Replikator. Czymże on jest? 

Według biologów jest pierwotną cząstką życia, tym pierwszym fundamentem wszystkich organizmów. To on jako pierwszy rozmnażał się, reagował na bodźce i pochłaniał energię, by przetrwać. 

Co sprawiło, że martwa, chemiczna cząsteczka nagle zamieniła się w żywy organizm, walczący o to, by się rozmnożyć? 

Problem w tym rozumowaniu jest taki, że składa się ono z bardzo nieciągłych elementów. Innymi słowy, są w nim wyznaczone pewne określone punkty, mówiące, że coś stało się dokładnie teraz. Że z obłoku związków chemicznych nagle wyłoniła się skomplikowana maszyna przetrwania, która w mig zaczęła się replikować i po kilku chwilach z jeziora wyszedł krokodyl. Nie. Nawet nie po kilku latach. Ani milionach lat. Być może nawet trwało dłużej niż półtora miliarda lat. 

Wróćmy do naszego życia, które dopiero co pławi się w pierwotnym bulione, dopiero co kształtuje swoje prawdziwe oblicze. 

Choć tu również dominował błąd w rozumowaniu. ,,Kształtować’’, czy nawet ,,pławić się’’ to określenia, które pokazują, że coś zmienia swój stan. Że coś szybko ewoluuje. A w rzeczywistości, zanim powstał replikator, wiele różnych ,,prawie’’ żywych procesów musiało złączyć się w jedno. Jeśli mówimy o ewolucji, musimy przestać myśleć w kategoriach ,,to wydarzyło się dokładnie teraz’’. Wszystko, nawet samo wydarzenie, było podzielone na stopniowy, powolny dobór. Cytozyna połączyła się jakimś cudem z adeniną, tylko że pochłonęło to ogromną ilość czasu. Tak jak samo powstanie cytozyny, z jeszcze prostszych elementów. Bulion pierwotny, złożony z wody, metanu, wodoru i amoniaku mieszał się w wieczności, sprawiając, że elementy łączyły się ze sobą, zmieniają swoją postać, tworząc organiczne cząstki i na nowo rozpadając się. Wieczna, bezustanna oscylacja. 

Ale jednak, nasze ,,nieciągłe myślenie’’, jak je nazwał następca Darwina, Richard Dawkins, w swojej książce ,,Opowieść Przodka’’, podpowiada nam, że w jakimś momencie musiał zajść ten początek, gdy ostatnia część biologicznego klucza spotkała się z biologicznym odpowiednikiem dziurki od klucza i utorowała drogę nam, oraz wszystkim innym istotom na tej planecie. 

Biolodzy nie znają dokładnej daty. Jest to równie trudne do rozstrzygnięcia, jak powstanie całego wszechświata. Datowanie rozgałęzień, w jakich pnie się drzewo przodków ucina się, gdy docieramy do przodka sprzed miliarda lat. Książka Dawkinsa, o której już tu wspomniałem, opisuje pielgrzymkę w stronę początków życia. Droga, którą podążają pielgrzymi jest niezwykle kręta i wyboista, szczególnie, gdy mijają bakterie i archeony. Wtedy przypomina czarne szlaki gór skalistych. Naukowcy musieli się wiele natrudzić, by tą drogą przejść i zrozumieć dokąd prowadzi, gdyż w tamtym okresie - miliardy lat temu - wszelkie skamieniałości praktycznie straciły znaczenie. By odgadnąć, jakie widowisko ukazywały organizmy w tamtym okresie, biolodzy korzystają z metod porównawczych, analizując szczegółowo drogę poprzednich przodków i na tej podstawie snują mnóstwo domysłów. Każdy organizm musi przecież jakąś podstawową jednostkę, która trwa niezmiennie, niezależnie od tego, jaki fenotyp (wygląd) i genotyp posiądzie dany organizm. Jednak, czy domysły mogą nam wiele powiedzieć, o tym gdzie zaczęło się życie? A tym bardziej, jak się zaczęło?

Co właściwie musiało się wydarzyć, żeby nieżywa, chemiczna

 cząstka zaczęła się rozmnażać i żyć?

Istnieje mnóstwo teorii na ten temat. Czy życie zostało utorowane przez obcą cywilizację, zgodnie z teorią Panspermii? - pytał niegdyś siebie wielki biolog Francis Crick. A może zaczęło się od replikatora? - odpowiedział twórca teorii Samolubnego Genu Richard Dawkins. 

Czy może jednak wszystko sprawiły autokatalityczne reakcje, które doprowadziły do powstania pierwotnego metabolizmu? - wtrącał się do dyskusji mikrobiolog, Carl Woese, a za nim aprobował chór wielu innych naukowców. 

Czym w zasadzie kierowali się ci biologowie? Co skłoniło ich, by twierdzić, że my, skomplikowane istoty, zdolne do podtrzymywania takich procesów jak oddychanie, trawienie, komunikacja, ruch, czy myślenie, pochodzimy od jakiegoś maciupeńkiego replikatora, czy chemicznej autokatalizy, która zrodziła się w nic nieznaczącym, malutkim stawie? Albo jeszcze lepiej - wulkanie geotermalnym?

Do pierwszych naukowców, którzy spróbowali naukowo okiełznać tajemnicę życia należeli J.B.S Haldane (ukuł termin ,,zupa pierwotna’’ i abiogeneza) Aleksander Oparin i Stanley Miller. 

Umieścili wodę, amoniak, metan i wodór w obszernej kolbie. Wystawili ją na działanie UV, oprócz tego stymulując je seriami wyładowań elektrycznych. Krótko mówiąc, zasymulowali warunki panujące cztery miliardy lat temu na naszej planecie. 

Już po zaledwie dwóch tygodniach udokumentowali, że w kolbie utworzyły się dokładnie dwadzieścia z dwudziestu dwóch aminokwasów, budujących żywe stworzenia. Oczywiście, główną rolę grała glicyna, czyli najprostszy aminokwas, ale to i tak wywołało ogromną falę zadowolenia, ze strony reszty naukowców. 

Następcy Oparina dowiedli, że z tych czterech związków chemicznych jesteśmy wstanie utworzyć aż kilkadziesiąt różnych aminokwasów. Oczywiście, pamiętajmy jednym, bardzo ważnym aspekcie. Aminokwasy to ledwie podstawa podstaw budowy naszego organizmu, albo jakiegokolwiek innego, zdolnego do metabolizmu i replikacji. 

Poza tym wielu naukowców zakwestionowało badania Stanleya Millera, z jednego istotnego powodu - otóż, atmosfera ziemi w tamtym okresie sprawiła, że tworzenie nowych związków chemicznych trwało kilka razy wolniej, niż wśród dzisiejszej ziemskiej sfery. Wielu geochemików, przypatrując się skałom w zachodniej Australii, liczącym ponad trzy miliardy lat, albo skupiskom kamieni w Południowo-Zachodniej Grenlandii, dochodzi do konsensusu, że w tamtym okresie atmosfera ziemi, oprócz tego, że była silnie redukująca (powstawanie nowych cząstek zajmowało dłużej) posiadała też tysiąc razy więcej metanu, w porównaniu do naszej atmosfery. Aż trudno uwierzyć, że przy tak ekstremalnych warunkach cokolwiek miało prawo, by się narodzić? 

No właśnie. I tu napotykamy na dziwne odkrycie.

W latach osiemdziesiątych biolodzy rozpoczęli ścisłe poszukiwania życia, które byłoby zdolne przetrwać w ekstremalnych warunkach. I znaleźli je. 

Mikrofile, jak i również Ekstremofile to niewielkie bakterie, zdolne przetrwać praktycznie w każdym środowisku, włączając w to kominy termalne (panuje tam temperatura powyżej stu stopni celsjusza) i najgłębsze, podwodne tereny, w których ciśnienie zmiażdżyłoby delfina. 

I teraz pytanie - czy nasze ekstremofile, przodkowie życia, zaistniały w martwym świecie, by pierwotnie się replikować - czy by utrzymać stan homeostatyczny (stałą formę organiczną)? 

Wielu mikrobiologów, fizyków i ewolucjonistów uważa, że to Protometabolizm był kotwicą, która później posłużyła replikacji. Choćby 

J.B.S Haldane, Freeman Dyson, Stuart Kauffman, czy Antonio Damasio, który szczegółowo opisał rozwój i działanie Homeostazy w swojej książce ,,Dziwny Porządek Rzeczy’’. 

Sama teza Protometabolizmu jest niezwykle prosta i zachwycająco przekonująca - w wyniku setek miliardów procesów chemicznych, gdzieś, czy to w wulkanach termalnych, czy w malutkich stawikach powstało życie, przybierając postać struktury o harmonicznej budowie i wielu zawiłych funkcjach, takich jak utrzymanie prawidłowej temperatury, metabolizm, regeneracja oraz odbiór i reakcja na poszczególne wydarzenia. (oczywiście bez udziału układu nerwowego, tylko z udziałem nieco starszej jego formy - tej chemicznej, która bazowała na podstawie przeróżnych gradientów i syntez zachodzących we wnętrzu tejże struktury). Pierwszy jednokomórkowiec, Procaryota, pragnął jak najdłużej pozostać w swojej pierwotnej formie, razem ze wszystkimi układami i biochemicznymi systemami. W skrócie, na początku musiały powstać skomplikowane układy, by doprowadzić do replikacji. 

A co z teorią replikacji?

Wszystko zaczęło się od bardzo malutkiej cząsteczki, która posiadła niby magiczną zdolność powielania samej siebie i w tej sposób

 zachowania własnej kopii, a nawet - jej ulepszania. 

Darwin sądził, że życie powstało w sadzawce, Richard Dawkins podzielał jego zdanie, zaś Carnis Smith opracował całkiem ciekawą teorię, że życie powstało w kryształach, a dopiero ostatnim aktorem spektaklu było DNA. 

A co ze znanym nam RNA? Dlaczego wogóle powstało w procesie ewolucji, zamiast dać pole do popisu DNA? 

Wyjaśnijmy sobie coś. DNA jest to ciąg pewnych złożonych systemów biologicznych, które w rezultacie są ,,oprogramowaniem’’ naszego organizmu, przekazywanym z pokolenia na pokolenie. Jednak nie jest on jakimś magicznym ,,budowniczym’’. DNA jest świetne w replikacji - ale słabe, jak się okazało w budowie aminokwasów. Poza tym, gdyby w naszym genomie znajdowało się tylko DNA - bez żadnych innych złożonych funkcji (jak chociażby mRNA, czy siRNA), to nawet nie mogło by się kopiować, bo do kopiowania potrzebne są enzymy. Dlatego RNA grało rolę jako pierwszy replikator. Co prawda jest słabe w rozmnażaniu się, ale nie tak słabe jak DNA w sklecaniu aminokwasów. Powiedzmy tak - RNA jest naszym pośrednikiem, który i tworzy i dodatkowo pomaga przy replikacji. A więc czy na podstawie tej wiedzy, udałoby nam się wyczarować jakiegoś replikatora? Sprawić, by enzym sam zaczął się dzielić i kopiować? 

Już ktoś tego kiedyś dokonał. 

A mianowicie był to biolog Sol Spiegelman z Uniwersytetu Illinois w W 1965 roku przeprowadził eksperyment, tworząc tym samym tak zwanego ,,Potwora Spiegelmana’’, czyli naszego replikatora. 

Najpierw przygotował roztwór z nukleotydów, soli mineralnych i nukleotydów (cząsteczek, które sprawiają, że organizmy są w stanie się rozmnażać), a następnie wpuścił do niego RNA takiego prostego, pospolitego bakteriofaga (pożeracza bakterii). 

W płynie znajdowała się również tak zwana replikaza RNA. Jest to w skrócie enzym, który sprawia, że RNA szybciej się replikuje. (Enzymy to takie sprytne urządzenia, pomocnicy w budowaniu złożonych sieci RNA i DNA. Ich działanie szczegółowo wyjaśnił Richard Dawkins w swojej książce ,,Opowieść Przodka). 

I co się wydarzyło? 

Otóż, przy połączeniu tych kilku niby zwyczajnych składników chemicznych, RNA bakteriofaga uczyniło to, co prawdopodobnie uczynił prekursor wszystkich żywych organizmów, 3,5 miliarda lat temu. 

Spiegelman, nie dowierzając, przełożył RNA bakteriofaga do innego roztworu. Zmienał warunki, panujące w cieczy i zauważył, że RNA dostosowuje się do nich. Podlegało sztucznemu doborowi naturalnemu. 

Zaskakujące, czyż nie? Już wiemy, jak zaczął się życie…, ale jednak czegoś tu brakuje. Nie zapomnijmy o tym, że Spiegelman użył już gotowej matrycy RNA i nukleotydów. A sam fakt, że takie coś powstało, jest arcytrudny do wyjaśnienia. Poza tym, bazował na bakteriofagu, więc nie możemy też tak po prostu powiedzieć, że Spiegelman wyhodował życie,

 od początku do końca. 

Sama eksperyment Spiegelmana zbudował podstawy teorii Manfreda Eigena - znanego niemieckiego biochemika, noblisty. 

Stworzył on koncepcję hipercykli. Kierując się replikacją RNA i między innymi badaniem Sola Spiegelmana, zadał sobie pewne bardzo intrygujące pytanie. Skoro RNA ma zdolności autokatalityczne (przy odpowiednim roztworze jest w stanie samo się replikować), to czy w takim razie jego cząsteczki mogą działać jak pracownicy przy budowie maszyny? Czy mogą pomagać sobie przy scalaniu prostych cząstek składowych? Czy udałoby nam się znaleźć jakąś korelację w ich wspólnej pracy? 

Manfred, głównie obserwując jak radzą sobie mikro cząsteczki, doszedł do wniosku, że każda działa na rzecz każdej, żadna z nich nie dominuje, i poza tym replikują się w zadowalającym tempie. Innymi słowy - działają jak organizm. Czy to może oznaczać, że samo w sobie RNA jest organizmem?

Trudno powiedzieć. Czy my składamy się tylko z cząstek RNA? Czy istnieje jakaś bakteria, bądź wirus, złożony tylko iwyłącznie z samoreplikującego się RNA? Do życia potrzebne są aminokwasy, nasz ważny metabolizm, zdobywanie pożywienia i wielkość organizmu. Przecież owe cząsteczki RNA składają tylko iwyłącznie z 200 nukleotydów (by uniknąć zamieszania w genomie - im większa cząstka, tym większe ryzyko błędów, a jeśli te błędy się nagromadzą, to może dojść do katastrofy). 

Oczywiście, jeśli spojrzymy z tej szczególnej perspektywy, wtedy nic nie stoi na przeszkodzie, by rzucić hipotezą, że to na pewno jest to jakimś tam rodzajem życia. Ale, aby to całkowicie potwierdzić, potrzebujemy 

czasu i kolejnych badań, a wtedy, kto wie, może kiedyś dowiemy się, co takiego porabiał ów replikator w pradawnym, pierwotnym bulionie. 

Jednak, co właściwie nam to da? Trudzimy się tak tylko dlatego, żeby po prostu się czegoś dowiedzieć? Czy zastanawiałeś się, jakie skutki może przynieść odkrycie początku życia? 

Jeśli będziemy wstanie sami wytworzyć życie, sami zainscenizować dobór naturalny… Wyobraź sobie istoty, które okiełznały proces, który sam je stworzył. Co będą mogły z tym zrobić? 

Jednak to tylko spekulacje. Oczywiście, motywują nas, ale póki co skoncentrujmy się na teraźniejszości. Każdy z nas teraz żyje. Posiadamy ten dar, tą niezwykłą umiejętność przeciwstawienia się próżni i chaosowi. Jesteśmy niezwykle uporządkowanymi istotami, obdarzonymi świadomością i uczuciami. Pomyśl, jak mało prawdopodobny był fakt, że wogóle się urodzisz. Jak pisał Richard Dawkins, w Rozplataniu Tęczy ,,Ludzi, którzy potencjalnie mogliby teraz być na moim miejscu, jest zapewne więcej niż ziaren piasku na arabskiej pustyni. Wśród owych nienarodzonych duchów są z pewnością poeci więksi od Keatsa i uczeni więksi od Newtona’’. Dlaczego? Bo liczba wszystkich ludzi, którzy dziś cieszą się, smucą, denerwują, czy śmieją, jest znacznie mniej, niż wszystkich możliwych sekwencji naszego DNA. 

Czy uświadomiłeś sobie, jak małe prawdopodobieństwo obejmuje fakt, że właśnie natrafiłeś na ten tekst i go czytasz? 

Dodatkowo korzystasz z urządzenia, które istnieje tylko tu na ziemi. Pośród miliarda, być może nawet biliona planet uwięzionych w nieskończonej pustce nie znajdziesz ani jednego takiego. Życie mógłbyś znaleźć, gdybyś dryfował w próżni przez kilka milionów lat. 

Powinniśmy docenić fakt, że właśnie istniejemy, nawet gdy naszą jedyną atrakcję stanowi drzewo stojące w ogródku, czy jabłko. Cała nasza rzeczywistość, usiana z drobnostek, błahych spraw, przedmiotów, czy wypowiadanych słów, jest pieśnią istnienia. Jest zapachem, uczuciem dźwiękiem i myślą. Jest tak wyjątkowa, że trzeba było czekać miliardy lat, by się tu pokazała. 

Dlaczego więc często tak bardzo ją zaniedbujemy, nie poświęcając jej choćby odrobiny uwagi?