Świat poza fizykąTekst

0
Recenzje
Oznacz jako przeczytane
Jak czytać książkę po zakupie
Czcionka:Mniejsze АаWiększe Aa


Spis treści

Karta redakcyjna

Prolog

1. Świat nie jest maszyną

Wszechświat nieergodyczny powyżej poziomu atomów

Poza drugą zasadą termodynamiki

Dlaczego istnieją ludzkie serca?

Co to jest organizm?

Świat jako maszyna

2. Funkcja funkcji

3. Propagująca organizacja

Praca

Warunki brzegowe, praca i entropia

Cykl pracy z więzami

Praca niepropagująca i propagująca

Pętla więzów – i coś więcej

Dwie pętle

Potencjał do samoreprodukcji: trzy pętle

Niemistyczny holizm

Ogólność fizyki i szczególność biologii

Propagująca organizacja procesu

4. Demistyfikacja życia

Świat RNA

Świat lipidowy

Łączność grafów losowych

Z komputera do laboratorium

Trzy pętle życia

Życie jako owoce różnorodności molekularnej

„Siła życiowa”

5. Jak stworzyć metabolizm

CHNOPS

Początkowe hipotezy na temat grafów reakcji

Do laboratorium

Łączenie metabolizmu z układem kolektywnie autokatalitycznym

6. Protokomórki

Scenariusz Damera–Deamera

Ku protokomórkom

Entropia i trwała samokonstrukcja

Kwestie niedopowiedziane

7. Dziedziczna zmienność

8. Gry, które prowadzimy

Odczuwanie, ocenianie, reagowanie na świat

Poruszanie się

Od materii do znaczenia

Powinność instrumentalna

Misterne gry, które prowadzimy

Interludium. Zaskakująca, choć prawdziwa historia Patryka S. „Pierwszego”, Roberta R., Sławka S. i Gucia G., bardzo wczesnych protokomórek

Historia Patryka!

Historia Roberta!

Niesamowita historia Sławka Protokomórki

Historia Gucia

9. Scena została przygotowana

Eksplozja różnorodności w biosferze

Stawanie się nie podlega matematycznemu opisowi

Informacje zależne od kontekstu

10. Egzaptacje i śrubokręty

Preadaptacje i egzaptacje

Wiele zastosowań śrubokrętów

Prowizorka i wszystko inne

11. Świat poza fizyką

Entropia i ewolucja

Tworzenie nisz jest procesem samowzmacniającym

Ponad prawem: biologii nie można zredukować do fizyki

Żadne prawa nie uwzględniają pojawienia się biosfery

Redukcjonizm zawodzi

Epilog. Ewolucja gospodarki

Czym jest sieć ekonomiczna?

Dwa znaczenia „potrzeby”

Krótkie spojrzenie na ewolucję branży informatycznej

Przyległa ewentualność sieci ekonomicznej

Algorytmiczna przyległa ewentualność

Niealgorytmiczna, nieprzewidywalna, przyległa ewentualność gospodarki

Różnorodność kontekstów i różnorodność zastosowań

Rosnąca sieć jest rosnącym kontekstem dla dalszego własnego rozwoju

Krótki komentarz na temat standardowych modeli wzrostu gospodarczego

Wczesny model statystyczny przyległej ewentualności

Bibliografia

© Copyright by Copernicus Center Press, 2021

© Oxford University Press 2019

Tytuł oryginalny

A World Beyond Physics. The Emergence and Evolution of Life

A World Beyond Physics was originally published in English in 2019. This translation is published by arrangement with Oxford University Press. Copernicus Center Press is solely responsible for this translation from the original work and Oxford University Press shall have no liability for any errors, omissions or inaccuracies or ambiguities in such translation or for any losses caused by reliance thereon.

Adiustacja i korekta

Mirosław Ruszkiewicz

Projekt okładki i stron tytułowych

Michał Duława

Grafika na okładce

Vizerskaya | iStock.com

Skład

MELES-DESIGN

ISBN 978-83-7886-553-7

Wydanie I

Kraków 2021

Copernicus Center Press Sp. z o.o.

pl. Szczepański 8, 31-011 Kraków

tel. (+48) 12 448 14 12, 500 839 467

 

e-mail: marketing@ccpress.pl Księgarnia internetowa: http://ccpress.pl

Konwersja: eLitera s.c.


Prolog

Fizyka klasyczna, podarowana ludzkości przez Newtona, to nic innego jak znany nam świat przedstawiony w stronie biernej: rzeki płyną, kamienie spadają, planety wirują, gwiazdy podążają w czasoprzestrzeni zakrzywionej przez ich własne masy. Nie ma działań, są tylko zdarzenia: niezliczone, cudowne, lecz bezduszne.

Siedzę i piszę te słowa w siedemdziesiątym ósmym roku życia, po tym, jak wcześniej powędrowałem do kuchni i wziąłem sobie nektarynkę do przegryzienia. Wczoraj wszedłem na pokład „Poised Realm”, mojej siedmiometrowej łodzi, aby popłynąć do Crane Dock na wyspie Orcas i udać się do Eastsound w stanie Waszyngton, by kupić owoc, który właśnie zjadam jako popołudniową przekąskę. Moje serce lekko dudni, moje własne ludzkie serce. Większość moich czytelników pewnie również posiada ludzkie serce.

Ale w jaki sposób pojawiło się moje serce, nektarynka, należąca do mnie kuchnia, łódź oraz Eastsound od momentu zaistnienia w otchłani nicości bezdusznego Wielkiego Wybuchu 13,7 miliarda lat temu?

Od czasów Newtona używamy fizyki, aby dokonywać oceny rzeczywistości: ustalać, co jest PRAWDĄ. Lecz fizyka nie powie nam, skąd pochodzimy i jak znaleźliśmy się tutaj, czemu istnieje ludzkie serce ani dlaczego mogę kupować nektarynki w Eastsound, nie mówiąc już o tym, czym jest samo „kupowanie”.

Podyskutujemy o tych sprawach, ponieważ więcej jest do poznania, niż wiemy, i więcej jest do powiedzenia, niż możemy powiedzieć.

Żyjemy w świecie poza fizyką.

Należymy do świata żywych stworzeń, które same się tworzą. Brakuje nam jednak pojęć, aby to wszystko wyrazić. Drzewo samo wyrasta z nasiona i formuje się, pnąc się w górę w kierunku słońca. Jesteśmy tego świadkami, a mimo to nadal nie wiemy, jak ten proces opisać. Las rozrasta się sam, zakorzeniony, rozgałęziony, cichy, jak gdyby na coś oczekiwał. Również nasza biosfera poprzez swą różnorodność rozwija się w to, czym może się stać, i czyni tak od około 3,7 miliarda lat. Żyrafa? Kto się jej spodziewał trzy miliardy lat temu? Nikt nie miał o niej żadnego pojęcia. A nektarynki: kto mógłby wtedy coś na ich temat powiedzieć?

Spodziewamy się, że od 50 do 90 procent z 10 do potęgi 22 (1022) gwiazd w znanym nam wszechświecie posiada krążące wokół nich planety. Jeśli, jak uważam i jak postaram się to uzasadnić, życie jest zjawiskiem wszechobecnym, wszechświat obfituje w istnienie oparte na fizyce, choć wykraczające poza jakąkolwiek znaną nam fizykę.

Pomysł istnienia być może nawet 1022 biosfer wprawia mnie w osłupienie. To prawda, zachwycamy się obrazami wielu miliardów galaktyk (mniej więcej 1011) pochodzącymi z teleskopu Hubble’a. Ale czy rzeczywiście mamy do czynienia z 1022 biosferami, tak samo bujnie się rozwijającymi jak nasza? Nie ze „światem poza fizyką”, lecz „światami poza fizyką”, bezkresnymi niczym bezmiar znanej nam fizyki, niemal niewyobrażalnymi.

W naszej nauce brakuje idei układu, który sam się tworzy. Wprowadzę tę niezbędną koncepcję, korzystając z pomysłu zaproponowanego przez Maëla Montévila i Matteo Mossio (2015), a znanego pod nazwą „pętla więzów”. Ci młodzi naukowcy odkryli pewną, a być może nawet właśnie „tę” brakującą koncepcję organizacji biologicznej. Będziemy starać się zrozumieć ją coraz lepiej i opierać się na niej w naszych rozważaniach. Pomysły te są nieco skomplikowane, choć nie aż tak bardzo. Dojdziemy do tego. Na razie jednak możemy myśleć o pętli więzów w następujący sposób: jest to zbiór ograniczeń narzuconych zarówno na uwalnianie energii w procesach nierównowagowych, jak i na same te procesy, w taki sposób, że określony układ tworzy swoje własne więzy. Jest to niesamowity pomysł. Komórki tak właśnie postępują, natomiast samochody już nie.

Żywe struktury realizują tę pętlę więzów i wykonują tak zwane „termodynamiczne cykle pracy”, dzięki którym są w stanie się reprodukować. Wykazują również dziedziczną zmienność postulowaną przez Darwina, mogą więc podlegać sformułowanej przez niego teorii doboru naturalnego, a zatem ewoluować. Pisałem o tym w kilku moich wcześniejszych książkach. Dręczyło mnie jednak przeczucie, że czegoś w tym wszystkim brakowało. Dzięki pętli więzów kluczowy element układanki trafił na swoje miejsce.

Niemniej nie można zawczasu przewidzieć tego, co powstanie w wyniku działania ewolucji: to, co ewoluuje, wyłania się niepoznawalnie – nie znam lepszego słowa na określenie tej właściwości – i tworzy naszą biosferę o coraz większej złożoności. Jesteśmy owocem tego procesu: podobnie jak żyrafy, nektarynki i strzykwy.

Kilka lat temu, podczas przyjęcia z okazji swoich siedemdziesiątych urodzin, mój przyjaciel fizyk zażartował sobie ze sposobu, w jaki biolodzy postrzegają świat. Gdyby to oni towarzyszyli Galileuszowi na wieży w Pizie, zrzucaliby kolejno kamienie w kolorze czerwonym, pomarańczowym, różowym, niebieskim, zielonym i tak dalej.

Moi koledzy zajmujący się fizyką w mig pojęli tę aluzję i śmiali się z niej serdecznie. Podczas gdy fizycy starają się stosować uproszczenia, aby odkrywać prawa przyrody, biolodzy badają, w jaki sposób życie stało się złożone. Tak więc oczywiście czerwone kamienie to żyrafy, nektarynki to pomarańczowe kamienie, zaś niebieskie kamienie to strzykwy; a zielone kamienie, no cóż, to po prostu my sami. Pytanie nie brzmi, czy strzykwa, żyrafa, człowiek lub nektarynka spada szybciej, ale przede wszystkim – skąd się to wszystko wzięło?

Fizyka nie daje na to odpowiedzi. Nikt tego nie wie.

Istnieje świat poza fizyką.

Darwin nauczał, że nowe gatunki wbijają kliny w ciasne podstawy natury, aby zrobić miejsce dla własnego istnienia: to prawda, ale nie do końca. Stworzenia, dzięki swojemu istnieniu, kształtują warunki do powstania innych stworzeń. Gatunki same stanowią szczeliny w fundamentach przyrody, które tworzą nisze dla pojawienia się kolejnych nowych gatunków, powodując powstanie jeszcze większej liczby pęknięć, umożliwiających uformowanie następnych gatunków.

Kwitnąca biosfera nieustannie stwarza własne nowe możliwości stawania się, coraz bardziej liczne i różnorodne.

Choć niemal umyka to naszej uwadze, to samo dotyczy gwałtownie rozwijającej się światowej gospodarki. Nowe towary udostępniają nisze dla jeszcze nowszych produktów: wynalazek Internetu wykreował nisze dla handlu w sieci, dzięki temu pojawiły się firmy eBay i Amazon, w wyniku czego powstała treść stron internetowych, co spowodowało narodziny niszy dla wyszukiwarek takich jak Google. A dla przedsiębiorstw, które próbują wejść na rynek, zaczęto tworzyć algorytmy wyszukiwania pozwalające sprzedawać więcej produktów. Albo pomyślmy o wszystkich aplikacjach na iPhone’a i aplikacjach do tych aplikacji, takich jak programy blokujące reklamy, które usuwają wyskakujące okienka w wyszukiwarce Safari.

Wkraczamy w świat, którego istnienie umożliwiamy, prąc naprzód, nie mając w nim rozeznania ani nie dysponując wcześniejszą wiedzą o nim, albo też posiadając ją w bardzo niewielkim stopniu. Mogę udać się do Eastsound, by kupić nektarynki.

Wydaje się nam, że w fizyce – w szczególnej i ogólnej teorii względności, mechanice kwantowej oraz kwantowej teorii pola w ramach modelu standardowego – odnajdziemy podstawy, na których możemy osadzić świat, owo ostateczne stawanie się. Okazuje się, że to nieprawda. To, co ostateczne, może wspierać się na tych podstawach, ale nie da się go z nich wywieść. Ta ostateczność, niepoznawalny rozwój, wypływa poza swą fundamentalną przystań i podąża swym własnym kursem po oceanach nieznanego. Jak twierdził Heraklit, świat nieustannie wypączkowuje.


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 nieergodyczny

powyżej 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?

Co to jest organizm?

Na długo przed Darwinem Immanuel Kant doszedł do następującego wniosku: „Zatem istota zorganizowana posiada ową własność, dzięki której części istnieją dla i dzięki całości”. Nazwijmy to „kantowską całością”. Serce istnieje dla całego organizmu, którego jest częścią funkcjonalną, oraz dzięki niemu. Ludzie są kantowskimi całościami.


Rysunek 1.1. Układ kolektywnie autokatalityczny. Ciągi symboli oznaczają cząsteczki. Zaczernione kółka to reakcje. Czarne strzałki prowadzą od cząsteczek substratu przez reakcje do cząsteczek produktu. Kropkowane strzałki wiodące od cząsteczek do reakcji pokazują, która cząsteczka katalizuje daną reakcję. Podwójne kółka są egzogennym zestawem budulcowym. Funkcją peptydu lub RNA jest katalizowanie reakcji wytwarzającej kolejne peptydy lub RNA, a nie powodowanie ruchu płynu na szalce Petriego.

Prosty przykład kantowskiej całości pokazano na rysunku 1.1. Jest to hipotetyczny przykład czegoś, co nazywam „układem kolektywnie autokatalitycznym”. Składa się z polimerów, takich jak niewielkie białka zwane peptydami. Układ ten będzie dla nas szczególnie ważny w dalszej części książki. Zaczyna się od prostych „cząsteczek pokarmowych”, pojedynczych części składowych, które nazwiemy A i B (monomery); oraz czterech możliwych dimerów AA, AB, BA i BB, z których wszystkie są dostarczane z zewnątrz. Następnie powstają dłuższe polimery, takie jak ABBA i BAB, utworzone z tego zestawu konstrukcyjnego w reakcjach łączących dwa polimery swoimi końcami w celu stworzenia dłuższego polimeru lub dzielących dłuższy polimer na dwa fragmenty. I tutaj pojawia się ważne spostrzeżenie: reakcje tworzące te dłuższe produkty są katalizowane przez te same polimery, które wchodzą w skład owego układu. Układ ten jest kolektywnie autokatalityczny.

(Prostszy przykład składa się z dwóch małych polimerów AB i BA, z których każdy powstaje w wyniku reakcji łączącej A i B. W tym przypadku AB katalizuje tę reakcję, tworząc BA, a BA katalizuje tę reakcję, tworząc AB. Taki układ jest kolektywnie autokatalityczny).

W układzie takim jak na rysunku 1.1 żaden polimer nie katalizuje własnego powstawania; natomiast układ jako całość katalizuje swoje łączne formowanie. Jeśli uznaje się katalizowanie reakcji za zadanie katalityczne, wszystkie te zadania są realizowane wspólnie w ramach „pętli zadania katalitycznego”. Taki system jest „całością” i stanowi coś więcej niż sumę swoich elementów. Pętla wzajemnej katalizy nie uwidacznia się w żadnej z pojedynczych części. Jest ona natomiast właściwością zbiorową.

Układ taki może dosłownie sam się tworzyć i reprodukować! Stanowi on kantowską całość, której części istnieją dla i dzięki całości. To będzie mój główny model pochodzenia, a nawet charakteru życia.

Układy kolektywnie autokatalityczne wyłaniają się spontanicznie w wystarczająco różnorodnych zupach chemicznych. Takie układy istnieją i są zbudowane z peptydów, RNA i DNA. Uważam, że mogły być one niezbędne do powstania życia i szczegółowo omówię tę kwestię później.

Dwóch chilijskich naukowców, Humberto Maturana i Francisco Varela, wprowadziło koncepcję „autopojezy”, czyli układu, który sam się tworzy. Układ kolektywnie autokatalityczny jest przykładem układu autopojetycznego.

Wszystkie swobodne układy żywe są autopojetycznymi układami kolektywnie autokatalitycznymi. Jeśli owe układy są zdolne do wykazywania dziedzicznej zmienności, mogą podlegać doborowi naturalnemu i tworzyć ewoluujące biosfery.

Nie żyjemy w odosobnieniu. Wspólnie kształtujemy nasz żyjący świat. Żadna jednostka nie żyje sama. Wszyscy uczestniczymy w procesach ewolucji, wyłaniania i rozwijania biosfery jako całości. Warunkujemy wzajemnie swoje istnienie. Dlatego też udało się nam zaistnieć przez długi czas w nieergodycznym wszechświecie powyżej poziomu atomów. Nasza biosfera rozrasta się w stabilny sposób przez około 3,7 miliarda lat.