GENEZA ŻYCIA W UJĘCIU FILOZOFICZNYM (KONRAD KARASZEWSKI) - WYKŁADY
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 Felixa D'Herelle. 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:
w pewnym momencie historii ewolucji życia, cząsteczki RNA przenosiły informację genetyczną
replikacja cząsteczek RNA jest oparta na zasadach komplementarności odkrytych przez Watsona-Cricka
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, pojawia 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 pytanieo 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” GUNTERA WACHTERSHAUSERA - 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 + H2S -> FeS2 + 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 (FeS2), 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. Wachtershausera, 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 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.