Czym dla fizyków jest życie?

Wszystko jest żywe (hylozoizm)

    Od czasów Talesa (VII/VI w. p.n.e.), który twierdził, że „wszystko jest ożywione, jak to widać w bursztynie i magnesie”, czyli już od prapoczątków namiastki nauki, która wówczas miała wyłącznie postać filozofii obecny jest pogląd przypisujący całej materii nie tylko życie, lecz czasem także naturę psychiczną (świadomość); żywym od zawsze jest wszystko co nas otacza, od kamienia i ziarna piachu począwszy. Do hylozoistów czyli zwolenników ożywionej materii należeli poza Talesem z Miletu także m.in.
•  tzw. filozofowie jońscy (Anaksymenes z Miletu (ok. 585 p.n.e. – ok. 525 p.n.e.) i Anaksymander z Miletu (ok. 610 p.n.e. – 546 p.n.e.)), Heraklit z Efezu (ok. 540 p.n.e. – ok. 480 p.n.e.), Leukippos z Miletu (ok. V w. p.n.e.),  Demokryt z Abdery (ok. 460 p.n.e. – ok. 370 p.n.e.), Platon (427 p.n.e. – 347 p.n.e.), według którego Demiurg uczynił świat żywym, uduchowionym i rozumnym, i części jego zespolił tak ściśle jak w żywym organizmie, „Więc tak trzeba powiedzieć i to będzie obraz prawdopodobny, że ten świat jest istotą żywą, ma duszę i rozum naprawdę – dzięki opatrzności Boga. […] wszechświat jest najpodobniejszy do tej istoty żywej, której poszczególne istoty żywe i gatunki są cząstkami. […] Bóg chciał jak najbardziej upodobnić świat do najpiękniejszego z przedmiotów myśli i ze wszech miar najdoskonalszego, więc zrobił go jedną istotą żywą”;
• epikurejczycy (m.in. Epikur z Samos (341 p.n.e. – 270 p.n.e.), Metrodoros z Lampsakos (ok. 330-277 p.n.e.): „uważać Ziemię za jedyny zasiedlony świat w bezgranicznej przestrzeni byłoby nonsensem równie oczywistym, jak twierdzić, że na ogromnym zasianym polu mógłby wyrosnąć jeden kłos pszeniczny”, Filodemos z Gadary (ok. 110 p.n.e. – ok. 39 p.n.e.), Zenon z Sydonu (ok. 150 p.n.e. – ok. 70 p.n.e.), Lukrecjusz (ok. 99 p.n.e. – ok. 55 p.n.e.)), stoicy (m.in. Zenon z Kition (ok. 335 p.n.e. – ok. 263 p.n.e.), Chryzyp z Soloi (279 p.n.e. – 207/204 p.n.e.));
•  neoplatończycy (m.in. Plotyn (ok. 204 – 269), Porfiriusz (ok. 232 – ok.305), Jamblich (ok. 250 – 326));
• i inni; w późniejszym okresie podobne idee (panteizm) głosili m.in. Jan Szkot Eriugena (ok. 810-877), Mojżesz Majmonides (1135-1204), Żyd, Siger z Brabancji (ok. 1240 – 1280), Bernardino Telesio (1509-1588), będący symbolem postawy racjonalistycznej spalony na stosie Giordano Bruno (1548-1600) – twierdził, że Bóg jest immanentną częścią wszechświata i materii dającą jej życie, Julien Offray de La Mettrie (1709-1751) – myślenie uznawał nie tylko za własność materii, ale za proces materialny, Baruch Spinoza (1632-1677), Żyd – „Nie istnieje żadna substancja, która by nie była Bogiem„, genialny fizyk i filozof niemiecki Gustav Theodor Fechner (1801-1887), który „nie wzdragał się przypisywać duszy także roślinom i Ziemi jako ciału niebieskiemu, a także Układowi Słonecznemu itd.”.

Życie pochodzi od Boga

   Przed opublikowaniem książki Karola Darwina „O pochodzeniu gatunków” w 1859 r. najwięksi uczeni byli kreacjonistami i skutecznie w sposób ściśle naukowy dowodzili, że człowiek, życie, Ziemia i Wszechświat zostały stworzone przez Boga. Do największych apologetów kreacjonizmu należeli m.in. uważany za „ojca anatomii porównawczej”, twórca podwalin współczesnej systematyki zwierząt Georges Cuvier (1769-1832), paleontolog i anatom porównawczy zwierząt Richard Owen (1804-1892)  czy autor hipotezy o istnieniu wielkiego zlodowacenia w czwartorzędzie, geolog i paleontolog Jean Louis Rodolphe Agassiz (1807-1873). Co ciekawe teoria kreacjonizmu, która przed 1859 r. była niemal powszechnie przyjęta przez środowiska naukowe, dzisiaj nie jest uznawana za teorię naukową i nie funkcjonuje w ramach nauk przyrodniczych. Ile jest zatem warta tzw. metoda naukowa jeśli można za jej pomocą udowodnić każde twierdzenie?
Profesor Uniwersytetu Stanforda, neurobiolog Robert Sapolsky (ur. 1957) trafnie podsumowuje poglądy współczesnych fizyków: „Wielu fizyków, szczególnie astrofizyków, kontemplując Wielki Wybuch wydaje się zadziwiająco chętnie wchodzić w komunię z Bogiem”. Większość naukowców kreacjonistów skłania się do tzw. teorii inteligentnego projektu, która utrzymuje, że wyjaśnieniem dla pewnych cech Wszechświata i żywych organizmów jest siła sprawcza – „inteligentna przyczyna„, a nie tylko działające samoistnie niesterowane procesy przyrodnicze. Rzecz jasna, z powodu zagrożenia środowiskowym ostracyzmem, do prekursorów i zwolenników tej teorii nie należą najwybitniejsi uczeni, niemniej znajdziemy wśród nich: filozofa Williama Paleya (1743-1805), fizykochemika Michaela Polanyi’a (1891-1976) – skądinąd autor słynnego pojęcia „wiedzy milczącej”, profesora prawa na uniwersytecie Berkeley w Kalifornii Phillipa E. Johnsona (ur.  1940), autora Sądu nad Darwinem (ang. Darwin on Trial), chemika, wykładowcę na uniwersytetach amerykańskich m.in. Princeton, Yale – Charlesa Thaxtona, profesora inżynierii na Uniwersytecie Baylor w Waco (USA) – Waltera L. Bradleya czy geochemika, członka American Chemical Society Rogera Olsena (trzej ostatni są autorami znanej pracy: The Mystery of Life’s Origin: Reassessing Current Theories). Od 1972 r. za działania związane z pokonywaniem barier pomiędzy nauką a religią przyznawana jest Nagroda Templetona, o wartości materialnej wyższej aniżeli Nagroda Nobla (795.000 GBP).

Życie przyszło z kosmosu
… przynajmniej zdaniem szwedzkiego fizyka i chemika, noblisty (1903 r.) Svante Augusta Arrheniusa (1859-1927), który  sformułował hipotezę panspermii głoszącą, że życie na Ziemi jest pochodzenia kosmicznego i przywędrowało na Ziemię przez znajdujące się w kosmosie przetrwalniki bakterii, np. za pośrednictwem meteorytu. Hipoteza panspermii nie wyjaśniła powstania życia, a przeniosła jedynie problem na inną planetę, czy też inny kosmiczny obiekt. Pogląd ten podzielają obecnie także  m.in. noblista (1962 r.) biochemik, odkrywca struktury DNA,  Francis Harry Compton Crick (1916- 2004) oraz jeden z największych brytyjskich astronomów Sir Fred Hoyle (1915-2001) i astronom, dyrektor Cardiff Centre for Astrobiology, Nalin Chandra Wickramasinghe (ur. 1939); dwaj ostatni argumentowali, że prawdopodobieństwo spontanicznego powstania żywej materii nie może być większe niż jeden do 1040000. „Nieważne jak olbrzymie środowisko jest brane pod uwagę, życie nie mogło mieć przypadkowego początku. Stada małp bębniące na chybił trafił na maszynach do pisania nie mogłyby wyprodukować dzieł Szekspira z tej praktycznej przyczyny, że cały dostępny obserwacjom wszechświat nie jest wystarczająco olbrzymi by pomieścić niezbędne hordy małp, niezbędne maszyny do pisania i, z pewnością, niezbędne śmietniki, do których wyrzucano by nieudane próby. Tak samo rzecz ma się z żywą materią”. A zatem omne vivum ex vivo (wszystko co żywe pochodzi od żywego). W okresie 1895-1905 niemiecki astronom Max Wilhelm Meyer (1853-1910) zdobył rozgłos hipotezą, że planetoidy powstały w wyniku katastrofy planety krążącej między Marsem a Jowiszem – gdyby taki los spotkał jakąś niewielką planetę o bujnym życiu krążącą w pobliżu Ziemi wówczas zagadka pochodzenia życia na Ziemi zostałaby wyjaśniona. W 1880 r. geolog Otto Hahn odkrył nawet skamieliny żywych organizmów w meteorytach, a w 1900 r. twórca pierwszej w Rosji szkoły fizyków Piotr Nikołajewicz Lebiediew (1866-1912) udowodnił doświadczalnie, że ciśnienie światła porusza nasiona niektórych roślin ziemskich (a zatem światło może odpowiadać za „transport” żywych organizmów). W 1932 r. profesor fizjologii roślin, dziekan na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley Charles B. Lipman (1883-1944) ogłosił, że odkrył w meteorycie żywe bakterie i ustalił rolę jaką odgrywają meteoryty w przenoszeniu życia z jednej planety na drugą. Eksperymenty Lipmana powtarzał w latach 1933-35 geolog, zastępca kustosza działu geologii w Field Museum of Natural History w Chicago Sharat Kumar Roy (1897-1962) znajdując w meteorytach znane na Ziemi bakterie Bacillus subtilis, Staphylococcus albus. Ślady życia w meteorytach znajdowane były w późniejszym okresie jeszcze wielokrotnie. Ostatnio coraz większa liczba naukowców, w szczególności inspirowana pracami K. Zahule z Ames Research Center, jest zdania, że życie może pochodzić z Marsa: „Jeśli chcesz zobaczyć Marsjanina, spójrz w lustro” (If you want to see a Martian look in the mirror).

Życie powstało z „zupy organicznej” na Ziemi

    Wprawdzie już Karol Darwin spekulował o możliwym chemicznym pochodzeniu życia, ale dopiero w 1924 r. radziecki biochemik Aleksandr Iwanowicz Oparin (1894-1980) ogłosił teorię mechanicznego powstania życia poprzez łączenie cząstek nieorganicznych. Z „zupy organicznej” powstałej wskutek wzajemnych reakcji zawartych w pierwotnej atmosferze Ziemi takich gazów jak metan (CH4), etan (C2H6), amoniak (NH3), para wodna (H2O), siarkowodór (H2S) i wodór cząsteczkowy (H2) przy intensywnym działaniu promieni ultrafioletowych ze Słońca, energii elektrycznej z błyskawic, ciepła i promieniotwórczości  formowały się bardziej złożone substancje organiczne takie jak aminokwasy, cukry, puryny i pirymidyny. Te substancje zwane biomonomerami  łączyły się razem tworząc pierwsze białka, kwasy nukleinowe i inne biopolimery, z których następnie powstały pierwsze „protokomórki”. Potem rywalizacja między protokomórkami , która trwała nawet setki milionów lat, doprowadziła do ukształtowania się pierwszych żywych komórek. Kontynuując w tym miejscu myśl uczonych radzieckich zdaniem genetyka, dyrektora (1957-59) Instytutu Cytologii i Genetyki Rosyjskiej Akademii Nauk Nikołaja Pietrowicza Dubinina (1907-1998) powstanie życia nie było automatycznym  przedłużeniem ewolucji martwej materii – zainicjował je szczególny czynnik, który jeszcze nie został odkryty.  Sławny radziecki astronom, laureat Nagrody Lenina (1960 r.), Iosif Samuiłowicz Szkłowski (1916-1985), Żyd, twierdził wręcz, że „prawdopodobieństwo powstania życia na jakiejkolwiek odpowiedniej ku temu planecie Galaktyki może być dowolnie małe”, „wniosek, że jesteśmy sami jeśli nie w całym Wszechświecie, to przynajmniej w lokalnym systemie galaktyk, uzasadniony jest nie gorzej, lecz znacznie lepiej niż tradycyjna koncepcja wielości zamieszkałych światów”. Czyżby zatem wydarzył się w tym przypadku, nieprzystający do marksistowsko-leninowskiej wykładni, cud?
Jakkolwiek przeprowadzony w 1953 r. eksperyment 23-letniego Stanleya Lloyda Millera (1930-2007) potwierdził powstawanie w podany przez Oparina sposób związków organicznych, a późniejsze eksperymenty nawet powstawanie „protokomórek” to teoria ta ma po dziś dzień dwa punkty słabe:
•  zakłada, że w ówczesnej atmosferze nieobecny był tlen cząsteczkowy podczas gdy mamy obecnie świadectwo pochodzące z najstarszych skał, że pierwotna atmosfera Ziemi miała znaczne ilości tlenu cząsteczkowego (O2),
• brak jest geologicznego świadectwa, że istniała owa „organiczna zupa”, w której następowały reakcje.

Dla części naukowców Ziemia jest żywym organizmem
W 1979 r. biofizyk, wykładowca na Uniwersytetach Yale, Harvard i Baylor College of Medicine w USA, James Ephraim Lovelock (ur. 1919), wysunął tzw. hipotezę Gai (według niektórych herezję Gai), według której Ziemia jest jednym wielkim żywym organizmem – „wszystkie organizmy żywe czy tego chcą czy nie, tworzą część ogromnego organizm  u o rozmiarach naszej planety. Nieświadomie, ale wszyscy należymy do Gai, tego jedynego organizmu żywego, który nie zmienia się i nigdy nie umiera”. Wszystkie istoty żyjące na Ziemi, od wirusa począwszy,  działają wspólnie, aby zachować na naszej planecie optymalne warunki do życia. Ziemia jak żywy organizm reaguje na wymuszane na niej zmiany i dostosowuje się do nich tak, by nadal mogło się rozwijać życie. Całkiem możliwe, że to Ziemia sobie nas ludzi „wyhodowała”! Jesteśmy co najwyżej narzędziem Ziemi, a nie zagrożeniem dla niej. Wcześniej pokrewne poglądy głosił Lawrence Joseph Henderson (1878-1942), jeden z wiodących biochemików początku XX  wieku: „cały proces ewolucyjny, zarówno kosmiczny jak i organiczny, jest jeden, i biolog może żywić przekonanie, że wszechświat jest w istocie biocentryczny”. W tym też okresie, w 1929 r., w Paryżu rosyjski geochemik Władimir Wiernadski (1863 – 1945) opublikował pracę, w której „żywą tkankę” Ziemi określał mianem biosfery. Wszystkie cechy Ziemi występujące pod postacią Gai w hipotezie Lovelocka występowały u Wiernadskiego w postaci biosfery. Część fizyków rozszerza pojęcie Gai na cały Wszechświat twierdząc, że jest on ogromnym żywym organizmem, natomiast niemal powszechnie fizycy akceptują fakt, że Wszechświat jest ogromnym reaktorem, w którym powstają i podróżują swobodnie złożone molekuły, podobne do tych, które wykorzystują żyjące na Ziemi organizmy żywe.

Żywym jest obiekt, którego entropia wzrasta
Autorem jednego z najlepszych wykładów na temat przedmiotu życia jest noblista (1933 r.) Erwin Schrödinger (1887-1961). W znanej publikacji z 1943 r. pisze: „Na czym więc polega swoista cecha życia? Kiedy możemy powiedzieć o układzie materialnym, że jest żywy? Wówczas gdy „czyni” on coś, porusza się, wymienia materię z otoczeniem itp., i to przez czas dłuższy niż moglibyśmy się tego spodziewać w przypadku materii nieożywionej w analogicznych okolicznościach”. Zasadnicze przy tym znaczenie ma odwołanie się do drugiej zasady termodynamiki: „każdy żywy organizm produkuje dodatnią entropię i entropia jego stale wzrasta. Zbliża się tym samym do stanu maksymalnej entropii, czyli do śmierci […] istotą metabolizmu jest pozbywanie się przez organizm entropii, którą – póki żyje – musi nieuchronnie produkować”. Pomimo upływu ponad 60 lat ta wykładnia jest wśród fizyków nadal obowiązująca, chociaż istnienie ujemnej energii, której niektóre efekty zostały już potwierdzone laboratoryjnie, przeczy II zasadzie zachowania energii.
Przywołaną powyżej drugą zasadę termodynamiki sformułował w 1865 r. fizyk niemiecki Rudolf Clausius (1822-1888) i on też wprowadził pojęcie „entropii”. Najprościej można ją wyrazić zdaniem: „W układzie termodynamicznie izolowanym w dowolnym procesie entropia nigdy nie maleje” lub bardziej prozaicznie: „Ciepło nie może samorzutnie przepływać od ciała o temperaturze niższej do ciała o temperaturze wyższej„. Entropia jest funkcją stanu ciała i rośnie kiedy przeprowadzamy ciało z jednego stanu (np. stałego) w inny (np. ciekły) – „na przykład, kiedy ciało stałe ulega topnieniu, entropia wzrasta o ilość doprowadzonego ciepła podzieloną przez temperaturę w punkcie topnienia”. Nota bene, pierwsza zasada termodynamiki czyli zasada zachowania energii dla układów termodynamicznych w mechanice kwantowej nie obowiązuje.

Rekapitulując, Schrödinger w rozważaniach o istocie życia stawia dwie zasadnicze tezy:
(1) życie jest zasilane ujemną entropią (rozdz. 6),
(2) u jego podstaw leży „boska teoria kwantów” (rozdz. 7).
Ale wykazuje też swoją bezradność: „ze wszystkiego, czego dowiedzieliśmy się o budowie materii ożywionej, wynika, iż nie powinniśmy się spodziewać, by jej funkcjonowanie dało się sprowadzić do zwykłych praw fizyki”, „moim zdaniem wyjaśnienie tego paralelizmu [świadomość a świat fizyczny] wykracza poza możliwości nauk przyrodniczych, a być może i wszelkiego ludzkiego poznania”, ale „obecna oczywista niezdolność fizyki i chemii do wyjaśnienia takiego zjawiska nie powinna budzić wątpliwości, że w przyszłości będzie to możliwe”. Wywody Schrödingera zaledwie ocierają się o istotę życia, wyłuskują jeden z jego fizycznych przejawów. Fizyka jest jednak póki co bezradna w wyjaśnieniu istoty życia.