Solubiologia

Solubiologia on soluja tutkiva tiede. Solubiologia tutkii pääasiassa solujen fysiologisia ominaisuuksia, rakennetta, niiden sisältämiä soluelimiä, vuorovaikutusta ympäristön kanssa, solun jakautumista, solusykliä sekä ohjelmoitua solujen itsetuhoa eli ohjelmoitua solukuolemaa. Tutkimusta tapahtuu sekä mikroskooppisella että molekulaarisella tasolla. Solubiologian tutkimuskohteet ulottuvat yksisoluisista eliöistä, kuten bakteerit ja tietyt yksinkertaiset sienet erittäin monimutkaisiin eliöihin, kuten ihminen ja niiden soluihin. Nykyään solubiologinen tutkimus yhdistelee biologian lisäksi osia useilta eri tieteenaloilta, kuten fysiikasta, kemiasta ja matematiikasta.
Solubiologiaan läheisesti liittyvä tieteenala on muun muassa kehitysbiologia eli alkion kehityksen tutkimus hedelmöityksestä aikuiseksi eliöksi. Myös genetiikka, biokemia ja molekyylibiologia ovat keskeisiä solubiologiaan liittyviä tieteenaloja.
Koska eliöiden määrä maapallon ekosysteemissä on valtava, solubiologia (kuten muutkin biotieteet) keskittyy mallieliöiden tarkasteluun. Niistä usein saadaan tietoa, jota voidaan soveltaa myös muihin eliöihin, esimerkiksi ihmisiin. Tämä on tärkeää erityisesti kokeellisessa genetiikassa, koska risteytyskokeiden tekeminen ihmisellä on mahdotonta. Genetiikan yleisimpiä mallieliöitä ovat ihmisen lisäksi muun muassa banaanikärpänen, kotihiiri, "Arabidopsis thaliana" eli lituruoho ja "Aspergillus nidulans" -home.
Solubiologian voidaan ajatella alkaneen, kun Robert Hooke vuonna 1665 havaitsi korkkisoluja alkeellisella mikroskoopillaan. Vuonna 1683 Anton van Leeuwenhoek havaitsi yksisoluisia eliöitä, jotka nykyään tunnetaan alkueläiminä. Vaikka solut oli havaittu 1600-luvulla, niiden merkitys ymmärrettiin vasta 200 vuotta myöhemmin.Itse soluteoria sai alkunsa, kun Matthias Schleiden ja Theodor Schwann ehdottivat, että kaikki eliöt rakentuvat soluista, vuosina 1838 ja 1839.
Lyhyt johdatus solubiologiaan.
Alla oleva on lyhyt yläaste-lukiotasoinen johdatus solubiologiaan.
1. Kaikki eliöt rakentuvat soluista.
Solu on elämän perusyksikkö. Eliöt voivat olla yksisoluisia (kuten bakteerit, tietyt hiivat, alkueliöt, ja tietyt kasvit kuten dinoflagellaatit) tai monisoluisia (kuten selkärankaiset eläimet ja hyönteiset sekä putkilokasvit). Yksittäisten solujen koko vaihtelee paljon:
Vaikka solujen koot voivat vaihdella näinkin paljon, useimpien eliöiden solut ovat 10–30 µm halkaisijaltaan. Bakteerisolut (1–2 µm) ovat paljon pienempiä. Useimmat solut ovat näkymättömiä paljaalle silmälle. Solujen pienen koon ansiosta etäisyydet ovat riittävän pieniä diffuusion kannalta ja solut voivat muun muassa vastata ärsykkeisiin nopeasti.
2. Kaikkia soluja rajoittaa solukalvo.
Solukalvo on kaksoiskerros, joka koostuu rasvoista. Kalvolla on proteiineja, jotka sekä läpäisevät sen, että ovat kiinnitettyjä vain pinnallisesti, joista osa on erittäin monimutkaisia ja suuria. Solukalvon proteiinit toimittavat useita tehtäviä: muun muassa toimivat solujen välisessä tunnistuksessa ja signaloinnissa sekä tekevät solukalvosta läpäisevän tietyille aineille. Solukalvo toimiikin puoliläpäisevänä kalvona, joka pitää karkeasti yleistettynä elämälle tärkeät molekyylit solun sisällä ja haitalliset ulkona. Tämän johdosta solut laajenevat, kun vettä tulee soluun sisään (kts. osmoosi).
3. Soluilla on monimutkainen sisäinen rakenne.
Solujen sisäinen rakenne koostuu makromolekyyleistä, kuten proteiinit, nukleiinihapot, hiilihydraatit sekä rasvat. Nämä eivät ole vain satunnaisessa sekamelskassa solun sisällä, vaan muodostavat erittäin järjestäytyneen ja monimutkaisen mekanismin; solun. Solut voidaan jakaa kahteen pääryhmään: esitumallisiin sekä aitotumaisiin.
Aitotumaiset, eli "tumalliset solut", ovat suurempia ja monimutkaisempia soluja, jotka muodostavat kasvit, eläimet ja sienet. Geneettinen materiaali säilytetään erillisen osaston, tuman sisällä. Aitotumaisten järjestäytyneempi sisäinen rakenne jakaantuu sisäisiin osastoihin (muun muassa soluelimet) ja sisäiseen luurankoon, eli solun tukirankaan.
Esitumalliset taas ovat yksinkertaisempia, ja erityisesti pienempiä soluja. Niillä ei ole tumaa.
4. Kaikki solut pystyvät käsittelemään energiaa.
Kaikki solut pystyvät käyttämään raaka-aineita, kuten ravinteita ja valoa varastoimaan energiaa, jota käytetään ylläpitämään solujen järjestäytynyt sisusta. Nämä prosessit sisältävät energian muutosta muodosta toiseen (esimerkiksi valon sähkömagneettinen energia kemialliseksi energiaksi). Koska energiamuunnokset eivät koskaan ole sataprosenttisen tehokkaita, (hukka)lämpöä tuotetaan. Suurissa eliöissä tämä saattaa muodostua ongelmaksi pienen pinta-ala/tilavuus-suhteen vuoksi. Tämän seurauksena esimerkiksi norsujen ja valaiden solut toimivat paljon verkkaisemmin kuin pienten eliöiden, kuten bakteerien ja alkueliöiden solut.
Mitokondrioiden sisältämät elektroninsiirtoketjut toimivat solussa paikkana, jossa ruuan (pääasiassa glukoosin) sisältämä kemiallinen energia talletetaan ATP:n muotoon. Viherhiukkaset sisältävät samantyyppisiä, mutta erilaisia ketjuja, jotka muuntavat auringonvalon kemialliseksi energiaksi, glukoosiksi (pääasiassa) fotosynteesissä.
5. ATP on universaali energiamolekyyli.
ATP eli adenosiinitrifosfaatti on melko pieni biomolekyyli, joka sisältää suurienergiaisia fosfoanhydridi-sidoksia sekä negatiivisen varauksen luomaa potentiaalienergiaa. Solut käyttävät ATP:tä yhdistämään energiantuotannon energian käyttöön, jolloin niiden ei tarvitse tapahtua samassa paikassa samaan aikaan. Esimerkiksi erilaisten yhdisteiden aktiivinen kuljetus solun sisällä solun tukirankaa pitkin käyttää ATP:tä, kuten itse solujen kokonaisvaltainen liikekin. Myös aktiivinen kuljetus saa energiansa ATP:stä.
ATP:n käyttö on melko suurta. Keskimääräisessä levossa olevassa 75-kiloisessa ihmisessä 40 kiloa ATP:tä valmistetaan ja käytetään joka päivä. Vaativassa fyysisessä rasituksessa ATP:n käyttö nousee noin tasolle 0,5 kg/min. Pienet eliöt kuten bakteerit toimivat aktiivisemmin: 7 kiloa ATP:tä tuotetaan päivittäin grammaa kohti.
6. Kaikki solut sisältävät säilyneen joukon reaktioteitä.
Reaktiotiet ravinteiden hajottamiseen, energian käsittelyyn ja erinäisten yhdisteiden biosynteesiin ovat pääosin säilyneet. Toisin sanoen tietyt perusreaktiotiet ovat samankaltaisia, ellei täysin samoja eri eliöiden soluissa. Yksittäiset reaktiot reaktioteissä tapahtuvat, koska niitä katalysoi jokin reaktiolle spesifinen entsyymi.
7. Kaikki solut käyttävät DNA:ta varastoimaan eliön geneettisen materiaalin.
DNA, deoksiribonukleiinihappo, on polynukleotidi, joka sisältää neljää erilaista emästä (adeniini (A), sytosiini (C), guaniini (G) ja tymiini (T)). C ja T ovat pyrimidiinejä ja A ja G ovat puriineja. DNA:n rakenne on kaksoiskierre, joka koostuu kahdesta eri suuntiin juoksevista nukleotidirihmoista. Rihmat kiinnittyvät toisiinsa vetysidoksin: A pariutuu T:n kanssa (kaksi vetysidosta) sekä C pariutuu G:n kanssa (kolme vetysidosta). Toinen rihmoista sisältää itse geneettisen informaation emäsjärjestyksen muodossa ja toinen on komplementaarinen tälle. Eliön monimutkaisuutta voidaan tiettyyn pisteeseen asti mitata sen sisältämien geenien määrällä, ja sitä kautta suurin piirtein emäsparien määrällä:
Teoreettinen minimi geenien määrälle on nykytietämyksen mukaan n. 300.
8. DNA:sta saadaan RNA, josta saadaan proteiinit.
Emäsparien jakso DNA:ssa luetaan RNA:ksi tumassa, joka käsitellään sitten mRNA:ksi. mRNA poistuu tumasta solulimaan, jossa ribosomit luovat proteiineja aminohapoista mRNA:n emäsjakson sisältämän triplettikoodin perusteella.
9. Kaikki solut syntyvät toisista soluista.
Soluilla on kyky luoda uusia soluja, yleensä jakautumalla. Lisääntymiskyky on yksi keskeinen ominaisuus, joka erottaa elävän ja ei-elävän.
Bakteerit voivat optimaalisissa oloissa jakaantua joka 20. minuutti. (Tämä nopeus itsessään johtaisi kahdessa päivässä monin kerroin maan massan ylittävään määrään bakteereja. Todellisuudessa bakteerien kasvua ihmisen taholta rajoitetaan esimerkiksi immuunijärjestelmän kautta.)
Solunjakautuminen alkiossa on myös verrattain nopeatempoista. Yksi iso (hedelmöittynyt) munasolu tuottaa näin nopeasti paljon uusia soluja. Alkion solujen erikoistuminen on monimutkainen prosessi, jota tutkitaan suuresti nykypäivänä.
10. Kaikki solut ovat kehittyneet yhteisestä alkusolusta.
Kaikkien solujen yleinen samankaltaisuus (esimerkiksi niiden sisältämät makromolekyylit ja perusprosessit) viittaavat johtopäätökseen, että kaikki solut ovat kehittyneet yhteisestä esi-isästä.