Gyvenimas: meilė ir agresija. III dalis: Ląstelė ir gyvybės veiksniai - dauginimasis, kitimas, atranka

Kyla svarbus klausimas – kodėl ir kam vyksta RNR (tolimesnėje evoliucijoje – DNR) dvigubėjimas, dauginimasis? Pirminė RNR grandinė susirinko kamuolėlyje atsitiktinai susijungus vienas po kito RNR nukleotidams, prie jos susidarė papildymo taisykle antroji grandinė. Dvigrandė struktūra iro į dvi vienagrandes ir kiekviena jų vėl gamindavosi papildančią grandinę ir vėl skildavo. Vyksmas kartojosi, kol padidėjęs kamuolėlis dalijosi į du. Kadangi (pirminės) RNR susidarė atsitiktinai, tokių molekulių buvo daugybė, jos iro ir vėl gaminosi, sąveikavo, gaminosi peptidai. Aplinkai ir atrankai veikiant susidarė uždaras, save palaikantis ratas: RNR–tRNR–baltymas–RNR–tRNR–baltymas–RNR– , kuris sparčiau dauginosi negu iro. Tai ir buvo pirminės ląstelės. Kartu su dauginimusi vyko kitimas, prasidėjo naujų ląstelių plius evoliucija: gausėjo pakitusių RNR molekulių, tai yra informacijos, kito esančios, pasipildė naujomis nukleotidų sekomis, struktūromis ir funkcijomis. Ląstelė tampa informacijos raiška, raiškos produktu, kuris – pajungtas informacijos dvigubėjimui – daugėjimui. Plius evoliucija ir atranka sukūrė dabartinių ląstelių protėvius – augalines ir gyvulines ląsteles.

Verta prisiminti filosofų ginčą – kas atsirado pirmiau – višta ar kiaušinis? Atsakyti vargu ar įmanoma, dar ir dabar yra skirtingų nuomonių: ar gyvybės evoliucijoje pirminė buvo informacija, ar baltymai – medžiagų apykaita? Šio straipsnio autorius palaiko informacijos pirmumą evoliucijoje. 

Ląstelė gana gerai atitiko gyvybės reikalavimus. Vienaląsčiai – bakterijos taip paplito Žemėje, kad savo medžiagų apykaita pakeitė CO₂ į O₂ atmosferą, o didžiulės žuvusių bakterijų sankaupos virto įvairiausiomis uolienomis. Pavyzdžiu gali būti stromatolitai – suakmenėjusios, bet paviršiuje žaliuojančios cianobakterijų (kurios šviesos poveikyje sintetina angliavandenius) sankaupos skalaujamose pakrantėse.

Dauginimosi būdas dalijantis garantavo tokios gyvybės formos – bakterijų išgyvenimą. Tačiau aplinka keitėsi ir vieningoje vienaląsčių populiacijoje vienas po kito įvyko trys kokybiniai šuoliai. Pirmasis – bakterijos, net ir būdamos vienaląstės, buvo gana skirtingų savybių, tokioms ląstelėms susiliejus radosi eukariotinės ląstelės, turinčios branduolį, kuriame nešančiomis informaciją tapo DNR molekulės, organizuotos specialiose struktūrose – chromosomose, jos davė pradžią būsimoms augalinėms ir gyvulinėms ląstelėms. Antrasis – atsirado skirtingų lyčių ląstelės, besiskiriančios kai kuriomis savybėmis ir turinčios polinkį susilieti. Dauginimosi metu chromosomų dvigubą rinkinį paskirsto dviem būdais: naujos ląstelės gauna po dvigubą rinkinį – tai mitozė, ir kitas būdas – mejozė, kada naujos ląstelės gauna po viengubą chromosomų rinkinį. Skirtingos lytys susilieja, papildo viena kitą, atstatydamos dvigubą chromosomų rinkinį. Toks vyksmas suteikia naujai ląstelei sugebėjimą keistis, pranašumą prisitaikant kintančioje aplinkoje.

Eukariotinių ląstelių sankaupose veikla tarsi pasiskirstė atskiroms ląstelių grupėms: vienoms – veiklai sankaupos viduje, kitoms – santykiuose su aplinka, buvo skatinama grupių veiklos atskirtis, kartu stiprinamas tarpusavio ryšys ir priklausomybė. Tai trečiasis šuolis – atsirado daugialąsčiai organizmai. Juose atskiros dvigubo genomo ląstelių grupės, tapusios audiniais ir organais, atlieka įvairias paskirtis. Svarbiausia – specialiuose audiniuose gaminamos vyriškos ir moteriškos viengubo genomo lytinės ląstelės. Susiliejus lytinėms ląstelėms susidarė dvigubo genomo zigota – pirmoji naujo organizmo ląstelė. Jai besidalijant mitozės būdu naujos ląstelės toliau besidalindamos su kiekvienu dalijimosi aktu pradėjo skirtis į skirtingą funkciją atliekančių organų ir audinių užuomazgas. Taip plius-evoliucija ir skyrimosi vyksmai organizmų raidos metu, prisitaikymas ir atranka besikeičiančioje aplinkoje sukūrė buvusią ir dabartinę gyvų organizmų įvairovę. Dabar jau galime auginti ne biblinį pažinimo, bet gyvybės evoliucijos medį.

Kalbant apie gyvybę savaime suprantamu reiškiniu laikomas jos dauginimasis, gyvybės informacijos perdavimas iš kartos į kartą; net galima pasakyti, visa kas dauginasi yra gyva ir gyva yra tai, kas dauginasi. O gal galima apsieiti be dauginimosi, būti savitu vienetu, rastis kiekvieną kartą naujai – de novo. Aplinka negailestinga ir daugybe veiksnių tą vienintelę gyvybę greitai sunaikintų.

Tikėtina, kad pirminių molekulių kompleksų, kuriuos būtų galima laikyti gyvybės užuomazga, radosi nesuskaičiuojama daugybė. Didžioji dalis jų žuvo, dalis, patekusi į fofsolipidinius kamuolėlius, neilgą laiką galėjo išlikti nesuirę, tačiau tik tie, kurie sugebėjo atkurti tapačią struktūrą, kartoti save ir vis dalijantis daugėti, sugebėjo išlikti. Čia pasireiškė visai nauja savybė – tapatybė ne individe, bet individo pasikartojamume. Radosi nauja sąvoka – santykinai tapačių individų populiacija. Iš tikro, žvelgdami į tuometinę, taip pat ir į dabartinę aplinką, matome, suvokiame individą, tik kaip populiacijos dalį. (Kartais girdime kalbat apie būtybes (miško žmogų arba paslaptingą, gyvenančią vandenyje), kaip individus, išgyvenusius nuo neatmenamų laikų; abejones kelia prielaida, kad iki šių dienų išgyveno individas, ir nekalbama apie tų individų populiaciją).

Pasikartojamumas – dauginimasis duoda tą privalumą, kad žuvus atskiram individui išlieka kita populiacijos dalis. Tad ir evoliucijos pradžioje kamuolėlių-ląstelių daugybėje, radosi pasikartojantys, o jų išgyvenimą lėmė atitikimas atrankos reikalavimus.

Atrodytų, jog dauginimasis yra gyvybės tikslingas vyksmas, aktyvus siekimas išgyventi. Tačiau pirmųjų kamuolėlių-ląstelių dauginimasis buvo pasyvus difuzijos, medžiagų koncentracijų išlyginimo varomas vyksmas: membranos apsuptoje uždaroje erdvėje vykstanti baltymų, nukleorūgščių sintezė sukuria „sotaus“ kamuolėlio būseną ir ląstelės dalijimąsi į dvi mažųjų molekulių – pirmtakų „alkanas“ ląsteles. Gal ir nevykusiai, bet pirminės (gal ir apskritai) gyvybės ratą galima aprašyti taip: alkis–persivalgymas–dalijimasis į alkanas ir vėl persivalgymas... Viso to varomoji jėga – kol kas pasyvus difuzijos vyksmas. Tai buvo pastebėta gana seniai, tiriant koacervatus (Oparinas) ir pastaraisiais metais tiriant lipidinių membranų kamuolėlius. Plus-evoliucija sukūrė gana gerai organizuotas bakterijas ir eukariotinius pirmuonis. Šiuose organizmuose šalia pasyvios difuzijos prisijungė akyvus transportas į ir iš ląstelės. Didžiųjų molekulių agresyvus mažųjų sunaudojimas tampa organizuotu ląstelių vyksmu – dauginimusi. 

Primityvios ląstelės (bakterijos) arba dalijasi arba žūsta, bet tarp šių abiejų būsenų yra trumpesnė ar ilgesnė ramybės stadija. Tokia būsenos kaita – aplinkos reguliuojama. Aukštesniųjų organizmų visos dvigubo genomo ląstelės dauginasi mitozės mechanizmu. Skirtingalyčių organizmų, kaip visumos, dauginimosi funkcijai yra specialus audinys, kuriame gaminamos haploidinės, viengubo genomo lytines ląsteles, tokioms priešingų lyčių ląstelėms susiliejus, susidaro zigota ir pradedamas naujas dvigubo genomo organizmas. Toks yra esminis kelias, tačiau įvairūs organizmai naudoja labai įvairius dauginimosi kelius, pavyzdžiui lyginant augalus, skruzdes, žuvis ir žinduolius – žmogų. Tačiau visuomet pradžios aktas yra chromosomos dvigubėjimas ir tik jam pasibaigus susidaro dvi naujos ląstelės. Toks yra būtinas gyvybės buvimo kelias. Atrodo, lyg dauginimasis (žmogaus) būtų valdomas (sąmonės), tikslingas vyksmas, bet taip tik atrodo. 

Gyvybė yra faktas. Ji radosi dėl molekulių fizikinių, cheminių sąveikų tikimybinio sutapimo tinkamoje struktūroje. Kitas tikimybinis-atsitiktinis vyksmas – gyvybės struktūros formos ir jų vidaus kitimas. Aplinkos sąlygojama atranka chaotišką įvairiausių gyvybės formų daugėjimą apribojo kryptingu dauginimusi. Įsijungusiai plius-evoliucijai buvo svarbu, kad po atrankos išlikę individai savo savybes, tai yra genomą, perduotų per kartų kaitas vis naujiems individams. Nuolatinis atsinaujinimas garantavo išlikimą, atsirado sąlygų diktuojama tapačių individų grupė – populiacija; kartu kiekvienas dalijimosi aktas be pasikartojamumo turėjo ir kitimo galimybę: dėl tiesioginio aplinkos poveikio į DNR (RNR), dėl nukleotidų sekų persitvarkymo, ar dėl kopijavimo klaidų genomo informacija keitėsi, keitėsi ir individo savybės, o pokytis įsitvirtino tik dauginantis ir veikiant aplinkos atrankai. Radosi geriau išgyvenantys, savito dauginimosi būdo organizmai. Taip susikūrė įvairių gyvių populiacijos, radosi naujos rūšys. 

Daugialąsčiuose skirtingalyčiuose organizmuose radosi specialios, dauginimuisi skirtos kūno struktūros ir susidarė audinys, gaminantis vyriškai ar moteriškai lyčiai būdingas haploidines (viengubo genomo) ląsteles. Šioms, skirtingų lyčių ląstelėms susiliejus susidaro nauja, kaip ir visos organizmo, diploidinė (dvigubo genomo) ląstelė, vadinama zigota. Ji pradeda naujo organizmo raidos vyksmą – ontogenezę – individo raidą. Koks sudėtingas organizmas bebūtų, visuomet jo pradžia – viena ląstelė. Šiai ląstelei besidalijant kiekvieną kartą aktyviai veikia skirtingi genai, vyksta ląstelių skyrimasis, susidaro įvairūs audiniai ir organai, taip pat haploidinių ląstelių gamybos audinys ir organai, pastarieji skirtingi moteriškos ir vyriškos lyties organizmuose. Veikia sudėtingas medžiagų apykaitos aparatas. Šalia šių struktūrų sukuriamos būtinos nervinio ir hormoninio reguliavimo sistemos, sujungiančios raidos, lytinių struktūrų veikimą, dauginimąsi ir medžiagų apykaitą į vieną harmoningą struktūrą – organizmą. Galima dauginimąsi sieti su žmogiškąja sąvoka – meile. 

Paviršutinis žvilgsnis augalų, gyvūnų, ypač žinduolių ir žmogaus dauginimosi reguliavime mato tarsi atskirai veikiančias šias tris grandis – vienuose organizmuose ryškėja vyraujanti medžiagų apykaita, kituose – hormoninė – lytinė veikla, žmoguje – nervinė, smegenų – protinė veikla, meilė. Raida leidžia pamatyti atskirais laikotarpiais vyraujančią vieną ar kitą veiklą. Bet kyla klausimas – tikslas?

Grįžkime į pačią pradžią. Pradėjome nuo kamuolėlių, kuriose buvo įvairių medžiagų, sudėtingų molekulių, kurios susijungdamos sudarė sudėtingas struktūras – RNR ir baltymų molekules. Dabar pasirodo duomenų, kad laboratorijose pavyksta sudaryti sąlygas, kuriose susidaro aminorūgštys ir kitos sudėtingos molekulės. Bandoma sukurti dirbtinę ląstelę, panaudojant kai kurias gamtines struktūras. 

Organinių junginių – aminorūgščių, nukleotidų ir kitų, randama meteorituose ir išsiveržusio ugnikalnio aplinkoje. Kamuolėlių dalijimasis pradžioje buvo fizikinis reiškinys – medžiagų pasiskirstymas tarp aplinkos ir pūslelių vidaus išlyginant pusiausvyrą. Toliau aplinka atrinkdama tokių savybių ląsteles tarsi paleido naują raidos kelią. Aplinka skatina dauginimąsi, tačiau kartu ir reguliuoja (aktyviai arba pasyviai), duodama pirmines medžiagas arba jas ribodama. Plius-evoliucija keitė tokią paprastą dauginimosi priežastį, radosi aktyvios paieškos faktorius. Alkstančios ląstelės (pirmuonys – sudėtingos pūslelės) aktyviai juda tokių pirminių medžiagų šaltinio link. Aplinkos valdomas dauginimasis duoda be kitų ir dvi svarbias galimybes: sukurti aplinkos reguliuojamą populiacijos gausumą ir keitimąsi, susidarant naujoms gyvybės formoms. 

Dvigubo genomo ir skirtingalyčiai organizmai daugindamiesi praeina viengubo-dvigubo genomo stadijas. Abiejų lyčių ląstelių gausa leidžia susidaryti taip pat gausiai apvaisintų dvigubo genomo ląstelių – zigotų, duodančių pradžią naujam individui. Jei zigotos nėra apsaugotos, jų būna daug, taip sukuriama populiacija, garantuojanti rūšies išgyvenimą ir genomo perdavimą naujai kartai. Jei zigota ir būsimas vaisius yra apsaugoti nuo aplinkos poveikių, pakanka subrandinti ir apvaisinti vieną kiaušinėlį, panaudojant daugybę sėklelių.

O kam reikia daugintis? Plius-evoliucjja šalia genomo dvigubėjimo sukūrė suderintą nervinio ir hormoninio veikimo mechanizmą, tarsi vidine jėga verčiantį skirtingalyčius individus kopuliuotis, pasirenkant populiacijai naudingiausius partnerius. Ropšiantis gyvybės medžiu sutiksime gausybę įvairių gyvių rūšių, besiskiriančių įvairiais dauginimosi ir kitais požymiais. Visa tai lėmė kintanti aplinka ir atranka, ir prisitaikymas, rūšį įtvirtino sugebėjimas daugintis pasirinktoje nišoje. Dauginimasis yra savitikslis? Tai galima išplėsti klausimu: kas yra ta jėga, kuri nuo pirmojo postūmio iki dabarties suka mistinį gyvybės ratą: DNR–nurašymas–baltymo sintezė–DNR dvigubėjimas–DNR–nurašymas–baltymo sintezė–DNR dvigubėjimas–... Tai formalizuojant gyvybės ratas būtų: informacija–raiška–informacija–raiška–informacija–raiška–...

Atrodantis aiškus vyksmas neatsako į klausimą kodėl reikia daugintis, kas yra tas lemtingas postūmis? Kam gyvybei reikalinga būti gyvai?

Jonas Rubikas

Straipsnis parengtas įgyvendinant Lietuvos ir Šveicarijos bendradarbiavimo programos NVO fondo remiamą paprojektį „NVO, veikiančių mokslo sklaidos srityje, tinklo stiprinimas, plėtojant jo institucinius gebėjimus“.