Geneza życia w ujęciu filozoficznym – materiał do zaliczenia

Geneza życia w ujęciu filozoficznym (Konrad Karaszewski) – ekstrakt z wykładów

Definicja życia – nie ma jednoznacznej definicji życia, ale przyjmuje się, że musi

charakteryzować się ono trzema cechami: metabolizmem, replikacją oraz zdolnością

do ewolucji. Większość badaczy dodaje jako czwartą cechę, oddzielenie od

środowiska.

Teoria samorództwa – teoria powstania życia wg której powstaje ono wskutek sił

natury, uwzględnia ciągłe powstawanie zaawansowanych organizmów bez udziału

nasienia czy rodziców. Należy uwzględnić, że teoria ta budziła wątpliwości

ówczesnych badaczy – jeden z argumentów przeciw był nawet religijnej natury,

jednakże mechanizm powstawania małych istot (muchy, myszy itp.) był wówczas

nieznany w przeciwieństwie oczywiście do słynnego „Omne vivum ex ovo”

(„wszystko, co żywe powstaje z jaja (istoty żywej)”

Witalizm/Mechanicyzm – w obu stanowiskach wychodzi się od tego samego

założenia o budowie organizmu jako układu materialnego złożonego z

uporządkowanych i różnych od siebie części, które na siebie oddziałują.

Mechanicyzm to poszukiwanie zasad działania całości w zasadach działania części,

a bardziej konkretnie to stosowanie praw fizyki i chemii do wyjaśniania zagadnień

biologicznych. Witalizm do twierdzenia o całości jako sumie części dodaje

niematerialny, duchowy, empirycznie nieweryfikowalny czynnik, którym warunkuje

całościowy charakter układu żywego.

Panspermia. Na początku XX wieku wielu badaczy próbowało rozwiązać zagadkę

powstania życia, omijając pytanie o jego pochodzenie. Fizycy podążając za konkluzją

Pasteura, że życie może zostać zrodzone z innego życia, twierdzili, że nigdy się ono

nie narodziło, a jest raczej wieczne, jak sama materia. Na przełomie wieków, pojawiło

się wiele teorii sugerujących, że w jakiejś nieodkrytej części kosmosu warunki

sprzyjają odwiecznemu życiu i, że zostało ono dostarczone na Ziemię. Wszystkie

wersje panspermii bazowały na tym samym założeniu o odrębności kategorii do

jakich zaliczyć można życie oraz materię. Dodatkowo, opierały się one o prawa

konserwacji materii i energii, które sugerowały wieczność wszechświata – w takim

modelu, materia jest wieczna, a jedynie forma ulega zmianie.

Hipoteza „prebiotycznego bulionu” – autorstwo hipotezy przypisuje się dwóm

autorom. Pierwszym z nich jest Aleksandr Iwanowicz Oparin, drugim John Burdon

Sanderson Haldane, którzy mniej więcej w tym samym czasie (1929 rok), nie

kontaktując się ze sobą utworzyli jej podwaliny. Dlatego też hipoteza ta dziś

nazywana jest również hipotezą Oparina-Haldane’a. Jest ona istotna dlatego, że obaj

autorzy założyli w niej, że do powstania pierwszych układów ożywionych musiało

dojść w wyniku reakcji biochemicznych pomiędzy cząsteczkami organicznymi na

pierwotnej Ziemi oraz określili oni warunki biogeochemiczne w jakich życie miałoby

się narodzić.

Oparin i Haldane, każdy na swój sposób, uznając złożoność komórki, z jej

wielofunkcyjnymi organellami i systemem reakcji chemicznych wspomaganych

enzymatycznie, pragnęli pokazać przejście pomiędzy materią nieożywioną, a

układami ożywionymi, wskazując na pośrednie kroki jej ewolucji.

Hipoteza Oparina-Haldane’a bazuje głównie na tym, że do powstania życia w postaci

prakomórki, miało dojść w górnej warstwie oceanów na pierwotnej Ziemi. Pierwotna

atmosfera była całkowicie wolna od tlenu, a w wyniku współoddziaływania

promieniowania UV, rozpuszczonego dwutlenku węgla i obecnego w beztlenowej

atmosferze amoniaku, zaszła synteza związków organicznych w górnej warstwie

oceanów. W wyniku zachodzących procesów, pierwotny ocean stawał się

rozpuszczonym roztworem cząsteczek organicznych, któremu J.B.S. Haldane nadał

nazwę „gorącej rozpuszczonej zupy”. Po wielu nieudanych próbach, doszło do

syntezy praprzodka komórki wyposażonej w uproszczone mechanizmy, jakimi

dysponują współczesne komórki oraz oddzielonego od środowiska lipidową

membraną. Od czasu powstania, hipoteza Oparina-Haldane’a doczekała się

oczywiście wielu wersji, modyfikowanych w zależności od ogólnego stanu wiedzy

pokrewnych dyscyplin. Pierwotny ocean mógł nie być dobrym środowiskiem dla

reakcji chemicznych, które z podstawowych pierwiastków, miały utworzyć złożone

struktury cząsteczek, stanowiące budulec organizmów żywych. Główny problem

stanowi zbyt wielkie rozproszenie cząsteczek. Związki biogenne znaczeniu, są po

prostu zbyt rozcieńczone w wodzie.

Prace Aleksandra Oparina - Celem Oparina było pokazanie, że wszystkie główne

cechy układu ożywionego, takie, jak organizacja komórkowa, metabolizm,

reprodukcja i wykazywanie reakcji na bodźce zewnętrzne, mają swoje równoznaczne

przejawy w postaci fizycznych i chemicznych mechanizmów. Był przeciwnikiem

koncepcji witalistycznych, głoszących, że złożoność biologicznej organizacji nie

jest w stanie ewoluować z materii nieożywionej.

Idea Oparina, aby pokazać przejście pomiędzy materią nieożywioną, a systemami

ożywionymi odniosła się do dziedziny chemii jaką była chemia koloidów. W 60

latach dziewiętnastego wieku, grupa substancji chemicznych, takich jak skrobia,

kleje, żelatyna i inne proteiny były charakteryzowane według ich zachowania się w

roztworach. Koloidy w odróżnieniu od krystaloidów, takich jak sole czy

polisacharydy, charakteryzowały się ograniczoną zdolnością do rozpuszczania się i

krystalizacji oraz poprzez formowanie zawiesiny na powierzchni rozpuszczalników.

Dziś wiemy, że zachowanie się w roztworach uzależnione jest od wielkości

rozpuszczanych cząsteczek, ale w tamtych czasach, chemia koloidów była głównym

narzędziem badania komórki, jej protoplazmy oraz wewnętrznych organelli. Tak

zatem, zgodnie z hipotezą A. Oparina, składniki organiczne utworzyły, w pierwotnym

oceanie, jakiś rodzaj koloidowego roztworu. Kiedy roztwór zawierający określone

polimery osiąga dane stadium koncentracji, następuje proces zwany koagulacją.

Proces ten uwzględnia asocjację polimerów takich, jak cukry i proteiny, pod wpływem

sił wewnątrzcząsteczkowych do form mikroskopijnych kropelek, zwanych

„koacerwatami”. Koacerwaty charakteryzują się oddzieleniem od środowiska oraz

zdolnością do absorbowania z otoczenia małych cząsteczek organicznych, takich jak

monocukry czy aminokwasy. Mogą absorbować także większe cząsteczki, jak

proteiny, które mogłyby funkcjonować jako pierwsze, w historii życia na Ziemi,

enzymy. Funkcjonowanie prostego metabolizmu koacerwatów zostało

eksperymentalnie udowodnione przez A. Oparina. W wyniku absorpcji cząsteczek

fosforanu glukozy, przemieniał się on w skrobię, skutkiem czego kropelki rosły, a po

osiągnięciu pewnej wielkości dochodziło do ich podziału. W wyniku tego podziału,

niektóre z cech „komórki rodzicielskiej”, szczególnie wewnętrzna organizacja

cząsteczek proteinowych odpowiedzialna za zdolność do absorbowania materiału i

narastania, zostały przekazywane na „komórki potomne”. Oparin próbował

wytworzyć koacerwaty z polipeptydów, polisacharydów lub z kwasów nukleinowych.

Cząsteczki te w wodnym roztworze przyjmowały względnie stałe krople powleczone

błoną. Krytycy wskazali, że twory produkowane przez Oparina są sztuczne i nie

pochodzą z abiogennego materiału, lecz z materiałów z systemów już ożywionych.

Wskazywali również na wątpliwą stabilność tak uzyskanych koacerwatów.

Aleksander Oparin zasugerował, że wśród koacerwatów mógł funkcjonować pewien

rodzaj selekcji naturalnej, w wyniku której kropelki obdarzone lepszą organizacją

wewnętrzną wzrastały i reprodukowały się szybciej od pozostałych. Twierdził on, że

zdolność do utrzymania prymitywnego metabolizmu, wzrastania i reprodukcji oraz

rywalizacja oparta o zróżnicowanie w przystosowaniu do warunków środowiska

przeniosła ewolucję na poziom złożonych i zaawansowanych układów. Ustanowił w

ten sposób paradygmat metabolizmem, związany z kluczową cechą, którą musi

charakteryzować się pierwszy ożywiony układ w historii naszej planety.

Na dalszym etapie, wszystkie materiały organiczne w środowisku uległy wyczerpaniu

i jedynie organizmy, które opanowały heterotrofię mogły przetrwać i kontynuować

swój rozwój. W ten sposób doszło do wypracowania mechanizmu fotosyntezy.

Prace J.B.S. Haldane’a – John Burdon Sanderson Haldane zainspirowany

był dokonaniami na polu rozwijającej się genetyki, odkryciem wirusów i pracami

nad syntezą cukrów. Wyszedł z założenia, że pierwotna atmosfera nie zawierała

tlenu albo zawierała go w znikomej ilości. Swoje przypuszczenia oparł na hipotezie,

że węgiel jaki odnajdujemy teraz w postaci węgla kopalnego wraz z innymi

organicznymi szczątkami oraz w różnorodnych złożach mineralnych, był w

przeszłości dwutlenkiem węgla wiążącym cały obecny na planecie wolny tlen. Jak

wierzył J.B.S. Haldane, pierwotna atmosfera zawierała dwutlenek węgla, amoniak

oraz parę wodną. Podążając tym tropem, wnioskował, że z powodu braku tlenu, nie

istniała powłoka ozonowa, w wyniku czego możliwe było stałe oddziaływanie

promieniowania ultrafioletowego słońca. Promieniowanie to, jak podkreślał było

wysoce energetyczne i mogło pomóc w syntezie organicznych składników z

nieorganicznych cząsteczek. W wyniku takiej syntezy, składniki organiczne

formowały coraz to bardziej złożone cząsteczki, które kumulowały się w pierwotnym

oceanie, tworząc „gorącą rozpuszczoną zupę”. Haldane zakładał, że pierwsze

ożywione lub na wpół-ożywione układy były dużymi organicznymi cząsteczkami

zdolnymi do reprodukcji. Biorąc pod uwagę, że proces reprodukcji wymaga dostaw

różnorodnych cząsteczek, zakładał, że pierwotny ocean był ich pełen, że stanowił

„rozległe laboratorium chemiczne” produkujące wymagane materiały. Twierdził, że

nie ma możliwości aby ocenić, jak długo te, na wpół ożywione, obiekty pozostawały

w prymitywnej fazie. Jednakże, na pewnym etapie uformował się pewien rodzaj

oleistej zawiesiny, która zawierała cząsteczki zdolne do reprodukcji, skąd następnym

krokiem było pojawienie się pierwszej komórki. Sugestia J.B.S. Haldane’a, że

pośrednim etapem na drodze do pierwszego organizmu była samo-reprodukująca się

cząsteczka, zainspirowane było odkryciem wirusów. Na początku wieku, wirusy,

które są o wiele mniejsze niż bakterie, były niewykrywalne przez mikroskopy, a ich

obecność wykrywano poprzez wpływ jaki miały na komórki. Był pod szczególnym

wrażeniem odkrycia bakteriofagu, czyli wirusa, który zaraża i replikuje się wewnątrz

bakterii, dokonanego w 1917 roku przez Félixa D’Hérelle. Odkrycie to zainicjowało

debatę o tym, czy bakteriofag jest istotą żywą. Dal Haldane’a istotna była zdolność

do reprodukcji w zależności od otoczenia – co stanowiło cechę poszukiwaną dla

przedstawiciela fazy przejściowej pomiędzy nieożywioną materią, a systemem

ożywionym. Wskazał na analogię pomiędzy środowiskiem komórkowym w rozwoju

wirusa, a „prebiotyczną zupą” jako środowisku odżywczym dla powstającego życia.

Haldane zasugerował, że życie mogło pozostać w fazie wirusowej przez miliony lat

zanim doszło do powstania podstawowych jednostek, które utworzyły pierwszą

komórkę. Pomimo położenia nacisku na aspekt reprodukcji jako najistotniejszy dla

pierwszego układu na drodze do życia organicznego, Haldane podkreślał, że jest to

atrybut charakterystyczny dla „pół-żyjącego”układu przejściowego. Prawdziwie

ożywiony system musi korzystać na równi z każdej swojej zdolności.

Paradygmaty w abiogenezie – Modele genezy życia można pogrupować

według dwóch różnych paradygmatów: „najpierw metabolizm” oraz „najpierw

replikacja”. Koncepcję powstania życia opartą o paradygmat „najpierw replikacja”

zaproponował J.B.S. Haldane w 1929 roku. W koncepcji tej początek życia związany

jest z możliwościami replikacji układów zbliżonych do wirusów, ale znacznie od nich

prymitywniejszych. W tym paradygmacie, kluczowe jest wyłonienie się takiej

cząsteczki, która posiada mechanizm kodowania genetycznego i potrafi się

replikować. Poprzez powielanie się i wzrost, tworzy formę fizycznej osłony dla

przyszłej prakomórki, w postaci jakiejś formy tłuszczowej powłoki, a następnie

wytwarza metabolizm. Alexander Oparin, z kolei, przyjął, że pierwsze żywe systemy

pojawiły się wraz z ewolucją prymitywnych mikroskopijnych agregatów zwanych

koacerwatami, które posiadają metabolizm. W ten sposób powstał paradygmat

„najpierw metabolizm”, kładący główny nacisk na to, w jaki sposób w warunkach

pierwotnej Ziemi powstała sieć autokatalitycznych reakcji. Reakcje te ewoluując,

doprowadziły najpierw do wytworzenia formy fizycznej osłony dla przyszłej

prakomórki, a na dalszym etapie stworzyły warunki do pojawienia się mechanizmu

dziedziczenia cech. Założenie, że istniały w tym samym czasie obok siebie dwie

organizacje, gdzie jedna potrafiła się replikować, a druga wykazywała metabolizm i w

jakiś sposób połączyły się one, zostało odrzucone jako wysoce nieprawdopodobne

nie tylko ze względu na szansę zaistnienia takiej sytuacji, ale ze względu na

niemożność tworzenia w ten sposób systemu, który byłby tak trwały jak komórka.

Eksperyment Ureya-Millera – W 1953 roku, nastąpiło przełomowe odkrycie

bezpośrednio powiązane z abiogenezą. Student Stanley Lloyd Miller pod kierunkiem

swojego profesora Harolda Claytona Ureya, przeprowadził dość prosty eksperyment.

Celem Urey-a było ilościowe zbadanie właściwości domniemanej pierwotnej

atmosfery, aby odnaleźć odpowiedzi na trzy pytanie: o syntezę składu chemicznego

organizmów żywych, o ewolucję szlaków złożonych reakcji chemicznych, o dynamikę

cechującą żywe organizmy oraz o dostępne źródła energii konieczne do

podtrzymania głównych chemicznych reakcji pierwotnych „ożywionych” bytów.

Zgodnie z jego obliczeniami, pierwotna atmosfera zawierała metan, amoniak, wodór

oraz wodę. Bazując na tych założeniach, polecił swojemu studentowi Stanleyowi

Millerowi, przeprowadzić eksperyment symulujący syntezę związków organicznych w

takiej atmosferze. System został przygotowany i przetestowany przez Millera w 1953

roku. Składał się z dużej probówki, która służyła za komorę reakcji oraz probówki

pomocniczej. Po kilku dniach ciągłego aplikowania wyładowań elektrycznych o

napięciu 60,000 V, roztwór stał się ciemniejszy. Analiza chemiczna po około tygodniu

wykazała, że pojawił się tlenek węgla oraz azot. Zużyta została większość amoniaku i

pozostało niewiele metanu. Otrzymano zestaw podstawowych aminokwasów

oraz inne związki organiczne. Produkty eksperymentu zostały przeanalizowane i

odkryto, że zawierają więcej niż osiem różnych aminokwasów, z których wszystkie są

pośród podstawowych budulców dzisiejszych organizmów. Podobne eksperymenty

były w stanie zademonstrować syntezę ATP i innych małych protein w całkowicie

abiotycznych warunkach tego typu.” Wykryto między innymi glicynę i alaninę, a także

kwasy glikolowy, bursztynowy, asparaginowy, glutarowy czy mrówkowy, stanowiące

ważne substraty w reakcjach biosyntetycznych. Oznacza to, że w wyniku tego

eksperymentu, z mieszaniny nieorganicznych składników, powstały związki

organiczne będące podstawowymi składnikami żywego organizmu. Wynik ten

wpłynął na gwałtowny rozwój badań, ale pojawiło się dużo problemów ze

sprecyzowaniem, co dokładnie dzieje się z otrzymanymi aminokwasami w

pierwotnym oceanie.

Odkrycie struktury DNA – Każda komórka (z kilkoma rzadkimi wyjątkami)

zawiera oba kwasy nukleinowe, które są do siebie podobne co do składu i niektórych

właściwości. Kwasy nukleinowe są polimerami, których monomeryczne podjednostki,

nazwane nukleotydami, są połączone ze sobą, tworząc długie łańcuchy. Każdy

nukleotyd ma trzy chemiczne komponenty: zasadę zawierającą azot, cząsteczkę

cukru oraz grupę fosforową. Każdy kwas nukleinowy jest scharakteryzowany według

specyficznej sekwencji zasad. Istnieją cztery różne zasady zawierające azot w

nukleotydach DNA: adenina, tymina, cytozyna i guanina. W RNA tymina zastąpiona

jest uracylem. W DNA cukrem jest deoksyryboza, w RNA – ryboza. Jednym z

najważniejszych osiągnięć, jakie wpłynęły na akceptację hipotezy „prebiotycznego

bulionu” i nauki przyrodnicze w ogóle, było odkrycie struktury DNA przez Jamesa

Dewey’a Watsona i Francisa Harry’ego Comptona Cricka w 1953 roku. Wykazanie,

że wszelkie żywe istoty na naszej planecie łączy posiadanie kodu

genetycznego, dało najważniejszy asumpt na polu badań abiogenezy. Rozpoczęły

się poszukiwania pierwszego wspólnego przodka życia na Ziemi, który posiadałby

możliwość kodowania białek za pomocą łańcucha nukleotydów.

Odkrycie kodu DNA ustanowiło także nową dyscyplinę naukową – biologię

molekularną. Umożliwiło to zrozumienie, w jaki sposób kwasy nukleinowe

funkcjonują jako materiał dziedziczny, odpowiedzialny za transfer informacji z

komórki do komórki i z generacji na generację. Do tej pory nie wiedziano w jaki

sposób informacja, którą przenoszą kwasy nukleinowe kieruje budową komponentów

komórki.

Watson i Crick odkryli sposób w jaki obie nici są ułożone i zaproponowali

przestrzenną strukturę cząsteczki DNA. Strukturą jest dwuniciowa helisa, złożona

z dwu oplatających nici, ułożonych tak, że cukrowo-fosforanowy rdzeń leży na

zewnątrz, a zasady znajdują się we wnętrzu helisy. Najważniejszą cechą struktury

jest specyficzność parowania zasad poprzez wiązania wodorowe: adenina tworzy

parę z tyminą (A-T), a guanina z cytozyną (G-C). Istotna rola słabych wiązań

wodorowych – łatwo je zerwać, ale kiedy jest ich wiele zapewniają trwałość struktury.

Dwie kluczowe cechy: po pierwsze, struktura jest kompatybilna z każdą sekwencją

zasad, po drugie sekwencja wzdłuż jednej nici determinuje całkowicie sekwencję

drugiej nici, co stanowi podstawę mechanizmu kopiowania cząsteczki. Struktura

przestrzenna DNA bardzo dobrze ilustruje ścisłe powiązanie między molekularną

formą cząsteczki, a jej funkcją.

Model Sidneya Foxa – Amerykański biochemik S. Fox w 1970 roku

zaproponował model powstania życia opierający się o wiodącą rolę białek, tak jak

scenariusz Oparina, ale opisany językiem współczesnej chemii, uwzględniający

następujące etapy: 1) spontaniczne wytwarzanie aminokwasów ze związków

nieorganicznych tworzących pierwotną atmosferę pod wpływem wysokich temperatur

jako źródła energii; 2) kondensację aminokwasów przy użyciu ciepła jako źródła

energii (podgrzewał aminokwasy w temp. 150-170°C przez kilka godzin), do formy

polimerów przypominających białka, nazwanych „proteinodami”; 3) tworzenia się z

roztworu protenoidów pod wpływem określonych warunków fizykochemicznych,

podobnych do komórek (po ich zmieszaniu z morską wodą, podniesieniu temp.

Ponad 100°C i oziębieniu), przy pH równym 3 do 7 wydzieliły się kuliste struktury,

które S. Fox nazwał „mikrosferami”. Eksperymenty S. Foxa wykazały, że w wysokiej

temperaturze mogło nastąpić łączenie się aminokwasów w łańcuchy białkowe. Białek

mogło być o wiele więcej niż obecnie znamy i które występują w substancjach

organicznych. Mikrosfery miały zdolność do powiększania się i rozmnażania przez

podział, jak koacerwaty. Koacerwaty nie mogły się jednak rozmnażać. Fox był

kontynuatorem myśli Oparina, że to właśnie białka są w stanie utworzyć pierwszy

żywy układ. W latach 60, po odkryciu struktury DNA i kodu genetycznego, zaczęto

odchodzić od koncepcji bazujących w oparciu o białka. Ewolucjonizm wymaga

mechanizmu niedokładnego dziedziczenia, takiego, które umożliwia na małe mutacje

różniące byty potomne od bytów rodzicielskich. Jedyny system zdolny do tego to

system oparty o kwasy nukleinowe. Mechanizm podziału zaproponowany przez

Oparina i Foxa pozwala jedynie na bardzo ograniczone dziedziczenie cech i nie

umożliwia pojawienia się wariacji. Krytyce został poddany również biologiczny

charakter koacerwatów czy mikrosfer. Wskazano, że morfologiczne podobieństwo do

struktur komórkowych jest jedynie zewnętrzne. Mikrosfery powstają poprzez

działanie sił czysto fizyczny, a ich wzrost bazujący na absorbowaniu materiału z

otoczenia jest całkowicie odmienny od wzrostu biologicznego. Dodatkowo, sferyczne

kropelki powstają w bardzo specyficznych warunkach fizycznych i mają tendencję do

szybkiego rozpadania się.

Paradoks jajka i kury – Każda żywa komórka utworzona jest z kilku rodzajów

makrocząsteczek, uwzględniając kwasy nukleinowe i białka. Kwasy nukleinowe

przechowują oraz przekazują informację genetyczną, podczas, gdy białka wykonują

katalizują reakcje chemiczne, determinujące funkcjonowanie całej komórki. Synteza

biologiczna oraz aktywność kwasów nukleinowych oraz białek jest całkowicie od

siebie uzależniona: synteza białek jest kierowana informacją zawartą w kwasach

nukleinowych poprzez specyficzne sekwencje zasad, natomiast kwasy nukleinowe

są syntezowane, replikowane, transkrybowane oraz podlegają translacji na białka

jedynie przy udziale zdolności katalitycznych enzymów. Białka oraz kwasy

nukleinowe są bardzo złożonymi cząsteczkami, co czyni niemożliwym ich

jednoczesną syntezę na pierwotnej Ziemi. Wracamy do kwestii rozstrzygnięcia sporu

pomiędzy zwolennikami opcji: „najpierw metabolizm” czy „najpierw replikacja”. Spór

prowadzi bezpośrednio do tzw.: paradoksu „jajka i kury”. Paradoks ten polega w

skrócie na tym, że białko w jednym podejściu (metabolizm najpierw) nie posiada

swoich nadzwyczajnych cech bez udziału kwasów nukleinowych, a te z kolei, w

drugim podejściu (replikacja najpierw) nie są w stanie pełnić swoich funkcji bez

enzymatycznej roli białek. Na tym etapie badań, wskazanie, w jaki sposób dochodzi

do utworzenia pierwszego żywego układu, uwzględniającego możliwości kodowania

informacji genetycznej przez łańcuchy nukleotydowe oraz zwartość i zdolność do

budowania dużych struktur reprezentowane przez „woły robocze” organizmu, czyli

białka, stanowi zagadkę.

Teoria hipercyklu Manfreda Eigena – W opozycji do teorii białek (Oparin-

Fox), poszukiwać rozpoczęto pojedynczego, pierwszego genu, którego pojawienie

się zakładano w wyniku losowego połączenia się obecnego w „prebiotycznym

bulionie”, budulca. Uważano wtedy, że wskutek ekstremalnie długiego okresu

czasu, nawet wysoce nieprawdopodobne zdarzenia mogą mieć miejsce. Eigen

posługuje się w swej pracy metodami i pojęciami teorii informacji, teorii systemów

oraz termodynamiki procesów nierównowagowych. Eigen twierdzi, że jego model

umożliwia odpowiedź na pytanie: w jaki sposób doszło do powstania informacji

genetycznej na pierwotnej Ziemi? Jego odpowiedź jest optymistyczną spekulacją.

Zakłada bowiem, że pierwotny bulion był na tyle bogatym w składniki środowiskiem,

że zapewniał stan daleki od równowagi termodynamicznej, a pierwsze samo-

replikujące się sekwencje RNA pojawiły się na wzór błyskawicznie

rozprzestrzeniających się wirusów.

Granica błędu Eigena. Kolejnym pytaniem w modelu Eigena było: w jaki sposób

sekwencje RNA mogą pomieścić wystarczającą ilość informacji nie tylko dla swojej

własnej replikacji, ale dla tworzenia się łańcuchów białkowych. Można to osiągnąć

poprzez wydłużenie ich łańcucha, ale łamie to wtedy konieczny warunek dla

systemu. Nie jest to jedynie teoretyczny zamysł – bez pomocniczej roli enzymów,

podczas kopiowania informacji powstaje zbyt wiele błędów. Dopóki łańcuchy są

stosunkowo krótkie, błędy nie kumulują się w każdej sekwencji. Akumulacja zbyt

wielkiej ilości błędów mogłaby doprowadzić do zniszczenia oryginalnej informacji.

Eigen obliczył granicę błędu, która określa maksymalną długość łańcucha, która

pod wpływem określonych mutacji, nadal będzie pozwalać na zachowanie

oryginalnej informacji. W warunkach prebiotycznych granica ta wynosić będzie

najprawdopodobniej 100 nukleotydów. Niestety, synteza białek wymaga dłuższej

sekwencji RNA,a dłuższa sekwencja RNA wymaga białek, czyli replikującego

enzymu. Sprowadza się do twierdzenia: dłuższe RNA nie może powstać bez białek,

białka nie mogą powstać bez dłuższego RNA.

Hipercykl. Aby wyjść z impasu, potrzeba współdziałania pomiędzy krótkimi

odcinkami RNA w celu osiągnięcia połączonej informacji przenoszonej przez

pojedynczą nić RNA bez łamania granicy błędu. Eigen zaproponował pojawienie się

złożonego cyklu, w którym uczestniczy kilka jednostek, z których każda poprzednia

umożliwia replikację następnej zakładając, że każda jednostka była zdolna do

wyprodukowania krótkiego białka działającego jako słaby enzym replikujący. Stąd,

cykl napędza się i kończy się, kiedy ostatnia jednostka katalizuje replikację pierwszej.

Taką organizację nazwał Eigen hipercyklem. Aby cykl działał, jednostki muszą być

bardzo blisko siebie – pojawia się kontrowersyjna kwestia oddzielenia od środowiska.

Hipoteza „świata RNA” – Za sformułowanie hipotezy odpowiedzialni są trzej

badacze, którzy niezależnie od siebie w późnych latach sześćdziesiątych wysunęli

postulat o RNA jako cząsteczki o kapitalnym znaczeniu we wczesnych etapach

powstaniu życia na Ziemi. Badaczami tymi byli: Carl Woese (1928-2012), autor

koncepcji drzewa filogenetycznego, jako pierwszy zaproponował taki scenariusz w w

1967 roku, Francis Crick (1916-2004) oraz Leslie Orgel (1927-2007). Termin „świat

RNA” ukuł w 1986 roku Walter Gilbert. W hipotezie „świata RNA” przyjmuje się, że na

wczesnym etapie rozwoju życia na pierwotnej Ziemi, pojawiły się cząsteczki RNA,

które posiadały zarówno charakterystyczną dla kwasów nukleinowych zdolność

przenoszenia i kopiowania informacji genetycznej, ale również zdolności

enzymatyczne, będące specyficzne dla białek, co kwalifikuje je do miana pierwszych

systemów obdarzonych życiem na Ziemi. Fundamentalne z perspektywy ewolucji jest

replikowanie uporządkowanej w sekwencje informacji genetycznej, a nie jedynie

reprodukcja. Hipoteza „świata RNA” jest oczywiście ściśle powiązana z hipotezą

„pierwotnego bulionu”. Ponieważ, dzięki eksperymentowi Stanleya-Millera odkryto

cztery zasady tworzące RNA (adenina, guanina, cytozyna oraz uracyl), a nie

uzyskano tyminy, stąd niemożliwa jest synteza DNA.

Pomimo wielu interpretacji jakich przez te lata doczekała się hipoteza, charakteryzuje

się ona trzema podstawowymi, wspólnymi dla wszystkich jej wersji, założeniami:

1) w pewnym momencie historii ewolucji życia, cząsteczki RNA przenosiły

informację genetyczną

2) replikacja cząsteczek RNA jest oparta na zasadach komplementarności

odkrytych przez Watsona-Cricka

3) białka nie odgrywały roli katalizatorów w „świecie RNA”

RNA. Cząsteczka kwasu rybonukleinowego pośredniczy w przekazaniu informacji

genetycznej z DNA, która służy do kodowania białka w rybosomach komórki. Za cały

proces odpowiedzialny jest skomplikowany mechanizm, przy omawianiu którego

istotne jest zrozumienie czym jest tzw.: „kodon”. Kodon to podstawowa jednostka

kodu genetycznego, mająca na celu określenie pojedynczego aminokwasu w

łańcuchu polipeptydowym. Kodon jest układem trzech sąsiadujących ze sobą

nukleotydów. Dzięki różnym układom cztery zasad, kod trójkowy może odpowiadać

dwudziestu znanym nam aminokwasom. Tak zatem mamy 64 możliwe kodony, z

czego 61 służy kodowaniu, pozostałe 3 stanowią znaki stop dla całej maszynerii.

Tylko dwa aminokwasy (tryptofan, metionina) są kodowane przez jeden kodon,

pozostałe mogą być wprowadzane przez kilka.

Odkrycie rybozymu - W 1966 roku Crick (w 1967 Woese, a w 1968 także Orgel)

wysunął hipotezę, że tRNA może mieć właściwości enzymatyczne a także niezależne

właściwości replikacyjne. Zręby hipotezy powstały zatem wcześniej, lecz, rzeczywiste

własności katalityczne RNA były w tych latach jeszcze nieodkryte. Między rokiem

1981 a 1986 Thomas Cech oraz Sidney Altman, niezależnie od siebie, wykryli, że

RNA może katalizować co najmniej dwie reakcje metaboliczne. W ten sposób

odkryte zostają rybozymy czyli cząsteczki RNA o własnościach enzymów.

Przełom w badaniach następuje wraz z odkryciem w 1981 roku „rybozymu” –

łańcucha RNA, który potrafi dokonać autoreplikacji. Nazwa „rybozym” pochodzi od

połączenia słów: rybosom i enzym, a oznacza cząsteczkę RNA o własnościach

katalitycznych. Rybozymy odkryte przez Thomasa Cecha i Sidneya Altmana

katalizują wycinanie i łączenie fragmentów RNA. Choć funkcje te stanowią mniej

zaawansowany mechanizm niż ten, z którym mamy do czynienia podczas replikacji

RNA i syntezie protein, odkrycie rybozymów wzmocniło hipotezę „świata RNA”.

Unikalna aktywność katalityczna tej cząsteczki stanowi sposób na przełamanie

paradoksu „jajka i kury”. Białka przestały być jedynymi cząsteczkami

enzymatycznymi. Sam w sobie rybozym pełni „oryginalne” funkcje, jako doskonały

sposób na zapis informacji genetycznej, a w formie rybozymu potrafi do kopiowania

wzorca genetycznego wykorzystywać nie tylko samego siebie, ale łańcuchy

nukleotydowe w swoim otoczeniu. Dzięki pojawieniu się rybozymu, możliwym staje

się zrozumienie, w jaki sposób ewolucja mogła wytworzyć coraz bardziej efektywne

samo-replikujące się układy. Warto jednak zaznaczyć, że przejście do syntezy

kodowanych protein wciąż sprawia wiele teoretycznych trudności. katalityczne

zdolności pierwszych rybozymów nie były imponujące – ograniczały się do cięcia i

łączenia już istniejącego RNA. W wyniku dalszych badań, zakres zdolności

katalitycznych rósł, uwzględniając łączenia razem oligonukleotydów, a także

pozyskiwania energii z reakcji z grupami trójfosforanów. Rybozymy mogły także brać

udział w utworzeniu rybosomów.

Prebiotyczna Ziemia - Termin „prebiotyczna Ziemia” oznacza Ziemię, na której

jeszcze nie rozwinęła się żadna forma życia. Nie zachodziły zatem reakcje

chemiczne w takim sensie w jakim znamy je dzisiaj, brak było organizmów zdolnych

do syntezy i metabolizmu złożonych związków organicznych. Jeśli zatem były tam

jakieś związki organiczne, to mogły powstać one jedynie w wyniku „prebiotycznej

syntezy”. Sumę wszystkim związków organicznych, które mogły powstać w wyniku

prebiotycznej syntezy, nazywać będziemy „prebiotyczną zupą”, ponieważ stanowiły

on podstawowy surowiec, z którego, na drodze prebiotycznych reakcji chemicznych,

mogły rozwinąć się pierwotne formy życia. Nasza planeta powstała, wraz z całym

układem słonecznym, z pierwszej mgławicy gwiezdnej. Na podstawie analizy

zawartości poszczególnych pierwiastków radioaktywnych wiek Ziemi i układu

słonecznego ocenia się na circa 4,5 mld lat. Ostateczny skład Ziemi miał

zasadnicze znaczenia dla jej struktury. Było wystarczająco dużo metalu aby

wytworzyć bogate w żelazo i nikiel, częściowo ciekłe jądro, co pozwala Ziemi

utrzymywać pole magnetyczne. Było wystarczająco dużo metali radioaktywnych

(takich, jak uran), aby zapewnić długookresowe dostawy radioaktywnego ciepła. To

dało Ziemi długo żyjący piec wewnętrzny, który umożliwił tworzenie płyt

tektonicznych i gór. I w końcu odpowiedni skład zapewnił możliwość utworzenia

cienkiego i lekkiego płaszcza, co umożliwiło działanie tektoniki płyt. Odpowiednią

grubość i trwałość ziemskiego jądra, płaszcza i skorupy można uzyskać jedynie

poprzez odpowiedni dobór właściwych elementów budulcowych. 4 miliardy lat temu,

500 milionów lat po początkowej kondensacji Ziemia wyglądała zupełnie inaczej niż

dzisiaj. Było tam bardzo mało lądu (niewielka ilość kontynentu albo w ogóle

żadnego), ponieważ skorupa kontynentalna była bardzo radioaktywna, gorąca i

miękka, zatem zbyt słaba aby utrzymać się ponad powierzchnią oceanu. Biorąc pod

uwagę brak znaczących lądów oraz fakt, że księżyc znajdował się dużo bliżej niż

dzisiaj, powierzchnia oceanu szybko obracającej się Ziemi była silnie mieszana przez

tornada i prądy morskie. Jakiekolwiek znajdujące się w oceanie substancje zostałyby

wyrzucone do atmosfery i utlenione w wyniku reakcji fotochemicznych. Bez

stabilizującego efektu lądów i życia stan hadeańskiej atmosfery byłby również

wysoce zmienny. Była dużo większa niż dzisiaj aktywność wulkaniczna, dużo

większa ilość głęboko umieszczonych podwodnych grzbietów, gdzie tworzyła się

nowa skorupa dna oceanów i gdzie bardzo dużą aktywność wykazywały bijące z dna

źródła przegrzanej wody. Wszystko to sugeruje bardzo wysokoenergetyczny,

wulkaniczny świat z dużą ilością wydostających się spod ziemi i przechodzących do

oceanów związków chemicznych. Chemia wody morskiej mogła być zupełnie inna od

dzisiejszej, ponieważ z powodu braku wolnego tlenu ocean był raczej redukujący o

dużo wyższej niż dzisiaj temperaturze. W atmosferze występowało 100 do 1000 razy

więcej dwutlenku węgla. Należy również pamiętać, że w tamtej, hadeańskiej epoce,

Ziemia okresowo była bombardowana ogromnymi obiektami kosmicznymi, które

powodowały odparowanie oceanów i sterylizację powierzchni planety. Podczas

pierwszych 600 mln lat w Ziemię uderzały ciała o rozmiarach 100km, które zsolne

były wysterylizować Ziemię do głębokości kilkunastu kilometrów. Zderzenie z

większymi ciałami powodowałyby wyparowanie oceanów i części skorupy ziemskiej.

Szacuje się, że w okresie 100 mln lat, takich ciężkich bombardować na Ziemię mogła

spaść ilość materii odpowiadająca 200 tonom na m². konsekwencje dla atmosfery,

hydrosfery a nawet litosfery byłyby dewastujące. Jeśli w międzyczasie powstałaby

jakaś forma życia zostałaby zniszczona podczas uderzeń. Sugeruje się również, że

brak jakichkolwiek skał starszych niż 3,9-4,0 mld lat jest rezultatem dawnych

bombardowań, podczas których zderzenia powodowały wymieszanie fragmentów

wczesnej skorupy z płaszczem Ziemi.

Skład pierwotnej atmosfery – Ugruntowany jest pogląd, że niezbędne do syntezy

polimerów organicznych i rozwoju życia na Ziemi składniki budulcowe powstawały w

wyniku reakcji chemicznych zachodzących w pierwotnej atmosferze. Bardzo istotną

sprawą jest ustalenie, jaki był jej skład w początkowym okresie rozwoju Ziemi.

Niestety poza tym, że w pierwotnej atmosferze nie było tlenu (i być może jego ilości

były tylko śladowe aż do 2,4 mld lat temu), skład ten nie jest dokładnie znany.

Istotnych informacji dotyczących składu atmosfery mogłyby dostarczyć próbki

zawarte w starych skałach osadowych. Pierwsze skały osadowe powstały w Issua,

Zachodnia Grenlandia, około 3,8 mld lat temu i stąd mogły pochodzić pierwsze

próbki zawierające ślady pierwotnej atmosfery, ale nie są one na tyle dobrze

zachowane, aby dostarczyć wiarygodnych informacji. Zatem warunki panujące

podczas początkowego okresu rozwoju Ziemi mogą być jedynie oszacowane,

głównie na podstawie modeli teoretycznych. Sugerowane składy atmosfery

zmieniają się od silnie redukujących (metan + amoniak + woda; tlenek węgla + azot

cząsteczkowy + woda; dwutlenek węgla + azot cząsteczkowy + wodór cząsteczkowy)

do chemicznie obojętnej ( tlenek węgla + azot cząsteczkowy + woda). Uważa się, że

atmosfera zawierałaby głównie gazy wydzielane przez wulkany lub przyniesione

przez meteoryty, takie, jak wodór, dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, pięciotlenek

fosforu oraz azot. Jakiekolwiek zredukowane gazy, takie, jak tlenek węgla,

metan, czy siarkowodór zostałyby natychmiast utlenione przed rodniki

hydroksylowe powstające w wyniku fotolizy pary wodnej.

Badacze zajmujący się badaniem atmosfery preferują raczej chemicznie obojętną

lub lekko redukującą atmosferę, głównie mieszaninę dwutlenku węgla, azotu

cząsteczkowego, wody oraz mniejsze ilości tlenku węgla i cząsteczkowego wodoru.

Natomiast chemicy zajmujący się syntezą prebiotyczną preferują atmosferę

redukującą, w której abiotyczna synteza aminokwasów zachodzi ze szczególną

wydajnością. Natomiast przy braku nadmiaru wodoru wydajności aminokwasów są

bardzo niskie, szczególnie, gdy źródłem węgla jest dwutlenek węgla.

Pojawiła się także pewna sugestia, że ilość wodoru w pierwotnej atmosferze

mogłaby być wystarczająca dla zapewnienia pożądanego przebiegu reakcji

prebiotycznych. Prymitywna Ziemia mogła być bogata w wodór, ponieważ mógł być

on uwięziony w atmosferze. Dzisiaj górne warstwy atmosfery mogą osiągać

temperatury ponad 700°C, ponieważ znajdujący się tam tlen atomowy absorbuje

promieniowanie Słońca. Zaabsorbowana energia jest przekazywana do wodoru,

który ucieka w przestrzeń. Ponieważ pierwotna atmosfera była bogata w dwutlenek

węgla, który mógłby odbić energię słoneczną z powrotem w przestrzeń, temperatura

atmosfery utrzymywałaby się poniżej 350°C, co mogłoby powstrzymać wodór od

ucieczki i zapewnić bardziej wydajną produkcję prebiotycznych związków

organicznych.

Ramy czasowe powstania życia - Ziemia powstała około 4,6 mld lat temu. Pierwszy

okres w historii Ziemi, trwający około 600 mln lat, charakteryzował się licznymi

zderzeniami z pobliskimi obiektami kosmicznymi. Częste zderzenia z obiektami o

rozmiarach circa 100km, które dostarczały wystarczająco dużo energii do sterylizacji

Ziemi na głębokość wielu kilometrów. Zderzenie z ciałem o rozmiarach 500km

spowodowałoby ogromny kataklizm. Zatem nawet jeśli w okresie tym powstało życie,

zostałoby ono zniszczone przez energię uwalnianą w wyniku zderzeń. Okres

intensywnych zderzeń zakończył się około 3,9 mld lat temu i przypuszczalnie

wówczas powstawały warunki do stabilnego rozwoju życia, aczkolwiek nawet

obecnie Ziemia jest celem różnego rodzaju ciał kosmicznych. Obiekty o rozmiarach

jednego kilometra uderzają w Ziemię średnio raz na 300 000 lat, a o rozmiarach

10km – co 100 milionów lat. Taki dziesięciokilometrowy obiekt, który

prawdopodobnie przyczynił się do zagłady dinozaurów 65 mln lat temu, może

spowodować powstanie krateru o głębokości dziesiątków kilometrów i średnicy

200km oraz wyrzucić wystarczająco dużo pyłów do zablokowania dopływu światła

słonecznego na całej Ziemi na wiele miesięcy. Prawdopodobnie życie pojawiło się

na Ziemi między 4,0 a 3,8 mld lat temu, czyli 0,5-0,7 mld lat po powstaniu Ziemi,

gdy zderzenia z obiektami kosmicznymi zdolnymi do odparowania oceanów i

sterylizacji życia stały się odpowiednio małe. Niestety brak jest skamielin z tego

okresu. Krystaliczne grafity z 3,8 mld lat skał z południowo-zachodniej Grenlandii

(osady z Isua Supracrustal Group), najstarsze warstwy ze znanych zapisów

geologicznych wykazują jednorodny skład wskazujący na obecność fotosyntezy.

Zatem fotosynteza, skomplikowany proces biochemiczny była obecna co najmniej

3,5 mld lat temu. Oparte na fotosyntezie życie datuje się zatem od 3,5 mld, a być

może i od 3,8 mld lat temu, jak wskazują złoża grafitu z Isua.

Przyjmując, że stabilne warunki do rozwoju życia powstały 4,0-3,8 mld lat temu,

okno czasowe do powstania życia i organizacji komórkowej wynosi mniej

więcej 200-300 mln lat. W tym okresie musiała odbyć się prebiotyczna synteza

wszystkich niezbędnych składników budulcowych, dokonać ewolucja molekularna i

gatunkowa oraz wykształcić fotosynteza.

Podstawowe pierwiastki – systemy ożywione są mniej złożone, niż by można

sądzić. Wszystkie są utworzone z zadziwiająco małej liczby składników chemicznych.

Życie to przede wszystkim cztery pierwiastki: węgiel, wodór, tlen i azot – CHON,

czasami w połączeniu z siarką i fosforem. Te cztery pierwiastki tworzą razem więcej

niż 99,9% wszystkich systemów żywych. Życie powstało z CHON, ponieważ te

pierwiastki występują w wielkiej obfitości, są one czterema najbardziej powszechnymi

we wszechświecie. Piąty z najliczniejszych pierwiastków, hel, nie wchodzi w rachubę,

gdyż jest on pierwiastkiem obojętnym, nieczynnym, doskonałym gazem do

napełniania balonów, jednak niezdolnym do łączenia się z innymi i tworzenia

złożonych związków chemicznych. CHON było pospolite u zarania życia. Co więcej,

wszystkie te pierwiastki są zdolne do wchodzenia w reakcje pomiędzy sobą i

tworzenia małych cząsteczek o silnych wiązaniach, takich, jak metan, dwutlenek

węgla i amoniak, związków, które rozpuszczają się w wodzie i mogą odgrywać

aktywną rolę w systemach żywych.

Podejścia badawcze w genezie życia – Opierając badania nad pierwotną formą

komórki o jej mechanizm replikacji genetycznej, stosuje się podejście nazwane top-

down. Jest to podejście biologiczne, które zakłada, że pierwszym ożywionym

układem w historii naszej planety była jakaś prymitywna forma współczesnej komórki.

Zaczyna się zatem, od „góry”, czyli komórki, jako miniatury całego organizmu i

poszukuje się uproszczonych mechanizmów powielania się, różnicowania,

oddzielenia od środowiska zewnętrznego oraz reakcji chemicznych, które ją zasilają.

Podejście biologiczne determinuje także definicję tego, co żywe. W próbach jego

scharakteryzowania, nie sposób zejść do bytów mniejszych od komórki, stąd żadna z

części tworzących komórkę nie pasuje do definicji życia. Podejście alternatywne,

zwane bottom-up, bardziej odpowiada paradygmatowi metabolizm najpierw. Jest to

podejście chemiczne, w którym, budowa modelu pierwszego ożywionego układu na

Ziemi, zaczyna się od pierwiastków i prostych związków chemicznych, które mogłyby

wejść ze sobą w reakcje i rozpocząć samo-napędzające się cykle chemiczne. W

paradygmacie metabolicznym można określić kilka podstawowych i ogólnych kroków,

które rozpoczęły ewolucję życia na naszej planecie.

Freeman Dyson – hipoteza „podwójnego początku” - Zainspirowany analogią

jaką zasugerował Johna von Neumann pomiędzy żywymi organizmami a

działaniem elektronicznych komputerów czy ogólnie mechanicznych automatów.

Analiza logiczna, jaką przeprowadził von Neumann, doprowadziła go do wniosku, że

życie to nie jedno, ale dwa – metabolizm i replikacja. W odniesieniu do terminologii

komputerowej, która powstała lata później – chodzi o hardware, który przetwarza

informację i software, która go zawiera. Wychodząc z założenia, że aby otrzymać

samo-replikujący się automat, potrzeba obu komponentów, ale Von Neumann

zakładał, że logicznie, hardware poprzedza software. Dysona interesuje

zastosowanie tej logicznej analizy do wyjaśnienia genezy życia.

Von Neumann twierdził, że organizm złożony wyłącznie z hardware’u może istnieć i

jest w stanie podtrzymywać swój metabolizm tak długo, jak posiada pożywienie (nie

ma mowy na razie o ewolucji). Z drugiej strony, organizm, który jest tylko software’m,

bez hardware’u (bakteriofag jest bliski tej definicji) jedynie w sytuacji, gdy inne

„organizmy hardware’owe” już istnieją w środowisku, ponieważ musi on być z

konieczności pasożytem, uzależnionym od ich metabolizmu dla własnego astenia i

replikacji. Dyson założył sobie, aby skorygować pogląd często zakładany w biologii

molekularnej i badaniach nad genezą życia, że utożsamia się pochodzenie życia z

narodzinami replikacji. Dyson dokonuje ważnego rozdzielenia pomiędzy replikacją a

reprodukcją. Podczas gdy we współczesnych komórkach, reprodukcja komórki – jej

podział na dwie komórki potomne – uzależniona jest od replikacji jej materiału

genetycznego, te dwa procesy mogły w przeszłości przebiegać oddzielnie. W

scenariuszu Dysona, reprodukcja protokomórki poprzedza replikację cząsteczek,

która pojawia się dopiero na późniejszym stadium ewolucji. Dyson proponuje

hipotezę „podwójnego początku”, którą określa jako połączenie teorii Oparina i

Eigena. Koncepcja Dysona jest zgodna zarówno z tezami Oparina, jak i Foxa. W

„pierwszym początku”, jak to opisuje Dyson pojawiła się protokomórka – podobna

do koacerwatów Oparina – zawierająca system metaboliczny kierowany enzymami

jakiejś prymitywnej formy białek. Komórki mogły rosnąć i podlegać podziałowi,

objawiając prymitywną formę dziedziczenia i stopniowo rozwinęły bardziej

zaawansowaną formę metabolizmu. Korzystając z tego metabolizmu, pojawił się

„drugi początek” w którym doszło do syntezy nukleotydów, a wtedy, gdy doszło do

utworzenia się polimeru RNA, rozpoczęła się replikacja. Dyson opisuje pojawienie się

maszynerii genetycznej wewnątrz istniejącej już jednostki metabolicznej używając

koncepcji zapożyczonych od Lynn Margulis. Margulis zaproponowała, że główna

transformacja złożoności komórkowej w ciągu ewolucji spowodowana była inwazją,

jakiej na istniejącą komórkę dokonała mała komórka bakterii, co doprowadziło do

symbiozy pomiędzy dwoma układami. Dyson proponuje, że cząsteczka RNA, która

pojawiła się w „drugim początku” była właśnie takim najeźdźcą istniejącego już

systemu metabolicznego. Na początku, działała jako „choroba pasożytnicza”

wewnątrz „zainfekowanej komórki”. Stopniowo, po pewnych ofiarach, zainfekowane

komórki nauczyły się tolerować pasożyta RNA, który stał się symbiontem i

ostatecznie głównym składnikiem komórki. Bazując na skomplikowanym zestawie

matematycznych założeń, Dyson pragnie pokazać, że, w pewnych warunkach, taka

populacja polimerów jest zdolna do „przeskoczenia” ze swojego początkowego

nieuporządkowanego i nieaktywnego stanu molekularnego do stanu zorganizowanej

złożoności, objawiającego się aktywnym metabolizmem. Aktywny metabolizm zostaje

osiągnięty kiedy „cykliczne tasowanie [monomerów] podtrzymuje aktywne monomery

na samo-podtrzymującym się wysokim poziomie”. Kiedy już populacja jest

zaangażowana w aktywny metabolizm, może wcielać nowe monomery z otoczenia

i rosnąć. Ten wzrost, jak uważa Dyson, mógł wnieść fizyczny podział komórki. Jeśli

obie komórki potomne zawierają wystarczającą liczbę enzymów aby pozostać w

aktywnie zorganizowanym stanie, proces wzrostu i podziału jest kontynuowany

dopóki zewnętrzne źródło monomerów nie ulegnie wyczerpaniu, a niektóre z

komórek obumrą. Na tym etapie, poajwia się selekcja naturalna w postaci komórek

współzawodniczących ze sobą o przetrwanie, co jest możliwe dzięki bardziej

efektywnemu wzrostowi i podziałowi. Dyson twierdzi, że ta selekcja nie opiera się o

replikację cząsteczki genetycznej. Zgodnie z jego nieortodoksyjną definicją informacji

genetycznej, jest nią populacja enzymów zaangażowana w zintegrowany, aktywny

metabolizm. Na tym etapie, informacja o dziedziczeniu tkwi nie w

indywidualnych składnikach, ale w architekturze całego systemu.

Stuart Kaufmann: złożoność i samo-organizacja – biolog teoretyczny

Stuart Kauffman podszedł do problemu genezy życia od strony zachowania

złożonych systemów systemów manifestujących samo-organizację. Badacze

propagujący „teorię złożoności”, twierdzą, że w szczególnych fizykochemicznych

warunkach wiele systemów jest w stanie dokonać spontanicznej samoorganizacji do

wyżej zorganizowanego stanu. Systemy te składają się z dużej liczby składników a

faza przejściowa z braku porządku do porządku, zależy od wewnętrznych interakcji

wśród róznych komponentów. Takie złożone systemy są termodynamicznie

otwarte: absorbują energię i materię z ich zewnętrznego otoczenia, stąd utrzymują

daleki od równowagi stan termodynamiczny. Swobodna wymiana materii i energii ze

środowiskiem jest wykorzystywana do budowy złożonej organizacji. W opozycji do

ogólnej tendencji w fizycznym wszechświecie i wewnątrz zamkniętych systemów ku

maksymalnemu braku porządku, druga zasada termodynamiki w tych otwartych

systemach faworyzuje budowanie porządku i organizacji. Rozumowanie to odrzuca

tradycyjny zapis, że wysoce zorganizowane systemy, w szczególności żywe

organizmy, są niekompatybilne z drugą zasadą termodynamiki. To, co buduje

podejście termodynamiczne w biologii, to twierdzenie, że druga zasada posiada

główną pozytywną role w ewolucji. Ustrukturyzowanie i organizacja systemów

biologicznych powstaje w wyniku budowania szlaków dla rozpraszania niezużytej

energii i materiału. Jedną z cech charakteryzujących pewne złożone systemy, takie,

jak systemy pogodowe to „deterministyczny chaos”, który został szeroko

spopularyzowany przez „efekt motyla”, wpływ bardzo małej zmiany klimatycznej w

jednej części globu zmienia pogodę po drugiej stronie globu. Poprzez przestrzeganie

matematycznych równań, a stąd będą zdefiniowanym jako deterministyczny

chaotyczny system, który jest ekstremalnie podatny na małe zmiany początkowych

warunków, przez co może przejść od względnie uporządkowanego stanu do

kompletnego nieprzewidywalnego chaosu. Kauffman w swojej teorii postuluje, że

pierwszy etap organizacji to pojawienie się samo-reprodukującego się systemu

metabolicznego złożonego z współpracujących ze sobą katalitycznych

polimerów. Kluczowym konceptem jego teorii jest autokataliza. Podczas gdy samo-

replikująca się cząsteczka, taka, jak polimer RNA jest pojedynczą autokatalityczna

jednostką, podwajającą się w każdym cyklu replikacyjnym, Kauffman opisuje

autokatalityczny system katalitycznych polimerów, w którym nie następuje replikacja

pojedynczej cząsteczki, lecz systemu jako całości. Kauffman zakłada, że kiedy rośnie

maksymalna długość polimerów, liczba możliwych polimerów wzrasta, a wraz z nią

jeszcze szybciej wzrasta ilość reakcji pomiędzy tymi polimerami. Wreszcie, kiedy

ilość reakcji jest wystarczająco duża w porównaniu do liczby polimerów, układ osiąga

etap, w którym synteza prawie wszystkich polimerów jest katalizowana przez

następny polimer w układzie. Na tym etapie, cały układ staje się kolektywnie

autokatalityczny. Kauffman proponuje kilka mechanizmów, które mogłyby wyjaśnić w

jaki sposób metaboliczny układ jest w stanie wytworzyć polimery mutanty oraz nowe

autokatalityczne układy. Twierdzi, że oprócz katalizowanych reakcji w układzie,

zachodzi również spontaniczne zużywanie składników, tworząc „układ cienia”, w

którym powstają polimery mutanty, które w określonych warunkach mogą zostać

dodane do początkowego systemu. Aby do tego doszło, zestaw takich produktów

mutantów musi wspólnie katalizować ich własne tworzenie z siebie nawzajem i z

rdzennego układu. Kiedy to zachodzi, kolejna „metaboliczna pętla” zostaje dodana

do oryginalnego układu, który staje się w tym momencie nowych układem

autokatalitycznym. Ponadto, odwołuje się do Dysonowskiego czy Oparinowskiego

źródła zmienności – czyli podziału otoczek, które zawierają cykle autokatalityczne.

Twierdzi, że wskutek każdego takiego podziału, otoczki potomne dziedziczą bardziej

efektywne zdolności metaboliczne, co stanowi wsparcie dla zabezpieczonych w nich

układów metabolicznych. Podobnie, jak Dyson, Kauffman uważa życie za

uzależnione od samego początku od pewnego poziomu złożoności i pragnie pokazać

tę początkową złożoność nie odwołując się do przypadku.

Hipoteza „świata tioestrów” Christiana de Duve - Aby doszło do pojawienia się w

ewolucji życia cząsteczki RNA, potrzeba całego szeregu reakcji chemicznych, co

sugeruje istnienie, wcześniejszego w ewolucji życia, etapu, w którym dominowała

forma chemii abiotycznej. Etap, który doprowadził do powstania świata RNA, C. de

Duve nazywa „protometabolizmem”, będącym zestawem reakcji chemicznych, które

wygenerowały świat RNA i podtrzymywały go przez cały czas, jaki potrzebował do

ewolucyjnego wyłonienia się produkcji enzymów białkowych, czyli metabolizmu.

Termin protometabolizm wprowadzony zostaje, aby oddzielić te reakcje i

przeciwstawić je metabolizmowi, który jest zespołem reakcji, katalizowanych przez

enzymy, podtrzymujących funkcjonowanie współczesnych organizmów żywych.

Protometabolizm kontrolował wszelkie reakcje, zanim rolę tę przejął metabolizm.

Przechodząc do szczegółów, należy w pierwszej kolejności odpowiedzieć na pytanie

o to, w jaki sposób z dostępnego na prebiotycznej Ziemi, układu pierwiastków doszło

do wyłonienia się reakcji zasilających powstanie „świata RNA”. W hipotezie C. de

Duve, przejście to umożliwiły związki chemiczne, jakimi są tioestry. W celu lepszego

omówienia ich roli w rozwoju życia na Ziemi, C. de Duve dzieli historię jego

powstania na cztery okresy, cztery światy w których dominowały poszczególne coraz

bardziej złożone związki chemiczne.

W „świecie prebiotycznym”, którego czas trwania przypada na ochładzanie się naszej

planety, źródła energii, jakimi są swobodne cząsteczki wodoru, ulegają wyczerpaniu.

Do powstania życia potrzeba zatem innych tzw.: czynników redukujących. Reakcja

redukcji w chemii organicznej oznacza wzrost zasobów elektronowych atomu węgla.

Odbywa się to przez zerwanie wiązania między tym atomem węgla a atomem

bardziej elektroujemnym (tj. takim, który w wyniku reakcji ściąga do siebie większą

ilość elektronów), albo poprzez tworzenie wiązania pomiędzy atomem węgla, a

pierwiastkiem mniej elektroujemnym, np.: wodorem. Redukcja, często oznacza

właśnie przyłączenie wodoru do cząsteczki. W „świecie prebiotycznym” czynnikami

redukcyjnymi, które są w stanie zainicjować podstawowe reakcje chemiczne, są jony

uwalniane przez cząsteczki żelaza, czy też promieniowanie ultrafioletowe. W tych

sprzyjających warunkach dochodzi do syntezy aminokwasów, kwasów

karboksylowych oraz tioli. Tiole to związki organiczne będące odpowiednikami

alkoholi, charakteryzujące się grupą tiolową (-SH) podstawioną w miejsce grupy

węglowodorowej (-OH). „Świat tioestrów” został zaproponowany przez C. de Duve ze

względu na przekonanie autora, że tak złożona cząsteczka jak RNA nie mogła

powstać z prebiotycznego materiału po prostu w wyniku przypadkowych syntez.

Musiała istnieć jakaś rozbudowana, bardzo ważna faza pośrednia. „Świat tioestrów”

koncentruje się na głównej roli, jaką odgrywają reakcje syntezy kwasów

karboksylowych z tiolami. W wyniku tych reakcji dochodzi do powstania zgrupowań

cząsteczek, które C. de Duve nazywa multimerami. Jak sam autor wyjaśnia, nie

chciał używać terminu „polimery” oznaczającego olbrzymie struktury homogeniczne

(jednorodne) w swej naturze, ani „oligomery”, oznaczające niewielkie skupiska

cząsteczek, ponieważ tworzone w wyniku reakcji tioestrów zgrupowania cząsteczek

są heterogeniczne (różnorodne), a mogą być bardzo duże. Proces multimeryzacji

cząsteczek, czerpie energię z rozerwanych wiązań tioestrowych i może odbywać się

bez pomocy katalizatora, czyli jakiegoś związku chemicznego, który usprawni

przebieg reakcji. Dużą zaletą multimeryzacji, pomimo zasadniczej losowości i braku

ukierunkowania, jest wysoka selektywność produktów, czyli wąski dobór cząsteczek

jakie zostaną nią objęte. Oznacza to, że choć reakcja jest „głupia”, a jej zakres

mocno ograniczony, to dobiera sobie tylko z góry określone cząsteczki i czyni to z

łatwością. Większość z reakcji multimeryzacji, nie zachodzi ponieważ nie spełnia

wymogów energetycznych lub kinetycznych, a produkty tych reakcji mogą okazać się

niestabilne lub zostać wytrącone z roztworu ze względu na swoją niską

rozpuszczalność. Pamiętać należy, że podstawowym warunkiem dla pojawienia się

nawet tej małej statystycznie możliwości kombinacji jest jakaś forma koncentracji

roztworu. Wtedy, nawet krótkie łańcuchy cząsteczek mogą dać początek reakcjom

autokatalitycznym i, w rezultacie czego, pojawieniu się protometabolizmu.

Hipoteza „metabolizmu powierzchniowego” Güntera Wächtershäusera - Życie,

według GW powstało miliardy lat temu na dnie oceanów w pobliżu kominów

hydrotermalnych, a pierwsze etapy ewolucji odbywały się w zespoleniu z

powierzchnią mineralną pirytu. W rejonie wyziewów wulkanicznych mamy do

czynienia z bogactwem związków i cząsteczek, które biorą udział w reakcjach

biosyntezy lub takich, które pośrednio do nich prowadzą. W przypadku metabolizmu

powierzchniowego, fundamentalną rolę odegrają bogate złoża siarczku wodoru i

obfitość jonów żelaza. W aspekcie termodynamicznym, środowisko takie jest

układem dalekim od równowagi termodynamicznej – reakcje zachodzą tam

gwałtownie. Istnieje, zatem większa szansa, że stworzone zostaną warunki przyjazne

powstaniu życia. Najprostsze organizmy odnalezione na współczesnej Ziemi to

termofile, czyli organizmy, będące w stanie żyć w beztlenowych, skrajnie gorących

środowiskach. Środowiska takie, jak podaje T. Gold znajdują się w bezpośredniej

bliskości gorących podmorskich wód hydrotermalnych z temperaturą powyżej 45° C.

Są idealne dla pierwszych żywych organizmów także ze względu na to, że ich

podstawowe cechy nie zmieniły się od czasów pierwotnej Ziemi. Ostatnim

argumentem może być fakt, że pod powierzchnią wody ewentualne organizmy byłyby

lepiej chronione przed zniszczeniem w wyniku upadku na Ziemię, np.: meteorytu. ,

uwzględnia się trzy najważniejsze zasady, na których oparta jest omawiana

koncepcja:

•

„dwuwymiarowość” organizmu powierzchniowego odnosząca się do formy,

jaką przyjmuje, powstając na mineralnej płycie;

•

Autotrofizm, który pozwala organizmowi powierzchniowemu wytwarzać

składniki odżywcze;

•

Autokatalityczny charakter tworzących go reakcji.

„Dwuwymiarowość” odnosi się do efektu działania sił elektrostatycznych, które

wiążąc cząsteczki tworzące organizm powierzchniowy, „rozpłaszczają go”, formując

monomolekularną powłokę. Każda z cząsteczek, aby wziąć udział w zachodzących

reakcjach musi poświęcić jedno swoje wiązanie na „trzymanie się” powierzchni. Jeśli

warunek ten nie zostanie spełniony, cząsteczka zostanie oderwana od pirytu i

zostanie pochłonięta przez otaczającą wodę. Molekuły wchodzące w skład struktury

powierzchniowego metabolizmu są w ten sposób ograniczone w ruchu. Mogą

reagować z innymi cząsteczkami, ale zmieniając swoje położenie, poruszają się

jedynie w poziomie. Druga z wymienionych cech organizmu powierzchniowego, czyli

autotrofizm oznacza, że do pozyskania energii, nie rozkłada on znajdujących się w

otoczeniu gotowe składniki odżywcze. Organizm autotroficzny, czyli inaczej

samożywny (z greckiego autos, sam, i trophos, żywiciel), używa do pozyskiwania

energii, pobierając z otoczenia proste substancje pokarmowe, takie, jak dwutlenek

węgla, czy wodę. Założenie o autotroficzności pierwotnego życia ma głębokie

znaczenie dla badań w abiogenezie. Stoi ono w sprzeczności z założeniami, na

jakich Aleksandr Oparin zbudował hipotezę „pierwotnego bulionu”. Nie zaakceptował

on tezy, że pierwszy żywy układ mógł być układem homotroficznym, wyposażonym w

chlorofil wyłapujący dwutlenek węgla. Zasada działania fotosyntezy polega na

pobudzeniu elektronu do stanu, w którym może on być łatwiej oddany. Czynnik

redukujący prawdopodobny pod względem geochemicznym, jaki zidentyfikowano do

tej pory, to promieniowanie ultrafioletowe. Jest ono jednak destrukcyjne dla wielu

składników istniejącego metabolizmu. Światło widzialne jest mniej szkodliwe, ale nie

jest wystarczająco silne dla wzmocnienia nieorganicznych czynników redukcyjnych.

Uważał on, że organizmy heterotroficzne są o wiele prostsze z punktu widzenia

metabolizmu, kiedy do uzyskania energii i składników rozkładają gotowe już

istniejące w środowisku pożywienie.

W przypadku organizmu powierzchniowego, z pomocą przychodzą reakcje

chemiczne zachodzące na powierzchni pirytu, zapewniające odpowiednie

wzmocnienie mocy redukcyjnej, stąd poprawna nazwa dla organizmu

powierzchniowego to organizm chemo-autotroficzny. Ostatnia z cech, jaką jest

autokatalityczność wskazuje na taką cechę zachodzących reakcji, która sprawia, że

ich własne produkty usprawniają kolejne reakcje tego samego typu. Tak, zatem, na

dnie oceanicznym, w sąsiedztwie podwodnych wulkanów, mamy do czynienia z

podstawową reakcją, od której zaczyna się istnienie organizmu powierzchniowego.

Jest to reakcja zachodząca pomiędzy kilkoma cząsteczkami siarczku żelaza i

siarczku wodoru:

FeS + H

→

FeS

+ 2 H

+ 2e

Przeprowadzanie w kółko tej samej reakcji, prowadzi do utworzenia

samoreplikującego się cyklu. Wzrost złożoności jest konieczny, jeśli cykl ma

wytwarzać więcej energii, niż traci w wyniku gromadzenia cząsteczek pokarmowych.

Samoreplikujący się cykl cechuje zdolność do pobierania składników ze swojego

otoczenia i tworzenia z nich struktur nie tylko na swój użytek. Posiada on zdolność

do ponownego zainicjowania procesu budowania złożonych struktur z pobranych

składników. Omawiany cykl sprawia, iż dochodzi do tworzenia się pirytu (FeS

uwalniania wodoru oraz, co najważniejsze elektronów, będących pierwszym źródłem

energii. Powstające życie czerpie korzyści z dwóch przenikających się cech swojego

środowiska: związaniu z pirytem oraz obecności fazy wodnej. Dzięki wiązaniu

powierzchniowemu, ustanowiona zostaje, bardzo ważna zależność pomiędzy

mineralną powierzchnią a produktem reakcji, oddana w podziale struktury organizmu

pionierskiego na nieorganiczną podstrukturę i organiczną nadstrukturę. Cykl

redukcyjny tworzy powierzchniowo związany produkt katalizujący zarówno reakcje

powodujące przyrost powierzchni, na której reakcje te się dokonują, jak również

reprodukcję samego cyklu. Woda nie zagraża organizmowi powierzchniowemu przez

rozpuszczenie, wchodzących w jej skład związków, ale wciąż stanowi dla niej pewne

zagrożenie. Wraz z pierwiastkami stanowiącymi niezbędne dla życia składniki, woda

zawiera również pierwiastki takie, które dla młodego życia są zabójcze. Organizm

pionierski składa się z dwóch części: nieorganicznej podstruktury i organicznej

nadstruktury. Pierwsza obejmuje silnie porowatą powierzchnię mineralną, co ma

istotne znaczenie dla dalszych etapów rozwoju organizmu w mikroskopijnych porach.

Druga część organizmu powstająca wskutek cyklicznego powtarzania reakcji

tworzenia pirytu, jest połączona z pierwszą wiązaniami jonowymi. Nadstruktura

będąca organicznym produktem autokatalitycznych reakcji, wykorzystujących

mineralne podłoże oraz fazę wodną jako źródło reagentów, tworzy warstwę o

monomolekularnej grubości nad powierzchnią oceanicznego dna. Organizm

pionierski stanowi ogół cząsteczek organicznych, które zostają związane

elektrostatycznie z nieorganiczną powierzchnią oraz te obszary powierzchni

mineralnej należące do nieorganicznej podstruktury. Faza wodna, stanowi

środowisko oraz źródło składników odżywczych. W koncepcji G. Wächtershäusera,

obie części organizmu są bytami dynamicznymi, podlegającymi ciągłym zmianom.

Biologiczna charakterystyka układu ożywionego:

•

Złożoność jako cecha systemów ożywionych może być scharakteryzowana

jako zdolność tych systemów do rozpoznawania pewnych prawidłowości w

strumieniu danych, które pozyskuje on od siebie samego i środowiska oraz

budowaniu na ich podstawie schematów dotyczących opisów świata,

prognozowania zdarzeń przyszłych i adekwatnego na nie reagowania;

•

Homeostaza, czyli odporność na drobne zmiany środowiska, czyli

utrzymywanie stałości środowiska zewnętrznego pomimo zmian

zachodzących w środowisku zewnętrznym nosi nazwę homeostazy. Zdolność

do osiągnięcia homeostazy nazywana jest, z kolei, adaptacją. Jest ona

możliwa do osiągnięcia w organizmach żywych za pomocą systemów układów

regulacji właśnie. Regulacja układu odbywa się już w bardzo

skomplikowanych sieciach sprzężeń zwrotnych. W szlakach metabolicznych

istnieją wielorakie mechanizmy regulacji realizowanych za pomocą licznych

pętli sprzężeń zwrotnych. Co jednak, jeśli organizm powierzchniowy, lub

jakikolwiek inny pierwszy ożywiony układ w historii Ziemi, nie jest układem

homeostatycznym, a raczej układem homeodynamicznym? Jak przywołaliśmy,

układy te znajdują się na granicy gwałtownego rozpadu, są termodynamicznie

i kinetycznie niestabilne, a jednak podtrzymują własne istnienie.

•

Modularność budowy; organizm biologiczny dysponuje częściami zapasowymi

na wypadek gdyby któreś zawiodły. Modularność jego budowy oznacza, że

brak sprawności jednego podsystemu nie oznacza katastrofy całego, ale nie

przeszkadza we wzajemnej komunikacji powiązanych ze sobą podsystemów.

•

Z punktu widzenia termodynamiki, systemy żywe są układami otwartymi;

organizm znajduje się w stanie nierównowagowym, jest, bowiem układem

otwartym, co oznacza, że wymienia z otoczeniem nie tylko energię, ale

również cząsteczki

Hipoteza Gai Jamesa Lovelocke’a; Gaja – superorganizmalny system obejmujący

całe życie na Ziemi, hipotetycznie podtrzymuje skład powietrza i temperaturę

powierzchni planety, regulując warunki dla kontynuacji życia. Podczas, gdy

zawikłana sieć reakcji biologicznych poprzez które życie tego dokonuje wciąż jest

mało znana, fakt, że biota (wszystkie organizmy danego regionu geograficznego w

określonym czasie w dowolnym środowisku rozpatrywane niezależnie od powiązań

ekologicznych) kontroluje części powierzchni planety jest równie dobrze

ustanowiony, co fakt, że nasze ciało utrzymuje stałą temperaturę. Stąd Gaja może

utrzymywać atmosferyczny wodór i tlen, tak istotny dla życia, od rozpadu w azotany i

tlenki azotu, w sole i gaz rozweselający, który mógłby zastopować cały system. Jeżeli

nie istniałaby stała ogólna produkcja nowego tlenu przez organizmy fotosyntetyczne,

jeżeli nie byłoby uwolnienia gazowego azotu przez azotowe i amoniakowe bakterie,

doszłoby do gwałtownego rozwoju obojętnej lub trującej atmosfery. Bez uderzeń

piorunów w atmosferę, Ziemia byłaby nie mniej zamieszkała, jak kwasowa Wenus.

Na Ziemi środowisko zostało stworzone i kontrolowane przez życie, tak samo, jak

życie zostało stworzone przez środowisko, które wciąż na nie oddziałuje.

Zagadka temperatury Ziemi. Jasność Słońca wzrosła w ciągu ostatnich 4mld lat o

prawie 50%, ale badania skamieniałości wskazują, że temperatura Ziemi

pozostawała stosunkowo stabilna – oscylując wokół 22 stopni, pomimo niskich

temperatur, jakich można byłoby się spodziewać po promieniowaniu wczesnego

Słońca. Wydaje się, że nie tylko życie kontrolowało skład gazów w skali globalnej, ale

wpływało także na temperaturę. Czy był ten wielki ukryty termostat?

Lovelock zasugerował, że biota, a w szczególności bakteryjny mikrokosmos, od

swojego najwcześniejszego pojawienia się na planecie musiał regulować swoje

środowisko w skali całej planety. Formy życia reagują na zmienne warunki

geologiczne i kosmiczne kryzysy. Lovelock proponuje matematyczny model zwany

Daisyworld. Planeta przedstawiona w modelu pokryta jest czarnymi i białymi

stokrotkami. Stokrotki reprezentują dwa gatunki i pokrywają 70% powierzchni planety

w określonym zakresie temperatur. Oba gatunki nie rosną w ogóle w bardzo zimnym

klimacie, rosną wolno w zimnym, szybciej w ciepłym, a umierają powyżej 45 stopni.

Lovelock odkrył, że stokrotki działają, jak jeden wielki termostat dla całej planety w

wyniku wzrastania. Fenomen ten opiera się o synergię i jest nieoczekiwanym

wynikiem działania złożonego systemu.

Redukcjonizm w badaniach naukowych. Świat ożywiony charakteryzuje się

złożonością, przepływem oraz wielością współ-zachodzących procesów. Łatwiej jest

zrozumieć fenomeny, które chcemy zbadać, kiedy możemy je odizolować od reszty

świata i zmieniać potencjalne parametry jeden za drugim: jeśli możemy odizolować

białka i badań ich enzymatyczne interakcje bez zakłóceń w postaci wielości innych

małych i dużych cząsteczek, które je otaczają w komórce. Powód dla którego tak

robimy jest oczywisty – trudno jest ogarnąć obserwacje, jeśli wiele z cech

obserwowanego systemu zmienia się w tym samym czasie. Metodologia

redukcjonistyczna ułatwia i umożliwia wytwarzać proste łańcuchy przyczynowo-

skutkowe. Redukcjonizm ma miejsce, gdy prawa lub terminy teorii z wyższego

poziomu ontologicznej hierarchii nauk, wyjaśnia się w pełni za pomocą praw czy

terminów nauki z niższego poziomu. Idealny projekt redukcjonistyczny dokonałby

ujednolicenia praw wszystkich nauk do praw jednej (fizyki). W naszych

rozważaniach, najbardziej precyzyjne będzie rozpatrywanie zagadnienia redukcji

biologii do chemii, stąd poziom „komórek”, objaśniać będziemy prawami

obowiązującymi na poziomie „molekuł”.

Redukcjonizm w biologii. Redukcjonizm jako metoda badań, rozwarstwiająca

systemy biologiczne na ich części składowe, była efektywna w wyjaśnianiu

chemicznych podstaw licznych żywych procesów. Jednakże, wielu biologów

uświadamia sobie obecnie, że podejście to osiągnęło swoje granice. Systemy

biologiczne są nadzwyczaj złożone i posiadają własności emergentne, które nie

mogą być wyjaśnione, ani nawet przewidziane przez studia nad ich poszczególnymi

częściami. Powyższa deklaracja ma kapitalne znaczenie dla badań nad obiektami z

poziomu ontologicznego biologii. Wyraża ona jednak raczej nieskuteczność

stosowania metody badawczej, która zaprowadziła ludzkość na obecny stopień

rozwoju technologicznego, niż postuluje obranie konkretnego programu badawczego.

Złożoność jako cecha nieredukowalna. Biologiczna złożoność nie daje się

redukować. Wyjaśniamy zjawiska z „wyższego” poziomu, na przykład poziomu

organizmalnego, przez redukowanie ich do „niższego” poziomu, na przykład

molekularnego. Niestety, długość wyjaśnienia opierającego się na redukcji do zjawisk

molekularnych zwiększa się w trakcie przechodzenia do bardziej ogólnych i

złożonych zjawisk. Gdy mamy do czynienia ze złożonymi procesami fizjologicznymi

albo genetycznymi, wynikającymi z wielkiej liczby interakcji niepoddających się

redukcji, długość wyjaśniania przerasta nasze zdolności operacyjne, nawet

powiększane przez stosowanie komputerów. Redukcjonizm sprzyja usuwaniu

obiektu badań z jego normalnego kontekstu. Wyniki eksperymentów uzyskane w

danych wyróżnionych warunkach lub z danego konkretnego modelu – takiego, jak

mysz, kompleksy komórkowe in vitro lub modele komputerowe – są często

ekstrapolowane na bardziej złożone sytuacje lub organizmy wyższe, takie, jak ludzie.

Usunięcie danego obiektu badań i umieszczenie go w symulowanych warunkach, w

sztucznym środowisku, w najlepszym wypadku, jedynie zaburza więź, jaką ten obiekt

posiada z innymi obiektami w swoim naturalnym środowisku. Wyniki badań nad

danym obiektem w izolowanych warunkach laboratoryjnych, są skażone przyjętą z

góry teorią, której te badania mają dowieść. Strategia taka przynosiła oczekiwane

efekty, kiedy stosowana była do układów o małej złożoności. Układów, w których

arbitralne pominięcie pewnych czynników, nie decyduje o stanie analizowanego

systemu.