Matryca duszy - ebook

1. A. Wstęp

Muchołówka amerykańska, roślina z rodziny rosiczkowatych, to owadożerca. Jej liście w kształcie serca, z brzegami uzbrojonymi w ostre zęby, potrafią zamknąć się tak szybko, że ofiara nie zdąży uciec.

Jak poluje muchołówka? Gdy zwabiony zapachem owad usiądzie na powierzchni rozłożonego liścia i zacznie spijać wydzielinę, potrąca włoski. Dotknięcie dwóch włosków, w odstępstwie czasu nie większym niż 20 sekund, jest sygnałem do zamknięcia pułapki.

Można się zapytać: czy rośliny myślą? To nie jest koniecznie. Wystarczy, że po potrąceniu pierwszego czułka zostaje wytworzony chemiczny regulator, o krótkim czasie trwania. Gdy w pobliskim rejonie powstanie drugi chemicznych regulator – ich połączone sygnały budują inny regulator, będący bodźcem do skurczu komórek umieszczonych w zawiasie. Jeżeli jednak w odpowiednim czasie drugi regulator nie zostanie wytworzony, pierwszy ulega degradacji i nic się nie stanie. Dlaczego jednak 20 sekund? Jestem pewien, że to wynik najefektywniejszej mutacji. Rośliny o zbyt krótkich okresach trwania regulatorów, niepotrzebnie traciły energię na zatrzaskiwanie pułapki na przypadkowych przedmiotach – jak nasiona innych roślin czy ziarenka piasku – i wyginęły. A rośliny zbyt leniwe, przegapiały większość posiłków... i też wyginęły.

Wykorzystując podobny schemat można wytłumaczyć wiele zachowań, do których – wydawałoby się – potrzeba inteligencji, a co najmniej mózgu, wykształcającego odpowiednie reakcje. Lecz to nie jest konieczne. Gdyż często dostrzegamy inteligentne działanie tam, gdzie ich nie ma. Każdy z nas mógł obserwować lub sam był obiektem niepasujących do sytuacji zachowań. I nie mam tu na myśli spluwania przez lewe ramię, gdyż to kwestia wychowania oraz narzuconej tradycji, a na przykład drapanie linoleum przez kota po wyjściu z kuwety. Atawistyczne zachowania, takie jak odruch chwytny, czyli złapanie palca, jako konieczność utrzymania się na gałęzi, nie są odruchami zaobserwowanymi u rodziców – a zaprogramowanymi w kodzie genetycznym. Moja kotka Julia była wychowywana od pierwszego dnia bez matki, a mimo to wciąż uparcie usiłowała zamaskować miejsce toalety – nie z powodu zamiłowania do czystości, a z powodu chęci ukrycia obszaru swojego terytorium przed innymi drapieżnikami.

Również nasze postępowanie bardzo często jest wynikiem prostych mechanizmów, prowadzonych przez genetyczne induktory chemicznymi ścieżkami algorytmów. Mózg może się wtrącić, posłuchać skwapliwie lub zignorować sygnały, przynajmniej w pewnym stopniu lub przez krótki okres. Lecz duża część naszej psychiki jest zakodowana w genach i nie uciekniemy od tego dziedzictwa. Stąd też próba ujęcia zachowań, wynikających z chemicznych regulacji, w przykazania.1. Przykazanie I.
Nie marnuj energii

Jeżeli kogoś dziwi wyodrębnienie pochwały lenistwa jako pierwszego przykazania, to niech weźmie pod uwagę, że im mniej stracimy energii na wypełnienie czynności koniecznych dla utrzymania bytu, tym więcej jej pozostanie do realizacji celów przynoszących nam radość. W tym najbardziej energochłonnego – ale i najprzyjemniejszego przykazania – powielaj się.

1. 1. Prywatne doświadczenia

Wstać z łóżka czy jeszcze poleżeć? To lenistwo. Sięgnąć po następny kawałek tortu, czy już nie? Jeśli z powodu obawy nadmiaru kalorii, to zaniechanie jest dbaniem o zdrowie. Na drugie piętro wejść po schodach, czy wjechać windą? To oszczędność energii, chociaż nie należy zapominać, że część z niej trzeba przeznaczyć na utrzymanie organizmu w dobrej kondycji. Podobnych algorytmów, porównujących koszt poniesionych wydatków energetycznych z oczekiwanym zyskiem, rozwiązujemy każdego dnia tysiące.

Wydawałoby się, że nie ma zwierząt sprawniejszych w matematyce od nas, a mimo to czasem dokonujemy złych obliczeń. Czy to z chęci podjęcia zadania niemożliwego do wykonania, czy w ramach oszczędności, wyliczając zbyt małą energię konieczną do jego wykonania. Bardzo często obijam łokcie o framugę drzwi, próbując przejść po minimalnym, wymaganym do pokonania przeszkody łuku. I chociaż pamiętam, że podobne próby często kończą się bólem – to wiąż kusi mnie, aby zaoszczędzić energię. Koty, nie znające matematyki, robią to lepiej. Czy widzieliście kota wskakującego na półkę, płot, gałąź na drzewie? Już zdaje się, że to mu się nie uda, spadnie lub rozpaczliwie będzie się czepiał krawędzi pazurami, a on, z nonszalancją i bez widocznego wysiłku, ląduje ledwo milimetry ponad wymaganą wysokość. Bo koty nie liczą, nie myślą, a czynią to instynktownie...

Pewnie niejednokrotnie każdy z nas był przeziębiony. Oprócz cieknącej wydzieliny z nosa i drżenia rozgrzanego ciała, ogarnia nas wtedy znużenie i chęć przespania tego nieprzyjemnego okresu. Aż do niedawna nie wiedziałem, że owe zmęczenie jest reakcją obronną, usiłującego zniechęcić organizm do aktywności i powstrzymaniem przed wydatkiem energetycznym w okresie, gdy wszystkie siły są potrzebne do walki z infekcją. Cytokina TNF-α, substancja hormonopodobna, służąca układowi odpornościowemu do rozprawiania się z chorobą, dociera również do mózgu, wpływając na pracę białek odpowiedzialnych za nasz zegar biologiczny1. W wyniku tej ingerencji skraca się czas czuwania organizmu i wydaje się nam, że już czas na sen, a nie inne, energochłonne działania, nawet tak niewinne, jak nadrobienie zaległości w czytaniu książek.

1. 2. Obserwacje w przyrodzie

Jest zrozumiałe, że dobowy rytm czuwania i snu wyznaczają roślinom i zwierzętom obroty Ziemi, które z powodu przyciągania Księżyca, są coraz bardziej wydłużone. Gdy na naszej planecie rodziło się życie, dzień trwał zaledwie 5 godzin. Bez satelity stabilizującego ruchu naszej planety, obecnie wzrósłby najwyżej do 8-10 godzin, a wiatry hulałyby z prędkością 160-200 kilometrów na godzinę. Najgorsze, że pochylenie Ziemi wciąż byłoby niestabilne, a nasilenie sezonowych zmian ulegałoby dużym wahaniom, być może uniemożliwiającym życie innych gatunków poza bakteriami2. Ale to tylko wprowadzenie, mające uzasadnić, że od początku powstania życia było ono skazane na dostosowanie się do takich, a nie innych – narzuconych prawami fizycznymi – warunków.

1. 2.1. Czy to lenistwo?
2. 2.1.1. Wielkość ma znaczenie

To może brzmieć jak paradoks, ale największe zwierzę – płetwal błękitny (Balaenoptera musculu) – jest najdoskonalszym przykładem realizacji przykazania nie marnuj energii, a dokładniej – to właśnie rozmiar jego ciała jest tego przykładem. Płetwale błękitne są największymi znanymi nam zwierzętami nie tylko dzisiaj, lecz w całej historii życia na naszej planecie, gdyż nawet dinozaury nie ważyły po 190 ton3. Najcięższy z dinozaurów, zauropod Amphicoelias fragillimus, o imponującej długości ciała 58 metrów, ważył zaledwie 122 tony4.

Metabolizm płetwali jest bardzo energooszczędny. Człowiek potrzebuje 33 kcal na kilogram masy, płetwal ośmiokrotnie mniej – jedynie 4,5 kcal5. To z tego powodu bycie dużym się opłaca. Co nie zmienia faktu, że i tak dzienny posiłek płetwala to około czterech ton planktonu, kryla, mięczaków, skorupiaków oraz drobnych ryb.

1. 2.1.2. Czy leniwiec jest leniwy?

Na ziemi leniwiec, żyjący na drzewach Ameryki Południowej i Środkowej porusza się z prędkością dwóch metrów na... minutę. Można go posądzić o największe lenistwo, lecz prawda jest inna – on, we wprost modelowy sposób, realizuje przykazanie nie marnuj energii, a powolność jego ruchów spowodowana jest metabolizmem6.

Jako bazę żywieniową leniwce wybrały mało energetyczny i ciężkostrawny posiłek – liście. Aby z nich wydobyć energię, leniwiec potrzebuje nawet kilku miesięcy, a w ten proces zaangażowany jest żołądek, stanowiący dwie trzecie masy jego ciała, w którym specjalne bakterie trawią celulozę. Przy tak zwolnionym metabolizmie leniwcowi wystarczy, że dwa razy w ciągu tygodnia zejdzie z drzewa na ziemię, aby się wypróżnić7. I dobrze, że tak rzadko, gdyż z powodu cztery razy mniejszej masy mięśniowej w stosunku do masy ciała niż u innych zwierząt, jego kończyny nie są w stanie utrzymać ciała, a każde pełzanie po ziemi to dla niego ryzyko śmierci w paszczy jaguara.

Podobne kłopoty mają pandy wielkie (zwane również niedźwiedziem bambusowym Ailuropoda melanoleuca), które są jeszcze bardziej wybredne i wybrały jako główne danie – pędy bambusa (chociaż, będąc drapieżnikami, nie pogardzą również jajkami czy gryzoniami).

1. 2.1.3. Sposób na chłód

Pingwiny cesarskie (Aptenodytes forsteri), oprócz indywidualnego przygotowania ciała do przeżycia w warunkach antarktycznych mrozów, wykształciły pewne zachowania, pozwalające im nie tracić niepotrzebnie energii.

Opanowanie niektórych środowisk nie byłoby możliwe bez wspólnego działania grupy. Puchowe odzienie, specjalny obieg krwi nie wystarczają, aby w najchłodniejsze mrozy z temperaturą wynoszącą nawet –600C, przy silnych wiatrach dochodzących do 200 km/godz. oraz braku możliwości zdobycia pożywienia z powodu wysiadywania jaj, utrzymać stałą temperaturę ciała – i to wyższą niż u człowieka, bo wynoszącą 390C. W tak skrajnych warunkach stado pingwinów zbija się w gromadę, jeden pingwin obok drugiego, czarne, wiatroszczelne fraki wystawiając na podmuch wiatru. Taka sztuczka nie powiodłaby się, gdyby nie koleżeńskie zachowanie – ptaki wystawione na porywy natury po warcie mogą schronić się wewnątrz grupy8.

Podobne zachowania mogą być początkiem innych, coraz bardziej altruistycznych zachowań – o których opowiem w dalszej części książki.

1. 2.1.4. Regeneracja kończyn

Czasami chcielibyśmy, aby pewne umiejętności zakodowane w genach pozostały w naszych organizmach. Niestety, dobór naturalny nie myśli, a tym bardziej nie spełnia naszych życzeń. Jeżeli dotyczy to funkcji drugorzędnych, a utrata tej cechy nie stanowi o przetrwaniu gatunku, mutacja może ją wyeliminować. Tym bardziej, jeśli jest to funkcja pochłaniająca wiele energii.

A tak się sprawa przedstawia w przypadku regeneracji utraconych kończyn. Potrafią to salamandry, nawet krokodyle – ale nie my... Jednak i w tej sprawie genetyka może pomóc, gdyż naukowcy już wiedzą, gdzie tkwią różnice w leczeniu ran – a stąd niewielki krok (wciąż na miarę kroku Neila Armstronga) do odzyskania przez człowieka podobnych umiejętności. Chociaż, z punktu widzenia ewolucji, będzie to rozrzutność. Salamandra bez jednej nogi ucieknie przed wrogiem, człowiek nie.

1. 2.1.5. Niewola ogłupia

Już wiemy, że praca mózgu pochłania dużo energii (do 20%), a nie zawsze potrzebna jest jego praca na pełnych obrotach. W przypadku owiec przykazanie nie marnuj energii spowodowało, że owce domowe (Ovis aries) straciły jedną czwartą objętości mózgu, potrzebnego do przeżycia we wrogim środowisku dzikim pobratyńcom (Ovis ammon)9. A do podobnego spadku zdolności umysłowych ewolucja potrzebowała jedynie niecałych 10 tysięcy lat życia zwierząt w niewoli.

Ciekawe, czy – patrząc na rozwój cywilizacyjny – zamiast rozwoju zdolności umysłowych nie czeka nas skarłowacenie... Żyjemy, jak hodowane zwierzęta, w coraz bardziej komfortowych warunkach, wsparci wiedzą komputerów, otoczeni ramionami państwowej opieki socjalnej i zdrowotnej. Tylko za jaką cenę?

1. 2.2. Dobowe rytmy
2. 2.2.1. Czas na sen

Umiejętności zdobywania pożywienia, wyznaczają organizmom zarówno czas aktywności, jak i czas odpoczynku. Ale dlaczego nie można być aktywnym przez całą dobę? Nie tylko, że nie ma takiego zapotrzebowania energetycznego, to cykliczne spowolnienia metabolizmu organizmu są niezbędne do wykonania prac porządkowych, na które w stanie wysokiej aktywności brakowałoby już energii.

Dzięki badaniom Harveya Moldofsky’ego z University of Toronto, wiemy, że układ odpornościowy wykorzystuje czas snu, uruchamiając wzmożoną produkuję limfocytów. Przysłowie „sen to zdrowie” zyskało poparcie w nauce, już wiemy dlaczego osoby, które dobrze się wysypiają, rzadziej chorują. O konieczności zrzutu pamięci podręcznej mózgu w czasie nocnego odpoczynku już wspominałem. Ponadto naukowcy podejrzewają, że w czasie wytężonej aktywności mózgu w układzie nerwowym mogą gromadzić się szkodliwe, a może nawet toksyczne związki10. A długotrwały brak możliwości posortowania danych, w połączeniu z wysokim stężeniem tych toksycznych odpadów – objawia się przygnębieniem, nieuzasadnioną agresją, halucynacjami.

1. 2.2.2. Rośliny też śpią

Nie tylko zwierzęta muszą spać, czynią to również rośliny. Zamykanie kwiatów na noc i powtórne ich otwieranie z brzaskiem dnia można zaobserwować nawet w domowej doniczce. Nyktynastię, gdyż tak nazywają się ruchy senne roślin, możemy zaobserwować również w ogródku, u fasoli, mimozy, robinii akacjowej oraz szczawiku zajęczego. A brak snu ma u nich podobnie zgubny wpływ, jak u człowieka. Gdy roślinom nie pozwalano spać, podając im substancję hamującą zwijanie liści na noc, te po dwóch tygodniach obumierały11.

Wiecznie niewyspani

Niemal każdy z nas uważa, że brakuje mu snu. Nic dziwnego, we współczesnym świecie nawet zimą, odcięci od świata zaspami, pozbawieni prądu – potrafimy znaleźć zajęcie kradnące nam czas. Wystarczy telefon komórkowy, nie mówiąc o smartfonie czy tablecie. Ale dla lubiących długo spać, mam dobrą wymówkę – mniej więcej co piąty człowiek posiada wersję genu ABCCR, wymagającego więcej czasu do regeneracji sił12. Tak więc zasypianie – i spóźnienie się – do szkoły czy pracy to nie ich wina, a genów. Usprawiedliwiając się, proszę jednak nie powoływać się na moje słowa...

1. 2.3. Sezonowe zmiany
2. 2.3.1. Jesienne liście

Podobno kanadyjska jesień jest bardziej kolorowa od tej w Polsce. Zapewne tak, chociaż ja kocham zarówno słoneczną, jak i mglistą polską jesień...

W lasach Kanady oraz północnych stanów USA odnajdziemy około 800 gatunków drzew liściastych, a samych gatunków dębu jest 70 – tyle, co w Polsce gatunków wszystkich drzew liściastych. Mistrzem koloru jest klon cukrowy (Acer saccharum)13, który zmienia kolorystykę liści od zielonej, poprzez jasnożółtą, żółtą, pomarańczową, fluorescencyjną czerwoną pomarańczę, czerwoną, brązową, aż po ciemnobrązową14.

1. Grafika 1. Paleta barw klonu cukrowego. Na zdjęciu na liściu położono próbkę koloru z systematyki Pantone, która służy do ujednolicenia kolorów wymaganego m.in. w poligrafii, ale również do wybrania koloru nadwozia samochodu czy farb do pomalowania ścian
2. Źródło: Chris Glass, http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Autumn_leaves_%28pantone%29_crop.jpg

Jaki jest cel podobnych metamorfoz? Odpowiedź na to pytanie wyjaśni sposób pozyskiwania energii przez drzewa. Woda, pobierana z gleby (w mniejszym stopniu z opadów), jest transportowana nawet do najwyżej położonych liści; natomiast dwutlenek węgla pobierany z atmosfery, pozwala przy pomocy energii świetlnej (bo nie tylko słonecznej) przetworzonej przez zielony barwnik liści chlorofil, wytworzyć węglowodany – rozprowadzane w całym drzewie jako substancja odżywcza oraz budulec.

Zimą, gdy gleba jest zamarznięta i drzewo nie ma szansy pobrania wody z gleby, proces produkcji energii nie jest możliwy. A liście wciąż potrzebują wody. W ciągu jednego dnia poprzez listowie brzozy do atmosfery wyparowuje około 70 litrów wody, której zapasów drzewo nie ma szans uzupełnić zimą i w krótkim czasie groziłoby mu wyschnięcie.

Drugim czynnikiem skłaniającym drzewa do pozbycia się listowia jest nieopłacalność produkcji energii. Czas dostępu do światła słonecznego jesienią i zimą radykalnie się kurczy – na terytorium Polski to spadek czasu pracy liści z ponad 16 godzin latem do niecałych 8 zimą15.

Mechanizm zrzucenia listowia polega na tym, że pomiędzy gałęziami drzewa, do których jest przyczepiony, tworzy się przegroda odcinająca dopływ wody. Po pewnym czasie liść usycha i przy częstych jesiennych wiatrach zostaje oderwany, spadając na przepiękny kobierzec wokół pnia drzewa. Zmiana koloru liści jest natomiast wywołana rozkładem zielonego barwnika chlorofilu i ujawnieniem się innych – mniej energochłonnych – barwników, przez cały czas obecnych w liściach i pełniących funkcje pomocnicze w fotosyntezie, lecz przytłumionych chlorofilem, jak: żółte ksantofile (chroniące komórki liści przed szkodliwym działaniem reaktywnych form tlenu), pomarańczowe karotenoidy (również przeciwutleniacz oraz źródło witaminy A) oraz czerwone antocyjany (funkcje obronne).

Z tych powodów dla drzew liściastych utrzymanie liści byłoby nie tylko nieefektywnym wysiłkiem energetycznym, lecz również zagrożeniem bytu drzewa. Drzewa iglaste mają natomiast mniejsze wymagania zużycia wody, a przed mrozami zabezpiecza je również system odprowadzenie z igieł wody oraz pokrycie ich grubą warstwą skórki i substancji woskowej – co w zupełności chroni je przed najsilniejszymi mrozami16.

Genetyczne sposoby obrony przed mrozem pozwalają przetrwać drzewom nawet w temperaturze dochodzącej do minus 50 stopni Celsjusza. Wystarczy by temperatura spadła do -50C, a w ciągu kilku godzin, z liści osiki uwalniany jest kwas abscysynowy (ABA) – hormon, który już w czasie jesieni „wycisnął” z liści wodę, zamieniając sok roślinny w gęstą mieszankę cukru i białek, bardziej odporną na mrozy (zamarza dopiero w temperaturze -400C). Teraz hormon ABA radykalnie blokuje podział komórek, jednocześnie aktywując wytwarzanie warstwy żywicy osłaniającej pęki. Osika ma jeszcze jeden sposób na mrozy – wytwarza białka AFP, zwane proteinami antyzamrożeniowymi, gdyż łącząc się z kryształkami lodu, wyhamowują ich rozrastanie się.

I dopiero mrozy poniżej -650C powodują, że nawet niewielkie ilości wody pozostające w pniu drzew zamarzają, doprowadzając do jego rozsadzenia17.

Dlaczego liście naszych drzew
nie są czerwone jesienią?

Zagadka braku czerwonych liści w europejskich lasach została wyjaśniona przez dwóch badaczy: Jarmo Holopainena z Uniwersytetu w Kuopio w Finlandii oraz Simacha Lev-Yaduna z Uniwersytetu w Haifie w Izraelu.

35 milionów lat temu, w tropikalnych klimacie, drzewa były wciąż zielone i nie zrzucały liści – gdyż przez cały rok mogły wydatnie korzystać ze światła słonecznego. Wraz z nadejściem chłodniejszych czasów, drzewa zaczęły wyhamowywać proces produkcji chlorofilu, aż do zrzucenia liści. Równocześnie rozpoczęło się przemieszczanie strefy zasiedlenia drzew od biegunów w kierunku równika – a za drzewami migracja pasożytujących na nich owadów. Zmieniając przed zrzuceniem barwę liści, w tym energochłonny czerwony pigment, drzewa zniechęcały owady do składania na nich jaj.

Tylko że w Europie pochód drzew został zatrzymany przez łańcuchy górskie Alp i Karpat. Wiele gatunków przetrwało, lecz owady nie miały takich możliwości. Po powtórnym ociepleniu, ocalałe gatunki drzew nie miały już wrogów naturalnych i nie musiały produkować czerwonego barwnika.

Inaczej sytuacja przedstawia się w Ameryce oraz po drugiej stronie Eurazji – po powtórnym ociepleniu, owady bez przeszkód mogły ponownie opanować opuszczone tereny, zmuszając drzewa do ciągłej obrony18.

1. 2.3.2. Byle do wiosny

Bo gdy wiosna buchnie majem19, gdy promienie słońca zaczną dłużej i pod większym kątem docierać do ziemi, tak podwyższając średnią temperaturę, że nie spada ona poniżej krytycznego punktu zamarzania wody, przyroda wybucha życiem. Ilość energii gwarantuje, że wysiłek nie zostanie stracony.

Uśpiony na czas niekorzystnych, zimowych warunków metabolizm roślin, nie zaprzestaje porównywania warunków nasłonecznienia i temperatury. Nie robi tego pośpiesznie, wystarczą bodźce przesyłane z prędkością jednego centymetra na sekundę. Ale ten wewnętrzny regulator działa z dużą czułością, wykrywając różnice temperatury wynoszące jedną dziesiątą stopnia Celsjusza, natężenie światła oraz długość dnia. I dopiero gdy wszystkie warunki będą wypełnione, zgodnie ze wzorcem zapisanym w genach, aktywowane zostaną procesy, pozwalające pękom drzew rozwinąć się w kwiaty w ciągu dwóch tygodni, ciesząc kolorami nasze oczy20.

1. 2.4. Wewnętrzny zegar

Ślad prowadzący do odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób rośliny i zwierzęta potrafią precyzyjnie odmierzać czas, prowadzi do naszych odległych przodków – grzybów. Rosnąca w warunkach laboratoryjnych pleśń chlebowa Neurospora, wytwarza z wielką regularnością, w cyklu zbliżonym do doby, czerwone struktury zarodkowe. Ta regularność zaintrygowała naukowców, którzy poszukując ukrytego zegarka, zajęli się analizą genów. Znaleziono zegarek – był nim gen Frq. Później były badania genów muszki owocowej, myszy, by na końcu uzyskać potwierdzenie istnienia podobnych mechanizmów genetycznych w naszych organizmach21.

Drzewo algorytmów genów regulujących odmierzanie czasu bez zegarków, jest modelowym przykładem do wykazania, jak nawet złożone zadania – wydawałoby się, wymagające wiedzy i środków techniki – mogą być realizowane podstawowymi prawami przyrody. Pożądane efekty można zakodować w budowie białek oraz odpowiednich procedurach, wywołujących dalsze zmiany po osiągnięciu określonej wartości. Również z tego powodu – żeby nie marnować energii w przyszłości – przyjrzymy się temu tematowi dokładniej. Nim jednak przejdę do opisu drzewa algorytmów, ważna uwaga: działanie naturalnego zegara nie byłoby możliwe bez zrozumienia jednego faktu. Komputer genetyczny wykorzystuje materiał fizyczny, zarówno do przechowywania ciągu instrukcji, jak i realizacji zadań ukrytych w tym ciągu – z wszelkimi jego materialnymi wadami, w tym nieistnienia wiecznie trwałych stanów (druga zasada termodynamiki – przechodzenia od jednego do drugiego stanu równowagi). Każdy atom, a tym bardziej związek chemiczny złożony z wielu atomów, jakimi są białka, ulega rozpadowi (o czym powiem więcej przedstawiając ostatnie przykazanie). Czynnikami degradującymi białka są przeważnie inne związki chemiczne, ale mogą być również temperatura, ciśnienie, czy... światło.

W opisie działania genów regulujących rytm okołodobowy, John Medina używa sformułowania „świetlno-molekularny zegar”22. I jest to określenie jak najbardziej uzasadnione. Białkiem wrażliwym na światło (ale tylko o niebieskiej długości fali) jest białko Per.

W nocy, gdy światło słoneczne nie dociera do komórek organizmu, w jądrze komórkowym następuje aktywacja pracy genów per oraz tim. Transkrypt mRNA tych genów przenika przez błonę komórkową i przedostaje się do cytoplazmy podstawowej (cytozolu), gdzie w rybosomach rozpoczyna się produkcja odpowiednich białek Per oraz Tim. Część z nich ulega degradacji, lecz część pozostaje stabilna.

1. Grafika 2. Schemat działania świetlno-molekularnego zegara w nocy
2. Źródło: opracowanie własne

I tak się dzieje w ciągu dnia. W białku Per znajduje się region (PAS), umożliwiający związanie się z białkiem Tim – pod warunkiem dostarczenia energii pochodzącej ze światła. A wtedy – i tylko wtedy – tak połączone białka, nazywane heterodimerem, przenikają przez błonę komórkową, wracając do jądra. Tam przyłączają się do odcinków promotorowych macierzystych genów, blokując ich pracę. Produkcja białek Per oraz Tim zostaje zatrzymana. Aż do następnej nocy...

1. Grafika 3. Schemat działania świetlno-molekularnego zegara w dzień
2. Źródło: opracowanie własne

Oddziaływanie białek Per oraz Tim wobec własnych odcinków promotorowych w informatyce nazywa się ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Sprzężenie zwrotne oznacza oddziaływanie sygnałów stanu wyjściowego, na własne sygnały wejściowe – co pozwala na określenie prawidłowości lub nieprawidłowości działania systemu. Sprzężenia zwrotne wykorzystujemy, budując nie tylko urządzenia stosowane w automatyce (układy regulacyjne), pomagają one też zrozumieć zagadnienia z ekonomii, socjologii, politologii oraz... klimatologii. A sprzężenie ujemne pozwala na zachowanie stabilności układu. Jak widzimy, podobne systemy sprawdzają się nie tylko w krainie matematyki. Gdyż tak naprawdę wzorzec zaczerpnęliśmy z natury. Pojęcie samoregulacji procesów biologicznych – nazwane homeostazą, wprowadził do nauki Walter Bradford Cannon w 1939 roku23. Homeostaza reguluje pracę wielu układów, jak: temperaturę ciała (u zwierząt stałocieplnych), pH krwi i płynów ustrojowych, ciśnienie osmotyczne i tętnicze krwi, objętość płynów ustrojowych, stężenie związków chemicznych w płynach ustrojowych. Jednak do niedawna nie zdawaliśmy sobie sprawy, że sprzężenie zwrotne działa również na poziomie molekularnym, regulując ekspresję genów.

Kompletna instrukcja omówionych genów, zapisana jest w niecałych sześciu tysiącach znakach (nukleotydach), co można przeliczyć na troszkę ponad 3 strony maszynopisu. Gen par to od 2.580 do 2.59024, a gen tim od 3.490 do 3.51025. Oczywiście, te dwa geny to jedynie tryby zegarka. Potrzebnych jest jeszcze wiele innych genów – tak jak zegarkowi cyferblatu, dużej i małej wskazówki, obudowy, a na koniec mechanizmu wybijania godziny z wyskakującą kukułką – aby tryby wpłynęły na funkcjonowanie organizmu.

Zegar, którego wskazówek nie można zobaczyć, nie ma większego sensu, a w opisanym schemacie go brak, geny odmierzają czas same dla siebie. Moim zdaniem, białko tim uczestniczy – poprzez genetyczne induktory – jeszcze w innych procesach fizjologicznych organizmu, związanych z uruchomieniem genów specyficznych dla czasu wypoczynku. O podobnej roli genu może świadczyć fakt, że geny naszego zegarka działają w mózgu (komórkach nerwowych jądra naskrzyżowaniowego)26. Zwróćmy uwagę, że aktywność pracy tego genu zostaje zahamowana w czasie dnia (w wyniku połączenia z białkiem per i utworzenia heterodimeru per-tim). Drugą wskazówką do formowania podobnej opinii może być fakt szybkiej degradacji transkryptu genu Per. Transkrypt zawsze narażony jest na zniszczenie w drodze do rybosomów, lecz mRNA genu Per jest wyjątkowo wrażliwe. Podobna nadwrażliwość genu Per w krótkim czasie przerywa pracę genów „wypoczynkowych”.

Odziedziczony stopień ekspresji genów (obydwu lub nawet tylko jednego z nich), może decydować o tym, czy potrzeba nam sześciu, czy dwunastu godzin snu. Jeśli geny pracują efektywnie, wyprodukują w ciągu dnia tyle białek łączących się w heterodimery (per-tim), że te przez dłuższy czas będą mogły blokować pracę genów już po zachodzie słońca – i pozostaniemy aktywni w nocy, stając się sowami. A będziemy się kłaść z kurami, gdy geny pracują mało efektywnie i tuż po zmroku zabraknie nam heterodimerów.

Warianty genu per decydują również o długości rytmu okołodobowego. Wersja genu perS go skraca, perL wydłuża, a wariant per0 wywołuje nawet brak regulacji27.

Wrażliwość tych białek na światło, może również tłumaczyć zaburzenia snu podczas pełni Księżyca – odbijającego pełne spektrum fal słonecznych. W świetle pochodni, świeczek, lampy naftowej czy lamp żarowych nie odnajdziemy światła niebieskiego. Lecz w lampach fluorescencyjnych, stosowanych w zakładach pracy oraz w świetlówkach w dużych sklepach – już tak.

1. 3. Przykazanie

Przykazanie nie marnuj energii jest przykazaniem strukturalnym i dotyczy wszystkich organizmów, niezależne od wieku oraz stopnia rozwoju gatunkowego. Obowiązujące już przed narodzeniem, po ostatnie tchnienie życia. Realizowane jest poprzez uruchomienie procedur tylko w ściśle określonych warunkach, gwarantujących, że poniesione koszty przyniosą zysk.

Jeśli w wyniku reakcji chemicznych zostaje wyzwolona energia – to jest to pierwszy krok do możliwości powstania życia. Na drodze do jego powstania konieczne jest jednak wypełnienie tak wielu dalszych warunków, jak choćby możliwość powtarzania podobnego procesu, że nie jest to takie łatwe. Do powstania pierwszych, jednokomórkowych organizmów na Ziemi, potrzebnych było około 800 milionów lat.

Kluczowym do nazwania zdolności do produkcji energii życiem, jest również wypełnienie innego warunku: umiejętności powielania się. Słońce też wytwarza energię (można powiedzieć, że przez wieczność – w odniesieniu do organizmów żywych na naszej planecie), lecz nie spełnia tego warunku. Po 4,6 miliardach lat moglibyśmy oczekiwać wokół naszej Ziemi już z miliona gwiazdeczek na niebie, a wciąż mamy tylko jedną. I to trwoniącą – ku naszej uciesze – energię, tak że nawet tak ogromny piec w końcu się wypali.

Organizmy żywe spełniają obydwa warunki. Jednak pozyskiwanie energii nie przychodzi im z łatwością i dlatego w genomie zapisanych jest wiele rozwiązań pozwalających na nietracenie energii w bezużytecznych działaniach. A niepotrzebnymi są te wszystkie, które nie służą wypełnieniu pozostałych przykazań. Z tych powodów nie marnuj energii jest przykazaniem nadrzędnym.

1. 4. Powiązania
2. 4.1. Boskie „Pamiętaj, aby dzień święty święcić” (3)

To przykazanie boskie jest sprzeczne z kodem genów. Mimo że geny nie marnują energii, nie stać je na dni wolne. Odpoczynek może nastąpić jedynie wtedy, gdy istnieje dodatni bilans energetyczny. Niektóre zwierzęta, jak węże i gady, świętują większą część życia. Inne odpoczywają jedynie wtedy, gdy nie ma warunków do pracy. Czasem jest to noc, jak dla owadów dziennych (pszczoły, motyle), a czasem dzień, kiedy to pracują owady nocne (ćmy). Również niekorzystne warunki klimatyczne, mogą zmusić rośliny oraz zwierzęta do przedłużonego odpoczynku.

1. 4.2. Boskie „Nie zabijaj” (5)

Nie męcz się, zabijając więcej ofiar niż jesteś w stanie zjeść. To jedyna zbieżność z przykazaniem boskim, które zakazuje zabijania. Bowiem zabijać trzeba: broniąc się lub zdobywając pożywienie. I jedynie zabijanie bez powodu – czyli wydatkowanie energii bez potrzeby – jest złe. Wiedzą o tym wszystkie zwierzęta; no, może poza przysłowiowym lisem w kurniku.

1. 4.3. Siedem grzechów głównych – lenistwo

Czy niemarnowanie energii jest lenistwem? Nie. Nie warto wydatkować energii na działania nieprzynoszące zysku.

W odniesieniu do wysiłku fizycznego – potrzebnego do kopulacji, zdobycia jedzenia, obrony terytorium – utrata energii jest konieczna. W innych przypadkach można, a według starożytnych filozofów nawet trzeba, poleniuchować. Lenistwem jest natomiast zaniechanie podjęcia działań, mimo możliwości realizacji zadań, określonych w pozostałych przykazaniach.

Ale przykazanie nie marnuj energii odnosi się również do procesu twórczego. Nie tylko układania wierszy, ale również ich recytacji, czy nawet wysłuchania. A jednak ewolucja pozwala człowiekowi na bezużyteczne bujanie w obłokach. Gdyż często w tych chmurach można dostrzec kształt nowego rozwiązania konstrukcji mostu, pomysł na elektroniczną maszynę liczącą czy urządzenie do podgrzewania jedzenia bez ognia – co już przynosi wymierne korzyści dla populacji.

1. 5. Refleksje

Bez odrobiny lenistwa pewnie nadal skakalibyśmy po drzewach. To niechęć przed marnowaniem energii spowodowała, że do analizy problemów i poszukiwania mniej energochłonnych rozwiązań zaprzęgaliśmy mózg.

1. 6. Podsumowanie

Jeżeli nie przekonują nas te przykłady do uznania przykazania nie marnuj energii jako najważniejszego, to niech argumentem za oszczędzaniem energii nie tylko w domu, będzie długość życia. Jednak pewne aspekty zagadnienia śmierci – to, do czego jesteśmy skłonni pod koniec życia – wskazują, że jest ona bardziej związana z innym przykazaniem i dlatego konsekwencje fizycznych ograniczeń naszego bytu, jak i psychicznego wypalenia, przedstawię w ostatnim przykazaniu.

Przypisy:

Dlaczego podczas choroby czujemy zmęczenie?, „Świat Wiedzy” 2012, nr 10, s. 15.

Erin Tranfield, Życie pod niebem bez Księżyca – naukowy domysł, tłum. Grzegorz Glubowski, http://www.scienceinschool.org/print/4289.

Na dodatek ten wodny ssak jest również najgłośniejszym zwierzęciem – jego śpiew rozchodzi się na odległość ponad 800 kilometrów, a śpiewa z natężeniem przekraczającym start samolotu czy młot udarowy – 190 decybeli.

Prawdopodobnie był nim A. fragillimus, jednak wielkość gatunku tego dinozaura oszacowano na podstawie pojedynczego niekompletnego kręgu, który zaginął.

Holger Diedrich, Cud energetyczny, „Świat Wiedzy” 2012, nr 10, s. 62.

Na gałęzi wisi leń, „Świat Wiedzy” 2013, nr 6, s. 113.

W przeciwieństwie do większości ssaków, leniwce nie regulują swojej temperatury przez zmianę tempa metabolizmu, tylko poprzez przechodzenie ze słońca do cienia. W efekcie ciało leniwca potrzebuje prawie o połowę mniej kalorii niż ciała innych ssaków o podobnych rozmiarach.

Hannes Wellmann, Jak zamienić się pod wodą w żywą torpedę?, „Świat Wiedzy” 2013, nr 2, s. 24.

Skąd się biorą czarne owce?, „Świat Wiedzy” 2012, nr 9, s. 8.

YT, Po co człowiekowi sen, Newsweek.pl 2001, http://polska.newsweek.pl/po-co-czlowiekowi-sen,29171,1,1.html.

Ewa Nieckuła, Rośliny takie jak my, http://www.focus.pl/przyroda/rosliny-takie-jak-my-8219.

Gen śpiączki, „Wiedza i Życie” 2012, nr 2, s. 12.

Jedno z najważniejszych drzew w gospodarce leśnej będącej surowcem do mebli oraz... syropu klonowego do naleśników.

Gdzie jesień jest najbardziej kolorowa?, „Świat Wiedzy” 2011, nr 4, s. 74.

http://www.zadaj.pl/zadanie/oblicz-ile-godzin-i-minut-trwa-zima-jesien-lato-wiosna-10265

http://thesite.pl/W/Dlaczego-drzewa-iglaste-nie-zrzucaj%C4%85-igie%C5%82-na-zim%C4%99

Jessica Knaupe, Jak przetrwać zimę w lasie?, „Świat Wiedzy” 2014, nr 1, s. 34.

hold, Zagadka jesiennych liści, „Świat Nauki” 2009, nr 10, s. 22.

Andrzej Bianusz, Kiedy wiosna buchnie majem, piosenka zespołu Partita.

Astrid Kessler, Jessica Knaupe, Wiosna, ach to ty, „Świat Wiedzy” 2014, nr 4, s. 30.

John Medina, Genetyczne piekło, Wydawnictwo W.A.B. oraz CiS, Warszawa 2003, s. 240.

Ibidem, op. cit., s. 246.

Na podstawie obserwacji pracy trzustki, ślinianek oraz wątroby w procesie trawienia, przeprowadzonych przez Claude’a Bernarda w 1857 roku.

http://en.wikipedia.org/wiki/Period_%28gene%29.

http://en.wikipedia.org/wiki/Timeless_%28gene%29.

John Medina, Genetyczne piekło, Wydawnictwo W.A.B. oraz CiS, Warszawa 2003, s. 253.

http://en.wikipedia.org/wiki/Period_%28gene%29.