Niesamowita komórka. O drobince materii, która nie ma sobie równych ebook

SE­RIA WY­JĄT­KOWY GA­TU­NEK

Czy lu­dzie są przy­pad­ko­wymi wy­two­rami śle­pego i obo­jęt­nego Wszech­świata? A może są be­ne­fi­cjen­tami uprzed­nio za­pla­no­wa­nego ko­smicz­nego po­rządku, dzięki któ­remu mo­gli po­wstać i się roz­wi­jać? Mi­chael Den­ton, świa­to­wej sławy au­stra­lij­ski bio­che­mik, przed­sta­wia se­rię da­nych na­uko­wych z ta­kich dzie­dzin, jak fi­zyka, che­mia czy bio­lo­gia – szcze­gólną uwagę zwra­ca­jąc na wła­ści­wo­ści wę­gla, wody i tlenu – i do­cho­dzi do nie­oczy­wi­stego dla dzi­siej­szych ba­da­czy wnio­sku, że nasz Wszech­świat zo­stał tak za­pro­jek­to­wany, by po­ja­wiło się ży­cie, a zwłasz­cza in­te­li­gentne ży­cie.

Den­ton w pew­nym sen­sie wraca do idei uprzy­wi­le­jo­wa­nej po­zy­cji czło­wieka, która od cza­sów Dar­wina nie cie­szyła się więk­szym za­in­te­re­so­wa­niem, ale ten po­wrót nie jest mo­ty­wo­wany re­li­gij­nie, lecz na­ukowo. Au­stra­lij­ski uczony jest kry­ty­kiem kre­acjo­ni­stycz­nego po­dej­ścia do świata przy­rody, zgod­nie z któ­rym czło­wiek jest istotą od­rębną od in­nych or­ga­ni­zmów. Den­ton twier­dzi, że ist­nieje nie­prze­rwana cią­głość świata or­ga­nicz­nego, a wszyst­kie żywe istoty wy­stę­pu­jące na Ziemi są for­mami na­tu­ral­nymi w naj­głęb­szym sen­sie tego słowa – po­dob­nie jak na­tu­ralne są krysz­tały soli, atomy, wo­do­spady czy ga­lak­tyki. Czło­wiek także jest istotą na­tu­ralną, nie­mniej jego nie­po­wta­rzalne ce­chy spra­wiają, że można uznać go za wy­jąt­kowy ga­tu­nek.

Po­dzię­ko­wa­nia

Opar­łem się na kilku klu­czo­wych tek­stach, z któ­rych za­czerp­ną­łem wiele do­wo­dów. Są to: João José Ro­di­les Fra­ústo da Si­lva i Ro­bert Wil­liams, The Bio­lo­gi­cal Che­mi­stry of the Ele­ments z 1991 roku; Wol­fgang Kaim, Bri­gitte Schwe­der­ski i Axel Klein, Bio­inor­ga­nic Che­mi­stry, wy­da­nie II z 2013 roku; Ro­bert R. Crich­ton, Bio­lo­gi­cal Inor­ga­nic Che­mi­stry, wy­da­nie II z 2012 roku; Rob Phil­lips i inni, Phy­si­cal Bio­logy of the Cell, wy­da­nie II z 2013 roku; Pe­ter At­kins, Kra­ina pier­wiast­ków z 1996 roku; Nick Lane, Py­ta­nie o ży­cie z 2015 roku; Bruce Al­berts i inni, Mo­le­cu­lar Bio­logy of the Cell, wy­da­nie IV z 2002 roku.

Jak za­wsze, ko­rzy­sta­łem też z wiel­kiego kla­sycz­nego dzieła Law­rence’a Hen­der­sona, The Fit­ness of the Envi­ron­ment z 1913 roku.

Je­stem rów­nież wdzięczny Ia­inowi John­sto­nowi i Ty­le­rowi Hamp­to­nowi za wni­kliwą kry­tykę i lek­turę pierw­szych wer­sji mo­no­gra­fii, re­cen­zen­tom na­uko­wym za cenne uwagi na póź­niej­szym eta­pie prac oraz per­so­ne­lowi Di­sco­very In­sti­tute, zwłasz­cza Jo­na­tha­nowi Wit­towi i Ra­chel Adams, za wy­tę­żoną pracę re­dak­cyjną.

Wstęp

Moim nad­rzęd­nym ce­lem w se­rii „Wy­jąt­kowy Ga­tu­nek” jest wy­ka­za­nie, że przy­roda zo­stała na wiele spo­so­bów przy­sto­so­wana do po­ja­wie­nia się ży­cia na Ziemi. Do­ty­czy to nie tylko ko­mórki opar­tej na wę­glu, lecz także istot bio­lo­gicz­nych ta­kich jak my, co świad­czy o tym, że ko­smos jest za­równo bio­cen­tryczny, jak i an­tro­po­cen­tryczny (bez względu na to, jak mało po­pu­larna w pew­nych krę­gach może się wy­da­wać taka teza).

W ni­niej­szej pu­bli­ka­cji sku­piam się na do­sto­so­wa­niu przy­rody do opar­tej na wę­glu ko­mórki, która jest pod­stawą ży­cia na Ziemi. Ana­li­zuję wła­ści­wo­ści wielu ato­mów z układu okre­so­wego pier­wiast­ków, w tym wę­gla, wo­doru, tlenu i azotu oraz fos­foru i kilku me­tali, aby pod­kre­ślić ich uni­kalne przy­sto­so­wa­nie do peł­nie­nia róż­nych funk­cji bio­che­micz­nych w ko­mórce. Jak wy­każę w na­stęp­nych roz­dzia­łach, do­sto­so­wa­nie wielu ato­mów z pierw­szej ćwiartki układu okre­so­wego do pro­jektu ko­mórki jest zdu­mie­wa­jące. Po prze­ana­li­zo­wa­niu świa­dectw nie spo­sób oprzeć się wra­że­niu, że atomy pod wzglę­dem wła­ści­wo­ści zo­stały ukształ­to­wane z nie­wia­ry­godną pre­cy­zją, aby peł­nić spe­cy­ficzne funk­cje, od któ­rych za­leży ist­nie­nie ko­mórki. Okre­ślam zbior­cze do­sto­so­wa­nie wła­ści­wo­ści owych ato­mów do funk­cjo­no­wa­nia ko­mórki opar­tej na wę­glu mia­nem „pier­wot­nego planu” wpi­sa­nego w po­rzą­dek rze­czy od za­ra­nia Wszech­świata.

Rzecz ja­sna do­sto­so­wa­nie przy­rody do ko­mórki nie jest toż­same z jej do­sto­so­wa­niem do ludz­kiej bio­lo­gii – w przy­ro­dzie wy­stę­puje wiele do­dat­ko­wych ele­men­tów do­stro­je­nia, które zdają się słu­żyć isto­tom o na­szej kon­struk­cji bio­che­micz­nej i fi­zjo­lo­gicz­nej; nie­które zo­stały omó­wione we Wład­cach ognia, Fe­no­me­nie wodyi Dzie­ciach świa­tła – jed­nakże bez zdu­mie­wa­ją­cej zdol­no­ści ko­mó­rek do po­ru­sza­nia się w roz­wi­ja­ją­cym się pło­dzie w ślad za gra­dien­tami che­micz­nymi, zmie­nia­nia kształtu i prze­kształ­ca­nia się w różne typy, to zna­czy krwinki czer­wone, fo­to­re­cep­tory, ko­mórki na­błon­kowe, leu­ko­cyty itd., ża­den zło­żony or­ga­nizm wie­lo­ko­mór­kowy nie miałby prawa ist­nieć. W re­zul­ta­cie do­sto­so­wa­nie przy­rody do po­ja­wie­nia się lu­dzi wy­maga jej uprzed­niego do­sto­so­wa­nia do po­ja­wie­nia się ko­mórki. Ko­mórki sta­no­wią ka­mie­nie mi­lowe na dro­dze do po­wsta­nia ga­tunku ludz­kiego.

W tej książce rzu­cam świa­tło na na­szą bio­lo­gię i wska­zuję te ele­menty do­sto­so­wa­nia, które służą zwłasz­cza du­żym zło­żo­nym ko­mór­kom or­ga­ni­zmów wyż­szych. W przy­padku li­czą­cych po­nad 10 mi­kro­nów sze­ro­ko­ści ko­mó­rek du­żych ssa­ków tempo dy­fu­zji mo­le­kuł, w tym tlenu w wo­dzie, musi być na przy­kład zbli­żone do stanu obec­nego. Gdyby było o wiele mniej­sze, w du­żych or­ga­ni­zmach wie­lo­ko­mór­ko­wych nie mógłby ist­nieć układ krwio­no­śny, a ko­mórki, w któ­rych prze­miana ma­te­rii za­cho­dzi szyb­ciej, ta­kie jak na­sze, by­łyby ogra­ni­czone do wor­ków mo­le­kuł o roz­mia­rze bak­te­rii, zbyt ma­łych, by po­mie­ścić zło­żone układy mo­le­ku­larne wyż­szego rzędu. Ta­kie układy obej­mują mi­kro­tu­bule, mo­tory mo­le­ku­larne i inne skład­niki cy­tosz­kie­letu, a więc ele­menty ko­nieczne do za­ist­nie­nia zdol­no­ści nie­zbęd­nych do roz­woju em­brio­nal­nego, ta­kich jak peł­za­nie, po­dą­ża­nie za gra­dien­tami che­micz­nymi, zmiana kształtu i se­lek­tywne przy­le­ga­nie do in­nych ko­mó­rek.

Carl Sa­gan stwier­dził, że „nie­zwy­kłe tezy wy­ma­gają nie­zwy­kłych świa­dectw”[1]. Cen­tralna teza, którą tu przed­sta­wiam (wła­ści­wo­ści ana­li­zo­wa­nych ato­mów zo­stały nie­zwy­kle pre­cy­zyj­nie do­sto­so­wane do po­ja­wie­nia się ko­mórki), rze­czy­wi­ście jest nie­zwy­kła. Jak jed­nak za­mie­rzam wy­ka­zać, rów­nie nie­zwy­kłe są świa­dec­twa, które za nią prze­ma­wiają.

Czy przy­roda może być pre­cy­zyj­nie do­stro­jona nie tylko do ist­nie­nia ko­mórki, lecz także do jej po­wsta­nia – wy­ło­nie­nia się ży­wej ko­mórki z nie­oży­wio­nej che­micz­nej zupy? A może, jak utrzy­muje wielu zwo­len­ni­ków teo­rii in­te­li­gent­nego pro­jektu, to in­te­li­gentny sprawca skon­stru­ował pierw­szą ko­mórkę? Po­ru­szam tę kwe­stię w roz­dziale 8, lecz w obu przy­pad­kach po­wsta­nie ży­cia by­łoby wy­ni­kiem pro­jektu – czy to na­rzu­co­nego na­tu­rze na po­czątku ist­nie­nia, czy to od sa­mego po­czątku wpi­sa­nego w jej struk­turę.

Oto kilka do­dat­ko­wych uwag o tre­ści książki. W roz­dzia­łach 1 i 2 prze­ana­li­zo­wa­łem z per­spek­tywy hi­sto­rycz­nej po­rzu­ce­nie kon­cep­cji wi­ta­li­zmu. Zde­cy­do­wa­łem się na to nie tylko z tego po­wodu, że jest to in­te­re­su­jący pro­ces pod wzglę­dem hi­sto­rycz­nym, lecz także dla­tego, iż ilu­struje on po­wta­rza­jący się sche­mat w roz­woju bio­lo­gii − miej­sce zja­wi­ska, które daw­niej uwa­żano za nie­wy­tłu­ma­czalne, zaj­muje szcze­gólne do­sto­so­wa­nie przy­rody da­jące od­po­wie­dzi na py­ta­nia bez od­wo­ły­wa­nia się do siły wi­tal­nej. Ta lek­cja hi­sto­rii może mieć zna­czący wpływ na ak­tu­alne spe­ku­la­cje do­ty­czące po­wsta­nia ży­cia.

Nie­które frag­menty ni­niej­szej książki od­wo­łują się do wy­soce spe­cja­li­stycz­nej wie­dzy, zwłasz­cza roz­dział 6, w któ­rym mó­wię o do­sto­so­wa­niu ato­mów róż­nych me­tali do peł­nie­nia okre­ślo­nych funk­cji w ko­mórce, a także roz­działy 1 i 2, w któ­rych opi­suję cha­rak­ter i zna­cze­nie bio­lo­giczne sil­nych wią­zań ko­wa­len­cyj­nych i sła­bych wią­zań che­micz­nych. Sta­ra­łem się jed­nak pi­sać w taki spo­sób, aby czy­tel­nik, na­wet bez nie­odzow­nej wie­dzy w za­kre­sie che­mii i bio­che­mii, był w sta­nie zro­zu­mieć ar­gu­menty przed­sta­wione w tych pa­ra­gra­fach.

Ta książka jest naj­bar­dziej wy­czer­pu­jącą ana­lizą do­wo­dów su­ge­ru­ją­cych, że prawa na­tury zo­stały pre­cy­zyj­nie do­stro­jone do funk­cjo­no­wa­nia ko­mórki. Tak samo jak w in­nych dzie­dzi­nach na­uki, świa­dec­twa te wy­wo­łują nie­od­parte wra­że­nie ist­nie­nia za­mie­rzo­nego pro­jektu.

Wszyst­kie moje ar­gu­menty na rzecz do­sto­so­wa­nia zo­stały po­parte świa­dec­twami. W roz­dziale 2 ana­li­zuję przy­sto­so­wa­nie atomu wę­gla; w roz­dziale 3 przy­sto­so­wa­nie wią­zań che­micz­nych; w roz­dziale 4 przy­sto­so­wa­nie part­ne­rów atomu nie­bę­dą­cych me­ta­lami (wo­doru, tlenu i azotu) oraz siły hy­dro­fo­bo­wej wody (kształ­tuje błonę ko­mór­kową). W roz­dziale 5 ba­dam do­sto­so­wa­nie przy­rody do bio­ener­ge­tyki; w roz­dziale 6 spek­ta­ku­larne do­sto­so­wa­nie ato­mów licz­nych me­tali do peł­nie­nia okre­ślo­nych funk­cji bio­che­micz­nych; w roz­dziale 7 – uni­kalne do­sto­so­wa­nie nie­zwy­kłej cie­czy, jaką jest woda.

Je­stem prze­ko­nany, że każdy czy­tel­nik, który do­kład­nie prze­ana­li­zuje świa­dec­twa przed­sta­wione pod ko­niec roz­działu 7, doj­dzie do wnio­sku, że na­tura zo­stała pre­cy­zyj­nie do­stro­jona do ist­nie­nia ży­cia opar­tego na wę­glu, a do­stro­je­nie to nosi wy­raźne zna­miona in­te­li­gent­nego pro­jektu.

I na ko­niec – mam też na­dzieję, że czy­tel­nik obej­rzy wspo­mniany w roz­dziale 1 film przed­sta­wia­jący po­ścig bia­łej krwinki za bak­te­rią pod szkieł­kiem mi­kro­skopu. Daje on pewne po­ję­cie o nie­zwy­kłym cha­rak­te­rze tych zdu­mie­wa­ją­cych ma­łych by­tów, które są pod­sta­wo­wymi jed­nost­kami ży­cia na Ziemi.

Roz­dział 1

Zdu­mie­wa­jąca ko­mórka

Zo­ba­czyć świat w zia­renku pia­sku,Nie­biosa w jed­nym kwie­cie z lasu.W ści­śnię­tej dłoni za­mknąć bez­miar,W go­dzi­nie – nie­skoń­czo­ność czasu[2].

Wil­liam Blake

Komórki są zdu­mie­wa­jące. Na­wet ktoś, kto nie jest bio­lo­giem, po­strzega je jako wy­jąt­kowe obiekty o nie­zwy­kłych moż­li­wo­ściach. Zgo­dziłby się z tym każdy, kto wi­dział leu­ko­cyt (białą krwinkę), który ce­lowo i kon­se­kwent­nie ściga bak­te­rię w kro­pli krwi. Aby zo­ba­czyć to na wła­sne oczy, można obej­rzeć w In­ter­ne­cie krótki film Da­vida Ro­gersa Neu­tro­phil Cha­sing Bac­te­ria[3]. To, co ob­ser­wu­jemy, wy­daje się prze­kra­czać gra­nice na­szego poj­mo­wa­nia – dro­binka ma­te­rii, nie­wi­doczna go­łym okiem, tak mała, że 100 z nich zmie­ści­łoby się na główce szpilki, zdaje się wy­ka­zy­wać za­miar i spraw­czość. Przy­po­mina to po­goń kota za my­szą, ge­parda za ga­zelą na afry­kań­skiej sa­wan­nie czy czło­wieka za kudu na pu­styni Ka­la­hari.

Zdu­mie­nie jest tym więk­sze, że ta zdol­ność naj­praw­do­po­dob­niej wy­nika ze zło­żo­no­ści ato­mo­wej owej cu­dow­nej dro­binki ma­te­rii. Zło­żo­no­ści, do­dajmy, która wy­kra­cza poza na­sze ty­powe do­świad­cze­nia. Ko­mórka składa się z try­lio­nów ato­mów upa­ko­wa­nych na prze­strzeni mniej­szej niż jedna mi­lio­nowa ob­ję­to­ści zia­renka pia­sku, a jej zło­żo­ność jest po­rów­ny­walna z jumbo je­tem. W od­róż­nie­niu jed­nak od jumbo jeta, na­no­tech­no­lo­gii czy in­nych za­awan­so­wa­nych, stwo­rzo­nych przez lu­dzi tech­no­lo­gii, ten fe­no­me­nalny byt jest zdolny do re­pli­ka­cji. Oto „ma­szyna nie­skoń­czo­no­ści”, któ­rej wła­sno­ści wy­dają się ma­giczne.

Pod wzglę­dem bu­dowy ko­mórki nie mają so­bie rów­nych w świe­cie ma­te­rial­nym. Praw­do­po­dob­nie nie od­kry­li­śmy w pełni ich zło­żo­no­ści[4]. Jesz­cze w 1913 roku, kiedy Law­rence Hen­der­son na­pi­sał swoje kla­syczne dzieło The Fit­ness of the Envi­ron­ment, ko­mórka była czarną skrzynką, a jej zło­żo­ność mo­le­ku­larna po­zo­sta­wała ta­jem­nicą. Do­piero gdy w po­ło­wie XX wieku re­wo­lu­cyjna bio­lo­gia mo­le­ku­larna uchy­liła rąbka ta­jem­nicy, na­ukowcy za­częli poj­mo­wać wy­ra­fi­no­wa­nie tych nie­zwy­kłych frag­men­tów ma­te­rii. Każda na­stępna de­kada ba­dań uka­zy­wała ko­lejne war­stwy zło­żo­no­ści. Od­kry­wa­nie w miarę roz­woju na­uki co­raz bar­dziej skom­pli­ko­wa­nych struk­tur i sys­te­mów (łącz­nie z nie­zwy­kle zło­żo­nymi to­po­lo­giami DNA oraz wiel­kim i po­więk­sza­ją­cym się in­wen­ta­rzem mo­le­kuł ma­łych re­gu­la­to­ro­wych RNA) świad­czy o tym, że praw­do­po­dob­nie wiele jesz­cze zo­stało do od­kry­cia. Moż­liwe, że do­strze­gamy je­dy­nie nie­wielką część tego, co ko­mórki sobą re­pre­zen­tują.

Jak przy­znała Erica Hay­den w cza­so­pi­śmie „Na­ture”, „w miarę jak se­kwen­cjo­no­wa­nie i inne tech­no­lo­gie przy­no­szą nowe dane”, zło­żo­ność uka­zana przez bio­lo­gię ko­mór­kową „zdaje się wzra­stać. Za­głę­bia­nie się w nią przy­po­mina spoj­rze­nie w głąb zbioru Man­del­brota [...], po­zwala do­strze­gać co­raz bar­dziej skom­pli­ko­wane wzorce w miarę zbli­ża­nia się do jego gra­nicy”[5].

Nie wiemy jesz­cze wszyst­kiego o ko­mórce, lecz na­wet zgod­nie z ak­tu­al­nym, ogra­ni­czo­nym sta­nem wie­dzy na te­mat jej zło­żo­no­ści, ta drobna jed­nostka zwar­tego, ad­ap­ta­cyj­nego wy­ra­fi­no­wa­nia jest czymś w ro­dzaju trze­ciej nie­skoń­czo­no­ści. Pod­czas gdy ko­smos wy­daje się nie­skoń­cze­nie wielki, a świat ato­mów nie­skoń­cze­nie mały, ko­mórka jawi się jako nie­skoń­cze­nie zło­żona.

Nie­zmierna zło­żo­ność ko­mó­rek, nie­po­rów­ny­walna z żadną inną formą ma­te­rii, to jed­nak nie wszystko. Pod wie­loma wzglę­dami wy­dają się one świet­nie przy­sto­so­wane do peł­nie­nia funk­cji pod­sta­wo­wej jed­nostki ży­cia bio­lo­gicz­nego. Jed­nym z ele­men­tów tego przy­sto­so­wa­nia jest ogromna róż­no­rod­ność ich form. Po­rów­najmy neu­ron z czer­woną krwinką, ko­mórkę skóry z ko­mórką wą­troby, leu­ko­cyt ame­bo­idalny z ko­mórką mię­śni. W ludz­kim ciele wy­stę­puje każda z tych form oraz wiele in­nych. Weźmy róż­no­rod­ność orzę­sek. Po­cząw­szy od przy­po­mi­na­ją­cego trąbkę Sten­tora, a skoń­czyw­szy na oso­bli­wym Pa­ra­me­cium, formy orzę­sek są wręcz nie­praw­do­po­dob­nie zróż­ni­co­wane. Ko­lejny przy­kład to pro­mie­nice (zo­bacz ilu­stra­cja 1.1). Na­wet w ob­rę­bie tej ma­łej grupy spo­krew­nio­nych or­ga­ni­zmów róż­no­rod­ność form ko­mór­ko­wych jest za­dzi­wia­jąca, cho­ciaż wszy­scy człon­ko­wie tego nie­sa­mo­wi­tego zbio­ro­wi­ska po­wstali na pod­sta­wie tego sa­mego wzorca.

O nie­zwy­kłym przy­sto­so­wa­niu ko­mó­rek do peł­nie­nia funk­cji pod­sta­wo­wych jed­no­stek ży­cia świad­czą rów­nież ich zdu­mie­wa­jące zdol­no­ści i róż­no­rod­ność peł­nio­nych funk­cji, jak ma to miej­sce choćby w przy­padku drob­nej cy­lin­drycz­nej bak­te­rii E. coli w je­li­tach czło­wieka. Ho­ward Berg dzi­wił się wszech­stron­no­ści i moż­li­wo­ściom tego mi­nia­tu­ro­wego or­ga­ni­zmu, okre­ślał jego ta­lenty „le­gio­nem”. Stwier­dził, że ten drobny twór, który ma mniej niż jedną mi­lio­nową me­tra śred­nicy i dwie mi­lio­nowe me­tra dłu­go­ści, tak mały, że „20 z nich zmie­ści­łoby się w po­je­dyn­czym prę­ciku ludz­kiej siat­kówki”, jest „zdolny do li­cze­nia mo­le­kuł okre­ślo­nych cu­krów, ami­no­kwa­sów lub dwu­pep­ty­dów, do in­te­gra­cji po­dob­nych lub róż­nych bodź­ców sen­so­rycz­nych w cza­sie i prze­strzeni, do po­rów­ny­wa­nia ob­li­czeń do­ko­na­nych w nie­da­le­kiej i dal­szej prze­szło­ści, do wy­wo­ły­wa­nia re­ak­cji wszystko albo nic, pły­wa­nia w lep­kim śro­do­wi­sku [...], a na­wet do two­rze­nia wzor­ców”[6].

Ko­mórki po­ru­szają się też na wiele róż­nych spo­so­bów. E. coli prze­miesz­czają się dzięki przy­po­mi­na­ją­cej śrubę na­pę­dową wici bak­te­rii. In­nym służą do tego celu ude­rze­nia rzę­sek. Nie­które peł­zają. Ko­lejne wy­su­wają ni­by­nóżki i chwy­tają nimi małe obiekty, które znaj­dują się obok.

Nie­które ko­mórki są w sta­nie prze­trwać przez setki lat de­sy­ka­cję. Mają we­wnętrzne ze­gary i po­tra­fią mie­rzyć upływ czasu[7]. Mogą też wy­czu­wać pole elek­tryczne i ma­gne­tyczne oraz ko­mu­ni­ko­wać się za po­mocą sy­gna­łów che­micz­nych i elek­trycz­nych. Są i ta­kie, które po­tra­fią po­kry­wać się przy­po­mi­na­jącą pan­cerz łu­piną. Inne mają zdol­ność wi­dze­nia; pe­wien ga­tu­nek orzę­sek jest wy­po­sa­żony w so­czewkę, która de facto pełni funk­cję oka, dzięki czemu może zo­gni­sko­wać ob­raz in­nej czę­ści cy­to­pla­zmy. Wszyst­kie bar­dzo ła­two się re­pli­kują, pod­czas gdy tej umie­jęt­no­ści nie mają na­wet naj­bar­dziej zło­żone ludz­kie ar­te­fakty. Nie­które po­tra­fią się na­wet kom­plet­nie od­two­rzyć z drob­nych frag­men­tów wy­cię­tych z ko­mórki z chi­rur­giczną pre­cy­zją![8]

Z tych nie­zwy­kłych dro­bi­nek upo­rząd­ko­wa­nej ma­te­rii składa się każdy wie­lo­ko­mór­kowy or­ga­nizm na Ziemi, w tym ciało czło­wieka, które sta­nowi ogromny zbiór li­czący bi­liony ko­mó­rek. Ko­mórki bu­dują ludzki mózg, wy­twa­rza­jąc mi­lion po­łą­czeń na mi­nutę przez dzie­więć mie­sięcy ciąży. Two­rzą płe­twale błę­kitne, mo­tyle, ptaki i ogromne se­kwoje w parku Yose­mite. Były z nich zbu­do­wane di­no­zaury i wszyst­kie dawne formy ży­cia na Ziemi. Na prze­strzeni ostat­nich trzech mi­liar­dów lat ak­tyw­ność naj­prost­szych ko­mó­rek stop­niowo prze­kształ­ciła pla­netę, wy­twa­rza­jąc tlen po­przez fo­to­syn­tezę i po­bu­dza­jąc w ten spo­sób wszyst­kie wyż­sze formy ist­nie­nia. Są one uni­wer­sal­nym ze­sta­wem kon­struk­cyj­nym ży­cia na Ziemi. Krótko mó­wiąc, ich moż­li­wo­ści wy­dają się nie­mal nie­ogra­ni­czone, mogą przy­brać nie­mal każdy kształt i wy­ko­nać każdy roz­kaz. Pod wszel­kimi wzglę­dami wy­dają się do­sko­nale przy­sto­so­wane do swo­jego za­da­nia, ja­kim jest stwo­rze­nie bios­fery peł­nej or­ga­ni­zmów wie­lo­ko­mór­ko­wych ta­kich jak czło­wiek.

Kiedy ob­ser­wu­jemy po­czy­na­nia pier­wot­nia­ków w kro­pli wody lub wy­bryki leu­ko­cytu ści­ga­ją­cego ru­chem ame­bo­idal­nym bak­te­rię w ludz­kim krwio­biegu, trudno oprzeć się wra­że­niu, że te mi­kro­sko­pijne formy ży­cia są od­czu­wa­ją­cymi, au­to­no­micz­nymi by­tami. To wra­że­nie od­no­szono już po­nad 100 lat temu, gdy dys­po­no­wa­li­śmy je­dy­nie sto­sun­kowo pry­mi­tywną tech­no­lo­gią mi­kro­sko­pową[9]. Obec­nie jest ono jesz­cze sil­niej­sze.

Nie tylko ich stra­te­gie ło­wiec­kie (wi­doczne na fil­mie przed­sta­wia­ją­cym po­ścig leu­ko­cytu za ofiarą) przy­po­mi­nają za­cho­wa­nia or­ga­ni­zmów wyż­szych. Ko­lej­nym ude­rza­ją­cym przy­kła­dem są ry­tu­ały go­dowe orzę­sek obej­mu­jące tańce go­dowe, wza­jemną na­ukę, wie­lo­krotne kon­takty fi­zyczne po­ten­cjal­nych part­ne­rów, a na­wet oszu­stwa pod­czas de­mon­stro­wa­nia spraw­no­ści re­pro­duk­cyj­nej[10]. Je­den z twór­ców be­ha­wio­ry­zmu, Her­bert Spen­cer Jen­nings, przy­pusz­czał, że pier­wot­niaki mają zdol­ność od­czu­wa­nia. Jak przy­znał: „Gdyby ameba była du­żym zwie­rzę­ciem, z któ­rym lu­dzie sty­ka­liby się na co dzień, na pod­sta­wie jej za­cho­wa­nia na­tych­miast przy­pi­sano by jej od­czu­wa­nie przy­jem­no­ści i bólu, głodu, po­żą­da­nia itp., z tych sa­mych po­wo­dów, dla któ­rych przy­pi­su­jemy je psu”[11].

Nie­dawno bio­log Brian Ford do­szedł do ta­kich sa­mych wnio­sków co Jen­nings: „Mi­kro­sko­pijny świat po­je­dyn­czej ży­wej ko­mórki pod wie­loma wzglę­dami od­zwier­cie­dla nasz wła­sny – ko­mórki są au­to­no­miczne, od­czu­wa­jące i po­my­słowe. W ży­ciu po­je­dyn­czych ko­mó­rek mo­żemy do­strzec ko­rze­nie na­szej in­te­li­gen­cji”[12].

Za­uważa też, że „po­strze­gamy ameby jako pro­ste i pry­mi­tywne. Wiele ro­dza­jów ameb kon­stru­uje jed­nak szkli­ste po­włoki, zbie­ra­jąc zia­renka pia­sku z błota, w któ­rym żyją. Na przy­kład ty­powa sko­rupa Dif­flu­gia ma kształt wazy i cha­rak­te­ry­zuje się nie­zwy­kłą sy­me­trią [...]. Nie wiemy, jak ten jed­no­ko­mór­kowy or­ga­nizm bu­duje swoją sko­rupę”[13].

Na­wet je­śli ko­mórki nie są by­tami od­czu­wa­ją­cymi, to pod wzglę­dem do­ko­nań, zło­żo­no­ści, róż­no­rod­no­ści struk­tur i funk­cji są za­dzi­wia­jące. Ich uni­ka­towe wła­sno­ści, które Ja­cques Mo­nod na­zwał „de­mo­nicz­nymi mo­cami ka­ta­li­tycz­nymi”[14], a także nie­zwy­kłe przy­sto­so­wa­nie do peł­nie­nia szcze­gól­nej funk­cji two­rzywa ży­cia na Ziemi, są ewi­dent­nym fe­no­me­nem dla każ­dego, kto po­święci im choćby chwilę uwagi.

Jesz­cze więk­szym fe­no­me­nem jest zdu­mie­wa­jące przy­sto­so­wa­nie przy­rody, które umoż­li­wia po­wsta­nie naj­prost­szej ko­mórki opar­tej na wę­glu. W ko­lej­nych roz­dzia­łach prze­ko­namy się, że prze­ja­wia się ono w uni­ka­to­wej przy­dat­no­ści ato­mów wielu pier­wiast­ków z pierw­szej po­łowy układu okre­so­wego, a do­kład­niej ich wła­ści­wo­ści, do peł­nie­nia funk­cji nie­zbęd­nych do ze­bra­nia pod­sta­wo­wych skład­ni­ków ma­kro­mo­le­ku­lar­nych, a także do fi­zjo­lo­gicz­nego funk­cjo­no­wa­nia ko­mórki. Okre­ślam to mia­nem pa­ra­dyg­matu uni­kal­nego przy­sto­so­wa­nia.

Prze­ko­namy się też, że owo przy­sto­so­wa­nie prze­ja­wia się rów­nież w nie­zwy­kłej zdat­no­ści wody do peł­nie­nia funk­cji ma­cie­rzy ko­mórki, jak rów­nież, że re­zul­ta­tem pro­ce­sów che­micz­nych za­cho­dzą­cych w mrocz­nej prze­strzeni mię­dzy­gwiezd­nej jest abio­tyczna syn­teza wielu mo­le­ku­lar­nych mo­no­me­rów wy­ko­rzy­sty­wa­nych przez pierw­sze ko­mórki do bu­dowy skład­ni­ków ma­kro­mo­le­ku­lar­nych. In­nymi słowy, „de­mo­niczne” przy­sto­so­wa­nie ko­mórki za­leży od bar­dziej za­awan­so­wa­nego przy­sto­so­wa­nia, wpi­sa­nego w struk­turę rze­czy­wi­sto­ści. To głęb­sze przy­sto­so­wa­nie jest wpi­sane w prawa na­tury od za­ra­nia czasu i po­twier­dza opi­nię Law­rence’a Hen­der­sona, który stwier­dził, że ko­smos sta­nowi bio­cen­tryczną ca­łość[15].

Roz­dział 2

Wy­brany atom

Upo­rząd­ko­wane ciałaUtrwa­lają się w za­leż­no­ści od ich ro­dzaju. Ja­kie siły stwa­rzają ży­ciu taką moż­li­wość?Na­tu­ralne czy nad­przy­ro­dzone?Czy są to wła­ści­wo­ści mo­le­kuł,Z któ­rych się ono składa? [...] Czy może działa siła na­rzu­cona z ze­wnątrzNi­czym Deus ex Ma­china,Wy­kra­cza­jąca poza prawa na­tury [...]Na tym po­lega pro­blem – wła­śnie na tym[16].

Ar­thur E. Ne­edham

Od po­cząt­ków cza­sów no­wo­żyt­nych aż do pierw­szych dzie­się­cio­leci XIX wieku wielu bio­lo­gów było wi­ta­li­stami. Uwa­żali, że uni­kalne za­cho­wa­nia, ce­chy i zdol­no­ści istot ży­wych, ja­kich nie ob­ser­wuje się w przy­ro­dzie nie­oży­wio­nej (w tym zdol­ność od­czu­wa­nia, spraw­czość i zdol­ność do re­pro­duk­cji), są two­rem nie­ma­te­rial­nego wi­tal­nego du­cha. Kiedy w XVII wieku Kar­te­zjusz utrzy­my­wał, że or­ga­ni­zmy są po­rów­ny­walne do ma­szyn, w od­po­wie­dzi kró­lowa Szwe­cji Kry­styna na­wią­zała po­noć do me­cha­nicz­nego ze­gara: „Spraw­cie, by wy­dał po­tom­stwo”[17]. Wy­zwa­nie Kry­styny po­zo­staje ak­tu­alne. Po­mimo nie­zwy­kłych po­stę­pów w na­no­tech­no­lo­gii i che­mii su­pra­mo­le­ku­lar­nej, nikt nie stwo­rzył bytu ma­te­rial­nego, który miałby cha­rak­te­ry­styczną dla każ­dej ko­mórki zdol­ność do re­pro­duk­cji.

Kiedy za­sta­na­wiamy się nad zdu­mie­wa­jącą zło­żo­no­ścią i roz­ma­itymi zdol­no­ściami ko­mó­rek, trudno nie przy­znać ra­cji wi­ta­li­stom, któ­rzy uwa­żali, że są one ob­da­rzone czymś, co wy­kra­cza poza wła­ści­wo­ści ma­te­rii. Zwłasz­cza gdy ob­ser­wu­jemy nie­które ro­dzaje ak­tyw­no­ści, ta­kie jak zwy­czaje go­dowe orzę­sek, które w in­try­gu­jący spo­sób na­śla­dują za­cho­wa­nie wielu pta­ków i ssa­ków, lub po­ścig bia­łej krwinki za bak­te­rią w roz­ma­zie krwi, nie spo­sób się oprzeć wra­że­niu, że źró­dłem tych nie­zwy­kłych dzia­łań jest ja­kaś siła spraw­cza lub du­sza. Ża­den byt nie­oży­wiony, w tym me­cha­ni­zmy stwo­rzone przez czło­wieka, nie wy­ka­zuje ta­kich zdol­no­ści.

Wnio­sek, że w isto­tach ży­wych działa coś, co wy­kra­cza poza prawa obo­wią­zu­jące w świe­cie nie­oży­wio­nym, jest atrak­cyjny, lecz nie zo­stał prze­ko­nu­jąco uza­sad­niony. Hi­sto­ria bio­lo­gii ja­sno po­ka­zuje, że od za­ra­nia che­mii or­ga­nicz­nej na po­czątku XIX wieku, aż do od­kry­cia po­dwój­nej he­lisy i roz­woju re­wo­lu­cyj­nej bio­lo­gii mo­le­ku­lar­nej w po­ło­wie XX wieku, każdy zna­czący po­stęp w na­uce skut­ko­wał od­rzu­ca­niem prze­ko­nań wi­ta­li­stycz­nych. Ko­lejne od­kry­cia ujaw­niały, że uni­kalne za­cho­wa­nia lub wła­sno­ści ko­mó­rek nie są da­rem wi­ta­li­stycz­nej siły spraw­czej, lecz wy­ni­kają z nie­zwy­kłego uprzed­niego przy­sto­so­wa­nia wła­ści­wo­ści ma­te­rii. Zwłasz­cza wła­sno­ści wielu ato­mów z pierw­szej po­łowy układu okre­so­wego zdają się nie­zwy­kle przy­datne do gro­ma­dze­nia skład­ni­ków che­micz­nych w ko­mórce i jej fi­zjo­lo­gicz­nego funk­cjo­no­wa­nia.

Od­wrót od wi­ta­li­zmu

Na po­czątku XIX wieku wielu che­mi­ków uwa­żało, że źró­dłem uni­ka­to­wych wła­ści­wo­ści che­micz­nych związ­ków or­ga­nicz­nych jest siła wi­talna lub inny czyn­nik spraw­czy obecny w or­ga­ni­zmie. Jak 100 lat póź­niej za­uwa­żył Law­rence Hen­der­son w The Fit­ness of the Envi­ron­ment, „wiele sub­stan­cji or­ga­nicz­nych zo­stało od­dzie­lo­nych od or­ga­ni­zmu, oczysz­czo­nych i pod­da­nych ty­po­wym eks­pe­ry­men­tom la­bo­ra­to­ryj­nym [...]. Be­rze­lius [je­den z czo­ło­wych che­mi­ków tam­tych cza­sów] uwa­żał jed­nak, że za ich ukształ­to­wa­nie od­po­wia­dała spe­cjalna siła wi­talna i na tej pod­sta­wie uznał, że w in­nych wa­run­kach by­łoby to nie­moż­liwe”[18].

Nie­któ­rzy ów­cze­śni che­micy wy­obra­żali so­bie spraw­czość wi­talną bar­dzo do­słow­nie, jako drob­nego ho­mun­ku­lusa w ko­mórce, ob­da­rzo­nego zdol­no­ścią do łą­cze­nia ato­mów w zło­żone związki or­ga­niczne po­cho­dzące od sys­te­mów ży­wych[19]. Na przy­kład Wil­liam Prout, czo­łowy le­karz i che­mik z po­czątku XIX wieku, au­tor Ósmego trak­tatu Brid­ge­wa­ter (Che­mi­stry, Me­te­oro­logy, and the Func­tion of Di­ge­stion), na­pi­sał: „Czyn­nik or­ga­niczny [...] po­sia­da­jący mi­kro­sko­pijny apa­rat może od­dzia­ły­wać na każdą mo­le­kułę i tym sa­mym zgod­nie z za­mie­rzo­nym ce­lem wy­klu­czać nie­które mo­le­kuły i łą­czyć ze sobą inne”[20].

Ta­kie po­glądy wy­dają się obec­nie ar­cha­iczne, nie­mniej wiara w tę formę wi­ta­li­zmu z po­cząt­ków XIX wieku jest jak naj­bar­dziej zro­zu­miała. Nikt nie zsyn­te­ty­zo­wał żad­nych związ­ków or­ga­nicz­nych w la­bo­ra­to­rium. W po­rów­na­niu ze związ­kami nie­orga­nicz­nymi są one wy­jąt­kowo kru­che i nie­sta­bilne, a po od­dzie­le­niu od ciała bły­ska­wicz­nie się roz­kła­dają[21]. Inne ich szcze­gólne ce­chy to wiel­kie zróż­ni­co­wa­nie[22] i zło­żo­ność[23]. Is­sac Asi­mov na­stę­pu­jąco pod­su­mo­wał pewne pod­sta­wowe róż­nice po­mię­dzy do­meną nie­orga­niczną i or­ga­niczną:

Sub­stan­cje or­ga­niczne są o wiele bar­dziej kru­che i ła­twiej ule­gają uszko­dze­niu niż sub­stan­cje nie­orga­niczne. Wodę (która jest nie­orga­niczna) można za­go­to­wać i roz­grzać po­wstałą parę do ty­siąca stopni bez naj­mniej­szej dla niej szkody. Kiedy para się ostu­dzi, po­now­nie for­muje się woda. Je­śli pod­grzana zo­sta­nie oliwa z oli­wek (która jest or­ga­niczna), bę­dzie dy­mić i pło­nąć. Póź­niej nie bę­dzie już oliwą.

Można pod­grze­wać sól (która jest nie­orga­niczna), do­póki się nie stopi i nie roz­grzeje do czer­wo­no­ści. Je­śli po­now­nie ją schło­dzimy, na­dal bę­dzie solą. Je­śli na­to­miast pod­grze­jemy cu­kier (który jest or­ga­niczny), za­cznie pa­ro­wać, po czym zwę­gli się i sczer­nieje. Chło­dze­nie nie przy­wróci mu pier­wot­nej formy [...]. Za po­mocą cie­pła lub in­nych me­tod można prze­mie­nić sub­stan­cje or­ga­niczne w nie­orga­niczne. Prze­kształ­ce­nie sub­stan­cji nie­orga­nicz­nej w or­ga­niczną wy­da­wało się jed­nak nie­moż­liwe [che­mi­kom z po­czątku XIX wieku][24].

Wiara che­mi­ków z tam­tych cza­sów w uni­kalną siłę bio­lo­giczną miała za­tem pewne pod­stawy. Ów­cze­sne świa­dec­twa nie wy­klu­czały ist­nie­nia w ko­mórce ta­jem­ni­czego bytu, który łą­czyłby atomy w związki or­ga­niczne. Wi­ta­li­ści, tacy jak Wil­liam Prout[25], uzna­wali, że za­równo w sub­stan­cjach or­ga­nicz­nych, jak i nie­orga­nicz­nych atomy łą­czą się w taki sam spo­sób, zgod­nie z iden­tycz­nymi re­gu­łami. Są­dzili jed­nak, że tylko żywa siła mo­gła je po­łą­czyć w or­ga­niczne mo­le­kuły i urze­czy­wist­nić nie­zwy­kłe wła­ści­wo­ści sub­stan­cji z do­meny or­ga­nicz­nej.

Główny ar­gu­ment na rzecz wi­ta­li­zmu zo­stał jed­nak oba­lony w 1828 roku, kiedy to młody nie­miecki che­mik Frie­drich Wöh­ler zsyn­te­ty­zo­wał w la­bo­ra­to­rium mocz­nik, główny skład­nik mo­czu ssa­ków, co było jed­nym z wiel­kich prze­ło­mów w dzie­więt­na­sto­wiecz­nej na­uce. Po raz pierw­szy che­mik od­two­rzył skład­nik che­miczny ży­wego or­ga­ni­zmu z pro­stych związ­ków nie­orga­nicz­nych. Syn­teza nie wy­ma­gała żad­nej siły wi­tal­nej, atomy zo­stały po­łą­czone do­kład­nie tak, jak w zwy­kłym związku nie­orga­nicz­nym.

Wöh­ler uzy­skał mocz­nik (CO(NH2)2), łą­cząc nie­orga­niczny cy­ja­nian sre­bra (AgOCN) z in­nym związ­kiem nie­orga­nicz­nym, chlor­kiem amonu (NH4Cl). Wy­słał trium­falną wia­do­mość do swo­jego men­tora Be­rze­liusa, czo­ło­wego wi­ta­li­sty: „Mu­szę Pana po­in­for­mo­wać, że mogę uzy­skać mocz­nik, nie uży­wa­jąc ne­rek żad­nego zwie­rzę­cia, czy to czło­wieka, czy psa. Mocz­ni­kiem jest cy­ja­nian amonu”[26].

Jak ujął to Fran­cis Pre­ston Ve­na­ble:

Wspa­niała syn­teza mocz­nika prze­pro­wa­dzona przez Wöh­lera osta­tecz­nie prze­ła­mała tę ba­rierę, za­po­cząt­ko­wała wiele ko­lej­nych syn­tez i za­chę­ciła wielu pra­cow­ni­ków do dzia­łań na tym do­cho­do­wym polu. Co prawda syn­teza nie do­ko­nała się bez­po­śred­nio z po­szcze­gól­nych pier­wiast­ków, nie­mniej uzy­skał on je­den z naj­cie­kaw­szych i naj­le­piej zna­nych pro­duk­tów zwie­rzę­cych spo­śród sub­stan­cji, które ucho­dziły wów­czas za nie­orga­niczne. Oczy­wi­ście stare prze­ko­na­nia umie­rały po­woli, lecz od­kry­cie Wöh­lera jest po­wszech­nie uzna­wane za po­czą­tek che­mii or­ga­nicz­nej jako na­uki[27].

W 1845 roku Her­mann Kolbe wbił ko­lejny gwóźdź do trumny wi­ta­li­zmu, kiedy zsyn­te­ty­zo­wał w la­bo­ra­to­rium or­ga­niczny kwas octowy z dwu­siarczku wę­gla[28]. Po syn­te­zie Kol­bego tama pę­kła i na­ukowcy syn­te­ty­zo­wali co­raz wię­cej związ­ków or­ga­nicz­nych w wa­run­kach la­bo­ra­to­ryj­nych. Nie ule­gało wąt­pli­wo­ści, że można uzy­skać przy­naj­mniej pod­sta­wowe związki wy­stę­pu­jące u istot ży­wych z po­mi­nię­ciem spraw­czej siły wi­tal­nej w ko­mórce.

W miarę roz­woju wie­dzy na te­mat składu che­micz­nego ży­cia w XIX wieku uświa­da­miano so­bie, że skład­niki che­miczne cha­rak­te­ry­styczne dla ży­wych istot są związ­kami na­tu­ral­nymi, a także zo­rien­to­wano się, że atom wę­gla w po­łą­cze­niu z wo­do­rem, tle­nem i azo­tem (two­rzą one więk­szość sub­stan­cji or­ga­nicz­nych) jest przy­sto­so­wany che­micz­nie do łą­cze­nia sze­ro­kiego wa­chla­rza zło­żo­nych i zróż­ni­co­wa­nych związ­ków or­ga­nicz­nych (kwa­sów, cu­krów, ete­rów, es­trów, al­ko­holi) nie­zbęd­nych do bu­dowy zło­żo­nych sys­te­mów bio­che­micz­nych. Jak za­uwa­żył Hen­der­son: „Stop­niowo uznano, że związki che­mii or­ga­nicz­nej róż­nią się od sub­stan­cji nie­orga­nicz­nych je­dy­nie pod wzglę­dem szcze­gól­nych wła­sno­ści pier­wiast­ków wę­gla, wo­doru i tlenu, kiedy two­rzą che­miczną ca­łość, tak jak związki in­nych pier­wiast­ków mają swoje od­rębne wła­sno­ści”[29].

Obec­nie, 100 lat po cza­sach Hen­der­sona, nie znamy żad­nej in­nej formy che­mii za­pew­nia­ją­cej równą ob­fi­tość związ­ków che­micz­nych, z któ­rych można by wy­brać ze­staw ele­men­tów skła­do­wych ży­wego or­ga­ni­zmu i za­opa­trzyć go we wszyst­kie nie­zbędne me­ta­bo­lity. Co cie­kawe, wi­ta­li­styczne prze­ko­na­nie, zgod­nie z któ­rym ist­nieje fun­da­men­talna róż­nica po­mię­dzy ele­men­tami ży­cia a skład­ni­kami przy­rody nie­oży­wio­nej, prze­trwało, a na­wet jest pod­kre­ślane. Tej róż­nicy nie przy­pi­suje się już jed­nak ist­nie­niu wi­tal­nego, nad­przy­ro­dzo­nego rze­mieśl­nika w ko­mórce, lecz uni­kal­nym emer­gent­nym oraz na­tu­ral­nym wła­ści­wo­ściom che­micz­nym i fi­zycz­nym atomu wę­gla w po­łą­cze­niu z wo­do­rem (H), tle­nem (O) i azo­tem (N). Za­miast zdu­mie­wa­ją­cej spraw­czo­ści tkwią­cej w ko­mórce, za­pew­nia­ją­cej ele­men­tom ży­cia ich wy­jąt­kowe ce­chy, za praw­dzi­wego cu­do­twórcę uznano uni­ka­tową zdol­ność nie­któ­rych pier­wiast­ków z układu okre­so­wego do two­rze­nia ży­cia. Miej­sce spraw­czo­ści za­jęło przy­sto­so­wa­nie che­miczne. Fe­no­men wy­kra­cza­jący poza ramy przy­rody ustą­pił miej­sca fe­no­me­nowi tkwią­cemu we wła­ści­wo­ściach ma­te­rii: wi­ta­lizm − przy­sto­so­wa­niu, pro­jekt bez­po­średni − pro­jek­towi osta­tecz­nemu, spraw­czość bez­po­śred­nia − spraw­czo­ści osta­tecz­nej.

Warto jed­nak za­uwa­żyć, że choć kla­syczna forma wi­ta­li­zmu, po­stu­lu­jąca ist­nie­nie wi­tal­nej siły spraw­czej w ko­mórce jako wy­tłu­ma­cze­nie che­mii ży­cia, zo­stała po­rzu­cona w XIX wieku, kiedy fe­no­men che­mii wę­glo­wej sta­wał się co­raz bar­dziej oczy­wi­sty, to na­wet obec­nie pewne zja­wi­ska bio­lo­giczne nie pod­dają się wy­ja­śnie­niom opar­tym na ak­tu­al­nie zna­nych pra­wach fi­zyki i che­mii. Oczy­wi­stymi przy­kła­dami są zdol­ność od­czu­wa­nia, umysł i świa­do­mość[30]. Kwe­stia ist­nie­nia praw na­tury do­ty­czą­cych wy­łącz­nie do­meny or­ga­nicz­nej jest na­dal otwarta i po­zo­staje nam mieć na­dzieję, że przy­szłe po­stępy w na­uce po­zwolą na jej roz­strzy­gnię­cie.

Nie­za­leż­nie od tego, co na­uka może nam w przy­szło­ści po­wie­dzieć o róż­nych czyn­ni­kach spraw­czych w ukła­dach ży­wych, pod­sta­wowa teza, któ­rej bro­nię w na­stęp­nych roz­dzia­łach, opiera się na oce­nie na­ukowo uza­sad­nio­nych wła­ści­wo­ści ma­te­rii i praw przy­rody uzna­wa­nych przez wszyst­kich współ­cze­snych bio­lo­gów. Teza o wiel­kim uprzed­nim przy­sto­so­wa­niu przy­rody, które umoż­li­wiło po­wsta­nie ele­men­tar­nej ko­mórki na Ziemi, nie ma związku z moż­li­wymi bez­po­śred­nimi czyn­ni­kami spraw­czymi od­po­wie­dzial­nymi za po­łą­cze­nie pierw­szej ży­wej ko­mórki na Ziemi ani z kon­kret­nymi czyn­ni­kami fi­zycz­nymi i che­micz­nymi, które do­pro­wa­dziły do tego cudu. Kwe­stia, czy były to czyn­niki dar­wi­now­skie, la­mar­ki­stow­skie, wi­ta­li­styczne czy inne, wy­daje się bar­dzo cie­kawa, lecz jej zna­cze­nie dla za­gad­nień z tej książki jest mar­gi­nalne.

Nie­skoń­czony in­wen­tarz

Roz­wój che­mii or­ga­nicz­nej to jedno z wiel­kich wy­da­rzeń w hi­sto­rii na­uki, które Hen­der­son opi­sał jako „jedno z naj­więk­szych osią­gnięć XIX wieku”[31]. Nie jest to od­osob­niona opi­nia. Jan Mul­der ar­ty­ku­łowi oma­wia­ją­cemu jej roz­wój nadał ty­tuł Lo­oking Back in Won­der[32]. Wielu in­nych pi­sa­rzy, w tym Asi­mov[33] i Al­fred Rus­sel Wal­lace, który wraz z Ka­ro­lem Dar­wi­nem sfor­mu­ło­wał teo­rię ewo­lu­cji drogą do­boru na­tu­ral­nego, za­chwy­cało się cu­dow­nym wszech­świa­tem che­mii wę­glo­wej.

Na po­czątku XX wieku udo­ku­men­to­wano ist­nie­nie po­nad 100 ty­sięcy związ­ków or­ga­nicz­nych[34]. Zsyn­te­ty­zo­wano też w la­bo­ra­to­rium wszyst­kie pod­sta­wowe związki obecne w ży­wych or­ga­ni­zmach – 20 po­wszech­nie wy­stę­pu­ją­cych ami­no­kwa­sów wy­ko­rzy­sty­wa­nych w biał­kach oraz cztery nu­kle­otydy wy­ko­rzy­sty­wane w DNA, a także wiele cu­krów, tłusz­czów i kwa­sów tłusz­czo­wych.

Wę­giel jest je­dy­nym pier­wiast­kiem zdol­nym do kształ­to­wa­nia wielu zło­żo­nych związ­ków or­ga­nicz­nych o zróż­ni­co­wa­nych wła­ści­wo­ściach che­micz­nych i fi­zycz­nych. Obec­nie sza­cuje się, że liczba zna­nych związ­ków wę­gla sięga 10 mi­lio­nów, jest więk­sza od łącz­nej liczby wszyst­kich związ­ków nie­opar­tych na wę­glu i znacz­nie prze­kra­cza sza­cunki Hen­der­sona sprzed 100 lat.

Oprócz mo­le­kuł za­wie­ra­ją­cych wę­giel ist­nieje też wiele mo­le­kuł zło­żo­nych wy­łącz­nie z wę­gla. Wę­giel two­rzy tak zróż­ni­co­wane sub­stan­cje, jak wę­giel ka­mienny, dia­ment (naj­tward­szy znany mi­ne­rał) i gra­fit (je­den z naj­bar­dziej mięk­kich) oraz zło­żone struk­tury, ta­kie jak fu­le­reny i na­no­rurki. W ostat­nich de­ka­dach che­micy ob­wie­ścili od­kry­cie ko­lej­nego związku, gra­fenu, który składa się z pła­skiej mo­no­war­stwy ato­mów wę­gla stło­czo­nych w dwu­wy­mia­ro­wym pla­strze. Naj­bar­dziej zdu­mie­wa­jąca wy­daje się jego siła – ten zwią­zek jest 100 razy moc­niej­szy niż mo­no­war­stwa stali. Gra­fen prze­wo­dzi prąd nie go­rzej niż miedź i jest naj­lep­szym zna­nym prze­wod­ni­kiem cie­pła.

Róż­no­rod­ność form che­micz­nych, które można po­łą­czyć za po­mocą sa­mego tylko wę­gla, bled­nie jed­nak w po­rów­na­niu z fan­ta­styczną róż­no­rod­no­ścią związ­ków, które po­wstają, kiedy wę­giel łą­czy się z ato­mami in­nych pier­wiast­ków.

Kom­bi­na­cje wę­gla i wo­doru two­rzą wszech­świat wę­glo­wo­do­rów. Nie­które wę­glo­wo­dory, ta­kie jak pen­tan i bu­ten, są dłu­gimi mo­le­ku­łami przy­po­mi­na­ją­cymi łań­cu­chy. Inne, ta­kie jak ben­zen, za­wie­rają cy­kliczne lub pier­ście­niowe for­ma­cje. Osza­ła­mia­jąca jest nie tylko liczba struk­tur che­micz­nych, lecz także róż­no­rod­ność ich wła­ści­wo­ści. Pla­sti­kowe po­jem­niki na mleko, płyty DVD, oleje, ropa naf­towa, nafta i naf­ta­lina (kulki na mole) są kom­bi­na­cjami ato­mów wę­gla i wo­doru.

Po­łą­cze­nie wę­gla z wo­do­rem i tle­nem otwiera przed nami ko­lejny wszech­świat związ­ków, obej­mu­jący al­ko­hole, ta­kie jak eta­nol i pro­pa­nol, al­de­hydy, ke­tony i kwasy kar­bok­sy­lowe. Do tej grupy na­leżą rów­nież róż­no­rodne kwasy tłusz­czowe skła­da­jące się z dłu­gich łań­cu­chów wę­glo­wo­do­ro­wych ze­sta­wio­nych z grupą kwa­sów kar­bok­sy­lo­wych. Wę­giel, wo­dór i tlen od­po­wia­dają rów­nież za cu­kry, w tym glu­kozę i fruk­tozę. Ta triada two­rzy rów­nież ce­lu­lozę (twardą sub­stan­cję drewna), wosk psz­czeli, ocet i kwas mrów­kowy. Wszyst­kie na­leżą do tego sa­mego zbioru związ­ków wę­gla.

Do­da­nie azotu pro­wa­dzi do dal­szego zróż­ni­co­wa­nia związ­ków, w tym skład­ni­ków bia­łek – ami­no­kwa­sów. Za­wiera go ze­staw cy­klicz­nych związ­ków zna­nych jako za­sady azo­towe. Nie­które z nich są waż­nymi skład­ni­kami DNA. Ta kom­bi­na­cja wy­stę­puje w tak róż­no­rod­nych sub­stan­cjach, jak barw­niki, an­ty­bio­tyki, ma­te­riały wy­bu­chowe, ko­fe­ina oraz mocz.

Na prze­ło­mie XIX i XX wieku, kiedy cu­dow­ność i uni­kal­ność ob­szer­nego in­wen­ta­rza wę­gla ob­ja­wiła się w ca­łej oka­za­ło­ści, Al­fred Rus­sel Wal­lace opi­sał liczbę i zróż­ni­co­wa­nie tej uni­kal­nej do­meny w swo­ich pra­cach na te­mat teo­lo­gii na­tu­ral­nej, Man’s Place in the Uni­verse [Miej­sce czło­wieka we Wszech­świe­cie] i The World of Life: A Ma­ni­fe­sta­tion of Cre­ative Po­wer, Di­rec­tive Mind and Ul­ti­mate Pur­pose [Świat ży­cia. Prze­jaw siły twór­czej, spraw­czego umy­słu i osta­tecz­nego celu]. W pierw­szej z nich na­pi­sał:

Związki che­miczne wę­gla są o wiele licz­niej­sze niż związki wszyst­kich po­zo­sta­łych pier­wiast­ków ra­zem wzięte [...]. Jest to tym bar­dziej za­dzi­wia­jące, że wszyst­kie nie­zli­czone róż­no­rodne sub­stan­cje wy­twa­rzane przez ro­śliny i zwie­rzęta skła­dają się z tych sa­mych trzech lub czte­rech pier­wiast­ków. Pier­wiastki te two­rzą nie­zli­czoną róż­no­rod­ność kwa­sów or­ga­nicz­nych, po­cząw­szy od kwasu pru­skiego, a skoń­czyw­szy na kwa­sach róż­nych owo­ców; wiele ro­dza­jów cu­krów, gum i skrobi; różne ro­dzaje oleju, wo­sku itp.; olejki ete­ryczne, które w więk­szo­ści są od­mia­nami ter­pen­tyny, po sub­stan­cje ta­kie jak kam­fora, ży­wica, kau­czuk [na­tu­ralna guma] i gu­ta­perka; długi sze­reg al­ka­lo­idów ro­ślin­nych, ta­kich jak ni­ko­tyna, mor­fina z opium, strych­nina, ku­ra­ryna i inne tru­ci­zny; chi­nina, bel­la­dona i po­dobne al­ka­lo­idy lecz­ni­cze [...]. Wszyst­kie one skła­dają się wy­łącz­nie z czte­rech po­wszech­nie wy­stę­pu­ją­cych pier­wiast­ków, z któ­rych zbu­do­wany jest nie­mal cały nasz or­ga­nizm. Gdyby nie udo­wod­niono tego po­nad wszelką wąt­pli­wość, trudno by­łoby w to uwie­rzyć[35].

Cał­ko­wita liczba i róż­no­rod­ność struk­tur che­micz­nych, które można zbu­do­wać z wę­gla, tlenu, wo­doru i azotu, działa na wy­obraź­nię. Łącz­nie pier­wiastki te two­rzą uni­wer­salny che­miczny ze­staw kon­struk­cyjny, który wręcz ide­al­nie na­daje się do two­rze­nia nie­zli­czo­nych związ­ków wy­ko­rzy­sty­wa­nych przez ko­mórkę. Na po­trzebę tak ob­szer­nego in­wen­ta­rza tychże związ­ków wska­zują w pew­nym stop­niu opu­bli­ko­wane dia­gramy szla­ków me­ta­bo­licz­nych. Wy­kresy przed­sta­wiają la­bi­rynt szla­ków che­micz­nych i ogromną liczbę róż­no­rod­nych związ­ków, które w pro­ce­sie me­ta­bo­li­zmu w ty­po­wej ko­mórce ule­gają prze­mia­nom che­micz­nym.

Król wę­giel

Zwa­żyw­szy na nie­zrów­naną ob­fi­tość wę­gla we Wszech­świe­cie, na uwagę za­słu­guje fakt, że pod wie­loma wzglę­dami nie jest on zbyt szcze­gól­nie atrak­cyjną sub­stan­cją. Po­myślmy o grudce wę­gla, ka­wałku gra­fitu lub kupce sa­dzy. Dia­ment ma za­pewne pe­wien urok, lecz pod­sta­wowe formy tego pier­wiastka nie za­chwy­cają. Jego sto­sun­kowy brak re­ak­tyw­no­ści[36] po­tę­guje wra­że­nie po­spo­li­to­ści w po­rów­na­niu z in­nymi, bar­dziej spek­ta­ku­lar­nymi i re­ak­tyw­nymi pier­wiast­kami ta­kimi jak sód i tlen. Jak za­uwa­żył che­mik Pe­ter At­kins, pod tym wzglę­dem wę­giel wy­daje się „bar­dzo prze­cięt­nym, nie­wy­ma­ga­ją­cym part­ne­rem w związ­kach z in­nymi pier­wiast­kami”[37].

Wę­giel cha­rak­te­ry­zuje się jed­nak che­miczną płod­no­ścią, która spra­wia, że jest uni­kalny i two­rzy wiele kom­bi­na­cji opi­sa­nych po­wy­żej. Z tego po­wodu At­kins stwier­dził, że „uzy­skał [on] mo­nar­szą po­zy­cję w Kró­le­stwie Układu Okre­so­wego”[38]. Bez ogrom­nej ilo­ści zło­żo­nych mo­le­kuł o skraj­nie od­mien­nych wła­ści­wo­ściach che­micz­nych, które otrzy­ma­li­śmy dzięki uni­kal­nym wła­ści­wo­ściom tego króla pier­wiast­ków, nie by­łoby or­ga­nicz­nego bo­gac­twa nie­zbęd­nego do za­spo­ko­je­nia zło­żo­nych po­trzeb me­ta­bo­licz­nych ko­mórki. Praw­do­po­dob­nie we Wszech­świe­cie nie ist­nia­łoby ży­cie oparte na che­mii. At­kins po­suwa się na­wet do stwier­dze­nia, że „fe­no­men, który na­zy­wamy »ży­ciem«, w ogrom­nej mie­rze” ma swe źró­dło w re­jo­nie kró­le­stwa za­wie­ra­ją­cego wę­giel[39].

Wią­za­nia wę­glowo-wę­glowe: spo­śród wszyst­kich ato­mów kró­le­stwa okre­so­wego, nie wy­łą­cza­jąc trzech part­ne­rów wę­gla two­rzą­cych związki or­ga­niczne – wo­doru (H), tlenu (O) i azotu (N) – tylko wę­giel może się trwale wią­zać ze sobą, aby two­rzyć łań­cu­chy ato­mów (C-C-C-C) o nie­mal nie­skoń­czo­nej dłu­go­ści. Jest to jego uni­ka­towa ce­cha. Żad­nego in­nego pier­wiastka – tlenu, azotu, wo­doru ani krzemu – wła­ści­wość ta nie cha­rak­te­ry­zuje w ta­kim stop­niu, jak w przy­padku wę­gla.

Związki or­ga­niczne mogą osią­gać nie­mal nie­ogra­ni­czone roz­miary i zło­żo­ność przede wszyst­kim dzięki sta­bil­no­ści wią­zań wę­glowo-wę­glo­wych. Jak ujął to Asi­mov w od­nie­sie­niu do mo­le­kuł or­ga­nicz­nych za­wie­ra­ją­cych wę­giel, „atomy wę­gla mogą się łą­czyć, aby two­rzyć dłu­gie łań­cu­chy lub liczne pier­ście­nie oraz wią­zać się z in­nymi ato­mami. W ten spo­sób po­wstają bar­dzo duże mo­le­kuły, wy­star­cza­jąco sta­bilne, by prze­trwać. Mo­le­kuła or­ga­niczna czę­sto za­wiera na­wet mi­lion ato­mów”[40]. Poza do­meną che­mii or­ga­nicz­nej nie wy­stę­pują duże mo­le­kuły o zło­żo­no­ści po­rów­ny­wal­nej do bia­łek czy in­nych ma­kro­mo­le­kuł. Pod­kre­śla to wielu pi­sa­rzy. Jak ujął to Primo Levi: „Wę­giel jest istot­nie pier­wiast­kiem nie­zwy­kłym. On je­den po­trafi, nie zu­ży­wa­jąc przy tym wiele ener­gii, po­łą­czyć się sam ze sobą w dłu­gie, trwałe łań­cu­chy tak po­trzebne ziem­skiemu ży­ciu (je­dy­nemu, ja­kie do­tąd znamy). Dla­tego też wę­giel jest pod­sta­wo­wym pier­wiast­kiem ma­te­rii oży­wio­nej”[41].

Te­tra­wa­len­cja