Tekoäly tähyää tuhansien vuosien päähän menneisyyteen

Tekoälyn kehitys on yksi jännittävimmistä kuluvan vuosisadan tulevaisuuden näkymistä. Älykkäillä tietokoneohjelmilla on jo nykyään moninaisia sovelluksia – oppivat algoritmit tekevät näkymätöntä työtään muunmuassa Internetin hakukoneissa, tietoaineistojen analyyseissä ja lääketieteellisten diagnoosien apuvälineenä. Tekoälyn kehitys on herättänyt myös pelkoja, kun tietokoneet syrjäyttävät ihmisen yhä useammissa yhteiskunnan toiminnoissa. Pessimistisimmissä arvioissa tekoäly onkin nähty jonkinlaisena teknologisen maailmanlopun airueena.

Omassa tutkimustyössäni olen päässyt valjastamaan tekoälyn varsin erikoislaatuiseen käyttötarkoitukseen. Erikoisalaani on maapallon muinaisen ilmaston tutkimus eli paleoklimatologia. Keskeisenä aineistona työssämme ovat maaperän uumenista kerätyt fossiilit, joista itse olen erikoistunut fossiilisiin siitepölyhiukkasiin. Paleoklimatologiassa fossiilit ovat välikappale maapallon muinaisten ympäristöjen ymmärtämiseen – eri fossiililajien esiintyminen ja niiden runsauksien vaihtelu kertovat muinoin vallinneista ilmasto-oloista.

Tulevaisuuden sijasta oma näkökulmamme on siis hyvin kaukaisessa menneisyydessä. Toisaalta kyseessä ei ole pelkästään akateemisesti kiinnostava luonnonhistorian tutkimus. Maapallon muinaiset ilmastovaihtelut antavat nimittäin arvokasta tietoa myös nykyisen, ihmistoiminnasta johtuvan ilmastonmuutoksen ymmärtämiseen. Muinaiset viileät ja lämpimät ilmastovaiheet ja niiden vuorottelu halki vuosituhansien kertovat ilmaston muutosten syistä, nopeuksista ja mahdollisista seurauksista. Samalla kun katsomme sydän syrjällään kohti tulevaa, on myös kaukaisesta menneisyydestä alettu etsiä osviittaa siitä, mitä tuleman pitää.

Koska fossiiliaineistot ovat näin nousseet arvaamattomaan suureen arvoon ilmastonmuutoksen tutkimuksessa, ovat paleoklimatologit samalla ryhtyneet etsimään yhä kehittyneempiä menetelmiä aineistojensa ymmärtämiseen. Tätä pähkinää purressaan fossiilien tutkijat ovat tähynneet myös oman, perinteisen työkalupakkinsa ulkopuolelle – ja viime vuosina myös tekoälyn suuntaan.

Alamme kielessä puhumme ”tekoälyn” sijasta yleensä koneoppimisesta (engl. machine learning). Koneoppiminen on eräänlainen tekoälyn sovellus, jossa älykkäitä, oppivia tietokoneohjelmia käytetään erilaisten tietoaineistojen analyysin välineenä. Analyysia tekevä ohjelma oppii sille annetusta aineistosta, ja näin syntynyttä tietoa (aineistoa kuvaavaa mallia) voidaan sitten käyttää ennustamiseen.

Oma työni koneoppimisen parissa alkoi jo vuonna 2010, kun Helsingin yliopiston luonnonmaantieteen professori Miska Luodon kanssa ryhdyimme selvittämään, olisiko parhailla tuon ajan koneoppimismenetelmillä käyttöä fossiiliaineistojen analyysissä. Myöhemmin, vuosina 2014–2018 työtämme tuki Suomen Akatemia, joka rahoitti tutkimushankettamme ”Koneoppiminen paleoklimatologiassa”.

Uusimmassa tutkimuksessamme koneälyn pureskeltavana olivat Suomesta ja Yhdysvalloista kerätyt fossiiliset siitepölyt. Nämä suuret fossiiliaineistot sisältävät satoja tuhansia siitepölyjä, joista vanhimpien ikä oli yli 100 tuhatta vuotta. Tutkimuksessa testasimme kaikkiaan viiden erilaisen koneoppimismenetelmän kykyä löytää fossiiliaineistoista merkkejä muinaisista ilmastonmuutoksista. Tulokset ovat lupaavia: koneoppiminen tuntuu pärjäävän alamme perinteisiä menetelmiä paremmin muinaisilmastojen rekonstruoimisessa.

Kaikkein lupaavin testaamamme koneoppimisen menetelmä käyttää niinsanottuja päätöspuita muinaisten ilmastojen tutkimukseen. Päätöspuissa aineistoa käsitellään ylösalaisin käännettyä puuta muistuttavassa mallissa, jossa pohditaan yksi kerrallaan jotain piirrettä analysoitavassa aineistossa. Omassa tutkimuksessamme malli tarkastelee eri fossiilityyppien suhteellista runsautta analysoitavassa näytteessä. Useiden kysymysten kautta edetään puun tyvestä kohti sen oksia, joissa malli lopulta antaa arvion ilmastosta sinä ajankohtana, jota fossiilinäyte edustaa.

Yksittäinen päätöspuumalli on vielä hyvinkin yksinkertainen ja helppo esittää yllä nähdyn kaltaisena kuvana. Koneoppimisessa laaditut lopulliset mallit muodostetaan kuitenkin hyvin suuresta määrästä päätöspuita, joita voi lopulta olla sadoista kymmeniintuhansiin. Näin malli oppii yhä pienempiä yksityiskohtia analysoitavana olevasta fossiiliaineistosta ja kykenee arvioimaan yhä tarkemmin muinaisia ilmastoja. Mallien monimutkaisuuden – päätöspuiden suuren lukumäärän – vuoksi myös laskentaa tapahtuu todella paljon. Älykkäät, aineistosta yhä useampien toistojen kautta oppivat mallit ovatkin kouriintuntuva esimerkki tutkimusmenetelmästä, joka on tullut mahdolliseksi vasta verraten hiljattain, tietokoneiden tehon kasvettua.

Tutkijan näkökulmasta fossiiliaineistojen tutkimisessa koneoppimisella on kiehtova ristiriita. Työssä nimittäin kohtaavat todella perinteikäs luonnontiede – fossiilien tutkiminen – ja teknologinen ”state of the art”, uusista uusimmat data-analyysin menetelmät.

Sittenkin tämä yllättävä tutkimusalojen kohtaaminen on omalla tavallaan johdonmukainen. Data-analyysin näkökulmasta fossiiliaineistot on nimittäin kammottavan vaikea kohde. Tekijöitä, jotka kertovat ilmastosta – eri biologisia lajeja – on aineistoissa paljon, jopa useita satoja. Tilastotieteilijä sanoisi, että fossiiliaineistoissa on valtavan paljon ”selittäviä muuttujia”. Toisaalta vaikka jotkut lajeista kertovat paljon menneistä ilmastoista, monet lajit eivät kerro paljoakaan. Datassa on siis kohinaa ja häiriötekijöitä, ja muinaisten ilmastovaihteluiden ”signaali” saattaa olla heikko. Toisaalta juuri näiden vaikeuksien takia fossiiliaineistot ovat osoittautuneet tavallaan ihanteelliseksi paikaksi päästää tekoäly valloilleen. Perinteisiin tilastollisen mallinnuksen menetelmiin verrattuna tekoälymenetelmät ovat erityisen joustavia ja hallitsevat suuria ja monimutkaisia aineistoja.

Jos tekoälyn tulevaisuuden näkymät ovat joiltain osin pelottaviakin, ei tässä tapauksessa tarvitse pelätä seurauksia. Työssämme sörkkimämme eliöt ovat jo (kirjaimellisesti) kivikuolleita. Viimeisenä lahjanaan ne pystyvät kuitenkin kertomaan meille jotain omasta, muinaisesta elinympäristöstään.

Pienet itiöt kertovat muinaisten jättien tuhosta

Yksi paleontologian suurista mysteereistä on niin sanotun pleistoseenin megafaunan häviäminen. Pleistoseenilla tarkoitetaan toiseksi viimeisintä geologista ajanjaksoa, joka vallitsi noin 12 tuhatta–2,6 miljoonaa vuotta sitten. Maapallolla elettiin tuolloin jääkausien aikaa. Pohjoisella pallonpuoliskolla, halki Euraasian ja Pohjois-Amerikan, levittäytyi niin kutsuttu arotundra – kylmän ja samalla kuivan heinämaan muodostama kasvillisuustyyppi.

Tätä uniikkia ekosysteemiä asutti yhtä omaleimainen suurten eläimien joukko. Megafaunaan eli pleistoseenin arotundralle tyypillisiin suuriin eläimiin lukeutuivat muun muassa jääkauden todelliset ikonit, villamammutti ja villasarvikuono.

Näistä eläimistä enemmistö on kuitenkin kadonnut maapallolta: kaikkiaan noin sata suurikokoista nisäkässukua katosi joukkotuhossa, joka tapahtui viime jääkauden lopun ja nykyisen lämpökauden alkuosan aikana, noin 10–50 tuhatta vuotta sitten. Tämä dramaattinen muutos maapallon eläinkunnassa on kiehtonut niin suurta yleisöä kuin tutkijoitakin, ja tuhon syistä onkin esitetty lukuisia kilpailevia hypoteesejä.

Yhden ajatuksen mukaan tuho kytkeytyy jääkauden loppumiseen, ilmaston lämpenemiseen ja megafaunalle ominaisen ympäristön hupenemiseen. Tämän hypoteesin ongelmana on kuitenkin se, ettei viimeinen jääkausi ollut ainutkertainen tapahtuma. Maapallolla on pleistoseenikaudella ollut useita, jopa kymmeniä jääkausia, joiden vaihtelua säätelevät maapallon kiertoradan jaksottaiset muutokset. Megafauna oli selviytynyt jo lukuisten jääkausien ja niiden väliin sijoittuvien lämpökausien yli. Miksi juuri viimeisen jääkauden loppuminen olisi yhtäkkiä ollut tuhoisaa?

Toinen hypoteesi onkin ehdottanut megafaunan katoamisen syyksi ihmistä. Tässä mielessä viimeisen jääkauden loppu todella oli poikkeuksellista aikaa. Nykyihminen (Homo sapiens) oli juuri jääkauden aikana lähtenyt Afrikasta, ja ilmaston lämmetessä jääkauden lopulla levittäytyi ensimmäistä kertaa megafaunan asuinsijoille, maapallon pohjoisille alueille. Olisiko varhaisen ihmisen harjoittama metsästys voinut olla pleistoseenin jäteille liikaa?

Voittajaa hypoteesien joukosta on ollut kuitenkin vaikeaa löytää. Vaikka jääkausista tiedetään koko ajan enemmän, on megafaunan kaltaisten isojen eläimien tutkimuksessa erityisenä haasteena fossiiliaineistojen hajanaisuus. Vaikka mammutit ja muut suurnisäkkäät olivat keskeisiä lajeja arotundran ekosysteemissä, oli niiden lukumäärä kuitenkin sikäli pieni, että fossiileja on säilynyt verraten vähän. Tästä seuraa usein paleontologiassa niin sanottu false absence -tilanne, jossa eläin on saattanut olla alueella läsnä, mutta tästä ei vain ole jäänyt fossiiliaineistoa. Näin lajin katoamisen ajankohtaa voi olla vaikea ajoittaa ja korreloida erilaisiin tekijöihin, jotka voisivat olla tuhon aiheuttajia.

Helpotusta tutkijoiden tilanteeseen on kuitenkin tullut yllättävästä lähteestä: muinaisten jättien peräpäästä. Tuoreessa artikkelissaan Texas A&M -yliopiston tutkijat Angelina Perrotti ja Eline van Asperen esittelevät niin sanottujen koprofiilisienien soveltamista megafaunan tutkimuksessa.

Koprofiilisienillä tarkoitetaan kotelosienien kaareen lukeutuvia sienisukuja kuten Sporormiella ja Podospora, jotka elävät eläimien, erityisesti kasvinsyöjien, ulosteessa. Ulosteläjistä sienet levittävät itiöitä läheisen kasvillisuuden pinnoille. Näin itiöt päätyvät kasvinsyöjäeläimien ravinnon mukana niiden ruoansulatukseen – ja lopulta uuteen ulosteläjään.

Paleontologeille tämä koprofiilisienien vaatimaton elämänkierto on täynnä mahdollisuuksia. Vaikka fossiilisia luita säilyy vain satunnaisesti, tuottivat arotundran heinää laiduntaneet suuret eläimet väistämättä paljon ulostetta – mikä samalla tarkoittaa suurta määrää sienien itiöitä. Jääkauden aikaisista kerrostumista voidaankin parhaimmillaan löytää tuhansia koprofiilisienien itiöitä, jotka voivat osoittaa eläinten läsnäolon silloinkin, kun ensimmäistäkään luuta ei ole löydetty.

Meillä Suomessa koprofiili-itiöiden tutkimus on ollut vähäisempää, koska Suomi oli jääkaudella mannerjään peitossa. Tämän vuoksi meillä on säilynyt verraten vähän kerrostumia, joista merkkejä muinaisesta megafaunasta voisi löytyä.

Pitkästä tutkimuksesta ja uusista menetelmistä huolimatta debatti eri hypoteesien ympärillä jatkuu. Yhtäältä Pohjois-Amerikassa on itiötutkimusten perusteella havaittu, että megafaunan populaatiot olivat pienemässä jo ennen ihmisten saapumista alueelle. Toisaalta muut tutkimukset viittaavat siihen, että joukkotuhon eteneminen selittyy parhaiten ihmisen levittäytymisellä. Pohjois-Amerikan ulkopuolella myös Sporormiella-itiöiden määrien on havaittu vähenevän juuri silloin, kun ihminen saapui alueelle.

Kuten usein vaikeasti selvitettävissä kysymyksissä, on mahdollista, että megafaunan tuhoa ei selitä mikään yksittäinen tekijä. Kenties kyseessä oli lopulta yhteisvaikutus: ilmaston lämpeneminen ja ihmisen saapuminen olisivat kumpikin yksinään olleet siedettävissä, mutta yhdessä nämä rasitteet olivat pleistoseenin jäteille liikaa.

Ilmasto lämpenee – kuinka korkealle merenpinta voi nousta?

Kansainvälinen ilmastopaneeli IPCC julkaisi tällä viikolla uuden raportin, jossa arvioidaan 1,5 asteen lämpenemisen vaikutuksia maapallolle.

Ajatus 1,5 asteen lämpenemisestä tämän vuosisadan loppuun mennessä on tarkoituksellisen optimistinen: niillä toimenpiteillä, joihin maailman valtiot ovat nyt sitoutuneet, odotettu lämpeneminen on kaksin verroin suurempi, noin 3 astetta. Uusi raportti onkin tarkoitettu tiekartaksi, jolla pahimmat ilmastomuutoksen seuraukset olisivat vielä vältettävissä.

Yksi suurimmista ilmastonmuutokseen liittyvistä huolenaiheista on merenpinnan nousu. Tämä voi uhata monia tiheästi asuttuja rannikkoalueita – sekä kokonaisia valtioita Tyynellämerellä.

Vaikka huoli on suuri, on merenpinnan nousu huonoimmin tunnettuja ilmastonmuutoksen seurauksia. Jos kaikki menee parhain päin ja onnistumme pysymään 1,5 asteen lämpenemisessä, tarjoaa IPCC varsin karkean arvion merenpinnan noususta: noin 30–80 senttimetriä vuoteen 2100 mennessä.

IPCC varoittaa kuitenkin, että jo tämä lämpeneminen saattaa lopulta, vuosisatojen tai -tuhansien kuluessa, aiheuttaa useiden metrien merenpinnan nousun. Mistä tämä metrien vesimassa tarkkaan ottaen tulisi?

Vuoristojen jäätiköt ja meriveden lämpölaajeneminen voivat yhdessä aiheuttaa noin yhden metrin merenpinnan nousun. Tämän jälkeen huomio kohdistuu maapallon kahteen suureen mannerjäätikköön. Ensimmäinen kysymysmerkki on Grönlanti, jonka mannerjäätikkö sulaessaan voisi nostaa merenpintaa jo 7 metrillä. Todellinen jokerikortti on kuitenkin Etelämantereen mannerjäätikkö: sen sulaminen nostaisi merenpintaa peräti 58 metrillä.

Oikeastaan jokereita on kaksi. Etelämannerta pilkkoo enimmäkseen jään alla, katseilta piilossa suuri vuorijono. Transantarktiset vuoret jakavat samalla mantereen jäämassan kahtia, Länsi- ja Itä-Antarktiksen mannerjäätiköiksi. Näistä läntinen osa on selvästi pienempi: se sisältää noin kymmenesosan Antarktiksen koko jäämassasta.

Länsi-Antarktiksen mannerjäätikön arvellaan olevan selvästi itäosaa herkempi. Suurempi Itä-Antarktiksen mannerjäätikkö näyttäytyy tutkimuksissa eräänlaisena suurena uskollisena, joka ei ole suuremmin hievahtanut ja josta ei ole välitöntä uhkaa tulevaisuudessakaan.

Kuinka herkkiä nämä kriittiset jäämassat voivat olla? Tätä voidaan arvioida kääntymällä maapallon pitkään historiaan ja siihen, miten eri mannerjäätiköt ovat käyttäytyneet muinaisten ilmastonmuutoksien yhteydessä. Geologisten kerrostumien, kuten muinaisten koralliriuttojen perusteella on voitu arvioida muinaisia merenpinnan tasoja.

Kuinka iso lämpeneminen on menneisyydessä tarvittu sulattamaan Grönlannin tai Antarktiksen mannerjäätikköä? Lähdetään geologiselle aikamatkalle.

Eem-kausi, 120 tuhatta vuotta sitten. Juuri ennen viime jääkautta vallinnut Eem-kausi on kuuluisa esimerkki nykyistä lämpimämmästä ilmastovaiheesta. Ilmaston on arvioitu olleen tuolloin noin 1 asteen lämpimämpi verrattuna esiteolliseen tasoon, mikä aiheutti 6–9 metrin merenpinnan nousun. Grönlannin mannerjäätikön tiedetään pienentyneen Eem-kaudella merkittävästi, ehkä noin puoleen nykyisestä. Koska tämä ei riitä selittämään tapahtunutta merenpinnan nousua, on myös Länsi-Antarktiksen mannerjäätikön arvioitu pienentyneen.

Vaikka merenpinta nousi Eem-kaudella valtavasti, vielä pahempaa voi olla luvassa. Näytämme nimittäin ohittavan Eem-kauden lämpötilat, vaikka ilmastonmuutoksen hillinnässä päästäisiin toivottuihin tavoitteisiin. Kelataan siis geologista aikaa vielä taaksepäin.

Holstein-kausi, 400 tuhatta vuotta sitten. Myös Holstein-kaudella elettiin lämmintä vaihetta jääkausien välissä. Ilmasto oli vielä vähän Eem-kautta lämpimämpi: lämpötila nousi 1–2 astetta ja merenpinta 6–13 metriä verrattuna esiteolliseen aikaan.

Plioseenikausi, 3 miljoonaa vuotta sitten. Ehkä paras vertailukohta tulevalle löytyy vuosimiljoonien takaa, ajalta ennen kaikkia jääkausia. Plioseenikaudella hiilidioksidipitoisuudet olivat jokseenkin samat kuin nykyään, noin 400 miljoonasosaa. Lämpötila nousi noin 2–3 asteella. Lämpenemisen vaikutus jäätiköihin on epävarmempi. Nyt ollaan niin kaukana menneisyydessä, että geologiset maankamaran liikunnot alkavat sotkea merkkejä vanhoista merenpinnoista. Joidenkin arvioiden mukaan merenpinta nousi noin 20 metriä. Tämä edellyttäisi paitsi Grönlannin ja Länsi-Antarktiksen myös Itä-Antarktiksen aktivoitumista.

Näissä menneissä vertailukohdissa on omat ongelmansa. Polttavin kysymys koskee sitä, kuinka nopeasti nämä muinaiset merenpinnan nousut tapahtuivat. Tähän geologinen historia ei toistaiseksi anna valmiita vastauksia. Geologisten kerrostumien tulkinnan ja ajoituksen vaikeuksien vuoksi arviot muinaisten muutosten nopeuksista ovat vaihdelleet laajalti – satojen ja tuhansien vuosien välillä.

Geologin silmin arviot jopa kolmen tai neljän asteen tulevasta lämpenemisestä ovat silti kylmääviä. Muinaiset ilmastovaiheet kertovat valtavasta muutospotentiaalista maapallon mannerjäätiköillä.

Toistoja geologisen historian kautta toteutuneessa ”kokeessa” on jo useita: ilmasto lämpeni toistuvasti ja reaktio oli yhtenevä. Vain asteen–parin ilmaston lämpeneminen sai aikaan suurten mannerjäätikköjen sulamisen niin Grönlannissa kuin Etelämantereellakin.

Suomessa meitä kuitenkin suojaa toinen, niin ikään mahtava geologinen voima. Fennoskandian maankamara kohoaa, muistona viime jääkauden jäämassoista. Tilanne on harvinainen: yhtä onnekkaita ollaan lähinnä Kanadassa, missä myös maa kohoaa useimmilla alueilla.

Maapallon kansoilla eivät käy onnen lahjat tasan, mitä tulee geologiseen ympäristöön. Monissa Yhdysvaltain ja Euroopan osissa maankamara on hitaassa vajoamisliikkeessä. Tämäkin johtuu viime jääkaudesta. Mannerjäätikön paino nimittäin vaikutti laajemmalla alueella: kun Fennoskandian ja Kanadan kallioperä painui lommolle, aiheutti tämä ympäröiville alueille, mannerjäätiköiden liepeille, laajan kallioperän kohouman. Kun jäätiköityneet alueet nyt kimpoavat takaisin ylöspäin, on näiden reuna-alueiden – mukaan lukien USA:n pääkaupungin – vuoro vajota, kohti nousevaa merenpintaa.

Vaikka uhkakuvat ovat huolestuttavia, ei epätoivolle ole syytä antaa valtaa. Kuten IPCC:n raportti esittää, on vielä paljon, mitä voimme tehdä ilmastonmuutoksen pahimpien seurausten torjumiseksi.

Löysin kuitenkin hiljattain itseni tarkistamasta, että kuinkahan nopeaa se maankohoaminen täällä Helsingissä, oman kotini lähimaastoissa, olikaan? Vastaus: noin 30 senttimetriä vuosisadassa. Kiitos siitä.

Kapteeni Hess ja merenpohjan mysteeri

Toinen maailmansota päättyi päivälleen 73 vuotta sitten, 2. syyskuuta 1945, Japanin antautumiseen. Tämä tapahtuma antaa yllättäen aiheen tämänkertaiselle kirjoitukselleni. Tyynenmeren sodan melskeistä kumpusi nimittäin täysin odottamaton tieteellinen läpimurto – eikä kyse ole atomipommista, vaan paljon kauniimmasta osoituksesta ihmisen uteliaisuudesta ja kekseliäisyydestä.

Laattatektoniikan teoria on modernin geologian kulmakivi. Teorian mukaan maapallon kivikehän uloin osa, niin sanottu litosfääri, muodostuu irrallisista laatoista, jotka liukuvat maapallon vaipan päällä. Mannerlaattojen liike selittää johdonmukaisesti maapallon ja sen historian piirteitä, kuten vuorijonojen muodostumista, tulivuorten ja maanjäristyksen esiintymistä, sekä elämän ja ilmaston muinaista kehitystä.

Ajatuksen mantereiden liikkumisesta muotoili tieteelliseksi teoriaksi saksalainen meteorologi Alfred Wegener. Hän julkaisi vuonna 1915 mannerliikuntateorian, jonka mukaan maapallon mantereet olisivat kaukaisessa menneisyydessä olleet kasaantuneet yhteen, suureksi supermantereeksi, jolle Wegener antoi nimen Pangaia.

Wegener esitti ajatuksensa tueksi useita todisteita. Hän totesi sen ilmeisen seikan, että Etelä-Amerikan ja Afrikan mantereiden Atlantin puoleiset rannikot näyttivät sopivan hyvin yhteen. Hän ehdotti, että nämä mantereet olisivat olleet yhdessä kunnes meren avautuminen erotti ne. Siihen viittasivat Wegenerin mukaan myös muut geologiset merkit. Molemmilta puolilta Atlanttia oltiin löydetty fossiileja dinosauruksista ja saniaisista, jotka eivät mitenkään olisi voineet ylittää avointa valtamerta. Samoin Atlantin molemmilta reunoilta löydettiin hämmentävän samanlaisia kivilajeja – aivan kuin nämä alueet olisivat muinoin olleet yhdessä ja myöhemmin erotettu toisistaan.

Kaikista näistä todisteista huolimatta Wegenerin teoria kohtasi vuosikymmenien ajan valtavaa vastustusta. Teorian suurin vaikeus oli siinä, ettei se kyennyt selittämään, miten massiiviset mannerlaatat liikkuisivat. Wegener ehdotti, että mantereet puskevat merenpohjan läpi kuin jäänmuurtaja merijään läpi. Tätä ei kuitenkaan pidetty uskottavana mekanismina, koska kuten mantereiden myös merenpohjan tiedettiin koostuvan varsin vahvatekoisesta kallioperästä.

Tilanne oli tavallaan kuin oikeudenkäynnissä, jossa on tarjolla vain aihetodisteita. Näytti siltä, että mantereet olisivat liikkuneet, mutta kukaan ei pystynyt selittämään, miten se olisi mahdollista. Wegener kuoli vuonna 1930 kenttätyömatkalla Grönlannissa, näkemättä teoriansa hyväksyntää.

Tässä kohtaa tarinaamme astuu sen toinen päähenkilö, amerikkalainen geologi Harry Hammond Hess. Vuonna 1906 syntynyt Harry Hess työskenteli 1930-luvulla Princetonin yliopistossa, missä hän kiinnostui merenpohjan geologiasta. Hessin aikalaiset muistavat hänet hiljaisena miehenä, jolla oli pienet viikset ja miltei poikkeuksetta palava savuke suunpielessä. Hessin Annette-vaimo epäili miehensä ajattelevan geologiaa koko valveillaoloaikansa.

Hessin kallioperäntäyteinen siviilielämä kuitenkin keskeytyi, kun Yhdysvallat julisti sodan Japania vastaan joulukuussa 1941, Pearl Harborin yllätyshyökkäyksen jälkeen. Hess värväytyi laivastoon, missä hänestä tuli lopulta kuljetusalus USS Cape Johnsonin kapteeni.

Cape Johnsonin tehtävänä oli kuljettaa sotilaita taisteluihin, kun Yhdysvaltain asevoimat puskivat saari saarelta kohti Japania. Hessille ja hänen miehistölleen tämä merkitsi loputtomia, pitkiä merimatkoja ristiin rastiin Tyyntämerta, kun Cape Johnson osallistui muun muassa Mariaanien, Filippiinien ja Iwo Jiman maihinnousuihin.

Aluksen alati geologiaa ajatteleva kapteeni näki tässä tehtävässä tieteellisen mahdollisuuden. Cape Johnson oli varustettu tuolloin uudella teknologialla – kaikuluotaimella. Miehistönsä avustuksella Hess piti kaikuluotaimen tauotta päällä ja suunnattuna suoraan alaspäin, kohti Tyynenmeren pohjaa. Cape Johnson teki lopulta kaikuluotainhavaintoja noin 400 000 kilometrin matkalta – kuin kymmenkertaisen matkan maailman ympäri. Näin Hess sai kerättyä poikkeuksellisen laajaa, varhaista aineistoa merenpohjan muodoista.

Havainnot vaihtelevista ja toisaalta säännönmukaisista merenpohjan muodoista olivat tärkeässä roolissa, kun Hess sodan jälkeen lähti muodostamaan teoriaansa merenpohjan geologisesta kehityksestä. Hän ehdotti, että uutta merenpohjaa muodostuu valtamerten keskiosissa sijaitsevilla harjanteilla, niin sanotuilla keskiselänteillä. Keskiselänteiltä uusi merenpohja levittäytyy molempiin suuntiin. Samalla vanhaa merenpohjaa tuhoutuu valtamerten reuna-alueilla sijaitsevissa syvänmeren haudoissa, joissa merenpohja sukeltaa viereisen mantereen alle.

Hess julkaisi tuloksensa vuonna 1962 artikkelissa, jota hän vaatimattomuuteen taipuvaisena itse luonnehti ”esseeksi georunoudesta” (”an essay in geopoetry”). Hessin ajatusten vaikutus oli kuitenkin järisyttävä. Merenpohjan levittäytyminen tarjosi nimittäin samalla selityksen mannerten liikkumiselle, jota Alfred Wegener ei omana aikanaan kyennyt selittämään.

Sen sijaan, että mantereet puskisivat merenpohjan läpi, olikin itse merenpohja avainasemassa – uuden merenpohjan muodostuminen ja levittäytyminen kuljettaa merta reunustavia mantereita mukanaan. Myöhemmin osoittautuikin, että valtamerialtaiden hidas uudistuminen muodostaa tavallaan suuren kuljetushihnan, joka on vuosimiljoonien kuluessa kuljettanut muinaisen Pangaian osat eri puolille maapalloa.

Hessin tulosten julkaisun jälkeen moderni laattatektoniikan teoria muodostui varsin nopeasti, pääpiirteissään 1960-luvun aikana. Ottaen huomioon laattatektoniikan perustavanlaatuisen merkityksen, on yllättävää, miten tuore teoria on. Kotiplaneettamme tärkeimpien piirteiden syntymekanismi kuvattiin vasta samoihin aikoihin, kun valloitimme jo toista taivaankappaletta, Kuuta.

Alfred Wegenerin kohtalona oli, että hänen mullistavan ajatuksensa keskeisin todistusaineisto sijaitsi maapallon vaikeimmin saavutettavassa paikassa: valtamerten syvyyksissä. Wegenerin aseman tieteen historiassa ankkuroi lopulta kekseliäs Harry Hess, joka sodan kauheuksienkin keskellä onnistui tuomaan pinnalle merenpohjan salaisuudet.

Dryas-kausi ja Salpausselät säilyttävät salaisuutensa

Eurooppa noin 15 tuhatta vuotta sitten: pitkä kylmyys on viimein hellittämässä. Fennoskandiaa peittänyt mannerjäätikkö sulaa, ja lopulta Suomikin alkaa paljastua kilometrien paksuisen jään alta. Satatuhatta vuotta kestänyt jääkausi on päättymässä rytisten.

Sitten tapahtuu jotain odottamatonta. Noin 13 000 vuotta sitten ilmasto heilahtaa äkillisesti takaisin kylmemmäksi. Jäätikön reuna pysähtyy sadoiksi vuosiksi Etelä-Suomen kohdalle, ja paikoilleen seisahtuneen jäämassan eteen alkavat kasaantua valtavat sedimenttivallit. Näiden jääkauden monumenttien – Salpausselkien – kuvat koristavat nykyään geologian oppikirjoja kautta maailman.

Geologit kutsuvat tätä kylmää ilmastovaihetta nuoremmaksi Dryas-kaudeksi. Kausi on nimetty lapinvuokon (Dryas octopetala) mukaan. Tämän pienen, kylmiin olosuhteisiin sopeutuneen kukan siitepölyjä on löydetty laajalti nuoremman Dryas-kauden geologisista kerrostumista. Tutkijat puhuvat ”nuoremmasta” Dryas-kaudesta erottaakseen sen hieman aikaisemmasta, vanhemmasta Dryas-kaudesta.

Nuorempi Dryas-kausi on kuuluisa esimerkki niin sanotusta äkillisestä ilmastonmuutoksesta. Ennen kauden alkua ilmasto oli lämmennyt jo merkittävästi, mutta sitten lämpötila palasi kylmäksi, kuin jääkauden viimeisenä yskähdyksenä. Nuorempi Dryas-kausi päättyi lopulta noin 11 700 vuotta sitten, mikä merkitsi myös koko viimeisen jääkauden päättymistä ja nykyisen lämpökauden, Holoseenin, alkua.

Tällaiset äkilliset ilmastovaihtelut ovat herättäneet tutkijoissa valtavasti mielenkiintoa. Viimeiset kymmenentuhatta vuotta ilmasto on ollut verraten vakaa. Kuitenkin muinaisessa ilmastossa voidaan havaita useampia nuoremman Dryas-kauden kaltaisia, voimakkaita ja nopeita muutoksia. Jos ilmasto on kauempana menneisyydessä heilahdellut näin suuresti, voisiko sama toistua tulevaisuudessa ja aiheuttaa mahdollisen katastrofin ihmissivilisaatiolle?

Nuoremman Dryas-kauden kohdalla tutkijat painivat kuitenkin yllättävän ongelman parissa. Vaikka kyseessä on jo pitkään tunnettu ilmastovaihe, emme oikeastaan tiedä, mistä ilmaston äkillinen kylmeneminen johtui. Siksi kauden merkitystä tulevaisuuden kannalta on vaikea arvioida.

Monia selityksiä on tarjottu. Pitkään tutkittu hypoteesi on, että Pohjois-Amerikan jääkautisen mannerjäätikön sulamisvedet häiritsivät Pohjois-Atlantin merivirtojen kiertoliikettä. Tämä olisi vuorostaan viilentänyt pohjoisten alueiden ilmastoa. Toinen ehdotus on, että nuorempi Dryas-kausi johtui auringon säteilyn tilapäisestä heikkenemisestä. Jotkut tutkijat ovat hakeneet selitystä jonkinlaisesta muutoksesta ilmakehän kiertoliikkeissä. Millekään näistä ehdotuksista ei ole kuitenkaan löydetty vakuuttavaa todistusaineistoa.

Vahvan selityksen puute on jättänyt tilaa myös vähemmän tavanomaisille hypoteeseille. Vuonna 2007 amerikkalaisen Richard Firestonen johtama tutkijajoukko ehdotti, että nuoremman Dryas-kauden aiheutti komeetan törmäys Pohjois-Amerikan pohjoisosiin. Heidän esittämänsä todistusaineisto ei kuitenkaan ole vakuuttanut tutkijoiden valtavirtaa, joista enemmistö kannattaa jotain perinteisempää selitystä. (Paleoekologi Richard Telford on käsitellyt komeettahypoteesista käytyä keskustelua blogikirjoituksissaan. [1] [2] [3])

Vaikeus löytää selvää syytä saattaa lopulta selittyä sillä, että kyseessä oli monimutkainen, usean tekijän yhdistelmä. Hollantilainen ilmakehäfyysikko Hans Renssen yhteistyökumppaneineen on esittänyt, että kylmeneminen selittyy parhaiten juuri tällaisella yhteisvaikutuksella. Pohjois-Atlantin merivirtojen kiertoliike olisi todella hidastunut, mutta viilenemistä vahvisti myös Auringon heikentynyt säteily sekä muutos vallitsevissa ilmavirtauksissa. Tänä keväänä julkaistussa tutkimuksessa Helsingin yliopiston tutkijat Minna Väliranta ja Maija Heikkilä kollegoineen hakevat samantyyppistä ratkaisumallia, jossa Pohjois-Atlantin virtauksen heikkeneminen yhdistyy ilmavirtojen muutokseen.

Tutkijoiden työ kuitenkin jatkuu, ja uusia tiedonjyväsiä etsitään niin Euroopan ja Pohjois-Amerikan maakerrostumista, merenpohjan uumenista kuin Grönlannin jäälakeuksiltakin, kun metsästetään avainta äkillisten ilmastonmuutosten mahdollisiin käynnistäjiin. Salpausselät jäävät odottamaan selittäjäänsä.

Suomusjärven fossiililöytö oli tutkijan aarreaitta

Ei tällaista voi ollakaan, ajattelin, kun katsoin mikroskooppiin Helsingin yliopiston geologian laitoksella. Utelin heti professori Mikael Forteliukselta, mistä tarkastelemani näyte oli kaivettu.

Minut oli vuonna 2008 värvätty tutkimaan outoa luun kappaletta, jonka Marja Simonsuuri-Sorsa oli löytänyt Suomusjärveltä noin vuonna 1960. Luu oli pakkautunut täyteen kovaa maa-ainesta, jonka arveltiin olevan karkeasti luun ikäistä. Minun tehtäväni oli tutkia yhdessä tutkijakollegani Arto Miettisen kanssa, minkälaisia mikroskooppisen pieniä fossiileja, eli mikrofossiileja, vanhasta sedimentistä löytyisi.

Voisivatko ne kertoa jotain luun iästä tai muinoin kuolleen eläimen elinympäristöstä?

Mikrofossiilitutkimus eli mikropaleontologia on menetelmänä vanha, yli satavuotias. Esimerkiksi Suomen järvien pohjakerrostumien siitepölyjen avulla on voitu selvittää, miten maamme kasvillisuus on kehittynyt jääkauden jälkeen.

Mikroskoopissani nyt näkyneet pienet fossiilit olivat kuitenkin perin juurin outoja. Suurin osa siitepölyistä ja itiöistä, jotka ovat erikoisalaani, olivat minulle täysin vieraita. Kollegani Arto Miettinen painiskeli saman ongelman parissa piikuoristen levien kanssa.

Lopulta vastaus löytyi. Kahlasin läpi runsaasti kirjallisuutta, ja onnistuin lopulta tunnistamaan löytämiäni mikrofossiileja. Ne osoittautuivat suurimmaksi osaksi subtrooppisten saniaisten itiöiksi.

Kaikkein runsaimpana esiintynyt itiö oli sinänsä kaunis: pronssinsävyinen kolmiomainen itiö, jossa näkyi tyypillinen kolmihaarainen arpi. Se muistutti voimakkaasti siipisanikan, esimerkiksi Välimeren alueella yleisesti kasvavan saniaisen itiötä. Lisäksi löysin sypressipuiden siitepölyjä, jotka muistuttivat esimerkiksi Kalifornian punapuun tai Japanin sugin siitepölyjä. Mutta mitä ihmettä nämä tekivät Suomusjärvellä?

Outo yhtälö alkoi aueta, kun Arto Miettinen ensin osoitti venäläisen kollegansa avustuksella, että yksi piikuorinen levä oli hyvin vanha, jo viisi miljoonaa vuotta sitten maailmasta hävinnyt muoto.

Tämän löydöksen valossa myös siitepölyt ja itiöt olivat yhtäkkiä järkeenkäypiä. Näin kaukana geologisessa historiassa koko Eurooppa oli paljon nykyistä lämpimämpi. Subtrooppiset saniaiset ja sypressipuut olivat laajalle levinneitä. Samalla kollegamme, nisäkäspaleontologi Juha Saarinen sai itse luun kappaleen tunnistettua. Eläin paljastui Deinotheriumiksi, jo miljoonia vuosia sitten kadonneeksi norsun sukulaiseksi.

Suomusjärven luu oli siis Suomen olosuhteissa tavattoman vanha. Kaikki tiedon jyväset yhteen kokoamalla pystyimme rajaamaan luun iäksi 5–15 miljoonaa vuotta. Toisaalta maapallon koko geologisessa historiassa eläin on silti verraten nuori.

Kun tuloksemme vuonna 2016 julkaistiin ja niistä kerrottiin sanomalehdissä, monissa lukijakommenteissa hämmästeltiin, miten voimme tietää niin paljon luun iästä ja jopa tuon aikakauden ilmastosta. Vaikka kyseessä oli vain pieni luun kappale, se oli mikrofossiilien tutkijoille aarreaitta. Analysoimme pientä, noin kahden kuutiosentin maanäytettä, ja löysimme siitä yli 200 mikrofossiilia, jotka yhdessä kertoivat jo paljon kasvillisuudesta ja ilmastosta.

Yksi suuri kysymys jäi silti ratkaisematta. Alusta asti ilmeinen ongelma oli, että luun ikäisiä maakerrostumia ei esiinny Etelä-Suomessa. Mistä luu siis tuli? Ainoa vaihtoehto lienee, että se on jäänne kerrostumista, jotka myöhemmin tuhoutuivat jääkausien myllerryksessä. Täysin kadonneita ne eivät silti ole, sillä Sallan Naruskajärveltä on löydetty vanha maakerrostuma, joka on arvioitu karkeasti Suomusjärven luun ikäiseksi.

Suomusjärven luu onkin muisto menneisyydestä, jonka merkit ovat Suomesta jo melkein kadonneet. Deinotherium ja muut tuon ajan suurnisäkkäät edustavat Euroopassa mennyttä maailmaa, joka katosi joukkotuhossa noin 3 miljoonaa vuotta sitten, kun jääkaudet alkoivat.

Itselleni Suomusjärven luun tutkimus muistutti, mistä tieteen teossa on pohjimmiltaan kyse. Tuntemattoman äärellä seisominen ja siitä oppiminen on uteliaalle ihmiselle riemuisaa. Toisaalta tutkijan kohtalona on lausua ääneen kaikki epävarmuudet. Samalla kun lisäämme tietoa, joudumme nöyrinä kohtaamaan parhaankin tiedot rajat.