docPodstawy ycia
download 
Reklamacja Transkrypt
Podstawy ycia
Tibor Gánti Podstawy życia Gánti analizuje cechy organizmu żywego grupując je w postaci kryteriów absolutnych (tj. takich, którym odpowiadać musi zawsze każdy żywy organizm) i potencjalnych (takich, które są spełnione dopiero w odpowiednich warunkach). Całość tych kryteriów pozwala zdefiniować organizm żywy. Następny krok Gántiego jest odmienny traktując organizm żywy jako automat miękki, którego funkcjonowanie oparte jest na reakcjach chemicznych, bierze on pod uwagę najprostsze typy reakcji mogące spełnić poszczególne kryteria życia. Reakcje te przebiegają zgodnie z zasadami kinetyki chemicznej. O ile jeden układ reakcji spełniać może jedno kryterium a drugi inne, o tyle sprzężenie układów powoduje powstanie systemu jakościowo nowego. Znajdując najprostsze układy reakcji i związków chemicznych spełniające poszczególne warunki życia, Gánti dochodzi do najprostszego modelu żywej komórki - chemotonu. Choć obecnie jest to układ abstrakcyjny, znacznie prostszy od najprostszych znanych organizmów - gdyby kiedyś był powstał na drodze ewolucji chemicznej, lub gdyby udało się go wytworzyć w laboratorium, uznalibyśmy go za organizm żywy. Konsekwentnie rozwijając koncepcję chemotonu, Gánti chce z niej uczynić podstawę przyszłej biologii teoretycznej. CZĘŚĆ PIERWSZA Na podstawie zespołu zjawisk życiowych przyjętych w biologii klasycznej nie sposób oddzielić życia od śmierci, istoty żywej od martwej. Nieprzydatne stają się takie kryteria jak: ruch - samodzielna zmiana miejsca lub pozycji; wzrost - zdolność do zwiększania wymiarów przez gromadzenie masy ciała; rozmnażanie - wytwarzanie przez organizm nowego, podobnego do siebie organizmu lub zdolnego do rozwoju zarodka. Zdolność do rozmnażania jest jedną z najważniejszych właściwości organizmów żywych, ale nie stanowi istoty życia. Nie stanowi też kryterium życia; pobudliwość - u zwierząt są to reakcje układu nerwowego, u roślin tropizmy jako reakcje a bodziec; przemiana materii - procesy chemiczne katalizowane przez enzymy. Definicje klasycznej biologii nie pozwalają na jednoznaczne i pełne odróżnienie istot żywych od istot martwych oraz materii nieożywionej. Także całość komórki (zarówno w sensie ilościowym jak i jakościowym) nie stanowi kryterium życia. Należy zrezygnować z poszukiwania życia w jakiejś specjalnej postaci materii czy związku chemicznym o szczególnych właściwościach. Nie należy także łączyć życia z jakąś szczegółowo określoną statyczną strukturą morfologiczną. Nie jest to możliwe choćby dlatego, że procesy życiowe wykazują ciągły ruch i zmianę. Należy spróbować ujęcia dynamicznego. Życie to proces zachodzący w organizmach żywych. Każdy z klasycznych przejawów życia - ruch, przemiana materii itp. - oznacza pewien ciąg zmian. Życie występuje tylko tam, gdzie zachodzą zmiany odpowiadające temu specyficznemu procesowi. Między materią żywą a nieożywioną, organizmem żywym a martwym istnieje stan pośredni - stan zdolności do życia. Brak działania, zatrzymanie pro- 2 Tibor Gánti, Podstawy życia cesów życiowych oznacza zanik życia, ale nie oznacza śmierci. Śmierć, to zanik zdolności do życia. Bezsprzecznie jedną z najbardziej widocznych właściwości istot żywych jest duża stabilność ich środowiska wewnętrznego. Układ materialny nazwiemy więc żywym, jeśli znajduje się w stanie homeostazy (stan równowagi organizmu) i zachodzą w nim procesy życiowe, nie będącym w stanie życia lecz zdolnym do niego, jeśli nie przebiegają w nim procesy życiowe ale zachowana jest homeostaza, a martwym, jeśli nie jest w stanie homeostazy. Wg Gántiego do tej pory nie udawało się odkryć tajemnicy życia, bo brakowało do tego podstawowych danych. Dziś możliwa już jest próba syntezy wiadomości szczegółowych, z których wyłonią się podstawowe prawa rządzące całością. Postęp jednak hamowany jest przez dawny sposób myślenia. Gdybyśmy nie ulegali wpływom teorii o sile witalnej, to na podstawie praw chemii i termodynamiki doszlibyśmy do wniosku, że u podstaw wszystkich przemian materii w świecie organicznym leżą identyczne procesy (poczynając od bakterii, a kończąc na świerku, czy trąbie słonia). Jeśli te procesy zachodzą w organizmach żywych katalitycznie, to w myśl praw termodynamiki muszą zachodzić także w przyrodzie nieożywionej, bez udziału katalizatorów. Musimy więc jako naturalne przyjąć, że każda reakcja zachodząca powszechnie w żywych organizmach, zachodzi także poza organizmem, tylko znacznie wolniej. CZĘŚĆ DRUGA U podstaw biologii teoretycznej muszą leżeć abstrakcyjne modele najprostszych systemów świata ożywionego, z których można byłoby matematycznie wyprowadzić modele bardziej złożonych zjawisk biologicznych. Biologia teoretyczny wymaga stworzenia modelu zdolnego zarówno do jakościowego, jak i ilościowego opisu zjawisk. Wydaje się, że rolę tę będzie mogła spełnić teoria chemotonu. Teoria ta próbuje ujęcia teoretycznego przede wszystkim na poziomie prokariontów (organizmy jednokomórkowe bez wyodrębnionego strukturalnie jądra). Nie nadaje się jednak do opisu zjawisk biologicznych podlegającym prawom statystyki (np. badania populacji genetycznej). 1. Jednostki życia Podstawę każdej nauki ścisłej stanowią jej jednostki elementarne wykazujące specyficzne cechy badane przez daną naukę (w chemii taką elementarną jednostką teoretyczną jest cząsteczka). Życie ma swoje jednostki na trzech różnych poziomach organizacji: na poziomie części składowych komórki, na poziomie komórki, na poziomie organizmu wielokomórkowego. Każdy z tych trzech poziomów żyje własnym, oddzielnym życiem i wyeliminowanie jednego z nich nie przerywa bezpośrednio życia jednostek dwóch pozostałych. Ostatecznych, teoretycznie podstawowych jednostek biologii (jak punkt materialny mechaniki, ładunek elementarny elektrostatyki i cząsteczka chemii) należy szukać gdzieś na poziomie organizacji prokariontów. Kiedy szukamy podstawowych jednostek składowych biologii, nie jest istotne jak wydajne układy realizują regulację. Podstawowych jednostek należy szukać nie w mechanizmach regulacji enzymatycznej, ale w samych systemach regulowanych. Tibor Gánti, Podstawy życia 3 2. Zbiory i systemy zbiór zespół elementów nieuporządkowany uporządkowany = = SYSTEM dynamiczny geometryczny miękki sztywny Rys. 1. Typy zbiorów. Zbiór - zespół elementów (bez względu na to czy jest uporządkowany, czy nie). Zbiory dzieli się na nieuporządkowane i uporządkowane czyli systemy. Systemy dzielą się na uporządkowane pod względem przestrzennym (regularne rozmieszczenie elementów) - systemy geometryczne i pod względem wewnętrznym decydującym o nowych właściwościach funkcjonalnych przejawiających się w działaniu - systemy dynamiczne. Te z kolei dzielą się na sztywne - uporządkowane działanie zapewnione jest przez strukturę geometryczną (ale nie symetrię!) substancji stałych, i miękkie - nie związane taką strukturą (istoty żywe, społeczności np. mrówek). Problem życia jest problemem organizacji - to właśnie wewnętrzna organizacja, miękkie uporządkowanie komórek czyni mrówkę mrówką, żyjącym, dynamicznym systemem. Jeśli więc szukamy tajemnicy życia, jego podstawowych praw, musimy wykryć prawa rządzące tą właśnie miękką organizacją. Systemy żywe są zasadniczo niepodzielne (podzielne zazwyczaj składają się z wielu niepodzielnych). Podstawowych praw życia należy szukać w regułach organizacji najprostszych biologicznych systemów niepodzielnych na poziomie najprostszych komórek nie mających jądra, mitochondriów, chloroplastów i rzęsek - na poziomie komórek prokariotycznych. Systemy takie nie mają żadnych zbędnych elementów, składają się z minimalnej liczby podsystemów - są to systemy minimalne (nie można z nich usunąć żadnej części bez zmiany cech jakościowych). Pojawienie się nawej cechy jakościowej związane jest z systemami minimalnymi, naukową zaś analizę nowych właściwości umożliwiają właśnie modele tych systemów oraz dokładny opis ich wzajemnych powiązań ilościowych. Na obecnym etapie rozwoju nie ma w świecie żywym takich systemów. Szukajac podstawy zycia musimy badac najprostszy organizm zywy, system minimalny, który wykazuje juz wszystkie cechy charakterystyczne dla zycia jako takiego, ale z którego niczego juz nie mozna odjac bez utraty tych wlasciwosci. Taki system minimalny bedzie ostateczna elementarna jednostka zycia, najbardziej podstawowym pojeciem scislej biologii teoretycznej. Te podstawowe jednostki elementarne - systemy minimalne - nazwiemy CHEMOTONAMI. 4 Tibor Gánti, Podstawy życia 3. Działanie i stabilność Działanie - zmiana zachodząca w sposób ciągły; system materialny zdolny jest wywoływać zmiany sam się właściwie nie zmieniając. Podstawową postacią pracy organizmów żywych jest praca chemiczna. Systemy żywe są działającymi systemami dynamicznymi, życie zaś oznacza ciągłe zorganizowane działanie systemu, które może być podtrzymywane tylko kosztem ciągłego wykonywania pracy. Organizmy żywe nie pozostają więc w równowadze, ich cechą charakterystyczną jest właśnie to, że mogą się w sposób ciągły utrzymywać w stanie dalekim od równowagi, oczywiście za cenę nieprzerwanego wykonywania pracy. Równocześnie jednak są stabilne, gdyż mimo ciągłych zmian potrafią utrzymać się w tym stanie. Podstawę procesów życiowych - a zarazem stabilności systemów żywych - stanowią cykliczne procesy chemiczne zachodzące w organizmach żywych lub też ich wyższe formy: zamknięte sieci reakcji. Chemiczne procesy cykliczne tworzą „silnik chemiczny” zdolny do przekształcania w sposób ciągły energii chemicznej w kierowaną pracę, czyli zdolny do działania. Zarazem właśnie cykliczność tych zamkniętych procesów zapewnia ich niezmienność, stabilność (system mimo działania strukturalnie się nie zmienia). 4. Kryteria życia Systemy żywe różnią się od pozostałych jakościowo, mają takie cechy czy kombinacje cech, które można spotkać tylko w świecie ożywionym. Te wspólne cechy to kryteria życia. Prawidłowy dobór kryteriów życia i ich aksjomatyczne sformułowanie stanowią kamień węgielny biologii teoretycznej. Życie - to działanie specyficznie zorganizowanych systemów materialnych. Jest więc ono właściwością specyficznej organizacji systemów żywych. System jest wtedy i tylko wtedy żywy, jeśli zachodzą w nim specyficznie złożone procesy. Wynika stąd, że system w stanie działania jest żywy, natomiast w stanie zdolnym do działania a nie działającym nie jest żywy, tylko zdolny do życia. Śmierć - to zmiana nieodwracalna, powodująca całkowitą utratę przez system zdolności do działania. Wśród przejawów życia są takie, których obecność jest nieodłącznym kryterium stanu ożywionego - te nazwiemy rzeczywistymi (absolutnymi) kryteriami życia, oraz takie, których obecność nie jest konieczna w przypadku poszczególnych osobników ale niezbędna do przetrwania całego świata ożywionego - te nazwiemy potencjalnymi kryteriami życia. 4.1. Rzeczywiste (absolutne) kryteria życia 1° System żywy musi być inherentną (nierozłączną) całością. System wtedy uważamy za całość, jeśli jego właściwości nie można uzyskać za pomocą dodawania do siebie cech cząstkowych, całości zaś nie można podzielić w taki sposób, by każda z części miała charakterystyczne cechy całości. 2° W systemie ożywionym musi zachodzić przemiana materii. Przez przemianę materii rozumiemy dostawanie się materii i energii do systemu z jego otoczenia i przekształcanie ich na drodze chemicznej we własne wewnętrzne materiały budulcowe, łącznie z produkcją materiałów ubocznych, przy czym reakcje chemiczne powodują sterowany, regulowany przyrost materiałów budulcowych systemu oraz wy- Tibor Gánti, Podstawy życia 5 twarzanie energii, a na końcu procesu materiały odpadowe w sposób bierny lub czynny opuszczają system. 3° System żywy musi być inherentnie stabilny. Jest to taka specyficzna cecha organizacji wewnętrznych procesów systemu, która umożliwia stałość systemu mimo jego ciągłego działania oraz zmian otoczenia. Znaczy to, iż mimo reagowania dynamicznymi zmianami wewnętrznymi na zmiany parametrów zewnętrznych system żywy pozostaje niezmienny jako całość. Mimo zachodzących w nim ciągłych przemian chemicznych sam system nie rozpada się, a nawet wzrasta. Taka inherentna stabilność jest czymś więcej od homeostazy, homeostaza właśnie z niej wynika. System żywy inherentnie stabilny w stanie zdolnym do życia, ale nie żywym, nie wykazuje homeostazy, natomiast w odpowiednich warunkach może zacząć żyć i wtedy wykazuje zarazem właściwości homeostatyczne. Inherentna stabilność jako kryterium życia zawiera więc w sobie kryterium homeostazy, a także najogólniej ujmowane kryterium wrażliwości na bodźce. 4° System żywy musi dysponować podsystemem, który przechowuje informacje użyteczne dla całego systemu. Istnienie podsystemów przenoszących informację jest właściwością wszystkich bez wyjątku systemów żywych i koniecznym warunkiem rozwinięcia się świat ożywionego. Cechą charakterystyczną istot żywych jest nie tylko przechowywanie informacji, ale także zdolność do wykonywania na niej działań (np. kopiowanie przy rozmnażaniu). 5° Procesy zachodzące w systemach żywych muszą być regulowane i sterowane. Regulacja zachodzi w nich przede wszystkim dzięki mechanizmom chemicznym. Jest ona jednak zdolna jedynie do zapewnienia istnienia i działania systemu. Natomiast do przeprowadzenia procesów jednokierunkowych, nieodwracalnych (np. wzrost, rozmnażanie, zróżnicowanie, rozwój jednostki i gatunku) nie wystarczy sama regulacja - potrzebne jest jeszcze sterowanie, które zachodzi również za pomocą mechanizmów molekularnych. 4.2. Potencjalne kryteria życia 1° System żywy musi być zdolny do wzrostu i rozmnażania się. Zdolności te nie stanowią kryterium życia jednostki, ale decydują o istnieniu świata ożywionego. 2° System żywy musi dysponować zdolnościami do dziedzicznych zmian, a także do ewolucji, a więc przybierania przez kolejne pokolenia coraz bardziej złożonych i coraz bardziej wyspecjalizowanych form. Dziedziczenie to zdolność systemów żywych do wytworzenia osobników takich samych jak one lub podobnych, albo też zaczątków zapewniających powstanie takich osobników. 3° Systemy żywe muszą być śmiertelne. Za żywy musimy uznać każdy system, który spełnia rzeczywiste (absolutne) kryteria życia, niezależnie od konkretnej budowy systemu czy też jego składu chemicznego. Podsumowując, zestaw kryteriów życia jest następujący: 6 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Tibor Gánti, Podstawy życia Rzeczywiste (absolutne) kryteria życia: Inherentna niepodzielność. Przemiana materii. Inherentna stabilność. Podsystem niosący informację. Sterowanie. Potencjalne kryteria życia: Wzrost i rozmnażanie się. Zdolność do dziedzicznych zmian i ewolucji. Śmiertelność. 5. Podsystemy żywej komórki Należy ustalić abstrakcyjną jednostkę elementarną biologii; jednostkę, która możliwie najwyraźniej ukaże najważniejszą cechę jakościową biologii: ŻYCIE. Szukać jednostki życia należy na najniższym poziomie, na którym się życie pojawia, a więc na poziomie komórek prokariotycznych. Systemy żywe są zasadniczo systemami miękkimi, tzn. takimi, w których procesy zachodzą wskutek reakcji chemicznych przebiegających w roztworach, w określonych miejscach, w sposób zorganizowany i regulowany. Istoty życia należy szukać w prawach organizacji i działania miękkich systemów niepodzielnych. Zadanie polega na stworzeniu abstrakcyjnego, dającego się matematycznie opisać z absolutną dokładnością minimalnego systemu miękkiego wykazującego cechy życia. W systemach żywych ciągłe wykonywanie pracy dzieje się kosztem energii uzyskiwanej z pożywienia (chemicznej) i praca te wykonywana jest zasadniczo w formie chemicznej. Trzeba więc stworzyć abstrakcyjny model miękkiego systemu minimalnego zdolnego do nieprzerwanego wykonywania pracy chemicznej. Musimy znaleźć podsystemy najprostszych systemów żywych, następnie skonstruować abstrakcyjne modele systemów miękkich - i to minimalnych - wykazujących cechy jakościowe tych podsystemów, i wreszcie połączyć podsystemy w jeden funkcjonalnie jednolity system. JEST TO IDEA KONSTRUKCJI CHEMOTONU JAKO ABSTRAKCYJNEGO MODELU NAJPROSTSZEGO SYSTEMU ŻYWEGO. W każdej komórce można wyróżnić trzy podstawowe podsystemy: cytoplazmę, błonę komórkową i materiał genetyczny. Spośród tych trzech podsystemów najbardziej złożona jest funkcja cytoplazmy (jest to silnik chemiczny). W niej znajduje się układ przekształcający energię chemiczną pożywienia w efektywną pracę. Jest ona również podsystemem homeostatycznym kompensującym wpływy środowiska przez dynamiczne odpowiedzi, a więc od niej zależy dynamiczna i strukturalna stabilność komórki, a także reagowanie na bodźce. Jest nośnikiem właściwości regulacyjnych żywej komórki, a także dostarcza potrzebnego materiału do wzrostu i reprodukcji samej siebie oraz dwóch pozostałych podsystemów - jest więc miękkim systemem samoreprodukującym się. Naczelnym zadaniem błony komórkowej jest utrzymywanie cytoplazmy w całości. Dokonuje się to przez ograniczenie przestrzenne komórki tak, by jej rozmiary były mniejsze niż maksymalny zasięg oddziaływań wewnątrzkomórkowych. Drugim zadaniem jest umożliwienie kontaktu ze środowiskiem zewnętrznym tak, by zaistniały odpowiednie warunki do działania cytoplazmy. Tibor Gánti, Podstawy życia 7 Podstawowym zadaniem trzeciego podsystemu, materiału genetycznego jest: 1° przechowywanie informacji dotyczącej cech dziedzicznych komórki, 2° wykonywanie ich kopii podczas podziału komórkowego. Zadaniem materiału genetycznego jest więc sterowanie procesami życiowymi komórki. Aby znaleźć abstrakcyjny system minimalny komórki (chemoton), należy stworzyć odpowiednie modele tych trzech podsystemów. samoreprodukcyjny silnik chemiczny chemiczny system informacyjny chemiczny system powierzchni granicznej CHEMOTON Rys. 2. Model chemotonu. 6. Silnik chemiczny Do ciągłego wykonywania pracy potrzebny jest taki system wykonawczy, który zmieniając swój stan w trakcie pracy powraca zawsze do stanu wyjściowego, a więc pracuje cyklicznie. Stan inherentnej stabilności dynamicznej w systemach chemicznych można wytworzyć poprzez zamknięcie wymuszonego toru reakcji chemicznych i doprowadzenie tym samym do stanu wyjściowego - czyli uruchomienie procesu cyklicznego. Proces w cyklu zamkniętym zachodzi kosztem energii chemicznej zewnętrznego składnika reakcji, a energia chemiczna zawarta w produktach ubocznych powstających w cyklu jest mniejsza od energii wykorzystanych składników pierwotnych. Cały ten silnik chemiczny może działać dopóty, dopóki dostępny jest zewnętrzny składnik reakcji, związek o większej zawartości zmagazynowanej w nim energii. Silnik chemiczny potrzebny jest do wykonywania pracy chemicznej, użytecznej i kontrolowanej. Chemiczny proces cykliczny stanowi podstawę życia, zaś jego praca polega na wykorzystaniu spadku energii chemicznej. Wprawdzie warunkiem wstępnym działania silnika chemicznego jest to, by suma energii pożywienia była większa od sumy energii produktów, ale warunek ten nie zakazuje jednak, aby zawartość energetyczna niektórych produktów nie mogła być wyższa nawet od energii każdego składnika pożywienia z osobna, jeśli jest to wyrównane niższą wartością energetyczną pozostałych produktów. 7. Systemy rosnące Cytoplazma jest systemem rosnącym, zaś silnik chemiczny - nie. Katalizatory działają w cyklu zamkniętym, a więc katalizator to nie pierwiastek czy związek, lecz układ procesów kołowych, w których dowolny element działa w ten sam sposób. Autokataliza jest więc systemem reakcji chemicznych, tworzących cykl zamknięty. Procesy autokatalityczne nazywać będziemy cyklicznymi procesami samoreprodukcyjnymi. Działanie takiego procesu jest niezależne od tego, który ze składników bierze w nim udział i w jakich ilościach. Działanie samoreprodukcyjnych procesów cyklicznych można zapisać w postaci: 8 Tibor Gánti, Podstawy życia A+X A 1 2A+Y Rys. 3. Działanie samoreprodukcyjnych procesów cyklicznych. Oznacza to, że cykliczny system samoreprodukcyjny (A) w obecności wszystkich surowców początkowych (X) w trakcie jednego cyklu, wytwarzając produkty uboczne (Y) podwaja je, reprodukuje sam siebie. Samoreprodukcyjne (autokatalityczne) systemy procesów cyklicznych stanowią podstawę rozwoju świata żywego. Silnik chemiczny reaguje na zmiany zewnętrzne. Zmiana każdego z parametrów termodynamicznych otoczenia wpływa na prędkość poszczególnych reakcji chemicznych, toteż prędkość działania całego systemu zmienia się w funkcji zmian tych parametrów. Między funkcjami i właściwościami cytoplazmy oraz samoreprodukcyjnych procesów cyklicznych obserwujemy tyle zbieżności, że procesy samoreprodukcyjne możemy uznać za podsystem naszego abstrakcyjnego systemu minimalnego, który chcemy traktować jako elementarną jednostkę życia. 8. Systemy chemiczne rozmnażające się przez podział Szukać będziemy podsystemu, który może pełnić funkcje błony komórkowej. Systemy żywe są zawsze otoczone błonami o charakterze podwójnej warstwy cząsteczkowej. Tworzymy system dzielący się w przestrzeni: połączmy cykliczny proces autokatalityczny z procesem tworzenia błony. Niech cząsteczki tworzące błonę będą produktami cyklu autokatalitycznego. Błona będzie rosnąć tylko wtedy, gdy będzie działać system autokatalityczny. Po połączeniu dwóch systemów pracują one jako jeden supersystem i kiedy podwaja się podsystem jednego z nich, podwojeniu ulega i podsystem drugiego. System ten odgranicza się od świata zewnętrznego, jego skład wewnętrzny różni się od składu otoczenia. W sposób ciągły zużywa dające się wykorzystać substancje ze świata zewnętrznego, przekształca je na drodze kontrolowanych przemian chemicznych we własny materiał budulcowy, rosnąc dzięki temu i dzieląc się w wyniku tego wzrostu na jednakowe kulki wielkości kulki pierwotnej, przy czym proces ten może powtarzać się w nieskończoność. Systemowi temu brakuje podsystemu przechowywania informacji. 9. Chemoton Systemy przechowujące informacje mają wspólną cechę: przechowywanie to odbywa się za pośrednictwem znaków. Znakiem może być cokolwiek, czym dysponujemy w dostatecznej ilości i co można utrwalić w przestrzeni i czasie w taki sposób, iż będzie się odróżniać od otoczenia - a więc nadawać do rozpoznania i odczytania przez odpowiedni system. Informacja bowiem jest nią naprawdę dopiero wtedy, gdy istnieje system, który może ją odczytać i spożytkować. Jeśli chcemy na dłuższy czas zapisać chemicznie informację bardziej złożoną, musimy utrwalić położenie przestrzenne służących za znaki cząsteczek w taki sposób, by zapisaną informację udostępnić miękkim (chemicznym) systemom odczytującym. Do utrwalenia znaków nadaje się polimeryzacja jako chemiczne związanie ze sobą cząsteczek - znaków informacyjnych. Polimery mogą mieć postać sieci przestrzennej lub łańcucha. Sieć przestrzenna nie nadaje się do przechowywania informacji che- 9 Tibor Gánti, Podstawy życia micznej, natomiast polimery łańcuchowe nadają się do tego celu wprost idealnie. W tzw. polimeryzacji matrycowej produkowane są łańcuchy o ściśle określonej liczbie cząsteczek-znaków. Każdy nowy łańcuch staje się kopiowaną matrycą, dzięki czemu liczba makrocząsteczek niosących informację rośnie wykładniczo. Można więc powiedzieć, że mechanizm matrycowy informację przechowuje, powiela ją i umożliwia jej odczyt. Wydaje się zatem, że system polimeryzacji matrycowej rzeczywiście nadaje się na trzeci podsystem w minimalnym systemie ożywionym. A 2 [nA + pVn + Tn] + nY [nA + pVn + Tn] + nX 1 surowiec początkowy reprodukuje sam siebie metabolit Rys. 4. Równanie chemotonu. gdzie człon [nA + pVn + Tn] jest chemotonem składającym się z błony kulistej zbudowanej z n cząstek T, minimalnego systemu odpowiadającego cytoplazmie, cyklu samoreprodukcyjnego nA oraz przenoszącego informację polimeru pVn odpowiadającemu materiałowi genetycznemu. Z chemicznego punktu widzenia chemoton jest supersystemem składającym się z trzech różnych systemów chemicznych. Z punktu widzenia biologii jest to system minimalny, będący teoretycznie najprostszym systemem, który wykazuje już wszystkie przejawy życia i który można uznać za elementarną jednostkę życia. 10. Dowód, że chemoton jest systemem żywym Aby był on systemem żywym musi spełniać kryteria życia (absolutne): 1° Przy wprowadzaniu chemotonu przestrzegaliśmy zasady łączenia poszczególnych części, co powodowało pojawienie się nowych cech jakościowych. Nie można podzielić chemotonu tak, by każda z powstałych części wykazywała cechy charakterystyczne dla całości - chemoton spełnia więc pierwsze absolutne kryterium życia. 2° Z otoczenia trafia do systemu pożywienie X i na drodze reakcji chemicznych przetwarzane jest w cząsteczki A, T, V. T i V tworzą budulec błony oraz materiał genetyczny. Powstający odpad Y wydalany jest z systemu. W dodatku energia wyzwalana w chemicznych przekształceniach pożywienia X napędza silnik chemiczny, zapewniając działanie systemu. 3° Stabilność zapewnia chemotonowi organizacja silnika chemicznego, czyli cykliczność procesów. Prócz inherentnej stabilności wykazuje on dużą zdolność adaptacji do zmian warunków zewnętrznych oraz do odpowiedniego kompensowania ich wpływu. 4° Chemoton posiada podsystem przenoszenia informacji, przy czym informacja ta dotyczy całego chemotonu. 5° Poszczególne produkty w chemotonie tworzone są w sposób kontrolowany, według określonych zależności i reguł, zaś z punktu widzenia całego systemu znaczenie sterujące ma zarówno łona, jak i łańcuch pVn. System, który spełnia pięć kryteriów absolutnych jest systemem żywym, więc i chemoton należy uważać za system żywy, bez względu na to, czy spełnia kryteria potencjalne. 6° Chemoton spełnia także pierwsze kryterium potencjalne - wzrost i rozmnażanie. 10 Tibor Gánti, Podstawy życia 7° Cechy dziedziczne chemotonu określane są długością makrocząsteczki pVn. Podczas polimeryzacji mogą się zdarzyć błędy kopiowania i takie zmienione makrocząsteczki służą za matryce. 8° Niemiecki noblista Manfred Eigen przeprowadził dowód teoretyczny na to, że samoreprodukujące się systemy zawierające informacje przenoszone przez makrocząsteczki są zdolne do ewolucji. Chemoton jest takim systemem, a jego zdolność do ewolucji potwierdziły także badania symulacyjne. 9° Śmiertelność - chodzi tu o możliwość występowania takich warunków naturalnych, w których struktura komórki zostaje zniszczona i komórka obumiera. Chemotony cechuje właśnie taka śmiertelność, gdyż błona komórkowa jest ich najczulszym ogniwem i jej zniszczenie oznacza zniszczenie chemotonu. Wniosek: chemoton jest rzeczywiście abstrakcyjnym systemem minimalnym, który wykazuje wszystkie podstawowe, ogólne, charakterystyczne cechy jakościowe systemów żywych, a więc musimy go uznać za żywy. 11. Komputerowa symulacja działania chemotonu Spośród wszystkich reakcji podstawowych chemotonu procesy samoreprodukcyjne opisywane są równaniami nieliniowymi drugiego rzędu. Przez to cały układ równań chemotonu staje się nierozwiązywalny i nie daje bezpośredniego wyjaśnienia działania systemu. System ten jest tak skomplikowany, że jego rzeczywisty stan jest funkcją warunków i można go określić tylko metodą symulacji komputerowej. Symulacja komputerowa nie tylko dowiodła poprawności wniosków wyciąganych na podstawie równań stechiometrycznych, dowiodła nie tylko tego, że chemotony są systemami indywidualnymi, działającymi, prowadzącymi przemianę materii, inherentnie stabilnymi, homeostatycznymi, reagującymi na bodźce, regulowanymi i sterowanymi, dysponującymi informacją dziedziczną, rosnącymi, rozmnażającymi się, zdolnymi do dziedziczenia zmian - ale także tego, iż wykazują predyspozycje do rozwoju systemów coraz bardziej złożonych, są więc zdolne do ewolucji. Mogą zatem stanowić nie tylko podstawowe jednostki istniejących systemów żywych, ale i teoretyczne podstawy rozwoju całego świata ożywionego. 12. Co wynika z teorii chemotonu: podstawowe prawa automatów miękkich Mimo zasadniczych różnic jakościowych między maszynami a zwierzętami, podobieństwa oparte są na wspólnej podstawie: w tle podobnych zjawisk występujących w maszynach i u istot żywych odnajdujemy te same prawidłowości - podstawowe prawa cybernetyki i teorii automatów (np. sprzężenie zwrotne). Chemoton można więc nazwać (na podstawie badań symulacyjnych) chemicznym automatem zdolnym do wytworzenia automatów samoreprodukcyjnych bardziej złożonych, doskonalszych od siebie. 13. Co wynika z teorii chemotonu: wyprowadzenie podstawowych praw genetyki Do samej autoreprodukcji nie jest potrzebny opis technologiczny ani materiał genetyczny. Samoreprodukcja - a z nią dosłownie rozumiana dziedziczność - może się urzeczywistniać także i bez systemu przekazywania informacji. Dowolną cząsteczkę Tibor Gánti, Podstawy życia 11 procesu autokatalicznego można traktować jako samoreprodukujący się automat molekularny, który przechodząc przez ciąg stanów chemicznych składających się na proces cykliczny powiela sam siebie bez jakiegokolwiek opisu technologicznego czy też zapisu genetycznego na temat właściwości nowej cząsteczki. Z teorii chemotonu wynika, że w dzisiejszym świecie ożywionym cechy dziedziczne nie są związane w sposób nieodłączny z materiałem genetycznym, co więcej każda istota żywa wykazuje kilka takich podstawowych cech dziedzicznych, które nie są związane ani z kwasami nukleinowymi, ani z makrocząsteczkami, ale ze związkami o małych masach cząsteczkowych. Zachodzenie zmian o charakterze mutacyjnym jest ogólną cechą systemów wyposażonych w chemiczne podsystemy informacyjne. Enzymatyczny mechanizm przemian jest zaś tylko szczególnym przypadkiem tej cechy. O ile w mutacjach dzisiejszego świata ożywionego zmiana zawartości informacyjnej wyraża się w sposób pośredni - przez syntezę enzymów, o tyle na podstawie teorii chemotonu możemy się przekonać, iż teoretycznie istnieje bezpośrednia droga chemiczna. Teoria chemotonu, badając prawidłowości dziedziczenia na szerszej, teoretycznej płaszczyźnie, potrafi wykryć mechanizmy, które nie mieszczą się w polu widzenia genetyki i biologii molekularnej badających dzisiejszy świat ożywiony. Spośród wielu możliwych struktur najstabilniejsza jest struktura podwójnej nici. Materiał genetyczny musi mieć strukturę molekularną typu podwójnej nici. Niezależnie więc od rzeczywistej struktury monomerów (V) dochodzimy do wniosku, iż jeśli przyjmiemy je za podstawę prawidłowości budowy zdolnych do ewolucji i mutacji, działających nieenzymatycznie systemów miękkich, to możemy wykazać, że materiał genetyczny musi mieć strukturę podwójnej helisy z układem par komplementarnych składających się co najmniej z czterech elementów podstawowych. 14. Co wynika z teorii chemotonu: wyjaśnienie powstania życia Jeśli teoria chemotonu daje rzeczywiście poprawną odpowiedź co do istoty życia, to trzeba zbadać czy nie można na jej gruncie wyprowadzić przebiegu samorzutnego powstawania systemów żywych z nieożywionych. W tych miejscach wszechświata, gdzie występuje woda w postaci ciekłej - a więc i na prebiotycznej Ziemi - gromadzi się na drodze ewolucji chemicznej duża ilość bardzo różnorodnych substancji o znaczeniu biologicznym - związków organicznych o małych masach cząsteczkowych, makrocząsteczek oraz mikrostruktur. Ta mieszanina rozmaitych związków nie jest jeszcze żywym systemem: między pierwotną pożywką, stanowiącą budulec dla systemów żywych, a najprostszymi żywymi komórkami występuje jeszcze ogromna luka jakościowa. Proces stanowiący przejście od ewolucji chemicznej do biologicznej nazywamy ewolucją prebiologiczną. Właśnie ewolucja prebiologiczna jest procesem powstawania życia. Teoria chemotonu dowodzi, że podstawowe cechy życia i systemów ożywionych nie są uzależnione od obecności enzymów i regulacji enzymatycznej. teoria ta podaje prawidłowości organizacji i działania miękkich systemów chemicznych, które działają w sposób regulowany i sterowany, dysponują informacją genetyczną i zdolnością do ewolucji, nie wymagając w tym celu obecności enzymów. Teoria chemotonu dowodzi, że teoretycznie możliwe jest powstanie i działanie takich systemów żywych, w których sekwencja aminokwasów w białkach nie odgrywa żadnej roli. Oczywiście teoretyczna możliwość nie oznacza, że systemy takie istnieją w rzeczywistości. W przyrodzie wła- 12 Tibor Gánti, Podstawy życia ściwie wszystkie reakcje biochemiczne przebiegają przy udziale katalizy enzymatycznej. Musimy przyjąć, że samoistne powstanie i działanie jednego z podsystemów chemotonu - cyklicznego procesu autokatalitycznego - było naprawdę możliwe, a nawet konieczne w okresie przed powstaniem życia w wodach ziemskiego Praoceanu. Dowiedziono doświadczalnie możliwości abiogennego powstania błony o charakterze cieczy dwuwymiarowej. Wreszcie, również eksperymentalnie, potwierdzono istnienie efektu powielania na matrycy w abiogennej syntezie kwasów nukleinowych przy braku enzymów. Tak więc doświadczenia dowodzą abiogennego powstania trzech podsystemów chemotonu (sieci reakcji autokatalitycznych, błon dwuwymiarowych i chemicznych nośników informacji). 15. Co wynika z teorii chemotonu: strategia syntezy systemów żywych Teoria chemotonu stwarza teoretyczne zaplecze syntezy systemów żywych, a na jej podstawie można wypracować realną strategię nie tylko ich zbudowania, ale także sprawdzenia, czy otrzymane systemy są rzeczywiście żywe. Sidney Fox który jako pierwszy uzyskał czynne protenoidy, otrzymał charakterystyczne kuleczki - mikrosfery. Wykazują wiele ciekawych właściwości: otacza je błona o charakterze cieczy dwuwymiarowej, istnieje optymalna wielkość do której dąży każda kulka, przez zmianę warunków można je zmusić do podziału, ich błony cechuje wybiórcza przepuszczalność itp. Mikrosfery Foxa odpowiadają strukturalnie i funkcjonalnie jednemu z podsystemów chemotonu - podsystemowi błony - i dlatego można je uważać za doświadczalny dowód możliwości sztucznego wytworzenia oraz samorzutnego powstania tego podsystemu w Praoceanie. Eksperymenty potwierdziły więc, że trzy omawiane podsystemy mogły powstać samoistnie, ale nie dostarczyły dowodów na możliwość powstania podsystemów odpowiadających sobie nawzajem i dających się połączyć. Trzy podsystemy można ze sobą połączyć tylko wtedy, gdy cykl samoreprodukcyjny wytwarza surowce dla dwóch pozostałych podsystemów. Okazało się, że można znaleźć trzy takie podsystemy, które teoretycznie dadzą się powiązać w jeden system: fosfocukrowa autokataliza, nukleinowa polimeryzacja i fosfolipidowa błona. 16. Co wynika z teorii chemotonu: możliwość stworzenia ścisłej biologii teoretycznej Chemoton wraz z regulacją enzymatyczną jest już w pełni równoznaczny z modelem komórki. Chemoton mutacyjny dysponuje nie wykorzystaną możliwością: nieskończoną pojemnością informacyjną, wynikającą z zapisu informacji za pomocą sekwencji znaków. W tym właśnie miejscu można dołączyć regulację enzymatyczną. Należy opracować ścisły model tego zjawiska, połączyć go z modelem chemotonu i otrzymamy pełny model żywej komórki. Chodzi o to, że z materii nieożywionej wystarczy stworzyć tylko systemy poziomu prokariotycznego (prokarionty - organizmy jednokomórkowe bez wyodrębnionego strukturalnie jądra). Budowy eukariontów (jedno- lub wielokomórkowce, których komórki zawierają jądro) można już dokonać z organizmów prokariotycznych, a więc systemów żywych, zaś budowy wielokomórkowców - z komó- Tibor Gánti, Podstawy życia 13 rek eukariotycznych. Syntezy takie nie są już syntezami z materii nieożywionej, ale działaniami biologicznymi. Sam chemoton jest modelem całkowicie ogólnym i ten ogólny charakter umożliwia wyprowadzenie na jego podstawie wielu konkretnych modeli chemotonowych: w którym cykl samoreprodukcyjny oparty jest na fermentacyjnym rozkładzie gotowych substancji organicznych, w którym zachodzi przyswajanie CO2 przy udziale energii świetlnej lub przekształcanie substancji organicznych w CO2 z udziałem tlenu atmosferycznego, który energię pożywienia potrafi spożytkować nie tylko w postaci pracy chemicznej, ale i mechanicznej. Nietrudno zauważyć, że takie modele chemotonów to nic innego, jak konkretne modele komórek prokariotycznych, prowadzących przemianę materii o charakterze fermentacyjnym, utleniającym, fotosyntetycznym i zdolnych do poruszania się. 17. Odpowiedzialność biologa Manipulacje biologiczne rozpoczęły się niezależnie od powstania teorii chemotonu. Wszystkie naturalne lub sztuczne oddziaływania wpływające na podsystemy homeostatyczne istot żywych - jeśli pozostają w granicach ich zdolności kompensacyjnych - nie pociągają za sobą trwałych zmian w systemie żywym. Oddziaływania natomiast wpływające na podsystem informacyjny z powodu jego jednokierunkowego działania, pociągają za sobą zmiany trwałe, nieodwracalne z punktu widzenia świat biologicznego. Stan świata żywego określony jest łącznie przez warunki zewnętrzne oraz jego własną historię. Czynnik nieodwracalności, właściwy światu ożywionemu, powoduje, że manipulacja biologiczna jest inna jakościowo i nieporównywalnie groźniejsza od dowolnej manipulacji systemem nieożywionym. Drugi czynnik nie ma tak podstawowego charakteru, lecz jest nie mniej groźny. Zmiany w materiale genetycznym pojawiają się najwcześniej w następnym pokoleniu, a często jeszcze później. Nie może być chyba dziś ważniejszego zadania dla biologów niż stworzenie ścisłej biologii teoretycznej. Potrzebny jest taki ścisły system modeli biologicznych, którego właściwości można z absolutną dokładnością opisać i za pomocą którego można przybliżyć rzeczywiste zjawiska biologiczne z wymaganą dokładnością. Powstanie ścisłej biologii teoretycznej jest warunkiem wstępnym planowania procesów biologicznych. 14 Tibor Gánti, Podstawy życia SPIS RYSUNKÓW Rys. 1. Typy zbiorów. .......................................................................................................3 Rys. 2. Model chemotonu..................................................................................................7 Rys. 3. Działanie samoreprodukcyjnych procesów cyklicznych.......................................8 Rys. 4. Równanie chemotonu............................................................................................9 Tibor Gánti, Podstawy życia 15 SPIS TREŚCI CZĘŚĆ PIERWSZA .................................................................................................................................. 1 CZĘŚĆ DRUGA......................................................................................................................................... 2 1. JEDNOSTKI ŻYCIA ................................................................................................................................. 2 2. ZBIORY I SYSTEMY ............................................................................................................................... 3 3. DZIAŁANIE I STABILNOŚĆ ..................................................................................................................... 4 4. KRYTERIA ŻYCIA .................................................................................................................................. 4 4.1. Rzeczywiste (absolutne) kryteria życia ........................................................................................ 4 1° System żywy musi być inherentną (nierozłączną) całością........................................................................ 4 2° W systemie ożywionym musi zachodzić przemiana materii. ..................................................................... 4 3° System żywy musi być inherentnie stabilny. ............................................................................................. 5 4° System żywy musi dysponować podsystemem, który przechowuje informacje użyteczne dla całego systemu. ......................................................................................................................................................... 5 5° Procesy zachodzące w systemach żywych muszą być regulowane i sterowane. ........................................ 5 4.2. Potencjalne kryteria życia ........................................................................................................... 5 1° System żywy musi być zdolny do wzrostu i rozmnażania się.................................................................... 5 2° System żywy musi dysponować zdolnościami do dziedzicznych zmian, a także do ewolucji, a więc przybierania przez kolejne pokolenia coraz bardziej złożonych i coraz bardziej wyspecjalizowanych form. 5 3° Systemy żywe muszą być śmiertelne. ........................................................................................................ 5 5. PODSYSTEMY ŻYWEJ KOMÓRKI ............................................................................................................ 6 6. SILNIK CHEMICZNY .............................................................................................................................. 7 7. SYSTEMY ROSNĄCE .............................................................................................................................. 7 8. SYSTEMY CHEMICZNE ROZMNAŻAJĄCE SIĘ PRZEZ PODZIAŁ .................................................................. 8 9. CHEMOTON .......................................................................................................................................... 8 10. DOWÓD, ŻE CHEMOTON JEST SYSTEMEM ŻYWYM............................................................................... 9 11. KOMPUTEROWA SYMULACJA DZIAŁANIA CHEMOTONU .................................................................... 10 12. CO WYNIKA Z TEORII CHEMOTONU: PODSTAWOWE PRAWA AUTOMATÓW MIĘKKICH ........................ 10 13. CO WYNIKA Z TEORII CHEMOTONU: WYPROWADZENIE PODSTAWOWYCH PRAW GENETYKI............... 10 14. CO WYNIKA Z TEORII CHEMOTONU: WYJAŚNIENIE POWSTANIA ŻYCIA ............................................... 11 15. CO WYNIKA Z TEORII CHEMOTONU: STRATEGIA SYNTEZY SYSTEMÓW ŻYWYCH ............................... 12 16. CO WYNIKA Z TEORII CHEMOTONU: MOŻLIWOŚĆ STWORZENIA ŚCISŁEJ BIOLOGII TEORETYCZNEJ ..... 12 17. ODPOWIEDZIALNOŚĆ BIOLOGA ......................................................................................................... 13 SPIS RYSUNKÓW .................................................................................................................................. 14 SPIS TREŚCI ........................................................................................................................................... 15
