Kambrikauden meriä hallitsivat pöyristyttävän monimuotoiset selkärangattomat. Koreilijoiden seassa luikki meidän selkärankaisten esimuoto: vaatimaton "sillifile".


Koreilijoiden seassa luikki meidän selkärankaisten esimuoto: vaatimaton "sillifile".




Kambrikauden matalat meret kihisivät elämää. Kauden alussa noin 540 miljoonaa vuotta sitten nimittäin käynnistyi "kambrin räjähdys" eli selkärangattomien eläinten ensimmäinen suuri monimuotoistuminen.

Meren pohjalla ryömi kuoriaan raahaten etanoiden ja simpukoiden isovanhempia. Siellä peuhasi monenmoisia niveljalkaisia eli nykyisten rapujen ja hyönteisten varhaisia sukulaisia nivelikkäine kitiinipanssareineen. Tuoreina tulokkaina koipiaan kokeilivat muun muassa siiramaiset trilobiitit, joista myöhemmin tuli pohjaeläinten valtaryhmä kymmeniksi miljooniksi vuosiksi.

Meressä oli uimareitakin, kuten meduusan kaltaisia polttiaiseläimiä sekä katkaravun kaukaisia sukulaisia.
Uiskentelipa siellä myös meidän selkärankaisten arkkivaari tai esiäiti: vaatimaton, kolmisenttisen sillifileen näkoinen Haikouichthys.


"Sillifileellä" kallo ja aivot

Jo pitkään on tiedetty että selkärankaisten suku ulottuu kauas 500 miljoonaan vuoden taakse. Sekä nykyeläinten geenien vertailu että muinaiseläinten fossiilit viittaavat siihen, että selkärankaiset erkanivat omaksi kehityslinjakseen jo kambrikauden alkaessa.

Erityisen vakuuttavaa näyttöä selkärankaisten ryhmän alusta esitettiin Nature-lehdessä vuonna 2003, kun tutkijat kuvailivat Kiinan varhaiskambrikautisesta Chengjiang-löytöpaikasta kaivetun upean HaikouIichthys-fossiilin.
Harvinaisen siististi kivettyneiden ruumiinosien perusteella ollaan aika varmoja siitä, että eläin kuuluu kallollisiin selkäjänteisiin. Nykyisin tätä ryhmää edustavat selkärankaiset eli kalat, sammakot, matelijat, linnut ja nisäkkäät, jälkimmäisten joukossa muun muassa me ihmiset.

Monet Haikouichthyksen piirteet paljastivat sen sukulaiseksemme. Sillä oli muihin aikalaisiinsa verrattuna edistyksellinen hermosto: alkeellinen selkäydin ja sen etupäässä aivojen kaltainen pullistuma. Pullistumaa ympäröi rustoinen kallo. Selkäydintä tukivat alkeelliset selkänikamat ja selkäjänne eli nestepaineen ryhdistämä tupellinen solukkosauva. Haikouichthyksellä oli silmät ja hajuaistin ja ehkä myös jonkinlainen korva.

Kallollisuus siis osoitti Haikouichthyksen selkärankaisten lähisukulaiseksi. Sen sijaan selkäjänne esiintyy ainakin jossain yksilönkehityksen vaiheessa selkärankaisten ohella sellaisilla otuksilla kuin meritähdet ja vaippaeläimet. Tätä joukkoa nimitetään paitsi selkäjänteisiksi myös jälkisuisiksi, sillä meitä yhdistää samanlainen yksilönkehitys, jonka seurauksena lopullinen suu kehittyy eri päähän kuin peräaukko. Selkäjänteisiä yhdistävät myös kaksikylkisymmetria, jaokkeellinen ruumiinrakenne ja ainakin sikiövaiheessa esiintyvät kiduskaaret.

Joskus selkäjänne muistuttaa meitä olemassaolostaan selkävaivoissa. Meillä selkärankaisilla selkäjänne korvautuu sikiönkehityksen aikana selkäytimellä ja -rangalla ja jää vain nikamien välilevyjen ainekseksi. Välilevyn pullistumassa selkäjänneperäinen aines tunkeutuu sitä ympäröivän tiukemman sidekudoksen läpi nikamavälistä.


Mutta leukoja ei vielä ollut

Aivan täysin Haikouichthys ei sentään vastannut varsinaisia selkärankaisia. Aistinelimet olivat vaatimattomammat, siltä puuttuivat leuat, ja parillisten, tukirangallisten evien sijasta sillä oli pariton, pehmeä selkä- ja pyrstöevä. Selkäjänteisten kriteerit se täytti hyvin. Sillä oli symmetriset vasen ja oikea kylki, jaokkeiset lihakset ja selvät kiduskaaret.

Kiduskaaret olivat yksi kiinalaisfossiilin kiinnostavimmista osista, sillä aiemmin tunnetuissa saman lajin kivettymissä niitä ei ollut säilynyt. Tämä löytö osoitti niiden kehittyneen jo kambrikauden alkupuolella. Ne toimivat syömävälineinä eläimillä, joilla ei vielä ollut leukoja. Kiduskaarten värekarvat ohjasivat vettä kaarien rakoihin, missä limakalvo keräsi vedestä ravinteita.


Kambrin lajit säilyivät pitkään

Haikouichthyksen löytöpaikan Chengjiangin fossiilit kerrostuivat suunnilleen 15 miljoonaa vuotta aikaisemmin kuin kuuluisa Burgess Shale Kanadassa. Jälkimmäinen sai mainetta muun muassa paleontologi Stephen Jay Gouldin suositun kirjan Ihmeellinen elämä (Art House 1991) ansiosta.

Aikaerosta huolimatta Chengjiangissa ja Burgess Shalessa on monia samoja niveljalkaisia ja nilviäisiä. Näyttää siltä, että monet kambrikauden lajit elivät pitkään. Ekosysteemit olivat vakaita, eivätkä lajit olleet kovin herkkiä kuolemaan sukupuuttoon.

Myös Burgess Shalesta on tunnistettu yksi selkäjänteinen: Pikaia, sekin sillifileen näköinen ja muutaman sentin mittainen uimari. Silläkin oli selkäydin ja selkäjänne sekä jaokkeinen lihaksisto.


Oudot selkärangattomat hallitsivat

Selkärankaisten yksitoikkoisen samankaltaiset prototyypit siis uiskentelivat kambrikauden vesissä samoihin aikoihin kun eriskummalliset selkärangattomat rehottivat suorastaan pöyristyttävän monimuotoisina.

Mikseivät selkärankaiset saaneet kummallisia ruumiinmuotoja ja uusia ekologisia rooleja? Ilmeisesti selkärangattomat vain olivat niin ylivoimaisia innovaattoreita. On hyvä muistaa, että vaikka selkärankaiset tuntuvat nykyisin "hallitsevan" suuren kokonsa ja aktiivisuutensa takia, selkärangattomat niveljalkaiset ovat yhä lajirikkain ryhmä. Selkärankaisia on kaikista eläinlajeista vain viisi prosenttia.

Kambrin alun meressä komeiltiin muodoilla muttei koolla. Sekä Burgess Shalen että Chengjiangin selkärangattomat olivat enimmäkseen pienikokoisia, muutaman senttimetrin mittaisia. Joitakin poikkeuksia sentään oli. Niveljalkaisiin kuulunut jättiläispeto Anomalocaris kasvoi jopa 60-senttiseksi.

Toisaalta suurimmalla osalla kambrikauden menestyjistä oli suojanaan kuori. Selkäjänteisillä oli alkeellinen sisäinen tukiranka, mutta ulkopuolelta ne olivat haavoittuvan pehmeitä. Uimareinakin ne olivat vielä kömpelöitä: siis helppoja saaliita. Vasta evien kovettumisen ja sivuevien kehittymisen myötä esimuodoistamme tuli ketteriä, kalamaisia polskijoita.


Massasukupuutto sekoitti pakan

Selkärankaiset alkoivat monimuotoistua vasta siluurikaudella kymmeniä miljoonia vuosia myöhemmin. Tilaa tuli, koska siluurikautta edeltänyt ordoviikkikausi päättyi maapallon toiseksi tuhoisampaan massasukupuuttoon, jossa satoja selkärangattomien heimoja kuoli kokonaan sukupuuttoon.

Kausien vaihteessa maapallon ilmasto muuttui lämpimämmäksi ja merissä tapahtui suuria muutoksia. Aiempien laajojen jäätiköiden sulaminen kohotti vedenpintaa. Syntyi paljon matalia laguuneja. Siluurikaudella meriin ilmestyivät myös ensimmäiset koralliriutat.

Sukupuuttojen ohella selkärankaisten tietä tasoitti se, että merenpinnan nousu ja koralliriutat loivat aivan uudenlaisia ympäristöjä. Lisäksi tietyt mutaatiot selkärankaisten perimässä mahdollistivat uudenlaisen kehityksen. Nykyeläinten geenivertailujen perusteella arvioidaan, että yksilönkehitykseen vaikuttava geeniperhe nimeltä Dlx kahdentui noihin aikoihin. Tämä monipuolisti hermostoa ja sai rustoisen tukirangan kehittymään luustoksi. Selkärankaisista tuli siluurikauden merien vikkeliä ja rotevia petoeläimiä.


Kalat saivat pedon leuat

Siluurikauden selkärankaisista teki varteenotettavia petoja myös se, että kaloille kehittyi tuolloin ensi kertaa puruleuat. Lisäksi kalat saivat jäykät sivuevät, joilla on hyvä ohjailla uintia.

Kalojen leuat kehittyivät suun lähellä olevasta kiduskaariparista, jota edempänä olleet kaaret hävisivät kokonaan. Leukojen taakse jääneiden viiden kiduskaaren tehtävät muuttuivat: niistä tuli pelkästään hengityselimiä.
Myöhempien, maalle siirtyvien selkärankaisten kiduskaarista kehittyi kurkun ja pään rakenteita.


Vanhoilla geeneillä uudenlaisia eläimiä

Selkärankaisten evoluutiossa muuntuivat siis hurjasti niin liikkumisvälineet, tukiranka kuin syömis- ja hengittämiselimetkin. Uusia rakenteita varten ei kuitenkaan välttämättä tarvittu uusia geenejä. Näin vihjaavat viimeaikaiset tutkimukset genomin muutosten vaikutuksesta ruumiinrakenteeseen.

Yksi esimerkki on Naturessa julkaistu tutkimus, jonka mukaan selkärankaisten kaikenlaisten evien kasvua ohjaavat aivan samat geenit, vaikka itse evät syntyisivät täysin eri soluryhmistä. Sama geeni vain käynnistyy eri kaloissa eri paikoissa. Esimerkiksi hain rintaeviä tuottavat geenit ohjaavat myös sen selkä- ja vatsaevien sekä nahkiaisen selkäevän kehitystä.

Parittomat selkä- ja vatsaevät ovat evoluution muinaisia keksintöjä, rintaevät tuoreempia. Ilmeisesti rintaevät saivat alkunsa, kun jo olemassa olevan eväkasvun geenit aktivoituivat uudessa paikassa. Näin evoluutio voi pikku säädöillä tuottaa nopeasti mutta vanhoin keinoin aivan uusiakin ruumiinrakenteita.


Suvi Viranta-Kovanen on paleontologi.

Kätevä sana on valunut moneen käyttöön.

Makea vesi kuuluu elämän perusedellytyksiin. Siksi tuntuu itsestään selvältä, että vesi-sana kuuluu suomen kielen vanhimpiin sanastokerroksiin.

Se ei kuitenkaan ole alun perin oma sana, vaan hyvin vanha laina indoeurooppalaisista kielistä, samaa juurta kuin saksan Wasser ja englannin water.

Suomensukuisissa kielissä on toinenkin vettä merkitsevä sana, jota edustaa esimerkiksi saamen čáhci, mutta sen vastine ei syystä tai toisesta ole säilynyt suomessa. Ehkäpä indoeurooppalainen tuontivesi on tuntunut muodikkaammalta ja käyttökelpoisemmalta.

Tarkemmin ajatellen vesi-sana on monimerkityksinen. Luonnon tavallisimman nesteen lisäksi se voi tarkoittaa muunkinlaisia nesteitä, kuten yhdyssanoissa hajuvesi, hiusvesi tai menovesi.

Vesiä voi erotella käsittelyn tai käyttötarkoituksen mukaan, vaikka Suomen oloissa juomavesi, kasteluvesi ja sammutusvesi ovatkin usein samaa tavaraa. Sade- ja sulamisvesistä tulee varsinkin asutuskeskuksissa viemäröitävää hulevettä. Murteissa hulevesi tarkoittaa tulvaa tai muuta väljää vettä, esimerkiksi sellaista, jota nousee sopivilla säillä jään päälle.

Luonnon osana vesi voi viitata erilaisiin vedenkokoumiin, etenkin järviin. Suomen peruskartasta löytyy satoja vesi-loppuisia paikannimiä, joista useimmat ovat vesistönnimiä, kuten Haukivesi, Hiidenvesi tai Puulavesi.

Useat vesien rannalla olevat asutuskeskukset ovat saaneet nimensä vesistön mukaan. Vesi-sana ei enää suoranaisesti viittaa veteen, kun puhutaan vaikkapa Petäjäveden kirkosta tai Ruoveden pappilasta.

Vesi-sanasta on aikojen kuluessa muodostettu valtava määrä johdoksia ja yhdyssanoja. Näistä suuri osa on vanhoja kansanomaisia murresanoja, kuten vetelä, vetinen, vetistää ja vettyä.

Vesikosta on muistona enää nimi, sillä tämä vesien äärellä ja vedessä viihtyvä näätäeläin on hävinnyt Suomesta 1900-luvun kuluessa. Myyttisiä veden asukkaita ovat olleet vetehinen ja vesu eli vesikyy, jotka mainitaan myös Kalevalassa.

Antiikista 1700-luvun loppupuolelle asti uskottiin veden olevan yksi maailman alkuaineista. Sitten selvisi, että se onkin vedyn ja hapen yhdiste. Oppitekoinen uudissana vety tuli suomen kielessä tarpeelliseksi kuitenkin vasta 1800-luvun puolimaissa, kun luonnontieteistä alettiin puhua ja kirjoittaa suomeksi.

Kaisa Häkkinen on suomen kielen emeritaprofessori Turun yliopistossa.

Julkaistu Tiede-lehden numerossa 11/2018

Hirmun anatomia on selvinnyt sääsatelliittien mikroaaltoluotaimilla. Ne näkevät pilvien läpi myrskyn ytimeen ja paljastavat ukkospatsaat, joista myrsky saa vauhtinsa. Kuva: Nasa/Trimm

Pyörivät tuulet imevät energiansa veden lämmöstä.

Trooppiset rajuilmat tappoivat vuosina 1995–2016 lähes 244 000 ihmistä, koettelivat muuten 750 miljoonaa ihmistä ja tuhosivat omaisuutta runsaan 1 000 miljardin dollarin arvosta, enemmän kuin mitkään muut mullistukset, esimerkiksi tulvat tai maanjäristykset.

Näin arvioi maailman luonnonkatastrofeja tilastoiva belgialainen Cred-tutkimuslaitos raporteissaan, joissa se laskee katastrofien pitkän aikavälin inhimillistä hintaa.

Myrskytuhot ovat panneet myrskytutkijat ahtaalle. Kaikki tahtovat tietää, mistä näitä rajuilmoja tulee. Lietsooko niitä ilmastonmuutos?

Lämpö alkaa tuntua

Näihin asti tutkijapiireissä on ollut vallalla käsitys, jonka mukaan hirmuista ei voi syyttää ilmastonmuutosta vielä kotvaan. Se alkaa voimistaa myrskyjä vasta pitkällä aikajänteellä.

Nyt hurjimpia myrskyjä on kuitenkin alettu kytkeä ilmaston lämpenemiseen. Esimerkiksi alkusyksystä 2017 Maailman ilmatieteen järjestö WMO arvioi, että lämpeneminen todennäköisesti rankensi elokuussa Houstonin hukuttaneen Harvey-myrskyn sateita.

Jotkut tutkijat ovat puhuneet kytköksistä jo vuosia.

Esimerkiksi Kerry Emanuel, Massachusettsin teknisen yliopiston myrskyspesialisti, laski 2005, Katrinan runnottua New Orleansia, että Atlantin ja Tyynenmeren myrskyt ovat nykyään 60 prosenttia voimakkaampia kuin 1970-luvulla.

Keväällä 2013 Nils Bohr -instituutin Aslak Grinsted raportoi, että lämpenemiskehitys vaikuttaa myrskyissä syntyviin tulva-aaltoihin.

Kun maapallon keskilämpötila nousee 0,4 astetta, myrskytulvien määrä tuplaantuu. Tämä rajapyykki on jo ohitettu. Kun lämpötila nousee kaksi astetta, tulvat kymmenkertaistuvat. Silloin superrajuja myrskyjä hyökyy Atlantilta joka toinen vuosi. Tähän asti niitä on nähty kerran 20 vuodessa.

Meri lämpenee otollisesti

Tärkein myrskyjä ruokkiva muutosvoima löytyy sieltä, mistä myrskyt ammentavat energiansa ja mihin ilmastonmuutoksen nähdään vaikuttavan: meriveden lämpötilasta. Se kehittyy myrskyille otolliseen suuntaan.

Esimerkiksi Meksikonlahdella, hurrikaanien voimanpesässä, on mitattu jopa pari astetta tavallista korkeampia meriveden lämpötiloja.

Kun Haiyan, yksi kaikkien aikojen kovimmista taifuuneista, marraskuussa 2013 jätti kaksi miljoonaa filippiiniläistä kodittomiksi, meri oli myrskyn syntyalueella vielä sadan metrin syvyydessä kolme astetta normaalia lämpimämpi.

Meressä tapahtuu muutakin epäedullista: pinta nousee. Se kasvattaa myrskyjen nostattamia tulva-aaltoja, jotka usein saavat aikaan pahinta tuhoa.

 

Näin hirmumyrsky kehittyy

Hirmun syntymekanismi on sama kaikkialla, vaikka nimitykset vaihtelevat. Atlantilla ja Amerikan puoleisella Tyynellämerellä puhutaan hurrikaaneista, Aasian puolella taifuuneista ja Intian valtamerellä ja Oseaniassa sykloneista. Grafiikka: Mikko Väyrynen

 

Trooppisia hirmumyrskyjä syntyy päiväntasaajan molemmin puolin 5. ja 25. leveyspiirin välillä. Päiväntasaajalla niitä ei muodostu, sillä sieltä puuttuu coriolisvoima, jota myrsky tarvitsee pyörimiseensä

Kehittyäkseen myrsky vaatii tietynlaiset olot. Suursäätilan pitää olla laajalla alueella epävakaa ja ukkossateinen ja meriveden vähintään 26 asteista 50 metrin syvyydeltä. Lisäksi tuulien pitää puhaltaa heikosti 12 kilometrin korkeuteen asti. Voimakkaissa virtauksissa myrskynpoikanen hajoaa.

1. Merestä nousee lämmintä, kosteaa ilmaa. Se kohoaa nopeas­ti ja tiivistyy ukkospilviksi, jotka kohoavat 10–15 kilometrin korkeuteen. Samalla vapautuu lämpöä, mikä ruokkii matalapainetta.

2. Fysiikan säilymislakien mukaan ylös kohoavan ilman tilalle virtaa ympäriltä korvausilmaa, jolloin ilmanpaine alueella laskee.

3. Lämpöä kohoaa ylös yhä laajemmalti, ukkospilvien jono venyy, ja ilman virtausliikkeet voimistuvat. Ilmanpaine laskee lisää, ja alueelle syntyy liikkuva matalapaineen keskus.

4. Paine-ero tuottaa voiman, joka alkaa pyörittää tuulia kiihtyvää vauhtia. Maan pyörimisliikkeestä aiheutuva coriolisvoima kiertää niitä spiraalin lailla vastapäivään kohti matalan keskusta. Kun tuulen sekuntinopeus nousee yli 33 metrin, on syntynyt trooppinen hirmumyrsky.

Hurjimmissa myrskyissä tuulen nopeus nousee 70–90 metriin sekunnissa. Pyörteen halkaisija vaihtelee puolestaan 400 kilometristä 1 000 kilometriin.

5. Myrskyn voimistuessa sen ylle muodostuu korkeapaine, joka pyörii tuulia vastaan. Laskeva ilmavirtaus kuivattaa ja lämmittää keskusta, ja se seestyy myrskynsilmäksi.

6. Silmää kiertävät tuulet sekoittavat tehokkaasti meren pintaa 50–100 metrin syvyydeltä. Kun lämmintä vettä painuu syvyyksiin ja viileää kohoaa pintaan, ”lämpövoimala” jäähtyy ja hitaasti liikkuva myrsky voi heikentyä. Nopeaan myrskyyn jarru ei ehdi vaikuttaa, ja silloin kumpuava vesi voi loppumatkasta muuttua vaaralliseksi.

7. Kun ranta lähestyy ja meri madaltuu, tuulet pakkaavat vettä myrskyn tielle tulva-aalloksi, joka syöksyy myrskyn mukana maalle tuhoisin seurauksin.

Maalle saavuttuaan myrsky laantuu, kun se ei enää saa käyttövoimaa meren lämmöstä.

 

Tuula Kinnarinen on Tiede-lehden toimitussihteeri.

Julkaistu Tiede-lehdessä 1/2014. Päivitetty 12.9.2018.