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.

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 1 września w salonikach prasowych wielu sieci. Szczegóły zob. tutaj.

Numery drukowane można zamówić online > tutaj. Prenumeratę na rok 2021 można zamówić > tutaj.

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

Skomentuj

Kliknij, aby skomentować

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