Rozdział 1
Zdumiewająca komórka
Zobaczyć świat w ziarenku piasku,Niebiosa w jednym kwiecie z lasu.W ściśniętej dłoni zamknąć bezmiar,W godzinie - nieskończoność czasu[2].
William Blake
Komórki są zdumiewające. Nawet ktoś, kto nie jest biologiem, postrzega je jako wyjątkowe obiekty o niezwykłych możliwościach. Zgodziłby się z tym każdy, kto widział leukocyt (białą krwinkę), który celowo i konsekwentnie ściga bakterię w kropli krwi. Aby zobaczyć to na własne oczy, można obejrzeć w Internecie krótki film Davida Rogersa Neutrophil Chasing Bacteria[3]. To, co obserwujemy, wydaje się przekraczać granice naszego pojmowania - drobinka materii, niewidoczna gołym okiem, tak mała, że 100 z nich zmieściłoby się na główce szpilki, zdaje się wykazywać zamiar i sprawczość. Przypomina to pogoń kota za myszą, geparda za gazelą na afrykańskiej sawannie czy człowieka za kudu na pustyni Kalahari.
Zdumienie jest tym większe, że ta zdolność najprawdopodobniej wynika ze złożoności atomowej owej cudownej drobinki materii. Złożoności, dodajmy, która wykracza poza nasze typowe doświadczenia. Komórka składa się z trylionów atomów upakowanych na przestrzeni mniejszej niż jedna milionowa objętości ziarenka piasku, a jej złożoność jest porównywalna z jumbo jetem. W odróżnieniu jednak od jumbo jeta, nanotechnologii czy innych zaawansowanych, stworzonych przez ludzi technologii, ten fenomenalny byt jest zdolny do replikacji. Oto "maszyna nieskończoności", której własności wydają się magiczne.
Pod względem budowy komórki nie mają sobie równych w świecie materialnym. Prawdopodobnie nie odkryliśmy w pełni ich złożoności[4]. Jeszcze w 1913 roku, kiedy Lawrence Henderson napisał swoje klasyczne dzieło The Fitness of the Environment, komórka była czarną skrzynką, a jej złożoność molekularna pozostawała tajemnicą. Dopiero gdy w połowie XX wieku rewolucyjna biologia molekularna uchyliła rąbka tajemnicy, naukowcy zaczęli pojmować wyrafinowanie tych niezwykłych fragmentów materii. Każda następna dekada badań ukazywała kolejne warstwy złożoności. Odkrywanie w miarę rozwoju nauki coraz bardziej skomplikowanych struktur i systemów (łącznie z niezwykle złożonymi topologiami DNA oraz wielkim i powiększającym się inwentarzem molekuł małych regulatorowych RNA) świadczy o tym, że prawdopodobnie wiele jeszcze zostało do odkrycia. Możliwe, że dostrzegamy jedynie niewielką część tego, co komórki sobą reprezentują.
Jak przyznała Erica Hayden w czasopiśmie "Nature", "w miarę jak sekwencjonowanie i inne technologie przynoszą nowe dane", złożoność ukazana przez biologię komórkową "zdaje się wzrastać. Zagłębianie się w nią przypomina spojrzenie w głąb zbioru Mandelbrota [...], pozwala dostrzegać coraz bardziej skomplikowane wzorce w miarę zbliżania się do jego granicy"[5].
Nie wiemy jeszcze wszystkiego o komórce, lecz nawet zgodnie z aktualnym, ograniczonym stanem wiedzy na temat jej złożoności, ta drobna jednostka zwartego, adaptacyjnego wyrafinowania jest czymś w rodzaju trzeciej nieskończoności. Podczas gdy kosmos wydaje się nieskończenie wielki, a świat atomów nieskończenie mały, komórka jawi się jako nieskończenie złożona.
Niezmierna złożoność komórek, nieporównywalna z żadną inną formą materii, to jednak nie wszystko. Pod wieloma względami wydają się one świetnie przystosowane do pełnienia funkcji podstawowej jednostki życia biologicznego. Jednym z elementów tego przystosowania jest ogromna różnorodność ich form. Porównajmy neuron z czerwoną krwinką, komórkę skóry z komórką wątroby, leukocyt ameboidalny z komórką mięśni. W ludzkim ciele występuje każda z tych form oraz wiele innych. Weźmy różnorodność orzęsek. Począwszy od przypominającego trąbkę Stentora, a skończywszy na osobliwym Paramecium, formy orzęsek są wręcz nieprawdopodobnie zróżnicowane. Kolejny przykład to promienice (zobacz ilustracja 1.1). Nawet w obrębie tej małej grupy spokrewnionych organizmów różnorodność form komórkowych jest zadziwiająca, chociaż wszyscy członkowie tego niesamowitego zbiorowiska powstali na podstawie tego samego wzorca.
O niezwykłym przystosowaniu komórek do pełnienia funkcji podstawowych jednostek życia świadczą również ich zdumiewające zdolności i różnorodność pełnionych funkcji, jak ma to miejsce choćby w przypadku drobnej cylindrycznej bakterii E. coli w jelitach człowieka. Howard Berg dziwił się wszechstronności i możliwościom tego miniaturowego organizmu, określał jego talenty "legionem". Stwierdził, że ten drobny twór, który ma mniej niż jedną milionową metra średnicy i dwie milionowe metra długości, tak mały, że "20 z nich zmieściłoby się w pojedynczym pręciku ludzkiej siatkówki", jest "zdolny do liczenia molekuł określonych cukrów, aminokwasów lub dwupeptydów, do integracji podobnych lub różnych bodźców sensorycznych w czasie i przestrzeni, do porównywania obliczeń dokonanych w niedalekiej i dalszej przeszłości, do wywoływania reakcji wszystko albo nic, pływania w lepkim środowisku [...], a nawet do tworzenia wzorców"[6].
Ilustracja 1.1. Skorupy promienic, plansza 31 z Kunstformen der Natur Ernsta Haeckela, 1904 (źródło: domena publiczna).
Komórki poruszają się też na wiele różnych sposobów. E. coli przemieszczają się dzięki przypominającej śrubę napędową wici bakterii. Innym służą do tego celu uderzenia rzęsek. Niektóre pełzają. Kolejne wysuwają nibynóżki i chwytają nimi małe obiekty, które znajdują się obok.
Niektóre komórki są w stanie przetrwać przez setki lat desykację. Mają wewnętrzne zegary i potrafią mierzyć upływ czasu[7]. Mogą też wyczuwać pole elektryczne i magnetyczne oraz komunikować się za pomocą sygnałów chemicznych i elektrycznych. Są i takie, które potrafią pokrywać się przypominającą pancerz łupiną. Inne mają zdolność widzenia; pewien gatunek orzęsek jest wyposażony w soczewkę, która de facto pełni funkcję oka, dzięki czemu może zogniskować obraz innej części cytoplazmy. Wszystkie bardzo łatwo się replikują, podczas gdy tej umiejętności nie mają nawet najbardziej złożone ludzkie artefakty. Niektóre potrafią się nawet kompletnie odtworzyć z drobnych fragmentów wyciętych z komórki z chirurgiczną precyzją![8]
Z tych niezwykłych drobinek uporządkowanej materii składa się każdy wielokomórkowy organizm na Ziemi, w tym ciało człowieka, które stanowi ogromny zbiór liczący biliony komórek. Komórki budują ludzki mózg, wytwarzając milion połączeń na minutę przez dziewięć miesięcy ciąży. Tworzą płetwale błękitne, motyle, ptaki i ogromne sekwoje w parku Yosemite. Były z nich zbudowane dinozaury i wszystkie dawne formy życia na Ziemi. Na przestrzeni ostatnich trzech miliardów lat aktywność najprostszych komórek stopniowo przekształciła planetę, wytwarzając tlen poprzez fotosyntezę i pobudzając w ten sposób wszystkie wyższe formy istnienia. Są one uniwersalnym zestawem konstrukcyjnym życia na Ziemi. Krótko mówiąc, ich możliwości wydają się niemal nieograniczone, mogą przybrać niemal każdy kształt i wykonać każdy rozkaz. Pod wszelkimi względami wydają się doskonale przystosowane do swojego zadania, jakim jest stworzenie biosfery pełnej organizmów wielokomórkowych takich jak człowiek.
Kiedy obserwujemy poczynania pierwotniaków w kropli wody lub wybryki leukocytu ścigającego ruchem ameboidalnym bakterię w ludzkim krwiobiegu, trudno oprzeć się wrażeniu, że te mikroskopijne formy życia są odczuwającymi, autonomicznymi bytami. To wrażenie odnoszono już ponad 100 lat temu, gdy dysponowaliśmy jedynie stosunkowo prymitywną technologią mikroskopową[9]. Obecnie jest ono jeszcze silniejsze.
Nie tylko ich strategie łowieckie (widoczne na filmie przedstawiającym pościg leukocytu za ofiarą) przypominają zachowania organizmów wyższych. Kolejnym uderzającym przykładem są rytuały godowe orzęsek obejmujące tańce godowe, wzajemną naukę, wielokrotne kontakty fizyczne potencjalnych partnerów, a nawet oszustwa podczas demonstrowania sprawności reprodukcyjnej[10]. Jeden z twórców behawioryzmu, Herbert Spencer Jennings, przypuszczał, że pierwotniaki mają zdolność odczuwania. Jak przyznał: "Gdyby ameba była dużym zwierzęciem, z którym ludzie stykaliby się na co dzień, na podstawie jej zachowania natychmiast przypisano by jej odczuwanie przyjemności i bólu, głodu, pożądania itp., z tych samych powodów, dla których przypisujemy je psu"[11].
Niedawno biolog Brian Ford doszedł do takich samych wniosków co Jennings: "Mikroskopijny świat pojedynczej żywej komórki pod wieloma względami odzwierciedla nasz własny - komórki są autonomiczne, odczuwające i pomysłowe. W życiu pojedynczych komórek możemy dostrzec korzenie naszej inteligencji"[12].
Zauważa też, że "postrzegamy ameby jako proste i prymitywne. Wiele rodzajów ameb konstruuje jednak szkliste powłoki, zbierając ziarenka piasku z błota, w którym żyją. Na przykład typowa skorupa Difflugia ma kształt wazy i charakteryzuje się niezwykłą symetrią [...]. Nie wiemy, jak ten jednokomórkowy organizm buduje swoją skorupę"[13].
Nawet jeśli komórki nie są bytami odczuwającymi, to pod względem dokonań, złożoności, różnorodności struktur i funkcji są zadziwiające. Ich unikatowe własności, które Jacques Monod nazwał "demonicznymi mocami katalitycznymi"[14], a także niezwykłe przystosowanie do pełnienia szczególnej funkcji tworzywa życia na Ziemi, są ewidentnym fenomenem dla każdego, kto poświęci im choćby chwilę uwagi.
Jeszcze większym fenomenem jest zdumiewające przystosowanie przyrody, które umożliwia powstanie najprostszej komórki opartej na węglu. W kolejnych rozdziałach przekonamy się, że przejawia się ono w unikatowej przydatności atomów wielu pierwiastków z pierwszej połowy układu okresowego, a dokładniej ich właściwości, do pełnienia funkcji niezbędnych do zebrania podstawowych składników makromolekularnych, a także do fizjologicznego funkcjonowania komórki. Określam to mianem paradygmatu unikalnego przystosowania.
Przekonamy się też, że owo przystosowanie przejawia się również w niezwykłej zdatności wody do pełnienia funkcji macierzy komórki, jak również, że rezultatem procesów chemicznych zachodzących w mrocznej przestrzeni międzygwiezdnej jest abiotyczna synteza wielu molekularnych monomerów wykorzystywanych przez pierwsze komórki do budowy składników makromolekularnych. Innymi słowy, "demoniczne" przystosowanie komórki zależy od bardziej zaawansowanego przystosowania, wpisanego w strukturę rzeczywistości. To głębsze przystosowanie jest wpisane w prawa natury od zarania czasu i potwierdza opinię Lawrence'a Hendersona, który stwierdził, że kosmos stanowi biocentryczną całość[15].
Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki