Nauki przyrodnicze
MENU
STRONA GŁÓWNA
Przyroda polska
Zdjęcia natury
Fizyka teoretyczna
Biologia teoretyczna
Biochemia
Biologia molekularna
Ornitologia
Rośliny Polski
Botanika
Zoologia
Internetowe ZOO
Związki czynne roślin
Pierwiastki
chemiczne
Chemia nieorg.
Chemia organiczna
Ciekawostki
biologiczne
Ciekawostki
fizyczne
Ciekawostki
chemiczne
Ciekawe książki
Ciekawe strony www
Słownik

INFO
INFO O AUTORZE
KONTAKT

Do działu: BIOLOGIA TEORETYCZNA →

Czym jest życie ?

W komórce nie ma nic żywego oprócz całej komórki.
L. Cuenot

WSTĘP

Biologia jest nauką o życiu. Fundamenty tej dziedziny wiedzy kładli już tacy filozofowie jak Empedokles, Demokryt czy Arystoteles. Choć od tamtego czasu minęło ponad 2000 lat, to dziś biologia jest nadal dziedziną rozwijającą się i obfitującą w pytania, na które nie znamy ostatecznych odpowiedzi. Wśród nich można wyróżnić cztery podstawowe:

1. Czym jest życie ? (kierowane do biochemików)
2. Jak powstało życie ? (kierowane do ewolucjonistów, biochemików i biologów molekularnych)
3. Jaka jest budowa organizmów żywych i jakie konkretne procesy w nich zachodzą ? (kierowane do biologów molekularnych, cytologów, fizjologów roślin i zwierząt, anatomów)
4. Dlaczego organizmy żywe mają takie cechy jakie mają ? (kierowane do ewolucjonistów)

W tym artykule spróbujemy odpowiedzieć na pierwsze pytanie w sposób ogólny i popularny.

Weźmy przykład naukowców, którzy chcą zbadać cechy i funkcjonowanie społeczności pawianów (ilość wydanego potomstwa/rok, strukturę społeczną, strategie polowania, itd.). W tym celu umieszczają każdego pawiana z tej populacji w osobnym pomieszczeniu i badają go. Czy ma to sens ?
Taka metoda poznania całości poprzez rozbijanie ją na części i badanie ich własności nazywa się metodą kartezjańską (od filozofa Kartezjusza, który był jej twórcą). Być może da się ją zastosować do wyjaśnienia działania prostej zabawki, ale w przypadku badania zjawiska życia jest ona niewystarczająca i nieodpowiednia. Możemy domyśleć się dlaczego. Wyodrębnianie białek i genów i innych cząstek organicznych, nic nam o samej istocie zjawiska, jakim jest życie nie powie. Te cząsteczki żywe nie są. Jak sobie zatem poradzić ?
Przez dłuższą część XIX wieku uważano, że życia nie da się wyjaśnić i zrozumieć za tylko za pomocą skomplikowanej fizyki czy chemii. Uważano, że na tak wysokich poziomach złożoności pojawia się coś, co nie jest redukowalne do zjawisk fizykochemicznych. Takie przekonanie, mówiące że całość to coś więcej niż suma części i że nigdy nie jest ona z nich wyprowadzalna, nazywa się holizmem. Konkretnie przypuszczano, że życie jest możliwe dzięki istnieniu tajemniczej, niematerialnej siły życiowej (vis vitalis) i to tylko dzięki niej materia może być ożywiana i tworzyć organizmy.
Dzisiaj wiemy już, że istnieje trzecia możliwość (prawidłowa zresztą) będąca niejako syntezą metody kartezjańskiej i holizmu. Mówi ona, że całość to rzeczywiście coś więcej niż suma części, ale jej cechy są poznawalne na gruncie materialistycznym (wyprowadzalne) jeśli znamy własności części i sposób ich połączenia. Innymi słowy dana cecha systemowa może powstać w wyniku odpowiedniego połączenia części, które same tej cechy nie mają (patrz rys.1).



Rys.1. Cecha systemowa – zdolność do zatrzymania wody pojawia się w wyniku odpowiedniego połączenia 3 części, z których żadna wody zatrzymać nie jest w stanie.

Wiemy doskonale, że żadna z cząsteczek czy organelli budujących organizmy sama żywa nie jest. Żyją zawsze całe komórki lub wielokomórkowe organizmy. Należy więc domyślać się, że:

Życie jest cechą systemową, która pojawia się w wyniku specyficznej organizacji cząstek materialnych, które same żywe nie są.

ŚWIATY ŻYWYCH I UMARŁYCH

Przypomnijmy sobie podstawowe pojęcie równowagi chemicznej na przykładzie prostej reakcji:

A ← → B

Gdy reakcja ta jest w równowadze, to wtedy stężenia związków A i B nie zmieniają się w czasie. Ma ona charakter dynamiczny, tzn. cały czas A przechodzi w B i odwrotnie, ale w taki sposób, że ich stężenia pozostają niezmienne. Jak to jest możliwe ? W zrozumieniu tego pomoże nam porównanie do ludzi głosujących TAK i NIE w historycznym już programie „Decyzja należy do Ciebie”. Może się zdarzyć taka sytuacja, że podczas trwania programu równoliczne grupy ludzi przeszły z pola NIE → TAK i TAK → NIE. Ta sytuacja jest odzwierciedleniem stanu dynamicznej równowagi.
Równowagi nie trzeba podtrzymywać, jest ona stabilna sama w sobie.
Spróbujmy zrozumieć teraz pojęcie oddalenia od stanu równowagi. Załóżmy że stężenia równowagowe wynoszą : [A] = 4, [B] = 4. Początkowo w naczyniu umieszczamy roztwory związków A i B o stężeniu [A] = 6, [B] = 2. Jest to stan nierównowagowy i sam z siebie będzie zmierzał w kierunku równowagi (6→4, 2→4). Czy da się uczynić oddalenie od równowagi stanem stabilnym? Spójrzmy na poniższy rysunek:



Rys.2. Schemat pokazuje jak możliwe jest stabilność stanu dalekiego od równowagi.

Ilość związku A równa 6 to nadmiar. Dążąc do równowagi, rozpada się on, zwiększając ilość związku B ponad 2. Aby utrzymać w czasie stan (2,6) trzeba uzupełniać A i usuwać nadmiar B.
Spójrzmy teraz na następny, bardziej obrazowy przykład:



Rys.3. Obrazowy przykład równowagi i stabilnego stanu oddalenia od niej.

Stan A to równowaga stabilna w czasie. W stanie B dwie kulki mają tendencję do spadku (dążą do równowagi) i muszą być cały czas uzupełniane. Aby stan B był stabilny trzeba również usuwać z układu 2 kulki, które spadły.
Charakterystyczną cechą organizmów martwych jest to, że wszystkie reakcje chemiczne w ich organizmie są w stanie równowagi chemicznej lub zmierzają w jej kierunku w sposób niekontrolowany. Organizmy żywe utrzymują stabilne stany od niej oddalone. Taka jest linia demarkacyjna pomiędzy światem żywych i umarłych. W następnej części artykułu dowiemy się dzięki czemu organizmy żywe są w stanach dalekich od równowagi i dlaczego jest to dla nich niezbędne.

WODA NA MŁYN ŻYCIA

Wszystkie organizmy, aby żyć, muszą dysponować wysokoenergetycznymi związkami organicznymi, które dają im energię. Heterotrofy (zwierzęta, grzyby) uzyskują je już wyprodukowane i to nie przez nie same, a autotrofy (rośliny) potrafią je sobie wyprodukować dzięki wykorzystaniu energii słonecznej.
Wyobraźmy sobie teraz, że spadające 2 kulki z rysunku 3B zostaną ponownie pobrane i podniesione do góry. Załóżmy że dokonujemy tego za pomocą małego młynu. Ten trzeba jednak napędzać. Może służyć do tego spadająca woda tracąca swą energię potencjalną. Spójrzmy na rysunek 4.



Rys.4. Schemat oddający zasadę działania organizmów żywych.

Związki organiczne w pokarmie (woda), w wyniku katabolicznych reakcji swego rozpadu, wytwarzają energię gromadzoną w postaci wysokoenergetycznych związków chemicznych, głównie ATP. Na rysunku symbolizuje je młyn. Przechwytuje on energię wody, która zostaje użyta do syntezy skomplikowanych związków organicznych takich jak białka, polisacharydy i tłuszcze wchodzących w skład organizmu. Na rysunku 4 symbolizowane są one przez 3 kulki. Związków tych musi być bardzo dużo (ostatecznie to główny budulec), a są one w dużych ilościach niestabilne, bo w stanie równowagi chemicznej ze swymi monomerami związków tych jest niezmiernie mało. Jak organizmy żywe rozwiązały ten problem ? Stan oddalony od równowagi można utrzymać równoważąc rozpad ciągłą syntezą. A to wymaga energii. I dlatego musimy jeść, bo to dostarcza nam „wody” na młyn życia. Rozpad związków organicznych pokarmu daje energię, która utrzymuje w stabilnym stanie oddalonym od równowagi duże ilości makrocząsteczek organizmu. Co dzieje się gdy zabraknie mu jedzenia lub przestaje on wytwarzać sobie związki organiczne ?
Spójrzmy jeszcze raz na rysunek. Woda przestaje napędzać młyn, który po prostu zatrzymuje się. Kulki przestają być podnoszone do góry, więc obserwujemy tylko ich opadanie do osiągnięcia stanu równowagi. Stabilna struktura trzech kulek rozpadła się. Rozpad budulca organizmu najpierw powoduje chudnięcie (co można zaobserwować u głodujących w Etiopii), a potem śmierć, po której proces ten toczy się dalej i nazywany jest gniciem. Gnicie znacznie przyspieszane jest przez wyższą temperaturę i enzymy lityczne wydzielane przez bakterie, ale bez udziału bakterii (samoistnie) też przebiega.

CHEMOTON - POMYSŁ BARDZO DOBRY

W poprzednim rozdziale wyznaczyliśmy biochemiczną granicę między organizmami żywymi a takimi, które żywe już nie są.
Spróbujmy więc teraz odpowiedzieć sobie na pytanie: czym różnią się organizmy żywe, od wszystkich systemów które żywe nie są (i nigdy nie były) ?
Niezwykle pomysłowy schemat systemu wykazującego cechę : „życie” przedstawił w swojej książce „Podstawy życia” Węgier – Tibor Ganti. Przed ukazaniem się jego książki, temat – biogeneza (czyli powstanie życia) interesował biologów, ale udawało im się odpowiedzieć głównie na pytanie: jak możliwa jest synteza skomplikowanych związków organicznych w warunkach, w których nie istnieje jeszcze żadna żywa komórka (tzw. prebiotycznych). Stwierdzili oni że jest to możliwe w przypadku prostych monocukrów, aminokwasów i zasad azotowych.
Ganti poszedł znacznie dalej. Skonstruował on abstrakcyjny model systemu, który żyje. Abstrakcyjny czyli nie istniejący realnie, a to dlatego że organizmy żywe są dla modelowania zdecydowanie zbyt skomplikowane. Poza tym podejście Gantiego było słuszne, gdyż zaczął on badać istotę życia na modelach prostych.
Osiągnięcie Gantiego to schemat minimalnego systemu żywego, tzn. najmniejszego jaki wykazuje cechę systemową – ŻYCIE. Innymi słowy, wszystkie jego składniki są potrzebne, aby ta cecha się pojawiła i odjęcie choć jednego z nich powoduje jej zanik.
Przystąpmy do opisu chemotonu. Można śmiało powiedzieć, że jest on podstawową jednostką życia, czyli tym dla biologii czym dla fizyki jest punkt materialny, a dla chemii – atom. Spójrzmy na poniższy rysunek 5.


chemoton
Rys.5. Schemat minimalnego systemu żywego – chemotonu.

Dzięki pobranemu związkowi X (pokarm) chemoton wytwarza jeden ze swoich składników – A1 a także T i V, wydalając zbędny metabolit Y. Wzór sumaryczny reakcji to:

A1 + X → 2 A1 + Y + T + V

T – to składnik błony komórkowej, związek V – to monomer cząsteczki informacyjnej, która jest polimerem. Jej liniowa sekwencja gwarantuje trwałość zapisanej informacji.
Chemoton spełnia wszystkie kryteria życia zadane przez Gantiego i które uważa on za spełniane przez wszystko co żyje i – co ważniejsze – niespełniane nigdy przez systemy nieożywione. Są to:

Niepodzielna całość: żadna z części składowych chemotonu nie jest żywa. Dopiero całość ma tę cechę.

Metabolizm: chemoton pobiera związek X i metabolizuje go do zbędnego produktu przemiany materii Y z wydzieleniem energii. Potrafi wyprodukować sobie składnik błony komórkowej – T i monomer materiału genetycznego – V.

Stabilność: cykl reakcji ma to do siebie, że jest w stanie odtworzyć się z każdego składnika. Bez względu na to w jakim punkcie zaczniemy reakcję zawsze jesteśmy w stanie zrobić jeden obieg. Aby cykl przestał działać musiałyby zginąć wszystkie jego składniki, a to jest mało prawdopodobne. Dlaczego obieg „kręci się” tylko w jedną stronę ? Przecież reakcje chemiczne są zawsze odwracalne. Istnieje w chemii tzw. reguła przekory Chateriera. Mówi ona, że jeśli naruszymy równowagę w systemie to system zrobi wszystko by ją przywrócić. Jeśli dodamy do chemotonu nadmiar X to system będzie chciał go metabolizować do A1 + Y + T + V, by doszło do równowagi. Wiemy już jak radzić sobie z przekorą i tak radzą sobie wszystkie organizmy żywe. Po prostu cały czas usuwany jest przynajmniej jeden produkt przemiany materii (wydalanie) i dodawane nowe porcje związku odżywczego (jedzenie). Reakcja przebiegnie wtedy w jedną stronę i będzie oddalona od równowagi. Wodą na młyn chemotonu jest X, a te „trzy kulki” to duże ilości związków T i V. Związek T jest wbudowywany w błonę komórkową i nie uczestniczy dalej w metabolizmie. Błona ma ogromny wpływ na stabilność chemotonu, bo zapobiega dyfuzji składników.

Informacja genetyczna i kontrola przez nią zachodzących w systemie procesów: Cząsteczki V będą w dużych ilościach łączyć się w polimer Vm. Im dłuższy będzie jego łańcuch tym zaobserwujemy większy spadek stężenia monomeru w jednostce czasu. Z reguły przekory wynika, że ubytki ilości monomerów będą rekompensowane zwiększeniem obiegów chemotonu usiłującym uzupełnić ich utratę. Zostanie więc on powielony w wielu kopiach. W konsekwencji: im dłuższy łańcuch Vm, tym krótszy czas między podziałami komórki. Polimer kontroluje więc długość trwania jednego pokolenia.

ZAKOŃCZENIE

Bardzo często w dyskusjach na temat życia słyszy się stwierdzenie mówiące, że to co uznamy za żywe zależy tylko od przyjętych kryteriów. Można się zgodzić z tym stwierdzeniem tylko częściowo, gdyż trzeba podkreślić, że te kryteria nie mogą być dowolne, lecz odpowiednio dobrane.
Na przykład mówi się, że wirusy są żywe jeśli za kryterium przyjmiemy zdolność do replikacji i odrzucimy metabolizm. Problem w tym, że rosnące kryształy też potrafią się replikować, a nikt ich za żywe nie uznaje. Chodzi więc o takie kryteria, które wyznaczyłyby linię demarkacyjną między tym, co ewidentnie jest żywe, a tym co nie jest. Do takich można zaliczyć kryteria Gantiego. Samo kryterium replikacji „uchwytuje” za dużo, bo oprócz całego świata ożywionego i wirusów „uchwytuje” nieżywe kryształy, którymi biologia przecież nigdy nie zajmowała się. Kryterium musi więc być właściwe, a nie dowolne.

* * *

Przez organizmy żywe ciągle przepływa energia i materia. Wysokoenergetyczne związki organiczne rozpadają się w nich, dostarczając energii związanej głównie w postaci wiązań chemicznych ATP. Związek ten jest również utrzymywany w stanie dalekim od równowagi chemicznej reakcji ADP + P ←→ ATP. Gdyby był on w równowadze, nie dostarczałby wypadkowej energii, bo ta wydzielana przy jego rozpadzie wystarczyłaby tylko na powrotną syntezę z ADP i P. Objawem stanu równowagi powyższej reakcji w mięśniach jest stężenie pośmiertne.
Energia ATP zużywana jest do syntezy dużej ilości makrocząstek budujących organizm. Życie wydaje nam się stanem stabilnym a nawet oczywistym, podczas gdy jest to stan wysoce specyficzny. Stabilność życia osiągana jest tylko dzięki dopływowi i odpływowi energii i materii. Kształt organizmu dorosłego pozostaje przez cały czas zachowany, choć atomy jego ciała są cały czas wymieniane (zob. rysunek 6).



Rys.6. Przykład zachowania struktury przy stopniowej wymianie składników.

Jest to możliwe dlatego, że wymiana jest stopniowa. Atomy, które kilka lat temu budowały mój organizm są teraz w trawie, jeziorach, rzekach, powietrzu. To są „kulki” które spadły, a były kiedyś jednymi z trzech (patrz rysunek 4). Istnieję nadal, bo mój organizm cały czas podnosił nowe kulki i wymieniał je na te, które spadły. Dostarczałem mu składników i energii w jedzeniu.
A co z naszymi przodkami sprzed setek lat ? Gdzie oni są ? Istnieją tylko w trawie, jeziorach, rzekach, powietrzu. Po ich śmierci „kulki” w ich organizmach spadły. I nie były już uzupełniane.

MACIEJ PANCZYKOWSKI

 Autor wortalu: Maciej Panczykowski, Copyright © 2003-2018 by Maciej Panczykowski