Zagadka pochodzenia informacji biologicznejCzas czytania: 11 min

Piotr Kublicki

2021-02-17
Zagadka pochodzenia informacji biologicznej<span class="wtr-time-wrap after-title">Czas czytania: <span class="wtr-time-number">11</span> min </span>

Jednym z największych odkryć biologii molekularnej jest to, że informacja steruje biologicznymi procesami. Jak to ujął noblista i były dyrektor Kalifornijskiego Instytutu Technicznego, David Baltimore: „współczesna biologia to nauka o informacji”1. „Życie jest bez wątpienia zjawiskiem chemicznym – stwierdził znany fizyk Paul Davies i dodał: – to, co je wyróżnia, nie leży w chemii jako takiej. Sekret życia pochodzi z jego informacyjnych właściwości; żyjący organizm jest złożonym systemem przetwarzania informacji”2. Biologowie John Maynard Smith i Eörs Szathmáry umieścili informację w centrum biologii:

Centralną ideą współczesnej biologii jest informacja. Możemy traktować biologię rozwoju  jako program badawczy szukający odpowiedzi na pytanie, jak informacja w genomie tłumaczona jest na strukturę dorosłego osobnika, natomiast biologię ewolucyjną jako szukającą odpowiedzi na pytanie, jak ta informacja powstała3.

W naszej zaawansowanej inżynierii – projektowaniu i wytwarzaniu wspomaganym komputerowo (CAD/CAM) – powstający projekt na przykład komponentu samolotu zapisany jest w pamięci komputera w postaci binarnego kodu. Następnie przesyła się go do fabryki na linię produkcyjną, gdzie oryginalna informacja ulega przekształceniu w ciąg instrukcji kodu maszynowego sterującego zautomatyzowanymi maszynami, które wytwarzają wspomniany element zgodnie z założonym projektem. Okazuje się, że podobny proces ma miejsce w komórkach, gdzie informacja kodowana w DNA steruje konstrukcją struktury białek.

Aby mogły powstać nowa biologiczna cecha, struktura czy funkcja, potrzebne są białka, zbudowane z mniejszych jednostek zwanych aminokwasami. Aby takie białko prawidłowo funkcjonowało, sekwencja aminokwasów musi być zaaranżowana w dany sposób (czyli właściwa liczba aminokwasów ułożona w odpowiedniej kolejności). Dopiero wtedy takie białko może sfałdować się w stosowną trójwymiarową strukturę, która jest kluczowa dla funkcjonalności takiego białka. Gdzie zatem istnieją instrukcje, jak ułożyć ciąg aminokwasów? Na to pytanie poznaliśmy odpowiedź w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych ubiegłego wieku, kiedy James Watson i Francis Crick rozszyfrowali strukturę molekuł kwasu deoksyrybonukleinowego – DNA. Opisanie fizycznej struktury DNA to był jednak dopiero pierwszy krok, kolejny przełom nastąpił kilka lat później, gdy Crick rozpoznał informacyjną naturę sygnału zakodowanego w DNA. Ten angielski biolog molekularny podczas II wojny światowej służył jako kryptolog, co z pewnością pomogło mu rozszyfrować genetyczny „kod życia”. Sformułowana przez Cricka „hipoteza sekwencyjności” głosiła, że cztery zasady nukleotydowe (adenina i guanina oraz cytozyna i tymina) w łańcuchu DNA funkcjonują jak symbole kodu maszynowego lub litery alfabetu, określając tym samym sekwencję aminokwasów zgodnie z odpowiednim systemem symbolicznego kodowania. Innymi słowy, stosowne ułożenie aminokwasów w łańcuchu białkowym, które umożliwia takiemu białku właściwe fałdowanie się, jest wynikiem odpowiedniego ułożenia nukleotydów wzdłuż łańcucha DNA. Podobnie jak litery alfabetu w języku pisanym mogą pełnić funkcję komunikacyjną zależną od ich sekwencji ‒ tak sekwencja nukleotydów w DNA decyduje o funkcjonalności białka (lub jej braku). W obu przypadkach funkcja zależy od sekwencji.

Wynika z tego, że sekwencja nukleotydów symbolicznie reprezentuje sekwencje aminokwasów. Jest jednak pewien problem: w przypadku DNA mamy cztery zasady azotowe, które reprezentują 20 aminokwasów występujących w żywych organizmach. Gdyby jeden nukleotyd reprezentował jeden aminokwas, w ten sposób można by zakodować jedynie cztery aminokwasy. Jeśli dwa kolejne nukleotydy reprezentowałyby jeden aminokwas, dałoby to 16 możliwych kombinacji (42 = 16), co jest wciąż niewystarczające dla 20 aminokwasów. Dopiero kombinacje trzech kolejnych nukleotydów umożliwiają zakodowanie wszystkich aminokwasów (43 = 64). I tak faktycznie się dzieje. Trzy kolejne nukleotydy tworzą tak zwany tryplet (kodon), który reprezentuje jeden aminokwas. 64 kodony to znacznie więcej niż minimalna konieczna liczba, by reprezentować liczbę aminokwasów (20). Wykorzystywane jest to jako redundancja, swoista rezerwa zabezpieczająca przed konsekwencjami mutacji, gdzie różne kodony reprezentują ten sam aminokwas lub kodują dodatkową informację, jak sygnał STOP oznaczający zakończenie procesu translacji4.

„Odkrycie w cząsteczce DNA genetycznego kodowania i sposobu jego translacji na struktury białka potwierdziło współczesną wizję biologii jako nauki o informacji” – stwierdził Philip Ball5. W podobnym tonie wypowiedział się  Christoph Adami: „Informacja to kluczowe pojęcie w biologii ewolucyjnej. Informacja u biologicznych organizmów przechowywana jest w genomie i używana do ich budowy i utrzymywania przy życiu”6.

 

Chemia nośnika i wiadomość życia

Odkrycie, że cyfrowa informacja steruje montażem białek, podniosło jednocześnie pytanie: skąd ta informacja pochodzi? Jak ujął to Bernd-Olaf Küppers: „Problem powstania życia co do istoty swej jest najwyraźniej równoznaczny z problemem powstania informacji biologicznej”7. Tego typu symboliczne kodowanie, gdzie pewien specyficzny układ danego nośnika reprezentuje jakąś informację, znane jest jedynie jako dzieło inteligencji. Naturalne procesy mogą wytwarzać regularności (np. pulsary emitujące regularne impulsy czy struktury kryształów), ale nigdy nie zaobserwowano, by wytworzyły one symboliczną informację połączoną z systemem jej interpretacji. Związki chemiczne mogą być nośnikiem informacji, ale nie jej źródłem. Zasady chemii opisują zarówno interakcje pośród cząstek, jak i kwantowe przejścia pomiędzy różnymi stanami cząstki. Nic w tych zasadach nie gwarantuje jednak formowania się specyficznych sekwencji nukleotydowych i mapowanego na nie symbolicznego kodu genetycznego. Pomocna wydaje się tu analogia z tablicą magnetyczną i namagnesowanymi literami alfabetu. Możemy, wykorzystując przyciąganie magnetyczne, przyczepiać do takiej tablicy litery, tworząc sensowne słowa i zdania. W zasadach rządzących magnetyzmem nie ma jednak niczego, co gwarantowałoby czy preferowałoby powstawanie sensownych zdań. To, czy dane ułożenie liter niesie ze sobą sens, czy też nie, nie ma najmniejszego znaczenia dla magnetyzmu.

W rzeczy samej, doszukiwanie się czegoś takiego w chemii czy fizyce nie ma sensu. Jak to wyraził w swojej najnowszej książce Demon w maszynie cytowany wcześniej Paul Davies, informacja semantyczna to koncept wyższego rzędu, który na poziomie molekuł nie ma po prostu sensu. Sama chemia, niezależnie jak bardzo złożona, nigdy nie wytworzy kodu genetycznego czy instrukcji zależnych od kontekstu. Doszukiwać się w chemii, by wyjaśniła ona zakodowaną informację, to jak spodziewać się, że hardware komputera napisze własny software8.

Biznesmen Perry Marshall ustanowił nawet nagrodę w wysokości 10 mln dolarów dla każdego, kto wykaże spontaniczne powstanie systemu zdolnego do transmisji informacji9. W wyniku takiego eksperymentu musi powstać system kodujący mogący przesyłać cyfrowy kod do dekodera. System taki musi być zdolny do transmisji przynajmniej 5 bitów informacji; innymi słowy: zdolny do reprezentacji 32 stanów (kod genetyczny reprezentuje 64 stany). Jak do tej pory wyzwanie Marshalla pozostaje nierozstrzygnięte. Należy zauważyć, że właściwie zidentyfikował on problem – powstanie życia nie jest kwestią samej chemii, ale przede wszystkim pochodzenia informacji kodowanej na chemicznym nośniku. Nośnik chemii przenosi wiadomość życia, ale nośnik sam w sobie nie może generować wiadomości – informacji. Sugerować co innego ‒ to jakby twierdzić, że atrament i papier mają zdolność zorganizować się same z siebie w niosący znaczenie tekst.

 

Wybuch życia w kambrze

Pytanie o pochodzenie tego rodzaju informacji nie dotyczy wyłącznie zagadnienia powstania życia, ale odnosi się także do jego różnicowania się. Koncepcja kambryjskiego wybuchu życia jest tego dobrym przykładem. Zgodnie z tym ujęciem, jakieś pół miliarda lat temu doszło do geologicznego nagłego (5‒10 mln lat) pojawienia się większości głównych grup organizmów (planów budowy ciała) bez jakichkolwiek wyraźnych prekambryjskich form wyjściowych. Pięć milionów lat to w skali ludzkiego życia niesamowicie długi czas, jednak w perspektywie geologicznej to mgnienie oka. Przykładowo, szacuje się, że rozdzielenie się linii człowieka i szympansa nastąpiło 6‒13 mln lat temu, gdzie obydwa gatunki należą do tej samej rodziny Hominidae. Podczas kambryjskiego wybuchu życia zaś, a przynajmniej tak się powszechnie utrzymuje, nastąpiło nie tylko różnicowanie w obrębie rodzin, ale na znacznie wyższych taksonomicznych poziomach, gdzie powstawały architektonicznie zupełnie odmienne plany budowy ciała: w zapisie kopalnym pojawiają się ramienionogi, mięczaki (np. kałamarnice i małże), stawonogi z zewnętrznym szkieletem (np. skorupiaki, trylobity) i strunowce (do których należą ssaki) ze swoim wewnętrznym systemem szkieletowym.

Do budowy tego typu różnych form organizmów potrzeba naturalnie nowej informacji genetycznej, ponieważ każda z form posiada nowe cechy anatomiczne, które z kolei wymagają nowych organów i tkanek, a tkanki nowych typów komórek, nowe typy komórek zaś nowych białek. Przykładowo, komórki trawienne wymagają trawiennych enzymów, do konstrukcji których konieczna jest informacja ulokowana w DNA.

 

Nie tylko geny

Sprawa nie ogranicza się wyłącznie do nowej informacji genetycznej. Tak duży skok w złożoności organizmów, który występował podczas eksplozji kambryjskiej, wymaga nie tylko wielkiej ilości nowej informacji genetycznej. Także nowych systemów aranżacji produktów genów – białek – koniecznych dla wyższych poziomów organizacji organizmu. Do nowych typów komórek wymagane są nowe białka. Te z kolei muszą być zorganizowane w nowe systemy wewnątrz komórek, nowe typy komórek muszą być zorganizowane w nowe tkanki, organy i części ciała. A te muszą być zorganizowane w nowe plany budowy ciała. Organizmy stanowią zorganizowany w funkcjonalną całość wielopoziomowy hierarchiczny system.

Do tej pory mowa była o genach i białkach stanowiących najniższy poziom tej hierarchicznej struktury. Składa się on z podstawowych „jednostek budowlanych” – nukleotydów i aminokwasów – zorganizowanych w określony sposób. Różne typy komórek są z kolei tworzone z (między innymi) systemów wyspecjalizowanych białek. Organy zaś powstają dzięki wyspecjalizowanej organizacji typów komórek i tkanek. A plan budowy ciała to określona aranżacja wyspecjalizowanych organów.

Geny wymagają określonej aranżacji nukleotydów (jednego z ogromnego zakresu możliwych); białka wymagają określonej aranżacji aminokwasów; nowe typy komórek ‒ określonej aranżacji systemów białek; plany budowy ciała ‒ określonej aranżacji typów komórek i organów. Organizmy składają się nie tylko z przenoszących wielką ilość informacji podstawowych komponentów (jak geny i białka), ale i z przenoszących wielką ilość informacji określonych systemów organizacji tych komponentów.

Dwie analogie pomogą wyjaśnić tę kwestię. Wznosząc dom, budowniczowie używają wiele różnych materiałów: cegieł lub innego budulca, przewodów, gwoździ, nitów, belek, dachówek, rur, okien itp. Jednak sam zbiór tych elementów nie stworzy architektonicznego projektu domu ani planu osiedla. Potrzebny jest jeszcze projekt, jak połączyć te składniki, tak aby tworzyły one dom czy osiedle. Podobnie elektroniczne obwody składają się z wielu elementów, jak tranzystory, kondensatory i rezystory. Ale części te same w sobie nie determinują ich organizacji w zintegrowany obwód elektroniczny. Do tego potrzebny jest system aranżacji podstawowych składników w funkcjonalny układ.

Wynika z tego, że do wyjaśnienia kambryjskiego wybuchu życia wymagana jest nie tylko nowa informacja genetyczna, ale także nowa informacja na wyższych poziomach biologicznej hierarchii.

Jakie są znane obecnie przyczyny, które odpowiadają za powstanie informacji czy cyfrowych kodów? Znamy tylko jedną taką przyczynę: to inteligencja. Nie obserwujemy natomiast, by ślepe chemiczne procesy były w stanie coś takiego wytworzyć. Jak trafnie zauważył jeden z pionierów teorii informacji, Henry Quastler: „informacja powstaje zwykle wskutek świadomej aktywności”10. Czegoś innego po prostu nie obserwujemy. Niezależnie od tego, czy chodzi o hieroglify wyryte w kamieniu, paragraf książki, fragment kodu maszynowego, czy informację zakodowaną w radiowym sygnale – jeśli prześledzimy proces powstania informacji, nieodmiennie dochodzimy do działania inteligencji.

Zgodnie z obecnym stanem wiedzy inteligencja jest zatem najlepszym wyjaśnieniem powstania informacji biologicznej.

Piotr Kublicki

 

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 17.02.2021

Przypisy

  1. Cyt. za: R. Lahoz-Beltra, Cellular Computing: Towards an Artificial Cell, „Information Theories and Applications” 2012, Vol. 19, s. 316 [313‒318].
  2. P. Davies, The Fifth Miracle: The Search for the Origin and Meaning of Life, New York 1999, s. 19.
  3. E. Szathmáry, J.Maynard Smith, The Major Evolutionary Transitions, „Nature” 1995, Vol. 374, s. 231 [227‒231].
  4. Obecnie wiemy, że system kodowania białek jest znacznie bardziej złożony niż samo tylko liniowe mapowanie łańcucha nukleotydów na sekwencje aminokwasów. Odkryto szereg mechanizmów, które na etapach potranslacyjnych są w stanie zmienić sekwencję aminokwasów w porównaniu z dyktowaną przez sekwencję nukleotydów. Wynika z tego, że istnieją dodatkowe ponadgenomowe poziomy przetwarzania informacji, które – w zależności od potrzeb organizmu – modyfikują i reinterpretują informację zawartą w DNA, co tylko potęguje zagadkę pochodzenia biologicznej informacji. „Żadne zwykłe narzędzie skonstruowane przez ludzi nie posiada złożoności reprezentacji znajdowanej w genomie” (D. Berleant et al., The Genetic Code – More Than Just a Table, „Cell Biochemistry and Biophysics” 2009, Vol. 55, s. 114 [107–116]).
  5. P. Ball, The Problems of Biological Information, „Philosophical Transactions of the Royal Society A Mathematical, Physical and Engineering Sciences” 2016, Vol. 374.
  6. Ch. Adami, The Use of Information Theory in Evolutionary Biology, „Annals of the New York Academy of Sciences” 2012, Vol. 1256, s. 49 [49‒65].
  7. B.O. Küppers, Geneza informacji biologicznej. Filozoficzne problemy powstania życia, tłum. W. Ługowski, Warszawa 1991, s. 173.
  8. Por. P. Davies, Demon w maszynie. Jak ukryte sieci informacji wyjaśniają tajemnicę życia, tłum. T. Lanczewski, Kraków 2020.
  9. Evolution 2.0 Prize; https://www.herox.com/evolution2.0 [dostęp 11 I 2021].
  10. H. Quastler, The Emergence of Biological Organization, New Haven 1964, s. 16.

Literatura:

  1. Adami Ch., The Use of Information Theory in Evolutionary Biology, „Annals of the New York Academy of Sciences” 2012, Vol. 1256, s. 49‒65.
  2. Ball P., The Problems of Biological Information, „Philosophical Transactions of the Royal Society A Mathematical, Physical and Engineering Sciences” 2016, Vol. 374.
  3. Berleant D. et al., The Genetic Code – More Than Just a Table, „Cell Biochemistry and Biophysics” 2009, Vol. 55, s. 107–116.
  4. Davies P., Demon w maszynie. Jak ukryte sieci informacji wyjaśniają tajemnicę życia, tłum. T. Lanczewski, Kraków 2020.
  5. Davies P., The Fifth Miracle: The Search for the Origin and Meaning of Life, New York 1999.
  6. Küppers B.O., Geneza informacji biologicznej. Filozoficzne problemy powstania życia, tłum. W. Ługowski, Warszawa 1991.
  7. Lahoz-Beltra R., Cellular Computing: Towards an Artificial Cell, „Information Theories and Applications” 2012, Vol. 19, s. 313‒318.
  8. Polanyi M., Life Transcending Physics and Chemistry, „Chemical and Engineering News” 1967, Vol. 45, s. 54‒66.
  9. Quastler H., The Emergence of Biological Organization, New Haven 1964.
  10. Szathmáry E., Maynard Smith J., The Major Evolutionary Transitions, „Nature” 1995, Vol. 374, s. 227‒232.

3 odpowiedzi na “Zagadka pochodzenia informacji biologicznejCzas czytania: 11 min

    • Tak, mniej więcej. Wiadomo, że po części tego typu informacja rezyduje w innych strukturach, istnieją także wyzsze poziomy przetwarzania informacji, jak genetyczne sieci regulatorowe czy kody epigenetyczne – jest to wciąż jednak w dużym stopniu ‘ziemia nioeodkryta’.

  1. Na końcu “Demona w maszynie” Davies wywodząc przekonanie o niezmienności praw przyrody z chrześcijańskiej koncepcji Boga, twierdzi, że nie jest ono logicznie konieczne. Sugeruje, że wyjaśnienie zagadki życia będzie wymagać przyjęcia założenia, że owe prawa mogą się zmieniać, na przykład w zależności od stanu systemu, na który działają, w jakiś niejasny sposób sprzyjając kumulacji informacji i organizacji żywych struktur. Kiedy wziąłem do ręki “Wyjątkową planetę” Gonzaleza i Richardsa uświadomiłem sobie, że zwolennicy ID zakładają raczej niezmienność, regularność przyrody, podobnie jak Darwin. Z kolei kreacjoniści często podważają ten uniformitaryzm, twierdząc np., że procesy sedymentacji lub tempo rozpadu używanych do datowania pierwiastków w przeszłości było inne. Dla kreacjonistów i współczesnych darwinistów czas, jaki został przydzielony przez naukę na rozwój życia na naszej planecie jest podstawowym problemem. IDersi tkwią jakby w innej logice, raczej funkcji niż procesu.

Dodaj komentarz



Najnowsze wpisy

Najczęściej oglądane wpisy

Wybrane tagi