|
Chcesz wiedzieć więcej? Zamów dobrą książkę. Propozycje Racjonalisty: | | |
|
|
|
|
Nauka » Biologia » Powstanie życia
Istota życia i (samo)świadomości – rysy wspólne [1] Autor tekstu: Bernard Korzeniewski
W niniejszym artykule chciałbym już to streścić, już to rozwinąć moje
poglądy na istotę życia i (samo)świadomości, a w szczególności na wzajemne
relacje pomiędzy tymi fenomenami, które to poglądy przedstawiłem w moich
poprzednich publikacjach ([1-5]; zresztą omawianych problemów dotyczyło kilka
moich poprzednich tekstów w Racjonaliście). Ściśle mówiąc, skupię się na
paralelach pomiędzy wyłonieniem się biologicznego poziomu rzeczywistości z poziomu fizycznego, a poziomu psychicznego — z poziomu biologicznego. W istocie
rzeczy postaram się pokazać, że z formalnego, abstrakcyjnego punktu widzenia w obu przypadkach mechanizm wyłonienia się poziomu wyższego z poziomu niższego był w zasadzie identyczny. Chodzi mi tu o emergencję zarówno w sensie
diachronicznym, w trakcie ewolucji Wszechświata i ewolucji biologicznej, jak i synchronicznym, kiedy wspinając się poprzez poszczególne stopnie hierarchii
złożoności przechodzimy od atomów, molekuł i makromolekuł do żywych komórek i
(złożonych) organizmów wielokomórkowych, a także od neuronów i ich zespołów do
skomplikowanych sieci neuronalnych będących „nośnikiem" psychiki.
Zacznijmy od istoty życia. Uważam, że podstawową jednostką życia (a także
podmiotem ewolucji, jednostką selekcji) jest osobnik (nie: organizm) żywy.
Najpierw w książce wydanej po polsku [1], a następnie w dwóch artykułach
opublikowanych w międzynarodowych czasopismach anglojęzycznych [3,4]
zaproponowałem cybernetyczną definicję żywego osobnika. Odniosłem ją także do
możliwego sztucznego życia (AL) [5]. Cybernetyka (w wąskim znaczeniu tego
terminu) to przede wszystkim nauka o regulacji i sterowaniu w układach
dążnościowych (nakierowanych na realizację jakiegoś z góry zadanego celu). Dwa
podstawowe pojęcia cybernetyki to sprzężenie zwrotne ujemne i sprzężenie zwrotne
dodatnie.
Sprzężenie zwrotne ujemne ma za zadanie utrzymanie wielkości jakiegoś
parametru na zadanym, korzystnym ze względu na funkcjonowanie całego układu
poziomie. Takim parametrem w przypadku układów biologicznych może być np.
temperatura, szybkość reakcji chemicznej, stężenie jakiegoś związku, określona
barwa w określonym miejscu organizmu, intensywność pracy jakiegoś narządu,
wilgotność (np. we wnętrzu mrowiska), ekspozycja na światło słoneczne, wielkość i kształt określonej struktury lub też całego ciała w danym momencie rozwoju
embrionalnego, dokładność obrazu wytworzonego na siatkówce oka, optymalna
strategia polowania i wiele, wiele innych. Sprzężenie zwrotne ujemne niweluje
wszelkie odchylenia od zadanej wartości parametru spowodowane przez rozmaite
zaburzenia z zewnątrz (lub z wnętrza organizmu), wywołując akcję prowadzącą do
zmiany wartości odpowiedniego parametru w stronę przeciwną (stąd nazwa) do tej, w którą nastąpiło odchylenie. Przykładami sprzężenia zwrotnego ujemnego w świecie nieożywionym jest utrzymywanie stałej temperatury w lodówce lub
korygowanie odchyleń lotu rakiety od zadanej trajektorii.
Sprzężenie zwrotne dodatnie
ma działanie przeciwne — powoduje ono tym szybsze oddalanie się wartości
jakiegoś parametru od pewnej określonej wartości (często jest to po prostu
zero), im dalej aktualna wartość parametru jest już od tej wartości odchylona.
Mechanizm ten wzmacnia zatem coś, co już jest w jakimś stopniu obecne (stąd
nazwa „dodatnie"). Innymi słowy, wartość parametru ucieka tu tym szybciej od
wartości „zadanej", im dalej już się od tej wartości znajduje. O ile zatem
sprzężenie zwrotne ujemne jest mechanizmem stabilizującym, utrzymującym system w pobliżu określonego stanu (choć ten optymalny stan może ulegać zmianom w zależności od warunków), to sprzężenie zwrotne dodatnie prowadzi do immanentnej
niestabilności, do zachowania wybuchowego i/lub chaotycznego (kombinacja
sprzężenia zwrotnego dodatniego i ujemnego może prowadzić do oscylacji wartości
parametrów). Przykładami sprzężenia zwrotnego dodatniego w przyrodzie
nieożywionej są reakcja łańcuchowa podczas wybuchu jądrowego i kamienna lawina.
Regulacja wartości danego parametru poprzez mechanizm sprzężenia
zwrotnego ujemnego polega na utrzymaniu jego wartości w pobliżu wartości
„zadanej", optymalnej ze względu na jakiś z góry określony cel. Na przykład
lodówka utrzymuje temperaturę wystarczająco niską, aby zapobiec psuciu się
żywności, a jednocześnie na tyle wysoką, aby ograniczyć straty energetyczne (i
nie zmrażać żywności „na kość"). W tym przypadku odpowiedni detektor (termostat)
dokonuje ciągłego pomiaru (detekcji) wartości regulowanego parametru
(temperatury). Jeżeli temperatura wzrośnie ponad zadaną wartość, detektor wysyła
sygnał sterowania uruchamiający odpowiedni efektor (urządzenie chłodnicze),
który przeciwdziała odchyleniu parametru od wartości zadanej, a więc wywołuje
kompensację zaburzeń spowodowanych przez wpływy otoczenia (temperatura wraca do
optymalnej wartości zadanej). Cała omówiona sekwencja przyczynowo-skutkowa,
czyli: wzrost wartości parametru ponad zadaną — pomiar — detektor — sterowanie -
efektor — kompensacja — spadek wartości parametru z powrotem do zadanej,
nazywamy pętlą sterowania.
Z kolei, zgodnie z powiedzianym powyżej, sprzężenie zwrotne dodatnie
posiada, jak sama nazwa wskazuje, działanie przeciwne do sprzężenia zwrotnego
ujemnego. Jest ono silnie destabilizujące, odpycha wartość parametru od wartości
zadanej tym silniej, im dalej wartość aktualna odbiega od wartości zadanej. W wyniku tego wartość parametru szybko (w sposób ekspotencjalny) zmierza do
nieskończoności, a otrzymany efekt można nazwać anty-regulacyjnym lub
wybuchowym.
Jak wspomniałem, przykładem sprzężenia zwrotnego dodatniego w świecie
nieożywionym jest jądrowa reakcja łańcuchowa. Niestabilne jądro jakiegoś
radioaktywnego izotopu, np. uranu U235 , rozpadając się emituje trzy
neutrony. Każdy z neutronów rozbija następne niestabilne jądro, prowadząc w każdym przypadku do uwolnienia dalszych trzech neutronów. A zatem, po upłynięciu
pewnego (bardzo krótkiego) odcinka czasu, ilość neutronów ulega potrojeniu. Mamy
więć kolejno 3, 9, 27, 91 … neutronów. Proces ten może powtarzać się,
przynajmniej potencjalnie, nieskończoną ilość razy (w praktyce ogranicza go
ilość niestabilnego izotopu). Innymi przykładami sprzężenia zwrotnego dodatniego
są pewne związki chemiczne katalizujące powstawanie siebie samych z innych
związków (tzw. autokataliza) oraz kamienna lawina, w której staczający się po
zboczu kamień wprawia w ruch coraz to więcej i więcej kamieni.
Wróćmy jednak do sprzężenia zwrotnego ujemnego. W organizmach żywych
występuje nieprzebrana obfitość mechanizmów regulacyjnych i sterujących ze
sprzężeniami zwrotnymi ujemnymi na czele. Pod względem funkcjonalnym, układy
biologiczne są wręcz zbudowane z hierarchicznie zorganizowanej sieci wzajemnie
przeplatających się i warunkujących sprzężeń zwrotnych ujemnych. Generalnie,
cała ta, ukształtowana oczywiście w trakcie ewolucji biologicznej, sieć stanowi w pewnym sensie funkcjonalne, operacyjne
odbicie zarówno zewnętrznego, jak i wewnętrznego środowiska danego organizmu
(wraz z całą zmiennością tego środowiska w czasie i przestrzeni), a ma na celu
przeżycie i rozmnożenie się w niszy ekologicznej (otoczeniu fizycznym i biologicznym) okupowanej przez ten organizm.
Sztandarowym (i stosunkowo bardzo prostym) przykładem sprzężenia
zwrotnego ujemnego w organizmach żywych na poziomie biochemicznym jest regulacja
szybkości syntezy jakiegoś aminokwasu przez bieżące stężenie tego aminokwasu.
Taki aminokwas hamuje (obniżając aktywność odpowiedniego enzymu w wyniku
związania cząsteczki tego aminokwasu do odpowiedniego miejsca regulacyjnego)
pierwszą reakcję enzymatyczną w szlaku metabolicznym prowadzącym wyłącznie do
jego syntezy, co powoduje utrzymanie na względnie stałym poziomie stężenia
rzeczonego aminokwasu. Jeśli stężenie aminokwasu obniża się (w wyniku jego
niewielkiego dopływu ze strawionego pożywienia lub / i wzmożonego zużycia, np.
na syntezę białek), omawiany enzym zostaje odblokowany i szybkość syntezy
aminokwasu ulega przyspieszeniu, powodując wzrost jego stężenia. W przypadku
przeciwnym synteza aminokwasu ulega zablokowaniu. Bez takiej regulacji pula
danego aminokwasu mogłaby bardzo szybko ulec wyczerpaniu lub, przeciwnie,
aminokwas gromadziłby się w nadmiernej ilości zaburzając funkcjonowanie komórki
(np. poprzez wzrost ciśnienia osmotycznego). Inny przykład na poziomie
metabolicznym to produkcja uniwersalnego nośnika energii w komórce — ATP — przez
fosforylację oksydacyjną w mitochondriach. Wysokie stężenie ATP, występujące w stanie spoczynkowym, hamuje metaboliczny blok produkcji tego związku. Nagły
wzrost konsumpcji ATP, na przykład w wyniku skurczu mięśnia (praca mechaniczna
wymaga nakładów energetycznych), powoduje hydrolizę ATP do ADP; wzrost stężenia
tego ostatniego aktywuje produkcję ATP i częściowo kompensuje spadek jego
stężenia.
Jeśli chodzi o składniki żywej komórki, to synteza poszczególnych białek, w ich liczbie enzymów, jest dostosowana do szybkości ich rozkładu (ze względu
np. na uszkodzenie przez wolne rodniki), tak aby ich stężenie pozostało stałe
(dokładny mechanizm regulacyjny nie jest jeszcze znany, ale musi istnieć;
inaczej ilość danego typu białka albo spadałaby do zera w przypadku utrzymującej
się przewagi jego rozkładu nad syntezą, albo, przeciwnie, rosłaby
nieograniczenie w przypadku odwrotnym). Problem ten dotyczy także innych
składników komórki, np. lipidów i złożonych z nich błon.
Optymalne stężenie danego białka może zależeć od okoliczności. Jego
regulacja zachodzi na poziomie genetycznym. Na przykład, w obecności laktozy (i
braku innych cukrów) w otoczeniu, w komórce bakterii ulega włączeniu produkcja
enzymów odpowiedzialnych za pobieranie i rozkład tego cukru, podczas gdy w innych okolicznościach enzymy te nie są syntetyzowane (słynny model operonu). A zatem, zadana wartość pewnego parametru (w tym przypadku — stężenie białek
enzymatycznych), który funkcjonuje jako element sprzężenie zwrotnego ujemnego na
niższym poziomie hierarchii (utrzymującego stałą dostawę budulca i energii, a przez to stałe stężenie metabolitów), może być zmieniona przez jakieś inne
ujemne sprzężenie zwrotne na wyższym poziomie hierarchii (ograniczające wydatki
energetyczne i budulcowe na produkcję białek, które nie są aktualnie potrzebne).
U bakterii (organizmów bezjądrowych, prokariotycznych) ważną rolę w sprzężeniach
zwrotnych odpowiedzialnych za adekwatne reagowanie na zmieniające się warunki
zewnętrzne odgrywają tak zwane alarmony i czynniki
s
(sigma).
U organizmów jądrowych (eukariotycznych), a w szczególności u organizmów
wielokomórkowych i tkankowych, wielce złożony i hierarchicznie zorganizowany
system regulacyjny, oparty w dużej mierze na sieci sprzężeń zwrotnych ujemnych
(i innych mechanizmów sterujących związanych z przekazywaniem sygnałów), z wielką precyzją określa jakie konkretne białka będą produkowane w danym miejscu,
czasie i ilości (jest to szczególnie istotne w czasie rozwoju embrionalnego i związanej z nim morfogenezy — patrz niżej). W skład komórek różnych typów
wchodzą odmienne białka oraz ewentualnie odmienne ilości białek wspólnych (np.
kompleksów fosforylacji oksydacyjnej; wynika to między innymi z różnej względnej
objętości mitochondriów). Różnicowanie się komórek polega przede wszystkim na
selektywnej aktywacji ekspresji pewnych genów i hamowaniu ekspresji innych, co
znajduje swój wyraz w pierwszym rzędzie w określonym składzie białkowym komórki.
Odmienny skład białkowy jest także potrzebny w różnych fazach cyklu komórkowego.
1 2 3 4 5 Dalej..
« Powstanie życia (Publikacja: 16-01-2012 )
Bernard KorzeniewskiBiolog - biofizyk, profesor, pracownik naukowy Uniwersytetu Jagielońskiego (Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii). Zajmuje się biologią teoretyczną - m.in. komputerowym modelowaniem oddychania w mitochondriach. Twórca cybernetycznej definicji życia, łączącej paradygmaty biologii, cybernetyki i teorii informacji. Interesuje się także genezą i istotą świadomości oraz samoświadomości. Jest laureatem Nagrody Prezesa Rady Ministrów za habilitację oraz stypendystą Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej. Jako "visiting professor" gościł na uniwersytetach w Cambridge, Bordeaux, Kyoto, Halle. Autor książek: "Absolut - odniesienie urojone" (Kraków 1994); "Metabolizm" (Rzeszów 195); "Powstanie i ewolucja życia" (Rzeszów 1996); "Trzy ewolucje: Wszechświata, życia, świadomości" (Kraków 1998); "Od neuronu do (samo)świadomości" (Warszawa 2005), From neurons to self-consciousness: How the brain generates the mind (Prometheus Books, New York, 2011). Strona www autora
Liczba tekstów na portalu: 41 Pokaż inne teksty autora Poprzedni tekst autora: Klatka czasoprzestrzeni, klatka umysłu | Wszelkie prawa zastrzeżone. Prawa autorskie tego tekstu należą do autora i/lub serwisu Racjonalista.pl.
Żadna część tego tekstu nie może być przedrukowywana, reprodukowana ani wykorzystywana w jakiejkolwiek formie,
bez zgody właściciela praw autorskich. Wszelkie naruszenia praw autorskich podlegają sankcjom przewidzianym w
kodeksie karnym i ustawie o prawie autorskim i prawach pokrewnych.str. 7692 |
|