__MAIN_TEXT__
feature-image

Page 1

Origo 126 | marts 2013 | kr. 60,- i løssalg

an m Te um er m

O R I GO om videnskab, skabelse og etik

m

a

i n ?????? f

i??????? i

t

o

i

r

o m

a

t

i

n

o

n n

i

n

i

– om bioinformatik Naturens nanoteknologi | Cellers legoklodser Hvor kommer informationen i alle celler fra? www.skabelse.dk


O R I GO om videnskab, skabelse og etik

Indhold 8

Biologi og informationsteori / Andreas Vedel & K. Aa. Back

Kvintessensen: AV min finger!

12

Det biologiske alfabet & proteinsyntesen

/ K. Aa. Back

Legoklodser og cellens proteinfabrik Alle opskrifter på proteiner er gemt i cellens DNA Proteinernes legoklodser / Andreas Vedel

ORIGOs web-adresser: www.skabelse.dk

http://origonorge.no

Layout og sats: Layout: Mathias Helmuth Pedersen, www.MathiasPedersen.com Sats:

Flemming Karlsmose, flemming@skabelse.dk

Tryk:

Øko-Tryk, Videbæk

Knud Aa. Back, fhv. overlærer, chefredaktør back@skabelse.dk Finn L. N. Boelsmand, cand.polyt. finn@skabelse.dk Holger Daugaard, rektor, cand.scient. holger@skabelse.dk Henrik Friis, erhvervskunderådgiver, cand.oecon. abonnement@skabelse.dk Søren Holm, professor, CSEP, School of Law, University of Manchester, soren@skabelse.dk Flemming Karlsmose, PR-medarbejder, multimediedesigner flemming@skabelse.dk Arne Kiilerich, rådgivende ingeniør arne@skabelse.dk Emil Rasmussen, studerende, IT-medarbejder, emil@skabelse.dk Andreas Vedel, cand.scient. andreas@skabelse.dk

Design & formål

Design og formål giver mening i naturen Formål i biologien kan ikke bortforklares / Andreas Vedel

23 NYT i forskningen

Cellen og dens 1000 motorer Ikke-fysisk informasjon i cellen / Steinar Thorvaldsen

32 Cellemembranen

Menneskets teknologi langt bagud Kun to lag molekyler Ionpumpen i ATP-motoren overgår ... alle menneskeskapte motorer / Steinar Thorvaldsen

Forsidefoto: Lophotis ruficrista, (Rødtoppet trappe, hun), Tarangire National Park, Tanzania. Foto og idé: Andreas Vedel

marts 2013

Bent Vogel, cand.scient. bent@skabelse.dk Peter Øhrstrøm, professor, dr.scient. peter@skabelse.dk Kristian Bánkuti Østergaard, cand.scient. kristian@skabelse.dk

Redaksjonsråd i Norge Rune Espelid, konsulent, cand.scient. rune.espelid@online.no Willy Fjeldskaar, forskningsleder, professor, dr.scient. willy.fjeldskaar@lyse.net Knut Sagafos, lektor knu-saga@online.no Steinar Thorvaldsen, førsteamanuensis, dr.scient. steinar.thorvaldsen@uit.no Peder A. Tyvand, professor, dr.philos. peder.tyvand@umb.no

Fagredaktør af dette nummer: Andreas Vedel

© ORIGO Materiale må kun gengives efter aftale med redaktionen. ORIGO følger Dansk Sprognævns anbefalinger og Norsk Språkråds anvisninger for tegnsætning. SE/CVR-nummer: 3037 6390

Abonnement og bestillinger:

2

Tidsskrift om videnskab, skabelse og etik

Redaktionskomité i Danmark

6

18

ORIGO

Norge:

Danmark:

Knut Sagafos, Glaservegen 65, N-3727 Skien. Bestil per sms: +47 45 25 58 78 Bestil per e-mail: knu-saga@online.no

Henrik Friis, Agervænget 16, DK-7400 Herning. Tlf. +45 5148 5348 E-mail: abonnement@skabelse.dk


da Re lt ne io kt

Nyordning i Origo Fra redaktionen

Hvad er meningen med Origo? Bladet du nu står med i hånden? En gang imellem kan det være smart at stille spørgsmål til det selvfølgelige, så risikoen mindskes for at man falder ned i det-plejer-vi-at-gøre-hullet. Selvfølgelig har den første tanke om Origo noget med information at gøre. Vi vil gerne informere så bredt som det er muligt for en videnskabelig tilgang til verden der har skabelsestanken som sit udgangspunkt. Helt i forlængelse af den tænkning som videnskabens pionerer “led af ”. Eller som et tiltrængt opgør med den af-sig-selv-tankegang der i dag præger det videnskabelige landskab om fundamentale spørgsmål som oprindelse og tilblivelse. På den anden side tænker vi også på en opvoksende generation af naturvidenskabsinteresserede. Både dem der i en moden alder pludselig har fået tid til andet end arbejde og arbejde; OG til dem der som unge skal til at give sig i kast med livet, studierne og de store spørgsmål i livet. Origo har altid haft gymnasieungdommen som primær læsermålgruppe. Og alligevel har stoffet tit været lige lovligt krævende i sin udformning. Det har vi i redaktionsgruppen vedtaget at gøre noget ved. Samtidig har vi “fået øje på” en ny målgruppe: De kristne familier der gerne vil ruste sig til at give de kristne unge ordentlige svar på de (alvorlige) spørgsmål de uvægerligt ramler ind i – i en verden præget at materialisme og meget lille kristendomsforståelse. Der er så mange stemmer derude, så hvad skal man tro?

Kære abonnent! Så er et nyt år kommet godt i gang, og hermed modtager du her endnu et nummer af Origo. Du bedes derfor betale dit abonnement for 2013 hurtigst muligt, så vi ikke skal bruge tid og ressourcer på at udsende påmindelser i løbet af året. Til betalingen er der indlagt et girokort i dette nummer. Du kan også betale ved at overføre til vores konto i Nykredit Bank: Regnr. 8117 og kontnr. 1855683. Abonnement: kr. 200,- (Studerende kr. 150,- ved fremsendelse af kopi af studiekort) Vi minder lige om at Origoabonnementer løber indtil de opsiges. Vi håber at du får stor glæde af dit abonnement i 2013. Venlig hilsen Henrik Friis Økonomi- og abonnementsansvarlig for Origo E-mail: abonnement@skabelse.dk

Den nye stil afslører sig allerede her i årets første nummer af Origo. Som noget nyt har vi indført et dobbeltopslag vi kalder “Kvintessensen” (“det væsentlige”) hvor de emner der tages op, bevidst er skrevet i “børnehøjde”. Se side 6. De mere videnskabelige artikler vil fremover være at finde på nettet (med noteapperarat og hele baduljen), men selvfølgelig behørigt refereret i bladet. Så ingen bliver snydt. Men flere kan blive klogere.

Forskellige fora Så har vi endvidere taget springet og lanceret Origo på Face-book. For mange unge eksisterer tingene ikke hvis de ikke findes på nettet. – Derfor er det også rart at vi endelig er ved at have styr på Origos danske hjemmeside (den norske har fungeret upåklagelig i mange år). Så sammen med Facebook håber vi at Origo bliver mere synlig i de unges bevidsthed. Der er allerede et imponerende træk på hjemmesidens artikler når der skal skrives projektopgaver om grundlæggende tilværelsesspørgsmål. Både på hjemmesiden og på Facebook er der kontaktmulighed. Vil man gerne stille Origo et spørgsmål, komme med en kommentar eller forslag til emner, kan disse kanaler med fordel benyttes. God fornøjelse med dette ORIGOtemanummer. Knud Aa. Back Chefredaktør

Til våre norske abonnenter

Godt nytt år! Vi håper du ble glad for John Lennox’ Guds Bøddel som ble sendt deg ved juletider. Årsaken til dette var at Origo, nettopp på grunn av arbeidet med boken, kom på etterskudd med bladet. Dette medførte at du ikke fikk de to siste nummer av Origo i fjor. Boken var altså en kompensasjon for disse. Du skal derfor ikke betale noe for boken. Du kan imidlertid heller betale ditt abonnement eller medlemskap nå snarest via nettbank til kontonummeret på baksiden av bladet. Betal i dag/snarest så sparer du oss for arbeidet/omkostningene med å sende giroer.

Om Origos hjemmesider Tidsskriftet Origo har to hjemmesider tilknyttet. Det danske side www.skabelse.dk er oprettet for at give faglige kompetente svar på de mange spørgsmål der bliver stillet omkring skabelse/evolution. Her findes over 200 danske artikler, FAQ, ordbog og mulighed for at stille spørgsmål. Siden er bygget og designet af Origos webmaster Emil Rasmussen i samarbejde med Kristian

Bánkuti Østergaard (cand.scient., biologi) der står for den faglige linie. På samme måde som evolutionister ikke er indbyrdes enige om alt, er skabelsestilhængere det heller ikke. Derfor er der brug for at de mange forskellige aspekter bliver belyst, og at argumenterne bliver sat op mod fakta. Bemærk at www.skabelse.dk kun behandler den del af Bibelen der er relevant for skabelsesberetningen. Religiøse emner vil ikke blive behandlet. Vi henviser vi til kristne hjemmesider.

Origo Norge har tilsvarende sitt nettsted, opprettet i 2003 på initiativ av og redigert av professor dr.scient. i geologi Willy Fjeldskaar. Finn det på http://origonorge.no. Her finnes henvisninger til de nyeste relevante artikler fra den vitenskabelige verden i relasjon til evolusjon/skapelse-problematikken. Da disse henvisninger ofte fører frem til engelskspråklige tekster, tas noen av emnene av og til opp i Origo i norsk eller dansk oversettelse.

3


kt io ne lt

Re da

Origo

Bioinformatik Fra redaktionen

Dette nummer af Origo beskæftiger sig med nogle hjørner af et stort forskningsfelt, nemlig den såkaldte bioinformatik. Paulien Hogeweg og Ben Hesper har i 1978 defineret bioinformatik som “studiet af informationsprocesser i biotiske systemer”. Bioinformatik blev derved placeret som et felt parallelt med biofysik eller biokemi. Siden slutningen af 1980’erne har det primære arbejdsområde været anvendelse af datalogi og informationsvidenskaber til analyse af biologiske data. Bioinformatik beskæftiger sig med udvikling af databaser, algoritmer, beregninger og teknikker til at løse problemer i forbindelse med håndtering og analyse af biologiske data. De sidste årtiers hastige udvikling inden for molekylær forskning og informationsteknologi har gjort os i stand til at kombinere og producere enorme mængder af information relateret til molekylær biologi. Bioinformatik er således i høj grad disse matematiske beregningsmetoder der anvendes for at opnå en dybere forståelse af biologiske processer. Bioinformatik omfatter bl.a. kortlægning og analyse af DNA og protein-sekvenser samt tredimensionelle modeller af proteinstrukturer.

I dette temanummer omtales den fantastiske proteinsyntese og det såkaldte “livets alfabet” som alle celler er udstyret med. Desuden ser vi nærmere på nogle af de imponerende transportprocesser der optræder i cellemembraner, og nogle eksempler på molekylære motorer. Når man støder på eksempler på nanoteknologiske processer og maskiner der langt overgår menneskelig ingeniørkunst, så opstår naturligt spørgsmålet om disse maskiners og processers oprindelse. Dette spørgsmål ser vi nærmere på i en artikelserie om informationsteori samt om design og formål i naturen. Et vigtigt område, som af pladshensyn ikke er kommet med i dette nummer, er udarbejdelse af stamtræer ud fra sammenlignede studier af DNA- og proteinsekvenser. Udeladelsen er således ikke et forsøg på en fortielse af dette spændende område. Vi håber til gengæld at finde plads til emnet i et senere temanummer eller i enkeltartikler. Andreas Vedel fagredaktør på dette Origo

En sommerfugls forvandling

Matamorfosen – dette specielle fænomen hvor en insektlarve gennem et puppestadium bliver til det voksne insekt, er bagvendt logisk som produkt af en gradvis udvikling. Så hvordan er fx sommerfuglens fuldstændige forvandling blevet til? – Bruger man en Darwini-hullerne-forklaring, lyder den typisk: – Evolutionen har fundet på det i løbet af insekternes udvikling … Læs videre i Origos spændende og flotte temanummer om insekter (Origo nr. 120). Bestil det på abonnemet@skabelse.dk

Evolution – Hvad din biologibog ikke fortæller … i ny udgave! Dette Origo-temanummer findes i en opdateret version. (Origo nr. 122) Her stilles “de frække spørgsmål” til dagens biologibøger; de spørgsmål man ofte springer over fordi de rykker lidt ved gamle Darwins autoritet. Her diskuteres de filosofiske forudsætninger som også forskere møder visse naturvidenskabelige spørgsmål med, og som får afgørende betydning i hvilken retning man vælger at søge sine svar. Tror man på alting-kan-blive-tilaf-sig-selv-tanken, eller mener man det er fornuftigt at tage udgangspunkt i skabelsestanken som en causa prima, en grundbetingelse? Det gjorde videnskabens pionerer: “Gud har skabt verden, derfor må den være værd at undersøge!” – Og for resten også mulig at undersøge med videnskabelige metoder. Dette temahæfte er “et must” for enhver velorienteret biologilærer. Og det bør naturligvis findes som klassesæt på enhver skole der sætter kundskab og fakta om livet og dets tilblivelse højt. Bestil det på abonnement@skabelse.dk

4

marts 2013

Indhold


ORIGO

ID

2013 SEMINAR ON INTELLIGENT DESIGN 2013 SUMMER SEMINAR ON INTELLIGENT DESIGN IN THE NATURAL SCIENCES JULY 12-20, 2013 • SEATTLE, WA The CSC Seminar on Intelligent Design in the Natural Sciences will prepare students to make research contributions advancing the growing science of intelligent design (ID). The seminar will explore cuttingedge ID work in fields such as molecular biology, biochemistry, embryology, developmental biology, paleontology, computational biology, ID-theoretic mathematics, cosmology, physics, and the history and philosophy of science. The seminar will include presentations on the application of intelligent design to laboratory research as well as frank treatment of the academic realities that ID researchers confront in graduate school and beyond, and strategies for dealing with them. Although the primary focus of the seminar is science, there also will be discussion of the worldview implications of the debate over intelligent design. Participants will benefit from classroom instruction and interaction with prominent ID researchers and scholars. Past seminars have included such speakers as Michael Behe, Stephen Meyer, William Dembski, Jonathan Wells, Paul Nelson, Jay Richards, Douglas Axe, Ann Gauger, Richard Sternberg, Robert Marks, Scott Minnich, and Bruce Gordon. The seminar is open to students who intend to pursue graduate studies in the natural sciences or the philosophy of science. Applicants must be college juniors or seniors or already in graduate school. Do you have a commitment to truth and to following the evidence where it leads? Do you have the desire, the vision and the determination necessary to breathe new purpose into the scientific enterprise and influence its self-understanding in ways that will benefit both science and humanity? Apply to become one of a select group of students participating in this exciting workshop.

Admission Requirements: You must be currently enrolled in a college or university as a junior, senior, or graduate student. Required application materials include 1. a resume/ cv, 2. a copy of your academic transcript, 3. a short statement of your interest in intelligent design and its perceived relationship to your career plans and field of study, and 4. either a letter of recommendation from a professor who knows your work and is friendly toward ID, or a phone interview with the seminar director. Room, Board, and Travel Costs: Students selected for these seminars will be provided with course materials, lodging and most meals. Travel assistance will also be provided up to a specified amount. Application Deadline: Applications will be accepted until April 15, 2013, although earlier applications may receive priority consideration. Questions or requests for more information should be directed to cscseminar@discovery.org.

Application Procedure: All applications are required to be submitted online at: www.discovery.org/apply

www.discovery.org/sem

Indhold

skabelse.dk

5


en se n

Kv in te ss

Origo

En overvejelse om min finger og dit cykelhjul

AAAAAAAAAAAV min finger! Knud Aa. Back

Ville det ikke være smart hvis dit cykelhjul kunne reparere sig selv? Hvis du nu var så uheldig at køre et søm op i dit hjul, vil selv et “punktérfrit” dæk ikke være megen nytte til. OK, man kunne selvfølgelig forsyne din cykel med massive dæk; med slanger uden luft i. Men de vil alligevel kunne gå i stykker. Hvis du fx kører op over en for høj og skarp kantsten. Hvis du derimod slår hul på en finger, synes du måske det er meget naturligt at du ikke skal gå til finger-smeden for at få den repareret. Den reparerer sig selv. Ja, det er måske “meget naturligt”, men derfor kan man jo godt undre sig over hvordan “fingeren har fundet på det”. Engang imellem kan det være klogt at stille spørgsmål til det selvfølgelige – hvis man vil være klogere! – Så altså, hvordan kan det være at en finger (i modsætning til mit cykelhjul) kan reparere sig selv? Hvordan går det til?

Altså bygger man et specielt udsavning-afstammer-med-kædesav-stativ. Som nævnt, man er tit lidt sent på den, og så flikker man hurtigt noget sammen – og glemmer at save ender af brædder der stikker ud. Som sagt, så gjort. AAAAAAAAAAAAAAAAAV! Sidste gang, efter jeg havde skåret nogle stammer op, smider jeg brændestykkerne ind i mit brændeskur. Da jeg gør det med et af dem, rammer jeg et tværbræt og skærer derved nærmest min langfinger op fra yderste led og udefter. Jak, hvor gør det ondt! – Da var det vist lige før at mit sprog gik ud over min gode opdragelse. Hvis jeg nu i situationen havde tænkt i de dokumentationsbaner jeg gør nu bagefter, ville

Hænderne op af lommen Men først en lille beretning. – Man skal nok som bekendt være forsigtig med “at tage hænderne op af lommen”. – Vi begynder ved min brændebunke. Jeg kan godt lide at gå ud i skoven og skove mit eget brænde. Jeg foretrækker asketræer, de er nemme at have med at gøre, de tørrer hurtigt, og de brænder så godt. Mærkeligt nok er jeg altid i sidste øjeblik når jeg skal være ud af skoven om foråret. De sidste stammer ryger derfor tit hjem i større længder. Det kræver så gang i kædesaven igen. Og her render vi 1 stk. bræt til opflåning af 1 stk. finger. Foto: Knud Aa. Back ind i et problem: For de der askestammer har det med at rulle rundt når man sætte motorsavens kæde mod dem. jeg nok have taget et billede af min blødende De er utroligt glatte, især i fugtigt vejr. Det kan finger. Men det tænkte jeg ikke liiiiiiiiiige på, derfor blive ret så farligt, og derfor må man den dag. Jeg havde snarere lyst til krigsdans end finde på noget at holde stammerne med. dumme kameraer! Derfor er det første billede i min serie her taget noget inde i “reparationsprocessen”. Blodstrømmen er standset for længst, ny hud er DOKUMENTATION. Nanobotter på hårdt arved at blive dannet under den opflåede. Og det bejde. En skadet fingers udvikling over en periode på 8 måneder (første snapshot er 2 mærkelige er: Min negl begynder at falde af! Den mdr. inde i forløbet). Foto: Knud Aa. Back havde godt nok fået et ordentligt slag ved mødet

6

marts 2013

AAAAAAAAAAAV min finger!


ORIGO Af sig selv En hel del mennesker mener at disse nanobotter kan blive til af sig selv. Ja, der er faktisk så mange at du kan læse påstanden i din biologibog. Men fordi det står i en bog, behøver det jo ikke være rigtigt. Det er tilladt at tænke sig om. (Det kaldes også videnskabelig indstilling.) Man skal undersøge om en forklaring “holder vand”, er god nok, er fornuftig, er “videnskabelig”. Og her komme en afsløring: Det er ikke særligt videnskabeligt at tro at maskiner kan blive til af sig selv. Heller ikke selv om de er så små at man er nødt til at bruge særlige elektronmikroskoper for at kunne få øje på dem. Snarere tværtimod. Videnskaben kan forklare en masse om alt mellem himmel og jord. Hvordan stjerner dannes, hvordan celler fungerer – og hvordan en finger bærer sig ad med at “reparere sig selv”. Et fint eksempel på nobobotter finder vi i bogen Humlebien kan ikke Men måske er vi i dag nødt flyve … hvor tegneren N. K. Grove har illustreret hvad der forgår i et til at spørge et andet sted for at få “bakterie-ben”. – Se også den nanobot der slæber rundt på tingene. at vide hvordan alle disse fantaDu finder den som figur 4 på side 26. stiske nanomaskiner er blevet til. Maskiner som mennesket kun kan er der i og for sig ikke noget mystisk ved. Nyere drømme om at kunne efterligne. Nej, det er forskning kan sagtens forklare hvordan det faktisk ikke uvidenskabeligt at slå fast at videnforegår. Fingeren (som resten af kroppen) er skaben ikke kan svare på alt. Det er tværtimod programmeret til at reparere sig selv. uvidenskabeligt at komme med en sådan-erdet-bare-forklaring uden man overhovedet véd 112-alarm hvordan det skulle være gået til. Hvis vi vel at Det sker ved at en masse små robotter bliver mærke skal holde os til de videnskabelige foralarmeret (en slags 112) i samme øjeblik som jeg klaringer. Og pas på her: En “forklaring” om har flået min finger op. De robotter er så små at at “det har evolutionen fundet på” er faktisk vi kalder dem “nanobotter”. (“Nano-” har noget en rigtig ikke-forklaring. Evolutionen er en med en milliardtedel meter at gøre. På “matenaturproces der ikke “kan finde på” noget som matisk”: 10-9 m.) Og første udrykningsstyrke helst! Også selvom mange omtaler den som var har sine klare mål: Stands blødning, og stop den en person med kreative evner. forsøg på infektion! Og det går stærkt. Heldigvis. Tænk lige lidt over det. Det er der ingen Ellers ville jeg meget snart ligge hen på jorden der tager skade af. n som en slap vandballon der er gået hul på. Derefter sætter en meget langsommere proces i gang. (Min finger-reparér-dig-selvproces har strakt sig over flere måneder.) De små nanobotter begynder nu at nedbryde de Jeg har snydt lidt ved at klippe celler i min finger som er gået i stykker. Og de det af neglen af som undervejs er ovenikøbet så smart programmerede at de kan hang fast i alting. Den sidste genbruge materialerne. “Vægge” bliver brudt blodige affære kom sig af at jeg ned i de oprindelige “mursten”, og så bliver i utålmodighed hev den sidste “væggene” bygget op igen, fuldstændigt som et stump negl af. I den forventning gammelt hus der bliver renoveret. at blødningen ville holde op “af Og til det brug har de nogle “arbejdsmænd” sig selv”. Det gjorde den sjovt nok som slæber materialer hen til de rigtige steder. også. Foto: Knud Aa. Back med min skarpe ende på brættet. Men der var tilsyneladende ikke sket andet. Men heling af 1 stk. finger kræver åbenbart udskiftning af 1 stk. negl. Men hvorfor, altså, er det lige “at fingeren skal kan finde ud af at reparere sig selv”? – Det

AAAAAAAAAAAV min finger!

skabelse.dk

7


Origo

Denne artikel er inspireret af kapitel 9, Et spørgsmål om information, i John C. Lennox’ bog Guds bøddel (Origo 2012). Og konklusionen er: Information i en eller anden forstand er nødvendig for at forklare tilblivelsen af DNA og proteiner.

Biologi og informationsteori Af Andreas Vedel & K. Aa. Back

Det grundlæggende problem i kommunikation er i et punkt enten eksakt eller tilnærmelsesvis at gengive et budskab udvalgt fra et andet punkt. (Claude E. Shannon, 1948) Dette citat er taget fra Claude E. Shannons klassiske afhandling A Mathematical Theory of Communication fra 1948. Denne skelsættende teori var for alvor startskuddet til etablering af dén faglige disciplin vi kalder informationsteori, og som øjeblikkelig skabte verdensomspændende opmærksomhed. Shannon introducerede en bit som den mest grundlæggende informationsenhed, og han gjorde det muligt at sætte et eksakt mål på information. Som titlen på afhandlingen antyder, er der tale om en matematisk formuleret teori. Det vil dog føre for vidt at redegøre for den her. Lad os i stedet kaste os over et par hverdagseksempler fra Lennox’ bog der på bedste vis illustrerer værdien af Shannons teori. På hotel for at måle information Lennox tegner følgende billede af hvilke forestillinger vi har om begrebet information:

Hotel “log2 n” Omfanget eller mængden af information der er nødvendig for at angive et bestemt værelse på et hotel med n værelser kan beregnes vha denne matematiske formel, (Ill. Andreas Vedel).

»Vi ankommer fx til et lille hotel hvor vi har reserveret et værelse, og opdager at hotellet kun har otte værelser. Hvis vi nu antager at alle værelser er ens, og at vi ikke har bedt om et bestemt værelse, så er sandsynligheden for at få et bestemt værelse 1 til 8 (1/8). Denne sandsynlighedsberegning er et klart udtryk for vores usikkerhed. Modtager vi nu information

8

marts 2013

sagen kort I almindelig sprogbrug anvender vi ordet “information” til at beskrive noget som vi véd nu, men som vi ikke vidste før. Vi siger at vi har modtaget information. – Den faglige disciplin informationsteori har noget væsentligt at sige for det vi omtaler som genetisk information. I denne artikel analyserer vi informationsbegrebet, der dels er et grundlæggende begreb og dels udfordrer den traditionelle neodarwinistiske opfattelse. om at vi fx har fået tildelt værelse nr. 3, forsvinder denne usikkerhed.« Men hvor meget information har vi egentlig modtaget? Det er her Shannon kommer os til hjælp. »En af måderne hvorpå vi kan måle den informationsmængde vi har modtaget, er at lave en beregning af det mindste antal ja- eller nej-spørgsmål vi skal stille for at finde ud af hvilket værelse vi har fået tildelt. En lille eftertanke bør overbevise os om at dette tal er tre: Første spørgsmål bruger vi til at reducere antallet fra 8 til 4 alternativer (“ligger værelsesnummeret mellem 1 og 4?”), det andet spørgsmål fra 4 til 2 (“har værelset nr. 1 eller 2?”), og sidste spørgsmål afgør sagen (“er værelset nr. 3?”). Vi siger at vi har modtaget tre bits information, eller at vi har brug for tre bits information for at finde ud af hvilket værelse der er vores. Vi bemærker at 3 er den potens vi skal opløfte 2 i for at få 8 (dvs. 8 = 23), eller, for nu at vende det om, 3 er logaritmen af 8 med grundtallet 2 (altså 3 = log28). Ud fra det kan vi let udlede at hvis der er n værelser på hotellet, så er mængden af information der er nødvendig for at angive et bestemt værelse log2n.«

Alfabet og information

Lennox bruger endnu et eksempel: Vi bliver bedt om at tænke på en sms vi gerne vil sende. Husk at sms’er skrives i sætninger der består af ord og mellemrum. Vores “alfabet” består derfor af 29 bogstaver plus et mellemrum, altså 30 tegn. Den information der gives i en tekst på m tegn, bliver således m gange log230 (m*log230). Nu kan vores sms jo også indeholde tal, og så er vores “alfabet” udvidet til 40 tegn, altså en information for hvert tegn på log240. Cifret “2” spiller åbenbart en særlig rolle her. Og det kan vi “sammenkøre” med det faktum at computerverdenens symbolske “alfabet”, det binære talsystem, består af de to tegn “0” og “1”. Derfor kan man nøjes med blot 2 tegn hvis man vil indkode et hvilket som helst alfabet ved hjælp af det binære talsystem. Biologi og informationsteori


ORIGO Det danske sprog bruger 29 bogstaver plus et mellemrum. Her vil, som Guds bøddel anfører, »binære ord på bare 5 tegns længde (nemlig 25 = 32 der jo er større end 30) være tilstrækkelige til at kode hele molevitten, oven i købet med et par pladser til overs: Vi kunne fx vælge at indkode symbolet for “mellemrum” som 00000, og sætte A = 00001, B = 00010, C = 00011, etc.« Syntaktisk information Lennox beder os antage at vi får følgende “besked” på vores mobiltelefon: ZXXTRQNJOPWTRP. Men som han også konstaterer, ser vi ingen information “i den form for volapyk.” Men vi skal lægge mærke til at “information” faktisk ikke har noget med en evt. meningsfuld betydning at gøre. Der kan være tale om syntaktisk information, og den er yderst brugbar for en kommunikationstekniker som alene er interesseret kommunikationskanalens kapacitet, dens pålidelighed osv. Vi tager endnu et eksempel fra Lennox for at sikre os at vi forstår hvad vi taler om: På et bibliotek beder du bibliotekaren hjælpe dig med at finde en bog om nefrologi. Bibliotekaren får nu af dig de 9*log230 informationsbits som dette ord indeholder (ifølge Shannon). Nu bliver ordet “nefrologi” behandlet på rent syntaktisk niveau, dvs. som en meningsløs række bogstaver. Men det er nok til at man kan finde frem til den bog om emnet biblioteket (måske) har stående. For en læge derimod, der véd at ordet “nefrologi” har noget med nyresygdomme at gøre, indeholder ordet ikke kun syntaktisk information, men også semantisk. Og hvad er så det? Semantisk information Lennox skriver: »Måling af semantisk information udgør et langt mere vanskeligt problem at få styr på rent matematisk, og det er endnu ikke lykkedes at finde en succesfuld måde at greje det på. At dette næppe kan komme som den store overraskelse, har at gøre med det velkendte faktum at betydningen af en tekst er meget afhængig af den pågældende teksts sammenhæng. Hvis du ser mig modtage et JA på min mobiltelefon, gætter du rimeligvis på at det er svaret på et spørgsmål jeg har stillet, men du har ikke en chance for at vide om dette spørgsmål f.eks. er: “Har du købt billet til fodboldkampen i aften?” Eller: “Vil du gifte dig med mig?” Meddelelsens betydning kan bare ikke bestemmes uden forudgående kendskab til den kontekst, den sammenhæng, den forekommer i. Med andre ord: Der skal en hel del mere information til før man kan tyde en given oplysning.« DNA og information Lennox overfører nu denne tankegang til molekylærbiologien. Han beder os tænke på den række “bogstaver” vi finder i DNA-molekylets kemiske alfabet (baserne A, C, G og T). For en molekylærbiolog kan strengen have en semantisk dimension ved at han/hun “forstår sproget”, véd hvad den koder for osv. For dem der ikke véd noget om gener og proteinsyntese, ser strengen ud som en lang liste af meningsløse symboler ACGGTCAGGTTCTA... Men det giver stadig god mening at tale om denne symbolstrengs informationsindhold i syntaktisk eller i Shannons forstand. Man behøver ikke forstå hvad Biologi og informationsteori

Darwin i vores videnshuller 0

Livets tilblivelse

Er skabelsestanken i bund og grund uvidenskabelig? Mange har i hvert fald den tro at Intelligent Design er en værre gang pseudovidenskab; at ID-forskerne bruger Gud-i-hullerne-argumenter: Vi kan ikke forklare et bestemt biologisk fænomen, fx øjets opståen i evolutionens løb, derfor “må Gud have skabt det”. Nu er det faktisk ikke sådan der argumenteres af ID-folk eller de forskere der tænker Skabelsen ind som en grundbetingelse (som causa prima) for deres videnskab. For modsætningen til skabelsestanken er ikke naturvidenskab, men en tro på at alting kan blive til af sig selv. Og der er ikke spor “pseudo” over ID-forskningen, blot en tør konstatering af fakta man ikke kan lade være med at snuble over med den nyeste forskning i bioinformatik. ID-forskerne stiller nemlig sig selv dette spørgsmål: »Hvor ligger den mest fornuftige forklaring? At livet er blevet til af sig selv i en “ursuppe” med tilfældige kemiske reaktioner? Eller at livets kode kræver en form for intelligent input, en form for information!« Lennox siger i sin Guds bøddel at den jødisk-kristne skabelsestanke finder mere og mere evidens i naturvidenskaben, lige fra universets fødsel til livets opståen; fra “der blive lys” til “i begyndelsen var Ordet/Logos”. Altså at den bibelske beretning, ret forstået, faktisk i dag kommer med den bedste forklaring på altings tilblivelse. – Jo mere vi véd om naturens grundbetingelser, desto klarere står skabelsestanken.

Darwin i vores videnshuller 1

For at komme uden om det faktum at de traditionelle forklaringer på livets opståen og udvikling mere og mere hænger i en tynd tråd, søger materialister tit & ofte at komme med forklaringer som bedst kan betegnes som “ikke-forklaringer”, “sådan-er-det-bare-forklaringer” eller lige frem “Darwin-i-hullerne-forklaringer”. Og det sidste kan defineres sådan: Selvom vi faktisk ikke har en forklaring på et bestemt biologisk fænomen, holder man sig til at Darwins evolution må have skabt det. Øjet fx. Nu er det selvfølgelig aldrig formuleret på denne (klare) måde; men derfor møder man alligevel masser af eksempler. De afsløres tit ved hjælp af et simpelt spørgsmål: “Og hvordan er det så lige dét er foregået?” Men pas på: Dette simple spørgsmål indhylles ofte i en uigennemsigtig forklaringståge med et svar der bruger argumentet om at “det har været en fordel for organismen at …” o.lign.

Bestil abonnement på Origo på abonnenment@skabelse.dk Eller giv et abonnemt som gave. Den perfekte gave til manden/kvinden der har alt.

skabelse.dk

9


Origo strengen betyder. Man kan sagtens regne ud hvor meget syntaktisk information der er brug for for at kunne gengive strengen nøjagtigt: Det genetiske alfabet består af fire bogstaver, så hvert bogstav omfatter 2 informationsbits (log24 = 2). Så DNA’et i det menneskelige genom, der er omtrent 3,5 milliarder bogstaver langt, indeholder omkring 7 milliarder informationsbits.

Abekattestreger og forfattertekster

Der er en vigtig betragtning vedrørende begrebet kompleksitet vi lige skal forbi inden vi går videre: Tag en (binær) streng på 6 mia. cifre, siger Lennox, og den skal være udformet sådan: 001001001001… osv. Er en sådan streng lige så kompleks som det menneskelige genom (som er “lidt længere”, nemlig på førnævnte 7 mia. bits)? Overhovedet ikke! Vores 001-streng gentager blot et fastlagt mønster (“001”). Og selvom det er mange gange, er det alligevel forholdsvis simplet. Et enkelt computerprogram kan skrive tallet ud, nemlig: “For n = 1 til 2*109 skriv 001. Stop.” Lennox beder os nu overveje følgende: Hvis vi sætter en abe til at lege med et computertastatur, vil den måske få følgende streng ud af det: Mtl3(#8HJD[;ELSN29XlTNSP]\@... Vi antager nu at denne streng også er 6 mia. bogstaver lang. Men bemærk i forhold til vores 001-streng: Den er algoritmisk ikke-komprimérbar, dvs. man kan ikke som før lave et simpelt program der skriver strengen ud nøjagtigt som aben (tilfældigvis) har gjort. Vi kan altså, siger Lennox, slå fast at denne streng er maksimalt kompleks ud fra vores definition på kompleksitet. Nu tager vi så en streng nr. 3. Den er lavet af de første 6 mia. bogstaver som vi har kunnet finde i en hyldefuld biblioteksbøger. Denne streng er lige så algoritmisk ikke-komprimérbar som streng nr. 2. Og i matematisk forstand er den også “tilfældig”. Men der er en afgørende forskel: Strengen der er genereret af en abe, giver ingen mening. Vi forstår ikke hvad den har “skrevet”. Streng nr. 3 derimod indeholder semantisk information – vi forstår hvad ordene fra bøgerne betyder. Og dermed står vi med et eksempel på det der kaldes specificeret kompleksitet. DNA – ikke en tilfældig rækkefølge af bogstaver Lennox: »Alle DNA-molekylets A’er, C’er, G’er og T’er kan indtage en hvilken som helst position. De repræsenterer en “sprogbrug” der ud fra et matematisk synspunkt, er tilfældige (stokastiske). Men det må selvfølgelig ikke få os til at tro at DNA-sekvenser er helt vilkårlige. Langt fra! Det er faktisk sådan at kun en meget lille del af alle DNA-molekylets mulige sekvenser vil besidde den nødvendige kompleksitet der ligger i molekyler med en biologisk betydning. Det er i høj grad på samme måde som at det kun er en meget lille del af alle mulige bogstavsekvenser i et alfabet, eller endog ord i et hvilket som helst menneskeligt sprog, der vil besidde den specificerede kompleksitet der skal til for at give udsagn mening på det pågældende sprog.«

10

marts 2013

Lennox fortsætter med en beskrivelse af hvor ekstremt specifikke proteiner og DNA-koderne er. De mindste proteiner vi kender til og som besidder en biologisk funktion, “bruger” ca. 100 aminosyrer. Så de DNAmolekyler der svarer til dem, har ca. 10130 mulige sekvenser, og kun en meget lille del af dem har biologisk betydning. Mængden af alle mulige sekvenser er derfor ufattelig stor. Da DNA’et ikke har en indbygget “rækkefølge” (lige som en bog ikke har en naturlov for hvordan ordene skal sættes sammen), er alle basesekvenser lige sandsynlige. Dvs. at sandsynligheden for at en bestemt sekvens skulle få biologisk betydning ved at den opstår tilfældigt, er så lille at den må afskrives. Hertil kommer at proteiner er meget følsomme over for fejl i koden (mutationer). Så selv en udskiftning af en enkelt aminosyre i et brugbart protein kan få katastrofale følger. Se bare på hvilken ravage genetiske sygdomme kan lave. Med Lennox’ ord: »Man kan derfor med god ret hævde at cellens molekylærbiologi (DNA, proteiner, enzymer etc.) er ekstremt finjusteret eller specificeret.«

I alle celler er der semantisk information skrevet vha. de 4 “bogstaver” i DNA’et: A, C, T og G. Cellers kromosomer kan opfattes som bøger med opskrifter eller koder der tilsammen indeholder information om den pågældende organismes opbygning og funktion. (Foto: Andreas Vedel, fra Udstillingen ”Who am I?”, Science Museum, London, maj 2012).

Og derfor har cellen (naturligvis, fristes man til at sige) den fantastiske korrekturfunktion som er beskrevet i andre sammenhænge. Tilfældighed og ekstrem specificering Lennox citerer Paul Davies for følgende: »Biologisk relevante makromolekyler som DNA og proteiner besidder altså på samme tid to afgørende egenskaber: tilfældighed og ekstrem specificering. En kaotisk proces kan muligvis nå frem til den førstnævnte egenskab, men vil have betydelige problemer med at nå frem til den sidstnævnte.« Davies fortsætter: »Ved første øjekast synes dette at gøre genomet til et umuligt fænomen, uopnåeligt både ved hjælp af de kendte naturlove og de rene tilfældigheder.«

Biologi og informationsteori


ORIGO Lennox slutter med følgende citat af darwinisten(!) Davies: »Problemet er, for så vidt som det har med biogenese at gøre, at darwinismen kun kan fungere når livet (under en eller anden form) allerede er i funktion. Evolutionsteorien kan ikke forklare hvordan livet er begyndt fra først af.« (Lennox’ fremhævelse.) Altså kan vi foreløbig konkludere at intet tyder på at naturens processer har en tilbøjelighed til at skabe så komplekse og informationsbærende molekyler som DNA og proteiner. Hertil kommer at tilfældighed også er afskrevet som en gyldig forklaring. biogenese = af bio (liv) + genese (skabelse) – altså livets tilblivelse Tilførsel af information er eneste reelle alternativ Det får så Lennox til at komme med følgende konstatering: »Men hvilke andre muligheder findes der ud over tilfældighed og tilbøjelighed? […] Hvis tilfældighed og tilbøjelighed, enten hver for sig eller tilsammen, ikke er i stand til at skabe livets kompleksitet, så må vi overveje muligheden for om der ikke har været en tredje faktor involveret. Og denne tredje mulighed er input eller tilførsel af information.«

Darwin i vores videnshuller 2

Altså hvordan blev livet til?

I Origo 122, side 5, citerer vi fra en dansk biologibog for folkeskolen. Den påstår at »også DNA som danner det “celleprogram” der styrer arbejdet i en celle, kunne dannes ud fra stofferne i “ursuppen”.« – Vores hvordan-spørgsmål fra før afslører at dét har man faktisk ikke nogen forklaring på. “Men eftersom livet jo er opstået her på planeten, så må det jo være opstået af ursuppen!” Vi konstaterer hermed at man her bruger en Darwin-ihullerne-forklaring som ikke engang Darwin selv ville kendes ved. For Darwins evolutionsteori siger intet om hvordan livet er opstået. Den indeholder alene en påstand om hvordan det har udviklet sig fra første begyndelse. Eller rettere efter første begyndelse. Vi tager nogle flere Darwin-i-hullerne-forklaringer ved vingebenet i dette blad. Find selv de små bokse rundt omkring i bladet.

Alle spiralsnoede DNA-molekyler indeholder store mængder information skrevet vha. livets alfabet på 4 bogstaver. Se også artiklerne om cellers proteinsyntese på side 12-17. (Ill. Andreas Vedel).

idé om hvordan det er gået til. […] Det er jo faktisk sådan […] at en materialist er nødt til at sige at naturlige processer er eneansvarlige, eftersom der ifølge hans eller hendes overbevisning ikke findes noget acceptabelt alternativ. Som følge heraf ramler man lige så let ind i en “Evolution-i-hullerne-” som en “Gud-i-hullerne-forklaring”. Lennox bemærker så at det er langt farligere at bruge “evolution” som altingsforklaring frem for at bruge “Gud”. For hvis man ikke bruger “Gud”, vil der være langt færre protester, selv dér hvor argumentet har samme svage vægt. Som det forhåbentligt fremgår af ovenstående argumenter, er information i en eller anden forstand nødvendig for at forklare tilblivelsen af DNA og proteiner. Hvis dette står til troende, så er det logisk at enhver forklaring der hævder at få information “gratis” vha. helt naturlige processer, på en eller anden måde får smuglet information ind udefra! Også selvom den påstår det modsatte. Og hvis logikken slår dette fast, har vi i det mindste et plausibelt argument for at et informationsinput er nødvendigt for livets oprindelse.

Men som Lennox også gør opmærksom på, så bliver dette forslag »sædvanligvis mødt af et kor af protester om at det er i hvert fald er et udtryk for anti-videnskabelig indstilling og intellektuel dovenskab at foreslå noget der reelt er en “Intelligens-i-hullerne-” eller en “Gud-i-hullerne-løsning”. Nu skal denne anklage naturligvis tages alvorligt: Det er trods alt muligt at være intellektuel doven og så bare sige: “Jeg kan ikke forklare det, derfor må Gud have skabt det.” – Men samtidigt er det vigtigt at understrege at dét med den intellektuelle dovenskab kan gælde begge veje: Det er også meget let at sige “evolution har skabt det”, når man heller ikke har den fjerneste

Den deraf følgende (ubehagelige) konsekvens Hvis der er videnskabeligt belæg for at livet, som vi kender det, ikke i tilstrækkelig grad kan forklares uden inddragelse af et informationsinput, vil fokus uundgåeligt skifte over til at finde ud af hvad kilden til denne information så kunne være. Men det skal bemærkes at sidstnævnte er et helt andet emne – hvor svært det end kan være at holde de to ting ude fra hinanden i vores tænkning. Hvorvidt vi videnskabeligt kan fastslå informationskildens identitet, er logisk set irrelevant for spørgsmålet om hvorvidt et eksternt informationsinput er nødvendigt. n

m

ii

a

i nf

t

o

i

r

o m

a

Biologi og informationsteori

t n

i

o

n n

i

n

i

skabelse.dk

11


Origo

Det biologiske alfabet og cellens proteinfabrik – proteinsyntesen (1) Cellens tredimensionale kompleksitet kan sammenlignes med en storby. Med København som eksempel vil cellekernen fylde hele den indre by, og membranen rundt om hele cellen ville ligge ca. 10 km fra centrum. Man kan altså bruge legoklodser, computere og storbyer til at tegne et billede af cellen som proteinfabrik.

Legoklodser og cellens proteinfabrik Af cand. scient. Andreas Vedel

Prøv at forestille dig at du på en ferietur til London beslutter dig for at gå ind på en netcafé for at skrive en e-mail eller opdatere din facebookprofil. Du sætter dig til rette ved tastaturet, men du har glemt at et britisk tastatur mangler de danske bogstaver æ, ø og å. Vil denne forglemmelse betyde at du ikke kan skrive noget? Nej, selvfølgelig ikke, vel? Du vil blot skrive et ø som oe, å som aa og æ som ae. Og prøv at tænke over følgende eksempel: Hvis du får udleveret en kasse med 100.000 legoklodser hvor • der kun findes 20 forskellige slags legoklodser i kassen, • du skal bygge en masse forskellige legofigurer, • hver figur skal være bygget af mellem 100 og 1000 legoklodser og skal indeholde mindst 18 af de 20 forskellige klodser, så har du en idé om hvordan biologiske celler fremstiller proteiner. I proteiner er “legoklodserne” dog nogle molekyler der hedder aminosyrer. I alle biologiske celler foregår der en proces der minder lidt om ovenstående eksempler; men hvad er det for en proces, hvorfor foregår den og hvad er denne proces en del af? Der er her tale om den såkaldte transskription i cellers proteinsyntese. For at forstå hvordan bogstavshistorien (og legoeksemplet) ovenfor hænger sammen med cellers proteinsyntese, er vi nødt til at få styr på nogle begreber. Læs nærmere herom i de to efterfølgende delartikler. Fascinerende kompleksitet Som det vil fremgå af følgende (og forhåbentligt pædagogiske) beskrivelser, så er cellers evne til at danne proteiner en på én gang både fascinerende og kompleks proces. Det er dog på sin plads at understrege at der er meget mere at sige om proteiner og kompleksiteten i celler, hvilket vi kort vil skitsere ved hjælp af tre eksempler. Eksempel 1: Cellers tredimensionelle kompleksitet kan illustreres ved at sammenligne en celle med en storby. Med København som eksempel vil cellekernen fylde hele den indre by, og membranen rundt om hele cellen ville ligge ca. 10 km fra centrum. Et protein ville være på størrelse med en personbil, og proteinets bevægelsesfrihed inde i cellen vil ikke være større end bilens er i København. Hertil skal lægges hele den øvrige infrastruktur (nedgravede kabler, kloaknet,

12

marts 2013

sagen kort Cellens proteinfremstilling I denne artikel, der består af tre delartikler, forklares hvordan biologiske celler ved hjælp af livets alfabet bygger proteiner, en proces der også kaldes proteinsyntesen. Cellens tredimensionelle opbygning er fascinerende kompleks. På basis af 20 aminosyrer, der kan sammenlignes med legoklodser, kan den menneskelige celle fremstille mere end 100.000 forskellige proteiner. metro- og togskinner etc.) samt alle menneskers transport og aktivitet i løbet af bare nogle få timer. Eksempel 2: Menneskets forskellige celler producerer mere end 100.000 forskellige proteiner, og det sker vel at mærke ved hjælp af ca. 25.000 gener i hver af de enkelte celler. En del af forklaringen på dette paradoks er bl.a. at samme gen, altså en bestemt rækkefølge af baser i DNA (= en basesekvens), kan resultere i forskellige proteiner ved at sammensætte mindre områder af genets basesekvens i forskellige kombinationer. Hertil kommer at gener kan være “slukket” eller “tændt” eller mange forskellige tilstande mellem disse to yderpunkter. Dette lidt underlige faktum skyldes at generne er i stand til at reagere på det aktuelle miljø inden i og uden for cellen ved at opbygge og kontrollere en bred vifte af molekylære kontrolmekanismer, en slags miniature-kontrolcomputere. Eksempel 3: Et er at danne den rigtige rækkefølge af aminosyrer i et protein ved hjælp af proteinsyntesen, noget andet er at foldningen af proteinets tredimensionelle struktur skal styres, så de nydannede proteiner ikke kommer galt af sted. En løselig beregning kan vise at et mindre protein der består ca. 125 aminosyrer, kan danne mere end 1050 forskellige konformationer (molekylers forskellige rumlige opbygninger). Selv om man forestiller sig at molekylet kunne afprøve 1013 af disse muligheder pr. sekund, så ville det tage mere end 1030 år at nå igennem hovedparten. I cellen sker den korrekte foldning på ca. et minut ved hjælp af bl.a. nogle molekylære “livvagter” der beskytter det nydannede protein mod uønsket indblanding fra andre molekyler i cellen eller uønsket tiltrækning mellem forskellige områder af proteinet. Desuden afleveres det endnu ufoldede protein i særlige områder der sørger for at lede proteinet til det rigtige sted i Legoklodser og cellens proteinfabrik


ORIGO cellen. Dette sker ved hjælp af særlige transportproteiner der er i stand til “at se” om det nydannede protein hører hjemme i det pågældende område af cellen. (Læs også om Kinesinmotoren i Cellen og dens 1000 motorer på side 23. Red.)

Efter disse tre eksempler på cellens kompleksitet vender vi igen blikket mod den fascinerende proteinsyntese i de to efterfølgende artikler. Læs nærmere om proteinsyntesen, cellens proteinfabrik, i delartikel 2 og 3.

Det biologiske alfabet og cellens proteinfabrik – proteinsyntesen (2) Biologiens centrale dogme står for omskrivning og oversættelse hvor alle processer styres af DNA og RNA.

Alle opskrifter på proteiner er gemt i cellens DNA Oversigtsfigur

Af Andreas Vedel

Hver gang en celle har brug for at producere et hormon (f.eks. insulin, østrogen eller testosteron) eller et enzym (f.eks. et af de mange fordøjelsesenzymer i tarmen) eller et transportprotein (f.eks. hæmoglobin i blodets røde blodlegemer), så går der besked til cellens DNA om at bruge opskriften på det pågældende stof. I grove træk kan processen, der også kaldes for biologiens centrale dogme, illustreres ved hjælp af oversigtsfiguren.

DNA

kopiering (replikation)

RNA

Omskrivning (transskription)

Protein

Oversættelse (translation)

Biologiens centrale dogme omfatter processerne omskrivning og oversættelse. Kopieringen yderst til venstre i figuren er strengt taget ikke en del af det centrale dogme, men er alligevel medtaget for at illustrere at DNA kan danne nyt DNA “ud fra sig selv” ved hjælp af det såkaldte baseparringsprincip eller “lynlås-metoden”.

DNA

Celle

p

S p

p

Cellekerne

C

G

S

DNA Kromoson

S

T

A

S p

GC TA CG

p

S

C

G

S p

p

S

T

A

S p

TA CG AT

p

S

C

G

S p

p

S

A

T

S p

Nukleotid

Figur 1

P = Fosfat S = Deoxyribose (sukker)

A = Adenin T = Thymin G = Guanin C = Cytosin

Placeringen af kromosomer i cellekernen er vist yderst til venstre. Der “zoomes ind” på DNA i cellekernen ved at bevæge sig fra venstre mod højre i figuren. Kromosomer er opbygget af sammenrullet DNA (og protein). Den kemiske opbygning af DNA er vist i de 2 figurer yderst til højre. De stiplede linjer mellem de 4 bogstaver symboliserer de såkaldte hydrogenbindinger. Disse bindinger er det svageste led mellem de 2 halvdele af det dobbeltstrengede DNA-molekyle. Når “DNA-lynlåsen” åbnes, sker det ved at disse hydrogenbindinger brister. Illustration: Andreas Ahlmann, (Ill. www.reesegrafisk.dk)

Legoklodser og cellens proteinfabrik

skabelse.dk

13


Origo For at forstå detaljerne i oversigtsfiguren er det nødvendigt at uddybe hvad der gemmer sig bag molekylerne DNA, RNA og protein samt processerne “kopiering”, “omskrivning” og “oversættelse”. Oversigtsfiguren antyder at et kemisk stof, DNA, indeholder et budskab, nemlig opskriften på et protein. Budskabet eller proteinopskriften der ligger i cellens kerne, sendes i en lettere omskrevet udgave ud af cellens kerne ved hjælp af det kemiske stof RNA. Dernæst fabrikeres det ønskede protein ud fra opskriften som RNA’et har afleveret til cellens proteinfabrik. Denne fabrik hedder et ribosom og ligger uden for cellens kerne, nemlig i det såkaldte cytoplasma (= cellens væskebeholdning). Desuden antydes det yderst til venstre i figuren at DNA danner nyt DNA ud fra “sig selv”. Kopieringen foregår inden en celle deler sig og bliver til to celler, hvilket også nogle gange omtales som “lynlås-metoden” (norsk: glidelås-metoden). Denne kopiering sikrer at de 2 celler indeholder identiske kopier af DNA’et fra den oprindelige celle (se figur 2). DNA DNA (fra det engelske DeoxyriboNucleic Acid der på dansk hedder deoxyribonukleinsyre) er et dobbeltstrenget kædeformet makromolekyle der udgør arvematerialet i alle levende organismer og i mange virus. I organismer med cellekerne

(nukleus) findes DNA hovedsageligt i cellekernen, heraf navnet nukleinsyre. DNA er opbygget af grundenheder, nukleotider, der som perler på en snor er koblet sammen i ofte meget lange dobbeltstrengede kæder, se figur 1. Nukleotiderne består af en sukkerdel, deoxyribose (S), hvortil der er bundet en fosfatgruppe (P) og én base (af fire mulige). Variationen i DNA er bestemt af 4 forskellige baser: adenin (A), guanin (G), cytosin (C) eller thymin (T). Man omtaler også disse baser som de fire bogstaver i et såkaldt “DNA-alfabet” Sukkergrupperne er bundet sammen med fosfatgrupperne, og denne sukker-fosfat-kæde udgør “rygraden” i DNAstrengen. Se figur 1. Replikation eller “DNA-lynlås-metoden” DNA er altså opbygget af 2 modsat rettede kæder af nukleotider, og det betyder at en base i den ene kæde kan danne nogle svage bindinger (såkaldte hydrogenbindinger) til en base i den anden kæde. Det er dog ikke tilfældigt hvilke baser der “passer til hinanden”, idet adenin (A) altid sidder over for thymin (T) mens guanin (G) altid sidder over for cytosin (C), se figur 1. Alle mennesker er begyndt tilværelsen som én celle, nemlig den celle der opstod da en sædcelle befrugtede en ægcelle.

DNA kopieres Celle DNA

Cellekerne

TA T CG T TA GC T TA CG

TA CG TA GC TA CG TA CG AT GC AT TA GC

AT GC

TA T CG A AT GC A AT T TA GC

TA G

C

T C A G

A G T C A GC AT TA GC

T GC AT TA GC

TA T CG T TA GC T TA CG

TA T CG A AT GC A AT T TA GC

Figur 2 Kopiering (replikation) af en celles DNA sker før cellen deler sig og bliver til to, hver med samme DNA. Kopieringen sker ved at DNA-strengen deler sig på langs ligesom en åbnet lynlås. Hver af de gamle dele af “DNA-lynlåsen” sikrer at der dannes 2 nøjagtige kopier af den oprindelige DNA-streng ved hjælp af baseparringsprincippet. Illustration: Andreas Ahlmann, (Ill. www.reesegrafisk.dk)

14

marts 2013

Legoklodser og cellens proteinfabrik


ORIGO En forudsætning for at vi er blevet til et individ opbygget af mange celler der kan læse denne tekst, er at der sket en masse celledelinger siden den første celle blev til ved sædcellens sammensmeltning med ægcellen. Når celler deler sig, så er det ekstremt vigtigt at hele cellens DNA videregives til de efterfølgende celler fordi alle gener, altså opskriften på organismens bygning, er skrevet i DNA. Cellen sikrer at der sker en nøjagtig kopiering af DNA ved 1. at det dobbeltstrengede DNA-molekyle adskilles på langs, lidt ligesom når en lynlås lynes op, 2. og derefter indsættes der et A overfor T, eller et C overfor et G & vice versa … Se figur 2 Denne kopiering (kaldes også replikation) af DNA ved hjælp af hver af de gamle dele af “DNA-lynlåsen” sikrer altså at der dannes 2 nøjagtige kopier af den oprindelige DNA-streng. Kopieringen foretages i virkeligheden af en del forskellige enzymer. RNA RNA (fra det engelske RiboNucleic Acid der på dansk hedder ribonukleinsyre) adskiller sig fra DNA på tre væsentlige punkter: 1. Som navnet antyder, er sukkergruppen i RNA en ribose (R) i modsætning til en deoxyribose i DNA. Der er tale om en meget lille kemisk forskel på hhv. ribose og deoxyribose. 2. De enkelte grundenheder i RNA, nukleotiderne, er således opbygget af en fosfatgruppe (P), en ribose hvortil der er bundet en af fire forskellige baser: adenin (A), guanin (G), cytosin (C) eller uracil (U). RNA indeholder således basen uracil (U) i stedet for thymin (T), men de to baser er kemisk næsten ens. “RNA-alfabetet” adskiller sig altså fra “DNA-alfabetet” ved at én base (T) er udskiftet med en anden base (U). 3. Selvom RNA-molekylets kemiske opbygning minder meget om DNA-molekylets, så er RNA som hovedregel enkeltstrenget, mens DNA er dobbeltstrenget. Se figur 3.

DNA

RNA

Dobbeltstrenget

Enkeltstrenget

Nukleotider opbygget af P, S og en baserne A, G, C eller T

Nukleotider opbygget af P, R og en baserne A, G, C eller U

A “passer sammen med” T G “passer sammen med” C

A “passer sammen med” U G “passer sammen med” C

Omskrivning (transskription) Når celler danner RNA, omtales denne proces som en omskrivning eller transskription fra DNA til RNA. Omskrivningen til RNA er, som i tastatureksemplet vi indledte denne artikelserie med, en omskrivning af et budskab fra et alfabet til et andet, nemlig fra “DNA-alfabetet” til “RNA-alfabetet”. Ligesom man f.eks. kan erstatte et “ø” med “oe”, kan T (i DNA) altså erstattes med U (i RNA), men hvordan foregår denne omskrivning? Det minder lidt om “lynlåsmetoden” fra før, idet DNAmolekylet igen “lynes op”, men i dette tilfælde dannes der ikke en identisk kopi ud fra hver af de to halvdele af “DNAlynlåsen”, kun ud fra den ene halvdel. Den halvdel af DNA der benyttes til at lave en omskrevet RNA-kopi, kaldes for skabelon-DNA. Processen er vist i oversigtsform nedenfor (figur 4). Fidusen er at cellen benytter den ene del af “DNAlynlåsen” til at lave en RNA-udgave. Processen sikrer altså at RNA (hvor T er erstattet med U) er en omskrevet kopi af den ene af de to DNA-halvdele. Derfor kaldes processen også en omskrivning eller en transskription. Hver gang skabelon-DNA-delen indeholder et C, indsættes et G i RNA, og hver gang skabelon-DNA-delen indeholder et G, indsættes et C i RNA. Dette sikres ved at C, som nævnt tidligere, kun “passer sammen med” G. Hver gang skabelon-DNA-delen indeholder et T, indsættes et A i RNA, og hver gang skabelon-DNA-delen indeholder et A, indsættes et U i RNA. Dette sikres ved at A altid “passer sammen med” T, og U altid “passer sammen med” A. Ved at betragte figur 4 kan det konstateres at det dannede RNA er en kopi af det såkaldt kodende DNA, bortset fra at T er erstattet med U. Med “kodende DNA” understreges at den ene halvdel af den dobbelte DNA-streng indeholder en kode. Det viser sig nemlig at DNA indeholder en opskrift på sammensætningen eller rækkefølgen af de byggeklodser som proteiner er sammensat af.

Oversigt – Transskriptionen Kodende DNA

ATG TCT CGT TTC

Skabelon DNA

TAC AGA GCA AAG

RNA

AUG UCU CGU UUC

Figur 4 Sammenhængen mellem sammensætningen af “bogstaver” i DNA (“Kodende DNA”) og det RNA som transkriptionsprocessen har omskrevet DNA til. Ved sammenligning ses at “det kodende DNA” svarer til RNA, bortset fra at T er udskiftet med U. For at sikre at bogstavsammensætningen i RNA er en omskrevet version af det kodende DNA, bruges den anden halvdel af DNA-strengen (det såkaldte “Skabelon DNA”) som udgangspunkt for omskrivningen (transskriptionen).

Figur 3 Oversigt over forskelle og ligheder mellem DNA og RNA. Sammenlign evt. med figur 1.

Legoklodser og cellens proteinfabrik

I delartikel 3 beskrives hvordan cellen sammensætter de enkelte proteiner. skabelse.dk

15


Origo

Det biologiske alfabet og cellens proteinfabrik – proteinsyntesen (3) 20 forskellige aminosyrer kan kombineres på utallige måder der minder om at bygge med legoklodser.

Proteinernes legoklodser Af Andreas Vedel

Den danske legetøjsgigant Lego havde på et tidspunkt et reklameslogan der lød: »It’s a new toy every day.« (Det er et nyt stykke legetøj hver dag.) Enhver der har leget med legoklodser, véd at man med ganske få forskellige slags klodser kan lave mange forskellige slags biler, huse, figurer etc. Når biologiske celler fremstiller proteiner, så minder det lidt om bygge med Lego, men i proteiner er “legoklodserne” nogle kemiske stoffer, aminosyrer. Disse aminosyrer er nogle relativt små molekyler, og der findes 20 forskellige slags i cellen. Proteiner består således af en lang række aminosyrer der er sat sammen i forlængelse af hinanden som perler på en snor. Forskellige proteiner er simpelthen forskellige rækkefølger, længder og kombinationer af de 20 forskellige aminosyrer. Se figur 5. Ved at sammensætte disse 20 forskellige aminosyrer forskelligt kan der bygges en enorm mængde forskellige proteiner, og det er faktisk hvad en biologisk celle gør når den laver proteiner. Denne proces kaldes translation (se figur 6 samt nedenstående forklaring).

Cellekerne

DNA Transskription

Translation

RNA Cytoplasma

Celle Figur 6 Oversigtsfigur over proteinsyntesen. Først foretages en omskrivning (transskription) fra DNA til RNA i cellekernen. Når RNA er transporteret ud af cellekernen, sker oversættelsen (translationen) fra RNA til protein i cellens cytoplasma. Dette sker vha. et såkaldt ribosom der fungerer som både aflæsningsenhed og samlefabrik. Illustration: Andreas Ahlmann, (Ill. www.reesegrafisk.dk)

Aminosyre-struktur

Figur 5

Protein

Proteiner er opbygget af moleH H OH kylære “byggeklodser” der hedder Syregruppe Aminogruppe N C C aminosyrer. Navnet skyldes at R H O aminosyrer indeholder både en Radikal aminogruppe (-NH2) og en syregruppe (-COOH). Øverst til venstre i figuren er vist en generel formel for aminosyrers opbygning. Øverst til højre er vist 2 eksempler på aminosyrer.

Eksempler H

H N

C

H

H

H

H

OH

C

N

C CH3

H

O

H

H

H 2O OH

H

OH H

C

N

O

Alanin

Glycin Peptidbinding

OH C

N

C

C

C

Celler danner proteiner ved at syregruppen i en aminosyre hæftes sammen med amino-gruppen i en anden aminosyre. Sammenhæftningen mellem de to aminosyrer kaldes en peptidbinding (vist med blåt). Ved dannelse af en peptidbinding fraspaltes et vandmolekyle (vist med rødt). Ved til stadighed at hæfte nye aminosyrer på én ad gangen (vha. peptidbindinger) kan cellen danne proteiner med den sammensætning og længde som tripletterne i DNA (og RNA) foreskriver. Se også figur 6, 7 og 8. Illustration: Andreas Ahlmann, (Ill. www.reesegrafisk.dk)

H

16

Legoklodser og cellens proteinfabrik

marts 2013

O H

R1

H N H

C

C

R1

O

O

R2

H

H

N

C R2

OH C O


Litteratur, se netudgaven af de tre artikler om proteinsyntesen

3. bogstav

Translation Vi mangler nu kun at forklare hvordan cellen faktisk sammensætter det enkelte protein ud fra de 20 forskellige aminosyrer der er tilgængelig for cellen. Hvordan kan DNA (og RNA) indeholde information om hvilke af de 20 forskellige aminosyrer (svarende til legoklodser) som skal indsættes i proteinets perlerække? Eller mere præcist: Hvordan kan et alfabet der kun består af 4 “bogstaver”, skabe tusindvis af forskellige proteiner i vores celler? Ved at sammensætte de 4 “bogstaver” i “ord” på hvert 3 “bogstaver”, er det muligt at danne 64 forskellige kombinationer eller “ord”. Hvert af disse “ord” kaldes også en triplet eller en codon, og de indeholder koden for én af de 20 forskellige aminosyrer. Det betyder til gengæld at flere forskellige tripletter kan kode for den samme aminosyre, da der jo er 44 ekstra tripletter til rådighed ud over de 20 der egentlig er brug for. Sammenhængen mellem RNA-tripletter og de enkelte byggeklodser, aminosyrerne, er vist i figur 8. I figur 7 ses en oversigtstabel med eksempler på både transskriptionen og translationen. Ved sammenligning med figur 4 ses at tabellen er udvidet med en ekstra vandret række nederst: en lille stump af et protein opbygget af fire forskellige aminosyrer methionin (met), serin (ser), arginin (arg) og phenylalanin (phe) svarende til de fire kodende DNA-tripletter. Figur 8 viser sammenhængen mellem alle 64 forskellige RNA-tripletter og de 20 forskellige aminosyrer. Denne sammenhæng kaldes for den genetiske kode eller det genetiske alfabet. Hvis der er interesse for at komme lidt mere i dybden med hvordan både replikation, transskription og translation foregår i cellen, så kan det anbefales at studere to pædagogiske animationer på http://biokemibogen.dk/animationer/ n

1. bogstav

ORIGO

2. bogstav

U

C

A

G

U

phe

ser

tyr

cys

U

U

phe

ser

tyr

cys

C

U

leu

ser

stop

stop

A

U

leu

ser

stop

trp

G

C

leu

pro

his

arg

U

C

leu

pro

his

arg

C

C

leu

pro

gln

arg

A

C

leu

pro

gln

arg

G

A

ile

thr

asn

ser

U

A

ile

thr

asn

ser

C

A

thr

lys

arg

A

A

ile met (start)

thr

lys

arg

G

G

val

ala

asp

gly

U

G

val

ala

asp

gly

C

G

val

ala

glu

gly

A

G

val

ala

glu

gly

G

Figur 8 Oversigt over det genetiske alfabet i RNA.

Oversigt - Transskription og translation Kodende DNA

ATG TCT

CGT TTC

Skabelon DNA

ATG TCT

CGT TTC

RNA

AUG UCU

CGU UUC

Protein

met

ser

arg

phe

Hver af de 64 tripletter koder for én bestemt aminosyre, men flere tripletter kan kode for den samme aminosyre. Koden for aminosyren phe (øverste venstre hjørne af tabellen) skrives ved hjælp af tripletten UUU. Koden for aminosyren gly (nederste højre hjørne af tabellen) skrives ved hjælp af tripletten CGG. Bemærk at der optræder både en start-triplet og flere stoptripletter. Når cellens aflæsningsværktøj (ribosomerne) skal begynde translationen, sker det ved start-tripletten, og på samme måde stopper translationen når ribosomerne møder en stop-triplet.

Figur 7 Ved sammenligning med figur 4 ses at tabellen er udvidet med en ekstra vandret række nederst: en lille stump af et protein opbygget af de fire aminosyrer methionin (met), serin (ser), arginin (arg) og phenylalanin (phe) svarende til de fire kodende DNAtripletter. Sammenlign evt. RNA-tripletterne med oversigten i figur 8.

Legoklodser og cellens proteinfabrik

skabelse.dk

17


Origo

Design & formål 1. Er det rimeligt at neodarwinismen stadig nærmest per automatik afviser ethvert tilløb til “formål” i den evolutionære proces? Eller er der i dag belæg for at argumentere for at naturen viser uomtvistelige tegn på at den er designet? Dette er første artikel af to om design og formål/teleologi.

Design og formål giver mening i naturen Af cand.scient. Andreas Vedel

Teleologi og design En af de interessante debatter i moderne evolutionær biologi og filosofi beskæftiger sig med begrebet teleologi. Dette ord der kommer af det græske telos (et mål eller formål), betyder kort sagt formålsrettethed eller formålsårsag. Teleologi bliver almindeligvis oversat til noget i stil med “teorien om at en proces er styret imod et specifikt mål eller udbytte”. Det er en idé der bl.a. er meget udbygget i William Paleys berømte bog “Natural Theology” fra 1802. Her argumenterer Paley for at naturen udviser bestemte egenskaber der indicerer at den er designet. Paleys argumentation bygger bl.a. på at verden er som et ur der bærer præg af design og konstruktion. Naturen er, ifølge Paley, opfundet, udtænkt, konstrueret – altså i praksis designet – med tanke på et bestemt formål eller med en bestemt intention. Tanken om design i naturen har ligeledes sine nutidige fortalere, som fx Michael Behe, William Dembski, Del Ratzsch og Philip Johnson. Begrebsafklaring teleologi –af græsk telos, et mål eller formål; formålsrettethed eller formålsårsag. Teleologi oversættes tit til “teorien om at en proces er styret imod et specifikt mål eller udbytte”.

sagen kort I de fleste lærebøger om biologi, biokemi og cellebiologi sammenlignes biologiske og molekylære funktioner med maskiner. Når disse biologiske maskiners opbygning og funktion skal forklares, sker det oftest vha. ord som plan, formål etc. Umiddelbart virker det besynderligt at biologiske fænomener der hævdes at være skabt gennem evolutionære processer uden plan og formål, bedst kan beskrives med sådanne “forbudte” eller “uheldige” ord. Det viser sig nemlig at disse “forbudte” ord er udbredt i biologisk faglitteratur på trods af mange års forsøg for at få dem renset ud. I de to følgende artikler forsøger vi at analysere årsagen til at biologien tilsyneladende “hænger fast” i denne “uheldige” sprogbrug. Neodarwinisme Over for den teleologiske forståelse af naturen står den neodarwinistiske forståelse af evolution, hvor Darwins understregning af naturlig selektion sammenkobles med Mendels genetik. Et af de mest diskuterede aspekter af neodarwinistisk evolution er den nærmest selvindlysende og automatiske afvisning af ethvert tilløb til “formål” i den evolutionære proces. Ifølge neodarwinistisk opfattelse kan det accepteres at evolutionsprocessen har en retning, men ikke at der skulle være tale om et bestemt mål eller formål med evolutionen. Denne afvisning hænger naturligvis sammen med at evolution traditionelt ikke opfattes som en styret eller guidet proces, idet der jo, ifølge neo-darwinismen, ikke er “nogen” der styrer processen.

Richard Dawkins I sin indflydelsesrige og omdiskuterede bog “The Blind Watchmaker” (fra 1986, udgivet på dansk med titlen Den blinde urmager) og senere i bogen Illusionen om Gud behandler zoologen Richard Dawkins forekomsten af design i naturen, Naturen viser sig ved nærmere eftersyn, ligesom et ur, at være udtænkt eller konstrueret. et design der har fået mange til at Naturen og i særdeleshed biologiske fænomener er altså i praksis designet med tanke på drage religiøse konklusioner et bestemt formål eller med en bestemt intention (Ill. Andreas Vedel).

18

marts 2013

Design og formål giver mening i naturen


ORIGO Teleonomi Når vi i en dette nummer af Origo har sat os for at analysere årsagen til at biologien tilsyneladende “hænger fast” i teleologisk sprogbrug, er vi dog nødt til lige at berøre et beslægtet område, nemlig teleonomi. Biologers standardforklaring på naturens tilsyneladende formålsrettethed hos levende organismer er at der i virkeligheden kun er tale om en somom-formålsrettethed, en såkaldt teleonomi. Målrettetheden begrundes derfor med at den naturlige selektion har sorteret de organismer fra der ikke har været hensigtsmæssigt indrettet. Når de overlevende arter er udstyret med hensigtsmæssige og til det pågældende miljø formålsrettede egenskaber, så er forklaringen altså selektion og ikke teleologi. Det bør retfærdigvis påpeges at vi, sammen med bl.a. danske Jesper Hoffmeyer, er skeptisk over for denne noget forenklede forklaring på naturens teleologi, men det vil føre for vidt i denne omgang at analysere de teleonomiske argumenter. op igennem historien. Ifølge Dawkins er disse konklusioner, omend forståelige, ikke desto mindre fejlagtige og ufunderede. Titlen på Dawkins bog fra 1986 er da også inspireret af den ur-analogi som ovennævnte William Paley anvendte i sin argumentation for det vi i dag vil kalde design i naturen. Ligesom et ur peger på at der står en urmager bag, så peger design i naturen på en oprindelig designer. Et meget anvendt eksempel er pattedyrs øjne. (Se eksemplerne i de øvrige artikler i dette og tidligere numre af Origo.) Dawkins kritik af Paley kan opsummeres med flg. citat: »Den eneste urmager der findes i naturen, er fysikkens blinde kræfter.« (Dawkins, 1986, s. 5). Dawkins argumenterer for at der kun er tale om et “tilsyneladende” design, og at hvad tidligere generationer anså som bevis på Guds eksistens, nu anses som resultatet af nogle helt naturlige (evolutionære) processer der ikke behøver at involvere Gud. For at sætte det på spidsen kan Dawkins opfattelse rummes i et spørgsmål formuleret af den danske marsforsker Jens Martin Knudsen (i Videnskaben eller Gud, s. 31-32): »Er livet en naturlig konsekvens af stjernedannelsen, altså er biologien i al sin mangfoldighed blot et (nødvendigt?) ledsagefænomen til dannelsen af visse typer stjerner?« Den naturlige selektion skal altså, ifølge Dawkins og ligesindede, ses som en ikke-styret (og i en vis forstand retningsløs) proces der kun “vælger” ved at bestemte naturlige kræfter medfører at visse arter bliver tabere i kampen om overlevelse i et bestemt miljø. Men er det så simpelt som Dawkins og ligesindede argumenterer for? Giver det ikke mening i moderne videnskabelig forstand at tale om formål eller intention i naturen?

de fleste forsøg på at isolere “ “…biologiens egenart har kredset om

begrebet teleologi og ledsagende design

Design og formål giver mening i naturen

Teleologi – formålsbestemthed i naturen Jens Martin Knudsens spørgsmål kan også omformuleres til et spørgsmål om hvorvidt biologi i yderste konsekvens kan reduceres til fysik og kemi? Dette spørgsmål har været livligt diskuteret igennem mange år, så det vil føre for vidt at gengive blot lidt af denne diskussion her (se dog artiklen Biologi og informationsteori, s. 4-7), men forskellen på biologi og fysik/kemi kan med den amerikanske videnskabs- og religionsfilosof Del Ratzschs ord opsummeres således: »At sætte fingeren på forskellene har vist sig vanskelige. De fleste forsøg på at isolere biologiens egenart har kredset om begrebet teleologi og ledsagende design.« Pointen understreges bl.a. af danske Jesper Hoffmeyer med flg. formulering: »… teleologi er som en elskerinde biologen ikke kan undvære, men som han nødig vil ses sammen med offentligt.«

teleologi er som en elskerinde “ “…biologen ikke kan undvære, men

som han nødig vil ses sammen med offentligt

Teleologi og maskiner Videnskabs- og religionsfilosoffen Del Ratzsch anvender nogle maskineksempler til at demonstrere nogle afgørende forskelle på levende organismer og maskiner:

Komplicerede biologiske fænomener (fx molekylære maskiner i cellerne eller øjet hos dyr) er igennem de sidste ca. 150 år forsøgt forklaret som materielle og naturlige (evolutionære) uden behov for at inddrage begreber som vilje, stræben eller formål (telos), men holder det? (Ill. Andreas Vedel).

Først skal der, ifølge Del Ratzsch, skelnes mellem operationer (eller processer) og eksistens, idet operationer og processer, uanset om de er yderst komplekse og svære at gennemskue, kan beskrives fyldestgørende som materielle. Med materielle processer menes i denne sammenhæng at de kan beskrives tilfredsstillende vha. fysiske principper og som fysiske processer skabelse.dk

19


Origo uden at involvere begreber som intention, formål o.lign. teleologiske begreber. Del Ratzsch nævner et øje og en bulldozer som eksempler på maskiner der udfører en proces (se også artiklerne om molekylære motorer i cellen i dette Origo). Pointen er at sådanne processer, uanset om de er meget komplekse, kan reduceres til at være “materielle”, altså at de ikke behøver at inddrage vilje, stræben, formål el. lign. Darwin selv kaldte øjet for et “organ med ekstrem perfektion”. Eksistens og formål Eksistens derimod kan, ifølge Del Ratzsch, vanskeligt forklares uden at involvere en form for telos (vilje, stræben eller formål) engang i fortiden. Se på en industrirobot, den kan fx fremstille andre maskiner, og robotten kan jo også selv være blevet til ved at andre maskiner har udført nogle komplicerede processer. Men på et tidspunkt kommer vi ikke uden om at en eller anden ingeniør har haft et formål med at skabe en maskine som så har skabt en maskine der har skabt en maskine osv.

Altså er selve maskinens eksistens vanskelig at forklare uden at svare på spørgsmålet om formålet med selve maskinen. Hver gang vi støder på en (menneskeskabt) maskine, véd vi at der har været en designer på spil der har fremstillet maskinen med et bestemt formål for øje. Det oplagte spørgsmål er derfor: Hvorfor prøver ateister og fundamentalistiske evolutionstilhængere at forklare biologiske maskiner som kun tilsyneladende designede? Det korte svar er at den traditionelle opfattelse af evolutionsteori og et ateistisk grundsyn på forhånd har udelukket at naturen har indbygget nogen form for teleologi, fordi det jo forudsættes at evolution, og dermed al biologi, foregår som en proces uden overordnet styring og formål og derfor opfattes som en blind proces (jf. Dawkins’ “blinde urmager”). I næste artikel skal vi se nærmere på hvorfor det er så svært at slippe af med formål (teleologi) i biologien.

Design & formål 2. Mange indvendinger mod forestillingen om teleologi (altså formål) blandt biologiske fænomener har sin begrundelse i en frygt for at hvis man accepterer teleologi, vil man samtidigt snige en form for metafysik med ind ad bagdøren som en del af den videnskabelige forklaringsproces. – Men hvad nu hvis forestillingen om teleologi hos biologiske fænomener opstår som følge af refleksioner over videnskabelige observationer og eksperimenter? Altså hvis teleologiske forklaringer rent faktisk er de bedste?

Formål i biologien kan ikke bortforklares Af Andreas Vedel

Som nævnt i forrige artikel er komplicerede biologiske fænomener (fx molekylære maskiner i cellerne eller øjet hos dyr) igennem de sidste ca. 150 år forsøgt forklaret som materielle og naturlige (evolutionære) – uden behov for at inddrage begreber som vilje, stræben eller formål. Men holder det? Øjet hos pattedyr har jo oplagt et formål, altså eksisterer øjet med et bestemt formål. På den anden side kan selve den måde som synsprocessen foregår på i øjet, sagtens beskrives vha. fysiske og kemiske principper uden at anvende begreber som vilje, stræben eller formål. Hertil kommer at levende organismer, i modsætning til en bulldozer eller en traditionel robot, er tilpassede (adapterede) og omstillingsparate (adaptive). At være omstillingsparat forudsætter en stræben, idet en maskine eller organisme ikke kan omstille sig fra en tilstand eller proces til en anden uden at den tager afsæt i et formål eller har sigte på at ville et eller andet. At være omstillingsparat kræver altså en form for målrettethed, og at der desuden eksisterer en eller flere mulige tilstande hvor maskinen eller organismen kan udføre de relevante processer som den er bestemt til (for nu at bruge en teleologisk vending). Selvfølgelig er det muligt at der i selve det miljø eller det system hvori en maskine eller organisme eksisterer, på forhånd

20

marts 2013

ligger nogle valg eller er skabt nogle mulige tilstande som maskinen/organismen kan vælge imellem. Men det flytter bare FAKTA Diskussionen om teleologi i naturen kan fx anvendes til at undersøge forskellen på hhv. styret og ikke-styret evolution. Pladsen tillader dog ikke at vi kommer nærmere ind på det her. Dog bør det påpeges at opfattelsen af “at skabe” ikke nødvendigvis skal forstås som en enkeltstående, en-gang-foralle-begivenhed, men kan lige så godt forstås som en styret proces. Dette syn på skabelse er fx blevet fremført af Augustin af Hippo (354-430) der talte om Gud der har skabt en verden med en indbygget evne til udvikling og udfoldelse. spørgsmålet om formål eller intention et skridt længere bagud. Dermed kan man, i princippet, blive tvunget til at bevæge sig et skridt tilbage et uendeligt antal gange, men stadig stå tilbage med et ubesvaret spørgsmål. Livets udvikling genopført Siden Darwin er der fra mange sider rejst seriøs tvivl om evolutionen som en “bevidst”, retningsbestemt og planlæggende proces med bestemte formål for øje. I 2003 blev evolutionens (eller livets) tilsyneladende vilje, stræben og formål endnu en gang udfordret; denne gang af evolutionsbiologen Design og formål giver mening i naturen


ORIGO Simon C. Morris. I sin bog Life Solution argumenterer Morris for at antallet af evolutionære endepunkter er begrænsede. (Endepunkter kan man også kalde mål, hvis man absolut vil udtrykke sig teleologisk.) Hvis man genopfører livets udvikling (ligesom man afspiller et bånd eller stykke musik igen og igen), vil man, ifølge Morris, uanset antallet af afspilninger, nå frem til stort set det samme resultat. Morris beskæftiger sig med det fænomen der hedder konvergent evolution hvor to eller flere udviklingslinjer uafhængigt af hinanden er nået frem til strukturer og funktioner der ligner hinanden. Hans eksempler spænder fra aerodynamiske udformninger af natsommerfugle og honningbier til anvendelsen af silke til at fange bytte hos så forskellige dyr som edderkopper og visse insektarter. Morris mener altså at evolutionen har en evne til at “konvergere” eller “løbe sammen” til relativt få mulige resultater. Altså skulle biologiens historie, ifølge Morris, vise at livet har en sær tilbøjelighed til at “navigere” mod bestemte løsninger på miljømæssige og tilpasningsmæssige udfordringer.

Darwin i vores videnshuller 3

En bæver opfinder en dæmning

I Origos temmanummer Dyrs bygningskunst (Origo nr. 125) stilles følgende spørgsmål til “det selvfølgelige”: Hvordan præcis har den første bæver snublet over en plan for den første dæmning? … På hvilket tidspunkt har bæverens fortænder udviklet sig til at blive de perfekte træfældningsredskaber med indbygget skærpelse af “øksen”? Hvor er bæverens fantastiske planlægningsarbejde kommet fra? En planlægning der strækker sig over et helt “årsværk”, og hvor alle dele er vigtige for det endelige resultat: En bæverbolig i en opdæmmet sø. Darwin-i-hullerne-svaret er at bæveren har opfundet det hele baglæns og indbygget det i sit instinkt ved den naturlige selektion. Læs videre i Origos spændende og flotte temanummer om insekter (Origo nr. 120). Se side 4.

Frygten for Gud-i-hullerne De fleste af de traditionelle indvendinger mod forestillingen om teleologi blandt biologiske fænomener, skyldes formodentlig en frygt for at en accept af teleologi nærmest vil være det samme som at snige en metafysisk, ofte teistisk tro, med ind ad bagdøren som en del af den videnskabelige forklaringsproces. Ud fra traditionel opfattelse af naturvidenskab, så er denne frygt for en “metafysisk forurening” forståelig og vel egentlig også acceptabel for de fleste, idet der en reel fare for at man “lader sig nøje med” en Gud som forklaring på et kompliceret biologisk fænomen. Altså det man på engelsk har kaldt God of the Gaps, kunne man på dansk kalde en Gud-i-hullerne-forklaring. De to sukkulente (vandholdige) plantearter Euphorbia og Astrophytum Et relativt nyt forskningsfelt, nemlig biosemioanføres på engelsk Wikipedia som eksempler på konvergent evolution, tikken, har ikke samme berøringsangst for naturens se http://en.wikipedia.org/wiki/Convergent_evolution telos. En af dette felts bannerførere, danske Jesper Hoffmeyer, anerkender således fuldt ud problemet med teleologien i biologien. Både maskiner og mennesker er, kan være med til at blotlægge spørgsmål som den måske ikke ifølge Hoffmeyer, teleologiske indretninger, men forskellen er velegnet til at besvare. er at maskiner er oplærte (af ingeniøren der konstruerede Seriøse overvejelser om teleologiske forklaringer på biomaskinen), og at organismer lærer (af evolutionen). logiske fænomener er ikke et spørgsmål om at erkende eller opdage et guddommeligt “formål” med biologiske og evolutionære fænomener, men at møde de videnskabelige data med et åbent sind og ikke på forhånd fravælge en del af de mulige forklaringsmodeller – på trods af at de involverer design, formål og teleologi.

kan være med til “ “Naturvidenskaben at blotlægge spørgsmål som den måske ikke er velegnet til at besvare.

Evolution-i-hullerne? Men hvad nu hvis forestillingen om teleologi hos biologiske fænomener opstår som følge af refleksioner over videnskabelige observationer og eksperimenter? Altså hvis teleologiske forklaringer rent faktisk er de(n) bedste forklaring(er) på observationerne og eksperimenterne? Sådanne forklaringer vil jo ikke automatisk føre til et forsvar for fx den kristne eller jødiske tro og gudsopfattelse, men blot tydeliggøre at naturvidenskaben Design og formål giver mening i naturen

egentlige spørgsmål er jo om “ “Det naturen besidder nogle processer der

kan forklare de molekylære maskiners oprindelse?

Et væsentligt problem med denne udelukkelse af design og formål i naturen, selv når designforklaringen er den mest oplagte, er at man fortolker de biologiske fænomener vha. det skabelse.dk

21


Origo man kunne kalde en Evolution-i-hullerne-forklaring. Altså, vi står med biologiske fænomener der er vanskelige at forklare uden at involvere begreber som design og formål (fx den nanoteknologi og de molekylære maskiner som alle celler er udstyret med), men alligevel vælger majoriteten af biologer at hive evolutions-standardforklaringen op hatten som en kanin der med et trylleslag skulle kunne forklare det “somom-designede” fænomen. Men det er jo det samme som at tage det man vil vise (nemlig at evolution er forklaringen på fænomenet) for givet. For det egentlige spørgsmål er jo om naturen besidder nogle processer der kan forklare de molekylære maskiners oprindelse? Og så nytter det jo ikke at man forudsætter at evolution er den eneste forklaring der kan komme på tale. Evolution og design Jeg håber med denne artikel at have argumenteret for at det giver god mening at tale om både design og evolution

i naturen. Derfor virker det uforståeligt at den naturvidenskabelige standardtilgang til eller fortolkning af data allerede i udgangspunktet frasorterer muligheden for at biologiske fænomener i nogle tilfælde kan forstås eller forklares vha. teleologi. Der er således overvejende fare for at naturvidenskabelig forskning dermed berøver sig selv muligheden for, i visse tilfælde, at ramme plet med den videnskabelige stræben, eller telos om man vil. n Anbefalet læsning i forb.m. denne artikel: Simon Conway Morris, Life Solution: Inevitable Humans in a Lonely Univers, Cambridge University Press (2003) Jesper Hoffmeyer, Overfladens dyb – Da kroppen blev psykisk, Forlaget Ries 2012, s. 51.

Med annoncen her ønsker jeg at gøre opmærksom på min webshop: www.oprindelsen.dk produkteksempler (nærmere præsentation i webshoppen):

og mine 3 hjemmesider: www.darwinsludder.dk www.væraltidrede.dk www.femspoergsmaal.dk Med venlig hilsen Ole Michaelsen 22

marts 2013

Design og formål giver mening i naturen


ORIGO

NYT i forskningen 1: Bioinformatikkken forsyner os med fantastisk ny viden. Om livets grundbestanddele. Om motorer i tusindvis. I cellerne! Vi kan med stor ret tale om molekylære motorer. Dette er artikel nr. 1 i en miniserie på 2

Cellen og dens 1000 motorer Av førsteamanuensis Steinar Thorvaldsen, dr.scient. , Universitetet i Tromsø

saken kort

Ingen andre områder av moderne biologi viser oss en så tydelig komposisjon og tilpasning som det fascinerende bildet vi nå har fått av den levende celle. Sett i et vanlig lysmikroskop med en forstørrelse på noen hundre ganger – slik det ville ha vært mulig på Darwins tid – er en celle et relativt skuffende syn som bare vises som en stadig skiftende og tilsynelatende kaotisk mønster av bobler og partikler som strømmer på måfå (da.: på må og få) frem og tilbake i alle retninger. For virkelig å forstå det storslåtte livet slik som molekylærbiologien viser det, må vi forstørre cellen noen millioner ganger. Da er vi nede på nanonivå. Moderne molekylærbiologi og biokjemi har nå gjort så store fremskritt at den kan vise oss hva som egentlig foregår der nede i nanoverdenen, dvs. på 10-9-metersnivå.

Cellen rommer molekylmotorer i tusenvis Når vi forstørrer cellen noen millioner ganger, oppdager vi en overraskende mikroverden som består av atomer, molekyler og det som nå kalles molekylære motorer. Disse har sitt språk, sin koding, sine minnebrikker for lagring og gjenfinning av informasjon, elegante styringssystemer for montering av deler og komponenter, roterende hjul og korrekturlesende enheter som benyttes for kvalitetskontroll.

funktioner er en storslået “ “Cellens komposition af kompleksitet og fint tilpasset design

Det vi da kan se, er en storslått komposisjon av kompleksitet og fintilpasset design. Overalt rundt oss ville vi se mange typer robot-liknende maskiner. Vi ville legge merke til at enkelte av de funksjonelle komponenter i cellen, proteinmolekylene, var komplekse utgaver av molekylære motorer, hver bestående av om lag tre tusen atomer arrangert i svært velorganiserte romlig 3-D-strukturer i form av et funksjonelt protein. Vi ville vel lure enda mer ettersom vi så på den merkelig målrettede aktiviteten til disse rare (da.: mærkelige) molekylære maskinene. Spesielt når vi innså at oppgaven med å utforme en slik molekylær maskin, til tross for all vår kunnskap om fysikk og kjemi, ville være langt utenfor vår egen kapasitet, ja, vi vil sannsynligvis ikke nå et slikt nivå før om mange tiår. Likevel, livet i cellene spiller på alle disse samstemte funksjonene i tusenvis, ja, sannsynligvis titusener av ulike molekylære motorer. Vi vil også se at nesten alle trekk ved våre egen avanserte maskiner allerede hadde sine tilsvarende motstykker i cellen: • Kunstige språk og deres dekodingsystemer • minnebrikkene (da.: hukommelsesmedie) for lagring og gjenfinning av informasjon • elegante styringssystemer som regulerer den automatiserte montering av deler og komponenter • korrekturlesende enheter som benyttes for kvalitetskontroll • roterende hjul og monterings prosesser som involverer prinsippet om prefabrikasjon og modulbasert konstruksjon Cellen og dens 1000 motorer

Figur 1. Celle med navn på noen av celledelene, engelsk Wikipedia

Faktisk, så dyp ville analogien og følelsen av déjà-vu være, at mye av terminologien vi har måttet bruke for å kunne beskrive denne fascinerende molekylære virkelighet, er lånt fra vår egen høyteknologiske verden. Det er først de siste 20 årene, da de teknologiske landvindinger gjorde det mulig å studere de små systemer i cellen eksperimentelt, at denne forskningen for alvor har tatt av (da.: taget fart). Som kjent er det DNA-molekylet som inneholder genene, og det som genene koder for. Vi sier gjerne at vi har fire hovedtyper av proteiner inne i cellene. 1. Første gruppe er strukturelle proteiner – som bygger opp vevet som kroppen vår består av. 2. Den andre gruppen utgjøres av de meget viktige enzymene. Disse speeder opp reaksjoner uten å inngå i dem og kan få reaksjoner til å skje momentant som ellers ville ta lang tid. 3. Den tredje gruppen består av transportproteiner. Det er mange stoffer som føres rundt i kroppen vår bundet til spesielle transportører, et eksempel er hemoglobin som transporterer oksygen fra lungene til hver enkelt celle. 4. Et fjerde eksempel på proteiner er hormonene. Hormonene er signalstoffer som styrer bestemte funksjoner i cellen, for eksempel når en celle skal produsere et gitt enzym. Enkelt sagt kan hormonene tenne eller slukke for det bestemte enzymet. skabelse.dk

23


Origo

Skulpturen Heart of Steel (Hemoglobin) af Julian Voss-Andreae i Lake Oswego i Oregon, USA. Skulpturen viser hvordan hæmoglobinmolekylet tager det for cellerne livsfarlige O 2 -molekyle til fange. Her symboliseret ved det røde kugle. Rødt betyder normalt fare. Således også her: Fri ilt i cellerne ville nedbryde vigtige kemiske forbindelser i dem som lyn & torden i en utæmmet iltningsproces. Ubegribeligt meget hurtigere end en ikke-rustbeskyttet bil ville korrodere i vores makroverden. – Billedet t.v. er taget umiddelbart efter afsløringen af skulpturen. Billedet i midten er taget efter 10 dages forløb. Og billedet t.h. efter at plastikskulpturen har været udsat for vejr & vind i nogle måneder. Fra tysk Wikipedia.

Enzymer er katalyserende proteiner som ivaretar bestemte kjemiske reaksjoner. De fungerer som organismens nano-roboter og er gode eksempler på molekylære motorer. Det er omtrent 2000 kjente enzymer som er sentrale i alt biologisk liv. De kan bygge opp eller bryte ned andre stoffer; og de finnes i celler, kjertelsekreter eller i vevsvæsker. De er «maskiner» som fungerer med forbløffende effektivitet ved vanlige temperaturer. Proteiner kan som enzymer forsterke reaksjoner 1016 til 1018 ganger, og dette med en nøyaktighet og spesifisitet som er uovertruffen. En av årsakene til at proteinene har en så forbløffende effektivitet, er at de har stor indre mobilitet og fleksibilitet, noe som ses på det tilsynelatende utall av vekselvirkninger mellom atomene som befinner seg i proteinets sidekjeder.

maskiner udfører et utal “ “Molekylære af forskellige opgaver i cellen Molekylære motorer er en fellesbetegnelse for små biologiske systemer som opererer ved å omdanne kjemisk energi til brukbart mekanisk arbeide, eller omvendt. Disse molekylære maskiner utfører et utall av forskjellige oppgaver i cellen – slik som transport av store molekyler, kopiering av DNA og RNA eller reparasjon av DNA. Små systemer er i denne sammenheng systemer med en størrelse på rundt 2-100 nanometer (nm). Det er ikke lenger kontroversielt å beskrive disse systemene ved hjelp av maskinspråk, og det blir nå allment brukt i molekylærbiologien. Så lenge vi beskriver deres kapasitet til å foreta informasjonsbehandling, er de virkelige maskiner, utstyrt med den rette «software». Vi skal nå se på fire kjente eksempler: Fotosyntesen, Kinesinmotoren, Flagell-motoren og et DNA-reparerende enzym.

24

marts 2013

Plantenes fotosyntese

Det er rundt en halv million plantearter på jorden. Plantene er forutsetningen for alt annet liv på samme måte som grunnstoffene i kjemien og naturlovene i fysikken. Når vi tenker på planter, tenker vi vel først og fremst på det livgivende sukkeret som er dannet av karbon, oksygen og hydrogen. Dette skjer i fotosyntesen som er den kjemiske prosess som utføres i plantenes grønne laboratorier. Den foregår i kloroplasteret som er spesielle deler i cellene hos blad og andre grønne plantedeler. Fotosyntesen er en «miljøvennlig» genistrek som både er enkel og uhyre innviklet. Den er fortsatt så ugjennomskuelig og vanskelig at menneskene ennå ikke har lyktes i å etterlikne den! Vi nøyer oss med å høste og raffinere de ferdige sukkerrørene og sukkerroene. Ingen andre kjemiske prosesser greier å omdanne luft og vann til lett tilgjengelig energi, i form av sukker, og attpåtil (da.: i tillæg) med sollys som den fornybare energikilde. Sukkerroene gjemmer på den egentlige oppskriften som handler om å sammenbinde karbon, oksygen og hydrogen til sukker. Roene kan faktisk talt sin kjemi bedre enn menneskene, og sammen med alle andre grønne planter gjemmer de på denne oppskriften.

forskere arbejder intenst “ “Mange inden for fagområdet artificial photosynthesis, altså kunstig fotosyntese

En dag vil nok forskerne klare å avlure plantene deres hemmelighet, og trolig ligger det en Nobelpris og venter på den forskergruppen som når dette målet. Mange jobber intenst Cellen og dens 1000 motorer


ORIGO innen dette fagfeltet som går under navnet artificial photosynthesis. Men ennå har ingen klart å lage et eneste gram kunstig sukker på en slik måte at det kunne danne grunnlag for fabrikkframstilling. Det skjer kun i de klorofyllbærende planter, i alger og i visse bakterier. Klorofyllet fungerer omtrent som et enzym for deler av denne prosessen. Det har evnen til å absorbere energi fra lyset og bringe den videre i prosessen i form av elektroner med økt energi. Kjemisk sett er klorofyll ikke et enzym, da dette navnet bare brukes om stoffer hvor hovedparten av molekylet er oppbygget av proteiner, og klorofyll har en ganske «enkel» struktur i forhold til disse (se figuren).

FAKTA • Molekylære motorer omdanner kemisk energi til mekanisk arbejde – eller omvendt. • Omtrent 2000 kendte katalyserende proteiner, enzymer, er centrale i alt biologisk liv. • Hormoner er signalstoffer der tænder eller slukker for bestemte enzymer. • Fotosyntesen er fortsat ugennemskuelig og kan endnu ikke efterlignes kunstigt. • Kinesin-motoren flytter livsvigtige komponenter til bestemte positioner i cellen. (O2) og 0,04 % karbondioksid (CO2). Ved utåndingen sendes det ut omkring 16 % oksygen og 4,5 % karbondioksid til atmosfæren.

mennesker og dyr lever mere “ “Både eller mindre direkte af produkterne fra fotosyntesen

Figur 2. Klorofyll er den viktigste kjemiske del av fotosyntesen. Det finnes i flere varianter (a, b, d) som er følsomt for lys med ulike bølgelengder. Fotosyntesen foregår i kloroplasteret, som er spesielle legemer (organeller) i cellene hos blad og grønne plantedeler. Grønnfargen skyldes klorofyll a og b.

Man må jo undre seg på hvordan det kan eksistere en så komplisert verden i hvert av de grønne bladene hos de planter og trær vi har rundt oss. Men dette gjør jo bare at jakten på svarene blir ennå mer intens. Det er et fascinerende og meget innviklet konstruksjons- og bygningsarbeid som finner sted i de klorofyllbærende organismer, hvor det uorganiske blir organisk og deretter blir til næring for mennesker og dyr. Plantene frambringer faktisk så mye biomasse på jorden på en så genial måte at neppe noen menneskelige oppdagelser eller oppfinnelser noensinne vil kunne konkurrere med deres metode. Det kjemiske reaksjonsforløpet for fotosyntesen er slik: Klorofyll + 6CO2 + 6H2O + lysenergi Klorofyll + C6H12O6 + 6O2 En plante kan altså bokstavelig talt leve på en stein. Dens behov er begrenset til mineraler, vann og CO2, og som drivkraft bruker den helst lys fra solen siden dette inneholder alle de bølgelengder den trenger. Mens plantene får sin energi fra solen, får mennesker og dyr energi fra sukker- og fettstoffer som forbrennes med oksygen. Prosessen kalles ånding eller respirasjon. Hver gang vi trekker pusten, trekker vi inn luft med ca. 20 % oksygen Cellen og dens 1000 motorer

Mens fotosyntesen bare kan skje når det er lys til stede, foregår åndingen hele tiden, både i planter, dyr og mennesker. I tillegg til dette kommer, som før nevnt, at den føde som dyr og mennesker lever av, stammer direkte eller indirekte fra de organiske forbindelser som plantene har frambrakt ved fotosyntesen. Det kjemiske reaksjonsforløp for åndingen er slik:

C6H12O6 + 6O2

6CO2 + 6H2O + energi

Denne prosessen bygger på bruk av sukker som drivkraft eller brennstoff, mens fotosyntesen bygger på lys som drivkraft. De to prosessene er altså motsatt rettet og utgjør et av de store kretsløp i naturen for gjenbruk og resirkulering. Naturens kretsløp har derfor bærekraft. Man kan uttrykke det på denne måten: Naturen er et omfattende kretsløp i samspill, et fantastisk urverk. Men det skaper igjen et nytt spørsmål: Hvordan eller av hvem ble det i sin tid trukket opp? Det kan ikke naturvitenskapene gi sikre svar på. Men det er lov å tenke på og undre seg over …

består af et omfattende “ “Naturen sammenspillende kredsløb, et fantastisk urværk

Kunstig fotosyntese? Som nevnt forskes det intenst på prosessen som skjer i plantene der CO2 fanges fra atmosfæren og konverteres til O2 og sukker, i tillegg til vannet som inngår. Det plantene klarer, må vel vi mennesker også kunne få til? Men hittil har man kun sparsomme resultater å vise til, ja, det virker vanskeligere enn å lande på månen. Den største utfordringen synes å bestå i få splittet atomene i CO2 til C og O2. Uten dette kommer man skabelse.dk

25


Origo ikke videre. Dette er ikke vanskelig å gjøre ved høye temperaturer, men målet er å gjøre det ved vanlige temperaturer slik som plantene gjør det. Man leter etter de rette «enzymene» eller «katalysatorene» som kan få prosessen til å gå, og man gjør bruk av nanopartikler og moderne nanoteknologi. Aktuelle kandidater har vært koboltoksid og grafitt-karbonnitrid. Jakten på det store gjennombruddet fortsetter. Kinesin-motoren Et av de mest kjente eksempler på en molekylær motor er kinesin-motoren som er avbildet på figur 3. Denne transporterer større, livsnødvendige molekyler rundt i cellen siden disse er for store til selv å diffundere til sine destinasjoner, dvs. Figur 3. Illustrasjon av hvordan kinesin-motoren opererer. å nå fram på egen hånd ved hjelp av sin tilfeldige vandring Motoren kommer frem ved vekselsvis å flytte en av de to «føtrundt i cellen. Kinesin-motoren spiller også en aktiv rolle tene» skritt for skritt. Den er cellens «transportarbeidere» på under celledelingene mitose og meiose. Den brukes dessuten noen få nanometer som vandrer på to bein og utfører viktige til å transportere større organeller, dvs. strukturer i cellen som oppdrag for stoffskiftet. De bærer blant annet avfallsstoffer er omgitt av en membran. (Et eksempel på en organell er det vekk fra cellen. Kinesin-motoren kan også kalles cellens såkalte mitokondrium, cellens kraftverk.) «pikkolo» (da.: piccolo) siden den minner om en hotellarKinesin-motoren beveger seg langs det som kalles mikrobeider som bærer bagasjen til gjestene som kommer på hotellet. Kilde: Stanford Report, December 10, 2003; Stanford tubule; det har form av små rør med en diameter på ca. 24 University. nanometer og med lengder som kan variere fra et par mikrometer helt opp til en millimeter. Selve motoren består av to føtter som via en stilk er forbundet med halen der molekylet som skal transporteres, er festet. Motoren transporterer sin last i en spesifikk retning langs sin mikrotubule, siden denne er polar (har elektrisk retning) og føttene bare binder seg til den i én orientering. Kinesin-motoren drives av ATP (adenosintrifosfat) som fungerer som cellens primære batteri. Flagell-motoren Den aller mest omtalte molekylære Figur 4. Fra Inner life of a cell, animasjon fra Harvard University som viser kinesinmotoren er kanskje bakterie-flagellens motorens vandring langs mikrotubulen i cellen. (Se også videoen på http://www. motor som sørger for framdriften youtube.com/watch?v=wJyUtbn0O5Y hvor denne transportfætter optræder 1'14" inde omtrent som påhengsmotoren i i filmen. Eller http://www.studiodaily.com/2006/07/cellular-visions-the-inner-life-of-aen båt. Den består av rundt 40 cell/ Red.) proteiner, som igjen består av flere hundre aminosyrer og et utall atomer, og kan rotere fra 20 000 opptil 100 000 omdreininger i minuttet. Flagellmotoren har altså et høyere turtall enn en moderne bensinmotor!

bakteriens “skibsskrue”, har “ “Flagellen, et omdrejningstal på over 20.000 i minuttet

Figur 5. Flagellen er bakteriens propell for framdrift. Denne molekylære motoren har et turtall på over 20.000 omdreininger i minuttet.

26

marts 2013

Noen spør om ikke deler av denne motoren kan være utviklet til bruk for andre funksjoner i cellen? Det nærmeste man har kommet ved å undersøke dette, er å vise til en struktur som finnes hos enkelte bakterier, og som har som oppgave å være en injeksjonspumpe. Denne pumpen sprøyter giftstoffer inn i kroppen til organismen som bakterien har infisert. Pumpen har ca. 10 proteiner som er ganske like med dem en finner i Cellen og dens 1000 motorer


ORIGO flagellmotoren, selv om de ikke kan erstatte disse delene og samtidig bevare flagellens funksjon. Og selv om pumpen eventuelt kunne blitt brukt til konstruksjonen av flagell-motoren, står vi fortsatt med et uløst spørsmål: Hvor kom pumpen fra? Det er nå også fagbiologer som mener at pumpen heller stammer fra flagellen enn at den har vært med på å bygge opp flagellen, siden det erfaringsmessig er lettere for evolusjonen å bryte ting ned enn å bygge dem opp. I tillegg til selve motorene, har også cellene automatiserte reguleringssystemer som sørger for at motoren blir korrekt satt sammen der den skal, i celleveggen. I artikkelen Molekylære motorer 2 skal vi se på cellens høyt organiserte informasjon.

““

Erfaringsmæssigt er det lettere for evolutionen at bryde ting ned end at bygge dem op.

Darwin i vores videnshuller 4

Planternes grønkorn

I biologibøgernes fremstilling af livets spæde begyndelse henvises typisk til en Darwin-i-hullerne-forklaring: »Efter de første encellede organismers opståen trådte nogle med grønkorn frem på scenen. Dermed kunne fotosyntesen begynde, og den første frie ilt kunne dannes. Dette forvandlede den tidlige Jords atmosfære så andre livsformer kunne opstå …« Vort spørgsmål: Hvordan opstod de celler der kunne klare fotosyntesen? – “De opstod i evolutionens løb.” Læs om fotosyntesen på side 24

Figur 6. Modell for flagellmotorens mekaniske komponenter

Cellen og dens 1000 motorer

skabelse.dk

27


Origo

NYT i forskningen 2: I dag står vi over for et helt nyt fagområde som vi kan kalde biologisk informatik eller bioinformatik. Og nu véd vi at ikke-fysisk information styrer cellens funktioner i bl.a. de molekylære motorer. Fortsat fra forrige artikel.

Ikke-fysisk informasjon i cellen Steinar Thorvaldsen

Arvematerialet DNA blir stadig skadet av indre og ytre faktorer, for eksempel strålingsskader. I hver enkelt av våre celler skjer det opp mot 200 000 skader på arvestoffet hvert eneste døgn. Mer enn 150 reparasjonsproteiner er involvert i ulike mekanismer for DNA-reparasjon, og den omfatter minst 5 ulike multi-enzym-mekanismer. I tillegg repareres enkelte skader ved en entrinnsprosess. Manglende reparasjon av skader på våre DNA-molekyler kan føre til alvorlige sykdommer (f.eks. kreft) og vil altså være katastrofal for vår helse. Ved Universitetet i Tromsø har vi arbeidet mye med enzymet Uracil-DNA glycosylase (UDG eller UNG). Dette proteinet fjerner en vanlig DNA-skade som oppstår spontant i cellene og som kan føre til mutasjoner. Feilen består i at nukleinbasen cytosin (C) omdannes til uracil (U). Uracil hører ikke hjemme i DNA (men derimot i RNA). Dette kan føre til at DNA avleses feil og setter inn en annen base som forandrer selve basekoden. Slik feillesing kan dermed føre til mutasjoner. Alle celler har derfor DNA-reparasjonsenzymer som gjenkjenner og fjerner skader (i dette tilfellet uracil) fra DNA, som deretter blir erstattet med korrekt base (i dette tilfellet cytosin). Dermed kan arvematerialet holdes intakt. Cellenes evne til å reparere og vedlikeholde arvematerialet har fundamental betydning for å opprettholde informasjonen som ligger lagret i genene.

sagen kort Den biologiske informasjon har nå blitt gjenstand for egne studier, og det har kommet et helt nytt fagfelt som kalles bioinformatikk. Det viser sig at der sker masser af skader på arvematerialet hver dag. Det ville være katastrofalt om disse mutasjoner fik lov at blive liggende hvor de oppstår. Så cellens «korrekturlæsere» reparasjonsproteinerne søger for at det ikke går galt. Nobelprisvinneren Sydney Brenner hevdet nylig i tidsskriftet Nature at teorien som den berømte matematikeren Alan Turing utviklet for å beskrive datamaskiner, vil danne det nye rammeverk som moderne biologi nå trenger for å forstå livet på sitt grunnivå.

evne til at reparere “ “Cellenes arvematerialet er af vital betydning Det katalytiske hoveddomenet av UNG og hvordan dette binder til DNA, er kjent for en rekke UNG fra menneske, torsk og bakterier, se figur 7. Men i detalj hvordan reparasjonen foregår, er ukjent siden det ikke er løst noen struktur

Darwin i vores videnshuller 5

Synssans og sårheling

Figur 7. Reparasjonsproteinet UNG bundet til DNA. I tillegg kommer en kjede på 88 aminosyrene som funger lik en bevegelig «fiskestang» som gjenkjenner skaden og reparerer den. UNG er som en molekylær «urmaker» som passer på sitt DNA.

28

marts 2013

I bogen Humlebien kan ikke flyve ... findes en (enkel) beskrivelse af hvad der er på spil når øjet skal forvandle et synsindtryk til nerveimpulser. På side 6 i dette blad er omtalt hvordan et sår heles. Sagt på en anden måde handler disse to processer om hhv. mikrobiologiske (kemiske) kaskader som fotoners vej til nervesignaler og om blodkoagulationen. Altså en række kemiske processer som i en bestemt rækkefølge skubber til hinanden for at nå det ønskede resultat. Mangler blot en enkelt “dominobrik”, går processen uhjælpeligt i stå. Den kendte Darwin-i-hullerne-forklaring går på at det hele er blevet til af sig selv i evolutionens løb vha. gradvise og opsamlede mutationer. – Vort spørgsmål: Hvordan kan fejl i koden resultere i så højteknologiske processer som de her nævnte? Mutationer er jo netop fejl i koden! Peder Tyvand bemærker: -- Igjen er det det algoritmiske aspektet med valg og sekvens som forbyr at mutasjoner i det hele tatt kan komme til nytte. Bogen Humlebien kan ikke flyve … Design i naturen? Det’ et spørgsmål om fysik kan købes på abonnement@skabelse.dk Ikke-fysisk informasjon i cellen


ORIGO

• • • • •

Forklaringsboks DNA-rekombinant-teknikk = prosedyre der av naturlige celler og levende organismer brukes til produksjon av DNA og proteiner androider = kunstige organismer som etterligner mennesket genom = den samlede DNA-kode for et individ eller for en art epigenetiske modifikasjoner = gener der modifiseres uten at selve DNA i kjernen forandres biokybernetikk er navnet på det fagområdet som tar for seg styring, kontroll og regulering av funksjoner mot en felles hensikt i cellen

som viser hvordan de første 88 aminosyrene av enzymet plasserer seg. Mekanismen synes å bestå i at kjeden av de 88 ekstra aminosyrene fungerer som en bevegelig «fiskestang» som gjenkjenner skaden og fjerner den, dvs. erstatter uracil med den korrekt cytosin. Reparasjonsenzymet UNG fra torsk ble oppdaget og studert av forskningsmiljøet ved Universitetet i Tromsø (Leiros et al., 2003). Det fungerer effektivt også ved lave temperaturer siden torsken jo er vekselvarm. Enzymet brukes nå både til genetisk diagnostikk og genetisk forskning, og det selges i dag av selskapet Biotec Pharmacon med en prislapp på rundt 25 millioner kroner per gram!

Biologiske nano-roboter og fremtidsperspektiver Nanoteknologien er det nye forskningsområdet der vi kan lære av naturen og selv prøve å bygge nytt i dens bilde. Proteinene er i størrelse og funksjon et godt eksempel på en biologisk nano-robot. De er små med en typisk størrelse på noen nanometer (10-9 meter) og er som før nevnt grunnlaget for alle livsprosessene. Proteinforskningen er i dag et av de største feltene innen naturvitenskapen. Man kan kanskje spørre seg om det ikke er mulig å utføre disse prosessene på en kunstig og smartere måte? Men nei, slikt er det bare å glemme da det er i naturen vi finner den gode løsningen. De robotproteiner og molekylære motorer vi finner i biologien, er raffinert opp til høyeste nivå. Her må vi finne oss i at naturen er den store læremester, og vi er studentene. Det vi imidlertid kan gjøre, er å manipulere litt med de naturgitte vidundrene. Ikke å manipulere oss fram til nye og mer funksjonsdyktige proteiner, men kopiere og anvende dem på mikronivå i menneskeskapte maskiner og prosesser.

os frem “ “Vitil nyekanogikkemeremanipulere funktionsdygtige proteiner, blot kopiere dem …

Ikke-fysisk informasjon i cellen

Proteinenes egenskaper ligger kodet på en sekvens av aminosyrer. Denne sekvensen folder seg sammen i det tredimensjonale rommet (3-D) til det funksjonelle proteinet. Et av de største uløste problemene innen molekylærbiologi er hvordan proteinene får sin tredimensjonale struktur. I naturen skjer dette enkelt og greit (da.: ligetil) hele tiden, og hver proteinfolding skjer på et øyeblikk. Siden vi ikke kjenner eller har forstått proteinenes foldingsprosess særlig godt slik at vi selv kan reprodusere eller simulere den, er vi faktisk nødt til å benytte levende biologiske celler til å konstruere de foldede proteiner vi har bruk for. En slik prosedyre der naturlige celler og levende organismer (bakterier) brukes til produksjon av DNA og proteiner, kalles DNA-rekombinant-teknikk. Slik kan man forestille seg framtidige biologiske nano-roboter som såkalte androider, dvs. kunstige organismer som etterligner mennesket. Biologisk informasjon Vanligvis defineres liv som evnen til vekst, næringsopptak, reproduksjon og reaksjon på stimuli. Dette tradisjonelle livsbegrep kan det være nødvendig å distansere seg litt fra. Kanskje er det mer essensielle at liv er noe høyt organisert? Slike vage tanker og begreper om organisering kan presiseres ved å innføre ideen om informasjon. En strukturs informasjonsinnhold er den minimale informasjonsmengden, eller det minimale antall instruksjoner som er nødvendig for å beskrive strukturen. Men hva vil det si å være organisert på en slik måte? Det kan muligens best karakteriseres som kompleks avhengighet. En bok er f.eks. kompleks fordi ett kapittel kan være avhengig av de foregående. En hypertekst er ofte ennå mer organisert fordi hvert oppslag referer til andre. En database eller en telefonkatalog er derimot svakere organisert pga. få krysshenvisninger. Det biologiske informasjonsbegrepet kan forklares nærmere ved å tenke på systemet for personnummer som vi har i Norge. Et slikt nummer består av 11 sifre fordelt på to hoveddeler: fødselsdato (seks sifre) og selve personnummeret (fem sifre). Det har en lineær digital informasjonsstruktur. Systemet brukes for alle innbyggere i Norge. Det tredje siste sifferet angir kjønn: kvinner har partall, menn har oddetall, og de to siste sifrene i personnummeret kalles kontrollsifre og er beregnet ut fra de foregående sifrene. De elleve siffer som utgjør et norsk personnummer, er spesifikke. Det vil si det er nummeret til kun en av landets innbyggere. Ingen andre kan ha dette nummeret. Det finnes altså informasjon som er spesifikk. En annen ting som karakteriserer et slikt personnummer, er at det består av mange tall. Det er altså komplekst og består av mange deler. Informasjon kan derfor også være kompleks. Biologiens grunnleggende dynamikk er annerledes enn den dynamikk som styrer det ikke-levende. For livløse objekter er den molekylære dynamikken vi observerer, et produkt av uordnede bevegelser av milliarder av partikler, den er en slags gjennomsnittlig dynamikk. På makroskopisk nivå ser vi mønstre og orden, men på molekylært nivå er det kaoset som rår. Men livet er annerledes. Inne i levende celler er det et mastermolekyl som styrer for hver eneste skapning som lever eller har levd: DNA. Livsformenes dynamikk er ikke et

skabelse.dk

29


Origo produkt av kaos, men av svært strukturerte handlinger regissert av den molekylære mastermolekylet DNA.

nivå i uorganisk “ “Påkjemimakroskopisk ser vi mønstre og orden, men

på molekylært nivå er det kaoset som rår. Men livet er annerledes ...

Det er eksistensen av et genom og den genetiske kode som skiller levende organismer fra ikke-levende materie (Yockey 2005). Det er ingenting i den fysisk-kjemiske verden (bortsett fra livet) som har den minste likhet med reaksjoner som bestemmes av slike sekvenser og koder mellom sekvenser. Cellene i enhver organisme har som vi har sett, en innebygget informasjon som styrer alle livets aktiviteter. DNA-molekylet i kjernen er cellens informasjonssenter. Opprinnelsen til denne informasjon er en av biologiens største gåter, og dette spørsmålet er intimt knyttet til livets opprinnelse. Symbolsystemer slik vi ser dem i DNA, er unike for livet. Informasjon er informasjon, verken materie eller energi. All informasjonsbærende DNA kommer fra allerede eksisterende DNA. Noen vitenskapsmenn hevder at livets opprinnelse er så kompleks at den faktisk ikke er beregnbar og dermed for alltid vil være uløsbar innen naturvitenskapen (Yockey 2005). Genomet må i så fall ta inn og behandles som en begynnelsestilstand i biologien (Abel 2011). Dette er ingen fremmed tankegang i naturvitenskapen. Fysikken har helt siden Newtons dager skjelnet mellom begynnelsesbetingelser og ligninger som to forskjellige ingredienser for å nå fram til beskrivende løsninger.

må behandles som en “ “Genomet begynnelsestilstand i biologien I tråd med dette er den biologiske informasjon nå blitt gjenstand for egne studier. DNAs språk er kodet. Det har kommet et helt nytt fagfelt som vi kan kalle biologisk informatikk eller bioinformatikk. Dette har blitt et spennende forskningsområde i løpet av de siste 20 år. Denne forskning går i to retninger. Et viktig forskningsområde gjelder karakterisering av biologisk informasjon, dens oppbygning og funksjonsmåter. Den andre retningen som kalles Intelligent Design, er opptatt av å påvise forhold i biologien som best forklares som resultater av en intelligent begynnelse og aktivitet. Teorien Intelligent Design mener at visse trekk ved universet og ved livet forklares best ved en intelligent årsak, og ikke som følge av ikke-styrte prosesser som naturlig seleksjon. Siden Intelligent Design regner med input fra intelligente agenter, er den i direkte konflikt med deler av den klassiske versjon av darwinismen (neo-darwinismen). Som vi har sett, er informasjonen i DNA funksjonell. Den styrer biologiske prosesser. Informasjonen er preskriptiv, omtrent som en arbeidsbeskrivelse. DNAs informasjon er også spesifikk siden den er nødvendig for og styrer de spesielle biologiske prosessene. Det er en rekke forhold som skal finne sted i en bestemt rekkefølge og på en bestemt måte. I naturen finner vi spesifikk kompleksitet utelukkende lokalisert i DNA, RNA

30

marts 2013

FAKTA • Liv er baseret på præcis, højt organiseret og kompleks information. • Cellens funktioner beskrives bedst med ordene kode, sprog, motorer, etc. • Reparations-proteiner retter op mod 200.000 DNA-skader hvert døgn. • Detaljer i den molekylære mekanisme for proteiners 3D-foldning er stadig ukendte. • Personnummer-systemet efterligner cellens præcist organiserede information. og i proteiner. Ellers i naturen er denne type spesifikk kompleksitet ukjent. Hverken naturlovene eller tilfeldige prosesser er i stand til å generere denne type systemer som formidler instruksjoner. Heller ikke en maskin skaper ny informasjon, selv om den utfører en meget verdifull transformasjon av allerede kjent informasjon (Brillouin 1962).

naturen finner vi spesifikk “ “Ikompleksitet utelukkende lokalisert i DNA, RNA og i proteiner

Forskeren William Dembski argumenterer for at informasjon som både er spesifikk og kompleks, alltid kommer fra en intelligent kilde (Dembski 2002). Bare abstrakt konseptuell tenkning – formalisme – kan behandle denne type utfordringer. Formalisme kan bli overført til et fysisk medium som en beskjed eller instruks. Men formalismen forblir ikke-fysisk selv om den overføres. Det materielle kan ikke utgjøre formalismer som språk, koder, oversettelse, tolkning, programmering og logiske valg. Det må være et formuleringsnivå som inneholder selve oppskriften og et handlingsnivå eller eksekveringsnivå hvor den praktiske utførelse av oppskriften foregår (Tyvand 2009). Slike oppskrifter går også bare en vei i biologien, fra formuleringsnivå til handlingsnivå. De kan ikke reverseres, selv om det også finnes mekanismer som gjør at gener modifiseres uten at selve DNA i kjernen forandres (epigenetiske modifikasjoner). Den berømte matematikeren Alan Turing (1912-1954) utviklet det teoretiske rammeverk som gjorde digitale datamaskiner mulig. Han introduserte sine «maskiner» som en tenkt, formelt beskrevet maskin som utfører ordre etter en bestemt oppskrift eller en tabell. De ble senere kalt Turingmaskiner og benyttes ved teoretiske grunnlagsteorier innen informatikk.

vil danne den nye “ “Turingmaskiner teoretiske ramme for moderne biologi Nobelprisvinneren Sydney Brenner hevder at teorien for Turingmaskiner vil danne det nye teoretiske rammeverk som moderne biologi nå trenger for å forstå det levende liv på Ikke-fysisk informasjon i cellen


ORIGO grunnleggende nivå (Brenner 2012). I følge Brenner er den biologiske forskning inne i en krise hvor Turings arbeider vil være til stor hjelp for å komme fram til en forståelse. Han skriver også at «de beste eksempler på Turingmaskiner uten tvil er å finne innen biologien. Ingen andre steder finnes det så kompliserte systemer hvor hver organisme har en intern beskrivelse av seg selv. Begrepet om gener som den symbolske representasjon av organismen – et kodet script – er et fundamentalt trekk ved den levende verden som må innføres som selve kjernen i biologisk teori». Slik betraktet blir genene lik grunnleggende prosesser innen et mye større operativsystem.

Oppsummering

Overraskende oppdagelse

En av de overraskende oppdagelsene i den moderne biologien har vært at biologisk informasjon er organisert på en måte som likner vanlig tekst, samtidig som at cellen opererer på en måte som likner moderne teknologi. Ord og metaforer som «kode», «språk», «informasjon» og «motor» har vist seg svært nyttige for å beskrive og forstå den molekylære biologi (Kay 2000). Ordvalgene avspeiler det klassiske synspunktet om at naturvitenskap består i å lese «naturens bok». Cellen har også innebygget et stort nettverk av reguleringsmekanismer. Man ønsker selvsagt å forstå hvordan hele dette symfoniorkesteret av gener spiller sammen, ikke bare hvordan de enkelte instrumenter – vel og merke de vi har oppdaget

– spiller alene. I hver celle er det spesialiserte kommunikasjonssystemer, i tillegg til software og hardware for koder, samt systemer for å oppdage og korrigere feil. Kybernetikk er navnet på det fagområdet som tar for seg styring, kontroll og regulering av funksjoner mot en felles hensikt. Når dette gjelder prosesser i cellen, betegnes fagområdet gjerne biokybernetikk. Her gjenstår mye spennende forskning.

åbner for en meget “ “Biocybernetik spændende forskning Intelligent Design er også knyttet til ikke-reduserbar kompleksitet som ble foreslått i Michael Behes velkjente bok Darwin’s Black Box. Behe definerer ikke-reduserbar kompleksitet som «et enkelt system sammensatt av flere samvirkende deler som er tilpasset hverandre, og som bidrar til en grunnleggende funksjon, og hvor frafall av en hvilken som helst del bevirker at funksjonen opphører». Systemet forutsetter altså at alle delene settes sammen samtidig og med riktig konfigurasjon før det kan fungere. Dette betyr at ikke-reduserbare komplekse strukturer ikke kan oppstå ved trinnvise darwinistiske mekanismer. Det er mange slike ikke-reduserbare komplekser i våre celler, inklusive de molekylære motorer vi har sett på. I øvrigt henvises til artiklen i sin originaludformning på Origos norske hjemmeside origonorge.no hvor man også finder litteraturlisten. Red.

Kristen friskole midt i Bergen sentrum

Tlf. 5555 9800 Fax 5555 9820

Be om skolebrosjyre

danadm@danielsen.vgs.no www.danielsen.vgs.no

Ikke-fysisk informasjon i cellen

skabelse.dk

31


Origo

Cellemembranen 1. Den barriere cellen adskiller sig selv fra verden med, cellemembranen, overgår al menneskeskabt teknologi

Menneskets teknologi langt bagud Av førsteamanuensis Steinar Thorvaldsen, dr.scient., Universitetet i Tromsø.

Det er i de siste årene gjort mye forskning på mekanismer knyttet til cellemembranene. Hovedgrunnen til dette er at svært mange av de medisinene vi bruker, virker nettopp på transportsystemene gjennom disse. Vi skal her se på noe av det vi har funnet ut om de kanalsystemer og pumper som befinner seg i cellens membraner. Disse fungerer i et fint samspill, ja, som et virkelig mesterverk som langt overgår det menneskene har klart å få til fram til nå. Naturen er rett og slett vår førsteklasses læremester på disse fagfeltene. Dette er noe som er verd å tenke over, og som på en eller annen måte kan skape både inspirasjon og begeistring! På mikro- og nanonivå foregår tingene, som vi skal se, mekanisk. Dermed danner dette også utgangspunkt for mange medisinske og teknologiske fremtidsperspektiver. Grensene mellom biologi, kjemi og fysikk blir i våre dager mer og mer flytende, og store deler av moderne naturvitenskap er tverrfaglig. Den moderne biofysikk gir oss et spennende innblikk i hvordan fysikken på nanoskala gir en detaljert beskrivelse og forståelse av hvordan de molekylære mekanismer fungerer i de milliarder av cellene i kroppen vår. Spesielt er den velkjente kunnskapen om at like ladninger frastøter hverandre, mens ulike ladninger tiltrekker hverandre, en nøkkel for å forstå prosessene som finner sted over cellens membraner. Molekylære maskiner vitner om design Alle reaksjoner i enhver organisme trenger energi. Dette er et absolutt krav, og betyr videre at molekylære maskiner (som f.eks. ATP-motoren, se side 37) må ha vært tilgjengelig og i funksjon fra livets begynnelse. Slike molekylære motorer og kanalsystemer er eksempler på strukturer som har en innebygget ikke-reduserbar kompleksitet der deler ikke kan tas bort og strukturen fortsatt være funksjonell. Som vi skal se senere, kan ATP-motoren sammenliknes med en bilmotor eller en girkasse, og som kjent har vi ingen problemer med å gi uttrykk for at en motor er konstruert og designet av ingeniører. Det betyr vel også at ATP-motoren er resultat av et design? Hvis et spesielt fenomen ikke kan forklares ved lovmessighet eller tilfeldighet, er det gode grunner til å anse at saken har en planmessig bakgrunn i form av design. En grunnleggende kjensgjerning knyttet til kompleksiteten i en slik biokjemisk reaksjonsvei, er at den ikke er reduserbar. Hvert av de enzymene som er involvert, er absolutt essensielt for produksjonen av bl.a. ATP. Darwinistisk evolusjon ville forutsette at slike komplekse systemer utviklet seg fra noe enklere. Men i slike tilfeller finnes det oftest ikke noen enklere.

32

marts 2013

saken kort Alle celler har cellemembraner som beskytter dens dyrebare indre komponenter fra den barske verden utenfor. Men cellene må også være i stand til å transportere mange typer stoffer inn og ut for å kunne leve (oksygen, sukker, aminosyrer osv.). Dette skjer ved hjelp av høyt spesialiserte transportproteiner festet til cellemembranen. Det er to hovedtyper av disse membranproteinene som benevnes henholdsvis kanaler og pumper. I de fire artikkelerne ser vi på eksempler fra hver av de to typene, samt en spesiell to-veis pumpe. Vår viten om disse fantastiske mekanismene har vokst eksplosivt, og danner nå grunnlag for det som kalles revers ingeniørkunst (reverse engineering) der man plukker de naturgitte systemene fra hverandre for å lære hvordan de er bygd opp og designet. Disse systemene vil i mange år fremover være gjenstand for intensiv forskning. Bedre medisinanvendelse, høyteknologiske renseanlegg og kanskje nye måter å utnytte solenergien kan bli resultatet. Halve eller kvarte eller noe mindre del av prosessen genererer ikke noe ATP eller noe annet som er av verdi for cellen. Hele sekvensen av enzymer er nødvendige for å lage ATP. Men uten funksjonelle trappetrinn, hvordan kan et helt komplekst system ha utviklet seg via darwinismens naturlige seleksjon? Naturlig seleksjon er en naturlov innen biologien, men den duger lite i dette tilfellet. Dette er argumenter som mange ulike typer forskere i dag aksepterer og understreker. Noen hevder at det må ha skjedd avgjørende kvantesprang innen biologien, andre baserer sin teori på intelligent design. Disse nye perspektivene er utvilsomt utbytterike for vitenskapen som drahjelp (da.: løftestang) for å bryte ut av mye av sin vanetenking når det gjelder evolusjonens uløste problemstillinger.

eller kvarte eller noe mindre “ “Halve del av den kjemiske prosessen genererer ikke noe er av verdi for cellen.

Nanoteknologiske fremtidsperspektiver I de senere årene har forskere begynt å se på mulighetene for å skape kunstige molekylærmotorer. Nanoteknologien er det nye forskningsområdet der vi kan lære av naturen og selv Menneskets teknologi langt bagud


ORIGO

FAKTA Molekylære kanalsystemer har – også – en intelligent årsak Intelligent design er ikke fremmed tankegods for vitenskapen. Af Steinar Thorvaldsen

Designbegrepet er på vei inn som et fruktbart begrep i molekylærbiologien, og intelligent design befinner seg i dag sentralt i forhold til det som er de virkelig interessante problemstillingene i faget. Vår viten om livets ufattelige kompleksitet har vokst eksplosivt, og det er meget vanskelig fortsatt å holde fast ved klassisk darwinisme som eneste forklaring på opprinnelsen til livets kompleksitet – teorien utvides for å gi plass til molekylære design. Fra tiden før udforskningen af cellemembranens transportsystemer har vi fra vitenskapshistorien et eksempel på at kanalsystemer har blitt tolket som tegn på intelligent design. For over 100 år siden mente flere astronomer at man kunne bygge nytt i dens bilde. Visjonen om å kunne lage molekylære motorer ble lansert av Richard Feynman allerede i 1959 i hans berømte foredrag There’s Plenty of Room at the Bottom. Livets nano-motorer danner da grunnlag for det som kan kalles revers ingeniørkunst (reverse engineering) der man plukker disse naturgitte maskinene fra hverandre for å lære hvordan de er bygd opp. Som vi har sett, er de molekylære motorer nanomaskiner. En nanomaskin er en kompleks og presis mikroskopisk maskin som ellers oppfyller de vanlige karakteristika for en maskin. Det åpner seg derfor spennende perspektiver for anvendelser av disse kunnskaper fra naturen innen teknologi og medisin, og nylig har ordet nanomedisin også tiltrukket seg en del oppmerksomhet. Nano er egentlig et gresk ord som betyr dverg, men her taler vi om teknologi i målestokk 1 milliarddel meter. Fortsatt er det meste innen nanoteknologi på idéstadiet. Et av de problemene man står overfor i nanomedisinen, er at kroppen har et effektivt immunsystem som kjenner igjen fremmede elementer. Så hvis nanorobotter skal kunne fungere i vår kropp over tid, må de på en eller annen måte spille på lag med immunforsvaret vårt. Men tanken om å bruke

Menneskets teknologi langt bagud

observere kanalsystemer på planeten Mars, og disse observasjonene mente man at viste umiskjennelige tegn på intelligent liv på vår naboplanet. Teorien ble den gang diskutert i de beste tidsskrifter, og astronomen Percival Lowell var ikke den eneste respekterte vitenskapsmann i sin tid som sto bak dette standpunktet. Teorien ble først forlatt da det viste seg kanalene på Mars bygde på feilobservasjoner. SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence) er navn på de nye forskningsprosjekter som går ut på å oppdage intelligent liv i verdensrommet. Metoden består i å søke etter radiosignaler med kunstig skapte matematiske mønstre. Denne metode blir tatt seriøst av det vitenskapelige miljø, og romfartsorganisasjonen NASA er med i flere av prosjektene. I slike prosjekter utvikles det teknikker, metoder og kriterier for å detektere design.

nanorobotter innen kreftmedisinen for å «spise» og ødelegge kreftceller, er trolig noe vi i framtiden vil få høre mer om. Det er ikke bare medisinen som kan trekke lærdom av fremskrittene innen molekylærbiologien. Også en del nye rent industrielle teknologier baserer seg på en direkte etterlikning av det vi finner i naturen. Dette går under navn av biomimetics. Et eksempel på dette er framstilling av absolutt rent vann ved hjelp av den samme metoden som aquaporinproteinene. Det danske firmaet Aquaporin A/S og det tyske Membrana arbeider med denne type vannrensing. I tillegg har vi forskningsområdet for kunstig fotosyntese. Kunstig fotosyntese er et forsøk på å imitere naturen ved å bruke solenergi til å lage kjemisk energi, enten ved fotokjemisk produksjon ved å spalte vann til hydrogen, eller som i plantene ved binding av vann og karbondioksid til sukker. Alt dette er store og meget krevende forskningsprosjekter. I de følgende tre artikler skal vi se nærmere på hvordan cellemembranens molekylære transportsystemer, motorer og pumper er indrettet. Red.

skabelse.dk

33


Origo

Cellemembranen (2). Specielle proteiner i cellemembranen sikrer den præcise transport ud og ind gennem cellemembranen der kun er to molekylelag tyk.

Kun to lag molekyler Af Steinar Thorvaldsen

Alle celler har en cellemembran som beskytter dens dyrebare indre komponenter fra den barske verden utenfor. Men cellene må også kunne vekselvirke med omgivelsene for å kunne leve. Først og fremst må den kunne skaffe seg oksygen og andre forsyninger som sukker og aminosyrer. Dernest må den kunne opprettholde sin nøyaktige osmotiske balanse, altså være i stand til å regulere sitt innhold av vann. For der tredje må cellen være i stand til å bli kvitt sine avfallsstoffer. Alle disse vekselvirkninger med omgivelsene er basert på transport av mange typer stoffer inn og ut av cellen. Spesielt er mange av cellens vitale funksjoner avhengig av at den er i stand til å transportere ioner (ladde atomer) over cellemembranen. Dette gjelder for eksempel i nerveceller. Inne i hver enkelt celle er det også spesialiserte deler som kalles organeller og som ivaretar bestemte funksjoner som energiproduksjon (mitokondriene), proteinframstilling (ribosomene) og sikker lagring av arveanleggene (cellekjernen). Disse delene er også omgitt av membraner. Samlet sett inneholder en celle derfor store mengder membraner. Hvis vi studerte tverrsnittet av en celle, så ville hver del minne om et salathode delt i to, der salatbladene tilsvarte tettliggende membraner fra cellens mange organeller.

Figur 1. Cellens tolags plasmamembran. To membranproteiner er også tegnet inn.

av cellens vitale funksjoner “ “Mange er avhengig av at den er i stand til å transportere ioner over cellemembranen.

Cellemembranen har en tolagsstruktur, der hvert lag har en hydrofil (vannelskende) del og en hydrofob (vannavvisende) del. Disse to lagene settes sammen slik at de hydrofile delene vender utover mot vannet, og de hydrofobe delene pakkes sammen i midten. Med denne type design vil molekylene spontant organisere seg i en tolagsstruktur når de blandes med

34

marts 2013

vann. Den samme effekten ser vi når fett klumper seg sammen i vann. Denne form for selvansamling er en meget effektiv måte å bygge cellevegger på. Cellemembranen er imidlertid kun en tynn film som er to molekyler tykk, mens en typisk celle er mange tusen ganger større. Membranen holdes sammen av de såkalte van der Waalskrefter, ikke av direkte kjemiske bindinger. Det betyr med andre ord at den er flytende. Den type av molekyler som utgjør hoveddelen av membranen, kalles lipider (fettstoffer). Disse har som nevnt en hydrofil og en hydrofob del, men ellers kan de kjemisk sett være meget forskjellige. En typisk cellemembran kan ha opp til et par hundre ulike slags lipidmolekyler. De tre viktigste hovedtyper er kolesterol, glycerofosfolipider og sphingolipider. Disse gjør det mulig for cellen å regulere membranens bøyningsstivhet og fluiditet slik at den kan fungere optimalt. Membranen er en aktiv grenseflate i konstant bevegelse, som også er i stand til å danne funksjonelle domener og mikromiljøer, med spesielle strukturer, i det kompliserte samspillet som finner sted mellom alle kroppens celler. En betydelig del av membranens lipider har negativ ladning. Membranens transportproteiner For å kunne leve må cellen kunne kommunisere stoffer gjennom sine membraner. Her oppstår det et problem, siden noen av de viktigste stoffer som må transporteres har positiv eller negativ ladning. Energimessig sett er membranen da en barriere, siden det er for energikrevende å transportere en ladning gjennom det hydrofobe indre av membranen som frastøter all ladning. Lipidmembranen fungerer da som en ugjennomtrengelig mur. Før man kjente til cellemembranens struktur, mente man at alle typer transport i biologisk vev forgikk ved hjelp av det vi kaller mekanisk diffusjon. Et eksempel på dette er hvordan en melkedråpe spres i vann. Venter vi lenge nok, vil de tilfeldige molekylbevegelser føre til at melken fordeler seg jevnt utover i vannet, og tilslutt når en likevekt. Professor Adolf Fick (18291901) beskrev slike prosesser med det som senere fikk navnet Ficks lov om diffusjon. Lenge var diffusjon den dominerende teori for alle typer transport i biologisk vev. Man mente at stoffer vandret spontant fra områder med høy til områder med lav konsentrasjon. Men spesielt forskning på nerveceller og muskelceller viste at membranen var mer selektiv i sin transport av ioner. Problemet viser seg å være løst ved hjelp av høyt spesialiserte transportproteiner festet til cellemembranen. Disse designmolekylene muligjorde stofftransporten over membranen. Allerede i 1925 foreslo Leonor Michaelis (1875-1949) at det eksisterte spesielle ionledende kanaler i membranen, men det endelige bevis lot vente på seg. I 1963 fikk Hodgkin og Huxley Nobelprisen for ha vist at strømmene som lå til grunn for transporten, bæres av Na+ (natrium-ioner) og K+ (kalium-ioner) via separate mekanismer, og i 1980-årene fikk Menneskets teknologi langt bagud


ORIGO man de første bilder med elektronmikroskop som viste en slags trakt som ledet inn mot en smal passasje. Men stadig var det et problem hvorfor kanalene ledet visse ioner igjennom, mens andre ble stoppet. Til dette trengte man å bestemme kanalenes nøyaktige 3-dimenjonale utseende (molekylstrukturen), noe som viste seg svært krevende på grunn av de hydrofobe delene i strukturen hadde en tendens til å deformeres ved å klumpe seg sammen.

Disse spesielle membranproteinene er det nå forsket intenst på de senere årene, spesielt innen farmasien, siden de fleste medisiner påvirker nettopp membranproteinene. De deles gjerne inn i to klasser: kanaler og pumper. Vi skal i de følgende afsnit se på et eksempel fra hver av de to klassene, samt en spesiell to-veis pumpe. Red.

Cellemembranen (3). Cellenes ionkanaler er på en og samme tid både imponerende effektive og høyst selektive.

Ionkanaler som præcise filtre Af Steinar Thorvaldsen

Kalium er et viktig og nødvendig mineral og det viktigste intracellulære ion (K+) for alle celletyper. Stoffet finnes ikke naturlig i ren form på grunn av at det så lett reagerer med andre grunnstoffer. Vi mennesker får kalium spesielt via planteceller og frukt. Dets funksjon er å opprettholde den elektrolytiske balanse i cellene. I 2003 fikk amerikaneren Roderick MacKinnon Nobelprisen for forskningen som ledet fram til oppdagelsen av den poreformede kanalen i celleveggene som har en form og struktur som gjør det mulig til å gjenkjenne K+-ioner. Det viste seg å være en forbløffende god kontrollmekanisme som lar 200 millioner K+-ioner passere per sekund når den er åpen, samtidig som Na+-ionene stoppes, og dette til tross for at Na+-ionene er mindre! Hvordan er dette mulig? Jo, svaret lå i selve konstruksjonen av kanalstrukturen. Inne i kanalens hulrom er det plass til ca. 50 vannmolekyler og ett enkelt K+-ion. Dette K+-ionet vil naturlig være omgitt av en vannkappe på 8 vannmolekyler. Det spesielle er at K+-ionet vil plassere seg et bestemt sted i hulrommet, se figuren. Dette skyldes at de deler av membranproteinet som vender inn mot hulrommet, har negative ladninger som merkes av K+-ionet. Med denne tiltrekningen slipper membranproteinet å vente lenge på ionet. Siden hulrommet går halvveis gjennom membranen, er K+-ionet allerede lokket halve veien gjennom membranen før selve kontrollen starter. Kontrollen utføres av fem identiske sett med aminosyrer fra selve membranproteinet som utgjør det vi kan kalle selektivitetsfilteret. Her møter K+-ionet fem lag med oksygenatomer fra sidekjedene i proteinets aminosyrer, alle med den samme innbyrdes avstand. De fem lagene avgrenser fire ledige plasser for molekyler. Hver plass har 8 oksygenatomer omkring seg, fire på oversiden og fire på undersiden, altså det samme som K+-ionet har i hulrommet hvor det er omgitt av 8 oksygenatomer fra de 8 vannmolekylene. Dermed er veien klar for at ionet kan passere. Men hvorfor beveger K+-ionet seg videre ut gjennom kanalen? Det er to grunner til dette. For det første vil vanligvis to av de fire plassene i kontrolldelen være opptatt av vannmolekyler, og to av K+-ioner. De to K+-ionene vil fortsatt frastøte Menneskets teknologi langt bagud

Figur 2. K+ -kanalstruktur (KcsA). Kaliumkanalen danner kaliumselektive porer som gjennomhuller cellemembraner. Selve kanalen består av fire identiske proteinenheter som tilsammen danner et symmetrisk kompleks hvor den ionledende pore er i sentrum. Figuren viser et tverrsnitt gjennom kanalen, og kun to av de fire enheter rundt selve kanalen er tegnet. Proteinets hovedstruktur vises med grønn farge, og sidekjedene vises i selve kanalveggen på selektivitetsfilteret (oksygen = små røde staver). Kanalen er vist med tre K+ -ioner som er markert som røde kuler, to i selektivitetsfilteret og et i hulrommet. Videre sitter det to vannmolekyler (lilla kuler) i filteret. Membranen er angitt med vannrette streker.

skabelse.dk

35


Origo

Figur 3. Vannkanalen. Skjematisk snitt av aquaporinkanalen som slipper forbi 1 milliard vannmolekyler (røde og hvite) i sekundet, samtidig som at alt foregår på en rekke. Merk at ladningen i kanalen er konfigurert slik at vannmolekylene slynges igjennom omtrent som i en svingdør. Den amerikanske professoren Peter Agre fikk nobelprisen i 2003 for oppdagelsen av disse vannkanalene. Han er også nær knyttet til Universitetet i Oslo.

hverandre da de jo har samme ladning. På denne måten vil det bakre ionet skyve det fremre ut, samtidig som det selv rykker frem i strømmen. Den andre grunnen er at selektivitetsfilterets form er avhengig av at det er to K+-ioner til stede. Hvis konsentrasjonen av K+-ioner er for lav, endrer filteret sin molekylære struktur slik at det rett og slett lukker seg for transport av ioner. Man kan også merke seg at denne ionkanalen transporterer like mye vann som K+-ioner. Inne i cellen er det rundt ett K+-ion per 600 vannmolekyler. Kanalen er derfor i stand til å konsentrere ionene 600 ganger, noe som viser at en ren diffusjonsbeskrivelse er feil på det molekylærbiologiske nivå. Men hvorfor stoppes Na+-ionene denne ionkanalen? Grunnen til at dette skjer, er at Na+-ionene er mindre, og dermed binder de også vannmolekylene tettere til seg enn K+-ionene. Dermed foretrekker Na+-ionene å beholde vannkappen på framfor å bevege seg inn i seleksjonsfilteret som er konfigurert for å passe til K+-ioner. Kun en gang for hver 1000–10 000 K+-ioner lukkes et Na+ gjennom. Med bakgrunn i den enorme transporten som foregår, er denne nøyaktigheten enestående. Cellenes ionkanaler er på en og samme tid både imponerende effektive og høyst selektive.

36

marts 2013

Kaliumkanalen er den mest utbredte type ionkanal og finnes i ulike varianter i de fleste levende organismer. Den finnes i mange typer celler og kontrollerer et stort antall funksjoner og ligger til grunn for bl.a. nervecellenes funksjon. Vi kjenner i dag den nøyaktige struktur til flere kaliumkanaler (KcsA, KirBac1.1, KirBac3.1, KvAP og MthK). Det finnes også egne kanalproteiner som transporterer andre typer molekyler som vann og Na+. Vannkanalen er så fint justert at hver pore kan la en milliard vannmolekyler passere mellom to kontrollerende aminosyrer hvert sekund! Disse går gjerne under navnet aquaporiner, mens de som kalles aquaglyceroporiner også transporterer andre uladede molekyler, slik som glyserol, CO2, ammoniakk eller urinstoff gjennom membranen, avhengig av størrelsen på poren. De ionkanalene som vi har sett på i det foregående, letter strømmen gjennom cellemembranen. I næste afsnit skal vi se på en mer aktiv transportmekanisme, nemlig ionpumpen, der krever forbruk av energi for å drive selve prosessen. Red.

Menneskets teknologi langt bagud


ORIGO

Cellemembranen (4). Udforskningen af ATPsyntasen har afsløret en av de mest fantastiske molekylære motorer vi har sett synliggjort for våre øyne. Ionpumpen i ATP-motoren overgår

alle menneskeskapte motorer ... alle menneskeskapte motorer Af Steinar Thorvaldsen

Darwin i vores videnshuller 6

De ionkanalene som vi har sett på i det foregående, letter strømmen gjennom cellemembranen. En mer aktiv transportmekanisme vil kreve forbruk av energi for å drive selve proHvordan er det menneskelige sprog opstået? Darwin-i-hulsessen. Hva er så den molekylære bakgrunn for virkemåten til lerene-forklaringen fortæller os at sproget er opstået gradvis af denne type aktive pumper, og hvordan kommer energien inn? de dyrelyde der har været repræsenteret i evolutions løb. Sluttproduktet i stoffskiftet når vi spiser karbohydrater En af verdens førende sprogforskere, Noam Chomsky, er af (glukose), heter ATP (adenosintrifosfat), og dette brukes for en lidt anden opfattelse: å drive de mange energikrevende reaksjonene i kroppen vår. »Så vidt vi véd, er dette at besidde et sprog knyttet til en Et voksent menneske danner, og forbruker, hver eneste dag bestemt form for bevidsthedssystem, ikke blot en højere grad ATP tilsvarende sin egen kroppsvekt! ATP finnes i begrensede af intelligens. Der synes ikke at være hold i den opfattelse at mengder i cellene, så det må derfor effektivt resirkuleres slik at menneskets sprog bare er et mere kompliceret tilfælde af noget stoffskiftet kan opprettholdes. ATP-molekylet lagrer energien der forekommer i dyreverdenen.« Noam Chomsky: Sprog og kjemisk og blir derfor gjerne kalt cellens bensin. Nesten all bevidsthed, København 1968, p.45. framstilling av ATP i kroppen ivaretas av den såkalte ATP»For menneskers vedkommende er der al mulig grund til syntase. Dette er en roterende motor på nanoskala. Den krever at tro at sprogets semantiske system i det store og hele er givet tilførsel av energi fra nedbrytingen av mat i form av karbohyaf en magt uafhængig af vort bevidste valg.« Noam Chomsky: drater, fett eller proteiner. Erkendelse og frihed, København 1977, side 36. Da forskerne endelig klarte å få til gode bilder av strukSe evt. http://www.skabelse.dk/articles/771.pdf turen og virkemåten til ATPsyntasen, ble en av de mest fantastiske molekylære motorer vi har sett, synliggjort for våre øyne ATPsyntase + ADP + Pi ATPsyntase + ATP (figur 4), og forskerne Walker og Boyer fikk sine velfortjente Nobelpriser i 1997. Betegnelsen motor virker kanskje litt Syntesen av ATP skjer ved endringer ved det aktive setet søkt, men den rettferdiggjøres når man ser at den er bygget på -enhetene. Disse endringer er igjen forårsaket av opp av to maskindeler som er forbundet med en felles akse for rotasjonen av -skaftet, som roterer på grunn av protonet mekanisk utveksling av energi. ATPsyntase består av en F0som beveger seg gjennom startmotoren. Enzymet krever en og en F1-del. Den førstnevnte kan kalles startmotoren og er en protonpore som er plassert i membranen. F1-delen (også kalt F1-ATPase) er den roterende del som befinner seg utenfor membranen og består av et -skaft som roterer inne i en ring av tre -enheter og tre -enheter. Disse molekylære maskinene er avgjørende viktige i så og si alle organismer. De befinner seg i membranen på mitokondrier og kloroplast, og vi har milliarder på milliarder av slike motorer inne i oss. De benytter energien fra protoner (positive ioner) som beveger Figur 4. En modell som viser hvordan ionet (oransje kuler) passerer gjennom motoren. Den blå seg gjennom startmotoren i ringen roterer mot klokken når ATP syntetiseres. (1) Det positive ionet fastholdes av den negamembranen som energikilde tivt ladede aminosyren E (gluatamat). (2) Når ionet når den positivt ladde aminosyren R (arfor å addere en fosfatgruppe genin), frastøtes ionet som dermed løsner fra bindingen. (3) Etter å ha passert opprettholdes (Pi) til adenosindifosfat tiltrekningen mellom E og R på grunn av at de har motsatt ladning. Dette holder bindingssetet (ADP), slik at det dannes åpent slik at et nytt positivt ion kan slippe til fra siden. (4) Når det nye ion er ankommet, lukker E tilbake igjen, og syklusen kan starte på nytt. Illustrasjoner fra Dimroth et al. (2006). adenosintrifosfat (ATP).

Sproget

... alle menneskeskapte motorer

skabelse.dk

37


Origo spenningsforskjell over membranen for å virke. Når protonet beveger seg gjennom spenningsfeltet, tilføres enzymet en roterende bevegelse og dette spinnet binder ADP og P sammen til ATP. Det blir dannet tre ATP-molekyler per omdreining, og innenfor for den eksperimentelle måleusikkerhet er denne motors effektivitet målt til fantastiske 100 %. Denne typen motor overgår altså alle menneskeskapte motorer. Høy effektiviteter er et av kjennetegnene ved de molekylære motorer. Vanlig hastighet er ca. 100 omdreininger i sekundet. Det blir rundt 6000 omdreininger i minuttet, noe som er omtrent tre ganger vanlig fart på en bilmotor. Men trenger kroppen

Figur 6. Et vannhjul er en god analogi til ATPsyntase. Prosessen drives av protoner (H +). Fra www.atpsynthase.info (copyright Boris A. Feniouk).

Figur 5. ATP-syntase motorer festet til membranen. Hentet fra Inner Life of the Cell: Mitochondria animation, Harvard College.

mye energi, kan den gå enda fortere, gjerne 15–17 000 omdreininger. Da går den som motoren i en Formel 1 bil! For å kunne forstå dette, har det vært viktig å studere i detalj de energiprosesser som finner sted i den biologiske motoren.

overgår alle “ “ATP-motoren menneskeskapte motorer. Men hvordan driver så ionene pumpen? Hvordan omsettes en spenningsforskjell til rotasjon? Med kjennskap til visse aminosyrenes ladning og konfigurasjon, har biofysikerne laget en modell som er vist i figur 4. I denne modellen har den negative aminosyren E, sammen med den positive R, en nøkkelfunksjon. Ioner er ikke tillatt i membranens hodrofobe indre, men et positivt ion bundet til den negative aminosyren aspartat (E) blir nøytral slik at det kan være med en karuselltur i membranens indre uten energiomkostninger. Etter en runde møter ionet igjen aminosyren arginin (R) som positiv, og dermed vil frastøte ionet med samme ladning og skyve det ut på den andre siden av membranen. Smart, ikke sant? Som for mange andre enzymer, er virkningen av ATPsyntase også reverserbar, dvs. at store mengder ATP kan forårsake en spenningsforskjell over membranen. ATPsyntasen bruker da energien som frigjøres fra ATP til å pumpe protoner mot spenningsfeltet. I laboratoriet kan dette studeres. Motoren kan også kjøre på tomgang! Protonene hopper da med like stor sannsynlighet begge veier, og aksen svinger fram og tilbake.

38

marts 2013

Na+K+-ATPasens toveis-pumpefunksjon ATPsynteasen krever et spenningsfelt for å kunne lage ATP. Men hvordan kan ATP også brukes til å gjenskape spenningsforskjellen og den elektroniske gradienten i kroppens mange celler? Dette kan skje på flere måter, og en av de viktigste løsningene finnes hos en annen type molekylære motorer, den såkalte Na+K+-ATPasen. Dette er også en ionpumpe. Denne pumpens virkemåte er nå klarlagt biokjemisk, og i 2007 fikk vi de første tredimensjonale bildene av den som viste strukturen. I motsetning til kanaler der ionpasseringen i seg selv ikke fører til store endringer i strukturen, endrer ionene ATPasens struktur dramatisk hver gang en eller flere ioner transporteres over membranen. Energien til prosessen kommer fra ATP-molekyler som inneholder den kjemiske energi som skal til å pumpe molekyler gjennom membranen. Hva er så den molekylære bakgrunn for virkemåten til denne type pumper, og hvordan kommer energien fra ATP inn? Mekanismen er beskrevet i figur 7. Bindingssetet for ionene er inne i proteinet. Åpning og lukking av portene kontrollerer adgangsveien til bindingssetene. I tillegg endrer proteinet også formen underveis, og dermed evnen til å binde ioner. Na+K+-ATPasen transporterer ioner begge veier. Men med en forskjell: Tre Na+ transporteres ut over membranen, mens bare to K+ transporteres inn. Dermed bygger pumpen opp en spenningsforskjell. Dette er illustrert i figur 6. En ujevn fordeling av Na+ og K+ mellom cellene og deres omgivelser er nødvendig for en rekke funksjoner, og en betydelig del av organismens energiforbruk går med nettopp til denne transporten. Na+K+-pumpen er studert særlig av Jens Christian Skou ved Århus universitet som fikk Nobelpris i 1997 for sitt arbeide. Litteratur, se netudgaven af artiklen Cellemembranens transportsystem overgår all menneskeskapt teknologi som her er delt op i 4. Find den på origonorge.no. Red.

... alle menneskeskapte motorer


ORIGO

Figur 7. En modell av Na +K+ -ATPasens toveis pumpefunksjon. Det rødlige proteinet sitter i membranen, og cellens indre er nedover. Bindingsstedene for ionene er inne i proteinet, og åpning og lukking av portene styrer adgangen til bindingssetene for ionene inne i proteinet. I tillegg til åpning og lukking endrer også proteinet form underveis, og dermed evnen til å binde ionene. Pumpens kretsløp har disse hovedstadier fra venstre: (1) Den indre pore er åpen, og proteinet binder tre Na + (orange kuler). ATP (grønn kule) fra en nærliggende mitokondrie binder til proteinet. (2) Energi fra ATP fører til at den indre pore lukker, og proteinet endrer form så bindingen av Na + -ionene løsner og beveger seg ut gjennom den øvre del av pumpen. (3) To K+ -ioner (blå kuler) bindes nå til proteinet, fosfatgruppen fra ATP (grønn kule) forlater proteinet. (4) Den indre pore åpner, proteinet endrer sin form, og bindingen av K+ løsner, og disse ionene beveger seg inn i cellen. Når proteinet er tømt for ioner, er det igjen i stand til å ta imot ATP og nye Na + -ioner. Animasjon fra http://www.getbodysmart.com/

MØD også ORIGO på Facebook – skabelse.dk viser vej.

»... Men går det mon naturligt til? / At muldjord blir til gule krokus ...« spurgte Piet Hein engang i sit “Gruk” Foraarsunder. – Og selvfølgelig gør det dét. Blot vha. en masse fantastiske nano-maskiner! Og så ligner det virkelig den rene hokus-pokus. Foto: .kb

... alle menneskeskapte motorer

skabelse.dk

39


Returneres ved varig adresseændring Returadresse: ORIGO v/ Henrik Friis, Agervænget 16 7400 Herning

Tidsskriftet ORIGO er oprettet af en gruppe kristne med interesse for forholdet mellem tro og naturvidenskab.

I ORIGO og på skabelse.dk • fremføres facts om hvad vi rent faktisk véd om livets oprindelse og udvikling • lægges op til en fordomsfri diskussion af evolutionsteoriens ikoner • gives den videnskabelige kritik af darwinismen stemme • bringes nyt om forskningsprogrammet Intelligent Design (ID) og andre alternativer til den materialistiske evolutionstanke • påpeges de etiske problemer som landvindinger inden for (bio)teknik og medicin kan påføre et moderne samfund • findes artikler af både lettere og sværere karakter

Alt sammen med vægt på en saglig og videnskabeligt forsvarlig argumentation. Til sikring af det faglige niveau har Origo tilknyttet en række personer med den nødvendige naturvidenskabelige basis. Endvidere er personer med ekspertise inden for sprog og kommunikation tilknyttet bladet og hjemmesiden til åbning af vinduet i elfenbenstårnet. Kort og godt har vi ambitioner om at være en uomgængelig røst i Norden når det gælder de store livsspørgsmål videnskab, skabelse og etik. ORIGO udkommer fire gange om året. Et årsabonnement koster 200 kr. Henvendelse vedr. abonnement bedes rettet til: ORIGO / Henrik Friis, Agervænget 16, DK-7400 Herning. Tlf. + 45 35 14 35 39. Giro 730 5753

Uden skabelsestro, ingen videnskab

Videnskabens pionerer var alle teister. Men i dag får vi at vide ateismen er det eneste intellektuelt forsvarlige standpunkt, og ethvert forsøg på at genindføre Gud i forklaringerne, vil ødelægge vores muligheder for at bedrive forskning. Kunne det tænkes at den nyeste udvikling inden for fx nanoteknologi og bioinformatik kan bringe skabelsestroen tilbage til ære & værdighed? John Lennox, matematikprofessor ved Oxford, beder os i sin bog Guds bøddel overveje om ikke teisten i dag står med den bedste forklaring. Nemlig skabelsestanken udtrykt i det enkle, men fantastisk indholdsmættede udsagn: »I begyndelsen var Ordet ...« Eller tror vi hellere på at i begyndelsen var kun masse & energi? LÆS mere om bogen på skabelse.dk og KØB den hos Forlaget ORIGO på abonnement@skabelse.dk

249,- DKK Forlaget ORIGO www.skabelse.dk / origonorge.no ISSN 0109-6168

ORIGO nr 126 | marts 2013

Profile for biocosmos

Origo - om vitenskap, skapelse og etikk. Nr 126, mars 2013  

Temanummer om bioinformatikk. Naturens nanoteknologi.

Origo - om vitenskap, skapelse og etikk. Nr 126, mars 2013  

Temanummer om bioinformatikk. Naturens nanoteknologi.

Profile for biocosmos

Recommendations could not be loaded

Recommendations could not be loaded

Recommendations could not be loaded

Recommendations could not be loaded