WIRUS ŚWIADOMOŚCI

 Przez blisko dwa miliardy lat życie tkwiło na poziomie prostych komórek bakteryjnych. Zdumiewające jest, że najpierw ewoluowało tak powoli, żeby potem nagle wybuchnąć złożonością. Przeskok do bardziej złożonych form hamował jednak problem pozyskiwania energii - gdy powierzchnia komórki rosła do drugiej potęgi, jej objętość rosła już do trzeciej, a zatem do rozwoju konieczny był sposób  wytwarzania energii w jej wnętrzu, a nie tylko na powierzchni.

Energia cieplna z kominów hydrotermalnych mogła ułatwić reakcję łączenia prostych związków węgla w złożone aminokwasy, a być może nawet w pęcherzyki spełniające funkcję prostych błon komórkowych. Bardziej złożone związki organiczne mogły dotrzeć tu z kosmosu... Choć już od początku życie zaczęło się różnicować, polegając tylko na mutacjach mogłoby zatrzymać się na poziomie prymitywnych mikrobów.

Zdaniem dzisiejszych biologów prawdziwym przełomem okazała się wymiana materiału genetycznego pomiędzy gatunkami. W jakimś momencie mikroby zaczęły na siebie polować. Według teorii endosymbiozy mitochondria - czyli organelle w których syntezuje się większość komórkowego paliwa ATP - rozwinęły się z preteobakterii, które "agresywnie" przeniknęły do wnętrza innych komórek czy też przetrwały "połknięcie" (fagocytozę).

Ponieważ intruzi posiadali zdolność wytwarzania energii w reakcjach oddychania tlenowego, zapewnili swoim gospodarzom znaczną przewagę ewolucyjną w zamian za ochronę i dostawę niezbędnych składników. Przekonującym argumentem za takim obrotem spraw jest materiał genetyczny w postaci kolistego DNA, znajdujący się w macierzy mitochondrium, odmienny od tego w jądrze komórkowym.

Co więcej u roślin możemy także mówić o odmiennym DNA chloroplastowym, kodującym białka zaangażowane w proces fotosyntezy czyli wytwarzania - przy udziale światła - związków organicznych z materii nieorganicznej. Chloroplasty mają pochodzić od sinic stopniowo przekształconych w organelle wewnątrz "obcych" komórek. To właśnie w wyniku fotosyntezy rośliny produkują tlen, a więc napędzają nie tylko własną ewolucję, ale też rozwój organizmów wykorzystujących tlen do oddychania komórkowego.

Wskutek integracji organizmów jednokomórkowych wykształciły się te wielokomórkowe, które potrafią pływać, pełzać, latać, chodzić, myśleć i tworzyć. Lecz również nasze dumne człowieczeństwo zawdzięczamy nie tylko kolejnym mutacjom, ale też materiałowi genetycznemu wirusów, który stał się częścią naszego. Tak naprawdę wirusy endogenne stanowią około 8% genomu człowieka!!! 

Retrowirusy czyli wirusy RNA przeprowadzające proces odwrotnej transkrypcji - przepisując jednoniciowy RNA na dwuniciowy DNA dzięki enzymowi nazywanemu odwrotną transkryptazą - bywały czasem integrowane z genomem organizmu gospodarza, a następnie przekazywane z pokolenia na pokolenie. Taką formę zintegrowanego wirusowego DNA nazywamy prowirusem. Być może to dzięki nim w ogóle powstało DNA (z RNA).

Tak czy siak większe zróżnicowanie DNA spowodowane "przyjmowaniem" nowych elementów genetycznych było motorem ewolucji. Dajmy na to pewien retrowirus który zaraził 100 milionów lat temu pierwotne ssaki miał udział w tworzeniu się łożyska. Dzięki temu płody w macicy mogą rozwijać się dłużej i wykształcać energochłonne narządy takie jak mózg... Zresztą geny pochodzące od endogennych wirusów biorą także udział w procesie zapamiętywania informacji.

Specyficzny typ RNA - niezbędny dla procesów zapamiętywania - pakuje informację genetyczną do pseudokapsydu zbudowanego z białek retrowirusowych. Te niewielkie pakiety informacji mogą mieć kluczowe znaczenie w procesie komunikowania i  reorganizowania się nerwów, a zatem w procesie myślenia. Wirusowy gen "Arc" instruuje komórki jak budować płaszcze białkowe pozwalające przetrwać poza komórką - a dzięki nim informacja dociera do następnego neuronu. Bez poprawnego działania tego mechanizmu synapsy zamierają. 

Z PROCHU POWSTAŁEŚ

 

Nie wiadomo dokładnie w jaki sposób powstało życie. Najpopularniejsza hipoteza kluczowy czynnik widzi w kominach hydrotermalnych. Są to szczeliny w powierzchni Ziemi przez które wycieka gorąca woda bogata w składniki mineralne, znajdujące się na dnie basenów oceanicznych. Podobno kominy to jedyne znane środowisko, mogące wygenerować tak złożone związki organiczne jak żywe komórki. Płyny alkaiczne ze skorupy ziemskiej przepływające wentylem ku kwaśniejszej oceanicznej wodzie tworzą naturalne koncentracje protonów.  

Pierwotne "życie" napędzane miało być przez niebiologiczne gradienty protonowe zanim komórki nauczyły się wytwarzać własne gradienty i rozpoczęły kolonizację całego świata. Za cechę żywych komórek uważa się ich zdolność do przepompowywania jonów, lecz ich prymitywny przodek zapewne musiał biernie wykorzystywać różnicę potencjałów po obu stronach błony komórkowej, co umożliwiło mu syntezę komórkowego paliwa - ATP. 

Być może jednak życie wcale tu nie powstało tylko dotarło gdzieś z kosmosu... Pył kosmiczny zawiera złożoną materię organiczną, a więc biologicznie ważne cząsteczki mogły przylecieć tu z otchłani. Próbki asteroid zawierają wszystkie podstawowe składniki DNA i RNA - adeninę, tyminę, guaninę, cytozynę i uracyl. Ponieważ realna jest możliwość przetrwania ekstremofilnych bakterii w próżni przy skrajnie niskich temperaturach, komety i asteroidy mogły mieć znaczenie nie tylko w dostarczaniu na Ziemię materii organicznej, ale i najprostszych form życia.

Problemem w zbudowaniu wiarygodnego modelu powstania życia jest pełniona przez białka rola enzymów - trudno sobie wyobrazić jak pierwotny genom oparty na kwasach nukleinowych mógł replikować się bez katalizatorów białkowych, a zarazem niemożliwe wydaje się powstanie skutecznego enzymu bez kodującego go kwasu nukleinowego. Ten klasyczny paradoks "jajka i kury" próbuje się wyjaśnić przyznając pierwszeństwo replikacji RNA - obecnie stosowanej tylko przez najmniejsze patogeny roślin, tak zwane wiroidy. 

Co prawda te prymitywne formy mają zdolność do samoreplikacji lecz do namnażania wykorzystują systemy enzymatyczne gospodarza. Już przeszło czterdzieści lat temu stwierdzono jednak, że intron rybosomalnego RNA może funkcjonować jako enzym, a zatem replikaza RNA mogła być zdolna do katalizowania własnej replikacji bez pomocy białka. W myśl tej teorii pierwsze kwasy nukleinowe replikowały się same bez udziału białek, niejako doprowadzając do syntezy polipeptydów. 

Prowadzi to do hipotezy "świata RNA" w którym materiał genetyczny przechowywany był pod postacią RNA, a DNA w ogóle nie występował. Używanie RNA jako nośnika genów byłoby o tyle kłopotliwe, że w ewentualnym procesie kopiowania RNA pojawia się o wiele więcej błędów niż w kopiowaniu DNA - wierność w przekazywaniu informacji genetycznej jest o wiele mniejsza. Przestawienie się na stabilniejszy nośnik było prawdopodobnie najważniejszym krokiem w ewolucji życia na Ziemi.

Obecnie w komórkach spotykamy zarówno RNA kodujące (służące jako matryca syntezy białek) jak i niekodujące - a biorące udział w podstawowych procesach związanych z ekspresją genów i regulujące wszystkie etapy transmisji informacji genetycznej od DNA do białka. Replikacja polega na bardzo precyzyjnym powieleniu cząsteczki DNA - zawarta jest w nim nawet informacja o budowie RNA. Jednak żeby cokolwiek z informacji zawartych w DNA weszło w życie informacja ta musi zostać przepisana właśnie na cząsteczkę RNA w procesie nazywanym transkrypcją.

Odpowiednio zmodyfikowana cząsteczka kwasu rybonukleinowego wydostaje się z jądra do cytoplazmy i tu zaczyna się translacja, czyli kolejny etap produkcji białka, które przejść musi jeszcze przez szereg modyfikacji. Choć to DNA przechowuje wszystkie informacje konieczne do zachowania ciągłości organizmu i gatunku, do realizacji dynamicznych procesów wciąż potrzebuje dużo bardziej reaktywnego RNA od jakiego prawdopodobnie wszystko się zaczęło...   

SYMFONIA ZMYSŁÓW

 Kiedy Darwin ogłaszał swoją teorię ewolucji nie znał jeszcze mechanizmów dziedziczenia. Twierdził po prostu, że gatunki przekształcają się stopniowo na drodze przekazywania adaptacyjnych cech. Pierwszym biologiem matematycznym, który próbował rozwikłać tę zagadkę w sposób ścisły był natomiast dziewiętnastowieczny czeski zakonnik Gregor Mendel i to jego właśnie uważa się za prekursora genetyki.

Na podstawie eksperymentów i statystyki Mendel wykazał, że dziedziczenie cech u grochu zwyczajnego opiera się na pewnym zestawie praw, a nie bezładnej "mieszaninie". Z grubsza chodziło mu o to, że zawężając obserwację do pojedynczych cech uznać można kontrolę jednostkowego czynnika, który dzisiaj nazywamy genem. Odkrył też, że jedne geny dominują nad innymi - recesywnymi.

Mendel obliczył, że jedna roślina o cechach recesywnych przypada na trzy rośliny o cechach dominujących, przy czym występowanie danej cechy - recesywnej czy dominującej - nie wiąże się z recesywnością czy dominacją innych cech, a każda z nich dziedziczona jest niezależnie. Ustalenia te przeszły w zasadzie bez echa - potraktowano je jako rolniczą ciekawostkę i nawet nie próbowano ich weryfikować. 

Dopiero w następnym stuleciu amerykański uczony Thomas Morgan badając muszki owocówki docenił uniwersalność praw Mendla. Otóż krzyżując mutanta o białych oczach z "normalnymi" czerwonookimi muszkami spostrzegł, iż stosunek czerwonookich much do białookich wynosił 3:1, a zatem mnich od groszku miał rację... Oczywiście trzeba było jeszcze rozwikłać, czym są jednostki dziedziczenia i jakimi mechanizmami się posługują. 

Dzisiaj wiemy, że odpowiedzi zapisane są w naszym DNA. Kwas deoksyrybonukleinowy jest swoistym kodem czy szyfrem, a zarządzanie danymi odbywa się na poziomie chemicznym i fizycznym przez właściwości matematyczne, w czym widzieć możemy swoistą bioinformatykę. Teoretyczny pierwowzór komputera - maszyna Turinga - zmieniający rozkazy w zależności od kombinacji stanu maszyny i symbolu odczytywanego z taśmy, przypomina oprzyrządowanie którego komórki używają do kodowania, odczytywania i przechowywania informacji. 

Wyższość kodu genetycznego polega na tym, że nie potrzebuje on oprogramowania, żeby samemu przechowywać informacje i wykonywać operacje, a nawet się replikować. No cóż, biomaszyny w każdej sekundzie rozwiązują nieskończoną liczbę złożonych problemów. Niektórzy twierdzą nawet, że DNA jest czymś więcej niż tylko kodem, że jest... językiem - i nie chodzi tu o jakąś wyszukaną metaforę tylko funkcję lingwistyczną.

Biosemiotyka postrzega wiele zjawisk i funkcji w centrum życia organicznego jako mechanizmy semiotyczne - już na poziomie molekularnym życie jest procesem przetwarzania znaków, których nie można zastąpić tylko zapisem logicznym czy matematycznym, gdyż istotne jest ich znaczenie... Komórki muszą odbierać sygnały z otoczenia, żeby następnie formułować chemiczną odpowiedź. Kod genetyczny - podobnie jak każdy ludzki język - kieruje się tak zwanym prawem Zipfa.

Ten amerykański lingwista zauważył, że jeżeli uporządkować słowa danego języka według częstotliwości ich występowania w wypowiedziach, to najczęściej występujące słowo pojawia się dwukrotnie częściej niż drugie pod względem częstości występowania, trzykrotnie częściej niż trzecie, sto razy częściej niż setne i tak dalej... Paradoksalnie więc tak skomplikowane struktury jak ludzkie języki można opisać bardzo prostym prawem. Tak na marginesie geometryczna koncepcja fraktali zrodziła się właśnie z chęci udoskonalenia przez Mandelbrota prawa Zipfa...

Z czasem okazało się, że to prawo empiryczne odnosi się do wielu rodzajów danych - dystrybucja częstotliwości występowania poszczególnych wartości jest odwrotnie proporcjonalna do ich rangi statystycznej. W komórce tak jak w języku tylko niewielka grupa genów jest stale aktywna, a reszta odzywa się z rzadka, wedle wspomnianych lingwistycznych zależności.

Co jeszcze bardziej intrygujące DNA ma również zipfianskie właściwości... muzyczne. W niektórych tonacjach muzycznych pewne nuty pojawiają się częściej niż inne - zgodnie z rozkładem charakterystycznym dla omawianego prawa. Muzycy przypisując harmonijne nuty najczęściej występującym w sekwencji danego białka aminokwasom odkryli, że daje to kompozycje znacznie bardziej melodyjne niż przypadkowe nuty. Z kolei translacja nut jednego z nokturnów Chopina na DNA ukazała ich zaskakujące podobieństwo do sekwencji jednej z części genu polimerazy RNA - białka obecnego we wszystkich żywych organizmach.

GEOMETRIA ŻYCIA

 Dla wielu z nas życie jest czymś zbyt niezwykłym żeby mogło powstać przez przypadek. Tym bardziej człowiek musiał być w ich mniemaniu stworzony na podobieństwo Boga. Choć nie jesteśmy w stanie wyjaśnić wszystkich tajemnic materia posiada niezwykłe zdolności do samoorganizacji i to może być kluczem do zrozumienia jak powstały tak złożone struktury jak nasze mózgi. 

W procesie samoorganizacji molekularnej w wyniku oddziaływań międzycząsteczkowych spontanicznie może utworzyć się samoporządkujący się system, w którym energia oddziaływań cząsteczkowych jest najniższa, a to ma kluczowe znaczenie w układach biologicznych, umożliwiając choćby zwijanie białka. 

Rozmaite reakcje oscylacyjne - których nie można opisać funkcją monotonicznie rosnącą ani malejącą - stymulują choćby pracę mięśnia sercowego czy okresowe zmiany potencjału na błonie komórek nerwowych. Choć dziś człowiek sam wykorzystuje oscylatory w swoich wynalazkach ich odkrycie początkowo spotykało się z pewnym niedowierzaniem, gdyż wydawały się sprzeczne z drugą zasadą termodynamiki.

W klasycznym podejściu postulowano konieczność wzrostu lub co najmniej zachowania entropii układu termodynamicznie odizolowanego na drodze spontanicznego procesu. Ostatecznie rozumienie tej zasady poszerzono o wymóg dostatecznie dużej produkcji entropii przez układ oraz  rozpraszania energii do otoczenia, co ma równoważyć spadek entropii układu poprzez proces samoorganizacji. 

Taka ciągła wymiana energii z otoczeniem tworzy dalekie od stanu równowagi stabilne stany stacjonarne, jakich powstaniu towarzyszy wzrost uporządkowania czyli struktury dyssypatywne. Tak się składa, że można do nich zaliczyć organizmy żywe - oto otwarte systemy, które potrzebują wciąż wolnej energii ze środowiska w celu podtrzymania homeostazy. 

Istotnym składnikiem życia jest zatrzymywanie informacji, dzięki czemu systemy biologiczne mogą się replikować oraz zwiększać złożoność i organizację. Taki system zawiera informację w postaci genów, ale aby pozostać zorganizowanym uwzględniać musi też wzorce środowiskowe i historyczne, a stąd już zmierzać może do generowania świadomości.

Zagadnienie morfogenezy, czyli przekształcania jednorodnych komórek w skomplikowane struktury, badał na gruncie matematyki sam ojciec informatyki Alan Turing. Swoje kanoniczne dziś ustalenia sprowadzał do postaci prostego kodu generującego złożone zjawiska. Matematyka nie implikuje jednak determinizmu - jak pokazuje nam teoria chaosu rozwój życia (jak i wszystkiego) jest na dłuższą metę nieprzewidywalny.

To jak z prostego wzoru rozwinąć niesamowicie skomplikowaną geometrię najlepiej jednak ilustruje geometria fraktalna Benoita Mandelbrota (nota bene litewskiego Żyda urodzonego w Warszawie) - wynikająca z iteracyjności, polegającej na powtarzaniu pewnych działań matematycznych na wynikach uzyskanych w poprzednim kroku. Wskutek prostych działań matematycznych wygenerować można najbardziej złożone na świecie struktury geometryczne. 

Teoretycznie istnieją figury o skończonym polu i nieskończonej długości krawędzi, gdzie dowolnie wybrany fragment zbioru podobny jest do jego całości. W tej abstrakcyjnej matematyce szybko dopatrzono się ścisłego opisu przyrody. Dzisiaj fraktale z powodzeniem stosuje się w naukach przyrodniczych widząc w nich wzór całej rzeczywistości. Czas pokaże czy pozwolą także wyjaśnić aktywność naszego mózgu... 

W POGONI ZA ROZUMEM

 Homo naledi to kopalny gatunek człowieka odkryty stosunkowo niedawno. Na jego szczątki natrafiono dopiero w 2013 roku w trudno dostępnych jaskiniach na terenie Republiki Południowej Afryki. Zdaniem archeologów wiek skamieniałości mieści się gdzieś w przedziale 236 - 335 tysięcy lat. W tym okresie dumny homo sapiens dopiero wchodził na scenę.

Nowo odkryty gatunek był raczej karłowaty - jego przedstawiciele mierzyli do 150 cm wzrostu przy 45 kg wagi. Budowa jego kończyn wskazuje co prawda na przemieszczanie się w pozycji dwunożnej, ale też dobre przystosowanie do wspinania. Niezbyt imponujący mózg o półlitrowej pojemności wydaje się nie czynić z tej istoty tytana intelektu.

Ujarzmienie ognia, tworzenie narzędzi i sztuki, a wreszcie rytualne pochówki zmarłych, świadczą jednak o zdolnościach do abstrakcyjnej spekulacji. Mózg niewiele większy od szympansiego był już zdolny do naszych najbardziej humanistycznych praktyk. A zatem człowieczeństwo nie jest tylko wynikiem "mocy obliczeniowej"...

Zaawansowane myślenie może być ograniczone do pewnych drobnych układów neuronalnych, czyniąc aspekty strukturalne ważniejszymi od wielkości czyli liczby neuronów i połączeń między nimi. Nie stoi to w sprzeczności z twierdzeniem, że duży mózg może więcej. Po prostu nie ma takiego prostego przełożenia, zwłaszcza gdy rozmiar mózgu przekracza pewną "masę krytyczną". Dajmy na to kobiety mają mniejsze mózgi od mężczyzn... 

Widząc w niezwykłym ludzkim mózgu podstawę naszej adaptacji na ogół zakładamy jego ciągły ewolucyjny wzrost i jest to najzgrabniejszym wyjaśnieniem naszej inteligencji. Większe zdolności kognitywne miały podwyższać sprawność i przeżywalność, dlatego mózgi rosły. Dziwnym zbiegiem okoliczności wzrost ten na przestrzeni kilkuset tysięcy lat nie powodował gwałtownych zmian cywilizacyjnych, natomiast od kiedy takie się zaczęły nasze mózgi nawet zmniejszyły rozmiary...

Czy świadczy to o tym, że cywilizacja nas ogłupia? Pewna intrygująca, aczkolwiek niezbyt szeroko uznawana w kręgach akademickich teoria polskich uczonych - Tadeusza Bielickiego i Konrada Fiałkowskiego - postuluje, iż cała ludzka inteligencja to jedynie przypadek. Według nich prawdziwe przyczyny rozrostu tkanki mózgowej są zgoła inne, a u ich podłoża leżeć mają afrykańskie upały. No cóż, już Arystoteles przypuszczał, że główną funkcją mózgu jest ochładzanie krwi...

Tyle że Polacy przedstawiają tu dosyć ścisłe argumenty. Otóż u człowieka miało dojść do przekonstruowania mózgu w kierunku zwiększenia jego odporności na przegrzanie i to właśnie miało być adaptacyjne. A zdolności artystyczne, matematyczne czy logiczne pojawić się miały niejako przy okazji.

Jak zresztą wszyscy wiemy możliwości naszego umysłu są dużo większe niż wymagałoby tego samo przetrwanie naszego gatunku. Paradoksalnie mogą wręcz prowadzić do planowej bezdzietności, samobójstw i destrukcyjnych nałogów. Czy taki przerost zdolności poznawczych wytłumaczyć możemy odwołując się tylko do doboru naturalnego? 

Hominidy wykorzystały dwunożność do łowiectwa, a to w afrykańskich warunkach klimatycznych prowadzić mogło do śmierci wskutek przegrzania organizmu. Biegowa przewaga jest jedną z przyczyn sukcesu człowieka w świecie zwierząt, bo przemieszczając się na dwóch nogach zużywamy mniej energii. Aby nie paść śmiercią z przegrzania utraciliśmy futro, a zyskaliśmy miliony gruczołów potowych. Mięsnie zyskały więcej wolnokurczliwych włokien, aby kosztem siły zwiększyć wytrzymałość.

Dlatego możemy przebiegnąć truchtem 10-20 kilometrów, a szympans musi się zatrzymać już po przebiegnięciu jednego kilometra. Rozrost mózgu zapewniać miał odpowiedni bufor termiczny co powodowało dalszy nacisk selekcyjny. Konsekwencją miał być rozwój złożonego mózgu z rozbudowanym panelem sterowania umożliwiającym długodystansowy upór. Dodatkowo obniżenie krtani - ułatwiające oddychanie przez usta przy wysiłku - otworzyło możliwości językowe, dzięki którym tak wspaniale się komunikujemy.

I tak oto mieliśmy stać się sapiens. Tyle że mózg "stworzony" do biegania w końcu mógł zaznać błogiego bezruchu. Nasz podkręcony przez energochłonne myślenie metabolizm powoduje choćby odkładanie się tkanki tłuszczowej, której przy braku fizycznej aktywności nie jesteśmy w stanie spalić, więc tyjemy i chorujemy. A wszystko dlatego, że mózg koncentruje się na dostarczaniu sobie nadmiernej energii do nadmiernych rozmyślań, a nie pogoni za jakimś przygłupim bydlęciem.