Élni vagy létezni? – 18. Felhő-deformációk

Élni vagy létezni?

  1. Felhő-deformációk

 

Vajon mi teszi azokat a bizonyos elektronfelhőket alkalmassá a végtelenül változékony élet fizikai megvalósítására?

Ez is egy olyan eset, amikor kérdésben a felelet.

A változékonyságuk okán alkalmasak a sokrétű, soklépéses, bonyolult, ám következetesen törvényszerűen működő reakciók véghezvitelére. Az élő organizmusok molekuláris felépítésében az ún. biogén elemek vesznek részt. Ezeket, jelenlétük frekventáltsága alapján, négy csoportba osztja a tudomány. A leggyakoribb előfordulásúakat organogén elemeknek hívjuk. Mint nevük is mutatja, a szerkezet kiépítésének főszereplőiről beszélünk e kategóriában. Ezek az elemek a következők: szén, hidrogén, oxigén, nitrogén.

A következő kategória a makroelemek csoportja. Ide a nátriumot, káliumot, kalciumot, magnéziumot, ként, foszfort és vasat soroljuk. A mikroelemek kategóriáját a mangán, szelén, kobalt, réz, cink, molibdén, jód alkotja. Nyomelemként fordul elő a bór, fluor, szilícium, titán, vanádium, króm, nikkel, bróm és az ón. A nyomelemek jelenléte nem tekinthető általános előfordulásnak, közülük több fajspecifikusan, azaz, csak bizonyok speciesek szervezetében mutatható ki alkotóként.

Tulajdonképpen nem is olyan sok kőféléből van felépítve az élet temploma. Nyilvánvaló, hogy a határtalan variabilitást az egymáshoz kapcsolódásuk változékonysága, a permutációk módjára kialakítható molekuláris szerkezetek sokasága okozza majd. E tekintetben elsőrendű fontossággal bír a szén, mert négy vegyértékével, a négy kovalens kötés kialakítására való hajlandóságával teszi lehetővé a hosszú molekulaláncok, vagy akár a molekuláris gyűrűk felépítését. Tulajdonképpen ezért nevezik a földi életet szén-alapú életnek is. (A Mengyelejev-féle periódusos rendszerben a szén oszlopában, a következő sorban, a szilícium található. Ugyanúgy négy vegyértékkel bír, de, természetesen, a magasabb protonszám és a nagyobb mól tömeg miatt kémiailag eltérést mutat a szén tulajdonságaitól. Akadnak olyan elméleti megfontolások, melyek szerint létezhetnek olyan helyek az Univerzumban, ahol a szilícium-vázra szerelve, a földi szén-alapú mintájára, működőképes életet hívhatott létre a Teremtő.)

A szerkezet kialakításában megfigyelt gyakoriság alapján kategóriákba soroltuk a biogén elemeket, ám e felosztás csak a mennyiségi megjelenést tükrözi, semmiképpen nem szól az adott elem fontosságáról. A mikroelem hiánya éppúgy a szerkezet, következésképpen a funkció zavarához vezet, mint az organogén elem hiánya. Más kérdés, hogy organogén alkotó hiányát, éppen a tömeges előfordulásuk miatt, csak igen ritkán, nagyon szélsőséges esetben tapasztalhatjuk meg. Általános tapasztalat, hogy például az enzimek működésénél, éppen az enzim fejébe kötött, ritkán előforduló fémion adja meg a célirányos tevékenység folytatásához szükséges tulajdonságot.

Minden építőkő, azaz, minden atom más módon viszonyul a saját elektronfelhőjéhez. Általában megfigyelhető, hogy amelyik éppen csak megkezdte vegyértékhéja elektronpályáinak kiépítését, s a férőhelyek felénél kevesebb elektront kötött be, az le szeretné adni e külső töltéseit. Amelyik atom vegyértékhéján a férőhelyek több, mint fele be van már eleve töltve, az pedig szeretné teljesre pótolni töltéseit. Mindkét esetben az ideális, teljesen feltöltött nemesgáz elektronhéj-szerkezet kialakítása az atomok elérendő célja. Ezért szerveződnek molekulákká, sókká vagy éppen fémráccsá.

Az elektronok arányos eloszlása csak azonos atomok molekulává szerveződésével valósul meg. Ha nem azonos elemek alkotják a molekulát, vagy rácszerkezetet, a vegyértékhéj elektronjai aránytalanul oszlanak meg az alkotó atomok vonzáscentrumai között. (Bizonyára a vegyértékhéj alatti, feltöltött elektronpályák is torzulnak, de ezt most nem vizsgáljuk, mert csak az élet alapját jelentő kémiai reakciók színteréül szolgáló vegyértékhéjra koncentrálunk.) Az atomnak azt a tulajdonságát, mely az elektron pályán tartásához való viszonyát fejezi ki, elektronaffinitásnak nevezzük. Leegyszerűsítve azt mondhatjuk, az affinisabb atomok jobban vonzzák az elektronokat, mint a kevésbé affinisak. E vonzáskülönbségek hatására alakul ki a sokszoros dipólus-momentumot tartalmazó molekuláris elektronhéj-szerkezet.

Az anyagi világ működésében is kézzel foghatóan megjelenik a binaritás. Az elektronfelhő szerkezetének kialakulásában is, bármely bonyolult molekuláról beszéljünk, csak kétféle töltést különböztethetünk meg: a pozitívat és a negatívat. Az affinis atomok körül, ahol a kívülről befogott elektronok rezgésük nagyobb hányadát töltik el, negatív, míg a kevésbé affinisak körül, ahol kevesebb ideig rezeg az átengedett elektron, pozitív töltést tapasztalunk. Nincs harmadik töltésfajta.

Más kérdés, hogy a molekula méretének növekedésével egyre bonyolultabb rajzolatot vesz fel a töltések eloszlása. Az élet hordozójának tekinthető fehérje-molekulák (polipeptidek) óriás-molekula méreteket vehetnek fel. Tudjuk, hogy az elérni kívánt reakció a molekula aktív magján, a fejen jön létre. Mi szükség van hát óriás vegyület létrehozására, amikor a lánc többedik peptidje már részt sem vesz a reakció-felszín kialakításában?

Mint fentebb kitárgyaltuk, a vegyértékhéjon végbemenő kémiai reakciók egy affinis és egy kevésbé affinis molekula között zajlanak le. Az általános természeti törvények szerint, véletlenszerűen, a legaffinisabb molekula akceptálná a legkevésbé affinis szabad elektronját (elektronjait). A rendezetlenség, az entrópia növekedéséhez ez az út vinne el leggyorsabban.

Tudjuk, hogy az élet fennmaradásához az élő rendszernek éppen az entrópia kiiktatására, „negentrópiára” van szüksége. Vagyis, a környezet folyton növekvő rendezetlenségével szemben, konzerválnia kell saját, belső rendezettségét. Ahogyan Neumann János mondta, az élő szervezetek szigetek az entrópia növekvő tengerében. Az élő állapot fenntartásához tehát lehetőség szerint ki kell zárni azokat a törvényszerűen bekövetkező, spontán folyamatokat, melyek óhatatlanul a rendezetlenség növekedéséhez vezetnének az élő rendszerben.

Az általunk ismert négydimenziós világban ezt a feladatot a tér- és időbeli izolációval lehet megoldani. Amennyiben az egymással nem kívánt spontán reakcióba lépő molekulák nem találkoznak, nem áll be az entrópia növekedésével járó reakció. A terv szerinti illeszkedést az elektronfelhők felszín-alakításával oldotta meg a Teremtő. A szubmolekuláris mérettartományban vajmi kevés információ áll rendelkezésre az orientációhoz. Ezek körét valószínűleg leszűkíthetjük az elektronfelhők geometriai töltésviszonyaira. Vagyis, a pillanatnyi töltés-eloszlás által generált elektromos, mágneses (elektromágneses) térformációra. Ennek rajzolata fogja megszabni a különböző molekulák egymáshoz képesti pozícionálódását.

Az azonos töltések egymás iránti taszító, s a különböző töltések egymást vonzó hatása a molekulák között is érvényesül. A molekula elektromágneses rajzolatában az ellentétes töltések illeszkedése a távolság csökkentését, az azonos töltések pedig annak növekedését eredményezik. Klasszikusan a kulcs és a zár példáját mondhatjuk el a jelenségre. Az ajtó csak akkor nyílik, ha a kulcs illeszkedik a zárba. Azt is tudjuk, minél kevesebb mintát tartalmaz a zárszerkezet, annál több tolvajnak lehet álkulcsa a zárhoz. Vagyis, annál több nemkívánatos esemény valósulhat meg az ajtó jogosulatlan kitárásával. Az illeszkedési pontok számának növelésével, a rajzolat bonyolításával érhetjük el, hogy mind kevesebb betörő rendelkezzen működőképes álkulccsal a zárunkhoz.

Hát ezért, a tér- és időbeli izoláció elősegítéséért, a rendezettség fenntartásáért, az entrópia növekedésének kiküszöböléséért hordozzák bonyolult molekulaszerkezetek a kívánt reakciót végrehajtó aktív magokat. Ez az egyetlen esély arra, hogy a kémiai folyamatok ott, akkor és azok között jöjjenek létre, ahol, amikor és akik között ez kívánatos. Szent-Györgyi Albert, a már idézett tanulmányában így fogalmazott erről:

„…a gyűrű minden egyes atomja egy-egy személyiséget, jellegzetességet és nagyfokú specifikusságot képvisel, és az egész szerkezet azt a bonyolultságot kezdi felölteni, amelyet bármely, a biológiai reakcióban részt vevő anyag szerkezetétől elvárhatunk.”

Ezen a ponton rögtön szembe találjuk magunkat az ideális és a reális feloldhatatlan ellentétével. A molekulák elektronfelhő –szerkezete ugyanis egy igen törékeny, nagyon relatív képződmény. Az, hogy elméleti formájában (izolált rendszerben, mindenféle más erőhatástól mentesen) milyen formációt alakíthat ki, csupán a molekulába épített potenciális képesség. Mondhatnánk, hogy az in vitro, élettelen megjelenés sajátossága. In vivo, élő közegben, ettől (akár lényegesen) eltérő térformációt fog felvenni az adott molekuláris elektronfelhő. Ha csak arra gondolunk, hogy az élet közege a víz, látnunk kell, a dipólusos vízmolekulák önmagukban is hatással lehetnek a felhők végső megjelenésére. Azt is látnunk kell, hogy nem desztillált vízről beszélünk, hanem minimálisan is fiziológiás sóoldatról, melyben disszociált anionok és kationok találhatóak – ezen ionok töltése szintén befolyásolhatja a felhőalakzatokat. A képletet bonyolítja az élő anyag pH-értéke, vagyis a közeg savassága, mely szintén töltést hordozó ionok jelenlétéből ered.

Mindezeken túl, a közeg hőmérséklete, mágneses, elektromos jellemzői, alapvető hatással vannak az életet hordozó molekulák elektronfelhőjének konfigurálására. Nyilvánvaló, hogy a megfelelő alakzat, az elvárt működés csak bizonyos határok közötti környezeti paraméterek mellett valósulhat meg. A felhő alakjának meg kell közelítenie az elvárt térszerkezetet, hogy a kívánt reakció jöhessen létre. A téralakzatot befolyásoló környezeti paramétereknek azt a szegmensét, melyen belül „rendeltetésszerű” folyamatokat bonyolítanak a molekulák, hívhatjuk akár a molekulák „működési sávjának” is. A működési sávon kívül eső paraméterek között nem, vagy nem a kívánt módon lép reakcióba a molekula, s ez az entrópia növekedéséhez, az élet csökkenéséhez vezet.

Egy lánc ereje mindig a leggyengébb láncszem erősségével egyezik meg. Az élettani megnyilvánulások egymásból épülő körfolyamatok láncolatai. Megállapíthatjuk tehát, hogy a tervszerű, hibamentes működés mindaddig tart, míg a legkeskenyebb működési sávval rendelkező molekula igényeit is kielégítik a környezeti paraméterek. Amennyiben valamely feltétel kívül esik e sávon, az érintett molekula leáll vagy tervtől eltérő reakciókat hajt végre. Azok a ciklusok, melyek e molekula működésére lettek felépítve, szintén leállnak, a lánc elszakad. Tudjuk, hogy az élő organizmus, a beépített algoritmusok segítségével, menekülő pályára áll, esetleg reparációs folyamatokat indít be. Mindkét esetben megnő azonban a rendszer entrópiája, s mint megállapítottuk, ez az élettel ellentétes fejlemény.

A működési sáv vizsgálatának szempontjából speciális esetet képeznek a sejtmembránba épült, anyagcserét végrehajtó fehérjék. Korábban, a Na/K-pumpa működésének bemutatásakor már említettem, hogy az ATP hidrolíziséből nyert energia hatására megváltozik a fehérje konformációja, ezáltal az affinitása is. Más anyag megragadására válik alkalmassá. Mivel a szállító fehérjék a sejt fizikai határain átnyúlnak, ezáltal képezve hidat a citoplazma és a külvilág között, indokolt egy kicsit elgondolkodnunk a sejtmembrán elektromos jellemzőin és azoknak a transzport-fehérjék konformációjára, következésképpen működésére gyakorolt hatásán.

Az emberi sejtek nyugalmi potenciáljának értékét -90 millivolt értékben határozták meg, az akciós potenciál +50 millivolt. Azt gondolom, kizártnak tekinthetjük, hogy ez az elektromos tér ne lenne hatással a rajta átnyúló fehérjemolekulák elektronfelhőjének szerkezetére. Sokkal valószínűbb, hogy jelenlétének éppen az a fő szerepe, hogy kialakítsa ezen molekulák végső, működő elektron-konfigurációját. Ez esetben a membrán-polaritás, mint környezeti feltétel, minden molekulatípus számára, szintén bír egy működési sávval. Vagyis, csak bizonyos határértékek között funkcionálnak elvárt módon a membránba épült fehérjék. Ha a membrán polaritása ettől eltérő értéket vesz fel, az elektronfelhő nem a terv szerint torzul, következésképpen az érintett fehérje nem reagál, esetleg nem kívánt reakciót hajt végre, mivel megváltozott elektromágneses terének a formája.

A kulcs és a zár példájával élve: megváltozott a zár, egészen más kulcs nyitja.

Láttuk, hogy a citoplazma nyugalmi homeosztázisáért felelős pumpa (pumpák) milyen irdatlan energia-felhasználással biztosítják az élő rendszer belső egyensúlyát és rendezettségét (entrópia-szintjét). Gondoljuk végig, mi történik, ha energiahiányos állapotban csökken a polaritásért felelős ionszivattyú teljesítménye! A citoplazmán belül felszaporodik a pozitív töltések mennyisége, ami a sejtmembrán depolarizációjának irányába hat. A csökkenő feszültség nyomán másképp torzulnak a membránon átnyúló elektronfelhők, s egy határon (a működési sávon) túl, sérülnek a funkciók is. Könnyen beláthatjuk, hogy amennyiben a depolarizáció felé haladás során a membránfeszültség értéke kilép a Na/K-pumpa működési sávjából, a folyamat azonnali sejthalállal zárul, mert az ozmotikus, elektro-ozmotikus törvényeknek engedelmeskedve, a koncentráció-grádiens irányába mozogva, a kálium a sejt közötti térbe szökik, ahonnét viszont bezúdul a nátrium.

Neumann János hasonlatát egy kicsit tovább precizálva, azt is mondhatnánk, hogy az élet egy léket kapott hajó, melyet a szivattyúk tartanak az egyre növekvő entrópia tengerének felszínén.

De térjünk vissza egy kicsit barátságosabb helyzet értelmezésére: a membránpotenciál ugyan lecsökkent, de még belül van az ionpumpák működési sávján. Milyen anomáliát okozhat ez az állapot a sejt működésében?

Tételezzük fel, hogy az ionpumpák a legstabilabb molekula-szerkezetek az elektromos működési sáv tekintetében, hiszen az ő működésük leállása azonnali sejthalálhoz vezetne – tehát a végsőkig bírniuk kell a környezeti paraméterek ingadozását. Tehát, az életben maradás szempontjából kevésbé kritikus szerepet alakító, membránon átnyúló egyéb fehérjék szűkebb elektromos működési sávval rendelkeznek, funkcionalitásuk hamarabb sérül.

A sejt anyagcseréjében részt vállaló fehérjék nem kívánt felhő-deformációja okozhatja azok inaktiválódását. Szerkezetileg jelen vannak tehát, de okszerű működésüket feladták. Nem hoznak, és nem visznek semmit – a ténykedésük eredményéből táplálkozó anyag-energia ciklusok leállnak. Menekülő pályákat, kényszerfolyamatokat kell beindítani a sejtnek, hogy valamilyen módon megkísérelje kompenzálni az így keletkezett hiányt. Előfordulhat, hogy hoznak-visznek anyagokat, mint addig, de nem azokat, amiket addig. Lehet, hogy ez még rosszabb helyzet, mint az előző. A terven kívül beszállított anyag ugyanis mindenképpen felesleges. Ha szükségtelen sejtélettani szempontból, akkor azért, ha szükséges, de az eredeti funkcióját végző transzporter még biztosította a kívánt mennyiséget, akkor a többlet kezelése jelent gondot.

Az entrópia növekedése mindkét esetben kézzel fogható, tehát sérül a terv szerinti élet.

Az anyag- energia-fluxus az élő rendszer szintjén elválaszthatatlanul összekapcsolt folyamatok szisztematikusan és hierarchikusan együttműködő szövedéke tehát. Mint látjuk, az anyagi és energetikai folyamatok közvetlen és döntő hatással vannak egymásra. A sejtszintű anyagcserében tapasztalható anomáliáknak nem biztos, hogy közvetlen anyagi oka(i) van(nak). Vegyünk egy pompásan virágzó cserepes növényt, trágyázzuk meg optimálisan, öntözzük meg rendesen, biztosítsunk számára megfelelő hőmérsékletet – csak éppen zárjuk el a fénytől. Azután nézzük meg, mivé alakul az élete!

Egy idő után elpusztul, pedig csak sötétben tartottuk. Azt gondolnánk, ugye, hogy a vízzel és trágyával megfelelően tápláltuk. Eszünkbe sem jut, hogy az életét fenntartó, elsődleges energia-hordozótól, a fotontól fosztottuk meg. Energia nélkül pedig nem megy!

Miért gondoljuk, hogy az állati és emberi szervezeteknek minden körülmények között rendelkezésére áll a felhasználható energia? Mert ettünk és jóllaktunk?

Ez csak az eleje, nem pedig a vége energianyerési folyamatainknak. A katabolitikus anyagcsere folyamatai, melyek a táplálék hasznosítható szabadenergia-tartalmát hivatottak feltárni s felhasználhatóvá tenni, a fentebb vázolt felhő-deformációk sziszifuszi sorozatán keresztül tudják az entrópia alacsony szinten tartásához szükséges erőt kölcsönözni szervezetünknek. Enzimatikus folyamatok lévén, pont annyira sérülékenyek, mint bemutattam. Működési sávjukon kívül megáll a tudományuk.

Tehát, ha életmódunkkal, életvitelünkkel a lebontó anyagcsere normális végbemenetele ellen ható dolgokat cselekszünk (elsősorban a táplálkozásunk vonalán), bizonyos, hogy energiaszegény állapotba hajszoljuk magunkat. Ha sokáig fennmarad ez az állapotunk, egy idő múlva már csak vegetálni fogunk.

Mint a fénytől, a primér erőforrásától elzárt növény…

 

Kucsora István

Minden vélemény számít!

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.

A következő HTML tag-ek és tulajdonságok használata engedélyezett: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>