Fizyka i chemia nie mogą dać początku biologiiCzas czytania: 19 min

Prawa przyrody zapewniają stabilne warunki i ograniczenia fizyczne, w ramach których możliwe są zjawiska biologiczne. Prawa są więc niczym szachownica. Zapewniają stabilne podłoże i niezbywalne ograniczenia. Nie determinują jednak ruchu pionków i figur ani wyniku gry.

A może jednak determinują? Erkki Vesa Rope Kojonen, teolog z Uniwersytetu Helsinskiego, przekonuje o zgodności między hipotezą projektu a teorią ewolucji. Wraz z moimi współautorami – Stephenem Dilleyem, Brianem Millerem i Caseyem Luskinem – na łamach czasopisma „Religions” opublikowaliśmy artykuł¹ recenzujący wnikliwie napisaną książkę Kojonena The Compatibility of Evolution and Design [Zgodność między teorią ewolucji a hipotezą projektu]². W serii postów na blogu „Evolution News & Science Today” rozszerzamy naszą odpowiedź doktorowi Kojonenowi. W niniejszym tekście przeanalizuję jego twierdzenia na temat praw przyrody i ich roli w procesie powstawania złożoności i różnorodności biologicznej.

Mechanizmy projektu

Prawa przyrody znajdują się w sercu modelu Kojonena. Są mechanizmami projektu, fundamentem podjętej przez Kojonena próby połączenia hipotezy projektu i teorii ewolucji. Abyśmy jednak mogli ocenić jego model, musimy mieć jasność, czego dokładnie dotyczy jego stanowisko. Kojonen opisuje w całkowicie klarowny sposób, jak prawa przyrody (oraz warunki początkowe) miałyby doprowadzić do zaistnienia i dywersyfikacji życia oraz powstania ludzkich zdolności poznawczych. Model Kojonena można jednak zinterpretować na co najmniej trzy możliwe sposoby:

1. Prawa przyrody dają początek „prawom formy” i innym warunkom wstępnym, dzięki którym selekcja i mutacje (oraz inne procesy) utworzyły całą złożoność i różnorodność biologiczną, w tym sekwencje zasad azotowych nukleotydów, nowe białka, procesy montażu maszyn białkowych, wyrafinowane systemy ruchowe, systemy nawigacji i wszystkie unikatowe zdolności ludzi. Zgodnie z tym poglądem prawa przyrody mają (przede wszystkim) dostateczną moc przyczynową lub dostatecznie ograniczają przestrzeń możliwości, aby mogły powstać organizmy. Ten proces nie jest deterministyczny sam z siebie. W świetle tej interpretacji warunki środowiskowe mogą współdziałać z prawami przyrody, określając, jakie ścieżki ewolucyjne są dostępne, jakie rodzaje struktur łatwiej ulegają ewolucji i tak dalej. Szczegóły dotyczące tego, jak to wszystko może działać, mają dostarczać strukturalizm, koncepcja konwergencji i algorytmy ewolucyjne. Najważniejsze w tej interpretacji jest jednak to, że prawa przyrody w połączeniu z warunkami środowiskowymi odgrywają twórczą rolę w procesie powstawania flory i fauny. Prawa przyrody, warunki środowiskowe i inne czynniki nie tylko przekazują biologicznie istotną „informację”, która została wpisana w warunki początkowe Wszechświata w momencie Wielkiego Wybuchu, lecz w istocie ją tworzą.
2. Prawa przyrody jedynie przekazały biologicznie istotną informację wystarczającą do wytworzenia całej złożoności i różnorodności biologicznej, w tym nowych białek, maszyn białkowych i tym podobnych. Ta biologicznie istotna informacja została „wpisana” w konfigurację masy-energii w momencie Wielkiego Wybuchu. Prawa przyrody niczego nie utworzyły, lecz stanowiły nośniki, za pomocą których biologicznie istotna informacja ostatecznie wyraziła się i urzeczywistniła w świecie przyrody ożywionej, w postaci białek, wici bakteryjnych czy ludzi.
3. Prawa przyrody dały początek „platońskim” formom ograniczającym ewolucję w sposób, który umożliwił selekcji i mutacjom wytworzenie form biologicznych. Te „formy” są „emergentną konsekwencją praw chemii i fizyki”. Zgodnie z tą interpretacją formy są skutkiem tych praw. Formy to coś więcej niż same prawa czy różne postacie materii. Mają one charakter niefizyczny. W myśl tego poglądu prawa wytworzyły te formy, które następnie ukształtowały fizyczne tendencje materii, dzięki którym (przy uwzględnieniu możliwej przygodności i innych czynników) powstała informacja biologiczna wystarczająca do tego, aby selekcja i mutacje doprowadziły do wyewoluowania wszelkiego rodzaju białek, maszyn białkowych, unikatowych ludzkich zdolności i tym podobnych.

Rozważmy punkt pierwszy, czyli twierdzenie, że prawa przyrody (i im podobne) mają dostateczną moc przyczynową lub dostatecznie ograniczają przestrzeń możliwości, aby z organizmów jednokomórkowych mogła powstać cała obserwowana współcześnie różnorodność gatunków roślin i zwierząt. Chociaż osobiście jestem przekonana, że projekt jest widoczny w samej strukturze Wszechświata, a nawet w prawach fizyki i chemii, to te mechanizmy materialne nie mają dostatecznej mocy przyczynowej ani nie ograniczają dostatecznie przestrzeni możliwości, aby można było na tej podstawie wyjaśnić powstanie różnorodności organizmów (przy założeniu, że te prawa nie zmieniały się w czasie). Aby uzasadnić to twierdzenie, będę mówiła o zdolnościach praw fizyki i chemii oraz podam przykłady oddziaływania tych praw na przyrodę ożywioną.

W modelu Kojonena prawa przyrody odpowiadają za tworzenie złożoności biologicznej. Chociaż Kojonen powołuje się na różne inne czynniki – na przykład warunki środowiskowe, strukturalizm, konwergencję i algorytmy ewolucyjne – to jest przy tym jasne, że te czynniki są zależne od praw przyrody. Moc przyczynowa praw przyrody ma jednak ograniczenia. Jeśli zaś prawa przyrody mają ograniczoną zdolność do tworzenia złożoności biologicznej, to inne czynniki (takie jak środowisko, konwergencja i tak dalej), które są zależne od praw przyrody, również mają ograniczenia. Jeśli Kojonen sądzi, że te inne czynniki mają większe zdolności twórcze niż prawa przyrody, to powinien on to wykazać. Czy jest możliwe, aby prawa przyrody miały dostateczną moc przyczynową lub dostatecznie ograniczały przestrzeń możliwości?

Mechanizmy materialne

Zgodnie z jedną z definicji mechanizm to proces, który oddziałuje na obiekty i prowadzi do określonego skutku. Tutaj zdefiniuję mechanizm materialny jako proces, w ramach którego na obiekt fizyczny oddziałuje jakieś prawo fizyki. Obiekty materialne są utworzone z pierwiastków układu okresowego, a prawa fizyki i chemii są procesami, które stale ograniczają zachowanie obiektów materialnych. Aby zrozumieć, czym są mechanizmy materialne, przyjrzyjmy się kilku ilustracjom.

Prawo grawitacji

Definicja: Zgodnie z prawem grawitacji obiekt przyciąga do siebie inny obiekt proporcjonalnie do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości między nimi.

To prawo mówi o wzajemnym oddziaływaniu obiektów. Grawitacja ogranicza ruch – czy to ludzi, planet, czy światła. Złożony układ może być również zdolny do wykrywania grawitacji i używać jej jako wskazówki. Przyjrzyjmy się przykładowi wzrostu roślin. Liście rosną w kierunku przeciwnym przyciąganiu grawitacyjnemu, ale korzenie rosną w kierunku zgodnym z przyciąganiem grawitacyjnym. Co jest tego przyczyną? Grawitacja? Oczywiście, że nie. Wzrost korzenia następuje na zasadzie podziału komórek macierzystych w jego merystemie, który znajduje się na wierzchołku korzenia. Grawitacja jest więc wskazówką dla komórek macierzystych korzenia wykrywaną przez ich sensory, dzięki czemu wiedzą one, w jakim kierunku rosnąć. Grawitacja nie jest jednak mechanizmem, który tworzy morfologię roślin. Jest raczej tak, że rośliny funkcjonują w ramach ograniczeń narzucanych przez grawitację i dzięki sensorom wykorzystują grawitację jako coś w rodzaju rusztowania dla swojej struktury.

Prawa elektrostatyki

Definicja: Zgodnie z prawami elektrostatyki ładunki przyciągają się lub odpychają z siłą proporcjonalną do iloczynu ich wielkości i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi, a także zależnie od tego, czy mają zgodne, czy przeciwne znaki.

Prawa elektrostatyki opisują przyciąganie między jonami o ładunku dodatnim a jonami o ładunku ujemnym. Te prawa ograniczają sposób (ale nie powodują go), w jaki gradient elektrochemiczny może powstać i funkcjonować w błonie komórkowej. Różnica między ładunkiem a stężeniem w błonie tworzy pole elektryczne. Komórka wykorzystuje energię potencjalną pola elektrycznego do generowania energii, przesyłania sygnałów elektrycznych i zasilania procesu dostarczania składników pokarmowych do komórki. Najważniejsze jest tutaj to, że gradienty elektrochemiczne nie są emergentną właściwością praw elektrostatyki. Ich przyczyną jest działanie maszynerii molekularnej. Jak na łamach czasopisma „BioEssays” ujęli to Elbert Branscomb i Michael J. Russell: „aby móc funkcjonować, organizmy żywe muszą przekształcać się na zasadach chemicznych, ale wykorzystując je samodzielnie przy użyciu »mechano-chemicznych« maszyn makromolekularnych, wymagając (w przybliżeniu) jednej maszyny do każdego przekształcenia. Życie musi – jak sugestywnie wyraził się Nick Lane – „transcendować chemię”³.

Jaki związek mają prawa elektrostatyki z planami budowy ciała organizmów? Wzorzec ciał organizmów jest po części tworzony przez sieci bioelektryczne, które działają w polach komórkowych, integrując informację i pośrednicząc w procesie podejmowania decyzji morfologicznych⁴. Sieci bioelektryczne odgrywają kluczowe role, ponieważ regulują ekspresję genów oraz morfogenezę i wzorce narządów. Oczywiście właśnie to byłoby konieczne do tego, aby uznać, że prawa elektrostatyki mają zdolności twórcze i tworzą emergentne właściwości. Podobnie jednak do sieci komórkowych, sieci bioelektryczne nie są emergentną właściwością praw elektrostatyki, lecz stanowią sieci bogate w informację i przenoszą informację za pomocą kodu bioelektrycznego, który może być zrozumiany przez nadawcę i odbiorcę⁵.

Układ okresowy pierwiastków

Prawa elektrostatyki, w połączeniu ze strukturą układu okresowego pierwiastków, ograniczają możliwą przestrzeń chemiczną układów wiązań między cząsteczkami. Na przykład ze względu na chemiczne cechy wodoru i tlenu oraz prawa elektrostatyki H₂O ma specyficzną konfigurację wiązań. Te mechanizmy są więc w stanie wyjaśnić powstawanie i istniejącą strukturę pewnych prostych cząsteczek. Co jednak w przypadku bardziej złożonych cząsteczek, jak te, które znajdują zastosowanie w organizmach żywych? Zgodnie z autorami artykułu opublikowanego w czasopiśmie „Nature”, zatytułowanego Chemical Space and Biology [Przestrzeń chemiczna i biologia], „związki chemiczne wykorzystywane przez układy biologiczne stanowią zdumiewająco niewielki ułamek całkowitej możliwej liczby małych, opartych na węglu związków mających masy molekularne w tym samym zakresie, co związki w organizmach żywych (czyli mniejszym niż około 500 daltonów). Wedle niektórych szacunków liczba ta przekracza 10⁶⁰”⁶. To twierdzenie jest spójne z naszą obserwacją, że złożone cząsteczki, takie jak glukoza i kwasy nukleinowe, są skutkiem działania enzymów. Jeśli ktoś uważa, że prawa elektrostatyki i układ okresowy pierwiastków ograniczają przestrzeń wyszukiwania, tak że cząsteczki w rodzaju kwasów nukleinowych tworzą się same, to kwasy nukleinowe powinny – podobnie do wody – powstawać spontanicznie z fosforanu, azotu, węgla, wodoru i tlenu. Niczego takiego jednak nie obserwujemy. Złożone cząsteczki mogą być tworzone w znacznych ilościach tylko za pomocą enzymów (które same powstają na podstawie informacji zawartej w DNA) lub w wyniku dobrze kontrolowanego procesu syntezy w warunkach laboratoryjnych. Nie należy też zapominać o tym, że w prawach przyrody musi być zawarte coś, co „zmusza” chemię życia do wykorzystywania wyłącznie cząsteczek lewoskrętnych. A jeśli to prawda, to dlaczego nie wszystkie cząsteczki są lewoskrętne, jak musiałoby być, gdyby w prawach przyrody zawarta była jakaś „reguła”?

Jeśli przyjmiemy, że pierwsza komórka już istnieje (uznając tym samym, że powstanie życia było zdarzeniem cudownym), to z przestrzeni chemicznej tak należy wyselekcjonować tysiące unikatowych związków molekularnych istotnych dla różnorodności życia. Wiemy, że wiele tych struktur molekularnych służy do licznych celów, nadaje się do przetworzenia i jest istotnych dla innych członków ekosystemu. Projekt tych cząsteczek i enzymów, które tworzą je i degradują, musiał zapewne wymagać przewidzenia potrzeb i funkcji ekosystemu, jak również głębokiego zrozumienia chemii oraz biochemii. Czy ten typ informacji oraz zdolności przyczynowe są zawarte w prawach elektrostatyki lub innych prawach przyrody?

Zasady termodynamiki

Definicja: Pierwsza zasada termodynamiki głosi, że materia i energia nie mogą być tworzone ani niszczone, a tylko zmieniać swoją formę. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki układy złożone zawsze dążą do stanów o większym stopniu nieuporządkowania. Układy otwarte dążą do stanu równowagi, w którym stopień nieuporządkowania (czyli entropia) Wszechświata przyjmuje maksymalną wartość.

Zasady termodynamiki nakładają ograniczenia na to, co organizmy żywe muszą robić, aby pozostać przy życiu. Inaczej mówiąc, organizmy muszą przechwytywać, ujarzmiać i wydatkować energię, aby utrzymywać się w stanie dalekim od równowagi termodynamicznej. Aby to osiągnąć, organizmy muszą mieć (i mają) niewiarygodnie dobrze zaprojektowaną strukturę, która stanowi odzwierciedlenie bardzo dobrego zrozumienia i wykorzystania praw przyrody. Na przykład w centralnym metabolizmie węgla energia jest wydobywana z cząsteczki glukozy w najwydajniejszy z możliwych sposobów. Jednak samo to, że ten szlak biochemiczny posiada strukturę, która ma niezwykły projekt, umożliwiający wykorzystanie ograniczeń narzucanych przez zasady termodynamiki, nie oznacza, że te zasady dostarczają mechanizmu tworzącego takie złożone układy. Inaczej mówiąc, samo to, że jakiś samochód jest wysoce wydajny, nie oznacza, iż zaprojektowały go zasady termodynamiki. Bardziej prawdopodobne, że oznacza to, iż ktokolwiek zaprojektował samochód, dogłębnie rozumiał zasady termodynamiki.

Fizyka kwantowa

Definicja: Fizyka kwantowa opisuje właściwości fizyczne na poziomie atomów i cząstek subatomowych za pomocą pojęcia funkcji falowej, którą określa równanie Schrödingera. Równanie Schrödingera to kwantowy odpowiednik drugiego prawa Newtona i opisuje, co się dzieje w kwantowej dziedzinie układów cząstek subatomowych.

Równania Schrödingera mają charakter liniowy, a w związku z tym taki sam charakter ma wynik ich sumy. Bardzo różni się to od tego, z czym mamy do czynienia w rzeczywistym świecie. W przypadku organizmów żywych i złożonych układów występuje warunkowe rozgałęzianie się, jak w następującym przykładzie:

Jeśli {wykryjesz antybiotyk}, to [uruchom ekspresję antybiotycznej pompy wypływowej]. Jeśli {stężenie antybiotyku spada}, to [zmniejsz stopień ekspresji antybiotycznej pompy wypływowej].

Tego rodzaju rozgałęzienia, które obserwujemy w złożonych układach, nie da się sprowadzić do funkcji falowej. Według George’a Ellisa, czołowego kosmologa i teoretyka układów złożonych, „nie istnieje jedna funkcja falowa dla komórki żywej lub obiektów makroskopowych, takich jak kot lub mózg”⁷. Krótko mówiąc, złożony, nieliniowy świat nie może powstać z jednej funkcji falowej.

DĄŻENIE DO PRZETRWANIA (MECHANIZM, KTÓRY NIE JEST MATERIALNY)

Definicja: Zachowanie podejmowane przez organizm w sposób zaprogramowany lub umyślny w celu uniknięcia śmierci.

Prawa fizyki i chemii NIE obejmują działania doboru naturalnego. Dobór naturalny to wynik zaprogramowania pewnego konkretnego celu: dążenia do przetrwania. Dlatego definiuję dobór naturalny jako zmianę w populacjach, która zależy od ich zaprogramowanego lub – w niektórych przypadkach – umyślnego dążenia do przetrwania, oraz czynników środowiskowych, z którymi populacje mają do czynienia. Zauważmy jednak, że ta definicja odbiega od tego, jak większość ludzi pojmuje dobór naturalny, ale mam nadzieję, że lepiej opisuje ona jego rzeczywiste działanie. W próbie zrealizowania tego celu – „dążenia do przetrwania” – organizmy mają do dyspozycji różne mechanizmy, mogące obejmować zarówno reakcje świadome, jak i nieświadome. Na przykład u ludzi działanie układu odpornościowego należy uznać za reakcję nieświadomą (zaprogramowaną), w ramach której organizm zwalcza intruzów. Przykładem reakcji świadomej (umyślnej) u ludzi może być ucieczka przed niedźwiedziem lub zabicie jadowitego węża, by uchronić się przed śmiercią. Innym przykładem mechanizmu nieświadomego jest naturalna inżynieria genetyczna, co oznacza, że komórki mają zdolność do aktywnego reorganizowania i modyfikowania własnych genomów, aby móc przetrwać. Naturalna inżynieria genetyczna obejmuje takie mechanizmy, jak transpozycja (zmiana położenia elementów genetycznych w genomie), duplikacja genów, horyzontalny transfer genów (wymiana materiału genetycznego między różnymi organizmami) oraz inne formy genetycznych reorganizacji. Innym ważnym przykładem jest plastyczność fenotypowa, która jest często mylona z doborem naturalnym, ale w istocie jest to zdolność indywidualnego organizmu do przyjmowania różnych fenotypów (obserwowalnych cech) – na przykład w reakcji na wyczuwane przezeń zmiany w środowisku. Plastyczność fenotypowa jest procesem zachodzącym zbyt szybko, by mogło to być skutkiem działania mutacji i selekcji. Uznaje się ją więc za wrodzony algorytm adaptacyjny organizmu.

Można więc powiedzieć, że dążenie do przetrwania, w połączeniu z warunkami środowiskowymi i losowymi mutacjami, dzięki którym niektóre osobniki zyskują przewagę nad innymi, jest „doborem naturalnym”. A skoro dobór naturalny zależy od specyficznego dla bytów sprawczych bądź istot żywych mechanizmu dążenia do przetrwania, to nie może wyjaśniać niczego, co dotyczy powstania pierwszej formy życia, lecz ogranicza się tylko do dywersyfikacji organizmów żywych. Stopień, w jakim dobór naturalny jest w stanie wyjaśnić dywersyfikację organizmów żywych, stanowi przedmiot aktywnych badań, ale zwolennicy teorii inteligentnego projektu Douglas Axe i Brian Miller odkryli pewne istotne ograniczenia doboru naturalnego. W kilku tekstach w naszej serii Miller – odpowiadając Kojonenowi – podsumował wyniki dekad badań na temat ewolucji białek przebiegającej drogą doboru naturalnego⁸. Krótko mówiąc, zarówno Miller, jak i Axe wykazali, że dobór naturalny nie jest w stanie tworzyć bardzo złożonych enzymów na podstawie losowych sekwencji aminokwasów ani przekształcać jednego sfałdowania białkowego w inne, jeśli tym procesem nikt nie kieruje. Należy to uznać za górną granicę tego, co może zrobić dobór naturalny, i ma to znaczenie nie tylko w odniesieniu do scenariuszy pochodzenia życia, lecz również do zagadnienia zdolności do przekształcenia się jednego organizmu w obserwowaną współcześnie różnorodność form żywych.

Konieczne, ale nie wystarczające

Emergentne właściwości fizyczne i chemiczne są konieczne, ale nie wystarczają do wyjaśnienia powstania bądź dywersyfikacji organizmów żywych. Organizmy żywe mogą wykorzystać grawitację jako wskazówkę do określania kierunkowości, ale grawitacja nie sprawia, że liść rośnie w górę, a korzeń rośnie w dół – dzieje się tak wyłącznie dlatego, że złożony układ wyczuwa grawitację, interpretuje ją i działa zgodnie z dostarczanymi przez nią wskazówkami. Struktura układu okresowego pierwiastków ogranicza wzorzec wiązań między wodorem a tlenem i obdarza wodę życiodajnymi właściwościami, ale te nałożone na wiązania chemiczne ograniczenia nie powodują tworzenia się DNA lub innych złożonych cząsteczek. Enzymy są konieczne do tworzenia bardziej złożonych cząsteczek w tempie niezbędnym dla życia. Prawa elektrostatyki opisują wzajemne przyciąganie się ładunków dodatnich i ujemnych, ale nie powodują tworzenia się gradientu elektrochemicznego w błonie komórkowej – dzieje się tak tylko dlatego, że maszyny molekularne ujarzmiają energię i dzięki temu oddalają układ od stanu równowagi termodynamicznej. W fizyce kwantowej liniowa funkcja falowa opisuje dualizm korpuskularno-falowy materii, ale funkcja falowa nie wyjaśnia warunkowego rozgałęziania się obserwowanego w przypadku złożonych układów.

Krótko mówiąc, najlepszym sposobem na podsumowanie tematu zdolności wszystkich tych materialnych mechanizmów jest przytoczenie słów George’a Ellisa z jego artykułu Quantum Physics and Biology: The Local Wavefunction Approach [Fizyka kwantowa i biologia. Ujęcie biorące za podstawę pojęcie lokalnej funkcji falowej]: „Prawa fizyki […] nie determinują żadnych konkretnych rezultatów, lecz przestrzeń możliwości, w której takie rezultaty mogą powstawać”⁹.

W kolejnym tekście¹⁰ przyjrzymy się drugiej interpretacji modelu Kojonena mówiącej o tym, że prawa przyrody i warunki początkowe mogą odpowiadać za powstanie i dywersyfikację życia.

Emily Reeves

Oryginał: Physics and Chemistry Could Not Give Rise to Biology, „Evolution News & Science Today” 2024, January 2 [dostęp: 20 III 2024].

Przekład z języka angielskiego: Dariusz Sagan

Literatura: