Kun arkielämässä puhutaan tasapainosta, se mielletään yleensä suotuisana tilana. Fysiikan näkökulmasta tasapaino olisi kuolemantuomio kaikelle elävälle.
Elämä perustuu siihen, että lainaamme energiaa ympäristöstämme rakentaaksemme elimistössämme monenlaisia epätasapainoja, minkä ansiosta selviämme hengissä. Yksi esimerkki siitä, miten luovasti elämä käyttää fysiikan lakeja, löytyy siitä, miten solumme tuottavat adenosiinitrifosfaattia (ATP). Molekyylia, joka toimii polttoaineena lähes kaikkiin energiaa vaativiin biologisiin reaktioihin. Solun ATP:n tuotantokoneistolla on paljon yhtäläisyyksiä sähkötekniikkaan, mikä havainnollistanee, että elämän tarkastelu molekyylitasolla voi olla tuotekehityksen kannalta lupaava inspiraation lähde.
Eloton luonto ilman energiaa pyrkii tasapainotilaan ja homogeeniseen kaaokseen. Kun lasiin vettä lisää suolaa, kiteet liukenevat ja leviävät, kunnes suolapitoisuus on tasaista koko lasissa. Yksi elämän keskimmäisistä periaatteista on taistelu tätä tasapainotilaa vastaan.
Soluissamme käy jatkuvasti energiaa kuluttavia pumppuja, joiden tehtävä on pitää ionipitoisuudet erilaisina solun sisällä ja ulkona, luoden epätasapainoa. Kokeet osoittavat, että kun solu joutuu äärimmäiseen energianpuutteeseen ja näiden pumppujen toiminta hidastuu, eloton luonto pääsee valloilleen, ionipitoisuudet alkavat tasoittua, ja solun käy huonosti: se pullistuu ja menee puhki.
Fysiikassa edellä kuvattua systeemien pyrkimystä tasapainoa kohti kutsutaan termodynamiikan toiseksi pääsäännöksi. Eliöillä on herkkäluonteinen suhde termodynamiikan toiseen pääsääntöön. Tietenkin kuten kaiken muunkin universumissa meidän on toteltava fysiikan lakeja, jotka kaiken muun ollessa tasan, vievät meitä kohti tasapainotilaa.
Arkikielessä tasapainotila mielletään positiivisena asiana, määränpäänä. Mutta kuten edellä olevasta esimerkistä selviää, biologian kannalta tasapainotila on kaikkea muuta kuin toivottava. Jos olet tasapainossa, olet kuollut. Sen sijaan eläessäsi luot epätasapainotiloja, ylläpidät ja hyödynnät niitä hengissä.
Kudos ilman energiaa
On vaikeaa kuvitella, mitä biologiselle kudokselle tapahtuu ilman energiaa, sillä elämää ja siten energiaa on maailmassamme lähes kaikkialla: kuoleman jälkeen hajottajat kuten bakteerit, sienet ja madot valtaavat kudoksen ja käyttävät sen sisältämän energian rakentaakseen omia epätasapainojaan.
Mielenkiintoinen esimerkki siitä, mitä tapahtuu ilman näitä epätasapainoja, tulee fossiilisista polttoaineista.
Suurin osa nykypäivänä saatavasta kivihiilestä on muodostunut kivihiilikaudella, jolloin puuaineksen sisältämä ligniini oli yhä luonnon upouusi keksintö. Täten puukasvien kuollessa ja kaatuessa ne jäivät makaamaan, koska olemassa olevat hajottajat eivät osanneet vielä hyödyntää niitä ravinnokseen. Ajan myötä elävälle luonnolle tyypillinen monimutkainen epätasapainojen järjestys on purkaantunut ja kuollut kasvisolukko on alkanut muistuttaa homogeenistä grafeenia. Toisin kuin eliöt ja niiden yhteisöt, kivihiili etenee tasapainoa kohti.
Aurinko, glukoosi ja ATP ovat elämän eritasoisia energialähteitä
Eliöt välttyvät tasapainolta ja sen tuomalta kuolemalta lainaamalla ympäristöstään valtavia määriä energiaa. Suurin osa tästä energiasta tulee auringosta, vaikka harvat eliöyhteisöt saavat energiatarpeensa epäorgaanisista yhdisteistä selviten täten täydessä pimeydessä – elämä olisi siis mahdollista ilman aurinkoakin, joskin sen monipuolisuus olisi vaatimattomampaa.
Ihmisen energialähde – ravintomolekyylit, kuten glukoosi – sisältää valtavia määriä energiaa. Glukoosimolekyylit toimivat tässä suhteessa ikään kuin 100 euron seteleinä. Noin suurta määrää energiaa on vaikeaa vapauttaa kerralla turvallisesti, koska se olisi solun kannalta verrattavissa räjähdykseen. Se ei olisi myöskään käytännöllistä, koska yksittäiset kemialliset reaktiot kehossamme ovat energeettisesti paljon halvempia – vain muutamia euroja. Siitä, miten tämä 100 euron seteli rikotaan, kerrotaankin jo lyhyen biologian lukiokirjoissa: fermentaation tai soluhengityksen tuloksena glukoosi vähitellen pilkotaan ja sen sisältämä energia varastoidaan kolikoihin. Tällaisena kolikkona toimii adenosiinitrifosfaatti eli ATP.
Elimistömme käyttää ATP-molekyyleja polttoaineena lähes kaikkiin energiaa vaativiin tapahtumiin. Esimerkkejä energiaa vaativista biologisista reaktioista on lihasproteiinien toiminta, joka johtaa lihaksen supistukseen, proteiinien valmistus tai aineiden kuljetus solun sisä- tai ulkopuolelle.
ATP:n tuottoon tarvitaan aikamoinen sähkölaitteisto
Proteiini, joka valmistaa ATP-molekyyleja on loistava esimerkki siitä, miten elämä käyttää hyödykseen epätasapainoa ja termodynamiikan toista pääsääntöä. ATP-syntaasi on entsyymi eli mikroskooppinen proteiinikone, joka sijaitsee energiaa tuottavan soluelimen, mitokondrion sisäkalvossa. Kirjallisuudessa ATP-syntaasi verrataan usein moottoriin: moottorin lailla se sisältää liikkumattoman kanavan, jonka läpi kulkee virta, staattorin. Staattoriin on kytketty roottori, joka vuorostaan sitoo ATP:n ainesosat. Kun staattorin läpi kulkee sähkövirta, lähtee roottori liikkeelle mahdollistaen täten ainesosien yhdistymisen ATP:ksi. Samoin kuin mikä tahansa muu voimakone, ATP syntaasi ei kykenisi tehtäväänsä ilman energialähdettä.
ATP-syntaasin energialähde eli virta, joka sitä pyörittää koostuu vetyioneista ja kulkee eteenpäin siksi, että vetyioneja on enemmän toisella puolella mitokondriokalvoa – ionipitoisuudet eri puolilla kalvoa pyrkivät siis tasoittumaan termodynamiikan toisen lain mukaisesti, aivan kuin vesi toisella puolella patoa, johon on tehty reikä. Mutta miten tämä epätasapaino on saatu aikaan?
Tietysti tässäkään elämä ei riko termodynamiikan lakia vaan löytää porsaanreiän, energialähteen. Kun glukoosia pilkotaan, vapautuu siitä elektroneja. Erilaisilla yhdisteillä on eri kyky vetää elektroneja puoleensa – tätä kemiallista ominaisuutta sanotaan pelkistyspotentiaaliksi. Yhdiste, jolla on erinomainen pelkistyspotentiaali, on happi. Tämän hapen ominaisuuden takia tarvitsemme sitä hengitysilmassamme. Mitokondrioissa happi vetää puoleensa glukoosista vapautuneita elektroneja, ja tämä vetovoima on niin valtava, että tuloksena muodostuu elektronivirta. Elektronivirrasta saatava energia käytetään vetyionien pumppaamiseksi toiselle puolelle mitokondriokalvoa. Kun vetyioneja kertyy kalvon toisella puolella ylimäärin, alkavat ne virrata ATP-staattorikanavan läpi. Tämä virta tarjoaa ATP:n tuottoon tarvittavan energian. Mitokondriomme ovat siis kirjaimellisesti täynnä sähköakuilla toimivia pumppuja, jotka koostuvat lähinnä proteiineista, mutta sisältävät myös rautaa ja kuparia.
On mielenkiintoista ajatella, että ihmiskunta on alkanut rakentamaan sähkölaitteita ja turbiineja vain pari vuosisataa sitten, vaikka näitä on löytynyt solujemme sisältä noin 3 miljardin vuoden ajan. Tulevaisuus näyttää, mihin muihin teknologisiin innovaatioihin elämä voi tarjota meille eväitä, kun jatkamme sen tarkastelua molekyylitasolla.
***
SAM apurahasäätiön stipendiaatti Alexandra Ekvik tutkii ATP-talouden vaikutuksia solufysiologiaan ja ikääntymiseen Kalifornian yliopiston Berkeleyn kampuksella. Hänen aineenvaihduntabiologian tohtoriopintojaan rahoittavat SAM apurahasäätiön hallinnoimat The American-Scandinavian ja Thanks to Scandinavia -stipendit.