Jerzy Dzik: Przypadkowa przyczyna życia

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.