Kambryjska eksplozja życia (cz. 4)

 Michał Ostrowski

Trzecia cecha eksplozji kambryjskiej – jak zresztą całego zapisu kopalnego – jest taka, że główne plany budowy ciała, pojawiające się w kambrze, wykazują znaczną morfologiczną izolację jedne od drugich. Wszystkie kambryjskie i późniejsze zwierzęta można pogrupować jasno w ograniczoną liczbę podstawowych planów ciała, a każdy z tych planów wyraża wyraźne morfologiczne różnice w stosunku do innych. [1]

Plany ciała zwierząt reprezentowane w zapisie kopalnym nie prze­kształcają się stopniowo jedne w drugie, ani w jakimś konkretnym geolo­gicznym okresie, ani w całości kopalnego zapisu. Przeciwnie, plany budowy ciała zwierząt, charakteryzujące poszczególne typy, zachowują swoje wyraźne morfologiczne i organizacyjne cechy i w związku z tym izolację jedne od drugich. Plany ciała skamieniałych zwierząt wyrażają to, co pale­ontologowie określają jako trwałą morfologiczną izolację. [2] Jan Bergström komentuje:

Nie ma absolutnie żadnego znaku zbieżności pomiędzy typami, gdy cofamy się do wczesnego kambru. One są znacznie oddalone od siebie tak samo na początku, jak i dziś. Najwidoczniej biologiczna rzeczywistość zawiera hierarchiczne poziomy – to nie tylko klasyfikacyjna konwencja. W rzeczywistości wielkim problemem w taksonomii jest rozpoznanie pokrewieństw pomiędzy typami, a nie odróżnienie ich. [3]

 

D. „Kambryjska eksplozja informacji” – skokowy wzrost spe­cyficznej biologicznej informacji

Po czwarte, nagłe pojawienie się różnych typów zwierząt w kam­bryjskiej eksplozji reprezentuje gwałtowny – ilościowy i jakościowy – skok informacyjnej złożoności biologicznego świata. Od kiedy na Ziemi pojawiło się życie, przez około 3 miliardy lat (pięć szóstych historii Ziemi), biologiczny świat zawierał niewiele więcej niż sinice i bakterie. W ciągu tego czasu miały miejsce pewne skokowe zmiany w złożoności organizmów. Około 2,7 mld lat temu pojawiły się bardziej złożone komórki eukariotyczne (z jądrem komórkowym) – po prawie 1 mld lat istnienia wyłącznie pro­kariontów. [4] Około miliarda lat temu pojawiły się wielokomórkowe glony. Później, około 565-570 mln lat temu w późnym prekambrze (lub wendzie) pojawiły się w zapisie kopalnym pierwsze wielokomórkowe organizmy włączając w to gąbki, specyficzną faunę ediakarańską i być może niektóre prymitywne mięczaki i płazińce.

40 mln lat później nastąpiła eksplozja kambryjska. W porównaniu do dosyć niepozornego wzrostu złożoności, która miała miejsce pomiędzy powstaniem życia (3,5-3,85 mld lat temu) a pojawieniem się wielo­komórkowych glonów (miliard lat temu) i organizmów wendyjskich (565-570 mln lat temu), eksplozja kambryjska (530 mln lat temu) reprezentuje zdecydowanie największy skokowy wzrost gradientu biologicznej złożoności. Analizując ten fakt z punktu widzenia teorii informacji, eksplozja kambryjska reprezentuje nadzwyczajny skok w specyficznej informacji koniecznej do budowy nowych organizmów.

Przed roz­wi­nię­ciem tego tematu na­leży zde­finiować używany tutaj termin „informacja”. W kla­sycznej matema­tycz­nej teorii informacji, sfor­mu­łowanej przez Claude'a Shannona, ilość informacji w danym systemie jest odwrotnie proporcjonalna do prawdopodobieństwa układu składowych części takiego systemu lub układu znaków w kanale komunikacyjnym. [5] Im bardziej nieprawdopodobny (to jest bardziej złożony) jest układ, tym samym taki układ (lub ciąg znaków) posiada więcej informacji sensu Shannon, czyli zdolności przenoszenia informacji. Innymi słowy, miarą informacji w teorii Shannona jest prawdopodobieństwo zaktualizowania się konkretnych opcji w obszarze wszystkich możliwych opcji. Im takie prawdopodobieństwo mniejsze (czyli im większa liczba możliwych do zaktualizowania opcji), tym ilość informacji w systemie lub ciągu znaków wzrasta.

Od lat 60-tych ubiegłego wieku matematycy uczestniczący w bada­niach biologicznych zdali sobie sprawę, że teorię Shannona można stosować do analizy DNA i białek w celu oszacowania ich zdolności przenoszenia in­formacji. Skoro DNA zawiera instrukcje sterujące montażem białek, to ten system przetwarzania informacji stanowi rodzaj komunikacyjnego kanału. [6] Idąc dalej tym tropem, informacja w DNA zakodowana jest dzięki swoistemu układowi kolejności czterech różnych związków chemicznych, zwanych nukleotydami (dokładniej deoksyrybonukleotydami). Funkcjonują one ni­czym alfabet czy znaki cyfrowe w liniowej matrycy, ponieważ pod względem chemicznym każda z czterech zasad (wchodząca w skład deoksyrybo­nu­kleo­tydów) ma mniej więcej jednakowo prawdopodobną szansę wystąpienia w każdym miejscu łańcucha DNA. Dzięki temu można obliczyć prawdo­podo­bieństwo, a tym samym informacyjną nośność każdej poszcze­gólnej se­kwencji DNA zawierającej określoną liczbę n nukleotydów.

Wyniki zastosowania w biologii molekularnej teorii informacji przy­niosły spore zaskoczenie, gdy okazało się, jaką ilość informacji przenoszą białka i DNA. Konkretne aranżacje sekwencji nukleotydów w DNA lub aminokwasów w białkach są mało prawdopodobne (aktualizują się w bardzo dużej przestrzeni możliwości), a tym samym posiadają – zgodnie z teorią Shannona – wielką zdolność prze­no­szenia informacji.

Poza tym, podobnie jak w sekwencjach zdaniowych lub liniach kom­puterowego kodu, geny i białka są również specyficznie określone w sto­sunku do swoich funkcji. Tak jak znaczenie jakiegoś zdania zależy od określonego ułożenia liter w tym zdaniu, analogicznie funkcja genu zależy od określonego ułożenia nukleotydów w tym genie. Tak więc, jak stwierdził Sahotra Sarkar, molekularni biologowie – począwszy od Francisa Cricka – odnoszą infor­ma­cję nie tylko do złożoności, ale także do jej specyficzności, gdzie specy­ficzność oznacza „niezbędność dla funkcji [necessary to function]”. [7] Znaczy to, że kambryjska eksplozja reprezentuje nie tylko gwałtowny wzrost kompleksowości, czyli informacji w rozumieniu Shannona, ale także skok w specyficznej złożoności (specified complexity) lub  specyficznej informacji (specified information) biologicznego świata.

Jednym ze sposobów pomiaru wzrostu specyficznie złożonej infor­macji w czasie eksplozji kambryjskiej jest oszacowanie liczby typów ko­mórek koniecznych do budowy zwierząt pojawiających się w kambrze i zestawienie tej liczby z liczbą typów komórek koniecznych do budowy organizmów istniejących wcześniej. [8]