Jak żyć w zgodzie z genami

Tekst
0
Recenzje
Przeczytaj fragment
Oznacz jako przeczytane
Jak czytać książkę po zakupie
Czcionka:Mniejsze АаWiększe Aa

Tadeusz Meszko

Jak żyć w zgodzie z genami. Genetyczna matryca duszy

Saga

Jak żyć w zgodzie z genami. Genetyczna matryca duszy

Copyright © 2015, 2021 Tadeusz Meszko i SAGA Egmont

Redakcja i korekta: Paweł Depczyk

Zdjęcie na okładce: Shutterstock

Wszystkie prawa zastrzeżone

ISBN: 9788726969061

1. Wydanie w formie e-booka

Format: EPUB 3.0

Ta książka jest chroniona prawem autorskim. Kopiowanie do celów innych niż do użytku własnego jest dozwolone wyłącznie za zgodą Wydawcy oraz autora.

www.sagaegmont.com

Saga jest częścią Grupy Egmont. Egmont to największa duńska grupa medialna, należąca do Fundacji Egmont, która każdego roku wspiera dzieci z trudnych środowisk kwotą prawie 13,4 miliona euro.

Bibliografia

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, w odstępstwie czasu nie większym niż 20 sekund, jest sygnałem do zamknięcia pułapki.

Można się zapytać: czy rośliny myślą? To nie jest konieczne. Wystarczy, że po potrąceniu pierwszego włoska czuciowego 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, 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.

Czym są przykazania genów

Dlaczego podstaw naszej psychiki mam szukać w genach? To pytanie zapewne nurtuje wielu czytelników. Pierwsza część książki będzie próbą odpowiedzi, w jaki sposób geny mogą budować naszą świadomość.

U człowieka głównym ośrodkiem kontroli pracy organizmu jest mózg. A jak z nadzorem nad funkcjami życiowymi i zachowaniami radziły sobie organizmy przed wykształceniem tak skomplikowanego i energochłonnego organu?

Ciekawy jest tu przykład bakterii, która zaczyna świecić dopiero wtedy, gdy jej kolonia osiąga określony stan nasycenia. Podobne mechanizmy zapewne występują też u organizmów wyższych. A te umiejętności muszą zostać przekazane nie poprzez naukę udzieloną przez rodziców lub w szkolnych ławkach, a w genach. Uczenie się, a dokładniej mówiąc, kształtowanie odpowiednich – z punktu widzenia genów – zachowań mózgu, polega na karaniu lub nagradzaniu organizmu poprzez produkcję odpowiednich hormonów w odpowiedzi na dokonywane wybory.

Gdy będziemy pamiętać o długim czasie selekcji doboru naturalnego, zrozumiemy, że wykształcenie odpowiednich wzorców zakodowanych w genach jest co prawda bardzo długotrwałym, lecz nieskomplikowanym procesem. Mutacje wywodują różną ekspresję genów produkujących hormony – a w kodzie osobników najlepiej dostosowanych do środowiska przetrwa wzór funkcjonowania mózgu, który okazał się najbardziej korzystny dla przetrwania i rozmnażania, eliminując (poprzez śmierć osobników) inne warianty ekspresji genów.

W skrajnych przypadkach, z czysto racjonalnego punktu widzenia, nawet tak nielogiczne zachowania jak altruizm, mogą okazać się korzystne 1 . Przykazania genów są korzystne dla bytu organizmów, a nie prawa moralnego czy boskiego. Zachowania, uważane przez nas za bardziej moralne, jak „nie zabijaj” czy „nie kradnij” często nie są korzystne dla genów i dlatego każdy organizm – po ocenie korzyści i strat – podejmie działania przynoszące więcej zysku. Dopiero presja społeczeństwa może powstrzymać organizm przed podjęciem podobnych zachowań – gdyż przesuwa granicę ryzyka poniesienia kary. Jednak wystarczy, by ta presja osłabła (rozbitkowie na wyspie, upadek samolotu w górach, wojna), a straty z niepodjęcia działań i tak zagroziłyby bytowi organizmu (śmierć głodowa), aby narzucone nakazy prysły i górę wzięły przykazania genów (kradzież, kanibalizm, zabójstwo).

Organizmy, które nie przetrwały mogły posiadać zestaw ekspresji genów o wyższej „moralności”. I być może z tego powodu wyginęły, gdyż dla ciągłości bytu nie jest ważne dobro czy zło, a efektywność (zdolność do przetrwania i wydania potomstwa). Tak więc możemy być „gorszymi” kuzynami ludzi pierwotnych.

Na tej samej zasadzie, w każdym pokoleniu odnajdziemy zarówno osobniki o szczególnej „dobroci”, jak i „nikczemności”. I nawet jeśli uda im się przeżyć oraz rozmnożyć, wydanie potomstwa dziedziczącego indywidualny zestaw fenotypu rodziców nie wywoła zmian w całej populacji, o ile to potomstwo nie spłodzi następnych pokoleń. Bo dopiero wtedy będzie mogło stać się dominującym modelem gatunku, wypierając niższe – z naszego obecnego rozumienia moralności – warianty ekspresji genów. Tylko że utrwalenie wzorca genetycznego może się powieść zarówno osobnikom o ogromnej „dobroci”, jak i wielkiej „nikczemności”. To często kwestia przypadku, a nie moralności przyrody lub Boga.

Z tych powodów, w odniesieniu niemal do każdej sfery naszego zachowania, można stwierdzić – mózg jest narzędziem sterowanym przez kod genetyczny. Wolfgang Wickler w pracy Biologia dziesięciu przykazań zauważa, że „ewolucyjne prawa natury nie dają pierwszeństwa ani przetrwaniu jednostki, ani gatunków, lecz przetrwaniu i rozprzestrzenianiu się elementów, które same się powielają: genów oraz ich kompleksów, a także przenoszeniu programów zawartych w układzie nerwowym”. Jeżeli przyjmiemy, że część tych zachowań, stymulowanych poprzez układ kary i nagrody, jest przekazywana w genach, to okaże się, że dusza człowieka – jako zwycięzcy ewolucyjnej loterii – chociaż preferuje pewne zachowania określane jako moralne, to jednak jest to moralność dostępna wielu zwierzętom.

Jak działa (bio)chemiczny komputer?
Algorytmy w naszym życiu

W książce poświęconej algorytmom komputerowym, autor tłumaczy, czym one mogą być: „Ogólna odpowiedź mogłaby być taka: «zbiór kroków prowadzących do wykonania zadania». Na co dzień stosujesz różne algorytmy. Masz algorytm mycia zębów: otwierasz tubkę z pastą, bierzesz szczoteczkę do ręki, wyciskasz na szczoteczkę tyle pasty, ile trzeba, zamykasz tubkę, wkładasz szczoteczkę do jednej ćwiartki paszczy, przesuwasz nią w górę i w dół (oraz w prawo i w lewo) przez N sekund...”.

Ktoś może powiedzieć, że to jedynie, utrwalona wielokrotnymi ćwiczeniami, instrukcja zapisana w pamięci naszego mózgu. To prawda, lecz każdy przejaw naszego zachowania jest realizacją podobnych instrukcji. I te, związane z fizyczną strefą naszego organizmu („otworzę okno, bo brak mi powietrza”; „muszę coś włożyć, bo jest mi zimno”; „pójdę do lodówki, bo jestem głodny”; „zgaszę światło, bo chce mi się spać”), jak i naszymi procesami myślenia („on jest groźny, muszę uciekać”; „ależ to piękna kobieta, muszę ją poznać”; „biedny człowiek, chyba mu pomogę”). Za każdym razem decyzja jest wynikiem wybrania określonej ścieżki drzewa algorytmów, które w punktach węzłowych (bramkach logicznych) przepuszczają lub zatrzymują sygnały – w tym myśl, że trzeba (lub też nie ma potrzeby) umyć zęby.

Czym są genetyczne induktory?

W Kluczu do DNA, chemiczne związki odpowiedzialne za aktywację określonych genów nazwałem „genetycznymi induktorami”. W tej chwili krótkie przypomnienie.

***

Pamiętajmy, że organizmy to przede wszystkim chemiczna fabryka, w której komunikacja pomiędzy różnymi organami, narządami i układami odbywa się za pośrednictwem chemicznych posłańców. Czy to na zewnątrz (naskórek), jak i wewnątrz (układ krwionośny, oddechowy, pokarmowy), komórki stykają się z obcymi organizmami, które można wykryć jedynie poprzez odpowiedni układ nukleotydów chemicznego zwiadowcy. Również w procesach odczytywania informacji w samej nici nukleotydów wykorzystywana jest komplementarność. Ta właściwość nici DNA, to kody paskowe lub naklejki adresowe genetyki, które można nazwać „genetycznymi induktorami”.

 

Maksymalne wykorzystanie dostarczonej w pokarmie energii; jej prawidłowe rozprowadzenie do wszystkich komórek; szybkość reagowania na zagrożenie zewnętrzne oraz wewnętrzne; zdolność do samonaprawy; umiejętność przestawienia profilu działania w zależności od zmiennych warunków środowiskowych lub etapu rozwoju osobniczego – te wszystkie funkcje realizowane są właśnie poprzez genetyczne induktory.

Genetycznymi induktorami są przede wszystkim łańcuchy białek, cząsteczki RNA oraz enzymy. Kod owych posłańców możemy odnaleźć w nukleotydach. Szukając ich należy pamiętać o tym, że będą to sekwencje o odwróconym porządku, aby umożliwić przyłączenie się do nici RNA na zasadzie komplementarności.

Innymi genetycznymi induktorami – spoza tej oczywistej listy – są hormony. Te związki chemiczne budowane przez gruczoły lub tkanki układu hormonalnego regulują aktywność pobliskich tkanek, a nawet – poprzez krew – całego organizmu.

Od lat znamy również feromony, chociaż wciąż niewiele potrafimy o nich powiedzieć. Wiemy, że feromony płciowe ćmy pawicy wyczuwane są przez partnera z odległości nawet trzech kilometrów, lecz w przypadku człowieka wciąż odrzucamy ten sposób regulacji pracy organizmu – wpływającego na naszą psychikę. Z oporami, ale i ich regulacyjny wpływ przedziera się do świadomości naukowców. Badania Marthy McClintock z Uniwersytetu w Chicago z 1986 roku wykazały, że za synchronizację cyklu miesiączkowego u kobiet zmuszonych do przebywania w zamkniętym środowisku mogą odpowiadać dwa feromony.

***

Nie powinno dziwić wyspecjalizowanie się programu DNA do używania materii. Program życia komunikuje się ze światem zewnętrznym, jak i wewnętrznym, za pomocą dostępnych środków. Jednak już na etapie podejmowania decyzji przeważa informatyczna natura nici nukleotydów.

Określenia genetycznych induktorów będę często używał na następnych stronach, proszę więc zapamiętać, że mówiąc o nich, mam na myśli hormony, białka, cząsteczki RNA, enzymy, feromony, neuroprzekaźniki oraz inne, jeszcze nie rozpoznane regulatory, gdyż to podstawowy sposób wymiany informacji komórki organizmu – program genetyczny.

***

Za komunikację komórki z programem genetycznym odpowiada pięć procent naszego genomu. Są to receptory o bardzo specyficznej budowie, nazywane receptorami sprzężonymi z białkami G (GPCR – G-protein coupled receptors). Te receptory złożone są z bardzo długiego łańcucha białek, który siedmiokrotnie, niczym ścieg, przekracza granicę błony komórkowej z wnętrzem komórki, w miejscach utworzenia pętelek, wytwarzając związek sygnalizacyjny (ligand). Za odkrycie roli tego strażnika, komunikującego się z genetycznymi induktorami, amerykanie Brian K. Kobilk oraz Robert J. Lefkowitz w 2012 roku otrzymali Nagrodę Nobla.

Receptory sprzężone wywołują ciąg reakcji organizmu, tak jak na przykład reakcje obronne. Jeżeli zwierzę zobaczy drapieżnika lub/oraz wyczuje jego zapach, przygotowuje się do obrony, jeżąc sierść oraz przyspieszając oddech. To właśnie receptory GPCR zaprzęgają do pracy hormony, odpowiedzialne za wywołanie tych reakcji: receptory acytelocholiny (pobudzają produkcję neuroprzekaźników pośredniczących w przekazywaniu impulsów nerwowych), receptory adrenaliny (odpowiadają za wzrost produkcji hormonu i neuroprzekaźnika – a w rezultacie zjeżenie sierści oraz przyśpieszone tętno i wzrost cieśnienia krwi). Również wiele innych hormonów jest wykrywalnych przez receptory GPCR, a połowa leków działa właśnie za pośrednictwem tych receptorów.

Jak działają genetyczne induktory?

Za pomocą prostych algorytmów, z udziałem niewielkiej liczby genetycznych induktorów, bakterie w ten sposób przekazują sobie również sygnał do... celibatu lub ataku.

Pod koniec lat 70. ubiegłego wieku naukowcy Kenneth H. Nealson oraz J. Woodland Hastings z Harvard University opisali zdolność komórek bakterii do wykrywania liczebności kolonii i podjęcia bardzo spektakularnych działań. Pod lupę wzięli oni morską bakterię Vibrio fischeri posiadającą zdolność emisji światła przy pomocy białka lucyferazy. Ale bakterie są leniwe i gdy jest ich mało nie produkują tego białka. Czyżby wiedziały, że w mrokach wody ich wysiłek nie zostanie dostrzeżony? Sytuacja zmienia się, gdy kolonia bakterii osiągnie odpowiednie zagęszczenie. Bowiem wtedy zaczyna ona świecić.

A w jaki sposób potrafią ocenić, że osiągnęły próg widoczności? Otóż każda bakteria wydziela informacją chemiczną o swoim życiu, wydzielając genetyczne induktory, o unikalnych dla gatunku właściwościach chemicznych. Jednocześnie bakterie posiadają receptory zdolne odebrać podobne sygnały ze środowiska. Jeżeli w środowisku jest mało sygnałów – nic się nie dzieje. Jednak po przekroczeniu odpowiedniego nasycenia genetycznych induktorów – organizm bakterii aktywuje gen produkujący fluorescencyjne białko i kolonia zaczyna świecić. Dla bakterii świecenie to uboczny skutek zbyt dużego ścisku. Główny powód świecenia jest taki, że zbyt licznej koloni zagraża śmierć z głodu oraz samozatrucia z powodu toksycznego działania szkodliwych metabolitów (odpadów ich własnych procesów życiowych). Skutkiem świecenia kolonii jest wstrzymanie rozmnażania się.

Chociaż świecenie nie jest celem życia bakterii, chętnie korzystają z tego kałamarnice Euprymna scolopes, zapraszając bakterie do przygotowanego podłoża na swym ciele – narządu świetlnego fotoforu. Jak widać, dla bakterii podobna umiejętność może być sposobem zdobycia terytorium do rozwoju.

Podobne działanie genetycznych induktorów wykryto u innych bakterii, w tym chorobotwórczych, jak słynna Escherichia coli. Po wniknięciu do organizmu ich liczba jest niewielka i bakterie nie atakują nosiciela. Ich pierwszym zadaniem jest rozmnożenie się, bez zwrócenia uwagi układu odpornościowego nosiciela. I dopiero gdy genetyczne induktory bakterii odbiorą informację, że kolonia jest już liczna, ich zachowanie się zmienia. Można by powiedzieć, że z konia trojańskiego wychodzą zastępy wojowników i zaczynają atakować nosiciela toksynami ich nowego metabolizmu. Układ odpornościowy nosiciela ma poważne kłopoty by zwalczyć tak liczną armię.

Sposób porozumiewania się za pomocą sygnalizatorów nasycenia genetycznych induktorów (quorum sensing) może także zachodzić między bakteriami, a tkankami roślinnymi czy zwierzęcymi. Badania wspomnianych naukowców wykazały, że działanie aż 15% genów jest sterowane przez – różnego rodzaju – genetyczne induktory.

***

Spróbujmy rozbić zachowanie świecącej bakterii na jednoznaczne rozkazy:

- wyślij sygnał o swym istnieniu,

- jeżeli wykryjesz wysokie stężenie genetycznych induktorów innych bakterii, uaktywnij gen produkujący lucyferynę,

- przestań się rozmnażać,

- gdy nasycenie genetycznych induktorów spadnie poniżej określonego poziomu, wstrzymaj produkcję lucyferyny,

- wznów proces rozmnażania się.

Chemiczne sygnały istnienia są zwykłym przejawem aktywności życiowej organizmu, tak jak wspomniane uboczne produkty metabolizmu czy pole elektryczne. Wzrost stężenie cząsteczek chemicznych pobudza inne związki chemiczne do rozpoczęcia produkcji świecących białek. Jednak jego wytwarzanie pochłania tyle energii, że organizmowi nie starcza jej do przeprowadzenia innego energochłonnego procesu – rozmnażania się. Sytuacja wraca do normy, gdy nasycenie chemicznych sygnałów spada, genetyczne induktory przestają aktywować białko świecenia, co szybko przywraca normalne funkcjonowanie organizmu i bakteria może ponownie powielać się.

***

Każde nasze zachowanie można wytłumaczyć, rozbijając je na drobne przyczyny i następstwa, tworzące drzewo algorytmów. A bodźcem, wywołującym rozgałęzianie się decyzji, przeważnie jest związek chemiczny, uaktywniający kolejne geny. Związek chemiczny to klucz, natomiast w budowie molekularnej genetycznego induktora zapisana jest informacja, kiedy i do drzwi którego genu zapukać, aby wezwać go na pomoc.

Gdzie znajdziemy genetyczne induktory?
Znane od dawna

Pod koniec XIX wieku, w 1895 roku, krakowskiemu fizjologowi Napoleonowi Cybulskiemu udało się wyizolować z organizmu pierwszy hormon – adrenalinę. Dzisiaj znamy kilkadziesiąt związków chemicznych nazywanych hormonami, wytwarzanych przez gruczoły lub tkanki układu dokrewnego (na który składają się: przysadka mózgowa, tarczyca, grasica, trzustka, nadnercza oraz jajniki u kobiet i jądra u mężczyzn), regulujących działania komórek, tkanek i narządów, położonych zarówno w bezpośrednim sąsiedztwie, jak i odległych, gdyż hormony przenoszone są przez krew.

U roślin hormony przede wszystkim regulują wzrost, u zwierząt pełnią bardziej skomplikowane zadania. Współdziałają nie tylko w regulacji fizjologicznych czynności, jak wzrost, rozwój, metabolizm i równowaga elektrolitowa, ale również regulują stany psychiczne, w tym zachowania seksualne. Wspomniana adrenalina, od trzech zachowań, na które wpływa – strach, walkę lub ucieczkę (ang. fright, fight and flight) – nazywana jest hormonem 3 x F.

Ale, tak jak hormony wpływają na nasze zachowania – tak i my możemy wpływać na ich wydzielanie (o czym dalej, bowiem do hormonów będę jeszcze wielokrotnie powracać, opisując ich działania przy odpowiednich przykazaniach).

Odnalezione w śmieciach

Jednak najwięcej genetycznych induktorów odnajdziemy w śmieciowym DNA. Chociaż geny produkujące białka zajmują mniej niż kilka procent, a reszta to fragmenty uznane za śmieciowe, gdyż nie produkują białek – to aktywność, podobną do zachowania genów kodujących białka, wykazuje 62% ludzkiego genomu. Cóż więc tam się dzieje, skoro nie mamy do czynienia z efektami ich pracy w postaci białek? W zrozumieniu roli tej przeważającej części kodu genetycznego, pomaga projekt ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements), w którym pod przewodnictwem Ewana Birneya pracuje 442 uczonych z całego świata. Grzebiącym w genetycznym śmietniku, udało się sprawdzić aktywność 147 różnych rodzajów komórek ludzkich (z 230 budujących nasze ciało), w każdej odnajdując 20-25% odcinków aktywnych kodu – a nie biernych, obojętnych na funkcjonowanie organizmu, jak można by spodziewać się po śmieciach.

Pośród tych śmieci uczeni odnaleźli około 9000 krótkich sekwencji, składających się z 20 nukleotydów – które w Kluczu do DNA nazwałem „bramkami logicznymi”. Oprócz nich skatalogowano 10 000 dłuższych sekwencji, złożonych z 200 nukleotydów – które nazwałem „procedurami”. Dzięki ENCODE już wiemy, jak są one ważne. „Jest prawdopodobne, że 100% DNA człowieka spełnia w naszym ciele jakieś zadanie” – podsumowuje wyniki dotychczasowych badań Ewan Birney.

W innym projekcie – „1000 genomów” – postawiono sobie za cel przebadanie genomu tysiąca osób z całego świata. Już w fazie pilotażowej programu okazało się, że większość z nas różni się od 250 do 300 zmianami genetycznymi, mogącymi zakłócić prawidłowe funkcjonowanie genów oraz do stu zmian, związanych z chorobami wrodzonymi. Z tego widać, że nawet przy identycznej puli genów kodujących białka, pozostałe fragmenty kodu genetycznego mogą być tak odmienne, że będziemy fizycznie i psychicznie całkowicie różnymi osobami. I tak na przykład, śmieciowe DNA, odpowiada za indywidualne rysy naszych twarzy. Co prawda Lawrence Berkeley z National Laboratory w Kalifornii, potwierdził udział śmieciowego DNA badając genom myszy, lecz wnioski można śmiało przenieść na inne gatunki zwierząt. Genetyk wyciął fragmenty kodu z obszarów uważanych za nieistotne, a później obserwował rozwój embrionów za pomocą tomografii komputerowej. Na obrazach można było dostrzec, że u myszy z pozostawionym śmieciowym DNA występowała większa ekspresja genów odpowiedzialnych za kształtowanie się mysiego pyszczka. Berkeley uważa, że to właśnie śmieciowe DNA może również odpowiadać za niektóre deformacje, jak rozszczep podniebienia, które potrafią pojawić się nawet wtedy, gdy nie wykryto mutacji genów odpowiedzialnych za tę wadę wrodzoną.