VAD ÄR LIV?

Som biologiskt liv räknas en organism som består av en eller flera celler och har förmåga till:

• Metabolism (ämnesomsättning): Kemiska reaktioner där näringsämnen eller solljus tas in och omvandlas till energi.
• Reproduktion: Att skapa nya celler för att ersätta gamla och döda celler eller att dela sig i kopior och föröka sig i en ny generation.
• Anpassning: Att dessa reproduktioner kan förändra arvsmaterialet (muteras), för att kunna anpassa sig till förändringar i omgivningen (evolution).
• Respons vid stimuli: Att uppfatta omgivningen och sedan använda informationen som uppfattas.

Dessutom är alla

• celler och organismerna de skapar avgränsade av ett membran (hud, bark etc.),
• organismer bundna till ett schema; de föds, växer, fortplantar sig, åldras och dör.

RECEPT PÅ DIG

Alla organismer består huvudsakligen av syre och väte (vatten) och kol, med ett stödsystem av mineraler. Att baka ihop dig är kanske enklare än du tror.

Steg 1:

Ta en massakol-, väte-, syre- och kväveatomer. Du består av;

• 65 % syreatomer, som används för att omvandla energi i celler.
• 20 % kol, som är ett mycket viktigt grundämne i alla livsformer.
• 10 % av väte,
• 3 % kvävgas.

Steg 2:

Ta fram en mindre mängd mineralatomer. Du består av;

• 1,5 % kalcium. Finns i skelett, tänder och blod. Leder nervimpulser och reglerar musklernas och hjärtats kontraktioner. Kalciumbrist kan leda till kramp. Används även i legeringar (förening av metaller), betong, cement och inom pyroteknik.
• 1 % fosfor. Finns i skelett, tänder och DNA. Reglerar fettbalansen. Används också i lysgranater och brandbomber samt i plånet på tändsticksaskar.
• 0.35% kalium. Används bl.a. i cellernas signalöverföringar.
• 0,25 % svavel. Beståndsdel i proteinuppbyggnaden. Används i batteri- pappers- och gummitillverkning samt finns i gödningsmedel, insektsgifter, krut och tändstickor.
• 0,15 % natrium. Finns i cellernas membran och är viktig i cellernas signalering (nervimpulser).
• 0,05 % magnesium. Ingår i produktionen av ett flertal enzymer och proteiner. Magnesiumbrist kan ge upphov till spasmer, depression, ångest och högt blodtryck.  Används också i fyrverkerier och i konstruktionsmaterial.
• Krydda med ytterst litet koppar, zink, selen, molybden, fluor, klor, jod, mangan, kobolt, järnlitium, strontium, aluminium, silikon, bly, vanadin, arsenik och brom.

Du behöver också vitaminer för ett långt hälsosamt liv, bra för blod, matsmältning, ämnesomsättning, förbränning, proteinproduktion, nervsystem, hjärnkapacitet, etc.

Steg 3

Knåda ihop dessa gas- och mineralgrundämnen i olika kombinationer och baka till följande kemiska föreningar:

• Proteiner (d.v.s. aminosyror) samt
• fetter,
• socker och
• nukleinsyror (DNA).

Nu har du skapat något med de förmågor som uppfyller kriterierna för liv. Du består alltså bara av proteiner, fetter, socker och DNA. Simpelt? Läs då hur finurligt allt interagerar.

PROTEIN

Protein är det som bygger din kropp. Namnet protein kommer från grekiskans proteus som betyder det första, det viktigaste. Liv  behöver framför allt denna molekyl, som utför en mängd uppgifter beroende på atomkonstruktion. Människan innehåller 200 000 olika proteiner som utför specialiserade uppgifter. Några exempel:

• Enzymer: omvandlar molekyler till andra produkter. De bryter ner kött i matsmältningssystemet så att kroppen kan absorbera näringsämnen, de omvandlar stärkelse till socker, mm. En omvandling som skulle ta 78 miljoner år sker på millisekunder med enzymet som katalysator. (Vissa enzymer används i tvättmedel för att påskynda upplösningen av fettfläckar.)
• Myosin och aktin bygger upp dina muskler.
• Kollagen skapar den elastiska stödjevävnad som håller samman kroppen och ger stadga åt skelett, hud, senor och blodkärlsväggar.
• Keratin liknar fibertrådar och ger stadga åt hud, fjädrar, horn, naglar och artärväggar.
• Hemoglobin tar upp syre och transporterar det till blodet där det frigörs.
• Myoglobin binder syremolekyler inne i muskelcellen och lagrar dessa som energidepåer.
• Hormoner är signalmolekyler som skickar meddelande mellan celler eller till och från din hjärna, t.ex. att du är hungrig. Hormoner är också bra för immunförsvaret.
• Antikroppar styr immunförsvaret genom att identifiera främmande ämnen som virus och bakterier. Antikropparna bär med sig antigener som förintar angriparna.

Protein skapas när några kol-, väte-, kväve- och syreatomer formerar sig till en molekyl som heter aminosyra. Beroende på hur atomerna formerar sig bildas olika aminosyror. För att skapa enkla proteiner krävs att några hundra olika aminosyror först förenar sig och sedan lägger sig i en viss bestämd ordning beroende på vilket protein de ska bilda. För att bilda proteinet kollagen krävs hela 1055 aminosyror. Chansen att 1055 molekyler ska förenas på ett specifikt sätt är i princip noll. Om du har en enarmad bandit med 1055 snurrande hjul och med 20 symboler på varje hjul (antalet aminosyror för de vanligaste aminosyrorna) skulle du få dra i spaken 10^260 gånger för att få alla 1055 hjul att hamna i den specifika ordning som bildar kollagen för att alla 20 aminosyror skulle hamna i rätt ordning. Det är mer än antalet atomer i universum. Ändå finns det finns proteiner som kräver 27 000 aminosyror, så att protein faktiskt finns är ett rent underverk.

Dessutom måste det finnas DNA så att proteinet kan kopiera sig, annars gör proteinet ingen långlivad nytta. Protein är alltså beroende av DNA. Men det är protein som styr DNA-replikationerna, vår livsnödvändiga reproduktion, så DNA är lika beroende av proteinet för att finnas. DNA finns inte utan protein och protein finns inte utan DNA, de måste mirakulöst ha uppstått samtidigt!

CELLER

Celler är livets byggstenar, och endast ca 2 hundradels millimeter stora behövs det ca 10 000 biljoner celler för att bilda hela dig. Utlagda på rad skulle de sträcka sig 12 varv runt jorden.

Du har några hundra olika typer av celler i din kropp som ser olika ut beroende på vilken uppgift de har. Sädesceller  är små och lever inte speciellt länge medan hjärnceller kan bli lika gamla som du, även om det dör ca 500 varje timme.

En cell hålls samman av det skyddande cellmembran, som släpper igenom nyttiga molekyler som t.ex. syre och vatten och stoppar skadliga. Innanför membranet ligger cytoplasmat, cellens fabrik. Där jobbar miljontals små arbetare (atomer) i olika arbetslag (molekyler) i fabrikens många olika avdelningar (cellens organ). De jobbar dygnet runt och utför alla de processer som krävs för att hålla dig igång. Cellerna ska hålla igång sig själva och det de har skapat, dina olika organ, dina muskler, din hjärna och ditt skelett, din syn, hörsel och känsel. För detta krävs att cellernas beståndsdelar - atomerna - får energi, att dina 10 000 biljoner celler samarbetar, samt att nya atomer och molekyler kan ersätta förbrukade. Varje del i en cell restaureras och byggs om hela tiden. En del ofta, en del mer sällan. Atomer är oerhört långlivade, men cellen de tjänstgör i har en begränsad livslängd.

Detta (och mycket, mycket mer) utförs i din varje cell

• Energiomsättning: Omvandlar mat och syre till näring, d.v.s. bryter ner föda till protein-, socker- och fettmolekyler.
• Transporterar dessa molekyler med hjälp av elektriska laddningar utanför respektive innanför cellen.
• Bygger om dessa molekyler till nya molekyler, bl.a. hormoner (signalmolekyler), nukleinsyror (som bär genetisk information) och enzymer (proteinmolekyler som ökar hastigheten på kemiska reaktioner).
• Kör bort avfall.
• Omvandlar syre till ATP-molekyler (raketbränslet som beskrivs nedan).
• Samverkar och underhåller.
• Skickar eller tar emot meddelanden från fjärran utposter med hjälp av hormoner (signalmolekyler) som budbärare.
• Försvarar dig mot ca 10 000 fiendeangrepp varje dag. En del celler kan känna av sin omgivning och då framkalla en cellrörelse, t.ex. en cell i immunförsvaret som rör sig mot ett virus.
• Håller reda på 100 miljoner proteinmolekyler.
• Märker uttjänta proteiner med en kemikalie som andra celler senare plockar isär för att återanvända dess atomer.
• Celldelning (allt i cellen kopierar sig själv).

Varje cell utför oerhört komplexa kemiska processer, ibland flera hundra varje sekund, som skulle ta väldigt lång tid att genomföra om det inte vore för att cellerna tillverkar enzymer, proteinmolekyler som fungerar som katalysatorer. Dessa gör att cellen kan tillverka även komplicerade produkter, som t.ex. DNA och proteiner, i en väldig hastighet, dygnet runt, i hela ditt liv. Alla dessa processer skapar en enorm elektricitet och om du kunde frigöra all elektricitet i din kropp på en och samma gång skulle du explodera med styrkan av flera atombomber.

Detta enorma arbetstempo kräver att hjärtat pumpar ut blod till cellerna, där mitokondrien omvandlar blodets syre till en ATP-molekyl, så energirik att den liknas vid raketbränsle. Utan ATP skulle cellerna tappa orken och du bli helt orörlig. Mitokondrien tillverkar ca en halv miljard ATP-molekyler varje minut och denna ständiga process frigör en massa värmeenergi - din kroppsvärme.

Varje dag dör miljarder av dina celler och ersätts av nya. Celler tar livet av sig genom att fragmenteras ner till atomer och molekyler som i stället används av omgivande celler. En cell kan också dö om du inte behövt använda den på länge eller om den blir drabbad av ett virus. Ibland förstår inte en cell att den ska dö utan fortsätter dela sig fast den inte har någon uppgift. Dessa kallas cancerceller och de drabbas vi av mest hela tiden. Men då tar andra celler hand om den och slänger den på återvinningsstationen. Nästan alltid...

Mitt i cellen finns cellkärnan, och det är där din genetiska information finns lagrad.

DNA

I varje cellkärna finns en DNA-molekyl som har till uppgift att;

1. förvara information om hur organismens celler är uppbyggda och hur den ska framställa proteinet som ger organismen sitt speciella utseende och sina personliga egenskaper.
2. vidarebefordra denna information till nästa generation celler.

DNA-molekylen

DNA är en jättelång molekyl, bestående av grundämnena väte, kol, syre, kväve och fosfor, och liknas vid en snurrad repstege. De två långa lodräta repen är sockerbaserade molekylsträngar vridna runt varandra. Utmed och tvärs dessa finns ca 3,2 miljarder tvärliggande nukleotider,  aminosyror (protein), med två av fyra möjliga kemiska svävebaser som kallas A, C, G eller T. De tvärliggande nukleotiderna kan således arrangeras i en näst intill oändlig mängd olika kombinationer utmed polymererna och det är detta som är ditt genom, din unika genetiska kod.

Varje nukleotid bildar en bokstav, som tillsammans med några intilliggande bildar ord, som i större samlingar bildar meningar i den tjocka boken om dig. Varje ord är en gen, som beskriver receptet för att tillverka ett speciellt protein som ger dig en specifik egenskap. Cellerna läser detta recept när de konstruerar de proteiner som bildar dig. En del proteiner är byggmaterial och bestämmer hur du ser ut, andra proteiner är enzymer eller signalämnen som bestämmer dina egenskaper.

Varje cell i din kropp har en två meter lång DNA-molekyl med ca sex miljarder bokstäver (nukleotider) som kan arrangeras till 30 000 ord (gener). Eftersom du består av ca 10 000 biljoner celler med vardera 2 meter DNA, har du ca 20 miljoner km DNA inom dig, vilket räcker 500 varv runt jorden.

Replikation

Vid befruktningen slås moderns kromosomer ihop med faderns kromosomer och den befruktade äggcellen får 46 kromosomer, hälften från mamman och hälften från pappan. Dina egenskaper har på så sätt överförts till dig från dina föräldrar. De gener som bestämmer vårt utseende och antal på t.ex. våra skallar och allt annat i vår kropp är ganska lika hos både elefanter, möss och människor, men generna som bestämmer våra organs storlek är på olika länge.
När cellen delar sig rätar DNA-molekylen ut sig och delar sig längsgående på mitten som ett blixtlås. De båda halvorna ger sig av på olika håll och med hjälp av proteiner och enzymer byggs varsin ny matchande nukleoitidsträng. En DNA-molekyl har blivit två. 

Mutation

Processen med DNA-replikering är komplicerad, med en mängd blixtsnabba reaktioner. Ibland inträffar ett fel och en mutation uppstår. Cellen har system att upptäcka sådana fel och ser då till att den muterade DNA-molekyler kasseras, men det händer att en muterad cell förblir oupptäckt. Förändringen kan vara en fördel för organismen, som t.ex. ökat pigment eller förstärkt luktsinne, men kan också innebära en nackdel, som att orsaka sjukdomar. En mutation kan spridas inom en viss population och göra den särpräglad.

Som art är människor anmärkningsvärt lika. Endast en gen på tusen skiljer sig mellan människor från olika världsdelar.

Drivkraft i evolutionen

Genomet var mycket kortare i evolutionens tidiga skede. I början dubblades det många gånger, och i ryggradsdjurens tidiga historia för ca en halv miljard år sedan, innan landlevande djur uppstår, t.o.m. fyrdubblades genomet. Att genomet kan dubblera sig är avgörande för evolutionen att kunna bilda nya arter.

Den duplicerade gensekvensen ökar dels sin chans för överlevnad men förstärker också egenskapen den styr. Då och då uppstår ett s.k. hotspot, en kraftig förändring i genomet som att gener dubblerar sig eller arrangeras om. Detta fenomen är en viktig drivkraft i evolutionen, och man har lyckats identifiera över 25 000 sådana hotspots i det mänskliga genomet.

Alla idag levande organismer har en gemensam förfader vilken redan innehöll de allra mest grundläggande biokemiska egenskaperna, t.ex. möjligheten att omsätta ämnen för att generera energi nödvändig för överlevnad. Till följd av evolutionen har arter med biokemiska skillnader uppstått, men de mest grundläggande processerna har bevarats.