Żywotne pytanie

Życie używa informacji (składowanej w DNA), by przechwycić energię (która jest zmagazynowana w substancji chemicznej o nazwie ATP) i stworzyć porządek. Ludzie spalają olbrzymie ilości energii – wytwarzamy około 10 tysięcy razy więcej energii na gram niż słońce. Słońce jest gorętsze tylko dlatego, że jest większe. Używamy energii do tworzenia i podtrzymywania misternej złożoności komórkowej i cielesnej, przeciwieństwa entropii, tak samo jak to robimy w ekonomii, gdzie wykorzystanie energii płonących paliw umożliwia nam budowanie wysokościowców i samolotów. My jednak – a „my” znaczy tutaj wszystkie żywe stworzenia, włącznie z bakteriami – mamy specyficzny sposób chwytania energii, by była użyteczna. Pompujemy protony przez błony lipidowe.

W każdej sekundzie życia pompujesz miliardy bilionów protonów przez błony w tysiącach bilionów mitochondriów, które żyją w twoim organizmie. Mitochondria były przedmiotem niedawnej debaty parlamentarnej (o „zarodkach trojga rodziców”), są głównymi bohaterami w tej książce i są potomkami bakterii. Ich zadaniem jest utlenianie wodoru, żeby pompować protony i napędzać życie.

Załamanie się tych gradientów protonowych jest prawdziwą definicją śmierci. Cyjanek jest trucizną, ponieważ blokuje pompę protonową i komórki popełniają samobójstwo (żeby oczyścić ciało ze złych mutacji) przez umyślne załamywanie swoich gradientów protonowych. Ciało, które jest martwe od bardzo niedawna, jest praktycznie rzecz biorąc identyczne z żywym, poza mikroskopijną zmianą na niewidzialną skalę – jego zdolność to utrzymywania protonów po właściwej stronie błon nagle ustała.

Profesor Lane, biochemik z University College London, i jego koledzy rozgryźli problem, dlaczego tak jest i co to znaczy. Jego dociekania na temat tego problemu prowadzi go w głąb zagadki, która fascynowała ludzi przez tysiąclecia: gatunek, śmierć, seks, płeć, starzenie się, płodność i życie. W 2000 r. znaleziono nowy rodzaj alkalicznego, ciepłowodnego otworu termicznego na dnie oceanu pośrodku Atlantyku (nazwano go Zaginionym Miastem z powodu wielkich węglanowych kominów i wież), gdzie protony przenikają przez cienkie, półprzepuszczalne ściany z żelaza, niklu i siarki do maleńkich porów, powodując, że zbierają się tam i kontaktują cząsteczki organiczne.

Zdaniem Lane’a i innych tak zaczęło się życie jakieś 4 miliardy lat temu, wewnątrz tych skalistych porów, gdzie naturalny gradient protonowy przypadkiem zaczął napędzać tworzenie się molekularnej złożoności. Szczegóły opowieści detektywistycznej, która prowadzi go od tego punktu do pierwszej bakteriopodobnej komórki są trudne (do zrozumienia) zawiłe i przekonujące, ale bardzo warte tej podróży.

Wydaje się, że życie bardzo wcześnie rozdzieliło się na dwa różne rodzaje z różnymi zestawami chemicznymi. Nazywamy je bakterie i „archeony”, ale jedne i drugie wyglądają jak mikroby. Dopiero kiedy odczytujemy ich geny, rozumiemy jak bardzo różnią się – na przykład, jedne używają prawoskrętnych postaci lipidów, a drugie lewoskrętnych. Przez osłupiające dwa miliardy lat one były wszystkim, co istniało na tej planecie. Oba miały wielką różnorodność biochemiczną, ale były małe i strukturalnie proste.

Dopiero po tym czasie wyłoniły się złożone stworzenia – pierwotniaki, rośliny, zwierzęta, grzyby. Mają one olbrzymią wewnętrzną złożoność w komórkach, jak również w ciałach, które często są wielokomórkowe. Wszystkie mają wspólnego przodka, ponieważ ich podstawowa maszyneria jest zawsze ta sama: rośliny i zwierzęta są jedynie wersjami tego samego tematu. A jednak ten zwrot ku złożoności nie zostawił śladów – nie ma żadnych pośrednich stworzeń, z pewnymi częściami tej maszynerii, ale bez innych części. Jak mogło złożone („eukariotyczne”) życie pojawić się w pełni ukształtowane, jak Atena z głowy Zeusa?

Rozwiązywanie tej zagadki prowadzi Lane’a w świat idei, którym tylko Lewis Carroll mógłby nadać sens. Kiedy czytasz książkę Lane’a, sześć niemożliwych rzeczy staje się wiarygodne przed śniadaniem.

Wydaje się, że tym, co się zdarzyło, było pochłonięcie przez jedną komórkę archeona jednej komórki bakterii, która zamieniła się w wyspecjalizowany generator energii i stopniowo przekazała gospodarzowi większość swoich genów.

To spowodowało problem, ponieważ najeźdźcze sekwencje DNA lub pasożyty cyfrowe – trochę jak wirusy komputerowe – dostały się do systemu operacyjnego gospodarza. Nadal trapią nas dzisiaj. Nazywają się introny i radzimy sobie z nimi przez wycinanie ich z transkryptu DNA przed jego użyciem. Maszyna, jakiej używamy do zrobienia tego, pracuje powoli, musi więc mieć bezpieczne miejsce do pracy zanim transkrypt zostanie użyty – i dlatego wyewoluowało jądro, do oddzielenia transkrypcji od translacji (w białko).

Posiadanie mitochondriów, którymi stały się bakterie, umożliwiło komórkom na znacznie większy wzrost, ponieważ mitochondria mogły być liczne i małe, i skurczyć swoje genomy do niewielu zasadniczych genów – w naszych mamy tylko 13 – podczas gdy genom archeona mógł zacząć obsługiwać znacznie większą objętość i tworzyć nowe rodzaje maszynerii.

Najważniejszym odkryciem Lane’a, jego momentem “eureka”, było, kiedy zrozumiał, że dzięki temu podziałowi pracy energia dostępna na każdy gen jest setki tysięcy razy większa w komórce eukariotycznej niż w bakterii: tak samo jak energia dostępna na każdego pracownika podskoczyła wyżej dzięki rewolucji przemysłowej, umożliwiając tworzenie dużo więcej technologii i infrastruktury (to akurat moja analogia, a nie jego).

Od tego punktu Lane śledzi echa pradawnych walk wewnątrz komórki, rzuca światło na takie pytania, jak i dlaczego mamy mniej sodu w komórkach niż ma woda morska, dlaczego gołębie żyją dłużej niż szczury, jak rozdzielały się gatunki, dlaczego jaja są duże a plemniki małe i tak dalej.

Materiał, z którym musiał pracować Lane jest niesamowicie skomplikowany i są chwile, kiedy najbardziej gorliwy czytelnik będzie wracał do słowniczka, by sprawdzić znaczenie używanych terminów. Podobnie jednak jak najlepsi autorzy piszący o nauce, Lane nigdy nie prześlizguje się nad szczegółami. Zamienia je zamiast tego w serię opowieści detektywistycznych. Jak Poirot prowadzi czytelnika od przestępstwa do sprawcy, od zagadki do rozwiązania. Różnica z powieścią detektywistyczną polega na tym, że te opowieści są o rzeczywistości i są fundamentalne dla samego życia.

Powyższy tekst recenzji z książki Lane’a The Vital Question ukazał się po raz pierwszy w The Times:

The vital question

Rational Optimist, 21 kwietnia 2015

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Matt Ridley

Brytyjski pisarz popularnonaukowy, sympatyk filozofii libertariańskiej. Współzałożyciel i b. prezes International Centre for Life, "parku naukowego” w Newcastle. Zrobił doktorat z zoologii (Uniwersytet Oksfordzki). Przez wiele lat był korespondentem naukowym w "The Economist". Autor książek: The Red Queen: Sex and the Evolution of Human Nature (1994; pol. wyd. Czerwona królowa, 2001, tłum. J.J. Bujarski, A. Milos), The Origins Of Virtue (1997, wyd. pol. O pochodzeniu cnoty, 2000, tłum. M. Koraszewska), Genome (1999; wyd. pol. Genom, 2001, tłum. M. Koraszewska), Nature Via Nurture: Genes, Experience, and What Makes us Human (także jako: The Agile Gene: How Nature Turns on Nurture, 2003), Rational Optimist 2010.