Czym jest życie? Biologia w pięciu krokach

Czym jest życie ? Vol.2.:Reaktywacja - Notatki z noblisty #szaleństwopodręczników ŚWIATY (POZA)FIZYKĄ Według tęgich głów XX wieku biologia miała być zjedzona przez fizykę(i chemię). Takie przekonanie nazywamy fizykalizmem („wszystko da się sprowadzić do praw fizyki i cząstek elementarnych”), a możliwe byłoby to dzięki redukcji opisu zjawisk społecznych, czy biologicznych do opisu zjawisk fizycznych. Czy tak rzeczywiście jest: nie wiem, czy to się kiedykolwiek uda: nie wiem. Od pewnego czasu wiele tęgich głów ma w tym temacie wątpliwości, ale wciąż pozostaje całkiem spora grupa ludzi, którzy ten projekt uważają za płodny i ambitny (Jerzy Dzik pisał w polskim podręczniku do biologii: Po dziesięcioleciach sporów nie ma jednak wątpliwości, że podejście redukcjonistyczne daje niepełnym obraz życia). Paul Nurse, choć sceptycznie podchodzi do radykalnej wersji tej idei, to mimo wszystko jako biolog molekularny widzi życie biologiczne jako proces, którym rządzą prawa fizyki i chemii. Wyjściem poza opis chemii i fizyki(jak?) zdaje się dla Nurse’a opis oparty na przetwarzaniu informacji (po co?). Czy ten nowy paradygmat w biologii (ale przecież i w fizyce, czy naukach społecznych), którego piewcą jest np. Harari stanie się dominujący, to dopiero pieśń przyszłości. Aczkolwiek, ostatnio przyszłość to, parafrazując Norwida, dziś tylko cokolwiek dalej. PYTANIE O ŻYCIE W 1944 roku Erwin Schrödinger zastanawiał się jak to jest, że żywe organizmy z pokolenia na pokolenia utrzymują jednolity kształt i porządek, choć światem rządzi entropia (II prawo termodynamiki: wszechświat zmierza ku chaosowi)? Według Paula Nurse’a, pytanie Schrödingera skupiające się na dziedziczności nie wystarcza do zrozumienia w pełni fenomenu życia, i choć odpowiedź na pytanie czym są geny i jak przechodzą na dalsze pokolenia są kluczowe dla życia, to nie jest wszystkim (odejście od paradygmatu „samolubnego genu”). Definicja Nurse’a dotyka pięciu zagadnień: życia jako fenomenu komórkowego, życia jako fenomenu przenoszonego przez geny, życie i jego rozwój w ramach ewolucji drogą doboru naturalnego, życia jako procesu chemicznego oraz życia jako procesu zapisu informacji. 1. TEORIA KOMÓRKOWA-„atomizm” biologiczny Podstawowym atomem biologii, nauki o życiu, są komórki. Jak pisze Nurse, według naszej wiedzy, wszystko, co żyje na Ziemi, jest albo komórką, albo ich zbiorem. Teoria komórkowa ma 150 lat, i aż dziw bierze, że zważywszy jej znaczenie, ma tak mało piewców (w porównaniu do Darwina, czy Newtona). Odkrycie komórki musiało poczekać na wynalezienie mikroskopu, co pięknie pokazuje związek nauki i techniki. Bakterie i inne mikroby to „najpowszechniejsza i najbardziej zróżnicowana grupa istot żywych na Ziemi”. Nawet człowiek „nie jest odrębną, indywidualną całością, lecz ogromną i nieustannie się zmieniająca kolonią ludzkich i nie-ludzkich komórek”. Dopiero jednak „rewolucja naukowa” w Europie XVII i n. stuleci, pozwoliła dostrzec „niewidzialne” jednostki życia. Komórka jest nośnikiem życia (ma znamiona życia), ale i sama jest żywa. A więc: komórki to jednostki życia, komórki są żywe, a każda komórka pochodzi od innej komórki (nie ma samorództwa). Paul Nurse daje nam współczesny opis budowy komórki: „Komórki to najprostsza jednostka życia. Stanowią one pojedyncze żywe organizmy, otoczone membraną z lipidów przypominających tłuszcz(…)Największe z nich (wewnętrznych struktur komórki) są organelle -każde opakowane we własną membranę. Wśród organelli wyróżniamy jądro komórkowe, które stanowi centrum dowodzenia komórki, ponieważ zawiera informacje genetyczne zapisane w chromosomach. Mitochondria pełnią funkcje miniaturowych zasilaczy dostarczających komóre energii potrzebnej do rozwoju i przetrwania.(…)najważniejszym elementem komórki jest błona komórkowa(…)która oddziela komórkę od otoczenia, a tym samym określa, co jest na zewnątrz, a co wewnątrz.(…)Komórki (…) rosną, reprodukują się, utrzymują przy życiu, a ich działanie charakteryzuje celowość: imperatyw przetrwania i podziału.”. Poznając działanie komórki, poznajemy jak działa życie. 2.GENY_MENDEL i CRICK/WATSON- mendelizm Choć od zarania dziejów wiemy, że podobieństwo między rodzicami, a potomstwem to cecha definiująca organizmy żywe, to bardzo późno zrozumieliśmy dlaczego i jak to się dzieje. Dopiero od Gregora Mendla, tego działającego na terenie Czech opata augustianów w Brnie, „bawiącego się” krzyżowaniem sadzonek groszku ogrodowego, mamy o tym „jako-takie”, realistyczne wyobrażenie tego procesu. Może „bawił się” to zbytnia przesada, bo jak pisze Nurse, przed Mendlem nikt nie poważył się na takie poważne „badania ilościowe”. Dzięki eksperymentom, mógł „zauważyć” prawidłowości w dziedziczeniu cech takich jak kolor. Jednak dla jego współczesnych nie były to „poważne” badania. Jednak dały one podwaliny pod genetykę, a ideą główną tej dziedziny będzie mendelizm, teoria głosząca, że cechy dziedziczone są zdeterminowane przez obecność cząstek fizycznych istniejących jako pary („geny”). Nie tylko zresztą u groszku ogrodowego, a praktycznie w każdym organizmie żywym. Geny znajdują się w „niteczkach”, które zwiemy chromosomami (ich odkrywca, Flemming, zauważył, że „gdy komórka przygotowała się do podziału, niteczki rozdwajały się wzdłuż własnej osi pionowej, a potem stawały się krótsze i grubsze. Następnie komórka dzieliła się na dwoje, a niteczki rozłączały się, tak że w każdej komórce córce pozostawała tylko jedna z par.”). Dziś wiemy, że u eukariontów (komórkowców z jądrem komórkowym) rozmnażanie płciowe wygląda tak samo, „w jajeczku i plemniku znajduje się po połowie chromosomów, a pełna ich liczba kształtuje się, gdy obie te komórki łączą się w jedną, tworząc zapłodnione jajeczko”. Każdy chromosom zawiera pojedynczą, nierozdzielną molekułę DNA (każda molekuła jest nosicielką genów), a „geny są zrobione z DNA”. Geny zatem to stabilne jednostki chemiczne (zbiory atomów), podlegające prawom chemii i fizyki. Datą kluczową był rok 1953. To wtedy Watson z Crickem podali dwa warunki konieczne przetrwania życia: 1) DNA musi kodować informacje, jakie komórki potrzebują rozwoju i utrzymania życia, 2) DNA musi być w stanie precyzyjnie i stabilnie się replikować, aby nowe komórki dziedziczyły komplet instrukcji genetycznych. Umożliwia to właśnie odkryta wtedy, spiralna struktura DNA. To właśnie w kodzie DNA ukryte są komunikaty za pomocą czterech zasad azotowych, i właśnie ich „odczytywaniem” zajmuje się mechanizm komórki. Tak właśnie geny „programują” zachowanie komórek, instruując komórki, jak mają budować różne białka (to białka budują większość enzymów, struktur i systemów komórkowych). Komórki „przekładają” język zasad azotowych( A,T,G,C) na 24-znakowy język aminokwasów (cegiełek białek). Ten rodzaj „przekładu” zwiemy kodowaniem genetycznym. Przykładowo, układ GCT każe dodać komórce aminokwas zwany alaniną do nowej cząstki bialka. Wiedząc to, możemy zacząć programować życie. Jak pisze nasz noblista, „złamanie kodu genetycznego rozwiązało największą tajemnice życia”. Dalszym krokiem było „sekwencjonowanie DNA”, a więc identyfikacja rodzaju i porządku sekwencji połączeń zasad azotowych w genie (dzięki temu wiemy jakie połączenia tworzą jakie białka). Od 2003 roku znamy genom ludzki, 22 tysiące genów kodujących białka, które są wspólne dla naszego gatunku („Gdy swoją krew i waszą sprawdzę, /Wierzcie mi, jedna będzie jucha”). Autor pokazuje nam, że nasz genom jest niemal identyczny u każdego osobnika ludzkiego (różnice to mutacje, i nie przekraczają one 1% materiału genetycznego s.56). Powtórzmy: nasze genomy, każdy długi na trzy miliardy „liter” DNA, są bardzo podobne, bez względu na płeć, narodowość, wyznanie, czy klasę. Co ciekawe, podział komórki i replikacja genów są zjawiskami zachodzącymi synchronicznie. Jak pisze Nurse, „analiza cyklu komórkowego stanowi fundamentalny krok w stronę zrozumienia natury życia”. 3.EWOLUCJA_DARWIN (ewolucjonizm i (neo)darwinizm) Z biegiem czasu, życie gatunkowe ulega zmianom. Z biegiem czasu głębokiego (zmiany są niewidoczne w horyzoncie życia osobnika homo sapiens) dodajmy. Jeśli za ojca genetyki uznamy Mendla, to ojcem ewolucji jest Darwin. Nurse oddaje należny hołd również Lamarckowi i Erazmowi Darwinowi(dziadkowi Darwina). Wyjaśnia, że: „Podstawą idei doboru naturalnego jest fakt, że populacje żywych organizmów występują w różnych wariacjach. Kiedy powstają one w wyniku zmian genetycznych, są dziedziczone z pokolenia na pokolenie. Niektóre z takich wariacji wpływają na predyspozycje do rozmnażania obdarzonych nimi jednostek. Sukcesy w reprodukcji sprawiają, że osobniki posiadające nowe cechy będą stanowić większą część populacji w kolejnym pokoleniu.” Organizmy żywe muszą spełniać trzy warunki, aby mogło dojść do ewolucji drogą doboru naturalnego: muszą być zdolne do rozmnażania, muszą być wyposażone w system dziedziczenia (system kopiowania i przekazywania informacji o cechach organizmów), muszą mieć system dziedziczenia zdolny do zmienności. Jest też jeden szkopuł: aby proces działał skutecznie, pisze Nurse, żywe organizmy muszą umierać. Dzięki temu, nowe pokolenia lepiej dostosowanych mogą zastąpić mniej dostosowanych przodków. 4. Metabolizm to chemia życia (redukcjonizm i fizykalizm) Dzisiaj wiemy jak pisze Nurse, że: w komórkach wszystkich żywych organizmów zachodzą setki, a nawet tysiące reakcji chemicznych równocześnie. To one tworzą molekuły życia, które z kolei budują komponenty i konstrukcje wewnątrz komórek. One też są odpowiedzialne za rozbijanie tych molekuł, by dokonywać recyklingu elementów komórki i wyzwalać energię. Te niezliczone reakcje zachodzące razem w żywych organizmach nazywamy metabolizmem. Stanowi on podstawę wszystkich mechanizmów życia: wzrostu, rozwoju i reprodukcji, z niego też bierze się cała energia potrzebna do napędzania tych procesów. Metabolizm to chemia życia. Metabolizm działa dzięki enzymom, molekuł zbudowanych z białek zwanych polimerami. Budowę polimerową mają również węglowodany i tłuszcze, kwasy nukleinowe, DNA i RNA. Co ciekawe, wszystko one są wariacją na temat pięciu pierwiastków: węgla, wodoru, tlenu, azotu i fosforu. Nurse nie ukrywa, że właśnie na poziomie mikro- możemy rozpoznać, że biologia działaj tak „jak” mówią opisy fizyki i chemii. Ilustruje to opisem fermentacji: Odkąd ponad dwieście lat temu Lavoisier zaczął zadawać pytania o działanie procesu fermentacji, biolodzy stopniowo przekonywali się, że nawet najbardziej złożone zachowania komórek i organizmów wielokomórkowych można analizować w kategoriach chemii i fizyki. (…)Przekonanie, że komórki – a zatem wszystkie żywe organizmy – to niezwykle skomplikowane, choć ostatecznie możliwe do zrozumienia chemiczne i fizyczne urządzenia, jest obecnie powszechnie akceptowanym sposobem myślenia o życiu. Ludzie nauki czerpią z tego odkrycia i usiłują scharakteryzować i skatalogować wszystkie komponenty niewyobrażalnie złożonych żywych maszyn, jakimi wszyscy jesteśmy. 5. INFORMACJA co to wszystko znaczy? Celowość_Monod/Jacob(francuscy intelektualiści oraz Kant)_cykle biologiczne jako przetwarzanie informacji Wiemy dużo jak działają organizmy, ale nie zawsze wiemy po co. Noblista pisze: Żywe stworzenia nie tylko polegają na gromadzonych informacjach, ale też działają świadomie.(…)Biologia to gałąź nauki, w której często mówimy o celowości działania. W naukach z obszaru fizyki się tego nie robi – nie pytamy o cel działania rzeki, komety czy fali grawitacyjnej. (…) Wszystkie żywe organizmy zajmują się sobą, dokonują samoorganizacji, rosną i się reprodukują. To celowe zachowania, opracowane ewolucyjnie, dlatego że zwiększają szanse organizmu na zrealizowanie najważniejszego celu, jakim jest podtrzymanie własnego istnienia i wydanie na świat potomstwa. Co ciekawe, mamy u biologów trochę bardziej łaskawe podejście do kasty filozofów niż u ich ziomków za między, fizyków. Kant staje się bohaterem i prekursorem badań nad celowością, znaczeniem i świadomym działaniem. Nurse, w jakimś sensie, oddziela badania biologiczne i fizyczne właśnie na podstawie braku przedmiotowej celowości w materii nieożywionej (czy możliwa jest fizyka materii ożywionej, oto jest pytanie?). Oddajmy głos autorowi: Celowe działanie stanowi jeden z definiujących aspektów życia, ale jest podejmowane tylko wtedy, kiedy organizm operuje jako całość. Jedną z pierwszych osób, które pojęły mechanizm tej szczególnej cechy istot żywych, był osiemnastowieczny filozof Immanuel Kant. W swoim ostatnim dziele, zatytułowanym Krytyka władzy sądzenia, Kant twierdzi, że elementy żywego organizmu istnieją ze względu na całość jego istoty, a ona z kolei istnieje, by podtrzymywać przy życiu części, z których się składa. Myśliciel uważał, że żywe organizmy to zorganizowane, spójne i samoregulujące się byty kontrolujące własny los. Co ciekawe, mamy u biologów trochę bardziej łaskawe podejście do kasty filozofów niż u ich ziomków za między, fizyków. Kant staje się bohaterem i prekursorem badań nad celowością, znaczeniem i świadomym działaniem. Nurse, w jakimś sensie, oddziela badania biologiczne i fizyczne właśnie na podstawie braku przedmiotowej celowości w materii nieożywionej (czy możliwa jest fizyka materii ożywionej, oto jest pytanie?). CZYM JEST ŻYCIE? ODPOWIEDŹ Według Nurse’a życie krąży wokół pięciu wielkich koncpecji biologii: idei komórki, idei genu (dziedziczenia), idea ewolucji (zmiany) oraz idea życia jako procesu chemicznego i życia jako przetwarzania informacji. Z tą ostatnią ideą, biolog wiąże nadzieję na nowy, przełomowy paradygmat w tej nauce. W pytanie o życie są zapętlone podpytania: o to jak działa życie, jak powstało, czy na czym polegają relacje wiążące żywe istoty na naszej planecie? Schrodinger, a później Chalmers, czy Penrose „czekali” na nowe „prawa fizyki” wyjaśniające takie „trudne” zjawiska jak życie, czy świadomość. Możliwe, że pewne odpowiedzi będą „tajemnicą” dla nas do końca, bo są przed nami „ukryte”. Nurse próbuje zdefiniować życie za pomocą zasad. Oto jego definicja: Zdolność do ewolucji drogą doboru naturalnego to pierwsza zasada, jaką się posłużę, by zdefiniować życie.(...)Moja druga zasada mówi, że wszystkie formy życia są ograniczonymi przestrzennie fizycznymi bytami, oddzielnymi od swojego środowiska, lecz zdolnymi się z nim komunikować.(...)Moja trzecia zasada głosi, że organizmy żywe to systemy chemiczne, fizyczne i przetwarzające informacje.(...)Te trzy zasady razem wzięte definiują życie. Każdy byt funkcjonujący według nich wszystkich może zostać uznany za żywy. IDZIE NOWE? Na koniec lista ciekawych ścieczek/koncepcji, z którymi mierzy i będzie się mierzyć biologia XXI wieku: 1. Modułowa teoria komórki Nurse’a a modułowa teoria mózgu Dehaenego 2. Wetware – software/hardware jako tylko że żywe 3. Dziedziczenie epigenetyczne?-kontrowersyjna teza 4. Nowa biologia będzie opierać się na paradygmacie przetwarzania informacji (parafrazując Dobrzanskiego: Nic w biologii nie ma sensu, jeśli jest rozpatrywane w oderwaniu od informacji). 5. Edytowanie genów 6. Biologia syntetyczna 7. Poszukiwanie życia pozaziemskiego. Czy możliwe jest życie oparte na krzemie, a nie na węglu? 8. Ku hipotezie Gai – współzależność wszystkich istot żywych, co z tego wynika Ps.1. Nurse o fundamentalnym „związku” wszystkich istot biosfery i dlaczego powinniśmy ochraniać przyrodę: „ To, jak fundamentalnie są ze sobą połączone wszystkie formy życia, dotarło do mnie podczas wędrówki z przewodnikiem przez wilgotny, kipiący zielenią las deszczowy w Ugandzie, gdzie szukałem goryli górskich. W pewnym momencie natknęliśmy się na małe stado. Usiadłem naprzeciwko wspaniałego dorosłego samca, przykucniętego pod drzewem zaledwie dwa czy trzy metry ode mnie. Zacząłem się pocić, ale nie tylko przez upał i wilgoć. Jako genetyk wiedziałem, że goryl i ja dzielimy około 96 procent genów, ale ta goła liczba opowiada tylko część historii. Kiedy napotkałem inteligentne spojrzenie jego ciemnobrązowych oczu, zobaczyłem, że odbija się w nich wiele aspektów mojego człowieczeństwa. Małpy były bardzo wyczulone na siebie nawzajem i na nas, ludzi. Wiele zachowań goryli wyglądało w oczywisty sposób znajomo; na pierwszy rzut oka dawało się dostrzec empatię i ciekawość tych stworzeń. Samiec i ja przyglądaliśmy się sobie przez kilka minut. To było jak rozmowa. Następnie wyciągnął ramię, przygiął do ziemi pień młodego drzewa o średnicy jakichś pięciu centymetrów (czyżby próbował mi coś przekazać?) i wdrapał się na nie powoli, nie odrywając ode mnie przenikliwego wzroku. To dramatyczne i poruszające spotkanie uświadomiło mi dojmująco, jak blisko jesteśmy spokrewnieni z tymi wspaniałymi istotami. Nasza relacja z innymi organizmami rozciąga się jednak dalej, na inne małpy, ssaki i zwierzęta, a także – na starszych rozwidleniach wspólnego drzewa genealogicznego – łączy nas z roślinami i mikrobami. W moich oczach to jeden z najlepszych argumentów, dlaczego ludzkość powinna troszczyć się o całą biosferę, czyli wszystkie formy życia, z którymi wspólnie zamieszkujemy Ziemię.” . Ps2. Książkę przetłumaczyła, co ciekawe, Aga Zano, wybitna tłumaczka literatury anglojęzycznej. DODATEK. SŁOWNIK BIOLOGICZNY: Komórka – podstawowa jednostka budowy i funkcjonowania organizmów. Jądro komórkowe – organellum zawierające DNA i kontrolujące pracę komórki. Błona komórkowa – cienka warstwa oddzielająca wnętrze komórki od środowiska zewnętrznego. Gen – fragment DNA z informacją potrzebną do wytworzenia białka lub RNA. Genom – całość materiału genetycznego organizmu. Sekwencja DNA – kolejność zasad azotowych (A, T, G, C) w DNA. DNA – kwas deoksyrybonukleinowy, nośnik informacji genetycznej. RNA – kwas rybonukleinowy, bierze udział w odczytywaniu informacji z DNA. Chromosom – struktura z DNA i białek, zawierająca wiele genów. Cytoplazma – płynne wnętrze komórki, w którym znajdują się organella. Białka – cząsteczki zbudowane z aminokwasów, pełniące różne funkcje (enzymy, budulec, transport). Mutacja – zmiana w sekwencji DNA. Metabolizm – zespół reakcji chemicznych zachodzących w organizmie. Enzym – białko przyspieszające reakcje chemiczne w komórkach. Rybosom – struktura komórkowa, w której powstają białka. Organella komórkowa – wyspecjalizowana część komórki pełniąca określoną funkcję. Mitochondrium – „elektrownia komórki”, produkuje energię (ATP) w procesie oddychania komórkowego. Chloroplast – organellum roślinne, w którym zachodzi fotosynteza. Oddychanie komórkowe – proces pozyskiwania energii z glukozy (najczęściej z udziałem tlenu). Fotosynteza – proces wytwarzania glukozy z dwutlenku węgla i wody przy udziale światła. Tkanka – zespół podobnych komórek pełniących określoną funkcję. Organ – część organizmu zbudowana z tkanek, pełniąca konkretną funkcję. Układ narządów – zespół współpracujących organów (np. układ pokarmowy). ATP – adenozynotrifosforan, podstawowy „nośnik energii” w komórkach. Homeostaza – zdolność organizmu do utrzymywania stałych warunków wewnętrznych. Ewolucja – proces stopniowych zmian organizmów w czasie. Dobór naturalny – mechanizm ewolucji, w którym lepiej przystosowane organizmy częściej przeżywają i rozmnażają się. Gatunek – grupa organizmów zdolnych do krzyżowania się i wydawania płodnego potomstwa. Informacja genetyczna – zapis instrukcji życia w DNA. Chemia życia – ogół procesów chemicznych i związków (DNA, białka, ATP) warunkujących życie. RECENZJE POWIĄZANE: Primo Levi układ okresowy: https://lubimyczytac.pl/ksiazka/uklad-okresowy/opinia/68192229 Dehaene: https://lubimyczytac.pl/ksiazka/jak-sie-uczymy-dlaczego-mozgi-ucza-sie-lepiej-niz-komputery-jak-dotad/opinia/64905214 Dennett: https://lubimyczytac.pl/ksiazka/od-bakterii-do-bacha-o-ewolucji-umyslow/opinia/71543549 De Waal: https://lubimyczytac.pl/ksiazka/malpy-i-filozofowie-skad-pochodzi-moralnosc/opinia/65719244 CO CZYTAĆ: Mayr, „Darwin XX wieku”: https://lubimyczytac.pl/ksiazka/134676/to-jest-biologia Polski nowy podręcznik Dzika: https://lubimyczytac.pl/ksiazka/4806893/biologia-czyli-sens-zycia Znikąd donikąd, polski klasyk: https://lubimyczytac.pl/ksiazka/191368/znikad-donikad Jak powstało życie na Ziemi: https://lubimyczytac.pl/ksiazka/5058214/jak-powstalo-zycie-na-ziemi Kant: https://lubimyczytac.pl/ksiazka/4956906/krytyka-wladzy-sadzenia Jacob: https://lubimyczytac.pl/ksiazka/202476/historia-i-dziedzicznosc Monod: https://lubimyczytac.pl/ksiazka/5033668/przypadek-i-koniecznosc-esej-o-filozofii-naturalnej-wspolczesnej-biologii Schrödinger: https://lubimyczytac.pl/ksiazka/4940221/czym-jest-zycie-biologia-w-pieciu-krokach Nick Lane, przewodnik po biochemii życia: https://lubimyczytac.pl/ksiazka/293521/pytanie-o-zycie-energia-ewolucja-i-pochodzenie-zycia Informacja i życie: https://lubimyczytac.pl/ksiazka/4940737/demon-w-maszynie-jak-ukryte-sieci-informacji-wyjasniaja-tajemnice-zycia