Danuta Sobczyńska, "Nauka i filozofia o pochodzeniu życia" (2001)

 Rosnąć poczęły w zawody wielkie drzewa,

 Jak najpierw puch i włosy rosną w młodzieńczym czasie

 Na członkach czworonogów i ciałach rzeszy ptasiej –

 Tak młoda ziemia zrodziła najprzód wszelką roślinność.

 Potem się z różnych racji na różne sposoby rozwinął

 Rozmaity rodzaj zwierzyny. Ani bowiem

 Z nieba nie mogły zlecieć zwierzęta już gotowe,

 Ani się nie mógł zrodzić ród ziemski w mórz głębinie.

 Widać więc, że należne jest ziemi matki imię,

 Wszystko bowiem, co żyje, z niej tylko się zrodziło.

 Swoistą „biokosmologię” – traktowanie kosmosu jako żywego organizmu – uprawiali tak różni myśliciele, jak Plotyn neoplatonik czy mistycy chrześcijańscy – mistrz Erhardt, Jan Szkot, Hildegarda z Bingen, panteista Giordano Bruno czy materialista William Hobbes.

Filozoficzne spekulacje na temat biogenezy brzmią dzisiaj nader fantastycznie; nie są ciągle tym, czego poszukujemy. Idea biogenezy miesza się w nich z ideą „żywej Ziemi”, a doktryna „wielości światów” nie doczekała się weryfikacji. Zwróćmy się zatem w stronę nauki, a później sprawdzimy, co zostało jeszcze dzisiaj aktualne z idei filozoficznych. Wokół pytania o początki życia na Ziemi (czyli o biogenezę) wyrosła nowa, prężna nauka – biogenetyka.

 Spróbujmy na początek odpowiedzieć na podstawowe pytanie: „co to jest życie”? Możemy wyróżnić funkcjonalną i strukturalną definicję życia. Pierwsza z nich zatrzymuje się na podstawowych funkcjach żywego organizmu, takich jak metabolizm, zrównoważone trwanie w zmieniającym się środowisku, zdolność do reprodukcji. Ewolucjonistyczna odmiana tego rodzaju definicji mówi, że żywy jest każdy układ zdolny do reprodukcji i mutacji, i znowu reprodukcji swoich mutacji. Strukturalne definicje życia odwołują się do typu substancji, z których zbudowane są organizmy żywe, a więc do białek, kwasów nukleinowych, enzymów itd.

 Nietrudno zauważyć, że wszystkie te definicje zostały wyprowadzone na podstawie obserwacji ziemskiego życia, nie posiadają więc uniwersalności kosmologicznej. Poszukiwanie życia we wszechświecie, chociażby w najbliższym sąsiedztwie, na Księżycu i na Marsie, jest zwykle poszukiwaniem jego ziemskiego analogu. Powinniśmy pamiętać, że życie jest funkcją biosfery, że wyrasta z „gleby” macierzystego środowiska. Próbujemy jednak mieć nadzieję, że poznanie, na jedynym znanym nam przykładzie, uniwersalnych prawidłowości powstania życia, pozwoli na jego rozpoznanie, gdybyśmy trafili na jakąś jego chociażby wczesną formę, gdzie indziej. Jak to więc było na Ziemi?

 Zacznijmy od pojęcia ewolucji chemicznej, czyli dziejów tablicy Mendelejewa. Czy pierwiastki chemiczne istnieją „od zawsze” w niezmienionej postaci, tak jak gatunki według biblijnej relacji, czy też powstały i ukształtowały się w jakiś sposób? Ten problem rozważał już Arystoteles: „mamy do rozstrzygnięcia na pierwszym miejscu, czy elementy są wieczne, czy też powstają i giną. Gdy tę kwestię rozstrzygniemy, okaże się jasno, ile ich jest i jakie one są”. Doprawdy, były to prorocze słowa. Dzieje pierwiastków wiążą się bowiem z ewolucją kosmosu.

 Szacuje się obecnie, że od Wielkiego Wybuchu minęło 15–18 miliardów lat. W pierwszej fazie po wybuchu powstały fotony i inne postacie promieniowania, a później, stopniowo, kolejne generacje cząstek elementarnych. O ewolucji chemicznej możemy mówić wraz z powstaniem pierwszego pierwiastka – wodoru. Kolejne generacje pierwiastków powstały w jądrowych reakcjach astrofizycznych zachodzących w gwiazdach. Znany francuski filozof, A. Comte, twórca pozytywizmu, głosił w połowie ubiegłego stulecia, iż skład chemiczny gwiazd na zawsze pozostanie tajemnicą. Jednakże nauka odkrywa dane lub kreuje fakty, o których filozofom się nie śniło... W kilka lat po zapowiedzi Comte’a skierowano w niebo pierwsze spektroskopy i wiele tajemnic się wyjaśniło. Spójrzmy na rysunek 1.  

 Trwający wiele miliardów lat proces nazywany ewolucją chemiczną podzielić można na dwa etapy. Pierwszy z tych etapów to „ewolucja w obrębie układu okresowego”, związana z gwiazdami. Etap II to ewolucja w obrębie związków chemicznych. Ta związana jest z warunkami planetarnymi i może przebiegać od najprostszych połączeń chemicznych aż do wytworzenia – w sprzyjających warunkach – struktur bioorganicznych.

 Ewolucja chemiczna w etapie I, według współczesnej wiedzy, obejmuje cztery zasadnicze fazy związane z rozwojem określonych populacji gwiazd. W 1952 r. ogłoszono, w grupie fizyków i astrofizyków, dobrze uzasadnioną teorię, według której synteza pierwiastków przebiega na wszystkich etapach ewolucji gwiazd. Natomiast do syntezy cięższych nuklidów potrzebne są warunki specjalne, zwłaszcza wysokie temperatury. Ciężkie metale syntetyzowane są podczas wybuchu gwiazd supernowych. Panujące podczas wybuchu temperatury rzędu 10⁹ stopni C powodują syntezę ciężkich jąder, a ekstremalne ciśnienie podczas wybuchu rozprasza pierwiastki po rozległych obszarach kosmosu. Są to poniekąd „popioły” po spaleniu gwiazdy.

 Widzimy więc, że pierwiastki „powstają i giną”, i że proces ten jest sprzężony z megaewolucją wszechświata i z ewolucją gwiazd. Gwiazdy to „wytwórnie pierwiastków”, gigantyczne reaktory jądrowe. Mało tam natomiast związków chemicznych, gdyż panujące warunki są zbyt ekstremalne do przebiegu zwykłych reakcji chemicznych. 
> <shapetype id="_x0000_t75" coordsize="21600,21600" stroked="f" filled="f" path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe" o:spt="75" o:preferrelative="t"><shapetype>            

 Rys. 1. Schemat przebiegu chemicznej ewolucji materii – dwa główne jej etapy 
> (według Pakszys i Sobczyńskiej 1984)<font>

 Królestwem reakcji chemicznych i ojczyzną wielkiej różnorodności związków chemicznych są natomiast planety. W drugiej fazie ewolucji chemicznej mamy do czynienia z typowymi dla danej planety procesami „geo”fizycznymi i „geo”chemicznymi, krążeniem i wymianą substancji, cyklami obiegu pierwiastków, procesami parowania, skraplania, opadów, erozji, wietrzenia, krystalizacji itp., w których tworzą się – i rozkładają – typowe dla danej planety substancje. Każda planeta jest w miarę zrównoważonym układem, o własnej dynamice przemian i własnej „geo”chemii; każda też zasilana jest energetycznie przez macierzystą gwiazdę, i każda – prawdopodobnie – posiada własne zasoby energii, jak np. Ziemia – gorące jądro. Wszystkie planety to układy posiadające własną „geo”logiczną historię. Wszystkie powstały, jak sądzimy, z mgławic protosłonecznych swoich macierzystych gwiazd. Wszystkie od okresu formowania się i „rośnięcia” wchodzą w miarę stabilny okres dojrzałości. Niektóre w swej historii przeżywają wydarzenia katastrofalne, jak zderzenia z wielkim meteorem lub asteroidem, które radykalnie zmieniają ich orbitę, strukturę, powierzchnię. Wszystkie też czeka kres istnienia, wraz z wygasaniem ich macierzystego słońca. Filozofowie nazywają tę „osobistą historię” planet „nieperspektywiczną gałęzią rozwoju”.

„Gałęzią perspektywiczną” nazywamy zaś to, co wydarzyło się na Ziemi – powstanie życia, które nauka (protobiologia, biogenetyka) pragnie wyjaśnić. Realne przesłanki do takich wyjaśnień zaistniały dopiero w XIX stuleciu i wywodziły się głównie z biologii i chemii. Prześledźmy krótko chronologię wydarzeń:

- 1824-1828 – synteza mocznika z substancji nieorganicznych dokonana przez Wöhlera;

- ok. 1850 – syntezy barwników organicznych dokonane przez Perkina;

- pierwsza połowa XIX w. – rozmaite teorie ewolucji kładące nacisk na jedność wszelkich form życia;

- 1859 – teoria ewolucji Darwina i jego wypowiedzi o możliwości „naturalnych początków” życia;

- 1850-1880 – prace L. Pasteura: obalenie teorii samorództwa, odkrycie prawo- i lewoskrętnych cukrów, roli bakterii w procesie fermentacji.

 - 1897 – Richard Krzymowski, syn polskiego emigranta, zamieszkały w Szwajcarii, ogłasza w piśmie „Die Natur” artykuł nt. biogenezy substancji żywej z materiału nieorganicznego.

 W tym okresie stosunkowo liczni przyrodnicy (np. docent Warszawskiej Szkoły Głównej, Edward Strasburger) i filozofowie (Herbert Spencer, Ernest Haeckel, Argentyńczyk Jose Ingeggnieros) porzucili już wiarę w samorództwo, lecz ideę ewolucjonizmu zaczęli postrzegać jako naturalne przejście od związków nieorganicznych do organicznych, a dalej, być może „krystalizację” coraz bardziej skomplikowanych cząsteczek organicznych w pierwsze formy życia. Koncepcje powstałe w wieku XIX nie uwzględniały w należytym stopniu geologicznej skali czasu, gdyż i poglądy na wiek Ziemi nie były jeszcze sprecyzowane.

 Na przełomie XIX i XX w. powróciła na krótko koncepcja panspermii – jako fotopanspermia. Poglądy takie forsował znany szwedzki fizykochemik, S. Arrhenius (twórca teorii dysocjacji elektrolitycznej). Jego zdaniem, zarodki życia – przetrwalnikowe formy bakterii – wędrują przez kosmos unoszone siłą ponderomotoryczną światła gwiazd. W ten sposób na Ziemi zostało „zasiane” życie i nasza planeta jest nim zasilana w sposób ciągły. Hipoteza ta nie znalazła uznania w świecie naukowym.

 W XX stuleciu próby naukowego i filozoficznego ujęcia problemu biogenezy skupiały się wokół nurtu materialistycznego wyznaczonego przez monizm Haeckla. Pojawia się w tym okresie kilka twórczych pomysłów pochodzących od zapomnianych dziś autorów (A. Kahl, D. Pallacios, M. Kuckuck, L. Rhumbler, I. Lichtig, R. Woltereck). Szczególnie ważne było założenie o tym, że stan powierzchni i atmosfery ziemskiej był kiedyś zupełnie różny od współczesnego, oraz propozycje abiogennych syntez substancji biologicznych.

 Znaczny postęp nastąpił, gdy w 1924 r. Aleksander Oparin ogłosił swoją „teorię koacerwatów”. Teoria ta miała wiele wersji, ostatnia z prac Oparina ukazała się w roku 1977! Dzisiaj koncepcja ta jest znana jako teoria Oparina–Haldana. Opiera się ona na trzech założeniach:

 - życie jest wynikiem ewolucji materii;

 - cały świat żywy wywodzi się od wspólnych przodków;

 - życie koncentruje się w układach względnie odgraniczonych od otoczenia – koacerwatach.

 Koacerwaty to proste, otwarte układy wielofazowe – wymieniające energię i materię z otoczeniem. Mogą w nich przebiegać procesy utleniania i redukcji. Energia powstała w wyniku tych procesów może umożliwiać przemiany chemiczne i „samomontaż” cząsteczek białek i kwasów nukleinowych w środowisku wodnym, w pierwotnym „bulionie”. Wykluczone jest tutaj działanie doboru przedbiologicznego; większy nacisk kładzie się na aktywność katalityczną białek, działających jako pierwotne enzymy. Katalizowanie daje pewne uprzywilejowanie fizyko–chemiczne niektórym reakcjom. Zachodzi więc tutaj przeciwstawienie dużego pola możliwości chemicznych – możliwościom zawężonym, lecz uprzywilejowanym. Powstanie koacerwatów otwiera nowy etap ewolucji, ale nie oznacza jeszcze powstania istot żywych. Dalsze stadia obejmują zdolność syntezy enzymów, przekazu informacji, zmiany typu metabolizmu itp. Powstawanie tych cech odbywało się już pod kontrolą przedbiologicznego doboru naturalnego.

 Badanie procesów ewolucji prebiotycznej jest trudniejsze niż badanie przebiegu ewolucji w fazie wyższych organizmów. Ta pierwsza bowiem, w przeciwieństwie do drugiej nie pozostawiła żadnych materialnych śladów, oprócz pewnych śladów biochemicznych w genach prymitywnych bakterii. Pośrednim i ciągle niedoskonałym jej świadectwem są natomiast bardzo liczne eksperymenty modelowe, imitujące przebieg procesów zachodzących na pierwotnej Ziemi.

  Rys. 2. Przykład układu reakcyjnego do eksperymentu modelowego w dziedzinie biogenezy (według Orgela 1994)  

Rys. 3. Zestawienie współczesnych koncepcji biogenezy (według Ługowskiego 1990)

 Teoria Oparina stała się swego rodzaju paradygmatem protobiologii. Nawiązywało do niej lub nawiązuje ponad sto różnych koncepcji teoretycznych (por. rys. 3).

 Przedstawmy tutaj dokładniej kilka najważniejszych:

 1. Teoria mikrosfer: S. Fox, K. Dose

 Zakłada się tutaj decydującą dla biogenezy rolę białek. Termiczna synteza w fazie stałej prowadzi do powstania aminokwasów, peptydów, białek. Białka w kontakcie z wodą tworzą mikrosfery. Ukształtowanie komórki i aparatu genetycznego – to drugi etap ewolucji.

 2. Teoria predestynacji biochemicznej: D.H. Kenyon, G. Steinman

 Autorzy rozpatrują rozmaite warianty pierwotnej syntezy biochemicznej, gdyż odtworzenie rzeczywistych warunków na młodej Ziemi jest niemożliwe. Zakładają funkcjonalne i strukturalne podobieństwo pierwotnych protokomórek ze współczesnymi prymitywnymi postaciami życia. Predestynacja biochemiczna miała znaczenie decydujące do momentu powstania kompleksów nadmolekularnych. Przy przejściu do materii ożywionej głównym mechanizmem ewolucyjnym staje się oddziaływanie ze środowiskiem.

 3. Teoria samorozwoju układów katalitycznych – A.P. Rudenko

 Rudenko opracował teorię samorozwoju systemów katalitycznych i zastosował ją do rozwiązania problemów powstania pierwotnych układów ożywionych. Podstawowy obiekt ewolucji stanowi katalizator elementarny – najmniejsza część cząsteczki zachowująca zdolności katalityczne. W procesie biogenezy są to aktywne centra cząsteczek peptydów. Rozwój dokonuje się dwutorowo – poprzez zmianę struktury katalizatora i poprzez zmianę kinetyki procesu. W toku rozwoju układów katalitycznych, czyli wzrostu struktur białkowych, dochodzi do wzrostu energii układu podstawowego, stopnia stabilności termodynamicznej i wzrostu intensywności strumienia informacji.

 4. Teoria samoorganizacji cząsteczek – M. Eigen i P. Schuster

 Jedna z najważniejszych koncepcji w dziedzinie protobiologii. Stanowi próbę odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób powstaje informacja biologiczna i w jaki sposób uzyskuje sens w rezultacie działania doboru naturalnego? Dokładny opis „historyczny” tego procesu nie jest możliwy – ważniejsze jest określenie jego ogólnych prawidłowości. Autorzy wykorzystują termodynamikę procesów nieliniowych w wersji P. Glansdorfa i I. Prigogine’a. „Dobór” i ewolucja o charakterze biochemicznym muszą zachodzić w stanach oddalonych od równowagi termodynamicznej; synteza makrocząsteczek zachodzi przy udziale wysokoenergetycznych monomerów, muszą też występować cząsteczki zdolne do autokatalizowania procesu.

 Powyższe główne koncepcje, a także wiele im pokrewnych, pozostaje w kręgu działania „paradygmatu Oparina–Haldana”. Niektórzy nazywają go „paradygmatem gorącym” lub „żeńskim” – zaraz zobaczymy dlaczego. Główne kontrowersje, jakie rysują się w obrębie hipotez należących do tego nurtu, dotyczą kwestii: czy biogeneza przebiegała „na sucho” – czy „na mokro”, czy na powierzchni Ziemi, w atmosferze, czy na skałach, i wreszcie – według jakich mechanizmów. Spory dotyczą także kwestii „pierwszeństwa” białek lub kwasów nukleinowych. O ile aminokwasy i białka syntetyzowano w licznych eksperymentach modelowych, tym czego brakuje w planetarnej linii ewolucji prebiotycznej, są pierwotne cząsteczki kwasów nukleinowych. W tej sytuacji oczy licznych badaczy kierują się ku niebu.

 Odżywają dzisiaj na nowo koncepcje panspermii tak fantastyczne, jak panspermia kierowana Orgela i Cricka lub mające więcej cech wiarygodności, jak koncepcje litopanspermii. Ostatnie dwadzieścia lat dostarczyło bezpośrednich dowodów na to, że ewolucja chemiczna w cząsteczkach pyłu kosmicznego wchodzących w skład komet osiągnęła wysokie stadium.

 Spektrometry masowe zainstalowane na pokładach sond kosmicznych wykryły w „ogonie” komety Halleya liczne związki organiczne zawierające azot i tlen oraz wiązania wielokrotne, wskazujące na ich wysoką reaktywność. Frakcja nieorganiczna cząsteczek pyłu komet zawiera natomiast katalizatory potrzebne do tego, aby substancje organiczne w zetknięciu z wodą mogły utworzyć niezbędne prekursory cząsteczek białkowych i kwasów nukleinowych. Ponadto ziarna pyłu mają porowatą konsystencję, mogą więc służyć jako ograniczniki fazowe dla ewoluujących substancji organicznych. Wielkie bogactwo stosunkowo skomplikowanych związków organicznych odkryto także w niektórych meteorach docierających na Ziemię. Czyżby zatem możliwa była ewolucja prebiotyczna w przestrzeni kosmicznej? Koncepcja taka zaczyna gościć na łamach pism naukowych i na konferencjach poświęconych biogenezie. Wiele wskazuje na możliwość biogenezy w przestrzeni kosmicznej. Ze względu na niskie temperatury i niskie ciśnienie, a więc warunki zdecydowanie różne od ziemskich – tę linię ewolucji nazwano „zimną” lub „męską”.  

> <font>Rys. 4. Porównanie składu produktów reakcji modelowej i składu meteorytu (według Orgela 1994)

 W tym oto miejscu tradycja mitologiczna i fantazja filozofów przyrody spotykają się z empirycznymi przesłankami nauki: oto bóg nieba zapładnia matkę – Ziemię, oto ziemska – gorąca linia ewolucji prebiotycznej łączy się z linią zimną, męską, kosmiczną.

 Ewolucja ziemska dostarczałaby aminokwasów i białek, ewolucja kosmiczna – kwasów nukleinowych. Powstał zatem nowy scenariusz biogenezy: połączyły się charakterystyki obu linii ewolucji molekularnej – rozbieżne z fizycznego, a komplementarne z biologicznego punktu widzenia.

 Rys. 5. Spotkanie „gorącej” i „zimnej” linii biogenezy (według Ługowskiego 1990)

 LITERATURA

 Bernstein M.P., Sandford S.A., Allamandola L.J., 1999, Pozaziemskie cząsteczki życia, „Świat Nauki” nr 9.

 Kirshner R.P., 1994, Pierwiastki Ziemi, „Świat Nauki” nr 12.

 Leśniak K., 1985, Lukrecjusz, Wiedza Powszechna, Warszawa.

 Ługowski W., 1985, Kategoria zmiany jakościowej a biogeneza, Wyd. PAN, Wrocław, Warszawa, Kraków, Gdańsk, Łódź.

 Ługowski W., 1995, Filozoficzne podstawy protobiologii, Wyd. IFiS PAN, Warszawa.

 Orgel L.E., 1994, Narodziny życia na Ziemi, Świat Nauki” nr 12.

 Pakszys E., Sobczyńska D., 1984, Od ewolucji chemicznej ku biologicznej. Próba analizy systemowej, „Studia Filozoficzne” nr 5.

 Ryszkiewicz M., 1994, Matka Ziemia w przyjaznym kosmosie, PWN Warszawa.

 Sobczyńska D., 1983, Ewolucja chemiczna a dialektyka rozwoju wszechświata, „Człowiek i Światopogląd” nr 4.

 Weinberg S., 1994, Życie we Wszechświecie, „Świat Nauki” nr 1

  Publikację w formacie *.htm przygotował Michał Cichocki [email protected]