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 3 stycznia 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.

Sklep

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