Wzloty i upadki dogmatów naukowychCzas czytania: 15 min

Nauka nie zawsze pomaga nam w zrozumieniu ‒ jak jest, ale w zorientowaniu się ‒ jak być nie może.

Andrzej Myc

Chcę Czytelnika zainteresować miniwykładem na temat wzlotów i upadków dogmatów naukowych. Jak to się dzieje, że opierając się na wiedzy pochodzącej z dziedziny nauk biologicznych, naukowcy ogłaszają dogmat naukowy, który jest zrozumiały i akceptowany, a potem okazuje się on fałszywy. Niekiedy czujemy się zawiedzeni, ale czasami nasza wiara w dogmat jest tak wielka, że negujemy każdy naukowy kontrargument, który podważa ową wiarę w pogląd powszechnie przyjęty.

Nauki biologiczne, w tym badania biologii molekularnej w ciągu ostatnich 15 lat, rozwijają się tak dynamicznie, że prawie każdego miesiąca w czasopismach naukowych znajdziemy coś nowego. Można zapytać: dlaczego pomimo kolejnych odkryć w nauce nadal bazujemy na wiedzy, którą zdobyliśmy jeszcze w szkole? Jeżeli nie śledzimy uważnie, jak od czasu zakończenia naszej edukacji zmieniło się rozumienie podstawowych procesów biologicznych, to trudno nam uświadomić sobie, że wiedza, którą dysponujemy, jest już nieaktualna.

Wiara w paradygmaty naukowe, którą wynieśliśmy ze szkoły, towarzyszy nam aż do czasu, kiedy społeczność uczonych nie zaakceptuje nowego punktu widzenia. Przypomnijmy sobie geocentryczny model Ptolemeusza. Był niepodważalnym dogmatem przez trzynaście wieków, aż w końcu pomimo gorących i zajadłych polemik, dyskusji i obrzucania zwolenników za i przeciw obelgami, doszło do zaakceptowania heliocentrycznego modelu i uznania go za kolejny dogmat naukowy. Jest to historia dobrze znana, choć przyjmowana ze szczyptą refleksji, że tak było kiedyś, ale współczesne dogmaty naukowe są niepodważalne. Chciałbym tutaj przedstawić czytelnikowi mniej znane, lecz bardzo wymowne zdarzenie z historii nauki.

Początki flogistonowej teorii spalania sięgają 1669 roku, kiedy to Johann Joachim Becher¹, prekursor chemii i wykładowca uniwersytecki, przedstawił pogląd, że ciała stałe składają się z trzech rodzajów „ziemi”. Ten rodzaj, który miał powodować zjawisko spalania, nazwał „ziemią tłustą”. Pogląd Bechera rozwinął niemiecki chemik i fizyk Georg E. Stahl. To on czynnik odpowiedzialny za spalanie nazwał flogistonem. Tak powstała niekwestionowana teoria flogistonu, która obowiązywała ponad sto lat, aż… została obalona przez Michaiła Łomonosowa i Antoineʼa Lavoisiera².

Wraz z odkryciem tlenu stawało się oczywiste, że to ten pierwiastek gwałtownie utlenia związki węgla (ogień) i mniej gwałtownie powoduje korozję metalu. Obalenie teorii flogistonu nie odbyło się z dnia na dzień. Jej zwolennicy teorii tak szybko nie skapitulowali. Teoria Stahla była uznawana praktycznie przez cały wiek XVIII, mimo oczywistych niekonsekwencji; zgodnie z nią przy spalaniu i rdzewieniu metali powinna następować utrata flogistonu, a tymczasem ruda (uboższa we flogiston) jest cięższa niż uzyskany z niej metal (bogatszy we flogiston)³.

Wybitnym i cenionym chemikom nie przeszkadzało, że wnioski wypływające z tej teorii okazywały się jaskrawo sprzeczne z obserwacją naukową. Odrzucenie teorii flogistonu było nie do przyjęcia, bo przecież miała ona ponad 100 lat, a tak długa żywotność jest asumptem na rzecz prawdziwości teorii. Inny argument, który chciałbym podkreślić, to emocjonalne zaangażowanie zwolenników teorii. Ich praca, eksperymenty i kariera naukowa były poświęcone teorii flogistonu. Jakże mogliby zaprzeczyć swojej karierze i swojemu rozumieniu koncepcji spalania. Było to dla nich coś w rodzaju końca świata… który ostatecznie nastąpił. Przyszło nowe pokolenie ‒ lepiej od nich obeznane z ideą gwałtownego utleniania ‒ które mogło zacząć nowe życie naukowe, czerpiąc tlen pełną piersią.

Wiele lat później krótko i dosadnie na pytanie, jak zmieniają się paradygmaty w nauce, odpowiedział Max Planck: „nowa prawda naukowa nie zwycięża poprzez przekonanie oponentów, aby zobaczyli światło prawdy, ale raczej po jakimś czasie oponenci wymrą, a nowe pokolenie w międzyczasie będzie już dobrze obeznane z nową prawdą naukową”⁴.

Niezależnie, w jakim okresie historii nauki jesteśmy, mamy złudzenie pełnego poznania i zrozumienia świata (chociaż filozofowie nauki – epistemolodzy podkreślają, że nasze informacje odnośnie do otaczającego świata są hipotetyczne). Dzisiaj obraz świata z perspektywy nauki wydaje się spójny i zrozumiały, aż… przyjdą nowe pokolenia, nowi naukowcy i to, co obecnie w nauce jest dogmatem, może okazać się mitem i zabobonem.

Biologia jest tutaj szczególną dyscypliną naukową i warto poświęcić jej więcej uwagi. To nauka o życiu, a więc nam bardzo bliska. Chcemy nie tylko wiedzieć, czym jest życie, jak je definiować, ale i skąd pochodzi. Jednym z przełomowych badań tego zagadnienia stało się nie tyle odkrycie cząsteczki DNA – bo była znana na długo przed 1953 rokiem – ale odkrycie struktury DNA i zrozumienie roli, jaką odgrywa w komórce. Wcześniej, z punktu widzenia naukowców, cząsteczka DNA była nieciekawa, a jej chemiczna budowa nudna jak flaki z olejem. Cztery nukleotydy występujące na przemian w nieznośnie długim łańcuchu. Jaką funkcję miałaby pełnić taka wielka cząsteczka w komórce?

Dopiero badania krystalograficzne Jamesa Watsona i Francisa Cricka wykazały, że molekuła DNA składa się z dwóch łańcuchów przylegających do siebie komplementarnie w taki sposób, że jeden łańcuch jest odwzorowaniem drugiego, na zasadzie negatywu i pozytywu. Taka wiedza była wystarczająca, aby pobudzić nie tylko wyobraźnię, ale podjąć dalsze wysiłki naukowe w tym zakresie. Doprowadziło to do kolejnych epokowych odkryć. Cząsteczka DNA dzięki swoistym enzymom mogła się samopowielać i tak stała się „celebrytką” naukowego świata XX wieku.

Wkrótce sekwencja nukleotydów została ogłoszona jako kod informacyjny budowy białek. W późniejszym czasie złamano kod złożony z nukleotydów (triplet), w którym zapisany był każdy z 21 aminokwasów obecnych w białku. Okazało się, że sposób kodowania białka przez DNA w świecie istot żywych jest uniwersalny i występuje z małymi wyjątkami w każdej żywej komórce.

Trzy lata później Francis Crick na spotkaniu Towarzystwa Biologii Eksperymentalnej ogłosił dogmat naukowy. Przepływ informacji genetycznej jest jednokierunkowy od DNA poprzez RNA do białka⁵. Tak powstał centralny dogmat biologii molekularnej. W tamtym czasie, w oparciu o wiedzę, którą naukowcy dysponowali, wydawało się niemożliwe podważyć ów dogmat, a każdy kto usiłowałby to  zrobić, zostałby nazwany szaleńcem.

Budowa i właściwości każdego białka w komórce opierają się na pewnej instrukcji, a tą instrukcją jest jego gen w genomie. Przed opublikowaniem całkowitej sekwencji genomu człowieka doliczono się, że człowiek może mieć około 100 tysięcy białek⁶, a więc w oparciu o centralny dogmat biologii molekularnej spodziewano się, że w genomie znajdziemy tyle samo genów. Genom człowieka składa się z sekwencji 3 miliardów par nukleotydów i na odszyfrowanie ułożenia nukleotydów trzeba było poczekać aż 15 lat. Pracowały nad tym rzesze naukowców z różnych ośrodków badawczych⁷, ale dwie osoby pełniły kierowniczą rolę – Francis Collins⁸ i Craig Venter⁹.

Kiedy powoli zbliżano się do końca sekwencjonowania ludzkiego genomu, miny zwolenników centralnego dogmatu biologii molekularnej zaczynały rzednąć. Naukowcy ze zdziwieniem zauważyli, że ilość genów człowieka może być znacznie mniejsza niż ilość białek w organizmie – najpierw szacowali, że wynosi ona około 40 tysięcy, a potem ta ilość genów topniała prawie z dnia na dzień.

Za prezydentury Billa Clintona, 25 czerwca 2000 roku ogłoszono z wielką pompą w Białym Domu całą sekwencję ludzkiego DNA. Ku niezadowoleniu wielu naukowców okazało się, że człowiek ma  od 20 tysięcy do 25  tysięcy genów¹⁰. A więc genów tych jest niewiele więcej niż u prymitywnego nicienia ‒ Caenorhabditis elegans (20 470)¹¹.

Bardziej szczegółowe badania porównawcze genomu człowieka i nicienia doprowadziły do coraz większego zakłopotania środowiska naukowego. Okazało się, że około 35% genów nicienia i człowieka jest homologicznych¹². Co więcej, można było zastąpić wiele genów nicienia homologicznymi genami człowieka i wykazać, że pomimo tej zamiany genów nicień nadal żyje¹³. A jaka jest różnica między człowiekiem a robaczkiem, każdy widzi.

Dwadzieścia tysięcy genów to tylko 1% z trzech miliardów par nukleotydów genomu człowieka¹⁴. Skoro tak, to ‒ zastanawiano się ‒ po co mamy pozostałe 99% DNA? Jakie jest znaczenie filogenetyczne takiego balastu DNA. W oparciu o centralny dogmat biologii molekularnej ewolucjoniści zbliżyli się do dość karkołomnej konkluzji… Pozostała ilość DNA (99%) jest zbyteczna i powstawała w procesie ewolucji w wyniku przypadkowych zmian materiału genetycznego przez miliony lat. Ewolucjoniści określili tę część jako DNA bezużyteczne czy nawet „śmieciowe”.

Większość naukowców przyjęła tę informację jako pewnik. Ale nie wszyscy. Niektórym ciekawsze wydawały się dalsze badania DNA niż poprzestanie na ideologicznym założeniu ewolucjonistów. Przy okazji warto zauważyć, że w nauce lepiej pielęgnować ciekawość, bo to zmusza do badań, niż konstatować bezrefleksyjnie, że zaobserwowane zjawisko nie wymaga już dalszego poznania.

Stanowisko niektórych badaczy, że  warto ten fenomen DNA dokładniej przebadać, spotkało się z krytycyzmem i zostało potępione już nie tylko przez naukowców, ale i ewolucyjnych doktrynerów. Ta dyskusja w środowisku naukowym dotarła do administracji Narodowego Instytutu Zdrowia (National Institutes of Health, NIH)¹⁵, która zaczęła się zastanawiać, czy warto inwestować miliony dolarów, aby dalej badać coś, co może być wątpliwym przedsięwzięciem. Który z inwestorów będąc w takiej sytuacji zdecydowałby się włożyć w niepewny interes choć złotówkę?

Nie wiem, czy w tym momencie urzędnikom administracji dopomogła intuicja, czy opierali się na wiedzy, ale podjęli ryzyko i zainwestowali spore pieniądze podatników na dalsze badania „śmieciowego” DNA. Dwanaście lat temu powstały dwa konsorcja Encyclopedia of DNA Elements (Encode)¹⁶ i Roadmap Eigenomics¹⁷. W sumie na tę współpracę wyłożono około 700 milionów dolarów. Czy ta inwestycja przyniesie dalekosiężne świadectwa naukowe i stanie się punktem zwrotnym, będzie impulsem do opracowania nowego dogmatu w biologii molekularnej, czy raczej przyczyni się do niewielkiej zmiany ideologii ewolucyjnej, nie wiadomo. Odkrycia naukowe udokumentowały jednak, że znakomita część „śmieciowego” DNA pełni określoną funkcję i bez niego życie komórki byłoby niemożliwe.

Krótko mówiąc – kamień odrzucony przez budujących stał się kamieniem węgielnym. Bezużyteczny genom skurczył się z 99 do 18,5%; udokumentowano, że 80,5% DNA pełni biologiczną funkcję. Opisano dwa rodzaje domen DNA. Jeden rodzaj jest odpowiedzialny za obróbkę genów w DNA, jakie geny, kiedy i w jakiej ilości będą poddane regulacji transkrypcyjnej¹⁸. Do tego rodzaju zaliczają się takie fragmenty DNA, jak operatory, wzmacniacze, wyciszacze, promotory czy izolatory genów występujące w różnych miejscach genomu. Drugi rodzaj „śmieciowego” DNA dotyczy procesu posttranskrypcyjnego i modyfikuje tak matrycowy RNA, aby otrzymać w wyniku biosyntezy specyficzne białko potrzebne w danej chwili komórce¹⁹.

Upraszczając to, co opisałem powyżej, cały proces porównam do budowy sensownego zdania w języku polskim. Wyobraźmy sobie taki przypadek: mamy szereg genów kodujących białka, które w danej chwili powinny być obecne w komórce. Porównując do języka polskiego, niech to będzie zdanie: Jan zabił wilka, a teraz zamieńmy to zdanie na inne, ale zostawmy sekwencje liter prawie niezmienione: Jana zabił wilk.  Widzimy minimalną różnicę przez przeniesienie litery a, które jednak zupełnie zmieniło sens wypowiedzi. W tych dwóch zdaniach jest aż 83,3% podobieństwa, ale ich sens jest różny. Podobną rolę przy zmianie „sensu” biosyntetyzowanych białek odgrywają w komórce czynniki transkrypcyjne, promotory, wyciszacze czy wzmacniacze regulacji genów. Dzięki nim komórka jest w stanie zmienić kompozycję genów kodujących białka przy minimalnym „wysiłku” tak, aby powstała kombinacja białek potrzebna w danej chwili komórce.

Drugi rodzaj funkcjonalnych elementów DNA to modyfikatory już powstałych cząsteczek matrycowego RNA, które są wzorcem dla biosyntezy białek w komórce. Można zaobserwować zjawisko nakładania się genów kodujących na dwa inne białka, jak również przesunięcie ramki odczytu białka wewnątrz genu. Zmianę ramki odczytu genu białka możemy znów porównać do zmiany sekwencji liter i ułożenia wyrazów w taki sposób, że zmieni to nie tylko wyrazy, ale i sens zdania. Na przykład zdanie: Początkowo danie smakuje. Jednak po zmianie ramki odczytu genu otrzymamy: Początko Woda nie smakuje. Istotę zmiany ramki odczytu można też wyrazić  w sposób bardziej zabawny: Ja jako były, zamienić na: Jaja kobyły.

Wyżej wymienione procesy umożliwiające biosyntezę białka na kilka różnych sposobów ‒ nie wyczerpują całej gamy zmian, które regulują w komórce bardziej subtelne różnice w powstających białkach. Struktura wielu genów zbudowana jest z dwóch różniących się funkcjonalnie części – intronów i eksonów. Introny to fragmenty genów, które nie zawierają żadnej informacji o białku (tak jak znaki interpunkcyjne w zdaniach), a między nimi występują eksony, które kodują białko. Innymi słowy, określone łączenie eksonów prowadzi do powstania matrycowych RNA i w rezultacie wielu różnych białek z jednego genu, coś jak układanie różnych struktur z tych samych klocków Lego.

Znakomitym przykładem modyfikacji biosyntezy białek jest składanie różnych cząsteczek białkowych DSCAM²⁰ u muszki owocowej Drosophila melanogaster²¹. Opisano takie przetasowanie eksonów, że z czterech klastrów eksonów można otrzymać aż 38 016 różnych rodzajów białek. Przetasowanie nie dzieje się przypadkowo; żeby taki skomplikowany proces biologiczny nastąpił, potrzebne są spliceosomy²², czyli wysoce zorganizowane kompleksy, które oprócz jądrowych cząsteczek RNA są połączone z osiemdziesięcioma rodzajami białek²³. Aby ten mechanizm lepiej zrozumieć, porównam go (znów) do budowy zdania w języku polskim. Wyobraźmy sobie zdanie: Ala nie ma kota. Jeżeli przy powstawaniu tego białka ekson nie zostanie usunięty, to otrzymamy zdanie Ala ma kota, czyli białko o innej swoistości.

Trudno jest wymienić i opisać wszystkie czynniki, które w takich procesach pełnią biologiczną funkcję, ograniczę się tylko do tych najlepiej poznanych. Małe jądrowe RNA (Small nuclear RNA), małe jąderkowe²⁴ RNA (Small nucleolar RNA), mRNA spojenie trans (SmY RNA), nukleotydowa modyfikacja cząsteczek RNA (Small Cajal body-specific RNA), nukleotydowa modyfikacja mRNA (Guide RNA), rybonukleaza P (Ribonuclease P), rybonukleaza dojrzewającego rybosomu podczas replikacji DNA (Ribonuclease MRP), RNA wspomagające replikację (DNA Y RNA), synteza telomeru (Telomerase RNA Component), spojenie trans obróbki RNA (Spliced Leader RNA).

To, co chcę tym miniwykładem Czytelnikowi przedstawić, to fakt, że cała transkrypcja i regulacja DNA, a co za tym idzie również ekspresja i regulacja określonych białek, pomimo nieznacznych zmian ekspresji genów, zmienia „biologiczny sens” kaskady białek w komórce, nie tylko ilościowo, jakościowo, przestrzennie, ale i temporalnie. Zdaję sobie sprawę, że oddalam się znacznie od biologicznych badań, bo antropomorficznie przywołuję określenie „biologiczny sens”, a to już nie jest stricte nauka, tylko filozoficzne implikacje.

Andrzej Myc

Ann Arbor, MI, 5 grudnia 2020

Źródło zdjęcia: Wikipedia

Ostatnia aktualizacja strony: 29.12.2020

Literatura: