Z paradygmatów charakteryzacji zjawisk życia, ani paradygmat „klasyczno-biologiczny" (oparty na kryterium budowy i funkcji, rozmnażania i ewolucji), ani tym bardziej paradygmat termodynamiczny (traktujący życie jako wielce skomplikowaną strukturę dyssypatywną, rozpraszającą energię) nie dotarł, moim zdaniem, do samego sedna istoty fenomenu życia. Oznacza to, iż żaden z tych paradygmatów nie pozwala na jednoznaczne zdecydowanie zawsze i w każdych warunkach, czy rozpatrywany układ należy zaklasyfikować jako ożywiony (a przynajmniej na stworzenie jednoznacznego kryterium mogącego posłużyć do odgrodzenia żywego od nieożywionego). Oba paradygmaty zostały opracowane dla jednego konkretnego przypadku życia, a mianowicie dla obecnego życia na Ziemi, które, generalnie rzecz biorąc, bardzo dobrze odróżnia się od przyrody nieożywionej. Jednakże, nawet niektóre obiekty na naszej planecie stwarzają poważne problemy co do zaklasyfikowania ich jako żywe osobniki. Znacznie poważniejsze problemy tego typu mogą się zrodzić podczas eksploracji obcych planet. Pewien przedsmak możliwej rozbieżności interpretacji daje ostatnie odkrycie rzekomych śladów życia na Marsie ^{[ 1 ]}, a przecież mamy tu do czynienia nie z samym „życiem", lecz jedynie możliwymi jego pozostałościami w postaci związków organicznych i pewnych skamieniałych struktur kształtem przypominających bakterie. Możemy więc w tym przypadku zasłaniać się niewiedzą i nią tłumaczyć nasze wahania co do statusu odnalezionych śladów. Wyobraźmy sobie jednak sytuację, kiedy dostajemy do ręki jakiś dziwny całkowicie nam obcy i niezrozumiały twór lub obiekt i mamy zaklasyfikować go jako istotę żywą lub martwy twór, i nagle okazuje się, że brakuje nam rozstrzygających kategorii lub punktów odniesienia, które moglibyśmy zapożyczyć od ziemskiego życia, a które pozwoliłyby nam podjąć jednoznaczną decyzję (problem ten doskonale zilustrował Stanisław Lem w takich powieściach jak Solaris lub Niezwyciężony). Kryterium odróżniające życie od przyrody nieożywionej byłoby także bardzo przydanie przy rozważaniu powstania życia na naszej planecie. Miałoby ono kluczowe znaczenie dla odpowiedzi na pytanie, w którym momencie nastąpiło wyłonienie się życia z zawiesiny „martwych" związków organicznych oraz na czym polegało tego życia zaistnienie.

Chciałbym zaproponować cybernetyczny paradygmat charakteryzacji istoty życia, który moim zdaniem pozwala na istotny postęp w rozwiązaniu przedstawionego powyżej problemu, choć zapewne nie stanowi całkowicie idealnego i absolutnego kryterium „ożywienia" układu, bo kryterium takie jest przypuszczalnie niemożliwe. Po pierwsze, choć życia z pewnością nie da się wyczerpująco zdefiniować jako np. struktury dyssypatywnej związanej z produkcją entropii, to niewątpliwie życie musi być także, czymkolwiek innym by nie było, strukturą dyssypatywną. Termodynamika mówi nam zatem, że życia nie ma co szukać w układach bliskich równowagi termodynamicznej (np. w zimnym pyle międzygwiazdowym lub Kosmosie o ujemnej krzywiźnie przestrzeni za paręset miliardów lat) i faktu tego nie wolno nam w żadnym razie zaniedbać w pełnej charakterystyce zjawiska życia. Oprócz „jądra" istoty życia istotne są zatem warunki niezbędne dla zaistnienia tego jądra: odsunięcie układu od stanu równowagi termodynamicznej, obecność odpowiedniego typu związków chemicznych, a w szczególności organicznych związków węgla (nie do pomyślenia jest na przykład, poza powieściami science-fiction, życie w gazie, ze względu na brak substancji gazowych o wystarczającym bogactwie struktury cząsteczek) etc..

Po drugie, zjawisko życia jest pewną makroskopową kategorią, leżącą po stronie naszego umysłu, lecz niekoniecznie istniejącą „realnie" (cokolwiek by to miało znaczyć) w rzeczywistym świecie. Wobec tego także próba odkrycia jednoznacznego i absolutnego kryterium odróżniającego życie od materii nieożywionej może być w pewnej mierze niczym więcej, niż skłonnością ludzkiego umysłu do szufladkowania na dyskretne kategorie świata, będącego w swej istocie ciągłym spektrum fenomenów. Świadom tych zagrożeń i ograniczeń, postaram się jednakże podać cybernetyczną charakterystykę „minimalnego rdzenia semantycznego" odpowiadającego fenomenowi życia, która, moim zdaniem, najlepiej odzwierciedla to, co bylibyśmy skłonni z życiem utożsamić.

Cybernetyka jest nauką o regulacji, przede wszystkim o mechanizmach regulacyjnych w złożonych układach realizujących jakiś cel (układach „dążnościowych", takich jak organizmy żywe i wiele urządzeń budowanych przez człowieka), cokolwiek byśmy przez taki cel nie rozumieli. Podstawowe terminy, jakimi operuje cybernetyka, to sprzężenie zwrotne ujemne i sprzężenie zwrotne dodatnie. Sprzężenie zwrotne ujemne stanowi fundamentalny mechanizm regulacyjny. Ma ono za zadanie utrzymanie wartości jakiegoś parametru (może być nim temperatura, szybkość reakcji, stężenie związku lub cokolwiek innego) na zadanym poziomie — jakiekolwiek zaburzenia powodujące odchylenie wartości parametru od tej zadanej wartości w którąś stronę indukują działania prowadzące do zmiany wartości parametru w stronę przeciwną (stąd nazwa „ujemne"), a więc do niwelacji (kompensacji) efektu tego odchylenia. Sprzężenie zwrotne dodatnie, przeciwnie, dąży do zmiany wartości parametru w kierunku zgodnym (stąd - „dodatnie") z kierunkiem, w którym nastąpiło odchylenie od „zadanej" wartości (którą często jest po prostu zero). Sprzężenie to powoduje zatem coraz większy i większy wzrost (ewentualnie spadek) wartości danego parametru. O ile więc w sprzężeniu zwrotnym ujemnym wartość parametru dąży do wartości zadanej, oscylując wokół niej, to w sprzężeniu zwrotnym dodatnim wartość parametru tym szybciej ucieka od wartości „zadanej", im dalej już się od niej znajduje.

[...]

Sprzężenie zwrotne dodatnie ma miejsce w przypadku jądrowej reakcji łańcuchowej oraz rozmnażania się kolonii bakterii. Każdy wolny neutron lub bakteria zdolne są do wytwarzania nowych neutronów (bakterii). Im więcej neutronów (bakterii) jest w danej chwili, tym szybsza jest produkcja nowych wolnych neutronów (bakterii) — pochodzi to stąd, że każdy pochłaniany przez jądro radioaktywnego izotopu uranu (U²³⁵) neutron prowadzi do emisji trzech nowych neutronów, a każda komórka bakteryjna dzieli się na dwie komórki potomne. Zatem, po upłynięciu okresu czasu pomiędzy emisją neutronu a rozbiciem kolejnego jądra uranu (ewentualnie okresu podziału komórki bakterii) ilość neutronów (bakterii) ulega każdorazowo potrojeniu (podwojeniu). Mówiąc ogólnie, w sprzężeniu zwrotnym dodatnim niezerowa wartość jakiegoś parametru powoduje wzrost samej siebie, i to tym szybszy, im większa jest ta wartość w danej chwili. Innym przykładem omawianego rodzaju sprzężenia zwrotnego jest reakcja autokatalityczna, w której cząsteczka związku chemicznego katalizuje syntezę cząstek identycznych do samej siebie, albo lawina kamienna, kiedy jeden potrącony kamień na zboczu wprawia w ruch następne, tak że bardzo szybko ogromna masa kamieni schodzi w dół zbocza. Często też proces będący skutkiem sprzężenia zwrotnego dodatniego określamy mianem reakcji lawinowej.

Wróćmy jednakże do sprzężenia zwrotnego ujemnego. Jest ono podstawowym mechanizmem regulacyjnym u takich układów dążnościowych (realizujących jakiś cel), jak organizmy żywe lub wiele urządzeń budowanych przez człowieka. W przypadku wytworów człowieka sprzężenie zwrotne ujemne może się wyrażać w korygowaniu odchyleń od zadanego toru lotu rakiety, utrzymywanie stałego ciśnienia w kotle parowym, optymalizacji zadań wykonywanych przez pewne typy robotów lub też w działaniu termostatu. Naturalną koleją rzeczy będą nas jednak teraz interesować mechanizmy regulacyjne mające postać sprzężenia zwrotnego ujemnego, występujące u organizmów żywych.

Typowe przykłady sprzężenia zwrotnego u organizmów żywych można znaleźć na przykład na poziomie biochemicznym. Występuje ono między innymi w przypadku metabolicznych szlaków syntezy wielu aminokwasów [...]

Innym przykładem sprzężenia zwrotnego ujemnego na poziomie biochemicznym jest regulacja szybkości produkcji energii w odpowiedzi na zmieniające się w czasie zapotrzebowanie na energię (jej zużycie w rozmaitych procesach wewnątrz komórki, takich jak synteza białek, transport jonów przez błonę komórkową czy też wzajemne przesuwanie się wobec siebie filamentów aktyny i miozyny w trakcie kurczu mięśnia). Uniwersalnym „nośnikiem" energii jest tam związek chemiczny zwany ATP, syntetyzowany (u zwierząt) głównie w organellach komórkowych zwanych mitochondriami w procesie fosforylacji oksydatywnej. Ulega on syntezie z innego związku, ADP. W trakcie wykonywania tych różnych rodzajów pracy (synteza białka, skurcz mięśni, ruch witki) ATP „oddaje" swoją energię, przekształcając się w ADP, które przekazywane jest do mitochondriów, gdzie ponownie służy jako substrat do syntezy ATP. Szybkość zużywania ATP przez komórkę zmienia się — w czasie spoczynku jest ona relatywnie mała, zaś podczas, na przykład, skurczu mięśnia — duża. Zachodzi konieczność dostosowania szybkości produkcji ATP do szybkości jego zużycia — mitochondria muszą w jakiś sposób „wiedzieć", z jaką prędkością mają dostarczać ten związek (inaczej cały ATP szybko zostałby wyczerpany, albo też nagromadziłby się w stężeniach śmiertelnych dla komórki). Rolę sygnału informującego te organelle o aktualnym zapotrzebowaniu energetycznym komórki spełnia stężenie ADP. Przy zwiększonej pracy ATP jest szybciej przekształcane w ADP, a zatem stężenie tego ostatniego związku rośnie. Prowadzi to do „aktywacji" mitochondriów (mówiąc ściślej, odpowiednich enzymów mitochondrialnych biorących udział w produkcji energii) i intensywniejszej syntezy ATP, co powoduje wzrost jego stężenia, podczas gdy stężenie ADP maleje. Skutkiem tego mechanizmu jest częściowa przynajmniej kompensacja zmian w stężeniu ATP i ADP w okresach zwiększonego zapotrzebowania na energię oraz zapewnienie stałego dopływu ATP z odpowiednią szybkością. ^{[ 2 ]}

Oba przedstawione powyżej przykłady regulacji na poziomie biochemicznym dotyczyły modyfikacji aktywności enzymów już obecnych w komórce. Często odpowiednie białka enzymatyczne są jednak syntetyzowane dopiero wtedy, kiedy są one potrzebne. Zapobiega to niepotrzebnemu ekspensowi energii i aminokwasów na wytwarzanie enzymów, które w danym momencie „nie mają nic do roboty". Mechanizm taki ma miejsce np. u bakterii w przypadku enzymów katalizujących szlak rozkładu cukru laktozy. Synteza tych enzymów następuje jedynie w przypadku obecności laktozy w otoczeniu. Cukier ten odblokowuje ekspresję genów kodujących wspomniane enzymy, a zatem regulacja odbywa się na poziomie genetycznym (szczegóły mechanizmu tej regulacji opisuje słynna teoria operonu). Tutaj, w zależności od sytuacji, regulacja ma na celu optymalizację dwóch różnych parametrów. W obecności laktozy dominuje sprzężenie zwrotne ujemne „dbające" o zapewnienie dostatecznej ilości budulca oraz substratu oddechowego dla produkcji energii (rolę obu spełnia między innymi laktoza). Przy braku tego cukru, powyższy cel musi oczywiście być realizowany w inny sposób (poprzez przyswajanie innych związków z otoczenia). Wtedy do głosu dochodzi konieczność zahamowania niepotrzebnego zużycia energii i budulca w postaci aminokwasów na syntezę białek enzymatycznych. Wszystko to odbywa się w ramach nadrzędnego celu, polegającego na zapewnieniu komórce bakteryjnej jak największego dopływu energii i budulca, pozwalających na możliwie szybki wzrost i dzielenie się (inaczej można go określić jako utrzymywanie stałego stężenia substancji odżywczych w komórce podczas maksymalnej szybkości wzrostu i podziałów). Ten cel nadrzędny wyznacza dwie różne „zadane" wartości stężenia enzymów należących do szlaku rozkładu laktozy: stężenie zerowe przy braku tego cukru oraz stężenie zapewniające optymalną szybkość degradacji laktozy — w jej obecności. Zadana wartość parametru jest wiec tutaj warunkowa — zależy od okoliczności.

Po przeczytaniu tego tekstu, czytelnicy często wybierają też: Czas Darwina trwa nadal Czy istnieje darwinowskie wyjaśnienie ludzkiej kreatywności?

See comments (25)..

Send text to e-mail address..

Print-out version..    PDF    MS Word

Bernard Korzeniewski Biolog - biofizyk, profesor, pracownik naukowy Uniwersytetu Jagielońskiego (Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii). Zajmuje się biologią teoretyczną - m.in. komputerowym modelowaniem oddychania w mitochondriach. Twórca cybernetycznej definicji życia, łączącej paradygmaty biologii, cybernetyki i teorii informacji. Interesuje się także genezą i istotą świadomości oraz samoświadomości. Jest laureatem Nagrody Prezesa Rady Ministrów za habilitację oraz stypendystą Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej. Jako "visiting professor" gościł na uniwersytetach w Cambridge, Bordeaux, Kyoto, Halle. Autor książek: "Absolut - odniesienie urojone" (Kraków 1994); "Metabolizm" (Rzeszów 195); "Powstanie i ewolucja życia" (Rzeszów 1996); "Trzy ewolucje: Wszechświata, życia, świadomości" (Kraków 1998); "Od neuronu do (samo)świadomości" (Warszawa 2005), From neurons to self-consciousness: How the brain generates the mind (Prometheus Books, New York, 2011).  Private site  Number of texts in service: 41  Show other texts of this author  Newest author's article: Istota życia i (samo)świadomości – rysy wspólne