onsdag 22. mai 2013

Dagens ord, 22. mai 2013: ribocytt

Ribocytt - smak på det ordet. Det er dagens ord, ribocytt.

Ribo i ordet ribocytt stammer fra ribonukleinsyre, altså RNA, og ribo i ribonukleinsyre stammer fra ribose, en av de tre bestanddelene i et nukleotid, enhetene som RNA-kjeden er bygd opp av. Ribose er et karbohydrat, altså sukker. Det fikk navnet sitt av Emil Fischer, som oppdaga det i gummi arabicum i 1891. Den første sukkerarten han oppdaga i dette stoffet kalte han arabinose, og de andre stoffene, altså blant annet ribose, fikk varianter av dette navnet. Arabicum er latin og betyr arabisk, altså fra Arabia. Arabia er et gammelt ord som er kjent fra mer enn 3000 år tilbake, blant annet fra assyriske og hebraiske skrifter. Mest sannsynlig stammer det fra ei semittisk rot gh-r-b-, som betyr ‘vest’, men flere andre forklaringer er mulig. 

Cytt i ribocytt stammer fra cyta, et nylatinsk ord som man tok i bruk for å benevne celler i den tidlige celleforskninga. Det er lånt fra gresk κύτοσ, kutos, ‘urne, hylster, hvelv’. Det stammer fra den indoeuropeiske rota *(s)keu-t-, ‘dekke, innhylle’, som også er opphavet til vårt ord hud, gjennom urgermansk *hūði-. Og i samme slengen kan jeg vel nevne at *(s)keu-t- kommer av *(s)keu-, med samme grunnbetydning, som har blitt opphav til vårt ord sky.

Hva er en ribocytt? Jo, det er en encella liten organisme som driver med det samme som alle andre livsformer, å bygge orden og beskytte seg mot uorden. Livet er et svar på den grunnleggende nedbrytningstendensen som ligger i hele det fysiske universet, også kalt tidas tann, eller entropi

Forskjellen er at en ribocytt ikke har verken DNA som arvestoff eller er bygd opp av protein slik som alle organismer vi kjenner til i dag. Arvestoffet består bare av RNA, og livsprosessene drives ikke av slike enzymer som vi har, som også stort sett består av proteiner, det er RNA som driver dem også.

DNA og RNA

Både DNA og RNA er nukleinsyrer, sammensatte kjedemolekyler der hvert ledd har tre bestanddeler, fosfat som binder kjeda sammen til ei kjede, nukleobaser som koder arvestoffinformasjonen i kjeda, og et sukkermolekyl som kobler fosfatet sammen med nukleobasene.

Forskjellen mellom DNA og RNA er at sukkeret i RNA er ribose, mens i DNA er det deoksyribose. Og forskjellen mellom ribose og deoksyribose er at sistnevnte mangler et oksygenatom. Det er en liten forskjell, men viktig, fordi den gjør DNA langt mer stabilt og holdbart enn RNA, og det er grunnen til at vi kan finne intakt DNA i levninger som er tusenvis av år gamle mens mesteparten ellers er råtna vekk.

Et fortidsminne

Derfor fins det ikke noen ribocytter i dag. Det er så stor fordel å ha et mer stabilt arvestoff at alle organismer i dag bruker det. Og derfor er også ribocytter bare teoretiske organismer. Det er ingen som aner om de egentlig har eksistert, for det fins ingen spor etter dem.

Alle livsvesener som lever i dag bruker proteiner og DNA, og den samme genetiske koden, med noen få, små (men interessante) variasjoner. Proteiner er viktige fordi de bygger alle kroppens bløtstrukturer, og noen av de harde. Uten dem er ikke alle de fantastiske strukturene vi finner i dyreriket mulig. (Planteriket derimot gjør underverker med cellulose.) De er også viktige fordi de danner enzymer, som driver alle livsprosessene. DNA-et er mal for alle disse proteinene, oppskriften på en organisme. Det trengs mye energi og et stort biokjemisk maskineri for å lese av malen og bygge opp alle disse proteinene.

DNA-et og hele dette proteinmaskineriet er altså felles for alle eksisterende organismer, og det betyr to viktige ting: at vi alle har et felles opphav langt tilbake i tida. Og at det før dette opphavet kom til, må ha vært ei lang og innfløkt utvikling som førte fram til dette komplekse maskineriet. Det er her ribocyttene kommer inn.

Oksygenkatastrofen

Alt for 3,4 milliarder år sida ser vi de første tegna til at noen små encella vesen hadde begynt å utvinne energi av lyset. Evna til å utvinne energi er nøkkelen til å oppnå dette hovedmålet med eksistensen vår, å bygge orden og beskytte oss mot uorden. Disse prosessene foregikk i det stille i lang, lang tid, men en milliard år seinere var det noen som løste problemet med det giftige biproduktet til en av dem, oksygen. Dermed fikk de en veldig oppblomstring, og snart var oksygen en faktor som det var vanskelig å komme utenom i miljøet.

Denne oppblomstringa var veldig bra for disse urgamle forfedrene våre, men slett ikke bra for alle andre organismer som ikke hadde utvikla noen toleranse for denne farlige miljøgifta. Hvis det har eksistert ribocytter, kan de ha overlevd så lenge som til denne oksygenkatastrofen, sammen med et rikt mangfold av andre livsformer, hver med sin løsning på problemet med å skape og bevare orden i en timelig eksistens.

Oksygen var ikke farlig bare fordi det var giftig. Det var også ødeleggende for alle organiske kjemikalier som fløyt fritt og ubeskytta rundt i hav og på strand, og som man kunne nyttiggjøre seg uten å snylte på eller drepe andre organismer. Livet sjøl hadde oppstått i slike frittflytende kjemikalier. Skulle det gå til grunne nå, kunne det ikke oppstå på nytt igjen.

Indre fossiler

Utviklinga fram til oss som bruker DNA-maler og bygger proteiner har nok foregått i mange trinn, akkurat som utviklinga siden. Det fins levninger av livsformer som har levd for så lenge som noe over 3 og en halv milliard år sida, men disse urgamle fossilene kan ikke røpe om de har vært ribocytter eller hva som helst annet. Vi må altså gi opp den døde steinen hvis vi vil finne spor etter dem, men det fins en annen utvei: å søke i vårt eget levende indre. For årmilliardenes utvikling griper ikke bare fatt i alt nytt som fungerer, den tar også vare på alt gammelt som fungerer så lenge det ikke kommer noe nytt som fungerer bedre. 

Og i kroppene våre har vi mye RNA. Når vi skal bygge et protein, leser vi av malen til det ved å lage en kopi i RNA (også kalt tRNA), og denne kopien oversettes til protein i ribosomer, som også i det vesentlige består av RNA (såkalt rRNA). Dessuten fraktes hver enkelt av de aminosyrene som skal bygges sammen til proteinet med en tredje type RNA (mRNA blant venner). 

RNA spiller altså hovedrollen i dette maskineriet som definerer oss som moderne DNA- og proteinbaserte livsformer til forskjell fra de eventuelle ribocyttiske forfedrene våre. Men kan dette gi noen hint om eventuelle tidligere livsformer som ikke hadde denne moderne basisen? 

Hvorfor ribocytter?

Vel, det første hintet ligger i den ovennevnte grunnleggende forskjellen mellom RNA og DNA. Ribose er nemlig et ekte karbohydrat, altså CnH2nOn, der n er et vilkårlig tall, mens deoksyribose har et oksygenatom for lite til å svare til denne idealformelen. Ekte karbohydrater kan oppstå av seg sjøl ved polymerisering av formaldehyd, CH2O, som var vanlig i den oksygenfrie uratmosfæra, mens det er mer sannsynlig at en variant som mangler et oksygenatom skyldes en seinere modifisering.

Det andre hintet ligger i de andre rollene som RNA spiller i organismen. I dag består enzymer stort sett av proteiner, men vanligvis trenger de et tillegg for å kunne utføre funksjonen sin, og ikke få av dem bruker et lite stykke RNA eller forbindelser som likner RNA som dette tillegget. Derfor er det tenkelig at disse små stykkene eller variantene kan ha vært de opprinnelige enzymene, eller deler av dem, og at proteinene har overtatt hoveddelen av strukturen etter at DNA og proteiner blei det vanlige.

Katalyse

Det enzymene driver med er katalyse. Katalyse kan øke hastigheten og effektiviteten til en kjemisk reaksjon og få andre reaksjoner til å gå som ikke ville gått i uten katalysen. Derfor kan vi si at det er enzymene som driver eller egentlig utfører livsprosessene. 

Katalyse er nyttig for alt som driver med noe, og livet har jo det karakteristiske ved seg at det driver med noe. Ribocyttene hadde ikke så stort behov for det som oss fordi vi altså har dette proteinmaskineriet som er så viktig for oss og som krever en hel del energi og katalyttiske enzymer for å fungere. Men fordi de levde og dreiv med ting, trengte de noe. Antakelig kunne RNA fylle den rollen som enzymene fyller for oss. 

Livet til en ribocytt

Tenk deg at du er en ribocytt. Livet til en ribocytt var ikke så veldig forskjellig fra det vi kjenner til om bakterier i våre dager. Du svømmer rundt i vannet og har det gøy. Noen ganger kommer du opp i farlige situasjoner som du må gjøre noe for å komme deg ut av eller gå til grunne. 

Noen ganger får du lyst på mat og drar på jakt etter det som er å finne. Kanskje du er av den typen som må jakte på og drepe andre organismer for å få noe å ete. Det var nok spennende for en liten ribocytt, tilfredsstillende hvis byttet er passende, farlig hvis ikke. 

Noen ganger får du lyst til å lage kopier av deg sjøl. Det er kanskje ikke så spennende for encella organismer som for oss. Men du kan tenke deg at det var spennende. Du får følelsen en vakker dag at tida er inne. Du har samla nok materiale til å lage en kopi av RNA-et ditt, av celleveggen og alt annet du trenger for å bli to der det før var én. Så gjør du det, og håper at det går bra. Kanskje går det ikke bra. Formering er komplisert og det kan hende at ribocytter ikke hadde like finstemt kopieringsmaskineri som oss. Det kunne hende at begge kopiene var mislykka og ikke levedyktige. Men kanskje den ene levde opp, eller kanskje begge gjorde det, og da kunne begge fortsette å svømme rundt i vannet og ha det gøy. Det hadde vært verdt risikoen.

Den genetiske koden

Disse hinta som jeg har gjengitt lengre oppe her tyder altså på at det er en viss sannsynlighet for at det kan ha eksistert slike små vesener. Og det betyr at vi antakelig er et skritt videre i forståelsen av livets opprinnelse. Men det er mange skritt igjen. 

Ett viktig spørsmål er hvordan vi kom fra ribocytter til dagens DNA- og proteinvesener. Hvordan oppsto den genetiske koden? Den genetiske koden er så intelligent konstruert at det virker naturlig å tru at det ligger en intelligens bak. Hvordan har det RNA- og enzymapparatet som driver den lært hvilken kode som står for hvilken aminosyre, og hvordan kom det på ideen med å koble aminosyrer sammen til proteiner som er perfekt tilpassa de vidt varierte funksjonene de har? 

Vi kjenner ikke opphavet til den genetiske koden, men vi kjenner opphavet og utviklingshistoria til mange andre sinnrike konstruksjoner som vi finner i plante- og dyreriket, og den genetiske koden er neppe mer overnaturlig enn dem. Og i så fall må også aminosyrene ha et naturlig opphav. De må ha spilt ei rolle i livet til ribocyttene før de oppfant DNA og proteiner. De kan ikke ha oppstått fra ingenting. Nukleinsyrer (DNA og RNA) er vannkjære forbindelser og det samme gjelder aminosyrene. Det innebærer at de trives i samme miljø og altså har forholdsvis lett for å komme sammen. Men det betyr også at de ikke kan trenge gjennom en cellevegg uten hjelp. Enten har de blitt produsert i cella eller så har cella aktivt skaffa seg aminosyrer utafra. 

Aminosyrer

Våre dagers organismer klarer enkelt å utvinne energi av aminosyrer hvis de har noen til overs etter proteinbygginga. Dette var antakelig noe som også ribocyttene var utstyrt for. Andre oppgaver som aminosyrer brukes til i dag er å formidle signaler og gå inn som del av strukturer i celleveggen. Da vi begynte å produsere protein fikk vi ei stor aminosyreomsetning, og det kan tenkes at disse oppgavene kan ha oppstått som biprodukter av den, men det er også tenkelig at alle eller noen av disse oppgavene som aminosyrene brukes til i dag kan være levninger fra før proteinsyntesen. En spesielt nærliggende tanke er at aminosyrene kan ha vært hjelpestoffer i katalysen, akkurat som RNA nå fungerer som hjelpestoff for proteinenzymer som er bygd opp av aminosyrer.

Det er også nokså sikkert at det har vært aminosyrer i miljøet før oksygenkatastrofen og like sikkert at det var lite av dem etterpå. Vi finner aminosyrer på planeter som ikke har hatt noen slik oksygenkatastrofe, og de mangler ikke ute i universet heller. 

Aminosyrer tiltrekkes altså av de samme miljøene som nukleinsyrer og kan henge seg fast i dem hvis de får sjansen. Mye av det RNA-et som er involvert i proteinapparatet har «dekorasjoner» i form av proteinbiter som bidrar til å gjøre dem mer effektive. Disse er spesialkonstruert i dag, men har kanskje opprinnelig vært mer tilfeldige påheng. I våre dager er det andre enzymer som binder sammen nukleinsyrekjeder enn dem som binder sammen aminosyrekjeder, men reaksjonen går ut på mye av det samme, og aminosyrene kan opprinnelig ha hengt seg på en reaksjon som opprinnelig bare var for nukleinsyrer.

Det er påvist ved forsøk at ca. 3/4 av aminosyrene har større tendens til å henge seg fast i de RNA-sekvensene som koder for dem i dag enn i andre sekvenser. Det kan ha vært begynnelsen til systemet. I dag er koden helt symbolsk. Det har ikke noe å si om aminosyrene henger seg fast i kodesekvensen fordi kodesekvensen ligger i én ende av det mRNA-et som frakter aminosyrer til proteinbygginga mens aminosyrene henger i den andre enden. Det har vært ei utvikling fra det mer direkte til det mer symbolske, som vi ikke kjenner i detalj, ennå.

Arvestoff

Det er klart at ribocytter også var komplekse organismer, med ei lang, lang utviklingshistorie bak seg. I den proteinbyggende genetiske koden brukes nukleinsyrene som koder for aminosyrer i grupper på tre. Ribocyttene brukte dem friere, som mal for RNA-biter som hadde katalytisk funksjon, som enzymer. 

Men et arvestoff brukes til mer enn bare som mal for produksjonen av de stoffene organismen trenger til livsfunksjonene sine. Minst like viktig er det å regulere og styre dem. Av det menneskelige DNA-et er det under 2 % som har denne mal-funksjonen, og forholdet var nok ikke ekstremt mye annerledes for ribocyttene. 

Arvestoffet holder maskineriet i gang og gir organismen sin artsmessige egenart og individuelle karakter. På sitt enkleste er ikke oppgaven annet enn å samle materialer til reproduksjon og reparasjoner og til å utvinne den energien oppgavene krever, som er en stor jobb i seg sjøl. Alle organismer må altså utstyre seg for materialsamling og energiutvinning.

Før RNA

Overgangen fra bare RNA til DNA + proteiner gjorde organismene mer fleksible. Trinnet før gikk kanskje også i samme retning. Før sto arvestoffet kanskje bare for regulering mens katalysen blei utført av andre stoffer. I det aktive senteret til svært mange av de enzymene vi har i dag er det mineraler som vi må tilføre gjennom kosten. Disse mineralene sitter montert i forskjellige karbonforbindelser som festes til proteinbyggverket. 

Tanken er at det må ha vært disse mineralene og de samme eller andre karbonforbindelser som har vært de opprinnelige katalysatorene. Mange av de karbonforbindelsene vi bruker i dag er ganske kompliserte og kan neppe utvikles uten RNA eller DNA + proteiner. Men de kan gjerne være arvtakere etter enklere forløpere. 

Tidligst kan det ha vært sjølve mineralene som utførte katalysen. Organismene hadde da en mye enklere oppgave når de skulle skaffe seg katalyse, det var bare å hente seg mer av disse mineralene. Men de var langt mindre effektive enn enzymene. De tidligste livsformene må ha vært trege. Det er beregna at de kan ha brukt dager på slike prosesser som vi kan utføre på brøkdeler av et sekund. Men ved hjelp av katalysen kunne de drive prosesser som ikke ville vært mulige ellers. De aller første livsformene oppsto kanskje på slike mineraler.

RNA har en nokså regelmessig struktur som bærer preg av den systematiseringa som de forskjellige bruksmåtene har krevd. Men når arvestoffet bare skulle brukes til regulering og ikke som mal for enzymer eller enzymliknende forbindelser, trengte det ikke å være så regelmessig. Derfor kan RNA være noe som har utvikla seg som tilpasning til disse mal-oppgavene. Det er foreslått flere mulige tidligere utviklingsstadier, alle teoretiske, uten bevisbelegg, blant annet grafittskiver i stedet for sukker og fosfat, med nukleobaser i kanten.

Hva er liv?

Kan det tenkes liv uten arvestoff? Den tidligste oppgaven til arvestoffet har altså antakelig vært å regulere livsprosessene. Det vil si at spørsmålet egentlig er om det kan tenkes livsprosesser uten regulering. Hensikten med livet ser jo ut til å være mye det å regulere det slik at man kan eksportere den uorden (entropien) som truer med å bryte det ned. Disse regulerte livsprosessene gir organismen den egenarten og karakteren som ligger i det arvestoffet som regulerer dem. Tar vi vekk det, er det neppe noe liv.

Men denne styringsmekanismen må jo ha utvikla seg fra noe. Er det en skaper eller en UFOnaut som plutselig har satt inn en bit arvestoff i ei kjemisk røre som så har utvikla seg videre av seg sjøl? Vi kan ikke bevise om livet har oppstått naturlig eller overnaturlig, men igjen er det mange hint som tyder på et naturlig opphav. Det er mange fenomener i naturen som likner livsprosesser i det at de har en slags vilje til å gå en bestemt retning, for eksempel vannkjære molekyler eller molekyldeler som tiltrekkes av vannet og vannsky molekyler eller molekyldeler som skyr det. Eller osmose gjennom en membran, der ioner vandrer til den sida der det er færrest av dem. Begge fenomener som betyr mye i livsprosessene. 

Men mange livsprosesser går også ut på å motvirke dem. Å få prosesser til å gå i motsatt retning av den naturlige, som lovmessig alltid går mot nedbryting og uorden. Den mest grunnleggende oppgaven til arvestoffet er å styre prosessene i den retningen og altså motvirke de naturlige, spontane prosessene som bryter ned. Uten et arvestoff som styrer prosessene slik, tar den naturlige, spontane nedbrytinga over, det er er ikke lenger noe liv.

Fra mineral til karbon

Mange ting gjør passiv motstand mot å brytes ned fordi de har harde, har en sterk krystallstruktur eller noe sånt. Mange livsformer utnytter også slike ting for å søke ly bak dem og verne seg mot nedbryting. Andre er mjuke og varme på utsida men har et hardt skjelett inni seg for å bevare strukturen. 

Livet er en utvidelse av denne enkle passive motstanden. Fra passiv til aktiv. Et stort skritt, men det trenger ikke å ha vært så veldig komplisert helt i begynnelsen. En spontan, naturlig prosess som virker bevarende vil jo automatisk ha det resultatet at den tingen som den foregår i eller ved blir bevart lenger enn andre liknende ting. Derfor vil den ha lettere for å bli videreført og klare seg mot tidas tann enn andre ting av samme slag. 

Slike spontane, naturlige prosesser er jo ifølge definisjonen over ikke liv. Men den første gnisten av liv har antakelig oppstått da en slik prosess kom over noe som kunne regulere den, gi den egenart og karakter. Et arvestoff. Dette arvestoffet kan fra begynnelsen av ha vært veldig enkelt. Kanskje var ikke bare katalysatorene men også arvestoffet mineralsk i begynnelsen. Fosfatkjeden som danner ryggraden til RNA og DNA er jo fortsatt mineralsk, og på grunn av den er fosfor et av de viktigste mineralene i kosten vår. 

Men når dette samvirket først var i gang, kunne det utvikle seg fordi et samvirke som virka mer bevarende naturlig nok ville bli bedre bevart enn andre. Og sannsynligvis har karbonforbindelser vært involvert helt fra starten. Ingen andre grunnstoffer enn karbon har mulighet til å lage så mange forskjellige forbindelser med så mange forskjellige virkninger. En bevarende prosess er nesten nødt til å ha med karbon

Et av de viktigste hindra mot nedbryting er å bygge cellevegger, som i dag består av lange karbonkjeder, også med fosfat i den ene enden. Karbonkjedene frastøter vann men tiltrekkes av hverandre, mens fosfatet tiltrekkes av vann. Derfor danner disse molekylene dobbeltlag der karbonkjedene vender inn mot hverandre og fosfatendene ligger på ut- og innsida av det doble laget. Beskyttelsen er effektiv fordi vannkjære molekyler vanskelig kan trenge gjennom veggen, de frastøtes av de vannavstøtende karbonkjedene inne i den, mens vannsky molekyler frastøtes av fosfatet på utsida. 

Å søke ly inni slike konstruksjoner kan ha vært en vesentlig del av de første regulerte bevaringsprosessene, og kanskje også av de første spontane, som ikke egentlig var liv. I begynnelsen gikk all utvikling ut på bevaring, fordi den som var best bevart levde lengst. Men ut fra behovet for å bevare springer også behovet for å skape, som også kjennetegner alt liv, fordi den som skaper mest klarer seg bedre i konkurransen og bevares derfor bedre. Og så har årmilliardene rulla i vei med skaping og bevaring, skaping og bevaring, runde for runde inntil vi står der vi står i dag og skaper og bevarer det vi skaper og bevarer i dag. Hvem veit hva som er igjen om en ny milliard år? Kanskje er det noe, hvis vi sørger for det.

Ingen kommentarer:

Legg inn en kommentar