Przeskocz do treści

Delta mi!

Loading

Życie na żywo

Co to jest życie? – 42 lata później

Magdalena Fikus

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: sierpień 2016
  • Publikacja elektroniczna: 31 lipca 2016

Czytanie własnego tekstu powstałego w tak odległym czasie jest fascynujące. Byłam młodą osobą, 9 lat po doktoracie, rok przed habilitacją. Pracowałam w dziedzinie już wtedy oficjalnie nazywanej biofizyką, choć fizykiem nie byłam. Swoją odpowiedź na tytułowe pytanie konfrontowałam z poglądami fizyków na ten temat, gdyż mam wielki szacunek dla ich sposobu myślenia.

Odpowiedź na każde pytanie musi zawierać definicję, a ta współcześnie akceptowana to unik w stronę niewiedzy: najczęściej powołujemy się na definicję…NASA. Dla nich jest ona ważna, bo chcą wiedzieć, co zrobimy, gdy znajdziemy jakikolwiek ślad "czegoś" w Kosmosie. Trzeba wtedy podjąć decyzję, czy to "coś" jest życiem NASA odpowiada na to pytanie w punktach. Życie, a dokładniej "coś" żywego:

  • pobiera energię i używa jej do wzrostu i reprodukcji,
  • termodynamicznie jest układem zamkniętym,
  • dąży do utrzymania równowagi wewnętrznych procesów (homeostaza),
  • przechowuje i przetwarza informacje,
  • replikuje, mutuje, podlega doborowi naturalnemu,
  • umiera.

Od 1974 roku w poznawaniu molekularnych podstaw życia nastąpiły liczne rewolucje. Przyznano wiele ważnych Nagród Nobla. Zasób wiedzy przyprawia i przyprawiłby ówczesną dr Magdalenę Fikus o zawrót głowy i niedowierzanie. Ale na ile zbliża do wiedzy, czym jest życie?

Przede wszystkim weszliśmy na wyższy poziom: poznaliśmy właściwości chemiczne i fizyczne cząsteczek uznawanych za nosicieli dziedziczności i procesów życiowych. W tamtych czasach wiedzieliśmy tylko tyle, ile nam wizjonerzy molekularni, Watson i Crick, wymodelowali: podziwialiśmy ogólny kształt eleganckiej, pięknej cząsteczki - DNA - oraz mieliśmy dość szkolne wyobrażenie o budowie przestrzennej wykonawców metabolicznych zadań - białek. Na dobrą sprawę cała wiedza molekularna o życiu sprowadzała się do jednej bakterii, Escherichia coli.

obrazek

Przez 42 lata rozszyfrowano strukturę (w oparciu o wiedzę biochemiczną i badania krystalograficzne) nie tylko kwasów nukleinowych i wielu białek, ale, co było znacznie trudniejsze, co zapiera dech - strukturę przestrzenną, z dokładnością do położenia atomów, złożonych struktur komórkowych - np. rybosomów, nukleosomów. Poznano dokładnie budowę i strukturę cząsteczkową organelli - mitochondriów i chloroplastów.

W drugiej połowie dekady lat 70. wymyślono dwie różne metody oznaczania kolejności (sekwencjonowania) nukleotydów. Ale nawet wtedy ustalenie kolejności około 1500 nukleotydów (tyle ma najmniejszy wirus  X174) Φ było zadaniem heroicznym i angażującym przez co najmniej rok kilkudziesięciu badaczy. Dopiero w pierwszej dekadzie XXI wieku zaangażowanie fizyków i technologów (dysponujących na dodatek znacznymi środkami), konstrukcja automatycznych przyrządów sekwencjonujących, modyfikacje, zminiaturyzowanie i wyostrzenie czułości metod sekwencjonowania, doprowadziły do prawdziwej lawiny oznaczeń genomów, czyli pełnych sekwencji DNA charakterystycznych dla danego gatunku. Ogromnie ważne, poznawczo zasadnicze, okazało się wykazanie zasadniczych różnic w działaniu i regulacji aktywności genów między bakteriami a całą resztą świata komórkowego.

Poznaliśmy budowę genomów, które wydają się nam najważniejsze: człowieka (2004) i nawet pełnego genomu jedynego innego od Homo sapiens ludzkiego gatunku - Neandertalczyka. Znamy genom naszych bliskich kuzynów genetycznych - szympansów i goryli. A na drugim biegunie - genomy tysięcy gatunków bakterii, setek wirusów. Dzięki badaniom genomicznym potwierdzamy i czasem korygujemy "drzewa" ewolucyjne, znane z innych odkryć i postulatów. Dowiedzieliśmy się o przepływie genów między różnymi gatunkami bakterii.

Opracowano wiele metod in silico przewidywania struktur przestrzennych białek, porównano je z wynikami badań krystalograficznych, wreszcie otworzono drogę do planowanej modyfikacji białek. Rozbudowano i ulepszono metody syntezy in vitro kwasów nukleinowych i białek, czego ukoronowaniem było wprowadzenie syntetycznego genomu bakteryjnego do komórki pozbawionej własnego materiału genetycznego - powstała syntetyczna bakteria. Przypisano rolę fizjologiczną wielu sekwencjom DNA niekodującym białek. Zaproponowano teoretycznie i sprawdzono doświadczalnie wieloskładnikowe modele regulacji aktywności genów, wykrywając dziesiątki, jeśli nie setki małych cząsteczek RNA i przypisując im bardzo różnorodne funkcje regulacyjne. Udoskonalono wiedzę o błonie komórkowej, a także zbudowano wiele wersji sztucznych błon komórkowych.

Zdefiniowano przyczyny wielu dysfunkcji i chorób genetycznych ludzi, zwierząt i roślin, identyfikując mutacje genowe oraz wzajemne sieciowanie takich genów. W oparciu o tę wiedzę opracowano metody klinicznej diagnostyki chorób, zaproponowano - tam, gdzie to możliwe - terapie zachowawcze lub zachowania terapeutyczne - przez modyfikacje zachowań pacjentów, a także stosowanie nowych generacji leków i szczepionek. Zbudowano wiele technicznych medycznych "protez" zastępujących narządy. Rozwinęły się nauki neurologiczne oraz wiedza o mózgu, do tego stopnia, że rozważamy możliwość powstania niezależnej syntetycznej inteligencji.

Odbyły się na całym świecie debaty na temat genetycznie modyfikowanych roślin, terapii genowych i perspektyw tworzenia genetycznie modyfikowanych ludzi. Genetyka na wysokim technicznym poziomie pojawiła się w Japonii, Korei Południowej i Chinach, a więc w społeczeństwach wyznających różne od europejsko-amerykańskich systemy wartości.

Zbliżyliśmy się też do poszukiwań odpowiedzi na pytanie JAK powstało życie? W tym pytaniu kryje się dla mnie również rozważanie o tym, czym życie jest.

obrazek
obrazek

Na początek: musimy się zgodzić z poglądem, że życie podlegało ewolucji i NA PEWNO nie powstało we współczesnej formie kwasów nukleinowych, białek i wieloskładnikowych struktur oraz w formie wielu gatunków organizmów. Bardzo wielu przyrodników sądzi, że skoro sposoby syntezy i zużycia energii, wzrostu, reprodukcji, przechowywania informacji, mechanizmy mutagenezy, wreszcie indywidualnej śmierci (por. definicja NASA) są na poziomie molekularnym wspólne dla wszystkich poznanych na Ziemi istot, to miały one kiedyś wspólnego przodka. Ocenia się, że pojawił się mniej więcej 4 miliardy lat temu. Uzyskał wdzięczne imię LUCA (Last Universal Common Ancestor). Kilku noblistów (a przed nimi Karol Darwin) przewidziało także, że pierwszą cząsteczką - nosicielem dziedziczności, był nie DNA, a twór przypominający dzisiejszy RNA, i czas ten nazwali "światem RNA". Pewności co do kształtu tamtego świata mieć nie będziemy, nigdy żaden paleontolog nie wykopie skamieniałości LUCA. Cztery miliardy lat to okres niewyobrażalny dla istoty żyjącej lat 70, dlatego częściowo obracamy się w kręgu nauki, częściowo zachwycających naukowych hipotez w stylu SF. Ziemia była inna, oceany leżały gdzie indziej, klimat był inny, nie było tlenu w atmosferze, waliły w Ziemię różne kosmiczne ciała, wszystko było inaczej. A jednak są ludzie o wielkich umysłach, którzy, rozmyślając na ten temat, zadają coraz bardziej niezwykłe pytania. Można ich fantastyczne wykłady obejrzeć dziś w Internecie (w 1974 roku takich możliwości dr MF nie miała).

Od wykładu jednego z tych natchnionych noblistów, Jacka Szostaka, trudno się oderwać, a także trudno nie dążyć za kolejnymi odnośnikami. Zostawiam zatem wybór źródeł Czytelnikom, zacząć mogą od: J. Szostak, Reconstructing the First Cells.

Wychodząc z wiedzy współczesnej o życiu, trafiamy na problem "jajka i kury": DNA koduje białka, a bez białka nie ma syntezy DNA - jak ten krąg rozplątać? Zegarek spontanicznie nie złoży się ze śrubek, spiralek i sprężynek, ale bieg czasu można mierzyć patykiem i jego cieniem na piasku. Także pre-komórki musiały być skrajnie proste, dążyć spontanicznie do odgrodzenia się najprostszymi błonami od środowiska, gromadzić proste związki organiczne, także takie, które są zdolne do samoorganizacji w bardziej złożone struktury. Wtedy przewidzieć można również pojawianie się nowych funkcji i samoreplikację niektórych z takich układów. Już na tym poziomie pojawia się zjawisko pre-ewolucji, utrwalenie w wyniku doboru najbardziej wydajnych, najszybszych, funkcjonalnych wersji komórek.

obrazek

Tacy badacze jak Jack Szostak próbują dziś zbudować swoje wersje procesu/procesów powstania życia, swoje modele. Szukają chemicznych spontanicznych procesów do tego prowadzących. Postulują proste modele, spełniające postulaty definicji życia z NASA. Aby dojść mogło do ewolucji komórek, zacząć się musiało od ewolucji cząsteczek. Nie było wielkich kompleksów makromolekuł, złożonych strukturalnie błon komórkowych. Proste pre-cząsteczki pakowały się do prostych pęcherzyków otoczonych prostymi, półprzepuszczalnymi błonami. Pewne przypadkowe zmiany w chemicznej naturze tych cząsteczek skutkowały replikacją takich cząsteczek, które mogłyby zawierać chemiczną informację (pre-kwasy nukleinowe). I tak, po powstaniu zaczątków życia rozpoczęła się jego ewolucja.

Czym jest życie? Do definicji NASA dodałabym jeszcze dynamikę wszystkich jego zjawisk. Stałą realizację wszelakiego rodzaju zmian. A czasu miało to życie dużo - ponad 4 miliardy lat.

Dziś problem istoty życia rozpatrujemy na poziomie cząsteczek i czasów rzędu sekund. Te procesy czekają na interpretację kwantową - podobno jeszcze nam do niej daleko.


A jednak mam nadal wrażenie, że aktualna jest pewna stara piosenka:

życie jest formą istnienia białka, tylko w kominie czasem coś załka.