Miksi valo on elämälle välttämätön?

Kimmo Pietiläinen / Aamulehti 6.10.1996

-----

Syksyllä huomaa, miten valo vaikuttaa elämään. Lähestyvän talven pimeys liittyy kylmyyteen ja valon vähyyteen. Valon puute lopettaa kasvien rehevän elämän ja aiheuttaa olennaisia vaikeuksia myös eläimille. Valo on elämälle välttämätöntä.

Mutta mikä valon ominaisuus nostaa sen keskeiseen asemaan? Mitä valo tekee elämän prosesseissa?

Biologit opettavat, että kaikki Maan elämä riippuu viime kädessä Auringosta tulevasta energiasta. Se koostuu monenlaisesta sähkömagneettisesta säteilystä, esimerkiksi röntgensäteistä, ultraviolettisäteistä, näkyvästä valosta, infrapunasäteistä ja vieläkin pitempiaikaisesta säteilystä. Auringon valo on monimutkainen energioiden kimara.

Ilmakehä suodattaa näistä säteistä suurimman osan. Se on kuin kilpi, joka suojaa meitä ilmakehän alareunalla asuvia kudoksille vaarallisilta röntgen- ja ultraviolettisäteiltä, mutta päästää elämän jatkumiselle keskeisen valon lävitseen eliöille.

Valon ansiosta kasvit yhteyttävät ja kasvavat ja muut eliöt käyttävät niihin varastoitunutta energiaa. Kasvit käynnistävät valosta peräisin olevan energian virran elämän läpi.

Valo haihduttaa vettä. Se sataa uudelleen maahan ja me tuotamme syntyneistä virroista sähköenergiaa vesivoimaloissamme.

Osa kasvikudoksista joutui aikoinaan Maan uumeniin, jossa se tislautui öljyksi ja kivihiileksi. Ihminen on ottanut käyttöön myös tämän varastoituneen valoenergian muodon.

Mutta nämä ovat vain valon ja elämän keskeisen vuorovaikutuksen seurauksia. Mitä valo tekee elämän perustasolla?

-----

Elämä koostuu atomeista ja niiden muodostmista molekyyleistä. Niinpä valon merkitys tulee paljastaa molekyylien tasolla. Miten valo vaikuttaa niihin?

Tämä on selkeä fysikaalinen ongelma, ja fyysikot antavat siihen yksikäsitteisen vastauksen.

Valon kansanomaiset kuvaukset keskittyvät aalto-ominaisuuteen. Valo on aalto, mutta sillä on myös hiukkasominaisuus, jonka fyysikot tuntevat hyvin. Valo käyttäytyy kuin hiukkanen ja valohiukkasta sanotaan fotoniksi.

Fotoni on oikeastaan energiapaketti joka tulee atomeihin ja molekyyleihin ja lähtee niistä aina kokonaisena. Valossa ei ole fotonin murto-osia, osittain syötyjä energiapaketteja.

Auringosta tuleva valo absorboituu eli imeytyy molekyyliin kokonaisuutena ja tämän tapahtuman yksityiskohtien selvittäminen paljastaa valon merkityksen elämälle.

Otan esimerkiksi veden ja lasken, miten punaisen valon fotonin absorptio vaikuttaa vesimolekyylin energiataseeseen. Siniselle valolle nämä ilmiöt ovat vielä voimakkaampia.

Normaalin vesimolekyylin keskimääräinen liike-energia, sen lämpö, on olohuoneessani noin 6x10-21 joulea.

Aallonpituudeltaan 0,680 metrin miljoonasosan punaisen valon fotonin energia on 3xlO-19 joulea, joka on viisikymmentä kertaa suurempi kuin molekyylin lämpöenergia.

Se tarkoittaa, että tällaisen fotonin absorboituminen nostaa vesimolekyylin energian viisikymmenkertaiseksi. Se on melkoinen hyppäys ja se avaa molekyylille aivan toisenlaiset mahdollisuudet kuin huoneenlämmön energiat.

Normaalioloissa tällainen hyppäys eli energian keskittyminen on äärimmäisen harvinaista. Se on likimain niin lähellä mahdotonta kuin fysiikassa ylipäätään päästään.

Vesimolekyylin lämpöenergia voi luonnollisesti viisikymmenkertaistua normaalioloissa, sillä mikään ei kiellä sitä. Sen todennäköisyyden voi jopa laskea. Tulos on 2,7x10 -33.

Loton päävoiton todennäköisyys on likimain yksi kymmenenestä miljoonasta eli 107:stä ja se on huikeasti suurempi kuin saamani tulos.

Tämä todennäköisyys tarkoittaa, että vain kolme molekyyliä 1033:sta saa tämän lämpöenergian ilman fotonien väliintuloa. Tämä molekyylien määrä vastaisi noin 30 000 kuutiometriä vettä.

Niinpä huoneenlämmössä vain yksi molekyyli 10 000 kuutiometrissä valtamerta nousee energeettisesti samalle tasolle kuin punaisen fotonin absorboinut molekyyli.

-----

Valon merkitys perustuu siis sen kykyyn siirtää yhteen molekyyliin muuten kerta kaikkiaan saavuttamattomia energioita. Valo kohdistaa suunnattoman energian yksittäisiin molekyyleihin.

Entä miten tämä energia suhtautuu kemiallisissa reaktioissa liikkuviin energioihin? Oikeastaan tämän ongelman vastauksen näkee takkaa katsellessa.

Palaminen on molekyylien muuttumista ja siinä vapautuu myös valoa eli fotoneita. Takan liekit ovat osittain punaisia, joten palamisreaktioissa liikkuvat energiat ovat samaa luokkaa kuin edellisessä esimerkissämme.

Eliöiden kemiallisen energian keskeinen kuljettaja on ATP- eli adenosiinitrifosfaatti-molekyyli. Se hajoaa kudoksessa ADP-molekyyliksi ja samalla vapautuu noin 7x10-20 joulea energiaa. Tämä on selvästi enemmän kuin molekyylien lämpöenergia ja esimerkkilaskelmani perusteella voin päätellä että molekyyleillä ei ole näin suuria energioita normaalioloissa.

Mutta tämä on se energiataso, joka pyörittää kudostemme kemiallisia elintoimintoja. ATP on elimistön polttoaine ja siitä vapautuva energia on elämänehto.

Niinpä neljän ATP-molekyylin hajoaminen vastaa yhden punaisen fotonin absorptioita.

-----

Valon keskeinen merkitys on siis siinä, että se pumppaa molekyyleihin kemiallisten reaktioiden käynnistymisessä ja ylläpidossa tarvittavan energian.

Elämän biokemiallisissa ketjuissa veteen ja muihin yhteyttämiseen osallistuviin molekyyleihin absorboituneet fotonit päätyvät lopulta ATP:hen ja niistä tulee elämän ylläpitäjiä.

Oikeastaan on yllättävää, että valon perimmäiselle välttämättömyydelle on näin selkeä ja periaatteessa yksinkertainen selitys. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että valon ylläpitämät elämän reaktiot olisivat yksinkertaisia tai nämä reaktiot olisivat luonteeltaan jotenkin rajallisia.

Mitä korkeammalle molekyylien tasolta noustaan, sitä mutkikkaammiksi valon vailkutukset käyvät. Se vaikuttaa myös ihmisen vietteihin, mielialoihin ja henkiseen toimintaan. Niiden selittäminen molekyylien ilmiöillä on ainakin toistaiseksi jopa fyysikoiden ulottumattomissa.

Artikkeliluettelolle | Valohoito-aloitussivulle