perjantai 20. tammikuuta 2017

Termodynamiikka ja elämän synty; havaintoja tieteellisestä teorianmuodostuksesta


Termodynamiikan ja elämän synnyn ongelman yhteys liitetään useimmin toisen pääsäännön tulkintaan elämän syntyyn johtavissa tapahtumissa. Termodynamiikan ja elämän synnyn välistä yhteyttä voidaan lähestyä  toisestakin näkökulmasta, joka on empiiristen havaintojen vaikutus tieteelliseen teorianmuodostukseen.

Periaatekuva Millerin koelaitteistosta, jolla hän tutki elämän syntyä oletetun alkumaapallon olosuhteissa. (Wikipedia).

Sekä termodynamiikka että elämän synnyn ongelman moderni tutkimus ovat saaneet alkunsa 1800-luvun puolenvälin aikoihin. Termodynamiikan teorian muotoutumiseen vaikuttaneita tutkijoita olivat mm. Carnot, Joule, Meyer, Clausius ja Thompson (Lordi Kelvin). Elämän synnyn ongelmaa tutki samaan aikaan Louis Pasteur, joka 1860-luvulla kumosi alkusyntyopin (generatio spontanea).

Mitä yhteistä termodynamiikalla ja elämän synnyn ongelmalla on? Molempiin tieteenaloihin liittyy empiirisiä havaintoja sekä tieteellistä teorianmuodostusta.

Termodynamiikan perustan muodostavat kolme pääsääntöä:

I Pääsääntö: Energian häviämättömyyden laki

II Pääsääntö: Kertoo ns. luonnollisten eli spontaanien prosessien suunnan. Pääsääntö voidaan muotoilla lukuisin  eri tavoin, joka voidaan johtaa toisistaan. Yleisimpiä ovat muotoilut: "Eristetyn systeemin entropia voi vain kasvaa tai pysyä vakiona" sekä "Lämpö siirtyy aina lämpimämmästä kappaleesta kylmempään kappaleeseen."

III Pääsääntö: Absoluuttisessa nollapisteessä lämpöliike lakkaa ja puhtaan kiteen entropia on nolla.

Termodynamiikan pääsäännöt ovat aksioomia eli kokemusperäisiin havaintoihin perustuvia oletuksia. Esimerkiksi lämmön on aina havaittu siirtyvän spontaanisti kuumasta kappaleesta kylmään kappaleeseen. Termodynamiikan kohdalla kokeellisten havaintojen uskotaan luotettavasti kuvaavan todellisuutta, koska näiden havaintojen perusteella on muotoiltu kolme pääsääntöä (aksioomaa), joiden varaan termodynamiikan teoria on rakennettu. Monet tämän teorian sovellukset ovat osa arkipäiväämme: lämpövoimakoneet, lämpöpumput, jäähdytyskoneet jne. Kukaan ei liene tosissaan usko, että lämpö karkaisi jääkaapista ja kaappi tulisi entistä kylmemmäksi, vaikka mitään fysiikkaan perustuvaa estettä ei tälle tapahtumalle tunnetakaan.

Elämän synnyn ongelman kokeellisten havaintojen merkittävimmät tapahtumat ovat alkusyntyopin kumoaminen (Pasteur) sekä Millerin (1953) koe, jolla osoitettiin, että oletetussa alkumaapallon ilmakehässä ei synny spontaanisti elämää. Millerin kokeessa syntyi raseeminen seos, joka sisälsi mm. muutamia aminohappoja. Käytännössä Millerin kokeen tuotos oli myrkyllinen eikä olisi mitenkään voinut johtaa elämän syntyyn. Elämää ei ole syntynyt missään muussakaan sen jälkeen tehdyssä kokeessa.

On hyvin mielenkiintoista, että elämän synnyn ongelman tapauksessa, jolla on vähintään yhtä pitkä kokeellinen historia ja vähintään yhtä yksiselitteinen havaintohistoria, kokemusperäiset havainnot eivät ole johtaneet pääsääntöjen kaltaisten aksoomien muotoiluun. Tämä tarkoittaa sitä, että kokemusperäisten havaintojen ei uskota kuvaavan todellisuuden perimmäistä luonnetta ja siksi elämän spontaaniin syntyyn uskotaan edelleen.

Kokeellisesti ei ole voitu osoittaa, että elämää voisi jollakin ei-spontaanilla keinolla synnyttää, joka myös vahvistaa empiirisen havainnon: elämä ei synny itsestään (Ridderstad 2012). Miten tämä havainto vaikuttaa teorianmuodostukseen elämän synnyn ongelman tapauksessa? Tästä antaa viitteen Marianna Ridderstadin visio, jonka mukaan elämän synnyn ongelma voitaisiin ratkaista, mikäli elämä ensin saataisiin synnytettyä ohjatulla prosessilla. Tällöin elämän syntyyn johtaneet olosuhteet olisivat tiedossa, jolloin näiden tietojen avulla olisi mahdollista päätellä, kuinka elämä syntyy spontaanisti. Ridderstadin visio tarkoittaa käytännössä sitä, että ainoa tulos, jonka tieteellinen metodi tässä tapauksessa voi tuottaa on se, että elämä syntyy spontaanisti.

Vaikka elämää ei voisi syntyä spontaanisti, niin Ridderstadin visio tarjoaisi kiertotien tämän tosiseikan ohittamiseksi. Synnyttämällä elämän keinotekoisesti tutkijat voisivat "päätellä kuinka elämä syntyy spontaanisti." Tällöin todellisuuden kuvaus ei perustuisi todellisuuteen, vaan filosofisiin ideoihin.

Koska tiede on tässä sitoutunut ennakolta yhteen mahdolliseen vastaukseen, se tarkoittaa sitä, että ei ole olemassa edes periaatteellista empiiristä havaintoa, joka voisi osoittaa tämän vastauksen vääräksi. Tieteenfilosofi Karl Popperin mukaan teoria, jota ei voida millään havainnolla osoittaa vääräksi, ei ole tieteellinen.

Termodynamiikan tapauksessa kokeelliset havainnot ohjaavat teorianmuodostusta, mutta elämän synnyn ongelman tapauksessa näyttää siltä, että filosofinen ennakkokäsitys ohjaa teorianmuodostusta.

Mistä johtuu, että näiden kahden tieteenalan teorianmuodostus poikkeaa huomattavasti toisistaan? Pääasiallinen syy on se, että tieteelliseen teorianmuodostukseen vaikuttavat monet eri tekijät (Niiniluoto 1984, s. 242-243):
  1. Mielivaltaiset sopimukset
  2. Empiiriset löydöt, tosiasiat
  3. Hypoteettiset oletukset, yleistykset
  4. Yksinkertaisuustarkastelut
  5. Hedelmällisyystarkastelut
  6. Idealisoivat oletukset
  7. Metafyysiset ennakko-oletukset
Tämän perusteella on selvää, että ei ole olemassa mitään yksiselitteistä tieteellisen teorianmuodostuksen periaateohjelmaa, joka yhdenmukaisella tavalla tuottaisi tieteelliset teoriat. Jokainen tieteellinen teorian muodostus on ainutlaatuinen tapahtuma, jota ohjaavat kulloinkin vallalla olevat yleiset tieteenfilosofiset käsitykset ja painotukset.

Elämän synnyn tapauksessa kokeellisten havaintojen saama alhainen painoarvo ja pitäytyminen niihin sopimattomassa - spontaania syntyä tukevassa - hypoteesissa, johtunee pääosin havaintojen yksinkertaisen tulkinnan filosofisista seurauksista. Mikäli elämä ei syntyisi spontaanisti, olisi vallitseva naturalistinen tiedekäsitys uhattuna. Ja samalla olisi uhattuna akateemisen "konsensuksen" käsitykset järkiperäisen ajattelun perusteista.

Vallitsevan naturalisten tiedekäsityksen valta-aseman jatkumisen ja sen varaan todellisuuskäsityksensä rakentavien mielenrauhan kannalta on siis suotavaa, että elämän syntyongelman tapauksessa kokeellisille havainnoille annetaan jatkossakin alhainen painoarvo, jolloin ne eivät pääse vaikuttamaan tieteelliseen teorianmuodostukseen.


Lähteet:

Ridderstad, Marianna (2012): Elämän synty avaruudessa on edelleen arvoitus, Tieteessä tapahtuu 1/2012

Niiniluoto, Ilkka (1984): Johdatus tieteen filosofiaan, Otava

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti