Voyager-nova generacija
ponedjeljak, 07.12.2009.
Evolucija
Nakon kratke povijesti svemira nadam se da ste shvatili osnovnu bit kako to vidi moderna znanost. Došli smo do formiranja galaktika i jata galaktika. Jedna od galaktika je i naša galaktika, Mliječna staza.
Mliječna Staza je skup od više stotina milijardi zvijezda među kojima je i naša zvijezda Sunce. Uz zvijezde i mnogobrojna zvjezdana jata, u međuzvjezdanom prostoru prisutni su oblaci plina i prašine. Uvijek prisutna poteškoća kod istraživanja ustrojstva naše galaktike posljedica je činjenice da se nalazimo unutar sustava kojeg istražujemo. Tako je npr. istraživanje spiralne strukture Mliječne Staze znatno složenije od sličnih istraživanja kod nekih drugih galaktika, kod kojih se spiralna struktura lako razotkriva već samo jednim "pogledom" kroz veliki teleskop. Općenito se rezultati istraživanja naše galaktike i drugih sličnih galaktika obostrano nadopunjuju i obogaćuju.
Mliječna Staza samo je jedna od mnogobrojnih galaktika u svemiru. Dvadesetih godina prošlog stoljeća započela su sustavna istraživanja galaktika. Veliki teleskopi omogućili su opažanja unutarnje strukture nama bližih galaktika. Godine 1926. Hubble je predložio prvu klasifikaciju galaktika. Hubbleova klasifikacija obuhvaća osnovne morfološke tipove galaktika: eliptične, spiralne i nepravilne galaktike.
Naša galaktika Mliječna staza spada u spiralne galaktike al ne bih ovdje više o galaktikama samo mogu spomenuti neke. Možemo kazati da nama bliske nepravilne galaktike, Veliki i Mali Magellanov oblak, kruže oko Mliječne Staze, a najmasivnija Andromedina galaktika M31 se nalazi na suprotnom kraju od naše Mliječne staze i sa njom svojim gravitacijskim poljem dominira unutarnjom dinamikom Lokalnog jata, a Lokalno jato je galaktičko jato koje sačinjava tridesetak galaktika, raspoređenih u volumen od približno jednog kubnog megaparseka.
Dakle u našoj galaktici prije otprilike 5 milijardi godina se zgusnuo i počeo zagrijavati jedan od međuzvjezdanih oblaka uskovitlanog plina i prašine. Zbog silne topline i tlaka u njegovu središtu otpočele su nuklearne reakcije i naše je Sunce počelo sjati.
Mlado je Sunce počelo djelovati gravitacijskim privlačenjem preostalog dijela oblaka, povečavalo se sve snažnije privlačeći sve osim malobrojnih čestica i nekih plinova koji su bili predaleko i putovali su dovoljno brzo da ostanu izvan njegova dohvata. Te čestice i plinovi naposljetku srastaju u planete. Vjeruje se da je Sunčev sustav nastao na takav način prije oko 4,6 milijarda godina.
Naš planet je vjerovatno bio rastaljen zbog velike topline, koja se oslobađala tijekom nastajanja Zemlje. Gušće tvari ponirale su do središta dok su se lakše izdizale prema površini. Postupnim hlađenjem planeta, lakše su tvari na površini stvorile tanku koru. Rad vulkana nastavio se nesmanjenom snagom, a rastaljena lava izbijala je na površinu, oslobađajući vodenu paru i druge plinove. Veliku količinu vode na Zemlju su možda donijeli ledeni kometi.
Prije otprilike 4 milijarde godina atmosfera je pretežno sadržavala vodenu paru (uz metan i amonijak) koja se daljnjim hlađenjem Zemlje počela kondenzirati i padati u obliku kiše. Prema najstarijim do danas pronađenim sedimentnim stijenama može se zaključiti da su ta prva mora nastala prije 3,8 milijarda godina. Danas je vodom prekriveno malo više od 70% površine Zemlje.
Voda je bila kolijevka života tijekom najvećeg dijela njene 4,6 milijardi stare povijesti. Najraniji oblici života, jednostavna zbirka organskih spojeva, razvili su se i zadržali u vodi. U stijenama starim 3,8 milijarda godina pronađene su okamine prvih poznatih organizama sličnih današnjim plavozelenim algama ili cijanobakterijama. Tijekom 1,6 milijarda godina ovi su jednostanični oblici života vjerovatno bili jedina živa bića na planetu.
Međutim postavlja se pitanje, kako je to nastao život, jer je to sasvim novi oblik u svemiru. Znanstvenici danas vjeruju kako se prirodnom selekcijom barem u načelu može objasniti razvoj od te prve prabakterije stare 3.8 milijardi godina do čovjeka. Zapravo je veći problem nastanka prve bakterije iz molekula CO2, CO, NH3, CH4, HCN itd. Problem se opet može pojednostaviti pretpostavljajući djelovanje prirodne selekcije i prije pojave prve bakterije. Netko je pametno zaključio kako prirodna selekcija djeluje samo na replikativne sisteme, a to znači sisteme koji mogu kopirati sami sebe. Može li postojati nešto jednostavnije od bakterije što može kopirati samog sebe? Možda vam na pamet padaju virusi. Oni su manji i jednostavniji od bakterija. Krivo! Virusi nisu u stanju kopirati sami sebe, već ulazeći u bakteriju prisiljavaju tu bakteriju na proizvodnju drugih, takvih istih virusa. Virusi nisu dakle u stanju sami sebe kopirati.
Otkriveno je da molekule RNK mogu ponekad djelovati poput enzima, ponašati se poput proteina. Velika je uloga RNK u proizvodnji proteina. Ti i još neki drugi razlozi upućuju na to da su najprije postojale RNK molekule, a kasnije su došli proteini i DNK. Sve je, dakle, moralo započeti s prvom RNK molekulom koja je bila u stanju samu sebe kopirati. A što je to RNK molekula?
Ribonukleinska kiselina (RNK) je polimer nukleinskih kiselina koji se sastoji od kovalentno vezanih nukleotida. RNK nukleotide čine riboza i uracil za razliku od deoksiribonukleinske kiseline (DNK), koja se sastoji od deoksiriboze i timina. RNK nastaje transkripcijom DNK pomoću enzima koje nazivamo RNK polimeraze. RNK služi kao uzorak za translaciju gena u proteine, prijenosom amino kiselina na ribosome koji prevode transkript i ključni su u stvaranju proteina.
Kad jednom postoji takva samoreplicirajuća molekula moguće je, barem u grubo, shvatiti kako se evolucijom takve molekule nakon manje od 800 milijuna godina razvila prva bakterija. Put od samoreplicirajuće RNK do prabakterije jednako je tako težak kao od prabakterije do čovjeka, ali možemo vjerovati da je uz dovoljno dugo vremena i djelovanjem prirodne selekcije to gotovo bila nužnost. Dakle čitav život je nastao iz te prve prastanice. Naveo bih sličnost između svih živih bića npr vinska mušica i čovjek imaju 70 % identičan DNK a čovjek i čimpanza 98 % koji idu u potvrdu ovih teza. I kasniji razvoj, na koji nam ukazuje teorija evolucije.
Teorija evolucije je jedna od najbolje dokazanih ideja u modernoj znanosti, i predstavlja kamen temeljac moderne biologije, biokemije i medicine.
Materijalni dokazi evolucije su:
- paleontološki
- usporedbenoanatomski
- fiziološki i genetički
- dokazi iz geografske rasprostranjenosti živih bića
- molekularnobiološki
Evolucija počinje od prvog bića sposobnog za reprodukciju, i nema direktne veze sa nastankom života. Mi još uvek ne znamo kako je prvi jednostanični organizam na Zemlji nastao.
Moderna biotehnologija zavisi velikim dijelom od bioinformatike, a bioinformatika je skoro u potpunosti bazirana na teoriji evolucije. Potraga za genima koji su povezani sa nekim određenim biološkim procesom može trajati više godina...ili nekoliko sati, uz pomoć bioinformatičkih alata koji usporede genetski razvoj kroz vrijeme preko dijagrama evolucije. Mnogi moderni lijekovi i tretmani su nastali na osnovu ovakvih analiza, i predstavljaju još jedan dokaz evolucije: da evolucija nije istinita, bioinformatička analiza bi davala besmislene rezultate, i oni bi bili neupotrebljivi za razvoj bilo čega.
Pored bioinformatike, evolucija se sve češće primjenjuje u laboratorijama za optimizaciju ili pronalaženje rješenja za neki biokemijski problem. Uz pomoć tzv. “usmjerene evolucije”, znanstvenici danas proizvode nove proteine i organske supstance koje imaju široku upotrebu u industriji i znanosti. U prirodi postoji činjenica evolucije: sistema koji kroz selekciju nad genetskom raznolikošću izazvanu mutacijama, izaziva promjene u osobinama živih bića. Jedan aspekt evolucije koga smo bolno svjesni je, na primjer, stalna evolucija HIV virusa koji razvija otpornost na lijekove koje proizvodimo, ili evolucija otpornosti na antibiotike kod bakterija. Teorija evolucije je stvorena da objasni činjenicu evolucije i da nam omogući model pomoću koga možemo da proračunamo daljni razvoj živih organizama, kao i da otkrijemo način na koji su nastali.
Ali ono najvažnije je dakle stvaranje te prve samoreplicirajuće RNK molekule, zato treba uzeti račun vjerojatnosti kod izračuna nastanka prve samoreplicirajuće RNK molekule od koje se dalje razvio sav život. Ona nam govori kolika je vjerojatnost da se dogodi taj događaj.
Molekula RNK je lanac koji se sastoji od niza manjih međusobno povezanih ribonukleinskih baza. Tih baza ima četiri vrste. Svaku bazu možemo shvatiti kao jedno slovo. O redoslijedu tih slova ovisi kako će se ta molekula ponašati, kakvog će oblika biti itd. Tako su na primjer današnje tRNK (poseban skup RNK molekula) sposobne prepoznavati tri “slova” u nizu na jednoj drugoj RNK molekuli i tako omogućavaju proizvodnju proteina. Današnje tRNK molekule sadrže u sebi 70-80 slova (baza). Prva samoreplicirajuća RNK morala je biti složenija od današnjih tRNK, morala je biti u stanju samu sebe kopirati pa je razumna pretpostavka da se sastojala od najmanje 100 slova. Ona je mogla slučajno nastati. Možemo pretpostaviti da je u to doba u tadašnjem praoceanu bilo mnogo organskih molekula, aminokiselina, nukleinskih baza… i da su postojali procesi polimerizacije (stvaranja lanaca) gdje su se slova nasumično dodavala i spajala. Koja je vjerojatnost pojavljivanja takve kombinacije od 100 baza koja je sposobna za samoreplikaciju?
Treba ispitati koliko ukupno mogućnosti ima. Prvo slovo može biti bilo koje od 4 vrste slova, dakle četiri kombinacije. Za bilo koju od tih četiri kombinacija drugo slovo može biti opet bilo koje od četiri. To je 4 puta 4 kombinacija, odnosno 16 mogućnosti. Svaka od tih 16 mogućnosti može se kombinirati opet s bilo kojim od 4 slova na trećoj poziciji. To je 16 puta 4. Tri baze ili 64 kombinacije. Svako sljedeće slovo tako povećava broj kombinacija 4 puta. Četiri slova će tako imati 256 kombinacija, a pet slova već 1024. Zbog jednostavnosti zaokružimo taj broj na 1000. Pet slova čini oko 1000 kombinacija. Dodamo li još pet slova to je novih 1000 kombinacija gdje svaka od tih 1000 kombinacija od dodatnih pet slova može biti kombinirana s bilo kojom od 1000 kombinacija prvih pet slova. Deset slova sadrži 1000 puta 1000 kombinacija, a to je milijun, broj koji se piše sa šest nula. Novih pet slova, tisuću puta veći broj kombinacija. Petnaest slova ima milijardu kombinacija koja se piše s devet nula ili što bi znanstvenici rekli, to je 10 na 9-u kombinacija. Svaka nova grupa od 5 slova dodaje nove tri nule ukupnom broju kombinacija. Kad stignemo do kraja, do sto slova, dobit ćemo nezamislivo veliki broj kombinacija koji se piše s 60 nula. Taj bi se broj mogao ovako izgovoriti - to je milijun milijardi milijardi milijardi milijardi milijardi milijardi! Ukoliko želite imati realne šanse za slučajno pojavljivanje samoreplicirajuće RNK morate imati barem otprilike toliko pokušaja.
Zamislimo litru vode praoceana. Neka se u njoj tijekom određenog razdoblja formiralo (i razgradilo!) oko 10 na 20-u molekula RNK duljine 100 slova. Taj praocean sadrži recimo također oko 10 na 20-u litara. Ukupno dobivamo oko 10 na 40-u različitih pokušaja. To je 10 na 20-u puta manji broj od onog koji nam je potreban! Čak i kad bi pretpostavili da je to trenutno stanje i da se svake sekunde dobiva novih 10 na 40-u molekula, bilo bi potrebno onda čekati 10 na 20-u sekundi i pojavila bi se samoreplicirajuća RNK. Zvuči razumno, ali koliko je to 10 na 20-u sekundi? Vjerovali ili ne, rijetki su ljudi koji dožive svoju trimilijarditu sekundu života. Milijardu sekundi je 31.7 godina. Deset milijardi sekundi ili 10 na 10-u sekundi je dakle više od 3 stoljeća. Treba vam (provjerite) oko 3000 milijardi godina za pojavu samoreplicirajuće RNK na Zemlji, a to je 200 puta više od starosti svemira!
Da razmotrimo drugu mogućnost. Možda je u litri vode bilo 10 na 40-u molekula? To je nemoguće jer u jednoj litri vode ima “samo” oko 10 na 25-u molekula vode, a molekule RNK su barem tisuću puta teže od molekule vode pa kad bi u litrenoj boci imali samo molekule RNK bilo bi ih oko 10 na 22-u. Nedostaje nam dakle 20 nula, a na Zemlji nemamo ni dovoljno prostora ni vremena za “uguravanje” još tih 20 nula. Ako nam nedostaje 20 nula onda je vjerojatnost pojavljivanja života na Zemlji jednaka vjerojatnosti izvlačenja jednog jedinog zrnca zlata iz prvog pokušaja, ne gledajući, iz hrpe pijeska, uz napomenu kako je ta hrpa pijeska visoka kao Maunt Everest (oko 10 km). Kolike su vam šanse? Jedan naprema 10 na 20-u!
Dakle na Zemlji nije bilo ni dovoljno prostora ni vremena za 10 na 60-u pokušaja stvaranja samoreplicirajuće RNK. Zašto onda ne uključiti i druge planete? U našoj galaktici ima, oko 10 na 11-u zvijezda. Razumna je pretpostavka kako otprilike oko svake desete zvijezde kruži planet sličan Zemlji na kojem su vladali slični uvjeti kao i na Zemlji prije 4.6 milijardi godina i da je na svakom od tih planeta bilo također 10 na 40-u pokušaja stvaranja samoreplicirajuće RNK. U našoj galaktici bilo je dakle 10 na 40-u puta 10 na 10-u pokušaja što iznosi 10 na 50-u. Još uvijek smo kod broja koji je 10 na 10-u puta manji od potrebnog. Sada je vjerojatnost pojavljivanja života u našoj galaktici (ne na Zemlji) jednaka otprilike ovoj vjerojatnosti:
svi ljudi svijeta, uključujući i tek rođenu djecu, igraju super loto, a glavni zgoditak dobivate baš vi! Naša galaktika ipak nije dovoljna. Vjerojatnost pojavljivanja prve samoreplicirajuće molekule postat će realna tek kada u igru uključimo 10 na 10-u galaktika uz pretpostavku kako u svakoj od tih galaktika postoji 10 na 10-u planeta na kojima je bilo 10 na 40-u pokušaja spontanog stvaranja samoreplicirajuće RNK. Ukratko, izgleda da u igru moramo uključiti čitav vidljivi svemir kako bi stigli do broja od 10 na 60-u pokušaja te dobili realnu šansu za pojavu prve samoreplicirajuće molekule negdje u ovom svemiru, u nekoj galaktici, na nekoj planeti.
Oni koji žele život shvatiti kao nešto prirodno, samo po sebi razumljivo, kao nešto što je ugrađeno u ovaj svemir, zamišljaju ovaj svemir gusto naseljen životom. Pravi razlog za takvo razmišljanje zapravo je negiranje postojanja Boga, jer ako život postoji samo na Zemlji, to bi onda značilo kako je Biblija u pravu, a ovaj svemir stvoren zbog čovjeka. Tako nešto mnogi ne mogu prihvatiti.
Vjerovanje kako se život rađa sam od sebe, svuda širom svemira, je isto toliko naivno kao i nekadašnje vjerovanje o spontanom nastanku crva, žohara pa čak i miševa iz prljavštine. Zar je dakle zaključak da smo sami u svemiru? Ne! Nismo sami! Bog je s nama!
