Οι αντιλήψεις του Schrodinger για το "Τι είναι η ζωή"


3.3) Αντιγραφή γονιδίων

DNA

Αυτό μας φέρνει στην τρίτη ερώτηση του Schrodinger: Πώς το γενετικό υλικό αναπαράγεται με τέτοια πιστότητα;

Ο Schrodinger κατ' αρχήν εξήγησε πώς ένα τεράστιο ποσό πληροφορίας θα μπορούσε να κωδικοποιηθεί σε μια μικρή δομή όπως ένα χρωμόσωμα. Σε αντίθεση με ανόργανους κρυστάλλους, το γενετικό υλικό θα έπρεπε να είναι απεριοδική για να μπορεί να περιέχει το απαιτούμενο ποσό πληροφορίας. Σε πολλούς κρυσταλλογράφους, η δημιουργία ενός τέτοιου κρυστάλλου με άξονες συμμετρίας από μια απεριοδική ουσία φάνηκε απίθανη. Ο Schrodinger δεν έβλεπε πρόβλημα σε αυτό και είχε δίκιο. Αλλά πώς θα μπορούσε μια τέτοια δομή να αυξάνεται ή να αντιγράφεται; Και πώς θα μπορούσε να εκφράσει τις πληροφορίες που κωδικοποιούνται μέσα στην ακολουθία των υπομονάδων του;

Ήταν αυτά τα δύο σημεία που προβλημάτιζαν τον Schrodinger. Με αφετηρία αυτά ανέμενε να προκύψουν «άλλοι νόμοι της φυσικής». Τι ανέμενε να βρει;

Είναι μάλλον σαφές, έχοντας υπ' όψιν το σύνολο του βιβλίου, ότι περίμενε οι νέοι φυσικοί νόμοι να είναι αυτό που αποκαλούσε νόμοι «τάξης από την τάξη», σε αντίθεση με τους γνωστούς νόμους «τάξης από την αταξία». Κάλεσε τους πρώτους «δυναμικούς» και τους τελευταίους «στατιστικούς» μιμούμενος τον Max Planck, ο οποίος το 1914, απέδωσε στο μικροσκοπικό κόσμο, δυναμικούς νόμους όσον αφορά στην αλληλεπίδραση των μεμονωμένων μορίων και στατιστικούς νόμους όταν περιλαμβάνονται μεγάλοι αριθμοί μορίων.

Στο ζωντανό κύτταρο, όπου η τάξη προκύπτει από τη τάξη, ο Schrodinger ήλπισε ότι θα ανακαλύπτονταν νέοι, αιτιοκρατικοί φυσικοί νόμοι. Ο οργανισμός είναι ένα μακροσκοπικό σύστημα που συμπεριφέρεται σε μερικές πτυχές της συμπεριφοράς του όπως η ύλη κοντά στο απόλυτο μηδέν, όπου η «μοριακή αταξία απομακρύνεται» (σ.99). Πώς το επιτυγχάνει αυτό το γενετικό υλικό; Με το να οικοδομηθεί όπως οι ωρολογιακοί μηχανισμοί που «είναι ικανοί να λειτουργούν "δυναμικά", γιατί είναι φτιαγμένοι από στερεά τα οποία διατηρούν το σχήμα τους από δυνάμεις Heitler-London, αρκετά ισχυρές ώστε να αποφύγουν την άτακτη τάση της θερμικής κίνησης θερμότητας σε συνήθη θερμοκρασία.

Νομίζω ότι τώρα πια ελάχιστα λόγια χρειάζονται ακόμα για να αποκαλύψουμε το σημείο ομοιότητας ανάμεσα σε έναν ωρολογιακό μηχανισμό κι έναν οργανισμό. Επιγραμματικά: και ο τελευταίος βασίζεται σε ένα στερεό –τον μη περιοδικό κρύσταλλο, που αποτελεί το κληρονομικό υλικό που δεν επηρεάζεται σημαντικά από την αταξία της θερμικής κίνησης». (σ.117) Εδώ γίνεται εμφανής ο σκοπός της αναλογίας κρυσταλλικού-στερεού που εισήγαγε ο Schrodinger. Ένα γονίδιο και ένα ρολόι είναι παρόμοια δεδομένου ότι διατηρούν τη συνοχή τους από δυνάμεις Heitler-London.

Στην πραγματικότητα, βέβαια, ένα ρολόι συμπεριφέρεται στατιστικά, αλλά για πρακτικούς λόγους μπορούμε να πούμε ότι συμπεριφέρεται δυναμικά. Διότι, μακροσκοπικά, η στερεά κατάσταση στην ύλη (σε θερμοκρασία δωματίου) μοιάζει να είναι ισοδύναμη με την ύλη κοντά στο απόλυτο μηδέν, όπου ισχύουν οι δυναμικοί νόμοι. Έτσι ο Schrodinger προσπαθώντας να προτείνει μια κατεύθυνση για την ανακάλυψη νέων νόμων, έψαξε στις («δυναμικές») δυνάμεις που κρατούν τα άτομα ενωμένα στα μόρια και τους κρυστάλλους.

Αλλά γιατί να εντοπίζει τέτοιο μυστήριο σε αυτό που μοιάζει σε μας ως κοινότυπο; Τον ένα λόγο τον έχω ήδη αναφέρει: Ήταν η άρνηση του Schrodinger να θεωρήσει τους ομοιοπολικούς δεσμούς αρκετά ισχυρούς να αντισταθούν στον θερμικό θόρυβο όταν το υλικό δεν βρίσκεται σε στερεά κατάσταση. Αυτό ήταν ίσως κατανοητό δεδομένου ότι είχε μεγαλώσει σε μια περίοδο που η φυσική δεν μπορούσε να εξετάσει προβλήματα όπως οι ενδομοριακές δυνάμεις χημικής συγγένειας. Επιπλέον, όταν μπήκε στο πανεπιστήμιο της Βιέννης το 1906, οι χημικοί αφιερώνονταν σχεδόν εξ ολοκλήρου σε μικρά μόρια. Αργότερα μάλιστα έφτασαν να αρνηθούν την ύπαρξη των μακρομορίων! Για τους «πρόσθετους νόμους» κοίταξαν όχι στην στερεά κατάσταση, όπως Schrodinger, αλλά στην κολλοειδή κατάσταση 28. Ένας άλλος λόγος μπορεί να ήταν η τάση του να παρομοιάζει την αντιγραφή των γονιδίων με την ανάπτυξη ενός κρυστάλλου. Κανένα άλλο «άψυχο» υλικό σύστημα δεν φαινόταν να έχει παρόμοιο μηχανισμό. Βέβαια, σημείωσε μια διαφορά: οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται με την επανάληψη της ίδιας δομής στις τρεις διαστάσεις, ενώ ένα περίπλοκο οργανικό μόριο δομεί ένα σύνολο «χωρίς το ανιαρό μέσο της επανάληψης». (σ.88) Σημειώνω ότι εμφανίζεται να μη γνωρίζει την άλλη διαφορά: τη δημιουργία ισχυρών ομοιοπολικών δεσμών στα οργανικά μόρια και την μη δημιουργία τέτοιων δεσμών κατά την ανάπτυξη του κρυστάλλου.

Μέχρι ποιό σημείο ήταν, λοιπόν, οι θέσεις του Schrodinger αντιπροσωπευτικές της πλειοψηφίας των βιοχημικών, των γενετιστών, και των κρυσταλλογράφων της δεκαετίας του '40; Όσον αφορά στους πρωτεργάτες αυτών των επιστημών, η θέση του ήταν σίγουρα μη αντιπροσωπευτική. Είναι αλήθεια ότι είχε υπάρξει επιφύλαξη εκ μέρους των βιοχημικών και των κρυσταλλογράφων να αποδεχτούν την έννοια του μακρομορίου, αλλά στο τέλος της δεκαετίας του '30 το μακρομόριο είχε ήδη καθιερωθεί. Οι κρυσταλλογράφοι συμφωνούσαν ότι πολυμερείς αλυσίδες θα μπορούσαν να διαπερνούν ολόκληρες σειρές κυττάρων. Οι βιοχημικοί είχαν αρχίσει διστακτικά να συμφωνούν με τον Hermann Staudinger ότι, εκτός από κολλοειδείς δομές, οι «κολλοειδείς ιδιότητες» μπορούν να προκύψουν και από τις μακρομοριακές δομές. Και αυτά, παρά την ανακάλυψη ότι στην κρυσταλλική κατάσταση η ταυτότητα των μορίων ως μονάδων συχνά χάνεται. Ο Schrodinger φαίνεται να μην ήταν ενημερωμένος σε αυτά τα ζητήματα.

Ο Schrodinger δεν ήταν ενημερωμένος και για άλλες ιδέες που κυκλοφορούσαν μεταξύ των χημικών, των βιοχημικών και των κρυσταλλογράφων της εποχής: τη φύση της αντιγραφής των γονιδίων. Προς το τέλος της δεκαετίας του '30, δόθηκε μεγάλη προσοχή στη διαδικασία της μίτωσης, στην οποία τα ομόλογα χρωμοσώματα πλησιάζουν μεταξύ τους και μετά τα παρατηρούμε να έχουν αντιγραφεί (διπλασιασμένα), ενώ το κάθε ένα χρωμόσωμα έχει μετασχηματιστεί σε ένα ζευγάρι χρωματίδων.

Υποστηριζόταν ότι οι ελκτικές δυνάμεις οι οποίες φέρνουν τα ομόλογα χρωμοσώματα μαζί ανά ζευγάρια ίσως ενεργούν και για να έρθουν σε επαφή συγκεκριμένα σημεία των χρωμοσωμάτων. Εκεί συντίθενται σε ένα γραμμικό μόριο αλυσίδων ίδιο με το πατρικό χρωμόσωμα στου οποίου την επιφάνεια έχουν διαμορφωθεί.

Το 1917 ο χημικός H. J. Troland περιέγραψε τη λειτουργία του γονιδίου ως αυτοκαταλυτική και ετεροκαταλυτική. Η αυτοκατάλυση οδηγούσε στην αντιγραφή (διπλασιασμό) του γονιδίου, ενώ η ετεροκατάλυση στον σχηματισμό του μη χρωμοσωμικού υλικού που εμφανίζει μεταβολισμό μέσα στο κύτταρο. Tο άρθρο του Troland δεν πέτυχε να ξυπνήσει το ενδιαφέρον για τη χημεία των γονιδίων και των χρωμοσωμάτων. Ωστόσο η διαδικασία της ένωσης των χρωμοσωμάτων συζητήθηκε ευρέως δεκατέσσερα χρόνια αργότερα ως συνέπεια της πρώιμης θεωρίας για τη μείωση που υποβλήθηκε από τον C. D. Darlington το 1931, στην προσπάθειά του να ερμηνεύσει τη φάση της πρόφασης στη μίτωση 29 και τη μείωση 30.

μίτωση - μείωση - dna

Με βάση τη λεπτομερή γνώση της συσπείρωσης του χρωμοσώματος που είχε, οδηγήθηκε στο να αποδώσει την ένωση των ομόλογων χρωμοσωμάτων κατά τη μείωση στην αρχική φάση της κυτταροδιαίρεσης. Κανονικά, κατά τη μίτωση τα χρωμοσώματα θα διαιρούνταν σε ταξινομημένες κατά ζεύγος χρωματίδες των οποίων το επιφάνειακό φορτίο είναι αντίθετο (άρα εξουδετερώνεται). Απουσία σχηματισμού χρωματίδων, πρότεινε ότι τα φορτία θα εξουδετερώνονταν μέσω της έλξης των χρωμοσωμάτων. Ο Darlington προχώρησε περιγράφοντας τον επιχιασμό ως μια διαδικασία της θραύσης και επανένωσης των χρωματίδων και να τον αποδώσει στις καταπονήσεις και τις πιέσεις μοριακών σπειρών υψηλής τάξης.

Η έννοια της μήτρας 31 (template) είναι σημαντική στην ιστορία της βιολογίας και της βιοχημείας επειδή βοήθησε να γίνει κατανοητός ο τρόπος αντιγραφής μιας απεριοδικής δομής. Έως τότε, η πολυμερής σύνθεση είχε απεικονιστεί ικανοποιητικά μόνο για ομοπολυμερή και για ετεροπολυμερή με απλές επαναλαμβανόμενες ακολουθίες, τέτοιες ώστε το τελευταίο υπόλειμμα της αναπτυσσόμενης αλυσίδας να καθορίζει τι πρέπει να την ακολουθήσει.

Ο Schrodinger τόνισε σωστά τον απεριοδικό χαρακτήρα της αλυσίδας των χρωμοσωμάτων αλλά, αλλά δεν μπόρεσε να προτείνει έναν μηχανισμό αντιγραφής (διπλασιασμού) του. Ωστόσο, όπως είδαμε, ένας δρόμος που θα οδηγούσε στη σωστή λύση είχε εμφανιστεί ακόμη και πριν γραφεί το «Τι είναι η ζωή;».

Το ότι οι ελκτικές δυνάμεις που λειτουργούν στην αντιγραφή των μονόκλωνων αλυσίδων αποδείχθηκε ότι ήταν συνηθισμένοι δεσμοί υδρογόνου ήταν μια έκπληξη σε πολλούς και μια δικαίωση των προηγούμενων προβλέψεων του Pauling.

Ας εξετάσουμε τώρα κατά πόσο η μοριακή βιολογία έχει καταφέρει να ανάγει τη βιολογία του κυττάρου στη χημεία και τη φυσική. Έχει δείξει ότι το γονίδιο δεν χρειάζεται να είναι στερεό προκειμένου να αντισταθεί στον θερμικό θόρυβο, ότι οι δεν απαιτούνται νέες δυνάμεις για να επιτύχουν τον διπλασιασμό των γονιδίων, και ότι η πιστότητα αυτής της διαδικασίας δεν είναι τόσο μεγάλη όσο είχε προβλεφθεί. Αλλά ο γρίφος της δεκαετίας του '30 –το πώς τα ομόλογα χρωμοσώματα προσελκύονται το ένα στο άλλο από μεγάλες αποστάσεις– παραμένει. Ίσως οι δυνάμεις μεγάλης εμβέλειας που συζητούνταν τόσο πολύ στη δεκαετία του '40 να βρίσκονται στη ρίζα αυτής της διαδικασίας, αλλά υπάρχουν ήδη ενδείξεις ότι η δομή του χρωμοσώματος στο μοριακό επίπεδο καθορίζει τη μορφή του στον καρυότυπο 32 όπως είχε προβλέψει ο Γ. Δ. Darlington το 1935 και το 1937.

Ο προκλητικός και σκόπιμα «αφελής» τρόπος με τον οποίο ο Schrodinger μίλησε για τη βιολογία έκανε το βιβλίο του να έχει τέτοια επίδραση στους φυσικούς. Ένα ανάλογο βιβλίο από έναν χημικό, που ίσως ήταν πιο ενημερωμένος, σίγουρα θα είχε ασκήσει λιγότερη επίδραση. Το «Τι είναι η ζωή;» επηρέασε και τον Francis Crick, ο οποίος έγραψε: «παρά την κριτική που μπορούμε να ασκήσουμε στο βιβλίο του Schrodinger, πρέπει να αναγνωρίσει κανείς ότι επηρέασε πολύ σημαντικά νεώτερους επιστήμονες που ασχολούνταν με τη βιολογία. Σίγουρα το έκανε σε μένα, και οι Jim Watson και Seymour Benzer μου έχουν πει ότι επηρεάστηκαν κι αυτοί από αυτό. Αυτό οφείλεται στο ότι έκανε το θέμα να φανεί πιο συναρπαστικό και έδωσε την εντύπωση στους λιγότερο σχετικούς ότι αυτός ο τρόπος σκέψης θα ήταν μια ενδιαφέρουσα γραμμή να ακολουθήσει κανείς. Δεν μπορώ να θυμηθώ οποιαδήποτε περίπτωση που ο Jim Watson και εγώ συζητήσαμε τις ατέλειες του βιβλίου του Schrodinger. Σκέφτομαι ότι ο κύριος λόγος για αυτό είναι το ότι είχαμε επηρεαστεί έντονα από τον Linus Pauling, ο οποίος ουσιαστικά είχε ένα σωστό σύνολο ιδεών. Επομένως δεν σπαταλήσαμε ποτέ χρόνο συζητώντας για το εάν πρέπει να σκεφτούμε με τον τρόπο του Schrodinger ή του Pauling. Φαινόταν αρκετά προφανές σε μας ότι πρέπει να ακολουθήσουμε τον Pauling.»

Φαίνεται ότι πραγματικός στόχος που ο Schrodinger είχε κατά νου -η ανακάλυψη νόμων «τάξης που γεννάται από τάξη», που ενεργούσαν στο κύτταρο δεν παρουσίασε κανένα ενδιαφέρον για αυτούς τους φυσικούς. Τελικά, κανένα παράδοξο, κανένας νόμος «τάξης που γεννάται από τάξη» δεν έχει προκύψει. Αντ' αυτού οι οργανισμοί πετυχαίνουν την τάξη από την αταξία μέσω μιας διαδικασίας επιλεκτικής επιβίωσης.

Τι όραμα είχε ο Schrodinger για τους νέους νόμους; Ίσως ήταν ένα όραμα κβαντικής μηχανικής η οποία θα λειτουργούσε με διαδικασίες που θα επιβάλλονταν από μια ειδική δομή, άγνωστη μέχρι τώρα. Θα μπορούσε αυτή η δομή να ήταν το σύστημα (των κυτταρικών οργανιδίων) με το οποίο το DNA διπλασιάζεται.

Υποσημειώσεις:

[28]: Ο χαρακτηρισμός ενός διαλύματος ως κολλοειδούς είναι θέμα μεγέθους των σωματιδίων που είναι σε διασπορά, όπως στην ομίχλη που είναι διασπορά νερού σε αέρα. Τα διεσπαρμένα σωματίδια του κολλοειδούς ενδέχεται να είναι συσσωματώματα μορίων.

[29]: Μίτωση είναι η διαίρεση ενός κυττάρου που δίνει δύο θυγατρικά, πανομοιότυπα κύτταρα με το αρχικό. Μιτωτική διαίρεση συμβαίνει κατά την ανάπτυξη του οργανισμού, κατά την επούλωση μιας πληγής, κατά την ανανέωση της εξωτερικής στιβάδας της επιδερμίδας κ.τ.λ.

[30]: Μείωση είναι ένας άλλος τρόπος κυτταρικής διαίρεσης που συμβαίνει στα άωρα γεννητικά κύτταρα. Η μειωτική διαίρεση είναι μια βιολογική διαδικασία, κατά την οποία από ένα κύτταρο δημιουργούνται τέσσερα θυγατρικά, που έχουν το μισό αριθμό χρωμοσωμάτων.

[31]: Δηλαδή η χρήση της μιας μονόκλωνης αλυσίδας του DNA για την σύνθεση της συμπληρωματικής της στη δημιουργία ενός νέου μορίου DNA. (ημισυντηρητικός τρόπος αντιγραφής)

[32]: Καρυότυπο ονομάζουμε την απεικόνιση του συνόλου των χρωμοσωμάτων του κυττάρου σε ζευγάρια ομολόγων και κατά σειρά μεγέθους.

  Δείτε τη συνέχεια: επόμενο
Ή μεταβείτε στην ενότητα:
Σφάλμα. Ο περιηγητής σας θα έπρεπε να δείχνει περιεχόμενο flash. Για να το δείτε παρακαλούμε εγκαταστείστε / ενεργοποιήστε το flash player.

Get Adobe Flash player

1 Εισαγωγή.
2 Οι αντιλήψεις του Schrodinger για τη ζωή σε σχέση με άλλους διακεκριμένους φυσικούς
3.1 Η διατήρηση της οργάνωσής των δομικών στοιχείων των ζωντανών οργανισμών
3.2 Η Σταθερότητα του γενετικού υλικού.
3.3 Αντιγραφή γονιδίων
3.4 Η φύση της συνείδησης και της ελεύθερης βούλησης
4 Οι αντιλήψεις του Schrodinger για το «Τι είναι η ζωή;»: Απολογισμός