Sekwencja a struktura białek - część 2.

Udało się otrzymać białka, które, jeśli chodzi o sekwencję, różnią się tylko jednym aminokwasem, ale "na zewnątrz" są całkiem inne. Jedna mutacja jest w stanie sprawić, że te dwa białka przekształcają się w siebie nawzajem, zmieniając całkiem swoją strukturę i funkcję.

Wróćmy do problemu omawianego w poprzednim wpisie. Jak wyglądają białka pośrednie między dwoma białkami o podobnej sekwencji, a bardzo różnej budowie przestrzennej? Rozwiązanie pierwsze: tworzą szereg stanów o pośredniej budowie przestrzennej. Nie jest ono możliwe, bo z punktu widzenia termodynamiki tylko niektóre formy przestrzenne białek są dozwolone, nie może więc istnieć płynne przejście między dwiema bardzo odmiennymi strukturami, np. pękiem helis a beta harmonijką z jedną helisą. Rozwiązanie drugie: pomiędzy jedną formą przestrzenną a drugą istnieją białka pośrednie (może jest ich kilka, może wiele, a może tylko jedno) posiadające dwie struktury naraz. Jak pokazuje przykład limfotaktyny, taki mechanizm jest możliwy do wyobrażenia. Ale przecież można, przynajmniej teoretycznie, wyobrazić sobie sytuację trzecią: część białek pośrednich posiada strukturę 1, druga część - strukturę 2, i nie ma między tymi stanami żadnego momentu "przejściowego". Innymi słowy: w białku numer 1 powoli gromadzą się mutacje, nie powodując zmiany struktury, po czym nagle jedna mutacja powoduje drastyczną zmianę struktury z 1 na 2. Potem kolejne mutacje znów nie zmieniają struktury, a jedynie sekwencję, dając ostatecznie wymagany produkt. Taki mechanizm nie jest instynktowny, bo przyzwyczajeni jesteśmy myśleć, że w biologii - a przynajmniej, gdy dotyka się tematów związanych z teorią ewolucji - wszystko jest płynne, wszelkie granice rozmyte, każda zmiana stopniowa. Rzeczywiście, taka - przynajmniej pozorna - "płynność", "rozmytość" (ang. "vagueness") to widoczna cecha organizmów żywych, która wychodzi przy różnych sytuacjach - niejeden artykuł z filozofii przyrody został na ten temat napisany. Jest jednak jeszcze drugi powód - struktura jest zazwyczaj na tyle blisko powiązana z sekwencją (jak pisałem w poprzednim wpisie: poza bardzo nielicznymi wyjątkami, nawet 40-stoprocentowe podobieństwo między sekwencjami sugeruje bardzo formę przestrzenną), że bardzo dramatyczna zmiana w strukturze przy tylko jednej mutacji wydaje się niemożliwa. Ale czy rzeczywiście? Przecież dopuściliśmy już możliwość, że bez żadnej zmiany sekwencji białko może zmienić strukturę (jak w przypadku białek metamorficznych) - dlaczego nie miałoby zmienić jej pod wpływem mutacji?

Tym problemem od wielu lat zajmuje się grupa badawcza kierowana przez Philipa N. Bryana z Uniwersytetu w Maryland. W białku G, pochodzącym z bakterii paciorkowców, istnieją dwie domeny, tzn. takie dość niezależne części, GA i GB, które nie są powiązane ze sobą historycznie (przynajmniej nie w jakiś dostrzegalny sposób: innymi słowy, nie ma między nimi żadnych podobieństw w sekwencji, których nie dałoby się wytłumaczyć czystym przypadkiem), posiadają dwie różne funkcje (GA wiąże się z ludzką albuminą surowicową, a białko GB z domenami stałymi przeciwciał z rodzaju IgG - obydwie funkcje umożliwiają bakterii "oszukanie" ludzkiego układu odpornościowego) i dwie bardzo różne struktury: jedno jest pękiem trzech helis (w skrócie: 3-α), drugie składa się z beta-harmonijki złożonej z 4 wstęg oraz jednej helisy (w skrócie: 4β+α). Właściwie te dwa polipeptydy łączy tylko, że: po pierwsze (jak w przypadku prawie wszystkich domen białkowych) da się je uzyskać niezależnie od całego białka G w rozpuszczalnej formie w dużych ilościach (dlatego też będę mówił o nich po prostu jako o białkach, a nie częściach białka); i po drugie - że są podobnej, niewielkiej, wielkości (GA ma 47 aminokwasów, GB - 56). Ta niewielka wielkość sprawia, że można GA i GB analizować w roztworze, a nie tylko w krysztale, przy użyciu jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR).


Bryan i jego współpracownicy zaczęli swój projekt od wydłużenia białka GA, tak by również posiadało łącznie 56 aminokwasów. Dodatkowe aminokwasy dodano na końcach w taki sposób, by nie zaburzały struktury, ale po prostu stanowiły krótkie rozplątane odcinki. Potem zwrócili uwagę na te aminokwasy, które w każdym z białek odpowiadają za ich funkcję (tzn. na aminokwasy umożliwiające białku GA wiązanie się z albuminą i białku GB - z IgG). Udało im się wprowadzić takie mutacje, żeby zarówno białko GA, jak i GB, posiadało aminokwasy odpowiedzialne za obydwie funkcje, a jednocześnie by obydwa białka nie rozplątały się i zachowały swoje struktury. Białka te miały w 33% wspólną sekwencję i dlatego nazwano je: GA33 i GB33. Nadal mogły one spełniać tylko jedną, swoją, funkcję, bo kluczowe aminokwasy muszą być nie tylko obecne w sekwencji, lecz także ułożone w odpowiednim miejscu w przestrzeni, a na to wpływ ma struktura całego polipeptydu.  Potem naukowcy z Maryland wyprodukowali zbiór mutantów białek GA i GB, mutując kolejne aminokwasy, by przekonać się, które z nich są konieczne dla struktury, który można zamienić na cokolwiek, które można zamienić tylko na konkretne aminokwasy, albo które można zamienić tylko pod warunkiem, że wprowadzi się jeszcze zmiany kompensujące w innych miejscach sekwencji. Był to żmudny proces, trwający wiele lat. W każdym razie udało się na koniec uzyskać białka GA88 i GB88, które nadal maja takie struktury, jak GA i GB i do tego mają podobne stabilności do wyjściowych (tzn. nie rozplątują się dużo łatwiej), a różnią się między sobą tylko w siedmiu pozycjach. O tym etapie badań Bryan poinformował w artykule z 2007 r. (również w PNAS!, w numerze 29). Tak więc uzyskano dwa białka podobne w 88%, a przy tym o odmiennej budowie i funkcji.


Dwa lata później (w numerze 50 PNAS) ta sama grupa badawcza opublikowała rezultaty zupełnie niesamowite! Badając wiele różnych mutantów, udało się stworzyć najpierw GA91 i GB91, następnie GA95 i GB95 i wreszcie GA98 i GB98, różniące się tylko w jednej pozycji (nr 45: GA posiada w tym miejscu lizynę, podczas gdy GB - tyrozynę). Co prawda białka te straciły trochę ze swej początkowej stabilności, niemniej jednak w normalnej temperaturze utrzymały one niemalże taką samą budowę (przynajmniej w 99%), co odpowiednio GA i GB. Tym samym otrzymano białka, które po wprowadzeniu tylko jednej mutacji całkowicie zmieniają swoją budowę, a także funkcję! Nie wspomniałem jeszcze o tym, że oprócz wspomnianych białek identycznych w 30%, 88%, 91%, 95% i 98%, otrzymano także wszystkie inne stany pośrednie, różniące się między sobą tylko jednym aminokwasem, i wszystkie one posiadały strukturę taką jak GA lub GB, były rozpuszczalne w wodzie i funkcjonalne: stworzono więc cały szereg łączący zupełnie nie powiązane ze sobą białka GA i GB. 

Oczywiście ten przykład nie dowodzi, że podobny szereg miałby szansę zaistnieć w historii naturalnej, gdy zabrakłoby naukowców pilnujących, by mutacje zmierzały w odpowiednim kierunku - ale nie jest to przynajmniej (oczywiście tylko w niektórych przypadkach) sprzeczne z prawami termodynamiki. 


Artykuły, o których tutaj wspomniałem, dostępne są za darmo na stronie PNAS:

• pierwsza część eksperymentu: Alexander PA, et al. (2007) Proc Natl Acad Sci USA 104:11963-11968
• druga część eksperymentu: Alexander, PA, et al. (2009) Proc Natl Acad Sci USA 106:21149-21154

Sekwencja a struktura białek - część 1.

Gdy myślimy o ewolucyjnym powiązaniu między białkami o podobnych sekwencjach a różnych strukturach przestrzennych, natrafiamy na problem. Z jednej strony pomiędzy takimi białkami powinien istnieć szereg możliwych funkcjonalnych białek pośrednich, z drugiej - białek o pośrednich strukturach, a któreś z takich białek musiałoby być rozplątane (bo z punktu widzenia termodynamiki nie wszystkie struktury są dozwolone), a więc nie spełniające żadnej funkcji.

Struktura przestrzenna białek (podobnie jak małych cząsteczek chemicznych, np. metanu, wody itd.) musi pozostawać w zgodzie z termodynamicznymi prawami rządzącymi światem wchodzących w ich skład atomów. Tak więc dla danego białka (które ma określony skład i ułożenie atomów), różne możliwe do wyobrażenia struktury przestrzenne ("konformacje") będą w różnym stopniu prawdopodobne w zależności od tego, jak korzystnie pod względem energetycznym są w nich ułożone atomy. Można nawet przypuścić, że w wąskim zakresie warunków (temperatury, ciśnienia itp.), w jakim dane białko jest spotykane normalnie wewnątrz komórki, będzie ono posiadało jedną konkretną strukturę. Taką właśnie hipotezę wysunął w 1970 r. Christian Anfinsen (1916-1995), noblista z 1972 r., stąd też zwana jest ona "hipotezą Anfinsena".  Hipoteza ta przeniknęła do potocznej wiedzy biologicznej: już chyba w gimnazjum po raz mówi się o tym, że każde białko ma określoną formę przestrzenną, która

 pośredniczy pomiędzy sekwencją (określoną kompozycją atomową) białka, a jego funkcją (bo to, co białko robi, zależy od jego budowy). Oczywiście wiadomo również, że białka są dość dynamiczne, że mogą się otwierać bądź zamykać, trochę rozciągać lub kurczyć, że ich różne części mogą się ruszać, niemniej jednak podstawowe zręby ich budowy rzeczywiście wydają się być - tak długo, jak białko jest funkcjonalne, nie zdenaturowane - stałe. Potwierdzają to wyniki badań nad strukturą białek metodą krystalografii rentgenowskiej - wystarczy wejść na stronę bazy danych "Protein Data Bank" i zobaczyć którąś z dziesiątków tysięcy szczegółowych wizualizacji budowy przestrzennej białek na poziomie atomowym, by przekonać się, że rzeczywiście białka mają określone struktury, które w dodatku możemy poznać, albo przynajmniej bardzo dokładnie oszacować. Powiązanie pomiędzy sekwencją a strukturą wydaje się do tego stopnia ścisłe, że jeśli dwa białka mają w 40% taką samą sekwencję (tzn. taki procent aminokwasów jest taki sam na odpowiadających sobie pozycjach), to można założyć, że maja one z grubsza taką samą budowę przestrzenną (równocześnie można przypuszczać, że ich geny są powiązane ze sobą historycznie).

I tu pierwsza niespodzianka. W numerze 7. periodyku PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA) z 2008 r. zespół Mathew H. J. Cordesa z Uniwersytetu w Arizonie opisał dwa białka bakteryjne z rodziny Cro (białko Pfl6, pochodzące z organizmu Pseudomonas fluorescens, oraz białko Xfaso1 z organizmu Xylella fastidiosa), które mają właśnie 40% wspólnej sekwencji, a jednocześnie dość znacząco różne struktury. Skoro geny kodujące te białka powiązane są historycznie, to można przypuszczać, że istniał/istnieje cały szereg genów pośrednich między jednym białkiem a drugim. Jaką strukturę mają białka kodowane przez te geny pośrednie? Czy - podobnie jak w przypadku sekwencji - struktury kolejnych stanów różnią się między sobą nieznacznie, tworząc cały szereg struktur pośrednich? Nie, bo struktury nie mogą być aż do tego stopnia "pośrednie". Z punktu widzenia termodynamiki dozwolone są tylko niektóre konformacje. Jeśli białko Pfl6 posiada helisy tam, gdzie Xfaso1 - beta harmonijkę, to białka pośrednie musiałyby częściowo składać się na tym odcinku z helis, częściowo stanowić harmonijkę, a taka mieszanka nie byłaby stabilna i po prostu by się rozplątała (i najprawdopodobniej w ogóle nie rozpuszczała się w wypełniającej komórkę cytoplazmie, a w każdym razie straciła swoją funkcję). Istnienie takich rozplątanych stanów pośrednich jest trudne do wyobrażenia z punktu widzenia teorii ewolucji - żeby gen podlegał selekcji, musi odpowiadać za jakąś funkcję. Powstaje więc paradoks: z jednej strony pomiędzy dwoma białkami powinien istnieć szereg funkcjonalnych białek pośrednich, z drugiej - białek o pośrednich strukturach, a któreś z takich białek musiałoby być rozplątane, a więc nie spełniające żadnej funkcji (pomijam tutaj kwestię tzw. białek wewnętrznie zaburzonych, które są właściwie rozplątane i jednocześnie spełniają funkcję, bo to dość specyficzne przypadki o nietypowej sekwencji). Jak wyjść z tego paradoksu?

Pierwszy sposób: obalając tezę Afinsena. Jeśli mogą istnieć białka posiadające dwie dość różne struktury naraz (tzn. mogące w miarę płynnie przechodzić z jednej w drugą w warunkach fizjologicznych - tak jak cykloheksan może przechodzić z konformacji "krzesłowej" w "łódkową"), to wtedy takie właśnie białka mogłyby stanowić punkty pośrednie między Pfl6 i Xfaso1. Ścieżkę od jednego białka do drugiego można by wtedy wyobrazić sobie jako przejście od białka posiadającego w 100% (albo przynajmniej 99%) strukturę numer 1 do stanu pośredniego, przyjmującego w 50% strukturę 1 i w 50% strukturę 2, i następnie do białka reprezentującego w 99-100% strukturę 2. To przejściem mogłoby być płynne, albo - co bardziej prawdopodobne - bardziej skokowe. Niemniej jednak w takiej sytuacji musiałoby istnieć przynajmniej jedno białko, albo powiedzmy kilka, przyjmujące dwie struktury naraz. Ale czy takie białka rzeczywiście istnieją? Przynajmniej teoretycznie (tzn. z punktu widzenia podstawowych praw fizyki) nic nie stoi na przeszkodzie, żeby istniały: może być kilka stanów porównywalnie korzystnych energetycznie, zwłaszcza przy tak ogromnej liczbie kombinacji (przecież w białku jest takie mnóstwo wiązań!). Ktoś mógłby zaoponować, że aminokwasy przecież z reguły preferują konkretny typ stuktury drugorzędowej (bo w zależności od posiadanego łańcucha bocznego, lubią różne kąty wiązań), więc wydawałoby się, że dana sekwencja aminokwasów może być stabilna tylko w jednej strukturze drugorzędowej - a to dramatycznie ogranicza strukturę trzeciorzędową, tzn. kształt całego białka. Niemniej jednak znane są przypadki fragmentów białek o długości 5, 6, 7 aminokwasów, które w jednym białku mają powiedzmy strukturę helisy, a w innym - wstęgi, więc to również nie musi być problem. Można więc powiedzieć: teoretycznie takie stany pośrednie są możliwe.

Ale przejdźmy do faktów. Choć znamy struktury kilku innych białek Cro należących do tego samego co Xfaso1 i Pfl6 "drzewa genealogicznego", wszystkie one wyglądają albo podobnie do Xfaso1, albo do Pfl6, nie ma zaś białek o dwóch strukturach. To jednak oczywiście nie znaczy, że takich białek nie ma/nie było. Jak wspomniałem, wyniki badań krystalograficznych zdają się potwierdzać, że każde białko ma tylko jedną strukturę - trzeba pamiętać jednak, że ta metoda po pierwsze bada tylko te białka, które można wykrystalizować (a nie wszystkie można - wśród takich opornych białek mogłyby znajdować się te o więcej niż jednej dozwolonej konformacji przestrzennej, bo to prawdopodobnie nie sprzyjałoby tworzeniu regularnej sieci krystalicznej), a po drugie określa taką strukturę białka, jaką posiada jego krystaliczna forma, która może się różnić od rozpuszczalnej (mogłoby się zdarzyć tak, że białko ma w roztworze kilka dozwolonych kształtów, ale jeden z nich najlepiej krystalizuje).

Również w 2008 roku i również w PNAS (nr 13), Brian F. Volkman z Medical College w Wisconsin i jego współpracownicy opisali chemokinę (białko pobudzające receptory znajdujące się w błonach komórkowych) o nazwie limfotaktyna i skrócie Ltn, która spełnia w organizmie człowieka dwie funkcje: po pierwsze wiąże się z receptorem XCR1 i aktywuje go, po drugie wiąże się z glikozyaminoglikanem heparyną - mniejsza o to, jakie te dwie funkcje mają znaczenie, ważne że są. Okazało się, że Ltn jest białkiem metamorficznym - czyli właśnie posiada dwie zdecydowanie różne struktury, nazwane przez autora Ltn10 i Ltn40. W normalnych warunkach fizjologicznych roztwór białka Ltn zawiera równą ilość form Ltn10 i Ltn40 (tzn. są one w równowadze o stałej równej 1). Co ciekawe, po wprowadzeniu jednej mutacji (zamianie tryptofanu 55 na asparaginian), Ltn przyjmuje wyłącznie konformację Ltn40. Podobnie wprowadzenie jednego dodatkowego mostka siarczkowego tworzy białko posiadające wyłącznie strukturę Ltn10. Otrzymanie tych form pozwoliło ustalić, że każda z nich odpowiada za inną funkcję limfotaktyny w organizmie człowieka. Jest to niezwykle ciekawe samo w sobie, ale jednocześnie sugeruje możliwy mechanizm ewolucji: gdyby nagle tylko jedna z tych funkcji była potrzebna, białko mogłoby ulec mutacji, która uczyniłaby z białka metamorficznego białko o jednej konformacji - tak, jak to się dzieje po zamianie tryptofanu 55. Można więc wyobrazić sobie Ltn jako stan pośredni, albo innymi słowy - wspólnego przodka, dwóch białek o odmiennych strukturach i funkcjach, a podobnych sekwencjach. Być może analogiczne białko było wspólnym przodkiem Pfl6 i Xfaso1.

Wspomniane przeze mnie artykuły są dostępne za darmo na stronie PNAS:

• o białkach Cro: Roessler CG, et al. (2008) Proc Natl Acad Sci USA 105: 2343-2348
• o limfotaktynie: Tuinstra RL, et al. (2008) Proc Natl Acad Sci USA 105:5057–5062.

Zapomniany Edouard van Beneden - część 2.

Co się dzieje w wyniku zapłodnienia? Dwie "połówki jądra" obecne w jaju i plemniku łączą się, odtwarzając normalne jądro cechujące zygotę. Chciałoby się powiedzieć: jakie to sensowne i oczywiste. Nikt jednak, że tak właśnie jest, nie wiedział, dopóki w 1883 roku Edouard van Beneden nie opublikował swoich obserwacji w Archives de Biologie. 
 

Edouard był nie tylko wybitnym badaczem, lecz także sprawnym organizatorem. Z jego inicjatywy powstał w Leodium duży, klasycystyczny gmach Instytutu Zoologii nad rzeką Mozą, obecnie jedna z wizytówek miasta. W swoim laboratorium miał stale przynajmniej pięciu współpracowników, a wśród nich było dziewięciu późniejszych profesorów (w tym Albert Brachet, uważany za jednego z ojców współczesnej embriologii). Założył wreszcie, wraz z Charlesem van Bembeke, embriologiem z Gandawy (Ghent), międzynarodowy periodyk naukowy, wydawany jednocześnie w Leodium i Lipsku, Archives de Biologie. Pierwszy numer ukazał się w 1880 roku. To właśnie w artykułach publikowanych w tym czasopiśmie Edouard miał donosić o swoich najważniejszych odkryciach. Artykułów takich jak te – liczących po kilkaset stron, zawierających rysunki i bardzo skrupulatne opisy obserwacji, już się od dawna nie pisze.

Zazwyczaj mówi się, że to Oskar Hertwig (1846-1922), prowadząc badania na jeżowcach, wykazał, że zapłodnienie odbywa się w momencie, gdy plemnik dostanie się do wnętrza komórki jajowej. Jednak właściwie równocześnie podobne obserwacje, z tym że dla królików i nietoperzy, poczynił van Beneden junior (badał on również dalszy rozwój zapłodnionej komórki, po raz pierwszy opisując stadium zarodka tuż przed jego zagnieżdżeniem się w śluzówce macicy, zwane blastocystą). Proces zapłodnienia u jeżowców wyjątkowo dobrze nadawał się do obserwacji i w związku z tym prace Hertwiga były bardziej jednoznaczne i przekonujące, ale zawierały też jeden błędny szczegół. Hertwig twierdził, że przed zapłodnieniem jądro komórki jajowej zanika, zostaje samo jąderko (kolisty element, który można zaobserwować wewnątrz jądra – dziś wiemy, że jest to obszar, w którym dokonuje się m.in. synteza rRNA), które następnie łączy się z jądrem plemnika, by utworzyć jądro zygoty. Edouard wykazal, że jąderko zanika przed zapłodnieniem, więc nie może być tym, co komórka jajowa wnosi „w posagu” do jądra zygoty. Jednym z zadań, które postawił sobie za cel dalszego etapu badań było więc odkrycie w jaki sposób powstaje jądro zygoty. Że ten dalszy etap zakończył się sukcesem, było w dużej mierze możliwe, jak w bardzo wielu innych przypadkach w historii biologii, dzięki bardzo trafnemu wyborowi organizmu modelowego, na którym prowadzono obserwacje: glisty końskiej, Ascaris megalocephala. Plemniki tego pasożyta są wyjątkowo duże, a rozwój komórki jajowej i zygoty można stosunkowo łatwo śledzić, obserwując odpowiedni wycinek dróg płciowych – kolejne stadia w rozwoju odpowiadają kolejnym wycinkom. Dodatkowo glista ta posiada wyjątkowo małą liczbę chromosomów.

Początkowo obserwacje Edouarda nie były zbyt dokładne. Gdy jednak zostawił próbki w rozcieńczonym alkoholu i spojrzał na nie ponownie po kilku miesiącach, okazało się, że cały proces jest o wiele lepiej widoczny. Nie za bardzo rozumiem, na czym polegał zbawienny wpływ alkoholu na badane próbki. Bardzo długa inkubacja umożliwiła mu z pewnością przeniknięcie do dróg płciowych i oddziaływanie na komórki, być może – ale to tylko moja interpretacja – spowalniając cały proces i sprawiając, że kolejne etapy były wyraźniejsze. Grunt, że Edouardowi udało się wtedy poczynić przełomowe obserwacje. Dojrzała komórka jajowa powstaje w wyniku dwóch podziałów mejotycznych (właściwie van Beneden nie użył terminu „mejoza”– jako pierwszy użył go prawdopodobnie jakiś czas później Andrew Charles Moore). Pierwszy podział daje dwie komórki, potem każda komórka potomna dzieli się ponownie. Spośród czterech komórek-wnuczek jedna to komórka jajowa, pozostałe to tzw. ciałka kierunkowe, które nie spełniają żadnej ważnej roli, są produktami ubocznymi i wkrótce zanikają. 

W zasadzie te podziały są analogiczne do zachodzących normalnie w ciele podziałów mejotycznych, które mniej więcej w czasie, gdy van Beneden prowadził swoje badania, opisał w książce „Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung” („Podział substancji komórkowej, jądra i komórki”) Walther Flemming (1843-1905). Ale różnice pojawiają się przede wszystkim jeśli chodzi o podział jądra komórkowego: niby tak samo jak w mitozie dzieli się ono za każdym razem na pół, ale w pierwszym podziale dzieje się to według trochę innego mechanizmu (szczegóły nie są w tym momencie bardzo istotne), natomiast w drugim niby według takiego samego, ale, ponieważ nie jest podział ten poprzedzony replikacją materiału genetycznego, ostatecznie ilość chromosomów zmniejsza się o połowę. O „materiale genetycznym” jeszcze się wtedy nie mówiło, ale chromosomy i to, jaką ich liczbę dziedziczyły komórki w wyniku podziałów van Beneden dość dokładnie narysował i opisał. Wniosek van Benedena? Jądro komórki jajowej (podobnie zresztą jak jądro plemnika, które jest – jeśli chodzi o skład – w zasadzie identyczne) jest jak gdyby, przynajmniej jeśli chodzi o ilość chromosomów, połową jądra normalnej komórki organizmu. A co się dzieje w wyniku zapłodnienia? Dwie połówki łączą się, odtwarzając normalne jądro. Chciałoby się powiedzieć: jakie to wszystko sensowne i oczywiste. Nikt jednak, że tak właśnie jest, nie wiedział dopóki Edouard van Beneden nie opublikował swoich obserwacji w 1883 roku w Archives de Biologie.

Badania Edouarda w tym zakresie kontyuował później jego uczeń, Hans de Winiwarter (1875-1949), a także konkurent, który miał z czasem przyćmić pamięć van Benedena i jego uczniów (dziś jednak jest również raczej zapomniany), Theodor Boveri (1862-1915). Ale o tym wszystkim może kiedy indziej.

Zapomniany Edouard van Beneden - część 1.

W kwietniu tego roku minęła setna rocznica śmierci Edouarda van Benedena (1846-1910), jednej z najważniejszych postaci w dziejach europejskiej biologii. 

Że ta okazja przeszła praktycznie bez echa, że w ogóle van Beneden jest raczej zapomniany, nie jest tak dziwne, jeśli wziąć pod uwagę, jak mało miejsca w nauczaniu biologii poświęca się wzmiankom o historii rozwoju tej dyscypliny - poza Mendlem, Darwinem, Watsonem i Crickiem na lekcjach czy nawet uniwersyteckich wykładach niestety praktycznie o nikim się nie wspomina. A tak właściwie na uwagę zasługują dwie postaci o nazwisku van Beneden, bo oprócz Edouarda, związanego przez większą część swojej kariery z Uniwersytetem w Leodium (Liège), także jego ojciec, Pierre-Joseph (1809-1894), pracujący na Katolickim Uniwersytecie w Lowanii (Leuven). W jednym z artykułów znalazłem zdjęcie pochodzące ze zbiorów prawnuczki Edouarda: przy ogrodowym stole siedzą na przeciw siebie ojciec i syn, pozostałe miejsca zajmuje pięć kobiet, jeszcze jedna stoi obok (to matka, żona i siostry Edouarda?). Zdjęcie zostało zrobione ok. 1880 roku, Pierre-Joseph jest więc dość stary, ma długa siwą brodę i kapelusz na głowie, jest zajęty rozmową; Edouard - też brodaty, ale jeszcze w sile wieku, pali cygaro i patrzy przed siebie.

Ich życie przypadało na niezwykle ciekawy okres w historii biologii. Po pierwsze, dzięki wkładowi takich badaczy jak Karol Linneusz czy Georges Cuvier, dobrze rozwinięte były badania porównawcze budowy i funkcjonowania organizmów, a także taksonomia, dziedzina zajmująca się systematyką gatunków. Dostępna była więc teoria mówiąca, jak badać i klasyfikować, trzeba było ją tylko zastosować do niezliczonego mnóstwa organizmów zamieszkujących Ziemię. Można powiedzieć, że właśnie w taki klasyczny program wpisywał się Pierre-Joseph, jednak nie był on po prostu szarym jego przedstawicielem. Morskie laboratorium badawcze, które założył w Ostendzie ze swoich własnych środków, było instytucją pionierską w skali świata. Pierre-Joseph zwracał uwagę na wszystkie aspekty badanych przez siebie organizmów (a badał właściwie wszystkie ich rodzaje, może oprócz ptaków), od rozwoju, po anatomię i fizjologię. Jemu zawdzięczamy termin "komensalizm" (inaczej współbiesiadnictwo, zależność między populacjami, w której jedna strona korzysta, a druga nie otrzymuje nic w zamian, ale też nie ponosi szkody), o tym zjawisku napisał on zresztą tłumaczoną na inne języki pracę. Badał także pasożytnictwo, odkrył cykl życiowy tasiemca.

Po drugie znana była już tzw. "teoria komórkowa", mówiąca o tym, że organizmy żywe, zarówno rośliny, jak i zwierzęta, złożone są z komórek i rozwijają się z komórki jajowej poprzez serię podziałów. Postacią odpowiedzialną w dużej mierze za te odkrycia był, obok Matthiasa Schleidena, Theodor Schwann, Niemiec, pracujący w latach 1839-1879 w Belgii, najpierw w Lowanii, a potem w Leodium. Schwann był przyjacielem rodziny van Benedenów, a Edouard uważał starszego od siebie o 36 lat sławnego profesora za jednego ze swoich mistrzów. Ponieważ szczegóły powstania pierwszej komórki organizmu i dalszych etapów jego rozwoju pozostawały nieznane, jednymi z najprężniej rozwijających się dziedzin biologii były embriologia i część cytologii zajmująca się badaniem podziału komórkowego - tymi obszarami zajmował sie Edouard.

Po trzecie, druga połowa wieku XIX wieku to czas recepcji darwinowskiej teorii ewolucji. Edouard, w odróżnieniu od ojca, stał się wielkim zwolennikiem tej teorii i jej właśnie podporządkował znaczną część swojego programu badawczego, tworząc tzw. embriologię ewolucyjną, która próbowała dochodzić pokrewieństwa między gatunkami na podstawie podobieństw we wczesnych fazach rozwoju. Znany jest jego pełen komplementów list do Darwina z 1870 roku, Anglik pozostał jednak dla Belga raczej odległym idolem niż "kolegą po fachu" i regularnej korespondencji dwaj biolodzy nie wymieniali. Znany jest jeszcze tylko jeden list Edouarda do Darwina, o osiem lat późniejszy, w którym prosi o poparcie dla uroczystości ku czci Theodora Schawanna. Van Beneden senior pozostał sceptyczny wobec teorii ewolucji, choć jego poglądy są różnie interpretowane - autor jego biografii z końca XIX w., ewolucjonista Adolphe Kemna, uważał go za prekursora pewnych aspektów myślenia ewolucyjnego, natomiast współczesny chemik i historyk nauki Gabriel Hamoir określa go mianem "kreacjonisty". Jeśli wziąć pod uwagę, że Pierre-Joseph był pobożnym katolikiem o raczej tradycyjnych poglądach społecznych, a Edouard - liberalym agnostykiem, można by przypuszczać że ojciec i syn nie mieli ze sobą nic wspólnego. W rzeczywistości jednak, jak się wydaje, nie pozostawali oni w konflikcie. Edouard był uczniem ojca, korzystał z jego wiedzy, a podczas swoich zagranicznych podróży - z koneksji. Dzięki temu van Beneden junior mógł odwiedzić na przykład sławnego niemieckiego ewolucjonistę, Ernsta Haeckla, który zresztą nie zrobił na Eduardzie, jak wynika z listów do ojca, najlepszego wrażenia - wydaje się, że drażniło go, iż Niemiec oddaje się w zbyt dużym stopniu spekulacjom filozoficznym, na rzecz których, swoją drogą, miał porzucić w przyszłości badania naukowe. Poza tym badania ewolucjonistów i nie-ewolucjonistów w tamtym czasie były podobne - obydwie frakcje zajmowały się obserwacją i skrupulatnym opisem organizmów żywych, różniły się jedynie co do rodzaju pytań, jakie zadawali.

Zarówno ojciec, jak i syn, w swoich badaniach zwracali uwagę na powiązania (fr. "affinités" - tego terminu używa Pierre-Joseph, w artykule z 1840 r., jak również syn, 36 lat później) między gatunkami, tylko że trochę o co innego im chodziło. Edouard rozumiał "affinités" jako pokrewieństwo historyczne między gatunkami, jakie postuluje teoria ewolucji. Pierre-Joseph miał na myśli - tak przynajmniej można przypuszczać - pokrewieństwo metafizyczne, takie, o jakim pisał Arystoteles, Porfiriusz z Tyru, św. Tomasz czy nawet Karol Linneusz. Jaka między tymi dwoma podejściami różnica można zobrazować na przykładzie bakterii, roślin i zwierząt (nie odwołuje się tu do prac van Benedenów): według podejścia ewolucyjnego, historycznego, rośliny i zwierzęta są bardziej zbliżone do siebie nawzajem niż każda z tych domen z osobna do bakterii. Refleksja filozoficzna pokazuje jednak, że bakterie, a przynajmniej znaczna ich część, jako że posiadają stosowne władze (np. zdolność odbioru bodźców, a następnie poruszania się w celu znalezienia dogodnych warunków i uniknięcia niekorzystnych) z metafizycznego punktu widzenia są zwierzętami (właściwie powinienem powiedzieć: ponieważ są zwierzętami, posiadają stosowne władze, nie na odwrót), natomiast nawet najbardziej skomplikowane rośliny posiadają w sobie jedynie życie wegetatywne, czyli są zdolne tylko do wzrostu, rozmnażania się i odżywiania. I nie jest to tylko kwestia nazewniczej konwencji: po prostu bakterie i pozostałe zwierzęta są na tyle do siebie zbliżone, że trzeba znaleźć słowo, które do nich by się odnosiło, a jednocześnie nie obejmowało roślin - kwestią konwencji jest jedynie konkretne słowo, "zwierzę", którego się używa. Nazewnictwo wymusza rzeczywistość.
 
Pozwolę sobie na komentarz. Choć przyszłość miała należeć do podejścia Edourda, myślę, że podejście jego ojca ma pierwszeństwo, jest potrzebniejsze.  Taksonomia, czyli konstruowanie "nazewnictwa wymuszonego przez rzeczywistość" niefortunnie próbuje się obecnie całkowicie zastąpić "genealogią biologiczną", tworzeniem drzew filogenetycznych (które, swoją drogą, doskonale potrafimy konstruować!), zapominając, że w organizmach żywych jest o wiele więcej aspektów, które domagają się  przemyślenia i zbadania, niż tylko to, w jakich okolicznościach po raz pierwszy się pojawiły (podobnie jak chemicy mają znacznie więcej do powiedzenia na temat chlorowodoru niż tylko to, że powstaje zazwyczaj w reakcji chloru i wodoru). Kiedyś świat przyrody traktowano jako różnorodną tajemnicę, którą próbowano ogarnąć przez klasyfikację, systematykę. Dziś nikt już jednak nie uważa świata przyrody za "tajemniczy", odmawia mu się też różnorodności (w końcu i roślina i zwierzę to tylko przypadkowo powstałe "maszyny", a granica między nimi jest całkowicie płynna) i w konsekwencji nikt nie odczuwa już potrzeby klasyfikacji.

Embriologia ewolucyjna była tylko jednym aspektem badań Edouarda van Benedena. Inny, o wiele ważniejszyc z punktu widzenia historii biologii, to badania nad procesami zachodzącymi przed i po zapłodnieniu: nad tworzeniem się komórek rozrodczych, łączeniem się ich w zygotę i pierwszymi podziałami. Ale o tym w następnym wpisie.

Filozoficzne credo

Będą to miniatury biologiczne, krótkie notki o przepięknym świecie organizmów żywych: wypadałoby więc ich autorowi wierzyć w rzeczywiste, a nie tylko umowne, istnienie tychże organizmów i pulsującego w nich życia.

W naszej scjentystycznej kulturze żywe stworzenia są coraz częściej sprowadzane do czegoś na kształt bardzo skomplikowanych maszyn zbudowanych z białek i innych cząsteczek. Jest to punkt widzenia stary jak świat, sięgający co najmniej Leucypa i Demokryta, niemniej jest on, czy w dawnym, czy w nowoczesnym wydaniu, błędny: organizmy żywe to istoty posiadające określoną naturę, stosowne dla nich władze i właściwości (w filozoficznym żargonie: przypadłości), a tylko jedną z tych właściwości - choć oczywiście fundamentalną - jest, że, będąc stworzeniami materialnymi, posiadają ciało, które zawiera odpowiednie elementy składowe. Niby nie taka duża między tymi dwoma podejściami różnica, a jednak prowadzą one do fundamentalnie różnych odpowiedzi na pytanie, co przed sobą widzę, patrząc, powiedzmy, na dzika: czy to coś jest naprawdę dzikiem, składającym się - i owszem - z organów, tkanek, a idąc głębiej - białek, atomów, kwarków, czy naprawdę jedynie zbiorem elementarnych cząsteczek, a dzikiem się tylko być wydaje. Jest jeszcze odpowiedź pośrednia, za którą opowiada się wielu współczesnych filozofów biologii: widzę co prawda jedynie zbiór cząsteczek, ale z niego "wyłania" się organizm żywy. O takim wyłanianiu się (ang. "emergence") napisano wiele książek, ale na próżno szukać w nich informacji, na czym ono w praktyce polega.

Problem zahacza także o dwie inne kwestie, metafizyczną i epistemologiczną. Pierwsza: czy coś takiego, jak życie, rzeczywiście istnieje? Czy organizmy żywe faktycznie różnią się jakościowo od bytów nieożywionych, np. bardzo skomplikowanych maszyn (i to bynajmniej nie ze względu na dodatkowy składnik, w przeszłości postulowany przez naukowców, tzw. "siłę witalną"), czy jakościowych różnic nie ma, a żywe stworzenia są co najwyżej (jak na razie) trochę bardziej skomplikowane? I druga kwestia: czy, stykając się ze światem zewnętrznym, poznaję go takim, jakim on jest - nawet jeśli poznaję go tylko częściowo, niedoskonale, czy raczej moje zmysły i mój umysł zasadniczo mnie mamią i muszę próbować jakoś dostać się do prawdziwego świata drzemiącego pod przykrywką tego, co dostrzegalne - do chłodnego świata elementarnej materii?

Opowiadam się za istnieniem życia i poznawczym realizmem, ale to już może tyle, jeśli chodzi o "deklaracje programowe". Chciałem, aby pierwszy wpis miał charakter trochę polemiczny, żeby podkreślić filozoficzną pozycję, z jakiej będą pisane kolejne wpisy, które, choć - w odróżnieniu od tego - będą się zajmować przede wszystkim suchymi faktami lub sformułowanymi na ich podstawie naukowymi teoriami, czasem nieuchronnie zahaczą o dziedzinę zwaną filozofią przyrody, swoją drogą również zajmującą sie analizą faktów, tylko na trochę innym poziomie refleksji. Będą to miniatury biologiczne, krótkie notki o przepięknym świecie organizmów żywych: wypadałoby więc ich autorowi wierzyć w rzeczywiste, a nie tylko umowne, istnienie tychże organizmów i pulsującego w nich życia. A że nie będą to teksty, mimo tego może niedzisiejszego podejścia, paranaukowe, postaram się udowodnić z biegiem tygodni.