Poreklo kompleksnosti u životu je, samo po sebi, komplikovana tema. Ali osnove se mogu relativno jednostavno i lako objasniti u kratkom tekstu, i za njih nije potrebno posebno predznanje nauke. Ovaj tekst sadrži objašnjenje, na najosnovnijem nivou, nekoliko osnovnih pojmova iz hemije i biologije; zatim, na osnovu tih pojmova, objašnjava šta znamo o nastanku kompleksnosti u univerzumu u kome živimo.
Počnimo od objašnjenja...
1. Elektronegativnost, voda, i priroda hidrofobičnosti
Kao što danas praktično svi ljudi već znaju, atomi se sastoje od jezgra (koje se sastoji od protona i neutrona) okruženog elektronima. Ali većina ljudi zamišlja ove elektrone kao čestice - male kuglice koje se okreću oko jezgra isto kao Mesec oko Zemlje. Ovo nije tačna slika: elektroni se u atomima i molekulima pojavljuju u vidu kompleksnih oblasti naelektrisanja, koje se mogu opisati kroz jednačine kvantne fizike.
Ali pošto nećemo ovde ulaziti u kvantnu mehaniku, upotrebićemo jednu analogiju koja prilično dobro opisuje pravo stanje stvari. Umesto čestice, možemo o elektronu razmišljati kao o
oblaku naelektrisanja koji okružuje atom. Možemo to da prikažemo na sledeći način:
Molekuli nastaju kada se atomi povežu kovalentnim vezama. Ove veze nisu ništa drugo do par elektrona koji
istovremeno pripada i jednom i drugom atomu. U okviru naše sheme, ovo možemo da zamislimo kao stapanje "elektronskih oblaka." Molekul fluora, F2, bi izgledao kao na sledećoj slici:
Ovde u igru ulazi jedan dodatni pojam: elektronegativnost, koju možemo za naše potrebe definisati kao "snagu kojom atomi privlače elektrone." Veoma elektronegativan element, kao što je fluor, teži da privuče ka sebi ne samo svoje sopstvene elektrone, već i elektrone iz kovalentne veze sa drugim atomima. Na gornjoj slici je molekul u kome dva atoma fluora jednakom snagom vuku elektrone prema sebi, zbog čega su oni ravnomerno raspoređeni.
Ali šta se događa u vezama u kojima dva atoma imaju nejednaku elektronegativnost? U tom slučaju, elektronegativniji element teži da ka sebi privuče elektrone iz veze. Recimo, ako povežemo slabo-elektronegativni vodonik sa snažno-elektronegativnim fluorom, dobijamo sledeću situaciju:
Ovo ima jednu veoma važnu posledicu. Broj protona u molekulu F2 je jednak broju elektrona, pozitivna i negativna naelektrisanja se međusobno potiru, i otud, molekul je što se elektromagnetizma tiče neutralan. U molekulu HF, broj protona je takođe jednak broju elektrona, naelektrisanja se potiru...i molekul bi trebalo da bude neutralan.
Ali zbog neravnomernog rasporeda elektrona, to više nije slučaj. Kraj molekula na kome se nalazi fluor će biti više negativno naelektrisan, pošto elektroni teže da provedu više vremena na tom kraju. Istovremeno, "oblak" oko jezgra atoma vodonika se istanjio, zbog čega mali deo pozitivnog naelektrisanja može da "procuri" napolje. Otud, ovaj molekul se ponaša kao mali naelektrisani "štapić", sa jednim pozitivnim i jednim negativnim krajem.
Da bi smo se od ovih hemijskih stvari malo približili životu i biologiji, razmotrimo kakav uticaj ovo ima na molekul vode.
Svi znaju formulu vode: H2O, dva atoma vodonika i jedan atom kiseonika. Ali elektronegativnost kiseonika je značajno veća nego elektronegativnost vodonika. Ako zamislimo elektronski oblak oko molekula vode, i označimo pozitivno naelektrisanje plavom bojom, neutralno zelenom, a negativno crvenom, taj molekul bi izgledao kao na sledećoj slici (levo):
Molekuli vode su jako retko usamljeni: naše telo se uglavnom sastoji od vode, u kojoj je sve ostalo rastvoreno. Šta se događa u tečnoj vodi, u kojoj se ogroman broj ovakvih molekula nalazi u neposrednoj blizini (jedan litar vode se sastoji od otprilike 33,000,000,000,000,000,000,000,000 molekula)?
Pozitivno naelektrisanje privlači negativno. Svaki pozitivan "krak" molekula vode će privući negativni kiseonik nekog susednog molekula. Svaki negativan kiseonik će privući dva pozitivna kraka susednih molekula. Ova privlačna sila se naziva
vodonična veza.
Zbog ovoga, voda se ponaša kao velika trodimenzionalna mreža, koja se neprestano reorganizuje. Slučajni pokreti molekula izazivaju stalno pucanje vodoničnih veza, i stvaranje novih, hiljadama milijardi puta u sekundi. Ovo je razlog zbog koga čovek koji skoči "na stomak" u bazen doživi bolno iznenađenje: voda je veoma nekompresibilna, i u naglom udarcu tela o površinu, ponaša se skoro kao čvrsta površina. S druge strane, ako zaronimo ruku u vodu, nemamo problema sa time, jer se mreža vodoničnih veza reorganizuje oko naše ruke u toku njenog ulaženja.
Ovo nas dovodi do poslednjeg koncepta koga treba razumeti u ovom odeljku: hidrofobičnost. Ovaj termin znači "boji se vode", i važi za supstance kao što je ulje, koje se ne mešaju sa vodom. Ali zašto se ne mešaju?
Molekuli ulja su prevashodno sastavljeni od atoma ugljenika i vodonika, koji su približno iste elektronegativnosti. Otud, ovi molekuli su elektirčno neutralni - elektroni su raspoređeni ravnomerno, i nema tačaka pozitivnog ili negativnog naelektrisanja. Otud, kada ulje uđe u vodu, voda ne može da pravi vodonične veze sa molekulima ulja.
Ovo samo po sebi nije nikakav problem, ali postavlja jednu energetsku zamku. Uzmimo da smo ubacili u vodu tri molekula ulja, koji sada slobodno plutaju kroz vodu. Svaki molekul ulja je okružen molekulima vode. Ti molekuli vode su ograničeni: ona strana molekula vode koja je okrenuta ka molekulu ulja ne može da učestvuje u vodoničnim vezama. Pogledajmo ovo shematski na slici (levo):
Na slici, molekuli vode (plave tačke) okružuju molekule ulja (veće crne tačke).
Svi molekuli u ovom rastvoru su u stalnom pokretu, i molekuli ulja će biti bacani kroz vodu na sve strane. Dok se jednom ne desi da dva ili više molekula ulja nalete jedan na drugog. I tu leži odgovor na pitanje hidrofobičnosti.
Više molekula vode je potrebno da se okruže pojedinačni molekuli ulja, nego što treba da se okruži skupina takvih molekula. Pogledajte gornju sliku, sa desne strane: na obe strane se nalazi isti broj molekula vode, ali kao što možete videti, na desnoj slici je veliki broj tih molekula sada slobodan - više nije u kontaktu sa uljem
Kada se jedan molekul ulja kreće kroz vodu, to je energetski neutralna akcija: ako se ispred ulja pokida veza između dva molekula vode, iza će se napraviti nova. Ali kada se molekuli ulja skupe na gomilu, sada oslobođeni molekuli vode odjednom formiraju sve vodonične veze koje mogu. Ako sad molekul ulja želi da napusti ovu skupinu, on mora da uloži energiju u kidanje postojećih vodoničnih veza koje neće biti nadoknađene - pošto bi molekuli vode opet postali ograničeni u broju veza koje mogu da naprave.
Zbog ovoga, molekuli ulja bivaju "gurnuti" na gomilu od strane molekula vode. Kao što svako može da vidi u pilećoj supi: kapi ulja se brzo skupe i isplivaju na površinu vode. (Ako koristimo ulje koje je teže od vode, isto bi se desilo, samo bi kapi bile izolovane na dnu posude.)
Sada smo definisali osnovne pojmove koji su potrebni za razumevanje dalje priče. Ali nismo još gotovi sa učenjem! Potrebno je da se još pozabavimo nekim osnovnim idejama u vezi strukture i funkcije proteina.