Cellen og dens atomer (Kap. 1-3)
- oversatt fra 'The Miracle of the Cell' av Michael Denton.

Bilde: Hvitt blodlegeme jakter bakterie


Når en hvit blodcelle i et menneske jakter en bakterie, er den usynlig for vanlig syn. Hundre av dem kunne få plass på en 1mm. Det foregår et drama som kan sammenlignes med en gepard som jakter på en gaselle på savannen. Det gjør ikke undringen mindre å vite at denne evnen må stamme fra den atomære kompleksiteten innenfor cellen. En celle består av billioner av atomer, med en kompleksitet tilvarende en jumbojet, pakket inn i et volum som tilsvarer en milliontedel av den et sandkorn har. I tillegg kan den underfulle enheten multiplisere seg selv. Den kan sammenlignes med en evighetsmaskin, med tilsynelatende magiske krefter. Stadig avdekking av mer intrikate strukturer og systemer de siste tiårene, inkl. komplekse DNA-topologier og mini-RNA regulator molekyler, forteller at det sannsynligvis er stadig mer å avdekke. Se kort video her.


Erica Hayden innrømmet i 'Nature': "I det sekvensering og andre nye teknologier spyr frem data," har kompleksiteten i celle-biologi syntes å vokse med flere størrelsesordener. Å dykke ned i det har vært som å zoome inn i et Mandelbrot sett, som viser stadig mer intrikate mønstre (se lenkas video). Hvor kosmos synes utrolig svært, og den atomære virkelighet uhyggelig liten, synes cellen umåtelig kompleks. I tillegg synes den også overordentlig godt tilpasset sin rolle som basisenhet i biologisk liv. Til tross for diverse ulike celleformer, så er de bygd på samme kanoniske design -en befruktet eggcelle.


Celler innehar interne klokker. De kan sanse elektriske og magnetiske felt og kommunisere via kjemiske og elektriske signaler. Noen kan innkapsle seg i rustningslignende deksler. Noen har endog evne til å fokusere et bilde av en annen region av cytoplasmaet og andre kan rekonstruere seg selv fra små biter, kuttet av cellen. Og alle kan replikere seg selv, noe som overstiger enhver menneskelig oppfunnet maskin. Noen av de enkleste cellene produserte i løpet av de siste 3 milliarder år, oksygen via fotosyntesen, noe som kom alle høyere livsformer til gode. Noen, lik Herbert Spencer Jennings, betrakter celler som autonome, følsomme og oppfinnsomme..


Likevel er det noe enda mindre, men like fullt, på forhånd tilpasset og foreskrevet, -i den atomære oppbygning av cellene, som vi skal se på. Michael Denton som jeg henter dette fra, kaller i begynnelsen av 'The Miracle of the Cell' dette for 'Det unike fitness paradigmet'. I det 19. århundre ble det klart at de kjemiske komponentene i levende organismer, besto av naturlige sammensetninger, men også at karbon (C) atomet, i sammensetning med hydrogen (H), oksygen (O) og nitrogen (N), innehadde en spesiell kjemisk evne for ansamlinger av ulike og komplekse organiske sammensetninger. Det var i denne sammensetningen de ble betraktet som organiske, likesom sammensetninger av andre elementer har sine egne spesielle karakteristikker. (14) Det var de unike og oppdukkende, naturlige kjemiske og fysiske egenskaper ved visse atomer i den periodeiske tabellen:- særlig karbonatomet (C) i kombinasjon med H, O og N som kom i fokus.


Den bakenforliggende årsak til at disse atomene passer som 'hånd i hanske' til hverandre, kommer jeg ikke så mye inn på her. Vi kan vel være enige om at dersom det ikke hadde vært slik, ville det ikke vært noe liv som hadde undret seg over hvordan det forholdt seg. Men tenk et øyeblikk om det kunne være slik at en forutseende intelligens, med hensikt hadde gjort det slik, så er ikke det noen selvfølge! Det ender opp i en tro, enten at en bevissthet (mind) var den første, eller at materie (matter) var det. Vi skal se at det ender opp med at det krevers større tro å hevde at det var materie! Hittil har jeg vært tvilende til at svirrende atomer i lovbestemt bevegelse, eller mer eller mindre uforutsigbare kollisjoner, gir noe grunnlag for fornuft eller vitenskap. Men både undring over hva materie er -lenke, og undring over måten de er satt sammen på -se under, gjør at atomer i seg selv, kan gi grunn til undring over deres oppbygning. Men derfra og til at de er alt som finnes, ligger et stort filosofisk svelg, som vitenskapen ikke kan besvare.


Av alle elementer, står C alene i sin evne til å forme en stor mengde organiske sammensetninger. Antall kjente C-sammensetninger er nå estimert til å være nærmere ti millioner, større enn totalt antall sammensetninger av alle ikke-karbon sammensetninger til sammen. C-sammensetninger alene spenner fra de hardeste (diamant) til de mykeste (grafitti). Men i forhold til sammensetninger med andre stoffer, blir det et lite antall: C og H former universet av HydroCarboner -Bilde til venstre. Formen på disse varierer fra lange kjede-lignende (pentan/butan), til ring-aktige formasjoner (benzen). Om en kombinerer C med både H og O, åpnes et nytt univers av sammensetninger, inkl. etanol, propanol etc. Disse er også ansvarlige for sukkerartene, inkl. glukose og fruktose. I tillegg kommer sammensetninger som cellulose, bivoks, edikk etc.


Tar en med N, får en med livets byggestener, aminosyrene og nitrogenbaser. Kombinasjoner av disse kan finnes i uike stoff som DNA, antibiotika, koffein og eksplosiver. Forundringen tiltar når en vet at de samme 3-4 atomene bygger opp planter og dyr. Nesten hele vår organisme er bygd opp av disse 3-4 elementene, noe som er udiskutabelt bevist. (20) DNA-heliksen er 20 Ångstrøm i diameter, en komplett omdreining på spiralen er 34 Ångstrøm og mellom trinnene av nukleotider er det 3,4 Ångstrøm. Se bilde til høyre.


Karbon som kongen av elementene, er et relativt ikke-reaktiv stoff (21), men det har en kjemisk 'fruktbarhet', som setter det i en egen kategori. Uten de unike egenskapene til denne konge blant atomer, ville det ikke være noe organisk mangfold til å tilfredsstille det komplekse, metabolske behovene til cellen. Antagelig ville det ikke vært noe kjemisk liv i universet. Spesielt om en tar mangelen på fosfor som foreligger mange steder i universet -her. Carbon kan danne triple bindinger med seg selv, til å danne kjeder av atomer (C-C-C..) av nesten ubegrensede lengder. Mer enn noe annet er det stabiliteten til C-C bånd som tillater organiske forbindelser å vokse nesten ubegrenset i lengde og sammensetninger. Det er ikke noe uvanlig for et organisk molekyl å inneholde en million atomer (Asimov; 25). Store molekyler, noe i nærheten av proteiner er ukjent, utenfor området til organisk kjemi.


C har også egenskapen at det kan danne bindinger hvor 4 elektroner deles med andre atomer, inkl. seg selv. C har en relativt liten atomradius, som innebærer relativt korte bånd-avstander og således relativt sterk. Styrken av båndene til C med andre elementer og tilhørende energinivå, er akkurat det som trengs å være -Rett styrke. Sterke kovalente bånd er retningsbestemt og romlig begrenset, ved eksistensen av andre bånd i molekylet. Disse båndene er ca. 10 ganger sterkere enn svake bånd. Energien i molekylære kollisjoner svekker kjemiske bånd og spesifikke bevegelser i et enzym molekyl som stresser et bånd i et spesielt substrat molekyl, minker energinivået i båndet, noe som gjør båndet svakere og lettere å bryte (30). Om organiske bånd var mye sterkere, ville dermed kontrollerte kjemiske reaksjoner bli mye begrenset og molekylære kollisjoner i aktuelt temperatur-område ville bare sjelden føre til at bånd ble brutt. Om, på den annen side, organiske bånd var mye svakere i aktuelt temperaturområde, ville forstyrrelser via molekylære kollisjoner dominere, og ingen kontrollert kjemi ville være mulig.

Den andre type av bindinger, ioniske, er også sterke, men de er ikke retnings og romlig begrenset, annet enn at de holder samme avstand mellom positivt og negativt ladet partikkel hele tiden (eks. mellom Na+ og Cl-). Det som binder sammen to deler av et stort makromolekyl, som mellom de to delene av den doble heliksen, kalles svake bindinger. De er ca. 10-delen så svake som sterke bindinger og kan lett bli brutt og er reversible. Dette forklarer hvordan enzymer kan fungere så kjapt, noen ganger så ofte som en million ganger pr. sekund.

For den tidligere egnethet (fitness) i naturen til karbon-basert liv, så er det et livsnødvendig faktum at den 'Gullhårs-sonen' som eksisterer, representerer et uforholdsmessig lite spekter i den store spredning av energinivåer i kosmos. F.eks. er gravitasjon minst 10^36 ganger svakere enn den sterke kjernekraften (34). Denne stabiliteten gjelder ikke i temperaturer som vesentlig overstiger temperatur-nivået på jorda (eks. over 300 grader Celsius). C synes å kombinere stabilitet og instabilitet ved høyere temperaturer, noe som kreves med diverse kjemiske aktiviteter. I tillegg varierer ikke energinivåene i C-bindinger mye fra et molekyl til ett annet. Ikke noe annet atom er lik det (39 K. W. Plaxco og M. Gross; Astrobiologi). På den annen side blir den livsvennlige temperatur for C-forbindelser begrenset til et smalt område. Den øvre temperaturgrense for livet, er ikke mye over 100 grader. Aminosyren alanin har en halveringstid på 10 år ved 150 grader C, mot 3 milliarder år ved 25 grader C(elsius), uten at det er spesielt.
Halveringstiden til mange nøkkelkomponenter i livet, som aminosyrer og energimolekylet ATP benyttet i energi-metabolisme, hadde halveringstider i størrelseorden av minutter eller sekunder ved 250 grader Celsius. Imidlertid er det funnet at noen organismer kan fungere ved temperaturer så lavt som -20 gader C(elsius). Et slikt temperaturspekter utgjør imidlertid bare et infitesimalt lite område i variasjonsområdet for universets temperaturer.

Oppsummering for C: Multippel egnethet.
1. C danner stabile bånd med seg selv.
2. Det danner opp til fire bånd (tetravalent).
3. Det danner multiple bånd med seg selv og andre atomer.
4. Energinivåene for C-bånd er nøyaktig rette for biokjemisk-manipulering i aktuelt temperaturområde (metastabilt).
5. Energibåndene det danner med andre ikke-metall partnere i organiske sammenstillinger, er av lignende energinivå.
6. Meta-stabiliteten til C er i samme temperaturområde som vann er flytende.

At C-atomet er spesielt egnet for livets kjemi, er ikke synet til en esoterisk minoritet av forskere. Den makeløse egnetheten ved C til å bygge et univers av diverse kjemikalier og fantastisk komplekse makromolekyler, som proteiner og DNA, har blitt gjenkjent av majoriteten av forskere.
Det viser seg imidlertid, mer enn halvannet århundre etter Origin of Species, har vitenskapelig forskning vist at egnetheten i naturen for livet på jorden, som er eksemplifisert så vidunderlig i det omtalte C-atomet, uimotståelig peker i retning av hensikt og design.
Den unike retningsbestemte naturen ved C-bånd spiller en vital rolle i sammensetning av makromolekyler til definerte 3D-former.

Det viste seg at atom-bestanddelene til komplekse makromolekyler i cellen kunne arrangeres i unike, høyst spesifikke 3D-formasjoner, og dette var nødvendig for å sette makromolekyler som proteiner og DNA i stand til å utføre biokjemiske, enzymatiske og genetiske funksjoner. For eks. økte enzymer konverteringsraten til et sluttprodukt med tusener, eller endog millioner, av ganger. Intet enzym kunne klare en slik oppgave om ikke atomene rundt det aktive stedet ble plassert i meget eksakte romlige arrangement for å binde substratet. (Bilde Substrat)


Selv om tidligere tiders vitalisme stort sett ble borte gjennom revolusjonen i molekylær biologi, trådte et større under i naturens egnethet for komplekse makromolekyler fram. Dette pekte i retning av en mye større under-arbeider som fininnstilte naturens materialer for liv på jorda.

 

Stoffutvalg, oversettelse, bilder og web-format ved Asbjørn E. Lund