„Gorączka złota” – liczne odkrycia wskazują na coś wykraczającego poza ślepy proces ewolucji: na dalekowzroczność

Marcos Eberlin

„Gorączka złota” – liczne odkrycia wskazują na coś wykraczającego poza ślepy proces ewolucji: na dalekowzroczność

Biologia znajduje się w samym środku „gorączki złota”, jeśli chodzi o odkrycia.

Na mojej poprzedniej uczelni, Uniwersytecie Stanowym w Campinas w brazylijskim São Paulo, przez 25 lat kierowałem Laboratorium Spektometrii Mas im. Thomsona. Razem z moim zespołem zgłębialiśmy wiele obszarów chemii, biochemii oraz medycyny, które do niedawna były zbyt młode, aby nadać im nazwy, a mowa o zagadnieniach z pogranicza proteomiki, lipidomiki, obrazowania metodą spektometrii mas, petroleomiki i bakteryjnych odcisków palców (bacteria fingerprinting).

Moje badania oraz funkcja prezesa Brazylijskiego Towarzystwa Spektometrii Mas i Międzynarodowej Fundacji Spektometrii Mas pozwoliły mi nawiązać kontakt z innymi wybitnymi badaczami w Brazylii i na całym świecie. Kiedy spotykamy się na konferencjach, wszyscy jesteśmy podekscytowani. Dzięki różnym przełomowym technologiom i technikom niemal co tydzień ujawniane są bowiem nowe cuda1 w dziedzinie biologii.

 

Ujawnianie pięknej pomysłowości

Niektóre z odkryć skutkują nowymi lekarstwami czy metodami badań stosowanymi w medycynie, takimi jak często nagradzane pióro do wykrywania nowotworów opracowane niedawno przez moją córkę Livię. Inne dają inżynierom inspirację do tworzenia nowych wynalazków w rozwijającej się dziedzinie bioniki. Jeszcze inne nie mają bezpośredniego zastosowania praktycznego – ukazują one po prostu piękną biologiczną pomysłowość.

Ta nowa wiedza jest ekscytująca sama w sobie. Jednocześnie żywię przekonanie, że wiele odkryć, gdy rozpatruje się je łącznie, ukazuje szerszą perspektywę i coś jeszcze bardziej niezwykłego. Nowa era odkryć ujawnia ogrom pomysłowych rozwiązań dla wielkich wyzwań inżynierii – rozwiązań, które wydają się wymagać czegoś, co wykracza poza samą materię. Innymi słowy: ta „gorączka” odkryć zdaje się wskazywać na coś wykraczającego poza ślepy proces ewolucji, na coś stanowiącego atrybut umysłu – dalekowzroczność.

 

Czy lepiej nie wkraczać na tę ścieżkę?

Zdaję sobie sprawę z tego, że funkcjonuje opinia, iż temat ten znajduje się poza granicami nauki. Analizuję to twierdzenie w ostatnim rozdziale mojej książki Foresight2 [Dalekowzroczność]. Jednak niezależnie od tego, jakie wnioski uznamy za dopuszczalne w nauce, a jakie nie, i bez względu na to, czy ostatecznie stwierdzimy, że „gorączka złota” w obszarze nowych danych empirycznych wskazuje na dalekowzroczność, zachęcam wszystkich do przyjrzenia się tym danym. Być może ciekawość to pierwszy stopień do piekła, ale dzięki niej nauka odkryła wiele różnych cudów.

Przykłady pomysłowości odkryte w ostatnich latach są tak liczne, że można by zapełnić nimi całe tomy. W mojej książce przedstawiam tylko ich mały ułamek. Ale nawet ten ułamek obfituje w cuda: począwszy od kół zębatych u owadów3, przez krewetki zadające potężne ciosy, aż po rośliny mięsożerne i maszynerię białkową w ptasim oku, która potrafi wykorzystać splątanie kwantowe, by umożliwić ptakom widzenie ziemskiego pola magnetycznego.

Zacznijmy jednak od przykładu, który wydaje się prozaiczny – ale tylko na pierwszy rzut oka.

 

Błona komórkowa i jej kanały

Życie na Ziemi może rozwijać się w różnorodnych środowiskach w dużej mierze dzięki temu, że nasza planeta jest do tego dostosowana. Jednak Ziemia potrafi być też wyjątkowo wroga dla życia. Na przykład cząsteczka tlenu (O2) jest dla niego niezbędna, jednak tylko organizm umiejący skutecznie opakować i przetransportować diabelski O2 dokładnie do miejsca, gdzie może być on wykorzystany jako źródło energii4, jest w stanie skorzystać z jego anielskich cech. W przeciwnym wypadku O2 staje się największym wrogiem życia.

Przerwijmy błonę żywej komórki i wystawmy komórkę na kontakt z powietrzem, a przekonamy się, jak wielkie zniszczenia poczynią w niej O2 oraz cała chmara innych chemicznych najeźdźców. Niechybna śmierć nastąpiłaby natychmiast. Tak więc z inżynieryjnego punktu widzenia kluczowe stało się znalezienie sposobu na ochronę komórki, będącej podstawową jednostką życia. Rozwiązanie okazało się sprytne: od samego początku była ona otoczona silną chemiczną osłoną.

Często się mówi, że znalezienie rozwiązania przynosi dwa dodatkowe problemy, a ochronny charakter błony komórkowej nie jest tu wyjątkiem. Prosta „tarcza” istotnie mogłaby chronić komórkę przed śmiercionośnymi najeźdźcami, ale jednocześnie uniemożliwiałaby składnikom odżywczym przeniknięcie do wnętrza komórki i zatrzymywałaby w jej obrębie produkty przemiany materii. Przez błonę mogłyby przedostawać się małe obojętne cząsteczki, ale większe i naładowane elektrycznie cząsteczki biologiczne już nie. Prosta osłona byłaby przepisem na szybką i pewną śmierć. Wczesne komórki potrzebowały czegoś bardziej wyrafinowanego, żeby móc przetrwać i się rozmnażać. Selektywne kanały biegnące przez ich błony komórkowe musiały być na właściwym miejscu od samego początku.

Komórki mają obecnie właśnie takie „drzwi” – wyspecjalizowane kanały białkowe, przez które transportowanych jest wiele kluczowych cząsteczek biologicznych i jonów. Jak skonstruowano ten selektywny system transportujący zarówno neutralne cząsteczki, jak i naładowane jony? Teoria ewolucji odwołuje się do stopniowego, przebiegającego krok po kroku procesu występowania małych mutacji odsiewanych przez selekcję naturalną, nazywanego potocznie przetrwaniem najlepiej dostosowanych. Jednak ów toczący się przez wiele pokoleń stopniowy proces ewolucji nie wydaje się mieć szansy na zbudowanie takich cudownych struktur, ponieważ wygląda na to, że przed powstaniem prawidłowo funkcjonujących kanałów nie mogłoby zaistnieć ani wiele pokoleń, ani nawet jedno pokolenie komórki. Brak kanałów oznacza brak życia komórkowego.

Kluczowe pytanie brzmi: jak pierwsze komórki mogły uzyskać odpowiednie błony i jednocześnie wykształcić kanały białkowe potrzebne do przezwyciężenia problemu przepuszczalności?

 

Wielka trudność

Nawet niektórzy zagorzali ewolucjoniści przyznają, że występuje tutaj wielka trudność. Jak w czasopiśmie „Nature” ujęli to Sheref Mansy i jego współpracownicy: „Funkcja błony jako silnej bariery sprawiła, że trudno zrozumieć, jak powstało życie komórkowe”5.

A i tak jest to oględnie powiedziane. Dwuwarstwowa błona – elastyczna, stabilna i odporna – musiała w jakiś sposób zostać skonstruowana. Taka błona od samego początku miała za zadanie skutecznie chronić komórkę przed niszczycielskim przenikaniem tlenu6, pozostając stabilną w kwaśnym środowisku wodnym i umiejętnie radząc sobie z fluktuacjami temperatury oraz pH. Aby temu wszystkiemu sprostać, molekularna osłona komórki potrzebowała także mechanizmu pozwalającego na wykrywanie tych wahań i musiała odpowiednio do nich reagować, dostosowując skład chemiczny błony do tych fizycznych i chemicznych zmian.

Na przykład ‒ jak wyjaśnia Diego de Mendoza ‒ komórki bakteryjne „zmieniają płynność swojej dwuwarstwowej błony lipidowej”, powodując wzrost „proporcji nienasyconych kwasów tłuszczowych (lub kwasów tłuszczowych o analogicznych właściwościach) mający miejsce wraz ze spadkiem temperatury”7. Proces ten jest znany jako adaptacja homeowiskotyczna (homeoviscous adaptation). Innymi słowy, błony komórkowe potrafią inicjować serię odpowiedzi w reakcji na zmianę temperatury otoczenia.

 

Wszystko albo nic!

Gdybyśmy mieli zlecić wykonanie takiego wymagającego, wieloaspektowego zadania najbardziej zaawansowanym technologicznie firmom inżynierskim na świecie, ich najlepsi inżynierowie mogliby zaśmiać nam się w twarz albo uciec z krzykiem. Wymagana technologia znacznie przewyższa najbardziej zaawansowaną wiedzę specjalistyczną, którą dysponują ludzie. Pamiętajmy, że nie wystarczyłoby poprawne wykonanie dwóch lub trzech elementów błony – ani nawet 99 procent. Wszystko albo śmierć! Bezbronna komórka czekająca na usprawnienia w wyniku działania stopniowego procesu darwinowskiego szybko zostałaby zaatakowana przez licznych wrogów i unicestwiona, nigdy nie mając szansy na rozmnożenie się i nie dając ewolucji czasu na ukończenie dzieła w późniejszym terminie.

Cała nasza dotychczasowa wiedza biochemiczna wskazuje więc, że wiele kluczowych wymagań związanych z błoną komórkową musiało być przewidzianych i spełnionych w odpowiednim czasie, żeby pierwsze komórki mogły przetrwać i rozmnażać się w środowisku wodnym.

A to dopiero zaczątek dalekowzroczności, która wydaje się konieczna do utworzenia wystarczająco dobrej błony, aby mogło istnieć życie komórkowe.

 

Marcos Eberlin

Oryginał: Gold Rush of Discovery Points Beyond Blind Evolutionary Process – to Foresight, „Evolution News & Science Today” 2019, May 1 [dostęp 21 III 2020].

 

Przekład z języka angielskiego: Klaudia Mogielnicka

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 21.03.2020

Przypisy

  1. Ani tutaj, ani w dalszych partiach tekstu nie chodzi o „cuda” w sensie cudownych aktów Boga (miracles), lecz o „cuda” w znaczeniu cudownych, wspaniałych czy wzbudzających podziw zjawisk (wonders) (przyp. tłum.).
  2. Por. M. Eberlin, Foresight: How the Chemistry of Life Reveals Planning and Purpose, Seattle 2019 [dostęp 21 III 2020] (przyp. tłum.).
  3. W zasadzie taki mechanizm kół zębatych znany jest obecnie tylko u jednego rodzaju Issus, należącego do rodziny Issidae – owoszczowatych, i jednego z rzędu owadów: pluskwiaków równoskrzydłych (Hemiptera). Występuje on w tylnych odnóżach i umożliwia nimfie skok. Por. M. Burrows, G. Sutton, Interacting Gears Synchronize Propulsive Leg Movements in a Jumping Insect, „Science” 2013, Vol. 341, No. 6151, s. 1254–1256 (przyp. red.).
  4. Autor dokonał tutaj pewnego rodzaju skrótu myślowego. Oczywiście tlen nie jest źródłem energii, ale jest niezbędny dla większości organizmów tlenowych do uzyskania energii powstającej z rozpadu wiązań chemicznych, głównie glukozy w procesie oddychania komórkowego zachodzącego przy udziale mitochondrium (przyp. red.).
  5. S.S. Mansy et al., Template-Directed Synthesis of a Genetic Polymer in a Model Protocell, „Nature” 2008, Vol. 454, s. 122 [122–125] [dostęp 21 III 2020] (przyp. tłum.).
  6. Należy podkreślić, że tlen na Ziemi zaczął pojawiać się zaraz po tym, jak powstały fotosyntetyzujące bakterie potrafiące uwalniać tlen z dwutlenku węgla będący produktem odpadowym reakcji fotosyntezy, co miało miejsce co najmniej 2,45 miliarda lat temu. Natomiast pierwsze komórki bakteryjne powstały co najmniej 3,7 miliardów lat temu, a według niektórych doniesień nawet 4,1 miliarda lat temu. Wobec tego pierwsze komórki nie miały problemu z tlenem, bo nie występował on jeszcze na Ziemi. Taka błona wcale więc nie musiała od samego początku skutecznie chronić komórki przed niszczycielskim tlenem, jak sugeruje autor. Por. J. Farquhar, H. Bao, M. Thiemens, Atmospheric Influence of Earth’s Earliest Sulfur Cycle, „Science” 2000, Vol. 289, No. 5480, s. 756–758; T.W. Lyons, Ch.T. Reinhard, N.J. Planavsky, The Rise of Oxygen in Earth’s Early Ocean and Atmosphere, „Nature” 2014, Vol. 506, s. 307–315; Ch.M. Ostrander et al., Fully Oxygenated Water Columns Over Continental Shelves Before the Great Oxidation Event, „Nature Geoscience” 2019, Vol. 12, s. 186–191 (przyp. red.).
  7. D. de Mendoza, Temperature Sensing by Membranes, „Annual Review of Microbiology” 2014, Vol. 68, s. 101 [101–116] [dostęp 21 III 2020] (przyp. tłum.).

Literatura:

  1. Eberlin M., Foresight: How the Chemistry of Life Reveals Planning and Purpose, Seattle 2019 [dostęp 21 III 2020].
  2. Mansy S.S. et al., Template-Directed Synthesis of a Genetic Polymer in a Model Protocell, „Nature” 2008, Vol. 454, s. 122–125 [dostęp 21 III 2020].
  3. Mendoza de D., Temperature Sensing by Membranes, „Annual Review of Microbiology” 2014, Vol. 68, s. 101–116 [dostęp 21 III 2020].

Dodaj komentarz