1. Czym jest życie?
W lutym 1943 roku słynny fizyk Erwin Schrödinger wygłosił cykl wykładów w Trinity College w Dublinie pod tytułem Czym jest życie? Schrödinger był gwiazdą, laureatem Nagrody Nobla i znanym na całym świecie architektem mechaniki kwantowej, osiągającej największe sukcesy teorii naukowej w historii. W ciągu kilku lat od jej sformułowania w latach dwudziestych XX wieku wyjaśniła budowę atomów, własności jąder atomowych, zjawisko promieniotwórczości, zachowanie cząstek subatomowych, wiązania chemiczne, właściwości termiczne i elektryczne ciał stałych oraz mechanizmy zapewniające stabilność gwiazd.
Własny wkład Schrödingera do tej dziedziny rozpoczął się w 1926 roku od sformułowania nowego równania, które wciąż nosi jego imię, opisującego ruch i oddziaływanie elektronów oraz innych cząstek subatomowych. Pierwsze dziesięciolecie po tym odkryciu stanowiło złoty wiek dla fizyki. Poczyniono wtedy wielkie postępy na prawie każdym polu, począwszy od odkrycia antymaterii i rozszerzającego się wszechświata aż po przewidywania dotyczące istnienia neutrin i czarnych dziur. Wszystkie te odkrycia w dużej mierze były możliwe dzięki potędze mechaniki kwantowej w zakresie wyjaśniania świata atomowego i subatomowego. Ale ten niezwykły czas dobiegł końca, gdy w 1939 roku świat pogrążył się w wojnie. Wielu naukowców uciekło z okupowanej przez nazistów Europy do Wielkiej Brytanii bądź Stanów Zjednoczonych, aby pomóc aliantom w ich wysiłku wojennym. Schrödinger dołączył do tego exodusu, opuszczając rodzinną Austrię po zajęciu jej przez Niemcy w 1938 roku, i postanowił zamieszkać w neutralnej Irlandii. Prezydent tego kraju, Eamon de Valera, samemu będąc fizykiem, założył w 1940 roku w Dublinie nowy Instytut Studiów Zaawansowanych. De Valera osobiście zaprosił Schrödingera do Irlandii, który przez kolejne szesnaście lat mieszkał tam, wspólnie pod jednym dachem, w towarzystwie żony i kochanki.
W latach czterdziestych biologia pozostawała daleko w tyle za fizyką. Szczegóły podstawowych procesów życiowych były w dużej mierze zagadką. Co więcej, sama natura życia zdawała się zaprzeczać jednemu z podstawowych praw fizyki - tak zwanej drugiej zasadzie termodynamiki, zgodnie z którą istnieje uniwersalna tendencja prowadząca do pojawienia się rozkładu i nieuporządkowania. W swoich wykładach wygłoszonych w Dublinie Schrödinger przedstawił ten problem z własnej perspektywy: "W jaki sposób zdarzenia w przestrzeni i czasie, które mają miejsce w przestrzennych ramach żywego organizmu, można wytłumaczyć za pomocą fizyki i chemii?". Innymi słowy, czy zaskakujące właściwości żywych organizmów można ostatecznie zredukować do fizyki atomowej, czy też powstają one jakoś inaczej? Schrödinger położył nacisk na tę kluczową kwestię. Aby życie wytworzyło porządek z nieładu i oparło się działaniu drugiej zasady termodynamiki, musiała istnieć pewna forma molekularna, która w jakiś sposób kodowała instrukcje budowy organizmu, jednocześnie na tyle złożona, żeby zawierać w sobie ogromną ilość informacji, oraz wystarczająco stabilna, by przeciwstawić się niszczącemu działaniu termodynamiki. Dziś wiemy, że tą formą jest DNA.
W ślad za przenikliwymi spostrzeżeniami Schrödingera, które następnego roku zostały opublikowane w formie książkowej, nastąpił gwałtowny rozwój biologii molekularnej. Nie trzeba było zbyt długo czekać na wyjaśnienie struktury DNA, złamanie kodu genetycznego i powiązanie genetyki z teorią ewolucji. Sukcesy biologii molekularnej były tak błyskawiczne i oszałamiające, że większość naukowców przyjęła zdecydowanie redukcjonistyczny pogląd. W gruncie rzeczy wyglądało na to, że zadziwiające właściwości materii żywej można ostatecznie wyjaśnić wyłącznie w kategoriach fizyki atomów i cząsteczek, bez potrzeby odwoływania się do jakichkolwiek zasadniczo nowych zjawisk. Sam Schrödinger wyrażał jednak mniejszy optymizm w tej kwestii: "[...] żywa materia, chociaż nie wymyka się ustalonym do tej pory prawom "fizyki", prawdopodobnie obejmuje również dotychczas nieznane "inne prawa fizyki"" - napisał[1]. Nie był w tym poglądzie odosobniony. Inni architekci mechaniki kwantowej, tacy jak Niels Bohr i Werner Heisenberg, również uważali, że materia żywa może wymagać zastosowania nowej fizyki.
W biologii nadal panuje silny redukcjonizm. Przeważa ortodoksyjny pogląd, że sama fizyka jest wszystkim, czego potrzeba do wyjaśnienia zjawiska życia, nawet jeśli większość szczegółów nie została jeszcze w pełni dopracowana. Nie zgadzam się z tą opinią. Podobnie jak Schrödinger, uważam, że żywe organizmy odzwierciedlają nowe głębokie prawa fizyczne oraz że jesteśmy u progu ich odkrycia i wykorzystania. Aby odpowiedzieć na pytanie, co różni nasze obecne podejście i dlaczego tak wiele dziesięcioleci zajęło dotarcie do prawdziwej tajemnicy życia, należy wziąć pod uwagę, że owa nowa fizyka nie jest po prostu kwestią istnienia dodatkowego rodzaju siły - "siły życiowej" - ale czymś bardziej subtelnym, czymś, co splata ze sobą materię i informację, całość i fragmenty, prostotę i złożoność.
To "coś" jest głównym tematem niniejszej książki.
Ramka 1: Magiczne pudełko
Zadajmy pytanie "Czym jest życie?", a wiele cech zacznie się głośno domagać naszej uwagi. Organizmy żywe rozmnażają się, dzięki ewolucji wykazują bezgraniczne nowatorstwo, tworzą zupełnie nowe układy i struktury, poruszając się w przestrzeni możliwości wzdłuż niemożliwych do przewidzenia trajektorii, wykorzystują wyrafinowane algorytmy do obliczania strategii przetrwania, tworzą porządek z chaosu, przeciwstawiając się kosmicznemu trendowi degeneracji i rozkładu, przejawiają jasne cele i wykorzystują różnorodne źródła energii do ich osiągnięcia, tworzą sieci o niewyobrażalnej złożoności, współpracują i rywalizują... I tak dalej. Aby odpowiedzieć na pytanie Schrödingera, musimy uwzględnić wszystkie te właściwości, łącząc elementy z całego spektrum naukowego w zorganizowaną teorię. Jest to intelektualna przygoda, która splata ze sobą podstawy logiki i matematyki, paradoksy samoodniesienia, teorię obliczeń, naukę o silnikach cieplnych, zapierające dech w piersiach osiągnięcia nanotechnologii, wyłaniającą się dyscyplinę termodynamiki procesów nierównowagowych i zagadkową dziedzinę fizyki kwantowej. Cechą jednoczącą wszystkie te zagadnienia jest informacja, koncepcja na pierwszy rzut oka znana i pragmatyczna, ale też abstrakcyjna i matematyczna, leżąca u podstaw zarówno biologii, jak i fizyki.
Karol Darwin napisał swego czasu: "Jakże zajmujące jest spoglądać na gęsto zarośnięte wybrzeże, pokryte różnego rodzaju roślinami, ze śpiewającym ptactwem w gąszczach, z krążącymi w powietrzu owadami, z pełzającymi w mokrej glebie robakami, i patrząc na wszystkie te tak wyszukanie zbudowane formy, tak różne i w tak złożony sposób od siebie zależne, pomyśleć, że powstały one wskutek praw działających wokół nas"[2]. Nie przewidział jednak, że z tej uwidaczniającej się złożoności materialnej (maszynerii życia) przebijać będzie jeszcze bardziej zapierająca dech w piersiach złożoność informacyjna (kod życia), niewidoczna dla naszych oczu, ale wyznaczająca ścieżkę postępowania zarówno w przypadku adaptacyjnych, jak i nowatorskich działań. To tutaj, w królestwie informacji, stajemy oko w oko z prawdziwie twórczą potęgą życia. Obecnie naukowcy starają się połączyć opisy bazujące na maszynerii oraz kodzie w nową teorię życia, która niesie głębokie konsekwencje dla całego wachlarza dziedzin - od astrobiologii do medycyny.
Pożegnanie siły życiowej
Przez znaczną cześć ludzkiej historii uznawano, że żywe organizmy posiadają osobliwe moce, takie jak zdolność do samodzielnego poruszania, przekształcania środowiska i rozrodu. Arystoteles próbował ująć tę nieuchwytną odmienność za pomocą pojęcia znanego pod nazwą teleologii - wywodzącego się z greckiego słowa télos, oznaczającego "cel" lub "koniec". Ów filozof zauważył, że organizmy wydają się zachowywać celowo zgodnie z pewnym wcześniej ustalonym planem lub projektem, a ich działania są ukierunkowane na osiągniecie ostatecznego stanu lub jemu podporządkowane, niezależnie od tego, czy jest to poszukiwanie jedzenia, budowa gniazda czy też rozmnażanie płciowe.
W początkach ery naukowej utrzymywał się pogląd, że żywe stworzenia są zbudowane z pewnego rodzaju materii magicznej, a co najmniej z normalnej materii nasyconej dodatkowym składnikiem. Był to punkt widzenia znany jako witalizm. Pochodzenie tej dodatkowej esencji pozostawało niejasne; sugerowano, że tworzy ją powietrze (tchnienie życia), ciepło, elektryczność lub coś tak mistycznego, jak dusza. Czymkolwiek by nie była, pogląd, że szczególny rodzaj "siły życiowej" lub eterycznej energii powodował ożywienie materii, zdobył sobie szerokie rzesze zwolenników w XIX wieku.
Dzięki udoskonaleniu technik naukowych, między innymi zastosowaniu potężnych mikroskopów, biolodzy natrafiali na coraz więcej niespodzianek, które zdawały się wymagać istnienia siły życiowej. Jedna z głównych zagadek dotyczyła rozwoju zarodka. Czy można sobie wyobrazić osobę, która nie byłaby zaskoczona sposobem, w jaki pojedyncza zapłodniona komórka jajowa, zbyt mała, aby dostrzec ją nieuzbrojonym okiem, ostatecznie potrafi przekształcić się w małego człowieka? Co kieruje tą złożoną organizacją zarodka? W jaki sposób potrafi rozwinąć się w tak bezbłędny sposób, aby ostatecznie doprowadzić do znakomicie uporządkowanej ostatecznej formy? Niemiecki embriolog Hans Dreisch był pod szczególnym wrażeniem serii eksperymentów, które przeprowadził w 1885 roku. Starał się doprowadzać do uszkodzenia zarodków jeżowców - będących ulubioną ofiarą biologów - tylko po to, by odkryć, że w jakiś nieznany sposób powracały do pełni zdrowia i rozwijały się normalnie. Odkrył, że można nawet rozdzielić rozwijający się zlepek komórek na etapie czterokomórkowym i wyhodować kompletnego jeżowca z każdej komórki osobno. Otrzymane wyniki sprawiły, że Dreisch doszedł do wniosku, iż komórki embrionalne posiadały pewien "pierwotny zamysł" ostatecznego kształtu, do którego miały dążyć, i sprytnie zrekompensowały ingerencję badacza. Wyglądało to tak, jak gdyby jakaś niewidzialna ręka nadzorowała ich wzrost i rozwój, wprowadzając w razie potrzeby "wymagane na danym etapie poprawki". Dla Dreischa otrzymane wyniki stanowiły mocny dowód na istnienie swego rodzaju życiowej esencji, którą nazwał entelechią, co w języku greckim oznacza "pełną, idealną, ostateczną formę". Koncepcja ta jest ściśle związaną z pojęciem teleologii zaproponowanym przez Arystotelesa.
Tymczasem koncepcja siły życiowej popadała w coraz większe tarapaty. Aby taka siła faktycznie mogła osiągnąć swoje cele, musiałaby - podobnie jak wszystkie inne siły - być w stanie wprawiać materię w ruch. I na pierwszy rzut oka organizmy rzeczywiście wydają się poruszać samodzielnie i posiadać jakieś wewnętrzne źródło siły napędowej. Ale wywieranie jakiejkolwiek siły wymaga wydatkowania energii. Tak więc, jeśli "siła życiowa" istnieje naprawdę, wówczas przepływ energii powinien być mierzalny. W latach czterdziestych XIX wieku fizyk Hermann von Helmholtz wnikliwie badał ten właśnie problem. W ramach całego cyklu eksperymentów przykładał impulsy elektryczne do mięśni pobranych od żab, co powodowało ich skurcze, i starannie mierzył drobne zmiany temperatury towarzyszące temu ruchowi. Helmholtz doszedł do wniosku, że energia chemiczna zmagazynowana w mięśniach, wywołana zastosowaniem elektryczności, zamieniała się w energię mechaniczną skurczu, która z kolei przekształcała się w ciepło. Bilans energii idealnie się równoważył, tym samym niwelując potrzebę wprowadzenia dodatkowych sił witalnych. Jednak witalizm całkowicie odszedł do lamusa dopiero po upływie kilkudziesięciu lat[1*].
Ale nawet bez wprowadzania pojęcia siły życiowej trudno jest pozbyć się wrażenia, że w materii żywej jest coś wyjątkowego. Pytanie brzmi, czym jest to coś ?
Będąc jeszcze studentem, po przeczytaniu książki Schrödingera Czym jest życie? zafascynowałem się tą zagadką. Na pewnym poziomie odpowiedź jest prosta: organizmy żywe rozmnażają się, wykazują procesy przemiany materii, reagują na bodźce i tak dalej. Jednak samo wymienienie własności życia nie stanowi wyjaśnienia, którego poszukiwał Schrödinger. Mimo że jego książka z pewnością stała się dla mnie inspiracją, podany przez niego opis wydawał mi się irytująco niekompletny. Było dla mnie oczywiste, że życie musi obejmować coś więcej niż samą fizykę atomów i cząsteczek. Chociaż Schrödinger sugerował, że w grę może tu wchodzić jakaś nowa fizyka, nie wyjaśnił, co miał na myśli. Późniejsze postępy w biologii molekularnej i biofizyce udzieliły nam kilku wskazówek. Ale dopiero całkiem niedawno pojawił się zarys rozwiązania, które pochodzi z zupełnie nowego kierunku.
Życie sprawia niespodzianki
Metale nieszlachetne mogą być przekształcane w złoto przez gwiazdy oraz przez inteligentne istoty rozumiejące procesy dostarczające paliwa gwiazdom, i przez nic innego we wszechświecie.
David Deutsch[3]
Zrozumienie odpowiedzi na pytanie Schrödingera "Czym jest życie?" oznacza, że musimy odrzucić tradycyjną listę cech, którymi kierują się biolodzy, i zacząć myśleć o formach ożywionych w całkowicie nowy sposób. Zadajmy sobie pytanie: "Jak wyglądałby świat, gdyby nie było życia?". Powszechnie wiadomo, że nasza planeta została częściowo ukształtowana przez biologię: nagromadzenie tlenu w atmosferze, tworzenie złóż mineralnych, czy też wpływ, jaki wywiera na nią technologia stworzona przez człowieka. Wiele nieożywionych procesów również nadaje kształt Ziemi - wybuchy wulkanów, uderzenia planetoid, zlodowacenia. Kluczowe rozróżnienie polega na tym, że życie powoduje pojawienie się procesów, które są nie tylko mało prawdopodobne, ale i niemożliwe do osiągnięcia w żaden inny sposób. Cóż innego może lecieć przez pół świata z zegarmistrzowską precyzją (rybitwa popielata), przekształcać światło słoneczne w energię elektryczną z 90% wydajnością (liście) lub budować skomplikowane sieci podziemnych tuneli (termity)?
Oczywiście ludzka technologia - czyli wytwór życia - może naśladować to wszystko oraz wiele innych rzeczy. Przykładowo: przez 4,5 miliarda lat, odkąd ukształtował się Układ Słoneczny, w wyniku procesu zwanego przez specjalistów "akrecją" Ziemia gromadziła materiał pochodzący z uderzeń planetoid i komet. Obiekty o różnej wielkości, od setek kilometrów do maleńkich meteorytowych ziarenek, spadały na powierzchnię naszej planety przez całą jej historię. Większość z nas zna historię o planetoidzie, która 65 milionów lat temu uderzyła w obszar, na którym leży dzisiejszy Meksyk, powodując zagładę dinozaurów, lecz było to zaledwie jedno z wielu takich zdarzeń. Trwające przez eony bombardowania spowodowały, że nasza planeta jest dziś nieco cięższa niż w przeszłości. Jednak od 1958 roku ma miejsce "antyakrecja"[4]. Bez towarzyszących skutków w postaci katastrofy geologicznej niemały rój obiektów uczestniczy w ruchu skierowanym w drugą stronę - z Ziemi w kosmos: jedne podróżują na Księżyc i w kierunku planet, inne oddaliły się od nas na zawsze w pustkę wszechświata; natomiast większość z nich porusza się po orbicie wokół Ziemi. Ten stan rzeczy byłby niemożliwy do osiągnięcia wyłącznie na skutek działania praw mechaniki i procesu ewolucji planet. Łatwo go jednak wyjaśnić zastosowaniem ludzkiej technologii rakietowej.
Inny przykład. Gdy ukształtował się Układ Słoneczny, niewielką część jego początkowego składu chemicznego stanowił pierwiastek o nazwie pluton. Ponieważ najdłużej żyjący izotop plutonu ma okres połowicznego zaniku wynoszący około 81 milionów lat, praktycznie cały pierwotny pluton uległ rozpadowi. Ale w 1940 roku pluton ponownie pojawił się na Ziemi w wyniku eksperymentów w dziedzinie fizyki jądrowej. Obecnie szacuje się, że jest go około tysiąca ton. Gdyby nie istniało życie, nagłe wyłonienie się ziemskiego plutonu byłoby całkowicie niewytłumaczalne. Nie sposób wyobrazić sobie prawdopodobny nieożywiony proces prowadzący od martwej planety liczącej sobie 4,5 miliarda lat do ciała niebieskiego ze złożami plutonu.
Życie nie tylko wpływa na te zmiany w celu uzyskania doraźnych korzyści, ale również różnicuje się i adaptuje, wkraczając w nowe nisze i wymyślając pomysłowe mechanizmy przetrwania, czasem czyniąc to w niezwykły sposób. W południowoafrykańskiej kopalni złota Mponeng trzy kilometry pod ziemią kolonie egzotycznych bakterii gnieżdżą się w mikroskopijnych porach gorących, zawierających złoto skał, odizolowanych od reszty biosfery naszej planety. Nie dociera tam światło potrzebne do podtrzymania ich procesów życiowych, nie ma tam materii organicznej mogącej służyć im za pokarm. Źródłem niepewnego istnienia tych drobnoustrojów jest - o dziwo - promieniotwórczość. Promieniowanie jądrowe wydobywające się ze skał, zazwyczaj śmiertelnie niebezpieczne dla życia, zapewnia mieszkańcom tego podziemnego królestwa wystarczającą ilość energii, rozszczepiając cząsteczki wody na tlen i wodór. Bakterie te, znane pod nazwą Desulforudis audaxviator, rozwinęły mechanizmy wykorzystywania chemicznych produktów ubocznych procesów promieniotwórczych, których działanie polega na tworzeniu biomasy dzięki połączeniu wodoru z dwutlenkiem węgla rozpuszczonym w gorącej wodzie wypełniającej skały.
Osiem tysięcy kilometrów na zachód, w wyschniętym na wiór sercu chilijskiej pustyni Atakama, palące słońce wschodzi nad wyjątkowym krajobrazem. Jak okiem sięgnąć widać tylko piasek i skały niezmącone śladami życia. Sceneria pozbawiona jest ptaków, owadów oraz roślin. Nic nie pozostawia śladów na jednolitym gruncie, żadne zielone plamy nie zdradzają obecności nawet prostych glonów. Wszelkie znane życie potrzebuje wody w stanie ciekłym, tymczasem na tym obszarze Atakamy deszcz praktycznie nigdy nie pada, dlatego też jest najsuchszym i najbardziej martwym miejscem na powierzchni Ziemi.
Ponieważ serce Atakamy jest najbliższym ziemskim odpowiednikiem powierzchni Marsa, NASA zainstalowała tam stację polową, w której bada teorie dotyczące gleby marsjańskiej. Naukowcy początkowo postanowili badać ostateczne granice życia - lubią mówić, że szukają śmierci, a nie życia - lecz to, co odkryli, okazało się zadziwiające. Wśród wychodni pustynnych skał porozrzucane są dziwne, pokryte warstwą piasku kształty, wyglądające jak słupy wznoszące się na wysokość mniej więcej metra, zaokrąglone i guzowate, przypominające bogactwo rzeźb powstałych w genialnym umyśle Salvadora Dalego. Kopce te są w istocie zbudowane z soli i stanowią pozostałość prastarego jeziora, które wyparowało bardzo dawno temu. A wewnątrz owych słupów, dosłownie pogrzebane w soli, żyją drobnoustroje, które prowadzą desperacką egzystencję wbrew wszelkim przeciwnościom. Te bardzo odmienne i osobliwe organizmy, zwane Chroococcidiopsis, czerpią energię nie z promieniotwórczości, ale - w bardziej tradycyjny sposób - z fotosyntezy. Silne pustynne światło słoneczne przenika do ich półprzezroczystych siedzib. Lecz pozostaje kwestia braku wody. Ta część pustyni Atakama leży około 150 kilometrów w głąb lądu od zimnego Oceanu Spokojnego, od którego oddzielona jest pasmem górskim. W odpowiednich warunkach smugi morskiej mgły wiją się nocą przez górskie przełęcze, gdy temperatura gwałtownie spada. Za sprawą wilgotnego powietrza cząsteczki wody przenikają do macierzystej skały solnej. Woda nie tworzy ciekłych kropelek, zamiast tego sól staje się wilgotna i lepka - zjawisko to jest z pewnością dobrze znane tym czytelnikom, którzy żyją w rejonach o dużej wilgotności i obeznani są z uporczywym problemem zapchanych solniczek. Absorpcja pary wodnej przez sól, nazywana higroskopijnością, bardzo dobrze spełnia swoją - jedyną - pozytywną rolę, uszczęśliwiając mikroby przez krótką chwilę, zanim poranne słońce znów wysuszy sól na wiór.
Desulforudis audaxviator i Chroococcidiopsis to dwa przykłady ilustrujące niezwykłą zdolność organizmów żywych do przetrwania w skrajnie niesprzyjających warunkach. Inne drobnoustroje słyną z tego, że są odporne na ekstremalne zimno lub ciepło, zasolenie i zanieczyszczenie metalami oraz kwasowość na tyle silną, by rozpuścić ludzkie ciało. Odkrycie menażerii odpornych mikroorganizmów żyjących w najbardziej nieprzyjaznym otoczeniu (zwanych ekstremofilami) obaliło powszechnie panujące przekonanie, że życie może kwitnąć tylko w wąskich zakresach temperatury, ciśnienia, kwasowości i tak dalej. Ale podstawowa zdolność życia do wytyczania nowych szlaków fizycznych i chemicznych oraz do korzystania z szeregu nieoczekiwanych źródeł energii ilustruje sposób, w jaki życie, gdy już zacznie się rozwijać, może potencjalnie rozprzestrzenić się daleko poza swoje pierwotne środowisko i dać początek nieoczekiwanym transformacjom. W odległej przyszłości ludzie lub ich mechaniczni potomkowie będą mogli dokonać przekształcenia całego Układu Słonecznego, a nawet naszej galaktyki. Odmienne formy życia w innych miejscach we wszechświecie mogły już dokonać podobnych przemian bądź też mogą niebawem stanąć przed taką koniecznością. Teraz, gdy życie zaczęło rozprzestrzeniać się na cały wszechświat, niesie w sobie potencjał do wywołania zmian o prawdziwie kosmicznym znaczeniu.
Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki
