W niniejszym artykule chciałbym już to streścić, już to rozwinąć moje poglądy na istotę życia i (samo)świadomości, a w szczególności na wzajemne relacje pomiędzy tymi fenomenami, które to poglądy przedstawiłem w moich poprzednich publikacjach ([1-5]; zresztą omawianych problemów dotyczyło kilka moich poprzednich tekstów w Racjonaliście). Ściśle mówiąc, skupię się na paralelach pomiędzy wyłonieniem się biologicznego poziomu rzeczywistości z poziomu fizycznego, a poziomu psychicznego — z poziomu biologicznego. W istocie rzeczy postaram się pokazać, że z formalnego, abstrakcyjnego punktu widzenia w obu przypadkach mechanizm wyłonienia się poziomu wyższego z poziomu niższego był w zasadzie identyczny. Chodzi mi tu o emergencję zarówno w sensie diachronicznym, w trakcie ewolucji Wszechświata i ewolucji biologicznej, jak i synchronicznym, kiedy wspinając się poprzez poszczególne stopnie hierarchii złożoności przechodzimy od atomów, molekuł i makromolekuł do żywych komórek i (złożonych) organizmów wielokomórkowych, a także od neuronów i ich zespołów do skomplikowanych sieci neuronalnych będących „nośnikiem" psychiki.

Zacznijmy od istoty życia. Uważam, że podstawową jednostką życia (a także podmiotem ewolucji, jednostką selekcji) jest osobnik (nie: organizm) żywy. Najpierw w książce wydanej po polsku [1], a następnie w dwóch artykułach opublikowanych w międzynarodowych czasopismach anglojęzycznych [3,4] zaproponowałem cybernetyczną definicję żywego osobnika. Odniosłem ją także do możliwego sztucznego życia (AL) [5]. Cybernetyka (w wąskim znaczeniu tego terminu) to przede wszystkim nauka o regulacji i sterowaniu w układach dążnościowych (nakierowanych na realizację jakiegoś z góry zadanego celu). Dwa podstawowe pojęcia cybernetyki to sprzężenie zwrotne ujemne i sprzężenie zwrotne dodatnie.

Sprzężenie zwrotne ujemne ma za zadanie utrzymanie wielkości jakiegoś parametru na zadanym, korzystnym ze względu na funkcjonowanie całego układu poziomie. Takim parametrem w przypadku układów biologicznych może być np. temperatura, szybkość reakcji chemicznej, stężenie jakiegoś związku, określona barwa w określonym miejscu organizmu, intensywność pracy jakiegoś narządu, wilgotność (np. we wnętrzu mrowiska), ekspozycja na światło słoneczne, wielkość i kształt określonej struktury lub też całego ciała w danym momencie rozwoju embrionalnego, dokładność obrazu wytworzonego na siatkówce oka, optymalna strategia polowania i wiele, wiele innych. Sprzężenie zwrotne ujemne niweluje wszelkie odchylenia od zadanej wartości parametru spowodowane przez rozmaite zaburzenia z zewnątrz (lub z wnętrza organizmu), wywołując akcję prowadzącą do zmiany wartości odpowiedniego parametru w stronę przeciwną (stąd nazwa) do tej, w którą nastąpiło odchylenie. Przykładami sprzężenia zwrotnego ujemnego w świecie nieożywionym jest utrzymywanie stałej temperatury w lodówce lub korygowanie odchyleń lotu rakiety od zadanej trajektorii.

Sprzężenie zwrotne dodatnie ma działanie przeciwne — powoduje ono tym szybsze oddalanie się wartości jakiegoś parametru od pewnej określonej wartości (często jest to po prostu zero), im dalej aktualna wartość parametru jest już od tej wartości odchylona. Mechanizm ten wzmacnia zatem coś, co już jest w jakimś stopniu obecne (stąd nazwa „dodatnie"). Innymi słowy, wartość parametru ucieka tu tym szybciej od wartości „zadanej", im dalej już się od tej wartości znajduje. O ile zatem sprzężenie zwrotne ujemne jest mechanizmem stabilizującym, utrzymującym system w pobliżu określonego stanu (choć ten optymalny stan może ulegać zmianom w zależności od warunków), to sprzężenie zwrotne dodatnie prowadzi do immanentnej niestabilności, do zachowania wybuchowego i/lub chaotycznego (kombinacja sprzężenia zwrotnego dodatniego i ujemnego może prowadzić do oscylacji wartości parametrów). Przykładami sprzężenia zwrotnego dodatniego w przyrodzie nieożywionej są reakcja łańcuchowa podczas wybuchu jądrowego i kamienna lawina.

Regulacja wartości danego parametru poprzez mechanizm sprzężenia zwrotnego ujemnego polega na utrzymaniu jego wartości w pobliżu wartości „zadanej", optymalnej ze względu na jakiś z góry określony cel. Na przykład lodówka utrzymuje temperaturę wystarczająco niską, aby zapobiec psuciu się żywności, a jednocześnie na tyle wysoką, aby ograniczyć straty energetyczne (i nie zmrażać żywności „na kość"). W tym przypadku odpowiedni detektor (termostat) dokonuje ciągłego pomiaru (detekcji) wartości regulowanego parametru (temperatury). Jeżeli temperatura wzrośnie ponad zadaną wartość, detektor wysyła sygnał sterowania uruchamiający odpowiedni efektor (urządzenie chłodnicze), który przeciwdziała odchyleniu parametru od wartości zadanej, a więc wywołuje kompensację zaburzeń spowodowanych przez wpływy otoczenia (temperatura wraca do optymalnej wartości zadanej). Cała omówiona sekwencja przyczynowo-skutkowa, czyli: wzrost wartości parametru ponad zadaną — pomiar — detektor — sterowanie - efektor — kompensacja — spadek wartości parametru z powrotem do zadanej, nazywamy pętlą sterowania.

Z kolei, zgodnie z powiedzianym powyżej, sprzężenie zwrotne dodatnie posiada, jak sama nazwa wskazuje, działanie przeciwne do sprzężenia zwrotnego ujemnego. Jest ono silnie destabilizujące, odpycha wartość parametru od wartości zadanej tym silniej, im dalej wartość aktualna odbiega od wartości zadanej. W wyniku tego wartość parametru szybko (w sposób ekspotencjalny) zmierza do nieskończoności, a otrzymany efekt można nazwać anty-regulacyjnym lub wybuchowym.

Jak wspomniałem, przykładem sprzężenia zwrotnego dodatniego w świecie nieożywionym jest jądrowa reakcja łańcuchowa. Niestabilne jądro jakiegoś radioaktywnego izotopu, np. uranu U²³⁵ , rozpadając się emituje trzy neutrony. Każdy z neutronów rozbija następne niestabilne jądro, prowadząc w każdym przypadku do uwolnienia dalszych trzech neutronów. A zatem, po upłynięciu pewnego (bardzo krótkiego) odcinka czasu, ilość neutronów ulega potrojeniu. Mamy więć kolejno 3, 9, 27, 91 … neutronów. Proces ten może powtarzać się, przynajmniej potencjalnie, nieskończoną ilość razy (w praktyce ogranicza go ilość niestabilnego izotopu). Innymi przykładami sprzężenia zwrotnego dodatniego są pewne związki chemiczne katalizujące powstawanie siebie samych z innych związków (tzw. autokataliza) oraz kamienna lawina, w której staczający się po zboczu kamień wprawia w ruch coraz to więcej i więcej kamieni.

Wróćmy jednak do sprzężenia zwrotnego ujemnego. W organizmach żywych występuje nieprzebrana obfitość mechanizmów regulacyjnych i sterujących ze sprzężeniami zwrotnymi ujemnymi na czele. Pod względem funkcjonalnym, układy biologiczne są wręcz zbudowane z hierarchicznie zorganizowanej sieci wzajemnie przeplatających się i warunkujących sprzężeń zwrotnych ujemnych. Generalnie, cała ta, ukształtowana oczywiście w trakcie ewolucji biologicznej, sieć stanowi w pewnym sensie funkcjonalne, operacyjne odbicie zarówno zewnętrznego, jak i wewnętrznego środowiska danego organizmu (wraz z całą zmiennością tego środowiska w czasie i przestrzeni), a ma na celu przeżycie i rozmnożenie się w niszy ekologicznej (otoczeniu fizycznym i biologicznym) okupowanej przez ten organizm.

Sztandarowym (i stosunkowo bardzo prostym) przykładem sprzężenia zwrotnego ujemnego w organizmach żywych na poziomie biochemicznym jest regulacja szybkości syntezy jakiegoś aminokwasu przez bieżące stężenie tego aminokwasu. Taki aminokwas hamuje (obniżając aktywność odpowiedniego enzymu w wyniku związania cząsteczki tego aminokwasu do odpowiedniego miejsca regulacyjnego) pierwszą reakcję enzymatyczną w szlaku metabolicznym prowadzącym wyłącznie do jego syntezy, co powoduje utrzymanie na względnie stałym poziomie stężenia rzeczonego aminokwasu. Jeśli stężenie aminokwasu obniża się (w wyniku jego niewielkiego dopływu ze strawionego pożywienia lub / i wzmożonego zużycia, np. na syntezę białek), omawiany enzym zostaje odblokowany i szybkość syntezy aminokwasu ulega przyspieszeniu, powodując wzrost jego stężenia. W przypadku przeciwnym synteza aminokwasu ulega zablokowaniu. Bez takiej regulacji pula danego aminokwasu mogłaby bardzo szybko ulec wyczerpaniu lub, przeciwnie, aminokwas gromadziłby się w nadmiernej ilości zaburzając funkcjonowanie komórki (np. poprzez wzrost ciśnienia osmotycznego). Inny przykład na poziomie metabolicznym to produkcja uniwersalnego nośnika energii w komórce — ATP — przez fosforylację oksydacyjną w mitochondriach. Wysokie stężenie ATP, występujące w stanie spoczynkowym, hamuje metaboliczny blok produkcji tego związku. Nagły wzrost konsumpcji ATP, na przykład w wyniku skurczu mięśnia (praca mechaniczna wymaga nakładów energetycznych), powoduje hydrolizę ATP do ADP; wzrost stężenia tego ostatniego aktywuje produkcję ATP i częściowo kompensuje spadek jego stężenia.

Jeśli chodzi o składniki żywej komórki, to synteza poszczególnych białek, w ich liczbie enzymów, jest dostosowana do szybkości ich rozkładu (ze względu np. na uszkodzenie przez wolne rodniki), tak aby ich stężenie pozostało stałe (dokładny mechanizm regulacyjny nie jest jeszcze znany, ale musi istnieć; inaczej ilość danego typu białka albo spadałaby do zera w przypadku utrzymującej się przewagi jego rozkładu nad syntezą, albo, przeciwnie, rosłaby nieograniczenie w przypadku odwrotnym). Problem ten dotyczy także innych składników komórki, np. lipidów i złożonych z nich błon.

Optymalne stężenie danego białka może zależeć od okoliczności. Jego regulacja zachodzi na poziomie genetycznym. Na przykład, w obecności laktozy (i braku innych cukrów) w otoczeniu, w komórce bakterii ulega włączeniu produkcja enzymów odpowiedzialnych za pobieranie i rozkład tego cukru, podczas gdy w innych okolicznościach enzymy te nie są syntetyzowane (słynny model operonu). A zatem, zadana wartość pewnego parametru (w tym przypadku — stężenie białek enzymatycznych), który funkcjonuje jako element sprzężenie zwrotnego ujemnego na niższym poziomie hierarchii (utrzymującego stałą dostawę budulca i energii, a przez to stałe stężenie metabolitów), może być zmieniona przez jakieś inne ujemne sprzężenie zwrotne na wyższym poziomie hierarchii (ograniczające wydatki energetyczne i budulcowe na produkcję białek, które nie są aktualnie potrzebne). U bakterii (organizmów bezjądrowych, prokariotycznych) ważną rolę w sprzężeniach zwrotnych odpowiedzialnych za adekwatne reagowanie na zmieniające się warunki zewnętrzne odgrywają tak zwane alarmony i czynniki s (sigma).

U organizmów jądrowych (eukariotycznych), a w szczególności u organizmów wielokomórkowych i tkankowych, wielce złożony i hierarchicznie zorganizowany system regulacyjny, oparty w dużej mierze na sieci sprzężeń zwrotnych ujemnych (i innych mechanizmów sterujących związanych z przekazywaniem sygnałów), z wielką precyzją określa jakie konkretne białka będą produkowane w danym miejscu, czasie i ilości (jest to szczególnie istotne w czasie rozwoju embrionalnego i związanej z nim morfogenezy — patrz niżej). W skład komórek różnych typów wchodzą odmienne białka oraz ewentualnie odmienne ilości białek wspólnych (np. kompleksów fosforylacji oksydacyjnej; wynika to między innymi z różnej względnej objętości mitochondriów). Różnicowanie się komórek polega przede wszystkim na selektywnej aktywacji ekspresji pewnych genów i hamowaniu ekspresji innych, co znajduje swój wyraz w pierwszym rzędzie w określonym składzie białkowym komórki. Odmienny skład białkowy jest także potrzebny w różnych fazach cyklu komórkowego.

Po przeczytaniu tego tekstu, czytelnicy często wybierają też: Czy różnimy się pięknie? List do wierzącego przyjaciela Wszechświat oczami wierzących

See comments (32)..

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  Latest author's article: Klatka czasoprzestrzeni, klatka umysłu