrettä: sen synnyttämää fiktiota. Fiktio nostaa havainnon ja kommunikaation kohteet konkreettisesta abstrahoituun tai kuvitteelliseen. Sadut viihdyttävät, myytit opettavat ja selittävät, mutta myös raha, oikeudenmukaisuus, kansallisuus ja automerkki ovat fiktioita. Ne eivät ole epätosia vaan tavallaan sovittuja tai tuotettuja. Jaetut tarinat herättävät luottamusta. Niinpä muutama tuhat vuotta myöhemmin kesälomaa voi viettää turvallisesti vieraan heimon alueella.

Uskonnot ovat yli-inhimilliseen nojaavia arvojen ja normien järjestelmiä, yhdenlaisia fiktioita. Toisenlainen fiktio on esimerkiksi kapitalismi, joka on jakanut hedelmiä epätasaisesti samalla kuitenkin kohottaen jaossa olevien hedelmien määrää. Tieteellinen ajattelu, jota Harari pitää huomattavan eurooppalaisena keksintönä, lähtee tietämättömyydestä: valmiita ja lopullisia vastauksia ei ole, mutta ilmiöitä voidaan tutkia ja niistä voidaan esittää teorioita eli fiktioita. Tämä tietämättömyys on antanut ihmiselle ennen näkemätöntä valtaa muokata ympäristöä.

Kirja murskaa myös moderneja unelmia kivikautisen ihmisen ”harmoniasta” luonnon kanssa. Metsästäjä-keräilijä tunsi tietysti valtavat määrät kasveja sekä eläimiä ja liitti niihin kaikenlaisia uskomuksia. Kuitenkin suurten nisäkkäiden sukupuutot sattuivat samoihin aikoihin ihmiskosketuksen kanssa. Kivikautinen teknologia, erityisesti tuli, riitti muuttamaan kokonaisten mantereiden (esim. Australia) kasvuston ja eläimistön.

Ihmisen lyhyt historia on tietysti itsessäänkin tarina tai fiktio: emme havaitse sitä sellaisenaan vaan se täytyy päätellä. Kirja kuvaa ihmisenä olemista lintuperspektiivistä. Sivut ovat täynnä painavaa asiaa, jonka muodostamaa kuvaa ainakaan maallikon tiedot eivät riitä suuremmin haastamaan. Esiteollista historiaa tunteva lukija huomaa nyökyttävänsä päätään toistuvasti. Kirjoittamista harrastava lukija ihailee kirjan laajuutta ja kerronnan sujuvuutta. Tietokirjallisuutta harrastava lukija alkaa selailla evoluutiota käsitteleviä teoksia.

Yuval Noah Harari, Sapiens: Ihmisen lyhyt historia. Englanninkielisestä alkuteoksesta Sapiens. A Brief History of Humankind (2011) suomentanut Jaana Iso-Markku. Bazar, Liettua, 2017.

The Selfish Gene

Richard Dawkins, The Selfish Gene. Oxford University Press, Oxford, UK, 1976, 2006.

Richard Dawkins (s. 1941) on brittiläinen biologi, joka on noussut kuuluisuuteen geeneihin keskittyvän evoluution popularisoijana ja äänekkäänä ateistina. Vuonna 1976 julkaistu The Selfish Gene oli ensimmäinen Dawkinsin suurelle yleisölle suunnatuista teoksista, ja se, ainakin 30-vuotisjuhlapainoksen esipuheen mukaan, nosti laineita ja keskustelua sekä biologien piirien sisäpuolella että laajemman yleisön keskuudessa.

Kirjan The Selfish Gene (suom. Geenin itsekkyys) keskeinen idea perustuu George C. Williamsin tutkimustuloksiin. Williams nosti organismien sijaan geenit evoluution keskiöön: suosiollinen, periytyvä piirre tuottaa enemmän jälkeläisiä kuin muut. Dawkins esittää, että geenin näkökulmasta organismi, kuten ihminen, on pelkästään eloonjäämiskone, joka tarjoaa geenille elinympäristön ja kanavan lisääntyä. Geeni ei tietenkään tee lisääntymisestään tai tavoitteistaan mitään tietoista valintaa.  Dawkinsille geenin eli periytyvän piirteen itsekkyys on sitä, että ajaa omaa etuaan välittämättä organismin tai laajemmin lajin eduista tuon taivaallista.

Toisaalta Dawkins käyttää geneettistä sukulaisuutta selittämään luonnossa esiintyvän altruismin: Uhrautuvaisuus sukulaisen vuoksi on omien geenien etujen ajamista, koska sukulaisilla on yhteisiä geenejä. Mitä kaukaisempi sukulainen, sitä vähemmän yhteisiä geenejä ja sitä heikompi on uhrautuvaisuus. Dawkinsin mukaan jaettujen geenien odotusarvo määrää altruistisen käytöksen.

Kritiikittömät altruistit, jotka auttavat kaikkia, tulevat hyväksikäytetyiksi ja karsiutuvat populaatiosta, koska muut voivat käyttää säästyvät voimavaransa jälkeläisten hankkimiseen ja hard core -altruistien osuus pienenee. Niinpä ne piirteet, jotka syystä tai toisesta menestyvät ja saavat suhteellisesti enemmän jälkeläisiä, muuttavat ennen pitkää populaatiota, jossa ne esiintyvät. Tämän takaisinkytkennän kautta alkaakin evolutionaarisen peliteorian esittely, joka haukkaa merkittävän osan kirjasta. Maallikolle oli yllätys, missä määrin Dawkinsin esittämä evoluutiobiologia nojasi selityksissään peliteoriaan ja John Maynard Smithin evolutionaarisiin tasapainostrategioihin. Molemmat olivat sinänsä ennestään melko tuttuja, mutta vasta Dawkinsin lukemattomat esimerkit antoivat käsityksen näiden selitysvoimasta.

Geeni ei ole ainoa evolutionaarisesti kehittyvä piirre. Dawkins esittelee meemin "kulttuurisena geeninä", eli ajatuksena, vitsinä, muotina, tieteellisenä teoriana, sävellyksenä tai muuna sellaisena ideana, joka tarttuu ihmisiin esitysten kautta ja jää henkiin tai muiden meemien kanssa kilpaillessaan häviää taistelun paikasta kollektiivisessa muistissa ja painuu unohduksiin. Geenien tavoin meemit käyttävät itsekkäästi ihmisiä kulkuneuvoinaan ja leviämisalustoinaan.

The Selfish Gene on hurja ja mielenkiintoinen biologiakylpy. Jos peliteoria on kirjan esittämässä laajuudessa käytössä evoluutiobiologien parissa, biologia on matemaattisempaa kuin luulin. Kertojana Dawkins vyöryttää esimerkin toisensa jälkeen, mutta upottaa tieteelliseen proosaan paikoin kuivaakin kuivempaa huumoria. Harva ala kehittyy samaa vauhtia kuin biologia, joten kirja on osin historiaa. Juhlapainokseen Dawkins on lisännyt kommentteja nostaen esiin alkuperäispainoksen asia- ja tyylivirheitä, mutta myös kirjan saamaa aiheetonta kritiikkiä.

The Third Chimpanzee

Jared Diamond, The Third Chimpanzee: The Evolution and Future of the Human Animal. Harper Perennial, London, UK, 2006.

Jared Diamond on yhdysvaltalainen tutkija, joka on tehnyt kolme uraa. Hän väitteli fysiologiasta vuonna 1961. Tutkimustyön rinnalla hän tarkkaili lintuja ja perehtyi ekologiaan tehden useita kenttätutkimusmatkoja Uuteen-Guineaan. Viisissäkymmenissään hän perehtyi ympäristöhistoriaan, jonka kautta hänellä on maantieteen professuuri UCLA:ssa. Diamond on julkaissut useita tietokirjoja Uuden-Guinean linnustosta, mutta suurelle yleisölle hän tuli tunnetuksi kirjoistaan Tykit, taudit ja teräs, joka käsitteli ihmisyhteisöjen ja -kulttuurien selviytymisen edellytyksiä (esim. miksi Euraasia kehittyi Amerikoita nopeammin), ja Romahdus, joka luotaa korjaamattomien kulttuuristen syöksykierteiden syitä eri puolilla maailmaa. Diamond korosti molemmissa kirjoissa ekologian asemaa yhteisöjen ja kulttuurien kohtalon säätelijänä. Näitä best-sellereitä kuitenkin edelsi The Third Cimpanzee (suomennettu nimellä Kolmas simpanssi), joka käsittelee myöhempien kirjojen teesejä.

The Third Chimpanzee eli kolmas simpanssi sijoittaa ihmisen eläinkuntaan kädellisten nisäkkäiden haaraan. Lähinnä ihmistä lajina on simpanssi, jonka perimä eroaa vain 1,6% ihmisen perimästä. Ero on vähäinen, sillä joidenkin lintulajien sisällä erot ovat suurempia. Näin ollen ihmistä pitäisi ajatella kolmantena simpanssilajina simpanssin ja bonobon ohella. Kuten Steven Pinker kirjassaan How Mind Works, Diamondkin esittelee ihmisen lajityypillisiä ominaisuuksia ja evoluution tuloksia. Esimerkiksi miehet ovat naisia kookkaampia, koska jossain vaiheessa kehitystä urokset ovat joutuneet taistelemaan naaraista, ja lisääntymään ovat päässeet vain voittajat. Naiset ovat parittelukumppaniensa suhteen valikoivampia, koska joutuvat investoimaan enemmän jälkikasvuun. Kädellisten nisäkkäiden kivesten kokoja ja ihmisten parinvalintakriteerejä ruoditaan muutaman mielenkiintoisen luvun verran. Väkivaltaisuus, "kansanmurhat" ja ksenofobia eivät ole ihmisen erikoisoikeuksia, vaan niillä on esikuvia muissa lajeissa, mutta ihminen on pystynyt viemään ne uusiin mittasuhteisiin modernilla ajalla.

Jos lisääntymistä säätelisivät edelleen pelkästään miesten kaksintaistelut, ihminen olisi luultavasti primitiivinen ihmisapina yksinkertaisine kivityökaluineen. Noin 50 000 eaa tapahtui "suuri harppaus", kun moderni ihminen alkoi pukeutua, haudata kuolleita, maalailla luolien seiniä ja perustaa metsästysseuroja. Syntyi kulttuuri. Sen piirissä menestyminen saattoi perustua monenlaiseen osaamiseen ja taitoon. Diamond pitää kielen kehittymistä edellytyksenä tälle harppaukselle: kielen avulla tietoa voitiin siirtää ja yhteistyötä organisoida tehokkaammin. Hän esittelee indo-eurooppalaisten kielten samankaltaisuuksia ja mekanismeja, joita tunnistamalla kielitieteilijät voivat ryhmitellä ja ajoittaa kieliä. Ihmisten alkukielestä on joitain kalpeita aavistuksia, mutta ilman aikakonetta ne jäänevät vain aavistuksiksi.

Moderni ihminen oli kekseliäs työkalujen käyttäjä ja tehokas kommunikoija. Laji levittäytyi kaikkiin osiin maapalloa, missä elämä on suinkin mahdollista. Tähän esiteolliseen metsästäjä-keräilijä -aikaan ladataan usein katteetonta hohtoa: monet suuret nisäkkäät kuolivat sukupuuttoon kaikkialla, minne ihminen ehti. Diamond romuttaa vanhan unelman euraasialaisen ihmisen ylivertaisuudesta. Amerikan kansoilla ei ollut samaan tapaan sopivia nisäkkäitä kuormajuhdiksi tai helposti kesytettäviä viljelykasveja, eikä pohjois-etelä -suunta yli kasvillisuusvyöhykkeiden mahdollista lajien siirtymistä yhtä helposti kuin itä-länsi -suunta. Niinpä ekologia sanelee paljolti kulttuurien mahdollisuudet. Kulttuuri vaikuttaa myös ympäristöönsä säädellen siten omia menestymisen mahdollisuuksiaan. Tämä ei tarkoita pelkästään lajien sukupuuttoon metsästämistä tai metsien hakkuita, vaan myös uusi teknologia tai saapuminen uudelle, aiemmin vieraalle alueelle on ihmisen historiassa usein johtanut tahattomiinkin ylilyönteihin, jotka ovat pysyvästi kolhivat ekosysteemiä. Monet lintulajit kuolivat sukupuuttoon Tyynenvaltameren saarilla, kun ihmisen mukana saarille saapui rottia, joille ei ollut luontaisia vihollisia.

Maanviljelys mahdollisti korkeamman asukastiheyden kuin metsästys ja keräily, mutta se yksipuolisti ravintoa, pysyvän asutuksen myötä altisti taudeille ja vahvisti ihmisten välistä eriarvoisuutta, kun jotkut erikoistuivat päätösten tekemiseen (aateliset) ja toiset väkivaltaan (sotilaat). Väestön kasvu on johtanut kasvavaan ympäristön kuormitukseen -- joku on joskus sanonut, että sivilisaatio on viime kädessä energian kuluttamisen muoto. Ennen fossiilisten polttoaineiden käyttöä, energianlähde oli (ja monin paikoin edelleen on) biomassa, usein puu, jota käytetään myös rakennusaineena. Metsien hakkuut muuttavat paikallista vedenkiertoa, kiihdyttävät eroosiota ja irtisanovat ylläpitosopimuksen niiden varassa eläviltä lajeilta. Lyhyt johdanto käynnissä olevaan lajikatoon ja sen vaikutuksiin on synkkä. Ihmislajin edellytykset jatkaa elämää tällä planeetalla eivät ole mitenkään itsestään selvät. Huolimatta vastuksen ylivoimaisuudesta Diamond jaksaa olla varovaisen optimistinen.

Diamond kirjoittaa sujuvasti ja monipuolisesti. The Third Chimpanzee antaa maallikolle hieman uudenlaisen luennan ihmisen asemasta ja historiasta eläinkunnan osana. Monet argumentit on kuitenkin muotoiltu taidokkaammin myöhemmissä kirjoissa.

How the Mind Works

Steven Pinker, How the Mind Works. Penguin Books, London, UK, 1997.

Steven Pinker on kanadalaissyntyinen psykologian professori, joka työskentelee tätä nykyä Harvardin yliopistossa. Pinker on kirjoittanut kymmenkunta kieltä, evoluutiota ja psykologiaa käsittelevää tietokirjaa, joista How the Mind Works on ehkä tunnetuin. Se on yritys selittää tai motivoida mielen toiminta joukkona laskennallisia elimiä, jotka ovat tulosta evoluutiosta. Mieli on siis jonkinlainen luonnon valinnan muovaama tietokone -- ei nykyisten digitaalisten tietokoneiden kaltainen sähkömekaaninen kone vaan  orgaaninen Turingin kone, so. jonkinlainen sääntöjä noudattava symbolien käsittelijä. Pinker lisäksi esittää, että nämä säännöt ovat evoluution tulosta.

Kirjan alkupuoli käsittelee kognitiota eli mielen toimintaa informaation prosessointina. Tämä mielen laskennallinen teoria (computational theory of mind) ei ole uusi ajatus, mutta se on kerännyt voimaa psykologisen tutkimusaineiston kasvaessa. Ihmisille on selvää, että Pinkerin astuessa luentosaliin hänen päänsä tulee mukana, eivätkä luentosalin seinien väri vaihdu. Kun Pinker on luentosalissa, ihmisille on selvää, että hän on tullut sinne jostain aukosta tai on syntynyt sinne. Älykäs järjestelmä, kuten ihmismieli, ei voi sisältää äärettömästi faktalauseita, vaan sen on voitava päätellä perusfaktoista uusia faktoja päättelysäännöin eli algoritmein. Lisäksi tämän päättelyn on oltava erinomaisen tehokasta, kuten jokainen ns. kehysongelman äärellä käynyt tietää. Ihmismieli tekee oletuksia maailmasta ja selviää nykytietokoneille vaikeista ongelmista nopeasti.

Myös tunteet ja uskomukset ovat mielen käsittelemää informaatiota, joka koostuu symboleista. Nämä symbolit ovat fyysisten osien (synapsien) tiloja, ja ne viittaavat asioihin maailmassa. Ne laukeavat toimintaan niitä vastaavien ärsykkeiden yhteydessä. Näin Pinkerin mukaan mielen laskennallinen teoria ratkaisee dualismin ongelman: miten henki voi vaikuttaa aineeseen.

Pinker käsittelee esimerkiksi näköaistia useiden sivujen verran. Kappaleista heijastuvien valonsäteiden osuminen silmiin ja niiden välittämän kahden erillisen kuvan yhdistyminen mielen sisäiseksi esitykseksi on kiehtova tarina. Tiedonprosessointi jakautuu useille "moduleille", joista jokainen on erikoistunut jonkin tietyn ongelman ratkaisuun. Nämä modulit ovat tulosta luonnon valinnasta: tehokkaammat toimivat aistit ja niiden tuottaman informaation käsittely on taannut kantajalleen paremmat edellytykset hankkia ruokaa, torjua tai välttää vaaroja ja lisääntyä. Modulit ovat erikoistuneet samaan tapaan kuin ihmiskehon muutkin elimet: haima, maksa, sydän jne. Teorian mukaan mieli rakentaa ulkoisista ärsykkeistä mielen sisäisen mallin, jota koskeva päättely ei Pinkerin mukaan käytä luonnollista kieltä vaan mielen sisäistä ajattelun kieltä.

Mielen laskennallinen teoria on tietenkin edelleen kiistanalainen. Pinker torjuu mm. Penrosen Gödelin epätäydellisyystuloksiin nojautuvan kritiikin ja Searlen kiinalaisen huoneen. Teorialle löytyy tukea lukuisista psykologisista kokeista (miten ihminen tunnistaa eri asentoihin pyöräytetyn kappaleen, optiset harhat, vauvojen kappaleiden ja avaruuden hahmotuskyvyn kehitys, erilaisten aivovaurioiden vaikutus ajatteluun ja havaintoon (ks. esim. Oliver Sacks, Mies joka luuli vaimoaan hatuksi) jne). Lisäksi teoria pystyy selittämään monia psykologisia ilmiöitä, joiden kanssa kilpailevat teoriat hapuilevat.

Kirjan loppupuoli tarkastelee mielen toiminnan evolutionaarista taustaa. Evoluutiopsykologian mukaan ihmismieli on tulosta joukosta psykologisia adaptaatioita elinympäristössä toistuvasti esiintyviin ongelmiin. Ihminen kehittyi ajattelevaksi eläimeksi selviytyäkseen ympäristössään, ja elinympäristö on ihmisille ollut vuosituhansien ajan ruohotasanko. Miksi sukupuolet suhtautuvat seksiin eri tavoin? Miksi veri on vettä sakeampaa? Miksi soditaan? Miksi meillä on tunteita? Miksi ihmiset tekevät taidetta tai kuuntelevat musiikkia? Pinker johtaa vastaukset geneettisista adaptaatioista, ja kaivaa lukuisia esimerkkejä yhtä lailla länsimaisista kansoista kuin antropologien tallentamista metsästäjä-keräilijä -heimoista.

Pinker tunnustaa, ettemme ehkä koskaan tule ymmärtämään täydellisesti mielen toimintaa, eivätkä kirjassa esitetyt teoriat ole muutamaa poikkeusta lukuunottamatta hänen. Hän käyttää kirjan alusta useita sivuja kirjoittaen auki väittämiensä universaali- ja eksistentiaalikvanttoreita mahdollisten virhepäätelmien ehkäisemiseksi.

Pinker kirjoittaa hyvin; kertojan ääni on sujuva ja hauska.

The Emperor of All Maladies

Siddhartha Mukherjee, The Emperor of All Maladies: A Biography of Cancer. Fourth Estate, London, UK, 2011.

Siddhartha Mukherjee on yhdysvaltalainen lääketieteen apulaisprofessori, joka on erikoistunut syöpäsairauksiin. Työskennellessään bostonilaisessa syöpäsairaalassa osana erikoistumistaan Mukherjee alkoi kirjoittaa kirjaa vastauksena toistuviin potilaiden ja näiden omaisten esittämiin kysymyksiin syövän alkuperästä, syövän vastaisesta taistelusta, sen vaiheista ja mahdollisuuksista. The Emperor of All Maladies on kuusisataasivuinen syövän elämäkerta, joka valottaa syövän historiaa lääketieteen näkökulmasta alkaen muinaisesta Egyptistä päätyen tähän päivään.

Vanhin tunnettu kirjallinen viittaus syöpään on egyptiläinen tuhansia vuosia vanha piirtokirjoituskatkelma, joka kuvailee rintasyöpäkasvainta ja sen hoitoa: hoitoa ei ole. Hippokrates kuvaa lukuisia erilaisia syöpäkasvaimia, jotka hän nimeää ravuiksi (kreikk. carcinos, lat. cancer) kasvaimien poikkileikkauspinnan sisältämien ravun jalkojen kaltaisten haarojen vuoksi. Galenoksen humoraalioppi piti lääketiedettä otteessaan aina modernin lääketieteen alkuun asti, eikä se tarjonnut syöpää vastaan kuin yrttejä, elohopeaa ja suoneniskentää.

Vähitellen humoraalioppi joutui kuitenkin ristiriitaan havaintojen kanssa. Yhtäältä nuuskaajien ja toisaalta nokipoikien keskuudessa havaittu erikoisten syöpäsairausten yleisyys johti epäilemään ulkoisia syitä. Kuolleille tehtiin ruumiinavauksia, anatomiasta kirjoitettiin oppikirjoja, ja lääketieteen alati kehittyvä tuntemus ihmiskehon toiminnasta alkoi yhä tarkemmin selittää sairauksien ja niiden syiden välistä suhdetta. Mutta syövän alkuperä pysyi mysteerinä.

Kirurgia kehittyi (kiitos mm. puudutuksen), ja syöpää alettiin hoitaa leikkauksin. Välillä leikkaus toimi, välillä ei, ja kirurgien johtopäätös oli leikata lisää. Niinpä rintasyöpäpotilailta leikattiin luita ja lihaksia, mikä ei kuitenkaan johtanut selkeästi parantuneeseen selviytymisprosenttiin. Kirurgien johtopäätös oli leikata lisää. Myös röntgensäteiden huomattiin tehoavan syöpäkasvaimiin. Niinpä sädehoitoa annettiin säästelemättä, ja joissain tapauksissa potilas parani, toisissa sädehoito aiheutti uuden, entistä pahemman syövän. Molemmat menetelmät löysivät myöhemmin nöyryyttä, mutta alkuun tehtiin yrityksiä ja erehdyksiä.

Ensimmäisen maailmansodan jälkeen huomattiin, että sinappikaasuna tunnettu kemiallinen ase sisälsi solunsalpaaja-aineita (sytostaatteja), jotka tuhosivat valkosoluja. Toisen maailmansodan aikaan näitä kokeiltiin pitkälle edenneen leukemian hoitoon, ja tulokset olivat hyviä. Sodan jälkeen joukko lääkäreitä ja aktiiveja teki syövästä poliittisen kysymyksen, jonka tutkimukseen ja hoitoon haluttiin valtion tukea. Pari vuosikymmentä myöhemmin käynnistetty julkinen rahoitus ei kuitenkaan tuonut toivottuja tuloksia: hoidot eivät olleet parantaneet merkittävästi selviytymistä. Syöpä pysyi mysteerinä.

Niin ikään sodan jälkeen pian sodan jälkeen brittiläiset epidemiologit huomasivat keuhkosyövän ja ensimmäisen maailmansodan jälkeen muotiin nousseen tupakoinnin välisen yhteyden, jonka vahvistivat monet sen jälkeen tehdyt tutkimukset. Meni kuitenkin toistakymmentä vuotta ennen kuin tupakkayhtiöt tunnustivat tuotteidensa haitallisuuden ja tupakan mainontaa alettiin rajoittaa. Niinpä ehkäisystä tuli merkittävä ase syövän vastaisessa taistelussa.

Vasta geenitutkimus on luonut valoa syövän alkuperään. Syöpä on geenisairaus, ja syövän alkuperä on ihmisessä itsessään. Sairastuminen edellyttää hieman tapauksesta riippuen muutaman sopivan geenimutaation tapahtumista yhdessä solussa. Jotkin aineet, karsinogeenit, altistavat mutaatioille, samoin tietyt tulehdukset, ympäristömyrkyt, säteily, lihavuus ja joissain harvoissa tapauksissa perintötekijät. Leikkausmenetelmät, lääkkeet ja sädehoito kehittyvät jatkuvasti, ja potilaiden selviytymisprosentti on noussut hurjasti. Syöpätutkimukseen on satsattu hurjasti rahaa, mutta uusia tutkimussuuntia ovat vaivanneet alkuun suunnaton euforia ja sitten epätoivo, kun uusi suunta ei olekaan tarjonnut lopullista vastausta. Yhtä selkeää hopealuotia ei ole ehkä odotettavissa.

Mukherjeen kieli on kaikkea muuta kuin lakonista ja toteavaa: virkkeissä kulkee sanakirjan verran ilmauksia ja termejä. Kerronta etenee ikään kuin ravun jalkoja esitellen: Mukherjee kattaa yhden tekniikan ja sen historian ja sitten palaa taaksepäin esitelläkseen seuraavan. Näistä huolimatta tai näiden ansioista syövän elämäkerta on kiehtova tarina. Sen rinnalla kulkee kirjoittajan omia kokemuksia, potilaskertomuksia ja onkologian arkea. Mukherjee muiden syöpälääkäreiden tapaan haaveilee hoidosta, joka ei olisi myrkyllinen tai vaarallinen.

The Emperor of All Maladies on voittanut mm. Pulitzer-palkinnon. Kirja on loistava: kerronta kulkee vaikeidenkin yksityiskohtien äärellä sujuvasti, ja esimerkit maustavat syöpätutkimuksen kehityksen käänteet mielenkiintoiseksi tarinaksi.

Mikrobit ja ihminen

Arno Karlen, Mikrobit ja ihminen. Englanninkielisestä alkuteoksesta Man and Microbes (1995) suomentanut Marja Suominen. Julkaistu Iso-Britanniassa nimellä Plague's progress: A Social History of Man and Disease. Terra Cognita, Helsinki, 2000.

Tietokirjailija Arno Karlen on kirjoittanut muutaman lääketieteen historiaa suurelle yleisölle valaisevan teoksen. Mikrobit ja ihminen on historiaa lukeneelle maallikolle mielenkiintoinen toinen näkökulma ihmisen ja ympäristön kanssakäymiseen ja sen ongelmiin. Penisiliinin ja antibioottien kehittäminen suitsi isorokon, lavantaudin, koleran, paiseruton ja pitkälti tuberkuloosin. Niinpä sivilisaatiomme tuntuu pitävän tartuntatauteja voitettuina. Ikuisen elämän tiellä ovat enää karsinogeenit ja elintavoista johtuvat sairaudet! Kuitenkin 1950-luvun jälkeen uusia tauteja on löydetty tukuttain, ja, vaikka pandemioilta on suurelta osin vältytty (AIDS? Klamydia?), valvonnan pettäessä taudeilla on potentiaa tehdä tiukasti kytkeytyneessä ja ahtaisiin kaupunkeihin pakkautuneessa populaatiossa ikävää tuhoa.

Karlen arvelee, että tartuntataudit ovat olleet keskeinen osa elämää aina siitä lähtien, kun bakteerit onnistuivat muodostamaan ryppäitä, muodostamaan aminohappoja ja niistä proteiineja. On esitetty, että solujen mitokondriot, jotka vastaavat soluhengityksestä ja joilla on oma DNA:nsa, ovat alkujaan muinaisen infektion jäänteitä. Soluun tunkeutuneet bakteerit yhdistyivät isäntänsä kanssa, mistä seurasi symbioosi ja työnjako. Jos tarkastelutasoksi otetaan mikrobit, so. bakteerit, virukset, homeet, hiivat ja sen semmoiset, elämä itsessään näyttäytyy ihmisen kokemasta arjesta kovin erilaisena kilpailuna ja yhteistyönä, joissa infektio on yksi mekanismi muiden joukossa. Joistain vanhimmista kasvifossiileista on löydetty sieni-infektioita ja loisia. Mekanismi on siis vanha.

Ihminen on elinympäristönsä tuote. Aikana, jolloin ihminen keräili ja metsästi, ihmiset eivät juuri altistuneet taudeille, koska vieraiden eliöiden kanssa oltiin kohtuu vähän tekemisissä ja koska liikuttiin jatkuvasti. Taudit eivät kasvaneet epidemioiksi ohuen väestötiheyden vuoksi. Sitten kesytettiin koira ja vaihdettiin patogeenejä, sairautta aiheuttavia pieneliöitä. Karjan myötä tulivat parasiitit ja mm. tuberkuloosi. Jokainen eläin, jonka ihminen on ottanut lähelleen (kulttuurisessa mielessä), on tuonut muassaan omat pieneliönsä. Sitten maanviljelystä seurasi pysyvä asutus, populaation kasvu, kauppaa jätteitä ja rottia. Ympäristö muuttui, osin ihmisen ansiosta, jolloin mikrobien ja isäntien tasapaino järkkyy, ja mikrobeista tuli aggressiivisempia.

Karlen käy läpi vajaassa neljässä sadassa sivussa ihmiskunnan historian mikrobien näkökulmasta. Paiseruton tuottamat kärsimykset ja kuolema ovat traagisia, mutta hirvittäviä tauteja on muitakin. Onneksi niiden tartunnat ovat jääneet paikallisiksi. Toisaalta tämänhetkinen influenssa A(H1N1) -pandemia on osoittanut, miten nopeasti tiukkaan kytkeytyneessä maailmassa tartunnat leviävät.

Karlen ei rakentele mitenkään toiveikasta kuvaa, vaan ennustaa ikävää uuden vuosituhannen ensimmäistä vuosisataa. Mikrobien ja ihmisen kilpajuoksu kiristyy. Toki tartuntatautien seurantaan ja torjuntaan on kehitetty sekä teknologisia että sosiaalisia ratkaisuja, mutta ihmisen keksiliäisyys on älyllistä ja mikrobien geneettistä. Ehkäpä pitkän päälle ainoa tapa saada suoja tauteja vastaan on lajina kehittää vastustuskyky luonnonvalinnan kautta -- toivottavasti ei, koska se on kovin tyly. (Jos tarkastelee elämää kuitenkin mikrobien tasolla, ei voi kuin ihailla.)