Kun ar­kie­lä­mäs­sä pu­hu­taan ta­sa­pai­nos­ta, se miel­le­tään yleen­sä suo­tui­sa­na ti­la­na. Fy­sii­kan nä­kö­kul­mas­ta ta­sa­pai­no oli­si kuo­le­man­tuo­mio kai­kel­le elä­väl­le.

Elä­mä pe­rus­tuu sii­hen, et­tä lai­naam­me ener­gi­aa ym­pä­ris­tös­täm­me ra­ken­taak­sem­me eli­mis­tös­säm­me mo­nen­lai­sia epä­ta­sa­pai­no­ja, min­kä an­si­os­ta sel­vi­äm­me hen­gis­sä. Yk­si esi­merk­ki sii­tä, mi­ten luo­vas­ti elä­mä käyt­tää fy­sii­kan la­ke­ja, löy­tyy sii­tä, mi­ten so­lum­me tuot­ta­vat ade­no­sii­nit­ri­fos­faat­tia (ATP). Mo­le­kyy­lia, joka toi­mii polt­to­ai­nee­na lä­hes kaik­kiin ener­gi­aa vaa­ti­viin bi­o­lo­gi­siin re­ak­ti­oi­hin. So­lun ATP:n tuo­tan­to­ko­neis­tol­la on pal­jon yh­tä­läi­syyk­siä säh­kö­tek­niik­kaan, mikä ha­vain­nol­lis­ta­nee, et­tä elä­män tar­kas­te­lu mo­le­kyy­li­ta­sol­la voi ol­la tuo­te­ke­hi­tyk­sen kan­nal­ta lu­paa­va ins­pi­raa­ti­on läh­de.

Elo­ton luon­to il­man ener­gi­aa pyr­kii ta­sa­pai­no­ti­laan ja ho­mo­gee­ni­seen kaa­ok­seen. Kun la­siin vet­tä li­sää suo­laa, ki­teet liu­ke­ne­vat ja le­vi­ä­vät, kun­nes suo­la­pi­toi­suus on ta­sais­ta koko la­sis­sa. Yk­si elä­män kes­kim­mäi­sis­tä pe­ri­aat­teis­ta on tais­te­lu tätä ta­sa­pai­no­ti­laa vas­taan.

So­luis­sam­me käy jat­ku­vas­ti ener­gi­aa ku­lut­ta­via pump­pu­ja, joi­den teh­tä­vä on pi­tää io­ni­pi­toi­suu­det eri­lai­si­na so­lun si­säl­lä ja ul­ko­na, luo­den epä­ta­sa­pai­noa. Ko­keet osoit­ta­vat, et­tä kun solu jou­tuu ää­rim­mäi­seen ener­gi­an­puut­tee­seen ja näi­den pump­pu­jen toi­min­ta hi­das­tuu, elo­ton luon­to pää­see val­loil­leen, io­ni­pi­toi­suu­det al­ka­vat ta­soit­tua, ja so­lun käy huo­nos­ti: se pul­lis­tuu ja me­nee puh­ki.

Fy­sii­kas­sa edel­lä ku­vat­tua sys­tee­mien pyr­ki­mys­tä ta­sa­pai­noa koh­ti kut­su­taan ter­mo­dy­na­mii­kan toi­sek­si pää­sään­nök­si. Eli­öil­lä on herk­kä­luon­tei­nen suh­de ter­mo­dy­na­mii­kan toi­seen pää­sään­töön. Tie­ten­kin ku­ten kai­ken muun­kin uni­ver­su­mis­sa mei­dän on to­tel­ta­va fy­sii­kan la­ke­ja, jot­ka kai­ken muun ol­les­sa ta­san, vie­vät mei­tä koh­ti ta­sa­pai­no­ti­laa.

Ar­ki­kie­les­sä ta­sa­pai­no­ti­la miel­le­tään po­si­tii­vi­se­na asi­a­na, mää­rän­pää­nä. Mut­ta ku­ten edel­lä ole­vas­ta esi­mer­kis­tä sel­vi­ää, bi­o­lo­gi­an kan­nal­ta ta­sa­pai­no­ti­la on kaik­kea muu­ta kuin toi­vot­ta­va. Jos olet ta­sa­pai­nos­sa, olet kuol­lut. Sen si­jaan elä­es­sä­si luot epä­ta­sa­pai­no­ti­lo­ja, yl­lä­pi­dät ja hyö­dyn­nät nii­tä hen­gis­sä.


Kudos ilman energiaa

On vai­ke­aa ku­vi­tel­la, mitä bi­o­lo­gi­sel­le ku­dok­sel­le ta­pah­tuu il­man ener­gi­aa, sil­lä elä­mää ja si­ten ener­gi­aa on maa­il­mas­sam­me lä­hes kaik­ki­al­la: kuo­le­man jäl­keen ha­jot­ta­jat ku­ten bak­tee­rit, sie­net ja ma­dot val­taa­vat ku­dok­sen ja käyt­tä­vät sen si­säl­tä­män ener­gi­an ra­ken­taak­seen omia epä­ta­sa­pai­no­jaan.

Mie­len­kiin­toi­nen esi­merk­ki sii­tä, mitä ta­pah­tuu il­man näi­tä epä­ta­sa­pai­no­ja, tu­lee fos­sii­li­sis­ta polt­to­ai­neis­ta.

Suu­rin osa ny­ky­päi­vä­nä saa­ta­vas­ta ki­vi­hii­les­tä on muo­dos­tu­nut ki­vi­hii­li­kau­del­la, jol­loin puu­ai­nek­sen si­säl­tä­mä lig­nii­ni oli yhä luon­non upou­u­si kek­sin­tö. Tä­ten puu­kas­vien kuol­les­sa ja kaa­tu­es­sa ne jäi­vät ma­kaa­maan, kos­ka ole­mas­sa ole­vat ha­jot­ta­jat ei­vät osan­neet vie­lä hyö­dyn­tää nii­tä ra­vin­nok­seen. Ajan myö­tä elä­väl­le luon­nol­le tyy­pil­li­nen mo­ni­mut­kai­nen epä­ta­sa­pai­no­jen jär­jes­tys on pur­kaan­tu­nut ja kuol­lut kas­vi­so­luk­ko on al­ka­nut muis­tut­taa ho­mo­gee­nis­tä gra­fee­nia. Toi­sin kuin eli­öt ja nii­den yh­tei­söt, ki­vi­hii­li ete­nee ta­sa­pai­noa koh­ti.


Aurinko, glukoosi ja ATP ovat elämän eritasoisia energialähteitä

Eli­öt vält­ty­vät ta­sa­pai­nol­ta ja sen tuo­mal­ta kuo­le­mal­ta lai­naa­mal­la ym­pä­ris­tös­tään val­ta­via mää­riä ener­gi­aa. Suu­rin osa täs­tä ener­gi­as­ta tu­lee au­rin­gos­ta, vaik­ka har­vat eli­öyh­tei­söt saa­vat ener­gi­a­tar­peen­sa epä­or­gaa­ni­sis­ta yh­dis­teis­tä sel­vi­ten tä­ten täy­des­sä pi­mey­des­sä – elä­mä oli­si siis mah­dol­lis­ta il­man au­rin­ko­a­kin, jos­kin sen mo­ni­puo­li­suus oli­si vaa­ti­mat­to­mam­paa.

Ih­mi­sen ener­gi­a­läh­de – ra­vin­to­mo­le­kyy­lit, ku­ten glu­koo­si – si­säl­tää val­ta­via mää­riä ener­gi­aa. Glu­koo­si­mo­le­kyy­lit toi­mi­vat täs­sä suh­tees­sa ikään kuin 100 eu­ron se­te­lei­nä. Noin suur­ta mää­rää ener­gi­aa on vai­ke­aa va­paut­taa ker­ral­la tur­val­li­ses­ti, kos­ka se oli­si so­lun kan­nal­ta ver­rat­ta­vis­sa rä­jäh­dyk­seen. Se ei oli­si myös­kään käy­tän­nöl­lis­tä, kos­ka yk­sit­täi­set ke­mi­al­li­set re­ak­ti­ot ke­hos­sam­me ovat ener­geet­ti­ses­ti pal­jon hal­vem­pia – vain muu­ta­mia eu­ro­ja. Sii­tä, mi­ten tämä 100 eu­ron se­te­li ri­ko­taan, ker­ro­taan­kin jo ly­hy­en bi­o­lo­gi­an lu­ki­o­kir­jois­sa: fer­men­taa­ti­on tai so­lu­hen­gi­tyk­sen tu­lok­se­na glu­koo­si vä­hi­tel­len pil­ko­taan ja sen si­säl­tä­mä ener­gia va­ras­toi­daan ko­li­koi­hin. Täl­lai­se­na ko­lik­ko­na toi­mii ade­no­sii­nit­ri­fos­faat­ti eli ATP.

Eli­mis­töm­me käyt­tää ATP-mo­le­kyy­le­ja polt­to­ai­nee­na lä­hes kaik­kiin ener­gi­aa vaa­ti­viin ta­pah­tu­miin. Esi­merk­ke­jä ener­gi­aa vaa­ti­vis­ta bi­o­lo­gi­sis­ta re­ak­ti­ois­ta on li­hasp­ro­tei­i­nien toi­min­ta, joka joh­taa li­hak­sen su­pis­tuk­seen, pro­tei­i­nien val­mis­tus tai ai­nei­den kul­je­tus so­lun sisä- tai ul­ko­puo­lel­le.
 

ATP:n tuottoon tarvitaan aikamoinen sähkölaitteisto

Pro­tei­i­ni, joka val­mis­taa ATP-mo­le­kyy­le­ja on lois­ta­va esi­merk­ki sii­tä, mi­ten elä­mä käyt­tää hyö­dyk­seen epä­ta­sa­pai­noa ja ter­mo­dy­na­mii­kan tois­ta pää­sään­töä. ATP-syn­taa­si on ent­syy­mi eli mik­ros­koop­pi­nen pro­tei­i­ni­ko­ne, joka si­jait­see ener­gi­aa tuot­ta­van so­lu­e­li­men, mi­to­kond­ri­on si­sä­kal­vos­sa. Kir­jal­li­suu­des­sa ATP-syn­taa­si ver­ra­taan usein moot­to­riin: moot­to­rin lail­la se si­säl­tää liik­ku­mat­to­man ka­na­van, jon­ka läpi kul­kee vir­ta, staat­to­rin. Staat­to­riin on kyt­ket­ty root­to­ri, joka vuo­ros­taan si­too ATP:n ai­ne­so­sat. Kun staat­to­rin läpi kul­kee säh­kö­vir­ta, läh­tee root­to­ri liik­keel­le mah­dol­lis­ta­en tä­ten ai­ne­so­sien yh­dis­ty­mi­sen ATP:ksi. Sa­moin kuin mikä ta­han­sa muu voi­ma­ko­ne, ATP syn­taa­si ei ky­ke­ni­si teh­tä­vään­sä il­man ener­gi­a­läh­det­tä.

ATP-syn­taa­sin ener­gi­a­läh­de eli vir­ta, joka sitä pyö­rit­tää koos­tuu ve­tyi­o­neis­ta ja kul­kee eteen­päin sik­si, et­tä ve­tyi­o­ne­ja on enem­män toi­sel­la puo­lel­la mi­to­kond­ri­o­kal­voa – io­ni­pi­toi­suu­det eri puo­lil­la kal­voa pyr­ki­vät siis ta­soit­tu­maan ter­mo­dy­na­mii­kan toi­sen lain mu­kai­ses­ti, ai­van kuin vesi toi­sel­la puo­lel­la pa­toa, jo­hon on teh­ty rei­kä. Mut­ta mi­ten tämä epä­ta­sa­pai­no on saa­tu ai­kaan?

Tie­tys­ti täs­sä­kään elä­mä ei riko ter­mo­dy­na­mii­kan la­kia vaan löy­tää por­saan­rei­än, ener­gi­a­läh­teen. Kun glu­koo­sia pil­ko­taan, va­pau­tuu sii­tä elekt­ro­ne­ja. Eri­lai­sil­la yh­dis­teil­lä on eri kyky ve­tää elekt­ro­ne­ja puo­leen­sa – tätä ke­mi­al­lis­ta omi­nai­suut­ta sa­no­taan pel­kis­tys­po­ten­ti­aa­lik­si. Yh­dis­te, jol­la on eri­no­mai­nen pel­kis­tys­po­ten­ti­aa­li, on hap­pi. Tä­män ha­pen omi­nai­suu­den ta­kia tar­vit­sem­me sitä hen­gi­ty­sil­mas­sam­me. Mi­to­kond­ri­ois­sa hap­pi ve­tää puo­leen­sa glu­koo­sis­ta va­pau­tu­nei­ta elekt­ro­ne­ja, ja tämä ve­to­voi­ma on niin val­ta­va, et­tä tu­lok­se­na muo­dos­tuu elekt­ro­ni­vir­ta. Elekt­ro­ni­vir­ras­ta saa­ta­va ener­gia käy­te­tään ve­tyi­o­nien pump­paa­mi­sek­si toi­sel­le puo­lel­le mi­to­kond­ri­o­kal­voa. Kun ve­tyi­o­ne­ja ker­tyy kal­von toi­sel­la puo­lel­la yli­mää­rin, al­ka­vat ne vir­ra­ta ATP-staat­to­ri­ka­na­van läpi. Tämä vir­ta tar­jo­aa ATP:n tuot­toon tar­vit­ta­van ener­gi­an. Mi­to­kond­ri­om­me ovat siis kir­jai­mel­li­ses­ti täyn­nä säh­kö­a­kuil­la toi­mi­via pump­pu­ja, jot­ka koos­tu­vat lä­hin­nä pro­tei­i­neis­ta, mut­ta si­säl­tä­vät myös rau­taa ja ku­pa­ria.

On mie­len­kiin­tois­ta aja­tel­la, et­tä ih­mis­kun­ta on al­ka­nut ra­ken­ta­maan säh­kö­lait­tei­ta ja tur­bii­ne­ja vain pari vuo­si­sa­taa sit­ten, vaik­ka näi­tä on löy­ty­nyt so­lu­jem­me si­säl­tä noin 3 mil­jar­din vuo­den ajan. Tu­le­vai­suus näyt­tää, mi­hin mui­hin tek­no­lo­gi­siin in­no­vaa­ti­oi­hin elä­mä voi tar­jo­ta meil­le eväi­tä, kun jat­kam­me sen tar­kas­te­lua mo­le­kyy­li­ta­sol­la.


***

SAM apu­ra­ha­sää­ti­ön sti­pen­di­aat­ti Ale­xand­ra Ek­vik tut­kii ATP-ta­lou­den vai­ku­tuk­sia so­lu­fy­si­o­lo­gi­aan ja ikään­ty­mi­seen Ka­li­for­ni­an yli­o­pis­ton Ber­ke­leyn kam­puk­sel­la. Hä­nen ai­neen­vaih­dun­ta­bi­o­lo­gi­an toh­to­ri­o­pin­to­jaan ra­hoit­ta­vat SAM apu­ra­ha­sää­ti­ön hal­lin­noi­mat The Ame­ri­can-Scan­di­na­vi­an ja Thanks to Scan­di­na­via -sti­pen­dit.