Enestående eleganse: Finjustering av egenskapene til materie for livet på jorden
Av Michael Denton, 6. august 2024. Oversatt herfra
Naturen er fornøyd med enkelhet, og påvirker ikke prakten til overflødige årsaker.
Isaac Newton (1687) (1)
Jeg har blitt overbevist om at livet overalt må være basert på karbon, hydrogen, nitrogen og oksygen fra en organisk kjemi, derfor mye likt det på jorden; og at det bare kan oppstå i et miljø rikt på vann. George Wald (1964) (2)
Det som virkelig interesserer meg er om Gud kunne ha skapt verden annerledes? Albert Einstein (ca. 1925) (3)
I dette essayet vil jeg beskrive noen bemerkelsesverdige eksempler på eleganse og parsimonier i egnetheten til egenskapene til materie for livet. Disse er ikke generelt verdsatt, men de gir meg personlig noen av de mest overbevisende bevisene for intelligent design i den naturlige verden.
Mobiliteten til de fire atomene
De utgjør 90 prosent av levende materie, de fire viktige atomene i livet karbon, hydrogen, oksygen og nitrogen (C, H, O og N). Et eksempel på elegansen og enkelheten i finjustering av egenskapene til materie er manifestert i måten disse atomene er så lett distribuert og gjort tilgjengelig for inkorporering i karbonbasert liv i hele biosfæren. Dette essensielle målet, er viktig om karbonbasert liv skal eksistere og trives på jorden (eller en hvilken som helst jordlignende vannaktig planet), oppnås ikke som man kan forvente ved analogi med menneskeligr gjenstander, gjennom tjenestene til flere komplekse leveringsmekanismer (Newtons "overflødige årsaker "). I stedet oppnås det gjennom egenskapene til atomene selv eller gjennom egenskapene til enkle molekylære kombinasjoner med andre medlemmer av de valgte fire.
Når det gjelder oksygen (O) og nitrogen (N), er dette begge oppløselige gasser og følgelig lett tilgjengelig for å tjene forskjellige biologiske hensikter og funksjoner, uansett hvor det er vann, matrisen som alt liv på jorden er instantiert gjennom. Oppløst oksygen absorberes direkte fra vann i blodet i gjellene til fisk og fra oksygengass i alveolene i blodet i lungene til luftpuster. Oppløst nitrogen omdannes til et annet oppløselig stoff, ammoniakk (NH3), for inkorporering i biomaterie (4) som består av en enkel kombinasjon av to av de fire atomene, N og H. Når det gjelder karbonatomet, oppnås universell tilgjengelighet gjennom biosfæren ved deres befrakting i en annen løselig gass, karbondioksid (CO2). Det er bemerkelsesverdig at sistnevnte igjen ganske enkelt dannes av en kombinasjon av to av de fire valgte atomene, karbon og oksygen. Inkorporering av både C og O i biomaterie er hovedsakelig via CO2 som forekommer i fotosyntesen. Hydrogen atomer er inkorporert i biomaterie i fotosyntese sammen med CO2.
Bilde 2. Oppbygning til nitrogenase
Så det er faktisk de aktuelle egenskapene til de fire atomene eller egenskapene til enkle molekylære kombinasjoner av de fire atomene som muliggjør deres distribusjon og klare tilgjengelighet for biokjemi. Den rene overflod av liv på jorden og dets tilstedeværelse i nesten alle deler av hydrosfæren, gir rikelig vitnesbyrd om egnetheten til egenskapene til de fire byggesteinene i organisk materiale for enkel distribusjon til og etterfølgende utnyttelse i hvert hjørne av biosfæren. For deres mobilitet og distribusjon er det ingenting som trengs utover egenskapene til de fire atomene og egenskapene til den enkleste tenkelige molekylære kombinasjonen av dem. Det er ikke behov for det Newton kalte fremmede "overflødige årsaker."
Den høyere molekylære arkitekturen i livet
Et annet eksempel på finjustering av egenskapene til materie for karbonbasert liv er den bemerkelsesverdige måten hydrogenbindingen og den hydrofobe kraften spiller en så viktig rolle i å bestemme mye av den høyere ordenarkitekturen til biomatterien i cellen, som oppstår spontant fra de grunnleggende egenskapene til de samme fire atomene selv.
Hydrogenbindingen
Tenk først på hydrogenbindingen. Dens store betydning for å bestemme og stabilisere de høyere ordens strukturer av biomakromolekyler ble gjenkjent og stresset av Pauling i hans klassiker The Nature of the Chemical Bond.(5) Hydrogenbindinger oppstår når ett hydrogenatom blir tiltrukket av, eller, som Pauling beskrev det, "delt av" to atomer.(6) h\Hydrogenbindinger er allestedsnærværende i biomolekyler, i alfa-helikser, i beta-ark (sheets), og i dobbeltstrengede nukleinsyrepolymerer. Ingen andre svake kjemiske bindinger har egenskapene til hydrogenbindingen som i gjennomsnitt er mange ganger sterkere enn de andre svake bindingene. (7) Uten hydrogenbindingen er det vanskelig å se for seg en biokjemi eksternt sammenlignbar med den manifestet i den kjente karbonbaserte cellen.
Så hvordan dannes hydrogenbindinger? Fra en eller annen kompleks gjenstand utenfor atomene selv? NEI! Deres dannelse oppstår direkte fra den forskjellige elektronegativiteten - "tiltrekning til elektroner" - av tre av de fire nøkkelatomene, H, O og N. oksygen og nitrogen er veldig mye mer elektronegative enn hydrogen. Følgelig, i O-H- og N-H-bindinger, blir O- og N-atomene negativt ladet mens hydrogenatomet blir positivt ladet. Derfor kan et hydrogenatom tiltrekkes av (eller deles av) to tilstøtende nitrogen- eller oksygenatomer, dvs. O-H-N, N-H-N eller O-H-O.
Bilde 3. Hydrogenbinding i vannmolekyl
Bare tre atomer - oksygen, nitrogen og fluor - kan danne hydrogenbindinger, sterke nok til å fungere i cellen. (8) Av disse tre, er bare oksygen og nitrogen tilgjengelige for biokjemi, da fluor danner en veldig sterkt kovalent binding med karbon som fører til dannelse av "For alltid" giftige forbindelser." Disse er i hovedsak ikke -nedbrytbare i biologiske systemer.(9=, og det er egnetheten til O og N i å danne hydrogenbindinger som er en av de viktigste årsakene til inkludering av N og O og H blant de "valgte fire" atomer for montering av biomaterie .
Så disse vitale bindingene, som spiller en så viktig rolle i å bestemme den høyere ordensstrukturen til makromolekyler, genereres ikke som man kan forvente av noen "smart enhet" utenfor de tre atomene H, O og N. I stedet oppstår de spontant med sparsommelig eleganse fra de iboende egenskapene til de tre atomene selv.
Den hydrofobe kraften
En annen viktig kraft, som er involvert i å generere mange av høyere ordensstrukturer i cellen, er den hydrofobe kraften. Denne kraften er ansvarlig for å ekskludere ikke-polare hydrofobe forbindelser og hydrofobe deler av forbindelser som kjeder av hydrokarboner så vel som andre hydrofobe strukturer fra den vandige fasen i cellen. Dette forårsaker den spontane monteringen av lipid -dobbeltlagscellemembranen (en av de viktigste organellene i cellen) og den for mange andre membraner (slik som membranen som omgir mitokondriene og kjernen) og den hydrofobe kjernen i sentrum av proteiner (en klynge av hydrofobe, dvs. hydrokarbonholdige, aminosyresidekjeder). Sistnevnte spiller en kritisk rolle i folding og stabilisering av den opprinnelige formen til proteiner. (10) Den hydrofobe kraften stabiliserer også den doble heliske naturen til DNA. (11)
Den store proteinkjemikeren Charles Tanford understreket viktigheten av den hydrofobe kraften i cellen: (12)
"Selv om forskjellige faktorer er involvert i å bestemme den nøyaktige spesifisiteten til molekylære interaksjoner i biologi, er den hydrofobe kraften den energisk dominerende kraften for inslutning, vedhefting, etc., i alle livsprosesser .."
Så hva er ansvarlig for den hydrofobe kraften? Et smart konstruerte sett med mekanismer utenfor hydrogen- og oksygenatomer som utgjør vannmolekylet? Noen "overflødige årsaker", for å sitere Newton igjen? NEI! Denne viktige kraften oppstår spontant fra selve vannets svært polare natur - som nevnt ovenfor, av den helt forskjellige attraksjonen til elektroner av O- og H -atomene i H2O -molekylet. Dette resulterer i at O -atomet blir negativt og H -atomet ladet positivt. Som en konsekvens er polare ikke-hydrofobe molekyler (inkludert de aller fleste organiske forbindelser) hvis atomer også er ladet elektrostatisk tiltrukket av O- og H-atomene i vann. De er følgelig likt av vann og går lett inn i løsningen. På den annen side, i hydrokarbonkjeder, som er ikke-polare fordi elektronegativiteten til deres bestanddel C- og H-atomer er nær, er verken C eller H-atomer ladet. Følgelig er atomene i hydrokarboner ikke elektrostatisk tiltrukket av O- og H -atomene i vann. De mislikes av vann og er tvunget til å klumpe seg sammen i uoppløselig vann, og ekskluderer komplekser i lipid -dobbeltlags-membranene og i den hydrofobe kjernen til proteiner.
Kort sagt oppstår både hydrogenbindingen og vannets hydrofobe kraft, og i virkeligheten mye av den høyere arkitekturen til cellen, igjen ikke fra fremmede "overflødige" komplekse kunstige, men fra de iboende egenskapene til de grunnleggende elementene i livet.
å kvitte kroppen for karbondioksid og varme
I finjustering av materie for livet, er nok et eksempel på fantastisk eleganse og sparsommelighet, måten karbondioksid og varme-to av avfallsproduktene fra oksidativ metabolisme-skilles ut fra kroppen. Igjen, man kan ha forestilt seg at fjerningen deres ville ha nødvendiggjort flere komplekse mekanismer eller prosesser ytterligere og ekstern til materiens egenskaper. Men nei! Igjen oppstår utskillelsen deres spontant og uanstrengt fra de grunnleggende egenskapene til karbondioksid og vann, uten behov for ekstern hjelp fra "overflødige årsaker."
Bilde 4. Hydrofile membrankanaler nødvendige for plante-overlevelse
Karbondioksid
Som Henderson påpekte i sin klassiske The Fitness of the Environment, var ikke CO2 en oppløselig gass, som lett kunne slippe ut i luften i lungene, ville utskillelsen vise seg å være den største utfordringene. Og selvfølgelig forplikter naturen i det CO2 er en oppløselig gass som kan skilles ut via det samme organsystemet - lungene - gjennom hvilke en annen viktig gass, oksygen, kommer inn i kroppen.
Og det er et veldig bemerkelsesverdig aspekt ved historien om utskillelse av CO2. Det er noe som har overrasket meg i mange år siden jeg først ble interessert i egnetheten ved egenskapene til materien for livet. Dens knyttethet til lungene er ikke bare som en oppløst gass, men hovedsakelig som det sammensatte bikarbonatet (HCO3–). Som nok en gang illustrerer den elegante sparsommeligheten ved naturens design, dannes denne forbindelsen spontant (og uanstrengt) av en kombinasjon av CO2and H2O, og genererer karbonsyre (H2CO3) som spontant dissosierer til bikarbonat (HCO3–) og hydrogenioner (H+). Det vil si at CO2 + H2O = H2CO3 = HCO3 - + H +.
Og selv om det er vanskelig å tro, gir kullsyre og bikarbonatbasen (dens konjugatbase) en buffer-bikarbonatbufferen-som har akkurat de rette egenskapene til å bufre blodet mot endringer i surhet i en luftpustende organisme. (14) Videre , er det den eneste bufferen som er tilgjengelig med de rette egenskapene for denne rollen. Med andre ord, den eneste tilgjengelige bufferen for en av de viktigste fysiologiske funksjonene i kroppen dannes spontant, nesten som magi, fra de to produktene i oksidativ metabolisme. Elegansen og enkelheten i løsningen er ganske enkelt forbløffende. Hvis dette ikke var felles kunnskap, ville det aldri bli trodd !!
Bilde 5. CO2 nivået har verdens oppmerksomhet
Varme
Et annet avfallsprodukt av oksidativ metabolisme er varme. Mens varme er nyttig i endotermisk (varmblodige) organismer for å opprettholde en konstant kroppstemperatur, må overflødig varme elimineres raskt fra kroppen (15) eller hypertermi vil forårsake død i løpet av timer. Så hvordan elimineres varmen, og hvordan forsvarer kroppen seg mot økning i varmen?
Det viser seg at det er vann, livsmatrisen og blodmediet (og spennende et annet avfallsprodukt av oksidativ metabolisme), som spiller den kritiske rollen. For det første har vann en langt høyere spesifikk varmekapasitet sammenlignet med de fleste væsker. (16) Dette gir kroppens første forsvar mot enhver temperatur-økning. For det andre har vann en av de høyeste hastighetene av varmeledning av kjent væske(17), så all varme produsert i vevene overføres lett til blodet i kapillærene. En gang i blodet bæres varmen av sirkulasjonen til periferien der den kommer ut av kroppen via huden ved ledning og stråling. Når miljøtemperaturene er over kroppstemperaturen, er det eneste middelet til å eliminere varme imidlertid å utnytte den latente fordampningen av vann. (18) Dette er den høyeste av molekylærvæske (19) og har en kraftig kjøleeffekt på kroppen.
Så vannets høye spesifikke varmekapasitet, den høye varme konduktiviteten og den høye latente varmen er kritiske i å opprettholde en konstant kropps-temperatur og befri kroppen for overflødig varme. Og hvilket stoff er det som fører varmen til periferien? Det samme stoffet som beskytter kroppen mot overoppheting - vann, idet det unikt passformede mediet i sirkulasjonen fører varmen fra vevene til periferien for utskillelse!
At utskillelsen av avfallsproduktene av oksidativ metabolisme (eller respirasjon) i høyere organismer, bør avhenge av en så dypt vakker synergi og nøysommelighet tvinger slutningen til intelligent design. Man kan passende parafrasere Hoyle: (20) "En sunn-fornuft tolkning av fakta antyder at et super intellekt har apet med lovene i kjemi og biologi og finjustert egenskapene til materie mot den spesifikke målet med utskillelse av produktene fra oksidativ metabolisme."
Alle som ikke er lamslått av den forbløffende måten varme og karbondioksid skilles ut fra kroppen, og den elegante måten bikarbonatbufferen genereres fra de to endeproduktene av respirasjon, har visselig mistet all følelse av undring!
Vannets egnethet for den hydrologiske syklusen
Nok et tilfelle av fantastisk enkelhet i finjustering av materie for livet er ensemblet av egnethets-manifest i de forskjellige egenskapene til vann som muliggjør den hydrologiske syklusen. Denne bemerkelsesverdige syklusen leverer nødvendig vann, mineraler og vannbevarende jordsmonn til landet, noe som gjør landplante og dyreliv mulig. (For en mer detaljert gjennomgang av vanns egnethet for den hydrologiske syklusen, se min fremstilling: The Wonder of Water.(21)
Det som er så ekstraordinært med den hydrologiske syklusen er at det helt avhenger av ikke én, men flere forskjellige egenskaper ved vann, hvorav de fleste er unike for "under-væsken"! Det er for det første de forskjellige egenskapene til vann som muliggjør syklusen fra hav til land og tilbake fra landet til sjøen. Disse inkluderer vanns unike kapasitet til å eksistere i tre materialtilstander under omgivelsesforhold: som damp, væske eller fast stoff. Vannet som fordamper fra havet faller tilbake til jorden som regn eller snø. Regnet renner deretter tilbake i bekker og elver til sjøen. Snøen smelter enten og føres i elver til havet, eller den danner isbreer som enten flyter sakte tilbake til havet eller smelter, slipper vann som igjen renner tilbake i elver til havet. Vann, skal det bemerkes, er det eneste stoffet på jordens overflate som finnes i de tre materielle tilstandene i omgivelsesforholdene. (22)
Bilde 6. Vannets syklus gjør jorda levelig
Den hydrologiske syklusen er aktivert av to andre egenskaper for vann. Dette er den lave viskositeten til flytende vann, som sikrer at vannet som faller når regn raskt, renner tilbake til havet, og den lave viskositeten til fast vann eller is som er mye lavere enn for de fleste krystallinske faststoffer. (23) Sistnevnte hindrer at er enorme mengder is bygger seg opp ved polene eller i fjellregioner. I stedet kommer det frosne vannet sakte tilbake til sjøen.
Så levering av vann til terrestriske økosystemer er ikke aktivert av noen fremmede komplekse leveringsmekanismer. Snarere oppstår det spontant fra flere forskjellige egenskaper til selve vannet. Faktisk leverer vann seg til land fra sine egne, unike iboende egenskaper. Hvor elegant!
Levering av mineralene
Men vann alene er ikke tilstrekkelig for terrestriske økosystemer. Levende organismer trenger en pakke med opptil rundt tjue forskjellige atomer for å opprettholde sine biologiske funksjoner og strukturer. Disse må også gjøres tilgjengelige og leveres til land, hvis landlig liv skal trives.
Utrolig som det kan se ut, er det vann igjen som gjør det tunge løftet. Når elvene tumler over sluk og nedover fjellhellinger på reisen tilbake til sjøen, fungerer flere ekstra egenskaper ved vann sammen, for å vaske ut de livgivende mineralene fra bergartene og til slutt levere dem gjennom den terrestriske biosfæren. Det er (1) vannets egnethet som et løsningsmiddel. Det er (2) dets høye overflatespenning (den høyeste av noe kjent stoff bortsett fra kvikkeølv (24) som trekker vann inn i sprekker i steinene og i de høyere breddegrader eller høyder der vann med jevne mellomrom fryser. Og det er (3) vannutvidelse ved frysing (en nesten unik egenskap ved vann (25) som har en tendens til å bryte opp bergartene, hjelpe til med erosjon og utsette et større overflateareal for solvasjonskreftene i å utføre sin magi. Så utvaskingen av viktige mineralene fra bergartene er nok en gang nesten helt arbeidet til vidunder væsken.
Bilde 7. Mineraler har livsbevarenden funksjoner
Vannbevarende jordarter
Men selv disse prestasjonene er fremdeles utilstrekkelige til å opprettholde komplekse landbaserte økosystemer. Veksten av planter og trær, som alt terrestrisk liv avhenger av, nødvendiggjør vannholdende jordsmonn. Det vil si jordsmonn som inneholder et nettverk av mikroporer som vannet kan beholdes i. Igjen kommer vann til unnsetning. Det er det samme tumblende vannet som renner over bergartene som lekker ut sitt mineralinnhold, og som også gjennom deres utrettelige erosjonelle innsats bryter ned steinene i sandene og siltene, som danner jordens faste matrise. Sistnevnte gir de viktige mikroporene som på grunn av den høye overflatespenningen av vann beholder vann til fordel for planter og trær og til slutt for dyrene som er avhengige av næringsstoffene de produserer.
At koloniseringen av land, fra planter og dyr bør avhenge på konspirerende vis sammen så mangfoldige og i mange tilfeller, unike egenskaper til ett materielt stoff, en løsning av overskridende nøysomhet,: et mirakel av første orden. (Og vannets egnethet for livet strekker seg langt utenfor den hydrologiske syklusen, som beskrevet i Wonder of Water.)
På den måten vann muliggjør den hydrologiske syklusen, har vi det som kanskje er det mest fantastiske eksemplet i hele naturen, av elegant nøysomhet i finjustering av egenskapene til materie for livet. Den eneste fornuftige og rasjonelle slutningen er at egenskapene til vann ble intelligent utformet, ikke bare for livets mål på jorda, men for det helt spesifikke målet med jordisk liv.
Refleksjoner
Jeg har prøvd her å fremheve det elegante enkelheten i finjustering av egenskapene til noen av nøkkelatomene og materialstoffene i karbonbasert liv på jorda. Hensikten min har vært å vise at naturen i det biokjemiske domenet faktisk er, som Isaac Newton med rette hevdet, "fornøyd med enkelhet" og avskyr "overflødige årsaker." De fire atomene har selvfølgelig mange flere elementer av egnethet for livet på jorden, hvorav mange er beskrevet i min fremstilling i The Miracle of the Cell.
For eksempel er det den unike evnen ved karbonatomet som muliggjør samling av det enorme, enestående utvalget av organiske forbindelser. Det er motvilje til oksygen mot å reagere ved omgivelsestemperaturer som forhindrer spontan forbrenning av organisk materiale og katastrofale skogbranner og gjør det mulig for luftpustende organismer å leve med en atmosfære som er sterkt beriket av oksygen. Det er den høye spesifikke varmekapasiteten -lenke, for nitrogen som fungerer som brannhemmende, og minker brannhastigheten, noe som gjør brann kontrollerbar og reduserer alvorlighetsgraden av skogbranner.
I dette korte essayet tillater ikke plassen beskrivelse av den unike egnetheten til mange andre atomer i det periodiske tabellen, for mange svært spesifikke biokjemiske funksjoner. Disse inkluderer den unike egnetheten til overgangsmetallene for reduksjon og aktivering av oksygen i kroppen, og overvinne dens motvilje mot å reagere (som nevnt ovenfor) og gjøre det mulig for organismen å bruke oksidasjon for å styrke metabolismen.
Informasjonen som presenteres i dette essayet, er under ethvert rimelig skjønn, overbevisende bevis på intelligent design. Og skjønnheten i designet er ikke bare for den karbonbaserte cellen, men også for avanserte terrestriske organismer som oss selv. Dette manifesteres i finjustering av vann for den hydrologiske syklusen og i ensemblet av finjustering involvert i utskillelsen av CO2 og varme fra menneskekroppen. Hvis "skjønnhet er sannhet, er sannheten skjønn", som Keats berømt sa, (26), er all debatt lukket; ID krever ikke noe ytterligere forsvar.
Siden egenskapene til materie er en del av selve verdens-fabrikken, følger det at den intelligente designeren ikke kunne ha vært noen ringere enn det allmektige vesenet som produserte naturlovene og materiens egenskaper og beordret kosmos til eksistens. Fordi egenskapene til materie har holdt seg uendret siden universets opprinnelse for rundt 14 milliarder år siden, avslører mer enn noen annen bevislinje, finjusteringen, at livet på jorden ikke er noen betinget ettertanke, men ble unnfanget i tankene til mester-tryllekunstner i skapelsesøyeblikket. Som Freeman Dyson berømt sa det: "Universet må ha visst i en viss forstand at vi kom." (27)
Bilde 8. Erfaringsbevis -ut fra uniform erfaring
Einstein spurte: "[Kunne] Gud ... ha skapt verden annerledes?" Ut fra bevisene som er presentert her, ser svaret i det minste for det biokjemiske domenet, ut til å være nei. For hvordan kan vann leveres til land annet enn gjennom elegant utnyttelse av sine egne unike egenskaper? Igjen, er det noen måte som livets atomer kan distribueres effektivt over hele biosfæren (eller faktisk et hvilket som helst analogt sett med atomer, i noen kontrafaktiske biosfær Egenskaper for enkle molekylære kombinasjoner av de samme fire nøkkelatomene? Det er også vanskelig å se for seg hvordan rollene til hydrogenbindingen og den hydrofobe kraften i å montere den høyere orden i cellen, kan oppnås, bortsett fra ved å utnytte egenskapene fra de grunnleggende atombyggesteinene selv.
Enkelt sagt, livet slik det eksisterer på jorden ser ut til å være mulig bare på grunn av en fantastisk elegant og sparsommelig innebygging av svært spesifikke elementer av egnethet i materiens egenskaper. Det er ikke det minste bevis på at ting kunne være annerledes; At et mangfold av tungvint mekanismer fremmed for atomene selv - et stort, usannsynlig, uhåndterlig lager av Newtons "overflødige årsaker" - kan ta deres plass.
For kjemisk liv eksternt sammenlignbart med det kjente karbonbaserte livet slik det eksisterer på jorden, ser det ut til at egenskapene til materie måtte finjusteres like elegant og nøyaktig som de er. Gud, ser det ut til at når han vevet verdens fabrikk, hadde ikke annet valg.
Bilde 9. Michael Denton
Senior stipendiat, Sentre for vitenskap og kultur og for menneskelig eksepsjonalisme
Michael Denton har en M.D. fra Bristol University, samt en doktorgrad i biokjemi fra King's College i London. Denton er en senior stipendiat ved Discovery Institute's Center for Science and Culture, og har hatt en kritisk innvirkning på debatten om darwinistisk evolusjon.
Oversettelse, via google oversetter, og bilder ved Asbjørn E. Lund