Samoorganizacija

Neki su znanstvenici pretpostavili da na proces povezivanja aminokiselina u bjelančevine ne utječu samo slučaj i prirodna selekcija. Smatraju da određeni kemijski sustavi imaju svojstva ili tendenciju smoorganizacije.

Steinmann i Cole smatraju (1967.) da između nekih aminokiselina postoji mnogo veća uzajamna privlačnost. To potvrđuje eksperimentalni dokaz.

Među aminokiselinama postoji izvjesna diferencijalna privlačnost.

Steinmann i Cole tvrde da se raspoređivanje aminokiselina, koje su zamijetili u svojim pokusima, podudaralo s raspoređivanjem aminokiselina u deset stvarnih bjelančevina. No, kada su Bradley i njegovi suradnici (Kok i dr., 1988.) usporedili nizove o kojima su izvijestili Steinmann i Cole, s većim uzorkom nizova iz 250 stvarnih bjelančevina, utvrdili su da se tih 250 nizova: "... mnogo više podudara s nasumičnim statističkim vjerojatnostima nego sa Steinmanovim i Coleovim učestalostima dipeptidnih veza utvrđenih pokusom." (Bradley, 1998., str. 43). Nadalje, ako svojstva dvadeset bioloških aminokiselina određuju način vezivanja nizova bjelančevina, očekivali bismo oblikovanje više tisuća, a ne samo nekoliko vrsta bjelančevina (Bradley, 1998., str. 43).

Drugi se tip samoorganizacije događa kada neraspoređene molekule tvari oblikuju kristale. Stručno se to naziva "promjene stanja spontanim raspoređivanjem blizu uravnoteženja". Oblikovanje kristala može se prilično jednostavno objasniti. Naprimjer, kada se temperatura vode spusti ispod točke topljenja, molekule vode više neće težiti poremećenoj interakciji i međusobno će se pravilno povezivati. U toj prijelaznoj fazi, molekule vode teže prema ravnoteži, pomičući se prema najnižoj potencijalnoj energiji, i istodobno oslobađajući energiju. Zamislite veliko uleknuće usred biljarskog stola. Zanjišete li stol, pojedine će kugle prirodno završiti u uleknuću, međusobno se dodirujući. Uslijed tog procesa oslobađa se energija - tj. proces je egzotermički. No, proces oblikovanja složenih bioloških molekula (biopolimera) je drukčiji. To je endotermički proces, što znači da uključuje stvaranje topline i odvija se daleko od termalne stabilnosti.

Polimeri imaju viši energetski potencijal od svojih pojedinih sastavnica.

To možemo usporediti s izbočinom, umjesto uleknuća u sredini biljarskog stola. Mnogo je teže zamisliti kako sve kugle nasumičnim kretanjem završavaju na vrhu izbočine, nego zamisliti kako u stanju termalne stabilnosti završavaju u uleknuću. Velika je energija potrebna da bi kugle dospjele na izbočinu i ondje ostale. Bradley kaže (1998., str. 42): "Svi živi sustavi postoje u stanju energetske neravnoteže i iziskuju neprestan protok energije da bi to stanje održali ... Ravnoteža se povezuje sa smrću u biosferi, što svako objašnjenje podrijetla života, koje se osniva na termodinamičkoj ravnoteži čini očito netočnim ... promjene stanja, kao što je smrzavanje vode u ledene kocke ili snježne pahuljice, nisu bitne za procese neophodne za stvaranje biološke informacije."

Raspored čestica u kristalima odgovara ponavljanju jednostavnih obrazaca, dok je taj raspored u živim bićima izrazito složen i ne ponavlja se.

Raspored čestica u biokemijskim sastavnicama tijela živih bića izrazito je složen, ali i veoma specifičan. Ta specifična složenost bogata je informacijama, što biokemijskim sastavnicama omogućuje da izvode konkretne funkcije pridonose opstanku organizma. Usporedite niz slova ABABABAB.

RXZPRKLDMW i VELIKA CRVENA KUĆA. Prvi niz je pravilan, ali ne i složen, radi čega nije informativan. Drugi je složen, ali također nije informativan. Treći je niz složen i informativan. Taj niz slova sadrži informaciju, koja omogućuje nizu da izvodi funkciju konkretnog priopćavanja.

To se svojstvo može nazvati 'specificirana složenost'. Biološka složenost bjelančevina i drugih molekula u stanicama, o kojoj ovdje govorimo, specificirana je složenost - složenost koja specificira funkciju (tj., kao sposobnost DNK da kodira bjelančevine). S obzirom na to, takvi obrasci složenosti razlikuju se od jednostavnih repetitivnih obrazaca, koji se pojavljuju u procesu kristalizacije (Meyer, 1998., str. 134).

Prigogine je pretpostavio da se samoreproducirajući organizmi mogu razviti iz tvari koje uzajamno djeluju u konvekcijskim strujanjima termalnih kupki, daleko od stanja termalne ravnoteže. Taj se proces u izvjesnoj mjeri razlikuje od procesa oblikovanja kristala, koji uključuje fazne tranzicije u stanju termalne ravnoteže ili blisko tom stanju. Usprkos tomu, Bradley zaključuje (1998., str. 42) da, premda je pravilan raspored kemikalija u Prigogineovu sustavu složeniji od ponašanja sustava u stanju termalne ravnoteže, taj raspored ipak: "... mnogo više odgovara rasporedu čestica u kristalima i donekle nalikuje tipu složenosti biopolimera." Svaki raspored može se pripisati složenosti pokusne aparature. Citirajući Waltonovo djelo (1977.), Meyer kaže (1998., str. 136): "... čak ni samoorganizacija proizvedena u konvekcijskim strujanjima nalik Prigogineovim ne nadmašuje organizaciju ili informaciju predstavljenu pokusnom aparaturom primijenjenom za proizvođenje strujanja."

Manfred Eigen je pretpostavio da skupine uzajamno djelujućih kemikalija, takozvanih 'hiperciklusa', mogu predstavljati korak prema razvoju samorepdroucirajućih organizama (Eigen i Schuster, 1977., 1978.a, 1978.b).

No, John Maynard-Smith (1979.) i Freeman Dyson (1985.) ukazali su na neke nedostatke te pretpostavke. Meyer kaže (1998., str. 136): "Prije svega, oni pokazuju da Eigenovi hiperciklusi pretpostavljaju prethodno postojanje duge molekule RNK i oko četrdeset specifičnih bjelančevina. Značajnije, oni pokazuju da hiperciklusi, budući da ne posjeduju mehanizam samoreplikacije koji bi bio lišen pogrešaka, postaju podložni različitim katastrofalnim pogreškama koje naposljetku, protekom vremena, umanjuju, a ne povećavaju količinu informacije u sustavu."

Stuart Kauffman s Instituta Sante Fe pokušao je na drugi način objasniti složenost i samoorganizaciju. On definira

život kao zatvorenu mrežu katalitičkih kemijskih reakcija koje proizvode sve molekule u mreži.

Nijedna molekula nije samoreplikativna. No, on tvrdi da u slučaju sustava koji se sastoji od najmanje milijun molekula nalik bjelančevinama, postoji vjerojatnost da će svaka od njih katalizirati oblikovanje druge molekule u sustavu. Prema tome, replicira se sustav u cjelini. Kada sustav dosegne određeno stanje, navodno prolazi kroz faznu tranziciju, uvodeći novu razinu složenosti u cjelokupan sustav. Ali, Kauffmanova se ideja osniva isključivo na kompjutorskim modelima, koji nemaju mnogo sličnosti sa stvarnim živim sustavima uzajamno djelujućih kemikalija (Bradley, 1998., str. 44).

Prije svega, milijun molekula, koliko ih je Kauffmanno procijenio, nije dovoljno da svaka pojedina vrsta molekule katalizira oblikovanje druge vrste molekule u sustavu. No, čak i da je milijun vrsta molekula dovoljno, veoma je mala vjerojatnost da bi neka katalizirajuća molekula sadržavala odgovarajuće kemijske sastavnice neophodne za stvaranie druge molekule (Bradley, 1998., str. 45).

Nadalje, Kauffmannovi kompjutorski modeli ne uzimaju u obzir egzotermičku prirodu oblikovanja biopolimera - reakcije iziskuju energiju iz sustava, koju bi ubrzo iscrpile, što bi dovelo do

smrti sustava. Kauffmann pretpostavlja da bi reakcije u sustavu koje proizvode energiju mogle kompenzirati energiju utrošenu oblikovanjem biopolimera. No, Bradley ističe (1998., str. 45) da je i za takve reakcije neophodno da se određene molekule nalaze na pravome mjestu u pravo vrijeme da bi mogle sudjelovati u reakcijama. Kauffmann svojim modelima nije uspio na zadovoljavajući način objasniti kako se to događa. Bradley dodaje (1998., str. 45): "Dehidracija i kondenzacija supstrata, njegova druga dva moguća objašnjenja problema termodinamike, također dodatno kompliciraju logistiku koja omogućuje svima od tih 1.000.000 molekula da se organiziraju u sustav u kojemu su svi katalizatori ispravno smješteni u odnosu na reaktive da ih potaknu na katalizaciju." Drugim riječima, Kauffmannov sustav realno ne objašnjava zašto se svi molekularni elementi ispravno raspoređuju na svoja prava mjesta kako bi se mogle dogoditi sve neophodne katalizacijske i reakcije proizvodnje energije. Za razliku od računala, u stvarnom životu to je veoma važno.