Minimalny organizm żywy jako przykład złożoności nieredukowalnej?Czas czytania: 18 min

Jak mały może być organizm? Jeszcze w XVII wieku twierdzono stanowczo, że nie może istnieć mniejsze stworzenie żywe niż pewien pajęczak zwany roztoczem (Acarina) o rozmiarach 0,1–0,5 mm. Ale to pogranicze świata ożywionego z nieożywionym po odkryciu bakterii, wirusów i nanobów przesunęło się o jakieś trzy rzędy wielkości. Najmniejsze bodaj rozmiary zaobserwowano u takich archeonów hipertermofilnych, jak Thermophilum o średnicy 0,15–0,17 μm, Thermodiscus oraz Pyrodictium o średnicy 0,2–0,3 μm i szerokości 0,08–0,1 μm. Nowy zaś rodzaj ultramikroorganizmów zwany nanobakteriami ma typową średnicę 0,04–0,2 μm. Nanobakterie charakteryzują się tak małymi rozmiarami, że zaliczenie ich do świata żywego, podobnie jak wirusów, jest nadal kwestią sporną. A wirusy to twory o rozmiarach w zakresie 0,02–0,8 μm, a więc w bezpośredniej bliskości z rozmiarami świata molekuł chemicznych. Na przykład poliowirus (Poliomyelitis) o wzorze empirycznym¹ C_332.652 H_492.388 N_98.245 O_131.196 P_7.501 S_2.340 jest substancją chemiczną, która może być zsyntetyzowana „w probówce”, oczyszczona i wykrystalizowana – jest on wówczas „martwy”. Jednak gdy tylko ta substancja zostanie wprowadzona do odpowiedniej komórki żywej, okazuje się, że posiada pewien „plan” swojego przetrwania. Jej proliferacja jest przedmiotem badań obejmujących: zróżnicowanie genetyczne, dziedziczenie, selekcję w kierunku przystosowania itd., czyli – przedmiotem dotyczącym organizmów żywych. Tak więc poliowirus jest „żywy” podczas swojej proliferacji. Otóż odróżnienie istoty żywej (np. zwierzęcia, rośliny, czyli makrobów) od przedmiotu nieożywionego (np. kamienia) było kiedyś oczywiste, w ramach tak zwanego poznania potocznego. Obecnie jednak w wypadku, gdy mamy do czynienia z coraz mniejszymi mikrobami, nastręcza niestety trudności. Jakie atrybuty powinien posiadać obiekt, by uznać go za organizm żywy, to już trudny problem filozoficzny².

Warto przypomnieć, czym jest życie. Definicji jest wiele. Na przykład dawna teleologiczna definicja określała je jako celowe trwanie jedności materii i formy w bytach substancjalnych; natomiast zgodnie ze współczesną definicją ateleologiczną: życie jest manifestacją energo-materii organizowanej przez informację. A nawet – życie jest przetwarzaniem informacji³. Energo-materia jest martwa aż do otrzymania przez nią specyficznego kodu instrukcji jej rozmieszczenia. Organizacja informacji jest zatem zasadą regulującą dla powstawania życia. Przyrodnicze hipotezy i teorie genezy życia odwołują się do przyczyn bliższych, czyli przyczyn tworzenia się nośników informacji i samej informacji. Powstanie życia rozważane jest bowiem jako powstanie pierwszego organizmu będącego układem o lokalnie małej entropii i dużej zawartości informacji. Jako źródło informacji (nie tylko informacji genetycznej) proponowano: samoorganizację materii, przypadkową emergencję organizacji biologicznej, inteligentny projekt, odwieczne istnienie informacji et cetera. A informacją może być nawet wszelka wykryta i zarejestrowana przez dany układ różnica, która jest istotna dla funkcjonowania organizmu.

Fenomen życia należy do zjawisk złożonych, jak również procesy życiowe należą do procesów złożonych. O złożoności mówi się bowiem wtedy, gdy mamy do czynienia z przedmiotem lub zjawiskiem przestrzenno-czasowym, którego dowolnie wybrane części mają inne cechy opisowe niż części pozostałe⁴. Nawet sam problem rozumienia złożoności może być złożony⁵. Chociaż próby wyjaśniania zasad i funkcji złożoności przyrody trwały od starożytności, to dopiero współcześnie powstała nowa nauka o złożoności, będąca heurystycznie płodnym polem badań interdyscyplinarnych. W ujęciu teorii systemów złożonych powstanie życia (czyli pierwszych organizmów żywych) nie jest czymś przypadkowym, lecz koniecznym i prawidłowym w sensie samoorganizacji układów dyssypatywnych, to jest systemów utrzymujących swoją strukturę w drodze rozpraszania i zużywania energii. Przypadkowe byłyby jedynie warunki pojawienia się życia (w kosmosie lub na Ziemi). Z punktu widzenia filozoficznego oznaczałoby to, że powstawanie życia może być wyjaśniane w ramach tak zwanej przyczynowości nieliniowej i wyżej wymienionej samoorganizacji dyssypatywnej oraz opisywane za pomocą języka teleologicznego⁶. Daje to inną perspektywę badawczą niż w ujęciu darwinowskiej ewolucji życia, gdzie wyłanianie się porządku i pojawienie się życia są zdarzeniami przypadkowymi – lokalnymi fluktuacjami kosmicznymi, które z czasem zanikną.

Życie to dynamiczny proces organizowania się układów – tworzenia porządku. Owo uorganizowanie, obok innych elementów kognitywnych, należy do najbardziej istotnych cech wyróżniających istoty żywe⁷. Jako układy autonomiczne przejawiają one zjawiska oscylacyjne i cykliczną organizację. Złożoność organizmalna może realizować się w rozmaitych poziomach i aspektach: biochemicznym, genetycznym, fenotypowym, morfologicznym, komórkowym et cetera. Strukturalna i dynamiczna złożoność komórki żywej, jako zintegrowanego procesora sygnałów, może być ujmowana ilościowo w kategoriach cybernetycznych; jest mianowicie funkcją liczby: różnych elementów, stanów wewnętrznych systemu, wejść i wyjść, warunków środowiskowych et cetera oraz może być wyrażana w bitach⁸. Wewnętrzna struktura komórki wręcz musi być złożona, ażeby mogła ona przetrwać w środowisku. Czy złożoność konkretnych ścieżek biochemicznych i „maszyn molekularnych” jest redukowalna czy nieredukowalna, emergentna czy nieemergentna et cetera? – problemy te są nadal otwarte⁹. Tutaj chciałbym zwrócić uwagę na kwestię nieredukowalnej złożoności tak zwanego minimalnego organizmu żywego.

Problem nieredukowalnej złożoności pewnych biosystemów jest dyskutowany głównie w kontekście teorii inteligentnego projektu jako pewnej alternatywy dla ewolucjonizmu typu darwinowskiego¹⁰. Michael Behe uważa, że nieredukowalnie złożony jest -2020222453 „pojedynczy system składający się z poszczególnych, dobrze dopasowanych, oddziałujących ze sobą części, które biorą udział w pełnieniu podstawowej funkcji układu, a usunięcie jakiejkolwiek z tych części powoduje, że system przestaje sprawnie funkcjonować”¹¹. Ta opisowa definicja może nie jest w pełni zadowalająca, ale wystarczająco operacyjna. Wystarczy ustalić funkcję układu i wskazać jego wszystkie składniki oraz sprawdzić, czy są one koniecznie niezbędne do pełnienia tej funkcji. Biologiczne przykłady nieredukowalnej złożoności, takie jak wić bakteryjna, wewnątrzkomórkowy transport białek, kaskada krzepnięcia krwi, oraz artefaktów, jak pułapka na myszy, są najczęściej dyskutowane w literaturze. Czy tego rodzaju przykładem może być „minimalny organizm żywy” mający minimalny genom?

Pojęcie minimalnego organizmu żywego funkcjonuje w protobiologii. Dziedzina ta, integrująca zagadnienia powstania życia, wykorzystuje między innymi dwa główne kierunki badań: „odgórny” (dotyczący redukowania złożoności, tak by osiągać coraz to prostsze formy życia) i „oddolny” (dotyczący syntetyzowania coraz to bardziej złożonych molekuł aż do osiągnięcia syntetycznych protokomórek). Kierunki te mają na celu uzyskanie jakiegoś minimalnego życia, w domyśle minimalnej komórki żywej, gdyż formy niekomórkowe (Acytota) są nadal relegowane ze świata istot żywych.

Jak wiadomo, każdy organizm jest nośnikiem informacji biologicznej potrzebnej do jego powstania i utrzymania się przy życiu. Część tej informacji zawarta jest w jego genomie, czyli całości DNA komórki, obejmującego wszystkie geny i odcinki międzygenowe. Minimalny genom¹² to najmniejsza ilość materiału genetycznego, który powinien posiadać najmniejszy organizm do wypełniania swoich funkcji życiowych w jakichś „idealnych” warunkach środowiska. Istnienie najmniejszej nieredukowalnej złożoności genetycznej, poniżej której życie nie powinno już istnieć, jest tu w gruncie rzeczy zakładane. Jaka to może być liczba genów i jak mały może być swobodnie żyjący organizm?¹³ Poszukiwana minimalna ilość DNA (zarówno w aspekcie ilościowym, jak i jakościowym informacji) stanowi nieprzekraczalną dolną granicę ilości informacji genetycznej, bez której żaden organizm jednokomórkowy nie byłby zdolny do metabolizmu, replikacji czy ewoluowania. Geny nie mogą być dowolne, lecz tylko takie, które są zarówno konieczne do syntezy niezbędnych substancji, jak i odpowiedzialne za podstawowe funkcje komórkowe. Są to tak zwane geny kluczowe¹⁴, których dezaktywacja prowadzi do śmierci komórki. Ponadto geny te różnią się w wypadku różnych organizmów, ze względu na ich odmienne strategie życiowe. Tak więc minimalny zbiór genów nie jest tym samym co zbiór genów kluczowych, a geny kluczowe nie są uniwersalne dla wszystkich istot żywych.

W roli modeli komórek minimalnych występują zatem zarówno swobodnie żyjące organizmy, jak i endosymbionty oraz pasożyty ze zredukowanymi genomami. Na przykład na podstawie dwóch w pełni zsekwencjonowanych genomów bateryjnych¹⁵, Haemophilus influenzae i Mycoplasma genitalium, oszacowano wielkość minimalnego genomu zawierającą się w przedziale 318–562 kb¹⁶. Dla Mycoplasma genitalium, która w stanie naturalnym ma 517 genów (w tym tylko 470 kodujących), zaproponowano¹⁷ listę 146–150 genów, które powinny wystarczyć do samoreprodukcji, homeostazy i ewolucji. Udało się nawet chemicznie zsyntetyzować całkowity genom tej bakterii złożony z 582 970 par zasad¹⁸. Z kolei dzięki badaniom Bacillus subtilis ustalono tylko 271 genów¹⁹ niezbędnych w warunkach środowiska bogatego w substancje odżywcze, przy czym większość procesów życiowych komórki jest kodowana przez geny nieredundantne (tj. niemające swych kopii). Rekordzistką w „minimalizmie” okazała się bakteria endosymbiotyczna Carsonella ruddii, żyjąca wewnątrz komórek owadów Pachypsylla venusta (Psyllina – miodówki). Jej genom wielkości 159 662 par zasad posiada 182 geny kodujące białka²⁰ i jest on tak mały, że pod względem statusu odpowiada raczej organelli komórkowej²¹. Z kolei badania mające głównie na celu zsyntetyzowanie sztucznego genomu lub sztucznej minimalnej komórki²² pozwalają oczekiwać jeszcze większego zredukowania genomu: do 100–150 lub nawet mniej genów²³. Liczba ta stanowi granicę rozmytą i w miarę uzyskiwania nowych danych ciągle się zmniejsza. Czy zatem „minimalny genom” istnieje realnie w przyrodzie, czy jest tylko tworem teoretycznym, odnoszącym się do jakiejś podstawowej informacji genetycznej koniecznej i wystarczającej do życia komórki?

Ustalenie najmniejszego zbioru genów jest niezwykle trudne. pomimo że badana jest jakaś elementarna złożoność. Wpływ na to mają założenia dotyczące środowiska²⁴, w którym może żyć minimalny organizm, oraz rozumienia pojęcia „życie”. Procesy miniaturyzacji genomów mogły przecież zachodzić w przyrodzie wielokrotnie, co przejawia się obecnie w wypadku pasożytów wewnątrzkomórkowych i endosymbiontów obecnych w prawie wszystkich formach życia włącznie z bakteriami²⁵. Szczególnie interesującym obiektem mogą być wspomniane wyżej nanobakterie charakteryzujące się bardzo powolnym tempem replikacji (3–5 dni) i metabolizmu (aż 10 tysięcy razy wolniejszym niż u Escherichia coli). Ich średnica jest rzędu 1/10, a objętość 1/1000 objętości zwykłych bakterii. Większość z nich jest mniejsza od 0,2 μm. Wielkość ta jest uważana za graniczną, ponieważ obiekt owalny o tej średnicy zawiera tylko około 100 milionów atomów i trudno wyobrazić sobie sposób, w jaki tak mała liczba atomów byłaby nośnikiem informacji genetycznej, ścieżek metabolicznych, procesów montażu makromolekuł, replikacji i innych elementów potrzebnych dla systemu żywego²⁶. Czyli nanobakterie²⁷ są „zbyt małe, aby żyć”, aczkolwiek największe z nich, jak na  przykład hipertermofilne i anaerobowe komórki Nanoarchaeum equitans (0,4 μm), posiadające jeden z najmniejszych genomów (ok. 490 kb)²⁸, nie budzą wątpliwości co do swego statusu bycia żywymi.

Pytanie, jaka jest minimalna ilość informacji genetycznej, która może być kryterium rozpoznawania życia, czyli minimalnego organizmu, pozostaje aktualne. Z filozoficznego punktu widzenia, arystotelesowska realność, reprezentowana przez zróżnicowane komórki, które wyewoluowały w przyrodzie z małymi lub zredukowanymi genomami, pozwalać może na lepsze określenie hipotetycznej komórki minimalnej jako czegoś w rodzaju platońskiej idei²⁹. Badania i dyskusje wokół minimalnego genomu lub minimalnej komórki są częścią szerszej problematyki modelowania minimalnego systemu żywego (chemoton, minimalna jednostka autopoietyczna, (M,R)-system, bioid etc.). i poszukiwania elementarnej jednostki życia³⁰. Czy wspomniana wyżej koncepcja nieredukowalnej złożoności okaże w tym względzie płodna heurystycznie?

Marian Wnuk

Źródło zdjęcia: Shutterstock

Ostatnia aktualizacja strony: 28.07.2021

Literatura: