Grunnlag for liv [8] 8290388993, 8290388330 [PDF]

Zitiervorschau

VITENSKAPENS VERDEN

GRUNNLAG FOR LIV Redaksjonen: Linda Gamlin og Gail Vines Norsk oversettelse og bearbeidning: Bjørn Grinde og Olav Hungnes

ILLUSTRERT VITENSKAPS BIBLIOTEK

Innhold Forord

3

Cellens oppbygning 1 2 3

5 19 31

Livets kjemi Livets opprinnelse Cellestruktur og evolusjon

Livsfunksjoner 4 Utvikling 5 Opprettholdelse av liv 6 Energi- og temperatur­ regulering 7 Koordinering 8 Bevegelse 9 Sanser 10 Forsvarsstrategier 11 Formering

Ordliste Register

37 45 61 69 81 89 101 111

125 126

VITENSKAPENS VERDEN □ «Grunnlag for liv» O Norsk utgave © Norsk Fogtdal A/S 1988 □ 2. opplag 1990 □ Norsk redaksjon: Marte Askeland □ Engelsk originaltittel «The Evolution of Life» □ © Equinox (Oxford) Ltd. 1986 □ Redaksjon: Linda Gamlin og Gail Vines □ Forfattere: Dr. Jonathan Adams, Dr. Michael Benton, David Burnie, Dr. Euann Dunn, Linda Gamlin, Jerry Lockett, Dr. Peter Forey, Dr. Peter Moore, Dr. Howard Platt, Dr. An­ drew Pomiankowski, Dr. Andrew Scott, Dr. Brian Tomsett, Dr. Bryan Turner, Dr. Martin Wells og Dr. Stephen Young □ Sats og trvkk: Laursen Tønder □ ISBN 82-90388-99-3 (24 bind komplett) □ ISBN 82-90388-33-0 (bind 8 «Grunnlag for liv»).

Forord Charles Darwins evolusjons-teori, om det naturlige ut­ valg som drivkraft for utviklingen av nye organismer, la sammen med Gregor Mendels arvelighetsforskning grunnlaget for den moderne biologien. Darwin var den første til å formulere det enkle prinsippet at en orga­ nisme som er godt tilpasset sine omgivelser, vil få flere avkom enn en slektning som er dårligere tilpasset. Dersom avkommet arver disse tilpasningene fra sine foreldre, vil det i neste generasjon være forholdsvis flere individer som er godt tilpasset. For at dette skal føre til evolusjon - det vil si at artene forandrer seg over tid - er det nødvendig at avkommet ikke er helt likt foreldrene. Mendels arbeide ga den første gode beskrivelsen av hvordan egenskapene går i arv fra ge­ nerasjon til generasjon ved at de overføres som «fakto­ rer» - senere kjent som gener. Genene forandrer seg stadig ved mutasjoner og rekombinasjoner. Vår forstå­ else av evolusjons-prosessen ligger bak all biologisk innsikt, og er derfor også fundamental for den biologi­ en som blir presentert i denne boken. Evolusjons-teorien ble utviklet på bakgrunn av ytre observasjoner - det vil si studier av synlige likheter og ulikheter mellom arter og mellom individer innen en art. Parallelt med dette arbeidet andre med livspro­ sessene fra den andre siden - innenfra. De studerte de kompliserte biokjemiske prosessene som finner sted i hver minste levende celle. Vårt århundres store biolo­ giske gjennombrudd har vært på de områdene der de som arbeidet utenfra og innenfra møttes. Vi kan nå forklare på molekylnivå hvordan en muskel trekker seg sammen eller hvordan øyet omformer lys til elek­ triske nerveimpulser. Det største gjennombruddet skjedde imidlertid i møtet mellom biokjemien og den klassiske genetikken. Da James Watson og Francis Crick på 50-tallet av­ slørte arvestoffets (DNA) struktur, falt en mengde biter på plass. Med ett slag kunne man i kjemiske vendinger forklare hvordan DNA-molekylene gir opphav til ko­ pier av seg selv, og samtidig hvordan DNA styrer pro­ duksjonen av proteiner som, i form av enzymer, orga­ niserer cellenes biokjemiske prosesser. I løpet av få år klarte man å kartlegge den eksakte DNA-koden for syntese av proteiner. Mysteriet omkring arv av egen­ skaper hadde funnet sin løsning på molekyl-nivå. Utviklingen av den molekylære genetikken har etter dette vært rivende, fram til vi nå med rekombinant gen-teknikk kan endre en organismes genetiske sam­ mensetning. Dette åpner for enorme muligheter, både i biologi, medisin og teknikk.

På noen områder har riktignok fremgangen i biolo­ gisk innsikt vært raskere enn på andre - den moleky­ lære genetikken ligger langt fremme, mens felt som embryologi (fosterutvikling) og etologi (studier av ad­ ferd) henger noe etter. Også på disse feltene arbeides det både innenfra (med molekylære teknikker) og utenfra (ved studier av hele organismer). Det er all grunn til å tro at man også her vil møtes, slik som de klassiske genetikerne og biokjemikerne gjorde. På noen felter, som for eksempel hjernens virkemåte, er spranget fra biokjemisk forståelse til det vi kan obser­ vere med øyet fortsatt stort. Det er et anerkjent mål i biologien å bli istand til å forklare alle livsprosessene på kjemisk nivå. Dette innebærer ikke noen trivialisering av livet, men gir oss heller mer å undres over. Kunnskapene har sin egen­ verdi, det er tilfredsstillende å kjenne til hvordan vi og andre organismer er skapt. I tillegg til dette har de også nytteverdi, fordi de forteller oss hva som er til vårt eget beste, og til beste for alle de fascinerende skapningene vi lever sammen med. Denne boken starter med å gi en kort innføring i de viktigste biokjemiske prosessene som foregår i alle celler (kapittel 1-3). I disse kapitlene kommer vi også inn på hvordan livet oppsto på jorden, og hvordan evolusjonen har ført livet fra de første, enkle celler til dagens mylder av celle-typer og livsformer. Kapittel 4 tar for seg hvordan de mer kompliserte, flercellede organismene utvikler seg fra en befruktet eggcelle til kompliserte individer bestående av milliar­ der av celler. Alt liv er avhengig av energi for å opp­ rettholde aktiviteter og for ganske enkelt å unngå å bli brutt ned til enkle, uorganiserte kjemiske forbindel­ ser. Dette er tema for kapittel 5 og 6. I kapittel 7 tar vi for oss hvordan flercellete dyr og planter har utvik­ let systemer for å koordinere aktivitene til de forskjelli­ ge deler av kroppen, i form av kjemiske budbringere og i form av nervesystemer. Kapittel 8 ser på hvordan det er mulig, med ut­ gangspunkt i biokjemien, å få til bevegelse. Kapittel 9 omhandler metoder en organisme kan benytte seg av for å registrere hva som foregår i dens omgivelser. Både dyr og planter lever i en konstant krig med andre arter, først og fremst ved at vi alle er potensiell føde for andre arter. Kapittel 10 tar for seg forskjellige måter å forsvare seg på. Bokens siste kapittel er viet det som egentlig avgjør en arts suksess, nemlig evnen til å for­ mere seg. Bjørn Grinde og Olav Hungnes

Livets kjemi Levende cellers kjemi... Karbohydrater, livets drivstoff... Mettede og umettede fettsyrer... Aminosyrer, proteinenes byggestener... Enzymer, cellens katalysatorer... Bruk av energi... DNA og RNA, formering av celler... PERSPEKTIV... Grunnleggende kjemi... Gnisten til liv... Metabolisme-jungelen... Slik virker en muskel... Oppdagelsen av DNAets struktur.

I 1897 forsøkte de tyske apotekerne Hans og Eduard Buchner å fremstille et gjær-ekstrakt for medisinsk bruk. For å konservere sitt celle-frie ekstrakt tilsatte de datidens vanlige konserveringsmiddel i husholdningen, sukker. Sammensetningen førte imidlertid til overraskende resultater, i løpet av natten begynte innholdet i flas­ ken å skumme og fråde, og sprengte til slutt av korken. Stikk i strid med alle forventninger hadde det skjedd gjæring i beholderen. Datidens oppfatning var, som fremsatt av Pasteur nesten 30 år tidli­ gere, at bare levende organismer kunne frembringe gjæring, eller fermentering som er prosessens mer generelle navn. Delvis hadde Pasteur rett, bare levende ting kan gi opphav til prosessen, men Buchner-brødrene hadde oppdaget at den kunne fortsette utenfor cellen. Senere forsøk med muskelvev viste at flere av de kjemiske pro­ sessene kjent fra gjær også fant sted hos dyr. Dette antydet en grunnleggende likhet hos alt liv, noe alle senere observasjoner har bekreftet. En hel rekke av fundamentale «livsmolekyler» fins i alle organismer. Videre har man funnet at levende vesener består av nøyaktig de samme atomer som resten av universet, og at livspro­ sessene følger vanlige kjemiske lover. Likevel er livets kjemi anner­ ledes nok til at den ble gjort til en egen vitenskap, «biokjemi».

Hydrogenmolekyl

Natnumkloridmolekyl (NaCI)

Litt grunnleggende kjemi Et grunnstoff er betegnelsen på et stoff som ikke lar seg bryte videre ned ved kjemiske reaksjoner. Universets materie består av 92 naturlig forekom­ mende grunnstoffer. Hydrogen er det letteste, uran det tyngste. Hvert grunnstoff har fått sitt kjemiske symbol, slik at O står for oksygen, H for hydrogen og Na for natrium. Et atom er det minste fragmentet av et grunnstoff som fremdeles har grunnstoffets egenskaper i behold, og som kan delta i kjemiske reaksjoner. Vi tror at atomene består av en liten kjerne med protoner, som er positivt elektrisk ladde, og uladde nøytroner. Antallet protoner i et atom definerer hvilke grunnstoff det tilhører. Kjernen er omgitt av et antall negativt ladde elektroner. Vanligvis er antallet protoner og elektroner i et atom likt, men i et ion er det enten overskudd eller underskudd av elektroner, noe som gjør ionet negativt eller postivt ladd. Elektronene rundt et atom er organisert omtrent som skallene i en løk, og det er først og fremst det ytterste «elektronskallet» som bestemmer kjemiske egenskaper. Kun få atomer har helt stabile elektron­ skall, de fleste danner lett bindinger med ett eller flere andre atomer og blir til molekyler. Molekylene har mer stabile elektronskall. Når to atomer deler elektroner mellom seg, er de kovalent bundet til hverandre. Ett delt elektron fra hvert atom gir en enkelt bind ing. / hydrogenmolekylet bidrar hvert av de to atomene med ett elektron til et felles elektronskall (1). Molekylet kan skrives som H2 eller H-H, hvor bindestreken symboliserer enkeltbindingen. Atomer kan også dele to elektronpar i en dobbeltbinding, som i oksygenmolekylet (2), som skrives O2 eller 0=0. Når to hydrogenatomer deler elektroner med ett oksygenatom, danner de et vannmolekyl (3), som skrives H2O eller H-O-H. Den siste skrivemåten viser at hvert hydrogenatom har en enkeltbinding til oksygenatomet, men at hydrogenatomene ikke er direkte bundet til hverandre. Vann er et eksempel på en kjemisk forbindelse - et stoff som inneholder flere grunnstoffer i et bestemt forhold, i vannets tilfelle 2 hydrogen for hvert oksygen. Oksygen og hydrogen deler riktignok sine ytre elektroner i vannmolekylet, men ikke helt likt. Oksygen trekker kraftigere på elektronene enn hydrogen, og får derfor en svak negativ ladning, mens hydrogendelen blir svakt positiv. Molekylet sies å være «polart». I en annen type binding, ionebinding, deles ikke elektronene i det hele tatt. I stedet overføres et eller flere elektroner fullstendig fra ett atom til et annet. Slike loner vil tiltrekke hverandre på grunn av sin motsatte ladning. Koksalt (4) består av natriumioner (Na+) ionebundet til kloridioner (Cl ). En tredje type binding er hydrogenbindingen, der atomer som hører til i forskjellige molekyler (eller for­ skjellige deler av et stort molekyl), «deler» et hydro­ genatom. Disse bindingene er svake, og dannes og brytes derfor lett. På tross av denne egenskapen har de meget karakteristisk lengde og retning, og spiller en viktig rolle ved dannelsen av store molekylers (for eksempel proteiners) tredimen­ sjonale struktur.

6 Vann og karbons spesielle egenskaper gjør liv mulig

Hydrogenbindinger og vannets struktur

▲ Cirka 70 prosent av en celle er vann, og livet har enorm nytte av dets spesielle egenskaper. Fordi vannmolekylene er polare (se side 5), danner de hydrogenbindinger mellom hverandre. Vann holder seg derfor som væske, og fordamper lite, over et mye større temperaturomrade enn det ville ha gjort uten hydrogenbindingene. Dette gir vannbaserte organismer stor stabilitet. I tillegg gjør vannets polare struktur at molkylene kan «klynge» seg til andre polare molekyler, slik at de løser seg i vannet. De fleste reaksjoner i en celle foregår i vandig løsning.

Spesielt for biokjemien er dens avhengighet av enzymer. Dette er proteinmolekyler som virker som katalysatorer ved å føre andre molekyler sammen og få dem til å reagere raskere med hverandre enn de ellers ville ha gjort. Enzymer er, som andre proteiner, bygd opp av aminosyrer. Proteiner er en av de fire hovedtypene moleky­ ler som fins i alle levende organismer. De andre er karbohydrater, fettstoffer og nukleinsyrer. Karbohydrater: energikilden Karbohydratene (sukker-forbindelsene) er kanskje de mest tallrike molekylene i levende organismer. De fungerer som næring ved at de gir fra seg energi når de brytes ned. De enkleste karbohydra­ tene er monosakkarider, som for eksempel glukose (druesukker). Disse består av ringer eller kjeder med tre, fem eller seks karbonatomer. Monosakkarider kan bindes sammen to og to til disakkarider (di=2), slik som det vanlige husholdnings-sukkeret. Alternativt kan de danne store polysakkarider (poly=mange) med tusenvis av enkeltringer i lange, mer eller mindre forgrenede kjeder. Det fins bare noen få titalls forskjellige alminnelige monosakkari­ der, men de kan settes sammen på mange forskjellige måter, og gir dermed opphav til et utall forskjellige strukturer. En viktig rolle for polysakkarider er å tjene som energilager - i form av glykogen hos dyr og stivelse hos planter. Glykogen, som lagres i leveren, kan raskt omdannes til glukose. Det er dette energilageret som holder oss i gang mellom måltidene, først ved lengre tids faste vil fettreservene mobiliseres. Stivelse er det viktigste næringsstoffet i poteter og korn. Den smaker ikke søtt, like fullt er den bygd opp av sukkermolekyler. Men karbohydratene har også andre viktige oppgaver, blant annet som byggemateriale. Cellulose gir plantene deres stivhet, og insektenes ytre skall består av kitin. Begge er polysakkarider. Monosakkaridene ribose og deoksyribose inngår i nukleinsyrene RNA og DNA, som utgjør arvestoffet hos alle organismer. Livsgnisten Troen på at liv har fundamentalt forskjellige egenskaper i forhold til dødt materiale, førte til at man satte skille mellom uorganisk og organisk kjemi. Den sistnevnte befattet seg utelukkende med substanser som kom fra levende organismer. Lenge trodde man at slike forbindelser var spesielle, og bare kunne lages i levende vev. Men i 1828 greide Frederick Wohler å syn tetisere (fremstille) den organiske forbindelsen urea fra ammoniumcyanid, som er et uorganisk stoff. Siden den gang har organisk kjemi vært regnet som vitenskapen om karbonets kjemi. Likevel, på tross av Wohler og Buchner-brødrenes oppdagelser, tok det lang tid for «vitalismen» å dø ut. Mange mennesker ønsket å tro at livets kjemi var annerledes, og så sent som på 40-tallet var det vi­ tenskapsmenn som mente at DNA måtte ha unike kjemiske egenskaper - en slags «livsgnist». For disse må Watson og Cricks oppdagelse av DNAets spiralstruktur, med helt alminnelige kjemiske bindinger, ha vært en skuffelse. ◄ Insekter slik som denne vannløperen utnytter overflatespennin­ gen til å gå pa vannet. Spenningen oppstår ved at hydrogenbin­ dinger mellom vannmolekylene i væskeoverflaten trekker seg sammen og danner en «hinne». Vannets høye overflatespenning er avgjørende for mange livsprosesser, for eksempel vanntransport fra roten og oppover i planter.

LIVETS KJEMI

Livets kjemi Livet på jorda baserer seg på karbon, et grunnstoff med egenskaper som gjør at det passer svært godt til en slik rolle. Stoffet er enestående ved at det kan danne veldig mange forskjellige store, men likevel stabile, molekyler. I ren form bindes karbonatomer til hverandre på to måter, som todimensjonale nettverk (grafitt), eller som sterke, tetraedrale krystaller (diamant). På grunn av sin beskjedne størrelse, samt sin elektronsammensetning, danner karbon sterke bindinger til andre atomer, for eksempel oksygen, hydrogen og nitrogen. I organiske molekyler bygger de opp svært store og kompliserte ringer eller kjeder. Det eksisterer mer enn en og en halv million forskjellige karbonforbindelser, og det er vanskelig å tenke seg liv uten.

Karbondioksyd (C02)

strerer karbonets egenskaper. Karbonatomet har fire elektroner i sitt ytre skall, og kan derfor danne fire enkeltbindinger eller to dobbeltbindinger, som illustrert her. Andre muligheter er en dobbelt- og to enkeltbindinger, eller en trippel og en enkelt.

Kjede med dobbeltbinding

◄ ▲ Karbon danner kjeder og ringer i organiske molekyler. Et karbonatom som har enkeltbindinger til nabomolekylene i kjeden, har to elektroner «til overs» som det bruker til å danne bindinger til andre atomer, som hydrogen, oksygen, nitrogen - eller et annet karbonatom, som i en forgrenet kjede. Karbonatomer som deltar i dobbeltbindinger i en kjede, har bare ett elektron til å danne bindinger til siden.

Polysakkarid (for eksempel glykogen)

Monosakkarid

Disakkarid

A Karbohydrater kan brytes ned til karbon (C) og vann (H2O), derav navnet. Glukose, som er et monosakkarid med seks kar­ bonatomer, eksisterer i to former, som åpen kjede (den første kjedeformelen) eller som en ring (som illustrert i den andre kjedeformelen og ringformlene). .