W p r o w a d z e n i e:
Niniejsze opracownie ma na celu przedstawienie kompletnego modelu poznawczego powstania życia na Ziemi, czyli udzielenia odpowiedzi na pytanie:
D u a l i z m N a t u r y R z e c z y:
Wszystko zaczyna się od właściwości materii określanej mianem Dualizmu Natury Rzeczy. Przejawia się on cyklicznym grupowaniem cząstek i rozpadem powstałych w wyniku tego procesu obiektów.
W przestrzeni kosmicznej cząstki mają tendencję do grupowania się w planety, gwiazdy, galaktyki itp., każdy obiekt astronomiczny jest pojedynczym ośrodkiem koncentracji materii. Obiekty większe pochłaniają mniejsze. Najsilniej koncentrują materię tzw. czarne dziury. Gdy dochodzi do przekroczenia pewnych wartości granicznych skoncentrowana w ten sposób materia eksploduje tworząc tzw. Wielki Wybuch.
Zjawisko to zachodzi również na Ziemi. A nasze ziemskie warunki grawitacyjne, szczególnie w obszarach meterii płynnej, powodują, że grupujące się cząstki, po przekroczeniu pewnej wartości granicznej samoistnie rozpadają się.
C z ą s t k i t y p u R P D:
Wymiary Ziemi spowodowały, że na jej powierzchni część materii znajduje się w stanie płynnym. Pierwotne oceany były mieszaniną wody, metanu, amoniaku oraz wodoru - naukowcy nazwali tę mieszaninę bulionem pierwotnym. W tym właśnie płynnym środowisku i w tych właśnie warunkach grawitacyjnych miały szansę zaistnieć aminokwasy oraz cząstki typu RPD - cząstki przyłączające do siebie elementy z otoczenia i po przekroczeniu pewnych rozmiarów rozpadające się na np. dwie mniejsze cząstki tego samego typu, które dalej przyłączały kolejne elementy, aż do kolejnego rozpadu.
Wśród elementów tworzących cząstki typu RPD były fosfolipidy, w wyniku agregacji których powstawały liposomy - cząstki RPD w postaci błon zamkniętych (jak baloniki) oraz nukleotydy rybozowe, które tworzyły RNA - cząstki RPD w postaci łańcuchów (podobne elementy doczepione jeden do drugiego). Jak nietrudno się domyślić liposomy pękały na mniejsze baloniki, natomiast w przypadku RNA sprawy przebiegały w sposób bardziej skomplikowany. Łańcuchy powstające z nukleotydów rybozowych mają różne właściwości. Zarówno struktura, jak i właściwości RNA są uzależnione od sekwencji nukleotydów, z których zbudowana jest dana cząsteczka.
R e p l i k a t o r y:
Choć jeden z typów łańcuchów RNA był cząstką typu RPD to łańcuch, który tworzył również sam w sobie stanowił cząstkę typu RPD i to cząstkę szczególną. Cząstkę, która tworzyła komplementarne kopie (inaczej: negatywowe lub lustrzane odbicia) samej siebie, co oznacza, że przy drugim podziale powstawała identyczna kopia łańcucha pierwotnego. W ten oto sposób pojawiły się replikatory - cząstki wiernie kopiujące same siebie. W tym momencie należy zwrócić uwagę na słowo "wiernie" - kopie cząstek były identyczne, jednak w trakcie wielkiej liczby kopiowań zdarzały się również błędy i wówczas w procesie powielenia powstawała nie "identyczna w 100% kopia", lecz "prawie taka sama". Kopia łańcucha nukleotydów rybozowych mogła się na przykład odróżniać od swej pierwotnej matrycy brakiem lub nadmiarem jednego elementu.
P u l s u j ą c y g ł ó d z a s o b ó w:
Jeśli do analizy bulionu pierownego, w którym zaistniały cząstki typu RPD użyjemy matematyki, to nietrudno zauważyć, że w środowisku cząstek typu RPD ich liczba zwiększała się w sposób wykładniczy (1,2,4,6,16,32,64,128,256,1024,…), natomiast liczba wolnych elementów do ich budowy malała. Przy odpowiednio dużej liczbie cząstek typy RPD pojawił się naturalny "głód" na elementy, których było coraz mniej, natomiast namnażające się cząstki dalej dążyły do ich pozyskania. Pojawiła się też kolejna możliwość: jeśli brak było wolnego elementu, to można było go pozyskać "kradnąc" go cząstce podobnej sobie. Pamiętamy, że replikatory w większości tworzyły identyczne kopie samych siebie, jednak czasem przez przypadek powstawały nieco inne, o nieco innych właściwościach. Właściwości te mogły być bardzo różne, ale jedne nas szczególnie interesują, chodzi mianowicie o zdolność pozyskiwania elementów. Jeśli taka nieco inna cząstka lepiej je pozyskiwała lub lepiej utrzymywała przy sobie to niszczyła okoliczne cząstki. W ten sposób w pierwotnej zupie pulsującej od powielających się replikatorów powstała "walka konkurencyjna" o elementy niezbędne do powielania się oraz zjawisko łańcucha sukcesji. Te bowiem cząstki, które lepiej "przyciągały do siebie" i/lub "mocniej trzymały przy sobie" niezbędne elementy powielały się, natomiast te, które robiły to gorzej, znikały z powodu niemożliwości powielenia się.
Walkę konkurencyjną mającą na celu pozyskiwania niezbędnych elementów można wygrać na dwa sposoby: albo poprzez coraz doskonalsze taktyki własne cząstki albo poprzez współdziałanie kilku cząstek polegające na połączeniu ich "sił".
R e p l i k a t o r y s y n t e t y z u j ą c e:
Nałożenie się obu tych kierunków doskonalenia walki konkurencyjnej doprowadziło do powstania nowego typu replikatorów: replikatorów syntetyzujących. W chwili obecnej trudno jest powiedzieć, które z cząstek, kilka miliardów lat temu, je utworzyły. Jednak ze zjawiska zachodzącego obecnie w każdej żywej komórce, można domniemywać, że powstały one ze współpracy trzech różnych typów RNA. Najbardziej prawdopodobnym jest, że to właśnie ta współpraca okazała się kluczowa w przekształceniu zjawisk RPD i replikacji w życie. Tymi szczególnymi cząstkami okazały się następujące cząstki RNA (łańcuchy tworzone z nukleotydów rybozowych):
cząstki mRNA (messenger RNA) - samoreplikujące się, na zasadzie negatyw/pozytyw, cząstki stanowiące łańcuchy informacji, w których zapisany jest kod genetyczny;
cząstki tRNA (transfer RNA) - cząstki transportowe pobierające ze środowiska odpowiednie aminokwasy i przyciągające je w odpowiednie miejsca łańcuchów informacyjnych jakimi są mRNA. Pasująca cząsteczka tRNA powiązana z odpowiednim aminokwasem przyłącza się w rybosomie do aktualnie przetwarzanego fragmentu matrycy (mRNA), po czym aminokwas ten jest dołączany do syntezowanego białka, a tRNA zostaje uwolnione;
cząstki rRNA (ribosomal RNA) - cząstki katalizujące (obecnie wchodzące w skład rybosomów, które biorą udział w procesie biosyntezy polipeptydów) - budujące struktury białkowe z aminokwasów przyciągniętych przez tRNA do mRNA i ustawionych w odpowiedniej kolejności w oparciu o informację zapisaną w łańcuchach informacyjnych mRNA.
Współpraca tych właśnie trzech typów RNA była kluczowym czynnikiem, który przekształcił zjawisko RPD w życie.
Rys. Schemat budowania się łańcuchów białkowych.
B i a ł k a:
Białko - jedno, krótkie słowo, zaledwie sześć liter, a przecież białka to jeden z najważniejszych
elementów
życia. Bez nich by go nie było. Bez innych biopolicząstek, takich jak polisacharydy czy
polinukleotydy,
również nie, ale białka są arcyszczególne. Arcyszczególne potrójnie! Trzy bowiem właściwości
stanowią o ich
unikalnym charakterze:
po pierwsze białka to długie łańcuchy zbudowane z zaledwie dwudziestu elementów - aminokwasów (podstawowych) połączonych kolejno jeden do drugiego
po drugie struktury białkowe w zależności od kolejności w jakiej ułożone są aminokwasy mogą mieć przeróżne właściwości,
i po trzecie strukturę białkową można zbudować… na podstawie projektu.
G e r p e d e l u c j a:
W tym momencie przerwijmy na chwilę rozważania na temat powielających się cząstek i omówmy
abstrakcyjny
proces gerpedelucji.
Jest to cykliczny proces składający się z trzech,
powtarzających się po sobie, etapów:
Produkcji zbioru obiektów na podstawie zbioru projektów
Selekcji spośród wyprodukownych obiektów tych, które spełniają pewne kryterium (tzw. kryterium selekcyjne)
Powielenia z modyfikacją zbioru projektów, na podstawie których były stworzone obiekty wyselekcjonowane w poprzednim etapie. Powstały w ten sposób zbiór projektów kierowany jest do etapu produkcji.
S y s t e m a u t o d y n a m i c z n
y:
Bulion pierwotny był tym środowiskiem, w którym w sposób naturalny (wynikający z praw fizyki i
chemii)
zaistniały cząstki RPD, a te w sposób naturalny wygenerowały proces walki konkurencyjnej o zasoby
potrzebne
im do odbudowy po podziale. Proces ten, z kolei, zaczął zwrotnie wpływać na cząstki powodując zmiany
ich
budowy w kolejnych pokoleniach. Bulion pierwotny okazał się zatem być systemem autodynamicznym czyli
systemem,
który generuje procesy, które zwrotnie zmieniają sam system lub jego elementy. I ta autoprzebudowa
elementów
i procesów przez nie generowanych trwa po dziś dzień, a wirusy, grzyby i każdy człowiek oraz każda
jego
komórka są elementami tego systemu.
K o m ó r k a:
Otoczenie murem miejscowości powoduje, że mieszka się w niej bezpieczniej. Owinięcie błoną
współpracujących
ze sobą elementów replikatorów syntetyzujących przyczyniło się do lepszej ich współpracy i lepszego
pozyskiwania i/lub utrzymywania zasobów. Jak już wspominaliśmy błony fosfolipidowe też są cząstkami
typu
RPD. Najbardziej zatem prawdopodobnym jest, że jedna z naturalnych modyfikacji projektów, do których
dochodziło podczas powielania się replikatorów syntetyzujących, zaskutkowała tym, że wśród
produkowanych
przez nie obiektów białkowych pojawiły się również i takie, które potrafiły przyciągnąć do siebie
fosfolipidy, a te utworzyły błonę otulającą replikator syntetyzujący. I w ten oto sposób powstały
pierwotne
komórki, uważane powszechnie za obiekty żywe.
E w o l u c j a b i o l o g i c z n a:
Jeśli podmiotami gerepedelucji będą obiekty żywe, a drugi z jej etapów - selekcja - będzie polegał
na grze rozgrywanej pomiędzy tymi obiektami, grze
która wyłania
zwycięzców mających prawo do powielenia, grze w której można stosować dowolne taktyki (np. walki
wprost lub
tworzenia koalicji), to otrzymamy szczególny przypadek gerpedelucji - ewolucję biologiczną.
Wraz z pojawieniem się komórek proces ewolucji biologicznej, który sam w sobie jest elementem systemu autodynamicznego, również
zaczął
ulegać modyfikacji. Z procesu stosunkowo prostego, o trzech dobrze zdefiniowanych i następujących
kolejno po
sobie etapów, zmienił się w proces bardzo skomplikowany, w którym między innymi początkowo etapy
zaczęły się
na siebie nakładać, a następnie wewnętrzne projekty genetyczne zostały wzmocnione zewnętrznymi projektami memetycznymi, do których
zalicza
się przekazywaną ustnie, gromadzoną w książkach lub zapisywaną na dyskach komputerów, wiedzę
wpływającą na
ludzkie zachowania.
S i ł a e w o l u c j i b i o l
o g i c
z n ej:
Przeciwnicy teorii ewolucji posługują się argumentem, że prawdopodobieństwo przypadkowego
powstanie nawet
całkiem prostej cząsteczki białka w bulionie pierwotnym może zdarzyć się raz na 10113
przypadków, a bardziej skomplikowango enzymu raz na 10
Wystarczy jednak przeprowadzić kilka prostych obliczeń by dostrzec ogromny potencjał twórczy tkwiący
w
procesie ewolucji biologicznej. Obliczmy ile bakterii powstałoby w ciągu czterech i pół miliarda
lat, przy
założeniu, że rozmnażają się one co jeden dzień? Pierwszego dnia są dwie, drugiego każda z nich się
podzieliła, co razem daje cztery, trzeciego osiem… Ogólny wzór znany jest nawet dwunastolatkom: w
n-tym
dniu ich liczba powinna wynieść dwa do potęgi n-tej. To ile w takim razie powinno ich być, dajmy na
to, po
1 642 500 000 000 dniach (4.5 miliarda lat razy 365 dni)? Odpowiedź zadziwia i
daje do
myślenia: 10500 000 000 000! Jakże śmiesznie przy tej cyfrze wygląda
cytowane
przed chwilą „krańcowo małe prawdopodobieństwo” wynoszące jeden do 1040 000. Z tego
prostego
rachunku wynika, że przy tak określonej rozrodczości (przypomnę – jeden podział na dzień, a bakterie
w
sprzyjających warunkach – gdy niezbędnych zasobów jest tyle, ile potrzeba – potrafią się mnożyć
nawet do
siedemdziesięciu razy szybciej) na to, by w ciągu istnienia Ziemi w sposób losowy powstał taki, a
nie inny
łańcuch nukleotydów, natura mogła wykorzystać 10500 000 000 000
prób.
Replikacja na poziomie niższym niż komórkowy musiała przebiegać o wiele szybciej: replikacja DNA
postępuje z
prędkością tysiąca nukleotydów na sekundę. Zatem przy założeniu, że okres replikacji pierwotnych
replikatorów wynosił na przykład jedną sekundę, to z jednego replikatora już po zaledwie dwóch
dniach
powstałoby ich 1052 016.
Problem ze zrozumieniem jak działa ewolucja biologiczna wynika z tego, że my ludzie postrzegamy
świat
poprzez pryzmat procesów liniowych, natomiast gerepedelucja jest procesem wykładniczym - w swym
charakterze
podobnym do lawiny lub wybuchu.
Niewyobrażalnie wielka liczba prób to pierwszy z mocnych mechanizmów ewolucji biologicznej ale nie
jedyny,
ma ona bowiem jeszcze jeden - zapadkę
ewolucyjną.
C h a r a k t e r y s t y k a e w
o l u c
j i b i o l o g i c z n e j:
Do konkurencji o niezbędne zasoby dochodzi bardzo szybko. Gdybyśmy dysponowali superpożywką o
objętości
jeziora Bajkał to do sytuacji, w której bakteriom przyszłoby toczyć bratobójcze walki o elementy
potrzebne
do odbudowy, koniecznych jest zaledwie 100 podziałów. Gdyby zatem podwajały się one co dwadzieścia
minut, to
do prawdziwej walki o byt pomiędzy nimi doszłoby w ciągu niespełna dwóch dni!
Badaniem sytuacji konfliktowych zajmuje się matematyczna teoria gier, i właśnie tę teorię wykorzystano do badania procesu ewolucji biologicznej. Kluczowymi w określeniu charakterystyk tego procesu okazały się tak zwane gry ewolucyjne: "Gołębie Jastrzębie", "Mała ewolucja" i "Mała ewolucja grupowa". Analiza tych gier wykazuje, że ewolucja biologiczna posiada mechanizm zapadkowy, który powoduje powstawanie coraz to doskonalszych obiektów żywych. Ta naturalna doążność tego procesu w kolejnych pokoleniach selekcjonowanych obiektów w sposób naturalny faworyzuje dwa rodzaje obiektów: coraz doskonalsze obiekty samodzielne oraz coraz lepiej współpracujące ze sobą grupy obiektów. Oczywiście w obu przypadkach chodzi o coraz skuteczniejsze pozyskiwanie zasobów.
Mechanizm ten prowadzi do dwóch charakterystycznych wyodrębnień: specjacji - czyli rozdzielenia się
gatunku
obiektów żywych na dwa różne oraz symbiogenezy - czyli integrującej współpracy przedstawicieli
różnych
gatunków obiektów żywych.
Tę charakterystykę ewolucji biologicznej ilustruje schemat o nazwie HeKroGram:
P o z i o m y o r g a n i z a c y
j n
e o b i e k t ó w ż y w y c h:
Ta naturalna charakterystyka procesu ewolucji biologicznej przyczyniła się do powstania kilku
poziomów
organizacji obiektów żywych. Jeśli zgodnie z rozważaniami Fizyki Życia przyjmiemy, że obiekt żywy to
zbiór
współpracujących ze sobą powielających się elementów, wówczas możemy wyróżnić kilka poziomów
organizacycjnych obiektów żywych w zależności od tego czym są elementy, z których jest on zbudowany.
Ponieważ najprostszą formą życia są replikatory syntetyzujące należy je uznać za formę życia pierwszego poziomu,
Wyżej znajdują się na przykład mitochondria i bakterie, które stanowią formę życia drugiego poziomu, ponieważ są obiektami złożonymi ze współpracujących ze sobą elementów organizacyjnej formy życia pierwszego poziomu,
Konsekwentnie, zbudowana z elementów pierwszego i drugiego poziomu organizacyjnego życia komórka eukariotyczna stanowi organizacyjną formę życia poziomu trzeciego,
Człowiek i mrówka - obiekty zbudowane z komórek eukariotycznych - to formy życia czwartego poziomu organizacyjnego.
Z kolei społeczności mrówek, os i termitów stanowią organizacyjną formę poziomu piątego.
D o s k o n a ł o ś ć a s e l e k c
j
a:
Czym zatem są obiekty żywe? Efektem procesu, w którym zdecydowana większość obiektów zabija się
nawzajem,
jednak te które pozostają stanowią perfekcyjną mniejszość. Chyba najlepiej oddaje to sparafrazowany
cytat z
"Fausta" Johann'a Wolfgang'a von Goethe: Więc kimże w końcu jesteś? Jam częścią tej siły, która
wiecznie
czyniąc zło, tworzy doskonałość.
K l u c z e d o z r o z u m i e n i
a:
W celu szybszego zrozumienia całości przedstawionego materiału warto skoncentrować się na dokładnym
przestudiowaniu następujących tematów:
Emergencja - powstawanie w systemie nowych właściwości, których nie mają pojedyncze obiekty wchodzące w jego skład
Naturalne przyswajanie materiału przez pewnego typu cząstki do budowania samych siebie
Zjawisko RPD - cykliczny proces odbudowy i podziału cząstek chemicznych
Dwie właściwości zasad azotowych: komplementarność i to, że stanowią elementy nukleotydów
Właściwości nukleotydów - fakt, że stanowią elementy łańcuchów RNA i DNA
Właściwości białek: łańcuchy zbudowane z aminokwasów cechują przeróżne (nawet bardzo skrajne) właściwości
Właściwości tRNA: w zależności od sekwencji trzech nukleotydów w, tak zwanym, antykodonie łączy się z jednym typem aminokwasu
Funkcjonalność rybosomu (rRNA): budowa łańcucha z aminokwasów na podstawie informacji (sekwencji kodonów) jaką stanowi mRNA
Naturalna replikacja zniekształcająca - mutacje
Charakterystyka opartego na gerpedelucji procesu ewolucji biologicznej z jej mechanizmem zapadki doskonalącej.
C o p r z e s z k a d z a
w
z r o z u m i e n i u?:
brak odpowiednich i jednoznacznych pojęć (ewolucja, łańcuch sukcesji, przodek-prewoluant)
nieadekwatny język stosowany w literaturze: "muszą się dostosować", "muszą zmienić swoje geny", "ryby przeszły mutację genetyczną, żeby się przystosować"
nieintuicyjność mechanizmów, która rządzą procesem ewolucji biologicznej, np.: zmiany zależą od liczby cykli, a nie od czasu
znikoma wiedza na temat matematycznej teorii gier - systemy edukacyjne i media kształcą myślenie redukcjonistyczne, a nie absolutne, na które składają się między innymi: myślenie systemowe, teoriogrowe, populacyjne (teoriomnogościowe).
fakt, że modyfikacjom podlegają kolejne pokolenia osobników, a nie osobniki
"bezduszność" ewolucji biologicznej - selekcja to pozbawienie prawa do posiadania potomstwa, głównie poprzez zabicie
animizacja i antropomorfizacja - ludzka cecha polegająca na przypisywanie świadomej celowości procesom naturalnym, których się nie rozumie (inaczej: mylenie naturalnej dążności z determinizmem)
zjawisko zagnieżdżania i przenikanie się etapów gerpedelucji w ewolucji biologicznej, wieloźródłowość projektów genetycznych i emergencja projektów memetycznych
nieintuicyjne pojęcie systemu autodynamicznego
nieintuicyjność procesów wykładniczo narastających
nieintuicyjność procesów nieliniowych
fakt, że większość z nas obserwuje zaledwie fragment procesu ewolucji biologicznej (dziadkowie, rodzice, dzieci, wnuki), czyli skala prędkości działania ewolucji biologicznej. Dla przeciętnego obserwatora procesy ewolucyjne są na tyle powolne, że w praktyce niedostrzegalne. Aktywność przeciętnego człowieka sprowadza się do około 45 lat, a ewolucja trwa już od 4 500 000 000 lat. Te dwie liczby mają się do siebie jak trzy dziesiąte sekundy do roku.
Dziennik: