Elollisten ihmeellinen kello
OLETKO pannut merkille elollisten ihmeellisen ajantajun? Kasvit itävät, kasvavat ja kukkivat joka vuosi aikataulun mukaan. Kaikilla ei ole samaa aikataulua – jotkut kukkivat keväällä, toiset kesällä ja vielä toiset syksyllä tai varhaistalvella. Mutta jokainen laji tietää eri toimintojensa oikean suorittamisajan.
Samoin on eläinten laita. Ne parittelevat, lisääntyvät, vaipuvat lepotilaan, muuttavat ja suorittavat eri toimintoja ikään kuin ne noudattaisivat tarkkaa aikataulua. Ajattelepa hyönteisiä, jotka viettävät talven diapaussiksi nimitetyssä lepotilassa. Kesän loppupuolella ilman ollessa vielä lämmin ne keskeyttävät kiireiset ravitsemis- ja lisääntymistoimintonsa ja alkavat asettua lepotilaansa. Miten ne tietävät talven olevan lähellä?
Eräät linnut taas muuttavat tropiikkiin talvea viettämään. Kevään tullessa pohjoiseen ne suuntaavat kulkunsa kohti kotiaan. Koska tropiikissa lämpötila on suunnilleen sama kuin lintujen saapuessa, miten ne tietävät, että sää on lämpenemässä kotipuolessa? Monet ihmiset ovat tehneet tämänkaltaisia kysymyksiä. Oletko sinä?
Ihmeellinen ajoitusväline
Elollisten pääasiallisen ajoitusvälineen uskotaan olevan valo. Aikaisemmin ajateltiin yleisesti, että vuodenajan muuttuvat lämpötilat panivat käyntiin kasvien ja eläinten erilaiset reaktiot. Mutta lämpötila vaihtelee; se on vuodesta toiseen epäyhtenäinen. Valo sen sijaan on luotettava. Tiettynä päivänä vuodessa päivänvalon pituus on sama. Se ei vaihtele koskaan. Siten elävä organismi saa täsmällisen tiedon vuodenaikojen etenemisestä.
Tällä ei tarkoiteta sitä, etteivät lämpötila ja muut tekijät saattaisi myös vaikuttaa kasvien ja eläinten vuodenaikarytmiin. Ilmeisesti ne vaikuttavat. Mutta ajoittamisen pääväline näyttää olevan päivänvalon pituus. Se, että tämä ihmeellinen kello ajoittaa elollisten toiminnot, on suhteellisen uusi havainto.
Tärkeä tutkimus
Vuonna 1920 Yhdysvalloissa tutkittiin Maryland Mammothiksi nimitettyä tupakkalajia. Tutkijat yrittivät saada selville, miksi sen kukkiminen myöhästyi, kun sitä viljeltiin lähellä Washingtonia (D.C.). Vaikka kasvi oli päiväkausia valmis kukkimaan, jokin esti sitä kukkimasta, ennen kuin vuodenaika oli liian myöhäinen siemenien kypsymiselle.
Tehtiin monia kokeita, mutta ne eivät paljastaneet syytä kukkimisen viivästymiseen. Lopulta kasvihuoneessa pidetyille kasveille annettiin valoa keinotekoisesti vähemmän kuin päivän valon määrä. Se tepsi! Kasvit puhkesivat kukkaan aikaisemmin kuin ulkosalla viljellyt. Tämä antoi johtolangan siihen, miksi Maryland Mammoth ei Washingtonin seudulla kuki ennen kuin kasvukauden lopulla. Näin on, koska vasta myöhäiskesällä päivänvalon pituus on lyhentynyt tämän kasvin kukkimiselle sopivaksi!
Vaikuttaako valo samoin toisten kasvien toimintoihin? Näiden tutkijoiden lisähavainnot osoittivat, että se vaikuttaa. Havaittiin, että kasvit voidaan niiden päivänvalon pituuteen reagoimisen perusteella jakaa kolmeen ryhmään.
Ensinnä on ryhmä, johon kuuluu tomaattien ja kurkkujen kaltaisia kasveja, joille päivänvalon pituudella ei juuri ole merkitystä. Toista ryhmää nimitetään ”lyhyen päivän kasveiksi”. Nämä eivät kuki, ennen kuin vuorokautinen valaistusaika alittaa tietyn tuntimäärän. Kolmatta ryhmää nimitetään ”pitkän päivän kasveiksi”. Nämä kukkivat päivänvalon ylittäessä tietyn tuntimäärän.
Havaintojen merkitys
Nämä tutkimukset vastasivat moniin kysymyksiin. Ne selittävät, miksi jonkin tietyn lajin taimet voidaan istuttaa vuoden eri aikoina, ja silti kaikki kukkivat samaan aikaan. Lisäksi ne paljastavat, miksi eräät kasvit kukkivat joillakin tietyillä seuduilla mutta eivät lainkaan toisilla seuduilla.
Maataloustutkijat määrittävät nykyisin säännöllisesti kasvien vaatimukset valon suhteen. Joillakin niistä on aivan erityiset tarpeet päivänvalon pituuden suhteen. Monet sipuli- ja soijapapulajikkeet esimerkiksi menestyvät parhaiten, kun niitä viljellään 250 kilometrin levyisellä leveysasteiden suuntaisella vyöhykkeellä. Jos niitä viljellään tämän alueen pohjois- tai eteläpuolella, sato voi epäonnistua.
Kasvien päivänvalon tarpeet voivat aiheuttaa kukista pitäville pettymyksen. Joku voi matkallaan saada puutarhaansa varten värikkään kasvin, mutta kotiin tuotuna se ei kuki. Miksi? Päivänvalon pituus hänen asuinpaikkakunnallaan saattaa olla kasvin kukkimiselle sopimaton.
Esimerkiksi kivikkokasvi Sedum telephium (iso maksaruoho) kasvaa Suomessa ja Yhdysvalloissa Etelä-Vermontissa. Mutta kukkiakseen se tarvitsee päivittäin valoa vähintään kuusitoista tuntia. Se saa sen mm. Suomessa ja Vermontissa. Mutta jos joku veisi sen hyvin kauas etelään, se ei kukkisi riittämättömän päivänvalon vuoksi.
Toisaalta esimerkiksi Yhdysvalloissa Pohjois-Mainessa asuva henkilö saattaa olla kiitollinen siitä, että siellä on vähän tai ei lainkaan marunatuoksukkia, viljapeltojen rikkaruohoa. Marunatuoksukki ei kuki, ennen kuin päivänvalo vähenee 14,5 tuntiin. Pohjois-Mainessa tämä tapahtuu vasta elokuun 1. päivän jälkeen, joten se ei varaa siemenille riittävästi kypsymisaikaa ennen kylmien ilmojen tuloa.
Kuinka kasvit huomaavat valon
Näiden tosiasioiden oppiminen kasvien reagoinnista päivänvalon pituuteen on tehnyt muutakin ilmeiseksi. Kasveissa täytyy olla jotakin, joka huomaa muutoksen päivänvalon pituudessa ja joka panee ne reagoimaan sen mukaisesti. Tämä ”fytokromiksi” nimitetty aine on eristetty vasta melko äskettäin.
Fytokromi on sinertävää valonherkkää väriainetta, joka imee punaista valoa. On osoitettu, että monet kasvit tuleentuvat nopeammin, kun niille annetaan punaisen aallonpituuden valoa. Valo vaikuttaa jotenkin fytokromiin kasvin kasvumuutosten sääntelemiseksi siemenasteesta kypsyyteen. Mutta sitä, miten tämä oikeastaan tapahtuu, ei ymmärretä.
Valon sääteleminen
Monet puutarhurit käyttävät nyt hyödykseen tätä tietoa kasvien reagoimisesta valoon. Valolle alttiina olon pituutta säätämällä he voivat saada kasvin kukkimaan milloin vain haluavat. Siten heillä on talvella kukkia, jotka normaalisti kasvavat ainoastaan kesällä, ja tavallisesti syksyllä kukkivia heillä voi olla muina vuodenaikoina.
Esimerkiksi krysanteemi on tavallisesti syksyllä kukkiva kasvi. Mutta sen voi saada kukkimaan kesällä, kun peittää sen myöhään iltapäivisin pahvilaatikolla ja poistaa laatikon aamulla. Pidentynyt pimeän kausi saa krysanteemit toimimaan ikään kuin olisi syksy, ja ne kukkivat kesäkukkien kera.
Joku saattaa toisaalta haluta nauttia talvella kukista, jotka normaalisti kukkivat vain kesällä. Nämä kasvit voidaan panna toimimaan ikään kuin pitkät kesäpäivät olisivat saapuneet antamalla niille päivittäin annos keinovaloa päivän päättymisen jälkeen. Täten ne kukkivat lyhyiden talvipäivien aikana.
Vaikutus eläimiin
Kun päivänvalon pituuden merkittävät vaikutukset kasveihin oli havaittu, tutkimusta suoritettiin sen selvittämiseksi, oliko vaikutus eläimiin samanlainen. Tutkimuksen tulos osoitti, että myös monet eläimet ajoittavat vuodenaikoihin liittyvät toimintonsa päivänvalon pituuden mukaan.
Ensimmäiset lintuja koskevat kokeet tehtiin kottaraisilla. Tavallisesti kottaraiset parittelevat keväällä päivien pidetessä. Joulukuun lyhyitä päiviä kuitenkin pidennettiin keinotekoisesti valaisemalla lintuja auringonlaskun jälkeen. Muutamassa päivässä kottaraisilla alkoi sulkasato, ja ne alkoivat pukeutua keväisen parittelukautensa värikkääseen höyhenpeitteeseen. Niiden lisääntymisaikataulu siirtyi neljä kuukautta eteenpäin, kun pidennettiin aikaa, jonka ne päivittäin olivat alttiina valolle!
Samanlaisia kokeita suoritettiin freteillä, jotka myös tavallisesti lisääntyvät keväällä tai varhaiskesällä. Nämäkin pienet eläimet parittelivat talvella, kun niiden päivää pidennettiin keinovalolla. Sekä kottaraiset että fretit ovat pitkän päivän eläimiä. Ne kuuluvat niihin luomuksiin, jotka parittelevat silloin, kun päivänvalon aika on pitkä.
Mutta monet muut eläimet, kuten vuohet, lampaat ja hirvet, parittelevat syksyllä. Päivänvalon lyhyempi pituus vaikuttaa niiden paritteluun. Siksi lampaiden jalostajat, jotka haluavat karitsoita varhain keväällä, rajoittavat eläintensä päivänvalon saantia loppukesästä. Lisääntymisprosessi alkaa varhaisemmin, kun lampaat tuodaan heinäkuussa ja elokuussa ennen auringonlaskua pimeisiin vajoihin.
Myös hyönteisillä, silkkiäistoukka mukaan luettuna, on suoritettu monia mielenkiintoisia kokeiluja. Syksyllä munitut munat läpäisevät talven lepotilassa. Keväällä ne hautuvat toukiksi. Toukat koteloituvat pian ja muuttuvat sitten täysikasvuisiksi perhosiksi. Mutta varhaiskesällä munitut munat eivät koe lepokautta.
Kokeilut ovat paljastaneet, että juuri päivänvalon pituus määrää, miksi varhaiskesällä munitut munat eivät vaivu lepotilaan, kun taas syksyllä munitut vaipuvat. Säännöstelemällä valoa keinotekoisesti silkkiäisperhoset voidaan panna lisääntymään sukupolvi toisensa jälkeen ilman, että mitkään niiden munista vaipuvat lepotilaan. Mutta kun valolle alttiina olemisen pituutta muutetaan, perhoset munivat munia, jotka vaipuvat lepotilaan.
Eläimissä on ilmeisesti kasvien tavoin jokin mekanismi, joka panee alulle niiden erilaiset reaktiot valon pituuteen nähden. Kysymyksessä uskotaan olevan jokin hormoni. Mutta siitä, kuinka sanomat valon pituudesta vastaanotetaan tai välitetään, tunnetaan vain harvoja yksityiskohtia.
Vaikka ihminen on oppinut paljon luomakunnan monista ihmeistä, hän huomaa jatkuvasti, miten suuri osa siitä on vielä hänelle salaisuus. Tutkimus valon vaikutuksista elollisiin valaisee tätä jälleen.