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 →

Możliwości całości
czyli systemy w biologii


Oddzielne badanie poszczególnych części jest zasadniczo nieprzydatne do uzyskania informacji o wzajemnych oddziaływaniach między nimi.
Ronald Fisher

WSTĘP

To była zmora starych kościołów. W każdym, szanującym się kościele były organy, z których rozbrzmiewała majestatyczna i nastrojowa muzyka. Niestety organy te zapadały na tajemniczą chorobę, której przyczyny trudno było w dawnych czasach dociec.
Ich piszczałki wykonane były z cyny i dlatego tajemnicza dolegliwość tego instrumentu została nazwana trądem cynowym. Lśniące i gładkie piszczałki po prostu stopniowo rozsypywały się na bezpostaciowy, szary proch. Co mogło być tego przyczyną ?
Nikt nie dodawał do piszczałek żadnych domieszek. Pozostawało więc tylko jedno podejrzenie: czynniki zewnętrzne.
Ale które konkretnie ? Woda ? Kościoły pokrywał dach. Gazy w powietrzu ? Chemicy nie stwierdzali już w tamtych czasach, aby cyna była szczególnie reaktywna (i to zapewne było jedną z przyczyn jej zastosowania). Może więc temperatura ?
W nieogrzewanych kościołach temperatura mogła przyjmować różne wartości.
Trąd pozostawał jednak nadal tajemnicą. Na znajomość przyczyn było za wcześnie...

Jednym z podstawowych, abstrakcyjnych pojęć, stosowanych przez człowieka jest pojęcie zbioru. Jeśli każdym dwóm elementom takiego zbioru przyporządkujemy określone oddziaływanie (powiązanie) między nimi, to otrzymamy już pewien system. Alternatywnym dla systemu terminem jest: struktura.
Systemy wykazują pewną ciekawą własność, którą wyraża zasada Nernsta:
Całość to coś więcej, niż suma części
.
Dzieje się tak dlatego, że własności całości (cechy systemowe) są określone przez:

1.Własności części
lecz także:
2. Sposoby ich powiązania

Różne systemy można więc otrzymać przez różny sposób powiązania nawet identycznych zestawów części (zob. rys.1).


system
Rys.1. Przykłady różnych systemów otrzymanych przez powiązanie tego samego zestawu różnych części.

A jak to się ma do trądu cynowego? Przy spadku temperatury poniżej 13o C cyna przechodzi w inną odmianę alotropową (tzw. szarą cynę). Atomy oczywiście pozostają te same. Zmienia się tylko ich rozkład w przestrzeni, a więc i sposób ich połączenia. Ta odmiana ma inne właściwości fizyczne i dlatego piszczałki rozsypują się.
Widzimy więc, że nawet ta sama liczba części tego samego rodzaju potrafi tworzyć różne systemy.

NIE OGÓLNIKOWO, ALE ZBYT OGÓLNIE

Jako konkretne przykłady w dalszych rozważaniach posłużą nam dwa gatunki ssaków: hipopotam - przedstawiciel rzędu parzystokopytnych, którego gatunki przeżywają teraz swój ewolucyjny rozkwit oraz słoń morski z rzędu płetwonogich. Wybrałem te dwa gatunki ze względu na zbliżone średnie masy ich przedstawicieli. Można przyjąć, że przeciętny hipopotam czy słoń morski ma porównywalną liczbę atomów węgla, tlenu, wodoru, azotu, siarki, fosforu i pozostałych pierwiastków, gdyż ssaki biochemicznie niewiele się od siebie różnią. Różnice wynikają więc tu z innych organizacji i występują nie tyle na poziomie atomów, cząsteczek, organelli czy komórek, ile na poziomie ponadkomórkowym: przede wszystkim morfologii i anatomii. Powyższy przykład wskazuje ponadto na hierarchiczną budowę systemów.
W organizmach żywych wyodrębniamy pewne podsystemy dlatego, że rzucają się one w oczy jako odrębne całości np.: komórka wątroby (hepatocyt), wątroba, układ trawienny. Oczywiście całości te na swoim poziomie oddziałują też z innymi całościami.
Na przykład: komórki wątroby oddziałują między sobą za pomocą białek w swej błonie komórkowej. Dzięki temu komórki, które „czują” sąsiedztwo nie dzielą się egoistycznie i potrafią uformować do spółki z innymi wątrobę - całość wyższego rzędu. Zjawisko to nosi nazwę inhibicji kontaktowej. Analogicznie jest w przypadku np. komórek nerek. Hepatocyty mają zdolność enzymatycznej katalizy witaminy D3 w pochodną (25-hydroksy). Komórki nerki mają inny enzym który pochodną tę przeprowadza w formę (1,25-dihydroksy). Właśnie ta ostatnia wykazuje bardzo silną aktywność w procesie wchłaniania jonów Ca2+ w jelitach.
Zatem komórki oddziałują ze sobą, aby wytworzyć większe całości - narządy. Wątroba wydziela pewną ilość substancji, którą jest w stanie przerobić tylko cała nerka. Między innymi dzięki takim proporcjom ilościowym, utrzymywany przy życiu jest organizm - całość wyższego rzędu. Istnieją jeszcze wyższe całości: ekosystem, w którym żyje osobnik, biosfera, Układ Słoneczny, a nawet cały Wszechświat traktować możemy jak jeden wielki system, choć oczywiście niebiologiczny.

Ogólna teoria systemów, sformułowana przez austriackiego biologa - teoretyka Ludwika von Bertalanffy'ego, miała w zamyśle stanowić teorię wszystkiego, gdyż wszystko można traktować jak system, mający swoje miejsce w hierarchii. Nie spełniła jednak pokładanych w niej nadziei.
Musiały pojawić się duże trudności, gdyż:

1. Trudno uzyskać dokładne wartości parametrów charakteryzujących złożony system i symulować jego ewolucję. Jest to praktycznie niemożliwe już na poziomie skomplikowanych cząsteczek, nie mówiąc już o organellach czy komórkach. Czyli trudności z pomiarem „całości” i jego dokładnością.

2. Ogrom danych stwarza trudności obliczeniowe.

3. Trudno wyabstrahować dany podsystem tak, aby móc symulować jego ewolucję pomijając wpływ (nawet niewielki) innych podsystemów na niego.

Teoria Bertalanffy'ego wytworzyła jednak nowy styl myślenia, przeciwstawny myśleniu katezjańskiemu. Kartezjusz dopuszczał bowiem do celów badawczych beztroskie rozbijanie na części dowolnych układów.
Podejście systemowe jest więc szczególnie ważne dla biologów, gdyż specyfika struktury organizmów żywych wynika nie z ich budulca, lecz właśnie ze specyficznej jego organizacji. Wspominaliśmy już o tym w artykule „Czym jest życie ?”. Wiemy już, że w organizmach żywych nie ma żadnej tajemniczej entelechii czy siły życiowej (vis vitalis). Hipotezę siły życiowej mającej rzekomo wytwarzać, specyficzne dla świata ożywionego, związki chemiczne, obalił niemiecki chemik Wöhler pokazując, że związek organiczny - mocznik można otrzymać ze związku nieorganicznego - cyjanianu amonu w prostej reakcji, dającej się przeprowadzić poza żywym organizmem:

NH4CNO → NH2CONH2

Stało się jasne, że nie trzeba tajemniczych sił, by wytworzyć dowolną z substancji specyficznych dla organizmów żywych, bo są one zwyczajne. Tajemnicze są tylko powiązania między nimi. Diabeł tkwi w ich ułożeniu, organizacji, strukturze.
Trudności teoretyczne wynikają zatem w biologii stąd, że teoria obejmuje nie tylko prawa, lecz także ujmuje podległe im struktury. Same prawa fizyki i chemii są w stanie powiedzieć nam tylko to, że organizmy żywe mogą istnieć, gdyż nie pozostają z tymi prawami w sprzeczności. Nie możemy jednak uzyskać z nich konkretnych informacji o budowie organizmów.
Ich bardzo skomplikowane struktury powstały w wyniku splotu przypadków w ewolucji. Trudno jest wychwycić ogólne regularności ich budowy i ująć je w ogólnych teoriach.

COŚ NIE TAK Z FAGIEM

Spójrzmy teraz na przykład jednego z systemów, którego części stanowią geny. Będzie to materiał genetyczny faga lambda - wirusa atakującego bakterię - Escherichia coli, który w formie schematycznej, z zaznaczonymi genami ilustruje rys. 2.


Rozmiar: 5514 bajtów
Rys.2.Schemat całego genomu faga lambda z zaznaczonymi genami.

Strategia przetrwania tego wirusa jest bardzo ciekawa, gdyż ma charakter algorytmiczny (zob. rys.3.).

liza a lizogenia
Rys.3. Schemat algorytmu przetrwania faga lambda.

Znaczy to, że wirus jest w stanie zmieniać swoje strategie, w zależności od zmian w środowisku gospodarza i zewnętrznym.
Jeśli w komórce jest mało składników odżywczych, wtedy DNA faga zostaje wstawiony do kolistego DNA bakterii stając się takim samolubnym, choć nieszkodliwym odcinkiem DNA, powielanym w każdym procesie replikacji DNA gospodarza i przedostającym się tylko do komórek potomnych po podziale. Taką strategię nazywamy lizogenią (cyklem lizogenicznym).
Jeśli komórka bakterii ma dużo składników odżywczych (co może świadczyć o tym, że w środowisku może być wiele innych bakterii do zainfekowania) lub zostanie silnie napromieniowana (co może to zwiastować jej śmierć a wraz z nią zniszczenie DNA faga) sprytny fag wycina swoje DNA i kopiuje je w dużych ilościach. W wyniku jego transkrypcji i translacji powstają białka otoczki, opakowujące DNA. Służą one do stworzenia cząsteczek wirusa, które gotowe do opuszczenia gościnnych progów E.coli wydostają się na zewnątrz, by poszukać szczęścia w szerokim świecie. Jest to liza.
Widzimy, że już tak prosty system jakim jest fag lambda jest w stanie reagować na różne bodźce środowiska, aby w każdym wypadku zagwarantować sobie przetrwanie.
A jak konkretnie wygląda realizacja dwóch strategii faga ?
Gen Cro koduje represor dla genu CI, gen N natomiast białko umożliwiające transkrypcję genów rekombinacji, replikacji i genu Q.
Białko CI służy jako represor dla Cro i N. Jeśli ono wygrywa (stężenie CI narasta bo jest słabo rozcieńczane, bo niedożywiona bakteria rzadko się dzieli) DNA faga siedzi w niej cicho wintegrowany w genom (zob. rys.4).


liza a lizogenia 2
Rys.4. Schemat działania genów w przypadku lizogenii.

Gdy stężenie CI spada, powstają białka Cro i N (mało represora ich genów). Dzięki nim powstają geny rekombinacji → wycięcie DNA faga z genomu i geny replikacji → powielenie go oraz białko Q. Umożliwia ono transkrypcję 21 białek otoczki wirusowej. W wyniku tych zmian powstają nowe cząsteczki faga (zob. rys.5).

liza a lizogenia 3
Rys.5. Schemat działania genów w przypadku lizy.

Cały fag lambda jest zatem systemem genetycznym, w którym geny współpracują ze sobą, gdyż wszystkie są sobie nawzajem potrzebne. Tylko dzięki tej współpracy mogą one przetrwać. Każdy gen z osobna nie byłby w stanie tego dokonać.
Umiejętność przetrwania to cecha systemowa faga. Zresztą jest tak w przypadku każdego organizmu jako całości. Całość to coś więcej niż suma części !

GRUNTOWNE, PRZYPADKOWE PRZEORGANIZOWANIE

Czy możliwe jest, aby w skomplikowanych systemach, jakimi są organizmy, komórki czy ich części, małe zmiany w nich miały znaczące konsekwencje dla całości ? Tak. Spójrzmy na poniższe przykłady.

1. Białko MyoD1 normalnie pojawia się w komórkach mięśni szkieletowych i gładkich. Ma powinowactwo do sekwencji regulatorowych bardzo wielu genów charakterystycznych tylko dla powyższych komórek. Najprawdopodobniej gra główną rolę w ich różnicowaniu się. Kiedy do fibroblastu wprowadzimy gen tego białka, zamienia się on w komórkę mięśniową, co wymaga kompleksowych zmian.

2. Produkt genu: Tdf (Testis determining factor) gra kluczową rolę w procesie powstawania płci męskiej u człowieka . Sekwencje do niego homologiczne występują też u innych ssaków, pełniąc tę samą funkcję. Człowiek posiada 23 pary chromosomów. 22 pary tzw. autosomów wspólnych dla kobiety i mężczyzny oraz parę chromosomów płciowych - XX u kobiety i XY u mężczyzny. Gen Tdf znajduje się na chromosomie Y, poza obszarem podlegającym crossing over z chromosomem X (tzw. obszar pseudoautosomalny). Notowano przypadki mężczyzn o kariotypie XX i kobiet o kariotypie XY. Stało się więc jasne, że to nie działanie całego chromosomu warunkuje tak ogromne zmiany stężeń produktów wielu genów lub ich pojawienie się prowadzące do rozwinięcia się osobnika męskiego, lecz pewien konkretny czynnik, najprawdopodobniej pojedynczy gen. Może istnieć kobieta XY, wtedy gdy jej chromosom Y niesie zmutowany gen Tdf, kodujący niefunkcjonalne białko. Jego brak prowadzi do wykształcenia się płci żeńskiej - podstawowej u ssaków. Podstawowej to znaczy, że samica powstaje automatycznie (by default), a dodatkowy sygnał jest wymagany by powstał samiec. Może istnieć mężczyzna XX pod warunkiem, że jeden z jego chromosomów X niesie ten dodatkowy sygnał w postaci Tdf. Z powodu bliskości sekwencji Tdf obszarowi pseudoautosomalnemu na chromosomie Y, może ona wziąć udział w rekombinacji obszarów niehomologicznych między X i Y i tym samym znaleźć się na „żeńskim chromosomie”. Ten rzadki proces nosi nazwę: „głęboki crossing - over” (zob. rys.6).


Rozmiar: 12276 bajtów
Rys.6. Proces głębokiego crossing over doprowadza do powstania chromosomu X z genem Tdf.

3. rRNA Procaryota. Okazuje się że nie tylko białka mogą pociągać wiele sznurków tak jak na prawdziwego mistrza marionetek przystało. Informacje o strukturze wszystkich białek, zaangażowanych u Procaryota w ekspresję genów znajdują się tylko na 6 rodzajach mRNA. Do tych białek zaliczamy: polimerazę RNA, 52 białka rybosomu (białka r), a także te kontrolujące przebieg translacji. Każdy z owych sześciu mRNA koduje represor własnej transkrypcji, mający dodatkowo powinowactwo do rRNA będącego rusztowaniem rybosomu. W wyniku takich zależności, zwiększenie stężenia rRNA spowoduje przyłączenie się do niego cząsteczek represorów i spadek ich stężenia w cytoplazmie. Wskutek tego będzie zachodzić niczym nie blokowana transkrypcja białek rybosomalnych, które łącząc się z nadmiarowym rRNA wytworzą nowe rybosomy. Widzimy zatem, że rRNA jest czynnikiem, którego przyrosty stężeń mają zasadniczy wpływ na przyrosty stężeń wszystkich wymienionych powyżej białek.
W taki sprytny sposób komórka może kontrolować liczbę rybosomów, która będzie zależeć od ilości dostępnego rRNA. Jeśli bowiem nie ma w cytoplazmie tego związku, to nie ma sensu produkować czynników translacji czy białek r, gdyż same nie mogłyby one spełniać swoich funkcji.

Można pokusić się więc o hipotezę mówiącą, że istnieje zależność pomiędzy mutacjami w niektórych genach tzw. master regulatory genes (jak np. MyoD1, Tdf), a większymi zmianami w budowie organizmów, w skład których one wchodzą. Są one jak dyrektorzy w przedsiębiorstwie. Chodzi tu o zmiany typu aromorfoz, czyli powstawanie zupełnie nowych rozwiązań konstrukcyjnych w budowie ciała. Mają one charakter makroewolucyjny.
Makroewolucja to powstawanie gatunków, które ze względu na przeorganizowania w budowie, wymagają stworzenia dla nich odrębnych, ponadgatunkowych taksonów, np. rodzaju, rzędu a nawet klasy.

Z procesem makroewolucji związany jest ciekawy spór między saltacjonizmem a gradualizmem (a właściwie ich przedstawicielami).
Otóż gradualiści uważają, że specjacja, czyli powstawanie gatunków zawsze odbywa się drogą stopniowych zmian, a aromorfozy są pozorem: na ich powstanie trzeba po prostu sporo czasu, a co za tym idzie, kumulacji dużej liczby drobnych zmian.
Saltacjoniści postulują natomiast, że zmiany mają charakter nagły, całościowy, kompleksowy. Postawmy więc konkretny problem: jak w procesie ewolucji powstało coś tak złożonego jak oko kręgowca ? Odrzucając możliwość ewolucji przez formy pośrednie, jako słabo przystosowane, saltacjoniści rzucają dość demagogiczne hasła typu: Jaka może być korzyść z 1% oka ? R. Dawkins - popularyzator nauki i gradualista odpowiada na to: korzyść jednoprocentowa !
Złożoność całego problemu jest chyba rzędu złożoności organizmów i wiąże się ze sprawą definicji.
Jak bowiem zdefiniować najmniejszą, jednolitą jednostkę zmiany ewolucyjnej? Czy jest to w ogóle możliwe, skoro zmiany mogą być tak różnorodne?
Nie wiemy więc jakiej zmianie przypisać 1 jednostkę i widzieć w niej najmniejszy możliwy krok, a jaka zmiana jest aromorfozą o wadze np. 30 jednostek.
Co więc jest krokiem, a co skokiem, skoro nie można ich konkretnie zdefiniować i na tej podstawie odróżniać je od siebie i mierzyć ?
Dwa powyższe poglądy biologiczne zresztą nie wykluczają się nawzajem.
Czy możliwa była zatem skokowa ewolucja oka kręgowców ? Jak zapewnia gradualista - Richard Dawkins, 1% oka, czyli jakaś prymitywna plamka oczna, mogła już utrwalić się ze względu na korzyści jakie przynosi np.: odróżnianie światła od braku światła, detekcja natężenia światła. Myślę jednak, że to 1% oka musiało też mieć już jakąś „zgraną” strukturę - i tutaj trzeba przyznać rację saltacjonistom. Struktura ta jednak musiała być na tyle mało złożona, by mogła pojawić się „skokiem”. I każda ze struktur pośrednich na ewolucyjnej drodze do oka złożonego musiała dawać korzyści ewolucyjne.
Wyobraźmy sobie współczesne gatunki jako rój chaotycznie rozłożonych punktów w niezdefiniowanej przez nas jeszcze przestrzeni. Jako, że jest to przestrzeń, ustalone są odległości między tymi punktami. Niektóre z nich są blisko siebie, inne dzieli duża odległość. Przeskok z jednego na dowolnie obrany inny punkt jest możliwy, lecz z prawdopodobieństwem odwrotnie proporcjonalnym do pewnej potęgi odległości (zależnej od wymiaru tej przestrzeni).
Możliwa jest również sekwencja złożona z kilku skoków. Każdy z nich ma prawdopodobieństwo większe od „ sumarycznego ”. Czy kiedykolwiek dowiemy się który sposób wykorzystała natura w każdym konkretnym przypadku specjacji? Nie.
Mamy więc do czynienia z dwoma poglądami, a ogólnie żaden z nich nie ma racji. Gradualizm prawdopodobnie oddaje rzeczywistość w znakomitej większości przypadków. Rzadko wiadomo konkretnie w których.

ZAKOŃCZENIE: CZĘŚĆ I CAŁOŚĆ WZAJEMNIE POWIĄZANE

Części wewnątrz systemu mają inne własności niż wtedy, gdy są odseparowane.
Dobrym przykładem jest wspomniana wcześniej inhibicja kontaktowa. Hepatocyt na pożywce, poza organizmem będzie się dzielić, natomiast wewnątrz organizmu komórki, z którymi formuje wątrobę, będą oddziaływać na niego, dając mu tym samym do zrozumienia, że dzielenie się jest niewskazane.
A teraz przykład zupełnie innego rodzaju. Zapewne spotkał się Czytelnik z następującą opinią: „Ten człowiek zachowuje się zupełnie odmiennie w towarzystwie niż wtedy, kiedy jest sam lub sam na sam z kimś”. Teoria systemów potrafi to zjawisko wyjaśnić. Społeczność ludzka jest przecież systemem, którego część stanowi jednostka. Jasne jest więc, że gdy jednostka nie jest izolowana, zachowywać się będzie w inny sposób. W ogóle łatwo zaobserwować, że zachowania osób ściśle zależą od „kontekstu”, w jakim się one znajdują.
Za zmiany własności części odpowiedzialna jest informacja przekazywana w ich oddziaływaniu pomiędzy sobą. A ta jest charakterystyczna dla danego systemu.
Powiązane części determinują cechy systemu, a całość ma zwrotny wpływ na właściwości części.
Artykuł ten jest dość ogólny, stwarza tylko ogólne ramy, ale ma on na celu rozbudzić w młodych biologach myślenie systemowe, całościowe. Realnie istnieją konkrety. Ale nie są one zawieszone w próżni i „wyrwane z kontekstu”. Realnie istnieją zawsze jako dające się wyodrębniać całości.
W mottcie widnieją słowa R.Fishera: „Oddzielne badanie poszczególnych części jest zasadniczo nieprzydatne do uzyskania informacji o wzajemnych oddziaływaniach między nimi”. I możemy teraz dodać: a ona jest potrzebna, aby poznać całość. I o tym należy pamiętać.

MACIEJ PANCZYKOWSKI

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