Skład chemiczny żywych organizmów jakościowo zupełnie różni się od kompozycji elementów środowiska fizycznego, w którym te organizmy eg-zystują. Układy żywe w większości zbudowane są z organicznych związ-ków węgla i azotu, w których węgiel znajduje się w stanie względnego zre-dukowania. Spośród występujących w skorupie ziemskiej 100 pierwiastków chemicznych 25 okazuje się niezbędnymi dla budowy i funkcjonowania ży-wych organizmów (tab. 1), a tylko 16 (C, H, O, N, P, S, Na, K, Mg, Ca, Cl, Fe, Mn, Co, Cu, Zn) znajduje się w organizmach wszystkich klas/gromad.
Dziewięć pierwiastków: fosfor, siarka, sód, potas, magnez, wapń, chlor, żelazo, krzem, to tak zwane makroelementy, które pojawiają się w więk-szych stężeniach. Pozostałe pierwiastki: mangan, kobalt, miedź, cynk, mo-libden, wolfram, wanad, chrom, nikiel, selen, fluor, jod, znajdują się w ilo-ściach śladowych i określa się jej jako mikroelementy. Węgiel, wodór, tlen
Tabela 1. Udział ważniejszych pierwiastków w budowie organiz- mów żywych i skorupy ziemskiej (wg Lehningera 1979)
Ryc. 5. Wagowy udział głównych pierwiastków w masie przeciętnego człowieka (wg Raymonda 2007); rycina zawiera kliparty CorelDRAW©9
i azot stanowią pierwiastki najobficiej występujące w żywych organizmach.
Współtworzą one bowiem niemal 99% masy większości komórek (tab. 2).
W przypadku człowieka ważącego około 70 kg masa tych czterech pier-wiastków wynosi 67,5 kg (ryc. 5).
Tabela 2. Przeciętny skład chemiczny organizmów lądowych według Trojana (1978) [% żywej masy]
Pierwiastek % masy Pierwiastek % masy
O 70,00 Ti 0,0008
C 18,00 Zn 0,0003
H 10,00 Li 0,0001
N 0,50 Cu 0,0001
Ca 0,30 Ba 0,0001
K 0,30 F 0,00008
Si 0,15 Br 0,00008
Mg 0,07 Rb 0,00005
P 0,07 Se 0,00005
S 0,05 Ni 0,00003
Cl 0,04 As 0,00003
Na 0,02 Mo 0,00002
Al 0,02 Co 0,00001
Fe 0,02 J 0,00001
Mn 0,007 Hg 0,0000001
Sr 0,001 Ra 0,1× 10–12
Natomiast w skorupie ziemskiej najbardziej rozpowszechnione są: tlen, krzem, glin, sód (tab. 1). Zatem, udział tych pierwiastków w budowie ży-wych organizmów, poza tlenem, nie jest współmierny do ich rozpowszech-nienia w skorupie ziemskiej. Fakt ten sprawił, że wśród niektórych badaczy po raz kolejny odżył pogląd, iż życie musiało zrodzić się z zarodków przy-niesionych na Ziemię przez meteoryty, które w dalekiej przeszłości „zarazi-ły” naszą planetę. Bo czyż skład chemiczny planety nie powinien znaleźć odbicia w biologicznej strukturze jej mieszkańców? Pytają i argumentują jednocześnie zwolennicy panspermii – poglądu chronologicznie najstarsze-go, formalnie wyrażającego koncepcję biogenezy, sformułowanego przez Svanthe’a Arrheniusa w roku 1908. Dodatkowym argumentem dla zwolen-ników tego poglądu jest fakt występowania uderzająco zbliżonego udziału procentowego głównych pierwiastków w organizmach żywych i w całym Układzie Słonecznym. Najczęstszym pierwiastkiem w naszym układzie jest bowiem wodór, tlen zajmuje pozycję trzecią. Pierwiastki te łącznie z drugim w kolejności helem stanowią 98% całkowitej masy Układu Słonecznego;
składnikami czwartym i piątym są odpowiednio węgiel i azot.
Postęp nauk przyrodniczych w ostatnich dziesięcioleciach dał jednak możliwość nowego spojrzenia na interesujące nas zagadnienie. Wśród
zaj-mujących się nim badaczy szczególnie liczną okazała się grupa zwolenni-ków koncepcji ziemskiego pochodzenia życia. Ich zdaniem mogło ono po-wstać ze związków organicznych abiotycznego pochodzenia bez żadnej interwencji z zewnątrz. Z szeregu doświadczeń wynika, że wszystkie proste związki organiczne, komponenty żywych organizmów, mogą zaistnieć bez ich udziału, a jedynie w wyniku działania procesów fizykochemicznych natury abiotycznej. Co więcej, życie zdaje się jawić jako kolejna faza ewolucji materii.
Tabela 3. Procentowy udział głównych składników materii organicznej w makromolekułach wybranych organizmów (Schopf 2002, uproszczony)
Trudno podważyć fakt, że organizmy żywe w ponad 99% zbudowane są z: C, H, O, N – CHON (tab. 3). Skoro pierwiastki te nie występują w prze-wadze na Ziemi i jeśli zakładamy, że nie przywędrowały one z kosmosu, to mamy prawo także sądzić, iż związki z nich utworzone muszą ujawniać wyjątkową przydatność molekularną w tych wszystkich procesach, które razem tworzą stan materii zwany życiem. Czy tak rzeczywiście jest? Okazu-je się, że (1) pomiędzy CHON bez trudu zachodzą reakcOkazu-je z trwałymi wią-zaniami kowalencyjnymi, to jest takimi, w których 1, 2 lub 3 elektrony są wspólne dla związanych atomów; cecha ta pozwala im uzupełniać swe ze-wnętrzne powłoki elektronowe. (2) CHON są najlżejszymi spośród pier-wiastków zdolnych do tworzenia wiązań kowalencyjnych. Okazuje się, że w żywych organizmach nastąpił dobór takich pierwiastków, jakie zdolne są wytwarzać najmocniejsze wiązania kowalencyjne, ponieważ siła takich
wiązań pozostaje w odwrotnym stosunku do masy związanych atomów.
(3) atomy węgla wykazują szczególnie znamienną właściwość przejawiającą się we wzajemnym współdziałaniu, z wytwarzaniem między sobą trwałych wiązań, w tym kowalencyjnych. Każdy atom tego pierwiastka jest w stanie utworzyć ten typ wiązań nawet z czterema innymi atomami węgla. Ta właś- ciwość sprawia, że (4) z połączonych kowalencyjnie jego atomów może kształtować się teoretycznie niezmierzona rozmaitość szkieletów dla różnych cząstek organicznych. Co więcej, proste i rozbudowane łańcuchy węglowe zdolne są przyłączać wiele różnego rodzaju grup funkcyjnych, co zwielo-krotnia i tak już ogromną liczbę związków organicznych. Te zaś (5) przyj-mują wokół każdego atomu węgla konfigurację tetraedryczną. Różne czą-steczki tego typu muszą wykazywać zatem rozmaitą strukturę przestrzenną.
W związku z tym (6) w żywych organizmach związki węgla, na przykład glukoza, są w wysokim stopniu zredukowane – obfitują zatem w energię.
Z dominujących w litosferze pierwiastków jedynie krzem ma zdolność do wytwarzania trwałych cząstek o daleko różniących się wymiarach i kształtach, a także o dużej rozmaitości grup funkcyjnych. Jakkolwiek za-wartość krzemu w litosferze jest znacznie większa niż węgla, to nie daje on trwałych wiązań Si–Si w obecności O2. Prowadzi to do tworzenia się krze-mianów i nierozpuszczalnych polimerów dwutlenku krzemu, takich jak na przykład kwarc. Natomiast związki organiczne utworzone z CHON oraz, w mniejszych ilościach, w połączeniach z P i S, występujące w żywej materii, wykazują nadzwyczajną różnorodność, a większość z nich jest ogromnie złożona. Nawet najprostsze komórki (np. bakteria Escherichia coli) zawierają około 5 tys. różnych związków organicznych (3 tys. białek, tysiąc różnych kwasów nukleinowych, cukry, lipidy i in.). Organizmy wyższe, o bardziej skomplikowanej budowie, również zawierają białka i kwasy nukleinowe, jednak o wiele bardziej różnorodne. Dla przykładu, organizm człowieka ma około 5 mln rozmaitych białek, przy czym żadna z cząsteczek białkowych E. coli nie jest identyczna z którymkolwiek białkiem występującym u czło-wieka, jakkolwiek niektóre z nich pełnią podobne funkcje. W istocie każdy gatunek ma swój własny, chemicznie odrębny zestaw cząstek białkowych i kwasów nukleinowych.
Przy założeniu, że na Ziemi żyje około 2 000 000 gatunków, można obli-czyć, iż łączna liczba różnego rodzaju cząsteczek białkowych we wszystkich żywych organizmach wynosi około 1012, a różnych kwasów nukleinowych – około 1010. Jednakże zróżnicowania te, choć mogą zaskakiwać, kryją w sobie pewien paradoks. Polega on na tym, że to nieprawdopodobne bogactwo cząsteczek organicznych daje się ostatecznie sprowadzić do zadziwiającej prostoty (tab. 4). Białka (grec. proteios) to łańcuchy uszeregowane z wielu
Tabela 4. Udział cząsteczek budulcowych w składnikach organizmów żywych (wg Schopfa 2002)
różnych sekwencji tylko 20 aminokwasów. Podobnie kwasy nukleinowe, które tworzy zaledwie osiem rodzajów jednostek strukturalnych, zwanych mononukleotydami. Ponadto, te same aminokwasy i nukleotydy występują jako składniki budulcowe białek i kwasów nukleinowych u wszystkich ży-wych gatunków. Powinno się zatem uwzględniać hipotezę, według której te biomolekuły stanowią wytwór selekcji ewolucyjnej, czyli są to cząsteczki prawdopodobnie najlepiej przystosowane do pełnienia określonych funkcji biologicznych.
Występujące nielicznie proste cząsteczki budulcowe, komponenty makro-molekuł, odznaczają się jeszcze inną niezwykłą cechą. Każda z tych cząste-czek pełni bowiem w żywych komórkach więcej niż jedną funkcję. Aminokwa-sy przeto są nie tylko jednostkami strukturalnymi cząsteczek białkowych, lecz także prekursorami: hormonów, alkaloidów, porfiryn, barwników, na przykład hemoproteiny, chlorofilu i wielu innych biomolekuł. Nato- miast mononukleotydy pełnią dodatkowo rolę koenzymów i przenośników energii.
Już na podstawie tych kilku przykładów można dostrzec pewne aksjo-maty molekularnej logiki życia. Widzimy więc, że u podstawy cząsteczko-wej organizacji komórki istnieje prostota. Występowanie biomolekuł w tej samej postaci u wszystkich znanych gatunków sugeruje, że żywe organizmy mają wspólne pochodzenie. Widzimy dalej, że cechy każdego gatunku zo-stają utrzymane dzięki odrębnemu zestawowi kwasów nukleinowych i bia-łek. W odróżnieniu od materii nieożywionej cząsteczki zawarte w żywych organizmach współdziałają z sobą i współoddziałują. Jednocześnie
podlega-ją one zespołowi reguł, dzięki którym mapodlega-ją zdolność do samoorganizacji i autoreplikacji. W końcu, w funkcjonalnej aktywności biomolekuł budulco-wych dostrzegamy istnienie podstawowej zasady ekonomii molekularnej.
Zamiast tworzyć nową grupę biomolekuł w celu uzyskania nowych jakości, wykorzystywane są te, które wyselekcjonowane zostały u zarania życia.
Wydaje się, że są to najprostsze z możliwych cząsteczek, zachowane w opty-malnej liczbie, pozwalające żyć i wykazywać cechy gatunkowe w warun-kach środowiska, które je otacza. I chociaż niektóre z nich nie wykazują chemicznego powinowactwa, za sprawą metabolicznych przemian enzyma-tycznych mogą być od siebie zależne. Na przykład cukier (glukoza), kwas tłuszczowy (kwas palmitynowy) i aminokwas (alanina) choć są różnymi cząsteczkami, to komórka może wykorzystać wszystkie atomy węgla gluko-zy do wytworzenia z nich szkieletu alaniny, a cztery z sześciu atomów węg- la z glukozy może wbudować do kwasu palmitynowego. Biomolekuły mogą zatem ulegać wzajemnym przekształceniom enzymatycznym. Tak więc nie liczba i rodzaj składników, a sposób ich łączenia zdecydował o tym, że wła-ściwości cząsteczek mogły być dowolnie zmieniane.
W odróżnieniu od biomolekuł żywe komórki ujawniają jeszcze inny ro-dzaj ekonomii. Szczególnie wyraźnie uwidacznia się on w gospodarowaniu energią i materią. Wydajność komórek w przekształcaniu pobranej energii w pracę przewyższa znacznie sprawność większości maszyn skonstruowa-nych przez człowieka. Pochłaniana ze środowiska energia zostaje w komór-kach odzyskana w formie energii chemicznej, a ta z kolei ulega przetworze-niu na pracę, np.: chemiczną – w biosyntezie składników komórkowych, mechaniczną – przy skurczu i ruchu, osmotyczną – podczas transportu ma-teriałów do komórki. Zatem, w molekularnej logice życia należałoby jeszcze uwzględnić fakt, że komórka tworzy układ wydobywający ze środowiska energię.
W zależności od typu energii czerpanej ze środowiska komórki można podzielić na dwie duże grupy: fotosyntetyzujące, wykorzystujące światło słoneczne, i heterotroficzne, czerpiące energię z utleniania wysoce zreduko-wanych cząsteczek organicznych, na przykład glukozy. W obydwu proce-sach część energii swobodnej jest przekształcana w chemiczną, magazyno-waną i przenoszoną przez ATP (adenozynotrójfosforan). Eksploatacja tej energii w komórkach zachodzi dzięki enzymom, czyli katalizatorom o wy-sokiej wydajności i zdolności zwiększania szybkości reakcji chemicznych, a przez to pozwalających na syntezę większej ilości makromolekuł. A enzy-my? To również produkty prostych aminokwasów, a więc białka o wysokim stopniu wyspecjalizowania. Spośród 1000 znanych enzymów każdy może katalizować tylko jeden ściśle określony rodzaj reakcji chemicznej, nie
za-kłócając innych. Warto zauważyć, że reakcje katalizowane przez enzymy przebiegają w ciągu zaledwie tysięcznych części sekundy, bez żadnych pro-duktów ubocznych, dzięki czemu możliwe staje się jednoczesne przeprowa-dzanie wielu różnych procesów. Pojedynczy enzym przyśpiesza tylko jedną z przemian danej cząsteczki i nie wpływa na inne. W każdej komórce, czyli w tym samym „pojemniku” mogą być zatem przeprowadzane równocześnie tysiące syntez. Wobec tego zachodzą one w warunkach przekraczających możliwości współczesnego i zaawansowanego technicznie laboratorium chemicznego. Ten wysoki stopień specyfiki enzymów wynika z zasady komplementarności strukturalnej. Zgodnie z nią cząsteczki „enzym–sub-strat” tworzą doskonały układ dopełniający się: podczas cyklu katalityczne-go łączą się tylko ze „swoim” substratem. Fakt ten można uznać za funda-mentalny aksjomat molekularnej logiki życia. Podobnie jak to, że jeśli w środowisku jakiś produkt jest dostępny w „gotowym stanie”, to komórka może „wyłączyć” syntezę enzymu potrzebnego do wytworzenia z prekurso-rów danego produktu.
Spośród wszystkich zasad molekularnej logiki życia najbardziej intrygu-je intrygu-jednak zdolność żywych komórek do odtwarzania się z niemal doskonałą wiernością i to przez setki oraz tysiące pokoleń. Znamienne przy tym jest to, że biorąc pod uwagę nawet najbardziej złożone żywe organizmy, przeka-zywana informacja genetyczna wydaje się być niewspółmiernie mała w sto-sunku do wielkości komórek pełniących funkcję przekazywania. Wszystkie informacje skupiają się w sekwencji nukleotydowej kwasu dezoksyrybonu-kleinowego (jego ilość = 6 × 10–12 grama) w jądrze komórkowym, a odcinki, w których zakodowane są informacje genetyczne, mają wymiary ułamków pojedynczej cząsteczki DNA. Przy tym podziw budzi trwałość informacji genetycznej. Mimo że nieprzechowywana na zwojach miedzi, w kamieniu, czy, z całym szacunkiem dla współczesności, na nośnikach cyfrowych wąt-pliwej trwałości, przetrwała ona co najmniej 3,5 mld lat. Dla porównania, najstarsze pismo klinowe z Mezopotamii ma niewiele ponad 5 tys. lat, co w naszej hipotetycznej skali czasu osiąga około 30 sek.
Poprzez translację cech struktury DNA na cechy struktury białek ujawnia się jeszcze jedna właściwość informacji genetycznej. Jako liniowa sekwencja jednostek mononukleotydowych odtwarza ona przestrzenną budowę komó-rek i ich części. Mamy tu zatem przejście od liniowo zakodowanej informacji genetycznej do skomplikowanych makromolekularnych i supramolekular-nych składników żywych organizmów, z zachowaniem dokładnej odtwa-rzalności zestawów białek. Zgodnie z zasadą komplementarności struktu-ralnej zawarte w zestawach białek cząsteczki pasują do siebie tylko w jeden określony sposób.