|
Chcesz wiedzieć więcej? Zamów dobrą książkę. Propozycje Racjonalisty: | | |
|
|
|
|
Nauka » Biologia » Powstanie życia
Istota życia i (samo)świadomości – rysy wspólne [2] Autor tekstu: Bernard Korzeniewski
Niewątpliwym przykładem sprzężeń zwrotnych ujemnych związanych z poziomem
genetycznym jest korekta błędów w kopiowaniu DNA (w szczególności: zamiana
błędnie wstawionych nukleotydów w potomnej nici DNA na właściwe, komplementarne
do nukleotydów w matrycy — nici macierzystej). Zachodzi także naprawa
uszkodzonych nici DNA, na przykład w wyniku działania wolnych rodników.
Na poziomie fizjologicznym, dwa hormony, a mianowicie insulina i glukagon, stanowią antagonistyczne sygnały w pętli sterującej sprzężenia
zwrotnego ujemnego utrzymującego stałe stężenie glukozy we krwi (insulina to
stężenie obniża, a glukagon — podwyższa). Parametr ten jest tak istotny, że jego
precyzyjna regulacja wymaga aż dwóch uzupełniających się sygnałów sterujących.
Inny hormon, adrenalina, przyspiesza między innymi szybkość pompowania krwi
przez serce, zwiększając dowóz tlenu i substancji odżywczych do tkanek w stresie i podczas wysiłku. Mięśnie tęczówki oka regulują, w zależności od potrzeb i warunków, poprzez zmianę średnicy źrenicy, ilość światła wpadającego do oka, tak
aby zapewnić ostre widzenie przy silnym oświetleniu, a widzenie czegokolwiek -
przy słabym. Natomiast mięśnie napinające soczewkę mogą zmieniać jej krzywiznę i przez to zachować ostrość widzenia przy przejściu od obserwacji dalekich
obiektów do obserwacji bliskich obiektów i odwrotnie (zjawisko akomodacji).
Krzepnięcie krwi, regeneracja uszkodzonych tkanek i części ciała,
zwalczanie infekcji przez pasożyty w sposób oczywisty przywracają ogólny stan
organizmu (na który składa się wiele parametrów) do „wartości zadanej", czyli po
prostu zdrowia.
Na poziomie behawioralnym całego organizmu, wyczerpanie rezerw substancji
odżywczych (tłuszczów, cukrów) w ciele zwierzęcia po długim okresie głodowania
stymuluje aktywność tego zwierzęcia, które podejmuje odpowiednie działania
nakierowane na pobranie pożywienia. Liczne sprzężenia zwrotne ujemne, obejmujące
regulację działania systemu nerwowego oraz motorycznego, są uwikłane w realizację tego zadania.
Ścisła kontrola szybkości skurczu i napięcia poszczególnych mięśni
zapewniająca płynność ruchów jest niezbędna przy tak skomplikowanych
czynnościach, jak lokomocja, precyzyjne manipulacje ręką czy artykulacja mowy.
Wystarczy pamiętać, jak długo dziecko uczy się chodzenia, operacji manualnych
czy mówienia. Decyzja o ruchu i wobec tego o skurczu poszczególnych (grup)
mięśni pochodzi od mózgu (m.in. z kory czołowej i motorycznej). Receptory czucia
wewnętrznego (proprioreceptory) mierzą bieżące napięcie poszczególnych mięśni i wysyłają zwrotny sygnał do mózgu (m.in. do móżdżku). W razie jakiegokolwiek
odchylenia wartości tego parametru (lub szybkości jej zmian, też zresztą będącej
parametrem) od wartości zadanej mózg przekazuje sygnał sterujący korygujący tę
wartość i przywracający właściwą „trajektorię" pracy mięśni.
Szeroko rozumiane funkcje percepcyjne i poznawcze organizmów żywych
stanowią elementy niezmiernie bogatej sieci sprzężeń zwrotnych ujemnych
zaangażowanej w transformację (często bardzo upośrednioną) bodźców pochodzących
ze środowiska w zachowanie się zwierzęcia, co w ostatniej instancji prowadzi do
zaspokojenia jego rozmaitych potrzeb biologicznych. Dzieje się tak, ponieważ
ogromna zmienność środowiska w przestrzeni i w czasie wymaga odpowiedniego
reagowania żywego osobnika w celu utrzymania możliwie stałych wartości
parametrów związanych z jego wewnętrzną homeostazą (np. odpowiedniej
temperatury, poziomu cukrów, tłuszczów i aminokwasów zużywanych jako źródło
energii lub budulec, czy stężenia soli mineralnych) oraz z funkcjami rozrodczymi
(zaspokojenie popędu płciowego). Sprzężenia zwrotne ujemne zaangażowane w ogólnie pojętą percepcję i poznanie mogą obejmować z jednej strony zjawiska tak
proste jak (wspomniane wyżej) operon laktozowy i akomodacja oka, a z drugiej
strony mechanizmy tak złożone jak działalność mózgu nakierowana na koordynację
bieżącego i przyszłego behawioru osobnika żywego z przeszłymi, bieżącymi i antycypowanymi właściwościami środowiska oraz zachodzącymi w nim zdarzeniami. Na
tę działalność składa się między innymi percepcja bodźców ze środowiska,
integracja danych zmysłowych w złożone cechy i obiekty neuronalne / mentalne,
asocjacja rozmaitych cech, obiektów i aspektów, wykrywanie obecnych w zespołach
danych zmysłowych regularności i związków, formowanie i wykorzystywanie zapisów
pamięciowych, planowanie oraz podejmowanie decyzji i tym podobne.
Wreszcie, bogata sieć sprzężeń zwrotnych ujemnych kontroluje przebieg
morfogenezy (tworzenia struktury) podczas rozwoju embrionalnego. Proces ten
oparty jest na centrach morfogenetycznych i gradientach morfogenów. Odpowiednia
kombinacja stężeń tych ostatnich stanowi tzw. informację pozycyjną determinującą
to, jaka struktura i tkanka wykształci się w danym miejscu zarodka. Zespół
centrów morfogenetycznych / morfogenów jest zorganizowany hierarchicznie: te z wyższych poziomów hierarchii odpowiadają za wykształcanie większych struktur
ciała, a zarazem generują wtórne centra morfogenetyczne wraz z ich morfogenami
sterujące wytwarzaniem mniejszych (bardziej szczegółowych) struktur ciała.
Ogólnie proces ten zwany jest kaskadą morfogenetyczną. Prowadzi ona do powstania
takiego a nie innego osobnika żywego z jego określoną strukturą i funkcją.
Różnicowanie się poszczególnych komórek w różne ich typy (komórki nabłonkowe,
mięśniowe, nerwowe itp.) związane jest z kolei z hierarchicznie zorganizowaną
kaskadą regulacji ekspresji genów w obrębie komórki, w której to kaskadzie geny
regulatorowe wyższego rzędu aktywują lub hamują (poprzez produkcję odpowiednich
białek regulatorowych) ekspresję genów niższego rzędu i związaną z tym produkcję
białek regulatorowych niższego rzędu. W końcu, geny regulatorowe najniższego
rzędu determinują aktywację odpowiednich ściśle określonych genów oraz syntezę
białek odpowiedzialnych za tworzenie struktury i funkcji (np. białek
cytoszkieletu, enzymów) w ściśle określonym miejscu, czasie i ilości. Oprócz
białek regulatorowych produkcja poszczególnych białek struktury / funkcji
sterowana jest przez tzw. miRNA (z ang. micro-RNA). Gradienty morfogenetyczne
sterują nie tylko różnicowaniem, ale także migracjami rozmaitych typów komórek i apoptozą (zaprogramowaną śmiercią komórek). Cały opisany zespół procesów
prowadzących do wygenerowania złożonej i hierarchicznie zorganizowanej struktury i funkcji dorosłego żywego osobnika musi być niezwykle precyzyjnie regulowany.
Kiedy ta regulacja, oparta na wielce skomplikowanej sieci sprzężeń zwrotnych
ujemnych i innych mechanizmów cybernetycznych, zawodzi (kiedy wielowymiarowa
„trajektoria" morfogenezy odbiega od zadanej), rodzą się w najlepszym razie
osobniki upośledzone funkcjonalnie, a w najgorszym — potworki. Wobec ogromnej
złożoności układu, jakim jest osobnik żywy, podziw może budzić fakt, że sieć
mechanizmów kontrolnych tak rzadko niepoprawnie spełnia tutaj swą rolę.
Gwoli ścisłości należy dodać, że sprzężenia zwrotne ujemne nie wyczerpują
listy mechanizmów cybernetycznych odpowiedzialnych za kontrolę funkcjonowania i tworzenia struktury / funkcji osobników żywych. Na przykład podrzędne,
„wbudowane" w sieć sprzężeń zwrotnych ujemnych sprzężenia zwrotne dodatnie
odpowiedzialne są za „decyzje" oparte na zasadzie „wszystko albo nic", między
innymi podczas nieodwracalnego różnicowania komórek zarodka w poszczególne ich
typy lub przy determinacji płci (zapewne także za wybory dotyczące działań
dokonywane przez mózg). W tym przypadku, kiedy komórka lub cały rozwijający się
osobnik wejdzie na jakąś drogę rozwojową, dalsze podążanie tą droga ulega
postępującemu wzmocnieniu. Inaczej mogłyby powstawać np. komórki będące
skrzyżowaniem komórki nerwowej z mięśniową lub interseksy (osobniki posiadające
cechy pośrednie pomiędzy samcem i samicą). Oba twory byłyby całkowicie
dysfunkcjonalne z biologicznego punktu widzenia.
Całkiem powszechna jest także równoległa aktywacja, którą można by
również nazwać „aktywacją wyprzedzającą" (ang. feedforward activation). Na
przykład, podczas przejścia od spoczynku do wysiłku fizycznego aktywacji przez
centralny układ nerwowy ulega nie tylko skurcz komórek mięśniowych w kończynach,
ale także szybkość pracy płuc oraz serca (w tym ostatnim przypadku omawiana
powyżej aktywacja przez adrenalinę wspomaga aktywację neuronalną). Ma to na celu
wzmożony dowóz tlenu do mięśni następujący równolegle z jego podniesionym
zużyciem przez mięśnie (na produkcję ATP w procesie fosforylacji oksydacyjnej). W obrębie komórki mięśniowej, nie tylko zużycie ATP na pracę mechaniczną
wykonywaną przez filamenty miozyny i aktyny jest aktywowane przez jony Ca2+,
ale prawdopodobnie jakiś czynnik / mechanizm związany z tymi jonami prowadzi
także do bezpośredniej aktywacji poszczególnych enzymów fosforylacji
oksydacyjnej oraz innych składników układu energetycznego komórki
odpowiedzialnego za produkcję ATP. Mechanizm ten dominuje w mięśniu sercowym i współdziała z omawianym powyżej sprzężeniem zwrotnym ujemnym działającym w oparciu o stężenie ADP (produkt rozkładu ATP) w mięśniach szkieletowych.
Wspomniany czynnik / mechanizm nie został jeszcze ostatecznie zidentyfikowany na
drodze eksperymentalnej, ale za jego istnieniem przemawiają symulacje przy
użyciu komputerowego modelu fosforylacji oksydacyjnej — jest to temat, którym
się między innymi zajmuję w swojej „zawodowej" pracy naukowej [6]. Tak na
marginesie, jest to jedyna znana mi próba teoretycznego przewidzenia istnienia
nieodkrytych jeszcze czynników / zjawisk w biologii — przewidywanie takie
stanowi chleb powszedni w fizyce.
Wróćmy jednak do sprzężeń zwrotnych ujemnych. Wszystkie one są
zorganizowane hierarchicznie i wzajemnie połączone (pośrednio lub bezpośrednio).
Na przykład, insulina i glukagon są białkami. Dlatego w ich syntezę są uwikłane
(między innymi) wyżej wspomniane sprzężenia zwrotne ujemne odpowiedzialne za
syntezę aminokwasów, ekspresję genów i produkcję białek. Podobny związek
istnieje między systemem skurczu mięśnia i systemem produkcji energii (ATP), a pośrednio także systemem (obejmującym m.in. koordynację ruchów, percepcję i sterowanie behawiorem) odpowiedzialnym za pobieranie wraz z pożywieniem
substratów oddechowych do produkcji ATP (skurcz mięśnia i praca mózgu wymaga ATP
→ produkcja ATP wymaga substratów oddechowych → zdobycie pożywienia wymaga
koordynacji skurczu mięśni i funkcji percepcyjno-poznawczych). Łatwo można
znaleźć mnóstwo podobnych przykładów. Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie sprzężenia
zwrotne ujemne w żywym osobniku tworzą spójnie zorganizowaną sieć, w obrębie
której wszystkie sprzężenia są wzajemnie zależne i wzajemnie się warunkują.
Dlatego cel, w sensie funkcjonalnym, każdego poszczególnego sprzężenia zwrotnego
ujemnego jest zdeterminowany przez kontekst całego kompleksu sprzężeń zwrotnych
ujemnych konstytuującego tożsamość cybernetyczną danego osobnika żywego. Można
zatem powiedzieć, że funkcjonalny sens każdego sprzężenia zwrotnego ujemnego
realizuje się przez konotację.
1 2 3 4 5 Dalej..
« Powstanie życia (Publikacja: 16-01-2012 )
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 Poprzedni tekst autora: Klatka czasoprzestrzeni, klatka umysłu | 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. 7692 |
|