Yaşamın Mimarisi

Bağlantılar Tablosu

Özet ve Giriş

Bölüm I. Yaşamın Tanımı

Bölüm II. Birinci Mucize: Yaşamın ortaya çıkışı beklenen bir faz geçişidir – TAP ve RAF.

Bölüm III. İkinci Mucize: Biyosferin evrimi, zorunlu bir çıkarım değil, yayılan, çıkarımsal olmayan bir yapıdır. Hiçbir Yasa yoktur. Evrim her zaman yaratıcıdır

Bölüm IV. Yeni Gözlemler ve Deneyler: Kozmosta Yaşam Var mı?

Sonuç ve Teşekkürler

Şekiller ve Referanslar

Bölüm I. Yaşamın Tanımı

Yaşamın üzerinde mutabık kalınmış bir tanımı yok. Burada şuna doğru ilerliyoruz: Yaşam, denge dışı, kendini yeniden üreten ve şunları başaran bir kimyasal reaksiyon sistemidir: i. Toplu otokataliz, ii. Kısıtlama Kapanışı, iii. Mekansal Kapanış; iv. bu haliyle, canlı varlıklar Kantçı Bütünlerdir. Bu kavramları aşağıda açıklıyoruz.

Toplu Otokatalitik Setler

Toplu olarak oto-katalitik bir set olan CAS, ekzojen moleküler ve enerjik yapı taşlarıyla beslenen açık bir kimyasal reaksiyon sistemidir ve setteki her bir molekülü oluşturan son kimyasal reaksiyon adımının setteki en az bir molekül veya besin setindeki bir molekül tarafından katalize edilmesi özelliğine sahiptir. Şekil 1a basit bir örneği göstermektedir (2). Şekil 1b daha karmaşık bir örneği göstermektedir (3).

Yaşamın şablon çoğaltan polinükleotidlere dayalı olması gerektiği kavramı, yaşamın kökeni alanına yaklaşık 50 yıldır hakimdir (4,5). Yine de, “çıplak çoğalan bir RNA geninin” çoğaltılması henüz gerçekleştirilmemiştir (6). Yine de, bu hedefe ulaşılabilir.

Şablon replikasyon çift sarmallı RNA dizisinin bilindik kavramı, topluca otokatalitik bir setin belirli bir örneğidir. Her bir sarmal, diğer sarmalın sentezi için bir şablon katalizördür. Ancak, toplu otokataliz kavramı çok daha geniştir.

Bir replike RNA dizisi için umutların tam tersine, topluca otokatalitik DNA, RNA ve peptit setleri oluşturulmuştur. Birincisi, topluca otokatalitik bir DNA seti, G. von Kiedrowski tarafından oluşturulmuştur (7). Topluca otokatalitik bir RNA seti N. Lehman ve meslektaşları tarafından elde edilmiştir (8). Bu set, yapı taşları verildiğinde kendiliğinden kendini organize eder. G. Ashkenasy tarafından oluşturulan dokuz peptitten oluşan topluca otokatalitik bir set (9), Şekil 2'de gösterilmiştir. Otokatalitik lipit setleri de düşünülmüştür (10).

Bu sonuçlar temel öneme sahiptir. Kendini yeniden üreten açık kimyasal reaksiyon sistemleri yaratılır.

Çarpıcı kanıtlar artık tüm 6700 prokaryotta DNA, RNA veya peptit polimerleri içermeyen küçük molekül toplu oto-katalitik setlerin varlığını göstermektedir, Şekil 3, (11,12). Bu küçük molekül kendi kendini çoğaltan setler yüzlerce ila birkaç bin küçük molekül ve bunlar arasında reaksiyonlar içerir. Bu oto-katalitik setler birkaç amino asit ve ATP sentezler. Setler hesaplamalı olarak tanımlanır. Bunların in vitro çoğaldığının gösterilmesi gerekmektedir.

6700 prokaryotun hepsinde küçük moleküllü oto-katalitik setlerin varlığı, evrende kendi kendini yeniden üretebilen ilk kimyasal sistemlerin tam olarak bu tür setler olduğunu güçlü bir şekilde düşündürmektedir. Aşağıda bu tür setlerin ortaya çıkmasının beklendiğini gösteriyoruz.

Küçük molekül otokatalitik setlerinin tanımlanması, yaşamın kökeninde şablon çoğaltan polinükleotitlerin gerekliliğiyle ilgili devam eden tartışmaya dayanmaktadır. Böyle bir "çıplak RNA geni", kendi yapı taşlarını yaratmak ve sürdürmek için bağlı bir metabolizmayı katalize etmek üzere RNA dizileri geliştirmek zorunda kalacaktır. Ancak, böyle bağlı bir metabolizmanın kendi başına topluca otokatalitik olmasının hiçbir nedeni yoktur. Bu düşünce, moleküler üremenin kökeninin küçük molekül topluca otokatalitik setlerin ortaya çıkmasıyla olduğuna dair güveni artırır.

Yaşam: Kantçı Bütünler, Katalitik Kapanış, Kısıtlama Kapanışı, Mekansal Kapanış

Kantçı Bütünler

1790'larda filozof Immanuel Kant temel bir kavram ortaya koydu: Organize bir varlık, Parçaların Bütün için ve Bütün aracılığıyla var olma özelliğine sahiptir (13). Kant'ın içgörüsü 230 yıldır uykuda kalmıştır. Tüm canlı varlıklar, Parçaları aracılığıyla ve Parçaları için var olan Kantçı Bütünlerdir. Siz bir Kantçı Bütünsünüz. Parçalarınız aracılığıyla var olursunuz - kalp, karaciğer, böbrekler, akciğerler, beyin. Parçalarınız sizin, Bütünün aracılığıyla var olur. Ürersiniz ve çocuklarınız Parçalarınızı miras alır.

Tüm canlı organizmalar Kantçı Bütünlerdir. Şüpheli virüs sınıfı da buna dahildir. Hücrenin ortamının içinde, virüsler çoğalan Kantçı Bütünlerdir. Virüsün Parçaları, hücre bağlamında, olgun virüs Bütününe kendi kendine birleşen virüsün Parçalarının birden fazla kopyasını oluşturur. Kantçı Bütünün de dahil olduğu bir yaşam tanımının virüsleri canlı olarak sınıflandırması ilginçtir.

Kantçı Bütünler, dinamik fiziksel sistemlerin özel bir sınıfıdır. Bir kristal, Kantçı bir bütün değildir. Kristalin atomları, kristalin parçaları olmadan da var olabilir. Bir tuğla, Kantçı bir Bütün değildir. Bir hücre, Kantçı bir Bütündür.

Katalitik Kapatma

Şekil 2'deki 9-peptit seti gibi topluca oto-katalitik bir set, Katalitik Kapanışa ulaşır. Sistemdeki her reaksiyon, sistemdeki en az bir molekül tarafından katalize edilir. Tüm canlı hücreler katalitik kapanışa ulaşır. Canlı bir hücredeki hiçbir molekül kendi oluşumunu katalize etmez. Canlı bir hücredeki set molekülleri, bir Bütün, hücre çoğaldıkça katalitik kapanışa ulaşır, (14,15,16).

Katalitik kapanışı başaran sistemler aynı zamanda Kantçı Bütünlerdir. Şekil 2'deki 9-peptit toplu oto-katalitik setindeki peptitlerin her biri, karşılıklı katalizleri tüm Parçaların var olmasını sağlayan dokuz peptitin Bütün seti için ve aracılığıyla var olan bir Parçadır.

Kısıtlama Kapatma

6700 prokaryotun hepsinde bulunan tipte küçük bir molekül toplu olarak oto-katalitik kümeyi de içeren canlı hücreler, yeni tanınan ve derin bir özelliğe ulaşır: Kısıtlama Kapanışı, (17). Termodinamik iş, enerjinin birkaç serbestlik derecesine kısıtlanmış bir şekilde salınmasıdır, (18). Bir örnek, tabanında barut bulunan bir top ve barutun yanına yerleştirilmiş bir gülledir. Güç patladığında, hem bir sınır koşulu hem de bir kısıtlama olan top, enerjinin gülleyi topun deliğinden aşağı fırlatacak şekilde salınmasını kısıtlar. Termodinamik iş, gülle üzerinde yapılır. Bu nedenle, denge dışı bir süreçte enerjinin salınması üzerinde kısıtlamalar olmadığında, termodinamik iş yapılamaz, (19).

Newton bize sınır koşullarının nereden geldiğini söylemiyor. Örnekteki top sınır koşuludur. Peki top nereden geldi? Kritik cevap, topu birleştirmek için termodinamik iş gerektiğidir. Şu sonuca varabiliriz: Sabit Yok, İş Yok. Fakat ilgili kısıtlamayı oluşturmak için genellikle iş gerekir. Dolayısıyla: Kısıtlama Yok, İş Yok. İş Yok, Kısıtlama Yok. Bu İş-Kısıtlama döngüsü yeni bir konudur, (19).

Maël Montévil ve Matteo Mossio 2015 yılında ilk olarak Kısıtlama Kapatma'yı tanımladılar (17):

Üç denge dışı prosese sahip bir sistemi ele alalım: 1, 2 ve 3. Üç kısıtlamayı ele alalım: A, B ve C. A'nın proses 1'deki enerji salınımını B'yi inşa edecek şekilde kısıtladığını varsayalım. B'nin proses 2'deki enerji salınımını C'yi inşa edecek şekilde kısıtladığını varsayalım. C'nin proses 3'teki enerji salınımını A'yı inşa edecek şekilde kısıtladığını varsayalım (bkz. Şekil 1a, 1b ve 2).

Yukarıdaki sistem dikkat çekici bir özelliğe ulaşır: Kısıtlama Kapanışı. Kısıtlama kümesi, burada A, B ve C, bir dizi işlemin, burada 1, 2 ve 3, enerji salınımını, bu nedenle termodinamik iş yapan birkaç serbestlik derecesine kısıtlar, aynı kısıtlama kümesini, A, B ve C'yi oluşturur! Bu sistem, enerji salınımı üzerinde aynı sınır koşullarını oluşturan kendi sınır koşulu kısıtlamalarını oluşturarak, kendisini oluşturmak için kelimenin tam anlamıyla termodinamik iş yapar.

Kısıtlama kapanışı tamamen yeni bir kavramdır. Otomobillerimizi inşa ediyoruz. Bir otomobil, diğer parçalara çarpan parçaların enerji salınımını kısıtlayan ayrıntılı bir parça düzenlemesidir. Gaz patlar, pistonlar hareket eder, tekerlekler döner. Ancak otomobiller enerji salınımı üzerinde kendi sınır koşulu kısıtlamalarını inşa etmezler.

Tüm toplu oto-katalitik moleküler reaksiyon sistemleri hem katalitik kapanmayı hem de kısıtlama kapanmasını başarır. Hepsi Kantçı Bütünlerdir. Örneğin, Şekil 2'deki 9-peptit toplu oto-katalitik sette, her peptit bir sonraki peptidin iki parçasını bağlayarak bir ligaz gibi davranır. İki parçayı yönlendirerek, peptit bir ligaz olarak iki parçanın bağlanmasına karşı aktivasyon bariyerini düşürerek bir sonraki peptidin ikinci bir kopyasını yapar. Bir peptit bağı oluşurken bir sonraki peptidi oluşturmak için termodinamik iş yapılır. Bu, bu toplu oto-katalitik peptit sistemindeki tüm reaksiyonlar için doğru olduğundan, sistem -bir Bütün olarak- hem Katalitik Kapanma hem de Kısıtlama Kapanması elde eder. Sistem kendini oluşturur. Ve sistem aynı zamanda bir Kantçı Bütündür.

Tüm canlı hücrelerin kısıtlama kapanışına ulaşması en derin öneme sahiptir. Hücreler, aynı sınır koşullarını oluşturan enerjinin serbest bırakılması üzerine sınır koşullarını oluştururlar. Hücreler kendilerini oluştururlar. Bilgisayarlar ve lokomotifler kendilerini oluşturmazlar.

Üreyen hücreler temelde von Neumann'ın kendi kendini üreyen otomatları değildir (20). Bunlar bir "Evrensel Yapıcı"ya dayanır. Belirli bir şeyi inşa etmek için, Evrensel Yapıcı belirli "Talimatlar" gerektirir. Bunlar, Evrensel Yapıcının içine yerleştirilmiş fiziksel bir sistemde kodlanır. Fiziksel olarak somutlaştırılmış talimatlar ikili rol oynar: Fiziksel Talimatların fiziksel bir kopyasının inşa edildiği ve ardından yerleştirildiği Evrensel Yapıcının bir kopyasını inşa etmek için kullanılırlar. Fiziksel Talimatların ikili rolleri, tam olarak yazılım ve donanım arasındaki ayrımı oluşturur. En keskin tezat olarak, canlı bir hücre, katalitik ve kısıtlayıcı kapanış yoluyla, özel olarak kendisini inşa eder. Bir hücre, ayrı Talimatlar gerektiren evrensel bir yapıcı değildir. Şekil 2'deki kendi kendini üreyen 9-peptit kümesinin oluşumunu kodlayan ayrılabilir "Talimatları" yoktur. Buradaki yazılım ve donanım kavramları geçersizdir.

Paul Davies, (21), canlı bir hücre bağlamında, genlerin transkripsiyon ve çeviri aygıtıyla birlikte, aslında, tüm olası kodlanmış polipeptitler için evrensel bir oluşturucu olduğunu belirtir. Genler bir talimat kümesi olarak düşünülebilir. Ancak, genlerin bulunduğu canlı hücrenin kendisi evrensel bir oluşturucu değildir. Kendini özel olarak oluşturur. Birkaç bin geninin her biri, bazı rastgele polipeptitleri kodlayan rastgele bir DNA dizisiyle değiştirilseydi, bu yeni proteinleri sentezleyen hücre neredeyse kesinlikle yok olurdu.

Canlı organizmalar, iç içe geçmiş Kantian Bütünler oluşturmak üzere evrimleşmiştir. Bir prokaryot, birinci dereceden bir Kantian Bütündür. Mitokondri ve kloroplastlarla bir simbiyont olan ökaryotik bir hücre (22, 23), birinci dereceden Kantian Bütünler içeren ikinci dereceden bir Kantian Bütündür. Çok hücreli bir organizma, ikinci dereceden ve birinci dereceden Kantian Bütünler içeren üçüncü dereceden bir Kantian Bütündür.