Splątane drzewo życia. Nowe, radykalne spojrzenie na historię ewolucji - ebook

WSTĘP. TRZY NIESPODZIANKI

Życie we wszechświecie, o ile nam wiadomo, bez względu na to, jak dobitnie będziemy przekonywać, że może być inaczej, jest osobliwym zjawiskiem występującym jedynie na planecie Ziemia. Mamy wszak do czynienia z wieloma spekulacjami i probabilistycznymi deliberacjami, które nie znajdują potwierdzenia w postaci chociażby pojedynczego dowodu, wręcz przeciwnie. Matematyczne wyliczenia i środowisko chemiczne wydają się sugerować, że życie powinno zaistnieć również gdzie indziej. Ale taka alternatywna rzeczywistość, jeśli w ogóle istnieje, jak do tej pory wciąż pozostaje niedostępna. To tylko przypuszczenia, podczas gdy życie na Ziemi jest faktem. Ewentualne zdumiewające odkrycia istot pozaziemskich, do jakich może dojść jutro, w przyszłym roku lub długo po tym jak wasze i moje ziemskie bytowanie przejdzie do historii, będą w stanie obalić to wrażenie wyjątkowości naszej planety. Na razie jednak sprawa jest jasna: życie jest przygodą, która rozgrywa się tylko tutaj, na stosunkowo niewielkiej skalistej planecie, w bardzo mało wyjątkowym zakątku takiej sobie galaktyki. Jest to historia, która według naszej najlepszej wiedzy wydarzyła się tylko raz.

Nic dziwnego, że przebieg tej historii, zarówno w jej ogólnych zarysach, jak i w najdrobniejszych szczegółach, pozostaje przedmiotem niemałego zainteresowania.

Co takiego zatem wydarzyło się na przestrzeni ostatnich około czterech miliardów lat, by życie od swych prymitywnych początków mogło wybujać do tak olśniewającej różnorodności i złożoności, jaką obecnie możemy podziwiać? Jak do tego doszło? W jaki sposób przypadkowe zdarzenia w połączeniu z niezwykłą determinacją dały początek stworzeniu tak cudownemu jak człowiek — a także płetwalom błękitnym, tyranozaurom i gigantycznym sekwojom? Wiemy, że w historii ewolucji dochodziło do kluczowych zmian, nieprawdopodobnych przypadków konwergencji, do zabrnięcia w ślepe uliczki, masowego wymierania, wielkich wydarzeń, jak również do niewielkich zmian, które pociągały za sobą poważne konsekwencje — a także do pewnych fatalnych zdarzeń, które pozostawiły po sobie subtelne ślady w skamielinach i świecie istot żywych. Gdybyśmy mieli wpływ na kształtowanie tych kilku nieprzewidzianych zdarzeń, chociażby w ramach eksperymentu myślowego, to wszystko byłoby inne. Nie byłoby nas. Nie byłoby roślin i zwierząt. Dlaczego stało się tak, a nie inaczej? Religie dysponują odpowiedziami na takie pytania, ale w dziedzinie nauki takie odpowiedzi muszą najpierw zostać odkryte, a następnie poparte dowodami empirycznymi, a nie objawione w nabożnym transie.

Ta książka opowiada o nowej metodzie przedstawienia tej historii, o innym sposobie dedukcji oraz o pewnych nieoczekiwanych spostrzeżeniach wynikających z tej nowej metody. Ma ona swoją nazwę: filogenetyka molekularna. Możemy się krzywić nad tym fantazyjnym zwrotem, ale w rzeczywistości to, co on oznacza, jest dość proste: to odczytywanie całej historii życia i wzorców pokrewieństwa z określonej sekwencji jednostek składowych pewnych długich cząsteczek, ponieważ takie cząsteczki istnieją do dziś w żywych organizmach. Głównymi omawianymi molekułami są DNA, RNA oraz kilka wybranych białek. Zaś jednostkami składowymi są tu zasady nukleotydowe i aminokwasy — szczegółowiej zdefiniujemy je później. Nieoczekiwane spostrzeżenia zasadniczo wpłynęły na to, co, jak sądzimy, wiemy o historii życia i funkcjonalnych częściach istot żywych, w tym o nas samych. Zwłaszcza chodzi o trzy wielkie sensacje w kwestii tego, kim tak naprawdę jesteśmy — my, jako wielokomórkowe zwierzęta, a dokładniej my, ludzie — i jak ewoluowało życie na naszej planecie.

Jedna z tych trzech niespodzianek dotyczy całej kategorii życia, anomalnej formy stworzeń, których istnienia nikt wcześniej nawet się nie spodziewał, a obecnie znanych jako archeony. (Ich nazwę, gdy jest używana jako formalna kategoria taksonomiczna, zapisuje się wielą literą: Archeony). Drugim odkryciem jest tryb dziedzicznej zmiany, którego wcześniej również nikt się nie spodziewał, zwany obecnie horyzontalnym lub poziomym transferem genów. Trzecie odkrycie bardzo prawdopodobnie dotyczy naszych najdalszych przodków. My, ludzie, być może pochodzimy od stworzeń, o których jeszcze zaledwie czterdzieści lat temu nie wiedziano.

Odkrycie i identyfikacja archeonów, które od dawna uważano za podgrupę bakterii, pokazało, że współczesne życie w skali mikrobiologicznej bardzo różni się od tego, co nauka dotychczas przedstawiała, i że wczesna historia życia była również zupełnie inna. Zaobserwowanie istnienia horyzontalnego transferu genów (horizontal gene transfer lub HGT, dla zakochanych w skrótowcach ekspertów) jako powszechnego zjawiska podważyło tradycyjne przekonanie, że geny przekazywane są jedynie pionowo, z rodziców na potomstwo, i niemożliwe jest wymienianie ich na boki ponad granicami gatunków. Najnowsze doniesienia na temat archeonów mówią zaś, że wszystkie zwierzęta, wszystkie rośliny, wszystkie grzyby i wszystkie inne stworzenia złożone z komórek zawierających w swoich jądrach DNA — ta lista obejmuje także nas — pochodzą od tych dziwnych, starożytnych drobnoustrojów. Być może. Taka wiadomość może wywołać wstrząs porównywalny do tego, gdy dowiadujesz się, że niewykluczone, iż twój praprapradziadek nie pochodził z Litwy, ale z Marsa.

Podsumowując, te trzy niespodzianki rodzą nowe poważne wątpliwości — i pociągają za sobą istotne implikacje w kwestii ludzkiej tożsamości, ludzkiej indywidualności, ludzkiego zdrowia. Nie jesteśmy dokładnie tym, za kogo do tej pory się uważaliśmy. Jesteśmy stworzeniami złożonymi, a korzenie naszego rodowodu wydają się sięgać strefy mroku żywego świata, grupy stworzeń, o których istnieniu nauka do ostatnich dziesięcioleci nie miała pojęcia. Ewolucja okazuje się o wiele trudniejsza i bardziej skomplikowana, niż nam się wydawało. Drzewo życia okazuje się bardziej poplątane. Geny nie przepływają jedynie z góry na dół. Mogą również na boki przekraczać granice gatunków, pokonywać szersze przepaście, nawet między różnymi królestwami życia, a niektóre z nich przeniknęły poprzecznie do naszej własnej linii — linii naczelnych — z nieprzewidywalnych, niezwiązanych z ssakami naczelnymi źródeł. Jest to genetyczny odpowiednik transfuzji krwi lub (według innej, preferowanej przez niektórych naukowców metafory) infekcji zmieniającej tożsamość. „Dziedziczność infekcyjna”. Powiem o tym więcej w stosownym czasie.

A tymczasem powracając do infekcji: kolejny wynik tego poziomego przepływu genów wiąże się z globalnym wyzwaniem, przed jakim staje medycyna, mianowicie bakteriami odpornymi na antybiotyki, czyli cichym kryzysem, który ma się stawać coraz głośniejszy. Niebezpieczne zarazki, takie jak MRSA (ang. methicillin-resistant Staphylococcus aureus) — oporne na metycylinę szczepy gronkowca, który zabija rocznie ponad 11 000 osób w Stanach Zjednoczonych (a na całym świecie o wiele więcej), mogą wkrótce, na drodze poziomego transferu genów, pozyskać od całkowicie odmiennych rodzajów bakterii pełen zestaw genów oporności na leki. Właśnie dlatego problem superopornych na wiele leków superbakterii — bakterii, których nie sposób zwalczyć — rozprzestrzenił się tak szybko na całym świecie. Dzięki takim objawieniom, jednocześnie praktycznym, jak i wnikliwym, nagle stajemy przed wyzwaniem, by zmodyfikować nasze podstawowe rozumienie tego, kim jesteśmy, do jakich ingerencji doszło w naszej strukturze i jak działa świat istot żywych.

Cały ten radykalny reset myślenia biologicznego wziął się z kilku źródeł rozlokowanych w przestrzeni i czasie. O jednym z nich, być może najważniejszym, należy od razu w tym miejscu wspomnieć. Była jesień 1977 roku; miasteczko Urbana, w stanie Illinois, gdzie pewien mężczyzna, Carl Woese, z nogami opartymi na biurku, pozował dumnie na tle tablicy pełnej zapisków i wykresów fotografowi z „New York Timesa”. Artykuł, do którego wykonano zdjęcie, donosił, że Woese wraz z zespołem odkrył „samodzielną formę życia” stanowiącą, oprócz dwóch dotychczas uznanych, „trzecie królestwo” form biologicznych. Został on opublikowany 3 listopada 1977 roku i znalazł się na pierwszej stronie, na samej górze, spychając w cień wzmianki o porwanej dziedziczce fortuny Patty Hearst i nałożonym na reżim apartheidu w Południowej Afryce embargu na broń. Bez względu na to, czy zwykły czytelnik „Timesa” po tak skąpym opisie był w stanie zrozumieć, co to znaczy „osobna forma życia”, czy też nie — było to doniesienie bez precedensu. Dla Woese’a artykuł ten oznaczał życiowy sukces, owe pięć minut, które zdaniem Warhola należy się każdemu, a po którym trzeba było powrócić do laboratorium. Woese był inicjatorem radykalnych zmian — zarówno we własnym obszarze badań naukowych, jak i w opisie dziejów życia — a jednak dla większości ludzi, poza wąskim kręgiem osób zajmujących się biologią molekularną, pozostaje osobą anonimową.

Carl Woese był nietuzinkowym człowiekiem — niezwykle zaangażowanym i bardzo skrytym — który nie stronił od trudnych pytań i sięgał po genialne techniki, aby je zbadać. Lekceważąc niekiedy niektóre zasady naukowego porządku, robił sobie wrogów, ignorował subtelności, mówił to, co myślał, koncentrował się obsesyjnie na swoim własnym programie badawczym, z wyłączeniem większości innych problemów, i stał się autorem co najmniej jednego lub dwóch odkryć, które wstrząsnęły filarami myśli biologicznej. Dla swoich bliskich przyjaciół był przystępnym, zabawnym facetem; zgryźliwym i lekko drwiącym, zakochanym w jazzie, smakoszem piwa i szkockiej oraz amatorem gry na fortepianie. Dla większości swoich studentów, kolegów z doktoratem i asystentów laboratoryjnych, był dobrym szefem i inspirującym mentorem, czasem (choć nie zawsze) dość hojnym, mądrym i troskliwym.

Jako wykładowca — profesor mikrobiologii na Uniwersytecie ­Illinois — prawie zupełnie się nie udzielał. Nie stawał przed pełnymi audytoriami zapalczywych, naiwnych i niedoinformowanych studentów, by cierpliwie wyjaśniać im elementarną wiedzę na temat bakterii. Wykłady nie były jego mocną stroną ani celem w życiu, brakowało mu też elokwencji, nawet podczas prezentacji osiągnięć swojej pracy na spotkaniach naukowych. Nie lubił tych spotkań. Nie lubił podróżować. Nie stworzył w swoim laboratorium radosnej kultury pracy zespołowej, łączącej organizację seminariów z przyjęciami bożonarodzeniowymi, utrwalanymi na zdjęciach grupowych, jak robi to wielu pracowników naukowych z dużym stażem. Miał wśród swoich młodych asystentów przyjaciół, z których niektórzy wspominają przyjemne chwile, śmiechy, grille przy piwie w domu Woese’a mieszczącym się w odległości zaledwie kilkuminutowego spacerku od kampusu uniwersyteckiego. Ale ci przyjaciele byli wybrańcami, którzy jakoś dzięki urokowi lub szczęściu zdołali przebić się przez jego twardą skorupę.

W późniejszych latach, kiedy zyskiwał coraz większe uznanie, otrzymując wszelkiego rodzaju zaszczytne nagrody, bliskie Nagrodzie Nobla, Woese zdawał się równie zgorzkniały. Uważał się za outsidera. Do National Academy of Sciences, tego dostojnego gremium, został wybrany dopiero w wieku sześćdziesięciu lat i ta zwłoka bardzo mu ciążyła. Według niektórych doniesień zaczął stronić od własnej rodziny — żony i dwójki dzieci, o których rzadko wspominano w publikowanych relacjach o jego pracy naukowej. Był genialnym pomyleńcem, choć jego praca spowodowała konieczność drastycznego zrewidowania jednego z najbardziej podstawowych pojęć w biologii: idei drzewa życia, wielkiego rozkrzewionego obrazu pokrewieństwa i różnorodności. Dlatego właśnie triumf Woese’a, który ogłoszono w Urbanie 3 listopada 1977 r., stanowi niemalże sedno tej książki.

Inni naukowcy i inne odkrycia są z Woese’em i jego drzewem ściśle powiązane. Na przykład mało znany brytyjski lekarz Fred Griffith, w połowie lat dwudziestych XX wieku zajmujący się z ramienia Ministerstwa Zdrowia badaniami nad zapaleniem płuc, zauważył nieoczekiwaną transformację bakterii: jeden szczep zmienia się nagle w inny szczep — z nieszkodliwego do śmiertelnie zjadliwego. Było to ważne odkrycie z punktu widzenia zdrowia publicznego (bakteryjne zapalenie płuc było w tamtych czasach główną przyczyną śmierci), ale także, z czego nawet Griffith nie zdawał sobie sprawy, stanowiło ono wskazówkę prowadzącą do wykrycia głębszych prawd w nauce.

Mechanizm kłopotliwej transformacji odkrytej przez Griffitha pozostawał niejasny aż do 1944 r., kiedy to cichy i humorzasty badacz, Oswald Avery z Rockefeller Institute w Nowym Jorku, opisał jego zasadę, „zasadę transformacji”, która może spowodować tak nagłą przemianę jednej tożsamości bakteryjnej w inne. Był to kwas dezoksyrybonukleinowy. DNA. Niespełna dekadę później Joshua Lederberg i jego koledzy wykazali, że tego rodzaju transformacja, nazwana „dziedziczeniem infekcyjnym”, jest u bakterii procesem rutynowym i ważnym (jak pokażą dalsze badania, nie tylko u bakterii). Tymczasem genetyczka Barbara McClintock, która postanowiła zająć się kukurydzą i odkryła, że geny na chromosomach jej ulubionej rośliny przeskakują z miejsca na miejsce, przez pierwsze lata swojej kariery nie mogła liczyć na zbytnie wsparcie lub uznanie. Została uhonorowana Nagrodą Nobla dopiero w wieku osiemdziesięciu jeden lat.

Lynn Margulis, wykształcona w Chicago mikrobiolożka, niepowtarzalna pod każdym względem, dzieliła z McClintock przynajmniej jedną rzecz: frustrację wynikającą z odrzucenia przez niektórych kolegów, uważających ją jedynie za ekscentryczną i upartą kobietę. W przypadku Margulis chodziło o przyjrzenie się pewnemu nienowemu już pomysłowi, który od dawna uważano za zwariowany, a mianowicie endosymbiozie. W jej ujęciu termin ten oznaczał w przybliżeniu kooperacyjną integrację żywych stworzeń wewnątrz innych żywych organizmów. Miała ona dotyczyć nie tylko małych stworzeń w brzuchach lub nozdrzach większych istot, ale także komórek w komórkach. Ściślej rzecz biorąc, Margulis udowadniała, że komórki tworzące organizm w bardziej złożonych formach życia — w każdym człowieku, każdym zwierzęciu, każdej roślinie, każdym grzybie — mają charakter hybrydowy, integrujący bakterie przechwycone wewnątrz tworów niebakteryjnych. Te konkretne bakterie na przestrzeni czasu uległy transmogryfikacji, przyjmując postać narządów komórkowych. Wyobraźmy sobie ostrygę wszczepioną krowie, która staje się funkcjonalną nerką bydlęcą. Kiedy Margulis zaproponowała to w 1967 roku, zakrawało to na jakieś szaleństwo. Ale w większości miała rację.

W całym tym łańcuchu wydarzeń kluczową rolę odegrali również Fred Sanger, Francis Crick, Linus Pauling, Tsutomu Watanabe oraz inni naukowcy, imponujący zarówno siłą osobowości, jak i naukową błyskotliwością. Zagłębiając się dalej w przeszłość, odnajdziemy nieco bardziej tajemnicze postacie, takie jak Ferdinand Cohn, Edward Hitchcock i Augustin Augier, a także bardziej znane, takie jak Ernst Haeckel, August Weismann i Karol Linneusz. Nieuchronnie w cieniu ewolucyjnego myślenia czaić się będzie duch Jeana-Baptiste’a Lamarcka.

Tacy ludzie, wszyscy uczestnicy rewolucji naukowej, stanowią sami w sobie obiekty zainteresowania, gdyż ciekawą rzeczą jest to, w jaki sposób ich dzieła wynikały z ich osobistego życia. Stwarzają oni pretekst do refleksji o tym, że sama nauka, jakkolwiek precyzyjna i obiektywna, jest wynikiem ludzkiej aktywności. Stanowi ona zarówno sposób snucia domysłów, jak i strategię zdobywania konkretnej wiedzy. Jest to proces, a nie zbieranina faktów lub prawideł. Podobnie jak muzyka, poezja, baseball czy szachy, nauka to coś chwalebnie niedoskonałego — jak wszystko, co jest dziełem człowieka. Ślady tego widać wszędzie wokół nas.

Ludzie nie są jedynymi ważnymi bohaterami niniejszej książki. Spotkamy w niej również wiele innych żywych stworzeń, których unikalne historie i słabe punkty ilustrować będą przełomowe momenty w historii, którą próbuję opowiedzieć. Wiele z nich to mikroby — bakterie, o których wspomniałem, archeony i inne mikrusy. Nie dajcie się zwieść ich niewielkim rozmiarom; skutki ich działania mogą okazać się gigantyczne. I nie zniechęcajcie się ich nazwami, które najczęściej występują w naukowo brzmiącej formie łacińskiej: Bacillus subtilis, Salmonella typhimurium, Methanobacterium ruminantium i inne potworne łamańce językowe. Powodem, dla którego te nazwy przywołuję, nie jest moje zamiłowanie do posługiwania się tajemnym językiem, ale fakt, że nie posiadają one innych określeń. Drobnoustroje na ogół nie dostępują łaski nadania pospolitych nazw na poziomie gatunku, jakichś przypadkowych pseudonimów, takich jak żyrafa południowa, trznadel oliwkowy, motyl monarcha lub smok z Komodo. Jeśli uznam, że bakterię znaną jako Haemophilus influenzae można będzie nazwać „drażniącą nos Fleminga”, obiecuję, że to zrobię.

Należy w tym miejscu przedstawić jeszcze jednego z uznanych przedstawicieli rodzaju ludzkiego. To brodaty amerykański mikrobiolog ze skłonnościami do filozoficznej zadumy, chowający się na jednym z uniwersytetów Nowej Szkocji. Ten człowiek połączył dokonania Carla Woese’a, Lynn Margulis i wiele nowych prac z obszaru filogenetyki molekularnej, rzucając groźne wyzwanie kluczowej metaforze, jaką posługujemy się w biologii. Nazywa się Ford Doolittle. Jest wysokim, pewnym siebie mężczyzną, któremu wywoływanie swego rodzaju dyskomfortu intelektualnego sprawia swoistą przyjemność. Na przełomie tysiącleci Doolittle opublikował esej zatytułowany Uprooting the Tree of Life (Karczowanie drzewa życia), który pomógł uruchomić lawinę sporów. Dowiedziałem się o jego istnieniu właśnie za sprawą tego eseju i powiązanych z nim publikacji, zwłaszcza tych, w których omawiał horyzontalny transfer genów i jego konsekwencje. W pierwszej chwili pomyślałem sobie: „Horyzontalne co?”. Potem wybrałem się do Halifaksu i spędziłem kilka dni w jego gabinecie. Doolittle jest już częściowo na emeryturze, choć wciąż kieruje pracami doktorantów, nadal pozyskuje niemałe środki z prestiżowego grantu badawczego, ale nie hoduje już radioaktywnych bakterii w swoim laboratorium, aby wydedukować, jak zbudowane są fragmenty ich genomów (fragmenty całości ich DNA), widoczne na zdjęciach rentgenowskich stosowanych do prześwietlania klatki piersiowej. Nie przepuszcza już odkrojonych cząsteczek przez elektroforetyczne żele, jak to miało miejsce w czasach, gdy był pionierem w tej dziedzinie. Czyta, myśli, pisze, rysuje. (Robi zdjęcia artystyczne, głównie dla rozrywki, i od czasu do czasu organizuje wystawy, ale to zupełnie inna dziedzina jego działalności). Tak naprawdę tym, co sprawiło, że prace Forda Doolittle’a wywołały tak duży odzew, była, oprócz kwalifikacji, jakie posiada w dziedzinie biologii, umiejętność pisania znacznie przewyższająca zdolności większości naukowców — i fakt, że jest sprawnym rysownikiem, zamieniającym obszerne koncepcje w pełne wdzięku kreskówkowe obrazy. Ojciec Doolittle’a był malarzem i profesorem sztuki. Młody Ford sam rozważał karierę artystyczną, chociaż jego ojciec uznał ją za „okropny sposób zarabiania na życie”. Potem, gdy miał piętnaście lat, w 1957 r., Sowieci wysłali sputnik w kosmos, przekonując tym Forda, jak i wielu innych Amerykanów, że działalność naukowa i inżynieria stanowią bardziej pożądany i ważniejszy obszar rywalizacji. Wstąpił do Harvard College, gdzie studiował biochemię. Artystyczny impuls nigdy go jednak nie opuścił. Obecnie, aby zilustrować swoje wywrotowe myślenie i genialne prowokacje, rysuje drzewa, które właściwie nie przypominają drzew.

Woese, Doolittle, Margulis, Lederberg, Avery, Griffith i inni — wszyscy odgrywają swoje role w tej opowieści. Ale za bardziej naturalny punkt wyjścia przyjmiemy znacznie wcześniejsze wydarzenia: Londyn, 1837 r. i zupełnie innego naukowca, w zupełnie innych okolicznościach.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki