ROZDZIAŁ 1
Świat nie jest maszyną
Od czasów triumfu Kartezjusza, Newtona i Laplace'a oraz narodzin fizyki klasycznej traktujemy fizykę jako odpowiedź na nasze pytania o to, czym "jest" rzeczywistość. W toku tych poszukiwań zaczęliśmy myśleć o świecie jako o gigantycznej maszynie. Te fundamentalne newtonowskie ramy zostały w cudowny sposób rozszerzone dzięki szczególnej i ogólnej teorii względności. Mechanika kwantowa i kwantowa teoria pola wprowadzają modyfikacje do niektórych podstawowych deterministycznych aspektów fizyki klasycznej, lecz nie zmieniają postrzegania rzeczywistości jako ogromnej "maszyny".
Hipoteza prezentowana przeze mnie w niniejszej książce brzmi następująco: w odniesieniu do ewoluującej biosfery, zarówno naszej, jak i dowolnej innej we wszechświecie, koncepcja "maszyny" jest błędna. Ewoluujące życie nie jest maszyną. Zbadanie, jak to się dzieje, będzie więc wymagało pewnej cierpliwości od nas wszystkich. Nie można przewidzieć konsekwencji proponowanej tutaj zmiany poglądu na świat, choć mam nadzieję, że spowodują one uświadomienie sobie, że jesteśmy elementami żywego świata o niewyobrażalnej kreatywności w dziedzinie własnego stawania się. Mam nadzieję, że dzięki temu dane nam będzie dostąpić głębokiej radości - szerszej świadomości, dalszego zrozumienia i większego poczucia odpowiedzialności za świat istot żywych. Czas pokaże.
C.P. Snow napisał swój słynny esej zatytułowany Dwie kultury, w którym potępił rozłam między światem nauki a światem sztuki. Częścią tego podziału jest rozróżnienie między "niemą" materią a ludzką wyobraźnią. Lecz pomiędzy nimi znajduje się ewoluujący, żywy świat - albo kompletnie pozbawiony świadomości, albo też wysoce samoświadomy. Mam nadzieję, że uda mi się was przekonać, iż w przeciwieństwie do fizyki, która podlega określonym prawom, powstawaniem biosfery nie rządzą kompletnie żadne zasady. Nikt nie wie ani nie może wiedzieć, co się wydarzy, gdyż biosfera ewoluuje i kształtuje własną przyszłość na różne sposoby, których nie jesteśmy w stanie z góry określić. Są "niepoznawalne". To niepodlegające prawom pojawienie się, przygodne, choć nie przypadkowe, wskazuje na miejsce między niemą materią a Szekspirem. Samo życie rozciąga się między fizyką a sztuką.
Dołączcie do mnie w badaniu zagadnień, o których tutaj zaledwie wspomniałem. Przed nami jest wiele do zrobienia, dużo więcej, niż opisano w tej książce. Ale postaram się, by niniejsze rozważania stanowiły dla nas dobry początek.
Wszechświat nieergodycznypowyżej poziomu atomów
Czy wszechświat wytworzył wszystkie możliwe rodzaje stabilnych atomów? Tak. Bozony i fermiony - dwie szerokie klasy cząstek znanych fizyce - połączyły się w każdą możliwą kombinację, aby powołać do istnienia nieco ponad sto pierwiastków, które budują to, co nazywamy materią. Ale czy wszechświat stworzy wszystkie możliwe obiekty złożone? Oczywiście, że nie. Najbardziej złożone rzeczy nigdy nie zostaną powołane do istnienia.
Nietrudno zrozumieć, dlaczego tak się dzieje: białka są liniowymi sekwencjami 20 rodzajów aminokwasów - alaniny, fenyloalaniny, lizyny, tryptofanu i tak dalej. Określona sekwencja tych 20 aminokwasów wzdłuż "głównego łańcucha" konkretnego białka, połączona wiązaniami peptydowymi, określa podstawową strukturę tej cząsteczki. Następnie białko ulega zwinięciu w skomplikowany sposób, aby wykonywać swoje funkcje w komórce.
Typowe białko u ludzi to liniowa sekwencja około 300 aminokwasów. Niektóre białka składają się z kilku tysięcy tych związków.
Ile można zbudować różnych białek, mając do dyspozycji zaledwie 200 aminokwasów? Dla każdej pozycji mamy do wyboru 20 opcji, więc łączna liczba możliwych białek o długości 200 aminokwasów wynosi 20 podniesione do potęgi 200. To mniej więcej tyle samo co 10 podniesione do potęgi 260. Jest to liczba hiperastronomiczna.
Następnym krokiem jest zrozumienie, że wszechświat mógł wytworzyć jedynie bardzo znikomą część możliwych białek w czasie, który upłynął od Wielkiego Wybuchu.
Według naszych najdokładniejszych oszacowań wiek kosmosu wynosi około 13,7 miliarda lat, czyli jakieś 10 do potęgi 17 sekund. W znanym wszechświecie znajduje się około 10 do potęgi 80 cząstek. Mechanika kwantowa mówi nam, że najkrótszym odcinkiem czasu w przyrodzie, w którym cokolwiek może się zdarzyć, jest czas Plancka: 10 do potęgi minus 43 sekundy.
Jeśli więc we wszechświecie od czasu Wielkiego Wybuchu 10 do potęgi 80 cząstek nie robiłoby nic innego poza wytwarzaniem białek wraz z każdym tyknięciem zegara odmierzającego czas Plancka, zbudowanie wszystkich możliwych białek o długości 200 aminokwasów tylko w jednym egzemplarzu zajęłoby 10 do potęgi 39 razy dłużej od rzeczywistej historii wszechświata szacowanej na 13,7 miliarda lat. (Natomiast wytworzenie wszystkich 20 aminokwasów mogło zająć zaledwie kilka miliardów lat).
Bez względu na wszystko inne, kosmos mógł stworzyć tylko niewielką część - 1 na 10 do potęgi 39 - możliwych białek, z których każde składa się z 200 aminokwasów.
Historia wkracza na arenę, gdy przestrzeń tego, co możliwe, jest znacznie większa niż tego, co może się urealnić. Na przykład sama ewolucja życia jest procesem głęboko historycznym. Podobna sytuacja może zaistnieć w przypadku astrochemii i formowania się cząsteczek złożonych. Zatem stawanie się wszechświata powyżej poziomu atomów jest procesem historycznym.
Fizycy na opisanie tej historyczności używają określenia "nieergodyczny". "Ergodyczny" - z grubsza rzecz biorąc - oznacza, że dany układ przechodzi przez wszystkie możliwe stany w pewnym "rozsądnym" przedziale czasu. Kluczowym przykładem, pochodzącym z równowagowej mechaniki statystycznej, jest szybkie przejście jednego litra gazu do stanu równowagi. Cząsteczki gazu poruszające się w pojemniku przyjmują niemal każdą dostępną konfigurację, zanim osiągną możliwie najbardziej stabilny stan. Natomiast określenie układu mianem "nieergodycznego" oznacza, że nie przechodzi on przez wszystkie możliwe stany, podobnie jak w przypadku aminokwasów, które nie dałyby rady wytworzyć wszystkich możliwych białek nawet po astronomicznej liczbie powtórzeń przez 13,7 miliarda lat historii wszechświata.
Jeśli zapytamy, czy wszechświat stworzył wszystkie stabilne atomy, odpowiedź będzie brzmiała: tak. Wszechświat jest więc z grubsza ergodyczny w odniesieniu do atomów, ale nie jest ergodyczny względem złożonych cząsteczek. A im bardziej złożony jest dany rodzaj cząsteczek, tym mniejszy ułamek wszystkich możliwych elementów owego zbioru został powołany do istnienia od momentu Wielkiego Wybuchu. Rozważmy białka o długości N = 1, 2, 3, 4, ... N + 1 aminokwasów. W miarę zwiększania N wszechświat próbkuje coraz mniejszą część możliwych sekwencji. Kosmos może eksplorować złożoności i wzrastać w nich w nieskończoność. W tym sensie istnieje niedefiniowalny "rezerwuar" coraz bogatszy w swej złożoności. Wszechświat może penetrować nieskończenie rozległe królestwa.
Poza drugą zasadą termodynamiki
Druga zasada termodynamiki mówi, że nieporządek wzrasta. Miarą nieporządku jest entropia. Tym razem również weźmiemy pod uwagę standardowy przypadek zamkniętego układu termodynamicznego cząstek gazu przechodzącego przez każdą możliwą konfigurację w litrowym pojemniku, zanim osiągnie stan równowagi. Uzyska on wówczas tak zwany najbardziej prawdopodobny "makrostan" - stan maksymalnej entropii. Druga zasada termodynamiki stwierdza, że entropia rośnie, gdy układ przechodzi od mniej do bardziej prawdopodobnych makrostanów - podobnie jak parująca filiżanka kawy pozostawiona do wystygnięcia staje się letnia, a w końcu zimna, albo gdy kostka lodu topnieje w kałuży.
Ale jeśli wszystko nieuchronnie zmierza w kierunku maksymalnego stanu entropii, to w jaki sposób wszechświat - a szczególnie biosfera - może posiadać tak niezwykły stopień złożoności? Tego tak naprawdę nie wiemy. Częściowo powodem jest fakt, iż sam wszechświat wciąż znajduje się na drodze do osiągnięcia stanu równowagi (jednorodnego mroku, który kosmolodzy nazywają "śmiercią cieplną") i że biosfera nie jest układem zamkniętym: Słońce nas oświetla, dostarczając energii niezbędnej do budowania złożoności, powstrzymując tym samym entropię, lecz tylko przez jakiś czas.
Głębszą przyczyną może być to, że wszechświat nie jest w stanie wyczerpać złożoności. Nieograniczenie rosnąca eksploracja ogromnych pokładów złożoności ujawnia się w kategoriach złożoności astrochemii i wzrastającej różnorodności biosfery. Musimy zatem zapytać, w jaki sposób ten "rezerwuar" nieskończonej złożoności może odnosić się do powstającej złożoności wszechświata. W szczególności biosfera stała się pełna ogromnej różnorodności od czasu jej powstania na Ziemi 3,7 miliarda lat temu. Przypuszczalnie podobnie wyglądałoby to w przypadku innych żywych biosfer we wszechświecie. Jakiś element obecny w żywych biosferach prowadzi je ku dynamicznemu "wzrostowi" w różnorodności i złożoności. Ale w jaki sposób i dlaczego tak się dzieje?
Mam nadzieję, że uda mi się wskazać wam przynajmniej zarys źródła tego gwałtownego wzrostu: nierównowagowego towarzysza słynnej drugiej zasady termodynamiki, prawa, które może pomóc wyjaśnić, w jaki sposób dzisiejsza biosfera może być znacznie bardziej złożona niż 4 miliardy lat temu. Astrochemia dostarcza nam wyjaśnienia wzrostu tej złożoności. Po Wielkim Wybuchu pojawiły się stabilne pierwiastki. Meteoryt Murchison, który powstał mniej więcej 5 miliardów lat temu, zawiera około 14 tysięcy rodzajów cząsteczek organicznych, składających się z węgla, wodoru, azotu, tlenu, fosforu i siarki. Ewoluująca biosfera wykazuje tego rodzaju rosnącą złożoność, od protokomórek 3,7 miliarda lat temu po miliony gatunków obecnie. Szukamy przynajmniej wyjaśnienia, skąd pochodzi ów porządek. Porządek ten jest z historycznego punktu widzenia przygodny, ale nie w pełni przypadkowy. Zwróćmy uwagę na porządek wśród wyższych taksonów, w ramach których życie penetruje ogromną różnorodność "najpiękniejszych form" Darwina.
Nasza biosfera dosłownie tworzy się sama i przekształca się w biosferę o coraz większej różnorodności. I znów, w jaki sposób i dlaczego tak się dzieje? Co ciekawe, odpowiedź może brzmieć: "Ponieważ świat form żywych potrafi stać się bardziej różnorodny i złożony oraz nieustannie tworzy własny potencjał prowadzący ku temu". Wymaga to wykorzystania uwalniania energii w celu szybszego tworzenia porządku, niż może on ulec rozproszeniu na mocy drugiej zasady termodynamiki. Jak zobaczymy, wspaniała teoria Montévila i Mossio dotycząca pętli więzów i termodynamicznych cykli pracy zajmuje ważne miejsce w naszej nowej perspektywie.
Dlaczego istnieją ludzkie serca?
Wśród nieskończenie często prezentowanych złożoności wszechświata znajduje się ludzkie serce. Kosmos w trakcie swego istnienia może wytwarzać tylko niewielką część wszystkich możliwych białek i jeszcze mniejszy ułamek tkanek zbudowanych z białek, które z kolei tworzą narządy nazywane przez nas sercami. W tym miejscu pojawia się pytanie: dlaczego istnieją ludzkie serca w tym nieergodycznym wszechświecie, który istnieje powyżej poziomu atomów?
Z grubsza rzecz biorąc, ludzkie serca istnieją, ponieważ pompują krew, a zatem pozwalały na uzyskanie selektywnej przewagi u naszych przodków kręgowców i zostały przez nas odziedziczone.
Krótko mówiąc, Darwin sugeruje nam część odpowiedzi: serca ułatwiają nam przetrwanie, a więc dlatego na nie padł wybór. Ale Darwin nie zdawał sobie sprawy, że podał również głębsze wyjaśnienie tego, dlaczego w ogóle istnieją serca: biorąc pod uwagę ciągłe, ewoluujące życie, z rozmnażaniem i dziedziczną zmiennością, jeśli jakiś narząd powstał nawet z przebłyskiem funkcjonalnej zdolności do pompowania krwi, ten szczęśliwy traf może być wybierany przez organizmy nieco zbyt duże, aby zwykła dyfuzja mogła transportować niezbędny tlen do każdej komórki w ich ciałach. Krótko mówiąc, serca istnieją we wszechświecie nieergodycznym powyżej poziomu atomów dzięki swej funkcjonalnej roli w ułatwianiu przetrwania żywym, rozwijającym się organizmom posiadającym takie serca.
Podczas replikacji organizmy przekazują swoją organizację procesu - czyli sposób, w jaki wszystkie elementy pasują do siebie i współdziałają ze sobą. Narządy są częścią tej organizacji i istnieją dla i dzięki całości. Innymi słowy, serca istnieją, ponieważ istnieje życie. Co więcej, jak później zobaczymy, życie tworzy rozrastającą się przestrzeń możliwości, w którą ewoluuje w nieergodycznym wszechświecie powyżej poziomu atomów.
Jest to pierwszy ważny wniosek płynący z tej książki: w przypadku rzeczy złożonych już samo ich zaistnienie we wszechświecie nieergodycznym powyżej poziomu atomów wymaga wyjaśnienia, a odpowiedź jest równie prosta, co głęboka. Serca istnieją dzięki ich funkcjonalnej roli w podtrzymywaniu istnienia, czyli ewoluującej przyszłości, żywych organizmów wyposażonych w takie serca. Organizmy rozprzestrzeniają się powyżej poziomu atomów, a więc wraz z nimi czynią to narządy podtrzymujące ich istnienie. Serca istnieją we wszechświecie nieergodycznym powyżej poziomu atomów, ponieważ organizmy potrzebują funkcjonujących serc, aby istnieć i rozmnażać się. Niczym kantowskie całości, organizmy niosą ze sobą organy podtrzymujące je przy życiu. Istnieją organizmy z sercem, a więc istnieją serca.
Dlaczego istnieją oczy, nosy, nerki, macki z przyssawkami, płeć, opieka rodzicielska i długa szyja żyrafy? Odpowiedź brzmi tak samo: ze względu na rolę, jaką odgrywają te narządy i procesy w przyczynianiu się do przetrwania ewoluujących, uporczywie trzymających się życia organizmów posiadających te narządy i właściwości. One też istnieją dla i dzięki całości.
Wszystkie wymienione aspekty naszego wszechświata pojawiają się na samotnej błękitnej planecie zagubionej w otchłani kosmosu. Jeśli życie jest wszechobecne wśród około 10 do potęgi 22 układów planetarnych we wszechświecie, cóż za niezliczone rzeczy złożone - nieprzewidywalne i być może niewyobrażalne - znajdują się w nieskończonym zasięgu wzrostu złożoności, jeszcze wyżej nad poziomem atomów?
Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki