Radykalnie nowa teoria powstania życia na Ziemi

Jednym z podstawowych pojęć teorii inteligentnego projektu jest pojęcie nieredukowalnej złożoności. Zostało wprowadzone przez Michaela Behe’ego i najpierw stosowane do układów biochemicznych, a potem przeformułowane w ujęciu teorii informacji. [1] Teoretycy ID od lat wskazują na fakt, że życie obfituje w układy i procesy nieredukowalnie złożone – czyli takie układy, które mają sens biologiczny dopiero wtedy, gdy istnieją wszystkie elementy tego układu i występują we właściwych relacjach względem siebie.

Istnienie układów i procesów nieredukowalnie złożonych stanowi wyzwanie dla darwinizmu, gdyż perspektywą poznawczą darwinizmu jest gradualizm – idea, że układy złożone powstają stopniowo z niewielkiego punktu wyjścia i kształtują się raczej niewielkimi kroczkami w trakcie czegoś, co nazwane zostało ewolucją kumulatywną. Jeśli jednak chodzi o układy nieredukowalnie złożone, to wydaje się, że musiały one jakoś ukształtować się od razu w całości. Darwiniści od półtora wieku odrzucają jednak możliwość nagłego powstawania tak złożonych struktur. To nagłe powstawanie złożonych struktur rozwiązywałoby wiele problemów, przed jakim stali i nadal stoją darwinowscy ewolucjoniści. I nic dziwnego, że niektórzy ewolucjoniści  (np. Richard Goldschmidt czy Otto Schindewolf) próbowali propagować saltacjonistyczne ujęcie procesu ewolucji sugerując zachodzenie większych transformacji ewolucyjnych w postaci dużych przeskoków miedzy gatunkami. Ich pomysły zostały spopularyzowane jako idea potworków rokujących nadzieję, ale nie cieszyły się uznaniem szerszego środowiska ewolucjonistów ze względów probabilistycznych. Pojawianie się potworków rokujących nadzieję wymagało bowiem zsynchronizowanej jednoczesnej serii wielu korzystnych mutacji, co przy uwzględnieniu niewielkiego prawdopodobieństwa pojedynczej mutacji i faktu, że prawdopodobieństwo jednoczesnego zajścia szeregu mutacji równe jest iloczynowi ich prawdopodobieństw, czyniło z tej idei propozycję opartą na cudach probabilistycznych.

Darwiniści woleli polegać na idei ewolucji kumulatywnej, w której każdy krok był względnie prawdopodobny i jeśli był korzystny, to utrwalał się stanowiąc punkt wyjścia dla następnego kroku. Na przykład uznali, że komórki są zbyt złożone, by mogły powstać w jednym kroku, od razu. Poszukiwali rozwiązania, w którym powstawał najpierw jakiś element przyszłego życia i jakoś wokół niego gromadziły się później pozostałe elementy.

Problem istniał jednak, od jakiegoś elementu cały proces powstania życia na Ziemi się rozpoczął. Najstarsze skamieniałości liczą sobie 3,5 miliarda lat, znajdują się w zwanych stromatolitami formacjach skalnych w Zachodniej Australii i są jednokomórkowymi mikroorganizmami, podobnie jak współczesne bakterie. Ale nawet najprostsza dzisiejsza bakteria ma skomplikowaną budowę, posiada na przykład ponad 100 genów. Pierwotne życie musiało być prostsze, ale rozważania probabilistyczne wskazywały, że nadal było zbyt złożone, by pojawić się od razu w gotowej postaci.

Uczeni zmuszeni byli odpowiedzieć sobie na pytanie, jakie podstawowe procesy umożliwiają życie i jakie związki chemiczne w tych procesach uczestniczą. Wyróżnili trzy zespoły. Po pierwsze, każda komórka posiada zewnętrzną membranę, która zapewnia jej trwałość. Po drugie, cechą charakterystyczną życia jest metabolizm, czyli zbiór reakcji chemicznych, dzięki którym pozyskiwana jest energia z otoczenia. I po trzecie, życie się odtwarza wykorzystując geny czyli przekazywane potomstwu instrukcje, jak budować komórki.

Znane są związki chemiczne umożliwiające istnienie wszystkich tych składników i procesów. Membrany komórkowe zbudowane są z lipidów. Metabolizm zachodzi dzięki białkom czyli łańcuchom aminokwasów, a pośród nich zwłaszcza dzięki enzymom, które katalizują reakcje chemiczne i przyspieszają je. A geny są zakodowane w cząsteczkach kwasów nukleinowych, np. kwasu deoksyrybonukleinowego znanego lepiej jako DNA. Wszystkie te składniki są wzajemnie powiązane. Geny niosą instrukcje, jak zbudować białka. Ale funkcjonowanie i kopiowanie genów wymaga istnienia wielu rodzajów białek. I białka zbudowane zgodnie z genami są istotne dla budowy lipidów na membrany. Który z tych elementów pojawił się pierwszy i jak zgromadził wokół siebie pozostałe?

Zaczęto od białek. W latach 1950–tych biochemik Sidney Fox odkrył, że podgrzewanie aminokwasów powodowało, że formowały się z nich łańcuchy czyli białka, tyle że o przypadkowej kolejności, inaczej niż jest w żywych komórkach, gdzie kolejność aminokwasów w białku jest wyznaczona przez zakodowaną informację genetyczną. Te łańcuchy, przypominające tylko funkcjonalne białka, Fox nazwał protenoidami. Okazało się, że protenoidy zwijają się w pewien sposób, co przypomina postać przybieraną przez funkcjonalne białka, oraz katalizują reakcje chemiczne. I, niestety, niczego więcej nie udało się z nimi osiągnąć. Chociaż niektórzy nadal wierzą, że należy poszukiwać rozwiązań począwszy od prostych białek, to jednak większość odrzuciła już tę myśl.

Później większość ewolucjonistów zafascynowała się ideą świata RNA. RNA czyli kwas rybonukleinowy przenosi informację genetyczną podobnie jak DNA. Gdy okazało się, że pewne rodzaje RNA również katalizują reakcje chemiczne, zaczęto przypuszczać, że pierwsze cząsteczki RNA funkcjonowały jako enzymy umożliwiając kopiowanie samych siebie – co mogło zapoczątkować życie. Jednak biochemicy przez dziesiątki lat bez skutku próbowali pokazać w laboratoriach, jak RNA mogło się samo utworzyć i kopiować. Panuje obecnie przekonanie, że aby tak było, musiały zaistnieć jakieś dodatkowe przyczyny i okoliczności.

Została trzecia możliwość. Może to membrany zaistniały najpierw? Tę możliwość podjął najpierw David Deamer z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz. Jeszcze w latach 1970–tych jego zespół odkrył, że membrany mogą powstać, gdy dwa proste związki chemiczne, cyjanamid i glicerol, zmiesza się z wodą i podgrzeje do temperatury 65º C. Gdy te lipidy doda się później do słonej wody i wstrząśnie, utworzą się kuliste kropelki z dwiema zewnętrznymi warstwami lipidów, tak jak jest w komórkach. Deamer orzekł więc możliwość spontanicznego powstawania membran. Ale teraz uważa, że samo powstanie membran to za mało, gdyż lipidy nie są nośnikami informacji genetycznej i nie tworzą enzymów.

Napotkane wady tych prostych modeli powstania życia spowodowały, że Deamer i inni badają obecnie wydawałoby się najmniej wiarygodną alternatywę, czyli że wszystkie trzy składniki w uproszczonej postaci wyłoniły się wszystkie od razu. Nie jest to jakaś nowa idea. Jeszcze w 1971 roku węgierski biochemik, Tibor Gánti opublikował książkę, w której opisał wyimaginowany najprostszy obiekt, o którym biologowie mogliby już orzec, że żyje. Nazwał go chemotonem. Jego chemoton miał posiadać metabolizm oparty na enzymach, co miało doprowadzić do powstania genów i membrany. Ale dopiero w XXI wieku pomysł, że życie od samego początku posiadało wszystkie trzy podstawowe elementy, zaczął zyskiwać na popularności.

Opis wszystkich osiągnięć uczonych rozwijających ten paradygmat znajdziemy w artykule opublikowanym rok temu w New Scientist . [2]

Zwolennicy nowej teorii powstania życia na Ziemi twierdzą, że sugestii dostarczyły im badania meteorytów, które niekiedy są równie stare jak sama Ziemia. Jeden z nich, meteoryt Murchison, który spadł w Australii w 1969 roku, dostarczył ciekawych danych. Jeszcze w 1985 roku odkryto w nim cząsteczki podobne do lipidów. Odkryto też w nim aminokwasy, a w 2008 roku – jedną ze składowych RNA, uracyl, oraz ksantynę, związek chemiczny bliski guaninie.

W 2001 roku zespół prowadzony przez Ernesto Di Mauro odkrył, że formamid, dość powszechny związek we wszechświecie, pozwala otrzymać kilka składników RNA, jeśli w obecności pewnych minerałów zostanie podgrzany do temperatury 160º C. Formamid także może generować powstawanie aminokwasów.

Łączenie podobnego organicznego związku, cyjanamidu, z innymi prostymi związkami prowadzi do powstawania nukleotydów. Reakcja taka wymaga promieniowania ultrafioletowego, podgrzewania, suszenia oraz nawilżania wodą. John Sutherland odkrył, że te same składniki wyjściowe, ale w odpowiednich proporcjach, pozwalają otrzymać prekursory aminokwasów i lipidów. Deamer przypuszcza na tej podstawie, że spontanicznie ukształtowana membrana lipidowa pozwoliła RNA i białkom powstać, a RNA replikować się. Sam RNA stabilizował membrany lipidowe.

Tę mglistą wizję próbował doprecyzować Jack Szostak z Harvardu. Od 2003 roku zespół przez niego kierowany budował modelowe komórki z zewnętrznymi warstwami kwasów tłuszczowych otaczających przestrzeń, w której mógł znajdować się RNA. Jeśli w takich protokomórkach zostały uwięzione niewielkie cząstki montmorylonitu, to mogły one przenieść do wnętrza także RNA. W rezultacie takie protokomórki rosły i dzieliły się tworząc komórki siostrzane, podobnie jak to robią współczesne komórki.

Jednak w protokomórkach Szostaka nie ma metabolizmu. W istniejących organizmach reakcje metaboliczne są kontrolowane przez tysiące enzymów białkowych. Jak zapewnić metabolizm protokomórkom bez białek? Zauważono, że niektóre kluczowe reakcje mogą zachodzić przy obecności takich metali jak żelazo, często w połączeniu z siarką. Ale czy atomy żelaza i siarki umożliwiają zachodzenie reakcji metabolicznych, pozostaje nadal pytaniem otwartym.

Model „wszystko od razu” wymaga, aby życie powstało na trwałej powierzchni mineralnej, np. montmorylonitu, ogrzewanej przez światło słoneczne ze sporą ilością promieniowania ultrafioletowego, powierzchni na tyle ciepłej, by od czasu do czasu wysychać. Wyklucza to jeszcze niedawno popularny pomysł, że życie powstało przy wylotach hydrotermalnych na dnie oceanów. Lipidy nie formują protokomórek w słonej wodzie. Podobnie wykluczone z tego punktu widzenia są również modne przypuszczenia znalezienia życia na Europie, księżycu Jowisza, oraz na Enceladusie, księżycu Saturna, na których pod warstwą lodu znajdują się głębokie oceany. Jedni mówią więc o strumieniach wody spływających po zboczu krateru meteorytowego. Inni o geotermalnych sadzawkach w środowisku wulkanicznym.

Jak widać, nowej radykalnej teorii powstania życia nadal wiele brakuje, by ogłosić sukces. Dotychczasowa historia poszukiwań na tym polu pozwala na kilka spostrzeżeń. Po pierwsze, choć ewolucjoniści się do tego nie przyznają, odchodzą oni stopniowo od ogólnego modelu gradualistycznego nakreślonego przez Darwina, a nawet przyjmują spostrzeżenia przeciwników Darwina (tu: koncepcję, że układy nieredukowalnie złożone musiały powstać od razu w gotowej postaci). Ale można też sformułować pewną refleksję filozoficzną.

Ponad pół wieku temu amerykański filozof nauki, Thomas Kuhn, zbudował koncepcję paradygmatów i rewolucji naukowych. Według tej koncepcji wspólnoty uczonych, niewielkie kilkudziesięcioosobowe, czasami ponad stuosobowe, grupy uczonych z całego świata, ale kontaktujące się ze sobą, skupiają się wokół paradygmatu, czyli jakiegoś wstępnego sukcesu, który następnie starają się rozszerzyć na całą dziedzinę swoich badań. Jeśli te próby odnoszą sukces, paradygmat staje się coraz popularniejszy. Gorzej, jeśli po początkowych sukcesach, następuje marazm, mimo usilnych prób nie notuje się postępu naukowego. Wspólnotę uczonych stopniowo ogarnia zniechęcenie, co po jakimś czasie może doprowadzić do rewolucji naukowej, do porzucenia paradygmatu i przyjęcia nowego.

Darwin bardzo skutecznie wprowadził nowy paradygmat metodologiczny – naturalistyczne rozumienie praktyki naukowej (uczony nie może odwoływać się do czynników spoza przyrody). Oparte na naturalizmie wzorce praktykowania nauki, szczegółowe paradygmaty przyrodnicze, stopniowo zaczęły się załamywać – gradualistyczne powstawanie nowych planów budowy ciała okazało się genetycznie nieprawdopodobne i jednocześnie niepotwierdzone w zapisie kopalnym. Podobnie było przy badaniach pochodzenia życia. Według Kuhna po odpowiednio długim okresie niepowodzeń następuje rewolucja naukowa i przyjecie alternatywnego paradygmatu. Ewolucjoniści jednak znaleźli sposób na uniknięcie tej konsekwencji – należy w odpowiednim czasie zaproponować nową wersję starego paradygmatu, ale zgodną z tym, o co naprawdę chodzi, [3] z podstawowym metodologicznym paradygmatem Darwina, czyli naturalizmem. Zmienić jakieś szczegóły, by zachować istotę. Nie dało się pokazać, że życie powstało stopniowo od jakiegoś, tego czy innego, prostego punktu wyjścia i stopniowo się komplikowało do obecnej postaci? No to niech będzie tak, jak mówią teoretycy projektu, że życie powstało od razu jako coś złożonego – ale powstało naturalnie, nie jako inteligentny projekt. Wszystko, tylko nie to.

Przypisy:

                [1] Behe wprowadził nazwę „nieredukowalna złożoność”, ale rozumowania odwołujące się do tego, czego ta nazwa dotyczy, znaleźć można dużo wcześniej w literaturze kreacjonistycznej.

                [2] Michael Marshall, „A radical new theory rewrites the story of how life on Earth began”, New Scientist 5 August 2020, https://www.newscientist.com/article/mg24732940-800-a-radical-new-theory-rewrites-the-story-of-how-life-on-earth-began/.

                [3] O co naprawdę chodziło Darwinowi i jego następcom por. w: Kazimierz Jodkowski, „W poszukiwaniu twardego jądra ewolucjonizmu”, Filozofia Nauki 2001, nr 2 (34), s. 7-18, http://www.nauka-a-religia.uz.zgora.pl/index.php/pl/przedruki/15-przedruki/330-pr-art-5 oraz Kazimierz Jodkowski, „Twarde jądro ewolucjonizmu”, Roczniki Filozoficzne 2003, t. 51, z. 3, s. 77-117, http://www.nauka-a-religia.uz.zgora.pl/index.php/pl/przedruki/15-przedruki/387-pr-art-11.