Kap. 11. Opprinnelsen til livet: Vitenskapsfolk kaster terning


(oversatt fra 'Should Christians embrace evolution', kap. 11 av John C. Walton)


I verden er ikke-levende objekter som steiner, fjell, skyer og atmosfære klart atskilte fra levende organismer som dyr, fugler, fisk og mikro-organismer, selv om de to domenene er i konstant samhandling. Den ekstreme diversiteten i den levende sfære er meget iøynefallende, fra mammuttrær som kan leve i årtusener, til E-coli bakterien som bare lever i 5 minutter før den deler seg.
Nysgjerrighet om hvordan livet ble til, er så gammel som historien. Nåværende populær-scenarier av kjemiske-evolusjon hevder at ikke-levende mineraler var bakteppe for og ga opphav til biologisk samhandling, i en langtrukket steg-for-steg prosess. På den annen side bekrefter det kreasjonistisk/intervensjonalistiske verdenssyn at ikke-levende materie ble spesifikt innstilt for å støtte levende organismer, som også ble planlagt og ferdigstilt av Gud. Det er begrepsmessige og fysiske bevis for disse to synene vi vil evaluere i dette kapitlet.


Det er vidt erkjent at de prinsipielle trekkene som kjennetegner levende organismer, er organisering, stoffskifte, tilpasning, respons på stimuli og spesielt reproduksjon. Virus, som er intrikate sammenstillinger av proteiner og DNA, er ekskludert av disse kriteriene, noe som gjør at encellede organismer -som mangler kjerne, lik bakterier og archaea, til de enkleste livsformer.
For å forklare opphavet til nye organismer i biologisk sfære, apellerer biologer regelmessig til neo-darwinistiske mekanismer. Men neo-darwinistisk seleksjon avhenger av tidligere eksistens av selv-replikerende organismer. Varianter produseres ved mutasjoner, så sikrer naturlig seleksjon at de best tilpassede overlever. I formuleringen til evolusjonisten Theodosius Dobzhansky (1), så er 'prebiologisk naturlig seleksjon et selvmotsigende begrep'. Dermed trengs det noen ganske andre forklaringer for å gjøre rede for livets opprinnelse.

Bilde 1. Skjematisk flagell-struktur


Minste selvstendige levende organisme


Oppdagelser i løpet av siste århundre har vist at encellede organismer langt fra er enkle. Deres komplekse (lipopolysakkaride) membraner er utstyrt med diverse spesialiserte proteiner, og inneholder et system av sofistikerte organeller, inklusive ribosomer, plasmider etc. sammen med informasjonsrik DNA i kjernen. Hver slik organell er sammensatt av mange spesialiserte proteiner, som er organisert lik maskiner i en fabrikk. I mange forekomster er bakterie-mobilitet gjort mulig ved hjelp av forbløffende nano-molekylære maskiner (flageller), som er oppbygd av ca. 20 proteiner og er avhengig av ca. 30 andre proteiner for regulering og konstruksjon.(2) Det pågår et 'minimalt genom prosjekt' ved J.Craig Venter Institute for å finne minimalt antall gener som kan opprettholde livet. (3)


Minste nåværende kjente bakterie er Carsonella ruddii som lever i symbiotisk forbindelse med plantesaft-ernærende insekter (psyllids) (4) Genomet til Carsonella ruddii inneholder ca. 160.000 basepar (av nukleotider). Denne arten er avhengig av verten sin for 'lån av' mange enzymer. Den minste kjente fri-levende organisme er Mycoplasma genitalium, som har et genom på 582.970 basepar, og ca. 480 proteiner. Den organiserte kompleksiteten stiller anstrengelsene med å finne rent naturalistiske forklaringer på livets opprinnelse i relieff. (Hva angår laboratorie-eksperimenter, kommer vi tilbake til dem)


Informasjon og genetisk kode


Cellens stoffskifte og reproduksjon avhenger av samarbeid mellom proteiner og aminosyrer. Proteiner (også enzymer) er store molekyler, som er bygd opp av mange aminosyrer -ut av ett sett på 20 stk. De kan betraktes som beskjeder, skrevet i et alfabet på 20 bokstaver, og lineært linket sammen i kjeder, f.eks: Gly, Phe-Ala-His-Met-Lys. Proteiner foldes sammen tre-dimensjonale former, bestemt ut fra rekkefølgen aminosyrene er lenket sammen på. Det er denne eksakte formen som setter et protein i stand til å utføre sine spesifikke oppgaver i cellen, slik som å katalysere en reaksjon eller virke som en strukturell enhet.


DNA molekyler er også lange kjeder, laget av et sett på fire ulike nukleotider (A,T,C og G), som linkes sammen i en lineær sekvens, eks: A-C-T-G-G-.. I levende organismer er to komplementære DNA-kjeder sammenholdt av hydrogenbånd, og de tvinner seg sammen til lange regioner av den kjente doble-vindeltrapp strukturen. Den eksakte rekkefølgen av nukleotider bestemmer informasjonen fraktet av et bestemt DNA-element. DNA kan betraktes som ett minnelager, som instruerer cellen hvordan den skal bygge sitt karakteristiske sett av proteiner. I alle levende celler, er proteiner og aminosyre relatert til hverandre gjennom genetisk kode.
Selv i de enkleste celler finner prosessen med å lage proteiner sted i to etapper. Først er det avskrivning, som krever at ett intrikat tilpasset sett av enzymer og RNA kopierer informasjon fra DNA. (5) I det andre oversettelsessteget, blir denne informasjonen transportert til ett kompleks av RNA og proteiner, kjent som en ribosom, hvor ett annet sett av enzymer gjenkjenner informasjonen og benytter den til å bygge en spesifikk protein-kjede. Til sammen trengs det over ett hundre spesielle proteiner bare for avskrivning og oversetting. (6) Interavhengighet mellom DNA og proteiner er bemerkelsesverdig. Kodet informasjon i genomets DNA er unyttig uten protein-basert oversettelses maskineri, for å omdanne det til celle-komponenter. Men instruksjonene for produksjon av dette oversettelsesmaskineriet, er selv kodet på genomets DNA. (bilde 3 avhengige)

Bilde 2. Base-struktur (A,G, U, D, T)


Opprinnelsen til et slikt system presenterer ett kjent paradoks: 'hvem kom først: kyllingen eller egget?'. DNA informasjon trengs for å bygge protein-maskineriet, men bare ett spesifikke protein-maskineri kan lese instruksjonene. Dette opplegget utbasunerer design så høyt som noen bevis kan. Den enkleste konklusjonen, i tråd med Ockhams lov om enkelhet, må være at de to sett av bio-molekyler ble konstruert og tilvirket, klar for samhandling med hverandre. Da kompleksiteten i mekanismen som DNA samvirker med proteiner, ble kjent, ble det åpenbart at en gradvis teori til å gjøre rede for opphavet til et slikt kodet system, ville være ekstremt problematisk.

Bilde 3. Hvem kom først!

Kunne den første organismen ha formet seg tilfeldig ved at aminosyrer kombinerte seg kjemisk?

Før den første levende organisme, ville det ikke være noe {egenprodusert -oversetters innskudd} DNA med rett informasjon å kopiere, og ikke noe enzym-basert oversettelsesmaskineri. Kan bevisstløs natur selv forsyne den store mengde informasjon nødvendig for å bygge en reproduktiv enhet? La oss 'ad absurdum' anta at det i en 'ursuppe' fantes aminosyrer og nukleotider. (7) Disse formodes så å koble seg sammen for å produsere protein-sekvenser og nukleotid-sekvenser, ut fra tilfeldige kjemiske sammensetninger, uten noen mal å kopiere etter. Det som trengs er nøyaktig rett DNA (RNA) sekvens, til å starte replikasjon, og/eller bare den rette sekvens av aminosyrer i ett enzym til å katalysere replikasjonen.

For å starte i det små: ett sett på 3 aminosyrer kan koble seg tilfeldig sammen på 6 ulike måter. For 4 aminosyrer, er det 24 måter det kan skje på. For fem så stiger antall ulike kombinasjonsmåter til 120 ('5!=1*2*3*4*5'). Tilfeldig sammenkobling ville gi hvilke som helst av disse, og det ville bare være én av disse kjedene som har nødvendig biologisk aktivitet. For at ett protein skal utføre en nyttig funksjon i ei celle, må den være i stand til å folde seg til en spesifikk 3-dimensjonal fasong. Det trengs ett minimum av omkring 100 aminosyrer for at funksjonelle former skal oppstå ut fra folding. Antall mulige sekvenser øker eksponentielt ettersom antallet øker. Statistiske beregninger (8) har vist at antall mulige proteinkjeder, som inneholder 100 aminosyrer, utvalgt fra settet på 20, er ekstremt høyt: størrelsesorden( 10 opphøyd i 130). Det følger at sjansen for at en spesiell funksjonell fasong skal bli til er forbløffende lavt ( 1 til ). I virkeligheten har aminosyrer reaktive sidereaksjoner, som ikke vil gi protein-kjeder, i halvparten av tilfellene. Dermed avtar sannsynligheten med en faktor på (1-er desimal på plass 30 etter komma). Rent kjemiske prosesser produserer også like mengder av venstre- og høyre-hendte aminosyrer, unntatt glysin). Men funksjonelle proteiner inneholder bare venstre-hendte former. Sjansen for at en spesiell funksjonell protein-sekvens, skal dannes tilfeldig, må dermed multipliseres med ytterligere en faktor på . Total sannsynlighet for at en spesiell 100 aminosyre-sekvens skal dannes tilfeldig, blir dermed: 1 til **=(1 til 10 opphøyd i 190 -sml. Bilde 4).

Bilde 4. Faretruende nær, eller over det statistisk sett umulige

Dette håpløst urealistiske scenariet påvirkes til en viss grad av at enzymer tolererer en god del aminosyre-substitusjoner, uten at aktiviteten forsvinner. Det har vært gjort eksperimenter for å finne ut hvor mye sannsynligheten for tilfeldig sammensetning påvirkes av substitusjoner, som ikke ødelegger funksjonaliteten. (9). Om en tar hensyn til dette, ved én metode, vil sannsynligheten likevel bli mikroskopisk liten: 1til (10 opphøyd i 63). For en litt lenger kjede av aminosyrer, gir en annen metode et estimat på 1 til . I en ursuppe' sammenheng, ville dermed totalsannsynligheten for at liv skulle formes tilfeldig i form av 100 aminosyrer {-ser bort fra komplekse forhold som fungerende membran etc-oversetters merknad} bli 1 til **=; altså 1: . I tilfellet 150 aminosyrer ville det være 1 til **=; altså 1: . Til sammenligning er sannsynligheten for å finne ett bestemt atom i hele det observerbare univers, 'bare' 1: .

Ressursene av tid og materie som var tilgjengelig i en prebiotisk suppe, ville være helt ufullstendig for at en tilfeldig sammensetningsprosess, skulle komme opp med ett fungerende protein. Antall proteiner som kunne rommes i ett havlag på 1 meter, rundt kloden, ville være anslagsvis . Og antallet som kunne rommes i en 1-millimolar 'ursuppe' ville være ca for alle verdens hav. Disse tallene er over mindre enn det som kreves. Det følger at sjansen for at et fungerende protein skulle dannes tilfeldig på jorda, selv om tilfeldig dannelse av aminosyrer hadde funnet sted i høyest mulig hastighet i en periode på 1 milliard år, hadde vært neglisjerbart liten (10). Faktisk er det vist at om universets samlede ressurser hadde vært opptatt med å lage proteiner i høyest mulig hastighet siden det formentlige Big Bang, så ville sannsynligheten for dannelse av endog ett protein, være neglisjerbar. G. Schroeder sammenlignet en streng aminosyrer i et protein med en streng på 488 bokstaver i ett vers. Han uttrykte samme poeng slik: ".. Om du tok hele universet og omgjorde til computer-chips, der hver veier en millionte-dels gram, og satte hver computer til å spy ut 488 forsøk i 1 million ganger i sekundet, så ville antall forsøk du ville få siden universets start 'bare' være . Du ville aldri få et dikt (på 488 bokstaver) ved tilfeldighet, universet måtte være . {Kanskje det er derfor St. Hawking postulerer eksistensen av multivers i ett antall av størrelsesorden -i et forgjeves forsøk på å imøtekomme en umulighet? -oversetters merknad.}

Som indikert ovenfor vil selv den enkleste mikro-organisme trenge et stort antall slike bio-molekyler (480 proteiner i minste nåværende kjente organisme i naturen). Det er dermed i realiteten sikkert at livet ikke oppsto ved tilfeldige kjemiske reaksjoner i en prebiotisk suppe. Faktisk er ikke denne konklusjonen kontroversiell. Alle aktverdige vitenskapsfolk som har studert problemet, uansett ideologi, er av samme syn. Det er uheldig at populære tekster om livets opprinnelse ikke nevner slike odds (11). Dessverre fortsetter populærbøker og magasiner å tillitsfullt proklamere at livet startet ved tilfeldighet med kjemiske prosesser i en ursuppe.

 

Mer om livets opprinnelse her og her.

 

Kilder:

1. T. Dobzhansky i S.W.Fox (red), The Origins of Prebiological Systems and Their Molecular Matrices (New York: Academic Press, 1965), s.310

2. S.Bardy, S. Ng og K.Jarell, 'Prokaryotic Motility Structures', Microbiology 149 (2003), ss.205-304

3. J.I. Glass et al, "Essential Genes of a Minimal bacterium', Proceedings of the national Academy of Sciences 103 (2006), ss.425-430

4. M.L. Thao, 'Cospectation of Psyllids and Their Primary prokaryotic Endosymbionts', Applied and Environmental Microbiology 66 (2000), ss.2898-2905

5. RNA er lik DNA bortsett fra at sukkeret er ribose i stedet for deoxyribose, og Uracil erstatter Thymin som en av basene.

6. For en detaljert beskrivelse av gen-uttrykkings prosessen, se f.eks. D.Voet og J.G.Voet, Biochemistry (New York: Wiley, 1995), ss.830-1065

7. Begrepet 'ursuppe' er fylt av problemer og er meget usannsynlig {som forklaringsfaktor- oversetters merknad}. For at aminosyrer skulle dannes, måtte den tidlige atmosfæren ha vært uten oksygen, men det erlite sannsynlig siden oksygen er den vanligste gassen i jordskorpen, og er overveldende tilstede i hydrossfæren. Komponenter i 'ursuppen' ville da reagere med hverandre, og ville blit utsatt for ødeleggende prosesser. Ikke en enkelt nukleotide, langt fra en RNA-kjede, har blitt til under TROVERDIGE prebiotiske forhold. Geologisk bevis på en tidligste ursuppe mangler fullstendig i tidlige prekambriske bergarter, som har bemerkelsesverdig lite av organiske og nitrogenforbindelser. For mer detaljert diskusjon, se f.eks. C.B.Thaxton et al, The Mystery of Lifes Origin: Reassesseing Current Theories (New York: Philosophical Library, 1984) kap.4, s42. R.Shaphiro, Origins: A Sceptics Guide to the Creation of Life on Earth (New York :Bantam, 1986).

8. M.Eigen, 'Self Organisation of Matter and the Evolution of Biological Macromolecules', Die Naturwissenschaften 58 (1971), s.465; H.P.Yockey, 'A Calculation of the Probability of Spontaneous Biogenesis by Information Theory', Journal of Theoretical biology 67 (1977), ss.377-298; Self Organisation of Life Scenarios and Information Theory', Journal of Theoretical biolgoy 91, (1981), ss.13-31

9. J.F. Reidhaar-Olson og R.T.Sauer, 'Functionally Acceptable Substitutions in Two alfa-helical Regions of delta-Repressor', Proteins: Structure, Function and Genetics 7 (1990), ss306-316; D.D.Axe, 'estimating the Prevalence of Protein Sequences Adopting Functional Enzyme Folds', Journal of Molecular biology 341 (2004), ss.1295-1315

10. Oppdagelsen av tidlige pre-kambriske stromatolitt-fossiler i Siyeh Formation, Glacier National Park, og i Bulawayan Group, Zimbabwe, og ulike biologiske molekyler i tidligste steiner, peker mot mye mindre tid tilgjengelig enn 1 milliard år.

11. Standard verk som G. Zubay, Origins of Life on Earh and in the Cosmos (San Diego Academic Press, 2000); D.W. Deamer og G.R.Fleischakler, Origin of Life The Central Concepts (Boston: Jones & Bartlett, 1994) nevner ikke slike odds og tar ikke for seg opprinnelsen til informasjon.

Oversatt og lagt til rette for .htm-format ved Asbjørn E. Lund