Coraz bardziej ożywiona kropelka

Nawet najprostsze organizmy żywe są dziś cudownie finezyjnymi istotkami, których nie da się łatwo rozłożyć na części pierwsze albo stopniowo upraszczać, uzyskując coraz to prostsze, „prawie żywe” obiekty. Spróbujmy może wydzielić trzy główne aspekty świata biologicznego – strukturę, energię i informację – i przyjrzeć się przez ich pryzmat problemowi abiogenezy, czyli wyłonienia się życia z nie-życia. Może coś nam się z tego ulepi?

STRUKTURA

Podstawową jednostką strukturalną życia jest komórka. Nie do końca wiadomo, dlaczego, ale tak właśnie jest – nie ma życia bez komórek. Komórka to w istocie tylko mały bąbelek tłuszczu, a jednak jest to też twierdza, której wnętrze jest zazdrośnie chronione przed zagrożeniami z zewnątrz. Wnętrze jest moje, swojskie, bezpieczne. Zewnętrze jest cudze, obce, groźne. Z chemicznego punktu widzenia (zob.: ENERGIA) zamknięcie pewnej ilości wody w tłuszczowej błonce służy przede wszystkim utrzymaniu w niej wysokich stężeń związków, pozwalających na przeprowadzanie kluczowych dla życia reakcji chemicznych. Gdyby nie istniała granica wydzielająca miejsce zachodzenia reakcji od środowiska (błona komórkowa), byłby poważny problem ze zgromadzeniem w jednym miejscu związków chemicznych potrzebnych do przeprowadzenia wielkiej alchemii życia, a po wykonaniu każdego kroku chemicznego produkty natychmiast rozpełzałyby się po świecie.

Z genetycznego punktu widzenia (zob.: INFORMACJA) komórka wyznacza elementarną oś „ja–inni”. Gdyby każda cząsteczka DNA należała do życia jako całości, nie wystąpiłoby to wspaniałe, okrutne zjawisko zwane konkurencją, opierające się na dążeniu do mojego sukcesu. Nie można sobie wyobrazić doboru naturalnego w świecie, w którym informacja genetyczna jest powszechnie dostępna. Podobnie jak nie byłoby motywacji dla innowacyjności gospodarczej w świecie bez patentów i sekretów przemysłowych. Powstanie komórki to kamień milowy na drodze ku życiu.

ENERGIA

Życie opiera się na nieustannym opędzaniu się przed chaosem, rozpadem i śmiercią.

Nadszarpnięta błona komórkowa musi zostać naprawiona i wygładzona (zob.: STRUKTURA); trzeba wiecznie zasklepiać jakąś ranę, napalić w piecu i wyrzucić śmieci. Wydatkujemy niewiarygodną ilość energii tylko po to, aby nic się nie działo. Ciało dorosłego człowieka, który nic nie robi, spala ok. 60 kalorii co godzinę. Czemu? Cóż, jesteśmy małymi piecykami, których osławione 36,6 stopni Celsjusza nie utrzyma się samo. Materia nieożywiona tym się różni od ożywionej, że ta pierwsza nie domaga się ciągłego dostarczania energii dla swojego istnienia. Aby zrozumieć tę cechę życia, wystarczy posadzić w jednym pokoju pracownika muzeum i ogrodu zoologicznego, po czym zapytać, w jaki sposób dbają oni o swoje eksponaty.

Krótko mówiąc, kluczową cechą życia jest metabolizm: napędzający się cykl niszczenia środowiska i tworzenia siebie; rozkładania tego, co zastane, i łączenia jego części składowych na swój obraz i podobieństwo (zob.: INFORMACJA); katabolizmu i anabolizmu.

W przyrodzie nieożywionej energii nie brakuje; cały Wszechświat wręcz rozpierają gigawaty i terawaty energii. Jest to jednak raczej energia gejzeru niż rzeki; raczej źrebaka niż konia pociągowego. Powstanie życia musiało się wiązać z ujarzmieniem energii. Jest takie pojęcie w termodynamice: energia użyteczna. O, to, to!

INFORMACJA

Informację zdefiniować równie trudno, co energię. Wiemy natomiast, po czym poznać ich obecność lub brak. Układ pozbawiony energii jest pasywny, martwy, poddaje się środowisku. Układ posiadający energię jest aktywny, żywy, sam to środowisko formuje. Po czym poznać „obecność informacji”? Cóż, brak informacji to szum, chaos, nieporządek. Przypadek. Informacja wprowadza do układu porządek, powtarzalność, kierunkowość. Wprowadza, tfu, cel.

Świat ożywiony tętni od energii (zob.: ENERGIA) i obfituje w struktury (zob.: STRUKTURA), ale trzeba naprawdę się nagimnastykować, aby odnaleźć w nim informację. Informacja – jakkolwiek mętnie zdefiniowana i będąca raczej intuicją niż ostrym jak brzytwa pojęciem – wydaje się wiązać z takimi pojęciami jak kod i sygnał; wydaje się domagać istnienia nadawcy i odbiorcy: czegoś/kogoś, co/kto sygnał nadaje, i czegoś/kogoś, co/kto go odbiera i zostaje w ten sposób in-formowany. In-formacja polegałaby więc na nadaniu czemuś formy – sprawiałaby, że coś staje się właśnie takie, a nie inne. To zresztą „robi” informacja genetyczna.

Bardzo trudno jest wyobrazić sobie początki informacji. W komórkach żywych nawet najprostsze komunikaty są tak złożone, że nie sposób wyobrazić sobie ich wyłonienie się z czegoś, co w ogóle nie jest komunikatem. Zdanie „KUP CHLEB” nie mogłoby wyewoluować metodą drobnych modyfikacji z litery „K”. Istota i pochodzenie informacji to jedna z największych zagadek biologii.

1. NAJMNIEJSZA KROPELKA (zob. rys.)

Komórkę żywą opisaliśmy przed chwilą jako kropelkę tłuszczu. Cóż jest tak szczególnego w tłuszczach? Są to związki chemiczne składające się z dwóch podstawowych elementów strukturalnych, które można określić jako „główkę” i „ogon” (lub ogony). Co istotne, główka jest nieodmiennie hydrofilowa, czyli „wodolubna”, dążąca do kontaktu z cząsteczkami wody, zaś ogonki są hydrofobowe, czyli „wodolękliwe”, wolące unikać wody i otaczać się innymi cząsteczkami hydrofobowymi.

Wpuszczone do wody cząsteczki tłuszczu będą więc spontanicznie organizować się przestrzennie tak, aby jak najwięcej główek i ogonków było „zadowolonych”. Najprostszym przepisem na to jest micela – kuleczka zbudowana z wielu cząsteczek tłuszczu z ich „ogonkami” skierowanymi do środka, a „główkami” – na zewnątrz.

2. KROPELKA Z (zob. rys.)

Micela to dopiero początek. Wyobraźmy sobie nieco inną konfigurację cząsteczek tłuszczu, która wychodzi naprzeciw hydrofobowości ogonków i hydrofilowej naturze główek: kuleczkę składającą się z dwóch warstw cząsteczek zetkniętych ze sobą ogonkami. Główki warstwy zewnętrznej „wystają” na zewnątrz, podczas gdy główki warstwy wewnętrznej „celują” do środka. Oto liposom. Jest to rewolucyjny projekt, ponieważ teraz udało się uzyskać wnętrze – oto fragment pierwotnego oceanu zostaje od niego oddzielony. Liposom to pierwszy wielki krok na drodze do komórki żywej. Wszystkie współcześnie żyjące organizmy składają się z komórek mających w zasadzie postać liposomu.

3. CHEMIA ALBO SŁOŃCE

Istnieją dwa główne źródła energii dla organizmów: słoneczna i chemiczna. Stąd – fototrofia i chemotrofia. Rośliny są fototrofami – posiadają w swoich komórkach barwniki fotosyntetyczne, np. chlorofil, czyli miniaturowe płaskie antenki łapiące fotony światła słonecznego i przekazujące ich energię dalej. Ostatecznie jest ona „wlewana” w wiązania chemiczne, np. glukozy, która zostaje utworzona poprzez pracowite zlepianie cząsteczek dwutlenku węgla (CO₂, zobacz obok strukturę). My sami jesteśmy chemotrofami i korzystamy z energii tychże samych wiązań: po zjedzeniu glukozy zostaje ona rozłożona na 6 cząsteczek CO_2, który wydychamy.

Pierwsze formy życia były najprawdopodobniej chemotroficzne – „wynalezienie” aparatu do fotosyntezy było sporą innowacją. Tak czy inaczej nie sposób wyobrazić sobie organizmu żywego, który w jakiś sposób nie „podkrada” energii z otoczenia.

4. ŻYCIE MINERALNE

Alexander Graham Cairns-Smith (1931–2016) był szkockim chemikiem organicznym, który postanowił „wymyślić” życie zbudowane nie ze związków organicznych, tylko minerałów. Jego wielką miłością były minerały ilaste, zbudowane w skali atomowej z ułożonych luźno, jedna na drugiej, cienkich blaszek składających się z atomów krzemu i tlenu – trochę jak talia kart. Blaszki te chętnie łączą się z rozmaitymi związkami chemicznymi, dzięki czemu każda blaszka może być odrobinę inna.

Cairns-Smith zauważył, że gdy kolejne blaszki minerału ilastego są w jakiś sposób uporządkowane – wyobraźmy sobie talię kart, w której naprzemiennie ułożone są kolory „czarne” (piki i trefle) oraz „czerwone” (kiery i karo) – to owo uporządkowanie przestrzenne zostanie „skopiowane”, gdy płatek takiego minerału pęknie (przedzieramy talię na pół). Jest to sytuacja do pewnego stopnia przypominająca sekwencję DNA oraz jej kopiowanie. Cairns-Smith twierdził, że pierwszymi formami życia były właśnie mikroskopijne grudki minerałów, zaś stosiki minerałów ilastych stanowiły w nich odpowiednik DNA.

5. KROPELKA, KTÓRA WALCZY

Aleksandr Oparin (1894–1980) był sowieckim biochemikiem, który w latach 20. XX wieku jako jeden z pierwszych przedstawił kompleksową teorię powstania życia. Kluczowym elementem jego teorii były koacerwaty – maleńkie kuleczki zbudowane z różnych związków organicznych, utrzymywane w całości przez siły hydrofobowe. Miały one powstawać spontanicznie w „pierwotnej zupie” na młodej Ziemi. Koacerwaty zbudowane były z różnych związków, miały więc różne tempo wzrostu, rozmiar i zdolność do rozmnażania się. Tego typu dynamika miałaby doprowadzić do zajścia ewolucji. Zdaniem Oparina w „ciepłym bajorku” z czasem dominowałyby coraz to bardziej żwawe i drapieżne koacerwaty, zdolne ostatecznie na przykład do zjadania sąsiadów.

Równolegle do Oparina nad koacerwatami pracował John B.S. Haldane, brytyjski biolog. Haldane otrzymał Medal Darwina; Oparin – Order Lenina.

6. KROPELKA, KTÓRA ROŚNIE (zob. rys.)

Aby poznać jeden z sekretów życia, wystarczy pochylić się nad talerzem rosołu (poniżej) i przez chwilę przeganiać łyżką oka. Małe oka są jędrne: po zamieszaniu zupy łyżką przemieszczą się grzecznie, ale raczej nie rozpadną. Duże oka to już raczej ameboidalne tłuszczowe kałuże – wystarczy delikatnie zamieszać rosół, a rozleją się na boki i rozpadną. Oto napięcie powierzchniowe w działaniu.

Wyobraźmy sobie kropelkę tłuszczu, która „zasysa” z otoczenia elementy składowe cząsteczek tłuszczu (np. kwasy tłuszczowe), a następnie łączy je ze sobą, tworząc składniki swej własnej błony. Na ilustracji obok przedstawiona została taka właśnie hipotetyczna kropelka, pośrodku której znajduje się pojedyncza cząsteczka białka zdolnego do przeprowadzania odpowiedniej reakcji chemicznej. Po pewnym czasie liposom taki urósłby, sflaczał i pod wpływem przypadkowych ruchów cieczy sam z siebie rozpadł się na dwie mniejsze kropelki. Jest to elementarny model wzrostu i rozmnażania się komórek.

7. POCHWYCIĆ ENERGIĘ (zob. rys.)

Energia lubi uciekać, rozmieniać się na drobne. Kawa stygnie, laptop się wyładowuje, a zapał do pracy rozwiewa się w bezmyślne klikanie. Energia w postaci rozproszonej to zaś po prostu ciepło. Wspomniana wcześniej hipotetyczna „kradnąca energię” kropelka tłuszczu to więc tylko mikroskopijny grzejniczek. Prawdziwy metabolizm zaczyna się wtedy, kiedy ów import energii zostanie choćby częściowo sprzęgnięty z jakąkolwiek „użyteczną” reakcją chemiczną.

Wróćmy do naszej kuleczki, która buduje własną błonę komórkową. W rzeczywistości, aby z „ogonka” i „główki” utworzyć cząsteczkę tłuszczu, potrzebna jest energia. Wyobraźmy więc sobie, że tuż obok białka przeprowadzającego tę reakcję znajduje się inne – które rozbija cząsteczki glukozy i „kasuje” zgromadzoną w ich wiązaniach energię. Bingo! Przekaz energii dokonuje się za pośrednictwem „waluty” – cząsteczki-pośrednika, reprezentowanej tu przez pięcioramienną gwiazdkę, występującą w dwóch stanach: „naładowany” (gwiazdka gruba) i „pusty” (gwiazdka chuda).

8. CHEMICZNA SIEĆ ŻYCIA

Tibor Gánti (1933–2009) był węgierskim biochemikiem, którego życiową obsesją było wymyślenie „minimalnego organizmu żywego” – minimalnego zbioru reakcji chemicznych, które „zazębiają się” ze sobą (pewna ilość związków wchodzi z zewnątrz, potem produkty jednej reakcji są zawsze substratami kolejnej, aż ostatecznie pewne związki są usuwane z układu) oraz „mają sens” ze względu energetycznego (tj. reakcje dostarczające energii przeważają nad reakcjami pochłaniającymi energię).

Jego ukochanym dzieckiem był chemoton (Gánti opisał go w książce „Podstawy życia”) – hipotetyczny obiekt chemiczno-obliczeniowy spełniający te właśnie kryteria. Do dzisiaj nie wiadomo, czy pierwsze życie na Ziemi mogło być podobne do chemotonu.

9. NARODZINY WZORCA (zob. rys.)

W „standardowych” komórkach niemal wszystko robią białka: przeprowadzają reakcje chemiczne, budują rozmaite włókienka wzmacniające komórkę, rozplatają i splatają DNA… i tak dalej. Aby jednak mogły to robić, muszą mieć odpowiedni kształt – białka działają bowiem, popychając, przesuwając i zahaczając. Gdy więc konstruowaliśmy naszą „protokomórkę” z elementarnym metabolizmem (patrz obok), cicho – i niezbyt realistycznie – założyliśmy, że odpowiednie białka po prostu są na miejscu. W rzeczywistości kształt białek jest zakodowany w DNA.

Dodajmy więc do naszej kuleczki krótką nitkę DNA (po prawej na dole), która zawiera „przepis” na wszystkie białka potrzebne naszej rosnącej protokomórce do życia. Dodajmy, że teraz do dwóch białek odpowiedzialnych za nasz „minimalny” metabolizm dołączyło jeszcze jedno, przeprowadzające odczyt genów i konstruujące białka z aminokwasów (białe i czerwone paseczki wpływające do komórki z prawej strony).

10. DROGA NA SKRÓTY? (zob. rys.)

Z życiem jest pewien fundamentalny problem – nie ma białek bez DNA (bo białka powstają na podstawie przepisu genetycznego), nie ma DNA bez białek (ponieważ białka „opiekują się” DNA i przeprowadzają proces odczytu zawartej w nim informacji). To trochę jak problem jajka i kury.

Brytyjski biochemik Leslie Orgel (1927–2007) postanowił rozwikłać tę zagadkę, skupiając się na RNA – niepozornym chemicznym bliźniaku DNA pośredniczącym w procesie odczytu informacji genetycznej. Krótkie niteczki RNA, zwane mRNA, to „odpisy” genów, na podstawie których powstają białka – RNA może więc stanowić substytut DNA. To jednak nie koniec: istnieją bowiem cząsteczki RNA mogące pełnić funkcje enzymatyczne (czyli asystować przy przeprowadzaniu reakcji chemicznych), a więc zastępować białka. Stąd hipoteza świata RNA, jedna z najpopularniejszych dziś teorii na temat tego, jak mogło wyglądać bardzo wczesne życie.

11. ŻYCIE MINERALNE

NA KONIEC krótka uwaga otrzeźwiająca. Wszelkie wspominane tu „minimalne formy życia” są – trzeba to jasno powiedzieć – śmiesznie proste w porównaniu z nawet najprostszymi formami życia. Nie wliczamy tu wirusów, czyli małych pakiecików z informacją genetyczną. Nie są one organizmami, ale raczej podstępnymi sygnałami, które potrafią zmuszać komórki do tworzenia swoich własnych kopii.

Najprostsze organizmy mają ok. 300-400 genów. Większość to tzw. housekeeping genes, czyli geny „utrzymania domu” – minimalny, jak się wydaje, zestaw pozwalający na wytworzenie „od zera” wszystkich swoich składników, zdobycie i obróbkę pożywienia, obronę przed zagrożeniami, rozmnożenie się itd. Wszelkie próby tworzenia organizmów o znacząco mniejszej liczbie genów kończą się klęską. Cóż, wszystkie znane nam organizmy żywe mają za sobą miliardy lat ewolucji. Jeżeli nosimy w sobie ślady po pierwotnym tłustym błotku, są one bardzo dobrze ukryte. ©

Łukasz Lamża