Kun biologit yrittävät ymmärtää, miten eläimen turkin kuviot tai vaikkapa ihmisen sormet syntyvät, geenitieto ei yksin riitä. Avuksi tulevat matemaattiset mallit, joille loi perusteet tietokonealan pioneeri Alan Turing.

Aivoissamme on noin sata miljardia hermosolua ja niiden välillä noin miljoona miljardia synaptista yhteyttä. Kuitenkin ihmisen dna koostuu vain noin kolmesta miljardista emäsparista, joista ainoastaan 2–3 prosentin arvioidaan koodaavan elimistömme peruselementtejä eli proteiineja. Siksi pelkkä geenien sisältämä tietomäärä ei millään riitä esimerkiksi ihmisaivojen hermoverkon rakentamiseen.

Sama ongelma on muissakin eläinten mutkikkaissa rakenteissa. Esimerkiksi seepran geenit kyllä määräävät, että osa seepran ihosoluista tuottaa tummaa pigmenttiä, mutta raitojen paikkojen ja muotojen säätämiseksi jonkin täytyy kertoa ihosoluille, minkä niistä pitää tummua ja minkä ei. Tätä muodon synnyttävää prosessia kutsutaan morfogeneesiksi.

Tutkijoiden onneksi morfogeneesin selittämiseen on oiva fysikaalis-kemiallinen teoria. Teorian on havaittu vastaavan laadullisesti sitä, mitä eläimissä todellisuudessa tapahtuu, ja matemaattisen biologian spesialistit mallintavat sitä nykyisin laskennallisesti. Tämän morfogeneesiteorian perusteet esitti brittiläinen matemaatikko Alan Turing jo noin 50 vuotta sitten.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Kilpailevat säätelykemikaalit tuottavat kuvioita

Alan Turing oli tietojenkäsittelytieteen uranuurtaja. Filosofiasta kiinnostuneena hän alkoi pohtia, miten paljon hänen luomansa tietokone muistutti ihmisaivoja.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Jotta vertailu olisi mahdollinen, pitäisi ensin selvittää biologisten muotojen rakentumisperiaatteet, Turing päätteli. Vuonna 1952 hän julkaisikin artikkelin The Chemical Basis of Morphogenesis.

Artikkelissa Turing osoitti matemaattisesti, että biologiset muodot voivat syntyä yllättävän yksinkertaisesti. Esimerkiksi pinnan kuvioitumiseen riittää se, että kaksi solujen värintuottoon vaikuttavaa kemikaalia leviää kuvioituvalla alueella eri nopeuksilla.

Muitakin morfogeneesiä kuvaavia malleja on sittemmin kehitelty, mutta Turingin teorian vahvuutena on sen yksinkertaisuus.

Muotoa määrääviä kemikaaleja kutsutaan morfogeeneiksi. Turing esitti, että morfogeenejä syntyy tiettyjen geenien koodaamina tietyissä kohdissa eläintä. Nämä kemikaalit leviävät ajelehtimalla solujen välisessä nesteessä ja antavat soluille kilpailevia käskyjään.

Toinen morfogeeneistä esimerkiksi käskee ihon soluja tuottamaan pigmenttiä ja toinen estää tuottamista. Turing osoitti matemaattisesti, että alueellisia eroja syntyy, jos morfogeenien ajelehtimisnopeudessa on tarpeeksi eroa. Tällöin syntyy ajan myötä alueita, joilla toisen kemikaalin vaikutus päihittää toisen. Hallitseva morfogeeni määrää, mitkä geenit toimivat sen vaikutusalueella olevissa soluissa: esimerkiksi miten paljon iho tummuu siltä kohden vai tummuuko lainkaan.

Enemmän kuin seepran raitoja on tutkittu muun muassa eläinten jalkojen ja siipien muotojen syntyä. Monesti muoto määräytyy useamman kuin kahden morfogeenin mukaan. Monia morfogeeneinä toimivia kemikaaleja on myös tunnistettu.

Testaamiseen tarvitaan nykyisten tietokoneiden tehoa

Turing itse ei saanut nauttia morfogeneesiteoriansa menestyksestä. Homoseksuaalisuutensa takia vainottuna hän teki itsemurhan vain kahden vuoden kuluttua teorian julkistamisesta. Teoria jäi vielä silloin kesken, eikä sitä juuri tutkittu pariinkymmeneen vuoteen. Vasta vuonna 1990 ranskalainen tutkijaryhmä osoitti, että Turingin ennustama tapahtuma oli ylipäätään kemiallisesti mahdollinen.

Jo 1970-luvulla brittimatemaatikko James Murray oli kuitenkin osoittanut, että laskennallisesti Turingin malleilla voidaan tuottaa monien eri eläinten kuviointeja. Sittemmin mallien on osoitettu ainakin teoriassa sopivan useisiin nisäkkäisiin sekä kaloihin, perhosiin, leppäkerttuihin ja kotiloihin. Nisäkkäillä raidat tai täplät suurenevat eläimen kasvaessa. Sen sijaan monilla kaloilla raitojen koko pysyy samana mutta niiden määrä lisääntyy.

Vasta viime vuosina tietokoneiden nopeus on mahdollistanut perusteellisen numeerisen laskennan, jota Turing itse piti malliensa tärkeimpänä tutkimustapana. Käytännössä Turingin morfogeneesiteoriaa tutkitaan nykyisin sekä numeerisin tietokonesimulaatioin että eläinten kehitystä tarkastelevin laboratoriokokein.

Toistaiseksi paras osoitus siitä, että Turingin teoria toimii pintakuvioissa, saatiin vuonna 1995. Silloin japanilaiset biologit Shigeru Kondo ja Rihito Asai onnistuivat laskennallisesti mallintamaan, miten raidat lisääntyvät kalan kasvaessa. Tietokonesimulaatiossa kahden eri keisarikalalajin pintakuvio muuttui vastaavin väliajoin kuin luonnossa.

Kehitysbiologit ovat löytäneet joidenkin ruumiinmuotojen syntyyn vaikuttavia morfogeenejä: esimerkiksi hiiren varpaiden tai kärpäsen siipisuonien muodostumisesta tiedetään jo paljon. Sen sijaan vaikka Turingin malleista saatujen tulosten on osoitettu jäljittelevän eläinten pintakuviointeja, raitoihin vaikuttavat morfogeenit ovat yhä löytämättä. Niiden löytyminen lienee kuitenkin vain ajan kysymys.

Teemu Leppänen tekee väitöskirjaa Turingin systeemien ominaisuuksista akatemiaprofessori Kimmo Kasken ohjauksessa Laskennallisen tekniikan laboratoriossa Teknillisessä korkeakoulussa.

Julkaistu Tiede-lehdessä 1/2004.

Alan Turing

• Syntyi 23. 6. 1912 Lontoossa varakkaaseen perheeseen.

 Opiskeli Cambridgessa ja Princetonissa.

• Tutki kvanttimekaniikkaa, todennäköisyyslaskentaa, logiikkaa, lukuteoriaa ja algebraa.

 Julkaisi vuonna 1936 ideansa Turingin koneesta, ja loi näin pohjan modernille tietojenkäsittelytieteelle.

• Työskenteli toisen maailmansodan aikana armeijan tiedusteluosastossa ja suunnitteli mekaanisen tietokoneen, jonka avulla saksalaisten Enigma-salakirjoitus murrettiin.

Kehitettyään elektronista tietokonetta kiinnostui ihmisaivojen ja tietokoneen samankaltaisuudesta ja pohti tekoälyä.

Pohtiessaan keinotekoisia aivoja suunnitteli morfogeneesiteoriaa eli biologisen kasvun epälineaarista teoriaa.

 Pidätettiin homoseksuaalisuutensa takia vuonna 1952 ja menetti siksi asemansa hallituksen tiedusteluosastossa.

Löydettiin itsemurhan tehneenä kotoaan 7. 6. 1954. Ruumiinavauksessa kuolinsyyksi todettiin syanidimyrkytys.

 

Uusi, nouseva ala

Eläinten ja ihmisen elimistön toimintaa on tähän asti tutkittu lähinnä biokemiallisesti: selvittämällä molekyylien rakennetta ja sitä, millä tavoin nämä kemikaalit reagoivat keskenään. Aika vähän tiedetään siitä, miten eri molekyylien lukumäärät vaikuttavat elimistössä.

Matemaattisen biologian tutkijat haluavat tuntea elimistön tapahtumat myös määrällisesti. Solujen ja kudosten biokemiallisista toiminnoista koetetaan rakentaa laskennallisia tietokonemalleja. Tätä nousevaa alaa, joka pyrkii elämän ymmärtämisessä numeeriseen täsmällisyyteen, kutsutaan laskennalliseksi systeemibiologiaksi.

Sisältö jatkuu mainoksen alla