Z tak prostego początku rozwinęły się niezliczone formy, najpiękniejsze i najbardziej zdumiewające.
Karol Darwin
Nie wiem, czy zdawaliście sobie z tego sprawę (ja wcześniej nie), ale w gruzie, który uformował naszą planetę, występowało zaledwie kilkanaście rodzajów minerałów. Obecnie, po upływie 4,6 miliarda lat, skorupa ziemska zawiera ich ponad sześć tysięcy. Martwa materia, pozbawiona genów i zdolności płodzenia potomstwa, utworzyła coś, co z daleka przypomina darwinowskie drzewo życia z niezliczonymi rozgałęzieniami, których wciąż przybywa.
Dwóch badaczy z Waszyngtonu uważa, że ta analogia nie jest przypadkiem ani literacką przenośnią. Może i kamienie (tak, wiem…) nie mają dzieci, ale zarówno materię ożywioną, jak i tę nieożywioną łączy ta sama głęboka tendencja do samoorganizacji.
Mineralog Robert Hazen i planetolog Michael Wong są przekonani, że Karol Darwin opisał jedynie wycinek szerszego zjawiska obejmującego nie tylko żywe stworzenia, ale również minerały, ciała niebieskie, a nawet atomy. Nazwali swój pomysł roboczo prawem wzrostu informacji funkcjonalnej i widzą w nim uzupełnienie dla samej drugiej zasady termodynamiki.
Jest coś przewrotnego w tym, że dwie wielkie idee, które pozornie ciągną materię w przeciwne strony, dojrzewały niemal równocześnie. W 1859 roku Darwin opisał, jak z prymitywnych początków, przez niezliczone pokolenia, wyłania się oszałamiająca różnorodność życia. Jak prostotę zastępuje złożoność.
W tym samym czasie fizycy rozwijali teorię, według której wszechświat beznamiętnie dąży do rozkładu. Ciepło przepływa od gorącego do zimnego, różnice temperatur ulegają zatarciu, a pozostawione samym sobie mechanizmy z czasem niszczeją. Druga zasada termodynamiki mówi nam, że w układzie odizolowanym od otoczenia entropia nie maleje. Samo słowo „entropia” pożyczył z greki Rudolf Clausius[1], wprowadzając je do nauki sześć lat po wydaniu O powstawaniu gatunków.
Ta zasada jest wyjątkowa z kilku powodów. Nikt nigdy nie przyłapał jej na błędzie, a przy tym jako jedno z nielicznych praw fizyki odróżnia przyszłość od przeszłości. Równania Newtona działają tak samo w przód i wstecz. Film z bilą odbijającą się od bandy, puszczony od końca, wygląda zupełnie wiarygodnie. Film, w którym kałuża sama zbiera się w bałwana, od razu wygląda podejrzanie.
Wielki brytyjski astronom Arthur Eddington nazwał tę asymetrię termodynamiczną strzałką czasu. Przypomina nam ona, że pozostawiony sam sobie bałwan będzie z czasem topniał, ale woda nie ułoży się w bałwana bez pomocy z zewnątrz.
Wystarczy jednak trochę rozejrzeć się dookoła, żeby zobaczyć rzeczy, które na pierwszy rzut oka przeczą strzałce czasu. Wszechświat zaczął się od gorącej, niemal jednorodnej zupy cząstek, a dotarł do galaktyk, planet, raf koralowych, wombatów i mózgów, które snują rozważania o entropii. Kiedy jedne rzeczy ulegają rozkładowi, inne struktury stają się coraz bardziej wyszukane.
Fizycy mają na to gotową odpowiedź, która zawiera się już w definicji drugiej zasady termodynamiki. Mówi ona, że entropia powinna rosnąć w układzie izolowanym, natomiast Ziemia układem izolowanym nie jest. Dostaje od Słońca mnóstwo energii w formie światła, a oddaje w kosmos podczerwień. Za lokalny porządek płacimy więc eksportem nieporządku i rachunek się zgadza. Erwin Schrödinger tłumacząc to wszystko pisał, że organizmy żywią się „ujemną entropią”.
Hazen i Wong nie podważają tego wyjaśnienia. Twierdzą jednak, że odpowiada ono tylko na pytanie „czy tak można?”, nie mówiąc nic o tym, „dlaczego tak się dzieje?” Druga zasada dopuszcza wyewoluowanie wombata, ale w żaden sposób tego nie przewiduje. Pozwala na lokalny wzrost porządku, lecz milczy o tym, dlaczego część materii dąży do uporządkowania.
Rozwiązaniem może być druga strzałka czasu, działająca tuż obok tej termodynamicznej.
Na przyjęciu świątecznym w 2006 roku biofizyk Harold Morowitz zagadnął Roberta Hazena, czy w archaiku, ponad dwa i pół miliarda lat temu, istniały na Ziemi minerały ilaste. Było to niewinne pytanie, na które mineralog nie znał odpowiedzi. Po chwili dotarło do niego, że nawet nie kojarzył publikacji rozważających podobny problem. To go zastanowiło.
Hazen zrozumiał, że większość jego kolegów skupia się na tym, co jest. Wszyscy opisują dany kryształ przez skład, strukturę, twardość, barwę i tak dalej, natomiast moment jego pojawienia się w dziejach Ziemi uchodził często za poboczną ciekawostkę. Naukowiec zebrał więc zespół geologów, geochemików, geobiologów i specjalistów od meteorytów, co doprowadziło do powstania pionierskiej publikacji Mineral Evolution. Jej teza była prosta i zarazem wywrotowa: minerały z biegiem czasu zyskują na złożoności, a zmiany zależą od presji środowiska.
Potwierdzają to liczby. W obłoku pyłu i gazu, z którego uformował się Układ Słoneczny, występowało zaledwie kilkanaście rodzajów minerałów. Wiemy o tym chociażby dzięki próbkom zbieranym z planetoid i meteorytów. Tymczasem obecnie na Ziemi, według danych Międzynarodowego Stowarzyszenia Mineralogicznego, jest ich co najmniej 6189.
Na Księżycu, który powstał z tej samej materii, ale oferuje zupełnie inne środowisko – nie ma wody, tektoniki ani życia – różnorodność minerałów jest wielokrotnie mniejsza niż na Ziemi. Podobne zależności powinny dotyczyć skał na egzoplanetach, o czym może przekonamy się w odległej przyszłości.
Oczywiście martwe obiekty nie ewoluują tak jak zięby z Galapagos[2]. Nie ma tu dziedziczenia ani mutacji w genetycznym sensie. Jest jednak coś, co Hazen uważa za wspólny mianownik. Z gigantycznej liczby możliwych kombinacji atomów w danym środowisku przetrwają tylko nieliczne. Większość ulega rozpadowi, rozpuszcza się albo wietrzeje, a zostają te, które radzą sobie najlepiej i potrafią trwać w określonych warunkach przez miliardy lat.
Tylko jak wyliczyć, czy układ z czasem radzi sobie coraz lepiej? Co w ogóle znaczy, że radzi sobie lepiej lub gorzej? Hazen i Wong budują całą swoją koncepcję wokół pojęcia informacji funkcjonalnej. Samą ideę najłatwiej będzie wytłumaczyć przez analogię klucza i zamka.
Wyobraźcie sobie zamek oraz zbiór milionów dorobionych na ślepo kluczy. Jeśli do zamka pasuje co drugi z nich, uznamy, że wymagania są niewielkie. Jeśli pasuje zaledwie jeden na milion, a działający klucz musi spełniać znacznie bardziej szczególne warunki – wymagania są większe.
Informacja funkcjonalna opisuje, jaka część dostępnych konfiguracji jest w stanie wykonać konkretne zadanie. Im mniejszy jest odsetek skutecznych konfiguracji, tym wyższa wartość.
W biologii rolę takiego klucza może odgrywać np. cząsteczka RNA[3]. Jest ona łańcuchem nukleotydów, które zapisujemy za pomocą czterech liter: A, U, C i G. Zmiana ich kolejności może sprawić, że łańcuch pozwija się w inny sposób. Odpowiedni kształt pozwala RNA przyczepić się do wybranej cząsteczki, podobnie jak prawidłowy kształt klucza umożliwia otwarcie zamka. Możemy więc porównywać łańcuchy tej samej długości i sprawdzać, jaka część daje radę związać się z daną cząsteczką.
W ten sposób otrzymujemy konkretne zadanie oraz jasny sposób oceny jego wykonania. Zresztą podobne eksperymenty są faktycznie wykonywane.
Przypuśćmy, że rozważamy wszystkie możliwe konfiguracje nici RNA o długości czterdziestu nukleotydów. Ponieważ w każdym miejscu mogą stać cztery różne litery, takich kombinacji nici jest ponad 1024, czyli kwadrylion. To mniej więcej tyle, ile mamy ziarenek piasku na wszystkich plażach Ziemi. Potem pytamy, jaka część z nich potrafi wykonać zadanie, np. przyczepić się do wyznaczonej cząsteczki.
Informacja funkcjonalna ujmuje tę wartość w bitach. W publikacji Hazena z 2007 roku pojawia się równanie: I = −log2 F, gdzie F oznacza odsetek konfiguracji zdolnych wykonać daną funkcję. Gdy warunek spełnia połowa kandydatów, mamy jeden bit. Jeden na 1024 daje dziesięć bitów. Jeden na miliard około trzydziestu bitów. I tak dalej. Im rzadsze rozwiązanie, tym więcej bitów informacji funkcjonalnej potrzeba, żeby wskazać je palcem w oceanie możliwości.
Spójrzcie na ten wykres pochodzący z artykułu Hazena:
Każda kropka odpowiada kolejnemu etapowi historii minerałów. Autor oszacował, ile rodzajów minerałów powstało do danego momentu, a następnie porównał tę wartość z liczbą konfiguracji, na jakie pozwalał stan skorupy ziemskiej. W miarę upływu czasu przybywało minerałów, ale jeszcze szybciej rósł zbiór tego, co teoretycznie mogłoby się uformować z dostępnych składników. Chociaż więc minerałów było coraz więcej, stanowiły one coraz mniejszą część wszystkich fizyko-chemicznych możliwości. Dlatego informacja funkcjonalna na wykresie konsekwentnie rośnie.
Zauważcie czego tutaj nie liczymy. Nie interesuje nas sama złożoność układu ani częstość jego występowania w naturze. Ciekawi nas rzadkość konfiguracji spełniających wybraną funkcję, w odniesieniu do ustalonego zbioru możliwości. Sama unikatowość pojedynczego układu niczego jeszcze nie załatwia. W tym momencie możecie wyciągnąć kartkę i wypisać skrajnie mało prawdopodobny ciąg losowych znaków:
dbWIyIW2!37mxbbQCPa
Czy jest rzadki? Tak, ale z punktu widzenia informacji funkcjonalnej możemy cokolwiek policzyć dopiero w odniesieniu do konkretnej funkcji (np. czy ta sekwencja jest prawidłowym hasłem do bazy danych FBI). Podobnie, nie wystarczy, że cząsteczka jest długa i skomplikowana – musi jeszcze sprawdzać się w określonej roli.
Zgodnie z hipotezą Hazena i Wonga w przypadku złożonych układów – atomów, cząsteczek, minerałów, gwiazd, organizmów – zachodzi naturalny wzrost informacji funkcjonalnej. Haczyk jest taki, że dotyczy to tylko systemów spełniających następujące warunki:
Co bardzo ważne, jest to teza o pewnej prawidłowości, a nie tylko dopuszczalności. Tam, gdzie powyższe warunki zostają spełnione, informacja funkcjonalna powinna wzrastać samoczynnie. Druga zasada termodynamiki pozwala na samoorganizowanie materii, zaś nowe „prawo” wręcz to wymusza.
Informacja funkcjonalna układu wzrośnie (układ będzie ewoluował), jeśli jego liczne różne konfiguracje podlegają selekcji pod kątem jednej lub większej liczby funkcji.
Treść prawa wzrostu informacji funkcjonalnej.
Stawką jest uniwersalny opis ewolucji materii we wszechświecie, zarówno przed powstaniem życia, jak i później.
To najbardziej pociągająca część pomysłu. Zamiast osobno opowiadać o nukleosyntezie, powstawaniu minerałów i ewolucji organizmów, moglibyśmy pytać o wspólne warunki zachowywania działających konfiguracji. Nie potrzebujemy nowego oddziaływania ani siły popychającej atomy ku doskonałości. Poszukujemy jedynie zasady, która działałaby na poziomie organizacji układów zbudowanych z dobrze znanej materii.
Mamy więc dwie strzałki: termodynamiczną strzałkę czasu oraz strzałkę wzrostu informacji funkcjonalnej. Obie kierują nas ku przyszłości, choć opisują inny rodzaj zmian.
Rosnąca informacja funkcjonalna nie zaprzecza entropii ani nie cofa zegara. Organizowanie materii przebiega przy poszanowaniu drugiej zasady termodynamiki. Nie wynika z tego również, że każdy zakątek wszechświata musi się bez końca komplikować. Wybrany system może wyczerpać dostępne możliwości, utracić jeden z trzech warunków albo ulec zniszczeniu. Dlatego zdecydowana większość materii w kosmosie to mimo wszystko obłoki wodoru i helu, a nie złożone minerały i bakterie.
Darwinowski dobór naturalny jest w tym ujęciu tylko szczególnym skutkiem działania prawa wzrostu informacji funkcjonalnej, w którym funkcją jest przetrwanie i pozostawienie potomstwa.
Samo potomstwo nie jest warunkiem zachodzenia ewolucji, tylko skutecznym sposobem kumulowania zdobyczy selekcji w określonym kontekście. W szerokim sensie ewoluować może wszystko, co ma dużo możliwości, wytwarza nowe warianty i przechodzi przez jakieś sito.
Jeśli to prawda, tajemnica życia ukryta jest w fundamentach fizyki. Jako bezwstydny redukcjonista mam do takich prób uniwersalizacji przyrody ogromną słabość. Jednak to wciąż za mało, żeby ogłaszać odkrycie nowego prawa natury.
Robert Hazen przyznał, że nie potrafi precyzyjnie wyznaczyć informacji funkcjonalnej nawet dla pojedynczej żywej komórki. Broni jednak możliwości posługiwania się przybliżeniami. Jak twierdzi, nie potrafimy też dokładnie wyliczyć dynamiki planetoid z Pasa Głównego, a mimo to bezpiecznie przeprowadzamy przez niego sondy.
Ta efektowna analogia ma niestety słaby punkt. W przypadku planetoid dysponujemy sprawdzonymi równaniami i metodami oceny naszych prognoz. Przy informacji funkcjonalnej trudności zaczynają się już na wcześniejszym etapie. Trzeba ustalić, jakie konfiguracje uwzględniamy, jaką funkcję mierzymy i co uznajemy za dobre wykonanie zadania. Przybliżenia są w nauce codziennością, ale najpierw trzeba wiedzieć, co przybliżamy.
Na razie wybieramy sobie wszystko arbitralnie. Kiedy w doświadczeniach z RNA badacz określa, do jakiej cząsteczki mają przyczepiać się badane łańcuchy, nie budzi to większych kontrowersji. A co w przypadku minerałów? Funkcją może być ich trwałość, ale wtedy łatwo o tautologię. Twierdzenie, że przetrwały te minerały, które były trwałe, jest prawdziwe w taki sam sposób jak stwierdzenie, że wygrywa ten, kto nie przegrał[4]. Uogólniona selekcja powinna pozwolić przewidzieć, które układy przetrwają, zanim sprawdzimy, które rzeczywiście przetrwały.
W tej chwili to raczej świetnie udokumentowana regularność niż prawo w sensie, w jakim fizycy używają tego słowa.
Nie oznacza to, że koncepcja wywróciła się na twarz już w bloku startowym, ale trzeba uczciwie rozdzielić trzy sprawy. Nukleosynteza, ewolucja minerałów i wyniki eksperymentów z RNA to dobrze udokumentowane fakty. Pomysł, że wszystkie te zjawiska są przejawami jednego uniwersalnego prawa, to atrakcyjna hipoteza. Spekulacją pozostaje natomiast to, czy informacja funkcjonalna jest mierzalną i przydatną wielkością fizyczną. Przynajmniej na ten moment.
Czy istnieje zatem jakakolwiek nadzieja na zastosowanie nowego „prawa” w terenie? Michael Wong wysunął ciekawą, choć odległą propozycję dotyczącą astrobiologii.
Żywe organizmy wykorzystują zaskakująco wąski zestaw związków organicznych w porównaniu z tym, co dałoby się wytworzyć z dostępnych składników. Z tysięcy możliwych aminokwasów komórki przy budowie białek sięgają do zaledwie dwudziestu. To ślad selekcji. Przez miliardy lat życie odsiewało cząsteczki i powielało te, które sprawdzały się najlepiej. Życie przypomina pod tym względem starannie zaopatrzony warsztat, w którym zachowuje się tylko najważniejsze narzędzia.
Gdyby na Marsie, Tytanie czy Enceladusie udało się znaleźć zbiór cząsteczek organicznych podejrzanie ubogi w stosunku do chemicznych możliwości, byłaby to oznaka działania jakiegoś sita. Otrzymujemy więc interesujący rodzaj biosygnatury. Nieoczywistej, bo na obecność życia wskazuje oszczędność substancji organicznych, a nie ich obfitość – jak można by zakładać. I uniwersalnej, ponieważ nie zakłada, że obce organizmy korzystają z DNA i innych zdobyczy ziemskiej ewolucji. Nie szukalibyśmy w kosmosie kopii nas samych, tylko śladu informacji funkcjonalnej.
Są też cele bliższe. Badacze chcą dokładniej prześledzić ewolucję minerałów na innych planetach oraz rozwijać komputerowe symulacje życia. Do Hazena zgłaszają się ekonomiści, neurobiolodzy i badacze gleby. Jak twierdzi, przychodzą do niego ludzie, którzy „rozpaczliwie szukają modelu, który wyjaśniłby ich układ”.
To jednocześnie komplement i ostrzeżenie. Teoria, która pasuje do wszystkiego, ma skłonność do tego, żeby nie przewidywać dobrze niczego.
Historia nauki podsuwa jednak pocieszającą analogię. Badania nad termodynamiką zaczęły się dwieście lat temu od skromnej książeczki Sadiego Carnota o sprawności maszyn parowych. Pół wieku później mówiła już o kierunku czasu, a jeszcze później o losie całego wszechświata. Nikt w epoce węgla i pary nie przewidział, że pytanie o sprawność kotła doprowadzi do kosmologii. Nie zdziwię się, jeżeli pytanie o minerały ilaste w archaiku okaże się początkiem nowej wielkiej idei.
Ostatnie komentarze: