Είναι πολύ χρήσιμο για την καθημερινή στάση ζωής μας να έχουμε αντιληφθεί πως λειτουργούν οι νόμοι της Θερμοδυναμικής στον έμβιο και μη έμβιο κόσμο που ζούμε.
Γι’ αυτό αναρτώ δύο κείμενα που το πρώτο προσπαθεί γενικά να παρουσιάσει εκλαϊκευμένα τους δύο ισχύοντες νόμους της Θερμοδυναμικής και το δεύτερο –πολύ πιο επιστημονικό-συνδέει αυτούς τους νόμους με τα έμβια όντα, τον άνθρωπο και τις θεραπείες. Αξίζει να τα διαβάσετε με υπομονή. Δώστε σημασία στο δεύτερο, γιατί κριτικάροντας τη Γενετική Τεχνολογία που προσπαθεί όλα να τα αναγάγει στα γονίδια και τις γονιδιακές θεραπείες, βάζει το ζήτημα των ερευνών στο πεδίο της μοριακής βιολογίας, της ζωής των κυττάρων και της συμπεριφοράς των αυτό-οργανωμένων βιολογικών συστημάτων.
1. Οι δύο νόμοι της Θερμοδυναμικής
Στην κλασσική φυσική μάθαμε έναν πολύ σπουδαίο νόμο, τον νόμο της διατήρησης της μηχανικής ενέργειας. Αυτός ο νόμος έχει ισχύ στα φαινόμενα όπου δεν παρατηρείται. μεταβολή της θερμοκρασίας ούτε ροή θερμότητας.
Η θερμότητα θεωρείται ως μία μορφή ενέργειας. Στην πραγματικότητα είναι μία εκδήλωση μεταφοράς ενέργειας με τη βοήθεια των μοριακών συγκρούσεων.
Στην προσπάθεια να διευρύνουμε τον νόμο της διατήρησης της ενέργειας, συμπεριλαμβάνοντας τη θερμότητα και την εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος, προέκυψε ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής. Αυτός ο νόμος μας λέει το εξής:
"Η μεταβολή της ενέργειας ενός συστήματος, ισούται με το άθροισμα της θερμότητας που προσφέρεται στο σύστημα και του έργου που καταναλώνεται σ' αυτό", ή με άλλη διατύπωση, "ένα σώμα είναι αδύνατο να παράγει ενέργεια από το μηδέν (αεικίνητο), χωρίς δηλαδή να πάρει από κάπου έξω ενέργεια ή να ελαττώσει την εσωτερική ενέργειά του".
Η ενέργεια ενός συστήματος αποτελείται από την εσωτερική του ενέργεια και τη μηχανική του ενέργεια. Η διαφορά τους έγκειται στον βαθμό οργάνωσης. Η εσωτερική ενέργεια μπορεί να θεωρηθεί σαν ανοργάνωτη μορφή ενέργειας, ενώ η μηχανική ενέργεια σαν οργανωμένη μορφή ενέργειας.
Τη θερμότητα και το έργο τα θεωρούμε σαν μηχανισμούς με τους οποίους η ενέργεια μπορεί ν' αλλάξει ή να διατηρεί την κατάσταση οργάνωσής της.
Το φαινόμενο της ζωής δεν μπορεί να εξηγηθεί πλήρως ίσως μόνο με τους φυσικούς νόμους, αλλά είναι σίγουρο ότι η ζωή χωρίς τη βοήθεια των φυσικών νόμων είναι τελείως ακατανόητη.
Σαν εσωτερική ενέργεια στην περίπτωση ενός ζώου μπορούμε να θεωρήσουμε τη χημική ενέργεια των δεσμών των διαφόρων μορίων και είναι γνωστό ότι ο οργανισμός ως αποθήκες αυτής της ενέργειας χρησιμοποιεί τις πρωτεΐνες και τους υδατάνθρακες. Επομένως η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ενός οργανισμού μεταφράζεται σε μεταβολή της μάζας του και τελικά του βάρους του. 'Αρα, όταν θέλουμε ένας οργανισμός να διατηρεί σταθερό βάρος σε περιβάλλον σταθερής θερμοκρασίας για ένα χρονικό διάστημα, πρέπει η ενέργεια που μπαίνει με τις τροφές να είναι ακριβώς ίση με το άθροισμα του έργου που παράγει ο οργανισμός και της θερμότητας που αποδίδει το σώμα στο περιβάλλον.
Είναι πιθανό, όμως, να σκεφτεί κανείς ότι αν κάποιος δεν καταναλώνει ενέργεια με τις διάφορες εργασίες κι αν δεν αποβάλλει θερμότητα στο περιβάλλον με τη βοήθεια κατάλληλης μόνωσης θα μπορεί να ζήσει χωρίς να τρέφεται. Αυτό είναι λάθος! Το σώμα δεν καταναλώνει ενέργεια εφ' όσον η ενέργεια διατηρείται σύμφωνα με τον 1ο νόμο της θερμοδυναμικής αλλά μετατρέπει την ενέργεια από μια μορφή (ενέργεια χημικών δεσμών των μορίων της τροφής) σε μια άλλη (θερμότητα).
Εδώ θα προχωρήσουμε στον 2ο νόμο της θερμοδυναμικής.
Ας αρχίσουμε με το παράδειγμα μίας σβούρας που σταματάει την περιστροφική κίνηση της λόγω των τριβών. Οι τριβές -δηλαδή οι άτακτες συγκρούσεις των μορίων της σβούρας με τα μόρια του δαπέδου στο σημείο επαφής και με τα μόρια του αέρα που την περιβάλλει- παράγουν θερμότητα που μεταφέρεται και στη σβούρα και στο δάπεδο και στον αέρα. Αυτή η θερμότητα παράγεται σε βάρος της κινητικής ενέργειας της σβούρας, η οποία τελικά σταματάει. Δεν σταματάει, όμως, η άτακτη κίνηση κάθε μορίου της σβούρας ή του αέρα ή του δαπέδου. Αντίθετα, η κίνηση αυτή αυξάνεται λόγω της θερμότητας που απορροφήθηκε. Η αντίστροφη διαδικασία όμως δεν πραγματοποιείται. Τα μόρια του αέρα, του δαπέδου και της σβούρας δεν δίνουν πίσω τη θερμότητα ώστε η σβούρα ν' αρχίσει να περιστρέφεται μόνη της. Δηλαδή η θερμότητα δεν μπορεί να μετατραπεί σε κινητική ενέργεια.
Το παράδειγμα αυτό μας δείχνει ότι οι διάφορες μορφές ενέργειας δεν είναι το ίδιο εύκολα διαθέσιμες ή καλύτερα μετατρέψιμες. Υπάρχει μια αναλογία με το σε τι νόμισμα έχει κανείς τα χρήματά του για να τα μετατρέψει σε άλλο νόμισμα.
Οι πρακτικές συνέπειες των περιορισμών αυτών μετατροπής είναι τεράστιες. Σκεφτείτε ότι η ενέργεια λόγω της άτακτης κινήσεως των μορίων της Γης μας είναι ουσιαστικά μη μετατρέψιμη. Πρόκειται για ένα τεράστιο ποσό ενέργειας, υποβαθμισμένης σε τέτοιο βαθμό ώστε να είναι σχεδόν αδύνατο να χρησιμοποιηθεί. Αν είχαμε στην διάθεσή μας ένα μικρό μόνο ποσοστό της ενέργειας κάθε μορίου της Γης, τέτοιο που να αντιστοιχεί στη μείωση της μέσης θερμοκρασίας της Γης κατά έναν μόνο βαθμό, θα είχαμε λύσει τις ανθρώπινες ενεργειακές ανάγκες για 10.000.000 χρόνια !
Αν προσέξουμε, λοιπόν, διάφορα παραδείγματα, θα διαπιστώσουμε ότι σαν έργο, η ενέργεια βρίσκεται σε κατάσταση οργανωμένης κίνησης, ενώ στη θερμότητα η ενέργεια βρίσκεται σε κατάσταση χαώδους κίνησης (ανοργάνωτης). Είναι δυνατό βέβαια, ένα μέρος της χαώδους θερμικής κίνησης να μπει σε τάξη, αλλά η πλήρης οργάνωση της θερμικής κίνησης είναι τελείως απίθανη.
Ο 2ος θερμοδυναμικός νόμος πάει λίγο πιο πέρα και μας λέει ότι η πλήρης μετατροπή της θερμότητας (ανοργάνωτη ενέργεια) σε έργο (οργανωμένη ενέργεια) είναι αδύνατη.
Εκφράζει ακριβώς, μια γενική οικουμενική τάση για υποβάθμιση της ενέργειας.
Κοιτάζοντας γύρω μας, θα δούμε ότι κάθε φαινόμενο που συμβαίνει αυθόρμητα π.χ. το σπάσιμο ενός ποτηριού, η ανάμιξη δύο υγρών, η πτώση μιας πέτρας, γίνεται κατά τρόπο που να πηγαίνουμε από κατάσταση μεγαλύτερης οργάνωσης σε κατάσταση μικρότερης οργάνωσης. 'Ετσι ο 2ος νόμος της θερμοδυναμικής μπορεί να διατυπωθεί ως εξής: 'η κατεύθυνση κάθε αυθόρμητης μεταβολής ενός συστήματος είναί από κατάσταση μίκρότερης αταξίας σε κατάσταση μεγαλύτερης αταξίας".
'Ολοι γνωρίζουμε ότι το να τακτοποιήσεις (να βάλεις σε τάξη) ένα σπιτικό, γίνεται πολύ πιο δύσκολα από ό,τί το αντίθετο.
Το σώμα μας εξ άλλου είναι ένα σύστημα πολύ υψηλής οργάνωσης. 'Ενα απλό μόριο πρωτεΐνης αποτελείται από εκατομμύρια άτομα συνδεδεμένα μεταξύ τους με αυστηρή οργάνωση. Τα κύτταρα είναι ακόμη πιο σύνθετες δομές. Οι εξειδικευμένες λειτουργίες τους μέσα στο σώμα εξαρτώνται. από την ειδική δομή καί θέση τους.
'Ολα, λοιπόν, τα πολύ καλά οργανωμένα συστήματα αν αφεθούν ανεπηρέαστα θα τείνουν αυθόρμητα, σύμφωνα με τον 2ο νόμο της θερμοδυναμικής να ελαττώσουν τον βαθμό οργάνωσής τους και μόλις αποδιοργανωθούν θα πάψουν να λειτουργούν.
'Αρα πρέπει να προσφέρουμε έργο συνεχώς στο σύστημα για να παρεμποδίζεται η αποδιοργάνωσή του. Για παράδειγμα το αίμα που κυκλοφορεί στις φλέβες και στις αρτηρίες, υπόκειται σε τριβή που μετατρέπει την κινητική ενέργεια σε θερμότητα και επιβραδύνει την κίνησή του. Αν κάποια ενέργεια δεν καταναλώνεται για την κίνηση του αίματος, το αίμα θα σταματούσε να ρέει σε λίγα δευτερόλεπτα. Τα νεκρά κύτταρα πρέπει συνεχώς να ανανεώνονται με νέα και εφ' όσον ο οργανισμός αυξάνεται νέοι ιστοί πρέπει να κατασκευαστούν. Για την πραγματοποίηση αυτής της αντικατάστασης και της ανάπτυξης νέες πρωτεΐνες καθώς και άλλα κυτταρικά συστατικά πρέπει να οικοδομηθούν από μικρότερα και απλούστερα υλικά.
Επομένως, μπορούμε να πούμε ότι: "η διαδικασία της ζωής συνίσταται από την οικοδόμηση και διατήρηση οργανωμένων δομών". Δηλαδή, σε αντίθεση με τη φυσική τάση για αποδιοργάνωση, η διαδικασία της ζωής απαιτεί κατανάλωση έργου. Το απαιτούμενο έργο για τη συντήρηση των οργανωμένων δομών στο σώμα λαμβάνεται από την χημική ενέργεια των τροφών.
Βέβαια, χρειάζεται να παρατηρήσουμε, και αυτό έχει μεγάλη σημασία, ότι για να οργανωθούν ανώτερες, πολυπλοκότερες δομές χρειάζεται να σπάσουν άλλες απλούστερες, όπως συμβαίνει με τις τροφές σε έναν οργανισμό κατά την εργασία του μεταβολισμού. 'Οταν η χημική ενέργεια των δεσμών των μορίων στις τροφές ελευθερώνεται, η οργανωμένη δομή καταρρέει και ό,τι απομένει αποβάλλεται από τον οργανισμό σαν άχρηστο υλικό με σημαντικά μειωμένο βαθμό οργάνωσης.
Το ποσό της αταξίας που υπάρχει σε ένα σύστημα μπορεί να εκφραστεί ποσοτικά με τη βοήθεια ενός νέου μεγέθους που το ονομάζουμε ε ν τ ρ ο π ί α.
Σε κοσμική κλίμακα, κατά αναλογία, το Σύμπαν συμπεριφέρεται όπως μια σταγόνα μελάνης που χύνεται σε ένα ποτήρι νερό και διαλύεται. Οι αστεροειδείς θρυμματίζονται, τα άστρα πεθαίνουν, οι γαλαξίες απομακρύνονται ο ένας από τον άλλον.
Οι υποστηρικτές της θεωρίας της εξέλιξης επικαλούνται τον 2ο θερμοδυναμικό νόμο, λέγοντας ότι ένα Σύμπαν που οδηγείται προς το χάος θα ήταν αδύνατο να δημιουργήσει συγκροτημένες μορφές ζωής, χωρίς κάποια ανώτερη επέμβαση. 'Ολοι συμφωνούν ότι η εντροπία αυξάνεται στα κλειστά συστήματα, τα οποία πρακτικά δεν ανταλλάσσουν ενέργεια ούτε ύλη με το περιβάλλον τους. Δέχονται ότι ένα ανοικτό σύστημα όπως ένας πλανήτης, κατορθώνει συχνά να αποφύγει την πορεία προς την αυξανόμενη αταξία π.χ. απορροφώντας ενέργεια από τον ήλιο και έτσι αποτελεί "μικροχώρο" τάξης μέσα σε ένα χαοτικό Σύμπαν. Τα ανοικτά συστήματα τείνουν να αποσυντεθούν, εκτός αν υπάρχει κάποιος μηχανισμός επεξεργασίας της ενέργειας που παίρνουν από το περιβάλλον. Ο βιοχημικός Isaac Asimov λέει: "ακόμα και στον μεσοαστρικό χώρο παρατηρούνται πολύπλοκα μόρια να σχηματίζονται από απλούστερα στοιχεία".
Τελικά είναι κλειστό ή ανοικτό το Σύμπαν; Ποιά ενέργεια το συντηρεί για να μην καταρρεύσει. προς τη χαώδη κατάσταση;
Μήπως αυτή η ενέργεια συνδέεται ή ταυτίζεται με την Ενέργεια του Κενού;
’Ενα ανθρώπινο πλάσμα μπορεί να είναι ένας μειωτήρας της εντροπίας.
Βάσει του 2ου νόμου της θερμοδυναμικής όλες οι μεταβολές στο Σύμπαν έχουν σαν κινητήρια δύναμη τη μεταφορά ενέργειας, και σε κάθε περίπτωση, το αποτέλεσμα είναι μια ομαλότερη κατανομή ενέργειας, δηλαδή υψηλότερη εντροπία, αν θεωρήσουμε το σύστημα σαν ενιαίο σύνολο. 'Ομως μέσα στο σύστημα υπάρχουν και υποσυστήματα, στα οποία ως έναν βαθμό μπορεί να αντιστρέφεται η διαδικασία και η εντροπία μειώνεται.
'Ολοι οι ζώντες οργανισμοί και επομένως και ο άνθρωπος έχουν την ικανότητα αύξησης της τάξης σε βάρος της αταξίας, δηλαδή μπορούν ν' αντιστρέφουν τη φυσική διαδικασία της εντροπίας. Για τον άνθρωπο που μπορεί ν' αναπτύξει συνειδητότητα η αύξηση της τάξης σε βάρος της αταξίας, δηλαδή η μείωση της εντροπίας, μπορεί να γίνει σε πολλά επίπεδα και όχι μόνο στο επίπεδο της αδρής ύλης του κόσμου των αισθήσεων. Πόσο άραγε έχουν προβληματιστεί οι άνθρωποι της Γης για το τι σημαίνει η μείωση της εντροπίας στα λεπτότερα πεδία; Πώς επιτυγχάνεται αυτή η μείωση της αταξίας σε τέτοια πεδία;...
Σταμάτης Τσαχάλης
2. Θερμοδυναμική - παλιοί νόμοι για τις σύνθετες παθήσεις
Richard Strohman Nature Biotechnology 2003
Απόδοση στα ελληνικά: ΑΛΕΞΑΝΔΡΑ ΖΕΡΒΟΥΔΑΚΗ Καρδιολόγος
Η έρευνα για νέους νόμους στην ιατρική αρχίζει με την ανατολή της μοριακής βιολογίας και με τον Max Delbruck που έφερε πρώτος από τη φυσική στη βιολογία την ιδέα ότι οι ζωντανοί οργανισμοί, αν και εν τέλει αναγώγιμοι στους φυσικούς, παγκόσμιους νόμους, εμφανίζουν ιδιότητες που δε χαρακτηρίζουν τον ανόργανο κόσμο και ίσως λειτουργούν με βάση ιδιαίτερους νόμους. Η ιστορία της μοριακής βιολογίας καθ' όλη τη διάρκεια του 20ου αιώνα περιλαμβάνει την αποτυχία εύρεσης τέτοιων νόμων, γεγονός που έστρεψε το ερευνητικό ενδιαφέρον προς τη γενετική, προς αναζήτηση γενετικών νόμων, ώστε να κατανοηθούν καλύτερα οι μηχανισμοί της φυσιολογίας και της παθολογίας των έμβιων όντων. Και ασφαλώς η νέα αποτυχία γέννησε το νέο ερώτημα «αν όχι στο γονιδίωμα, τότε πού είναι το πρόγραμμα και τι είναι η φύση;».
Πενήντα χρόνια μετά την εμφάνιση της μοριακής βιολογίας, στο συνέδριο της CIBA σχετικά με τα όρια της εξαγωγής νόμων από τη βιολογία (1997), ο φιλόσοφος Tomas Nagel αναφέρθηκε σ' αυτή την έλλειψη κατανόησης που χαρακτηρίζει τη βιολογική έρευνα, καταλήγοντας: «...οι πεπερασμένες διανοητικές και υπολογιστικές μας δυνατότητες σημαίνουν ότι είτε δεν μπορούμε να συλλάβουμε την υπέρτατη βιολογική ερμηνεία...είτε ότι δεν μπορούμε να συνδυάσουμε παραγωγικά τους παλιούς, παγκόσμιους φυσικούς νόμους με φαινόμενα υψηλότερης τάξης. Γι' αυτό -είπε επαναλαμβάνοντας τα λόγια του Delbruck- ίσως οι βιολόγοι χρειάζεται να ανακαλύψουν νέους νόμους για τη ζωή». Η φύση της σχέσης μεταξύ των φυσικών νόμων και των φαινοτύπων της έμβιας ύλης αρχίζει τώρα να προσλαμβάνει νέες διαστάσεις, αν και ένας συνδετικός κρίκος είναι ήδη γνωστός από καιρό. Οι νόμοι της θερμοδυναμικής και της κινητικής συνδέονται με τους φαινοτύπους των οργανισμών μέσω της διαμεσολάβησης των δυναμικών συστημάτων. Δυστυχώς, αυτό το θεμελιώδες ζήτημα έμεινε στην αφάνεια, καθώς οι ερευνητές προσπαθούσαν απεγνωσμένα να ανακαλύψουν ερμηνευτικούς παράγοντες στους χώρους των genomics και των proteomics. Κοιτώντας προς τα πίσω, αυτή η αντικατάσταση των βασικών μηχανισμών με τους παράγοντες μπορεί να θεωρηθεί σαν μέγα επιστημολογικό σφάλμα. Παρ' όλ' αυτά, η μοριακή βιολογία έχει πλέον ακολουθήσει το μονοπάτι από το γονότυπο στο φαινότυπο προς ένα τελικό στόχο, ο οποίος έχει προσδιορισθεί σαν ανοιχτά, αυτο-οργανούμενα μοριακά συστήματα, στα πλαίσια των οποίων βρίσκονται διεσπαρμένοι ρυθμιστικοί και ανασταλτικοί μηχανισμοί, εν τω μέσω πολλών αλληλο- επιδρώντων συστημάτων. Το παγκόσμιο μεταβολικό σύστημα που συνοψίζεται στο «Χάρτη του Μεταβολισμού» αποτελεί ένα τέτοιο παράδειγμα.
Αυτό που γίνεται πλέον σαφές είναι ότι ο δυναμικός χώρος του μεταβολισμού όπου συναντώνται οι παγκόσμιοι νόμοι της θερμοδυναμικής και της κινητικής με το φαινότυπο του οργανισμού. Τα οργανωτικά επίπεδα όπου εφαρμόζεται αυτή η σύνδεση είναι η φυσιολογία του κυττάρου και των οργανισμών, ο ανθρώπινος οργανισμός στο σύνολό του και οι ανθρώπινοι πληθυσμοί. Στην τελευταία περίπτωση, έχουμε από τη μία πλευρά δυναμικά, φυσιολογικά συστήματα και από την άλλη τα μονοπάτια της εκφύλισης και του γήρατος που σχετίζονται με την ηλικία, την εμπειρία, τη δίαιτα και την άσκηση. Συνεπώς, η γλώσσα της βιοενεργητικής μπορεί να περιγράψει το δυνητικό και κινητικό ενεργειακό επίπεδο ενός κυττάρου, ενός ιστού, ενός οργάνου, ολόκληρου του οργανισμού και, κατά κάποιο τρόπο, ενός ολόκληρου πληθυσμού.
Για τους επιστήμονες που είναι εθισμένοι στην ερμηνεία των διαφόρων παθήσεων με όρους γονιδίων και πρωτεϊνών, αυτή η προσέγγιση μπορεί να φαίνεται σχεδόν ακατανόητη. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση όχι μόνο αντανακλά μια πολυσύνθετη επιστήμη των δυναμικών συστημάτων, αλλά επίσης προτείνει αρκετές πρακτικές προσεγγίσει της πρόληψης και της θεραπείας των διαφόρων ασθενειών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι περισσότερες ασθένειες εμφανίζονται σαν βιοενεργειακά ελλείματα - είτε οφείλονται σε γονιδιακές ή πρωτεϊνικές μεταβολές, τοξικούς περιβαλλοντικούς παράγοντες, υπερβολική κατανάλωση θερμίδων ή ανεπαρκή φυσική δραστηριότητα.
Θερμοδυναμική και σύνδεση γονοτύπου-φαινοτύπου
Το ανθρώπινο γονιδίωμα είναι αρχαίο, διατηρημένο και προσαρμόσιμο. Πράγματι περιέχει πολλές αλληλιακές παραλλαγές, αλλά η φύση δε φαίνεται
να έχει επενδύσει και πολύ σε γονίδια που ελέγχουν ή προκαλούν σύνθετες παθήσεις. Μόνο το 2% από το δυνητικό φορτίο ενός ανθρώπου μπορεί να οφείλεται σε μονογονιδιακά αίτια. Συνεπώς, στο 98% των περιπτώσεων το γονιδίωμά μας είναι υγιές, προσαρμόσιμο και ικανό να επωμισθεί ένα προσδόκιμο ζωής περίπου 80 ετών, με τα σημερινά δεδομένα, χωρίς κλινικές παρεμβάσεις. Η εντολή για υγιή, χωρίς κλινικά προβλήματα, ζωή βρίσκεται γραμμένη στα χρωματοσώματά μας με τη μορφή μιας κατά 0,5% ετήσιας έκπτωσης στις φυσιολογικές λειτουργίες μας (VO2MAX). O ανθρώπινος οργανισμός είναι τόσο ισχυρός ώστε, όταν ο καθένας μας αναλάβει την ευθύνη να αποφύγει απώλειες μεγαλύτερες από το 80% στις ζωτικές λειτουργίες μας, θα μπορούσε να ζήσει λογικά χωρίς ιατρική θεραπεία για όλες αυτές τις σύνθετες παθήσεις που τόσο συχνά εμφανίζονται σε ήδη προβληματικά φυσιολογικά συστήματα.
Η δραστηριότητα ενός ενζύμου σε ένα μεταβολικό μονοπάτι υπόκειται σε μεταβολές. Για παράδειγμα, μια μεταβολή σε ένα ένζυμο που εμπλέκεται στον καταβολισμό των αμυλοειδών μπορεί να μεταβάλει τη συγκέντρωση των αμυλοειδών στον οργανισμό. Ωστόσο, παρόμοιες μεταβολές μπορεί να προέλθουν από περιβαλλοντικές ή συμπεριφεριολογικές επιδράσεις, όπως το τραύμα, η πολυφαγία, ο κλινοστατισμός. Τα μεταβολικά μονοπάτια εμφανίζουν αλληλοσυνδέσεις και σε πολλές περιπτώσεις μπορεί να αλληλοεπικαλύπτονται. Η ικανότητα να «βραχυκυκλώνουν» συγκεκριμένους ενζυματικούς φραγμούς ευθύνεται για τη συνήθη αδυναμία μας να ανιχνεύσουμε ένα συγκεκριμένο «φαινότυπο» σε πολλά γονιδιακά "knockouts", ενώ παράλληλα καλούμαστε να ερμηνεύσουμε γιατί τα γονιδιακά ελλείμματα χρειάζονται ειδικές συνθήκες ώστε να «παράγουν το φαινότυπο μιας νόσου». Τέτοιες διορθώσεις ελλειμμάτων καθοδηγούνται από τις αρχές της θερμοδυναμικής, οι οποίες μπορούν, κατά περίπτωση, να υπερκεράσουν κινητικούς φραγμούς. Συνεπώς, τα αλληλοσυνδεόμενα μεταβολικά μονοπάτια δρουν από κοινού σαν συγκροτημένο σύνολο συχνά ικανό να διορθώσει γενετικές ή άλλες αδυναμίες, βραχυκυκλώνοντας το προβληματικό ένζυμο. Οι αυθόρμητες διορθώσεις οδηγούνται από θερμοδυναμικές αρχές που ευνοούν μια «αύξηση στο ρυθμό της ενεργειακής αποδόμησης της διαθέσιμης ενέργειας ενός συστήματος, δηλαδή οργανισμού συν περιβάλλοντος».
Η μεταγραφή του γονιδιώματος ρυθμίζεται από αυξομειούμενες συγκεντρώσεις μεταβολιτών: ΝAD+ και ΝADΗ και άλλα συναπτικά σήματα αντιπροσωπεύουν μεταβολές λεπτό προς λεπτό στη βιοενεργειακή κατάσταση του κυττάρου. Μεταβολές στη γλυκόζη, στα στεροειδή, στα λιπαρά οξέα, στα ρετινοειδή και σε πολλούς άλλους μεταβολίτες, τα οποία ανιχνεύονται συνδεδεμένα με τους μεταγραφικούς παράγοντες, ώστε να επάγουν τη σιγή ή την ενεργοποίηση των αντίστοιχων γονιδίων.
Συνεπώς, η έκφραση του γονιδιώματος ρυθμίζεται μέσω βιοχημικών μηχανισμών
που «αισθάνονται» τη βιοενεργειακή κατάσταση του κυττάρου. Με τους όρους της κυρίαρχης τριάδας στη βιολογία, γονίδιο-οργανισμός-περιβάλλον, όλη η εξέλιξη και η πορεία ενός έμβιου οργανισμού μπορεί να αναλυθεί από τη σκοπιά της θερμοδυναμικής, συνδεδεμένης με τα εμπόδια από κινητικές και άλλες αλληλεπιδράσεις των οργανωμένων μοριακών συστημάτων.
Το σημαντικό ζήτημα είναι ότι οι γενετικές μεταβολές μαζί με περιβαλλοντικές και συμπεριφεριολογικές αλλαγές φιλτράρονται από τα πιστά διατηρούμενα και ρυθμιζόμενα επιγενετικά δίκτυα του ελέγχου του πολλαπλασιασμού των γονιδίων, της σύνθεσης των πρωτεϊνών, του μεταβολισμού και των συστημάτων μεταγωγής σημάτων. Στα πλαίσια αυτών των δυναμικών, αυτο-οργανούμενων, πρωτεϊνικών και μικρομοριακών δικτύων έρχονται σε επαφή γενετικά, περιβαλλοντικά και συμπεριφεριολογικά στοιχεία. Έτσι, προκύπτουν οι ακόμη ανεξήγητοι φυσιολογικοί ή παθολογικοί φαινότυποι. Όλες αυτές οι διεργασίες και η παραγωγή του τελικού φαινοτύπου μπορεί να παραμένουν «ανεξήγητες», αλλά πρόκειται μάλλον για διαπραγματεύσεις των οποίων η έκβαση μπορεί να προβλεφθεί και να κατανοηθεί, αντιπαραθέτοντας τις βιοχημικές μετρήσεις και τη μεταβολική ανάλυση στις θερμοδυναμικές και κινητικές εξισώσεις που περιγράφουν την παραγωγή έργου και θερμότητας ενός υγιούς φαινοτύπου. Εάν υπάρχει ένας νέος «νόμος» που αφορά στις παραπάνω διεργασίες, αυτός προέρχεται από την ανάλυση του μεταβολικού ελέγχου και διατυπώθηκε στα 1981 από τους Kacser και Burns.
Ανάλυση μεταβολικού ελέγχου σε ειδικούς παθολογικούς φαινοτύπους
Το τρέχον παράδειγμα της μοριακής ιατρικής υποστηρίζει ότι τόσο ο φαινότυπος μιας πάθησης όσο και η θεραπεία της προέρχονται από τα ένζυμα-κλειδιά που ρυθμίζουν συγκεκριμένα μεταβολικά, μεταγωγικά ή άλλα μονοπάτια. Αντίθετα, λεπτομερής, ποσοτική ανάλυση των με- ταβολικών μονοπατιών δείχνουν ότι η ροή κατά μήκος ενός τέτοιου μονοπατιού και άρα ο φαινότυπος, ρυθμίζεται από πολλά ένζυμα που συμμετέχουν στο εν λόγω μονοπάτι. Επιπλέον, ο βαθμός του παραπάνω ενζυματικού ελέγχου επηρεάζεται από το περιβάλλον. Τα μοντέλα που προέρχονται από τη μεταβολική ανάλυση βασίζονται σε θεμελιώδεις ιδιότητες, όπως οι κινητικές σταθερές κάθε ενζυματικής αντίδρασης και προς τις δύο κατευθύνσεις του μεταβολικού μονοπατιού, στη σταθερά ισορροπίας κάθε αντίδρασης, στη συγκέντρωση των ουσιών που συμμετέχουν σε κάθε αντίδραση καθώς και των μεταβολιτών που προκύπτουν. Γνωρίζοντας τις βασικές λεπτομέρειες κάθε αντίδρασης, μπορούμε να καθορίσουμε με ακρίβεια το ρυθμό της ροής των αντιδράσεων σε κάθε μονοπάτι. Σε ό,τι αφορά τις γενετικές επιδράσεις σε κάθε ενζυματικό σημείο ενός μονοπατιού, «το προϊόν ενός συστήματος, άρα και η ροή του, αποτελεί μια ιδιότητα του συστήματος και, συνεπώς, η απάντηση αυτού του συστήματος σε επιδράσεις που ασκούνται σε ένα σημείο του θα πρέπει να μετρηθεί στο επίπεδο ολόκληρου του συστήματος» (Richard Veech).
Ας πάρουμε για παράδειγμα το πρόβλημα της παχυσαρκίας σαν μοντέλο υπερβολικής πρόσληψης υδρογονανθράκων και θερμίδων. Ο αμφιλεγόμενος μεταβολίτης του μονοπατιού της μονοφωσφορικής εξόζης, η φωσφορική-5-ξυλουλόζη, ρυθμίζει όχι μόνο τις άμεσες δράσεις της πρόσληψης υδατανθράκων στη δράση της κινάσης φωσφατάσης της 2,6-φρουκτόζης, αλλά επίσης και τις μακροπρόθεσμες δράσεις του μεταγραφικού παράγοντα που αποκρίνεται στη γλυκόζη ChREBP, ο οποίος ελέγχει τη μεταγραφή των ενζύμων που συμμετέχουν στη σύνθεση των λιπών και της χοληστερόλης. Συνεπώς, η έκφραση των γονιδίων που είναι υπεύθυνα για την παχυσαρκία ελέγχεται από έναν απλό, ενδιάμεσο μεταβολίτη.
Ανάλογα, το ένζυμο που ευθύνεται για τη σιγή του γονιδίου της αποακετυλάσης των ιστονών που εξαρτάται από το NAD (NAD dependent histone deacetylase) Sir2 επηρεάζεται από τη σχετική έλλειψη υδατανθράκων. Η δραστηριότητα αυτού του ενζύμου ελέγχεται όχι μόνο από τη διαθεσιμότητα του NAD, του πανταχού παρόντος μεταφορέα μεταβολικών αναγωγικών ισοδυνάμων στα μιτοχόνδρια, αλλά και των ταπεινών του μεταβολιτών, όπως η νικοτιναμίδη.
Η εφαρμογή των αρχών της ανάλυσης του μεταβολικού ελέγχου στη θεραπεία των σύνθετων παθήσεων επαληθεύεται και από τη δυνητική εφαρμογή της ήπιας κετοξέωσης σε πολλές παθήσεις. Η ήπια κετοξέωση είναι μια φυσιολογική αντίδραση στην πείνα και έχει χρησιμοποιηθεί εμπειρικά εδώ και έναν περίπου
αιώνα στη θεραπεία της ανθιστάμενης επιληψίας. Πρόσφατα αναφέρθηκε ότι ο μεταβολισμός των κετοσωμάτων μπορεί να αυξήσει τη μιτοχονδριακή παραγωγή του ΑΤΡ και το μετρούμενο υδραυλικό έργο της καρδιάς κατά 28% σε σύγκριση με τη χορήγηση γλυκόζης. Επιπλέον, τα κετοσώματα δείχθηκε ότι παρέχουν μια εναλλακτική πηγή για το ισοένζυμο ακετυλ-Α και άλλους μεταβολίτες του κύκλου των τρικαρβοξυλικών οξέων.
Αυτές οι παρατηρήσεις οδήγησαν στην ανακάλυψη ότι ο θάνατος των νευρώνων του ιπποκάμπου που προκαλεί το αμυ λοειδές β, ο αιτιοπαθογενετικός παράγοντας της νόσου του Alzheimer, μπορεί να προληφθεί, τουλάχιστον σε καλλιέργειες κυττάρων, με τη χορήγηση κετοσωμάτων. Ομοίως, η εκτεταμένη τοξική βλάβη που θεωρείται σημαντική για το θάνατο των μεσεγκεφαλικών ντοπαμ ινεργικών νευρώνων στα πλαίσια της παθοφυσιολογίας της νόσου του Parkinson μπορεί να προληφθεί με τη χορήγηση κετοσωμάτων.
Τέλος, η καρδιακή ανεπάρκεια μετά από απόφραξη των στεφανιαίων αρτηριών μπορεί να οφείλεται σε βλάβες των μηχανισμών της γλυκόλυσης. Συνεπώς, η πάθηση αυτή, που πλήττει κάθε χρόνο ένα εκατομμύριο νέους ασθενείς, θα μπορούσε επίσης να αντιμετωπισθεί με τη χορήγηση κετοσωμάτων. Παρόμοια αποτελέσματα έχουν αναφερθεί σε μελέτες που χρησιμοποίησαν την έγχυση ουσιών σε καρδιές πειραματοζώων-μοντέλων της μυϊκής δυστροφίας Duchenne, μια νόσος μονογονιδιακής αιτιολογίας που πλήττει ετησίως 1/3.500 νεογέννητους άρρενες.
Συμπέρασμα
Διαθέτουμε ήδη μια πλήρη «γραμματική» για το μεταβολικό χάρτη, απ' όπου μπορούμε να μελετήσουμε τις διάφορες δυνάμεις οι οποίες δρουν σε κυτταρικό επίπεδο, τροποποιώντας τη διαδρομή πολλών βιοχημικών αντιδράσεων, προ καλώντας πρώιμο κυτταρικό θάνατο ή εκφύλιση. Δυστυχώς, η σχετική έρευνα δε γίνεται με εντατικό ρυθμό λόγω της μονολιθικής πίστης στη γενετική βάση των ανθρώπινων σύνθετων παθήσεων.
Γι’ αυτό αναρτώ δύο κείμενα που το πρώτο προσπαθεί γενικά να παρουσιάσει εκλαϊκευμένα τους δύο ισχύοντες νόμους της Θερμοδυναμικής και το δεύτερο –πολύ πιο επιστημονικό-συνδέει αυτούς τους νόμους με τα έμβια όντα, τον άνθρωπο και τις θεραπείες. Αξίζει να τα διαβάσετε με υπομονή. Δώστε σημασία στο δεύτερο, γιατί κριτικάροντας τη Γενετική Τεχνολογία που προσπαθεί όλα να τα αναγάγει στα γονίδια και τις γονιδιακές θεραπείες, βάζει το ζήτημα των ερευνών στο πεδίο της μοριακής βιολογίας, της ζωής των κυττάρων και της συμπεριφοράς των αυτό-οργανωμένων βιολογικών συστημάτων.
1. Οι δύο νόμοι της Θερμοδυναμικής
Στην κλασσική φυσική μάθαμε έναν πολύ σπουδαίο νόμο, τον νόμο της διατήρησης της μηχανικής ενέργειας. Αυτός ο νόμος έχει ισχύ στα φαινόμενα όπου δεν παρατηρείται. μεταβολή της θερμοκρασίας ούτε ροή θερμότητας.
Η θερμότητα θεωρείται ως μία μορφή ενέργειας. Στην πραγματικότητα είναι μία εκδήλωση μεταφοράς ενέργειας με τη βοήθεια των μοριακών συγκρούσεων.
Στην προσπάθεια να διευρύνουμε τον νόμο της διατήρησης της ενέργειας, συμπεριλαμβάνοντας τη θερμότητα και την εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος, προέκυψε ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής. Αυτός ο νόμος μας λέει το εξής:
"Η μεταβολή της ενέργειας ενός συστήματος, ισούται με το άθροισμα της θερμότητας που προσφέρεται στο σύστημα και του έργου που καταναλώνεται σ' αυτό", ή με άλλη διατύπωση, "ένα σώμα είναι αδύνατο να παράγει ενέργεια από το μηδέν (αεικίνητο), χωρίς δηλαδή να πάρει από κάπου έξω ενέργεια ή να ελαττώσει την εσωτερική ενέργειά του".
Η ενέργεια ενός συστήματος αποτελείται από την εσωτερική του ενέργεια και τη μηχανική του ενέργεια. Η διαφορά τους έγκειται στον βαθμό οργάνωσης. Η εσωτερική ενέργεια μπορεί να θεωρηθεί σαν ανοργάνωτη μορφή ενέργειας, ενώ η μηχανική ενέργεια σαν οργανωμένη μορφή ενέργειας.
Τη θερμότητα και το έργο τα θεωρούμε σαν μηχανισμούς με τους οποίους η ενέργεια μπορεί ν' αλλάξει ή να διατηρεί την κατάσταση οργάνωσής της.
Το φαινόμενο της ζωής δεν μπορεί να εξηγηθεί πλήρως ίσως μόνο με τους φυσικούς νόμους, αλλά είναι σίγουρο ότι η ζωή χωρίς τη βοήθεια των φυσικών νόμων είναι τελείως ακατανόητη.
Σαν εσωτερική ενέργεια στην περίπτωση ενός ζώου μπορούμε να θεωρήσουμε τη χημική ενέργεια των δεσμών των διαφόρων μορίων και είναι γνωστό ότι ο οργανισμός ως αποθήκες αυτής της ενέργειας χρησιμοποιεί τις πρωτεΐνες και τους υδατάνθρακες. Επομένως η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ενός οργανισμού μεταφράζεται σε μεταβολή της μάζας του και τελικά του βάρους του. 'Αρα, όταν θέλουμε ένας οργανισμός να διατηρεί σταθερό βάρος σε περιβάλλον σταθερής θερμοκρασίας για ένα χρονικό διάστημα, πρέπει η ενέργεια που μπαίνει με τις τροφές να είναι ακριβώς ίση με το άθροισμα του έργου που παράγει ο οργανισμός και της θερμότητας που αποδίδει το σώμα στο περιβάλλον.
Είναι πιθανό, όμως, να σκεφτεί κανείς ότι αν κάποιος δεν καταναλώνει ενέργεια με τις διάφορες εργασίες κι αν δεν αποβάλλει θερμότητα στο περιβάλλον με τη βοήθεια κατάλληλης μόνωσης θα μπορεί να ζήσει χωρίς να τρέφεται. Αυτό είναι λάθος! Το σώμα δεν καταναλώνει ενέργεια εφ' όσον η ενέργεια διατηρείται σύμφωνα με τον 1ο νόμο της θερμοδυναμικής αλλά μετατρέπει την ενέργεια από μια μορφή (ενέργεια χημικών δεσμών των μορίων της τροφής) σε μια άλλη (θερμότητα).
Εδώ θα προχωρήσουμε στον 2ο νόμο της θερμοδυναμικής.
Ας αρχίσουμε με το παράδειγμα μίας σβούρας που σταματάει την περιστροφική κίνηση της λόγω των τριβών. Οι τριβές -δηλαδή οι άτακτες συγκρούσεις των μορίων της σβούρας με τα μόρια του δαπέδου στο σημείο επαφής και με τα μόρια του αέρα που την περιβάλλει- παράγουν θερμότητα που μεταφέρεται και στη σβούρα και στο δάπεδο και στον αέρα. Αυτή η θερμότητα παράγεται σε βάρος της κινητικής ενέργειας της σβούρας, η οποία τελικά σταματάει. Δεν σταματάει, όμως, η άτακτη κίνηση κάθε μορίου της σβούρας ή του αέρα ή του δαπέδου. Αντίθετα, η κίνηση αυτή αυξάνεται λόγω της θερμότητας που απορροφήθηκε. Η αντίστροφη διαδικασία όμως δεν πραγματοποιείται. Τα μόρια του αέρα, του δαπέδου και της σβούρας δεν δίνουν πίσω τη θερμότητα ώστε η σβούρα ν' αρχίσει να περιστρέφεται μόνη της. Δηλαδή η θερμότητα δεν μπορεί να μετατραπεί σε κινητική ενέργεια.
Το παράδειγμα αυτό μας δείχνει ότι οι διάφορες μορφές ενέργειας δεν είναι το ίδιο εύκολα διαθέσιμες ή καλύτερα μετατρέψιμες. Υπάρχει μια αναλογία με το σε τι νόμισμα έχει κανείς τα χρήματά του για να τα μετατρέψει σε άλλο νόμισμα.
Οι πρακτικές συνέπειες των περιορισμών αυτών μετατροπής είναι τεράστιες. Σκεφτείτε ότι η ενέργεια λόγω της άτακτης κινήσεως των μορίων της Γης μας είναι ουσιαστικά μη μετατρέψιμη. Πρόκειται για ένα τεράστιο ποσό ενέργειας, υποβαθμισμένης σε τέτοιο βαθμό ώστε να είναι σχεδόν αδύνατο να χρησιμοποιηθεί. Αν είχαμε στην διάθεσή μας ένα μικρό μόνο ποσοστό της ενέργειας κάθε μορίου της Γης, τέτοιο που να αντιστοιχεί στη μείωση της μέσης θερμοκρασίας της Γης κατά έναν μόνο βαθμό, θα είχαμε λύσει τις ανθρώπινες ενεργειακές ανάγκες για 10.000.000 χρόνια !
Αν προσέξουμε, λοιπόν, διάφορα παραδείγματα, θα διαπιστώσουμε ότι σαν έργο, η ενέργεια βρίσκεται σε κατάσταση οργανωμένης κίνησης, ενώ στη θερμότητα η ενέργεια βρίσκεται σε κατάσταση χαώδους κίνησης (ανοργάνωτης). Είναι δυνατό βέβαια, ένα μέρος της χαώδους θερμικής κίνησης να μπει σε τάξη, αλλά η πλήρης οργάνωση της θερμικής κίνησης είναι τελείως απίθανη.
Ο 2ος θερμοδυναμικός νόμος πάει λίγο πιο πέρα και μας λέει ότι η πλήρης μετατροπή της θερμότητας (ανοργάνωτη ενέργεια) σε έργο (οργανωμένη ενέργεια) είναι αδύνατη.
Εκφράζει ακριβώς, μια γενική οικουμενική τάση για υποβάθμιση της ενέργειας.
Κοιτάζοντας γύρω μας, θα δούμε ότι κάθε φαινόμενο που συμβαίνει αυθόρμητα π.χ. το σπάσιμο ενός ποτηριού, η ανάμιξη δύο υγρών, η πτώση μιας πέτρας, γίνεται κατά τρόπο που να πηγαίνουμε από κατάσταση μεγαλύτερης οργάνωσης σε κατάσταση μικρότερης οργάνωσης. 'Ετσι ο 2ος νόμος της θερμοδυναμικής μπορεί να διατυπωθεί ως εξής: 'η κατεύθυνση κάθε αυθόρμητης μεταβολής ενός συστήματος είναί από κατάσταση μίκρότερης αταξίας σε κατάσταση μεγαλύτερης αταξίας".
'Ολοι γνωρίζουμε ότι το να τακτοποιήσεις (να βάλεις σε τάξη) ένα σπιτικό, γίνεται πολύ πιο δύσκολα από ό,τί το αντίθετο.
Το σώμα μας εξ άλλου είναι ένα σύστημα πολύ υψηλής οργάνωσης. 'Ενα απλό μόριο πρωτεΐνης αποτελείται από εκατομμύρια άτομα συνδεδεμένα μεταξύ τους με αυστηρή οργάνωση. Τα κύτταρα είναι ακόμη πιο σύνθετες δομές. Οι εξειδικευμένες λειτουργίες τους μέσα στο σώμα εξαρτώνται. από την ειδική δομή καί θέση τους.
'Ολα, λοιπόν, τα πολύ καλά οργανωμένα συστήματα αν αφεθούν ανεπηρέαστα θα τείνουν αυθόρμητα, σύμφωνα με τον 2ο νόμο της θερμοδυναμικής να ελαττώσουν τον βαθμό οργάνωσής τους και μόλις αποδιοργανωθούν θα πάψουν να λειτουργούν.
'Αρα πρέπει να προσφέρουμε έργο συνεχώς στο σύστημα για να παρεμποδίζεται η αποδιοργάνωσή του. Για παράδειγμα το αίμα που κυκλοφορεί στις φλέβες και στις αρτηρίες, υπόκειται σε τριβή που μετατρέπει την κινητική ενέργεια σε θερμότητα και επιβραδύνει την κίνησή του. Αν κάποια ενέργεια δεν καταναλώνεται για την κίνηση του αίματος, το αίμα θα σταματούσε να ρέει σε λίγα δευτερόλεπτα. Τα νεκρά κύτταρα πρέπει συνεχώς να ανανεώνονται με νέα και εφ' όσον ο οργανισμός αυξάνεται νέοι ιστοί πρέπει να κατασκευαστούν. Για την πραγματοποίηση αυτής της αντικατάστασης και της ανάπτυξης νέες πρωτεΐνες καθώς και άλλα κυτταρικά συστατικά πρέπει να οικοδομηθούν από μικρότερα και απλούστερα υλικά.
Επομένως, μπορούμε να πούμε ότι: "η διαδικασία της ζωής συνίσταται από την οικοδόμηση και διατήρηση οργανωμένων δομών". Δηλαδή, σε αντίθεση με τη φυσική τάση για αποδιοργάνωση, η διαδικασία της ζωής απαιτεί κατανάλωση έργου. Το απαιτούμενο έργο για τη συντήρηση των οργανωμένων δομών στο σώμα λαμβάνεται από την χημική ενέργεια των τροφών.
Βέβαια, χρειάζεται να παρατηρήσουμε, και αυτό έχει μεγάλη σημασία, ότι για να οργανωθούν ανώτερες, πολυπλοκότερες δομές χρειάζεται να σπάσουν άλλες απλούστερες, όπως συμβαίνει με τις τροφές σε έναν οργανισμό κατά την εργασία του μεταβολισμού. 'Οταν η χημική ενέργεια των δεσμών των μορίων στις τροφές ελευθερώνεται, η οργανωμένη δομή καταρρέει και ό,τι απομένει αποβάλλεται από τον οργανισμό σαν άχρηστο υλικό με σημαντικά μειωμένο βαθμό οργάνωσης.
Το ποσό της αταξίας που υπάρχει σε ένα σύστημα μπορεί να εκφραστεί ποσοτικά με τη βοήθεια ενός νέου μεγέθους που το ονομάζουμε ε ν τ ρ ο π ί α.
Σε κοσμική κλίμακα, κατά αναλογία, το Σύμπαν συμπεριφέρεται όπως μια σταγόνα μελάνης που χύνεται σε ένα ποτήρι νερό και διαλύεται. Οι αστεροειδείς θρυμματίζονται, τα άστρα πεθαίνουν, οι γαλαξίες απομακρύνονται ο ένας από τον άλλον.
Οι υποστηρικτές της θεωρίας της εξέλιξης επικαλούνται τον 2ο θερμοδυναμικό νόμο, λέγοντας ότι ένα Σύμπαν που οδηγείται προς το χάος θα ήταν αδύνατο να δημιουργήσει συγκροτημένες μορφές ζωής, χωρίς κάποια ανώτερη επέμβαση. 'Ολοι συμφωνούν ότι η εντροπία αυξάνεται στα κλειστά συστήματα, τα οποία πρακτικά δεν ανταλλάσσουν ενέργεια ούτε ύλη με το περιβάλλον τους. Δέχονται ότι ένα ανοικτό σύστημα όπως ένας πλανήτης, κατορθώνει συχνά να αποφύγει την πορεία προς την αυξανόμενη αταξία π.χ. απορροφώντας ενέργεια από τον ήλιο και έτσι αποτελεί "μικροχώρο" τάξης μέσα σε ένα χαοτικό Σύμπαν. Τα ανοικτά συστήματα τείνουν να αποσυντεθούν, εκτός αν υπάρχει κάποιος μηχανισμός επεξεργασίας της ενέργειας που παίρνουν από το περιβάλλον. Ο βιοχημικός Isaac Asimov λέει: "ακόμα και στον μεσοαστρικό χώρο παρατηρούνται πολύπλοκα μόρια να σχηματίζονται από απλούστερα στοιχεία".
Τελικά είναι κλειστό ή ανοικτό το Σύμπαν; Ποιά ενέργεια το συντηρεί για να μην καταρρεύσει. προς τη χαώδη κατάσταση;
Μήπως αυτή η ενέργεια συνδέεται ή ταυτίζεται με την Ενέργεια του Κενού;
’Ενα ανθρώπινο πλάσμα μπορεί να είναι ένας μειωτήρας της εντροπίας.
Βάσει του 2ου νόμου της θερμοδυναμικής όλες οι μεταβολές στο Σύμπαν έχουν σαν κινητήρια δύναμη τη μεταφορά ενέργειας, και σε κάθε περίπτωση, το αποτέλεσμα είναι μια ομαλότερη κατανομή ενέργειας, δηλαδή υψηλότερη εντροπία, αν θεωρήσουμε το σύστημα σαν ενιαίο σύνολο. 'Ομως μέσα στο σύστημα υπάρχουν και υποσυστήματα, στα οποία ως έναν βαθμό μπορεί να αντιστρέφεται η διαδικασία και η εντροπία μειώνεται.
'Ολοι οι ζώντες οργανισμοί και επομένως και ο άνθρωπος έχουν την ικανότητα αύξησης της τάξης σε βάρος της αταξίας, δηλαδή μπορούν ν' αντιστρέφουν τη φυσική διαδικασία της εντροπίας. Για τον άνθρωπο που μπορεί ν' αναπτύξει συνειδητότητα η αύξηση της τάξης σε βάρος της αταξίας, δηλαδή η μείωση της εντροπίας, μπορεί να γίνει σε πολλά επίπεδα και όχι μόνο στο επίπεδο της αδρής ύλης του κόσμου των αισθήσεων. Πόσο άραγε έχουν προβληματιστεί οι άνθρωποι της Γης για το τι σημαίνει η μείωση της εντροπίας στα λεπτότερα πεδία; Πώς επιτυγχάνεται αυτή η μείωση της αταξίας σε τέτοια πεδία;...
Σταμάτης Τσαχάλης
2. Θερμοδυναμική - παλιοί νόμοι για τις σύνθετες παθήσεις
Richard Strohman Nature Biotechnology 2003
Απόδοση στα ελληνικά: ΑΛΕΞΑΝΔΡΑ ΖΕΡΒΟΥΔΑΚΗ Καρδιολόγος
Η έρευνα για νέους νόμους στην ιατρική αρχίζει με την ανατολή της μοριακής βιολογίας και με τον Max Delbruck που έφερε πρώτος από τη φυσική στη βιολογία την ιδέα ότι οι ζωντανοί οργανισμοί, αν και εν τέλει αναγώγιμοι στους φυσικούς, παγκόσμιους νόμους, εμφανίζουν ιδιότητες που δε χαρακτηρίζουν τον ανόργανο κόσμο και ίσως λειτουργούν με βάση ιδιαίτερους νόμους. Η ιστορία της μοριακής βιολογίας καθ' όλη τη διάρκεια του 20ου αιώνα περιλαμβάνει την αποτυχία εύρεσης τέτοιων νόμων, γεγονός που έστρεψε το ερευνητικό ενδιαφέρον προς τη γενετική, προς αναζήτηση γενετικών νόμων, ώστε να κατανοηθούν καλύτερα οι μηχανισμοί της φυσιολογίας και της παθολογίας των έμβιων όντων. Και ασφαλώς η νέα αποτυχία γέννησε το νέο ερώτημα «αν όχι στο γονιδίωμα, τότε πού είναι το πρόγραμμα και τι είναι η φύση;».
Πενήντα χρόνια μετά την εμφάνιση της μοριακής βιολογίας, στο συνέδριο της CIBA σχετικά με τα όρια της εξαγωγής νόμων από τη βιολογία (1997), ο φιλόσοφος Tomas Nagel αναφέρθηκε σ' αυτή την έλλειψη κατανόησης που χαρακτηρίζει τη βιολογική έρευνα, καταλήγοντας: «...οι πεπερασμένες διανοητικές και υπολογιστικές μας δυνατότητες σημαίνουν ότι είτε δεν μπορούμε να συλλάβουμε την υπέρτατη βιολογική ερμηνεία...είτε ότι δεν μπορούμε να συνδυάσουμε παραγωγικά τους παλιούς, παγκόσμιους φυσικούς νόμους με φαινόμενα υψηλότερης τάξης. Γι' αυτό -είπε επαναλαμβάνοντας τα λόγια του Delbruck- ίσως οι βιολόγοι χρειάζεται να ανακαλύψουν νέους νόμους για τη ζωή». Η φύση της σχέσης μεταξύ των φυσικών νόμων και των φαινοτύπων της έμβιας ύλης αρχίζει τώρα να προσλαμβάνει νέες διαστάσεις, αν και ένας συνδετικός κρίκος είναι ήδη γνωστός από καιρό. Οι νόμοι της θερμοδυναμικής και της κινητικής συνδέονται με τους φαινοτύπους των οργανισμών μέσω της διαμεσολάβησης των δυναμικών συστημάτων. Δυστυχώς, αυτό το θεμελιώδες ζήτημα έμεινε στην αφάνεια, καθώς οι ερευνητές προσπαθούσαν απεγνωσμένα να ανακαλύψουν ερμηνευτικούς παράγοντες στους χώρους των genomics και των proteomics. Κοιτώντας προς τα πίσω, αυτή η αντικατάσταση των βασικών μηχανισμών με τους παράγοντες μπορεί να θεωρηθεί σαν μέγα επιστημολογικό σφάλμα. Παρ' όλ' αυτά, η μοριακή βιολογία έχει πλέον ακολουθήσει το μονοπάτι από το γονότυπο στο φαινότυπο προς ένα τελικό στόχο, ο οποίος έχει προσδιορισθεί σαν ανοιχτά, αυτο-οργανούμενα μοριακά συστήματα, στα πλαίσια των οποίων βρίσκονται διεσπαρμένοι ρυθμιστικοί και ανασταλτικοί μηχανισμοί, εν τω μέσω πολλών αλληλο- επιδρώντων συστημάτων. Το παγκόσμιο μεταβολικό σύστημα που συνοψίζεται στο «Χάρτη του Μεταβολισμού» αποτελεί ένα τέτοιο παράδειγμα.
Αυτό που γίνεται πλέον σαφές είναι ότι ο δυναμικός χώρος του μεταβολισμού όπου συναντώνται οι παγκόσμιοι νόμοι της θερμοδυναμικής και της κινητικής με το φαινότυπο του οργανισμού. Τα οργανωτικά επίπεδα όπου εφαρμόζεται αυτή η σύνδεση είναι η φυσιολογία του κυττάρου και των οργανισμών, ο ανθρώπινος οργανισμός στο σύνολό του και οι ανθρώπινοι πληθυσμοί. Στην τελευταία περίπτωση, έχουμε από τη μία πλευρά δυναμικά, φυσιολογικά συστήματα και από την άλλη τα μονοπάτια της εκφύλισης και του γήρατος που σχετίζονται με την ηλικία, την εμπειρία, τη δίαιτα και την άσκηση. Συνεπώς, η γλώσσα της βιοενεργητικής μπορεί να περιγράψει το δυνητικό και κινητικό ενεργειακό επίπεδο ενός κυττάρου, ενός ιστού, ενός οργάνου, ολόκληρου του οργανισμού και, κατά κάποιο τρόπο, ενός ολόκληρου πληθυσμού.
Για τους επιστήμονες που είναι εθισμένοι στην ερμηνεία των διαφόρων παθήσεων με όρους γονιδίων και πρωτεϊνών, αυτή η προσέγγιση μπορεί να φαίνεται σχεδόν ακατανόητη. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση όχι μόνο αντανακλά μια πολυσύνθετη επιστήμη των δυναμικών συστημάτων, αλλά επίσης προτείνει αρκετές πρακτικές προσεγγίσει της πρόληψης και της θεραπείας των διαφόρων ασθενειών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι περισσότερες ασθένειες εμφανίζονται σαν βιοενεργειακά ελλείματα - είτε οφείλονται σε γονιδιακές ή πρωτεϊνικές μεταβολές, τοξικούς περιβαλλοντικούς παράγοντες, υπερβολική κατανάλωση θερμίδων ή ανεπαρκή φυσική δραστηριότητα.
Θερμοδυναμική και σύνδεση γονοτύπου-φαινοτύπου
Το ανθρώπινο γονιδίωμα είναι αρχαίο, διατηρημένο και προσαρμόσιμο. Πράγματι περιέχει πολλές αλληλιακές παραλλαγές, αλλά η φύση δε φαίνεται
να έχει επενδύσει και πολύ σε γονίδια που ελέγχουν ή προκαλούν σύνθετες παθήσεις. Μόνο το 2% από το δυνητικό φορτίο ενός ανθρώπου μπορεί να οφείλεται σε μονογονιδιακά αίτια. Συνεπώς, στο 98% των περιπτώσεων το γονιδίωμά μας είναι υγιές, προσαρμόσιμο και ικανό να επωμισθεί ένα προσδόκιμο ζωής περίπου 80 ετών, με τα σημερινά δεδομένα, χωρίς κλινικές παρεμβάσεις. Η εντολή για υγιή, χωρίς κλινικά προβλήματα, ζωή βρίσκεται γραμμένη στα χρωματοσώματά μας με τη μορφή μιας κατά 0,5% ετήσιας έκπτωσης στις φυσιολογικές λειτουργίες μας (VO2MAX). O ανθρώπινος οργανισμός είναι τόσο ισχυρός ώστε, όταν ο καθένας μας αναλάβει την ευθύνη να αποφύγει απώλειες μεγαλύτερες από το 80% στις ζωτικές λειτουργίες μας, θα μπορούσε να ζήσει λογικά χωρίς ιατρική θεραπεία για όλες αυτές τις σύνθετες παθήσεις που τόσο συχνά εμφανίζονται σε ήδη προβληματικά φυσιολογικά συστήματα.
Η δραστηριότητα ενός ενζύμου σε ένα μεταβολικό μονοπάτι υπόκειται σε μεταβολές. Για παράδειγμα, μια μεταβολή σε ένα ένζυμο που εμπλέκεται στον καταβολισμό των αμυλοειδών μπορεί να μεταβάλει τη συγκέντρωση των αμυλοειδών στον οργανισμό. Ωστόσο, παρόμοιες μεταβολές μπορεί να προέλθουν από περιβαλλοντικές ή συμπεριφεριολογικές επιδράσεις, όπως το τραύμα, η πολυφαγία, ο κλινοστατισμός. Τα μεταβολικά μονοπάτια εμφανίζουν αλληλοσυνδέσεις και σε πολλές περιπτώσεις μπορεί να αλληλοεπικαλύπτονται. Η ικανότητα να «βραχυκυκλώνουν» συγκεκριμένους ενζυματικούς φραγμούς ευθύνεται για τη συνήθη αδυναμία μας να ανιχνεύσουμε ένα συγκεκριμένο «φαινότυπο» σε πολλά γονιδιακά "knockouts", ενώ παράλληλα καλούμαστε να ερμηνεύσουμε γιατί τα γονιδιακά ελλείμματα χρειάζονται ειδικές συνθήκες ώστε να «παράγουν το φαινότυπο μιας νόσου». Τέτοιες διορθώσεις ελλειμμάτων καθοδηγούνται από τις αρχές της θερμοδυναμικής, οι οποίες μπορούν, κατά περίπτωση, να υπερκεράσουν κινητικούς φραγμούς. Συνεπώς, τα αλληλοσυνδεόμενα μεταβολικά μονοπάτια δρουν από κοινού σαν συγκροτημένο σύνολο συχνά ικανό να διορθώσει γενετικές ή άλλες αδυναμίες, βραχυκυκλώνοντας το προβληματικό ένζυμο. Οι αυθόρμητες διορθώσεις οδηγούνται από θερμοδυναμικές αρχές που ευνοούν μια «αύξηση στο ρυθμό της ενεργειακής αποδόμησης της διαθέσιμης ενέργειας ενός συστήματος, δηλαδή οργανισμού συν περιβάλλοντος».
Η μεταγραφή του γονιδιώματος ρυθμίζεται από αυξομειούμενες συγκεντρώσεις μεταβολιτών: ΝAD+ και ΝADΗ και άλλα συναπτικά σήματα αντιπροσωπεύουν μεταβολές λεπτό προς λεπτό στη βιοενεργειακή κατάσταση του κυττάρου. Μεταβολές στη γλυκόζη, στα στεροειδή, στα λιπαρά οξέα, στα ρετινοειδή και σε πολλούς άλλους μεταβολίτες, τα οποία ανιχνεύονται συνδεδεμένα με τους μεταγραφικούς παράγοντες, ώστε να επάγουν τη σιγή ή την ενεργοποίηση των αντίστοιχων γονιδίων.
Συνεπώς, η έκφραση του γονιδιώματος ρυθμίζεται μέσω βιοχημικών μηχανισμών
που «αισθάνονται» τη βιοενεργειακή κατάσταση του κυττάρου. Με τους όρους της κυρίαρχης τριάδας στη βιολογία, γονίδιο-οργανισμός-περιβάλλον, όλη η εξέλιξη και η πορεία ενός έμβιου οργανισμού μπορεί να αναλυθεί από τη σκοπιά της θερμοδυναμικής, συνδεδεμένης με τα εμπόδια από κινητικές και άλλες αλληλεπιδράσεις των οργανωμένων μοριακών συστημάτων.
Το σημαντικό ζήτημα είναι ότι οι γενετικές μεταβολές μαζί με περιβαλλοντικές και συμπεριφεριολογικές αλλαγές φιλτράρονται από τα πιστά διατηρούμενα και ρυθμιζόμενα επιγενετικά δίκτυα του ελέγχου του πολλαπλασιασμού των γονιδίων, της σύνθεσης των πρωτεϊνών, του μεταβολισμού και των συστημάτων μεταγωγής σημάτων. Στα πλαίσια αυτών των δυναμικών, αυτο-οργανούμενων, πρωτεϊνικών και μικρομοριακών δικτύων έρχονται σε επαφή γενετικά, περιβαλλοντικά και συμπεριφεριολογικά στοιχεία. Έτσι, προκύπτουν οι ακόμη ανεξήγητοι φυσιολογικοί ή παθολογικοί φαινότυποι. Όλες αυτές οι διεργασίες και η παραγωγή του τελικού φαινοτύπου μπορεί να παραμένουν «ανεξήγητες», αλλά πρόκειται μάλλον για διαπραγματεύσεις των οποίων η έκβαση μπορεί να προβλεφθεί και να κατανοηθεί, αντιπαραθέτοντας τις βιοχημικές μετρήσεις και τη μεταβολική ανάλυση στις θερμοδυναμικές και κινητικές εξισώσεις που περιγράφουν την παραγωγή έργου και θερμότητας ενός υγιούς φαινοτύπου. Εάν υπάρχει ένας νέος «νόμος» που αφορά στις παραπάνω διεργασίες, αυτός προέρχεται από την ανάλυση του μεταβολικού ελέγχου και διατυπώθηκε στα 1981 από τους Kacser και Burns.
Ανάλυση μεταβολικού ελέγχου σε ειδικούς παθολογικούς φαινοτύπους
Το τρέχον παράδειγμα της μοριακής ιατρικής υποστηρίζει ότι τόσο ο φαινότυπος μιας πάθησης όσο και η θεραπεία της προέρχονται από τα ένζυμα-κλειδιά που ρυθμίζουν συγκεκριμένα μεταβολικά, μεταγωγικά ή άλλα μονοπάτια. Αντίθετα, λεπτομερής, ποσοτική ανάλυση των με- ταβολικών μονοπατιών δείχνουν ότι η ροή κατά μήκος ενός τέτοιου μονοπατιού και άρα ο φαινότυπος, ρυθμίζεται από πολλά ένζυμα που συμμετέχουν στο εν λόγω μονοπάτι. Επιπλέον, ο βαθμός του παραπάνω ενζυματικού ελέγχου επηρεάζεται από το περιβάλλον. Τα μοντέλα που προέρχονται από τη μεταβολική ανάλυση βασίζονται σε θεμελιώδεις ιδιότητες, όπως οι κινητικές σταθερές κάθε ενζυματικής αντίδρασης και προς τις δύο κατευθύνσεις του μεταβολικού μονοπατιού, στη σταθερά ισορροπίας κάθε αντίδρασης, στη συγκέντρωση των ουσιών που συμμετέχουν σε κάθε αντίδραση καθώς και των μεταβολιτών που προκύπτουν. Γνωρίζοντας τις βασικές λεπτομέρειες κάθε αντίδρασης, μπορούμε να καθορίσουμε με ακρίβεια το ρυθμό της ροής των αντιδράσεων σε κάθε μονοπάτι. Σε ό,τι αφορά τις γενετικές επιδράσεις σε κάθε ενζυματικό σημείο ενός μονοπατιού, «το προϊόν ενός συστήματος, άρα και η ροή του, αποτελεί μια ιδιότητα του συστήματος και, συνεπώς, η απάντηση αυτού του συστήματος σε επιδράσεις που ασκούνται σε ένα σημείο του θα πρέπει να μετρηθεί στο επίπεδο ολόκληρου του συστήματος» (Richard Veech).
Ας πάρουμε για παράδειγμα το πρόβλημα της παχυσαρκίας σαν μοντέλο υπερβολικής πρόσληψης υδρογονανθράκων και θερμίδων. Ο αμφιλεγόμενος μεταβολίτης του μονοπατιού της μονοφωσφορικής εξόζης, η φωσφορική-5-ξυλουλόζη, ρυθμίζει όχι μόνο τις άμεσες δράσεις της πρόσληψης υδατανθράκων στη δράση της κινάσης φωσφατάσης της 2,6-φρουκτόζης, αλλά επίσης και τις μακροπρόθεσμες δράσεις του μεταγραφικού παράγοντα που αποκρίνεται στη γλυκόζη ChREBP, ο οποίος ελέγχει τη μεταγραφή των ενζύμων που συμμετέχουν στη σύνθεση των λιπών και της χοληστερόλης. Συνεπώς, η έκφραση των γονιδίων που είναι υπεύθυνα για την παχυσαρκία ελέγχεται από έναν απλό, ενδιάμεσο μεταβολίτη.
Ανάλογα, το ένζυμο που ευθύνεται για τη σιγή του γονιδίου της αποακετυλάσης των ιστονών που εξαρτάται από το NAD (NAD dependent histone deacetylase) Sir2 επηρεάζεται από τη σχετική έλλειψη υδατανθράκων. Η δραστηριότητα αυτού του ενζύμου ελέγχεται όχι μόνο από τη διαθεσιμότητα του NAD, του πανταχού παρόντος μεταφορέα μεταβολικών αναγωγικών ισοδυνάμων στα μιτοχόνδρια, αλλά και των ταπεινών του μεταβολιτών, όπως η νικοτιναμίδη.
Η εφαρμογή των αρχών της ανάλυσης του μεταβολικού ελέγχου στη θεραπεία των σύνθετων παθήσεων επαληθεύεται και από τη δυνητική εφαρμογή της ήπιας κετοξέωσης σε πολλές παθήσεις. Η ήπια κετοξέωση είναι μια φυσιολογική αντίδραση στην πείνα και έχει χρησιμοποιηθεί εμπειρικά εδώ και έναν περίπου
αιώνα στη θεραπεία της ανθιστάμενης επιληψίας. Πρόσφατα αναφέρθηκε ότι ο μεταβολισμός των κετοσωμάτων μπορεί να αυξήσει τη μιτοχονδριακή παραγωγή του ΑΤΡ και το μετρούμενο υδραυλικό έργο της καρδιάς κατά 28% σε σύγκριση με τη χορήγηση γλυκόζης. Επιπλέον, τα κετοσώματα δείχθηκε ότι παρέχουν μια εναλλακτική πηγή για το ισοένζυμο ακετυλ-Α και άλλους μεταβολίτες του κύκλου των τρικαρβοξυλικών οξέων.
Αυτές οι παρατηρήσεις οδήγησαν στην ανακάλυψη ότι ο θάνατος των νευρώνων του ιπποκάμπου που προκαλεί το αμυ λοειδές β, ο αιτιοπαθογενετικός παράγοντας της νόσου του Alzheimer, μπορεί να προληφθεί, τουλάχιστον σε καλλιέργειες κυττάρων, με τη χορήγηση κετοσωμάτων. Ομοίως, η εκτεταμένη τοξική βλάβη που θεωρείται σημαντική για το θάνατο των μεσεγκεφαλικών ντοπαμ ινεργικών νευρώνων στα πλαίσια της παθοφυσιολογίας της νόσου του Parkinson μπορεί να προληφθεί με τη χορήγηση κετοσωμάτων.
Τέλος, η καρδιακή ανεπάρκεια μετά από απόφραξη των στεφανιαίων αρτηριών μπορεί να οφείλεται σε βλάβες των μηχανισμών της γλυκόλυσης. Συνεπώς, η πάθηση αυτή, που πλήττει κάθε χρόνο ένα εκατομμύριο νέους ασθενείς, θα μπορούσε επίσης να αντιμετωπισθεί με τη χορήγηση κετοσωμάτων. Παρόμοια αποτελέσματα έχουν αναφερθεί σε μελέτες που χρησιμοποίησαν την έγχυση ουσιών σε καρδιές πειραματοζώων-μοντέλων της μυϊκής δυστροφίας Duchenne, μια νόσος μονογονιδιακής αιτιολογίας που πλήττει ετησίως 1/3.500 νεογέννητους άρρενες.
Συμπέρασμα
Διαθέτουμε ήδη μια πλήρη «γραμματική» για το μεταβολικό χάρτη, απ' όπου μπορούμε να μελετήσουμε τις διάφορες δυνάμεις οι οποίες δρουν σε κυτταρικό επίπεδο, τροποποιώντας τη διαδρομή πολλών βιοχημικών αντιδράσεων, προ καλώντας πρώιμο κυτταρικό θάνατο ή εκφύλιση. Δυστυχώς, η σχετική έρευνα δε γίνεται με εντατικό ρυθμό λόγω της μονολιθικής πίστης στη γενετική βάση των ανθρώπινων σύνθετων παθήσεων.
RSS Feed
