Chemia nośnika i wiadomość życia

Michał Ostrowski

Dyskutując kwestię powstania życia niedarwinistyczny biolog, Stuart Kauffman stwierdził:

Ktokolwiek, kto powie ci, że wie jak jakieś 3,45 miliardów lat temu na Ziemi powstało życie to głupiec lub szelma. Nikt tego nie wie. Co więcej, być może nigdy nie będziemy w stanie odtworzyć faktycznej historycznej sekwencji molekularnych zdarzeń, które doprowadziły do pierwszego samoreplikującego się, ewoluującego molekularnego systemu, który zakwitł ponad 3 miliony milenniów temu. Ale nawet jeśli ta historyczna ścieżka pozostanie już na zawsze ukryta, wciąż możemy rozwijać szereg teorii i eksperymentów ukazujących, jak życie mogło realistycznie uformować, zakorzenić i rozprzestrzenić się na cały świat. Z zastrzeżeniem, że nikt tego nie wie". ^[1]

"Ktokolwiek, kto sądzi, że zna rozwiązanie problemu powstania życia oszukuje się" - stwierdził Leslie Orgel. "Ale, ktokolwiek sądzi, że jest to problem nierozwiązywalny także oszukuje się. Możliwe podejście do problemu powstania życia to zadanie pytania naukowego niż historycznego - jak życie może powstawać niż jak pozwstało. Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy próbują eksperymentalnie określić, co jest chemicznie możliwe i co mogło wydarzyć się na prebiotycznej Ziemi". ^[2]

Zastrzeżenia Kauffmana i Orgela stają się jaśniejsze, jeśli uświadomimy sobie co powinno być wyjaśnione: mianowicie naturalistyczne powstanie komórki z jej całą zdumiewającą złożonością. "Takie sobie bajeczki”, jak życie mogło powstać w wyniku długotrwałego mieszania się składników na prebiotycznej Ziemi nie mają ani eksperymentalnego poparcia ani teoretycznych fundamentów. Co istotniejsze, im więcej i więcej wiemy o biochemicznych podstawach i złożoności życia, tym naturalistyczne opowiastki o spontanicznej abiogenezie wydają się być mniej i mniej prawdopodobne. Naturalistyczne ujęcia spontanicznego powstania życia załamują się na dwóch zasadniczych poziomach: inżynierii systemowej i symbolicznego zapisu i przetwarzania informacji.

Inżynieria systemowa

Bruce Alberts, prezydent amerykańskiej National Academy of Sciences charakteryzując komórki stwierdził:

Długo niedocenialiśmy komórek. [...] Cała komórka może być przedstawiona jako fabryka zawierającą skomplikowaną sieć połączonych linii montażowych, każda z nich złożona z układu dużych białkowych maszyn. [...] Dlaczego możemy nazywać duże białka montażowe tkwiące u podstaw komórkowych funkcji maszynami? Ponieważ dokładnie tak, jak maszyny wynalezione przez ludzi do efektywnego działania w makroskopowym świecie, te montażowe białka zawierają precyzyjnie zintegrowane ruchome części. ^[3]

W grudniu 2003 r., fachowy periodyk, BioEssays, opublikował własne wydanie dotyczące "molekularnych maszyn". We wprowadzeniu do niego Adam Wilkins, redaktor BioEssays wyjaśnia:

Artykuły w tym wydaniu ukazują niektóre pewne uderzające podobieństwa pomiędzy sztucznymi a biologicznymi/molekularnymi maszynami. Przede wszystkim molekularne maszyny, tak jak maszyny robione przez człowieka, wykonują dokładnie określone funkcje. Po drugie, makromolekularne maszyny składają się z wielu części, oddziałujących ze sobą w odrębny i precyzyjny sposób. Po trzecie, wiele z tych maszyn posiada cześci, które mogą być użyte w innych molekularnych maszynach (przynajmniej z niewielkimi modyfikacjami), co jest porównywalne z wymienialnymi częściami w sztucznych maszynach. W końcu, co najważniejsze, posiadają one podstawową cechę maszyn: zamieniają energię w jakąś formę 'pracy'". ^[4]

Jak widać, biologia głównego nurtu nie ma problemów z przyznaniem, że komórki to wyrafinowane nanotechnologiczne maszyny i systemy. Każdy funkcjonalny system dzieli z kolei następujące charakterystyki:

• System posiada strukturę, definiowaną przez jego komponenty i ich wzajemne relacje
• System posiada zachowanie/działanie: dane wejściowe, przetwarzanie tych danych i dane na wyjściu w postaci materiału, energii lub informacji
  
• System posiada zdolność komunikowania się ze sobą jego komponentów: różne części systemu posiadają zarówno funkcjonalne, jak i strukturalne relacje z innymi częściami tegoż systemu.

Zgodnie z inżynieryjnym rozumieniem, systemem jest: „Zbiór lub aranżacja powiązanych ze sobą elementów i procesów, których zachowanie spełnia operacyjne potrzeby produktu, podtrzymując jego życiowy cykl”. ^[5]

Nawet najprostsza komórka to z punktu wiedzenia nanotechnologii i inżynierii systemowej elegancki i wyrafinowany majstersztyk, lata świetlne wyprzedzająca naszą nanotechnologię. W komórce znajdziesz:

• Przetwarzanie, zapisywanie i odczyt informacji
• Symboliczne kodowanie informacji z jej własnym systemem kodującym/dekodującym
• Kod korekcyjny i urządzenia kontroli jakości
• Elegancki system sprzężeń zwrotnych (dodatnich i ujemnych) monitorujących i regulujących komórkowe procesy
• Technologie wbudowanych danych
• Wyrafinowane przetwarzanie sygnałów
• Systemy transportujące i dystrybucyjne
• Zautomatyzowany system adresowania
• Bazujące na technologii modułów i prefabrykatów procesy produkcyjne
• Zrobotyzowane, samoreplikujące się nanofabryki.

Całe dostepne świadectwo jest jednoznacznie: tylko inteligencja jest w stanie generować tego typu układy. Nie znamy żadnych praw natury, które preferowałyby spontaniczne tworzenie się tego typu systemów.

Ewolucjoniści często argumentują, że jest to jednak możliwe, ponieważ Ziemia nie jest układem termodynamicznie izolowanym - Słońce stale dostarcza energii umożliwiającej powstawanie tego typu układów. Przykładowo teistyczni ewolucjoniści z BioLogos Fundation stwierdzają:

Jednak w przypadku biologicznej ewolucji, rozważany system to nie wszechświat, ale Ziemia. A Ziemia nie jest izolowanym systemem. To znaczy, że wzrost złożoności może zdarzać się na Ziemi tak długo, jak istnieje dopływ energii - w większości ze Słońca. A zatem, energia Słońca może spowodować wzrost porządku na Ziemi włączając w to złożone molekuły i organizmy. ^[6]

Jednak tego typu rozumowanie to grube nieporozumienie - Słońce może dostarczać energii ale nie organizacji i funkcjonalnej informacji. Aby energia została w ten sposób spożytkowana najpierw musi istnieć system jej przetwarzania i kanalizowania. Gdyby było inaczej, to najprostszą receptą na zbudowanie zaawansowanego samolotu byłoby dostarczanie energii cieplnej czy kinetycznej złomowisku. Zamiast budować fabryki, wystarczałoby podłączyć elektrownie do wielkiego złomowiska - w otwartym systemie energia "może zrobić" całą resztę.

Co różni nowoczesny samolot od kupy złomu o podobnej masie, proporcjach elementów i składzie chemicznym? I samolot i złom istnieją w perfekcyjnej zgodzie z prawami fizyki. Co je różni to funkcjonalna organizacja elementów. Ewolucjoniści wierzą, że fundamentalne prawa natury mają jakąś zdolność generowania tego typu układów. Jak dotąd jednak nie byli w stanie wykazać istnienia tego typu praw, sprzyjących powstawaniu funkcjonalnej złożoności. W prawach natury nie ma niczego, co sprzyjało spontanicznemu powstawaniu tego typu systemów. Nie ma żadnych znanych naturalnych „tendencji” preferujących powstawanie na złomowisku samolotów. W istocie jest dokładnie przeciwnie. Utrzymanie złożonego systemu w stanie funkcjonalności wymaga skorelowanego wysiłku (naprawy, konserwacja, itp.), czyli dostarczania energii, ale w bardzo specyficzny - sterowany inteligencją - sposób. Samolot pozostawiony na złomowisku sam sobie po jakimś czasie stanie się bezużyteczny, niezależnie ile byś mu dostarczał wolnej energii słonecznej, kinetycznej, czy jakiejkolwiek innej. Nie znamy żadnej naturalnej tendencji preferującej wyłanianie się z jeziora chemikaliów funkcjonalnych systemów, jak to opisałem wcześniej przy problemie Hampty-Dumpty. Jedyny znany czynnik zdolny do takiej organizacyjnej działalności to inteligencja. Jeśli eksperymentalnie nie wykaże się, że natura ma zdolności generowania funkcjonalnych systemów to właściwie nie ma o czym rozmawiać.

Co więcej, sama energia oprócz budowania struktur, ma także zdolność ich uszkadzania i niszczenia. Nikt rozsądny - nawet wierzący w moce "otwartych układów" ewolucjoniści - nie wierzy, że efektem długotrwałej ekspozycji komórek skóry na promieniowanie słoneczne będzie „wzrost złożoności i informacji”. Przeciwnie, efektem będzie ryzyko nowotworu, wskutek uszkodzeń przez energię Słońca subtelnych wewnątrzkomórkowych systemów. Energia ma więc działanie obosieczne - budowania wiązań chemicznych, ale i ich rozbijania. Na jakiej podstawie twierdzi się, że pozytywne efekty działania energii przeważają nad negatywnymi i powodują wzrost złożoności, a nie jej rozbijanie? „A odpowiedź, jaka nadeszła była żadna”.

Symboliczny zapis i przetwarzanie informacji

Biologiczne systemy w procesach życiowych używają symbolicznego zapisu i przetwarzania informacji, np. system DNA –> RNA –> białka, gdzie symboliczna informacja - plan budowy pierwszorzędowej struktury białek zakodowana w łańcuchu kwasu deoksyrybonukleidowego (DNA) jest czytana, interpretowana i wykonywana przez komórkową maszynerię, co przekłada się na powstanie finalnego produktu - białek. Ze swej natury, symboliczna informacja jest zewnętrzna w stosunku do swego nośnika. Co więcej, ta sama informacja może być przenoszona przez bardzo różne nośniki (radiowo, elektrycznie, światlowodem) i systemy kodowania, jak np. binarny czy analogowy. Znaczenie symbolicznej informacji pochodzi zaś z pewnej konwencji, systemu interpretacyjnego, który definiuje system mapowania symboli na ich znaczenie.

Dlaczego kodon (trójka nukleotydów) AUG koduje symboliczną informację oznaczającą aminokwas metioninę, a nie dajmy na to glicynę? Z podstawowych praw fizyki i chemii nie wynika nic, co by determinowało takie właśnie znaczenie tego kodonu, które nadawane jest przez komórkową maszynerię przetwarzającą tę informację. Podobnie, jak prawa te nie determinują, że napisane na kartce słowo ZAMEK ma takie czy inne znaczenie. W istocie - podobnie, jak w naszym języku, gdzie te same słowa mogą przenosić różne znaczenia - kodon AUG może kodować także sygnał START.

Podobną sytuację można zaobserwować w naszej techmologii, jak pisałem o tym wcześniej:

Analogia z techniką cyfrową może być pomocna. Załóżmy, że masz ciąg sygnałów elektrycznych lub świetlnych i luk pomiędzy nimi. Sygnał reprezentujesz jako 1, jego brak jako 0. Ostatecznie następujący otrzymujesz ciąg sygnałów i luk:

01000001

Co znaczy ta sekwencja? Otóż znaczyć może wiele różnych rzeczy, zależy jak oprogramowanie interpretuje taki ciąg sygnałów. Może to znaczyć literę „A” w kodzie ASCII. Ale może to też znaczyć liczbę 65. Może to być nagłówek pakietu transmisyjnego lub wskaźnik do komórki w pamięci komputera, może to znaczyć wiele innych rzeczy. Sama fizyczna natura impulsów nie determinuje ich znaczenia, ono jest dopiero nadawane przez odpowiednie oprogramowanie.

Powstanie na prebiotycznej Ziemi symbolicznej informacji to z punktu widzenia naturalistycznych, niekierowanych inteligencją procesów sprawa beznadziejna - one po prostu nie generują niczego takiego. Twierdzić inaczej, to twierdzić, że elektromagnetyczny szum emitowany przez gwiazdy ma moc zorganizowania się w przenoszący znaczenie system kodowania. Z analizy takich sygnałów możemy dowiedzieć się wielu interesujących rzeczy o emitujących je obiektach, ale nigdy nie są one nośnikiem dla symbolicznego kodu, jak ma to miejsce w naszej technologii radiowej czy światłowodowej.

Naturalne procesy mogą wytworzyć regularności (np. pulsary emitujące regularne impulsy), ale nigdy nie wygenerują symbolicznej informacji stowarzyszonej z jakimś systemem jej interpretacji. Jeśli przechwycimy kiedyś z kosmosu sygnał modulowany tak, by przenosił jakiś rodzaj kodu, postawi to na nogi nie tylko SETI, od kilkudziesięciu lat daremnie nasłuchującej takich sygnałów. A to dlatego, że będzie wskazywało to na inteligentne źródło takiego sygnału - właśnie przez użcie symbolicznego kodowania. Inteligencja to jedyne znane nam źródło zdolne do generowania kodów i związanej z nimi symbolicznego zapisu informacji.

Próby opisania czysto materialistycznego powstania życia to afirmacja, że życie to nic poza chemią. George Whitesides, chemik z Uniwersytetu w Harvardzie stwierdził: "Problem ten [powstania życia] jest jednym z największych w nauce. Jego początki wyznaczają miejsce życiu - i nam - we wszechświecie. Większość chemików - również ja - wierzy, że życie powstało spontanicznie z mieszanki cząstek na prebiotycznej Ziemi. Jak to się stało? Nie mam pojęcia". Zaraz potem Whitesides dodał: "Wierzę, że zrozumienie komórki jest ostatecznie zadaniem chemii i w zasadzie chemicy są najlepiej przygotowani by je podjąć. Komórka to pojemnik - pojemnik zawierający mniejsze pojemniki i pomocnie zorganizowane spaghetti zanurzone w żelu reagujących chemikaliów i w jakiś sposób zdolny do samoreplikacji". ^[7]

Taka redukcja jest jednak zupałnie nieprzekonywująca. Chemia dostarcza nośnika dla życia, ale informacja, jaką ten nośnik przenosi nie może być zredukowana do niego. "Bez wątpienia życie jest fenomenem chemicznym" - napisał Paul Davies. "Ale to, co je wyróżnia nie leży w chemii jako takiej. Zamiast tego sekret życia pochodzi z jego informacyjnych właściwości; żyjący organizm jest złożonym systemem przetwarzania informacji". ^[8] Znany chemik Michael Polanyi wyraził to jeszcze precyzyjniej: "Książka lub inny obiekt przenoszący wzorzec, który komunikuje informację jest zasadniczo nieredukowalny do fizyki i chemii. [...] Musimy odrzucić rozumienie wzorca, poprzez który DNA przenosi informację, jako część jego chemicznych właściwości". ^[9] Nośnik chemii przenosi wiadomość życia, ale nośnik sam w sobie nie może generować wiadomości - informacji. Sugerować co innego, to jakby sugerować, że atrament i papier mają zdolność zorganizować się same z siebie w przenoszący znaczenie tekst. Oczywiście, nie mają takich zdolności.

Przenoszący znaczenie tekst zawdzięcza je nie fizyce i chemii atramentu i papieru, ale wprowadzeniu semantycznej informacji stowarzyszonej z jakimś systemem kodowania. Na podobnej zasadzie życie nie zawdzięcza swojego powstania li tylko fizyce i chemii podstawowych jego budulców, ale wprowadzeniu biologicznie znaczącej informacji. Whitesides to bez wątpienia doskonały chemik. Idzie on jednak zbyt daleko w widzeniu wszystkiego, jako problem chemii przez co umyka mu, że pochodzenie informacji nie jest problemem chemii. Chemia może być nośnikiem informacji, ale nie jej źródłem. Zasady chemii opisują zarówno interakcje pośród cząstek, jak i kwantowe przejścia pomiędzy różnymi stanami cząstki. Nic w tych zasadach nie gwarantuje jednak formowania się sekwencji nukelotydowych i mapowanego na nie symbolicznego kodu. To, że Whitesides tego nie dostrzega nie jest być może takie zaskakujące - chemicy zwykle nie przejmują się kwestią powstania informacji ponieważ ich praca właśnie zakłada bystrego chemika gotowego, by ją wprowadzić. Tyle, że bystry chemik manipulujący chemicznymi eksperymentami tak, by wprowadzić do nich informację to rozumny projektant. Takie eksperymenty, jeśli mają wyjaśniać kwestię powstania życia, wspierają nie spontaniczne, ale rozumne jego powstanie.

Współczesna biologia zaczyna rozpoznawać kluczowe znaczenie informacji w zrozumieniu życia. Noblista i dyrektor Caltech, David Baltimore, opisując znacznie Human Genome Project, stwierdził : "Współczesna biologia to nauka o informacji". ^[10] Inny noblista Manfred Eigen zidentyfikował problem powstania życia z odkryciem "powstania informacji". ^[11] Biologowie John Maynard Smith i Eörs Szathmáry otwarcie umieścili informację w centrum biologii rozwoju i ewolucyjnej: "Centralną idą współczesnej biologii jest informacja. Biologia rozwoju może być widziana, jako badanie, jak informacja w genomie jest tłumaczona na strukturę dorosłego osobnika, a sama biologia ewolucyjna jako szukająca odpowiedzi na pytanie, jak ta informacja najpierw powstała". ^[12]

W zaczarowanym swiecie ewolucji kody piszą się same, ich systemy interpretacji powstają same a wyrafinowana maszyneria mapująca symboliczny zapis informacji na finalny produkt tworzy się sama w wyniku kumulowania się błędów. Niestety (albo na szczęście), kraina ta istnieje tylko w ewolucyjnej wyobraźni.

Przypisy

^[1] Kauffman, S. (1995) At Home in the Universe: The Search for the Laws of Self-Organization and Complexity. Oxford University Press: Nowy Jork, s. 31.

^[2] Bardi, J.S., Life - What We Know and What We Don't. TSRI News and Views (the online weekly The Scripps Research Institute, vol. 3, no 30, 11 October 2004.

^[3] Alberts, B., "The Cell as a Collection of Protein Machines: Preparing the Next Generation of Molecular Biologists", Cell 8 February 1998, vol. 92, no. 3, s. 291 [291-294].

^[4] Wilkins, A., "A Special Issue on Molecular Machines", BioEssays December 2003, vol. 25, no. 12, s. 1146 [1145-1146].

^[5] "Standard for Application and Management of the Systems Engineering Process - Description" (1998) Institute of Electrical and Electronics Engineers, Standards 1220-1998.

^[6] Does thermodynamics disprove evolution? BioLogos Fundation.

^[7] Whitesides, G.M., "Revolutions in chemistry (Priestly Medalist address)", Chemical & Engineering News, vol. 85, no 13, 26 March 2007, s. 12-17.

^[8] Davies, P. (1999) The Fifth Miracle: In Search for the Origin and Meaning of Life. Simon & Schuster: Nowy Jork, s. 19.

^[9] Polanyi, M. "Life transcending physics and chemistry", Chemical & Engineering News, 21 August 1967, s. 62.

^[10] Baltimore, D. (2000) DNA is reality beyond metaphor, Caltech and the Human Genome Project.

^[11] Eigen, M. (1992) Steps Towards Life: A Perspective on Evolution. Oxford University Press: Oxford, s. 12.

^[12] Smith, J.M. and Szathmáry, E. (1995) "The major evolutionary transitions", Nature vol. 374, s. 227-232.