Cykady wiedzą, po ilu latach najlepiej wyłonić się spod ziemi, żeby nie czyhały na nie drapieżniki. Bakterie żyjące w jelicie doskonale znają zwyczaje kulinarne swojego gospodarza. Organizmy z dobrze nastawionym zegarkiem mają przewagę nad spóźnialskimi.
Po co liczyć czas? Z ludzkiej perspektywy to pytanie wydaje się absurdalne. Dla kogoś, kto nie wie, która jest godzina, złapanie autobusu graniczy z cudem, a spotkanie ze znajomymi staje się loterią. Dla nas mierzenie czasu to sprawa życia i śmierci, więc opracowaliśmy metody tak precyzyjne, że aż trudne do pojęcia: naukowcy potrafią pokroić sekundę na miliardy maleńkich chwil, aż do najkrótszego ze wszystkich – czasu Plancka. Ludzkość jest osaczona czasomierzami. Jednak byłoby pychą podejrzewać, iż to dzięki homo sapiens wiadomo, że czas płynie, prawda?
Umiejętność śledzenia upływu czasu przejawia się we wszystkich królestwach świata ożywionego, ale organizmami, u których jest to szczególnie widoczne, są oczywiście sinice – łatwo eksperymentować z tymi jednokomórkowymi bakteriami ze względu na ich powszechne występowanie. Fotosyntetyzują, więc są głodne słońca. Jak każde życie, sinica działa, ponieważ zawarte w niej białka produkują się, naprawiają, organizują i przeprowadzają metabolizm – wszystko według zawartych w materiale genetycznym instrukcji. A skoro sinica żywi się przede wszystkim słońcem, to z pewnością jej komórka pełna jest białek zaangażowanych w fotosyntezę: i tych, które wyłapują energię światła, i tych, które tę energię przekształcają w cukier. Sinicy jest oczywiście na rękę jeść „ile wlezie”, ale słońce świeci przez kilka godzin, a koszty produkcji i utrzymania maszynerii fotosyntetycznej są wysokie. Warto więc dostosować się do cyklu dobowego.
Zsynchronizowanie natężenia produkcji białek fotosyntetycznych z cyklem dnia i nocy pozwala do maksimum wykorzystać sprzyjające warunki, a do minimum zmniejszyć koszta metaboliczne. Sinice, które w ramach badań zmodyfikowano tak, by funkcjonowały w 30-godzinnej dobie, zawsze przegrają z „naturalnymi” sinicami w „normalnych warunkach” (12 godzin światła i 12 godzin ciemności). Przewaga, jaką daje umiejętność zgrania się z dobą, jest na tyle znaczna, że nie opłaca się tego nie umieć.
Białkowy czasomierz
Skoro celem modyfikowania sinic było przestrojenie ich wewnętrznego zegara do 30-godzinnej doby, to naukowcy muszą chyba wiedzieć, jak właściwie taki organizm liczy czas. Wydaje się, że sednem sprawy są trzy białka, nazwijmy je A, B i C. Sześć białek C układa się razem, a każde z nich ma po dwa czułki – w sumie 12. Białko A aktywuje czułki, a białko B przyczepia się do białka A i odciąga je od czułek. Taniec między A, które dąży do czułek, i B, które powstrzymuje A, jest tańcem oscylatora. Stopień pobudzenia czułków C przekłada się na aktywność białek regulatorowych – to pod ich sterami znajduje się cała komórka. Od działania tego systemu zależy też kształt samego DNA i również w ten sposób regulowane jest, które geny (i kiedy) będą działać. Ciekawe wydaje się jednak to, że oscylator operuje w skali 24 godzin. Jak na reakcje biochemiczne to naprawdę długo – ten sam proces, który odpowiada za aktywację czułków, stanowi podstawę setek innych reakcji biochemicznych zachodzących w skali mikrosekundowej. Niektórzy badacze twierdzą, że spowolnienie takie wynika z kształtu kompleksu białek C. Cząsteczka wody – także niezbędna do aktywacji czułka – musi przeciskać się przez ciasne zakamarki kompleksu, co zajmuje jej sporo czasu. Można więc pokusić się o stwierdzenie, że „zegar sinic tyka kroplą wody”. A co, jeśli go rozstroimy? Nic nie szkodzi. Praca oscylatora regulowana jest przez szereg białek, w tym takich, które potrafią reagować na światło. Zdezorientowana co do upływu czasu sinica prędko przestawi swój zegarek na odpowiednią „godzinę”.
Jelitowi zegarmistrze
Co z organizmami żyjącymi w ciemności? Czy dla tych, których cytoplazma nigdy nie skąpie się w promieniach słońca, istnieje jakaś różnica między dniem a nocą? W jelicie każdego zwierzęcia roi się od rozmaitych form życia. Bakterie, grzyby i pierwotniaki pochłaniają pokarm, rosną, mnożą się i umierają, nigdy nie wychylając się poza jelito gospodarza. Mogłoby się wydawać, że są zupełnie inne niż ich fotosyntetyzujący kuzyni: gdy ci zrywają się z łóżka, by wyprzedzić wschód słońca, jelitowcy przewracają się na drugi bok i smacznie drzemią. Nic bardziej mylnego. Interakcja mieszkańców z gospodarzem ewoluowała przez setki i tysiące pokoleń, a nawiązana między nimi więź przekracza granice gatunkowe. Nie ma wspólnoty bez wzajemnego poszanowania tradycji oraz nawyków. A przecież z wymiany kulturowej czerpać można ogromne korzyści. I tak właśnie mają się sprawy wewnątrz jelita. Organizmy zależne od substancji odżywczych pochłanianych przez gospodarza zmuszone są do rejestrowania jego nawyków żywieniowych, jak również ich przewidywania. Odpowiednio przygotowane lepiej na tym wyjdą. Korzystne jest więc dla mikrobioty zsynchronizowanie się z gospodarzem. Dokonuje tego dzięki monitorowaniu szeregu czynności życiowych zwierzęcia, w którym bytuje. Jednym z obserwowanych czynników jest temperatura ciała – zmienia się ona w ciągu doby. Ponadto mikroorganizmy reagują na stężenie związków odżywczych w środowisku: kiedy my jemy, jedzą i one. Zdolne są też do „zapamiętania” naszych nawyków żywieniowych. Wydaje się jednak, że to melatonina, hormon snu, jest najważniejszym czynnikiem, według którego nastraja się jelitowy zegar. Mikroorganizmy żyjące z nami w kooperatywie doskonale znają swój dom, więc jeśli co rano jemy np. jajecznicę, bakterie w naszym jelicie z pewnością o tym wiedzą.
Mądrość bakterii
Niektórzy filozofowie nauki zwróciliby nam uwagę na to, że organizmy nie tylko przystosowują się do środowiska, lecz także zmieniają je, aby dobrze im się w nim żyło. Koralowce wydzielają związki wapnia, z których po pewnym czasie powstają rafy, jedne z najbardziej zróżnicowanych nisz ekologicznych. Rola krajobrazotwórcza dotyczy też mikrobioty. Mikroorganizmy jelitowe wydzielają wiele cząstek aktywnych biologicznie. Pasożyty wytwarzają takie, które uspokajają układ odpornościowy gospodarza, a bakterie żyjące z nami w komitywie potrafią – poprzez rytmiczne wydzielanie cząstek sygnałowych – oddziaływać na wewnętrzny zegar swojego mieszkanka. Zadowolone, nawykłe do rutyny organizmy pozytywnie wpływają na jakość snu oraz pomagają utrzymać punktualność naszego zegara. Powinno istnieć przysłowie: „Kiszka w formie, sen jest w normie”. I odwrotnie: jet lag, zarwana noc czy nagła zmiana diety zaburzają równowagę w jelicie. Bakterie – przyzwyczajone do otrzymywania o poranku cukru z trawionej przez nas owsianki – będą niepocieszone, gdy zamiast pożywnego śniadania zalejemy je kawą. Dynamika między setkami gatunków stanowiących mikrobiotę zachwieje się, czego skutkiem może być dominacja któregoś z patogenów, a w rezultacie wywołanie choroby. Myszy naznaczone mutacją genów zaangażowanych w pilnowanie rytmu dobowego oraz takie, których mikrobiota została sztucznie naruszona, przegrają ewolucyjną rywalizację ze zdrowymi siostrami.
Taka wzajemna synchronizacja opiera się na ewolucyjnej adaptacji. Organizmy z dobrze nastawionym zegarkiem mają przewagę nad spóźnialskimi. To przewaga, na której brak nie można sobie pozwolić w maszerujących wciąż dziejach historii naturalnej. Myślę, że gdzieś w głębi każdy z nas przeczuwał, że komórki skrywają w sobie zegar. Ale co z dłuższymi okresami? Czy niektóre organizmy posiadają nie tylko zegarki, lecz także kalendarze?
Kalendarz cyka
Cykady wieloletnie to zbiorcze określenie kilku gatunków owadów należących do rzędu pluskwiaków, które – jak na owady przystało – mają interesujący cykl życiowy. Po wykluciu się z jaj złożonych na gałęziach drzew spadają na ziemię i drążą w głąb gleby tunele. Lokalizują korzenie drzew, by przyssać się do nich i odżywić sokami rośliny. Tam też przechodzą serię przekształceń, których wynikiem jest dorosła postać. Cykady, wszystkie razem i jednocześnie, wykopują się spod ziemi i ruszają na żer. Tym, co ciekawe z naszej perspektywy czasobadaczy, jest fakt, że podziemny etap ich życia trwa 13 lub 17 lat (w zależności od konkretnego gatunku). Zarówno 13, jak i 17 nie są losowymi liczbami: to liczby pierwsze. Czy zatem cykady mają w głowach zaprogramowane sito Eratostenesa (algorytm wyznaczania liczb pierwszych)?
Według badaczy zajmujących się cykadami wieloletnimi wybór tak specyficznych liczb jest nieprzypadkowy. Aby wyjaśnić ten fascynujący fenomen, musimy spojrzeć na dynamikę ekologiczną między cykadami a drapieżnikami, dla których stanowią one łatwy i łakomy kąsek. W przyrodzie sprawy mają się tak, że jeśli gatunek A ma dobry rok i osiągnie wysoką liczebność, to z pewnością drapieżny gatunek B wykorzysta ten fakt i zje tyle, ile tylko będzie w stanie pomieścić. Tak nażarte drapieżniki rozmnożą się i w następnym roku osiągną wysoką liczebność. Dla gatunku A oznacza to katastrofę. Nienasycone hordy gatunku B zdziesiątkują populację A. Im mniej z kolei osobników gatunku A, tym mniej pożywienia dla gatunku B, którego młode będą teraz cierpieć głód. Część z nich padnie, więc w następnym roku gatunek B nie osiągnie zbyt wysokiej liczebności, co będzie szansą dla gatunku A. I tak rok po roku równowaga ekologiczna reguluje się „wewnętrznie i samodzielnie”. W przypadku cykad wieloletnich, których cykl rozwojowy zsynchronizowany jest według liczb pierwszych, dynamika ta przyjmuje nieco inną formę, a jej sens leży w dzieleniu z resztą.
Dzielenie z resztą
Dawne próby wyjaśnienia fenomenu jednoczesnego przebudzenia cykad wiązały się głównie z pomysłem, że w pewnym momencie drapieżniki się przejedzą. Dopiero co przebudzone, zaspane, nieopancerzone i ledwie lotne owady są łatwym łupem, dzięki czemu łase na nie zwierzęta otrzymują wtedy szwedzki stół w kategorii all inclusive. Po kilku dniach żerowania drapieżniki już tak się nasycą, że reszta cykad będzie bezpieczna. Ma to sens i działa nieźle, ale cykadzie rozumowanie idzie jeszcze dalej. W związku z tym, że zagrażające im zwierzęta także funkcjonują w cyklach (potrzebują czasu, by osiągnąć dojrzałość płciową), cykady dobrały sobie okresy, które nie mają dzielników. Przykładowo: drapieżnik z 3-letnim cyklem reprodukcyjnym, który w przeszłości przypadkowo zsynchronizował się z cykadami, będzie musiał przejść teraz cztery cykle plus jeden rok (12 + 1) do czasu, gdy grupa 13-letnich owadów znów wylezie spod ziemi. Taka strategia sprawia, że cykady niemal zawsze wychodzą na powierzchnię w momencie, gdy część drapieżników jest jeszcze niedojrzała płciowo, co uniemożliwia im pełne wykorzystanie chwilowo obfitego źródła pożywienia.
Rachunki cykad
Istnieje jednak alternatywna hipoteza tłumacząca takie wysublimowane zachowanie cykad – związana z wolą niemieszania się z innymi grupami tego samego gatunku. W końcu owady te funkcjonują w rojach, a każdy z nich ma własny kalendarz. Spekuluje się, że tak długie okresy rozwojowe są taktyką, która wyewoluowała w czasach cofania się lodowca, gdy panowały wyjątkowo trudne warunki środowiskowe. Rój, który zapoczątkował przejście cyklu trwającego „pierwszą liczbę lat”, zyskał przewagę ‒ na tyle znaczącą, że ryzykiem byłoby wymieszać swoje genialne DNA z mniej rozgarniętym DNA kuzynów. Mogłoby się to przecież skończyć „rozcieńczeniem” owej cechy, czego skutkiem byłaby utrata wytworzonej adaptacji. Z kolei drugi scenariusz, wcale nie lepszy, oznaczałby rozprzestrzenienie się cechy i ryzyko obdarowania supermocą wszystkich innych rojów. Współczesne modele matematyczne wspierają właśnie tę hipotezę. Będąc cykadzim rojem, warto trzymać się razem i przechowywać w ukryciu długotrwałą strategię jednoczesnego wyłaniania się spod ziemi – i to dokładnie co 13 lub 17 lat.
Naukowcy będący zwolennikami poglądu, że liczby są znakami matematycznego języka wymyślonego przez ludzi, łapią się za głowę. Ale cóż zrobić, empiryczne dane mówią same za siebie. Wykorzystanie przez cykady liczb pierwszych ma sens ewolucyjny i basta. A to, że owady nie znają tabliczki mnożenia, nie stanowi dla nich problemu. Pojawia się jednak pytanie: skąd wiedzą, że minęło właśnie 17 lat? Zainteresowani tym tematem naukowcy próbowali najpierw powiązać ową zdolność cykad z wewnętrznym, molekularnym zegarem. Okazało się jednak, że pluskwiaki nie prowadzą żadnego arkusza, w którym zliczają kolejne dni, ani – jak to ujęli w swojej publikacji badacze – nie liczą „realnego” upływu czasu. Zamiast tego skupiają się na drzewach, na których korzeniach żerują, oraz ich rocznych cyklach. Wywnioskowano to dzięki eksperymentowi, w którym 15-letnie nimfy cykad przeniesiono w pobliże drzew brzoskwiniowych. Rośliny te hodowano w zmodyfikowanych warunkach dobranych tak, by zachęcić je do przeprowadzenia dwóch cykli owocowania w trakcie roku. Skład chemiczny soku drzewa zmienia się w czasie. Gdy rosną kwiaty, a później owoce, stężenie łakomych kąsków w soku rośnie, natomiast zimą maleje. Drzewa użyte w tym eksperymencie doświadczyły wahań składu soku dwukrotnie podczas jednego sezonu. Żyjące pod ziemią cykady nie odczuły tych „dziwnych” warunków, ale spijając sok z korzeni drzew, dostrzegły, że zmienił on swoje właściwości dwa razy i zinterpretowały to jako upłynięcie dwóch lat. Poddane takiemu doświadczeniu owady wychynęły spod ziemi rok wcześniej niż grupa kontrolna. Wniosek: cykady nie prowadzą rocznika „w głowie”, tylko polegają na informacjach wyczytywanych z zachowania drzew, na których pasożytują.
Czasomierze można spotkać w każdym ożywionym zakątku. Niektóre organizmy ukrywają je wewnątrz swoich komórek. Zasady ich funkcjonowania zakodowane są w materiale genetycznym, a po odczytaniu zamieniają się w elementy mechanizmu zegara. Istnieją organizmy odczytujące upływ lat ze zmian zachowania sąsiadów, istnieją też takie, które budują zegary atomowe i teoretyzują na temat najkrótszych, niepodzielnych przeskoków wskazówki zegara wszechświata. Każdy z nich – według własnych potrzeb. Przykłady rozstrajania czasomierzy przez naukowców mogą wydawać się dowodem na to, że nie istnieje wspólny i obiektywny czas. Ale czy w dobie rewolucji kwantowej oraz idących za nią teorii o równoległych wszechświatach i równoczesności wszelkiego czasu pytanie o zegarmistrza świata nie wydaje się trochę zbyteczne? Widzę upływ czasu w otaczającej nas naturze. Widzę, jak meandruje. I tyle mi wystarczy. A gdy ktoś pyta, czym jest czas Plancka, czym godzina, czym dla człowieka jest dzień, odpowiadam wierszem Philipa Larkina (tłum. Stanisław Barańczak):
Po co są dni?
To w dniach mieści się nasze życie.
Jeden po drugim nastają
I budzą nas ze snu.
To w nich ma nam być dobrze:
Gdzie żyć, jeśli nie w dniach?
Ach, znaleźć na to odpowiedź,
A zaraz zjawia się ksiądz
I lekarz – obaj pędzą
W długich płaszczach przez pola.
Czytaj również:
