Michał Heller, "Wędrówki w genetycznej hiperprzestrzeni" (2005)

Zdarzenia-książki-ludzie

 

Wędrówki w genetycznej hiperprzestrzeni

Michał Heller

Simon Conway Morris,
> <em>Life's Solution. Inevitable Humans in a&nbsp;Lonely Universe<em>,
> Cambridge University Press, Cambridge 2003<p>

Czytałem tę książkę z jakimś dziwnym uczuciem czci. Tak, to chyba dobre wyrażenie. Bo oto jestem dziedzicem - dziedzicem i nosicielem - czegoś zupełnie niezwykłego. Żyję, jestem, jako owoc długiego łańcucha zadziwiających wydarzeń. Autor tej książki o życiu jest profesorem ewolucyjnej paleobiologii Uniwersytetu w Cambridge. Jest oczywiście zwolennikiem teorii ewolucji - innego wyjścia nie ma - ale nie należy do tych (niestety licznych) ewolucjonistów, dla których dzięki naturalnej selekcji nic więcej już nie ma do wyjaśnienia. Lektura książki niemiłosiernie ujawnia, jak wąskie było gardło, przez które musiały się przepchać procesy prowadzące ostatecznie do narodzin życia. Owszem, wszystko wskazuje na to, że prawa fizyki zawierają w sobie silną tendencję do produkowania coraz większej złożoności, ale jeżeli nawet tak jest w istocie, to procesy życiowe są plątaniną fizycznych konieczności i całkiem przygodnych zdarzeń, składających się na to, co nazywamy historią.

Molekuły aminokwasów, podstawowe cegiełki życia, są stosunkowo proste. Istnieje 20 rodzajów, z których powstają białka. Jeżeli przyjmiemy, że na jedno białko składa się 100 takich cegiełek (a nie jest to założenie wygórowane), to wszystkich możliwych kombinacji jest 10020 = 1039 (czyli tyle, na ile szacuje się liczbę elektronów we wszechświecie). Jak wiele z nich prowadzi do powstania życia? Możemy sobie wyobrazić, że wszystkie te kombinacje tworzą gigantyczną "hiperprzestrzeń" (każda kombinacja jest w niej punktem). Wszystkie białka istniejące na naszej planecie odpowiadają mikroskopijnemu fragmencikowi tej olbrzymiej hiperprzestrzeni. Oczywiście nie wszystkie jej podobszary są "jednakowo prawdopodobne", prawa fizyki wybierają tylko niektóre. Morris pisze: "Będę przekonywał, że pomimo ogromu biologicznej hiperprzestrzeni, prawie w całości musi ona pozostawać pusta, nie z tego powodu, że szanse naszej pijanej wędrówki, mającej doprowadzić nas właśnie do takiego a nie innego jej obszaru, zawiodły, lecz dlatego, że drzwi tam wiodące na zawsze pozostają zamknięte, droga nigdy tam nie prowadziła, od samego początku te a nie inne możliwości były nieosiągalne" (s. 12). W niczym nie zmienia to mojego uczucia czci (jak napisałem na wstępie), przenosi je tylko z przypadkowej kombinatoryki do architektury praw fizyki.

Obiegowa opinia głosi, że lekarstwem na ten labirynt niebezpieczeństw w hiperprzestrzeni jest czas: nawet najmniej prawdopodobna kombinacja zrealizuje się, jeżeli dać jej do dyspozycji odpowiednio długi czas. Problem jednak w tym, że czasu wcale nie było tak dużo.

Ziemia w pierwszym okresie po swoim utworzeniu (układ planetarny powstał wokół Słońca ok. 4,5 miliarda lat temu) na pewno nie była przyjaznym dla życia środowiskiem. Nawet gdy warunki fizyczne w miarę się ustabilizowały, nasza planeta była nieustannie bombardowana przez różnej wielkości meteoryty (ślady takiego bombardowania obserwujemy na Księżycu, na Ziemi zostały one prawie w całości starte przez erozję). Przynajmniej kilka takich uderzeń przybrało rozmiary katastroficzne. Życie miało szansę dopiero wtedy, gdy te katastroficzne deszcze ustały. Jest to w znacznej mierze zasługą Jowisza, który dzięki swej wielkiej masie do dziś ściąga na siebie kosmiczny gruz lecący w naszą stronę. Teoretycznie życie mogło powstać w okresie "meteorytowych deszczów", ale parujące oceany na skutek zderzeń z wielkimi meteorytami i tak nie dałyby mu szans na przetrwanie.

Biorąc to wszystko pod uwagę, czas, jaki pozostał życiu, by się jakoś ukonstytuować, ocenia się na 20 lub nawet tylko 10 milionów lat. Wynik tych ocen budzi u specjalistów uczucie zaskoczenia. Jedynym rozsądnym rozwiązaniem tej zagadki wydaje się hipoteza, że powstanie życia jest bardzo szybkim procesem samoorganizacji, "rodzajem kosmicznej nieuniknioności, tak naturalnej jak to, że woda jest mokra" (s. 74).

Czy wyjściem z tej sytuacji nie byłoby przypuszczenie, że niektóre chemiczne składniki życia przywędrowały do nas w gotowej formie z Kosmosu? Dziś wiemy, że w przetrzeni kosmicznej istnieje wiele, także bardziej złożonych, związków organicznych, ale czy to one zostały zaangażowane do "budowy życia" na Ziemi, pozostaje wielką niewiadomą.

Aminokwasy występują w dwóch formach: jako prawo- i jako lewoskrętne. We wszystkich reakcjach chemicznych, zarówno naturalnych, jak i przeprowadzanych w laboratoriach, zawsze powstają jednakowe ilości prawo- i lewoskrętnych form. Ale w organizmach żywych, z bardzo nielicznymi wyjątkami, zawsze występują tylko formy lewoskrętne. Z chwilą, gdy życie zdecydowało się na lewoskrętność, sprawa została przesądzona. Jak pisze Morris, gdyby teraz Alicja przeszła na drugą stronę lustra, zrobiłaby to na swoją zgubę (bo odbicie lustrzane zamienia lewą stronę na prawą). Nie mamy pojęcia, w jaki sposób ten wybór się dokonał.

Gdy po raz pierwszy ogłoszono, że w aminokwasach znalezionych w meteorytach symetria między prawo- i lewoskrętnością jest złamana, i to na korzyść lewoskrętności, zapanował sceptycyzm. Ale odkrycie się potwierdziło. Można przypuszczać, że w ekstremalnych warunkach w przestrzeni kosmicznej procesy naturalne w jakiś sposób faworyzują lewoskrętność. Jedna z hipotez głosi, że odpowiedzialność za to ponosi spolaryzowane, ultrafioletowe promieniowanie z pobliskich gwiazd. Niewykluczone więc, że to międzygwiazdowe procesy odcisnęły lewoskrętność na życiu, którego jesteśmy udziałowcami.

Nasz Układ Słoneczny powstał z ogromnego obłoku międzygwiezdnego pyłu, w którym prawdopodobnie wybuch jakiejś supernowej zapoczątkował proces koncentracji. Z szybko wirującej protogwiazdy uformował się równikowy dysk, który dał początek planetom. Planety, które znalazły się za blisko Słońca, z góry były skazane na sterylność. Zabójcze promieniowanie ogołacało je z ukrytych składników, niezbędnych do utworzenia atmosfery i oceanów. Ten jałowy obszar sięgał obecnej orbity Jowisza. Cóż więc my tu robimy? - pyta Morris. Możliwe, że Ziemia nie powstała w jej obecnym położeniu, lecz gdzieś bardziej na obrzeżach całego układu. Dopiero potem, pod wpływem chaotycznych ruchów planet i kawałków kosmicznego gruzu, przeszła - szczęśliwie dla nas - na orbitę bliższą, ale nie za bliską, Słońcu. Wedle innej - być może bardziej prawdopodobnej - hipotezy, Ziemia pozostała w pobliżu Słońca i dopiero potem, gdy jego promieniowanie odpowiednio zmalało, została dobroczynnie zaopatrzona w potrzebne substancje przez inwazję komet i meteorytów. Bardziej realistyczna hipoteza mówi, że nie były to gotowe "cegiełki życia", lecz najbardzej elementarne jego składniki, takie jak węgiel, woda czy tlen.

To, co wiemy dziś o piekle na powierzchni Wenus i superarktycznym klimacie Marsa, wyraźnie świadczy, że "pas życia" wokół Słońca jest bardzo wąski. Technicznie pas ten nazywa się Circumstellar Habitable Zone (CHZ) i już od dość dawna prowadzono obliczenia, by wyznaczyć jego zasięg wokół Słońca, a także innych gwiazd. Obliczenia te nie są łatwe, gdyż muszą opierać się na wielu szczegółowych danych, m. in. dotyczących promieniowania macierzystej gwiazdy i jego zmienności w czasie oraz stabilności orbit planetarnych. Co więcej, nie znając dokładnie wszystkich uwarunkowań życia, sama definicja CHZ jest nieco arbitralna, a od przyjęcia takiej czy innej definicji zależą oczywiście otrzymane wyniki. Są one, najogólniej rzecz biorąc, niezbyt optymistyczne dla życia. Na przykład ostatnie obliczenia (Siegfried Franch i jego współpracownicy) wskazują, że miliard lat temu zarówno Ziemia, jak i Mars (ale nie Wenus) znajdowały się wewnątrz CHZ; następnie CHZ kurczyła się dość dramatycznie; obecnie Ziemia znajduje się na jej skraju, a Mars poza nią. Za następny miliard lat oceany na Ziemi zaczną wrzeć i parować, a więc Ziemia zdecydowanie opuści CHZ.

Rozważania te nie dotyczą tylko bezpośrednio naszej przyszłości, ale rzucają także światło na możliwości występowania życia wokół innych gwiazd. Jak widzimy, nie są one zbyt optymistyczne. Wszystko więc wskazuje na to, że życie wymaga niesłychanie "delikatnie zestrojonych" warunków do swojego powstania i rozwoju. Czy życie jest czymś wyjątkowym we wszechświecie lub świadectwem jakiejś "nadzwyczajnej ingerencji" w jego bieg? Rozwiązanie takie byłoby oczywiście sprzeczne z naukową metodologią i autor jest od niego daleki. A zatem może życie jest regułą we wszechświecie i może Ziemia wcale nie jest jego "oazą"? Chcąc te pytania odpowiedzialnie rozważyć, należy przede wszystkim dokładnie przyjrzeć się życiu na naszej planecie.

Centralny temat całej książki stanowi zjawisko konwergencji. Jest rzeczą zaskakującą, jak często ewolucja znajduje takie same lub zbliżone rozwiązania w bardzo różnych procesach, oddalonych od siebie zarówno pod względem czasowym, jak i w skali genealogicznego drzewa. Cała książka jest pełna, niekiedy zdumiewających, przykładów tego zjawiska i jego analiz. To właśnie nazywa się konwergencją. Powszechność jej występowania sugeruje, że w genetycznej hiperprzestrzeni, tej ogromnej przestrzeni wszystkich możliwych ewolucyjnych ścieżek, tylko stosunkowo nieliczne są w pewien sposób uprzywilejowane. Proces ewolucyjny, startujący z dość dowolnego miejsca hiperprzestrzeni, ma duże szanse, że prędzej czy później wpadnie w uprzywilejowaną ścieżkę. Znaczy to, że proces ten zastosuje rozwiązania "wypróbowane" przez inne procesy, które już tą ścieżką zdążały.

Jak wyjaśnić tę strategię, w oczywisty sposób wykluczającą metodę kombinatorycznego błądzenia po hiperprzestrzeni? Jest rzeczą oczywistą, że struktura hiperprzestrzeni nie sprowadza się do bezładnej układanki, lecz jest precyzyjnie określona prawami fizyki. A więc to prawa fizyki są ostatecznie odpowiedzialne za "zasady ruchu" w hiperprzestrzeni. Nie jest to wniosek nowy. Fizycy i kosmologowie już dość dawno zwrócili uwagę na fakt, że do tego, by przynajmniej na jednej planecie we wszechświecie zaistniały warunki niezbędne do powstania życia (czyli zawiązania się procesu ewolucyjnego), warunki początkowe i rozmaite parametry, charakteryzujące wszechświat w dużej skali, nie mogą być byle jakie, lecz muszą być bardzo precyzyjnie "dobrane" (stwierdzenie tej prawidłowości często nazywa się zasadą antropiczną). Struktura wszechświata zależy oczywiście od praw fizyki. A więc zachodzi bardzo ścisły związek między prawami fizyki a warunkami sterującymi ewolucją biologiczną.

Kolejny krok w rozumowaniu Morrisa: nie ma najmniejszego powodu sądzić, by prawa fizyki preferowały inne rozwiązania ewolucyjne na Ziemi, a inne gdzie indziej we wszechświecie. Jeżeli gdzieś we wszechświecie istnieje życie, to winno być podobne do naszego. "Jeżeli taśma z nagraniem życia miałaby być gdzieś odegrana, to bez wątpienia byłoby wiele różnic, ale byłaby także znacząca liczba zbieżności" (ss. 272-273).

Nie znaczy to jednak, że ewolucyjna taśma została odegrana jeszcze raz gdziekolwiek poza Ziemią. Gdyby życie istniało gdzieś poza Ziemią, byłoby podobne do naszego. Ale nie wiemy, czy gdziekolwiek poza Ziemią życie istnieje. Podtytuł książki świadczy, że jej autor skłania się do odpowiedzi negatywnej - Inevitable Humans in a Lonely Universe. Jesteśmy nieuniknionym (inevitable) rozwiązaniem ewolucji, ale możemy być jednak samotni (lonely) w kosmosie.

Oto, w jaki sposób autor podsumowuje swoje dociekania: "Głównym celem tej książki było pokazanie, że więzy ewolucji [nałożone na nią przez prawa fizyki] i powszechność konwergencji sprawiają, że wyłonienie się czegoś podobnego do nas samych, jest prawie nieuniknione. W przeciwieństwie do rozpowszechnionego przekonania i modnego etosu beznadziejności, przygodność biologicznej historii w długiej skali czasowej nie prowadzi do rozbieżnych wyników; chociaż istnienie życia na Ziemi wydaje się pogrążone w nieprawdopodobieństwach. Powtórzmy: życie może być uniwersalną zasadą, ale mimo to możemy być sami [w kosmosie]" (s. 328).

Uczucie czci, jakie towarzyszyło mojej lekturze tej książki, wynikało nie tyle z filozoficznych, czy wręcz teologicznych, komentarzy autora (starannie - trzeba przyznać - oddzielanych od ściśle biologicznych analiz), ile raczej z myślowej konfrontacji z niezwykłym zjawiskiem ewolucji i jej wytworem - życiem.

Morris nie chce nikomu narzucać swoich poglądów, ale jednoznacznie deklaruje, po jakiej jest stronie: "Nic z tych rzeczy nie zakłada, ani tym bardziej nie dowodzi istnienia Boga, ale daje obraz zgodny z Jego istnieniem. Dla niektórych to wszystko pozostaje bezsensowną działalnością Ślepego Zegarmistrza, ale inni wolą zdjąć ciemne okulary. Wybór, oczywiście, należy do Czytelnika" (s. 330).

KS. MICHAŁ HELLER, ur. 1936, prof., filozof, fizyk, kosmolog, wykładowca PAT, członek Papieskiej Akademii Nauk. Wydał m.in.: Sens życia i sens Wszechświata. Studia z teologii współczesnej (2002).