Opprinnelse til liv og informasjon - Noen vanlige myter
Brian Miller; 26. juni 2017
Oversatt herfra.
I tidligere artikler ( her, her og her) beskrev jeg de termodynamiske utfordringene til livets opprinnelse, og jeg forklarte behovet for at informasjon i den første cellen til å stamme fra en ekstern kilde. Nå vil jeg fordrive mange av mytene knyttet til forsøk på å omgå informasjonsutfordringen.
Bilde 1. Scrabble brikker
Et vanlig forsøk på å overvinne behovet for informasjon i den første cellen er å sammenligne informasjon med en reduksjon i entropi, ofte referert til som produksjon av "negativ entropi" eller N-entropi. Denne sammenhengen er i visse sammenhenger rettferdiggjort ved at både entropi og Shannon-formuleringen for informasjon bruker samme matematikk og kan relateres til sannsynlighet og usikkerhet. For eksempel kan denne tilnærmingen brukes til å beregne mengden arbeid som kreves for å generere spesifikke mengder informasjon i aminosyresekvensene av proteiner -her. Imidlertid er entropi ikke ekvivalent med informasjonen i celler, siden sistnevnte representerer funksjonell informasjon . For å illustrere forskjellen, forestill deg å gå inn i kjøkkenet og se en bolle med 'alfabetssuppe' -lenke; med flere bokstaver ordnet i midten som følger:
HVIL I DAG, OG DRIKKE RIKELIG MED VÆSKE
JEG HÅPER DU FØLER DEG BEDRE SNART
Du ville umiddelbart innse at en intelligens, sannsynligvis din mor, ordnet bokstavene med en hensikt. Sekvensen deres kunne ikke på noen måte forklares av fysikken til kokende vann eller pastaens kjemi.
For å fortsette analogien, nevner du designinnholdet ditt til din venn Stanley Miller III, som er en opprinnelse-til-liv kjemiker. Stanley mener at noen tildeling av design til pastasekvenser i suppe er basert på den berørte 'foreldre-i-gapene' fiaskoen, så han håner din overtroiske tro. Han sier at sekvensen kunne ha oppstått som et resultat av at kokende suppes avkjøling til romtemperatur. Siden kald suppe har en lavere entropi enn varm suppe, mener han at reduksjonen i entropi kunne ha generert informasjonen i meldingen. Du vil umiddelbart innse at en reduksjon i termisk entropi ikke har noen fysisk forbindelse til den spesifikke ordningen av bokstaver til en meningsfull melding. Det samme prinsippet gjelder i forhold til livets opprinnelse for den nødvendige sekvensering av aminosyrer i proteiner eller nukleotider i DNA.
---------------------------
En relatert feil er påstanden om at biologisk informasjon kunne ha oppstått av noen komplekse systemer eller ikke-lineære dynamikkprosesser. Problemet er at alle slike prosesser er drevet av fysiske lover eller faste regler. Og ethvert medium som er i stand til å inneholde informasjon (f.eks. Scrabble-klosser linet opp på et brett), kan ikke på noen måte begrense arrangementet av tilhørende symboler/bokstaver. For eksempel, for å skrive en melding på en datamaskin, må man skrive inn noen bokstaver i hvilken som helst rekkefølge. Hvis hver gang man skrev en "a", genererte datamaskinen automatisk en "b", kunne datamaskinen ikke lenger inneholde den informasjonen som kreves for å skape meningsfulle setninger. På samme måte kunne aminosyresekvenser i den første cellen kun danne funksjonelle proteiner hvis de var frie til å ta på seg hvilken som helst form for ordning.
Bilde 2. Livets kode bygd opp av bokstaver
Videre har proteinkjemikere funnet ut at det store flertallet av sekvenser i proteiner i dag er umulig å skjelne fra å være rent tilfeldige, hvilket ytterligere bekrefter at de i den første cellen også syntes tilfeldige som første tilnærming. Eventuell relevant avvik fra ren tilfeldighet ville ha vært på grunn av begrensninger forbundet med proteinfolding, slik som dannelse av alfa-helixer. For å gjenta, kunne ingen naturlig prosess ha styrt aminosyresekvenseringen i den første cellen uten å ødelegge kjedens evne til å inneholde den nødvendige informasjonen for riktig proteinfolding. Derfor kan sekvensene aldri forklares av en naturlig prosess, men bare av det tilsiktede målet å danne de nødvendige proteiner for cellens operasjoner (dvs. teleologisk).
En tredje feil relaterer seg til forsøk på å forklare den genetiske koden i den første cellen ved en stereokjemisk affinitet mellom aminosyrer og deres tilsvarende kodoner. I følge denne modellen dannet naturlig forekommende kjemiske prosesser grunnlaget for forbindelsen mellom aminosyrer og deres beslektede kodoner (nukleotid-tripletter). Mye av nøkkelforskningen som fremmer denne teorien, ble utført av biokjemiker Michael Yarus -her. Han utviklet også teorier om hvordan denne tidlige stereokjemiske epoken kunne ha utviklet seg til det moderne oversettelsessystemet ved hjelp av ribosomer, tRNAer og støttende enzymer. Hans forskning og teorier er smarte, men hans konklusjoner står overfor mange utfordringer -her.
Bilde 3. Til proteiner via aminosyrer
For eksempel målte Yaras eksperimenter ikke direkte tiltrektningen mellom individuelle aminosyrer og deres relaterte kodoner, men de testet for binding mellom aminosyrer og deres sett av genererte nukleotidkjeder (aptamerer). Hans lag rapporterte at visse aminosyrer bundet til aptamerer som inneholdt en høyere enn tilfeldig prosentandel av deres tilsvarende kodoner eller antikodoner på bindingsstedene. Andre forskere ble imidlertid ikke overbevist av funnene. For eksempel spurte Andrew Ellingtons lag om korrelasjonene i disse studiene var statistisk signifikante -her, og de hevdet at hans teorier for utviklingen av det moderne oversettelsessystemet var uholdbare. Tilsvarende fant Eugene Koonin at de påståtte affinitetene i minste fall var svake -her, og generelt lite overbevisende. Han argumenterte i stedet for at koden startet som en "frossen ulykke", ikke styrt av noen kjemiske egenskaper fra sine fysiske komponenter.
Mer signifikant, selv om slike tilknytninger eksisterte, ville de ikke hjelpe til i noen realistisk 'opprinnelse til liv' teori. Yarus modell sentrerer om kodoner innebygd i lengre sekvenser av nukleotider som bretter seg rundt enkeltaminosyrer. Enhver modell for å oversette sekvenser av kodoner til kjeder av aminosyrer vil kreve en mye lengre streng av RNA og brette seg rundt flere aminosyrer og deretter konsekvent knytte dem sammen i riktig rekkefølge. Og disse RNAene ville til slutt måtte miste de "ikke-kodende" nukleotidene som omgir de relevante kodonene - samtidig som de beholdt de affiniteter som tidligere hadde krevd de fjernede nukleotidene - for å bli moderne versjoner av RNA og DNA. Selv om slike ekstraordinære begivenheter kunne oppstå, ville oversettelsen foregå i feil retning.
Bilde 4. Gen inneholder instruksjoner for proteiner
Innenfor den forutbestemte RNA-verdensrammen kom nukleotidsekvenser til eksistens, som utviklet seg etter hvert til RNA-baserte enzymer. En selektiv prosess antas å replikere de mer effektive enzymlignende sekvensene oppå (over) andre for å til slutt produsere "ribozymer" som kunne utføre alle de nødvendige funksjoner for en slags protocelle. Imidlertid ville ribozym-sekvensene ikke hatt noe forhold via noen kode til aminosyresekvenser som kunne foldes i funksjonelle proteiner. Derfor kan enhver prosess som kunne utføre oversettelsen i utgangspunktet være helt ubrukelig. I stedet ville proteiner ha behøvd å komme til eksistens uavhengig gjennom sin egen selektive prosess, og da ville deres sekvenser måtte kodes inn i nye RNAer. Men Yarus modell fungerer ikke motsatt vei. En annen prosess ville ha vært nødvendig for aminosyre-til-RNA-kodingen, men den underliggende koden ville ikke ha korrespondert med Yaruss affinitetsbaserte kode. Som et resultat ville dekodingsprosessen ha mistet den kodede informasjonen.
Disse problemene markerer bare en av utfordringene for RNA-verdenshypotesen -her, og for enhver materialistisk forklaring på den genetiske koden. En levedyktig teori må forklare både koding og dekoding flere trinn:
1. Aminosyrer og nukleotider må opprettes i overflod og deretter bringes sammen. De måtte oppstå på forskjellige steder, da betingelsene som trengs for deres syntese, er ganske forskjellige, og kryssreaksjoner ville ha forhindret opprettelsen av hver av dem. (Se Shapiros (bok) 'Origins'.)
2. Aminosyrene og nukleotidene må dannes i lange kjeder. Disse kjedene ville da ha behov for å replikere ved en selektiv prosess som hellet i retning sekvenser som utførte noen nyttig biologisk funksjon. Utfordringen er at en hvilken som helst selektiv prosess kun ville ha selektert for effektiviteten av replikering, som ikke har noen forbindelse til noen livstillatende-aktivitet.
3. Et funksjonelt protein eller RNA-streng vil måtte folde seg ut for å tillate at dens sekvens blir oversatt. Og slike funksjonelle sekvenser må separere seg fra andre ubrukelige kjeder. Et enormt antall kjeder ville måtte eksistere for at en nyttig sekvens skulle hadde hatt noen mulighet til å dannes.
4. Individuelle kodoner måtte ha vært så sterkt tiltrukket av sine tilsvarende aminosyrer, at de ville binde seg til dem i en lengre periode.
5. Noen enzymlignende molekyler ville måtte tre fram og deretter polymerisere nukleotidene til strenger av RNA eller aminosyrene til proteiner.
Bilde 5. 4-dimensjonal kode i proteiner
6. Alle nyttige produkter vil måtte migrere til et sikkert sted til de kunne innkapsles i en cellulær membran. En levedyktig membran må være selektivt semipermeabel, slik at det ville tillate de rette molekylene å komme inn og avfallsprodukter å forlate.
Verken Yarus eller noen annen forsker har endog kommet i nærheten av å adressere noen av disse problemene i en rent materialistisk rammeverk. Heller ikke ville de, for ethvert realistisk scenario, krever at intelligente agenter for skikkelig å koordinere alle disse fantastisk usannsynlige trinnene.
Bilde 6. Selektiv semipermeabel membran (thykaloid)
Oversatt av Asbjørn E. Lund
