El
caos és la força vital. Peter
M. Hoffmann
Un dels grans misteris que ens queda per desxifrar és
“Què és la vida?”, la pregunta que Schrödinger va intentar respondre en el seu
famós llibre que va inspirar a molts biòlegs, entre ells, en Watson i en Crick.
La Nasa usa una definició suggerida per Carl Sagan: Es un sistema químic auto sostingut capaç d’evolució darwiniana.
Heus aquí una altra definició que he llegit recentment: És un sistema proper a l’equilibri, molt controlat, obert, dissipatiu i
complex. Estant fora de l’equilibri ens mantenim vius, però estant-hi prop
ens fa ser eficients, ja que grans moviments impliquen molta fricció i per tant
degradació de l’energia. El cos humà és molt eficient i consumeix tan poca
energia com una bombeta de 120 watt.
Però, segons va dir l’eminent biòleg de Harvard Ernst
Mayr, la vida no és una cosa, sinó un
procés. El que es tracta, doncs,
és d’estudiar aquest procés. En els darrers anys, els avenços tècnics en
microscòpia ens han dotat de microscopis com l’AFM (Atomic Force Microscope,
que no usa llum sinó el tacte) i el STM (Scanning Tunneling Microscope) que ens
permeten veure els àtoms i les molècules en acció. El secret de la vida està en
la nano escala, és a dir en l’escala de les milionèsimes de mm. Es aquí on les
màquines moleculars de la vida es mouen i controlen els processos vitals.
En la nano escala coincideixen diverses energies.
La nano escala és molt important perquè és on
coincideixen diverses energies:
La electrostàtica, la dels enllaços químics, les energies
elàstiques i la energia del moviment tèrmic de les molècules a la temperatura
del nostre cos. Aquesta confluència d’energies fa possible l’auto assemblatge
de les molècules, la conversió d’energies i les màquines moleculars.
El reialme de la nano escala és molt diferent del món
macroscòpic al que estem acostumats on regnen forces com la gravetat.
La nano escala és on la complexitat més enllà dels àtoms
comença a emergir, on l’energia es pot convertir d’una forma a una altra i on
el caos i la necessitat es troben. Més avall de la nano escala trobem el caos i
més amunt la rigidesa. La vida sorgeix de la combinació del caos i la
necessitat. El caos el proporciona el moviment tèrmic de les molècules i la
necessitat les lleis de la física i de la química.
Quan els objectes es fan més petits la proporció de la superfície
al volum s’incrementa i les magnituds que depenen del volum com la inèrcia, la
massa i la gravetat perden importància i les forces superficials es fan més
importants. Si juguéssim a beisbol amb una nano bola i un nano bat veuríem que
seria molt difícil que la bola es desprengués del bat, ja que el pes de la bola seria negligible i
aquesta s’adheriria al bat.
La matèria és granular. Des del punt de vista macroscòpic
podem pensar que és continua i podem usar mitjanes, però al baixar a l’escala
dels nanòmetres no podem fer mitjanes i si mesurem, per exemple, la viscositat
d’un líquid aquesta magnitud pot fer salts importants. Inclús la segona llei de
la termodinàmica pot ser violada (és una llei estadística, recordem-ho) com va
demostrar Jarzynski al final dels anys 90 amb un teorema que ha esta verificat
experimentalment per Carlos Bustamante i Jan Liphardt de la universitat de
Califòrnia a Berkeley. (Estrictament parlant la entropia no es pot definir a la
nano escala).
La vida és com un joc. Un bon joc com els escacs combina
necessitat (unes regles), el atzar (ha d’existir sorpresa) i suficient
complexitat. Els jocs són models del que s’anomena “fenòmens emergents”,
l’aparició d’efectes inesperats resultats de la interacció de moltes parts, les
regles del joc, l’atzar, l’espai i el temps. La vida és un joc d’atzar que és
juga en el tauler de l’espai i el temps d’acord amb regles físiques i
matemàtiques.
Com sabeu la temperatura no és més que una mesura de la
mitjana del moviment de les molècules. Aquest moviment a la nano escala és com
una gran tempesta. A la temperatura ambient, per exemple, les molècules del
aire es mouen a velocitats de jets supersònics. La diferència és que el
moviment va en totes les direccions, no com un huracà a la nostra escala on els
vents solen anar en direccions concretes.
Es diu que l’ADN és com el plànol dels éssers vius, però
seria més correcte dir que és com una recepta de cuina. Quan fem un pastís
seguim unes instruccions, però les molècules es combinen segons lleis físiques
i químiques. Les molècules de la vida també “saben” com s’han de combinar. Ho
fan seguint un principi molt universal, minimitzen l’energia lliure. L’energia
lliure pels que vulgueu més detalls tècnics és l’energia total menys el
producte de la temperatura per l’entropia : F= E-TS. La segona llei de la termodinàmica també es
pot enunciar així: A temperatura constant, un sistema tendeix a disminuir la
seva energia lliure fins que, en l’equilibri, s’assoleix un mínim.
Un exemple de com les molècules actuen soles en funció de
la necessitat, l’atzar i la entropia és la formació dels flocs de neu. Es un
exemple de com es formen estructures complexes a partir de les lleis de la
física. La nanotecnologia ara persegueix la mateixa finalitat. Dissenyar
circuits o màquines que creixin elles soles.
Hi ha molècules que son hidrofíliques (les atrau l’aigua) i altres són hidròfobes
(rebutgen l’aigua). I hi ha també molècules anomenades amfifíliques que tenen
dos extrems, un hidròfob i un hidrofílic. Quan en hi ha un nombre suficient
tendeixen a cooperar formant unes estructures esfèriques que rodegen les gotes
d’oli i separen l’aigua i l’oli. Es un exemple de cooperació entre molècules.
(De
fet la crisi financera del 2008 és un altre exemple de cooperació. Sempre hi ha
una petita taxa de bancs amb problemes, però quan se supera un llindar crític,
la interconnexió del sector bancari porta a una crisi sistèmica).
Molècules amfifíliques cooperen espontàniament formant
estructures esfèriques
El plegament de les proteïnes fins assolir les formes
òptimes per la seva funció és un exemple de com les lleis físiques, l’atzar i
la informació, proveïda per l’evolució, col·laboren per a crear les
complexitats de la vida. L’ADN proporciona la seqüència d’aminoàcids fruit
d’una evolució al llarg de milions d’anys, però el plegament és el resultat de
diverses forces físiques com forces electrostàtiques, forces hidrofòbiques i energies de doblegament. L’atzar el
proporciona la tempesta tèrmica, el moviment atzarós de les molècules en funció
de la temperatura. Sense aquesta empenta la molècula es quedaria en una forma
fixa i no trobaria l’adequada per la seva funció. Tot i així, les molècules grans tardarien
massa en trobar la seva forma i aleshores la vida ha inventat les molècules
“acompanyants” que serveixen de motlles locals i prefiguren parts de la
proteïna accelerant el procés.
Els enllaços químics de la vida no són tots gaire
forts. Si tots ho fossin no hi hauria ni
moviments ni canvis. Si fossin massa febles, però, no hi hauria estabilitat. La
vida fa cooperar a molts enllaços febles que li donen estabilitat, però
cadascun d’ells es pot canviar si cal
fer retocs. És el que passa amb els
enllaços d’hidrogen de l‘ADN. La mitjana de durada d’un enllaç d’hidrogen a la
temperatura ambient d’una habitació és d’una bilionèsima de segon, però la
separació espontània de les dues espirals de l’ADN no es produeix perquè
requeriria que molts enllaços es trenquessin simultàniament. Però quan cal
llegir la informació de l’ADN, cal obrir la doble espiral i això es fa amb
proteïnes especialitzades. Endemés, la estabilitat de l’ADN s’aconsegueix també
amb els enzims reparadors.
A la nano escala es produeixen també forces anomenades
entròpiques. Quan molècules grans estan separades unes de les altres creen
zones d’exclusió que no poden ser penetrades per molècules més petites. Ara bé,
si les molècules s’ajunten, les seves zones d’exclusió es combinen i deixen més
espai per a les molècules petites. Això vol dir més microestats possibles i,
per tant, increment d’entropia. Obtenim una força estranya, possible només a
l’escala molecular, que s’anomena força entròpica, resultat no d’una disminució
d’energia, sinó d’un increment d’entropia.
La cooperació, les forces entròpiques i la tempesta
tèrmica amb el fet de que a la nano escala diferents energies són convertibles
fan que les màquines moleculars siguin autònomes. Com exemple, si posem miosina fora d’una cèl·lula i li
donem energia en la forma de molècules d’ATP, semblarà que és viva. (ATP , o
adenosina trifosfat, és el fuel per excel·lència de les cèl·lules. Extrauen
energia trencant un grup de fosfat i el converteixen en ADP, o adenosina difosfat).
El deixar anar un grup de fosfats
produeix una gran energia vibracional que és com si es produís un escalfament
local de 3800 Cº. Aquest escalfament fa possible també trencar barreres
d’activació (d’això en parlem més avall) de reaccions químiques. A continuació,
l’ADP va a l’estació de recàrrega de la cèl·lula que és el mitocondri. La clau de tot és la nano escala.
Si hi ha vida fora de la Terra segurament els seus mecanismes essencials es
produiran a la nano escala.
Molècula d’adenosina trifosfat
Un típic motor molecular usa de 100 a 1.000 molècules
d’ATP per segon i això significa fer un treball d’uns 10 exponent (-16) joule
per segon. Aquestes màquines són molt eficients, ja que la seva densitat de
potència (potència que es genera en un volum) és mil vegades superior a del
motor d’un cotxe. Cada màquina molecular
sofreix una col·lisió amb una molècula d’aigua ràpida aproximadament cada 10
exponent (-13) segons i això li comunica una energia de mitjana igual a 4,3 per
10 exponent (-21) joule. Per tant, la energia per segon de la tempesta tèrmica
és 100 milions de vegades més gran que la energia que produeix cada segon la
màquina. Això seria com si un cotxe en moviment hagués d’afrontar un huracà que
generés vents de 110.000 km/h. Com ja
hem dit més amunt, la diferència amb
l’huracà és que aquí les col·lisions són a l’atzar, venen de totes les
direccions.
Però com es poden,
aleshores, moure les màquines
moleculars si estan subjectes a aquesta tempesta tèrmica? Un bon lloc per a trobar moviment és en les
reaccions químiques. Per establir noves unions químiques les molècules han de
canviar de forma. Aquests canvis disminueixen l’energia lliure que ja hem dit
que és un dels principis més universals de la física. Ara bé en les reaccions químiques hi ha una
fase de transició en la que les molècules ja no tenen la forma original, però
encara no tenen la definitiva. Per aquesta fase es requereix una energia
d’activació que prové normalment de la tempesta tèrmica. Ara bé l’energia
d’activació és sovint tan gran, que les reaccions es farien a un ritme glacial
si no fos per la intervenció d’enzims que fan abaixar l’energia d’activació.
L’acció d’un enzim és disminuir l’energia d’activació.
Poden accelerar una reacció un bilió de
vegades.
I com computen els enzims? Quan actuen i quan no? Si els enzims tinguessin total llibertat
d’actuació les cèl·lules no podrien sobreviure gaire temps. Els enzims són
molècules meravelloses, però les
cèl·lules han de fer decisions. Els ordinadors fan decisions amb instruccions
del tipus : “SI passa això ALESHORES fes allò altre, en cas contrari...”.
Aquest misteri va ser resolt per Jean Pierre Changeux, un alumne de Monod en
els anys 60.
Jean Pierre Changeux, també autor d’un llibre de
converses amb el medalla Fields Alain Connes
Estudiant l’enzim L treonina deaminasa va veure que
l’activitat de l’enzim era inhibida en presència de la isoleucina. Changeux va
descobrir que l’enzim tenia dues “butxaques” d’enllaç, un per la treonina i un
altre per la isoleucina. La isoleucina no competia amb les substàncies de la
reacció, que era el que es creia fins
aquell moment, sinó que al acoblar-se en l’altra “butxaca”, provocava un canvi
deformant l’enzim impedint la reacció que regulava l’enzim. Era com si
tinguessin la instrucció: “SI la isoleucina està present ALESHORES no processis
la treonina.
Aquest mecanisme es pot complicar. Imagineu que un enzim
produeix un producte que serveix com a molècula de control del propi enzim.
Això faria que un producte regulés la seva pròpia producció.
Aquest tipus d’enzims que canvien de forma ens porten a
entendre el moviment de les molècules de la vida. Un canvi important en la
forma d’un enzim quan enllaça amb la seva molècula de control pot ser vist com
un moviment, especialment quan l’enzim està sobre una via molecular com són
fibres o filaments fets per llargues cadenes de proteïnes.
La cèl·lula és com una ciutat. Hi ha una biblioteca que
és el nucli, les centrals d’energia (els mitocondris), les carreteres
(microtúbuls i filaments d’actina), el camions (kinesina i dineïna), abocadors
de deixalles (lisosomes), murs de la ciutat (membrana) i correus (aparell de
Golgi). Totes aquestes funcions les realitzen màquines moleculars. La majoria
de les tasques més bàsiques les realitzen tres tipus de màquines moleculars que
tenen diverses variants: les kinesines, les miosines i les dineïnes, però no
entrarem en més detall per a no allargar-nos. Només cal dir que Toshio Ando amb
un microscopi AFM especial ha aconseguit filmar cada 25 milisegons el moviment
de la miosina al llarg dels filaments d’actina. Es pot dir que aquesta molècula
està viva? No en el sentit estricte del terme, però és fàcil entendre com el
moviment de moltes de molècules com aquesta, interactuant d’una forma
controlada donen lloc al procés que anomenen “vida”. Takeshi Sakamoto també ha aconseguit filmar
el moviment d’un tipus de miosina anomenada miosina V i fer-ho en el moment que
agafa una molècula d’ATP. Finalment,
Hiroyuki Noji de l’Institut de Tecnologia de Tokio va mesurar l’eficiència d’un
enzim, ATP sintasa, que al
subministrar-li ATP funciona al revés trencant l’ATP, convertint-lo en ADP i
usant l’energia de la hidròlisi en una rotació dels filament d’actina a quatre
rotacions per segon i amb una eficiència de conversió d’energia d’ATP en
rotació sorprenentment alta: més del 88%!
Estem basats en nano màquines i només les nano màquines poden ser tan
eficients, per això el cos humà amb totes les seves capacitats usa només
l’energia d’una bombeta de 120 watt.
Conclusions
Amb aquest bloc llarg i farragós he pretès
posar-vos una mica al dia del fascinant món de les màquines moleculars. Es va
tardar milers de milions d’anys en convertir els primers enzims primitius en la
sofisticada maquinaria cel·lular actual. Els éssers multicel·lulars només van
ser possibles quan es va arribar a un cert nivell de sofisticació i eficiència.
A nivell fonamental tots els animals i plantes multicel·lulars són iguals. A
l’escala nano hi ha molt poca diferència entre un bolet i un ésser humà. El
misteri real de la vida està al nivell de
la nano escala. Aquí és on el treball fonamental de l’evolució es va
fer. La evolució no és només atzar, es el resultat de processos a l’atzar (les
mutacions, i el seu principal contribuïdor és la tempesta tèrmica) i processos
necessaris: la selecció. Es el resultat d’un equilibri entre atzar i
necessitat. Es podria dir que tota la natura és el resultat d’aquest equilibri:
les contingències com la del meteorit que va fer desaparèixer els dinosaures i
les lleis físiques. L’atzar i la
necessitat juntes són creació. El que es crea pot ser no predictible (només
penseu que hagués estat de l’home si els dinosaures no haguessin estat
aniquilats), però la creació és inevitable. La biofísica i la nanociència expliquen com la
vida és un procés producte de molècules que no són vives. La nanociència ens
explica com les molècules generen moviment direccional i com el caos es
converteix en ordre. Els nostres àtoms es renoven cada set anys, però continuem
tenint la mateixa identitat. Som un procés complex, un programa que corre en un
hardware mecanoquímic. Un programa
massivament paral·lel, descentralitzat, autoadaptatiu i controlat quasi
exclusivament (excepte pels impulsos nerviosos en part) per intercanvies de
matèria, un programa evolucionat al llarg de milers de milions d’anys.
Encara que el reduccionisme ha estat el mètode més
empleat per la ciència i entendre les parts d’un sistema complex és essencial,
en aquests sistemes les interaccions entre les parts creen nous fenòmens i
propietats emergents que són independents conceptualment de les parts, encara
que materialment estan basats en les parts. Això s’anomena holisme. Si hi ha
vida a l’univers estarà basada en les màquines moleculars i considerant que la
matèria té una tendència a formar estructures cada vegada més complexes,
semblaria que la vida és inevitable.
Finalment, de la mateixa manera que la tempesta tèrmica
molecular és el motor de les mutacions i de la creativitat de la vida, no serà
també el motor de les noves idees que es produeixen en el cervell? Aquests
pensaments provocats per l’atzar podrien crear noves connexions entre
experiències aparentment no connectades i ser la inspiració que ens porta a
pensar com diuen els americans “outside the box”.
Nota: Bloc basat en el llibre “ Life’s Ratchet, How
Molecular Machines Extract Order from Chaos” de Peter M. Hoffmann
