Tytuł oryginału What Is Life?

Przekład AGA ZANO

Wydawca ALICJA GAŁANDZIJ

Redaktor prowadzący ADAM PLUSZKA

Redakcja KAROLINA WĄSOWSKA

Korekta KRYSTIAN GAIK, JAN JAROSZUK

Projekt okładki PAUL DUFFIELD

Adaptacja projektu okładki ANNA POL

Opracowanie graficzne i typograficzne, łamanie manufaktura | manufaktu-ar.com

Copyright © Paul Nurse, 2020
First published in Great Britain in 2020 as What Is Life?
By David Fickling Books, 31 Beaumont Street, Oxford, OX1 2NP, UK
Copyright © for the translation by Aga Zano
Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Marginesy,
Warszawa 2020

Warszawa 2020
Wydanie pierwsze

ISBN 978-83-66500-93-8

Wydawnictwo Marginesy Sp. z o.o.
ul. Mierosławskiego 11A
01-527 Warszawa
tel. 48 22 663 02 75
e-mail: redakcja@marginesy.com.pl

www.marginesy.com.pl

Konwersja: eLitera s.c.

Dla mojego przyjaciela i ojca,

Andy’ego „Yoga” Martynogi,

oraz wnucząt: Zoe, Josepha, Owena, Joshuy

i całego ich Pokolenia,

które będzie musiało zaopiekować się

Życiem na naszej planecie

.

Wstęp

.

Może to motyl sprawił, że zacząłem na poważnie interesować się biologią. Była wczesna wiosna, miałem dwanaście albo trzynaście lat i siedziałem właśnie w ogrodzie, kiedy nad płotem przeleciał rozedrgany żółty motylek. Zmienił kierunek, zawisł nade mną i przysiadł na chwilę w pobliżu – akurat na tyle długo, żebym zdążył dostrzec skomplikowane wzory żyłek i plamek na jego skrzydłach. Potem jednak odleciał, spłoszony jakimś cieniem, i zniknął za ogrodzeniem. Widok tego misternie stworzonego przez naturę owada skłonił mnie do myślenia. Motyl był stworzeniem skrajnie różnym ode mnie, a jednak podobnym. Nie miałem wątpliwości, że jest żywy, tak jak ja: poruszał się, korzystał ze zmysłów, potrafił reagować na otoczenie, a przy tym wydawało się, że wszystkie jego działania mają jasno określony cel. Zacząłem się zastanawiać: co to znaczy być żywym? Czym jest życie?

Rozmyślałem nad tym pytaniem przez dziesiątki lat, ale niełatwo znaleźć satysfakcjonującą odpowiedź. Może to nieco zaskakujące, ale nie istnieje jedna standardowa definicja życia, choć naukowcy od wieków próbują uporać się z tym zagadnieniem. Nawet tytuł tej książki – Czym jest życie? – został bezwstydnie podkradziony fizykowi Erwinowi Schrödingerowi, który w 1944 roku opublikował znaczący tekst pod takim samym tytułem. Skupił się w nim na jednym istotnym aspekcie życia: w jaki sposób żywe organizmy z pokolenia na pokolenie utrzymują tak imponująco jednolity kształt i porządek we wszechświecie, który – według drugiego prawa termodynamiki – nieprzerwanie zmierza do rozpadu i chaosu. Schrödinger miał rację, uznając to pytanie za niezwykle istotne. Badacz uważał, że rozwikłanie zagadki dziedziczenia – czym są geny i w jaki sposób przechodzą z pokolenia na pokolenie – jest kluczowe w pojęciu natury istnienia.

Zadaję to samo pytanie co Schrödinger, ale nie uważam, że rozszyfrowanie kwestii dziedziczności wystarczy do udzielenia wyczerpującej odpowiedzi. Postanowiłem więc przyjrzeć się pięciu wielkim zagadnieniom biologii, traktując każde z nich jak kolejny krok do zrozumienia zasad działania życia. Większość tych kwestii jest nam od dawna znana i przyjmowana bez zastrzeżeń jako wyjaśnienie sposobu funkcjonowania żywych organizmów. Ja jednak postanowiłem połączyć je na nowe sposoby i wykorzystać do stworzenia ujednoliconego zestawu reguł definiujących życie. Mam nadzieję, że pomoże ci to spojrzeć na świat żywych organizmów z innej perspektywy.

Powinienem na samym początku zastrzec, że my, biolodzy, często uchylamy się od mówienia o wielkich ideach i teoriach. To odróżnia nas od fizyków. Czasami sprawiamy wrażenie ludzi lepiej czujących się w szczegółach, zakopanych w katalogach i opisach – może to być tworzenie spisów wszystkich gatunków zamieszkujących dany habitat, liczenie włosków na odnóżu chrząszcza czy sekwencjonowanie tysięcy genów. Być może to właśnie ta oszałamiająca, wręcz przytłaczająca różnorodność natury utrudnia poszukiwanie prostych, jednoznacznych teorii. Nie znaczy to jednak, że w biologii nie ma idei obejmujących całość tej dziedziny wiedzy – owszem, one też istnieją i pomagają nam zrozumieć życie w ogromie jego złożoności.

Omówię w tej książce pięć zagadnień: komórki, geny, ewolucję drogą doboru naturalnego, życie jako proces chemiczny i jako proces zapisu informacji. Wyjaśnię, skąd wzięły się te idee, dlaczego są ważne i jak się ze sobą splatają, ale zależy mi też na pokazaniu, że są zmienne, a naukowcy wciąż je rozwijają i dokonują nowych odkryć. Podzielę się też opowieściami o swoich własnych doświadczeniach w laboratorium, o przeczuciach, frustracji, szczęśliwych trafach i rzadkich, lecz jakże wspaniałych momentach prawdziwie świeżych spostrzeżeń. Chcę sprawić, że też poczujesz radość, jaka towarzyszy nam w chwilach naukowych przełomów, i doświadczysz satysfakcji, jaka płynie z lepszego rozumienia świata natury.

Działalność człowieka popycha klimat naszej planety i wiele funkcjonujących na niej ekosystemów do krańców wytrzymałości – a czasami nawet poza jej granice. Aby ocalić życie na Ziemi w jego dotychczasowym kształcie, potrzebujemy jak najgłębszej wiedzy o świecie żywych organizmów. Dlatego w nadchodzących latach i dekadach biologia będzie w coraz większym stopniu kontrolować naszą codzienność – to, jak się rodzimy, odżywiamy, chronimy przed pandemiami i leczymy choroby. Opiszę niektóre z zastosowań wiedzy biologicznej, trudne kompromisy, wątpliwości etyczne i nieprzewidziane konsekwencje, do jakich mogą doprowadzić. Zanim jednak włączymy się do coraz powszechniejszych debat wokół tych zagadnień, musimy się zastanowić, czym jest życie i jak działa.

Mieszkamy w potężnym, imponująco złożonym wszechświecie, ale to właśnie życie pulsujące w naszym maleńkim zakątku kosmosu stanowi jedną z jego najbardziej fascynujących tajemnic. Dlatego przeprowadzę cię przez pięć idei, które posłużą za kolejne kroki na drodze stopniowego odkrywania reguł ustanawiających życie na Ziemi. To pomoże nam też zastanowić się, co dało początek życiu na naszej planecie i jak mogłoby ono wyglądać w innych częściach wszechświata. Nieważne, jaką wiedzą dysponujesz – może nawet wydaje ci się, że twoja znajomość nauk ścisłych jest znikoma albo równa zeru – po lekturze tej książki uświadomisz sobie, co łączy ciebie, mnie, delikatnego żółtego motyla i wszystkie żywe stworzenia na świecie.

Mam nadzieję, że wspólnie zbliżymy się do zrozumienia, czym jest życie.

.

1

Komórka

Atom biologii

.

Pierwszy raz zobaczyłem komórkę w szkole, niedługo po spotkaniu z żółtym motylem. Rozmnażaliśmy w klasie sadzonki cebuli, a potem wtykaliśmy korzonki pod szkiełko mikroskopu, żeby się przekonać, z czego się składają. Keith Neal, nasz charyzmatyczny nauczyciel biologii, wyjaśnił, że przez okular mikroskopu zobaczymy komórki – podstawową jednostkę życia. I rzeczywiście: ujrzałem schludne kolumny pudełkowatych komórek, ciągnące się w zgrabnie uporządkowanych szeregach. Byłem zdumiony, że rozrost i podział tych maleńkich komórek wystarczy do przepchnięcia korzeni cebuli przez glebę, by dostarczyć rozwijającej się roślinie wody i składników odżywczych, a przy tym mocno zakotwiczyć ją w ziemi.

Im więcej uczyłem się o komórkach, tym bardziej rósł mój zachwyt. Komórki występują w niesamowitej różnorodności kształtów i rozmiarów. Większości nie da się dostrzec gołym okiem – są mikroskopijnie małe. Komórki pewnej odmiany pasożytniczej bakterii odpowiedzialnej za infekcje pęcherza mają tak niewielkie rozmiary, że trzy tysiące ustawionych jedna przy drugiej stworzą szereg długości jednego milimetra. Inne są jednak ogromne. Żółtko jajka, które być może zjadłeś lub zjadłaś dziś na śniadanie, to tylko jedna komórka. W naszych ciałach też znalazłoby się kilka takich olbrzymek. Mamy na przykład pojedyncze komórki nerwowe, ciągnące się od końca kręgosłupa aż do czubka dużego palca u nogi. To znaczy, że osiągają około metra długości!

Ta mnogość form jest zdumiewająca, ale mnie najbardziej interesuje, co wszystkie komórki mają ze sobą wspólnego. Ludzie nauki zawsze dążą do identyfikowania najbardziej podstawowych modułów materii. Atomem biologii jest komórka. To nie tylko najprostsza „cegiełka” struktury wszystkich żywych organizmów, ale też fundamentalna jednostka życia. Na tym polega teoria komórkowa, opisująca je jako najmniejsze cząstki posiadające główne cechy żywego organizmu: wedle naszej wiedzy wszystko, co żyje na Ziemi, jest albo komórką, albo ich zbiorem, a zatem są one najprostszą jednostką, którą można opisać jako żywą.

Teoria komórkowa liczy sobie około stu pięćdziesięciu lat i stanowi jeden z najistotniejszych fundamentów współczesnej biologii. Dziwne, że nie poruszyła ona wyobraźni ogółu w większym stopniu, wziąwszy pod uwagę to, jak ważna jest dla rozumienia biologii. Może dlatego, że w szkole komórki są zazwyczaj opisywane jako cegiełki, z których powstają bardziej skomplikowane organizmy – rzeczywistość jest jednak o wiele bardziej interesująca.

Historię badań tego zagadnienia zapoczątkował w 1665 roku Robert Hooke, członek świeżo założonego Towarzystwa Królewskiego w Londynie, jednej z pierwszych akademii nauk na świecie. I jak to się często zdarza w nauce, Hooke zawdzięczał swój sukces nowym zdobyczom technologii. Ponieważ większość komórek jest zbyt mała, by dostrzec je gołym okiem, musiały poczekać na odkrycie do czasu wynalezienia mikroskopu pod koniec XVI wieku. Ludzie nauki nierzadko łączą talent do teorii i rzemiosła – Hooke’owi nie można było odmówić żadnego z nich. Przecieranie szlaków w dziedzinach fizyki, architektury czy biologii przychodziło mu z równą łatwością, co konstruowanie urządzeń do badań. Budował własne mikroskopy, z których następnie korzystał, by poznawać niezwykłe światy, dotąd ukryte przed ludzkim spojrzeniem.

Jednym z przedmiotów, jakie oglądał Hooke, był cienki plasterek korka. Badacz zaobserwował, że drzewo korkowe składa się z rzędów jamek otoczonych ściankami, bardzo podobnych w budowie do siatkowatych wzorów korzonków cebuli, które trzysta lat później miałem oglądać w szkole. Hooke nazwał te segmenty komórkami – od łacińskiego słowa cella, oznaczającego celę bądź pokoik. Wtedy Anglik jeszcze nie wiedział, że struktura, którą ujrzał, stanowi podstawowy budulec nie tylko wszystkich roślin, lecz także każdej innej żywej istoty.

Niedługo później niderlandzki naukowiec Antonie van Leeuwenhoek dokonał kolejnego przełomu – odkrył organizmy jednokomórkowe. Dostrzegł te mikroskopijne formy życia w próbkach wody ze stawu i osadzie, który zdrapał sobie z zębów: ta obserwacja poważnie go zaniepokoiła, bo szczycił się nienaganną higieną jamy ustnej! Nadał tym maleńkim stworzeniom urocze miano animalcules, czyli „żyjątek”, choć dziś nikt już nie używa tego terminu w pracach naukowych. Drobnoustroje panoszące się na jego zębach były pierwszymi opisanymi bakteriami w dziejach ludzkości. Leeuwenhoek natrafił na całą domenę maleńkich jednokomórkowych form życia.

Wiemy już, że bakterie i inne organizmy mikrobiologiczne (inaczej „mikroby”, czyli jednokomórkowce) to najpowszechniejsza i najbardziej zróżnicowana grupa żywych istot na Ziemi. Zamieszkują one wszystkie środowiska, od wysokich warstw atmosfery po głębiny skorupy ziemskiej. Bez nich życie by nie istniało. Jednokomórkowce rozkładają odpady, wzbogacają glebę, wprowadzają do ponownego obiegu składniki odżywcze i wychwytują z powietrza azot, potrzebny roślinom i zwierzętom do rozwoju. Naukowcy odkryli też, że na 30 bilionów komórek człowieka przypada co najmniej jeden mikroorganizm. Nikt z nas nie jest odrębną, indywidualną całością, lecz ogromną i nieustannie się zmieniającą kolonią ludzkich i nie-ludzkich komórek. Te mikroskopijne bakterie i grzyby żyją na nas i wewnątrz nas, wpływając na to, jak trawimy pokarm i walczymy z chorobami.

Przed XVII wiekiem nikt jednak nie miał pojęcia, że takie niewidzialne komórki w ogóle istnieją, a co dopiero funkcjonują na takich samych zasadach jak wszystkie większe formy życia.

W XVIII i na początku XIX wieku mikroskopy i techniki mikroskopowe zostały znacząco udoskonalone, więc wkrótce naukowcy byli w stanie rozpoznawać komórki najróżniejszych stworzeń. Niektórzy spekulowali, że wszystkie rośliny i zwierzęta są zbudowane ze zbiorów „żyjątek”, które Leeuwenhoek dostrzegł kilka pokoleń wcześniej. Aż wreszcie, po długim okresie inkubacji, narodziła się teoria komórkowa. W 1893 roku botanik Matthias Schleiden i zoolog Theodor Schwann opisali wyniki pracy swojej i wielu innych badaczy, po czym stwierdzili: „Zaobserwowaliśmy, że wszystkie organizmy są zbudowane z takich samych elementów, jakimi są komórki”. Nauka doszła do przełomowego wniosku, że komórka stanowi podstawową jednostkę strukturalną życia.

Konsekwencje płynące z tego odkrycia zaszły jeszcze dalej, gdy biolodzy zorientowali się, że każda komórka stanowi indywidualną formę życia. Tę ideę opisał pionier patologii Rudolf Virchow w 1858 roku, stwierdzając, że „każde zwierzę stanowi sumę wielu cząstek witalnych, noszących w sobie wszystkie znamiona życia”.

To oznacza, że komórki same w sobie są żywe. Biolodzy udowadniają to najbardziej obrazowo, kiedy wyodrębniają je z organizmów zwierząt lub roślin i utrzymują przy życiu na szkiełkach albo w płaskich plastikowych naczynkach, zwanych szalkami Petriego. Niektóre z takich linii komórkowych są hodowane w laboratoriach na całym świecie przez dekady. Dzięki nim naukowcy mogą badać procesy biologiczne bez konieczności zajmowania się bardziej skomplikowanymi organizmami. Komórki są aktywne: potrafią się poruszać i reagować na otoczenie, a ich zawartość podlega ciągłym przemianom. Mogą się wydawać czymś bardzo prostym w zestawieniu z organizmami wielokomórkowymi, takimi jak zwierzęta i rośliny, ale niezaprzeczalnie są żywymi bytami.

W teorii komórkowej sformułowanej przez Schleidena i Schwanna brakowało istotnego elementu – nie było wiadomo, skąd się biorą nowe komórki. Ten brak został wypełniony, gdy biolodzy zauważyli, że komórki reprodukują się przez podział jednej na dwie, i doszli do wniosku, że komórki powstają tylko w wyniku podwojenia się tej istniejącej wcześniej. Virchow spopularyzował tę ideę łacińską sentencją: Omnis cellula e cellula, czyli: „Każda komórka pochodzi z komórki”. Ta maksyma pomogła też w zwalczeniu niezgodnej z prawdą, lecz wciąż popularnej w tamtych czasach idei, że życie wyłania się spontanicznie z materii nieożywionej – nic podobnego.

Podział komórek stanowi podstawę wzrostu i rozwoju wszystkich żywych organizmów. To pierwszy, najistotniejszy krok na drodze do przeistoczenia się zapłodnionego zwierzęcego jajeczka – jednego z wielu identycznych – w zbitkę komórek, a później w skomplikowany i precyzyjnie skonstruowany twór, jakim jest zarodek. Wszystko zaczyna się od podziału jednej komórki na dwie, które mogą następnie przyjąć różne tożsamości. Cały odbywający się później rozwój embrionu polega na tym samym procesie podziału kolejnych komórek, w wyniku czego powstaje skomplikowany organizm, a komórki zaczynają tworzyć coraz bardziej wyspecjalizowane tkanki i narządy. To znaczy, że wszystkie żywe organizmy, bez względu na swój rozmiar i złożoność, zaczynają się od jednej takiej cegiełki. Wszyscy mielibyśmy do nich więcej szacunku, gdybyśmy pamiętali, że każdy z nas był kiedyś pojedynczą komórką, powstałą w wyniku połączenia plemnika z jajeczkiem w chwili zapłodnienia.

Podział komórek tłumaczy również pozorny cud, jakim jest samonaprawianie się ciała. Gdybyś zaciął się tą kartką, doszłoby do podziału komórek zlokalizowanych wokół skaleczenia. To zaś doprowadziłoby do naprawy uszkodzonego miejsca, by ciało pozostało zdrowe i sprawne. Zdolność ciała do inicjacji kolejnych podziałów komórek ma jednak także mroczną stronę – nowotwory. Nowotwór jest bowiem powodowany niekontrolowanym rozrostem i podziałem złośliwych komórek, które niszczą, a czasami nawet zabijają organizm.

Wzrost, naprawa, degeneracja i złośliwość – wszystkie te aspekty są powiązane ze zmianami właściwości naszych komórek w zdrowiu i chorobie, za młodu i na starość. Większość chorób wynika z niewłaściwego funkcjonowania komórek, więc zrozumienie przyczyn ich wadliwego działania pomaga opracowywać nowe sposoby leczenia.

Teoria komórkowa do dziś ma wpływ na trajektorię badań w naukach przyrodniczych i medycynie. Ukształtowała też – w radykalny sposób – moje własne życie. Odkąd w wieku trzynastu lat popatrzyłem przez okular mikroskopu na komórki korzonka cebuli, byłem zafascynowany naturą komórek i ich funkcjonowaniem. Gdy zostałem biologiem, postanowiłem badać właśnie komórki, a dokładnie to, jak się reprodukują i kontrolują swój podział.

W latach siedemdziesiątych zacząłem pracować z komórkami drożdży, które według większości ludzi nadają się tylko do produkcji wina, piwa albo chleba, a nie do wyjaśniania fundamentalnych zagadek biologii. Stanowią one jednak wspaniały model pozwalający zrozumieć, jak działają komórki organizmów bardziej złożonych od nich. Komórki drożdży są zaskakująco podobne do roślinnych i zwierzęcych, a przy tym małe, względnie nieskomplikowane, a karmione prostą pożywką rozwijają się szybko i bez wysokiego nakładu kosztów. W laboratoryjnych hodowlach zazwyczaj pływają sobie swobodnie w bulionie odżywczym albo rosną na warstwie galaretki w plastikowych spodkach, gdzie tworzą kilkumilimetrowe kolonie o beżowej barwie. Każda taka kolonia składa się z milionów komórek. Pomimo – albo raczej za sprawą – swojej prostoty komórki drożdży pomogły nam lepiej zrozumieć, jak dochodzi do podziału komórek w większości żywych organizmów, włączając w to człowieka. Wiele informacji o niekontrolowanym namnażaniu się komórek nowotworowych zawdzięczamy badaniom skromnych hodowli drożdży.

Komórki to najprostsza jednostka życia. Stanowią one pojedyncze żywe organizmy, otoczone membraną z lipidów przypominających tłuszcz. Ale tak jak atom składa się z elektronów i protonów, tak i komórki zawierają mniejsze komponenty. Nowoczesne mikroskopy są bardzo mocne i pozwalają biologom na odkrywanie misternych, nierzadko pięknych struktur wewnątrz komórek. Największe z nich to organelle – każde opakowane we własną membranę. Wśród organelli wyróżniamy jądro komórkowe, które stanowi centrum dowodzenia komórki, ponieważ zawiera informacje genetyczne zapisane w chromosomach. Mitochondria (w niektórych komórkach są ich setki) pełnią funkcję miniaturowych zasilaczy dostarczających komórce energii potrzebnej do rozwoju i przetrwania. Oprócz tego w komórkach znajduje się wiele innych zbiorników i narzędzi odpowiedzialnych za skomplikowane działania logistyczne, budowanie, rozbijanie bądź recykling poszczególnych elementów, a także wysyłanie materiału poza komórkę lub transportowanie go po jej wnętrzu.

Nie wszystkie żywe organizmy są stworzone z komórek o skomplikowanej wewnętrznej strukturze i zawierających oddzielone membranami organelle. Obecność lub brak opakowanego w membranę jądra komórkowego to kryterium podziału istot żywych na dwie główne kategorie. Organizmy, których komórki mają jądro – na przykład zwierzęta, rośliny i grzyby – to eukarionty. Natomiast te o komórkach bez jądra nazywamy prokariontami – należą do nich bakterie i archeony. Te ostatnie są podobne do bakterii pod względem rozmiarów i struktury, ale tak naprawdę to tylko ich dalecy krewni. W niektórych aspektach (na poziomie molekularnym) bliżej im do eukariontów, takich jak my, niż do bakterii.

Niezależnie od tego, czy mowa o prokariontach czy eukariontach, najważniejszym elementem komórki jest błona komórkowa. Mimo że ma zaledwie dwie molekuły grubości, jest w stanie stworzyć elastyczną „ściankę” czy też barierę, która oddziela komórkę od otoczenia, a tym samym pozwala określić, co jest „na zewnątrz”, a co „wewnątrz”. Ta bariera jest kluczowa z uwagi na czynniki zarówno filozoficzne, jak i praktyczne. To dzięki niej wiemy, w jaki sposób świat żywych organizmów stawia opór dążeniu wszechświata w stronę rozpadu i chaosu. Za sprawą szczelnych błon komórki mogą ustanawiać i zachować porządek, którego potrzebują do funkcjonowania, a przy tym tworzyć chaos w najbliższym otoczeniu poza granicami swojej własnej istoty. Dzięki temu życie nie podważa drugiego prawa termodynamiki.

Wszystkie komórki są zdolne wykrywać zmiany w swoim wnętrzu i w otaczającym je świecie oraz reagować na nie. Zatem mimo że są oddzielone od środowiska, w którym żyją, pozostają z nim w bliskim kontakcie. Są też nieprzerwanie aktywne i bez przerwy pracują, by podtrzymać takie warunki w swoim wnętrzu, które pozwolą im przetrwać i się rozwijać. Ta cecha łączy je z innymi żywymi organizmami – takimi jak motyl, którego ujrzałem w dzieciństwie, a nawet my, ludzie.

Komórki mają wiele cech wspólnych ze wszystkimi zwierzętami, roślinami i grzybami. Rosną, reprodukują się, utrzymują przy życiu, a przy tym ich działania charakteryzuje celowość: imperatyw przetrwania i podziału. Wszystkie komórki – od bakterii, które Leeuwenhoek znalazł między własnymi zębami, po neurony umożliwiające ci czytanie tych słów – łączą w sobie te cechy, właściwe każdemu żywemu stworzeniu. Zrozumienie działania komórek zbliża nas do pojęcia, jak działa życie.

Podstawą istnienia komórki są geny, i to właśnie im przyjrzymy się w następnym rozdziale. Służą one do kodowania instrukcji potrzebnych komórce do zbudowania i organizacji swojego wnętrza, a także muszą być przekazywane wszystkim kolejnym pokoleniom komórek i większych istot żywych w procesie reprodukcji.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki