Kambryjska eksplozja życia (cz. 5)

Funkcjonalnie bardziej złożone organizmy wymagają więcej różnych typów komórek do wykonywania bardziej zróżnicowanych funkcji. Porów­najmy przykładowo jednokomórkowego prokarionta z trylobitem lub mię­czakiem. Choć jednokomórkowy organizm posiada ściśle wyspecja­li­zowane organelle, pozostaje on oczywiście pojedynczą komórką. [1] Inaczej jest z trylobitem lub mięczakiem, gdzie dziesiątki specyficznych tkanek i organów wymagają funkcjonalnie wyspecjalizowanych typów komórek, np. tra­wiennych, nerwowych, mięśniowych, krwi czy zaangażowanych w funkcje sensoryczne i immunologiczne. Badania współczesnych organizmów suge­rują, że np. pojawiające się w późnym prekambrze gąbki posiadają pięć typów komórek, natomiast znacznie bardziej złożone organizmy pojawiające się w kambrze (np. stawonogi i kręgowce) wymagają od 50 do 60 różnych  typów komórek. Nowe typy komórek wymagają z kolei no­wych, wyspecja­­lizowanych białek, nowej sieci ich wzajemnych powiązań i nowego systemu przemiany metabolicznej.

 

Przykładowo: wyścielające jelita komórki nabłonkowe, wydzie­lające enzymy trawienne, wymagają (co najmniej) specjalistycznych białek do mo­dy­fikowania kształtu (III- i IV-rzędowej struktury) tych enzymów, enzymów regulatorowych kontrolujących produkcję en­zymów trawiennych i oczywiście samych trawiennych enzymów. Takie nowe białka wymagają, rzecz jasna, nowej genetycznej informacji zakodowanej w DNA. Analogicznie sprawa wygląda z niezwykle złożonymi odmiennymi systemami widzenia u różnych organizmów, wymagającymi licznych wyspecjalizowanych białek i typów komórek, działających w ściśle zintegrowany sposób. Russell Fernald ze Stanford University wyjaśnia:

 

"Do kambru […] oczy były obecne w formie bardzo prostych kubków ocznych użytecznych do wykrywania światła, ale nie do kierunkowego przetwarzania informacji. Podczas kambru nastąpiła jednak, chociaż jej przyczyny są nieznane, eksplozywna specjacja lub „Big Bang” ewolucji zwierząt. Istniejące typy oczu uległy radykalnemu udoskonaleniu, równocześnie z pojawieniem się mięsożerności i drapieżnictwa." [2]

 

Wynika z tego, oczywiście, że wzrost liczby typów komórek jest ściśle związany ze znaczącym wzrostem specyficznej genetycznej informacji, a także z nowym, zintegrowanym systemem powiązań pomiędzy nowymi ko­mórkami.

 

Biologowie molekularni oszacowali, że najprostszy jedno­komór­ko­wiec wymaga od 300 do 500 genów (lub bardziej dokładnie: od 318 do 562 kilopar zasad) do produkowania białek niezbędnych do utrzymania życia. [3] Bardziej złożone jednokomórkowce wymagają do funkcjonowania ponad mi­liona nukleotydów. Natomiast do produ­kowania białek koniecznych dla zwie­rząt, potrzebna jest nieporów­nywalnie większa liczba kodujących instrukcji.

 

 Przykładowo: genom muszki owocowej Drosophila melano­gaster zawiera około 120 mln nukleotydów. [4] Nawet Caenor­habditis elegans, maleńki milimetrowy robaczek posiada genom składający się z około 97 mln nukleotydów. [5] Wynika z tego, że przejście od poje­dynczej komórki do kompleksowych zwierząt reprezentuje olbrzymi skok w ilości informacji. Typy zwierząt z górnego przedziału rysunku 2 (zobra­zowane przez współczesnych przedstawicieli) po raz pierwszy pojawiają się nagle i w pełni ukształtowane podczas eksplozji kambryjskiej. Te złożone zwierzęta posiadają zwykle od 40 do 60 różnych typów komórek. Te nowe typy komórek wymagają, oczywiście, nowych białek, a te z kolei – nowej genetycznej in­formacji zakodowanej w podwójnej helisie DNA.

 

Co więcej, problem nie leży tylko w ilości informacji przenoszonej tylko przez DNA, RNA i białka. Ponieważ (do pewnego stopnia) można łatwo ją oszacować, istnieje tendencja do traktowania DNA, RNA i białek jako wyłącznych reprezentantów biologicznej informacji, a tak nie jest. Organizmy przyjmują przecież specyficzne i dynamiczne formy, które także są zrealizowanymi możliwościami z zakresu wielu możliwych form – a więc tym samym te formy również przenoszą informację. Formy należy tu rozumieć jako czterowymiarową topologiczną relację anatomicznych części. Znaczy to, że forma konkretnego organizmu jest zintegrowaną aranżacją części ciała lub materialnych składników w odrębny kształt lub wzorzec (topologia), który powstaje podczas embrionalnego rozwoju (ontogenezy).

 

Forma danego organizmu rozwija się podczas rozwoju em­brio­nal­nego w określony trójwymiarowy wzorzec, w którym można rozpoznać po­szcze­gólne białka, typy komórek, organy, organizmy i plany ciała zorgani­zowane w jakiś funkcjonalny system. Forma danego organizmu jest więc konkretną aktualizacją możliwych aranżacji składników na licznych pozio­mach biologicznej hierarchii – od genów i białek przez typy komórek i tkanek po organy i plany ciała. Implikuje to, że organizmy posiadają wiele pozio­mów struktur, które można opisywać w kategoriach teorii informacji.

 

Tak duży skok w złożoności organizmów, który obserwujemy pod­czas eksplozji kambryjskiej, wymaga więc nie tylko wielkiej ilości nowej genetycznej informacji. Wymaga także nowych systemów aranżacji produktów genów – białek – koniecznych dla wyższych poziomów orga­nizacji. Do nowych typów komórek wymagane są nowe białka. Te nowe białka muszą być z kolei zorganizowane w nowe systemy wewnątrz komórek, nowe typy komórek muszą być zorganizowane w nowe tkanki, organy i części ciała. A te muszą być zorganizowane w nowe plany budowy ciała. Tak więc nowe zwierzęta stanowią zorganizowany w funkcjonalną całość wielopozio­mowy hierarchiczny system.

 

Standardowym dla większości biologów wyjaśnieniem fenomenu powstawania złożonych biologicznych struktur na wszystkich opisanych powyżej poziomach jest neodarwinizm, jako rzekomo najlepiej dowiedziony i adekwatny mechanizm odpowiedzialny za różnicowanie się życia na Ziemi. Jak jednak zobaczymy poniżej, są to tylko pobożne życzenia. Neodarwinizm nie dość, że jest sprzeczny z wzorcem kopalnego zapisu, to jeszcze nie potrafi zaproponować adekwatnego mechanizmu generowania biologicznej infor­macji i złożoności.

(c.d.n.) 

---