Nobel-tason skandaali: kolme nobelistia suosittelee darvinismia kritisoivaa ID-kirjauutuutta

Foresight-kirjan kansikuva

Muutama poiminto uutuuskirjan Foresight – How the Chemistry of Life Reveals Planning and Purpose (Marcos Eberlin, Discovery Institute Press, toukokuu 2019) kolmesta ensimmäisestä luvusta

Mikko Tuuliranta 11/2019, oikoluku Matti Leisola

Marcos Eberlin on kemian tohtori, Brasilian tiedeakatemian jäsen ja International Mass Spectrometry Foundationin entinen puheenjohtaja. Eberlin on perustanut arvostetun Thomson Mass Spectrometry-nimeä kantavan tutkimuslaitoksen, jossa hän on ohjannut noin kahden sadan gradun ja väitöskirjan tekoa. Hänen entisiä oppilaitaan toimii tutkijoina eri puolella maailmaa. Vuonna 2016 hänet palkittiin arvostetulla Thomson-mitalilla.

Kirjan teema on Foresight eli se, miten elämän kemia paljastaa suunnittelun ja tarkoituksen. Foresight tarkoittaa ennakointia, kykyä nähdä asioita, kuten haasteita ennakolta. (Foresight ilmenee joskus ns. käänteisenä kausaliteettina. Tätä käsitettä kirjassa ei kuitenkaan mainita, vaikka se liittyykin ennakointiin: Fyysisessä maailmassa syy edeltää seurausta, mutta biologiassa seuraus saattaa edeltää syytä, kuten alkion kehityksessä: Ohjelmoitu solukuolema, apoptoosi, on seurausta mm. siitä syystä, että ihminen tarvitsee sormet eikä räpylää. Jos osaa alkion käden soluista ei olisi ohjelmoitu kuolemaan kehityksen myöhemmässä vaiheessa, sormet jäisivät yhteen ja meillä olisi vain räpylä.)

Kansantajuinen 171-sivuinen kirja ei edellytä laajaa perustietoa. Olen kuitenkin täydentänyt ja selittänyt paria esimerkeiksi nostamaani yksityiskohtaa. Huomionarvoista on, että kolme Nobel-palkinnon saajaa suosittelee kirjaa: John B. Gurdon (fysiologia ja lääketiede 2012), Gerhard Ertl (kemia 2007) ja Brian Josephson (fysiikka 1973). Suosittelijoina on myös neljä kemian sekä yksi lääketieteen professori.

Rajaan tarkastelun kolmeen ensimmäiseen lukuun, erityisesti kolmanteen, The Code of Life. Ne kertovat yksityiskohtaisen tarkasti ennakoinnista ja suunnittelusta. Esimerkiksi solukalvon vesikanava (aquaporin), DNA ja RNA on täytynyt suunnitella atomien tasolta lähtien: yksi atomi liikaa tai liian vähän tai väärässä paikassa ja elämää ei olisi.

Luvusta 1: Ennakointi elämässä (Foresight in Life)

”Biologia elää keskellä uusien löytöjen kultaryntäystä… Minun työurani aikana on syntynyt niin uudenlaisia biologisten tieteiden aloja, että niille on pitänyt keksiä omat nimensä: proteomics, lipidomics, mass spectrometry imaging, petroleomics, bacterial fingerprinting jne.”

Kirjoittaja ei viittaa suoraan luomiskertomukseen, eikä käytä sanoja ”luominen” tai ”luoja”. Alkuluku on kuitenkin lyhyt johdatus naturalistisen evoluution toiseen ja ainoaan varteenotettavaan vaihtoehtoon, luomiseen ja siihen, miten luomistyö on vaatinut yksityiskohtien pikkutarkkaa ennakointia. Tuhannet ja taas tuhannet yksityiskohdat on täytynyt ottaa etukäteen huomioon. Tässä luvussa esitellään lyhyesti vain yksi niistä: solukalvo ja eräs sen tärkeä osa, vesikanava (aquaporin).

Solukalvo on kemiallinen ja sähköinen kilpi

Oppikirjat ovat vuosikymmeniä, kyllästymiseen asti tarinoineet ”rasvapisaroista” ja niiden sisään joutuneista ”molekyyleistä” ensimmäisten ”alkeellisten solujen” aihioina.* No kyllähän rasvapisaroita muodostuu, ja niiden sisään voi joutua (ainakin tutkijoiden laboratorioissa) jotain molekyylejä, kuten ”esiRNA:ta”.


*Oppikirjat puhuvat liposomeista (tai miselleistä) eli rasvakalvojen ympäröivistä nesterakkuloista.


Oikeita solukalvoja Eberlin kuvaa ”vahvoiksi kemiallisiksi kilviksi” tarkoin kontrolloituine erikoisportteineen ja kanavineen. Evoluutioteoreetikkojen ”alkeelliset solukalvot” (rudimentaariset rasvahapot) eivät hänen mukaansa sovi edes aitojen solukalvojen karikatyyreiksi. (Eli malli ”ei ole edes väärä”?) Solukalvon perusrakenne on pitkä kaksiosainen molekyyli, fosfolipidikompleksi. Sen vettä hylkivä osa koostuu kahdesta 12-18 hiilen pituisesta rasvahappoketjusta, jonka jatkeena on vesihakuinen glyseroli-fosfaati-kolini -ydistelmä. Kaksikertainen (ja siten nelikerroksinen) fosfolipidi muodostaa joustavan, vakaan ja vahvan kilven, joka ei läpäise juuri mitään. Evoluutioteoreetikkojen epävakaa ”tynkäkalvo” (liposomi?) läpäisee ehkä jotain mutta valikoimattomasti suuntaan tai toiseen. Tällainen kalvo ei kuitenkaan läpäise aminohappoja eikä vettä. Jos ”alkeellisen rasvapisaran” sisään joutuikin jotain esiRNA:ta, jolla kenties oli ”entsymaattisia ominaisuuksia”, valmiuksia ”alkeelliseen proteiinisynteesiin”, mistä tämä ”alkusolu” sai aminohapponsa, kysyy Eberlin.

Solukalvon vesikanavat ja protonijohtimen ongelma

Puuttumatta kalvoon sen tarkemmin, tekijä mainitsee yksityiskohtaisempana esimerkkinä vain vesikanavan, ”akvaporiinin”. (Muita kalvorakenteita on tuhansia.) Vesikanava, kuten muutkin kanavat, on proteiinirakenne, ”putki”, joka voi laskea sisään tai ulos yksitellen jopa kolme miljardia vesimolekyyliä sekunnissa! Miksi yksitellen? Siksi, että vesimolekyyli on polaarinen eli osittaisen sähkövarauksen omaava. Siksi se voi muodostaa ”molekyylinauhoja”, jotka kvanttimekaniikan sääntöjen mukaan johtavat positiivisesti varautuneita protoneja eli vetyatomin ytimiä. Siksi vettä kutsutaankin ”protonijohtimeksi” (proton wire). Tämä ominaisuus aiheuttaa sen, että jos vesi pääsisi vapaasti kanavan kautta sisään, sen mukana tulisi koko ajan positiivisesti varautuneita protoneja. Aineenvaihdunnallisista syistä johtuen kalvon sisäpuolen pitää kuitenkin olla negatiivisesti varautunut. Ilman erikoisrakenteista vesikanavaa sisäpuolen varaus muuttuisi päinvastaiseksi todennäköisesti jo muutamassa sekunnissa ja solu kuolisi.

Vesikanava onkin oiva esimerkki ennakoinnista ja suunnittelusta: Keskellä kanavaa, strategiseen paikkaan tarkasti sijoitettuina on kaksi asparagiini-nimistä aminohappoa. Niiden pieni aktiivinen sivuryhmä (R) muodostaa tähän kapeaan kohtaan juuri yhden vesimolekyylin kokoisen aukon. Tässä kapeikossa asparagiinien sivuryhmät reagoivat vesimolekyylin hapen kanssa muodostaen vahvan väliaikaisen vetysidoksen. Sen johdosta H2O:n vetysidokset naapureihin katkeavat. Samalla myös protonijohdin katkeaa. (Asparagiinien sivuryhmät asettavat vesimolekyylin juuri sellaiseen asentoon, että sen happi ”tarjoutuu sidottavaksi”.) Koko proteiinikanavan rakenne on ”melko monimutkainen”.

Vettä hylkivän alkeellisen ”rasvapisarasolun” kalvoon olisi siis ensin pitänyt syntetisoida vesikanava; muuten se olisi kuollut janoon. Mutta mistä tulivat aminohapot kanavan synteesiin, sillä rasvapisara ei läpäise niitäkään?

Vesikanava on ”passiivinen”, moni muu kanava on aktiivinen. Tämä tarkoittaa sitä, että ne tarvitsevat käyttöenergiaa, jonka ne saavat tavallisesti ATP:stä. Tällaisia ovat muun muassa ioniportit, kuten natrium-, kalium- ja kalsiumkanavat, joiden on työskenneltävä sähköisiä potentiaaleja vastaan (erityisesti lihas- ja hermosoluissa).

Luvusta 2: Biokemiaa varten ennakoitu maailma (A World Foreseen for Biochemistry)

Luku käsittelee monille jo tuttua maailmankaikkeuden hienosäätöä, joten sivuan sitä vain lyhyesti:

Universumissamme on ainakin 26 luonnon vakiota (physical constants), joiden arvot pitää säätää juuri tarkalleen, jotta biokemia toimisi. Jo astrofyysikko ja naturalisti Fred Hoyle (1915 - 2001) myönsi, että vakiot vaikuttavat olevan niin tarkalleen säädetyt, että jonkun on täytynyt ”peukaloida fysiikkaa”. Välttääkseen tämän kiusallisen havainnon ”vääriä johtopäätöksiä”, jotkut naturalistit ovat jo pitkään koettaneet luoda ns. kaiken teoriaa (unified theory of everything). Siihen kuuluisi vähemmän vakioita. Eberlin kuitenkin toteaa, että vaikka niitä olisi vähemmän, ne olisivat ”supervakioita”, jotka edellyttäisivät vielä tarkempaa hienosäätöä. (Jotkut taas vetoavat multiversumiin!)

Ihmeellinen vesi

Tästä on ollut artikkeli Luominen-lehdessäkin, joten ”sivuutan veden vähin äänin”. Tekijä viittaa tunnettuun ID-biologiin Michael Dentoniin. Hän tuli kuuluisaksi jo 1980-luvulla evoluutiokriittisestä teoksestaan Evolution – A Theory in Crisis. Vuonna 2017 häneltä ilmestyi veden ihmeitä käsittelevä kirja The Wonders of Water: Water´s Profound Fitness for Life on Earth and Mankind (Discovery Institute Press, Seattle, WA).

Täydellinen ilmakehä

21% happea (O2), 78% typpeä (N2), hieman argonia (Ar), hiilidioksidia (CO2) ja vesihöyryä (H2O). Nämä kaasut eivät voi (eivätkä saa) ilmakehässä spontaanisti reagoida keskenään! Typpiatomeja yhdistää luja, kolminkertainen kovalenttinen sidos.

Ilman ennakointia ja erikoisjärjestelyjä eläimet melko nopeasti kuluttaisivat loppuun ilmakehän hapen ja typen polttaessaan orgaanisia hiiliyhdisteitä hiilidioksidiksi. Tämä johtaisi vaaralliseen kasvihuoneilmiöön. Tasapainon ylläpitoon tarvitaan kaiken kattavaa kierrätysverkostoa, johon eläinten lisäksi kuuluvat kasvit, mikrobit ja salamat.

Otsoni

90% auringon säteilystä on näkyvää valoa ja infrapunaa, elämälle ideaalista. Loppu koostuu pääasiallisesti eri pituisista ultravioleteista (400 – 10 nm): UV-A, UV-B, UV-C ja UV-E. UVA:n aallonpituus on pisin ja se läpäisee ilmakehän. Jotkut linnut, nisäkkäät ja hyönteiset näkevät UVA:n ja käyttävät sitä mm. metsästykseen. Ihminen tarvitsee jonkin verran UVB:n pitkäaaltoisinta komponenttia ihon D-vitamiinin synteesiin. Liiallinen auringon palvonta kuitenkin kiihdyttää ihon vanhenemista* ja altistaa sen syövälle (tyvisolu- ja okasolusyöpä sekä melanooma). Onkin hyvä tietää, että vaaleaihoisen rusketus on aina merkki ihovauriosta – punoituksesta puhumattakaan. UV-säteily vaurioittaa mm. ihosolujen mitokondrioDNA:ta. Kollegani kutsui ikääntyneitä auringonpalvojia savusilakoiksi.


*”Pitkäkestoinen altistus aiheuttaa monimutkaisen ilmiön, jota kutsutaan ihon ennenaikaiseksi vanhenemiseksi. Se liittyy UV-säteilyn eri osa-alueisiin, mutta pääasiassa kroonisiin UVA-vaurioihin” (BestPractice, Modenese ym., maaliskuu 2019, s.21).


Ilmakehän otsoni suodattaa suurimman osa UVB:stä siten, että vain pari prosenttia (pidempi aaltoinen osa) pääsee maan pinnalle. UVC:n energiakvantti on juuri sen suuruinen, että se särkee happimolekyylin (O2), jolloin muodostuu otsonia (O3). Kun otsonia on tarpeeksi, UVC hajottaa senkin, jolloin syntyy taas tavallista happea (O2). Tätä kutsutaan happi-otsoni-sykliksi, jossa lähes kaikki UVC absorboituu ilmakehän yläosissa. Typpi ja sen happiyhdisteet suodattavat vaarallisen lyhytaaltoisen UVE-säteilyn (10-100 nm) (ks. alle, UVE = extreme ultraviolet).

Elintärkeät salamat

Ilmakehän typpimolekyyli (N2) on siis erittäin luja eikä reagoi hapen kanssa. Typpi on meille kaikille välttämätön, mutta maaperässä typen yhdisteitä on vähän. Ainakin hernekasvit kykenevät bakteeriensa avulla sitomaan ilmakehän typpeä, mutta suurin osa muista kasveista ei. Typen kiertokulku on melko monimutkainen. Yksi tärkeä lenkki siinä ovat salamat. On arvioitu, että joka hetki maailmassa riehuu noin tuhat ukonilmaa, ja joka sekunti noin 50 - 100 salamaa välähtää jossain päin maailmaa. Salama särkee typpimolekyylejä, jolloin yksittäiset virittyneet atomit reagoivat hapen kanssa. Tällöin muodostuu mm. varautunutta typpimonoksidia (NO+) ja -dioksidia (NO2). On arvioitu, että yksi salamanisku tuottaa noin 40 kiloa erilaisia typen happiyhdisteitä. Kun ne reagoivat veden ja maaperän kanssa, syntyy lannoitteita, nitraatteja ja nitriittejä. Kun eliöt kuolevat ja typpiyhdisteet vapautuvat, mikrobit palauttavat niitä ilmakehään. Tätä kutsutaan denitrifikaatioksi, jossa syntyy myös dinitro-oksygeenia (N2O). Sillä on tärkeä rooli otsonikierrossa sekä haitallisen UVE-säteilyn suodatuksessa.

Vaikka mikrobit vangitsevakin suurimman osan ilmakehän typestä, ilman salamointia ja sen tuottamaa positiivisesti varautunutta typpimonoksidia (NO+) typen kiertokulku ja otsonitasapaino järkkyisivät: ei elämää ilman salamointia (ja fysiikan vakioiden hienosäätöä).

Luvun lopussa Eberlin kysyy: ”Is it science?” - Ja toteaa, että ns. operatiiviset eli empiiriset luonnontieteet tutkivat sitä, mistä luonto koostuu ja miten se tänään toimii. Alkuperä”tieteet”, kuten evoluutio, yrittää löytää syitä menneisyydessä tapahtuneille ilmiöille. Onko se tiedettä?

Luvusta 3: Elämän koodi (The Code of Life)

DNA:n ja RNA:n rakenteesta ja geneettisestä koodista ilmenee selvä ennakointi, foresight. Hyvä suunnittelu edellyttää ennakointia, tulevaisuuden haasteisiin varautumista. Arkipäivän esimerkkejä ovat turvavyöt tai rakennusten palovaroittimet ja varauloskäynnit.

Atomitason ennakointia DNA:n ja RNA:n rakenteissa

Fosfaatti ja sähköinen DNA

DNA:n perusyksikkö, nukleotidi, koostuu emäs- ja sokeriosasta + fosfaatti-anionista. Epäorgaanisessa fosfaatissa (PO4)3- on kolminkertainen negatiivinen varaus, mikä tekee DNA:sta sähköisen: puhutaan fosfaattijohtimesta (phosphate wire). Viisiarvoinen fosfori liittää kahden happiatominsa muodostamalla lujalla esterisidoksella itseensä kaksi sokeria (deoksiriboosi). Tämä rakenne muodostaa DNA:lle lujan rungon. Tämän jälkeen fosforiin jää vielä yhden elektronin negatiivinen varaus, joka resonoi fosforin kahden ”vapaan” hapen välillä.

Miksi tiedontallennusjärjestelmä on sähköinen? Siksi, että tallennusalustan pitää olla luja, pitkäkestoinen, sukupolvesta toiseen säilyvä. DNA:n pitää pystyä torjumaan ympäröivän veden hajottavat vaikutukset, hydrolyysin. Veden biomolekyylejä hajottava vaikutus perustuu mm. vesimolekyylien lämpö- eli ns. Brownin liikkeeseen, jossa H2O-molekyylien keskinopeus elämän lämpötiloissa on reilusti yli 2000 km/t. Tällaisella nopeudella tapahtuvat törmäykset pyrkivät hajottamaan biologisia makromolekyylejä. Vesi on polaarinen molekyyli, jossa on osittainen negatiivinen varaus. Mutta koska myös DNA:n runko on negatiivisesti varautunut, sillä on vettä vastaan suojanaan sähköinen kilpi.

DNA:n ketjuuntumisreaktion hitaus

Epäorgaanisen kemian maailmassa fosfaatin (PO4)3- reaktio sokerin, deoksiriboosin kanssa on erittäin hidas. Ihmisen yhden solun DNA:ssa näitä sidoksia on lähes 6,5 miljardia. Ilman katalyyttia (entsyymiä) yhden DNA-nauhan syntetisoimiseen kuluisi todennäköisesti paljon enemmän aikaa kuin mikä on maapallon arvioitu ”virallinen ikä”, 4,5 miljardia vuotta. Tätä varten onkin olemassa entsyymi, DNA-ligaasi, joka kiihdyttää reaktionopeutta monta kertaluokkaa. Ligaasin tarve piti siis ennakoida (foresight) eli sen piti olla olemassa ennen DNA:ta. Naturalismin suljetun maailmankaikkeuden mallissa ligaasin alkuperä on mahdoton selittää: Sokea ”äitiluonto” ei voi nyhjäistä tyhjästä jotain entsyymiä*, jolle olisi käyttöä vasta joskus myöhemmin, sitten kun ”DNA:ta ruvetaan suunnittelemaan”.


*Koska entsyymin itsensä synty edellyttää DNA:n olemassaoloa.


DNA-ligaasi on useista alayksiköistä koostuva ”proteiinikone” (ks. Wikipedia). Se tarvitsee kahden ATP-molekyylin energian jokaiseen sokerin ja fosfaatin väliseen esterisidokseen. Mistä ATP? ATP-syntaasista, joka on protonivirralla toimiva pyörintämoottori. Syntaasi tarvitsee kuitenkin solukalvon, jonka läpi se on ankkuroitu. Mistä kalvot? Naturalistinen malli johtaa siis ns. loputtomaan regressioon: Jos A tarvitsee B:n, mistä B, joka tarvitsee C:n, joka taas tarvitsee D:n jne.

Naturalisti voi – totta kai - kysyä: ”Entä mistä Jumala? Kuka loi Luojan?”. Kysymys on pätemätön, irrelevantti, sillä se pätee vain ns. riippuvaisiin olioihin, niihin, jotka eivät ole aina olleet olemassa; jotka ovat siis joskus syntyneet, kuten DNA ja universumi: Al-Ghazalin (1100-luku) argumentti pätee edelleen: Kaikella, mikä on saanut alkunsa, on alkusyy. Teismin maailmankaikkeus on avoin, naturalismin suljettu. Tiede ei voi ottaa asiaan kantaa. (Ja kuitenkin, päästäkseen teismiä pakoon: jotkut astrofyysikot puhuvat multiversumista – ja aivan tosissaan!)

RNA/DNA-sokerit: riboosi ja deoksiriboosi

Nämä ovat viisi hiiliatomia sisältäviä renkaita. Etuliite ”deoksi” tarkoittaa”ilman happea”. RNA:n riboosissa asemassa kaksi on sivuryhmä OH, DNA:n deoksiriboosissa vain H eli vetyatomi. Tämä yhden atomin ero on äärimmäisen tärkeä. Siitä tuonnempana.

5-hiilisiä sokereita on muitakin. On kysytty, jotta eikö sokerina voisi olla mikä muu 5-hiilinen tahansa kuten arabinoosi tai ksyloosi? Vaikuttaa siltä, että ei. Muista sokereista on valmistettu ns. pseudo-DNA:ta ja todettu, että ne eivät toimi – tai toimivat ”joten kuten”, ehkä vain vähän aikaa ja huonosti. Näin mm. siksi, että DNA:n kaksoiskierteen välinen tila pitää olla melko tarkkaan 25 ångströmiä (1Å = 10-10 m eli 0,1 nanometriä). Tähän väliin mahtuvat sopivasti vastakkain toiseen runkoon kiinnittynyt puriini- ja toiseen kiinnittynyt pyrimidiiniemäs, siten että ne voivat muodostaa sellaisen vetysidoksen, joka voidaan DNA:n lukemisen ajaksi purkaa eli avata kaksoiskierre. Jos sokerina olisi jotain muuta, DNA-kierteiden väli olisi liian ahdas tai liian laaja.

Riboosia on erittäin vaikeaa, jopa mahdotonta syntetisoida laboratoriossa epäorgaanisesti (siis ohjatusti) ilman luonnon omia entsyymejä – varsinkin, jos halutaan RNA:n vaatimaa 100%:n puhdasta oikeakätistä isomeeria, D-riboosia. James Tour, Rice-yliopiston orgaanisen kemian professori, kuvaili kerran, miten maailman ehkä etevin synteettisen kemian ekspertti Albert Eschenmoser sai tässä suhteessa aikaan lähinnä vain sotkua (mess).

Riboosilla ja deoksiriboosilla on siis vain yhden atomin (O) ero. Se on kuitenkin ratkaisevan tärkeä. Voitaisiin sanoa, että elämää ja ei-elämää erottaa toisistaan vain yksi happiatomi! Miksi? Siksi, että

DNA:ssa on elämän pitkäaikaismuisti (kovalevy), RNA:ssa lyhytaikainen (flash drive). Riboosin asemassa 2 oleva OH-ryhmä aiheuttaa sen, että veden läsnä ollessa se tekee viereisestä fosfodiesterisidoksesta epävakaan. Näin siksi, että veden lämpöliike voi irrottaa OH-ryhmän. Tällöin se voi reagoida viereisen fosforisidoksen kanssa ja purkaa sen. RNA:n fosforisidos purkaantuukin noin sata kertaa herkemmin kuin DNA:n. Tämä on ennakointia: Jos RNA olisi yhtä vakaa kuin DNA, proteiinisynteesi ribosomilla lähetti-RNA:sta jatkuisi loputtomiin eikä uusia nukleotidejä olisi käytettävissä muiden proteiinien synteesiin. Siksi lähetti-RNA pitää voida purkaa nopeasti uusiokäyttöön. Myös primaarisen lähetti-RNA:n silmukointi (RNA splicing) lopulliseksi, editoiduksi lähetti-RNA:ksi saattaisi olla mahdotonta. DNA:n deoksiriboosin asemassa 2 on kuitenkin pelkkä vetyatomi (H), eikä se ole ”uhka” viereiselle fosforisidokselle.

Nukleotidiemäkset

On kysytty, ”miksi luonto valitsi DNA:lle vain ja ainoastaan neljä emäsosaa” (A, C, G ja T) (ja RNA:lle A, C, G ja U)? Vastaus on, että luonto ei valinnut mitään. Sana ”valinta” tulee indoeurooppalaisesta kantasanasta, joka viittaa älykkyyteen. Vain älykäs toimija osaa valita monista vaihtoehdoista sen parhaan (kuten vaaleissa?)

DNA:n adeniini (A), guaniini (G), sytosiini (C) ja tymiini (T) on huolella valittu siksi, että ne voivat muodostaa ainoastaan AT- ja CG-pareja. Miksi ei esim. AA, CC, GG, TT-pareja, koska nekin ovat mahdollisia ja niidenkin välille voisi syntyä tarvittavat kaksoiskierrettä ylläpitävät vetysidokset? (AG, CT, CA ja GT-liitot eivät ole mahdollisia.) Jos nauhojen vastinparit olisivat samoja (A-A, C-C, G-G jne.), vaikka vain osittain, informaatiota menetettäisiin, sillä molempia juosteita luetaan ja käännetään RNA:ksi. Silloin saataisiin vain kaksi identtistä kopioita kuten AATGCCGTC ja AATGCCGTC.

Silti voidaan kysyä, että miksi DNA:ssa on vain AT- ja CG-pareja vaikka myös AA, CC jne. voisivat ainakin teoriassa olla mahdollisia? Vastaus on, että eivät voi. Näin siksi, että vaikka esim. kaksi adeniinia voisikin in vitro liittyä yhteen, liitoksesta (AA) tulee liian pitkä eikä se mahdu kaksoiskierteen 25 ångströmin rakoon: Adeniini (ja guaniini) muodostuu näet kahdesta renkaasta. Myöskään CC tai TT-liitto ei ole mahdollinen, sillä sytosiini ja tymiini koostuvat vain yhdestä renkaasta. Tällöin liitoksesta tulee liian lyhyt eivätkä ne voi muodostaa keskenään vetysidosta. Tällainen ennakointi varmistaa sen, että DNA-nauhaan ei pääse syntymään informaation kannalta haitallisia kirjainpareja (eli hyödyttömiä kaksoiskappaleita AATGCCGTC ja AATGCCGTC).

Tymiini-urasiili dilemma

DNA:ssa on neljäntenä kirjaimena tymiiniä (T), RNA:ssa urasiilia (U). Yksirenkainen tymiini poikkeaa urasiilista vain siinä, että renkaan asemassa 5 tymiinissä on metyyliryhmä (CH3), joka urasiilissa on ”tyhjä”. On kysytty, että jos ensin oli ns. RNA-maailma, mitä järkeä oli siirtyä DNA-maailmaan, koska tymiinin synteesi urasiilista (metylaatio) kuluttaa kallista energiaa (ja vaatii oman entsyyminsä)? Ja miksi muutenkaan vaihtaa urasiili tymiiniksi, varsinkin kun myös urasiili voi muodostaa liiton adeniinin kanssa?

Selitys: tymiini on vastinkappaleensa adeniinin suhteen paljon valikoivampi kuin urasiili, joka voi adeniinin sijasta liittyä myös guaniniin eli muodostaa UG-liiton. Näin informaatio vääristyisi hyvin pian. Lisäksi tymiinin vettä hylkivä metyyliryhmä (CH3) tekee DNA:sta myös kestävämmän sen vetisessä ympäristössä.

Sytosiini-urasiili-dilemma

Yksirenkainen sytosiini on epävakaa. Vanhetessaan se hapettuu urasiiliksi menettäen samalla aminoryhmänsä (NH2) asemassa 6. On arvioitu, että joka päivä jokaisen solumme DNA:ssa noin 1 000 – 10 000 sytosiinia hapettuu urasiiliksi (RNA-emäkseksi). Jotta informaatio ei häviäisi, urasiili pitää vaihtaa takaisin sytosiiniksi. Siihen vaaditaan oma ”oikolukija” ja korjausentsyymi, urasiili-DNA-glykosylaasi. Entsyymi tunnistaa DNA:lle vieraan molekyylin, urasiilin ja poistaa sen (jonka jälkeen se korvataan sytosiinilla). Urasiili-DNA-glykosylaasi on monimutkainen entsyymi, jonka löysi vuonna 2015 Nobel-palkittu ruotsalainen tutkija Tomas Lindahl. Sytosiinin hapettuminen urasiiliksi on syöpää aiheuttava mutaatio. Ilman entsyymiä jokaisen solumme DNA:han kerääntyisi joka vuosi ainakin puoli miljoonaa vaarallista urasiilia (ks. Wikipediasta DNA-glycosylase). RNA:ssa sytosiinin hapettumisesta urasiiliksi ei ole haittaa, koska RNA on aina lyhytikäistä, joskus jopa vain muutaman tunnin. RNA ei siis tarvitse sytosiinin palauttajaa.

Siirtymisen kuvitellusta RNA-maailmasta DNA-maailmaan olisi pitänyt tapahtua yhden sukupolven aikana siten, että ainakin yksi uuden polven solu olisi saanut: 1) entsyymin, joka metyloi urasiilin tymiiniksi ja 2) DNA-glykosylaasin. Uskolla RNA-maailmaan ei taida olla tieteellistä tukea.

Pistemutaatioiden* haittavaikutusten minimointi eli ennakointi geneettisessä koodissa


*Muita, ja usein haitallisempia mutaatioita ovat mm. deletiot eli DNA-jaksojen häviämiset sekä insertiot kuten joidenkin alueiden kahdentumiset tai jaksojen kääntymiset (inversio).


DNA-ketjun neljästä ”kirjaimesta” (A, C, G ja T) muodostetaan kolmikirjaimisia ”sanoja”, kodoneja. Ne ovat symboleita, joista kukin tarkoittaa jotain tiettyä aminohappoa 20:stä. Neljästä kirjaimesta saadaan kuitenkin 64 symbolia, vaikka tarvittaisiin vain 20 (+ start ja stop -kodonit). Alun perin ajateltiinkin, että kodoneja on 20 + 2. Kun tarpeettomalta vaikuttava kodonien ylimäärä eli redundanssi tuli ilmi, jotkut kiirehtivät selittämään sitä evoluutiolla: yritys- ja erehdys -periaatteella toiminut luonto sai aikaan ”ylimääräisiä ja tarpeettomia artefakteja” eli ”rappeutuneen geneettisen koodin”. Ruvettiin puhumaan ”koodin rappeutumisesta” (code degeneration). Tällä degeneraatiolla koetettiin selittää aikoinaan niin hyvänä pidettyä vaihtoehtoista evoluution mallia eli neutraalin evoluution teoriaa (Kimura ja Nei). (Joka on siis kumoutunut.)

Kodonin viimeisen kirjaimen vaihtumisen vaikutukset

Viimeisen kirjaimen vaihtuminen DNA:ssa (ja siten myös RNA:ssa) ei redundanssista johtuen muuta ribosomilla tapahtuvassa translaatiossa aminohappoa toiseksi: RNA:n GUU, GUA, GUC ja GUG symboloivat kaikki valiini-nimistä aminohappoa. Viimeisen kirjaimen vaihtuminen toiseksi on ns. synonymous mutation (samaan aminohappoon johtava) Jos aminohappo vaihtuisi, kyseessä olisi non-synonymous mutation.

Jos siis DNA:ssa tapahtuisi pistemutaatio, substituutio, siten, että GTT:stä tulisi GTA (jolloin lähetti-RNA:ssa GUU muuttuisi GUA:ksi), mutaatio olisi degeneraatio- ja neutraaliteorian mukaan vaikutuksiltaan täysin neutraali. Näin ei kuitenkaan ole. Syntetisoitavan peptidiketjun valiini ei tosin muutu toiseksi, mutta translaation eli peptidiketjun synteesin nopeus muuttuu. Tämä johtaa siihen, että peptidiketjun primaarinen laskostuminen ribosomilla muuttuu. Hidas translaatio saa aikaan erilaisen laskostumisen kuin nopea. Eri eliöt ja solutyypit tarvitsevat hieman eri tavalla laskostuneita ja siten rakenteellisesti ja funktionaalisesti hieman erilaisia muunnelmia samasta proteiinityypistä. Siksi solut tarvitsevat erilaisia kodoneja. Jos tarvitaan nopeaa laskostumista, valitaan geeni, jossa on oikeaan nopeuteen sopivat kodonit. Nopeasti kasvavissa ja lisääntyvissä eliöissä tarvitaan tietysti nopeaa proteiinisynteesiä. Niiden geeneissä onkin enemmän sellaisia kodonien muunnelmia, viimeisen kirjaimen muutoksia, jotka mahdollistavat nopean synteesin ja laskostumisen.

Jos siis viimeinen kirjain muuttuisi toiseksi, proteiinin tertiäärinen tai kvaternäärinen perusrakenne ei välttämättä muutu merkittävästi, koska aminohappo ei ole muuttunut. Proteiini ei ehkä kuitenkaan ole aivan optimaalinen. Kodonin viimeisen kirjaimen redundanssilla hienosäädetään proteiinien toimintaa ja samalla minimoidaan sattumanvaraisten pistemutaatioiden haitallisia vaikutuksia.

Ensimmäisen ja toisen kirjaimen vaihtuminen

Kaikilla solun käyttämillä 20 aminohapolla on sama perusrunko, mutta toisistaan hyvinkin poikkeavat ja kemiallisesti tärkeät sivuketjut, joita kuvataan kirjaimella R. Tästä syystä aminohappoja on neljää perustyyppiä: ei-polaariset, polaariset (osittainen sähköinen varaus), happamat ja emäksiset.

Kodonin ensimmäisen ja toisen kirjaimen muutokset ovat Eberlinin mukaan harvinaisempia kuin kolmannen*. Niiden pitäisi olla paljon haitallisempia kuin kolmannen muutokset, sillä ne vaihtavat aminohapon toiseksi. Koodi on kuitenkin ennakoitu minimoimaan myös ensimmäisen ja toisen kirjaimen muuttumisien vaikutuksia: CTT (RNA:ssa CUU) koodaa leusiinia. Jos C muuttuu A:ksi, tulee ATT (AUU), joka koodaa isoleusiinia. Sillä on kuitenkin lähes samat kemialliset ominaisuudet kuin leusiinilla, joten haittavaikutus ei ole merkittävä. Jos C vaihtuu T:ksi (TTT), leusiini vaihtuu fenyylialaniiniksi. Sekään ei ole katastrofi, sillä myös fenyylialaniini on kemiallisilta ominaisuuksiltaan leusiinin kaltainen. Asparagiinin, joka on emäksinen, koodi on AAU. Jos A muuttuu C:ksi, saadaan CAU, joka on histidiinin kodoni. Myös histidiini on emäksinen, joten muutos ei liene kovin haitallinen. Kuitenkin mutaatio AGT>>TGT (RNA:ssa AGU >> UGU) vaihtaa seriinin kysteiiniksi. Kysteiinin sivuketjussa on SH-ryhmä. Se voi muodostaa kovalenttisen rikkisillan (S-S) toisen kysteiinin kanssa. Tämä saattaa ratkaisevasti muuttaa proteiinin sekundaarista tai jopa kvaternääri-rakennetta, koska aminohappoketjuun tulee ylimääräinen, lujalla rikkisidoksella vahvistettu lenkki tai ylimääräinen kovalenttinen sidos kahden proteiinikomponentin välille.


*Kolmannen kirjaimen kohdalla voi joskus olla vaikeaa erottaa, onko kyseessä alkuperäinen variantti vai onko se sattumanvaraisen mutaation aiheuttama. Ovatko kolmannen sattumanvaraiset mutaatiot sitten oikeasti harvinaisempia, sitä en tiedä.


Sama pätee toisen kirjaimen vaihtumisiin: aminohappo muuttuu toiseksi, joskus kuitenkin kemiallisilta ominaisuuksiltaan samankaltaiseksi. Eberlinin mukaan koodi on suunniteltu niin, että mahdollisimman harvoin aminohappo mutaation seurauksena vaihtuu ominaisuuksiltaan täysin toisenlaiseksi. Osa toisen kirjaimen muutoksista kuitenkin aiheuttaa aminohapon vaihtumisen sellaiseen, joka on kemiallisilta ominaisuuksiltaan hyvin erilainen, kuten ei-polaarisen valiinin (GUU) muuttumisen happamaksi aspartaatiksi (GAU) – tai ei-polaarisen isoleusiinin (AUU) muuttumisen polaariseksi treoniiniksi (ACU). Tällaiset mutaatiot (non-synonymous) saattavat olla hyvinkin haitallisia.

Uusdarvinistisen teorian mukaan mutaatiot ovat evoluution raaka-ainetta: ”Mutaatiot ovat perinnöllisen muuntelun perimmäinen lähde (ultimate source)… Ilman mutaatioita ei ole uusia alleeleja, ei uusia geenejä, eikä evoluutiota” (Evolutionary Analysis, Freeman & Heron 2004, s.109) Jos tämä pitää paikkansa, miksi koodi (ja koko solu) on ennakoitu minimoimaan mutaatioiden vaikutuksia? Miksi solussa on oikoluku- ja korjausjärjestelmiä, jotka pystyvät korjaamaan tuhannesta mutaatiosta jopa 999? Miksi järjestelmän löytäjille myönnettiin kemian Nobel (2015, Lindahl, Modrich ja Sancar), vaikka heidän löytönsä on faktana (ja biologian perustana) pidetyn evoluution vastainen?

Luvun 3 loppu käsittelee ribosomilla tapahtuvan proteiinisynteesin ongelmien ennakointia. Suuri haaste on siinä, että aminohapot eivät saa liittyä yhteen kuin runkonsa NH2- ja COOH-ryhmien välityksellä (peptidisidos N-C). Aminohapoissa on kuitenkin muitakin, paljon reaktiivisempia sivuryhmiä (R). Reaktiot voisivat tapahtua niidenkin välillä. Tuloksena olisi ns. proteinoideja, haarautuneita aminohappoketjuja, kelvotonta mössöä. Jätän tämän ongelman ratkaisun käsittelemättä.

Luvut 4-9

Luku 4: Elämän apulaiset (Life´s helpers): entsyymit sekä proteiinien oikeata laskostumista auttavat (ja palauttavat) kaperonit + bakteerien siimamoottorit.

Luku 5: Bakteerit, ötökät ja lihansyöjäkasvit (Bacteria, bugs, and carnivorous plants). Esitellään mm. hyppykirvan hammaspyörää ja sateenkaarikatkaravun ”nyrkkiä”, joka pystyy särkemään jopa 2 cm:n paksuisen lasin.

Luku 6: Linnut (Birds: A case study in foresight). Esitellään mm. tervapääskyn magneettinäköä ja linnun munan ihmeitä.

Luku 7: Ihmisen lisääntyminen (Foresight in the human form: reproduction): siittiöt, munasolu, raskausajan ”kemiallinen arsenaali” ja synnytykseen valmistautuminen. - Ja umpilisäke (appendix), joka sekin, kumma kyllä, saattaa suolistobakteerien kautta vaikuttaa raskauteen ja lapsen terveyteen.

Luku 8: Aistit luomakunnassa (Planning for the senses): Ihmisen silmä, haju- ja makuaisti, yöperhoset, kipuaistin välttämättömyys, sisäiset aistit, kuten happi/hiilidioksidi -tasapaino.

Luku 9: Ennakointi ja tieteen tulevaisuus (Foresight and the future of science).

Lopuksi: ”Itsesyntyinen DNA”

Muuan tiedetoimittaja kirjoitti v. 2017 Kemia/Kemi-lehdessä luonnon molekyylikoneista ja käytti mm. termiä ”itsesyntyinen DNA”. Laadin vastineen, johon ei tullut ainakaan julkaistua ”vastineen vastinetta”. Kirjoitukseni kopio alla (numerossa 3/2017).

Elämän moottoreista

Jari Koponen kirjoitti: ”Luonnonlait mahdollistavat materian monimutkaisenkin itsejärjestäytymisen heti, kun olosuhteet ovat sopivat” (Luonnon molekyylikoneet ovat elämän moottoreita, Kemia 2/17): Tällä viitattaneen tässä yhteydessä kemialliseen evoluutioon? Mutta: elämän vaatimaa monimutkaista ”itsestään järjestäytymistä” tavataan vain elävissä soluissa, joissa ”olosuhteet ovat sopivat”. Ulkopuolella luonnonlait eivät mahdollista, vaan estävät biopolymeerien synnyn. Naturalistien tarjoama vetinen ”alkuliemi” elämän synnyn tyyssijana on vihoviimeinen paikka, jossa biopolymeereja voisi syntyä itsestään: Esimerkiksi aminohapot ovat vedessä melko stabiileja eivätkä muodosta proteiineja. Ne pitäisi ensin aktivoida. Mutta aktivaation pitäisi tapahtua vedettömässä ympäristössä, muuten ne reagoisivat veden kanssa! Sama pätee ns. RNA-maailmaan: Solussa RNA-säikeet syntyvät transkriptiossa DNA-säikeiden kopioina. Tällöin sytosiini pariutuu guaniinin ja adeniini urasiilin kanssa. Pariutuminen tarvitsee kuitenkin koneiston, joka asettaa typpiemäkset oikeaan asentoon siten, että ne pystyvät muodostamaan vetysidokset sapluunan vastinemäksien kanssa. Ongelma on siinä, että rakennuspalikat, vapaat yksittäiset nukleotidit eivät solun ulkopuolisessa vesiliuoksessa voi spontaanisti muodostaa uutta RNA-säiettä, vaikka käytettävissä olisikin sapluuna. Näin siksi, että typpiemästen sitoutumispaikat ovat hydrofiilisia, jolloin ne reagoisivatkin veden eivätkä sapluunan vastinemästen kanssa. Lisäksi typpiemästen runko-osat ovat hydrofobisia, jolloin ne liimautuisivat toisiinsa kylki kylkeä vasten eikä mitään kelvollista RNA-rihmaa voisi syntyä. Ilmiön havaitsi elämän synnyn tutkija Nicholas Hud vuonna 2007.

Koponen: ”Nykytiedon mukaan alkeellisen elämän syntymiskynnys on kohtalaisen matala.” Onkohan ”nykytieto” keksinyt elämän uudelleen, sillä oikea elämä on kaikkea muuta kuin alkeellista? ”Alkeellisin” eliö on mykoplasma, aitotumaisen solun parasiitti. Sekin tarvitsee 580 kilotavua informaatiota, jota ohjaamattomat kemialliset reaktiot eivät voi synnyttää.

Artikkelista neljännes on elämän syntyyn ja kehitykseen liittyvää naturalistista spekulointia, jossa on ajauduttu tieteen ulkopuolelle. Artikkelin anti olisi ollut parempi, jos tuo neljännes olisi käytetty kuvaamaan esim. solubiologian keskeisintä tapahtumaa, translaatiota, DNA-koodin kääntymistä proteiinien aminohappojärjestykseksi. DNA:n ja ribosomin välillä ei ole suoraa fysikaaliskemiallista yhteyttä, joka mahdollistaisi koodin muuntamisen. Sen tekee aminohappo-tRNA-syntetaasi-niminen entsyymiperhe. Se osaa valita sekä oikeat aminohapot että niitä vastaavat siirtäjä-RNAt antikodoneineen. Tämän entsyymiperheen on kuitenkin täytynyt olla olemassa ennen proteiinisynteesiä. Kyseessä on käänteinen kausaliteetti, biologisen informaation korkein taso. Biologia on täynnä käänteistä kausaliteettia: B on olemassa siksi, että tulevaisuudessa tarvitaan tekijä A, jotta elämä toimisi. A:ta ei voi syntyä ilman sitä edeltävää B:tä. Elämä vaatii etukäteen suunniteltuja hahmoja ja funktioita, kuten aminohappo-tRNA-syntetaasi-nimisiä elämän koneita.

Mikko Tuuliranta, kirurgian erikoislääkäri