Uređeni organizam energijom prkosi raspadu i kaosu

Atomi od kojih smo izgrađeni nastali su djelovanjem zvijezda milijardama godina u prošlosti, ali su se sada samoorganizirali i poprimili ljudski oblik kako bi se, nakon naše smrti, ponovo dezorganizirali i vratili u prirodu. Ta nas spoznaja ostavlja s pitanjem - što uopće čini razliku između živog i neživog? Isti atomi, očito, mogu u različitim razdobljima biti ugrađeni u žive i nežive tvari.

Sa stajališta kemije i biokemije, moguće je o nama razmišljati kao o nevjerojatno kompliciranom sustavu građevnih, tzv. strukturnih proteina, enzima, koenzima, fosfolipida, sfingolipida, šećernih struktura, signalnih molekula, molekula građenih od dušičnih baza s pohranjenom informacijom poput DNK, i mnogih drugih molekula i njihovih elektrokemijskih reakcija. Taj sustav trajno koristi kisik, vodu i hranu kako bi se samoodržavao. Znači, razmišljanje o životu kroz prizmu fizike ili kemije silno je komplicirano. Stoga smo se do sada najviše držali razmišljanja o našem organizmu s gledišta biologije, razmišljajući o njemu kao o nakupini trilijuna naših vlastitih stanica, te još trilijuna bakterijskih.

Nema konsenzusa o životu

Prije nego što se posvetimo analizi prepreka koje nam stoje na putu prema značajnom produljenju životnog vijeka, treba ipak najprije razumjeti što nas, uopće, čini živima? Očito, činjenica da su naše stanice žive i uredno funkcioniraju. Ali naše se stanice stalno dijele. Mogu li to činiti unedogled? Koliko dugo živi svaka naša stanica? Kako i kada umire? I kako uopće mjeriti koliko smo stari?

Na nebeskim tijelima u Sunčevom sustavu koje su naše svemirske sonde do sada posjetile nismo našli tragove života. To znači da se, barem za sada, život ne čini pretjerano čestom pojavom u svemiru, očekivanom na svakom nebeskom tijelu, te ga poznajemo samo na Zemlji. Život istražuje znanost koju nazivamo biologijom, a biolozi će reći da su za život potrebni biološki procesi poput samoodržavanja i signalnih puteva.

Neživo stanje može se utvrditi u predmetima koji nikad nisu pokazivali obilježja života, poput kamena, ili pak onih koji su u jednom trenutku bili živi, no njihove su funkcije prestale. Već sada počinje biti jasnije koliko je, zapravo, teško definirati što je uopće “živo” u odnosu na “neživo”, a definicija postaje još i teža kad se razumiju građa i način razmnožavanja virusa, viroida, priona, ili čak sintetičkih oblika “života”, za koje nije jasno trebamo li ih smatrati “živima” ili ne. Stoga nema nekog općeg konsenzusa u znanosti oko toga kako definirati “živo”.

Iskustveno znamo da su živi organizmi otvoreni sustavi koji održavaju svoju unutarnju organizaciju, tj. “homeostazu”. Građeni su od stanica, svojih osnovnih strukturnih i funkcijskih dijelova. Imaju životne cikluse u kojima rastu i razvijaju se, razmnožavaju se, a zatim stare i umiru. Uz to, imaju i svoj metabolizam, mogu se prilagođavati okolini i odgovarati na podražaje. “Život” je, stoga, obilježje nečega što održava, unapređuje ili pospješuje svoje postojanje u danoj okolini. Ta bi definicija mogla biti korisnom pronađemo li išta slično i negdje drugdje u svemiru.

Posebna zanimljivost u vezi s pojavom “života” u neživom svemiru jest što je život, kako smo do sada već mogli zaključiti iz ovog feljtona, nevjerojatno precizno uređena pojava. No u neživom svemiru bi se, prema zakonima termodinamike, “nered” mjeren entropijom trebao stalno povećavati. Kako uskladiti pojavu života na Zemlji, pogotovo spontanu, s tim temeljnim zakonima termodinamike?

Pitanje je to kojim su se, između ostalih, bavili i fizičari John Bernal, Erwin Schrödinger, Eugene Wigner i John Avery. Njihov je zaključak bio da “život” pripada klasi fenomena u prirodi gdje se neki fizikalno-kemijski sustavi, koji su otvoreni prema okolini, organiziraju kako bi smanjili svoju unutarnju entropiju. Za to im je, naravno, potrebna prilično velika energija. Nju dobivaju iz tvari ili slobodne energije koja već postoji u njihovu okolišu, tj. hrane, vode i kisika, a zatim ih odbacuju u razgrađenom obliku. To bi značilo da tvari koje unosimo u organizam, a zatim razgrađene vraćamo okolini izdisanjem i odstranjivanjem, zapravo daju energiju koja se koristi kako bi uređenost organizma prkosila entropiji, raspadu i kaosu.

Popravljanje diobe

Nekoliko je Nobelovih nagrada dodijeljeno za detaljnije uvide u to kako se stanice, naši osnovni građevni elementi, održavaju na životu i funkcioniraju. U 2001., američki znanstvenik Leland H. Hartwell, britanski biokemičar Sir Richard Timothy Hunt i engleski genetičar Sir Paul M. Nurse nagrađeni su za svoja otkrića o životnom ciklusu naših stanica. Kako bi bilo koji višestanični živi organizam normalno funkcionirao, dioba mnogih stanica u njemu treba se odvijati točno određenim tempom. Dioba stanica s jezgrama odvija se u nekoliko fazama: G1 označava prvotni rast; S označava sintezu; G2 označava nastavak rasta; a M označava mitozu, tj. diobu stanice na dvije nove stanice.

Hartwell, Hunt i Nurse otkrili su proteine ciklin i ciklin-ovisnu kinazu (CDK), koji u ljudskim stanicama kontroliraju prelazak iz jednog stadija staničnog ciklusa u drugi. Te proteine smatramo nekom vrstom “kontrolora”. Oni provjeravaju jesu li faze završene na zamišljen način, te je li se stanica pravilno podijelila. Ne podijeli li se stanica pravilno, drugi će je proteini pokušati popraviti. Ako im to ne uspije, oni će tada uništiti stanicu. Kod bilo kakve pogreške u ovom procesu, npr. podijeli li se stanica pogrešno, a uspije preživjeti, tada ona može izazvati rak i druge ozbiljne bolesti, a proteini time sprečavaju problem.

Hartwell je pomogao razjasniti način na koji je kontroliran stanični ciklus. Istražujući stanice kvasca pronašao je stotine gena koji upravljaju diobom stanice. Pokazao je i kako se stanični ciklus odmah zaustavlja dođe li do oštećenja molekule DNK. Hunt je istraživao morske ježeve i pronašao proteine cikline. Oni se ciklički nakupljaju tijekom različitih faza staničnog ciklusa, a zatim bivaju razgrađeni, imajući važne uloge u kontroli tih faza.

Nurse je pronašao gen cdc2 u kvasaca. Taj gen kontrolira prijelaz stanice iz faze G1 u fazu S, kada stanica raste pripremajući se za duplikaciju svoje DNK molekule, a zatim i iz faze G2 u M, kada se stanica dijeli. Dokazao je i postojanje analognog gena u ljudi, a to je gen CDK1. Ti geni zaustavljaju i pokreću “ciklin-ovisnu kinazu” (CDK) dodajući ili oduzimajući tom enzimu fosfatne skupine.