Tytuł oryginału
Foresight: How the Chemistry of Life Reveals Planning and Purpose

Copyright © 2019 by Discovery Institute.
All Rights Reserved
Copyright © for the Polish edition by Fundacja En Arche,
Warszawa 2022

Przekład
ZBIGNIEW KOŚCIUK

Redaktor naukowy serii
prof. dr hab. KAZIMIERZ JODKOWSKI

Redaktor prowadzący
JACEK FRONCZAK

Redakcja merytoryczna
dr KRZYSZTOF NOWAK

Redakcja językowa
JOANNA MORAWSKA

Korekta
BARBARA MANIŃSKA

Projekt okładki
JADWIGA TOPOLOWSKA

Projekt graficzny
MARIA ROSŁONIEC

Skład
HONORATA KOZON

Ilustracja na okładce
Wellcome Images

Wydanie I

ISBN 978-83-67363-15-0 (PDF)
ISBN 978-83-67363-14-3 (EPUB)
ISBN 978-83-67363-16-7 (MOBI)

Fundacja En Arche
al. Jana Pawła II 80 lok. 15
00-175 Warszawa
biuro@enarche.pl
Księgarnia internetowa
enarche.pl/ksiegarnia/

SERIA INTELIGENTNY PROJEKT

Seria Inteligentny Projekt to pierwsza tak ambitna i bogata propozycja na polskim rynku wydawniczym, w ramach której ukazują się książki dotyczące teorii inteligentnego projektu – Intelligent Design (ID).

Autorzy zastanawiają się: Czy różnorodność życia na Ziemi może być wyjaśniona wyłącznie przez procesy czysto przyrodnicze? Czy złożone struktury biologiczne mogły powstać drogą przypadku i konieczności, bez udziału inteligencji? Czy Ziemia jest tylko jedną z wielu niczym niewyróżniających się planet?

Teoria inteligentnego projektu jest ogólną teorią rozpoznawania projektu i ma szerokie zastosowanie w takich dziedzinach nauki, jak kryminalistyka, historia, kryptografia, astronomia i inżynieria. Seria Inteligentny Projekt pokazuje, że koncepcja ID powinna być stosowana również w zagadnieniach pochodzenia i rozwoju różnych form życia, a także w próbie zrozumienia nas samych.

Problem pochodzenia życia jest jednym z największych w nauce. Jego punktem wyjścia jest istnienie życia – w tym nas – we Wszechświecie. Większość chemików ze mną na czele wierzy, że życie wyłoniło się spontanicznie z mieszaniny cząsteczek na prebiotycznej Ziemi. Jak do tego doszło? Nie mam pojęcia.

amerykański chemik George M. Whitesides
Revolutions In Chemistry:
Priestley Medalist George M. Whitesides’ Address,
„Chemical and Engineering News” 2007,
March 26, Vol. 85, No. 13, s. 12–17

Mojej kochającej żonie Elisabeth, córkom Thais, Livii i Niinie, synowi Nicholasowi oraz wnukom Leah, Claire, Theo, Luce i Thomasowi, którzy podążają lub, w co głęboko wierzę, podążą śladem dowodów, dokądkolwiek one prowadzą. I ponad wszystko „Przewidującemu”.

Rozdział 1

Rola czynnika przewidywania w życiu

Współczesna biologia znalazła się w środku przypominającego gorączkę złota okresu odkryć. Na mojej poprzedniej uczelni – Uniwersytecie Stanowym Campinas w São Paulo, w Brazylii – przez 25 lat kierowałem Laboratorium Spektrometrii Mas. Razem z zespołem zgłębialiśmy wiele dziedzin chemii, biochemii i nauk medycznych, które do niedawna były zbyt nowe, aby zostać nazwane – od proteomiki, lipidomiki i obrazowania za pomocą spektrometrii mas po petroleomikę i bakteryjne odciski palców.

Dzięki prowadzonym badaniom oraz sprawowaniu funkcji przewodniczącego Brazylijskiego Towarzystwa Spektrometrii Mas i International Mass Spectrometry Foundation (Międzynarodowej Fundacji Spektrometrii Mas) nawiązałem kontakty z wieloma czołowymi naukowcami w Brazylii i na całym świecie. Podczas spotkań na konferencjach wyczuwało się atmosferę ekscytacji. Pojawienie się przełomowych technik i technologii spowodowało, że niemal co tydzień odkrywaliśmy nowe cuda ze świata biologii.

Niektóre odkrycia doprowadziły do opracowania nowych leków lub technik leczenia, jak obsypany nagrodami „długopis” diagnozujący nowotwory, skonstruowany przez moją córkę Livię. Inne dostarczyły inżynierom nowych pomysłów prowadzących do wynalazków w dynamicznie rozwijającej się dziedzinie biomimetyki. Jeszcze inne nie miały bezpośredniego zastosowania praktycznego, pozostając przykładem pięknej biologicznej pomysłowości – odkryciami naukowymi, które są cenne same w sobie.

Chociaż nowa wiedza ekscytuje, jestem dzisiaj przekonany, że wiele odkryć wskazuje łącznie na coś jeszcze bardziej niezwykłego. Ten nowy wiek odkryć ujawnił mnóstwo pomysłowych rozwiązań poważnych wyzwań inżynieryjnych – rozwiązań, które wymagają czegoś, czego brakuje zwykłej materii. Powiem to tak prosto, jak potrafię: lawina nowych odkryć wydaje się wskazywać poza ślepy proces ewolucyjny, na cechę przypisywaną wyłącznie umysłowi – przewidywanie, czy inaczej dalekowzroczność.

Oczywiście, znam pogląd, że takie zagadnienia znajdują się poza zasięgiem nauki. Zbadamy to twierdzenie w kolejnych rozdziałach. Jednak niezależnie od tego, jakiej odpowiedzi udzielimy na pytanie o dopuszczalne i niedopuszczalne konkluzje w ramach nauki oraz czy ostatecznie przyznamy, że lawina nowych odkryć, podobna gorączce złota, wskazuje na obecność czynnika przewidywania, wzywam was do zapoznania się z dowodami. Ciekawość może jest pierwszym stopniem do piekła, ale w przedsięwzięciach naukowych czyni cuda.

Wielość i pomysłowość przykładów ujawnionych w ostatnich latach jest tak ogromna, że ich opisanie zajęłoby wiele opasłych tomów. Na kolejnych stronach przedstawię zaledwie niewielki ich ułamek. Ta skromna część jest jednak pełna dziwów. Przyjrzymy się wszystkiemu – od kół zębatych, jakie ma owad nazywany owoszczą, po niezwykle silne odnóża rawki błazna, którymi zadaje ona potężne ciosy, od mięsożernych roślin po maszyny białkowe występujące w ptasich oczach, zdolne ujarzmić splątanie kwantowe i pozwalające ptakom widzieć pole magnetyczne Ziemi.

Zaczniemy od przykładu, który może się wydać banalny – jednak tylko na pierwszy rzut oka.

Błona komórkowa i jej kanały

Życie rozwija się w naszym zróżnicowanym środowisku planetarnym dzięki licznym sposobom, w jakie Ziemia jest precyzyjne dostrojona do jego trwania. Jednak Ziemia potrafi być także niezwykle wroga życiu. Na przykład cząsteczka tlenu (O₂) jest niezbędna do istnienia życia, jednak tylko takiej jego formy, która potrafi skutecznie zapakować i dostarczyć tlen dokładnie w miejsce, gdzie zostanie użyty jako źródło energii. W przeciwnym razie O₂ stanie się największym wrogiem życia.

Wystarczy przerwać błonę żywej komórki i wystawić ją na działanie powietrza, aby zobaczyć, jak wielkie szkody wewnątrz tak uszkodzonej komórki mogą poczynić tlen i miriady chemicznych najeźdźców. Z inżynieryjnego punktu widzenia ważne było znalezienie sposobu ochrony komórki, najbardziej podstawowego elementu życia. Rozwiązanie okazało się pomysłowe: komórka została od początku otoczona solidną osłoną chemiczną.

Mówi się, że każde rozwiązanie stwarza zawsze dwa dodatkowe problemy. Błona komórkowa nie jest pod tym względem wyjątkiem. Prosta osłona chroniłaby wnętrze komórki przed zabójczymi najeźdźcami, ale uniemożliwiała przenikanie do środka substancji odżywczych oraz uwięziła w jej wnętrzu odpady komórkowe. Przez taką osłonę mogłyby się przedostawać małe neutralne cząstki, ale już nie większe biomolekuły posiadające ładunek elektryczny. Zatem prosta osłona stanowiłaby receptę na nieuchronną i szybką śmierć. Aby wczesne komórki mogły przetrwać i się rozmnażać, potrzebne było bardziej wyrafinowane rozwiązanie. Od samego początku w błonach wczesnych komórek musiały istnieć selektywne kanały.

Obecnie wiemy, że komórki są wyposażone w takie drzwi – wyspecjalizowane kanały białkowe wykorzystywane w transporcie biomolekuł i jonów o kluczowym znaczeniu. W jaki sposób powstał selektywny system transportu obojętnych cząstek i jonów posiadających ładunek elektryczny? Teoria ewolucji odwołuje się do stopniowego, przebiegającego krok po kroku procesu złożonego z drobnych mutacji przesiewanych przez mechanizm naturalnej selekcji, potocznie nazywanej przeżywaniem najlepiej przystosowanego. Wydaje się jednak, że stopniowy, przebiegający krok po kroku proces rozciągnięty na wiele pokoleń nie miałby szans na zbudowanie takich cudów, bo wszystko wskazuje, iż istnienie wielu pokoleń komórek, a nawet jednego, nie byłoby możliwe bez wykształcenia i funkcjonowania kanałów. Bez kanałów komórkowych nie ma życia komórkowego.

W ten sposób dochodzimy do głównego pytania: „Jak pierwsze komórki wykształciły odpowiednie błony komórkowe i kanały białkowe potrzebne do rozwiązania problemu przepuszczalności?”.

Nawet niektórzy ewolucjoniści przyznają, że stanowi to dużą trudność. Sheref Mansy i jego współpracownicy pisali o tym w piśmie „Nature”: „Błona komórkowa, pełniąca funkcję solidnej bariery, sprawia, że pochodzenie życia komórkowego jest trudne do pojęcia”[1]. Oględnie mówiąc: w jaki sposób powstała dwuwarstwowa błona – elastyczna, stabilna i odporna – skutecznie chroniąca komórkę przed przenikaniem niszczycielskiego tlenu, stabilna w środowisku wodno-kwasowym oraz wytrzymująca zmiany temperatury i pH (ilustracja 1.1)? Żeby wykonywać wszystkie te zadania, molekularna osłona komórki musiałaby posiadać także mechanizm wykrywający zmiany temperatury i pH[2], i odpowiednio reagować, modyfikując skład chemiczny błony tak, by poradzić sobie z fizycznymi i chemicznymi zmianami.

Na przykład Diego de Mendoza wyjaśnia, że komórki bakterii „zmieniają płynność dwuwarstwowej błony” przez przyłączanie „większej liczby nienasyconych kwasów tłuszczowych (lub kwasów tłuszczowych o analogicznych właściwościach) w miarę spadku tempa wzrostu temperatury”. Proces ten jest nazywany homeowiskozą adaptacyjną. Zatem błony komórkowe mogą inicjować serię reakcji komórkowych w odpowiedzi na zmiany temperatury otoczenia[3]. Gdybyśmy zlecili rozwiązanie tak trudnego, wieloaspektowego zadania najbardziej zaawansowanym firmom technologicznym, ich czołowi inżynierowie roześmialiby się nam w twarz lub uciekli z krzykiem, znikając w mroku nocy. Potrzebna do tego technologia znacznie przekracza nasz najbardziej zaawansowany know-how. Pamiętajmy przy tym, że nie wystarczyłoby, aby taka błona wykonywała dwa lub trzy zadania, a nawet 99 procent roboty. Tutaj obowiązuje zasada: wszystko albo śmierć! Słaba komórka oczekująca na ulepszenia ze strony stopniowego procesu darwinowskiego zostałaby natychmiast zaatakowana przez wrogów i unicestwiona, nie doczekawszy reprodukcji i nie dając ewolucji szansy na dokończenie pracy w przyszłości.

Ilustracja 1.1. Nasze komórki otacza błona złożona z dwóch warstw. Jest bardzo elastyczna, ale ma także wysoką odporność mechaniczną i chemiczną. Liczne skomplikowane składniki błony i posiadane przez nią możliwości wymagane do utrzymania komórki przy życiu sprawiają, że wrażenie udziału czynnika przewidywania w pierwotnej organizacji błony wydaje się nieodparte.

Na podstawie całej wiedzy biochemicznej, którą obecnie posiadamy, wydaje się zatem, że liczne kluczowe wymagania stawiane błonie komórkowej musiały zostać przewidziane i spełnione na czas, aby najwcześniejsze komórki mogły przetrwać i rozmnażać się w wodnym środowisku.

A jest to zaledwie początek przewidywania koniecznego, żeby wytworzyć błonę wystarczająco dobrą do tego, by życie komórkowe stało się realne. Taka błona, spełniająca funkcję muru, z jego licznymi złożonymi właściwościami, wymaga również odpowiednich biomolekularnych obrońców. Na szczęście dostarczono ich w postaci grupy wyjątkowo zaprojektowanych biocząsteczek – fosfolipidów (ilustracja 1.2).

Biomolekularne elementy komórki muszą być odpowiednie. Wydaje się, że nic nie zastąpi fosfolipidów, gdy trzeba skonstruować osłonę chemiczną wystarczająco zaawansowaną do tego, by komórki zdołały przeżyć i rozkwitnąć. Czasami w pismach naukowych, jak „Science” i „Nature”[4], znajduję spekulacje na temat prostszych, pierwotnych błon komórkowych zbudowanych z cząstek „zaczątkowych”, takich jak kwasy tłuszczowe. Takie mrzonki pomijają jednak kluczowe szczegóły chemiczne związane z tym, co jest niezbędne, aby uczynić życie komórkowe możliwym. Kiedy uwzględnimy te szczegóły, okaże się, że żadna inna biocząsteczka nie jest zdolna do podtrzymywania życia poprzez realizowanie tylu złożonych funkcji, co fosfolipidy.

Ilustracja 1.2. Ten prosty rysunek jest zaledwie sugestią złożonej budowy cząsteczkowej fosfolipidów.

Strukturę fosfolipidu można podzielić na dwie główne części posiadające zgoła odmienne właściwości fizykochemiczne: głowa jest polarna i wodolubna (hydrofilowa), natomiast ogon jest niepolarny i nie znosi wody (hydrofobowy). Ta dychotomia „smaków” ma kluczowe znaczenie, pozwala bowiem na wykonanie wspaniałej sztuczki: w obecności wody biocząsteczki automatycznie ustawiają się w taki sposób, by utworzyć kolistą, dwuwarstwową strukturę (ilustracja 1.1) z głowami polarnymi umieszczonymi obok siebie i zbitymi ciasno, wydłużonymi niepolarnymi ogonami.

Przyciągane przez precyzyjnie dostrojone siły chemiczne, dwie pojedyncze warstwy łączą się ze sobą w taki sposób, że ogony obydwu się stykają, tworząc układ ogon-ogon. To automatyczne, trójwymiarowe, wieloelementowe ułożenie gwarantuje, że hydrofobowe ogony będą przed nią ukryte, zaś hydrofilowe głowy, znajdujące się na zewnętrznych i wewnętrznych powierzchniach, będą wystawione na jej działanie. W ten sposób woda znajduje się wewnątrz i na zewnątrz komórki, a jednocześnie nie ma dostępu do środka fosfolipidowych błon, które otaczają wodne komórki.

Ponownie można odnieść wrażenie, jakby siła przyczynowa obdarzona zdolnością przewidywania antycypowała tę potrzebę i opracowała doskonałe rozwiązanie.

Fosfolipidy

Błona komórkowa musi być elastyczna, a jednocześnie odporna mechanicznie i chemicznie, aby mogła nieprzerwanie chronić komórkę przed zmianami zachodzącymi w otoczeniu. Na szczęście dla życia dwuwarstwowe błony fosfolipidowe są elastyczne i cechują się wysoką stabilnością, będąc odporne na oddziaływania mechaniczne oraz zmiany pH i temperatury.

W jaki sposób błona uzyskuje te wszystkie właściwości? Dzięki precyzyjnej, dynamicznej równowadze różnych właściwości fizykochemicznych elementów molekularnych wchodzących w skład ściany. (Jeśli dalsze wyjaśnienia okażą się zbyt techniczne, można przejść do ostatniego paragrafu tej części. Zamieszczone tam podsumowanie wystarczy, by zrozumieć dalszy wywód).

Wszystkie właściwości chemiczne są regulowane za pomocą siły, długości i trójwymiarowej orientacji wiązań typu węgiel-węgiel w ogonach lipidów. Atom węgla może utworzyć cztery wiązania, w tym wiązania z innymi atomami węgla. W lipidach takie wiązania mogą być pojedyncze (C–C) lub podwójne ( C=C). Wiązania pojedyncze są nazywane „nasyconymi”, a podwójne, „nienasyconymi”. Boczne łańcuchy (R) przyłączone do dwóch atomów węgla w wiązaniu C=C mogą się znajdować po tej samej stronie (ułożenie zwane cis: RC=CR), lub po stronach przeciwnych (układ nazywany trans: RC=CR).

Fosfolipidy nienasycone posiadają głównie wiązania cis RC=CR, które dają wyraźne, odpowiednio rozmieszczone zgięcia w długich łańcuchach węglowodorowych. Tłuszcze nienasycone cis są mniej stabilne termodynamicznie od swoich odpowiedników trans, ale różnorodność cis nadal wygrywa w realizacji tego zdania, bo skręty w łańcuchu kwasu tłuszczowego, będące ich rezultatem, dają mniej zbite skupiska od nienasyconych lipidów trans lub lipidów nasyconych. Nienasycone lipidy cis mają również niższą temperaturę topnienia od lipidów nasyconych oraz nienasyconych lipidów trans. Rezultat jest zdumiewający: błona może stawać się stopniowo coraz bardziej płynna[5].

Krótsze lub dłuższe łańcuchy węgla i różne głowy polarne służą także do kontroli chemicznych własności tych cząstek, są przy tym mistrzowskim przykładem przewidywania sterowanego przez niezwykłą mądrość chemiczną.

Należy zwrócić uwagę, że gdybyśmy przypisali ślepemu procesowi materialnemu pochodzenie błon biologicznych, musielibyśmy się odwołać do niezliczonych „cudów” chemicznych. Po pierwsze, przypadek musiałby wygenerować bardzo długie łańcuchy węgla złożone z 12 do 18 atomów tego pierwiastka. Taki przypadek jest skrajnie mało prawdopodobny statystycznie i chemicznie. Po drugie, dwa z tych łańcuchów musiałyby związać się z triolem – gliceryną. Mniej stabilne wiązania cis RC=CR musiałyby zostać również umieszczone w odpowiednim miejscu i odpowiedniej ilości, aby wytworzyć odpowiednią płynność. Oprócz tego anion fosforanowy (=PO₄-) oraz inna grupa polarna, na przykład grupa etylenodiaminy, musiałyby być dostępne w tym samym czasie i zostać odpowiednio przyłączone do końcowego „molekularnego Lego” (ilustracja 1.2). Jako chemik nigdy nie uznałbym tej kaskady chemicznych cudów za coś oczywistego.

Naukowcy zajmujący się chemią prebiotyczną powiadają zwykle, że bardzo prymitywne „jednostki” otoczone prymitywną „błoną”, o wnętrzu bardzo nieżyczliwym dla życia, jak micele z kwasów tłuszczowych, były zdolne wchłonąć cząsteczkę „pierwotnego RNA”, dając w ten sposób początek życia na Ziemi.

W jednym z numerów pisma „Nature” z 2008 roku Sheref Mansy i jego współpracownicy piszą: „Kwasy tłuszczowe wraz z odpowiadającymi im alkoholami oraz monoestry glicerolu są atrakcyjnymi kandydatami na elementy składowe błony prakomórki”. Powodem ich nadziei jest to, że dokonali dwóch kluczowych rzeczy. Po pierwsze, utworzyli woreczki dwuwarstwowej błony, które zatrzymywały małe cząsteczki RNA, a także mogły rosnąć i ulegać podziałowi[6], co jest istotne, jeśli prymitywna jednostka życia ma być zdolna do rozmnażania. Owa proponowana jednostka „przedżycia” miałaby zapoczątkować syntezę pierwszych białek życia.

Gdyby jednak faktycznie tak było, skąd by się wzięły aminokwasy potrzebne do syntezy białka? Oczywiście musiałyby pochodzić z zewnątrz, z pierwotnej zupy, i przedostać się kanałami do pierwotnych komórek. Jednak w tym punkcie postulowanego scenariusza nie istniały jeszcze w błonie żadne kanały, więc owe pierwotne błony stanowiłyby nieprzenikalną barierę chemiczną dla aminokwasów. Z chemicznego punktu widzenia wspomniana nadzieja jest więc nie do spełnienia. Jeśli nie istnieje droga prowadząca do wnętrza komórki, ta w krótkim czasie obumrze. Nie ma przetrwania. Nie ma rozmnażania. Nie ma ewolucji.

Nieodparcie nasuwa się więc czynnik przewidywania. Niezwykła fosfolipidowa błona komórki musiała zostać przewidziana, obmyślona i udostępniona, gdy na scenie pojawiło się wnętrze komórki, w przeciwnym razie komórkę pozbawioną zewnętrznej powłoki czekałaby szybka i pewna śmierć. A ponieważ pierwsze komórki najwyraźniej przetrwały, rosły i rozmnażały się, pozostawiając potomstwo aż do czasów obecnych, naukowo zasadne jest sformułowanie wniosku, że jakimś sposobem owa niezwykła błona komórkowa pojawiła się na scenie w pierwotnej chwili potrzeby. Niektórzy upierają się, że był to ślepy traf. Nie zgadzam się z nimi i wzywam do rozważenia drugiej możliwości – czynnika inżynieryjnego przewidywania.

Akwaporyny: niezwykłe filtry wodne

Lipidowe dwuwarstwowe błony osłaniają i dają schronienie życiu, ale jak wcześniej wspomniałem, komórka potrzebuje także kanałów transportu ważnych materiałów do wnętrza i na zewnątrz. Gdybyśmy zlecili czołowej firmie z branży nanotechnologii wykorzystanie wszelkich dostępnych zasobów inżynieryjnego przewidywania, nie moglibyśmy być bardziej zadowoleni z rezultatów. Dwuwarstwowe błony lipidowe są wyposażone w trójwymiarowe zespoły białkowe, które wspaniale sprawdzają się w roli selektywnych kanałów. Kanały te są dostatecznie inteligentne, aby wpuszczać do środka to, co musi zostać wpuszczone i zatrzymywać to, co powinno pozostać na zewnątrz. Aby ewolucyjny model pochodzenia błony komórkowej zadziałał, musi także wyjaśnić koewolucję białek związanych z błoną komórki, bioenergetykę błony i podwójną warstwę lipidową[7] – a to oznacza potrójny cud.

Próby zmierzenia się z tym problemem często zaczynają się od opisu stanu konsternacji, na przykład Armen Y. Mulkidjanian i jego koledzy stwierdzają, że „pochodzenie błony komórki i jej białek pozostaje zagadką”[8].

Po pierwsze, kanały błony komórkowej muszą umożliwiać przepływ wody. Do wykonania tego ważnego zadania biomembrany mają specjalne kanały nazywane akwaporynami. Komórki to cybernetyczne, wielocząsteczkowe miasta pełne nowoczesnych maszyn, elektrowni, a nawet nanorobotów. Aby cała ta nanotechnologia mogła właściwie funkcjonować, potrzebna jest jednak ta sama rzecz, której każdy potrzebuje w dużych ilościach – woda. Ta prosta, ale ważna, a jednocześnie niezwykła cząsteczka, H₂O, z tak licznymi funkcjami w komórce, musi przenikać do wnętrza komórki i je opuszczać, jeśli ta ma przeżyć i się rozwijać.

Jednak dopływy i odpływy wody muszą być precyzyjnie regulowane, aby przetrwanie komórki było możliwe. Potrzeba kontroli wzrasta, ponieważ cząsteczki wody są połączone wiązaniami wodorowymi. Sieć wiązań wodorowych powoduje, że woda działa jak „przewód protonowy” – przenosi protony (H⁺), podobnie jak przewód elektryczny umożliwia przepływ ładunków elektrycznych. Z przyczyn metabolicznych wszystkie komórki muszą pilnować, aby ich wnętrze miało ujemny ładunek elektryczny. Komórki czynią to za pomocą specjalnych kanałów błony sprawujących kontrolę nad przepływem jonów sodu (Na⁺) i potasu (K⁺). Gdyby akwaporyny umożliwiały wodzie swobodne wnikanie do komórki, przewody protonowe pozwoliłyby jonom wodoru o ładunku dodatnim (H⁺) przeważyć wysiłki komórki zmierzające do utrzymania ujemnego ładunku elektrycznego. Zatem prosta zastawka wodna nie wystarczy.

To wyzwanie inżynieryjne nie jest łatwe do rozwiązania, nawet dla inżyniera o nieziemskiej mocy. Gdyby ów inżynier zmienił wewnętrzne właściwości cząsteczki wody, aby przestała być przewodem protonowym, uniemożliwiłoby to wiele innych niezwykłych i podtrzymujących życie własności H₂O. Na szczęście znalazło się pomysłowe rozwiązanie niewymagające przeprojektowania wody.

Akwaporyny[9] w błonach komórkowych umożliwiają nie tylko przedostawanie się H₂O do środka i jej wydalanie na zewnątrz, ale również zatrzymują niepożądane jony i inne szkodliwe biomolekuły oraz jony wodoru o ładunku dodatnim (H⁺), które normalnie poruszają się swobodnie przewodami protonowymi H₂O.

W jaki sposób zrealizowano to skomplikowane zadanie?[10] Przyjrzyjmy się temu i zobaczmy.

Jeśli dalsza część wywodów okaże się zbyt techniczna, można przejść do kolejnej części, w której podsumuję dotychczasowe rozważania.

W zastawce wodnej, jaką jest akwaporyna, występuje specjalny aminokwas nazywany asparaginą – zlokalizowany dokładnie w miejscu przejścia pojedynczej cząsteczki H₂O[11]. Asparagina należy do niezwykłej grupy aminokwasów ważnych przy budowaniu i kształtowaniu struktur białek, a w dodatku posiada boczną grupę zdolną do tworzenia dwóch bardzo silnych, zorientowanych przestrzennie wiązań wodorowych z cząsteczkami H₂O. Idealne ułożenie tego aminokwasu, prostopadłe względem przewodu protonowego H₂O, pozwala mu spełniać funkcję molekularnych kleszczy przecinających przewód H₂O.

Mechanizm działania jest następujący. Gdy cząsteczka H₂O przechodzi przez otwór filtra, zostaje obrócona przez asparaginę. Ten kunsztownie zaplanowany manewr, wywołany przez silniejsze wiązania wodorowe, niszczy sieć wiązań wodorowych wody, przerywając w ten sposób przewód H⁺. Przerwanie przewodu H⁺ powoduje, że H₂O przenika swobodnie do komórki, podczas gdy jej niepożądany pomagier, H⁺, zostaje zatrzymany w drzwiach. Kolejny problem „życie lub śmierć” został przewidziany i zneutralizowany.

Moc akwaporyny

Akwaporyny stanowią pomysłowe rozwiązanie piekielnie trudnego problemu inżynieryjnego. Jednak z naszego zgodnego i powtarzalnego doświadczenia wynika, że pomysłowe rozwiązania inżynieryjne są dziełem geniuszów – umysłów, które wykorzystują znajomość rzeczy oraz przewidywanie do rozwiązania problemu, który nie mógł zostać rozwiązany przez innych inżynierów, a co dopiero przez bezrozumne siły naturalne.

Czy zatem pomysłowe rozwiązanie problemu „przewodu protonowego”, zastosowane w błonie komórki, jest dziełem ślepego przypadku czy błyskotliwego przewidywania? W 2003 roku odsłonięcie tej niezwykłej molekularnej pomysłowości przyniosło jej autorom Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii „za odkrycie wodnych kanałów błony komórkowej” oraz „za strukturalne i mechanistyczne badania kanałów jonowych”[12]. Jeśli trzeba było inteligencji noblowskiego kalibru, aby odkryć sposób działania tego inżynieryjnego cudu, jakiej inteligencji trzeba było, żeby go wymyślić?

Najczęstsze wyjaśnienie przyjmowane w biologii początków życia odwołuje się do jakiejś formy przypadkowego mechanizmu mutacji i naturalnej selekcji, dzięki któremu przyroda miała się wspinać, krok po kroku, na różne szczyty nieprawdopodobieństwa[13], jakie znajdujemy w biologii. To prawda, że współczesna teoria ewolucji zawiera dodatki i modyfikacje tego podstawowego mechanizmu, ale mają one istotne niedociągnięcia (ostatni rozdział). Wystarczy dłużej poszukać, aby odkryć, że mechanizm przypadku i selekcji odgrywa kluczową rolę w każdym z głównych modeli biologicznych początków. Problem polega na tym, że proces naturalnej selekcji może funkcjonować dopiero wtedy, gdy istnieją zdolne do życia, samoreprodukujące się komórki, może też postępować naprzód, jeśli na każdym etapie postulowanego procesu ewolucyjnej konstrukcji mogą one zostać w jakiś sposób zachowane i przekazane dalej. Jednak nic by nie przetrwało i nie zostało przekazane, gdyby pierwsza prakomórka zginęła szybką śmiercią z powodu braku w pełni funkcjonalnej błony komórkowej zdolnej do wykonywania ważnych zadań, które wcześniej opisałem (oraz wielu innych).

Brak wielozadaniowej błony komórkowej oznacza brak życia, a brak życia, to brak stopniowej ewolucji wskutek przypadkowych mutacji i naturalnej selekcji. Hipotetyczna prymitywna błona z jedynie częściowo wyewoluowanymi akwaporynami pozwalającymi na przenikanie wody do wnętrza, ale nieposiadającymi jeszcze zdolności blokowania H⁺ nie dawałaby żadnych szans przetrwania. Taka komórka, otoczona wieloma wrogami w pierwotnym oceanie lub „ciepłej małej sadzawce”, szybko by obumarła. Brak przetrwania. Brak rozmnażania.

W pełni funkcjonalna zastawka wodna przepuszczająca jedynie H₂O (i żadnych jonów H⁺) jest niezbędna dla komórki każdego rodzaju, od najbardziej zaawansowanej po najbardziej „prymitywną”, jeśli takie proste komórki kiedykolwiek istniały na naszej planecie.

Owe niezwykle selektywne i zaprojektowane zastawki musiały istnieć od samego początku, bowiem brak wody wolnej od H⁺ oznacza brak życia.

Pamiętajmy, że problem związany z „przewodem protonów” jest tylko jednym z wielu, które wymagają rozwiązania. Częściowo wyewoluowana zastawka wodna ze zbyt małymi lub zbyt dużymi otworami zatrzymywałaby wodę lub pozwalała, by do komórki przenikały inne zanieczyszczające molekuły, doprowadzając do jej zguby. Skuteczna zastawka wodna jest dla życia wyzwaniem „wszystko albo nic”. Trzeba było przewidzieć potrzebę wymyślnych zastawek wodnych oraz wytworzyć je jakimś sposobem, dokładnie na czas, w przeciwnym razie wielki start-up nazywany życiem szybko by zbankrutował.

To, co jest prawdą o akwaporynach, jest prawdziwe dla wielu innych elementów błony komórkowej. Gdyby podążać wyłącznie śladem dowodów, ten złożony i wieloaspektowy cud inżynieryjny znalazłby się grubo poza zasięgiem mechanizmu przypadkowych mutacji i naturalnej selekcji. Wydaje się tu konieczny inny rodzaj sprawczości, zdolny przewidzieć i zaprojektować błonę komórkową z całym jej niezwykłym zaawansowaniem, a następnie dostarczyć ją na czas.

Tego rodzaju wieloaspektowe rozwiązania – przewidujące problemy, które mogłyby zablokować potencjalny rozwój ewolucyjny – występują w całym obszarze życia. W następnych rozdziałach omówię wiele innych spektakularnych przykładów.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

Przypisy

Rozdział 1

[1] S.S. Mansy, J.P. Schrum et al., Template-Directed Synthesis of a Genetic Polymer in a Model Protocell, „Nature” 2008, Vol. 454, No. 7200, s. 122.

[2] W tym miejscu przypominam sobie skomplikowane instrumenty elektroniczne do pomiaru temperatury i pH, których używam jako chemik.

[3] D. de Mendoza, Temperature Sensing Membranes, „Annual Review of Microbiology” 2014, Vol. 68, No. 1, s. 101–116, https://doi.org/10.1146/annurev-micro-091313103612.

[4] J.W. Szostak, D.P. Bartel et al., Synthesizing Life, „Nature” 2001, Vol. 409, No. 6818, s. 387–390.

[5] D.J. Siminovitch, P.T.T. Wong et al., Effects of Cis and Trans Unsaturation on the Structure of Phospholipid Bilayers: A High-Pressure Infrared Spectroscopic Study, „Biochemistry” 1987, Vol. 26, No. 12, s. 3277–3287.

[6] S.S. Mansy, J.P. Schrum et al., Template-Directed Synthesis, s. 122–125. Zob. też Ch.L. Apel, D.W. Deamer et al., Self-Assembled Vesicles of Monocarboxylic Acids and Alcohols: Conditions for Stability and for the Encapsulation of Biopolymers, „Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes” 2002, Vol. 1559, No. 1, s. 1–9.

[7] A.Y. Mulkidjanian, M.Y. Galperin et al., Co-evolution of Primordial Membranes and Membrane Proteins, „Trends in Biochemical Sciences” 2009, Vol. 34, No. 4, s. 206–215.

[8] Tamże, s. 206.

[9] M. Borgnia, S. Nielsen et al., Cellular and Molecular Biology of the Aquaporin Water Channels, „Annual Review of Biochemistry” 1999, Vol. 68, s. 425–458.

[10] K. Murata, K. Mitsuoka et al., Structural Determinants of Water Permeation through Aquaporin-1, „Nature” 2000, Vol. 407, No. 6804, s. 599–605.

[11] U. Kosinska Eriksson, G. Fischer et al., Subangstrom Resolution X-Ray Structure Details Aquaporin-Water Interactions, „Science” 2013, Vol. 340, No. 6138, s. 1346–1349.

[12] Nobel Prize in Chemistry 2003, Nobelprize.org, https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/.

[13] Zwrot zaczerpnięty z książki: R. Dawkins, Wspinaczka na szczyt nieprawdopodobieństwa, tłum. M. Yamazaki, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998.

Dotychczas w serii ukazały się:

Jonathan Wells

Ikony ewolucji.

Nauka czy mit?

Phillip E. Johnson

Darwin przed sądem

Michael J. Behe

Czarna skrzynka Darwina.

Biochemiczne wyzwanie dla ewolucjonizmu

Michael J. Behe

Granica ewolucji.

W poszukiwaniu ograniczeń darwinizmu

Jonathan Wells

Zombie-nauka.

Jeszcze więcej ikon ewolucji

Guillermo Gonzales

Jay W. Richards

Wyjątkowa planeta.

Dlaczego nasze położenie w kosmosie umożliwia odkrycia naukowe

William A. Dembski

Wnioskowanie o projekcie.

Wykluczenie przypadku metodą małych prawdopodobieństw

Michael Denton

Kryzys teorii ewolucji

Douglas Axe

Niepodważalne.

Jak biologia potwierdza naszą intuicję, że życie jest zaprojektowane

Michael Denton

Teoria ewolucji.

Kryzysu ciąg dalszy

Stephen C. Meyer

Podpis w komórce.

DNA i świadectwa inteligentnego projektu

Stephen C. Meyer

Wątpliwość Darwina.

Kambryjska eksplozja życia jako świadectwo inteligentnego projektu

William A. Dembski

Nic za darmo.

Dlaczego przyczyną wyspecyfikowanej złożoności musi być inteligencja

Jonathan Wells

Mit śmieciowego DNA

Granville Sewell

Na początku

Eseje o teorii inteligentnego projektu

Michael J. Behe

Dewolucja

Odkrycia naukowe dotyczące DNA wyzwaniem dla darwinizmu

pod redakcją
Davida Klinghoffera

Kontrowersyjny podpis

Odpowiedź na krytykę książki
Podpis w Komórce