DNA ASPEKTY GENEZY ŻYCIA.pdf

DNA a pochodzenie Ŝycia.txt

Filozoficzne Aspekty Genezy

— 2005/2006, t. 2/3

http://www.naukaareligia.uz.zgora.pl/index.php?action=tekst&id=114

Stephen C. Meyer

DNA a pochodzenie Ŝycia.

Informacja, specyfikacja i wyjaśnienie *

Teorie dotyczące pochodzenia Ŝycia z konieczności zakładają

wiedzę o cechach komórek Ŝywych. Historyk biologii Harmke Kamminga

zaobserwował, Ŝe „W samym sercu problemu pochodzenia Ŝycia

znajduje się fundamentalne pytanie: czego właściwie pochodzenie

usiłujemy wyjaśnić?”. 1 Albo jak wyraził to pionierski teoretyk ewolucji

chemicznej, Aleksander Oparin: „Problem natury Ŝycia i problem

jego powstania stały się nieodłączne”. 2 Badacze pochodzenia Ŝycia

chcą wyjaśnić powstanie pierwszej i przypuszczalnie najprostszej –

lub przynajmniej minimalnie złoŜonej – komórki Ŝywej. W konsekwencji

osiągnięcia w dziedzinach, które objaśniły naturę jednokomórkowego

Ŝycia, w sposób historyczny wyznaczyły pytania, na

które muszą odpowiedzieć scenariusze pochodzenia Ŝycia.

Od lat 50tych i 60tych XX wieku badacze pochodzenia Ŝycia w

coraz większym stopniu poznawali złoŜoną i specyficzną naturę jednokomórkowego

Ŝycia oraz makrocząsteczki biologiczne, od których

* Stephen C. MEYER, „DNA and the Origin of Life: Information, Specification, and

Explanation”,

w: John Angus CAMPBELL and Stephen C. MEYER (eds.), Darwinism, Design and

Public Education, Michigan State University Press, East Lansing 2003, s.

223285. Z języka

angielskiego za zgodą Autora przełoŜył Dariusz SAGAN. Recenzent: Grzegorz NOWAK,

Zakład

Biochemii UMCS, Lublin.

1 H. KAMMINGA, „Protoplasm and the Gene”, w: A.G. CAIRNSSMITH and H. HARTMAN

(eds.),

Clay Minerals and the Origin of Life, Cambridge University Press, Cambridge

1986, s. 1.

2 A. OPARIN, Genesis and Evolutionary Development of Life, Academic Press, New

York 1968, s. 7

Stephen C. Meyer, DNA a pochodzenie Ŝycia

takie układy są zaleŜne. Biologowie molekularni i badacze pochodzenia

Ŝycia opisali ponadto ową złoŜoność i specyficzność w kategoriach

informatycznych. Biologowie molekularni stale mówią o

DNA, RNA i białkach jako o nośnikach lub magazynach

„informacji”. 3 Wielu badaczy pochodzenia Ŝycia uwaŜa obecnie, Ŝe

powstanie informacji w makrocząsteczkach biologicznych stanowi

centralne zagadnienie w ich badaniach. Jak stwierdził BerndOlaf

Kuppers: „Problem pochodzenia Ŝycia jest wyraźnie zasadniczo równowaŜny

problemowi powstania informacji biologicznej”. 4

Niniejszy esej jest oceną rywalizujących wyjaśnień pochodzenia

informacji koniecznej do zbudowania pierwszej komórki Ŝywej. Dokonanie

tej oceny wymagało będzie określenia, co biologowie rozumieją

przez termin informacja w zastosowaniu do makrocząsteczek

biologicznych. Jak wielu badaczy zauwaŜyło, „informacja” moŜe

oznaczać kilka teoretycznie odmiennych pojęć. W niniejszym eseju

postaram się usunąć tę wieloznaczność i dokładnie określę, jakiego

rodzaju informacji badacze pochodzenia Ŝycia muszą wyjaśnić „powstanie”.

Najpierw naleŜy scharakteryzować informację zawartą w

DNA, RNA i białkach jako explanandum (fakt wymagający

wyjaśnienia), a następnie ocenić skuteczność rywalizujących klas

wyjaśnień pochodzenia informacji biologicznej (czyli rywalizujących

Strona 1

explanansów).

DNA a pochodzenie Ŝycia.txt

W części I postaram się wykazać, Ŝe biologowie molekularni

stosowali termin informacja konsekwentnie w odniesieniu do łącz

3 F. CRICK and J. WATSON, „A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid”, Nature

1953, vol.

171, s. 737738; F. CRICK and J. WATSON, „Genetical Implications of the

Structure of Deoxyribose

Nucleic Acid”, Nature 1953, vol. 171, s. 964967, zwłaszcza 964; T.D. SCHNEIDER,

„Information

Content of Individual Genetic Sequences”, Journal of Theoretical Biology 1997,

vol. 189, s. 427441; W.R. LOEWENSTEIN, The Touchstone of Life: Molecular

Information,

Cell Communication, and the Foundations of Life, Oxford University Press, New

York

1999.

4 B.O. KUPPERS, Information and the Origin of Life, MIT Press, Cambridge 1990,

170172 [tłum. pol.: BerndOlaf KUPPERS, Geneza informacji biologicznej, przeł.

Włodzimierz

Ługowski, PWN, Warszawa 1991].

Filozoficzne Aspekty Genezy — 2005/2006, t. 2/3

nych właściwości złoŜoności i funkcjonalnej specyficzności lub specyfikacji.

Biologiczne zastosowanie tego terminu zostanie porównane z

jego klasycznym informatycznoteoretycznym zastosowaniem w celu

wykazania, Ŝe termin „informacja biologiczna” niesie bogatszy sens

słowa „informacja” niŜ klasyczna teoria matematyczna Shannona i

Wienera. W części I znajdą się równieŜ argumenty przeciwko próbom

traktowania „informacji” biologicznej jako metafory, pozbawionej treści

empirycznej i/lub statusu ontologicznego. 5 WykaŜę, Ŝe termin informacja

biologiczna odnosi się do rzeczywistych cech układów Ŝywych,

złoŜoności i specyficzności, cech, które łącznie wymagają

wyjaśnienia.

W części II ocenię rywalizujące rodzaje wyjaśnień pochodzenia

wyspecyfikowanej informacji biologicznej, koniecznej do wytworzenia

pierwszego układu Ŝywego. Pomocną heurystykę dla zrozumienia

nieodległej historii badań nad pochodzeniem Ŝycia zapewnią

kategorie „przypadku” i „konieczności”. Od 20tych do połowy 60tych

lat XX wieku badacze pochodzenia Ŝycia w bardzo duŜym stopniu

posiłkowali się teoriami podkreślającymi twórczą rolę losowych

zdarzeń – „przypadku” – często w połączeniu z jakąś formą

prebiotycznego doboru naturalnego. Od późnych lat 60tych teoretycy

zaczęli w zamian kłaść nacisk na deterministyczne prawa lub właściwości

samoorganizacyjne – czyli na „konieczność” fizykochemiczną.

Część II obejmie takŜe krytykę adekwatności przyczynowej teorii

ewolucji chemicznej, opartych na „przypadku”, „konieczności” i na

mieszance tych dwu.

W konkludującej części III zawrę sugestię, Ŝe zjawisko informacji

rozumianej jako wyspecyfikowana złoŜoność wymaga radykalnie odmiennego

ujęcia eksplanacyjnego. Będę w szczególności argumen

5 L.E. KAY, „Who Wrote the Book of Life? Information and the Transformation of

Molecular Biology”, Science in Context 1994, vol. 8, s. 601634; L.E. KAY,

„Cybernetics, Information,

Life: The Emergence of Scriptural Representations of Heredity”, Configurations

1999, vol. 5, s. 2391; L.E. KAY, Who Wrote the Book of Life?, Stanford

University Press,

Stanford, California 2000, s. xvxix.

Strona 2

DNA a pochodzenie Ŝycia.txt

Stephen C. Meyer, DNA a pochodzenie Ŝycia

tował, Ŝe nasza aktualna wiedza na temat sił przyczynowych nasuwa

hipotezę inteligentnego projektu jako lepsze, bardziej adekwatne przyczynowo

wyjaśnienie powstania wyspecyfikowanej złoŜoności

(zdefiniowanej tak informacji), występującej w duŜych molekułach

biologicznych, takich jak DNA, RNA i białka.

Część I

A. Od prostoty do złoŜoności:

Definicja biologicznego explanandum

Po opublikowaniu przez Darwina O powstawaniu gatunków w

1859 roku wielu naukowców zaczęło zastanawiać się nad problemem,

którego Darwin nie poruszył. 6 Choć teoria Darwina ma wyjaśnić, jak

Ŝycie mogło stopniowo nabierać coraz większej złoŜoności, począwszy

od „jednej lub kilku prostych form”, nie wyjaśnia, lub nie próbuje

wyjaśnić, jak Ŝycie najpierw powstało. Mimo to, w latach 70tych i

80tych XIX wieku biologowie ewolucyjni, tacy jak Ernst Haeckel i

Thomas Huxley, zakładali, Ŝe opracowanie wyjaśnienia pochodzenia

Ŝycia będzie dość łatwe. Myśleli tak w duŜej mierze dlatego, Ŝe zakładali,

iŜ Ŝycie jest – w swej istocie – prostą pod względem chemicznym

substancją zwaną „protoplazmą”, którą bez trudu moŜna skonstruować

6 Jedyna spekulacja Darwina w kwestii pochodzenia Ŝycia znajduje się w nie

opublikowanym

liście z 1871 roku do Josepha Hookera. W liście Darwin zarysowuje ideę ewolucji

chemicznej, mianowicie, Ŝe Ŝycie mogło najpierw wyewoluować w serii reakcji

chemicznych.

Darwin tak to sobie wyobraŜał: „gdybyśmy (och! jakieŜ to wielkie gdybyśmy!)

mogli dostrzec

w jakimś ciepłym małym stawie, w którym znajdują się wszystkie rodzaje amoniaku

i soli

fosforowych, przy udziale światła, ogrzewania, elektryczności itd., Ŝe w sposób

chemiczny

utworzył się jakiś związek białkowy, gotowy do przejścia dalszych złoŜonych

zmian” (Cambridge

University Library, Manuscripts Room, Darwin Archives, dzięki uprzejmości Petera

Gautreya).

Filozoficzne Aspekty Genezy — 2005/2006, t. 2/3

poprzez łączenie i rekombinację prostych substancji chemicznych,

takich jak dwutlenek węgla, tlen i azot.

W ciągu następnych sześćdziesięciu lat biologowie i biochemicy

stopniowo rewidowali swój pogląd na naturę Ŝycia. W latach 60tych i

70tych XIX wieku biologowie postrzegali komórkę, by uŜyć słów

Haeckela, raczej jako niezróŜnicowaną i „jednorodną kulkę plazmy”.

Jednak w latach 30tych XX wieku większość biologów zaczęło postrzegać

komórkę jako złoŜony system metaboliczny. 7 Teorie pochodzenia

Ŝycia odzwierciedliły ową coraz większą świadomość złoŜoności

komórki. Podczas gdy dziewiętnastowieczne teorie abiogenezy

przewidywały, Ŝe Ŝycie powstaje niemal natychmiast w jednolub

dwuetapowym procesie „autogenii” chemicznej, wczesne teorie dwudziestowieczne,

takie jak Oparina teoria ewolucyjnej abiogenezy,

mówiły o trwającym wiele miliardów lat procesie transformacji od

prostych substancji chemicznych do złoŜonego systemu metabolicznego.

8 Nawet jednak w 20tych i 30tych latach XX wieku większość

naukowców wciąŜ w duŜym stopniu nie doceniała złoŜoności i specyficzności

komórki oraz jej składników funkcjonalnych, co wkrótce

wykaŜe dalszy rozwój biologii molekularnej.

Strona 3

DNA a pochodzenie Ŝycia.txt

B. ZłoŜoność i specyficzność białek

W pierwszej połowie dwudziestego wieku biochemicy dostrzegli

centralną rolę białek w utrzymywaniu Ŝycia. Choć wielu z nich błędnie

sądziło, Ŝe białka są równieŜ źródłem informacji dziedzicznej,

biologowie ciągle niedoceniali złoŜoności białek. Na przykład w la

tach 30tych XX wieku Anglik William Astbury, zajmujący się kry

7 E. HAECKEL, The Wonders of Life, na jęz. ang. przeł. J. McCabe, Watts, London

1905;

T.H. HUXLEY, „On the Physical Basis of Life”, Forthnightly Review 1869, vol. 5,

s. 129145.

8 A.I. OPARIN, The Origin of Life, na jęz. ang. przeł. S. Morgulis, Macmillan,

New York

1938; S.C. MEYER, Of Clues and Causes: A Methodological Interpretation of Origin

Life Studies, dysertacja doktorska, Cambridge University 1991.

Stephen C. Meyer, DNA a pochodzenie Ŝycia

stalografią rentgenowską, objaśnił strukturę molekularną pewnych

włóknistych białek, takich jak keratyna, która jest kluczowym

białkiem budulcowym włosów i skóry. 9 Keratyna ma względnie

prostą, powtarzalną budowę i Astbury był przekonany, Ŝe wszystkie

białka, łącznie z tajemniczymi kulistymi białkami, które są tak waŜne

dla Ŝycia, są odmianami tego samego podstawowego i regularnego

wzorca. W podobny sposób biochemicy Max Bergmann i Carl Niemann

z Rockefeller Institute argumentowali w 1937 roku, Ŝe białkowe

aminokwasy występują w regularnych, wyraŜalnych matematycznie

proporcjach. Inni biologowie wyobraŜali sobie, Ŝe białka insuliny i hemoglobiny,

na przykład, „składają się z pakietów równoległych pręcików”.

Z początkiem lat 50tych seria odkryć sprawiła jednak, Ŝe ten

uproszczony pogląd na białka uległ zmianie. W latach 19491955

biochemik Fred Sanger określił strukturę cząsteczki białkowej, insuliny.

Sanger pokazał, Ŝe insulina składa się z długiej i nieregularnej

sekwencji równych aminokwasów, przypominając sznur róŜnie ubarwionych

koralików, nie ułoŜonych w Ŝaden dostrzegalny wzorzec.

Jego praca ukazała to, co kaŜda następna praca w dziedzinie biologii

molekularnej ustanowi jako normę: sekwencji aminokwasów w funkcjonalnych

białkach na ogół nie da się wyrazić za pomocą jakiejś

prostej reguły, a w zamian charakteryzuje ją aperiodyczność lub złoŜoność.

11 Później w latach 50tych praca Johna Kendrew na temat

struktury białka mioglobiny pokazała, Ŝe białka charakteryzują się

takŜe zadziwiającą trójwymiarową złoŜonością. W Ŝadnym razie nie

będąc prostymi strukturami, jak wcześniej wyobraŜali sobie biolo

9 W.T. ASTBURY and A. STREET, „XRay Studies of the Structure of Hair, Wool and

Fibers”, Philosophical Transactions of the Royal Society of London 1932, vol. A

230, s.

75101; H. JUDSON, Eighth Day of Creation, Simon and Schuster, New York 1979, s.

80; R.

OLBY, The Path to the Double Helix, Macmillan, London 1974, s. 63.

10 OLBY, The Path to the Double Helix…, s. 7, 265.

11 JUDSON, Eighth Day of Creation…, s. 213, 229235, 255261, 304, 334335,

562563;

F. SANGER and E.O.P. THOMSON, „The Amino Acid Sequence in the Glycyl Chain of

Insulin”,

części 1 i 2, Biochemical Journal 1953, vol. 53, s. 353366, 366374.

Strona 4

Filozoficzne Aspekty Genezy — 2005/2006, t. 2/3

gowie, białka okazały się mieć nadzwyczaj złoŜony i trójwymiarowy

kształt: poskręcana, pozwijana plątanina aminokwasów. Jak Kendrew

wyjaśnił w 1958 roku: „Wielkim zaskoczeniem była jej nieregularność

[…] ułoŜenie to zupełnie nie wykazuje tego rodzaju regularności,

jakiego instynktownie się oczekuje, i jest bardziej skomplikowane niŜ

przewidywała jakakolwiek teoria struktury białkowej”. 12

W połowie lat 50tych biochemicy odkryli, Ŝe białka mają jeszcze

inną zdumiewającą właściwość. Poza złoŜonością białka wykazują

równieŜ specyficzność, zarówno jako jednowymiarowe szeregi, jak i

trójwymiarowe struktury. Podczas gdy białka zbudowane są z dość

prostych pod względem chemicznym aminokwasowych „cegiełek

budulcowych”, ich funkcjonowanie (jako enzymy, przetworniki

sygnałów czy składniki strukturalne w komórce) zaleŜy zasadniczo od

złoŜonego, ale i specyficznego ułoŜenia cegiełek budulcowych. 13 W

szczególności, specyficzna sekwencja aminokwasów w łańcuchu oraz

wynikłe z niej interakcje chemiczne między aminokwasami w duŜej

mierze determinują specyficzną trójwymiarową strukturę, którą przyjmie

łańcuch jako całość. Owe struktury lub kształty determinują z

kolei to, jaką funkcję, o ile jakąkolwiek, dany łańcuch polipeptydowy

będzie pełnił w komórce.

Trójwymiarowy kształt sprawia, Ŝe funkcjonalne białko pasuje do

innych cząsteczek jak ręka do rękawiczki, umoŜliwiając mu katalizowanie

specyficznych reakcji chemicznych lub budowanie specyficznych

struktur w komórce. Z powodu trójwymiarowej specyficzności

jednego białka nie moŜna zazwyczaj zastąpić innym białkiem, podobnie

jak jednego narzędzia nie moŜna zastąpić innym narzędziem.

Topoizomeraza nie moŜe wykonywać pracy polimerazy, podobnie jak

siekiera nie moŜe pełnić funkcji lutownicy. Białka pełnią funkcje tyl

12 JUDSON, Eighth Day of Creation…, s. 562563; J.C. KENDREW, G. BODO, H.M.

DINTZIS,

R.G. PARRISH and H. WYCKOFF, „A ThreeDimensional Model of the Myoglobin

Molecule Obtained

by XRay Analysis”, Nature 1958, vol. 181, s. 662666, zwłaszcza 664.

13 B. ALBERTS, D. BRAY, J. LEWIS, M RALF, K. ROBERTS and J.D. WATSON, Molecular

Biology

of the Cell, Garland, New York 1983, s. 111112, 127131.

Stephen C. Meyer, DNA a pochodzenie Ŝycia

ko z racji dopasowania swojej trójwymiarowej specyficzności albo do

innej równie wyspecyfikowanej i złoŜonej molekuły, albo do

prostszych substratów, znajdujących się w komórce. Co więcej, trójwymiarowa

specyficzność wywodzi się w duŜej mierze ze specyficzności

sekwencji jednowymiarowej w ułoŜeniu aminokwasów, które

tworzą białka. Nawet niewielkie zmiany w sekwencji często kończą

się utratą funkcjonalności białka.

C. ZłoŜoność i specyficzność sekwencji DNA

W pierwszej części dwudziestego wieku badacze w duŜym stopniu

niedoceniali takŜe złoŜoności (i znaczenia) kwasów nukleinowych,

takich jak DNA i RNA. Naukowcy znali wtedy chemiczny skład

DNA. Biologowie i chemicy wiedzieli, Ŝe poza cukrami (i późniejszymi

fosforanami) DNA składa się z czterech róŜnych zasad nukleotydowych,

zwanych adeniną, tyminą, cytozyną i guaniną. W roku

1909 chemik P.A. Levene wykazał (jak się potem okazało, błędnie),

Ŝe cztery róŜne zasady nukleotydowe występują w cząsteczce DNA

zawsze w równych ilościach. 14 Aby wyjaśnić ten domniemany fakt,

sformułował on – jak sam ją nazwał – „hipotezę tertranukleotydu”.

Zgodnie z tą hipotezą, cztery zasady nukleotydowe w DNA łączą się

Strona 5

DNA a pochodzenie Ŝycia.txt

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: