az élet mikéntje francis crick

Download Az élet mikéntje Francis Crick

If you can't read please download the document

Upload: gyorgy-moga

Post on 08-Aug-2015

63 views

Category:

Documents


18 download

DESCRIPTION

Francis Crick

TRANSCRIPT

NNCL1206-4ABv1.0

AZ LET MIKNTJEEREDETE S TERMSZETE

FRANCIS CRICKGONDOLAT BUDAPEST 1987

1

A fordts az albbi kiads alapjn kszlt: Francis Crick: Life Itself - Its Origin and Nature Futura Publications 1982

Fordtotta: BKI KLMN A fordtst az eredetivel egybevetette s szakmailag ellenrizte: Koch Sndor

ISBN 963 281 794 X

Francis Crick 1981 Bki Klmn, 1987. Hungarian translation

2

TARTALOM

Elsz (Koch Sndor) 4 Ksznetnyilvnts 5 Bevezets Hol lehetnek k? 7 l. fejezet Id s tr, parnyok s risok 11 2. fejezet Kozmikus forgatag 17 3. fejezet A biokmia egysge 22 4. fejezet Az let termszete 29 5. fejezet Nukleinsavak s a molekulris replikci 38 6. fejezet A Fld skora 44 7. fejezet Statisztikai csalds 54 8. fejezet Ms alkalmas bolygk 57 9. fejezet Magasabb civilizcik 64 10. fejezet Milyen rgen szlethetett az let? 67 11. fejezet Mit kldhettek ide? 70 12. fejezet Milyen lehetett a rakta? 78 13. fejezet Kt ellenttes elmlet 84 14. fejezet Fermi krdst jravizsgljuk 92 15. fejezet Na s akkor mi van? 96 Epilgus Befertzzk-e a Tejtrendszert? 100 Fggelk A genetikai kd 102 Az RNS s a genetikai kd 104

3

ELSZ

A Nobel-djas Francis Crick e knyve nem egyszeren egy sokadik knyv az let eredetr l. Tl sok benne a tu domny ahhoz, hogy sci-fi legyen, s tl sok benne a sci-fi ahhoz, hogy szigor tudomny legyen. Taln legjobb, ha gy tekintjk, mint Alizka tkr mgtti kirndulsainak kalandjait a Csodaorszgban. A legtbb adat s tny, amelyre Crick hivatkozik, tbb-kevsb ismert a tanult olvas szmra, de ahogyan a szerz ezeket sszeilleszti, az elvileg j s lebilincsel. Meghkkent, ahogyan a Crickfle vetletben fejre ll agyunkban a mr elfogadott s rendbe sorolt adatok halmaza. Tetejben kptelenek vagyunk kvlllknt figyelni a szerz mutatvnyt: hamarosan sodr tletei, problmi, kszkdsei s elegns megoldsai rszeseiv vlunk. S ekkor mg nem is emltettem elgondolsainak mersz, st gyakran agyafrt zamatt. Az irnytott pnspermia elmletnek szembelltsa a Fldn s csakis a Fldn keletkezett s fejl d let el mletvel nem a problma egyszer tcssztatsa a trid ms koordintiba, st inkbb a kpzeler sztnzse, a begyepesedett agyak s r tsztjnak igazi kelesztje. E tekintetben rdektelen, hogy a kt elmlet kzl melyik (vagy egyik sem, vagy mindkett ) vlik igazolhatv a tovbbiakban felfedezend szilrd tnyek (pontosabban: az akkori idszakban szilrdnak tn tnyek) alapjn. A knyv valdi s rkzld rtke, legalbbis az n szememben, a btorsga. E pillanatban mindkt elmletnek vannak ernyei s gyengesgei. Mgis nagyszer maga a tny, hogy immr van kt sszeren sszevethet elmletnk. Ez megnyitja az utat a versengsre, a gondolatok prbjra, ms szval: a valsg fokozatos megkzeltsre, brmi legyen is az. Azt javaslom az olvasnak, tegye flre minden el tle tt, s figyelmesen menjen vgig a knyvn, hogy megkaphassa tle mindazt az intellektulis lvezetet s elmenetelt, amire kpessgeibl telik. Ilyen szemmel olvasva hamarosan szre kell vennnk, hogy a knyv valdi tartalma messze tllpi szerny mreteit.Koch Sndor

4

KSZNETNYILVNTS

E knyv rsakor a dl-kaliforniai Salk Intzetben tartzkodtam. Hls vagyok a Kieckhefer-alaptvnynak a kutat-magntanri lls adomnyozsrt, a Ferkhaufs Nobel-alaptvnynak anyagi fggetlensgem tovbbi nvelsrt. Kln ksznet illeti dr. Frederick de Hoff - mannt, a Salk Intzet igazgatjt, aki az alkot tudomnyos munkhoz eszmnyi lgkrt teremtett szmomra. Alig hiszem, hogy az let eredetnek problmjhoz valaha is hozznyltam volna, ha nem fztt volna tarts s szoros bartsg dr. Leslie Orgelhez. Noha az e knyv gerinct kpez irnytott pnspermia elmlet abbl a cikkbl ntt ki, amelyet vele kzsen rtunk, szemlyisgnek hatsa e mre ennl sokkal mlyrehatbb. Munkacsoportjval a Salk Intzetben a ksrletes prebiotikus kmit mveli, s csaknem hetente vitatjuk meg a felmerlt krdseket. Knyvem kziratnak els vltozatt is tnzte, s hasznos megjegyzseirt hls vagyok. Elolvasta a kziratot dr. Gustav Arrhenius is (a pnspermia-elm-letet el szr felvet Arrhenius unokja). Idegjegyzsei alapjn nhny, klnsen pedig a Fld primitv Igkrvel foglalkoz fejezetet teljesen trtam - a vgeredmnyrt persze nem t terheli a felelssg. Dr. Tom Jukes s fiam, Michael Crick szintn nagy segtsgemre voltak a munkban. Mint meglehetsen gyakorlatlan szerznek, a Simon and Schuster kiad munkatrsai sokat segtettek nekem. Alice Mayhew brlata s javaslatai hatsra a ksz knyv sokkal olvasmnyosabbra sikerlt, mint a kzirat. Az lelkesedse segtett t kezdeti agglyaimon. javasol ta a cmet is. Ann Godoff eredmnyesen kzdtt meg a felmerl adminisztratv gondokkal s a levelezs dcgseivel. Nancy Schiffmann, a nyelvi szerkeszt vette a fradsgot, hogy tzetesen s kedvesen javtgasson angolsgomon, kigyomllta a hibkat, helyesbtette a pontatlansgokat. Betty Lars, Salk intzetbeli titkrn m h si kzdelmet vvott csaknem olvashatatlan kzrsommal, klnsen a sok szokatlan szakkifejezssel. Mindnyjuk fradozsrt hls ksznetem.

5

ODILE-nak

6

HOL LEHETNEK K?Az olasz fizikus, Enrico Fermi kivl tehetsg ember volt. Felesge zsenilisnak tartotta, s e vlemnyvel nem egy tuds rtett egyet. Nemcsak kivteles kpessg elmleti fizikus, hanem j ksrletez is volt. s magyar bartja, Szilrd Le irnytottk az els atommglya tervezst s megvalstst Chicagban, egy stadion leltja alatti squashplyn, a msodik vilghbor idejn. Ebben a valszntlen krnyezetben fogtk elszr igba bolygnkon az atommaghasads veszedelmes erit. Fermi, mint a legtbb kivl tuds, a szorosan vett szakmjn kvl es dolgok irnt is lnk rdekldst tanstott. Neki tulajdontjk a kvetkez hres krds felvetst. A krdst krlmnyes bevezets elzi meg, ppgy, mint a valamireval favicceket. Lssunk ht hozz! A Vilgegyetem risi, a csillagok miridjai tallhatk benne, melyek kzl sok alig klnbzik a mi Napunktl. Csak a mi Tejtrendszernkben mintegy 1011 lehet a csillagok szma, s legalbb 1010 effle galaxis (tejtrendszer) ltezik, de nagyon valszn, hogy mg ennl is tbb. A sok Nap mret csillag krl minden bizonnyal tbb bolyg kering, s jelents hnyaduk felsznn tallhat folykony vz, valamint olyan gzatmoszfra, amely a szn, nitrogn, oxign s hidrogn egyszer vegyleteibl ll. A csillagbl kisugrzott energia - Fldnkn a napfny - elrasztja a bolyg felsznt, szmtalan kis molekulj szerves vegyletet termel, s ezzel hg, meleg levess vltoztatja az cent. E vegyletek tovbbi sszekapcsoldsa s bonyolult klcsnhatsai eredmnyeknt ltrejn egy nreprodukl rendszer, az let valamely primitv formja. E kezdetleges llnyek szaporodnak, a termszetes kivlasztds tjn egyre fejldnek, s egyre komplikltabbakk vlnak, mg vgl tevkeny, gondolkod teremtmnyek kerlnek ki kzlk. Kezdett veszi a civilizci, a tudomny s a technika fejldse, s e lnyek nem sokkal ksbb az egsz bolyg urai lesznek. Ezutn j vilgok megismersre vgyva megtanulnak eljutni elbb a szomszdos bolygkra, majd a szomszdos csillagok

BEVEZETS

7

bolygira, kivlasztva kzlk a benpestsre alkalmasakat. Vgl elrasztjk az egsz galaxist, s ekzben felfedezseket tesznek. Ezek a kivl s tehetsges lnyek nem tvesztettk szem ell a Fldet sem, bsges vzkszleteivel, szerves vegyleteivel, kedvez hmrskleti viszonyaival s ms elnys tulajdonsgaival. s - szlt Fermi, mikor a dnt krdshez rkezett - ha mindez megtrtnt, nekik mig is itt kellene lennik. Nos, hol vannak?" Szilrd Le fanyar humorval frappns vlaszt adott Fermi sznoklatra. Itt vannak kzttnk - mondta -, csak most ppen magyaroknak nevezik magukat." Els hallsra legtbben elfogadjuk Fermi gondolatmenett. Problmk akkor vetdnek fel, ha megprblunk szmokban is gondolkodni, megbecslni a fejlds egyes lpseinek valsznsgt. Valjban nincs kzvetlen bizonytkunk arra, hogy a csillagoknak bolygik vannak, br nagy valsznsggel gy van. (1984 vgn a Nature cm folyiratban mr kzltek ilyen kzvetlen bizonytkot a csillagszok. - A ford.) Ha bolygk lteznek, legalbb nhnyon adva is lesznek a kedvez felttelek a j leves" - egyszer szerves vegyletek vizes oldata - ltrejtthez. A kvetkez lpst, a primitv nreprodukl kmiai rendszer kpzdst a levesben, ma mg a titokzatossg kde burkolja. De tegyk fel, hogy ez is megtrtnik, akkor sem tudjuk, hogy az evolci hossz folyamata mennyire biztosan s mennyi id alatt vezet el magasabb civilizcihoz. Az sem dnthet el, hogy az ilyen lnyek valjban elindulnnak-e felfedezni a vilgrt, s ha igen, milyen messze juthattak volna el mostanig. A Fermi forgatknyvben lert esemnyek mind relis lehetsgek, de nhny kzlk nagyon ritka, msok pedig meglehetsen lassak. Ez minden tovbbi nlkl megmagyarzza azt, hogy ez ideig, gy ltszik, nem volt mg ltogatnk az rbl. Arrhenius svd fizikus mr a mlt szzad msodik felben meglehetsen egyni elkpzelst alaktott ki a fldi let eredetrl. Azt lltotta, hogy itt az let nem volt kpes magtl ltrejnni. Az let csrit az rbl lehullott mikroorganizmusok hoztk magukkal. Elkpzelse szerint ezek a primitv sprk valahonnan messzirl elindulva, a rjuk es fny nyomsa segtsgvel haladtak volna elre. Elmlett pnsperminak nevezte, amit magyarul gy mondhatnnk: csrk mindentt". Jelenleg ezt az elmletet elvetik, mert nehz elkpzelni, hogyan rkezhettek letkpes sprk idig olyan hossz rutazs utn anlkl, hogy sugrkrosodst szenvedtek volna. E knyvben a pnsperminak azt a vltozatt trgyalom, amelyet Leslie Orgellel vzoltunk fel nhny vvel ezeltt. A krosods elkerlsre a mikroorganizmusok egy nmkd rhajban rkezhettek, amelyet egy fejlettebb civilizci kldtt

8

volna hozznk. Ez a civilizci sok millird (109) vvel ezeltt virgzott valahol. Az rhaj szemlyzet nlkl replt, hogy hattvolsga a lehet legnagyobb legyen. Az let itt a Fldn akkor kezddtt, amikor a kldtt mikroorganizmusok beleestek a primitv cenba, s ott elkezdtek osztdni. Elmletnket irnytott pnsperminak neveztk el, s minden feltns nlkl kzltk egy rfolyiratban, az Icarusban, melyet Carl Sagan szerkeszt. Az elmlet nem teljesen j. rintlegesen mr 1954ben J. B. S. Haldane felvetette, azta msok is fontolra vettk, de senki sem olyan rszletessggel, mint mi. Azt, hogy az irnytott pnspermit valdi tudomnynak tekintsk-e vagy csak a sci-fi egy kevss fantziads formjnak, a 13. fejezetben trgyalom meg. A knyv nagyobbik rsze a Fermi-fle rvels egyes lpseinek rszle-

9

tezsvel foglalkozik. Szorosan ragaszkodik ahhoz a tudomnyos ismeretanyaghoz, amellyel ma rendelkeznk, brmennyire gyarl is az nmely tekintetben. Ahelyett, hogy megoldst knlnk az let keletkezsnek problmjra, azt a htteret vzolom fel, amelybe akrmely megoldsnak be kell illeszkednie. s micsoda szntr ez! Az atomok parnyi mrettl a Vilgegyetem vgtelensgig terjed, a msodperc vgtelenl kis trt rsze alatt lezajl jelensgektl az id majd vgtelen kiterjedsig, azaz az srobbanstl napjainkig nylik, a makromolekulk szvevnyes klcsnhatsaitl a magasabb civilizcik s technolgik hatrtalan sszetettsgig bonyoldik. Ennek a szinte nyomaszt tmnak az a f vonzereje, hogy az embertl ismeretei szles kr kiterjesztst kveteli meg mr az is, hogy eltndve ezen az elkpeszt Vilgegyetemen, amelybe belecsppent, egyltaln hozzszlhasson.

10

ID S TR, PARNYOK S RISOK

1. FEJEZET

Az let keletkezsrl egyetlen dolog llthat meglehet s biztonsggal. Akrhol s akrmikor trtnt, biztos, hogy nagyon rgen volt. Olyan rgen, hogy igen nehz szemlletes kpzetet formlnunk az azta eltelt vgtelen hossz idrl. Sajt szemlyes lmnyeink mindssze nhny vtizedre terjedhetnek, de mg ez alatt a rvidke id alatt is elfelejtjk, milyen is volt a vilg fiatal korunkban. Szz vvel ezeltt a Fldn szintn sok ember lt, akik intztk dolgaikat, ettek, stltak s beszlgettek, szeretkeztek s dolgoztak a meglhetsrt, mindegyik kergette a maga cljait, s mgis (igen ritka kivtelektl eltekintve) ma mr egyikk sem l. A Fld npessge teljesen kicserldtt. Az emberi let rvidsge kzvetlen tapasztalsunk thghatatlan korltja.

Az emberi kultra folyamatossga azt az illzit kelti bennnk, hogy emlkezetnk tvolabb nylik a mltba. Az rs felfedezse eltt az idsebb genercik tapasztalataikat mesk, mtoszok, a viselkedst irnyt morlis szablyok alakjban, szban adtk tovbb, kiegsztve kisebb mrtkben vizulis emlkekkel, pldul barlangrajzokkal, dombormvekkel, szobrokkal. Az rs az informci sokkal pontosabb s jval szlesebb kr tvitelt tette lehetv. Ma a fnykpezs riz meg szmunkra les kpeket a kzeli mltrl. A mozgkpek mg annl is kzvetlenebb s lnkebb benyomsokhoz juttatjk a kvetkez nemzedkeket eldeikrl, mint amilyeneket mi nyerhetnk most. Milyen kr, hogy nincs hangosfilmnk Kleoptrrl, s gy nemcsak orrnak valdi hosszt nem tudhatjuk meg, de egyb bjainak kzvetlenebb rzkelstl is rkre meg vagyunk fosztva. 11

Kis erlkdssel belekpzelhetjk magunkat Platn s Arisztotelsz korba, vagy akr tvolabb is, Homrosz bronzkori hsei kz. Sok mindent megtudhatunk a jl szervezett egyiptomi civilizcirl, a bibliai Kzel-Keletrl, az inkk kultrjrl, a rgi Knrl, de keveset az elszrt, primitvebb teleplsekrl. Ennek ellenre sem tudjuk gy szemllni a trtnelem lland folyst a civilizci kezdettl napjainkig, hogy az id lass mlst lmnyszeren rzkeljk. Tudatunk nem gy van felpt ve, hogy knyelmesen kezeljen vszzados vagy vezredes peridusokat. Ha viszont az let eredetig kvnunk visszanylni, az ttekintend id tvlata olyan nagy, hogy benne az emberisg egsz trtnete csak egy szempillantsnak tnik. Nincs j mdszernk arra, hogy rhangoljuk gondolkozsunkat ilyen roppant idtartamokra. Az a csaknem vgtelen hossz id, amely mr eltelt, rtelmnk szmra alig felfoghat. A kzvetett s tkletlen lersokbl csak benyomsokat alakthatunk ki, mint a vak, ki kpzeteit a vilgrl csak tapints s halls tjn tudja felpteni. Az id mlsrl alkotott kpzeteink szemlletesebb ttelhez a szoksos mdszer az, hogy a Vilgegyetem kort sszezsugortjuk egyetlen napba. Taln mg jobb mdszer, hasonl elvet hasznlva, a Fld kort egy htnek venni. Ez utbbi id skln a Vilgegyetem kora az s robbanstl mig kt-hrom ht. A legidsebb makroszkopikus kvlet (a kambrium korszak elejrl) tegnap mg itt lt a Fldn. A modern ember az utols tz msodpercben jelent meg, s a Fldet csak egy-kt msodperccel ezeltt kezdte megmvelni. Odsszeusz csupn fl msodperccel ezeltt lt. A hosszabb idket sajnos mg a fenti arnyts sem teszi megfoghatbb szmunkra. Segtsgnkre lehet viszont az az eljrs, amellyel az idt egyenes mentn brzoljuk, bejellve az egyes esemnyeket. Ennek az brzolsnak az a htrnya, hogy ha az egyenesen sajt emlkezetnk tvolsga knnyen feltntethet, akkor a vonal egsze vgelthatatlanul hossz lesz. Egy hasonl elv idvonalat tallhatunk a fejezet elejn, hogy szksg esetn kznl legyen. A legszemlletesebb mdszer az id lineris brzolsra taln ppen a nyomtatott szveg. Legyen a kambrium korszaktl napjainkig eltelt id olyan hossz, mint egy egsz knyv - ez krlbell hatszzmilli v. Teht minden oldal durvn hrommilli vet kpvisel, minden sor kilencvenezer vet, minden bet vagy szkz ezertszz vet. A Fld ht ktettel ezeltt keletkezett, a Vilgegyetem pedig (durva becsls szerint) tovbbi tz ktettel korbban. Ezzel a mdszerrel kifejezve, az egsz rott trtnelem e knyv utols kt-hrom betjre esne. Ha most visszafel olvasnnk a knyvet betrl betre emlkezznk: minden bet ezertszz v -, akkor taln felfogjuk azt a mrhetetlen idt, amelyet majd figyelembe kell vennnk.

12

Ezen a skln sajt egyni letnk egy vessz vastagsgnak trt rsze csupn. Ha az let valban a Fldn keletkezett, akkor alig rdemes trdnnk a Vilgegyetem tbbi rszvel, ha viszont mshol, akkor az risi tvolsgok nagysgrendjeivel is szembe kell nznnk. A Vilgegyetem korrl is nehz szemlletes s vals benyomst szerezni, de ami a kiterjedst illeti, az csaknem felfoghatatlan. Ennek ellenre ezt is megksreljk. A legnagyobb buktat az r kimondhatatlan ressge. Ez nemcsak azt jelenti, hogy a csillagok kztti trben csak nhny atom van, hanem azt is, hogy maguk a csillagok roppant tvolsgra vannak egymstl. A hozznk kzeli lthat fldi vilg telis-tele van klnbz trgyakkal, tvolsguk megbecslshez intuitv mdon azok ltszlagos nagysgt, egymshoz val viszonyt vesszk figyelembe. Sokkal nehezebb megbecslni egy olyan szokatlan trgy nagysgt s tvolsgt, amely a kk g ressgben lebeg. Emlkszem egy kanadai rdiriporterre, aki, mikor megkrdeztk, azt vlaszolta, hogy a Hold krlbell lggomb nagysg. El kell azonban ismernem, hogy ez mg az rutazsok ideje eltt trtnt.

Idzzk kt csillagsz, Jastrow s Thompson prblkozst annak rzkeltetsre, hogy mekkora az rben lev gitestek kztti tvolsg a nagysgukhoz kpest. Legyen a Nap akkora, mint egy narancs, ekkor a Fld egy homokszem, amely tz mterre kering krltte; a Jupiter, amely tizenegyszer szlesebb a Fldnl, akkora, mint egy cseresznyemag, s ez hetven mterre, vagyis hztmbnyi tvolsgra kering a narancstl. A Tejtrendszer ebben a lptkben szzmillird narancs, egymstl tlagosan ezerhatszz kilomter tvolsgban." Az ilyen s ehhez hasonl analgik mgiscsak tkletlenek, mivel az res trben kptelenek vagyunk felbecslni a tvolsgokat. A hztmbbel val sszevets azrt flrevezet , mert ehhez hzak fogalma trsul, s gy elvsz az ressg rzete. Ha az ember megprbl elkpzelni egy narancsot akr csak egy mrfldnyi tvolsgban lebegni a levegben, mr gy tallja, hogy az szinte vgtelenl tvol van. Egy narancs" ezerhatszz kilomterre tlnk mr lthatatlanul kicsi volna, hacsak nem izzana fnyesen. A szemlltets egy msik lehetsges mdszere a tvolsgot idv alaktani. Tegyk fel, hogy egy, a manapsg hasznlatosaknl gyorsabb rhajn utazunk. Klnbz okok miatt, amelyek ksbb nyilvnvalk lesznek, legyen rhajnk vlasztott

13

sebessge ppen a fnysebessg egyszzad rsze, vagyis hromezer kilomter msodpercenknt. Ezzel a sebessggel New Yorkbl Eurpba nagyjbl hrom msodperc alatt jutnnk el (a Concorde ezt az utat hrom ra alatt teszi meg), teht htkznapi mrtkkel mrve ugyancsak gyorsan utazunk. Kt perc alatt elrnnk a Holdat, s tizent ra alatt a Napot. Egy tkelshez a Naprendszer egyik szltl a msikig vegyk nknyesen alapul ehhez a Neptunusz plyjnak tmrjt - hrom s fl htre lenne szksg. Gondoljuk meg, hogy ez az utazs tovbb tart, mint a leghosszabb vonatozs, tovbb, mint pldul a Moszkva-Vlagyivosztok-Moszkva t megttele. Ez utbbi is elgg monoton lehet, annak ellenre, hogy llandan tjkp szalad a vonat ablaka eltt. A Naprendszeren tutazva azonban egyltaln semmi sem lthat az ablakbl. Mindssze a Nap vltoztatja nagyon lassan, naprl napra a mrett s a helyzett. Amint tvolodunk tle, ltszlagos tmrje cskken, s elrve a Neptunusz plyjt, mr alig lesz nagyobb egy gombostfejnl"; sszehasonltskppen: innen a Fldrl nzve a Nap ltszlagos tmrje akkora, mint egy ezstdollros. Ms szval: akrmilyen gyorsan haladunk is - emlkezznk, hogy ezzel a sebessggel a Fldn brhov eljutnnk hrom msodpercen bell -, utunk vgtelenl unalmas s csggeszt volna. Az r valban teljes ressge lehetne egyedli lmnynk, ezenkvl csak egyegy morzsnyi bolyg tnne elnk irtott a vgtelen semmibl. A hromdimenzis ressg rzete mr akkor is nyomaszt, amikor csak a Naprendszert vesszk szemgyre. A mzeumokban lthat csaknem valamennyi kicsinytett naprendszermodell durvn torzt. A Nap s a bolygk majdnem mindig sokkal nagyobbak, mint azt a kzttk lv tvolsgok elrnk. Mgis a tr nagysga akkor lesz igazn megdbbent, amikor kiss tvolabbra merszkednk. rhajnk a legkzelebbi csillagot, amely tulajdonkppen hrom kzel es csillag alkotta csoport, ngyszzharminc v alatt rn el, s annak eslye, hogy ekzben elhaladjon valamely objektum mellett, jelentktelenl kicsi. Ha szz vig lhetnnk az rhajban, a tvnak akkor is csak kevesebb, mint a negyedrszt tennnk meg hallunkig. Ezalatt egyik ressgbl a msikba utaznnk, s csak nhny utunkba kerl gzmolekula s alkalmanknt egy-egy rva porszem jelezn a helyvltoztatst. Nagyon-nagyon lassan nhny kzelebb es csillag helyzete kiss megvltozna, mikzben a Nap gy eltvolodna, hogy csak egy lenne az rhajt minden oldalrl krlvev ragyog csillagok kzl. Br ez az utazs a legkzelebbi csillagig vgtelenl hossznak tnik, csillagszati mrtkkel mrve igen rvid. A Tejtrendszer egyik szltl a msikig eljutni nem kevesebb, mint tzmilli vig tartana. Az ilyen tvolsgok tl vannak minden relisan elkpzelhet hatron, s csak a legelvontabb mdon kezelhetk. s ez mg semmi, hiszen kozmikus mretekben egy-egy galaxis tmrje szinte mr nem is tvolsg. A nagy Andromeda-kdig (NGC 224-M 31), amely a legkzelebbi nagy galaxis,

14

mindssze hsszor ennyit kell utazni, de a legnagyobb csillagszati tvcsvekkel lthat vilgegyetem szlig mr ezerszer ekkora utat kellene megtennnk. Szmomra az a klns, hogy ez az elkpeszt felismers a vilgr hatrtalansgrl s ressgr l nem gyjtotta fel klt k s vallsi gondolkodk kpzelett. Az emberek boldogan elmlkednek az Isten vgtelen hatalmrl - ami j esetben is csak egy bizonytalan feltevs -, de egyltaln nem hajlamosak alkot mdon elgondolkodni e rendkvli mret Vilgegyetemen, amelybe, br nem nszntukbl, de belecsppentek. Naivan azt gondolhatnnk, hogy a klt ket s papokat annyira le kellene ny gzzk ezek a tudom ny ltal feltrt tnyek, hogy erejket megfesztve igyekeznnek mindezt bepteni humn kultrnk alapjaiba. A zsoltrszerz legalbb megksrelte hite hatrain bell kifejezni csodlatt a szabad szemmel lthat vilgegyetem felett, mikor gy rt: Midn a Te egedre tekintek, a Te kezed munkjra, a holdra s a csillagokra, melyeket blcsen elrendeztl, mi az ember, amelyikkel Te mgis tr desz?" s mgis, az vilg egyeteme kicsi, mondhatni, laklyos ahhoz kpest, amit a modern tudomny feltrt el ttnk. gy tnik, hogy a Fld s rajta a vkonyka bioszfra mrhetetlen jelentktelensge az, ami teljesen megbntotta kpzeletnket, mintha a vgtelent rettenetes volna tgondolni, s ezrt jobb tudomst sem venni rla. Nem fogom itt behatbban trgyalni, hogyan becslik fel ezeket a roppant tvolsgokat. A Naprendszer fbb gitestjeinek tvolsgt nagyon pontosan megkaphatjuk a radaros tvolsgmrsek segtsgvel s az gi mechanika trvnyeinek ismeretben. A legkzelebbi csillagok tvolsga pedig abbl a csekly pozcivltozsbl szmthat ki, amelyet a Fld keringse kzben a fldplya kt tellenes pontjrl figyelnek meg a csillagszok. Ennl tvolabbra tekintve az rvels megrtshez egyre tbb specilis ismeret szksges, s az adatok egyre kevsb pontosak. Ahhoz azonban nem fr ktsg, hogy a csillagszok ltal megbecslt tvolsgok nagysgrendileg helyesek. Idig hatalmas tvlatokban gondolkodtunk. Ha rvid tvolsgok fel fordulunk, szerencsre nem olyan ijeszt a kp. Itt most mellzzk az atomnl kisebb rszecskket, ellenben felttlenl meg kell ismernnk az atomok mreteit a mindennapi mretekhez viszonytva. Ehhez kt viszonylag kis ugrs szksges. Kezdjk a millimterrel. Ekkora tvolsg mg szabad szemmel is jl lthat. Ennek egyezred rszt mikromternek nevezik. Egy baktrium krlbell kt mikromter hossz. A fny hullmhossza (amely a fnymikroszkp felbontkpessgnek is hatrt szab) fl mikromter krli rtk. Vegyk most ennek is az ezredrszt, s elrjk a nanomtert. A szerves vegyletekben szoros ktsben lev szomszdos atomok tipikus tvolsga ennek egytde s egytizede kz esik. Elektronmikroszkppal a lehetsgeket legjobban kihasznlva szlelhetnk nanomteres vagy ennl valamivel kisebb tvolsgot is, feltve, hogy a mintt megfelelen ksztettk el. Kis atomcsoportoktl egszen a bolhig a termszetes

15

kpzdmnyek egsz sorrl lehet klnbz nagytssal kpeket kszteni, vagyis kis gyakorls utn mr rzkelhetjk, hogyan viszonyulnak egymshoz a lptkek. Az r ressgvel ellenttben, az lvilg minden szinten zsfolva van rszletekkel. A lptkvlts knnyedsgnek azonban nem szabad feledtetnie azt a tnyt, hogy a rszecskk szma trfogategysgemknt knyelmetlenl nagy. Pldul egy csepp vzben tbb vzmolekula van, mint ezerszer millirdszor millird. Br a nukleris reakcikban s az elemi rszecskk vilgban rvidebb idtartamokrl is tudunk, mgis a legkisebb idtartam, amit figyelembe kell vennnk, ritkn kisebb egy pikoszekundumnl, azaz a milliomod msodperc milliomod rsznl. Ez az idtartam, amelyet a molekulris rezgsek mrsnl egysgknt hasznlunk, mg nem is tnik tlsgosan idegennek. Tekintsk a hang sebessgt. A hang leveg ben meglehet sen lass - alig gyorsabb a sugrhajts replknl -, hromszzharminc mtert tesz meg msodpercenknt. Ha a villm tlnk csak egy kilomterre csap le, hangjnak teljes hrom msodpercre van szksge, hogy hozznk rjen. Ez a sebessg trtnetesen krlbell ugyanakkora, mint a gzmolekulk tlagos sebessge a levegben kt tkzs kztt. A hangsebessg a legtbb szilrd testben ennl nagyobb. Nos, mennyi id alatt halad t a hanghullm egy kis molekuln? Egyszer szmts alapjn ez az id tartam a pikoszekundum nagysgrendbe esik. Ezt is vrtuk ppen, hiszen a molekuln belli rezgsek frekvencija pikoszekundumban mrhet. Ez azrt rdekes, mert ez a rezgsi sebessg a kmiai reakcik alapteme. Egy enzim - szerves kataliztor - msodpercenknt ezerszer vagy tbbszr kpes reaglni. Mkdse gyorsnak tnik ugyan, mgis meglehetsen lass az atomok vibrcijhoz mrten. Sajnos nem olyan egyszer a szekundum s a pikoszekundum kztti idsklt kitlteni, de minden fiziko kmikus megtanul otthonosan mozogni ebben a meglehetsen nagy intervallumban. Szerencsre ilyen rvid idtartamok megfontolsainkban kevss fognak szerepelni, de kzvetett mdon rezni fogjuk hatsaikat. A legtbb kmiai reakci valjban igen ritka esemny. A molekulk ltalban ide-oda mozognak, s egymssal sokszor tkznek addig is, amg egy ritka szerencss tallkozs kvetkeztben elg ersen s helyes pozciban tdnek ssze ahhoz, hogy legyzzk egyms vdgtjt, s kmiai reakci jjjn ltre. A kmiai reakcik ennek ellenre folytonos folyamatoknak ltszanak, mert mr viszonylag kis trfogatban is igen nagy a molekulk szma. A vletlen ingadozsokat a nagy szmok trvnye kisimtja. Ha itt egy pillanatra megllunk, s ismt ttekintjk ezeket az egymstl igen klnbz lptkeket - az apr atomot s az elkpzelhetetlen mret Vilgegyetemet, a kmiai reakcik

16

rezgstemt s az srobbans ta eltelt id rkkvalsgnak sivatagt -, rdbbennk, hogy a mindennapi tapasztalaton alapul intuciink nagyon is gyakran flrevezetnek bennnket. A nagy szmok valdi jelentst nmagukban ltalban nemigen tudjuk felfogni. Egyetlen lehetsgnk van ennek az emberi mivoltunkra oly jellemz htrnynak a lekzdsre. Szmolnunk s jra szmolnunk kell, ha csak megkzelt szinten is, de ellenrizni s jra ellenrizni benyomsainkat, mg vgl ebben az lland egyttlsben a vals vilg, a roppantul kicsi s a roppantul nagy ppoly otthonoss vlik, mint kzvetlen fldi tapasztalataink megszokott, egyszer blcsje.

2. FEJEZET

KOZMIKUS FORGATAG17

Most, hogy mr kiss tjkozdtunk a nagysgrendekben, kicsikben s nagyokban, id beliekben s trbeliekben, megprbljuk felvzolni, mit tudunk a Vilgegyetem keletkezsrl, a galaxisok s csillagok kialakulsrl s vgl a Naprendszer nket alkot bolygkrl. Ezutn fogjuk krvonalazni azokat a krlmnyeket, amelyek kztt az let elkezd dtt, akr itt a Fldn, akr msutt a kozmoszban. Az ember gy rzi, hogy ha az let keletkezsnek problmjhoz nehz hozzfrk zni, mert olyan r gen trtnt, akkor a Vilgegyetem keletkezsnek titkt mg nehezebb megfejteni, hiszen az mg sokkal tvolabbi mltba vsz. Ez nincs egszen gy, mert mg az let elindtshoz szksges klcsnhatsok egy igen heterogn krnyezet lehetsges klcsnhatsai kzl csak egy kisebb, br igen bonyolult rszt kpviselnek, addig az srobbans korai pillanataiban minden annyira ssze volt gyrva", hogy a folyamatban csak egy vagy kt klcsnhatsnak lehetett szerepe. gy ezzel a krdssel knnyebb is megbirkznunk. A Vilgegyetem keletkezsvel foglalkoz legtbb modern munka az srobbans elmletnek alapjn ll. Az elmlet azt lltja, hogy az els olyan stdiumban, amelyrl egyltaln elkpzelsnk lehet, a Vilgegyetem sszes anyaga arnylag kis trfogatba prseldtt ssze, s a hmrsklete mrtktelenl magas volt. Ez az si tzgmb rohamosan tgult, s ekzben rohamosan h lt is. Steven Weinberg kivl knyvben (Az els hrom perc, Gondolat, 1982) a nem szakember szmra is rtheten vzolja, hogy mifle jelensgek jtszdhattak le ama bizonyos hrom percben. Az egsz gondolatmenet arra pl, amit az elemi rszecskk s a sugrzs klcsnhatsairl ma tudunk, tovbb nhny olyan ksrletes bizonytkra, mint pldul a kozmikus httrsugrzs, amely, mint a teremts halk visszhangja, ppen hallhat rditeleszkpokkal, s egyenletesen kitlti az egsz kozmoszt. Egy ilyen nagy kpzelert ignyl szintzis persze nem okvetlenl teljesen helytll. Weinberg maga is bevallja, hogy nha rezte az irrealitst annak, amit r. Az elmlet ugyanakkor tovbbi alapvet s ksrletesen megfigyelhet tnyeket is magba foglal. Ezek: 1. a Vilgegyetem tgulsa, melyre a vrseltolds jelensge utal; 2. a Vilgegyetemben jelenlev elektromgneses rezgseket hordoz fotonok arnya az anyagi rszecskkhez (barionokhoz) viszonytva, ami 109:1, azaz millird az egyhez; 3. a nehezebb elemek relatv ritkasga: a Vilgegyetemet alkot atomok kilencvenkilenc szzalka ma is a kt legknnyebb elem, hidrogn s hlium, az elbbi igen jelents tlslyval. Mind ezekbl az adatokbl az elmleti fizikusok kpesek (termszetesen nem teljes bizonyossggal) visszakvetkeztetni az els szzad msodpercbeli llapotra. Ekkor a tzgmb sugrzsbl s anyagbl llott, s az elkpzelhetetlenl magas hmrskleten (krlbell 1011 C) rvid lettartam klcsnhatsok tartottk ssze, ugyanakkor igen

18

nagy sebessggel terjedt. A hmrsklet sokkal magasabb volt annl, semhogy atomok vagy akr csak atommagok kpzdse lehetsges lett volna. Amint a tzgmb tgult, gyors egymsutnban szmos llapoton ment t, mikzben hmrsklete egyre alacsonyabb lett, s gy bizonyos folyamatok gyakorisga cskkent, msok emelkedett. Vgl, krlbell hrom perc elteltvel, a h mrsklet mr csak 109 C volt, s gy a legknnyebb atomok, mint pldul a trcium (a hidrogn radioaktv izotpja) s a hlium, mr kialakulhattak az azonnali elbomls veszlye nlkl. Vagy fl rval ksbb a hmrsklet 3 X 108 (300 milli) C lett - ami mr csak hsszor magasabb a Nap belsejben uralkod hmrskletnl -, s ekkor az jabb atommagok szintzise lellt. Tovbbi egymilli v kellett ahhoz, hogy a Vilgegyetem tovbbi tgulsa s lehlse kvetkeztben az atommagok elektronokat foghassanak be s stabil atomokat kpezhessenek. Csak ezutn kezd dhetett meg az anyag galaxisokk tmrlse s a csillagok kialakulsa. Ennek az risi kozmikus robbansnak az eredmnyeknt a Vilgegyetem mg ma is tgul. Az, hogy a tguls a vgtelensgig fog-e folytatdni, vagy vgl lelassul, megll, s az egsz rendszer sszeomlik, attl fgg, hogy mekkora a rendszer tmege. Ha kvet doblunk a magasba, az mindaddig visszaesik, amg nem dobjuk olyan ervel, hogy rkre elszkjn. Ugyangy az Univerzum is folytonosan tgulni fog, hacsak tmege nem olyan nagy, hogy az vgl a tgulst meglltja, majd visszafordtja. Ha ez utbbi eset felel meg a valsgnak, akkor a Vilgegyetem valamikor a tvoli jvben szksgkppen sszeomlik egy jabb katasztroflis esemny keretben. Korbban gy gondoltk, hogy a Vilgegyetem becslt srsge (krlbell hrom hidrognatom literenknt) ehhez tl kicsi. jabban azt gyantjk, hogy az rben mindenhol megtallhat s korbban - a fotonhoz hasonlan - tmeg nlklinek gondolt semleges rszecskk, a neutrink, mgis rendelkeznek br igen kicsi, de jl meghatrozott tmeggel. Mrpedig ppen elg sok van bel lk ahhoz, hogy ha ez igaz, akkor a Vilgegyetem tgulst egyszer megllthassk. Szk nzpontunkbl a fentiek taln legfontosabb kvetkezmnye az, hogy a magas hmrskle tek s nagy s r sg ellenre a vilg keletkezsekor sz lelhet mennyisgben csak a legkisebb atomtmeg elemek kpzdtek. Kvetkezskppen az let ltrejtthez nlklzhetetlen elemek, klnsen a szn, a nitrogn, az oxign s a foszfor csak ezutn keletkezhettek. Ezt a kvetkeztetst spektroszkpiai megfigyelsek igazoltk. A legregebb csillagokban e nehezebb elemekbl sokkal kevesebb van jelen. Az els milli v eltelte utn a kp rszletei elhomlyo sulnak. Arra a krdsre, hogy a trbelileg homogn, tgul tzgolyban pontosan mirt s hogyan jttek ltre nagy heterogn anyaghalmazok s azokbl a klnbz tpus csillagok, ma mg nincs rszletes vlasz, noha e jelensgek nmelyikt nha ma is jl

19

megfigyelhetjk. A gravitcinak a Vilgegyetem korbbi stdiumban alig volt szerepe, ma ez az er a dnt szerep. ltal ban azt ltjuk, hogy a gravitci hatsra az anyag csomkba gylik, s ezek az anyagtmrlsek jabb tmege ket vonzanak, mg egyre nagyobb s nagyobb aggregtumok kpzdnek. A csomsods, kondenzci kvetkeztben srsd tkzsek a hmrskletet helyileg emelik. Vgl az anyagtmrls olyan forr lesz, hogy izzani kezd. A nagyobb mret anyagcsomk gy elrik azt a hmrskletet, amelyen a magreakcik beindulnak, s gy jn ltre a csillag. Ettl kezdve a magfzi ltal termelt h nem engedi sszeroskadni a csillagokat, mert zsugorodskor a csillag mg jobban felmelegszik, a magfzik felgyorsulnak, s a nyoms fokozdsa a csillagot addig tgtja, amg ppen korriglja a megkezdett zsugorodst. Ez a mechanizmus regultorknt mkdik, s lehetv teszi, hogy a csillag folytonosan gjen" sok milli vagy akr millird vig. Hossz tvon persze minden csillagnak elfogy elbb-utbb a nukleris tzel anyaga. Szmtsok szerint a nagymret csillagok hamar elgnek, a kzepesek (mint a Nap) sokkal lassabban, a legkisebbek pedig valban igen lassan hasznljk el tzelanyagukat. A Napnl tzszer nagyobb tmeg csillag szzszor gyorsabban merti ki tzel anyag-kszlett. Mi trtnik, ha a tzel anyag fogyni kezd? Ez elgg kompliklt krds, s a vlasz nagymrtkben fgg attl, hogy mekkora tmeg a csillag. A fzi folyamata a hidrognb l s hliumbl ltrehozhat kis mennyisgben olyan elemeket is, mint a szn s a nitrogn. Ilyenkor a csillag ezeket a nehezebb elemeket hasznlja tzelanyagnak, s ekzben mg nehezebb elemeket produkl. Vgl eljn az az llapot, amikor mr nincsenek olyan elemek, melyek trendezsvel megfelel energihoz juthat. Ettl a pillanattl kezdve a korbban a magfolyamatokban termelt h ltal ellenslyozott mindent that gravitci kerl tlslyba. A csillag sszeroskad. Hogy ez pontosan hogyan trtnik, az megint csak fgg a csillag mrettl s sszetteltl. A kisebb csillagok fehr trpv vlnak, s igen hossz id alatt, lassan hunynak ki. A nagyobb csillagok sszeomlsa olyan gyorsan trtnhet, hogy a csillag valsggal felrobban, mikzben anyagnak akr felt is minden irnyban nagy sebessggel szrja az rbe. A legtbb vasnl nehezebb elem (melyekbl arnylag kevs van a Vilgegyetemben) ppen ilyen robbansokban kpzdik. Az ilyen katasztrfaszer csillaghallt szupernova robbansnak nevezik. A csillag nhny napra klnsen fnyess vlik. Mikor 1604-ben sajt galaxisunkon bell trtnt ilyen robbans, az esemny akkora szenzcit keltett, hogy fel is jegyeztk. Egy korbbi szupernovt knai csillagszok lttak felvillanni 1054-ben. Ennek ma is megfigyelhet

20

maradvnya, a Rk-kdnek nevezett risi fnyes gzfelh, mg mindig nagy sebessggel tgul. Az eredeti csillag maradvnya ma is lthat az objektum kzepn, jelenleg pulzr (forg neutroncsillag) alakjban. A testnkben elfordul elemeknek (a hidrogn kivtelvel) ppen az ilyen robbansok a f forrsai. Klns r zs rdbbenni, hogy a bennnket felpt atomok leg tbbje nem az idk kezdetn kpzdtt, hanem valamelyik csillag bels konyhjban kellett kislnie, s innen szr dott szt az rbe. Hogyan keletkeztek vajon a bolygk? Err l a 8. feje zetben szlunk majd kiss rszletesebben. Itt csupn vzoljuk az esemnyeket. Ha tvcsveinkkel vgigpsztzzuk a Tejtrendszer bonyolult rszleteit, lthatjuk, hogy legtbb helyen hatalmas gz- s porfelh k takarjk a kiltst; ezek nmelyike igen diffz, msok kevsb, de fldi mrtkkel mrve mindegyik roppant ritka. A porfelhk valsznleg vas, k, jg s sznvegyletek apr szemcsibl vagy ezek keverkbl llnak, s mretk nagyjbl a cigarettafst rszecskinek mretvel azonos. Meglep mdon mr tbb mint tvenfle egyszer szerves vegylet jelenltt fedeztk fel ezekben a gzkdkben, klnsen a srbbekben (amelyekbe kevsb hatol be a rombol ultraibolya sugrzs). Persze ezek gyakorisga a kd tmeghez kpest rendkvl csekly, mindssze egy a millihoz. Ezek a molekulk azonban kmiailag mind igen reaktvak, mint pldul a cinhidrogn (HCN) s a formaldehid (HCHO). Az mg bizonytalan, hogy ez az sszessgben hatalmas mennyisg, br igen hg szerves vegylethalmaz milyen szerepet jtszott az let keletkezsben. Felttelezhet, hogy kzvetlent semmikpp sem. Az let alapjt kpez kis molekulkat - aminosavakat, cukrokat, bzisokat stb. - eddig mg nem mutattk ki e kdkben, br azok a mr jelenlevkbl knnyszerrel keletkezhetnnek. Tallgatjk azt is, hogy milyen kmiai reakcik jtszdhattak le az stkskben s a Naprendszer egyb aprbb objektumaiban. gy gondoljuk, hogy a Nap s ksr bolygi egy ilyen kznsges, lassan forg kdbl gravitcis kondenzci val kpzdtek. A folyamat pontos menetrl ellentmon dak a vlemnyek. Nagyjbl az trtnhetett, hogy a kd zsugorodott, s mikzben forgsi sebessge fokozatosan nvekedett (hogy impulzusmomentumt megrizze), diszkosz alakot vett fel. A korong kzpontjbl lett vgl a Nap, mg az anyag megmaradt csvi bolygkk s kisbolygkk (aszteroidkk) srsdtek. A folyamatot a 8. fejezetben rszletesebben tekintjk t. A kd zmben valsznleg hidrognbl s hliumbl llt, hiszen ezekb l az elemekb l ll a Nap is. Egy olyan bolygn, mint a Fld, a kis tmeg miatt viszonylag gyenge a gravitci, s mert tl kzel is van a Naphoz, kptelen a knny elemeket visszatartani, s gy azok kiszabadulnak a vilg rbe. (A nagy

21

kls bolygkon mg mindig sok van bellk.) A Fld, amelynek bels magja vas, s csak szilrd krge ll knnyebb elemekbl, korbbi csillagok felgylemlett hamujbl kpz dtt. Az let helye, a bioszfra teht nem ms, mint egy vkonyka anyagrteg, egy meglehetsen tlagos csillag meglehet sen kicsi bolygjn. A fenti nagyon vzlatos lers legfontosabb tanulsga, hogy az ltalunk ismert let nem keletkezhetett rviddel az srobbans utn, hiszen az l rendszerek felptshez szksges elemek akkor mg nem is lteztek. Legalbb egykt millird v vagy mg ennl is tbb volt szksges ahhoz, hogy elegend szm nagy csillag jusson letciklusa vgre s robbanjon fel, szerterptve a szerves lethez szksges atomokat. A robbans hamujt azutn ssze kellett seperni, j csillagokk s bolygkk gyrni. Sajnos nem tudjuk pontosan, hogy ez a folyamat valban ilyen egyszer-e, s gy abban sem lehetnk biztosak - elmleti megfontolsok alapjn -, hogy hny csillagnak van bolygja, br mint a 8. fejezetben ltni fogjuk, erre vonatkozlag van nhny kzvetett bizonytkunk. Tekintsk t mg egyszer rviden a tr s id bennnket kzelebbr l rdekl adatait. A Naprendszer tmr je a fnyv tizentd rsze. A legkzelebbi csillag 4,3 fnyvre van t lnk. Nagyjbl szz csillag van a hsz fnyven belli krnyezetnkben. Sajt galaxisunk, a Tejtrendszer, csillagoknak, pornak s gznak lassan forg, szablytalan korong alak halmaza, tmr je szzezer fnyv, s mintegy 1011 csillagot tartalmazhat. A legkzelebbi nagy galaxis, az Andromeda-kd, a minknl nagyobb. Ez ktmilli fnyvnyire van t lnk, s a kt galaxis k ztt (eltekintve nhny kisebb galaxistl) gyszlvn semmi sincs, neutrink s protonok kivtelvel. Tvolabbra tekintve a Vilgegyetem minden irnyban egyarnt legalbb hrommillird fnyvnyire terjed ki, s valsznleg 1011 klnbz mret s fajtj galaxis van benne. A Fldnek s a Naprendszer tbbi objektumnak a kora ngy s fl millird v. Az srobbanstl eltelt idt kevsb pontosan ismerjk, de jzan becslsek szerint ez az id ht- s tizentmillird v kz esik. Az srobbanst kvet idben a nehezebb elemek gyakorlatilag mg nem lteztek, emltsre mlt kszlet csak egy-kt millird vvel ksbb gylemlett fel bellk.

22

3. FEJEZET

A BIOKMIA EGYSGE

Az let eredetnek problmja vgs soron szerves kmiai krds - a sznvegyletek kmijnak krdse -, br szokatlan felttelek kztt mkd kmi. Az llnyek, amint ltni fogjuk, atomi s molekulris szinten hihetetlenl finoman s pontosan meghatrozottak. Kezdetben szksgkppen azoknak a molekulknak kellett kialakulniuk, amelyekbl ksbb sszellhatott az els l rendszer. Mivel az let a Fldn igen rgen jelent meg taln mr ngymillird vvel ezeltt -, igen nehz kiderteni, milyenek lehettek az els l lnyek. A Fldn kivtel nlkl minden llny szerves vegyletekbl pl fel. Ezek a vegyletek a fldi hmrskleti viszonyok kztt hosszabb idn t nem tl stabilak. Az lland termikus mozgs az vek szzmillii sorn szttrdeli a szerves molekulkban mg azokat az ers kmiai ktseket is, amelye ket rvidebb id tartamokra, pldul letnk tartamra bsgesen elegend er tart ssze. Ez az oka annak, hogy ezekbl a legkorbbi idkbl csaknem lehetetlen ,molekulris kvleteket" tallni. Az svnyok sokkal stabilabbak, legalbbis ami a durvbb szerkezetket illeti, fleg azrt, mert a bennk lev er s

23

ktsek szablyos trbeli szerkezetet hoznak ltre. Egyetlen kts felbomlstl mit sem vltozik az svny szerkezete. Kvleteket tmegvel tallunk flmillird vvel ezeltt kpzdtt ledkes kzetekben. Ebben az idben rt el az l szervezetek fejldse odig, hogy kpess vltak kemny vzat kpezni maguknak. A kvletek persze rendszerint nem az organizmusok eredeti anyagbl llnak, hanem csupn az eredeti alakjukat rizte meg az ket lassanknt titat szervetlen, svnyi anyag. Az l lgy rszek formja gy ltalban elveszett, br alkalmanknt ennek nyomai megmaradtak mint holmi szrgs mintk, az idk szikljn megrztt lbnyomok. Ismernk-e a kvleteknl mg sibb maradvnyokat? Gondos mikroszkpos vizsglatokkal a legsibb kzetek ben olyan alakzatokat sikerlt tallni, amelyek nagyon egyszer szervezetek kvlt maradvnyainak ltszanak, amennyiben ersen emlkeztetnek egyes ma is l egysejt organizmusokra. Ez a tny megfontolsra rdemes. Magunk is gy gondolnnk, hogy az evolci folyamn a tbbsejt lnyek a korbban lt egysejtekbl fejldhettek ki. Br a rszletek mg vitsak, az ilyen tpus mikroorganizmusok megjelenst 2,5-3,5 millird vvel ezelttre teszik. A Fld kora krlbell 4,5 millird v. Vagyis az let a Fld keletkezst ksr z rzavar ellte utn eltelt egymillird v alatt brmikor kifejldhetett az cenokban, tavakban s a kisebb llvizekben zajl komplex kmiai folyamatok talajn. Ennek a peridusnak a kvleteirl egyltaln nincs adatunk, mert ebbl a korbl szrmaz eredeti ledkes kzetmintt eddig mg nem talltak. A problma megkzeltsre csak kt lehetsgnk van. Megksrelhetjk laboratriumban szimullni a korai krlmnyeket. Mivel az let keletkezse szerencss vletlen volt, amelyre mg a Fld teljes felsznre kiterjed ,la boratriumban" is valsznleg tbb milli vet kellett vrni, nem nagyon meglep , hogy az ilyen irny kutats - nmi haladstl eltekintve - nem jutott nagyon messzire. A msik lehet sg az, hogy megvizsgljuk a Fldn je lenleg ltez sszes llnyt. Minthogy mindegyik az els egyszer organizmusok leszrmazottja, remlhet, hogy mg mindig viselnek magukon a legsibb llnyekre jellemz nyomokat. Els ltsra ez az elkpzels teljesen valszntlennek tnhet. Ugyan mi lehet kzs a liliomban s a zsirfban, az emberben s a beleiben l baktriumokban? Cinikusan gy okoskodhatunk, hogy minden llny eszik, vagy ppen t eszik, s gy bizonyra van valami, ami bennk kzs. Ez az okoskods, br furcsa, de korrekt. A biokmiai folyamatok egysgessge sokkal ltalnosabb rvny, s a rszlete iben is valsgosabb, mint azt akr szz vvel ezeltt hittk volna. Az llnyek mrhetetlen

24

vltozatossga - az ember, az llatok, a nvnyek, a mikroorganizmusok vagy akr a vrusok - kmiai szinten azonos alapelvekre pl. Mivel az alapelvek felhasznlsa fantasztikusan vltozatos mdon, szmtalan genercin t termszetes szelekcival trtnt, a mindennapi ember szmra roppant nehz a kls alak mg hatolva felfedezni a bels egysget. Megjelensnk klnbsgei ellenre mi - az sszes llny - ugyanazt a kzs kmiai nyelvet, pontosabban ugyanazt a kt szorosan sszefgg nyelvet be szljk. A biokmia egysgnek megrtshez elszr legalbb nagy ltalnossgban meg kell nznnk, mifle reakcik mennek egyltaln vgbe egy szervezetben. Az l sejtre gy tekinthetnk, mint egy meglehetsen sszetett, jl szervezett kmiai zemre: a berkez szerves vegyleteket - a tpllkot - szksg szerint lebontjk kisebb egysgekre, ezeket vagy trendezik, s bellk jabb nagyobb egysgeket ptenek, vagy tbb lpsen keresztl ms kis molekulkat ksztenek bellk, melyek kzl egyeseket mint hasznlhatatlanokat kidobnak, msokat pedig tovbbi szintzishez hasznlnak fel. Leggyakrabban az trtnik, hogy a kis molekulkat sajtos rendben lncokk fz ik, ltalban elgazsok nlkl, gy ksztve el az adott sejt letfontossg makromolekulit. Ezeknek hrom nagy csaldja ismert: a nukleinsavak, a fehrjk s a poliszacharidok. A szervezds els szintje, amit vizsglnunk kell, a leg alacsonyabb, ez az atomok kapcsoldsnak szintje. Egyetlen atom elgg szimmetrikus rszecske, alakja megkzeltleg gmb, amelynek tkrkpe is ugyanaz, ppgy, mint egy bilirdgoly. sszetettebb atomcsoportok mr jobb vagy bal kezesek" lehetnek, mint sajt kezeink. Ha jobb keznk van a tkr el tt, a tkrben bal kezet ltunk s fordtva. Ha kt keznket sszetesszk, mintha imdkoznnk, a kp olyan, mintha tkr lenne kztk. Nincs semmifle lehetsg arra, hogy a kt keznket - akr csak kpzeletben is - fedsbe hozzuk. Nhny egyszer szerves vegylet, pldul az etilalkohol, nem tkrzsrzkeny; ezek tkrkpei nmagukkal azonosak, mondjuk, mint egy pohr. A legtbb szerves molekula azonban mr nem ilyen. Az asztalunkra kerl kockacukor molekuli tkrbl nzve hatrozottan ms elrendezds atomcsoportokat mutatnak. E klnbsgnek nem mindenfajta kmiai reakciban van jelentsge. Ha melegts kzben figyelni tudnnk egy molekult, lthatnnk rezgseinek fokozdst, egszen addig, amg a ktsek el nem bomlanak; a tkrkpi folyamat esetn is ugyanez trtnik. Nagyon durva kzeltssel megllapthatjuk, hogy az alapvet kmiai reakcik szimmetrikusak. A jobbos s a balos vltozatok klnbzsge akkor vlik fontoss, ha a molekulknak valahov illeszkednik kell. J plda erre a keszty. Ennek minden alkotrsze-a br, a crna vagy akr a gombok - nmagukban tkrszimmetrikusak, de sszedolgozni mr ktflekppen kell ket ahhoz, hogy

25

legyen egy bal- s egy jobbkezes keszty . Nyilvnval, hogy a legremekebb balkezes keszty sem illik sehogy sem a jobb kzre. A legegyszerbb aszimmetrikus molekula akkor kelet kezik, ha egy sznatomhoz ngy klnbz atom vagy atomcsoport kapcsoldik egyes ktsekkel, mivel a sznatom ngy vegyrtke nem egy skban van. Ilyenkor az atomok vagy atomcsoportok trben egyenletesen, egymstl legtvolabb, nagyjbl a szablyos tetrader cscsai irnyba mutatva igyekeznek elhelyezkedni.

Egyetlen sznatom ngy vegyrtknek trbeli elrendezdse

gy teht sok szerves - szenet tartalmaz - vegyletet, egyszer eket s bonyolultakat egyarnt, hol jobb-, hol balkezes molekulk kpviselnek. Lssuk most, mirt nem mindegy ez a sejtnek. Leginkbb azrt, mert a biokmiban a molekulk nem nllan, hanem ms molekulkkal egytt lteznek, s egymssal reaglnak. Csaknem minden biokmiai reakcinak van sajt kln kataliztora. A reakciban rszt vev kismolekulknak termszetesen pontosan kell illeszkednik a kataliztor megfelel felsznhez. Ha a kis molekula tkrzsrzkeny, akkor a kataliztornak s ilyennek kell lennie. A keszty pldjra utalva, egy jobbkezes molekula reakcija lehetetlen lenne, ha egy balkezes molekula szmra kialaktott mlyedsbe prblnnk beleerltetni. Kpzeljk el, hogy ezt a parnyi kmiai zemet mk ds kzben meg tudjuk lesni. Lthatnnk a kmiai reakcikat vgbemenni, a molekulkat gyorsan diffundlni egyik talakt szerszmtl a msikig, beilleszkedni a megfelel katalitikus helyekre, ott felhasadni, tcsoportosulni, majd jrakpzdni, s szmos ms mdon reaglni. Majd kpzeljk el, hogy az el z zemet tkrb l figyeljk. Minden ugyangy trtnik, mint elbb, hiszen a kmia trvnyei a tkrkpi alakokra is ppgy rvnyesek. Csak akkor jnnnk zavarba, ha a kt zemet gy akarnnk kombinlni, hogy egyes komponenseket az egyikbl, msokat a msikbl emelnnk ki.

26

Belthatjuk teht, hogy egyetlen szervezel aszimmetrikus molekulinak, kicsiknek s nagyoknak, sszeill tkr kpi vltozatoknak kell lennik. Mi tbb, ksrleti tny, hogy az aszimmetrikus molekulk ugyanolyanok az ember jobb testfelben, mint a balban. Vajon nem lenne elkpzelhet ktfle szervezet, melyek kzl az egyik tkrkpi prja a msiknak, legalbbis ami az alkot molekulkat illeti? Ilyet mg sohasem fedeztek fel. A termszetben nincs ktfle l vilg abban az rtelemben, hogy az egyiket alkot molekulknak a msikban tkrkpi prjai fordulnnak el . A glkz azonos trlls mindenhol. Mg fontosabb, hogy a fehrjkk sszefzhet kis molekulk - az aminosavak - mind L-aminosavak (tkrkpi prjaik a Daminosavak; L = levo, bal; D = dextro, jobb), s a cukrok a nukleinsavakban ugyancsak ilyen trllsak. Az els ltalnos elv teht, amin a biokmia egysge alapszik, az, hogy a kulcsfontossg molekulkra minden organizmusban ugyanazt a keszty t lehet rhzni".

Az alanin nev aminosav kt mdosulata. Az egyik tkrkpe a msiknak. A fels brk trkitlt modellek, az alsk goly-plcika modellek rajzai. A betk az atomokat jellik. Az alanin fehrjkben tallhat formja az L-alanin (az brn balra).

Van szmtalan ms biokmiai sajtsg is, ami meglepen hasonl minden sejtben. Az egyes anyagcsere-folyamatok - a kis molekulk talaktsnak jl meghatrozott lpsekb l ll folyamatai - igen gyakran feltnen hasonlak, br nem felttlenl azonosak a klnbz organizmusokban. Nhny szerkezeti sajtossg is kzs lehet bennk. A legmegdbbentbb mgis az, hogy az egysgessg a szervezettsg

27

legals szintjn br ltszlag nknyes, de mindenesetre teljes. A sejt szerkezeti s mkd elemeinek nagy rsze a molekulk egyetlen csaldjhoz, a fehrjkhez tartozik. A fehrje makromolekula, akr ezer atombl is llhat. Minden egyes fehrje pontosan elksztett pldny, atomjai pontosan az el re meghatrozott helyre kerlnek. Minden proteinflesg csak r, magra jellemz, bonyolult trbeli alakkal (s szerkezettel) rendelkezik. Ez teszi lehet v, hogy specilis katalitikus vagy szerkezeti feladatt ellssa. A hromdimenzis (trbeli) szerkezet az elsdlegesen egydimenzis, egy vagy tbb polipeptidlnc felcsavarodsval alakul ki. A lnc hosszban egy hatatomos szerkezet ismtldik szablyosan. A lncszemekben a vltozatossg teht nem ezekbl, hanem a rluk kinyl igen kis oldallncok klnbzsgbl szrmazik. Egy tipikus peptidlnc ltalban nhny szz szemb l ll. Nem meglep ezutn, hogy a sejt sajt szintetikus gpezete kell elksztse ezeket a polipeptidlncokat, vlogatva a kis molekulk egy bizonyos kszletb l, az aminosavak bl. Ezek mindegyiknek van egy azonos szerkezet vge. Ez az a rsz, amely a fehrjben a peptidgerinc ismtl d elemeit alkotja. A msik vgkn mr klnbznek egymstl, s ez a vgk kpezi a kis oldallncokat. Sajtsgos, hogy a sok kzl ppen csak hszfle aminosav vesz rszt a fehrjk felptsben, s ez a hsz aminosav azonos az egsz l vilgban! Vannak persze ms aminosavak is a termszetben, s ezek kzl nhny megtallhat a sejtekben is. Mindazonltal a termszetes fehrjk felptsben csak egy lland hsztag kszlet szerepel. A fehrjt egy bekezdsnyi rott szveghez hasonlthatjuk, amelyhez csak hszfle bet t hasznlnak fel, s a fehrje kvnt tulajdonsgait (a kvnt szveget) a bet k helyes sorrendje biztostja. Egy trivilis kivteltl eltekintve, ez az rsmd sohasem vltozik. llatok, nvnyk, mikroorganizmusok s vrusok mind-mind ugyanazt a hszbet s kszletet alkalmazzk. Ha belego ndolunk, e clra ms, a kivlasztottaktl kiss klnbz bet ket ppen olyan sikerrel lehetne hasznlni, mint ahogy az bc jelenlegi bet i helyett is lehetne ms jeleket konst rulni. Egyik-msik kmiai bet kivlasztsnak oka nyilvnval: kicsik s knnyen kszthetk. Msok mr nem olyan magtl rtetd. Ha a vilgon minden nyomtatott szveg pontosan ugyanazt az nknyesen vlasztott betkszletet alkalmazn (mint tudjuk, ez egyltaln nincs gy), joggal kvetkeztethetnnk arra, hogy a kifejlesztett vgleges rsmd egyetlen helyrl ered, s gy terjedt el, hogy mindig ugyangy hasznltk s msoltk. Nehz nem ugyanerre a kvetkeztetsre jutni az aminosavak esetben. A hszas kszlet olyan ltalnosan elterjedt, hogy hasznlatnak eredett az l vilg kialakulsnak id pontjhoz nagyon kzelre datlhatjuk.

28

Egy kis mret enzim, a ribonuklez S trkitlt modellje. A bestttett atomok az enzim aktv centrumt kpezik. Termszetesen normlis krlmnyek kztt a fehrjt vzmolekulk veszik krl.

A termszet egy msik, mer ben eltr , de ugyancsak egysges kmiai nyelvet is hasznl. Minden organizmus informcikszlett kt igen hasonl risi lncmolekulatpus kzl az egyik vagy mindkett h ordozza. Ezek a nukleinsavak, a DNS s az RNS; b vebben majd az 5. fejezetben olvashatunk rluk. Mindkettnek szablyo san ismtl d rszekb l felpl , roppant hossz vza (gerince) van. Itt is oldallncok kapcsoldnak minden egyes lncszemhez, de ez esetben csak ngyfle; a genetikai nyelvnek csak ngy betje van. Egy tipikus kis vrusnak, a gyermekbnuls vrusnak genomja tezer bet hosszsg. A baktriumok genetikai kszlete mr nhny milli betbl ll, az emberben pedig minden egyes sejtmag nhny millird bet hosszsg kdolt szveget tartalmaz. A hatvanas vek egyik legnagyobb biolgiai felfedezse a genetikai kd megfejtse volt, az a kis (a Morse-bchez hasonl) tblzat, amely a genetikai anyag ngybet s nyelvt a fehrjk, a kivitelez masinria nyelvre fordtja le. Ezt megtallhatjuk a Fggelkben. Egy adott nukleinsavszakasz genetikai zenett a biokmiai gpezet gy fordtja le, hogy egy fix ponttl indulva az oldallncok betit hrmasval olvassa le. Mivel a nukleinsavnyelvben csak ngy klnbz bet van, a lehetsges bet hrmasok (tripletek) szma 64 (4 x 4 x 4). Hatvanegy ezek kzl az gynevezett kodonok kzl valamelyik aminosavat

29

jelenti. A maradk hrom a peptidlnc befejezsre ad utastst (a lnckezds jele ennl egy kicsit komplikltabb). A genetikai kd a biolgus szmra ppen olyan jelentsg, mint a kmikusoknak a Mengyelejev-fle peridusos rendszer. Van azonban egy fontos klnbsg. A peridusos rendszer rvnyes az egsz Vilgegyetemben. A genetikai kd igencsak nknyes, legalbbis rszben az. Eddig szmos sikertelen ksrlet trtnt arra, hogy kmiai elvekbl kiindulva logikai kapcsolatot talljanak a ktfle nyelv kztt. A kdnak van ugyan nhny szablyosnak t n jellegzetessge, de ezek lehetnek puszta vletlen szlttei is. Ha felttelezzk, hogy ltezik valahol a minkt l teljesen fggetlen, de szintn nukleinsavakra s fehrjkre pl let, nem ltok semmi okot arra, hogy ott a genetikai kd pontosan az legyen, mint minlunk. Mellesleg a Morse-fle kd nem teljesen nknyes, ugyanis ebben a leggyakoribb bet khz, mint az e s a t, a legkisebb szm pont s vons van hozzrendelve. Amennyiben a genetikai kd nknyes jellegt tovbbra sem lehet megcfolni, azt a kvetkeztetst kell levonjuk, hogy az sszes l a Fldn egyetlen, igen si populcitl szrmazik, amely vletlenl ppen ezt a kdot hasznlta a genetikai informci trolsra s a nukleinsavnyelvr l a proteinnyelvre val lefordtsra. Minden llny ugyanazt a ngybets nyelvet hasznlja a genetikai informci trolsra. Mindegyik ugyanazt a hszbets nyelvet beszli az l sejt szerszmgpeinek, a fehrjknek a felptsekor. Mindegyik ugyanazt a kmiai sztrt hasznlja az egyik nyelvr l a msikra val ford tshoz. Ilyen elkpeszt mrtk egysgessget alig gyantottak mg negyven vvel ezeltt is, amikor n egyetemista voltam. Klns tnete modern korunknak, hogy mindazok, akiket mlysges megelgedssel tlt el a filozofls a termszettel val egysgkr l, gyakran egylta ln nincsenek tudatban annak a valdi egysgnek, ami a termszethez fzi ket. Valahol Kaliforniban mr ltezik egy templom, melyben a genetikai kdot felolvassk a vasrnapi misn, br ktlem, hogy ezt a puszta recitlst brki is a hallgatsgbl klnsen magasztosnak talln. Belthatjuk, hogy az let eredetnek krdst leginkbb gy kzelthetjk meg, hogy megprbljuk elkpzelni, hogyan is alakult ki ez a feltn uniformits. Csaknem minden modern elmlet s ksrleti munka ezen a terleten a nukleinsavak, a fehrjk vagy mindkett szintzist veszi fel mint kiindulpontot. Hogyan jhettek ltre az si Fl dn (ha az let valban a Fldn kezd dtt) az els megfelel makromolekulk? Lthattuk, hogy a nagy lncmolekulk kisebb alegysgek egyms utn kapcsolsval kszlnek. Hogyan szintetizldhattak az alegysgek a korai prebiotikus krlmnyek kztt? Tovbb, ha ,lehetsgnk lett volna nyomon kvetni a trtnseket atomi rszleteikben is, hogyan lettnk volna kpesek eldnteni, mikor rdemelte ki a rendszer az l" jelzt? Hogy a fenti krdshez kzelebb jussunk, a kvetkezkben azt kell vizs -

30

glnunk, milyen rendszertl.

tulajdonsgokat

vrunk

el

brmely

l

4. FEJEZET

AZ LET TERMSZETE

Nem knny tmren meghatrozni, mi az l", vagy hogy mi az let". Az l" fogalmba nem okvetlenl tartozik bele a gondolkods, az rezni tuds, hiszen a biolgus szmra a nvnyek nyilvnvalan lnek, s igen kevs ember hiszi (nem szmtva a leghiszkenyebbeket), hogy a nvnyek gondolkoznak s reznek, ahogy mi s az llatok tesszk. A baktriumok - ezek bizony keveset rezhetnek, br rzik bizonyos tpanyag-molekulk szagt", s sznak feljk - szintn biztosan lnek tekinthetk. A vrusok megtlse nehezebb krds. Velk eljutunk az l s lettelen hatrhoz. Taln az a legjobb mdszer a krds megkzeltshez, ha szmba vesszk mindazt, amit az let alapvet folyamatairl tudunk, egyenknt lehzva a hjt, majd rtegeit, mg majdnem semmi sem marad, s akkor megprbljuk megfogalmazni a legbels, legltalnosabb lnyeget, amit felfedeztnk. Mikzben ezen fradozunk, hatatlanul megakad a szemnk a minden szinten megtallhat igen nagy fok szervezett komplexitson, ami klnsen a molekulk szintjn figyelemre mlt, hiszen minden okunk megvan azt felttelezni, hogy a szabad szemmel lthat szerkezetek is, a mikroszkopikus rszletek is mind-mind a molekulris ptkvek bonyolult klcsnhatsaibl alakulnak ki. Menynyire komplikltak teht ezek a makromolekulk, s hogyan kszlnek? Az l organizmusban a molekulris pt m vszet legmarknsabb pldja vitathatatlanul a fehrjk csoportja. Mg egy viszonylag egyszer fehrje is legalbb ktezer atombl ll, ezek pontosan meghatrozott hromdimenzis szerkezetet alkotnak, melyben mindegyik atomnak megvan a maga helye, ahonnan csak a szerkezetet egybknt is lland rezgsben tart hmozgs lendtheti ki. Mi

31

tbb, ez a bonyolult trszerkezet elengedhetetlen a mkdshez. Ha pldul egy ilyen molekula hmozgst vizes oldatban val melegtssel nveljk, a hmrsklet emel kedse legtbb esetben el szr meglaztja, majd elszaktja azokat a gyenge ktseket, amelyek a lnc helyes feltekeredst biztostjk, a rszletek sszezavarodnak, a szerkezet sztzilldik. Nem lesznek meg tbb a megfelel bemlyedsek, nem lesznek a felsznen a megfelel kmiai csoportok, teht a fehrje nem lesz kpes eredeti funkcijt betlteni. Ha az oldatban tbb hasonlan sztzillt fehrjemolekula van, akkor azok hajlamosak az sszetapadsra koagulcira -, s ha az oldatot le is h tjk, az sszegubancolt massza egyes komponensei mr nem nyerik vissza eredeti alakjukat. Fzznk meg egy tojst: a benne lv sr fehrjeoldat egyes fehrji ngy percen bell remnytelenl sszegubancoldnak, mechanikailag kemny tmeget kpeznek, holott f zs el tt a tojs tartalma nyls, de nthet volt. Els ltsra nehz feladatnak t nik a fehrje pontos hromdimenzis makettjt elkszteni. Az mg elkpzelhet, hogy a felsznrl molekulris rszletessg negatv ntmintt ksztsnk, mint valamely szoborrl, de hogyan lehet a teljes bels szerkezetet reproduklni? A ter mszet ezen a nehzsgen gyes trkkel teszi tl magt. A polipeptidlnc linerisan egydimenzisan - kszl, s magtl tekeredik fel a szksges alakzatt. A feltekeredst az oldallncok elrt sorrendje biztostja, ezek tbbszrs gyenge klcsnhatsok rvn rendre kapcsolatba lpnek egymssal s a fehrje gerincvel. A h mozgs lehet v teszi, hogy a molekula keletkezse kzben tbbfle alakot vegyen fel, s prblkozsainak eredmnyekppen tallja meg a legalkalmasabbat. A molekula megfelel rszei szpen egymshoz fekszenek, s olyan jl illeszkednek, hogy ezutn a h mozgs mr alig zav arja a szerkezetet. Ahhoz, hogy ltrejjjn ez a molekulris ptszeti csoda, a sejtnek nincs ms tennivalja, mint helyes sorrendben fzni fel az aminosavakat. Ez maga is egy sszetett biokmiai folyamat. Hasonlattal lve azt mondhatjuk, hogy egyfajta molekulris szerelszalagon trtnik, melyhez az utasts nukleinsavszalag alakjban rkezik (ez az gynevezett messenger- vagy hrviv-RNS). A folyamatot bvebben az 5. fejezetben trgyaljuk. Itt csak azt vizsgljuk meg, hogy hny lehetsges fehrjeszerkezet ltezik. Ms szval: mekkora a valsznsge egy meghatrozott aminosavsorrend ltrejttnek akkor, ha az aminosavak tallomra kapcsoldnak egymshoz? A fenti valsznsg kiszmtsa egyszer kombinatorikai ujjgyakorlat. Ttelezzk fel, hogy a lnc ktszz aminosav hosszsg tlagosan a fehrjk ennl valamivel tbbet tartalmaznak. Mivel minden pozciban ppen hszfle aminosav lehet, az sszes lehetsges varicit megkapjuk, ha a hszat nmagval ktszzszor megszorozzuk. Ezt egyszeren gy jelljk: 20200 (hsz a ktszzadik hatvnyon), s

32

nagyjbl megfelel 10 260-nak, vagyis az egyes utn 260 nullt kell rni! Ez a hatalmas szm emberi sszel felfoghatatlan. sszehasonltskppen vegyk pldul a lthat vilgegyetem sszes elemi rszecskjnek, kiss pontatlanul fogalmazva: sszes atomjnak a szmt; emlkezznk, nemcsak a Tejtrendszer 10" csillagnak, hanem ms galaxisok millirdjainak atomjait is ide kell rteni. Ezt a szmot 10 80-ra becslik, ami kutya fle a 10260-hoz kpest. Radsul nem is szmoltunk igazn nagy fehrjemolekulval; ha ezt tettk volna, mg elkpzelhetetlenebb eredmnyt kaptunk volna. Nem nehz kimutatni, hogy a lehetsges polipeptidlnc-vltozatok kzl a fldi let keletkezse ta eltelt tbb millird v alatt is csak egy igen kis hnyad kszlhetett el. Ennyi id alatt a lehetsges szekvencik dnt tbbsgre egyetlenegyszer sem kerlt r a sor. Ezekben a szmtsokban csak az aminosavak lehetsges sorrendjeit vettk figyelembe. Fontos azonban tudnunk, hogy szmtalan elmletileg lehetsges sorrend mellett a molekula nem tekeredhetne fel kellen stabil, tmr szerkezett. Nem tudjuk, hogy az sszes elkpzelhet aminosavsorrend hnyad rsze alkalmas tmr szerkezet ltrehozsra, de gy gondoljuk, egy elg csekly tredk csupn. Ezt egy hasonlattal vilgtom meg. Vegynk egy bekezdsnyi angol szveget. Ebben nagyjbl harmincfle jel van (bet k s rsjelek, a nagybet ket elhanyagoljuk). Egy tipikus bekezds krlbell annyi betbl ll, ahny aminosav van egy tipikus fehrjben. A korbbiakhoz hasonl szmts kimutatn, hogy a lehetsges betsorrendek szma itt is igen nagy. Mg annak is elhanyagolhatan kicsi a valsznsge, hogy egymillird majom egymillird rgpen a vilgmindensg kezdete ta folyamatosan dolgozva, vletlenl akr csak egyetlen Shakespeare-szonettet kpes legyen lerni. Az ltaluk gpelt szveg messze tlnyom rsze rtelmetlen bethalmaz lenne. Az sszes gy kaphat majomszvegek" igen kis hnyadnak lenne egyltalban valami rtelme. Mindazonltal az gy nyerhet rtelmes szvegek abszolt szmt risira kell becsljk, br pontosan meghatrozni nem tudjuk. Hasonl a helyzet a fehrjkkel is: a lehetsges, egymstl klnbz, kompakt s stabil fehrjeszerkezetek szma szksgkppen igen nagy. Azt ltjuk teht, hogy mr ezen az alapszinten is tkletesen egyforma komplex szerkezetek jelennek meg nagy pldnyszmban. Ilyenformn ezek komplexitsa meghatrozott, kpzdsk nem magyarzhat puszta vletlennel. Ez arra utal, hogy az let igen ritka jelensg kellene legyen; ennek ellenre, brhov nznk, az lk sokasgt ltjuk nyzsgni. Hogyan vlhat egy ilyen ritka jelensg ennyire ltalnoss? A folyamat alapjt kpez mechanizmus tulajdonkp pen egyszer , de csak akkor vlik l thatv, ha a csodlatosan vltozatos felszn mg hatolunk. Darwin s Wallace, Malthus mvtl megihletve, egyarnt felismertk, hogy az l szervezeteknek szksgszeren versengenik kell a tpllkrt, a przsrt s az lettrrt ltalban, de klnsen ppen sajt fajuk ms egyedeivel.

33

Kpeseknek kell lennik a ragadozk s minden ms veszly elkerlsre is. E sokfle krnyezeti hats kvetkezmnyekppen egyeseknek tbb utdja marad fenn, mint msoknak, s gy ezeknek a hatkonyan szaporod egyedeknek a gnllomnya fog nagyobb gyakorisggal tovbbjutni a kvetkez genercikba. Szakszerbben szlva, ha egy gn hordozja rtermettsgt" nveli, akkor megn a valsznsge annak, hogy ez a gn gyakoribb vlik a tovbbi genercik gnkszletben. Ez a termszetes szelekci lnyege. A magyarzat els hallsra tautolginak, szfia beszdnek tnhet, de ne a szavakra figyeljnk, hanem a httrben mkd mechanizmusokra. Van-e mdunk ezek tiszta, abszolt megfogalmazsra? Az els nyilvnvalan szksges mechanizmus a replikson, radsul nem is akrmilyen, hanem kellen pontos replikson. Az lk egymst kvet generciinak komplex mkdseihez rengeteg utastst hordoz informci tvitele szksges. Ez az informcitmeg azonban lassan sztmllik a halmozd apr hibk slya alatt, ha az informci msolsa genercirl genercira nem kellen pontos. A kellen pontos" azt takarja, hogy a tkletes pontossg nem kvetelmny. Jobb, ha a msolatok nem tkletesen egyformk. A legtbb msolsi hiba persze nmi htrnyt fog jelenteni, de lesz nhny, amely elnys, amennyiben nveli a gn hatkonysgt. Erre pedig szksge van a termszetes szelekcinak. A mutci, ahogy ezeket a genetikai hibkat nevezzk, szksges teht, de tl sok belle nem kvnatos. Valjban a hiba gyakorisgnak a gyakorlatban csak mrhetetlenl kicsinek szabad lennie, olyannyira, hogy a sejtben kln mechanizmusok alakultak ki a legtbb hiba javtsra. gy biztosthat, hogy a faj nmagval azonos maradjon, s mgis kpes legyen az evolcijhoz szksges kplkenysgt fenntartani. Fontos kvetelmny, hogy a replikcis mechanizmus a keletkezett mutcikat is tmsolja. Mi hasznuk lenne a hibknak, ha nem msolhatk, csak ppen zavarjk a rendszer mkdst? Az ilyen hibkat valamilyen mdon el kell tvoltani. A msolrendszer az ilyen hibt figyelmen kvl hagyja, s vletlenszer en beilleszti helyette valamelyik kdjelet. A termszetes szelekci szempontjbl teljesen kzmbs, hogy mi a hiba, ha a vgeredmny olyan vltozs, amelyet hen lehet msolni a kvetkez genercikon keresztl. Replikci s mutci teht a kt elengedhetetlen kvetelmny. Ttelezzk fel, hogy a megvltozott gn egy kiss rtermettebb", azaz vagy gyorsabban, vagy gyakrabban msoldik t, mint az eredeti. Ez a jelensg persze nem kzvetlenl valsul meg. ltalban a mdosult gn egy hrviv-RNS termelst indtja be, ez pedig egy olyan fehrjt kdolhat, amely az egyedet elnysebb tulajdon sgokkal vrtezi fel az utdok ltrehozsrt foly kzdelemhez, azaz hozzsegti ahhoz, hogy tbb s letkpesebb utdot hozzon vilgra. Szakkifejezssel lve: egy megvltozott gn ltalban nemcsak a genotpust (az egyed gnjeinek sszessgt), hanem a fenotpust (az adott egyedben kifejezsre jut rkletes tulajdonsgok

34

sszessgt) is megvltoztatja. A vltozs alapja teht egy vagy tbb fehrje tulajdonsgainak, illetve mennyisgnek mdosulsa, hiszen a szervezetben csaknem minden kmiai trtnst a fehrjk irnytanak, mg a nukleinsavaknak, klnsen a DNS-nek nemigen van ms szerepe, mint a repliklds, valamint a fehrjk s nhny strukturlis RNS-molekula kdjnak trolsa. Az elmondottakon tl van mg egy utols ltalnos kvetelmny. A megszerzett elnyt az organizmusnak meg kell riznie. Mskppen szlva: meg kell gtolni, hogy az elnysen mdosult gn tjn egy rivlis organizmus is elnykhz juthasson. Az a kvnatos, hogy az elnys gntermkek csak a sajt gnek hatkonysgt nveljk. Ez azt jelenti, hogy a gnt s termkeit valahogy egytt kell tartani. A legalacsonyabb szinteken ez clszeren gy trtnik, hogy a gneket s termkeiket egy kzs zsk tartja egytt. Ezt a zskocskt nevezzk sejtnek, amelynek hatra egy igen vkony fligtereszt hrtya. Ez megakadlyozza a bell lv molekulk tbbsgnek kijutst, hacsak nincs j ok az illet molekula sejten kvlre juttatsra. Kln szivattyk s kapuk lteznek a hrtyban a tpanyagok s nhny egyb molekula bejuttatsra, illetve a salakanyagok s egyb meghatrozott molekulk kijuttatsra. A fentiekben sszefoglaltuk azokat a kvetelmnyeket, amelyek az lethez szksges informcis rendszerekre rvnyesek, de ezekbl rgtn sokkal kzvetlenebb s evilgi szksgletek fakadnak. Mivel az l szervezet bizonyos molekulkat tbb pldnyban kell elksztsen, szksges a nyersanyag utnptlsrl gondoskodni. Ritka kivtelektl eltekintve, ezeket a nyersanyag-molekulkat t kell alaktani ms, rokon molekulkk. A ma l sejtekben az talakts csaknem minden egyes lpst egy-egy fehrje-enzim katalizlja, amely az adott reakcira specifikus. Az let hajnaln a nyersanyagoknak kzvetlenl felhasznlhat formban kellett jelen lennik, mert ekkor mg nem vagy alig lteztek olyan specifikus kataliztor fehrjk, amelyek az slevest" zletesebb tettk volna. A szerves szintzisekhez energira, spedig hozzfrhet energira van szksg. Ez szakkifejezssel a szabadenergia, ami egyltaln nem azt jelenti, hogy ingyenes. (A kifejezsnek egszen pontos termodinamikai rtelme van.) Az ilyen rendszer teht nem szigor rtelemben, hanem dinamikusan van egyenslyban. Hasonlattal lve: szkebb rtelemben egy t van statikus egyenslyban, szemben egy folyval, melyben egyenletes ramls esetn egy adott szakaszon, egy-egy adott pillanatban, mindig ugyanannyi a vz mennyisge, csak ppen a vz nem ugyanaz. Az l rendszer a folyra hasonlt. Anyag s szabadenergia lp be, salakanyagok, s h tvozik belle. A termodinamikban az ilyet nyitott rendszernek nevezik. Csak nyitott rendszerek folytathatjk azt a szakadatlan szintetikus munkt, ami az ismtl d kmiai replikcikhoz szksges. Tekintsk teht mg egyszer t az let alapvet feltteleit. A rendszer kpes kell legyen jratermelni az nmagra vonatkoz sszes instrukcit,

35

valamint mindazokat a mechanizmusokat, amelyek az instrukcik vgrehajtshoz szksgesek. A genetikai anyag replikcija meglehet sen pontos kell legyen, de szksges a mutcik - msolssal megrizhet hibk - esetenknti elfordulsa is. A gnt s annak termkt" sszer trbelileg egytt tartani. A rendszernek termodinamikailag nyitottnak kell lennie a nyersanyag s a szabadenergia lland utnptlsnak biztostsra. Az lethez szksges alapfeltteleket ilyen tg fogalmakkal meghatrozva, a kvetelmnyek nem ltszanak tl nagyoknak, de majdnem semmibl indulva mg ennyit sem lehetett knny teljesteni. Ami persze els pillantsra nem olyan nyilvnval, az a rendszer csodlatos njavt kapacitsa. Mire vezet ht a msolsi folyamat itt-ott kis hibval tarktva? Az els, amit meg kell rtennk, az nreprodukci folyamatossga. A rendszernek gyakorlatilag sznet nlkl kell dolgoznia, hogy valami meglept hozzon ltre. Ez ms szval azt jelenti, hogy az egyedszm minden genercivltsnl megktszerezdik. ltalnosan ismert, hogy ktszerezdssel a szmok hamar elkpzelhetetlen nagysgakk nnek. A rgi trtnet szerint a sakk feltalljt a szultn meg akarta jutalmazni, s megkrdezte, mit kvnna. A feltall (nem volt vilgos, hogy ravasz-e vagy naiv, blcs-e vagy bolond - az uralkodk nem szeretik, ha bolondd teszik ket) olyat krt, ami els hallsra szernynek tnt. Rmutatott a sakktblra, s az els ngyzetre egy szem gabont krt, kettt a msodikra, ngyet a harmadikra, nyolcat a kvetkezre s gy tovbb. Ez nem ltszik tl moh kvnsgnak, amg esznkbe nem jut, hogy a sakktbla 64 ngyzetbl ll. Rvid szmols utn kiderl, hogy a krt gabonaszemek szma 264- 1, ami slyra tszmtva valamivel tbb, mint 1019, azaz szzmillird tonna gabona. Ez a mennyisg megtltene egy tbb, mint hat kilomter thosszsg kockt. A krs bizony nem kifejezetten szerny! Egy hasonl temben duplzd l rendszer hamarosan kimerten kzvetlen krnyezetnek nyersanyag- s energiakszleteit. gy arnylag rvid idn bell megindul na az egyes egyedek versengse a tpllkrt. Az lelem s energia egyenletes utnptlsa azonban nmagban nem teszi lehetv a populci korltlan nvekedst. A rendszer hamarosan egyenslyi llapotba jut. Ez azt jelenti, hogy tlagosan minden szl i egyed utn minden gener ciban csak egyetlen utd marad. Mivel egyes egyedek nyilvn megkettzdnek, msok szksgkppen nem hagyhatnak utdot maguk utn. A vletlennek itt nagy szerepe van. Az egyik organizmus pldul rejtett tpllkra bukkan, a msik kevsb szerencss, hen vsz. Ha azonban egy bizonyos egyed olyan gnmutcikon esett t, amelyek ilyen vagy olyan okbl alkalmasabb teszik t a tpllk hatkony megszerzsre, akkor ez nagy tlagban tbb utdot fog ltrehozni, s gy a mutns gnek arnya a populciban emelkedik. A kevsb sikeres egyedek persze szksgkppen kevesebb utdot hozhatnak csak ltre. Ha ez a folyamat elg sokig tart, a kevsb el nys tpusok vgl is teljesen kivesznek, s a hatkonyabb gnkszlettel rendelkezk

36

gyzedelmeskednek. A lnyeg, amire fel kell figyelnnk, az az, hogy egy ritka, esetleges jelensg lassan uralkodv vlik. Ilyen folyamat a dolgok termszete folytn nemcsak egyszer jtszdik le. A vletlen id r l id re j, kedvez mutcikat teremt. Mi tbb, jabb s jabb el nys tulajdonsgok kialaktsval kell id utn az evolci olyan szervezetet hoz ltre, amely krnyezetvel mr igen finoman ssze van hangolva. Ahhoz, hogy a szervezet ilyen tkletessgre emelkedjk, nem kell egyb, mint sok vletlenszer mutci. gy ltszik, nincs olyan mechanizmus, legalbbis ltalnos rvny biztosan nincs, amely a gn vltozsokat gy tereln, hogy azok csakis kedvez ek leltessenek. Az embernek az az rzse, hogy hossz tvon az ilyen irnytott mechanizmus tl merev s gy inkbb htrnyos lenne. Ha mr nagyon szort a cip , valdi jtsra van szksg - olyanra, amelynek jellemz i nem terv ezhetk elre -, s ilyent csak a vletlen kpes produklni. Az igazi jdonsgoknak csakis a vletlen lehet a forrsa. A termszetes szelekci ereje akkora, hogy az minden szinten rvnyesl. rdekes, hogy mg magn a szelekci mechanizmusn is kpes javtani: j plda erre az ivaros szaporods. Ha a krnyezet - maga is nehezen meghatrozhat fogalom - hossz id n t stabil marad, a ter mszetes szelekci is konzervatvv vlik, s a beltenyszts az organizmusokat sz k korltok kz zrja. A po pulci gyszlvn mr elrte a tkletessget, s minden tovbbi javts igen ritka esemnyt kvn, hiszen az sszes kevsb ritka eshet sget mr korbban volt elg id kiprblni. Ha azonban a krnyezet megvltozik, vagy ha valamilyen oknl fogva egy kis csoport elszigeteldik a tbbsgtl, az egyensly felborul, s a termszetes szelekci jra erteljesen alkot jelleg lesz. Ezek az sszefggsek az evolci elmletnek rszletezsnl igen nagy jelentsgek, de itt tovbb nem foglalkozunk velk, mert bennnket jelenleg az let eredete rdekel, s a fldi let kezdetn a rendelkezsre ll eszkzk mg elg nyersek lehettek. Most az a fontos, hogy a fentiekb l lesz rjk a folyamat szlesebb sszefggseit, ltalnos sajtossgait, s rdbbenjnk, hogy egyszer folyamatoknak mennyire vratlan s jelents kvetkezmnyei lehetnek. Tudomsunk szerint nincs ms olyan mechanizmus, amely hasonl hatkonysggal produklna ilyen eredmnyeket. Felmerlhet a szerzett tulajdonsgok rklsnek lehet sge. Kell igyekezettel a zsirf megnyjthatja a nyakt, s gy elrheti a magasabban lv zsengbb levelet is a fkon, teht tbb tpllkhoz jut. Fel lehet tenni, hogy ezt a tulajdonsgt borjra is trkti, s az ezltal jobban rvnyesl a tpllkrt val harcban. Tudomsom szerint eddig mg senki sem indokolta meg ltalnos elmleti rvekkel, hogy mirt lenne ez a mechanizmus a termszetes szelekcinl kevsb hatsos, br gyanthat, hogy kevsb flexibilis, klnsen olyankor, amikor egy evolcis krzis tvszelse valdi jtst kvn. Mindenesetre ez utbbi rendszer

37

mkdshez szksg lenne egy olyan mechanizmusra, amely a testi sejtekben felgyleml informcit a csrasejtekhez - pethez vagy spermiumhoz - kzvetten. Nemrgiben felvetettk ugyan egy ilyen mechanizmus mkdsnek lehetsgt, de a bizonytkok kzvetettek, s meglehetsen gyenge lbakon llnak. Elkpzelhet, hogy a szerzett tulajdonsgok rklse valamelyest kzrejtszik az evolciban, de valszntlen, hogy komoly jelentsge legyen. Szksges-e mg egyb ltalnos felttel az lethez? Ahhoz, hogy lnek tekinthessnk valamit, kellen sszetettnek kell lennie, de ha igazn l, akkor valsznleg igen kompliklt. Nem ismernk a Vilgegyetemben egyetlen szinten sem olyan jelensget, ami sajt termszetbl fa kadan hasonl vltozatossgot tudna ltrehozni. Eddig csak egyetlen olyan mechanizmust ismernk, amely erre kpes, s ez a termszetes szelekci, melynek ltalnos jellemzit fentebb vzoltuk. Lttuk azt is, hogy az let rengeteg informci trolst s msolst kveteli meg. Ennek egyedli gazdasgos mdja a kombinatorikai elv alkalmazsa: az informcit gy fejezzk ki, hogy kevs szm szabvnyos elemet hasznlunk, s azokat a legklnflbb mdokon kapcsoljuk egymshoz. (Az rs kivl pldja ennek az elvnek.) Az let, mint tudjuk, a szabvnyos elemek lineris kombincijt alkalmazza, de nem lehetetlen elkpzelni olyan rendszereket sem, amelyek az elemek rendezett sk- vagy hromdimenzis trbeli struktrit hasznljk, noha ez utbbiaknl a replikci nehzkesebben lenne megoldhat. Ezeknek a szerkezeteknek nemcsak informcit kell trolniuk - vagyis nem szabad teljesen szablyosnak lennik -, hanem kpesnek kell lennik informcitartalmuk grdlkeny s pontos msolsra is. Kvetelmny az is, hogy az informcitartalom stabil legyen, nemcsak a msols idejre, hanem b ven azon tl is, klnben tl gyakoriak lennnek a hibk, s nem m kdhetne a termszetes szelekci. gy tnik teht, hogy az let magasabb forminak megjelenshez elengedhetetlen a szabvnyos egysgekbl felptett, kiterjedt s meglehetsen stabil szerkezetek ellltsa. Ha a szabvnyos elemek szmt nvelnnk, a replikci rohamosan nehezlne, mint ahogy a knai rs tbb ezer rsjelvel is igen nehzkesnek bizonyul a gpels s a nyomtats. Ugyancsak ltalnos felttel, hogy az egyes folyamatok ne legyenek tl lassak. Nem vagyunk mg kpesek arra, hogy az evolci sebessgt kiszmtsuk, de ha a minknl tzszer vagy szzszor lassbb rendszert tteleznk fel, az mr biztosan kptelen lett volna arra, hogy az srobbans ta eltelt teljes id alatt elrje azt a szintet, ahol most mi vagyunk. Teht brmely szilrd halmazllapotra plt rendszer, amelyben a kmiai reakcik rendkvl lassan mennek vgbe, biztosan alkalmatlan. Marad teht a folykony s a gz halmazllapot. A tisztn gz halmazllapot let ellen az szl, hogy csak kis molekulk kpesek valdi gzokat alkotni, mert ezek kztt nincs specifikus vonzer, de gyenge klcsnhatsok (a van der Waals-er k)

38

mindig szlelhet k. llyen klcsnhats brmely kt atom kztt fellp, ha azok elg kzel kerlnek egymshoz. Ezek az erk a molekula mretvel arnyosan nvekednek. Mivel - mint lttuk - az informcihordoz molekula nagy kell legyen (hogy belefrjen a kombinatorikai mdszerrel trolt instrukci), igen valszntlen, hogy halmazllapota gznem legyen. Az ehhez szksges magas h mrskleten a h mozgs tenn tnkre a molekult, igen alacsony nyomson pedig egyb zavarok lpnnek fel. Gz halmazllapotban a molekulk koncentrcija is szksgkppen igen alacsony lenne, ami viszont a szksges kmiai reakcikat jelent s mrtkben lasstan. A mondottak rtelmben vilgos, hogy tiszta gzfzis l rendszert tervezni rettenten nehz feladat lenne. Tbb az esly akkor, ha megengedjk, hogy a gzfzisban apr, szilrd szemcsk vagy folyadkcseppek (vagy alkalmas bevonattal rendelkez cseppek) lebegjenek. Ebben az esetben mr nehezebb rveket felhozni az let kialakulsnak lehetsge ellen. Mondhatnnk persze azt, hogy nagyobb organizmus ilyen rendszerbl nem alakulhat ki, de ezzel is ajnlatos vatosnak lenni. A szrazfldi nvnyek s llatok puszta lte is azt mutatja, hogy ha egy rendszer egyszer mr megindult a fejl ds tjn, a ter mszetes szelekci a felmerl akadlyok lekzdsben igen tallkony. Brhogy nzzk is a problmt, a legkzenfekvbb megoldsnak egy olyan rendszer tnik, amely szilrdtest jelleg struktrkbl ptkezik nagy lptkben, de ezek mikroszkopikus szinten folykonyak. Minden ms megolds kevsb letkpes. Mivel a szn az az elem, amely az sszes tbbihez viszonytva leginkbb kpes ms atomokkal s nmagval is kapcsoldni, leginkbb ez lesz hajlamos a szerves molekulk vgtelen variciit ltrehozni. Msrszt, mivel a vz a leggyakoribb molekulk egyike a Vilgegyetemben, legvalsznbben ez lesz tallhat nagy mennyisgben folykony halmazllapotban. Ezek utn nem tl meglep , hogy az ltalunk ismert let ppen a vzben oldott sznvegyletek alapjn plt fel. Termszetesen a Vilgegyetem ms rszein ltezhet ms anyagokbl felptett let is. Alacsonyabb hmrskleten a folykony ammnia szolglhat oldszerknt, br ez nem olyan sokoldal, mint a klnsen kedvez tulajdons gokkal rendelkez vz. Szn helyett felmerlhet a szilcium mint kzponti kmiai elem. Mellette szl, hogy igen gyakori, legalbbis a Fld felsznn. A szilcium oxignnel sziliktokat alkot, ezek kpesek terjedelmes struktrkat is alkotni. Nmelyik lemezeket kpez, de van olyan is, amelyik fonalas. A legtbb mgis meglehetsen sszetett hromdimenzis ptmny, kristlyos vagy pszeudokristlyos szerkezettel. Ezek egyike sem ltszik azonban kedvez kiindulsi alapnak a termszetes szelekci cljra, s ha mgis, akkor ez a folyamat elgg esetlenl, dcgve zajlana.

39

A minkt l eltr anyagokbl felpl let teht nem lehetetlen. Nmely rendszer megrdemli a tovbbi tanulmnyozst, br ez ideig igazn gretes mg nem akadt. Teljesen valszn tlen az let az anyag plazma llapotban, avagy egy csillag belsejben. Az lethez ugyanis viszonylag stabil, nagy kiterjeds s vltozatos nukleonkombincikra van szksg. A Nap belsejben az esemnyek a magas h mrsklet miatt erre a clra tlsgosan is gyorsak. (Ugyanakkor a nukleris reakcik er sen lasstottan zajlanak, s ez magyarzza, hogy a Nap oly rgta folyamatosan sugrzik.) Amikor egy csillag felrobban, a beindul reakcik taln tekinthet k a termszetes szelekci egy primitv megjelensi formjnak, br a robbans oly rvid ideig tart, hogy eredmnye befagy, mieltt a szelekcinak egyltaln mdja lenne rvnyre jutni. Szerencsre ezek a lehet sgek elgg tvoliak, s gy e helyen figyelmen kvl hagyhatk. Az az let, amelynek mi - is rszesei vagyunk, vizes kzegben zajlik, s sznvegyleteken alapul. Melyek ezek a sznvegyletek, s milyen klcsnhatsaik vannak?

40

5. FEJEZET

NUKLEINSAVAK S A MOLEKULRIS REPLIKCIAz elzkben megfogalmaztuk az l rendszerekkel szembeni kvetelmnyeket, de meglehetsen ltalnos s elvont mdon. Itt az ideje most mr, hogy rtrjnk a krlttnk l szervezetekben valban vgbemen klnbz folya matok rszletesebb vizsglatra. Mint lttuk, alapvet kvetelmny a nagyon precz replikci, azaz a nhny alapegysg szablyos sorrendbe kapcsolsval felpl hossz lineris makromolekulk lemsolsa. A Fldn ezt a szerepet a nukleinsavak kt nagy csaldja, a DNS-ek, illetve az RNS-ek csaldja jtssza. E molekulk tervrajza rendkvl egyszer, s ebbl arra kvetkeztethet nk, hogy mr az let keletkezsekor is jelen voltak. A DNS s az RNS egymshoz igen hasonl molekulk - mondhatni, unokatestvrek. Nzzk elszr a DNS-t. Az RNS szerkezetnek megrtshez ezutn mr csak a klnbsget kell megmondani. A DNS-lnc gerince egysges, nhny atomnyi azonos ptkockk ismtldnek benne, az egyik vgt l a msikig, s minden egyes elemi szakaszhoz egy-egy oldallnc kapcsoldik. Kmiailag a gerinc foszft-cukor, foszft-cukor stb. sorozat, tbb ezerszer vagy tbb milliszor ismtelve. A cukor nem az tkezasztalon ltalban tallhat ndcukor, hanem az annl kisebb, gynevezett dezoxiribz - vagyis olyan ribz, amelyrl egy ,oxi"-csoport hinyzik. Innen a nv is: dezoxiribonukleinsav nuklein", mert magasabb rend szervezetekben a sejtek nukleuszban, magjban tallhat; sav", mert foszftcsoportjai normlis krlmnyek kztt egy-egy negatv tltst hordoznak. Minden egyes cukorhoz egy oldallnc kapcsoldik. Ezek klnbzek ugyan, de csak ngy f tpusuk van. A DNS-ben elfordul ngy f oldallncot (szakmai krkben ezeket bzisoknak nevezik) az egyszersg kedvrt nevk kezdbetivel jellik: A, G, T s C (adenin, guanin, timin s citozin). Alakjuk, mretk s kmiai sszettelk miatt A csak T-vel, G pedig csak C-vel kpes prt alkotni. (A s G nagyobbak, T s C kisebbek, gy mindegyik pr egyik tagja nagy, msika pedig kicsi.) Mind a DNS, mind az RNS knnyen kpez ketts lnc molekulkat, ezekben az egyes lncok egyms mell illeszkednek, s egymsra felcsavarodva ketts spirlt alkotnak, melyet a bzisprok tartanak ssze. A kt lnc kztt a spirl mentn minden egyes lncszemnl kialakul egy bzispr (a prostsi szably szerint): a pr egyik tagja az egyik, a msik tagja a msik lnchoz tartozik. Az egyes prokat sszetart ktsek egyenknt arnylag gyengk, de kollektv erejk stabilan sszetartja a kett s spirlt. A melegts okozta

41

molekulris rzkdst azonban a szerkezet mr nem viseli el, kettvlik, s a kt szl a vizes oldatban eltvolodik egymstl. A genetikai informcit a bzisok pontos lnc menti sorrendje hordozza. Ha az egyik lncon ismerjk a sorrendet, a prostsi szably alapjn (A jn T-hez, G jn C-hez) felrhatjuk a kiegszt (komplementer) lnc bzissorrendjt is. A genetikai informci teht ktszeresen van feljegyezve, egyszer az egyik lncon, msodszor a msikon. Ez olyankor jn jl, ha az egyik lnc megsrl, mert gy knnyen megjavthat a msik lnc informcija - bzissorrendje - alapjn. Van mg egy nem vrt klnlegessg. A ketts spirlban a kt gerinc irnytottsga ltalban ellenttes, vagyis antiparallel. Ms szavakkal: ha az egyik lncban az atomok sorrendje lefel irnyul, akkor a msikban felfel. Ez okoz nmi komplikcit, de nem annyit, amennyit vrnnk. Alapjban vve ez a ketts spirl sajtos szimmetrijnak kvetkezmnye, s a bzisok prkpzdsi pszeudoszimmetrijval alakul ki. Taln gy a legknyelmesebb sszeilleszkednik a bzisoknak, e sajtsgos kmiai szerkezeteknek.

A DNS szerkezetnek kulcsa: a bzisprok kialakulsa. A bzisokat gyenge hidrognhidak tartjk ssze a szaggatott vonalak mentn. A timin prja mindig adenin, a citozin pedig guanin.

Knnyen belthat, hogy az ilyenfajta lncprbl ll molekula, amelynek vltoz elemei (a bzisok) egymshoz illeszkednek, idelis a molekulris

42

replikci szmra, klnsen azrt, mert a kt lnc kmletes mdszerekkel vlaszthat el egymstl. Ennek az az oka, hogy amg a gerincet a lnc hosszban ers - kovalens - kmiai ktsek tartjk ssze, melyek viszonylag ellenllak a h mrsklet okozta vibrcival szemben, addig a kt lncot sszetart erk - hidrognhidak - sokkal gyengbbek, s nem jelent nehzsget a kt lnc sztvlasztsa a lncok elszaktsa nlkl. Hasonlattal lve, a DNS kt lnca, mint valami szerelmespr, tlelve tartja egymst, de akrmilyen szorosan lelkeznek, nem elvlaszthatatlanok, elvlsukat mindketten tllik. A kt lnc olyan pontosan illeszkedik egymshoz, hogy egyms klcsns lenyomatnak tekinthet k. A replikci alapmechanizmusnak elve ilyenformn igen egyszer. A kt lnc sztvlik. Ezutn a rendelkezsre ll ngy szabvnyos ptkbl mindkt lncra mint templtra (negatv formra) rpl az j kiegszt lnc. A folyamat befejezse utn kt pr lnc lesz az egy helyett, s ha az pts minden lpsben rvnyeslt a bzisprostsi szably (A T-vel, G C-vel), akkor a bzissorrend az j lncban pontosan ugyanolyan lesz, mint a rgiben. gy lesz kt ketts spirlunk ott, ahol korbban csak egy volt. Mindegyik j ketts spirl egy rgi s egy j, pontosan illeszked flbl fog llni, s ami mg fontosabb, a lenyspirlok teljesen azonosak lesznek az anyaspirlokkal. Az alaptlet alig lehetne egyszerbb. Az egyetlen kevsb vrt jellegzetessg az, hogy a kt lnc nem azonos (identikus), hanem kiegszt (komplementer). Elkpzel het lenne ugyanis mint egyszerbb megolds az is, hogy a bzisprok azonos egysgekb l lljanak. A kmiai kl csnhatsok termszetbl fakadan azonban egyszerbb egymst kiegszt ptkveket sszerakni, mint azonosakat. A msols folyamata emlkeztet a szokvnyos ipari msolsi mdszerekre, pldul az jsgnyomtatsra. A betsor egyms mell illesztett szabvnyos jelekb l ll (legalbbis korbban, a fnyszeds bevezetse eltt ilyeneket hasznltak). Minden jelnek van egy lland rsze - ez minden betn azonos, s illeszkedik abba a vlyba, amelybe a betket szedik -, s van egy vltoz rsze, ez maga a betjel. Ett l kezdve azonban a hasonlatossg megsz nik. A DNSreplikciban egyltaln nincs a nyomdafestknek megfelelje. A papron lv ksz lenyomat beti t krkpei s nem komplementerjei a nyomdcnak (akkor volnnak komplementerjei, ha a nyomforma mlyedsei a papron kiemelkedsek lennnek s fordtva). A legfontosabb klnbsg pedig az, hogy a nyomtatvnyt nem tehetjk vissza a gpbe, hogy jabb nyomformt nyerjnk. A nyomdagpek tbb ezer jsgpldnyt ksztenek, de kptelensg a nyomtatott szveggel a szedst ellltani. A DNS-replikci viszont ppen erre kpes. A termszetes szelekci mkdshez elengedhetetlen, hogy a msolat is msolhat legyen. A DNS-replikci teht inkbb hasonlt a

43

szoborntshez: ha a forma nem tl bonyolult, az ntformbl kikerlt szoborrl jabb ntforma, s ebben jabb szobor kszthet s gy tovbb. A legfbb klnbsg az, hogy a DNS mindssze ngy szabvnyos elem felhasznlsval kszl. A legtbb malkots esetben ez nyilvnvalan nem gy van. Ha kzelebbrl vizsgljuk a DNS-replikci menett, lthatjuk, hogy a folyamat lejtszdshoz tbb alapvet kvetelmnynek kell teljeslnie. A kett s spirl szlait valahogy el kell vlasztani egymstl. Megfelel kszletnek kell rendelkezsre llni a ngy szabvnyos alkatrszbl. Ezek a lnc szemeit ad cukor-foszft-molekulbl s a hozz csatlakoz ngy bzis valamelyikb l llnak. Az ilyen hromrszes molekulkat nukleotidoknak nevezik. A szabad ptkvek nem egy, hanem hrom egyms utn kapcsolt foszftot tartalmaznak, de ezekb l kett a polimerizci kzben lehasad, s ez szolgltatja az energit a szintzis irnyba halad kmiai folyamathoz. Elkpzelhet , hogy ez a szintzis kls segtsg nlkl, magtl menjen vgbe, de egy fejlettebb rendszertl elvrjuk, hogy tartalmazzon legalbb egy enzimet (katalitikus hats fehrjt), ami a msolst gyorstja, s a pontossgot nveli. Nagy vonalakban ezek a replikci alapkvetelmnyei. Ha azonban egy valsgos replikcis rendszert vizsglunk, azt sokkal kifinomultabbnak talljuk. Kezdjk azon, hogy a kt lnc a replikci eltt nem teljes hosszban vlik el egymstl. Az j lncok szintzise a rgiek elvlsval egy id ben trtnik, gy a kett s spirl egyes rszei mr replikldtak, tvolibb rszei pedig mg el sem vltak egymstl. Specilis fehrjk feladata a kett s spirl szlai nak szttekerse, ms fehrjk pedig ezekkel egyttmkdve egy adott ponton elvgjk a lncok egyikt, hogy e lncnak a msik krli elforgst lehetv tegyk, majd jra sszeragasztjk a vgssal keletkezett lncvgeket. A kett s spirl lncai ellenttes irnyak, s mivel kmiailag a szintzis a lnc mentn csak egyirny lehet, ezrt az az egyik lncon elre, a msikon visszafel halad. A replikci mechanizmusnak ezt lehetv kell tennie. Kiderlt az is, hogy az jonnan kpz d lenyszl egyes darabjai egy rvid RNS-szakasszal kezd dnek, s ez folytatdik egy hosszabb DNS-szakaszban. Teht vannak fehrjk arra a feladatra is, hogy kivgjk s megfelel DNS-darabbal helyettestsk ezeket az ,,,indt" (primer) RNS-darabokat, majd minden folytonossgi hinyt megszntessenek a lnc mentn. Kimutattk pldul, hogy egy bizonyos kis DNS-vrus szaporodsnl csaknem hsz fehrje bbskodik. Ez igen jellemz a biolgiai folyama tokra. A mechanizmus alapelve igen egyszer , de ha a folyamat biolgiailag fontos, akkor azt a hossz evolci sorn a termszetes szelekci biztosan tovbbfejlesztette, felcicomzta, hagy gyorsabban s pontosabban mkdjk. ppen emiatt a barokk

44

kidolgozottsg miatt olyan nehz a biolgiai folyamatokat rszletekbe men en felderteni. Mint mr korbban is emltettem, szerencsre ezekkel a komplikcikkal ltalban nem kell foglalkoznunk. Amikor az let keletkezett, kmija mg biztosan viszonylag egyszer volt. A legfontosabb megjegyeznival a bzisprok illeszkedsnek pontos geometrija s az ebb l kvetkez prostsi szably. Ezek mr megteremtik a specifikus replikci lehetsgt a kevsb rafinlt rendszerekben is. A DNS szerkezetben nem az a legfontosabb, hogy ketts spirl. Ismeretesek egyszer vrusok egyetlen DNSszllal. Ezekben a genetikai informci rvid (alig tezer bzis hosszsg), s gy nincs szksg msodik szlra, amely az zenetet az esetleges srls ellen biztostan. A lnyeg az, hogy a replikci gpezete, amikor az j, komplementer bzissorrend szlat elkszti, kihasznlhassa az egyszer s megbzhat bzisprostsi szablyt. Ez az egyszer sg hiteti el velnk, hogy ezt a mdszert hasznlhattk mr a legels l rendszerek is. Ebb l a szempontbl msodlagos jelent sg az, hogy a rgi s a mellptett j szl a replikci utn egytt marad-e vagy sem. Ezen a ponton muszj nhny szt szlnunk a DNS kzeli rokonrl, az RNS-rl is. (Az RNS-ek klnbz t pusairl bvebben a Fggelkben olvashatunk.) A szervezetek minden egyes sejtjben, mint korbban errl emltst tettnk, a genetikai informci nhny igen hossz DNS-molekula bzissorendjben van kdolva. Ezeken a DNS-molekulkon mindig vannak olyan rvidebb szakaszok, amelyeken ppen msols folyik, azaz az informci trdik egyszl RNS-molekulkra. Ezek a ,munkakpik" a sejt szmra. Kzlk egyesekb l szerkezeti elem lesz, legtbbjk azonban hrviv -RNS-knt a fehrjeszintzishez szolgltat utastst. A folyamat bonyolult molekulris szerkezetek, a riboszmk felsznn zajlik. A szintzishez tovbbi molekulris segdberendezsek szksgesek, pldul egy teljes kszlet szllt-RNS (transzfer-, azaz tRNS). A rendszer vitn fell igen komplex, no de a feladat sem egyszer. Az egyszl RNS elksztse a megfelel DNSszakasz lemsolsval viszonylag knny feladat, ezt egyetlen nagyobb fehrje vgzi. A folyamatot transzkripcinak - trsnak -- nevezik. A fehrje szintzisnek folyamatt, amelyhez az utastst egy hrviv -RNSmolekula szolgltatja, transzlcinak - lefordtsnak - mondjk. Ez szksgkppen ke