Czy Natura jest szalonym zegarmistrzem?

Z prezentowanej na blogu książce „JANUS”, Koestlera przywołuje anegdotę o szwajcarskich zegarmistrzach, dwóch braciach, z których jeden odniósł sukces finansowy, a drugi musiał zamknąć zakład. Obaj robili skomplikowane zegarki składające się z tysiąca części, z tym, że jeden z nich składał zegarek część po części, zaś drugi opracował modułową formę montażu niezależnych podzespołów. Czym to się różniło w praktyce. Otóż kiedy pierwszy brat musiał przerwać pracę w trakcie składania zegarka, cała konstrukcja rozsypywała się i następnego dnia musiał wszystko zaczynać od początku. Drugi brat przygotowywał najpierw samodzielne moduły, które potem składał razem. Przerwanie pracy nie powodowało destrukcji wykonanej pracy i następnego dnia mógł kontynuować montaż tego zegarka od etapu na którym skończył. W dodatku gotowy mechanizm był znacznie bardziej odporny na uszkodzenia i łatwiejszy w regulacji i naprawie.

Podobnie działa natura w swej ewolucyjnej pracowni. Posiadając sprawnie działające moduły, poddaje je wariantowej analizie i składa w bardziej złożone mechanizmy. Tworząc wiele rozwiązań na bazie tego samego mechanizmu, testuje kolejne perturbację, doskonali lub przystosowuje je do zmiennych okoliczności środowiska. Wykorzystuje również możliwość nadbudowy, czyli samoregulujące się podzespoły niższego rzędu stanowią bazę (fundament), na który nadbudowuje kolejne nowsze ewolucyjnie struktury.

Zapraszam do przestudiowania fragmentu kolejnej książki Koestlera.


Artur Koestler, The Ghost in the Machine (Duch w maszynie), 1967

Tłumaczenie: Piotr Kawecki


Organizm i jego części zamienne

Kiedy wspinamy się do hierarchii żywej materii, zauważamy, nawet na najniższym poziomie obserwowanym przez mikroskop elektronowy, organelle – subkomórkowe  struktury o zawrotnej złożoności. A najbardziej uderzającym faktem jest to, że te maleńkie części komórki funkcjonują jako samorządowe całości, z których każda postępuje według własnego zbioru przepisów. Jeden rodzaj organelli wygląda jak quasi-niezależna agencja do rozwoju komórki; inne są do dostarczania energii, reprodukcji, komunikacji i tak dalej. Rybosomy, na przykład, które produkują białka, mogą rywalizować swą złożonością z jakąkolwiek fabryką chemiczną. Mitochondria są elektrowniami, które pobierają energię z żywności przez skomplikowany łańcuch reakcji chemicznych obejmujących około pięćdziesiąt różnych etapów; pojedyncza komórka może mieć do pięciu tysięcy takich elektrowni. Następnie są centrosomy z ich wrzecionowym aparatem, który organizuje niesamowitą choreografię komórki dzielącej się na dwie; i spirale DNA dziedziczności, zwinięte w wewnętrznym sanktuarium chromosomów, działające na ich jeszcze silniejszą magię.

Nie zamierzam rozwodzić się o sprawach, które można znaleźć w jakiejkolwiek książce popularnonaukowej; Próbuję podkreślić kwestię, której nie podkreślają w wystarczającym stopniu lub przeoczają w ogóle – a mianowicie, że organizm nie jest mozaikowym agregatem elementarnych procesów fizyko-chemicznych, ale hierarchią, w której każdy element, od podkomórkowego poziom w górę, jest ściśle zintegrowaną strukturą, wyposażoną w urządzenia samoregulacji i cieszy się zaawansowaną formą samorządności. Aktywność organelli, np. mitochondriów, może być włączana i wyłączana; ale raz uruchomiona w działaniu, pójdzie zgodnie z własnym kursem. Żaden wyższy szczebel w hierarchii nie może ingerować w porządek swoich operacji, ustanowiony przez własny kanon zasad. Organelle to samo prawo, autonomiczny holon z charakterystycznym wzorem struktury i funkcji, który ma tendencję do obrony własnych praw, nawet jeśli komórka wokół niego umiera.

Te same obserwacje dotyczą większych jednostek w organizmie. Komórki, tkanki, nerwy, mięśnie, narządy, wszystkie mają swój wewnętrzny rytm i wzór, często manifestujący się spontanicznie bez zewnętrznej stymulacji. Kiedy fizjolog patrzy na jakikolwiek organ z "góry", od wierzchołka hierarchii, widzi go jako część zależną. Kiedy patrzy na to z "dołu", z poziomu swoich składników, widzi całą niezwykłą samowystarczalność. Serce ma własne "rozruszniki serca" – w rzeczywistości trzy rozruszniki serca, zdolne do zastępowania siebie nawzajem, gdy zajdzie taka potrzeba. Inne główne narządy mają różne typy centrów koordynujących i urządzeń samoregulujących. Ich charakter jako autonomicznych holonów najbardziej przekonująco demonstrują eksperymenty hodowli kultur [komórkowych] i chirurgia części zamiennych. Od czasu, gdy Carrell wykazał w słynnym eksperymencie, że pasek tkanki z serca zarodka kurczaka będzie trwać w nieskończoność in vitro, dowiedzieliśmy się, że całe narządy – nerki, serca, a nawet mózgi  – są zdolne do dalszego funkcjonowania jako quasi-niezależne całości po wyizolowaniu z organizmu i zaopatrzeniu w odpowiednie składniki odżywcze lub przeszczepieniu do innego organizmu. W chwili pisania tego artykułu rosyjskim i amerykańskim eksperymentatorom udało się utrzymać przy życiu mózgi psów i małp (biorąc pod uwagę aktywność elektryczną mózgu) w aparaturze poza zwierzęciem i przeszczepianie mózgu jednego psa do innych żywych zwierząt. Frankensteinowski horror tych eksperymentów nie musi być podkreślany – i to dopiero początek.

Jednak chirurgia części zamiennych ma oczywiście swoje korzystne zastosowania, a z teoretycznego punktu widzenia jest uderzającym potwierdzeniem koncepcji hierarchicznej. W dosłownym tego słowa znaczeniu demonstruje „rozkładalność” organizmu – postrzeganego w jego fizycznym aspekcie – na autonomiczne podzespoły, które pełnią funkcję same w sobie. To także rzuca więcej światła na ewolucyjny proces – na zasady, które kierowały Biosa w składaniu podzespołów jego zegarków.

Integracyjne moce życia

Wróćmy na chwilę do organelli działających w komórce. Mitochondria przekształcają żywność – glukozę, tłuszcz, białka – w substancję chemiczną – adrenozynotrójfosforan, w skrócie ATP, który wszystkie komórki zwierzęce wykorzystują jako paliwo. Jest to jedyny rodzaj paliwa wykorzystywanego w królestwie zwierząt do dostarczania niezbędnej energii dla komórek mięśniowych, komórek nerwowych i tak dalej; i jest tylko ten jeden rodzaj organelli w królestwie zwierząt, które je produkuje. Mitochondria zostały nazwane "elektrowniami wszelkiego życia na ziemi". Co więcej, każdy mitochondrion zawiera nie tylko zestaw instrukcji, jak wykonać ATP, ale także swój własny dziedziczny schemat, który umożliwia mu reprodukcję niezależnie od reprodukcji komórki jako całości.

Jeszcze kilka lat temu uważano, że jedynymi nośnikami dziedziczności są chromosomy w jądrze komórki. Obecnie wiemy, że mitochondria, a także niektóre inne organelle znajdujące się w cytoplazmie (płynie otaczającym jądro) są wyposażone we własne urządzenie genetyczne, które umożliwia ich niezależną reprodukcję. W związku z tym zasugerowano, że te organelle na początku życia na tej planecie mogły ewoluować niezależnie od siebie, ale na późniejszym etapie weszły w rodzaj symbiozy.

Ta wiarygodna hipoteza brzmi jak kolejna ilustracja przypowieści zegarmistrzów; możemy uważać stopniowe budowanie złożonych hierarchii z prostszych holonów, jako podstawowej manifestacji integracyjnej tendencji żywej materii. Wydaje się bardzo prawdopodobne, że pojedyncza komórka, kiedyś uważana za atom życia, powstała w wyniku połączenia struktur molekularnych, które były prymitywnymi poprzednikami organelli, i które powstały niezależnie, z których każda posiada inną charakterystyczną właściwość: życie – takie jak auto-replikacja, metabolizm, ruchliwość. Kiedy weszły w symbiotyczne partnerstwo, wyłaniająca się całość – być może jakaś odwieczna forma ameby – okazała się nieporównywalnie bardziej stabilnym, wszechstronnym i zdolnym do przystosowania bytem, niż wynikałoby to z samego podsumowania części. Aby zacytować Ruth Sager:

Życie zaczęło się, zaryzykowałabym hipotezę, wraz z pojawieniem się ustabilizowanego trójstronnego układu: kwasów nukleinowych do replikacji, układu fotosyntetycznego lub chemosyntetycznego do konwersji energii oraz enzymów białkowych katalizujących oba procesy. Taki układ trójczłonowy mógł być przodkiem chloroplastów i mitochondriów, a może samej komórki. W trakcie ewolucji te prymitywne systemy mogły się połączyć w ramach  większej komórki…

Hipoteza ta jest zgodna ze wszystkim, co wiemy o tym wszechobecnym przejawie integralnej tendencji: symbiozie, różnorodnych formach wymiany między organizmami. Różni się od wzajemnie nieodzownego połączenia glonów i grzybów w porostach, z mniej intymną, ale nie mniej istotną współzależnością zwierząt, roślin i bakterii w społecznościach ekologicznych ("biocenoza"). Tam, gdzie zaangażowane są różne gatunki, partnerstwo może przybrać formę „współegzystencji” – pąkli podróżujących na bokach wieloryba; lub "mutualizmu", między rośliną kwitnącą a owadami zapylającymi lub między mrówkami i mszycami – rodzajem owadziej „krówki”, które mrówki chronią i dostają w zamian ”mleko" ich wydzieliny. Równie zróżnicowane są formy współpracy w obrębie tego samego gatunku, od zwierząt kolonialnych w górę. Żeglarz portugalski to kolonia polipów, z których każdy specjalizuje się w konkretnej funkcji; ale zdecydowanie o tym, czy macki, pływaki i jednostki reprodukcyjne są pojedynczymi zwierzętami, czy zwykłymi organami, jest kwestią semantyki; każdy polip jest holonem, łączącym cechy niezależnych całości i zależnych części.

Ten sam dylemat napotykamy na wyższym poziomie w zorganizowanych społeczeństwach owadów: mrówek, pszczół, termitów. Owady społeczne są fizycznie oddzielnymi bytami, ale żaden nie może przetrwać, jeśli zostanie oddzielony od swojej grupy; ich istnienie jest całkowicie kontrolowane przez interesy grupy jako całości; wszyscy członkowie grupy są potomkami tej samej pary rodziców, wymiennymi i nierozróżnialnymi, nie tylko dla ludzkiego oka, ale także prawdopodobnie dla samych owadów, które mają rozpoznać członków swojej grupy po ich zapachu, ale nie odróżniać jednostek. Ponadto wiele owadów społecznych wymienia swoje wydzieliny, które tworzą między nimi pewną więź chemiczną.

Jednostka jest zazwyczaj definiowana jako niepodzielna, samodzielny byt, z odrębnym, niezależnym istnieniem. Ale jednostki w tym absolutnym sensie nigdzie nie występują w Naturze ani w społeczeństwie, podobnie jak nigdzie nie znajdujemy absolutnych całości. Zamiast odrębności i niezależności, istnieje współpraca i współzależność, przechodząca przez całą gamę, od fizycznej symbiozy do spójnych więzi roju, ula, ławicy, trzody, stada, rodziny, społeczeństwa. Obraz staje się jeszcze bardziej rozmazany, gdy weźmiemy pod uwagę kryterium "niepodzielności". Słowo "jednostka" oznacza po prostu coś takiego; pochodzi od łacińskiego in-dividuus – jako atom pochodzi od greckiego a-tomos. Ale na każdym poziomie niepodzielność okazuje się sprawą względną. Pierwotniaki, gąbki, hydra i płazińce mogą się rozmnażać przez proste rozszczepienie lub pączkowanie: to jest przez podział jednej osoby na dwie lub więcej itd., Ad infinitum. Jak napisał von Bertalanffy:

"Jak możemy nazywać te istoty jednostkami, kiedy faktycznie są "dividua", a ich mnożenie powstaje właśnie z podziału? …Czy możemy nalegać, by nazwać hydrę lub robaka płaskiego jednostką, kiedy zwierzęta te można pokroić na dowolną liczbę kawałków, z których każdy może wyrosnąć w kompletny organizm? …Pojęcie jednostki można biologicznie zdefiniować jedynie jako pojęcie ograniczające".

Płazieniec pocięty na sześć plastrów, w ciągu kilku tygodni rzeczywiście zregeneruje osobnika z każdego plasterka. Jeśli koło reinkarnacji przemieni mnie w płazińca, który spotyka podobny los, to czy muszę założyć, że moja nieśmiertelna dusza podzieli się na sześć nieśmiertelnych solonów? Chrześcijańscy teologowie znajdują łatwą drogę wyjścia z tego dylematu, zaprzeczając, że zwierzęta mają dusze; ale Hindusi i buddyści mają odmienny pogląd. Filozofowie świeccy, którzy nie mówią o duszach, ale potwierdzają istnienie świadomego ego, również nie chcą narysować granicy między istotami mającymi i pozbawionymi świadomości. Ale jeśli przyjmiemy, że istnieje ciągła skala gradacji, od wrażliwości istot prymitywnych, poprzez różne stopnie świadomości, aż po pełną samoświadomość, to biologiczne eksperymentalne wyzwanie wobec koncepcji indywidualności stanowi prawdziwy dylemat. Wydaje się, że jedynym rozwiązaniem jest (patrz Rozdział XIV) odejście od pojęcia jednostki jako monolitycznej struktury i zastąpienie jej pojęciem jednostki, jako otwartej hierarchii, której wierzchołek zawsze się cofa, dążąc do stanu pełna integracja, której nigdy nie osiągnięto.

Regeneracja kompletnego osobnika z małego fragmentu prymitywnego zwierzęcia jest imponującą manifestacją integracyjnych mocy żywej materii. Ale są jeszcze bardziej uderzające przykłady. Prawie całe pokolenie temu Wilson i Child wykazali, że jeśli tkanki żywej gąbki – lub hydry – zostaną zgniecione na miazgę, przejdą przez bezpopiołowy sączek, a miazga zostanie przelana do wody, zdysocjowane komórki wkrótce zaczną kojarzyć się, aby zagregować najpierw w płaskie arkusze, a następnie zaokrąglić w kulę, stopniowo różnicować i ostatecznie zakończyć "jako dorosłe osobniki z charakterystycznymi ustami, mackami i tak dalej" (Dunbar). Niedawno P. Weiss i jego współpracownicy wykazali, że rozwijające się narządy w embrionach zwierzęcych są również zdolne, podobnie jak gąbki, do ponownego formowania się po roztarciu na miazgę. Weiss i James wycięli kawałki tkanki z ośmio-czternastodniowych zarodków kurcząt, rozdrobnili i przefiltrowali tkanki przez arkusze nylonu, ponownie zagęścili je przez odwirowanie i przeszczepili je do błony innego rozwijającego się zarodka. Po dziewięciu dniach wymieszane komórki wątroby zaczęły tworzyć wątrobę, komórki nerki nerkę, komórki skóry tworzyły pióra. Co więcej: eksperymentatorzy byli również w stanie wytwarzać normalne zarodkowe nerki poprzez mielenie, łączenie i mieszanie komórek nerki z kilku różnych zarodków. Holistyczne właściwości tych tkanek przetrwały nie tylko dezintegrację, ale także fuzję.

Fuzję można indukować nawet między różnymi gatunkami. W ten sposób Spemann połączył dwie połówki embrionów we wczesnej fazie gastrycznej – jedną z traszki pasiastej, drugą z traszki grzebieniastej. Rezultatem było dobrze uformowane zwierzę, z jednej strony pasiaste, z drugiego grzebieniaste. Jeszcze bardziej przerażające są ostatnie eksperymenty profesora Harrisa z Oksfordu, który opracował technikę łączenia ludzkich komórek w komórkami myszy. Podczas mitozy jądra komórkowe człowieka i myszy również uległy fuzji "i stwierdzono, że dwa zestawy chromosomów rosną i mnożą się szczęśliwie w obrębie tej samej błony jądrowej… Takie zjawiska", napisał jeden z komentatorów "z pewnością wpłyną na naszą koncepcję organizmu w pewnym stopniu… Oczywiście istnieją wystarczające możliwości, aby zachęcić lub przerazić wszystkich na jakiś czas" (Pollock).