Category: Pochodzenie życia

Pochodzenie różnych osobników

Jedną z charakterystycznych właściwości materii ożywionej jest wystę­powanie odmiennych osobników, z których każdy utrzymuje stan równo­wagi w oddziaływaniu ze środowiskiem. Ostatnie prace nad pochodze­niem życia, szczególnie w Związku Radzieckim, skierowały uwagę na możliwe sposoby, za pomocą których mogą być wytworzone oddzielne osobniki z pierwotnej odżywczej zawiesiny. W zmieszanym roztworze wysokospolimeryzowane cząsteczki różnego rodzaju mają zdolność łą­czenia się i wydzielania w postaci kropelek. Ten proces znany jest pod nazwą koacerwacji, którą szczegółowo badał Bungenberg de Jong. Prowadzi to do znacznie większego stężenia polimerów w kroplach, niż się to obserwuje na zewnątrz cieczy. Substancje nieko­niecznie muszą być jednorodnie rozmieszczone wewnątrz kropel. Jeżeli obecne są lipidy, mogą one utworzyć błonę. Krople mogą ekstrahować inne substancje ze środowiska, co można łatwo wykazać przy użyciu barwników, które gromadzą się wewnątrz kropel. Ostatecznie każda kropla osiąga stan równowagi stałej z otoczeniem, a zatem pro­cesy te nie służą zabezpieczaniu modelu stanu równowagi dynamicznej żywych organizmów.

Pochodzenie układu samozachowawczego

Obecność w pierwotnych stadiach rozwoju Ziemi pewnych typów czą­steczek niezbędnych do życia, istniejących w formie podstawowej za­wiesiny, nie jest zatem trudna do przyjęcia. O wiele trudniejszy problem to wyjaśnienie, w jaki sposób te właśnie substancje wytworzyły spe­cyficzne olbrzymie cząsteczki, takie jak przenoszące informacje nukleotydy i białka enzymatyczne. Jeszcze trudniej jest wyobrazić sobie, jak ich działanie stało się tak dostosowane do produkcji układów samo­zachowawczych i samoodtwarzających.

Haldane (1965) zawęził problem, biorąc pod uwagę tylko to, co mogło mieć prawdopodobny związek z powstaniem najprostszego układu samo- odtwarzającego. Rozważał on cztery stadia:

1)    probiotyczną zawiesinę aminokwasów, rybozy, czterech zasad purynowych i pirymidynowych oraz źródło wysokoenergetycznego fosforanu;

2)    tworzenie nukleotydów i prawdopodobnie przede wszystkim RNA;

3)   połączenia aminokwasów z ATP;

4)    łączenie się aminokwasów w łańcuchy peptydowe.

Haldane sugerował zatem, że pierwszy organizm, zawierający tylko jeden enzym ? niespecyficzną fosfokinazę, zdolny jest do zorganizowa­nia różnych przenośników energii, które były potrzebne dla właściwej kolejności przemian materii probiotycznej zawiesiny. To jedno białko mogło być wytworzone przez jeden ?gen” RNA. Haldane stwierdził, że rybonukleaza jest najmniejszym znanym enzymem zawierającym 124 reszty aminokwasowe (rozdz. 2). Wytworzenie tego enzymu musiało wy­magać 540 bitów informacji uruchamianych kolejno (przyjmując jedna­kową podstawę częstotliwości) które z pewnością nie ukazywały się spon­tanicznie, jak w przypadku związków otrzymanych w eksperymentach Millera i innych. Dlatego też Haldane rozważał prostszy protoenzym, wy­magający, powiedzmy, 100 bitów informacji. Ale wtedy byłoby jeszcze 1,3-1030 możliwości. To znaczy, że jedna ?próbka” byłaby wykonywana co minutę w ciągu 108 lat. Mogłoby zatem powstać 1017 równoległych próbek. Ziemia nie jest po prostu dość duża, aby je wszystkie pomieścić. Przez zredukowanie liczby do 60 bitów i użycie tylko 15 aminokwasów prawdopodobieństwo dopiero wtedy może stałoby się możliwe. Ale czy wówczas taka cząsteczka byłaby ?odpowiednia”? Nie postawiliśmy jed­nakże pytania, jakby to było samoistnie kontrolowane.

W ostatniej dyskusji nad tym zagadnieniem na krótko przed swą śmiercią Haldane, jak się wydawało, nie widział możliwości rozwiązania tej kwestii. Jest to naprawdę jeden z największych problemów, który musi być zaatakowany, jeżeli nie chcemy po prostu być uśpieni dowo­dem syntezy cząsteczek umiarkowanie skomplikowanych.

Dixon i Webb (1958) w podobnej dyskusji obliczyli, że nawet gdyby Ziemia była całkowicie zbudowana z aminokwasów i one przemieniałyby się same przypadkowo dziesięć razy na sekundę, istniałaby również mała możliwość utworzenia jednej cząsteczki prostego białka insuliny.

Jest jednak bardzo prawdopodobne, że przyjmujemy pogląd raczej zbyt rygorystyczny w rozważaniu zagadnienia enzymów z punktu wi­dzenia obecnej wiedzy. Właściwości enzymu zależą głównie od właści­wości małej ich części ? centrum aktywnego (rozdz. 3). Większość czą­steczki białkowej być może nie jest związana ściśle ze sprawą właściwej syntezy enzymu. Istnieją pewne dowody wskazujące na to, że pierwotne enzymy były znacznie prostsze, gdyż nie potrzeba było bardzo wydajnie ?konkurować” w środowisku już istniejącej materii (Bernal, 1960).

Bernal wspomina o jednej z możliwości rozwiązania tego problemu. Mianowicie postuluje on, że prawdopodobieństwo występowania pewnych konfiguracji związków wzrastało w wyniku oddziaływania sieci krysta­licznej minerałów ilastych, z którymi mogły one być połączone. Jest to argument przekonujący, lecz wymaga więcej szczegółowych danych, aby prawdopodobieństwo mogło być wyliczone.

Rozszerzenie tego poglądu sugeruje, że drobiny minerałów ilastych nie były tylko miejscem, gdzie cząsteczki organiczne mogły między sobą reagować, lecz faktycznie ?pierwszymi organizmami”. Kryształy ? można powiedzieć ? zawierały informacje w ich ubytkach, szczególnie w krze­mianach w wyniku podstawienia atomów krzemu przez inne atomy, takie jak glin. Kryształy takie są bardzo trwałe i mogą zawierać informacje stanowiące wagowo połowę tego co DNA. Ponadto wzrastając odtwarzają one swoje ubytki. Można wyobrazić sobie warunki, w których pewne formy mogły być wyselekcjonowane. W szczególności mogła przeżyć ja­kaś konfiguracja, która przyczyniała się do utrzymywania cząstek iłu w środowisku iłu syntetyzującego. Sugeruje to, jak pierwsze ?nieorga­niczne” organizmy mogły dostarczać modeli dla organizmów zawierają­cych węgiel, co było drugim początkiem życia. Materia organiczna mogła spowodować wymieszanie się dwu rodzajów kryształów o różnych roz­miarach z iłami, w których prawdopodobieństwo wzrostu końcowego mo­gło się zwiększyć. Informacja zawarta w warstwach krzemianów mogła być narzucona na warstwy organiczne i w ten sposób mogły być wy­tworzone proste polimery, białka i nukleotydy. Tak wymieszane organiz­my ? można to sobie wyobrazić ? rozwijały się stopniowo do organiz­mów zawierających węgiel, które już znamy. Być może tej hipotezy nie można brać dosłownie, lecz wskazuje ona na to, jakich rozważań wy­maga wykazanie nieprawdopodobieństwa samoistnego pochodzenia życia, pomijając znane procesy naturalne, które mogą tu być decydujące.

Inna użyteczna linia rozważania tego problemu wywodzi się z możli­wości syntezy. Po długim okresie syntezy niebiologicznej dostępny był duży zapas materii organicznej. Mogły zatem z łatwością być wytwo­rzone proste układy instrukcyjno-kontrolne, co jednak wtedy prowadziło do wyczerpania prostych związków. Skoro one zniknęły, układy zawie­rające cząsteczki informacyjne stały się odpowiednie do zapoczątkowania syntezy, która była już potem kontynuowana. Wówczas genom stopniowo komplikował się. To wyjaśniałoby obecną sytuację, w której wiele genów musi współdziałać razem w celu wytworzenia enzymu. Trudno zrozumieć, jak każda od­dzielna mutacja może doprowadzić do wytworzenia pewnych wartości, chociaż końcowy produkt był dostępny od początku do końca.

Pochodzenie cząsteczek organicznych

Powszechnie przypuszcza się, że życie pochodzi z morza, którego skład we wczesnych stadiach historii Ziemi ma zatem pierwszorzędne zna­czenie. Niektórzy wprawdzie dowodzili, że życie mogło mieć początek na powierzchni lądu, który ?dostarcza niezliczonych nisz (ekologicznych), takich jak wolna przestrzeń między cząstkami pyłu czy szczeliny skał”, które ?mogą stwarzać idealne warunki dla abiogennej syntezy związków organicznych. W takich miejscach wysuszanie pozwoliłoby na występo­wanie wysokich stężeń związków chemicznych i mogłoby w ten sposób ułatwiać reakcje chemiczne, gdy związki te znalazłyby się w środowisku wilgotnym” (Hinton, 1968). Fakt, że życie może być sprowadzone wy­łącznie do stanu morfologicznego przez wysuszenie, z pew­nością usuwa pewne trudności powyższego poglądu. Bardziej jednak prawdopodobne wydaje się przypuszczenie, że tylko ciekłe środowisko mogło zapewnić ciągłość konieczną do osiągnięcia obecnego poziomu me­tabolicznego rozwoju w stosunkowo krótkim czasie. ?Również tylko swo­bodnie poruszające się w wodzie ciała (cząstki) mogły mieć zapewnione wymagania przestrzenne, w których wszelkiego rodzaju materia powinna być ciągle dostępna i dostarczana jednocześnie w celu wzajemnego od­działywania”. W każdym jednak przypadku biogeneza musiała się odbywać w wodzie i korzystać z roz­puszczonej w niej materii pochodzącej z atmosfery. Prawdopodobnie na­leży również założyć, że niektóre mechanizmy zwiększają stężenie sub­stancji w celu łącznego doprowadzenia ich do określonych miejsc.

Zagadnienie pochodzenia życia jest w wyraźny sposób ściśle związane z pochodzeniem substancji organicznych. Prawie aż do ostatnich czasów powszechnie utrzymywano, że wszystkie większe kompleksy cząsteczek organicznych były wytworzone przez żywe organizmy. Na przykład złoża węglowodorów, takich jak nafta oraz węgiel, który jak wiadomo, powstał z rozkładu roślin, są często uważane wyłącznie za produkty organizmów żywych. Jednakże istnieją pewne dowody na to, że takie substancje są dość szeroko rozprzestrzenione we wszechświecie oraz że mogą być one również i abiogennego pochodzenia. Mamy tu dwa rodzaje dowodów. Po pierwsze, analiza meteorytów wykazuje, że niektóre z nich zawierają o wiele więcej substancji organicznych, niż można to wyjaśnić ich za­nieczyszczeniem. Po drugie, liczne ostatnio przeprowadzone badania wy­kazały, że szereg cząsteczek organicznych mogło być wytworzonych z zu­pełnie prostych związków, zawierających węgiel i azot, w obecności od­powiedniego zapasu energii, pochodzącej np. z wyładowań elektrycznych lub promieniowania ultrafioletowego.

Zagadnienie prawdopodobnego składu pierwotnej atmosfery ziemskiej ma zatem decydujące znaczenie. Na szczęście w większości badacze zgod­ni są co do tego, że pierwotna atmosfera nie zawierała tlenu i że prze­ważały w niej warunki redukujące. Jest to sprawa podstawowa, gdyż w obecności tlenu wyładowania elektryczne np. powodowałyby spalanie, podczas gdy warunki redukujące umożliwiałyby syntezę. W pierwotnej atmosferze ziemskiej były zapewne: metan, amoniak, woda, tlenek węgla i dwutlenek węgla. Pierwsze trzy, nawiasem mówiąc, tworzą atmosferę Jowisza.

Tlen prawdopodobnie pojawił się dopiero jako wynik działania orga­nizmów. Najwcześniejsza fotosynteza mogła po prostu służyć jako proces wydzielniczy. Od tego czasu dalszy jej rozwój spowodował, że stała się jednym z pierwszorzędnych procesów syntezy i jest nim do dziś. Ale wytworzony w tym czasie tlen zrewolucjonizował życie. Część tlenu zmieniła się w ozon, który osłania Ziemię od promieniowania ultrafio­letowego. Promieniowanie to mogło być uprzednio podstawowym źródłem energii oraz źródłem mutacji. Jednakże kompleks układów mógł rozwi­nąć się tylko wtedy, gdy ich kształtujące się mechanizmy nie były za­kłócane przez promienie ultrafioletowe. Nie jest pewne, czy ma to jakieś znaczenie, ale przypadkowo cząsteczki nukleotydów bardzo silnie absor­bują promienie tej części widma.

Inny również ważny wpływ tlenu polegał oczywiście na tym, że umożliwiał on organizmom otrzymywanie dużych ilości energii w wy­niku oddychania. Obliczono, że zwierzęta stałocieplne (ciepłokrwiste) pro­dukują 10 000 razy więcej energii na gram masy niż Słońce (Revelle, 1964). Jeżeli ta liczba jest poprawna, to rzeczywiście sugeruje ona jedną z głównych właściwości, które pozwoliły organizmom utrzymywać tak fantastyczny kompleks stanów równowagi. Musimy jednak pamiętać, że stany te są tylko późniejszym produktem ewolucji. Dla syntez zacho­dzących wcześniej ustroje musiały otrzymywać energię bezpośrednio ze źródeł zewnętrznych lub z niektórych procesów beztlenowych.

Pochodzenie życia

Pierwszą kwestią tego zagadnienia powinno być prawdopodobnie to, ?czy życie w ogóle miało początek, czy też w jakimś sensie istniało ono zaw­sze”?. Jest to, niestety, podobnie jak pochodzenie wszechświata, jedno z tych wielkich zagadnień, których jeszcze nie potrafimy wyjaśnić. Roz­patrując ten problem z punktu widzenia życia ziemskiego możemy po­stawić trzy pytania.

  1. Czy życie przybyło na naszą planetę w wyniku migracji z jakiegoś innego ciała?
  2. Czy prawa, które kontrolują istnienie materii wszechświata, zawie­rają jakieś dodatkowe czynniki poza znanymi prawami fizyki, które determinowałyby konieczność zapoczątkowania życia (i przypuszczalnie także jego rozwój)?
  3. Czy możemy wykazać, że życie mogło powstać przez działanie sił znanych z działania w ziemskim świecie fizycznym?

Poza tymi pytaniami nasuwają się również słusznie stawiane inne pytania, mianowicie: czy życie powstało tylko raz i tylko na Ziemi, czy raz lub częściej i gdzie indziej?

Przy obecnym stanie wiedzy żadna z tych możliwości nie jest wy­kluczona (patrz Calvin, 1969). Faktem jest, że mikroorganizmy znalezio­no w meteorytach przybywających z przestrzeni kosmicznej. Jednakże możliwość, że były one w rzeczywistości wynikiem ziemskiego zanie­czyszczenia, nie była całkowicie wykluczona. Niektórzy utrzymują, że jest niemożliwe, aby organizmy mogły przeżyć wewnątrz meteorytu. Zagadnienie to pozostaje do rozwiązania. Zastanawiając się nad proble­mem pochodzenia życia na Ziemi, nie można jeszcze całkowicie wyklu­czyć tego, że przybyło ono z przestrzeni kosmicznej; jednak chyba więk­szość uczonych uważa to za mało prawdopodobne.

Rozpatrzmy jeszcze inną możliwość, być może najbardziej nieuchwyt­ną. Ze względu na to, że fizyka była w ostatnich kilku wiekach rewo­lucjonizowana sporo razy, trudno jeszcze utrzymywać, że dobrze ?zna- my jej prawa”. Wiemy jednak coś o działaniu niektórych z nich, przy­najmniej w pewnych granicach. Zastrzeżenie to jest istotne, ponieważ nie jesteśmy jeszcze zdolni nawet do zastosowania praw, które znamy, do kompleksu układów takich jak organizm. Zachodzi pytanie, czy inne prawa, które ewentualnie są poza naszym zasięgiem, nie mają jakiegoś znaczenia w oddziaływaniu na procesy życia.

Istnieje pogląd, że możliwe jest zrozumienie pochodzenia oraz dróg późniejszego rozwoju życia na podstawie różnych form jego działania. Można to nazwać dobrze wypróbowanymi prawami fizycznymi. Jest to jedyne zagadnienie nadające się w pełni do racjonalnego badania. Z roz­ważań tych wynika, że na podstawie wnioskowania pośredniego nie moż­na przyjmować, iż mamy wystarczającą wiedzę uzasadniającą całkowitą akceptację tego zagadnienia. W tych -sprawach ważne jest, abyśmy za­równo pokornie uznali swoją ignorancję, jak i stanowczo stwierdzili naszą wiedzę. Jest ona o wiele większa dziś niż nawet 10 lat temu i to stanowi dla nas dalsze ostrzeżenie, że wyciąganie jakichkolwiek wniosków jest tymczasowe i że będą one prawdopodobnie wkrótce zmienione.

Wiek Ziemi

Jeżeli życie powstało na Ziemi, musiało to nastąpić nie wcześniej niż 4,5-109 lat temu, co nie jest bardzo długim okresem w sensie czasu astronomicznego. Światło wysłane przez niektóre bardziej odległe od Ziemi obiekty ? mniej więcej w czasie powstawania Ziemi ? dopiero teraz do nas dociera. Ocenia się, że wtedy gwiazdy te musiały być bi­lion (1012) razy jaśniejsze niż nasze Słońce; być może, iż one jeszcze istnieją lub też ? co jest całkiem prawdopodobne ? przestały istnieć na długo przedtem zanim je zobaczyliśmy. Rozpatrując wszystkie takie sprawy dobrze jest jednak pamiętać, jak bardzo w ostatnich latach po­głębia się nasza wiedza. Z biegiem czasu wiek Ziemi oceniano na coraz więcej lat. Jeszcze w wieku XVII arcybiskup Usher głosił, że Ziemia powstała na 4004 lat p.n.e. Prawdopodobnie wiek Ziemi oceniany na 4500 milionów lat niezbyt odbiega od rzeczywistości. Wiek ten został obliczony na podstawie szybkości radioaktywnego rozpadu toru i uranu. W kwestii dotyczącej oceny wieku Ziemi byliśmy dotąd wprowadzani w błąd. Kiedyś Kelvin oceniał, że Ziemia nie może mieć więcej niż milion lat. Ocenę swą oparł na zasadach fizycznych, które wtedy wy­dawały się całkowicie słuszne, a mianowicie na zasadach ochładzania się. Było to przecież w 1890 roku i Kelvin nie mógł przewidywać od­krycia radioaktywnych źródeł ciepła we wnętrzu Ziemi. Tak się składa, że według badań wiek Słońca ocenia się na około 5-109 lat, wiek zaś naszej galaktyki ? jak już wspomniano ? na około 1,5 ? 1010 lat.

Wiek Ziemi oznaczony na podstawie szybkości rozpadu pierwiastków radioaktywnych jest oczywiście okresem liczonym od momentu, w któ­rym Ziemia tworzyła się jako sferoidalna masa, zawierająca najcięższe pierwiastki. Musiało to być wynikiem pewnych procesów kondensacji, które już wcześniej omówiono. Żadna z dotychczas znalezionych skał nie jest tak stara, jak te z pierwszego okresu powstawania Ziemi. Naj­starsze mają mniej więcej 3-109 lat i pochodzą ze środka kontynentów. Krawędzie kontynentów są znacznie młodsze, niektóre rzeczywiści mają tylko po kilka lat i ciągle jeszcze rosną. Wszystkie najstarsze skały zna­lezione w basenach oceanów są zupełnie młode (ok 108 lat), ponieważ wszystkie dzisiejsze dna oceanów powstały w geologicznie ostatnim czasie przez rozprzestrzenienie się materiału ze śródoceanicznych grzbietów.

Skład Ziemi

Dość ciekawe wydaje się pytanie, które wywołuje najmniej zgodne po­glądy, a dotyczy zagadnienia, w jaki sposób Ziemia osiągnęła swoje obecne rozmieszczenie tworzywa, w porównaniu z początkowym okre­sem jego powstania. Sprawa rozmieszczenia tworzywa Ziemi jest rzeczy­wiście do dnia dzisiejszego jednym z problemów najbardziej poważnych i mało wyjaśnionych. Ziemia ma metaliczne jądro zbudowane z że­laza i niklu, przeważnie płynne, tylko w środku stałe. Średnica jądra wynosi około 6000 km. Jest ono otoczone płaszczem grubości około 3000 km, złożonym głównie z krzemianów żelaza i magnezu, dość ?ma­sywną” do przewodzenia fal poprzecznych, lecz również dość plastyczną, co pozwala na jej powolną deformację.

Tylko część Ziemi, z którą mamy bezpośredni kontakt, jest cienką skorupą. Zawiera ona lżejsze krzemiany i wiele innych pierwiastków. Skorupa Ziemi jest niejednorodna, grubsza pod kontynentami (20?50 km) niż pod oceanami (ok. 7 km).

Nierównomierne rozmieszczenie lądów i oceanów jest jedną z naj­bardziej rzucających się w oczy osobliwości, które dominowały w historii życia. Różne są teorie o pochodzeniu i ewolucji kontynentów. Wiedza dotycząca tego zagadnienia rozwija się gwałtownie. Trudno jest jednak zdobyć informacje nawet o współczesnych warunkach panujących we­wnątrz naszej planety, o wiele zaś trudniej ? gromadzić informacje dotyczące historii Ziemi. Dużą trudność sprawia również dla wyobraźni ludzkiej, szczególnie dla laika, zrozumienie znaczenia przemian geofi­zycznych. Musimy nauczyć się myśleć o takich procesach, jak wypiętrza­nie gór, w ten sam sposób, jak myślimy o marszczącej się skórce wy­schniętej pomarańczy. Być może jeszcze trudniej będzie nam uwierzyć, że kontynenty pływają w ciekłym podłożu płaszcza i przesuwają się na nim poniżej skorupy, rozpadając się jak kry na mniejsze części.

Pozostawiając na uboczu pytania dotyczące pochodzenia skorupy ziem­skiej, należy stwierdzić, że jej nierównomierne rozmieszczenie musi przy­puszczalnie być wynikiem napięć wytworzonych przez ruchy we wnętrzu Ziemi. Kontynenty powstały z lżejszego materiału (lżejszych minerałów), pływającego w bardziej gęstym płaszczu. Jest bardzo prawdopodobne, że pierwotnie istniała tylko jedna masa lądu, który później został poroz­dzielany na fragmenty, tj. kontynenty, które od tego czasu dryfują osob­no. Już teraz geofizycy i geolodzy są przeważnie zgodni co do tego, że niektóre takie procesy kontynentalnego dryftu aktualnie działają. Jedynym zagadnieniem jest źródło energii tak rozległych ruchów. Przypusz­czalnie siły tej dostarcza proces powstawania ciepła z rozpadu pierwiast­ków radioaktywnych występujących w płaszczu. Potwierdza to fakt, że przewodzenie ciepła jest niejednakowe w różnych częściach powierzchni Ziemi; największe jest wzdłuż środkowej części grzbietów śródoceanicznych. Sugeruje to, że skały wskutek obracania się wypiętrzają grzbiety w dnie oceanu i przenoszą przez konwekcję prądy w płaszczu, które roz­chodząc się wzdłuż dna oceanu, wytłaczają bruzdy i krawędzie kontynen­tów. Anomalie magnetyczne i formy trzęsień Ziemi sugerują, że materiał rozrzucony ku wschodowi z Wzniesienia Wschodnio-pacyficznego wytworzył skorupę oceaniczną, która znajduje się teraz blisko wybrzeża Chile. Ta część skorupy oceanicznej powstała 60 -106 lat temu i poruszała się z szybkością 4,6 cm/rok. Obliczono, że szybkość po­ruszania waha się od 1,5 do 6,5 cm/rok. Pasma gór powstały tam, gdzie dno oceanu było wciskane pod kontynenty, jak np. wokół Pacyfiku, lub tam, gdzie masy kontynentów dryfowały przeciwko sobie (Alpy, Hima­laje).

Ważnym punktem tej dyskusji jest koncepcja zmian na powierzchni Ziemi. Geolodzy od dawna zdawali sobie sprawę, że występowały okre­sowe ruchy powodujące wypiętrzanie i zapadanie się kontynentów (izostazja) i że miały one duże znaczenie w oddziaływaniu na historię życia.

Pochodzenie Ziemi

Wydaje się, iż najbardziej możliwą do przyjęcia teorią pochodzenia pla­net jest teoria kondensacji słońca z chmur mgławicowych, które wiro­wały ze wzrastającą szybkością. Mogło to wytworzyć pole magnetyczne w zjonizowanym gazie. Nadało ono kierunek wzdłuż linii spiralnych, po których poruszały się na zewnątrz ?cząsteczki” plazmy. To mogło spo­wodować powstanie małych ciał stałych ? planetek, później zgrupowa­nych w planety.

Wiek Ziemi może być określony zupełnie ściśle z szybkości rozpadu toru i uranu do ołowiu. Wynosi on około 4,5-109 lat. Ten radioaktyw­ny rozpad jest ostatnią fazą procesu rozkładu najcięższych pierwiastków, które powstały w czasie eksplozji słonecznych. W tym znaczeniu Ziemia, podobnie jak Słońce, jest aktywna. Wydziela również ciepło, lecz w ilości 100 milionów razy mniejszej niż Słońce. Poza tym Ziemia staje się mniej aktywna z upływem czasu. Obecnie wydziela ona być może tylko jedną dziesiątą tej ilości ciepła, które wydzielała zaraz po jej utworzeniu się.

Pochodzenie galaktyk

Jeżelibyśmy postępowali zgodnie z programem badań, to dla zrozumienia granicy ich możliwości powinniśmy rozważyć również pochodzenie wszechświata. Problem ten interesuje nie tylko astronomów, ale także nas wszystkich, i w szerokich granicach różnicuje poglądy na ten te­mat. Astronomowie każdego roku dokonują nowych, ważnych odkryć. Na przykład odkryto nie znane dotąd typy ciał niebieskich, jak kwazary i pulsary. Dlatego też prawdopodobnie poglądy na wszechświat ulegną w przyszłości wielkiej zmianie. Możliwe, że oznaki porządku naturalnego, których jeszcze nie jesteśmy w stanie dostrzec, doprowadzą w przyszło­ści do zrewolucjonizowania całej wiedzy, i to w takim stopniu, że przy­szłe pokolenia może będą uważać, iż nasze myślenie musiało być skrajnie prymitywne, skoro nie potrafiliśmy właściwie ocenić podstawowych praw kosmosu. ?Wszechświat jest ogromny, niezwykły i nieosiągalny; środki techniczne człowieka i jego intelekt są bardzo ograniczone i krót­kotrwałe. Dyskusja o ewolucji gwiazd lub galaktyk jest wielkim i trud­nym zadaniem, które stało się jeszcze trudniejsze na skutek braku astronomicznej treści w tak powszechnie używanych wyrazach, jak hi­storia, ewolucja, narodziny, życie i śmierć atomów i gwiazd” (Greenstein, 1964).

Współczesna kosmologia zakłada, że rozmieszczenie materii we wszech­świecie jest statystycznie jednorodne dla ?wystarczająco dużej próby”, ale galaktyki tworzą miejscowe skupienia. Wszechświat nie ma środka ani osi. Linie spektralne odległych galaktyk wykazują przesunięcie w kie­runku części czerwonej widma. Przesunięcie to, jak się przypuszcza, jest efektem (uzyskanym przez Dopplera) spowodowanym tym, że wszystkie te galaktyki oddalają się od siebie. Na podstawie takich faktów Einstein i de Sitter zaproponowali model wszechświata jako rozprężającą się ma­terię z nieskończenie zagęszczonego stanu. Według Friedmanna, gdy roz­prężanie materii osiągnie stan maksymalnego rozszerzenia i minimalnej gęstości, następuje kurczenie się, które przywraca materię do pierwotne­go stanu. Następnie cykl powtarza się. Oczywiście ?wiek wszechświata” byłby mierzony wtedy czasem od chwili, gdy zaczęło się ostatnie rozprę­żanie. Interesujące jest, że wyniki sugerują w przybliżeniu podobny wiek Ziemi, meteorytów i gromad gwiazd, mianowicie około 1010 lat.

Być może jest to wiek bieżącej fazy rozprężania tego zdumiewającego cyklu. Materia jest oczywiście bardzo skomplikowana. Istnieją również inne wersje stanu kosmologicznej równowagi, według których nowe ga­laktyki są nieustannie tworzone przez nowo powstającą materię.

Ostatnie pomiary intensywności promieniowania kosmicznego ciał do­skonale czarnych, odkrytych w 1965 roku, dostarczają dalszych dowo­dów, że wszechświat jest tworem raczej rozwijającym się niż stałym. Rozprężanie wszechświata jest jednakowe we wszystkich kierunkach, co potwierdzałoby fakt, że wszechświat jest jednorodny (izotropowy). Jest to duża osobliwość w jego przestrzennym czasie powstania. Począ­tek rozprężania miał charakter bardzo gwałtowny (Gamow). Fizyka nie ma ?wyjaśnienia” dla tak osobliwego przypadku. Sugeruje się, że w cza­sie początkowych 100 sekund panowała niezwykle wysoka temperatura (około 109°K), w której były ?wyprodukowane” pierwotne nukleony. Zachodziła w tym czasie kondensacja termonuklearna, w czasie której powstał hel.

Współczesna fizyka i astronomia już nieco poznały późniejsze proce­sy powstawania cięższych pierwiastków. Gwiazdy powstające na ?ciągu głównym” przechodziły przez szereg faz i zanikały. Prawdopodobnie one pierwsze różniły się od chmur wodoru, w których rozwijała się pewna niejednorodność, powodując wytwarzanie się sił grawitacyjnych, prowadzących do kurczenia się materii. Na skutek momentu kątowego oraz natężenia pola magnetycznego wytwarzają się olbrzymie ilości cie­pła i intensywnie wzrasta temperatura aż do zapoczątkowania reakcji jądrowych i spalenia wodoru oraz powstają duże ilości helu (4He), węgla (12C), tlenu (160) i neonu (20Ne). Następnie w wyższych temperaturach powstają jeszcze cięższe pierwiastki. W temperaturze około 5 ? 108°K następuje katastrofalne grawitacyjne skurczenie się i gwiazda najpierw imploduje, a potem eksploduje jako jasna (błyszcząca) gwiazda super­nowa. Jeżeli natomiast nie ma eksplozji, gwiazda spala się, staje się czerwonym olbrzymem, którego wzrost stopniowo słabnie. Ostateczny los czerwonego olbrzyma jest nieznany, lecz prawdopodobnie kurczy się on do formy białej karłowatej gwiazdy, która ulega oziębianiu w ciągu bardzo długiego czasu. W ostatnio odkrytych pulsarach, rytmicznie emi­tujących promienie o sekundowych okresach frakcji, grawitacyjne kur­czenie się jest uważane za proces prowadzący tak daleko, że elektrony mają wystarczającą energię dla odwrotnej beta reakcji:

elektron + proton neutron + neutrino.

Reakcja ta uważana jest za jedną z ważniejszych. Elektrony znikają, a protony ulegają przemianie do neutronów. Łącznie z zanikiem ciśnie­nia kinetycznego elektronów zanika siła powstrzymująca dalsze kurcze­nie grawitacyjne. Pulsary są uważane za gwiazdy neutronowe o nie­wiarygodnej wprost gęstości 1014 g/cm3.

Znane są także pewne dowody ewolucji galaktyk. Mają one wiele różnych form, które można sklasyfikować w sposób zgodny z hipotezą ?ewolucji od prawie bezpostaciowych, nieregularnych galaktyk, do bar­dzo otwartych spiral, poprzez stadia, w których ramiona stają się cień­sze, bliższe kołowych i bardziej zwinięte” (Greenstein, 1964). Nie jest jednak jasne, jak te zmiany zaczynają się lub kończą, ani co oznaczają.

Poza tym gwiazdy i galaktyki we wszechświecie są tworami najmniej zrozumiałymi. Radioteleskopy zidentyfikowały tylko w długościach fal radiowych olbrzymie silne skupienie emitujące 1044?1045 ergów/sek. Fo­tografie wykazują, że z niektórymi z nich są połączone niby-gwiezdne od­bicia (kwazary) o bardzo specyficznym widmie, zawierającym wiele ultra­fioletu. Emitują one 100 razy więcej światła niż jakakolwiek galaktyka. Twory te wykazują szerokie przesunięcia linii absorpcyjnych w kierunku czerwonej części widma. Muszą one być bardzo odległe; prawdopodobnie znajdują się w odległości 2 ? 109 lat świetlnych, a zatem prawie na granicy dostrzegalności. Niektóre zmieniają natężenie światła w okresie kilku lat lub krótszym i te muszą być tworami bardzo małymi. Nie wiemy dotych­czas, czym one są oraz jak ich olbrzymie energie są wytwarzane.

Naprawdę jesteśmy ignorantami w kwestii modelu wszechświata. Cią­gle jednak, każdego roku, poszerzamy swoje wiadomości. Teraz przynaj­mniej wiemy, że niektóre części wszechświata ulegają ciągłym zmianom, być może w cyklach ewolucji. Dotychczas nie ujednoliciliśmy poglądu na kolejność wydarzeń we wszechświecie jako całości (jeżeli naprawdę kon­cepcja ta ma jakiekolwiek znaczenie). Nie wiemy, czy wszystkie te wy­darzenia zmierzają w kierunku wzrostu przypadkowości i chaosu, czy też w jakimś sensie istnieje hierarchia układów otwartych w stanie równowagi.

Pragnienie ujednolicenia poglądu na kolejność wydarzeń zmusza nas do postawienia pytania, czy jest jakieś powiązanie pomiędzy prawami rządzącymi zdarzeniami we wszechświecie i na Ziemi, włączając w to nasze własne pochodzenie. Jak wiemy, głównym problemem pochodze­nia życia jest znalezienie źródła porządku, który pozwala na kontynua­cję zachowania stanu równowagi. Sensowne jest zatem pytanie, czy taki porządek może być zaobserwowany we wszechświecie. Jak do tej pory, wyniki badań przeprowadzonych przez fizyków nie są wystarczające i nie pozwalają na sprecyzowanie jasnej odpowiedzi.

Badania początków życia

Problemy pochodzenia życia są przedmiotem wyjątkowego zaintereso­wania intelektualistów i do tej pory są właściwie nierozwiązane. Jest to w pewnym sensie uzasadnione, przeszłość bowiem nigdy nie będzie dla nas powtarzalna. Dlatego też nigdy nie będzie mogło być całkowicie poznane to, co ona zawierała. Obecnie prezentujemy postawę antropocentryczną, która wydaje się oczywista, może być jednak tylko udowod­nieniem naszego ograniczonego widzenia przyrody. Rozwodzimy się nad naszą wyjątkowością, lecz jeżeli przyrodę charakteryzują okresowe na­wroty, to w określonym czasie i my będziemy powtórzeni.

W ostatnich dziesięcioleciach zainteresowanie początkami życia syste­matycznie wzrastało wśród szerokiego kręgu naukowców ? od astrono­mów do biochemików. Możemy tu tylko w bardzo ogólny sposób roz­ważyć pochodzenie galaktyk i układów słonecznych, chociaż rozpatry­wania tego zagadnienia można tylko z trudem uniknąć, jeśli się usiłuje zrozumieć pochodzenie człowieka. Temat ten rozrósł się znacznie, mię­dzy innymi z uwagi na ciągle szybko powiększające się wyniki badań astronomicznych oraz badań właściwości materii, będące rezultatem roz­woju fizyki. Pochodzenie życia jest coraz dokładniej badane od czasu, gdy po raz pierwszy zaczęli je dyskutować w nowoczesnej formie bio­chemicy ? Oparin w 1924 r. i Haldane w 1929. Rozumiejąc mechanizm procesów życiowych, badali oni ich możliwe pochodzenie w sposób coraz bardziej rozumowy i dokładny, chociaż nie zawsze łatwy. Wiedza o praw­dopodobnej kolejności wydarzeń we wczesnej historii Ziemi, chwilowo jeszcze bardzo niezadowalająca, daje nam nowe pojęcie o warunkach, w których życie mogło powstać. Jednocześnie chemicy wykonali szereg doświadczeń, dotyczących warunków powstawania cząsteczek związków organicznych.

Wprawdzie badania te nie dały jasnej odpowiedzi, w jaki sposób po­wstało życie, ale przyczyniły się do stworzenia z tego przedmiotu ważnej dyscypliny naukowej. Co do praktycznego znaczenia badań możemy tyl­ko myśleć o ich związku z zagadnieniem sztucznej produkcji życia poza żywym organizmem, z jednej strony oraz o możliwości odkrycia życia na innych planetach, z drugiej. Być może, iż problem ten można za­kwalifikować jako największy ze wszystkich problemów naukowych. Po­za tym uboga wiedza o pochodzeniu życia ogranicza nasz sposób myśle­nia i rozumowania, a w następstwie tego i wszystkie inne badania. Nie możemy zatem wielostronnie badać istniejącej ogromnej materii, może­my tylko próbować podać niektóre wskazówki co do metod rozwiązy­wania problemu.