Livets informasjon

Her kommer vi inn på litt grunnleggende biologi som kan være greit å ha med, i det vi skal vurdere hvorvidt tilfeldigheter alene kan styre livets utvikling.

(Oversatt i fritt utvalg, etter boka: 'Not By Chance' av Dr. Lee Spetner kap 2; Judaica Press, 1999)

Hvordan kan et høne-egg vite at det skal vokse til en høne-kylling og ikke f.eks. til ei and. Hvor kommer informasjonen som den bygger på fra? Om vi skal forstå hvordan livet utviklet seg fra, må vi kunne forstå hvordan livets informasjon kunne bli til. Vitenskapsfolk har funnet hvor livets informasjon er lagret. De har lært mye om beskjedene det inneholder og hvordan de brukes. Vi skal se på generell bakgrunn for informasjon i levende vesener.
Først må sies at for alle påstander en kan komme med om levende organismer, så finnes det unntak. Dermed burde en hele tiden komme med forholdsregler som vanligvis, nesten alltid etc. Men la oss gjøre dette unntaket generelt, så vi slipper å gjenta det hele tiden.

Bilde 1. Hva gjør egg til en kylling -og hvordan startet det?

Encellede organismer er de minste og enkleste levende vesener som kan reprodusere seg selv. Eks. er bakterier og gjærceller. En bakterie er en enkelt celle som måler ca. 1 mikrometer (1 millionte-dels meter), og en gjærcelle er ca 5 mikrometer i tverrsnitt. Bakterieceller er så små at en billion (1 med 12 nuller bak) kan få plass i ei teskje, og kan formere seg hver halvtime -under 'optimale' forhold. Likevel krever det mye informasjon å danne enkleste bakterie, og alt er sammenpresset i en ørliten del av cellens knøttlille volum. Selv den minste bakteriecelle, som veier ca 1 billiontedels gram, inneholder en veritabel fabrikk på nanonivå: m(10 opphøyd i -9). Den inneholder ikke mindre enn tusenvis av eksempler på eksklusivt designet 'høyteknologisk' molekylært 'isenkram'. Dette maskineriet er bygd opp av over 100 milliarder atomer. Det er altså langt mer komplisert enn noe noen maskin som noe menneske noensinne har bygd, og er helt klart uten sidestykke i den ikke-levende verden (fra kap. 7 i 'Guds bøddel' av John C. Lennox).

En levende organisme som består av mer enn en celle, kalles flercellede. Det er en organisert gruppe av celler, som fungerer som en enhet. Alle planter og dyr er flercellede. En typisk flercellet organisme, måler mellom 10 og 30 mikrometer i tverrsnitt. De er både større og inneholder mer informasjon enn bakterier og gjærceller. Cellene i en multicellulær organisme er spesialiserte og og har sin egne oppgaver. Det finnes f.eks. hudceller, nerveceller og leverceller. Cellene samarbeider med hverandre, noe som tillater hele organismen som et hele å leve og fungere effektivt. Fra en befruktet menneskelig eggcelle dobler celleantallet seg ca. 46 ganger og kommer opp i et svimlende antall av ca. 50 billioner celler.

Ved seksuell formering kommer et barn ved at hver foreldre bidrar med én kjønnscelle hver, og disse to cellene smelter sammen i én befruktet celle (zygote). Fra det stadiet og inntil fødselen er organismen en embryo. Cellene i embryoet deler seg, og for hver deling dobler antallet. På et tidlig stadium begynner cellene å bli ulike hverandre, vi sier de blir differensierte. Cellene endrer seg og utvikler seg etter et program som er del av informasjonen bygd inn i hver av dem. Programmet mottar også input fra utenfor cellen. Vi kan sammenligne utviklingsprogrammet med operativsystemet i en PC. Alle de ulike celletypene muskelceller, blodceller, hjerneceller etc. dannes ved differensiering. Om en fisk, som i følge evolusjonsteorien skulle endres til en salamander, så måtte programmet som bygger en fisk ha endret seg til ett som bygger en salamander. Programmet som styrer bygging må også ta hånd om vedlikehold, skifte utslitte celler, bygge nye organer. Noen dyr kan til og med regenerere ødelagte lemmer, noe mange biologer anser som en utvidelse av utviklingsprogrammet i dyret. Informasjonen i en celle spiller en liknende rolle som produksjons-fila i en fabrikk. Den inneholder et sett instruksjoner som forteller hver arbeider hva den skal gjøre. Produksjonsfila er informasjon utført av skrevne symboler. Utviklingsinstruksjonene i cellen er informasjon skrevet i molekylære symboler.

Bilde 2. Zygote med dens mange bestanddeler

Mesteparten av informasjonen i cella finnes i små fysiske strukturer, som kalles kromosomer. Det aller meste av arvelig informasjon befinner seg her. I celler som har kjerne, unntak: bakterier, så befinner kromosomene seg i cellens kjerne. Delen av kromosomet som bærer informasjon, er molekylet kjent som DNA (deoxyribose-syre). Alt DNA i alle kromosomene i ei celle, kalles for genomet, og informasjonen som inneholdes for genetisk informasjon. Hos organismer som formerer seg seksuelt, kommer kromosomene i par, der medlemmene av hvert par kommer fra hver sin forelder. Ulike arter har vanligvis ulikt antall kromosomer. Mennesker har 23 par, mens ei bananflue (Drosophila melanogaster) har 4. Begge medlemmer av ett kromosompar har samme basisinformasjon, men er vanligvis ikke identiske.

Kromosomer er bare en måte å pakke informasjon på, og antallet er ikke noen god indikator på en organismes kompleksitet. Mennesket har som nevnt 23 par, mens silkeormen har 28. Hunder har 39 par og ei karpe har 52 par. En encellet parasitt (trypanosom) som frakter sovesyke, har hundrevis av kromosomer (Donelson og Turner, 1985). Noen organismers kromosomer kan ha mye mer DNA enn andre organismers. Men heller ikke DNA er noen god måte å måle kompleksiteten til organismer på. Selv om mennesket har 30 ganger mer DNA enn enkelte insekter, så finnes insekter som har mer enn dobbelt så mye DNA som mennesker. Den kan skyldes at deler av genomet kan være mange repetisjoner av samme seksjon.

Ett av parene i ett sett av kromosom avgjør organismens kjønn. Medlemmene i dette paret kan være av to slag: I mange arter er ett medlem rett (X-kromosomet) mens det andre er bøyd (Y-kromosomet). I f.eks. pattedyr er paret av kjønnskromosomer i hunndyr 2 X-kromosomer, mens det i handyr er en X og ett Y-kromosom. (I fugler og noen insekter er det motsatt, her kalles kromosomene Z og W i stedet for X og Y.)
DNA er et stort molekyl (polymer) som er bygd av mange mindre molekylære enheter. Ett polymer er som en kjede, der de små enhetene er leddene. I DNA kalles leddene for nukleotider, som skiller seg fra hverandre ved sine baser. I DNA er det 4 slags baser. De kalles adenine (A), guanin (G), thymin (T) og cytosin (C). Det er altså fire slags nukleotider, som hver har én av de 4 basene. James Watson og Francis Crick fikk Nobelprisen for oppdagelsen av strukturen i DNA (1962). De viste at det besto av ett todelt bånd, tvunnet som en dobbel spiral (Watson og Crick, 1953a og b).

Det er ingen kjemiske restriksjoner på sekvensen av basene langs spiralbåndet, den kan være hva som helst. Rekkefølgen av basene er fri til å bære informasjon. Sekvensen av baser er lik en streng av symboler i en beskjed. Som en streng av bokstaver i et alfabet kan frakte en beskjed, slik kan også en sekvens av baser. Basene på de to motsatte båndene er paret på komplementært vis. Sekvensen av baser langs ett bånd, bestemmer sekvensen langs det andre. Det er samme informasjon som er lagret langs begge to. En kan tenke på DNA-molekylet som en tape, som det er lagret informasjon i form av nukleotider eller basepar, langs. Genomet inneholder informasjon som blant annet bestemmer hvordan organismen skal bygges, en informasjon som kopieres ved hver celledeling.

Bilde 3. DNA og dets bestanddeler

Genomet kan inneholde mye informasjon. Genomet til en enkel bakterie, kan være en streng på noen millioner symboler. Genomet i et pattedyr har gjerne fra to til fire milliarder symboler. Om en skulle skrive denne informasjonen i en bok av vanlig type, ville en bakteries informasjon inneholde rundt tusen sider. Symbolene for et pattedyr ville fylle to tusen bind, nok til å fylle en bibliotekhylle i en fotballbanes lengde. All denne informasjonen er i det knøttlille kromosomet i hver enkelt celle, som det går 100 av på en millimeter.
DNA i ett enkelt menneskelig kromosom, kan bli så langt som 10 cm om det rettes ut. Når det er 23 par kromosomer, blir lengden litt under to meter. Regner en informasjonen i alle kroppens celler, kan den strekkes ut ca 500 milliarder km, lengre enn til periferien av vårt solsystem. Lyset ville ta to dager før det passerte tilsvarende distanse, med fart 300.000 km/sek.

Cellen oversetter informasjonen i DNA til å lage små molekylære maskiner og strukturelle elementer i form av enkle molekyler. Disse kalles hhv. proteiner og RNA. Proteinmolekylene består av kjeder som består av 10-30 atomer hver, kjent som aminosyrer. Det er 20 ulike aminosyrer som tilvirker proteinet i alle levende organismer. En kan tenke på et protein som noe liknende av ett kjede som består av aminosyrer. Et typisk protein har noen hundre aminosyrer. Det er rekkefølgen av aminosyrer i proteinet som bestemmer dets funksjon. For å lage ett protein som utfører noe, må cellen få rette aminosyrer i rett rekkefølge. For at den tredimensjonale strukturen i proteinet skal bli riktig, må rekkefølgen være helt riktig. Cellen utfører tusener av ulike kjemiske reaksjoner. Hver reaksjon består i å endre ett molekyl til ett eller flere andre.
Alle kjemiske reaksjoner i cellen iverksettes via katalysatorer. En katalysator kommer alltid uendret ut fra reaksjonen, og den kan bli gjenbrukt i det uendelige. Input kalles for substrat, og output for produktet. Proteinets mest utbredte rolle er som katalysator, og i den sammenheng kalles det gjerne for et enzym. Et enzym øker hastigheten ved en reaksjon så mye at reaksjoner som ellers ikke ville kunne skje, likevel kan det. En økning i reaksjonens hastighet med en faktor på mellom 10 milliarder til 100 billioner, er ikke uvanlig. Med den siste fartsøkningen kan en reaksjon skje på ett tusendel av ett sekund, som ellers hadde trengt 3000 år uten enzymet. Enzymer kontrollerer nesten alle livets reaksjoner. (Stryer, 1988).

Det er cellen som kontrollerer enzymene og deres effekt. De er energieffektive ved at de kan slå enzymer av eller på, etter som de trengs eller ikke. I en slags kontroll så hindrer produktet enzymet som katalyserer reaksjonen. Det blir da en form for feedback-forhindring. Foruten å fungere som enzymer, fungerer proteiner for å bestemme form og struktur ved organismen, de utgjør strukturell materie og gir styrke og støtte til celler og vev. De hjelper til å kontrollere vitale celle-funksjoner, f.eks. å regulere tilvirkning av andre proteiner og noen kontrollerer utvikling av embryoet, ut fra genetisk informasjon i genomet. Proteiner spiller også en rolle i selektiv transport av små molekyler, f.eks. hemoglobin som transporterer oksygen gjennom blodet.
Proteiner er også kilde til bevegelse i levende organismer, og fungerer som motor-molekyler. De utfører også en hovedrolle i overføring av informasjon inni levende organismer. De kan frakte beskjeder fra celle til celle eller til rett bestemmelse innenfor cella. (Linder og Gilman, 1992). Noen proteiner hjelper til å danne, overføre og motta elektriske nerveimpulser i dyr. (Darnell et al, 1986) Informasjonen i genomet foreller cella hva slags proteiner den skal produsere. Siden proteiner spiller en dominerende rolle i celle-funksjoner, har de en dominerende rolle i hele organismen. Ved å kontrollere produksjon av proteiner, bestemmer informasjonen i genomet form og funksjon til hele organismen.

RNA er et molekyl som ligner DNA i struktur og i at det bærer informasjon. RNA er også, i likhet med DNA, flerleddet, men er enkelt- i stedet for dobbel-'dekket'. Oppbygningen av RNA består også av ribose-sukker, i stedet for deoxyribose-sukkeret som DNA inneholdt. Endelig er Tymin (T) byttet ut med Uracil (U). Det innebærer at A knytter seg til U, i stedet for til T (Huskeregel: AU -AT). Sukkerarten i DNA (deoxyribose) er mye mer bestandig enn tilsvarende sukker i RNA (ribose). Det er derfor cellen benytter DNA til å langtids-lagre informasjon. Cellen benytter DNA for å lagre for organismens livstid og for generasjoner framover, mens RNA benyttes til midlertidig frakt og overbringelse av informasjon.

Bilde 4. Likheter og ulikheter RNA-DNA

Et gen er en enhet som genetikere har funnet er del av et kromosom. Et kromosom kan anses som en streng av gener. Et gen kan sees som alle DNA-sekvensene som er nødvendige for å produsere ett RNA-molekyl (Darnell et al. 1986). Gener kan grupperes i to hovedklasser:
1. Strukturelle gener koder for proteiner, som kan spille rollen enten til en katalysator eller en strukturell rolle.
2. Regulerende gener som kontrollerer hva cellen gjør og hvordan den gjør det. En av hovedoppgavene er å kontrollere hvilke proteiner og hvor mye av dem, som cellen skal lage. De gjør ofte det ved å kode et protein som slår spesielle gener av eller på (Darnell et al. 1986).

DNA's informasjon ligger i hovedsak i planen det inneholder for å produsere protein. Informasjonen i DNA dikterer rekkefølgen (sekvensen) av aminosyrer i hvert protein. Informasjonen i ett gen blir lest og skrevet av til et spesielt budbærer (messenger) mRNA. Avskriften blir ivaretatt av et spesielt enzym som kalles RNA-polymerase. Cellen sender mRNA dit proteinet dannes, til cellens fabrikker: ribosomene. En kan tenke på mRNA som en tape der cellen tar vare på informasjonen fra ett gen, og sender det til ribosomer for proteinproduksjon. De dannes bare når det er behov for dem, ved at cellen styrer avskrift og kopiering av informasjonen mRNA kommer med. DNA koder RNA som cellen lager, i den hensikt å lage proteiner. Informasjonen i DNA molekyler koder for protein og RNA, som i stor grad styrer cellens natur. Som følge av det, bestemmer informasjonen i DNA organer, vev og endelig formen ved selve organismen. Aktiviteten i et gen avhenger av nåværende status i cellen, og status til omkringliggende celler. Disse sender ut spesielle meldinger i form av proteinmolekyler, som sier når gener skal være aktive eller inaktive. Utvikling i løpet av embryo-fasen er koordinert gjennom meldinger som hver celle mottar fra andre celler, og gjennom dem de selv sender til andre celler.

Det er mange slags ulike molekyler som påvirker aktivering av gener. Den største gruppen er hormoner. Hvert hormon er laget i spesialiserte celler, som er del av det indresekretoriske systemet. Hos mennesker og dyr er det vanlig at hormoner følger blodet til sine mål ellers i kroppen. Hormoner spiller en rolle i kontroll av gener og kan også påvirke enzymer og cellestrukturer (Darnell et al. 1986). De spiller en viktig rolle i utvikling og i normal kroppsfunksjoner. En celle deler seg for å danne to nesten identiske celler i en prosess kjent som mitose. Rett før cellen deler seg, dupliserer dens kromosomer seg ved å forme et dobbelt sett, hvorav hver dattercelle får ett sett.
Noen deler av embryoet er ikke ment å bli del av kroppen til den voksne organismen. I stedet settes de til side som kjønnsceller, som vil utgjøre neste generasjon. Hannen danner mannlige og hunnen kvinnelige kjønnsceller. Kjønnsceller er datterceller i en prosess som kalles meiose. I meiosen deler cellen seg to ganger, men kromosomene dobler seg bare i den første delingen. I den andre delingen skiller medlemmer av kromosomer seg i hva som synes som en tilfeldig måte. Et medlem av hvert par går til hver av de to dattercellene. Som et resultat får hver kjønnscelle ett medlem av hvert kromosompar, slik at de har halvparten så mange kromosomer som andre celler. Mannlig og kvinnelig kjønnscelle slår seg sammen i befruktning for å danne en zygote (befruktet eggcelle).

Bilde 5. Prinsipptegning av produksjon, frakt og mål for hormoner

Når kromosomer dupliserer seg, hender det at det blir feil. I gjennomsnitt én feil pr. 10.000 basepar som kopieres. Det tilsvarer en feilrate på én feil pr. 5 sider tekst for en skribent. For å hindre at feil bygger seg opp over generasjoner, må cellen kvalitetssikre DNA og rette evt. feil under replikasjonen. Men noen få feil gjenstår, selv etter korrektursjekk, som er kjent som substitusjon av enkeltnukleotider. Det er mutasjoner av typen punktmutasjoner. Feilrate etter kvalitetskontroll kan ligge på fra mellom én til én milliard, til en til 100 milliarder. Det siste ville tilsvare én feil på 50 millioner A4-sider, om en sammenlikner med tekst.

I tillegg til punktmutasjoner er det genetiske endringer som kan påvirke mer enn ett gen. Én slik genetisk endring er kjent som en rekombinasjon, der to kromosom-deler utveksler biter av informasjon. Det er ingen enkel prosess. Vi forstår ikke ennå hvordan brudd i kromosomer og bytting av biter kan gjøres så presist som det gjør. Vi vet imidlertid at det kontrolleres av spesielle enzymer, som bryter kromosomer utveksler biter og knytter sammen frie ender. Det er også andre slags mutasjoner: a) duplisering av ett segment i genomet b) invertering av ett segment c) sletting av ett segment d) innsetting av ett segment e) flytting av segment fra ett sted til ett annet.

Genetikere har funnet at inversjoner, slettinger, innsettinger og ombyttinger ikke bare er tilfeldige begivenheter. Spesielle stykker av DNA som hopper rundt i kromosomet forårsaker disse genetiske endringene. Korte biter av DNA, såkalt hoppende gener (transposoner), er funnet å forflytte seg fra sted til sted i kromosomet. Det er også oppdaget at de kan aktivere andre kortere stykker, og få dem også til å forflytte seg. Et stykke av DNA som er aktivert av hoppende gener, kalles for en innsettings-sekvens. En slik sekvens kan senere enten bli slettet, mangfoldiggjort eller snus rundt til en invertert enhet. De kan hoppe enten innen samme kromosom, eller like mye mellom to kromosomer.

Bilde 6. Effekt av gen-endringer

Et hoppende gen (transposon) har i seg DNA som koder for to av enzymene som trengs for å utføre jobben. Cellen sørger selv for de andre nødvendige enzymene. Forflytningene av disse genetiske elementene som danner nevnte mutasjoner, er funnet å være en kompleks prosess som forskerne knapt har funnet ut av ennå. Fordi ingen vet hvorfor de inntreffer, så har mange genetikere antatt at de inntreffer av tilfeldighet, noe som kan være prematurt. Om kilden til variasjon er den komplekse prosessen av gen-forflytninger, så er det foreløpig ikke dekning for å hevde at evolusjon er basert på tilfeldige begivenheter. Dette kommer vi tilbake til.

Etter at ei celle evt. er mutert, bevarer cella det nye genet med samme nøyaktighet som den gjør overfor andre gener. En mutasjon i ett gen kan endre effekten av genet overfor organismen. En endring i en base i et kodon (består av 3 nukleotider), kan endre aminosyren det koder for, noe som vil skje om ikke både det nye og gamle kodonet koder for samme aminosyre. En endring av ei aminosyre resulterer ofte i en endring i egenskapene ved det proteinet, hvorav noen bare kan vise seg innen cella. En endring i noen aminosyrer kan resultere i bare mindre endringer, mens andre kan føre til større forandringer. Ett eks. er sink-celle anemi, som skyldes at A erstattes med T i genet som koder sjette-aminosyre i beta-kjeden til proteinet (glutamic aminosyre endres til valine). Ett annet eks. er endring fra C til A i genet som koder for rhodopsin-pigment i øyets retina. Som et resultat endres 23. aminosyre i rhodopsin proteinet fra prolin til histidin. Denne punktmutasjonen kan føre til blindhet. (Dryja et al, 1990; Appelbury, 1990).
En punktmutasjon i et regulerende gen, kan føre til endringer i hvordan genet regulerer. Det kan føre til endring i det regulerende proteinet det koder for. Endringen kan f.eks. være i styrken som proteinet binder seg til genet det kontrollerer. Noen ganger kan endring i en enkelt aminosyre ødelegge proteinets evne til å fungere i det hele. En punktmutasjon i genet som koder for et enzym kan føre til endring i måten enzymet fungerer på. En mutasjon i et regulerende gen kan føre til endring i måten et embryo utvikler seg på. Om mutasjonen er en kjønnscelle, vil endringen være arvelig og vil dukke opp i senere generasjoner. En endring i fenotypen kan føre til at naturlig seleksjon virker annerledes i forhold det.

Bilde 7. Eks. på punktmutasjon: årsak og effekt

Hvert gen i en populasjon kan komme i mer enn en versjon, og hver versjon av ett gen er kjent som en allele. Hver slik allele kan ha sin spesifikke virkning på fenotypen. Genotype og fenotype beskriver hvilke gener/genvarianter en organisme bærer på (genotype), og hva som kommer til uttrykk (fenotype) . Blå og brune øyne uttrykkes ved to ulike alleler i samme gen, likeså en hvit og en rød blomst. En organisme vil ofte ha to alleler av samme gen, ett i hver av kromosom-parene. Settet av alleler i genomet til ett individ skiller seg nesten alltid fra andres. Forskjellene tenkes å stamme fra mutasjoner som har skjedd i fortiden. Ett medlem i hvert par av kromosomer, kommer fra far og det andre fra mor. De to medlemmene av et par har samme gener, men genene har ofte ulike alleler.

Bilde 8. Alleler gen-varianter

Om hver av to foreldre skiller seg fra hverandre bare ved én ulik allele pr. kromosom, så er det likevel stort potensiale for variasjon hos avkommet. Siden mennesket har 23 par kromosomer, så kan moren lage kjønnsceller fra ett sett på 2 opphøyd i 23 ulike, som tilsvarer 8,4 millioner ulike celler. Det samme gjelder for faren. Avkommet fra de to til sammen kan da komme ut av ett sett på mer enn 8,4 * 8,4 millioner, eller ca. 70 billioner. Det tilsvarer ca. 10.000 ganger jordens nåværende befolkning. Potensialet for variasjon er stort. Tilsvarende kan rekombinasjoner øke denne variasjonen enda mye mer, mange ganger dette antallet avhengig av hvor mange steder kromosomet deler seg.