|
Chcesz wiedzieć więcej? Zamów dobrą książkę. Propozycje Racjonalisty: | | |
|
|
|
|
Nauka » Biologia » Ewolucjonizm
Cybernetyczne ujęcie ewolucji biologicznej [2] Autor tekstu: Bernard Korzeniewski
Skoro już jesteśmy przy omawianiu mechanizmów
regulacyjnych u bakterii, warto wspomnieć o substancjach zwanych alarmonami.
Alarmony pojawiają się w momencie braku w komórce jakiejś klasy związków
organicznych. Na przykład, ppGpp jest sygnałem głodu aminokwasowego,
natomiast cAMP występuje w przypadku głodu węglowego (brak cukrów). Alarmony
stymulują syntezę rozmaitych enzymów uczestniczących w produkcji typu związków
organicznych, którego akurat brakuje. Ich znaczenie jako sygnału sterującego w sprzężeniach zwrotnych ujemnych mających za zadanie utrzymanie dostatecznie
dużego stężenia rozmaitych związków jest chyba oczywiste. Innym mechanizmem
regulacyjnym działającym w przypadku braku substancji odżywczych jest
wytwarzanie rzęsek, służących komórkom bakteryjnym do lokomocji. Rzęski
pozwalają na aktywne poszukiwanie związków organicznych w otoczeniu i przez
to także są elementem pętli sterowania zmierzającej do utrzymania stałego
stężenia substancji budulcowych i energetycznych w komórce. Częstość podziałów u bakterii stanowi prostą pochodną
szybkości wzrostu (podwajania masy) komórek bakteryjnych. Jednakże moment, w którym bakteria ulega podziałowi, czyli krytyczna wielkość komórki, której
przekroczenie stanowi sygnał do podziału, określany jest najprawdopodobniej
proporcją ilości cytoplazmy do ilości DNA w nukleoidzie (czyli nagiej,
kolistej, zwiniętej w kłębek nici DNA u organizmów bezjądrowych — Prokaryota). W momencie podziału ilość DNA ulega podwojeniu, natomiast ilość cytoplazmy
nie zmienia się, a zatem stosunek cytoplazmy do DNA spada dwukrotnie, by potem
stopniowo zwiększać się podczas wzrostu komórek potomnych aż do następnego
podziału. W tym sprzężeniu zwrotnym ujemnym stosunek cytoplazma/DNA
utrzymywany jest w pewnych określonych granicach (jego wartość zmienia się
jedynie dwukrotnie). Ma to o tyle znaczenie, że przy nadmiarze cytoplazmy DNA
nie „nadążałoby" z syntezą zbyt wielkiej ilości białek, natomiast
przy zbyt małej ilości cytoplazmy nie byłaby ona w stanie wyprodukować
dostatecznej ilości energii i budulca, potrzebnych do duplikacji (podwajania
ilości) DNA przy podziale komórki. Pamiętajmy iż cała cytoplazma to w pewnym sensie jedynie nośnik, vehiculum dla informacji genetycznej
zapisanej w DNA, służący do rozprzestrzeniania tej informacji (ale z drugiej
strony, ta informacja to nic innego, jak opis struktury i funkcji całej komórki,
czyli przede wszystkim cytoplazmy — do tego „błędnego koła" tak
charakterystycznego dla istoty życia niejednokrotnie jeszcze powrócę).
U bakterii cała sieć sprzężeń zwrotnych ujemnych,
stanowiąca o funkcjonalnej istocie tych organizmów (jako układów posiadających
„celowe" mechanizmy regulujące), realizowana jest przede wszystkim na
poziomie biochemicznym i genetycznym. „Zapis" schematu owej sieci
znajduje się w nici DNA, przy czym w interpretacji tego zapisu uczestniczy cały
zespół enzymów (z syntetazą aminoacylo-tRNA na czele) przekładających
(kluczem jest tu kod genetyczny) „dyrektywy" wyrażone sekwencją
nukleotydów w DNA na sekwencję aminokwasów w białkach, determinującą
strukturę i funkcję tych ostatnich.
Skąd zapis ten „wie", jakie białka i w jakiej
kolejności czasowej należy produkować, aby optymalnie spełniać funkcję
przeżycia i powielania samego siebie? Informacja genetyczna jest „ślepa" — w żaden sposób nie „widzi" świata fizycznego, ani rządzących nim
reguł. Zapisany w niej plan sieci sprzężeń zwrotnych ujemnych powstał w procesie ewolucji metodą prób i błędów Tylko te, przypadkowo powstałe, pętle
sprzężenia zwrotnego ujemnego zostały utrwalone w DNA (jako zapis struktury
białek oraz wzorca ekspresji genów, określającego czas i intensywność
syntezy rozmaitych białek), które okazały się korzystne dla przeżycia, możliwie
szybkiego wzrostu i rozmnażania, pozostałe zaś uległy wymazaniu. Sytuacja ta
przypomina nieco ślepca, który nie widzi pokoju, ale nauczył się poruszać w nim po omacku. Tak jak „obraz" pokoju znalazł pewne odzwierciedlenie w zespole reguł, jakim kieruje się ślepiec przy przemieszczaniu z miejsca na
miejsce, tak system sprzężeń zwrotnych ujemnych zapisany w genomie każdego
organizmu stanowi „odbicie" świata zewnętrznego, w którym ten organizm
żyje. Odbicie to dotyczy jednak głównie aspektów świata mających istotne
znaczenie dla przeżycia. Ograniczeniu powyższemu podlega także szczytowy wytwór
ewolucji odtwarzający obraz świata, czyli ludzki mózg „podłączony"
do całego zespołu narządów zmysłów.
Czas wrócić do sieci sprzężeń zwrotnych ujemnych i przyjrzeć się paru ich przykładom u organizmów wyższych. U organizmów
wielokomórkowych pojawiają się wyższe poziomy hierarchii w budowie i funkcji: poziom tkankowy, poziom narządów, poziom układów narządów,
wreszcie — poziom całego organizmu wielokomórkowego. Każdy z tych poziomów
posiada swoje systemy sprzężeń zwrotnych ujemnych, przy czym są one również
uorganizowane hierarchicznie — sprzężenia zwrotne ujemne na niższym poziomie
„pracują" na rzecz realizacji sprzężeń na wyższym poziomie.
Weźmy poziom cukru (glukozy) we krwi. Steruje nim zespół
dwóch antagonistycznych hormonów, z których insulina obniża ten poziom,
natomiast glukagon go podwyższa. Odbywa się to na zasadzie depozycji (odkładania)
glukozy w rozmaitych tkankach w postaci glikogenu lub (po przekształceniu) tłuszczów,
albo też — przeciwnie — na uwalnianiu glukozy z tkanek do krwi. Mniej więcej
stały poziom cukru we krwi istotny jest dlatego, że zbytnie obniżenie tego
poziomu doprowadziłoby do uszkodzenia (lub wręcz obumarcia) tych tkanek, które,
jak mózg, używają glukozy jako jedynego źródła energii, natomiast zbyt duża
ilość cukru prowadzi do śpiączki cukrzycowej. Gruczoły produkujące
wspomniane hormony posiadają umiejętność detekcji poziomu cukru we krwi i adekwatnego reagowania podwyższeniem lub obniżeniem produkcji hormonu.
Uczestnictwo aż dwóch sygnałów sterujących (hormonów) działających
antagonistycznie zapewnia bardziej precyzyjną i dostosowaną do warunków
regulację, niż miałoby to miejsce w przypadku jednego tylko sygnału.
Poziom cukru we krwi podlega rozmaitym wahaniom, ponieważ
rozmaite tkanki zużywają go ze zmienną w czasie intensywnością. Poza tym,
po posiłku jest go istotnie więcej, niż po okresowym głodowaniu. Równowaga
procesów uwalniania i depozycji glukozy (a także tłuszczów) w tkankach
zapasowych musi zostać dostosowana do bieżących potrzeb. To jednakże nie
wystarcza. Jasne jest, że zapasy substancji odżywczych w ciele zwierzęcia nie
są nieograniczone i po dłuższym okresie głodowania zaczynają się
wyczerpywać.
Zachodzi zatem potrzeba ich uzupełnienia, czyli po prostu
pobrania pokarmu z zewnątrz. Obniżony poziom glukozy we krwi pobudza zatem ośrodek
głodu w mózgu znajdujący się w podwzgórzu. Zmienia to stan aktywności całego
zwierzęcia, które zamiast błogo odpoczywać po sutym posiłku, podnosi swój
stan aktywności, podejmując intensywne czynności zmierzające do zdobycia pożywienia. W momencie osiągnięcia sukcesu i zaspokojenia głodu, aktywność zwierzęcia
ponownie ulega obniżeniu. To kolejne sprzężenie zwrotne ujemne działa na
poziomie całego zwierzęcia.
Wróćmy jednak do insuliny i glukagonu. Ich produkcja i uwalnianie uzależnione jest od realizacji innych sprzężeń zwrotnych
ujemnych, występujących na niższych poziomach — genetycznym i biochemicznym.
Przede wszystkim, oba hormony są białkami, a więc ich wzmożona synteza
wymaga aktywacji odpowiednich genów, czyli regulacji genetycznej. Po drugie,
synteza białek związana jest ze zużyciem energii, a zatem rozkładem ATP do
ADP Konieczne staje się zatem zwiększenie szybkości produkcji ATP przez
mitochondria. Odpowiada za to sprzężenie zwrotne ujemne opisane parę akapitów
wcześniej. Widzimy zatem, że sprzężenia zwrotne ujemne na różnych
poziomach hierarchii są wzajemnie ze sobą powiązane. Wzajemne relacje w sieci
sprzężeń zwrotnych ujemnych u żywych organizmów są niezmiernie bogate i skomplikowane. Powyżej przytoczyłem jedynie kilka prostych przykładów. Należy
sobie jednak uzmysłowić, że każde z takich sprzężeń zależy bezpośrednio
od dziesiątków i setek innych stężeń. Np. aktywne poszukiwanie pokarmu
wymaga precyzyjnej koordynacji ruchów, a to z kolei odpowiedniej regulacji napięcia
poszczególnych mięśni, bardzo szybko zresztą zmieniającego się w czasie.
Konieczne jest także bieżące korygowanie trajektorii, jaką porusza się
zwierzę (np. drapieżne), na podstawie dopływających sygnałów z narządów
zmysłów (np. widoku ofiary). W wielu wypadkach trudno jest nawet w prosty sposób
zdefiniować, co właściwie stanowi parametr, którego „wartość" ma być
optymalizowana. Parametr taki stanowi niejednokrotnie jakość o wiele bardziej
złożoną, niż np. temperatura, a jego wartość zadana może zmieniać się w czasie jako odpowiedź na zmianę potrzeb określonych przez wartości innych
parametrów. Wszystko to jednak w nieznaczny tylko sposób osłabia heurystyczną
siłę drzemiącą w paradygmacie cybernetycznym. Staram się pokazać, jak
bardzo zastosowanie tego paradygmatu pozwala na lepsze zrozumienie istoty
organizmów żywych.
Podsumowując, istota funkcjonowania organizmów żywych
polega na tym, że wszystkie sprzężenia zwrotne ujemne (mechanizmy optymalizujące
wartość parametru) są w zasadzie powiązane, bezpośrednio lub pośrednio, ze
wszystkimi innymi. Każde z nich jest bowiem istotne dla przetrwania całego
organizmu, a więc stwarza niezbędne „środowisko" dla innych sprzężeń.
Dla każdych dwóch sprzężeń zwrotnych ujemnych da się wyśledzić „błędne
koło", w którym jedno ze sprzężeń warunkuje istnienie drugiego i na
odwrót. Rozpatrzmy przykład dwóch, omawianych wcześniej, sprzężeń: 1.
obniżenie poziomu glukozy we krwi — pobudzenie ośrodka głodu w mózgu
poszukiwanie i pobranie pożywienia — powrót poziomu cukru we krwi do
poprzedniej wartości; oraz: 2. zwiększenie zużycia ATP i spadek jego stężenia — wzrost stężenia ADP — stymulacja produkcji ATP przez mitochondria wzrost stężenia
ATP.
Pierwsze sprzężenie zwrotne ujemne zapewnia dostateczną
ilość glukozy, będącej między innymi substratem do produkcji energii (ATP).
Drugie sprzężenie zwrotne ujemne zapewnia produkcję dostatecznej ilości ATP,
aby umożliwić transport jonów sodu (Na+) i potasu (K+) w poprzek błony komórkowej wypustek komórek nerwowych (dendrytów i aksonów), a zatem przewodzenie impulsów nerwowych leżące u podstawy aktywnego
pozyskiwania pokarmu. Oba sprzężenia zwrotne ujemne nie tylko nie mogą się
obyć jedno bez drugiego (i bez całej masy innych sprzężeń), ale też nadają
sobie wzajemnie sens (znowu — w połączeniu ze wszystkimi innymi sprzężeniami
zwrotnymi ujemnymi obecnymi w organizmie). Stwierdzenie to jest prawdziwe w odniesieniu do dowolnej rozpatrywanej pary sprzężeń. Owo współwarunkowanie
się sprzężeń zwrotnych ujemnych, zrelatywizowanie swojego „znaczenia"
(celowości) w stosunku do innych sprzężeń stanowi niezmiernie głęboką
cechę organizmów żywych. Cechę tę odnajdziemy także w sieci pojęciowej,
stanowiącej „substancję" naszej psychiki i świadomości. Będzie to
jeden z przyczynków do tezy, że poziom psychiczny na podobnej zasadzie wyłonił
się z poziomu biologicznego, jak poziom biologiczny — z poziomu fizycznego.
[ 3 ]
1 2 3 4 5 6 Dalej..
Przypisy: [ 3 ] Autor opisuje to w trzeciej części książki Trzy ewolucje, zatytułowanym „Ewolucja
sieci pojęciowej". « Ewolucjonizm (Publikacja: 29-11-2003 Ostatnia zmiana: 30-11-2003)
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 Najnowszy tekst autora: Istota życia i (samo)świadomości – rysy wspólne | 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. 3105 |
|