Artykuł Filozofia przyrody

Jerzy Dzik: Przypadkowa przyczyna życia

życie
Procesy zachodzące w organizmach mają fizyczną bądź chemiczną naturę. Nie znaczy to, że biologię da się zredukować do fizyki i chemii. Wynika z tego jednak, że choć nie da się kontaktu z absolutem nawiązać na gruncie biologii i pozostaje to domeną fizyki, to istota życia klarownie objawia się na poziomie odpowiednio uporządkowanych reakcji chemicznych, czyli fizjologii.

Zapisz się do naszego newslettera

Tekst uka­zał się w „Filo­zo­fuj!” 2020 nr 2 (32), s. 6–9. W peł­nej wer­sji gra­ficz­nej jest dostęp­ny w pli­ku PDF.


Elementarny organizm

W zasa­dzie wszyst­ko, co sta­no­wi o fizjo­lo­gii orga­ni­zmów żywych, zawie­ra się w poje­dyn­czej komór­ce. Zarów­no komór­ce czło­wie­ka, jak i swo­bod­nie żyją­cej komór­ce wiciow­ca czy ame­by. Jest tak, bo każ­da z komó­rek nasze­go cia­ła zawie­ra kom­plet infor­ma­cji o jego fizycz­nej posta­ci. Powsta­ły one bowiem w wyni­ku powie­la­nia i podzia­łów zygo­ty – zapłod­nio­ne­go jaja. Zestaw komó­rek jakie­go­kol­wiek orga­ni­zmu wie­lo­ko­mór­ko­we­go jest przez to klo­nem gene­tycz­nym. O odmien­no­ści poszcze­gól­nych narzą­dów sta­no­wi uru­cha­mia­nie w ich komór­kach okre­ślo­nej czę­ści zapi­su gene­tycz­ne­go i blo­ko­wa­nie resz­ty. Pró­by zro­zu­mie­nia ele­men­tar­nych aspek­tów zja­wi­ska życia dro­gą ana­li­zy pro­ce­sów zacho­dzą­cych w całym orga­ni­zmie czło­wie­ka nie były­by więc szcze­gól­nie uży­tecz­ne, podob­nie jak nie zale­ca się nauki elek­tro­tech­ni­ki na przy­kła­dzie dzia­ła­nia super­kom­pu­te­ra. Roz­trop­niej ogra­ni­czyć się do życia ame­by czy wiciowca.

Ale nawet na pozio­mie jed­no­ko­mór­ko­we­go orga­ni­zmu są pro­ce­sy i struk­tu­ry, któ­re w roz­wa­ża­niach o isto­cie życia moż­na pomi­nąć. Na przy­kład zja­wi­sko płci. Jest w przy­ro­dzie mnó­stwo orga­ni­zmów, któ­rym obce jest łącze­nie się, wymia­na i roz­dział apa­ra­tu gene­tycz­ne­go. Mimo to dosko­na­le wyko­rzy­stu­ją zaso­by śro­do­wi­ska i się roz­mna­ża­ją. Są wśród nich orga­ni­zmy być może pozo­sta­łe z cza­sów, kie­dy w atmos­fe­rze ziem­skiej nie było tle­nu. To one tlen wytwo­rzy­ły i sta­le wytwa­rza­ją. Jeśli się nie krzy­żu­ją, nie doty­czy ich poję­cie gatun­ku – jedy­nej obiek­tyw­nie ist­nie­ją­cej jed­nost­ki sys­te­ma­ty­ki bio­lo­gicz­nej. Gatu­nek bio­lo­gicz­ny to zestaw popu­la­cji orga­ni­zmów zdol­nych do krzy­żo­wa­nia się mię­dzy sobą, a nie­zdol­nych do wcho­dze­nia w pro­ce­sy płcio­we z osob­ni­ka­mi inne­go gatun­ku. Zwol­nie­ni więc jeste­śmy z koniecz­no­ści uwzględ­nia­nia metodo­logicznych i meto­dycz­nych zawi­ło­ści sys­te­ma­ty­ki bio­lo­gicz­nej. A jest to grunt wyjąt­ko­wo grząski.

Elementarna fizjologia

Nie ozna­cza to, że łatwe do wyja­śnie­nia są te aspek­ty życia, któ­re pozo­sta­ły po odcię­ciu się od ele­gan­cji teo­rii fizy­ki i che­mii czy od zawi­ło­ści metod kla­sy­fi­ka­cji orga­ni­zmów. Albo­wiem wszyst­kie dziś ist­nie­ją­ce orga­ni­zmy, nawet naj­prost­sze z bak­te­rii, są nie­sły­cha­nie zło­żo­ny­mi urzą­dze­nia­mi do prze­twa­rza­nia mate­rii w sub­stan­cję żywą. Nie­zbęd­ne do tego są nośni­ki infor­ma­cji (DNA), enzy­ma­tycz­ny apa­rat do jej powie­la­nia (repli­ka­cji), odczy­ty­wa­nia (trans­kryp­cji) z prze­nie­sie­niem na inny nośnik (mRNA, to zna­czy matry­co­we infor­ma­cyj­ne RNA) i syn­te­zo­wa­nia bia­łek (trans­la­cji) z ami­no­kwa­sów dołą­cza­nych w kolej­no­ści zapi­sa­nej na DNA. Klu­czo­wym aspek­tem trans­la­cji jest powsta­nie kodu gene­tycz­ne­go: trzem z czte­rech rodza­jów nukle­oty­dów w DNA lub RNA odpo­wia­da­ją poszcze­gól­ne z 20 ami­no­kwa­sów. W zasa­dzie wszyst­kie dzi­siej­sze orga­ni­zmy posłu­gu­ją się tym samym kodem gene­tycz­nym, co zna­czy, że pocho­dzą od jed­ne­go wspól­ne­go przodka.

Do naszych cza­sów dotrwa­ły tyl­ko nie­licz­ne z jego cech – pozo­sta­łe ule­gły już daw­no wyma­za­niu przez miliar­dy lat ewo­lu­cji. Te, któ­re jed­nak dotrwa­ły, muszą być dla zja­wi­ska życia napraw­dę klu­czo­we. Dzię­ki swo­im zale­tom wypar­ły sta­ny bar­dziej pier­wot­ne i mniej dosko­na­łe funk­cjo­nal­nie, ale jed­nak wystar­cza­ją­co sku­tecz­ne, by naj­daw­niej­szym z orga­ni­zmów zapew­nić zdol­ność byto­wa­nia w ówcze­snym śro­do­wi­sku. Sko­ro nie pozo­stał po nich ślad, jak odtwo­rzyć ich struk­tu­rę i dzia­ła­nie, by napraw­dę dotknąć isto­ty zagad­nie­nia? W docie­ka­niach takich ska­za­ni jeste­śmy na zga­dy­wa­nie w opar­ciu o ana­lo­gie w pro­ce­sach fizjo­lo­gicz­nych dzi­siej­szych orga­ni­zmów, któ­re mogły­by zna­leźć zasto­so­wa­nie w życiu pierw­szych orga­ni­zmów eks­plo­ru­ją­cych pra­daw­ne śro­do­wi­sko Zie­mi. Pierw­sze narzu­ca­ją­ce się pyta­nie to jak zre­du­ko­wać do sta­nu prost­sze­go mecha­nizm pozy­ski­wa­nia i maga­zy­no­wa­nia ener­gii, któ­re­go zło­żo­ność u dzi­siej­szych orga­ni­zmów nawet w naj­bar­dziej ele­men­tar­nej posta­ci wyda­je się nie do zre­du­ko­wa­nia. Że jest to moż­li­we, poka­zu­je przy­kład umiej­sco­wio­nej w bło­nie komór­ko­wej rotu­ją­cej syn­ta­zy ATP.

Redukowalność złożoności

To enzym nie­zbęd­ny do wyko­rzy­sta­nia ener­gii (gra­dien­tu pro­to­nów) zma­ga­zy­no­wa­nej mię­dzy bło­na­mi komór­ko­wy­mi. Zło­żo­ność kon­struk­cji rotu­ją­cej syn­ta­zy ATP bywa przy­wo­ły­wa­na jako coś, co ze wzglę­du na nie­re­du­ko­wal­ną zło­żo­ność mia­ło­by nie móc powstać dro­gą dar­wi­now­skiej ewo­lu­cji. Oka­zu­je się jed­nak, że poszcze­gól­ne jej pod­jed­nost­ki mają odpo­wied­ni­ki w prost­szych enzy­mach: praw­do­po­dob­nie heli­ka­za RNA
połą­czy­ła się z kana­łem bło­no­wym i inny­mi biał­ko­wy­mi struk­tu­ra­mi, stop­nio­wo roz­sze­rza­jąc i dosko­na­ląc funk­cję. W fizjo­lo­gii dzi­siej­szych orga­ni­zmów już tych sta­diów prze­mian nie ma, bo doko­na­ło się to w cza­sach poprze­dza­ją­cych ich ostat­nie­go wspól­ne­go przodka.

Choć poszcze­gól­ne skła­do­we komór­ki dają się już na pod­sta­wie dostęp­nej dziś wie­dzy włą­czyć w hipo­te­tycz­ne sze­re­gi prze­mian ewo­lu­cyj­nych, spon­ta­nicz­ne powsta­nie struk­tur tak zło­żo­nych jest nie do pomy­śle­nia. Życie w swo­ich począt­kach musia­ło być opar­te na innych zasa­dach niż for­mo­wa­nie bia­łek zło­żo­ną dro­gą trans­kryp­cji i trans­la­cji na pod­sta­wie zapi­su w trój­kach nukle­oty­dów kodu gene­tycz­ne­go. Sta­wia to klu­czo­we pyta­nie o pocho­dze­nie kodu gene­tycz­ne­go. Moż­na domnie­my­wać, że zanim powsta­ły dłu­go­łań­cu­cho­we czą­stecz­ki enzy­mów oraz wielo­cukrów, ami­no­kwa­sy mogły słu­żyć za źró­dło ener­gii lub samo­dziel­nie mieć funk­cje kata­li­tycz­ne. Zasta­na­wia­ją­cej suge­stii, jak mogła się doko­nać prze­mia­na od tego pier­wot­ne­go sta­nu do fizjo­lo­gii przod­ka dzi­siej­szych orga­ni­zmów, dostar­cza reak­cja fer­men­ta­cji pro­wa­dzo­na przez nie­któ­re bak­te­rie bez­tle­no­we. Uczest­ni­czą w niej pary ami­no­kwa­sów, z któ­rych jeden jest utle­nia­ny (np. ala­ni­na), zaś dru­gi redu­ko­wa­ny (parą dla ala­ni­ny jest gli­cy­na). Zna­mien­ne, że trój­ko­wy kod ala­ni­ny (kodon w mRNA) jest taki, jak trój­ka nukle­oty­dów (anty­ko­don), któ­rą przy­łą­cza się do mRNA czą­stecz­ka tRNA (trans­por­tu­ją­ce­go RNA) ‒ poli­nu­kle­oty­du prze­no­szą­ce­go gli­cy­nę pod­czas syn­te­zy bia­łek. Być może w wyni­ku ewo­lu­cji podob­nych ukła­dów mię­dzy lite­rę (tri­plet) kodu a nukle­otyd powią­za­ny z amino­kwasem wbu­do­wa­ne zosta­ły dodat­ko­we nukle­oty­dy, aż po ufor­mo­wa­nie dzi­siej­szej posta­ci tRNA.

Świat RNA

Za tym, że kod gene­tycz­ny powstał przed biał­ka­mi, prze­ma­wia też dale­ko posu­nię­ta zgod­ność ukła­du zło­żo­no­ści tri­ple­tów kodu i szla­ków ich syn­te­zy (nota bene w cen­trum dia­gra­mu są gli­cy­na i ala­ni­na). Wystar­czy wpro­wa­dze­nie nie­wie­lu sta­diów hipo­te­tycz­nych do uzy­ska­nia zgod­nej koewo­lu­cji kodu i ami­no­kwa­sów. Czy­li że na począt­ku było zbyt mało rodza­jów ami­no­kwa­sów do syn­te­zy sku­tecz­nych enzy­mów. Ale prze­cież do dziś nie tyl­ko biał­ka są kata­li­za­to­ra­mi pro­ce­sów bio­che­micz­nych, lecz tak­że kwa­sy nukle­ino­we (róż­ne odmia­ny RNA). Mając zdol­ność do kata­li­zo­wa­ne­go przez sie­bie samo­po­wie­la­nia, RNA ma zdol­ność do roz­mna­ża­nia ze ści­słym dzie­dzi­cze­niem loso­wo powsta­ją­cych mody­fi­ka­cji pozwa­la­ją­cych na wyko­rzy­sta­nie mate­rii i ener­gii śro­do­wi­ska. Ma zatem wła­ści­wość ewo­lu­cji dro­gą dobo­ru natu­ral­ne­go. Orga­ni­zmy „świa­ta RNA” nie musia­ły korzy­stać z kodu gene­tycz­ne­go, trans­la­cji czy trans­kryp­cji. Dopie­ro w dal­szej ewo­lu­cji poja­wił się sto­sun­ko­wo bar­dziej trwa­ły nośnik infor­ma­cji gene­tycz­nej (DNA).

Jak jed­nak mógł spon­ta­nicz­nie powstać RNA, jeśli jego klu­czo­wy skład­nik – rybo­za – jest syn­te­zo­wa­ny przy udzia­le zło­żo­nych bia­łek enzy­ma­tycz­nych, a więc pro­duk­tów trans­la­cji powią­za­nej nie­roz­łącz­nie ze „świa­tem DNA”? Pew­ną nadzie­ję na roz­wią­za­nie gor­dyj­skie­go węzła gene­zy RNA dają eks­pe­ry­men­ty che­mi­ków pro­wa­dzą­ce do spon­ta­nicz­ne­go i bez­po­śred­nie­go powsta­nia nukle­oty­dów w mie­sza­ni­nie związ­ków che­micz­nych na tyle pro­stych, że mogły spon­ta­nicz­nie powsta­wać w ówcze­snym śro­do­wi­sku mor­skiej wody.

Życiem rządzi przypadek

Przy­pad­ko­we zapo­cząt­ko­wa­nie dar­wi­now­skiej ewo­lu­cji RNA jest toż­sa­me z powsta­niem życia na Zie­mi. Dal­szą histo­rią życia zarzą­dza­ły rów­nie przy­pad­ko­we zmia­ny śro­do­wi­ska, to sprzy­ja­jąc postę­po­wi sto­sun­ko­wą sta­bil­no­ścią, to kata­stro­ficz­nie uni­ce­stwia­jąc wcze­śniej­sze dokonania.


Jerzy Dzik – Prof. dr hab., czło­nek rze­czy­wi­sty Pol­skiej Aka­de­mii Nauk, dyrek­tor Insty­tu­tu Pale­obio­lo­gii PAN w latach 2010–2018, kie­row­nik Zakła­du Pale­obio­lo­gii i Ewo­lu­cji Uni­wer­sy­te­tu War­szaw­skie­go, zaj­mu­je się odtwa­rza­niem prze­bie­gu ewo­lu­cji na pod­sta­wie zapi­su kopalnego.

Tekst jest dostęp­ny na licen­cji: Uzna­nie autor­stwa-Na tych samych warun­kach 3.0 Pol­ska.

< Powrót do spi­su tre­ści numeru.

Ilu­stra­cja: Mał­go­rza­ta Uglik

 

Najnowszy numer można nabyć od 30 października w salonikach prasowych wielu sieci. Szczegóły zob. tutaj.

Numery drukowane można zamówić online > tutaj. Prenumeratę na rok 2020 można zamówić > tutaj.

Aby dobrowolnie WESPRZEĆ naszą inicjatywę dowolną kwotą, kliknij „tutaj”.

Dołącz do Załogi F! Pomóż nam tworzyć jedyne w Polsce czasopismo popularyzujące filozofię. Na temat obszarów współpracy można przeczytać tutaj.

55 podróży filozoficznych okładka

Wesprzyj „Filozofuj!” finansowo

Jeśli chcesz wesprzeć tę inicjatywę dowolną kwotą (1 zł, 2 zł lub inną), przejdź do zakładki „WSPARCIE” na naszej stronie, klikając poniższy link. Klik: Chcę wesprzeć „Filozofuj!”

Polecamy