Zrozumieć pierwotniaka

Jest rok 1673. Trwa Złoty Wiek Niderlandów; kwitnie handel tulipanami i dobrami zamorskimi, rozwija się sztuka. Antonie van ­Leeuwenhoek, młody biznesmen specjalizujący się w handlu suknem, siedzi w przyciemnionym kantorku w gwarnym Delfcie, uparcie wpatrując się w osnowę leżącego przed nim materiału przez sfatygowaną lupę ręczną. Stara się dojść, czy jest to rzeczywiście wysokiej jakości bawełna, czy też dostawca znowu wystrychnął go na dudka.

Jedyna znana wówczas metoda otrzymywania soczewek – szlifowanie kawałków szkła – ma swoje ograniczenia. Pewnego dnia, podglądając dmuchaczy szkła, van Leeuwenhoek wpada jednak na genialny pomysł. Gdy rozciągnie się ogrzaną szklaną pałeczkę, powstanie cienka jak włos nitka. Po ponownym wsunięciu jej w ogień na końcu zacznie się formować idealnie gładka kuleczka: maleńka sferyczna soczewka. Van Leeuwenhoek umieszcza ją w metalowej oprawie. W taki mikroskop patrzy się z niedużej odległości; obiekty znajdujące się za szklaną kuleczką ukazują się w wielkim powiększeniu, przy odrobinie szczęścia nawet kilkusetkrotnym.

W jednej chwili uzyskuje wstęp do świata, którego prawdopodobnie nikt przed nim nie doświadczył. Zafascynowany swoim odkryciem ogląda przez mikroskop wszystko, co wpadnie mu w ręce. W swoich listach do największych towarzystw naukowych Europy starannie opisuje: wełnianą pończochę i kawałek surowej wełny, bycze jelito i pęcherz (delikatnie nadmuchane, aby łatwiej było obserwować strukturę nabłonka); język człowieka, potem wołu, a potem świni; ziarno kawy, wyprażone, a następnie pocięte na cienkie plasterki; własną krew, potem zmieszaną z winem, a potem zmieszaną z winem i drożdżami… i tak dalej. Przez 50 lat, które pozostały mu do śmierci, van Leeuwenhoek odkrył plemniki, prążkowaną strukturę mięśnia i komórki krwi. A także animalcula: „małe zwierzątka”, pełzające po glebie, pływające w kałużach i tworzące śliską błonkę na drewnianym poidle dla koni przed wiejską gospodą pod Delftem.

„Owe animalcula – pisze w 1674 r. w liście do Towarzystwa Królewskiego w Londynie – miały rozmaite kolory, jedne białawe i przezroczyste; inne z zielonymi, połyskującymi łuskami; jeszcze inne zielone pośrodku, a z przodu i z tyłu białe; jeszcze inne szarozielone. A ruch większości tych animalcula w wodzie był tak chyży, tak rozmaity, w górę, w dół i w kółko, że wspaniale było na nie patrzeć. Sądzę, że niektóre spośród tych niewielkich stworzeń były ponad tysiąckrotnie mniejsze od najmniejszych, jakie dotychczas widziałem…”.

A jest jak B

Gdy mówimy o narzędziach, jakimi posługują się naukowcy, wymienimy pewnie teleskop, sejsmometr czy spektrometr masowy. Jednym z podstawowych narzędzi naukowych jest też jednak metafora. Na płaszczyźnie czysto teoretycznej jest to każda struktura o postaci „A jest jak B”. Kojarzymy ją zwykle z poezją, od klasyki biblijnej („szyja twoja jak wieża Dawida… piersi twe jak dwoje koźląt, bliźniąt gazeli, co się pasą pośród lilii”) po współczesność („pięć palców co po strunach chodzą / zegną się jak żelazo w ogniu / w owoc granatu martwy splot”). Metafora jest też jednak narzędziem myślenia, zwłaszcza o rzeczach, które są nam odległe, trudne do wyobrażenia; drugi człon metafory dostarcza wtedy punktu zaczepienia dla myśli. Ot, „świat jest jak zegarek mechaniczny” – jak by to chcieli Kartezjusz czy Newton.

Metafory, zwłaszcza nieuświadomione, organizują myśli na sposób dogłębny, podstępny i nie zawsze pożądany. Gdy założę cicho, że „dyskusja jest jak wojna”, to każdą debatę polityczną oglądać będę z oczekiwaniem, że padną w niej ciosy, że będą uniki i szturmy; że będzie zwycięzca i przegrany. A co by było, gdyby na dnie mojej świadomości tliła się alternatywna metafora, że „dyskusja jest wspólną wędrówką”? W nauce znany jest przypadek toksycznej wręcz metafory „atom jest jak układ planetarny”, która okazała się fatalnie nieadekwatna, ale do dzisiaj kołacze się w naszej zbiorowej podświadomości.

Metafory naukowe są szczególnie potężne, ponieważ decydują o naszym obrazie świata. Jeśli przyjmę, zwłaszcza bez uświadamiania sobie tego, że „świat jest jak organizm”, będę żył w zupełnie innej rzeczywistości, niż gdybym przyjął, że „świat jest jak mechanizm”. Patrząc na wydmę, nie będę się zastanawiał nad tym, z jakich składa się ona elementów (ziarenek piasku) i jak ze sobą one oddziałują (poprzez tarcie i elektrostatykę), a raczej nad tym, czy jest w stadium dziecinnym czy dorosłym (wydmy przecież też rodzą się i umierają). Te dwie ścieżki nie wykluczają się i, czysto teoretycznie, powinny się uzupełniać. Cóż właściwie stoi na przeszkodzie, aby dwóch wędrowców, jeden spod znaku mechanicyzmu, a drugi organicyzmu, porozmawiali o tej samej wydmie? Czy nie powinni dojść ostatecznie do tych samych prawd? Teoretycznie – tak. Teoretycznie.

Małe zwierzątka

Na animalcula, które van Leeuwenhoek oglądał pod mikroskopem, dziś mówimy po prostu „pierwotniaki” albo – w terminologii naukowej – „protisty”.

Obserwowane przez van Leeuwenhoeka istoty poruszały się, poszukiwały pożywienia i spożywały je; rodziły się, rozmnażały i umierały. Literatura protozoologiczna aż do lat 40. XX w. opierała się na wielogodzinnych obserwacjach pierwotniaków gołym okiem lub w mikroskopie optycznym.

Badało się je jak każde inne zwierzę – po prostu obserwując ich anatomię i zachowanie; takim też językiem je opisywano. „Teuthophrys [rodzaj orzęska] nie jest zbyt szybkim pływakiem (…); postępuje naprzód dość nieśpiesznie, od czasu do czasu zawracając na chwilę, po czym wznawia ruch przed siebie” – pisał D.H. Wenrich w artykule z 1929 r. „Paramecium [czyli pantofelek, też rodzaj orzęska] porusza się po ścieżce spiralnej. Jest ona wąska, gdy w wodzie nie natrafia na żadne bodźce (…); w reakcji na bodziec bywa znacznie szersza, o promieniu nawet kilkakrotnie przekraczającym długość jego ciała” – pisał H.S. Jennings w 1904 r. Natomiast w 1911 r. S.O. Mast opublikował w czasopiśmie „Journal of Animal Behavior” (czyli poświęconym „zachowaniom zwierząt”) artykuł pt. „Habits and Reactions of the Ciliate, Lacrymaria” („Zwyczaje i reakcje orzęska lacrymaria”), w którym opisuje m.in. odwracanie przez lacrymarię „głowy” w reakcji na bodźce.

Szczególnie wzruszył mnie jednak E.E. Lund, który w 1935 r. opisywał orzęska Oxytricha, którego unieruchamiał pomiędzy dwiema płytkami szklanymi. Metoda ta, jak raportował, miała pewną wadę. Po przyciśnięciu orzęska „poszczególne organelle [rzęski] biły znacznie szybciej i energiczniej niż zwykle. Aby poradzić sobie z tą trudnością, zastosowaliśmy różne narkotyki (…). Dzięki pomocy Wydziału Farmakologii odkryliśmy, że amytal [amobarbital, działający też na ludzi lek uspokajający] okazał się skuteczny. (…) Wystarczył jeden lub dwa maleńkie kryształki”. Po ok. pół godzinie orzęski uspokajały się na mniej więcej 10 minut, co pozwalało na ich dogodne obserwowanie, niezakłócone przez spazmatyczne ruchy ściśniętego orzęska. Dzięki temu Lund był w stanie opisać funkcję każdego z dokładnie osiemnastu pęków rzęsek (cirri) występujących na brzusznej stronie oxytrichy, ich rolę w pełzaniu, zawracaniu, sterowaniu, kierowaniu pokarmu do „gęby”, przytrzymywaniu go itd.

Dwustuletnia tradycja traktowania pierwotniaków jako „małych zwierząt” zaczęła z czasem ciążyć. Metafora ta, jak każda, każe zadawać określone pytania, a następnie odpowiadać na nie w określonym języku. Oxytricha wije się, gdy się go przyciśnie – czy więc „boi się”? Teuthophrys zawraca – a więc może „waha się”? Pantofelek poszerza ścieżkę, gdy się go pobudzi – czyżby więc był „ciekawski”? W 1911 r. L.M. Day i M. Bentley, również publikując w „Journal of Animal Behavior”, zarzekali się, że obserwowane przez nich orzęski uczą się metodą prób i błędów; z czasem miałyby uczyć się coraz to sprawniej poruszać po ciasnej przestrzeni rurki laboratoryjnej; potwierdził to zresztą J.W. French w 1940 r. (w czasopiśmie „Journal of Experimental Psychology”). Do dziś trwają w literaturze naukowej dyskusje nad możliwościami, no cóż, „poznawczymi” pantofelka i wiarygodnością tego typu raportów.

Głębiej, ku atomom!

Kolejny przełom w protozoologii dokonał się za sprawą grupy niemieckich fizyków, którzy na początku lat 30. XX w. badali wiązki elektronów i sposoby manipulowania nimi, tworząc podwaliny optyki elektronowej. W 1931 r. Ernst Ruska i Max Knoll zaprezentowali prototyp mikroskopu elektronowego – urządzenia, które wysyła w kierunku próbki wiązkę elektronów, a następnie rejestruje odbite od niej (lub przepuszczone przez nią) cząsteczki. Dwa lata później urządzenia takie osiągały już rozdzielczość przekraczającą możliwości najlepszych mikroskopów optycznych, dla których nieprzekraczalnym ograniczeniem jest długość fali światła. Światło widzialne ma fale długości ok. 300-700 nanometrów. Wić pierwotniaka ma grubość ok. 200-300 nanometrów. Choć dzięki różnego typu sprytnym technikom możliwe jest zarejestrowanie jej kształtu w mikroskopie optycznym, nie ma co już liczyć na zbadanie jej struktury wewnętrznej. A od skali atomowej do 300 nanometrów są cztery rzędy wielkości, to jak od jednego klocka lego do konstrukcji o grubości 10 metrów.

Gdy ucichły echa II wojny światowej, protozoolodzy uzyskali możliwość obserwowania „małych zwierzątek” w niespotykanym wcześniej powiększeniu. Jest jednak pewien problem. Istnieją dwa podstawowe typy mikroskopu elektronowego. Mikroskop transmisyjny (TEM) wymaga doprowadzenia preparatu do postaci ultracienkiego plasterka, zaś mikroskop skaningowy (SEM) działa tylko na próbkach, których powierzchnia zbudowana jest z materiału przewodzącego, najlepiej metalicznego. Aby zaobserwować pierwotniaka pod mikroskopem elektronowym, można więc go albo zalać żywicą, a następnie posiekać ultramikrotomem na cieniutkie kromeczki, albo pokryć cieniutką warstewką złota. Tak czy inaczej metoda ta ograniczona jest do animalcula mortua.

Zupełnie jak van Leeuwenhoek, powojenni badacze pierwotniaków rzucili się na obserwowanie wszystkiego, co tylko wpadło im w ręce, pod każdym wyobrażalnym kątem. Literatura protozoologiczna szybko zaroiła się od coraz to bardziej precyzyjnych opisów ultrastruktury błon, witek, jąder, plastydów, mitochondriów oraz najprzeróżniejszych granulek, woreczków i kryształków wypełniających ciała pierwotniaków. W latach 90. pojawiła się ponadto możliwość badania ich sekwencji genetycznych oraz półautomatycznego ich porównywania z innymi genomami. Z czasem ustabilizował się „model standardowy” artykułu naukowego na temat pierwotniaka. Zerknijmy, jak naukowcy opisują dziś animalcula.

Ot, tekst z czerwca 2002 r. (M. Moriya, „A New Class of the Stramenopiles…”), w którym opisany jest nowy gatunek, Placidia cafeteriopsis. Warto podkreślić, że jest to spore odkrycie; Placidia zasłużyła sobie na utworzenie specjalnie dla niej nowej klasy/gromady, czyli jednostki taksonomicznej dość wysokiego poziomu. Gromadami królestwa zwierząt są choćby owady, pajęczaki, ślimaki, płazy, ptaki czy ssaki – nie jest to więc po prostu odkrycie gatunku orzęska numer 7524. To organizm o potencjalnie niespotykanych cechach.

Artykuł ma 14 stron. Sześć stron poświęconych jest analizie zdjęć z mikroskopu elektronowego (TEM) i porównaniu ich z ultrastrukturą innych, pokrewnych gatunków. Jedna strona – analizie genetycznej. Dwie – systematyce; sporo zajmuje opis metod, bibliografia itd. Opis zachowania żywych osobników, oglądanych w mikroskopie optycznym, zajmuje natomiast… jeden akapit. Zacytujmy może typowy fragment tej pracy, żeby „poczuć” współczesną protozoologię. „Korzeń R3 składa się z 10 mikrotubuli, które w pobliżu ciała bazalnego 1 na przekroju poprzecznym układają się w kształt litery U (rys. 26). Korzeń R3 odchodzi w kierunku tylnym tuż pod brzuszną stroną ciała i zmienia przekrój poprzeczny z litery U na literę L, uformowaną przez dwa paski składające się z 3 i 7 mikrotubuli (rys. 27). W tylnej części ciała paski te rozbiegają się i tworzą dwa łuki, zewnętrzny i wewnętrzny…”.

Pojednanie metafor?

Trudno powiedzieć, jaka właściwie metafora kryje się za tego typu opisem. Chyba żadna. W przypadku współczesnych prac poświęconych zachowaniu się pierwotniaków – które nie przestały przecież powstawać – można jednak powiedzieć z łatwością, jaka. Mechanicystyczna. Reakcja na bodziec rozkładana jest na części pierwsze. Ot, opis orzęska przepływającego w pobliżu źródła pokarmu: zanurzone w błonie komórki białka reagują na podwyższone stężenie cząsteczek pokarmu, wysyłając cząsteczki sygnałowe do wnętrza komórki; te reagują z kolejnymi cząsteczkami, uruchamiając kaskadę słabo znanych procesów prowadzących ostatecznie do zmiany rytmu, z jakim biją określone grupy witek, a orzęsek zawraca. A popycha B, B popycha C, jak w zegarku.

Jednak dokładnie tak samo można przedstawić reakcję człowieka, który podchodzi do witryny sklepowej, ponieważ zauważył dobry prezent na gwiazdkę. Na siatkówkę oka padają fotony, sygnał wędruje nerwem wzrokowym do kory wzrokowej; następnie zachodzi równie tajemnicza, co w przypadku orzęska, magia krzyżujących się wpływów i sygnałów, prowadząca ostatecznie do zejścia rdzeniem kręgowym sygnału do nóg, które kierują ciało w kierunku sklepu. Przy opisie zachowań ludzkich przyzwyczajeni jednak jesteśmy, że interpretujemy te procesy jako „zauważenie” czegoś, „przypomnienie sobie” o świętach czy „podjęcie ­decyzji” o obejrzeniu wystawy. Czy jest to dozwolone w przypadku istot innych niż ludzie?

O problemie tym pisaliśmy już w „Tygodniku” wielokrotnie. Jest on szczególnie bolesny przy badaniach małp człekokształtnych, które z jednej strony opisywane są przez zatwardziałych behawiorystów jako reagujące mechanicznie na bodźce, zbudowane z mięsa automaty, a z drugiej, przez zoologów-humanistów, jako troszkę bardziej owłosieni ludzie, którzy czują emocje i planują – co ma jeszcze jako takie poparcie empiryczne – ale też wierzą, teoretyzują i rozmyślają. Holenderski prymatolog Frans de Waal apeluje o „mądry antropomorfizm” – odrzucenie, z jednej strony, naiwnego zrównywania wszystkich istot żywych z ludźmi, ale, ze strony drugiej, też równie bezmyślnego odmawiania im jakiegokolwiek podobieństwa do nas samych, których zachowanie ma przecież znane podłoże anatomiczne, fizjologiczne, ewolucyjne. No dobrze, ale… pierwotniaki?

Język stosowany przez badaczy animalcula obrazowo informuje o zachowaniu i pozwala na wyciąganie szybkich wniosków: jeżeli orzęsek zostanie „przestraszony”, to będzie „uciekał”. Język stosowany przez tych, którzy badają plasterki protistów, precyzyjnie informuje o anatomii i pozwala na poznawanie rzeczywistych powiązań ewolucyjnych. Obydwa języki, podobnie jak kryjące się za nimi metafory, mają swoje zalety i mogą prowadzić do wynaturzeń, jeśli nadmiernie się im zaufa. Czy możemy spodziewać się ich pojednania?

Jeśli dotychczasowa historia nauki miałaby być dla nas źródłem inspiracji, to kolejny przełom powinien przyjść za sprawą nowej techniki instrumentalnej, która „sprzedałaby nam” przy okazji jakąś zupełnie nową metaforę. A może dałoby się podejść do tego zagadnienia „od tyłu”: wynająć ekspertów od metafor, jakimi są, bądź co bądź, artyści, aby opracowali zupełnie nowy sposób myślenia o pierwotniakach, a dopiero to doprowadziłoby nas do konieczności wynalezienia nowej techniki obserwacyjnej? Cóż, tego jeszcze nikt nie próbował. ©

Łukasz Lamża

Autor jest doktorem filozofii, nauczycielem akademickim, tłumaczem i redaktorem „TP”.