Biologian akatemiatutkija Mar Cabeza (*1974) on tutkimuksissaan tuonut ilmastonmuutoksen mukaan luonnonsuojelusuunnitelmiin. Kun lajisto muuttuu ilmaston lämmetessä, myös suojelun pitäisi olla enemmänkin joustavaa ja dynaamista kuin perinteisen paikkasidonnaista.

Katalonialaissyntyinen Cabeza opiskeli biologiaa Barcelonassa, mutta ei löytänyt valmistumisensa jälkeen houkuttavia paikkoja tohtorinväitöskirjan tekoon. Tuttu professori suositti Helsinkiä.

Väitösartikkeleissaan Cabeza kehitteli spatiaalista ekologiaa eli maantieteellisten parametrien yhdistämistä ekologisiin ilmiöihin. Cabeza mallinsi suojelualueiden suunnittelua niin, että lajit pääsisivät luontevasti siirtymään alueelta toiselle – mikä nykyään on luonnonsuojelualueiden suunnittelussa jo arkipäivää.

Ilmastonmuutoksen vaikutukset luonnonsuojelualueisiin 

Väitöstutkimuksensa jälkeen Cabeza kirjoitti kuulun Madridissa työskentelevän professorin Miguel Araújon ehdotuksesta artikkelin, jossa ensimmäistä kertaa kysyttiin, miten suojelualueiden suunnitteluperiaatteet kestävät ilmastonmuutoksen painetta. Cabeza ja Araújo mallinsivat useita erilaisia suojelualueverkostoja ja testasivat niiden toimivuutta silloin kun lajit siirtyvät muuttuvassa ilmastossa. He huomasivat, että mikään konstruktio ei ollut riittävä.

Tämä vuonna 2004 julkaistu löydös on määrittänyt suurinta osaa Cabezan senjälkeistä työtä.

Cabeza lähti Madridiin tekemään Araújon ryhmään post doc -tutkimusta ilmastonmuutoksen vaikutuksesta biodiversiteetin suojeluun. Hän ei kuitenkaan viihtynyt Madridissa ja tuskastui espanjalaiseen byrokratiaan, joten vuonna 2011 hän palasi Helsinkiin.

Madridin-ajalta ovat peräisin hänen siteeratuimmat tutkimuksensa. Ilmastonmuutoksen huomioonotto luonnonsuojelussa oli mullistava paradigman muutos, ja Cabeza kirjoituksineen kulki muutoksen aallonharjalla, ensin Madridissa sitten Helsingissä.

Vanhan paradigman mukaan – EU-direktiivien mukainen suojelu Natura-alueineen edustaa tätä – suojelualueet rakennetaan automaattisesti sinne, missä direktiivin mukainen laji on löytynyt, huomioimatta esimerkiksi että pysyykö laji alueella.

Muutoksen hyväksyminen 

Uudessa paradigmassa Cabeza ajaa dynaamista luonnonsuojelua. Tämä tarkoittaa muutoksen hyväksymistä. Myös ihmisistä riippumattomien tekijöiden vuoksi Maapallon historiassa ilmasto on muuttunut ja lajit siirtyneet eri paikkoihin.

Siksi Cabezan mukaan pitäisi rakentaa suojelualueiden verkostoja sekä tarkkailla nykyistä enemmän, miten ja minne lajit siirtyvät.  Suojelualueiden paikkaa Cabeza ei halua muuttaa vaan niiden hallintoa, rahoitusta ja tavoitetta. Parissakymmenessä vuodessa suojelualueen lajeista osa voi muuttaa pois ja tilalle tulla uusia lajeja – mutta alue voi silti olla luontoarvoiltaan tärkeä.

Ilmaston lämpenemisen vuoksi suojeluverkostoa on karkeasti ottaen järkevä suunnitella etelä–pohjois-suuntaiseksi. Suomen kannalta biodiversiteetin siirtyminen kohti pohjoista on sikäli onnekasta, että autiossa Pohjois-Suomessa on eniten suojelualueita. Tosin pohjoisten alueiden alkuperäisillä lajeilla ei ilmaston lämmetessä enää ole paikkaa minne siirtyä.

Vuonna 2014 julkaistussa artikkelissa  "Multible dimensions of climate change and their implications for biodiversity" Cabeza kollegoineen tuo tutkimukseen yhä lisää ulottuvuuksia. Sen lisäksi, että kiinnitetään huomiota lämpötilamuutokseen, pitäisi huomioida myös muutoksen nopeus ja se, onko muuttunut ilmasto alueen lajeille jollain aikavälillä tuttu. Suomessa esimerkiksi keskilämpötila on jääkausien sykleissä sahannut toistuvasti, kun taas tropiikin sademetsissä ilmasto on ollut varsin muuttumaton.

Helsingin vuosina Cabezan työ on muuttunut käytännöllisemmäksi. Hän on ryhmäläisineen mukana erilaisissa tropiikin suojeluhankkeissa Madagascarilla, Keniassa ja Amazoniassa. Mukaan on tullut myös sosiaalitieteellisiä kysymyksenasetteluita, että millaisiin suojelutoimiin alueen ihmiset ovat valmiita.

Nuorena Cabeza pelasi passarina Espanjan nuorten lentopallomaajoukkueessa, mutta selkävamma katkaisi haaveet ammattiurheilijanurasta. Cabeza suuntasi yliopistouralle – mistä hän viimeistään nyt on hyvin tyytyväinen.

Mar Cabeza: Julkaisut, projektit, aktiviteetit

Bioinformatiikan professori ja Biotekniikan instituutin ryhmänjohtaja Liisa Holm (*1961) on tehnyt uraauurtavaa tutkimusta proteiinien kehityshistoriasta sekä kehittänyt asian tutkimista helpottavia tietokoneohjelmia. Holmin työllä on sovelluksia genomiikassa ja yksilöllistetyssä terveydenhoidossa.

Kuuluisimman ohjelmansa, Dalin, Holm julkaisi vuonna 1993 työskennellessään post doc -tutkijana Euroopan molekyylibiologian laboratoriossa Heidelbergissa.

Dali oli ensimmäinen webbipohjainen proteiinirakenteita vertaileva ohjelma, ja se toimi paremmin kuin ihmissilmä ja ekspertin muistipankki. Dalin proteiinipankkiin kerätään kaikki julkisesti saatavilla olevat kolmiulotteiset proteiinirakenteet. Ohjelman alkuaikoina rakenteita oli satoja, nyt satojatuhansia. Dalia päivitetään kaiken aikaa niin datan kuin tekniikankin osalta, ja se on ollut käytössä maailmanlaajuisesti jo yli 20 vuotta. Dali on löytänyt tiensä myös alan oppikirjoihin.

Dali vertaa etäisyysmatriisien avulla uutta rakennetta ennestään tunnettuihin proteiinirakenteisiin. Jos tällöin löytyy erittäin merkittäviä samanlaisuuksia, se voi olla merkki, että kyseessä on kaukainen homologia eli yhteistä alkuperää oleva rakenne. Tällä voi olla merkitystä molekulaaristen mekanismien selvittämisessä, koska ne voivat säilyä hyvin samankaltaisina kaukaisesta esimuodosta asti, vaikkapa ihmisten ja bakteereiden viimeisestä yhteisestä esi-isästä.

Kun Holm alkoi systemaattisesti seuloa uusia rakenteita, hän löysi myös sellaisia homologioita, joita ei aminohapposekvenssin avulla olisi osannut arvata. Rakennevertailulla nimittäin päästään proteiinien evoluutiossa kauemmas kuin aminohapposekvenssin avulla.

Euroopan bioinformatiikan instituutissa Cambridgessa vuosina 1995–2002 Holm syventyi kehittämään proteiinien aminohapposekvenssien vertailumenetelmiä niin, että ne havaitsisivat yhteisen kehityshistorian jäljen sekvensseistä entistä kaukaisempien sukulaisten välillä, joita rakennevertailut olivat paljastaneet.  Holm ryhmineen muun muassa kehitti menetelmän koko proteiinitietokannan automaattiseen ryvästämiseen [engl. unsupervised clustering] domeenitasolla. Domeenit ovat rakenteellisesti ja toiminnallisesti itsenäisiä proteiinin alayksiköitä, jotka esiintyvät erilaisina kombinaatioina eri proteiiniperheissä.

Vuodesta 2002 eteenpäin Holm on työskennellyt Helsingin yliopistossa lukuunottamatta vuoden mittaista tutkijavierailua Harvardissa vuosina 2007–2008. Holm on muun muassa kehittänyt funktionaalista genomiannotaatiota eli ennustuksia, miten tietty funktio voisi liittyä annettun geenin koodaamaan proteiiniin. Esimerkiksi PANNZER-ohjelma sijoittui hyvin alan sisäisessä CAFA-kilpailussa (Critical Assessment of protein Function Annotation).

Proteiinitietokannat ovat nykyisenä big data -aikana kasvaneet eksponentiaalisesti, mikä vaatii ohjelmilta uusia ratkaisuja. Holm on kehittänyt supernopean proteiinitietokantaohjelman, jolla voi silmänräpäyksessä löytää homologioita, mikä nopeuttaa monia bioinformatiikan sovelluksia.

Työkaluja yksilölliseen terveydenhuoltoon

Parhaillaan Holm tekee tutkimusta yksilöllisen terveydenhoidon saralla ja kehittää algoritmeja infektiodiagnostiikkaan. Niiden avulla potilaan sekvenssidatasta voidaan analysoida riittävän nopeasti, mikä bakteeri ja mitkä resistenssitekijät ovat infektion takana, ja näin voidaan ehdottaa sopivaa antibioottia.

Myös PANNZERia kehitetään yhä, ja se saattaa tulevaisuudessa kohota merkittäväksi alallaan. Nopeita valistuneita arvauksia proteiinin funktiosta tuottavat ohjelmat ovat monille nyky-biologeille välttämätön työkalu.

Liisa Holm: Julkaisut, projektit, aktiviteetit

Liisa Holm työskenteli Euroopan bioinformatiikan instituutissa Cambridgessa vuosina 1995–2002

 

Mikrobiologian akatemiaprofessori Willem de Vos (*1954) on tällä vuosituhannella kunnostautunut suolistomikrobitutkimuksen uranuurtajana. Monet tutkimusryhmät Helsingin yliopistossa ovat päässeet osalliseksi mikrobiomibuumista, koska de Vos muutti Hollannista Suomeen vuonna 2007, ensin Tekesin rahoittamaksi FiDiPro-professoriksi ja sittemmin myös akatemiaprofessoriksi.

Willem de Vosin löytö mullisti mikrobiomitutkimuksen

Vuosituhannen vaihteessa de Vos kollegoineen havaitsi, että jokaisella ihmisellä elää suolistossaan ainutlaatuinen mikrobisto eli mikrobiomi. Tämä nykyinen itsestäänselvyys oli silloin mullistava löytö, ja lähtölaukaus mikrobiomitutkimuksen nousulle.

De Vosin siteeratuin tutkimus on vuonna 2010 julkaistu metagenomikartoitus suoliston mikrobiomista. Ensimmäisessä tämän mittaluokan kartoituksessa tutkijat löysivät 124 eurooppalaisen koehenkilön ulosteesta yhteensä 3,3 miljoonaa mikrobigeeniä – eli noin 150-kertaisen määrän kuin mitä ihmisellä on geenejä. Geeneistä 99 prosenttia kuului bakteereille. Tutkijat arvioivat, että tutkimuskohortin suolistossa eli reilut tuhat eri bakteerilajia ja jokaisen koehenkilön suolessa vähintään 160 eri lajia.

Sittemmin geenejä ja bakteerilajeja on tunnistettu lisää. Ihmissuolistossa elää noin kymmenkertainen määrä bakteeriyksilöitä kuin mitä elimistössä on omia soluja.

Aikuistyypin diabetes, metabolinen oireyhtyhmä ja astma 

De Vos on tutkimuksissaan huomannut, että ihminen elää yhteistyössä bakteereidensa kanssa ja että suoliston mikrobiomilla on suuri vaikutus ihmisen terveyteen. Esimerkiksi aikuistyypin diabeteksessa, metabolisessa oireyhtymässä ja astmassa on havaittu tiettyjen mikrobien olevan kytköksissä sairastumisalttiuteen.

Joidenkin suolistobakteereiden tuottamat molekyylit ovat samoja, joita ihmiselimistö käyttää viestiaineina, ja siksi ne sotkevat elimistön normaalin sokeriaineenvaihdunnan ja insuliinisignaloinnin. Samoin joidenkin bakteerien sisältämät myrkyt, etupäässä LPS eli lipopolysakkaridi, aiheuttaa turvotusta monessa paikassa ihmiselimistöä, myös rasvasoluissa.

Vuonna 2012 de Vos kollegoineen osoitti, että metabolisesta oireyhtymästä kärsivien miesten insuliiniherkkyys kasvoi, kun he saivat terveiltä koehenkilöiltä bakteereita suolistoonsa.

Ulosteensiirto vaihtoehto antibiootille

Vuonna 2013 de Vos kollegoineen osoitti, että pahasta Clostridium difficile -ripulista kärsivä ihminen voidaan niin ikään parantaa ulosteensiirrolla, eli siirtämällä hänen paksusuoleensa tervesuolistoisen ihmisen ulostetta. Löydös oli merkittävä, koska Clostridium difficile on pitkälti antibioottiresistentti.

De Vos on useissa tutkimuksissa havainnut antibiootit haitallisiksi, koska ne tappavat ihmisen kannalta hyödyllisiä suolistobakteereita ja häiritsevät lasten suoliston mikrobiston kehitystä. Antibiooteissa on havaittu myös eroja: toiset ovat mikrobiomille suurempaa myrkkyä kuin toiset.

Ennen siirtymistään suolistomikrobeihin vuosituhannen vaihtessa de Vos ehätti muun muassa tutkia, kuinka bakteerit kommunikoivat keskenään peptidien avulla. Tärkein peptidiviesti on se, onko sama lajin bakteereita lähiympäristössä vähän vai paljon, koska bakteerien strategiat patogeeneja ja immuunipuolustusta vastaan vaihtelevat sen mukaan, ovatko ne yksin tai ryhmässä.

1980-luvulla Hollannin talouskriisin aikaan Vos siirtyi välillä elintarviketeollisuuden palvelukseen tutkimaan maitohappobakteereita ja kehitti samalla jogurtteja ja juustoja maukkaammiksi.

Ennen siirtymistään Helsinkiin vuonna 2007 de Vos oli jo tehnyt maineikkaan uran Hollannissa. Hän on muun muassa työskennellyt Wageningenin yliopiston bakteerigenetiikan ja mikrobiologian professorina, Biomolekyylitieteiden laitoksen johtajana sekä Elintarviketieteiden keskuksen huippuyksikön ohjelmajohtajana ja kansainvälisen liiketoiminnan johtajana.

De Vosilla on edelleen sivuvirka myös Wageningenin yliopistossa, jossa hän käy säännöllisesti seuraamassa, kuinka hänen vanhojen tutkimushankkeidensa jatkot ja rönsyt jaksavat.

Hollannissa ja Suomessa de Vos on ohjannut yhteensä yli sataa väitöskirjantekijää.

1980-luvulla de Vos pelasi maahockeyta Hollannin korkeimmalla sarjatasolla hyökkääjänä. Hän jatkoi pelaamista veteraaniliigoissa aina 40-vuotiaaksi asti.

Willem de Vos: Julkaisut, projektit, aktiviteetit

Akateemikko Ilkka Hanski (1953-2016) on maailman arvostetuimpia ekologeja ja evoluutiobiologeja. Akatemiaprofessori ja Helsingin yliopiston metapopulaatiobiologian huippuyksikön johtaja Hanski työskenteli Helsingin yliopistossa vuodesta 1980.

Hanski väitteli Oxfordin yliopistossa eläintieteestä vuonna 1979. Maailmanmaineeseen Ilkka Hanski nousi 1990-luvulla täpläverkkoperhospopulaatioihin kohdistuneilla tutkimuksillaan. Hanski ryhmineen käytti täpläverkkoperhosen verkostomaista populaatiota eli metapopulaatiota Ahvenanmaalla mallisysteeminä, jonka avulla he tutkivat, miten lajit selviävät ja kenties kehittyvät pirstoutuneessa elinympäristössä.  

Viimeisinä vuosinaan Hanski selvitti allergiatutkijoiden kanssa sitä, millainen merkitys ihmisen vuorovaikutuksella luontoympäristön kanssa on allergioiden ja muiden tulehdusperäisten sairauksien esiintymiseen.

Tieteellisen työnsä lisäksi Hanski on kirjoittanut lukuisia yleistajuisia tietokirjoja luonnon monimuotoisuudesta. Hanski koki tiedon välittämisen suurelle yleisölle tärkeäksi, sillä vain siten tieto saattoi vaikuttaa asenneilmapiiriin ja poliittiseen päätöksentekoon.

Urallaan Hanski sai lukuisia kansainvälisiä palkintoja ja tunnustuksia. Merkittävin niistä on Ruotsin kuninkaallisen tiedeakatemian vuonna 2011 myöntämä Crafoord-palkinto, joka jaetaan Nobelin palkintoalojen ulkopuolelle jäävien tutkimusalojen edustajille.

Hanski kutsuttiin myös jäseneksi maailman merkittävimpiin tiedeseuroihin kuten Yhdysvaltain tiedeakatemiaan sekä brittiläiseen Royal Societyyn, johon  edellisen kerran sai suomalainen kutsun vuonna 1741.

Academician Ilkka Hanski's farewell lecture: A Brief Biodiversity Tour

Akatemiaprofessori Juha Merilää (*1965) siteerataan paljon eritoten katsausartikkeleista, joissa hän analysoi, onko ilmastonmuutos aiheuttanut evoluutiota.

Varsinkin takavuosina ajateltiin, että ilmastonmuutoksen aikaansaamat muutokset populaatioissa, kuten yksilöiden pieneneminen, ovat evolutiiviisia sopeumia ilmastonmuutokseen.

Geneettisissä analyyseissaan Merilä kuitenkin on huomannut, että useimmiten näin ei ole. Populaatiot ovat reagoineet ympäristönmuutoksiin ilmiasullaan mutta niiden geneettiset ominaisuudet eivät ole merkittävästi vaihtuneet.

Havainto oli uusi, koska perinteisesti ekologit ja geneetikot ovat olleet kaksi eri porukkaa. Merilä taas on ensimmäisten joukossa tuonut geneettisiä menetelmiä sen tutkimukseen, miten populaatiot sopeutuvat muuttuviin olosuhteisiin ja miten uusia lajeja syntyy.

Merilä on tehnyt ympäri maapalloa paljon tapaustutkimuksia eri selkärankaislajien sopeutumisesta ympäristöönsä. Niissä hän on tutkinut, onko muutos geenien vai ympäristön määräämää. Noin neljääkymmentä näistä katsaus- ja tapaustutkimuksista on siteerattu yli sata kertaa.

Esimerkiksi Uuden-Seelannin hopealokkien ruumiinkoon pieneneminen olisi perinteisesti selitetty sopeumaksi ilmaston lämpenemiseen, mutta Merilän ryhmän tekemät geneettiset analyysit paljastivat, että muutos ei ollut geneettinen. Luultavasti hopealokit ovat pienentyneet, koska meriekosysteemi on alkanut tuottaa kehnommin ravintoa.

Merilä on myös kyseenalaistanut teorian kalastuksen aiheuttamasta "geneettisestä kääpiöitymisestä" eli että valikoiva kalastus automaattisesti tuottaisi geneettisesti pienempiä ja nopeammin sukukypsyyden saavuttavia kaloja. Teoria on looginen, mutta vaihtoehtoisten selitysten poissulkemista vaikeuttaa geneettisten näyttöjen puute. 

Merilän suurta siteerausmäärää selittää osaltaan se, että hänen löydöksensä kiinnostavat niin ilmastonmuutoksen, ekologian kuin genetiikankin tutkijoita.

Merilä väitteli eläinekologiasta Uppsalan yliopistossa vuonna 1996 ja työskenteli siellä apulaisprofessorina, kunnes sai vuonna 2001 populaatiogenetiikan professuurin Helsingin yliopistosta. Vapaa-ajallaan hän pelailee squashia klubitasolla ja onkii lohia.

Tutkija Juha Merilä

Kasvibiologian professorin Jaakko Kangasjärven (*1960) ura on kiertynyt ROS-yhdisteiden eli reaktiivisten happilajien, kuten happiradikaalien ja vetyperoksidin, ympärille. Kangasjärvi esitti ensimmäisten joukossa, että ROS-yhdisteistä on kasvisoluille myös hyötyä, viestinvälittäjinä. Hän on maailman kasvi- ja eläintieteilijöiden viitatuimmuusrankingissa sijalla 13.

Perinteisesti ROS-yhdisteiden on ajateltu olevan soluille pelkästään haitallisia, energiantuotannon ikäviä sivutuotteita, jotka solun pitää neutraloida antioksidanttiensa avulla.

Uransa alussa 1990-luvulla Kangasjärven ryhmä tutki otsonin haitallisuutta kasveille. Koivunlehdet rupeavat kuolemaan, kun ilmassa on korkeita otsonipitoisuuksia. Vaurion ajateltiin olevan luonteeltaan fysikaalinen.

Todellisuus osoittautui monimutkaisemmaksi. Kangasjärvi havaitsi, että otsonin hajoamisesta syntyneet ROS-yhdisteet laukaisivat kasvisoluissa itsemurhakoneiston. Kasvisolu tulkitsee ROS-yhdisteen viestiksi siitä, että lähellä on patogeenejä. Yksi patogeenipuolustuksen muoto on se, että solu tappaa itsensä, jotta patogeeni ei pääse leviämään.

Otsonivaurion muodostuminen vaatii siis geenien toimintaa ja metaboliaa – ja ROS-yhdisteet toteuttavat tässä viestifunktiota. Löydöksen jälkeen Kangasjärvi on keskittynyt tutkimaan ROS-yhdisteiden monenlaisia viestitehtäviä ja mekanismeja hyödyntäen kasvibiologian mallikasvia lituruohoa.

Kun kasvit altistetaan patogeenisille mikrobeille, ne alkavat itse tuottaa ROS-yhdisteitä viestiksi, että nyt tarvitaan toimintaa. Samoin kun pitkään hämärässä olleet kasvit altistetaan voimakkaalle valolle, ne alkavat tuottaa ROS-yhdisteitä, minkä jälkeen kasvi sopeutuu nopeasti uusiin olosuhteisiin.

Urallaan Kangasjärvi on tehnyt myös paljon genomisekvensointia, esimerkiksi jättipoppelilla, lituruoholla ja rauduskoivulla. Vaikka Kangasjärvi tutkii geenejä ja molekyylibiologiaa, hänen työssään on sikäli evoluutiobiologinen vire, että hän pyrkii miettimään, mitä konkreettista hyötyä geenifunktioista on kasvien hetkelliselle sopeutumiselle ympäröiviin olosuhteisiin.

Tutkija Jakko Kangasjärvi

ROS-Signaling Group

Plant Stress Research