I T ET E E S
SÄ
TA
PAHT UU
11
Onko atomistisen selittämisen pätevyysalue ylitetty soveltamalla atomistista ajattelutapaa sellaiseen mihin se ei sovellu? Onko atomis- mia sovellettu niin ponnekkaasti, että on pe- rusteltua puhua harharetkestä?
Atomistinen ajattelu ei ole olemuksellinen ka- tegoria. Se ei siis ole asia, joka meidän tulisi
”hylätä” tai ”hyväksyä”. Atomistisen ajattelun lähtökohtana on se nykyisin itsestään selvä seik- ka, että aine on jaettavissa atomaarisiin perus- osiin ja että erilaisten aineiden ominaisuudet määräytyvät erilaisten perusosien erilaisina yh- distelminä. Atomistinen ajattelu ei kuitenkaan pelkisty tähän lähtökohtaansa. Ymmärrän sen se- littämisen yleiseksi tavaksi eli heuristiikaksi.
Olennainen kysymys on, millaisen heuristii- kan atomismi muodostaa. Tätäkin kysymystä on kuitenkin syytä tarkentaa. En laisinkaan aio väit- tää, että atomistinen selittäminen ”sinänsä” oli- si hyvästä taikka pahasta. Aion jäljempänä sen sijaan selvittää atomistisen selittämisen erilaisia perinteitä ja niiden pätevyysalueita [1].
Teemaan ”tutkimuksen harharetket” atomis- tisen ajattelun kytkee seuraava kysymys: Onko atomistisen selittämisen pätevyysalue ylitetty soveltamalla atomistista ajattelutapaa sellaiseen mihin se ei sovellu? Onko atomismia sovellet- tu niin ponnekkaasti, että on perusteltua puhua harharetkestä?
Atomismin kerrostumia
Jotta saisimme käsityksen siitä, miten atomismi on toiminut ajattelun ja selittämisen heuristiikka- na, esitän kolme esimerkkiä eri aikakausilta.
Demokritoksen ”atomioppi”
Diogenes Laertios kuvaa Demokritoksen ”ato- mioppia” seuraavasti [2]:
”Hänen näkemyksensä ovat seuraavat. Kaikkeuden perustoja ovat atomit ja tyhjä tila, ja kaikki muu on olemassa vain ihmisten uskomuksissa. Maailmoja on rajattomasti, ja ne ovat syntyviä ja häviäviä. Mikään ei synny siitä, mitä ei ole, eikä häviä siihen, mitä ei ole.
Atomeja on kooltaan ja lukumäärältään äärettömästi, ja ne kulkeutuvat kaikkeudessa pyörteenä ja synnyt- tävät siten kaikki yhdistelmät, tulen, veden, ilman ja maan. Nämäkin ovat nimittäin tiettyjen atomien jär- jestymiä. …”
”Kaikki tapahtuu välttämättömyyden mukaisesti.
Pyörre on kaikkien asioiden syntymisen syy, ja sitä hän kutsuu välttämättömyydeksi. … Kvaliteetit ovat olemassa tavan mukaan, mutta luonnon mukaan ole- massa ovat vain atomit ja tyhjä tila. Tässä olivat hänen näkemyksensä.”
Kuten usein on todettu, Demokritoksen atomis- milla ei ollut kreikkalaiseen fi losofi aan juuri vai- kutusta, mutta hänet on myöhempinä aikoina otettu toistuvasti esiin materialistisen ajattelun edelläkävijänä. ”Atomismi” on niin ollen De- mokritoksen kohdalla käypä termi vaikka sen soveltaminen on tarkkaan ottaen anakronismi.
Demokritoksen atomismi on ajattelumuoto. Hä- nellä ei voinut olla vähäisintäkään aavistusta sii- tä, millainen aineen fysikaalinen rakenne on. Sen sijaan hän esitti uskaliaan arvauksen, että erilais- ten aineiden toisistaan poikkeavat ominaisuudet on luontevinta ymmärtää olettamalla aineen ole- van jaettavissa perusosiin, jotka voivat muodos- taa erilaisia yhdistelmiä.
Klassisen fysiikan ”atomistiikka”
K. V. Laurikainen esittää teoksessaan Atomistii- kan aatemaailma [3] erinomaisen yhteenvedon klassisen mekaniikan atomismista. Laurikaisen mukaan atomistiikan perustana on Newtonin liikeyhtälö, joka ”antaa kappaleen kiihtyvyy- den, kun kappaleeseen vaikuttavat voimat tun- netaan. … Newtonin liikeyhtälö on kappaleen liikettä koskeva differentiaaliyhtälö, joka tekee mahdolliseksi kappaleen liikkeen ennustamisen,
Atomistisen ajattelun vastustamaton viehätys
Yrjö Haila
T I ET EE
S S
ÄTA
P H A U T U
12
jos vain kappaleeseen vaikuttavat voimat ja kap- paleen alkuperäinen liiketila tunnetaan” (s. 39).
Newtonin mekaniikan metodi loi pohjan me- kaaniselle maailmankuvalle, jota Laurikainen täsmentää seuraavasti: Newtonin liikeyhtälön soveltaminen todellisia fysikaalisia systeeme- jä koskeviin laskutoimituksiin edellyttää yksin- kertaistavia olettamuksia. Tärkein on oletus, että yhtälöiden kuvaamat kappaleet ovat pistemäisiä.
Massapisteen paikka voidaan esittää täsmällises- ti kolmen koordinaatin tai vastaavasti paikkavek- torin avulla. ”Klassisen mekaniikan järjestelmä alkaa massapisteen mekaniikalla. Nesteiden, kaasujen ja kiinteiden kappaleiden mekaniik- ka rakennetaan massapistemekaniikan pohjalle ajattelemalla tarkasteltu ainemäärä jaetuksi niin pieniin osiin, että kutakin osaa voidaan käsitellä massapisteenä” (s. 41). Paikan rinnalla liikkeen käsittelyssä tarvitaan ajan käsitettä. ”Käsitteet paikka ja aika ovat liikkeiden kuvailun ja siis mekaniikan perustana” (s. 42).
Mekaaninen maailmankuva sai olennaisesti li- sää kantavuutta 1800-luvun kuluessa kun New- tonin liikeyhtälöitä kyettiin soveltamaan myös jatkuvasti jakautuneeseen aineeseen ja energe- tiikka kyettiin yhdistämään samaan asetelmaan molekyylien lämpöliikkeenä. Tätä Laurikainen luonnehtii seuraavasti:
”Yleensä … aineen ulottuvuuksia ei voi jättää huo- miotta. Tällöin puhutaan jatkuvasti jakautuneesta ai- neesta. Aineen tiheys ilmoittaa, millä tavalla massa on jakautunut tarkastellulle alueelle. … Ainemäärän ko- konaisliikkeet voidaan hallita massapistemekaniikan pohjalta ottamalla huomioon tiettyjä lisäehtoja, joiden avulla kuvataan aineen sisäistä rakennetta. … Varsin yleiseksi muodostui ajatus, että lämpö oli näiden pe- rushiukkasten (= atomien ja molekyylien) liikettä.
1800-luvun kuluessa tämä ajatus kehittyi askel aske- lelta täsmälliseksi tieteelliseksi oppirakennelmaksi, josta käytetään nimitystä mekaaninen lämpöteoria. Siitä muodostui mekaanisen luonnonkuvailun kaunein kruunu.” (s. 47-49).
Klassisen fysiikan atomismi on ajattelumuo- tona rinnasteinen Demokritoksen atomismiin, josta Laurikainen toteaa seuraavaa: ”Hänen op- piensa perusajatukset ovat yllättävän moderneja – tai ainakin viitisenkymmentä vuotta sitten fyy- sikkojen ajattelu kulki hämmästyttävässä mää- rin samoja latuja kuin Demokritoksen.” (s. 15).
Rinnakkaisuus syntyy siitä, että newtonilainen massapistemekaniikka ei ollut sidoksissa mihin- kään teoriaan aineen hienorakenteesta. Olennai- nen ero on tietenkin siinä, että mekaniikalla oli tukenaan eksaktit laskentamenetelmät. Matema- tiikan välityksellä mekaanisissa systeemeissä pä-
tevä materiaalinen kausaalisuus sai täsmällisen hahmon; eli kuten Laurikainen toteaa: ”Gali- lein ja Newtonin luomassa mekaniikan järjes- telmässä … on luotu ensimmäinen empiirisen todennettavuuden vaatimukset tyydyttävä teo- ria, jossa samalla vallitsee kausaalisuus – ehdoton syy–vaikutus-suhde. Differentiaaliyhtälö on tämän kausaliteetin tiivistymä” (s. 40, korostukset alku- tekstissä).
Klassisessa mekaniikassa atomismista tuli se- littämisen periaate. Atomismi sai 1800-luvun kulu- essa tuekseen empiirisesti yhä vakuuttavammin todennetun näkemyksen, että aine rakentuu pie- nistä perusyksiköistä. Rakenneyksiköiden luo- kittelu sai systemaattisen perustan alkuaineiden jaksollisesta järjestelmästä. Atomien rakenteen selviäminen teki mahdolliseksi ymmärtää me- kanistisesti eri alkuaineiden ominaisuuksien ero- ja. Vasta suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka murensivat klassisen mekaanisen maailmankat- somuksen perustan.
Biologisten populaatioiden dynamiikka 1900-luvun alussa syntynyt populaatiodynamiik- ka tarjoaa esimerkin atomistisessa ajattelussa tapahtuneesta murroksesta. Populaatiodyna- miikka on kytköksissä klassiseen mekaniikkaan sikäli, että tilastollinen mekaniikka oli sen kes- keinen innoittaja. Mekaniikan vaikutus toteutui kuitenkin analogiapäättelyn välityksellä epäsuo- rasti. Populaatiodynamiikkaan sovellettuna ato- mistisen ajattelun heuristiikka muuttui. Käytän seuraavassa muutoksen luonnehtimiseksi hy- väkseni Alfred Lotkan teosta Elements of Physi- cal Biology [4].
Lotkan varsinainen ala oli fysikaalinen kemia.
Hän pyrki esittämään teoksessaan kattavan yh- teenvedon elollisten prosessien kemiallisesta dynamiikasta molekyylien tasolta fysiologiaan, ekologisiin vuorovaikutuksiin ja biosfäärin ra- kenteeseen. Teos on metodologisesti tavattoman mielenkiintoinen osoittaessaan yksityiskohtai- sesti, miten 1800-luvun tilastollisen mekaniikan homogeenisia systeemejä kuvaavia malleja voi- daan muuntaa kuvaamaan rakenteellisesti eri- laistuneita elollisia systeemejä.
Ensiksi rakenteistuneen systeemin luonneh- dinta:
”Systeemi voi olla sellainen, että tietty aine tai ainei- den kompleksi kantaa mukanaan omaa välitöntä ym- päristöään. (s. 14) … Sellaisen systeemin kemiallinen dynamiikka, toisin sanoen lait jotka määräävät aineen jakautumisen sen lukuisten komponenttien kesken, voi ilmeisesti olla luonteeltaan perustavasti erilaista kuin
I T ET E E S
SÄ
TA
PAHT UU
13
tavanomaisen rakenteettoman systeemin dynamiikka.
… Erityisen edullisessa asemassa ovat ne rakenteet, jotka ovat sopeutuneet kanavoimaan tarjolla olevan vapaan energian siten, että niiden kasvun edellyttä- män ympäristön jatkuvuus tulee turvatuksi.” (s. 15).
Tämän perustalta Lotka esittää seuraavan bio- logisen evoluution luonnetta koskevan oletta- muksen:
”Edellä kuvatun kaltaisen rakenteistuneen systeemin kemiallisen dynamiikan lait ovat juuri ne lait, tai vä- hintäänkin tärkeä osa niistä laeista, jotka hallitsevat elävistä organismeista muodostuneen systeemin evo- luutiota. (s. 16)… Evoluutio on peruuttamattoman muutoksen alaisen systeemin historia. … Evoluution laki on tässä mielessä termodynamiikan toinen pää- sääntö.” (s. 26).
Lotka oli kuitenkin hyvin perillä siitä, että ter- modynamiikan lait ovat negatiivisia periaatteita:
”Ne kertovat meille mitä me emme voi tehdä; ne eivät anna mitään takeita siitä, mitä me voimme tehdä energiankäytön tehokkuusehdot huomi- oon ottaen.” (s. 327). Toisin sanoen, joskin toises- ta pääsäännöstä voidaan johtaa dissipatiivisten prosessien palautumattomuus (esimerkiksi ent- ropian lisääntyminen, diffuusio, sekä aineiden homogenisoituminen), niistä ei voida johtaa elä- män organisoitumisen periaatteita. Elämän or- ganisoitumisen ymmärtämiseksi on kyettävä kuvittelemaan rakennetta tuottavia termody- naamisia prosesseja.
Lotka sivuutti tämän ongelman toteamal- la, että ”tarkastelun kohteena olevat systeemit ovat aivan liian monimutkaisia, jotta niihin voi- si hedelmällisesti soveltaa termodynaamista päättelyä” (s. 39) [5]. Sen sijaan hän siirtyi tar- kastelemaan organismien keskinäisten vuoro- vaikutusten tuottamaa dynamiikkaa soveltaen niihin analogian välityksellä tilastollista meka- niikkaa. Analogiansa ydinkohdan hän esitti seu- raavasti:
”Vaikuttaa siis siltä, että tarvitaan täysin uudenlainen instrumentti, sellainen joka tarkastelee biologisen populaation yksiköitä samoin kuin vakiintunut tilas- tollinen mekaniikka tarkastelee molekyylejä, atomeja ja elektroneja; joka käsittelee sellaisia keskimääräisiä ominaisuuksia kuten populaation tiheys, populaatio- paine ja niin edelleen noudattaen samaa menetelmää, jolla termodynamiikka käsittelee kaasun tiheyden, kaasun paineen jne. keskimääräisiä vaikutuksia.” (s.
39-40) [6].
Tämän analogian perustalta Lotka kehitti popu- laatioiden vuorovaikutuksia kuvaavat yhtälöt, jotka nykyisin tunnetaan nimityksellä Lotka–Vol-
terra-mallit [7]. Lotka esitti mallit luvussa, jonka otsikko on ”Kinetiikan perusyhtälöt”. Hän läh- ti liikkeelle yhden populaation kasvun laista eli ns. logistisesta yhtälöstä, joka oli tunnettu 1800- luvun alkupuolelta lähtien ja jota oli sovellettu demografiaan jo usean vuosikymmenen ajan.
Yhtälön avulla tutkittiin kvantitatiivisesti myös yksittäisten organismien kasvua sekä autokata- lyyttisten kemiallisten prosessien kinetiikkaa.
Logistiseen yhtälöön Lotka liitti erilaisten po- pulaatioiden vuorovaikutussuhteet: peto-saalis suhteen sekä lajien välisen kilpailun, jolloin nii- hin tuli mukaan eksplisiittisesti toisen asteen ter- mejä kuvaamaan lajien (siis mallien muuttujien) keskinäisiä vuorovaikutuksia. Mallit ovat näin ollen epälineaarisia.
Koska Lotka–Volterra-mallit perustuivat ana- logiaan, ne eivät ilman muuta siirtäneet mukanaan uudelle sovellusalueelle klassisen mekaniikan ka- usaalisuusolettamusta. Mallien olennainen piirre on, että ne kuvaavat populaatioiden runsausvaih- teluja yksilöiden välisten vuorovaikutusten tuot- tamina keskiarvoina. Sekä Lotka että Volterra johtivat malleista dynaamisesti olennaisen kiin- nostavia tuloksia kuten sen, että tietyillä ennak- koehdoilla peto-saalis malli voi tuottaa vakaan populaatiosyklin.
Lotka–Volterra-mallien olennainen rakenteel- linen ero tilastolliseen mekaniikkaan verrattuna on siinä, että populaatiodynamiikan tapahtumi- sen ”tila” on eksplisiittisesti niihin sisällytetty- nä ympäristön kantokykyä kuvaavan parametrin välityksellä. Tämä vastaa sitä biologisten systee- mien ominaisuutta, että tila ei ole absoluuttinen taustakäsite kuten klassisessa mekaniikassa.
Sama pätee aikaan. Kun tila ja aika liitetään parametreinä malleihin, niiden arvoja voidaan varioida. Parametrisointi voidaan toteuttaa hy- vin monella eri tavalla; tämä on ollut populaatio- dynamiikan teoreettisen tutkimuksen keskeinen kehityssuunta 1960-luvulta lähtien. Interaktii- visessa systeemissä parametrit voivat jossakin systeemin vaiheavaruuden osassa muuntua muuttujiksi. On esimerkiksi täysin luontevaa sel- vittää sitä, miten peto–saalis-interaktiot muuttu- vat ”ajan funktiona” [8].
Atomismi on Lotka–Volterra-populaatio- dynamiikassa laskennan väline. Populaatioiden vuorovaikutusten luonnetta spesifi oimalla Lot- ka ja Volterra saivat homogeenisen tilan ikään kuin kietoutumaan itsensä ympärille. Malli- en myöhempi kehitys on osoittanut ne dynaa- misesti tavattoman rikkaiksi. Sen jälkeen kun automaattisen laskentatehon kasvu on tehnyt mahdolliseksi tutkia epälineaaristen systeemien
T I ET EE
S S
ÄTA
P H A U T U
14
dynamiikkaa, Lotka–Volterra-malleista on tullut kaaos- ja kompleksisuustutkimuksen keskeisiä esimerkkitapauksia.
Heuristiikka ja pätevyysalueen ongelma
Atomismi on ollut tieteellisessä ajattelussa mer- kittävä historiallinen saavutus, siitä ei voi valli- ta vähäisintäkään epäilystä. Ajatteluperiaatteena demokritolaisessa mielessä se merkitsi oivallus- ta, että erilaisten aineiden erot ovat selitettävissä mekanistisin perustein, selittämiseen ei tarvita olemuksellisia erotteluja.
Klassisen mekaniikan keskeinen abstraktio, massapiste, todelliseen maailmaan nähden kar- kea yksinkertaistus, teki mahdolliseksi laskea täsmällisesti kiinteiden kappaleiden kuten pla- neettojen ja tykinkuulien liikeratoja. Olennaisia uusia edistysaskeleita kyettiin ottamaan sitä mu- kaan kun aineen atomistisesta rakenteesta pääs- tiin yksityiskohtaisesti perille.
Klassisen mekaniikan valtaisa menestyksel- lisyys johti kuitenkin siihen, että atomistisuus tulkittiin kaikkien ilmiöiden yleiseksi ominais- piirteeksi. (Mekaniikan menestyksellisyys ei tosin ollut ainoa syy, mutta palaan tähän kysy- mykseen kirjoituksen viimeisessä jaksossa). Ato- mismin yleistämisen voi pelkistää seuraaviksi olettamuksiksi:
(1) Aineet, ilmiöt ja tapahtumakulut koostuvat atomaarisista perusyksiköistä, jotka voidaan luokitella keskenään identtisten yksiköiden muodostamiin luokkiin kuten eri alkuainei- den atomit.
(2) Kausaalisuus toteutuu atomististen perusyk- siköiden välityksellä. Se, mistä perusyksiköt saavat kausaalisen voimansa, ei tarvitse eri- tyistä selitystä [9].
(3) Yksilöjoukkojen ominaisuudet ovat hallitta- vissa keskiarvojen ja tilamuuttujien (kuten paine ja lämpötila) välityksellä.
Näiden väittämien kokonaisuutta kutsun ato- mistisen selittämisen heuristiikaksi. Selittämi- sen heuristiikka muodostuu niistä aineksista, joita pidetään itsestään selvästi a priori tieteel- lisen selittämisen edellytyksinä. Se käsittää oi- kean päättelyn säännöt mutta niiden lisäksi se käsittää olettamuksia, joiden perusteella selittä- misen kohteena oleva ilmiö ylimalkaan voidaan selittää. Tällaisia olettamuksia on välttämätön- tä tehdä, mutta ne jäävät usein artikuloimat- ta [10].
Heuristiikka ja pätevyysalue liittyvät toisiinsa siksi, että ajattelulla on aina kohde; ”puhdasta”
ajattelua esiintyy ainoastaan fi losofi en mieliku- vituksessa. Heuristiikka kuljettaa mukanaan selittämisen perustaa koskevia ennakko-oletta- muksia ilmiöalueelta toiselle.
Tieteellisessä ajattelussa heuristiikka on taval- laan näkymätöntä siksi, että tutkimuskohdetta koskevat substantiiviset ennakko-olettamukset muuntuvat metodologisiksi periaatteiksi. Tällais- ta klassisen mekaniikan kohdalla tapahtunutta muunnosprosessia ilmentää yllä siteeraama- ni K. V. Laurikaisen toteamus, että differenti- aaliyhtälö on ”kausaalisuuden tiivistymä”. Sen johdatukseksi hän erittelee differentiaali- ja in- tegraalilaskennan roolia klassisessa mekaniikas- sa seuraavasti:
”Jotta mekaniikan järjestelmä soveltuisi mielivaltais- ten liikkeiden kuvailuun, on sen perustaksi asetettava differentiaalilait: on esitettävä yleinen laki siitä, miten kappaleen liike muuttuu ”äärettömän lyhyenä” aika- välinä, jolloin tämä laki antaa, uudistuvasti sovellet- tuna, liikkeen täydellisesti” (s. 39).
Kun differentiaaliyhtälö tulkitaan kausaalisuu- den tiivistymäksi, yhtälö riittää kausaalisuuden tulkinnaksi. Kausaalisuuden mekanismia ja vai- kutussuuntaa ei tarvitse tehdä ymmärrettäväk- si: kausaalisuus vaikuttaa siinä muodossa, mihin yhtälö sen pukee [11].
Paradoksin taustalla on erikoislaatuinen her- meneuttinen kehä, joka syntyy kun systeemin kuvaamiseen ja selittämiseen käytetään samaa matemaattista formalismia. Tällöin formalismi sinänsä muuttuu selittämisen periaatteeksi.
Differentiaalilaskenta ei tietenkään ole ”ole- muksellisesti” atomistinen, mutta ajatus liikkeen jakautumisesta äärettömän lyhyisiin aikavälei- hin, joista voidaan uudistuvasti sovellettuna hah- mottaa koko liike, on atomistinen.
Atomistisen selittämisen heuristiikka on pä- tevää vain, mikäli sitä sovelletaan ilmiöihin joi- den suhteen sen ennakko-olettamukset ovat mielekkäitä. Koska ennakko-olettamukset pe- rustuvat abstraktioihin (kuten Newtonin me- kaniikan massapiste), ”todenmukaisuus” ei ole tässä yhteydessä mielekäs kriteeri. Olennaista on, että heuristiikan ennakko-olettamusten mie- lekkyys kyetään perustelemaan itse selitykses- tä riippumattomalla tavalla. Esimerkiksi se, että planeetat on mielekästä redusoida mekaniikas- sa massapisteiksi, voidaan perustella gravitaa- tiolain nojalla.
Esitin edellä, että Lotka–Volterra-populaatio- dynamiikka johti atomistisen heuristiikan muun-
I T ET E E S
SÄ
TA
PAHT UU
15
tumiseen. Olennaista tässä on, että aika ja tila onnistuttiin kytkemään parametreinä populaa- tiodynamiikan malleihin. Sen ansiosta dyna- miikan kausaalisuus ei pelkisty populaatioiden yksilöihin, vaan ympäristö vaikuttaa populaati- oiden yksilöihin ja niiden välisiin vuorovaiku- tuksiin. Malleissa ilmenevä kausaalisuus ei ole piilotettuna primitiivitermien alla, vaan sen me- kanistista perustaa voidaan selvittää [12].
Atomistisen heuristiikan kolmas ominais - piir re, pitäytyminen populaatiotasoisiin keski - arvoihin, on sen sijaan tuottanut Lotka–Volterra- populaatiodynamiikalle ongelmia. Kysymys on siitä, kuinka pienessä mittakaavassa ja millä ta- voin tilan (ja vastaavasti ajan) strukturoituneisuus tulisi ottaa huomioon populaatiodynamiikan teo- riassa. Ongelma on nykyisin hyvin intensiivisen tutkimuksen kohteena [13].
Harharetket?
Harharetkille ajaudutaan, mikäli selittämisen heuristiikka sisältää sellaisia tutkimusaihetta määrittäviä ennakko-olettamuksia, jotka eivät ole päteviä. Atomistisen heuristiikan kohdalla tämä voi tarkoittaa seuraavaa:
(1) Ilmiöt oletetaan atomaarisiksi, mutta ne eivät ole, sekä tämän korollaarina: kausaalisuu- den oletetaan toteutuvan perusyksiköistä käsin, mutta se syntyy vuorovaikutuksista.
(2) Makrotason ilmiöt tulkitaan populaatio- tasoisten keskiarvojen nojalla, mutta kes- kiarvot peittävät alleen merkityksellistä vaihtelua.
Keskeinen alue, jolla selittämisen atomistinen heuristiikka on johtanut suuriin vaikeuksiin, on atomistiseen geenikäsitykseen perustuva näke- mys biologisesta evoluutiosta. Tarina on pitkä ja mutkitteleva, sen yksityiskohtainen esittely on tässä yhteydessä täysin mahdotonta. Seuraavas- sa tiivis jäsennys [14]:
(1) ’Geeni’ omaksuttiin ominaisuuksien parti- kulaarista periytymistä kantavien yksiköi- den nimitykseksi 1900-luvun alkuvuosina.
Vähitellen vakiintui näkemys, että periyty- mistä hallitsee vastaavuus ”yksi geeni – yk- si ominaisuus”; 1940-luvulla tämä muuntui muotoon ”yksi geeni – yksi proteiini”. Evo- luutiobiologian arvovaltaiset oppikirjat tois- tivat näkemystä 1980-luvulle asti. ’Geeni’ on tämän näkemyksen mukaan ehdottomasti
kausaalisesti primaari organismien ominai- suuksien suhteen.
(2) Populaatiogenetiikan laskennalliset mal- lit kehittyivät yksi geeni – yksi ominai- suus -olettamuksen perustalta 1920-luvulta lähtien. Mallit esittävät teoreettisia ennus- teita siitä, miten populaatioiden geneettinen koostumus muuttuu luonnonvalinnan seu- rauksena sukupolvesta toiseen. Tilastollinen mekaniikka oli mallien keskeinen innoittaja [15].
(3) Geenien biokemia saatiin selvitetyksi 1950- luvulla: DNA osoittautui periytyvyyttä vä- littäväksi makromolekyyliksi, ja DNA:n rakenne ja kahdentumismekanismi kuvattiin (”kaksoiskierre”). DNA:n rakenteen selvit- tämiseen osallistunut Francis Crick muotoili molekyyligenetiikan ”keskeisdogmin”, jon- ka mukaan informaatio välittyy DNA:sta proteiineihin mutta ei päinvastoin.
(4) Geenistöön ryhdyttiin soveltamaan me- taforisia nimityksiä, jotka rinnastavat sen rakennekaavioon (blueprint), lineaariseen ohjeistoon (book of life) tai tietokoneohjel- maan. Rinnastusten perustana on atomisti- nen näkemys informaation luonteesta [16].
Tällaisten metaforien välityksellä yleistyi näkemys, että kun tietyn organismin kuten ihmisyksilön geenit tunnetaan, organismin ominaispiirteet voidaan täydellisesti ennus- taa.
(5) Yksilökehitys tulkittiin geenien mekaanisesti määräämäksi tapahtumakuluksi, ja se hävi- si epäkiinnostavana evoluutioteorian näkö- piiristä.
Tämän atomistisen genetiikan on murentanut uudenlainen mekanistisen ymmärrys kolmes- ta periytyvyyden ja evoluution kannalta keskei- sestä ilmiöstä.
Ensiksi, geenien ilmeneminen eli ’ekspres- sio’ on osoittautunut monimutkaiseksi ja vuo- rovaikutteiseksi tapahtumakuluksi, jossa geenien määrittämät ja geenien välittömän ympäristön määrittämät vaikutukset vuorottelevat. Perus- tavanlaatuisen tärkeä on se huomio, että orga- nismien perimässä on tunnistettavia geenejä huomattavasti vähemmän kuin organismeissa on niiden elintoimintoja määrittäviä proteiineja – toisin sanoen, ”sama” geeni tuottaa useita eri- laisia proteiineja tilanteesta riippuen. Geenit ovat aktiivisia tai inaktiivisia eri tavoin organismin eri soluissa. Geenien aktivoitumisen mekanis mien selvittämiseksi yksilökehityksen tutkimus on avainasemassa.
T I ET EE
S S
ÄTA
P H A U T U
16
Toiseksi, on tullut ilmeiseksi, että geenien pe- riytyminen ei ole ainoa mekanismi välittää in- formaatiota sukupolvesta toiseen (Jablonka &
Lamb esittävät tästä erityisen selkeän yhteen- vedon). Kromosomeissa olevan DNA:n lisäksi informaatiota välittävät erityisesti munasolun mutta myös siittiön rakenteelliset osat kuten kes- keiset proteiinit sekä soluelimet ja niissä oleva DNA ja RNA. Myös geeniekspressioon vaikut- tavat ’epigeneettiset’ mekanismit voivat periytyä jälkeläisille. Edelleen informaatiota välittävät or- ganismien muuttamat ympäristön rakenteet sekä oppiminen; ihmisen kohdalla erityisen merkityk- sellisiä ovat fyysiset rakenteet ja symboliset jär- jestelmät eli ns. toinen luonto.
Kolmanneksi, yksilökehityksen mekanismit mahdollistavat sen, että aikuistuneiden organis- mien ilmiasussa on huomattavasti yksilökohtais- ta vaihtelua, josta käytetään teknistä nimitystä
’plastisuus’ (West-Eberhardin teoksen keskeinen aihepiiri). Samaan lajiin kuuluvat yksilöt voivat erilaistua ilmiasultaan ympäristössä ilmenevää vaihtelua systemaattisesti noudattaen vaikka ne olisivat geneettisesti samanlaisia. Populaatiossa valmiiksi olevan geneettisen muuntelun avul- la ilmiasun erot voivat assimiloitua geneettisik- si eroiksi ikään kuin jälkikäteen. West-Eberhard toteaa, että sopeuttava evoluutio toteutuu ympä- ristöperäisen erilaistumisen assimilaation kaut- ta paljon todennäköisemmin kuin satunnaisten mutaatioiden tuloksena.
On itse asiassa kyseenalaista, onko geenejä selvärajaisina yksikköinä ylimalkaan olemassa [17]. Tämä terminologinen kysymys ei kuiten- kaan ole erityisen kiinnostava. Olennaisempaa on, että ymmärryksemme periytymisen mekanis- meista sekä biologisen evoluution dynamiikasta on olennaisesti parantunut. Pelkistän tämän me- kanistisen ymmärryksen vielä seuraavasti:
(1) Geenien ilmeneminen (ekspressio) toteu- tuu monimutkaisten vuorovaikutusten tu- loksena, ja geenien ympäristö on näissä vuorovaikutuksissa osallisena olennaisena kausaalisena tekijänä. Geenien ympäristö on hierarkkisesti rakentunut. Sen tasoja ovat: (a) kromosomin DNA-juosteeseen sitoutuneet proteiinit; (b) tuman proteiinit; (c) solun si- säinen ympäristö tuman ulkopuolella, missä proteiinisynteesi tapahtuu; (d) kudos, jossa solu sijaitsee; (e) koko organismin sisäinen ympäristö, erityisesti hormonit; ja (f) orga- nismin ulkoinen ympäristö. Geeniekspressi- on eri vaiheissa mitä moninaisimmat tekijät ovat kausaalisesti primaareja, ja mikä erityi-
sen tärkeää, geenit ja ympäristötekijät voivat vaikuttaa kausaalisesti saman molekyyli- biologisen mekanismin välityksellä (West- Eberhard esittää tästä erittäin vakuuttavaan empiiriseen aineistoon perustuvan yhteen- vedon).
(2) Geneettisten vaikutusten pleiotrooppisuus:
geenit vaikuttavat useaan eri ominaisuuteen, ja organismien ominaisuudet ovat useiden geenien vaikutuksen alaisia. Geeniekspres- sion kompleksisuus on pleiotropian meka- nistinen perusta.
(3) Monisoluisten organismien ilmiasuiset omi- naisuudet (anatomia ja fysiologia) ovat mo- dulaarisesti rakentuneita. Fysiologian ja anatomian ”moduulit” integroituvat tieten- kin yhteen koko organismin mittakaavassa, mutta modulaarisuus tekee anatomian nope- an muuttumisen mahdolliseksi. Eri koiraro- tujen erilaistuminen on tästä hyvä osoitus.
Atomistinen, geenien kausaaliseen voimaan luot- tava heuristiikka on evoluutioajattelussa toisin sanoen taakse jäänyttä aikaa. Tämän seikan in- noittamina voisimme kysyä: Ajautuiko atomis- tiseen geenikäsitykseen perustuva genetiikka aikoinaan harharetkelle? Mikäli se ajautui, mil- loin harharetki alkoi?
Tällaiset kysymykset ovat kuitenkin aivan liian yleisluonteisia vastattaviksi. Menneiden vuosikymmenten geneetikot toimivat omissa ympäristöissään omilla historiallisilla ehdoillaan.
Päätelmät ja erityisesti päättelyn heuristiikat, jot- ka nykypäivän näkökulmasta ovat ilmiselvän virheellisiä, ovat hyvinkin voineet olla aikanaan täysin perusteltuja.
Harharetkistä puhuminen on selvästi oikeu- tettua niissä tapauksissa, missä tutkimusta ovat ohjanneet poliittis-ideologiset vaikuttimet. Natsi- Saksan rotuoppi ja Neuvostoliiton lysenkolainen genetiikka ovat esimerkkejä. Tieteen ”sisäisten”
argumenttien ja poliittis-ideologisten ”ulkoisten”
tavoitteiden raja on kuitenkin erinomaisen häi- lyvä. Kutakuinkin kaikki populaatiogenetiikan perustajat esimerkiksi uskoivat eugeniikkaan, ih- misen geneettiseen jalostamiseen, vaikkakin eri- laisilta ideologis-poliittisilta perustoilta: J.B.S.
Haldane oli kommunisti, Ronald Fisher taas ää- rikonservatiivi. Tutkimustulosten soveltamisen mahdolliset alat ovat osa selittämisen perustaan vaikuttavia tekijöitä.
Nykyhetkeen voimme kuitenkin soveltaa tiukempia kriteerejä. Kun atomistisen geenikä- sityksen empiirinen perusta on murentunut, sii- hen nojautuva teoretisointi täyttää harharetken
I T ET E E S
SÄ
TA
PAHT UU
17
tunnusmerkit. Asetelma on sikäli paradoksaa- linen, että atomistinen genetiikka on saavut- tanut kannatusta yhteiskuntatieteilijöiden ja psykologien keskuudessa juuri sillä hetkellä, kun sen mekanistinen perusta on todettu vir- heelliseksi.
Voimme kuitenkin varovasti soveltaa sa- mantapaisia kriteerejä myös menneisyyteen päin. Voisimme ehkä arvioida, että atomistiseen heuristiikkaan turvautuneet tutkijat ovat ajau- tuneet harharetkille sellaisissa tilanteissa, jois- sa heille olisi ollut mahdollista ajatella toisin.
Esimerkiksi tilanteissa, joissa olemassa olevia empiirisiä tuloksia on jätetty huomiotta. Evoluu- tioajattelun historiasta löytyy toisinajattelijoita, jotka oivalsivat eri syistä atomistisen genetiikan ongelmallisuuden. West-Eberhard osoittaa lukui- sin esimerkein, että atomistiseen heuristiikkaan tukeutuneet teoreetikot ovat leimanneet toisin- ajattelijoiden ajatukset epäpäteviksi, usein vas- toin parempaa tietoaan.
Tieteellinen selittäminen ja ajattelun rutiinit
Selittämisen heuristiikan merkityksellä on oma mekanistinen perustansa siinä, että ajattelu on työtä. Kuten kaikki työnteko, ajattelu edellyttää työvälineitä. Ja kuten kaikki työvälineet, myös ajattelun työvälineet johtavat rutinoitumiseen ja urautumiseen. Rutinoitumisen ja urautumisen vuoksi uudella tavoin ajatteleminen on vaike- aa. Erityisesti rutinoituminen vaikuttaa metodo- logiseen ajatteluun, jonka perustana on pitkän harjaantumisen tuloksena syntynyt tutkimus- metodien käytännöllinen hallinta. Kun yksi osa tutkimuskäytännöissä muuttuu, muidenkin on muututtava.
Lotka–Volterra-populaatiodynamiikan ke- hitys on erityisen mielenkiintoinen esimerkki muun muassa siksi, että se osoittaa selittämisen heuristiikan uudistumisen pitkän aikajänteen.
Empiria, mallit ja teoria ovat kehittyneet lähei- sessä keskinäisessä vuorovaikutuksessa.
Lotka–Volterra-esimerkin perusteella uskal- taudun esittämään seuraavanlaisen olettamuk- sen: ehkä atomistisen heuristiikan rajoitteet on onnistuttu välttämään sellaisilla tutkimusaloil- la, joilla sen perusteet on onnistuttu mekanis- tisesti tulkitsemaan uudelleen. Mekanistisella ymmärtämisellä tarkoitan tässä sitä, että atomis- tisen heuristiikan taustaolettamuksia on pyritty ymmärtämään selitysmallista riippumattomal- la perusteella.
Populaatiodynamiikassa taustaolettamus- ten mekanistinen uudelleentulkinta on onnistu- nut, koska organismien ja niiden elinympäristön keskeisten piirteiden (muut organismit mukaan luettuina) vuorovaikutuksista on mahdollista ke- rätä havaintoja. Tätähän naturalistit ovat tehneet kautta aikojen. Populaatiogenetiikassa atomis- tisten taustaolettamusten uudelleentulkinta on sen sijaan vasta alullaan. Luonteva selitys on, et- tä geeniekspression mekanismien tutkimus on tullut mahdolliseksi vasta molekyyligenetiikan viime vuosikymmeninä tapahtuneen edistymi- sen myötä.
Onko atomistisella ajattelulla ollut erityis- tä viehätysvoimaa? Kaikesta päättäen on ollut.
Klassisen mekaniikan menestykset tekivät luon- tevaksi uskoa, että sen ajattelumalleja voi mie- lekkäästi soveltaa mille tahansa tutkimusalueelle [18]. Tämä pätee erityisesti siihen ajanjaksoon, jolloin klassinen mekaniikka oli vallitsevana fy- siikassa, siis suunnilleen 1700–1800-lukuihin.
Viehätysvoimalla on kuitenkin myös yhteis- kunnallinen taustansa. Sitä ei voi rajata erilleen tieteellisen ajattelun dynamiikasta, mutta olen sen jättänyt tässä kirjoituksessa sivuun kah- desta syystä: Ensiksi, koska aihe on liian laaja.
Toiseksi, koska on olennaista korostaa, että tie- teellisen selittämisen heuristiikat eivät redusoidu yhteiskunnallisiin tekijöihin kuten ideologiaan, politiikkaan tai sosiologiaan vaan ideologiset, po- liittiset ja sosiologiset tekijät ovat vaikuttaneet eri tavoin eri aloihin eri aikakausina. Tämän komp- leksin analyysi on mielekkäintä kohdennettujen tapaustutkimusten välityksellä. Darwinismi on hyvä kohde (ks. viite 15).
VIITTEET
[1] Teorian pätevyysalue (engl. domain) viittaa siihen todellisuuden osa-alueeseen, johon kyseisen teor- ian voi olettaa soveltuvan. Pätevyysaluetta rajaa- vat ne ennakko-olettamukset, joiden perusteella tutkimuksen kohteena olevan ilmiön olennaiset piirteet on määritelty.
[2] Diogenes Laertios: Merkittävien fi losofi en elämät ja opit (Summa, 2002).
[3] WSOY, 1973.
[4] Alkuteos 1924; julkaistu uudelleen otsikolla Ele- ments of Mathematical Biology (Dover, 1956).
[5] Lotka oli tässä tietenkin oikeassa; nykyisin tie- dämme, että vasta Ilya Prigoginen käynnistämä dissipatiivisten systeemien termodynamiikan tutkimus on luonut edellytyksiä Lotkan mainitse- man ongelman selvittämiselle.
[6] Aivan kuten tilastollinen mekaniikka ei kysy, mistä atomit ja molekyylit ovat peräisin, Lotka sivuutti analogiansa avulla kysymyksen, mistä
T I ET EE
S S
ÄTA
P H A U T U
18
erilaisiin populaatioihin lukeutuvat organismit ovat peräisin.
[7] Italialainen monipuolinen matemaatikkonero Vito Volterra kehitti rakenteellisesti samanlai- sia populaatioiden vuorovaikutuksia kuvaavia malleja samanaikaisesti. Myös Volterra käytti tilastollista mekaniikkaa analogiana malleja kon- struoidessaan.
[8] Klassisen mekaniikan jälkeisessä fysiikassa aika ja tila ovat problematisoituneet samassa mie- lessä, mutta suoranaiset vuorovaikutukset ovat olleet vähäisiä. Aihe on kuitenkin liian laaja tässä käsiteltäväksi.
[9] Klassisen mekaniikan alkukaudella alkuperän ongelman ratkaisi tietysti usko Jumalan olemas- saoloon. Newtonilaisen mekaniikan systematii- kassa kappaleiden liikevoiman alkuperän ongel- ma oli piilotettuna systeemin primitiivitermiin, jota ei määritelty (vaihtoehtoisia primitiivejä oli- vat ’voima’, ’massa’ ja ’momentti’; ks. Max Jam- mer, Concepts of Force, Dover, 1999).
[10] Samanlaisen ”liberaalin” tulkinnan heuristiikasta esittää Chuck Dyke, The Evolutionary Dynamics of Complex Systems (Oxford UP, 1988).
[11] Tähän liittyy se Thomas Kuhnin huomautus, että klassisen fysiikan matemaattisiin yhtälöihin perustuva selittäminen vastaa Aristoteleen ”muo- dollisen syyn” käsitettä (The Essential Tension, U.
Chicago Press, 1977).
[12] Edellä esittämissäni lainauksissa Lotka korostaa ympäristön merkitystä rakenteistuneiden biolo- gisten systeemien kemiallisessa dynamiikassa.
Ne ilmentävät fysikaalisen kemistin intuitiota siitä, että elämän kemialliset prosessit toteutuvat strukturoituneessa ympäristössä, jota prosessit itse ylläpitävät.
[13] Richard Solé & Jordi Bascompte, Self-Organization in Complex Ecosystems (Princeton UP, 2006).
[14] Keskeisinä lähteinä olen käyttänyt kahta tuoretta atomistisen genetiikan kritiikkiä: Mary Jane West- Eberhard, Developmental Plasticity and Evolution (Oxford UP, 2003) ja Eva Jablonka & Marion Lamb, Evolution in Four Dimensions (MIT Press, 2005).
[15] Darwinistisen evoluutioajattelun perusteellisen aatehistorian esittää David Depew & Bruce We- ber, Darwinism Evolving. Systems Dynamics and the Genealogy of Natural Selection (MIT Press, 1995).
[16] Ks. Lily Kay, Who Wrote the Book of Life. A History of the Genetic Code (Stanford UP, 2000).
[17] Helen Pearson, ”What is a Gene?”, Nature 441, 399-401 (2006).
[18] Kuten Alexander Koyré huomauttaa (Newtonian Studies, Harvard UP, 1965), Newtonia ei voi syyttä siitä, mitä hänen seuraajansa tekivät hänen teori- oilleen.
Kirjoittaja on ympäristöpolitiikan professori Tampe- reen yliopistossa.
