Pewien powiew świeżości na teorię ewolucji, a w szczególności na najwcześniejsze jej etapy, tj. genezę powstania pierwszych związków organicznych, pompy protonowej i błon komórkowych, powstanie komórek eukariotycznych, jądra, redukcję genomu mitochondriów i związane z tym problemy, rzutujące na płodność i długość życia.

Początkowo denerwował mnie trochę styl autora: wszechwiedzącego i czasem niesprawiedliwie czy błaho krytykującego dorobek minionego wieku (np. koncepcję bulionu pierwotnego, którą przecież sam do pewnego stopnia wykorzystał na nowo). Jednak proponowane przez niego teorie są całkiem sensowne i objaśniają zadziwiająco więcej niż zwykliśmy rozumieć dotychczas z samych prac Oparina, Millera czy Fox'a. Aż chętnie bym poczytał jakąś polemikę z jego poglądami, bo to wprost niemożliwe, żeby jeden człowiek odkrył "teorię wszystkiego", skoro największe umysły świata do tej pory poukładały jedynie okruchy całości, niejednokrotnie popełniając błędy w szczegółach. Wątpię, żeby autor wolny był od tego ostatniego. Mimo to, układanka składa się w imponującą całość.

Ponieważ to nie beletrystyka, spróbuję szkicowo omówić poglądy autora. Może to też pomóc tym osobom, dla których język tej książki okaże się zbyt trudny. Wprawdzie nie jest to rozprawa naukowa, ale przydaje się pewne rozeznanie w biologii, chemii, biochemii czy fizyce.

Po pierwsze autor umiejscawia początki życia nie ogólnie w oceanach, lecz w alkalicznych kominach hydrotermalnych, które mogą działać jak (mikro) reaktory przepływowe, gdzie pewne związki katalityczne znajdują się w mikrokanałach. W tych to kominach hydrotermalnych mogłyby powstawać spontanicznie związki organiczne z CO2 i H2. Problemem jest jednak elektroujemność, bo chociaż energetycznie powstanie CH4 czy mrówczanu z CO2 jest dopuszczalne, to przeniesienie elektronów z wodoru na CO2 nie jest elektrycznie korzystne. Autor proponuje rozwiązanie tego problemu przez bliskie oddziaływanie strug wody o różnych pH (oceanicznej, kwaśnej i hydrotermalnej, zasadowej), oddzielonych przewodzącym minerałem. Minerał zapewnia transfer elektronów między płynami, w których elektroujemność H2 wypada wyżej niż elektroujemność cząstek organicznych w drugim płynie i transfer elektronów, a zarazem powstanie związków organicznych staje się możliwe. Związki te następnie w gradientach temperatury ulegały zagęszczaniu i organizowaniu się w większe jednostki. W tym np. tiooctan metylu CH3-S-CO-CH3, który może zastąpić AcetyloCoA w zakresie tworzenia cząstek organicznych i cząsteczek energetycznych (acetylofosforanu), zasilających polimeryzację aminokwasów i nukleotydów z wykorzystaniem gradientu PROTONOWEGO. Etapy pośrednie tych szlaków autor proponuje zastąpić interakcjami z minerałami kominów (s. 169).

Po adaptacji do AcetyloCoA, powstają pierwsze komórki, pęcherzyki oleistych substancji, które wchodzą w szczeliny między strugami zasadowymi komina i wodami oceanicznymi, które są kwaśne. Jeśli błona jest przepuszczalna, zachodzi przez nią swobodny przepływ protonów od oceanu do komina, napędzający szlak enzymu. Komórki są uwięzione w szczelinach komina, jednak z czasem "wynaleziony zostaje" przez ewolucję antyport H+-Na+, wymiennik jonów.

Jony Na+ potrafią zastąpić H+ na potrzeby enzymu (przynajmniej wg autora), natomiast przenikają słabiej przez membranę i łatwiej utrzymać ich wysoki gradient, poprawiając energetykę komórki. Stopniowo, dobór promuje lepsze wykorzystanie wymiennika i pojawia się pompa protonowa, która go sztucznie zasila. Następnie błona uszczalnia się na protony, żeby lepiej je pompować i pojawia się klasyczny gradient elektrochemiczny przez membranę komórki. I to może nawet przed wynalezieniem zaawansowanej genetyki(?). Taka komórka sama wytwarza już gradient protonowy i nie jest więcej zależna od komina hydrotermalnego--może kolonizować świat. W tym okresie aparat DNA jeszcze nie był wykształcony i ewoluuje on na różne sposoby wraz z błonami u archeonów i bakterii, które doskonalą błony na różny sposób, a maszyneria genetyczna pracuje (obecnie) w interakcji z błoną.

Po omówieniu powstania pierwszych komórek, nadchodzi czas omówienia rewolucji eukariotycznej. Okazuje się, że bakterie mają znaczne ograniczenia odnośnie możliwości wzrostu i osiągania dużych rozmiarów oraz obsługiwania dużego genomu. Problem polega na tym, że ich energetykę zasila gradient protonowy na błonie komórkowej, a w miarę powiększania komórki, objętość rośnie jak r^3 (tak samo liczba wypełniających ją enzymów, białek, itd. punktów zapotrzebowania energii). Przy tym powierzchnia błony rośnie wolniej, bo jak r^2 i w końcu gradient protonowy na błonie, napędzający syntazę ATP przestaje wystarczać. Bakteria nie może stać się większa. Jednak dalszy wzrost umożliwiło pochłonięcie endosymbiontów (które mają swoje własne dodatkowe błony!), tj. mitochondriów, co było krokiem w kierunku komórki eukariotycznej (jak widać, początkowo bezjądrowej). Każde mitochondrium ma swoją błonę i produkuje ATP dla gospodarza, uniezależniając go od rozmiarów jego błony i zyskując stabilne środowisko zamieszkania.

Stabilność środowiska powoduje, że mitochondrium przestaje potrzebować większości swoich genów i powoli redukuje genom (bakterie konkurują ze sobą m.in. poprzez szybkość rozmnażania--robią to tym szybciej, im mniejszy mają genom). Niektóre mitochondria ulegają przy tym uszkodzeniu i zawartość ich DNA ulega wbudowaniu do DNA gospodarza, archeona. Co więcej, bakterie wprowadzają ze swoim DNA "pasożytnicze" sekwencje samopowielające się. O ile w bakterii ich powielanie się było ograniczone tym, że komórka bakteryjna nie może mieć zbyt dużego genomu, to tutaj takie pasożyty powielają się w znacznej skali. Powstają introny, niekodujące sekwencje DNA. Bakterie dysponowały układami nożyc RNA, które wycinały takie odcinki i te mechanizmy przejęły komórki gospodarza, dokonując splicingu DNA. Jednak mechanizm ten jest zbyt wolny, żeby zapobiec translacji nonsensownych sekwencji przez rybosomy. Dlatego zaczyna ewolucyjnie być faworyzowana obecność jądra, gdzie dokonuje się splicing, które utrzymuje introny z dala od rybosomów.

Ponieważ mitochondria zachowały część materiału genetycznego, pojawiła się konieczność zapewnienia, że organizmy wielokomórkowe nie będą miały uszkodzeń MtDNA w swoich komórkach. Oczywiście mutacje mtDNA zależą od liczby podziałów, jakie mitochondria wykonały od początku życia organizmu. Aby zmniejszyć konieczną liczbę podziałów dochodzi do faworyzowania dużego jaja, wypełnionego mitochondriami. W ten sposób dziedziczeniu podlegają głównie mitochondria matki. Dalej okazuje się, że dobrze jest zachować zmienność genomu mitochondriów między różnymi osobnikami, co może prowadzić do selekcji najlepszych. W tym celu ostatecznie plemniki przestają zupełnie dostarczać własnych mitochondriów. Pojawia się pojęcie płci--jedna gameta dostarcza mitochondria, druga nie.

Ale część genów mitochondrium została wkodowana w jądro! Podlega dziedziczniu płciowemu, są tam geny tak matki, jak i ojca. Pojawia się możliwość niedopasowania mitojądrowego wobec którego mitochondria mogą nie działać efektywnie. Pewne zwierzęta wymagają przy tym mnóstwa energii, np. ptaki i nietoperze do lotu. One stosują silną presję na dopasowanie mitojądrowe i zarodki niedopasowanych osobników obumierają. Inne zwierzęta mogą pozwolić sobie na pewne niedopasowanie i mają lepszą płodność, kosztem wydajności mitochondriów i energetyki. Autor porównuje szczury i ptaki. Pojawia się jednak pewna różnica: w konsekwencji niedopasowania szczur żyje ok. 3 lat, a ptak 30. Dlaczego? Niedopasowanie energetyczne prowadzi do utykania elektronów na łańcuchach przenośników mitochondrialnych, co prowadzi do generowania wolnych rodników (które dawniej uważano za zabójcze, obecnie rozumowanie się zmieniło, ale efekt ten sam: niedopasowanie mitojądrowe skraca życie).

Pojawia się jeszcze pytanie: skąd chromosomy, mejoza, itp? Tu też autor przedstawia pewne rozważania. Pierwotne koliste DNA archeona, który doznał inwazji intronów musiało podlegać wycinaniu. Podczas wycinania mogły zajść błędy i nić mogła nie zostać połączona. Z kolistego genomu powstawały liniowe chromosomy (s. 274), które podczas podziału wykorzystywały mechanizmy podziału plazmidów i "typowy bakteryjny mechanizm rekombinacji, polegający na ustawianiu chromosomów obok siebie" (tego nie rozumiem: chodzi o transfer poziomy?! Bo bakteria przecież ma tylko jeden kolisty chromosom?).

Przy okazji transferu poziomego... Autor pozwala sobie też na krytykę "drzewa gatunków", które wykreślono, badając różnice między genami homologicznymi różnych gatunków, by poprzez tempo mutacji określić jak dawno ich linie się rozdzieliły. Niestety, to działa tylko przy założeniu, że geny zmieniały się TYLKO na drodze mutacji. A niestety bakterie wymieniają często między sobą całe pakiety genów na drodze transferu poziomego i mogą zniszczyć założenia tego modelu.

Podsumowując: książka całkiem inspirująca. Przynajmniej ja, jako osoba zajmująca się w pracy elementami biofizyki, widzę tu różne ciekawe tematy, które aż proszą się o modelowanie:) Zresztą książkę czytałem w ramach przygotowań do dyskusji pewnego problemu badawczego i aż żałuję, że nie mogłem jej przeczytać bardziej na spokojnie, bez ograniczeń czasowych:)

Pewien powiew świeżości na teorię ewolucji, a w szczególności na najwcześniejsze jej etapy, tj. genezę powstania pierwszych związków organicznych, pompy protonowej i błon komórkowych, powstanie komórek eukariotycznych, jądra, redukcję genomu mitochondriów i związane z tym problemy, rzutujące na płodność i długość życia.

Początkowo denerwował mnie trochę styl autora:...