Az univerzum állatkertje: milyen életformákat enged meg a fizika?

 

A tudományos fantasztikus filmek gyakran bele esnek abba a csapdába, hogy nem eléggé elrugaszkodottak a Földi valóságtól, az élőlények nagyon hasonlóak a most és valaha élt ténylegesen megjelent formákra, és viselkedésük is behatárolt. Ez nem pusztán képzelőerő hiánya miatt létező jelenség, hanem egy biológiai vita központjában elhelyezhető filozófiai vita központi kérdése is.

Amikor az életre gondolunk, gyakran a Földön tapasztalható biológiai sokféleség kápráztat el minket: a színpompás madarak, a földöntúli mélytengeri szörnyetegek, a mikroszkopikus tekergőző baktériumok, és az emberek végtelen variációja.

A biológia története során sokáig tartotta magát az a nézet, hogy az élet ezen formái a véletlenek, a „történelmi esetlegességek” eredményei.

Ha újraindítanánk az evolúció „szalagját”, a ma ismert élővilág talán teljesen másképp nézne ki, és miért ne?

De mennyire lenne más, ugyanúgy két lábú, intelligens lények jelenének meg, nagy fejekkel vagy inkább négylábúak fedeznék fel a tranzisztort?

Ezzel a nézettel szemben azonban egyre erősebb az az ellenérvelés, miszerint az élet nem a véletlenek játéka, hanem sajnos a fizika szigorú törvényeinek elkerülhetetlen megnyilvánulása.

A fizika törvényei az életben

Míg a biológusok igyekeznek a fizikai, matematikai törvények mellé saját, csak az élővilágban megjelenő és megkerülhetetlen törvényszerűségeket találni, addig szép lassan a fizika betört az élő rendszerek kutatásába és szép lassan át is vette a hatalmat.

Az élet, legyen szó egy katicabogárról vagy egy felrobbanó csillagról, ugyanannak az univerzumnak a része, és ugyanazoknak a fizikai törvényeknek engedelmeskedik.

Az élővilág látszólagos végtelensége illúzió csupán; valójában a fizika egyenletei „csendes parancsnokként” irányítják az evolúciót minden szinten, az atomoktól a teljes populációkig.

Vegyük például a katicabogarat, ami bár egyszerűnek tűnik, felépítését komplex fizikai erők formálták. Amikor egy katicabogár egy levélen mászik, vagy függőlegesen felkapaszkodik egy ablaküvegen, nem a gravitáció a domináns erő az életében (mint az embereknél), hanem a molekuláris erők, például a felületi feszültség és a van der Waals-erők. A lábain található apró szőrök és a kiválasztott folyadékréteg lehetővé teszik a tapadást, amelyet pontos fizikai egyenletekkel írhatunk le, figyelembe véve a folyadék viszkozitását és a felületi feszültséget. Ugyanígy, a repülése sem véletlenszerű: a felhajtóerő határozza meg, hogy mekkora szárnyfelületre, és minimálisan mekkora sebességre van szüksége a levegőben maradáshoz.

Ez az egyenlet univerzális; a Titán holdján, ahol a gravitáció kisebb, és a légkör sűrűbb, ugyanez az egyenlet azt jósolja, hogy az emberek is képesek lennének repülni, ha szárnyakat csatolnának magukra.

Ez a fizikai determinizmus a legszembetűnőbb a konvergens evolúció jelenségében, amit számtalan példával láthatunk magunk körül, a vakondok például a világ különböző pontjain hasonló testfelépítést fejlesztettek ki, függetlenül attól, hogy erszényesek (Ausztrália) vagy méhlepényesek (Európa). Miért?

Mert a föld alatti ásáshoz a fizika törvényei szerint a nyomás optimalizálása szükséges. A rövid, széles, lapátszerű végtagok maximalizálják az erőkifejtést egy kis felületen, lehetővé téve a talaj elmozdítását. A fizika nem enged meg sokféle megoldást erre a problémára; a „vakondság” egy elkerülhetetlen fizikai megoldás.

Hasonló elvek irányítják a csoportos viselkedést is. A hangyabolyok építése vagy a seregélyek rajzása nem egy központi irányító (királynő vagy vezérmadár) utasításaira épül, hanem egyszerű fizikai szabályokon alapuló önszerveződésre. A seregélyek „murmurációja” (rajzása) a folyadékok fizikájához hasonlóan modellezhető, ahol az egyének részecskeként viselkednek, amelyek reagálnak a szomszédaik mozgására.

Ez a fajta rend a káoszból emelkedik ki, és matematikai egyenletekkel leírható, bizonyítva, hogy a biológia mélyén a fizika egyszerűsége rejlik.

Az élet határai: az egyenlet másik oldala

A 20. század közepéig a biológusok úgy vélték, hogy az élet csak egy szűk hőmérsékleti és kémiai, fizikai tartományban létezhet – a „Goldilocks-zónában”, ahol a körülmények éppen megfelelőek számára. Ezt a nézetet azonban drámai felfedezések zúzták szét.

1977-ben a Knorr kutatóhajó és az Alvin tengeralattjáró legénysége felfedezte a mélytengeri hidrotermális kürtőket a Galápagos-szigetek közelében. A várakozásokkal ellentétben – miszerint a mélytengeri sötétség és nyomás steril környezetet eredményez – a kutatókegy virágzó ökoszisztémát találtak: óriási kagylókat, csőférgeket és rákokat.

Ezek az élőlények nem a Nap energiájából éltek, hanem kemoszintézist folytattak, a Föld belső hője és a különféle kémiai reakciók (például a hidrogén-szulfid oxidációja) által hajtva.

Ez a felfedezés nyitotta meg az utat az extremofilek – a szélsőségeket kedvelő élőlények – kutatása előtt. Ha megismerjük a Földünkön lévő élővilág mire képes, milyen határokat tud átlépni, azzal talán tágíthatjuk az elképzelést arról, hogy a világegyetemben hol, milyen formájú életre számíthatunk.

Thomas Brock a Yellowstone Nemzeti Park forró vizű forrásaiban fedezett fel olyan baktériumokat (Thermus aquaticus), amelyek a forráspont közeli hőmérsékleten is képesek szaporodni. Később találtak olyan hipertermofileket, mint a Methanopyrus kandleri, amely 122°C-on is él, és képes ellenállni annak a hőmérsékletnek, amely máskülönben szétszakítaná a sejt fehérjéit és DNS-ét.

Az élet nemcsak a hőt, hanem a hideget, a savat, a sót és a sugárzást is képes legyőzni.

• Pszikrofilek (Hidegkedvelők): Az Antarktisz jege alatt élő mikrobák fagyálló molekulákat termelnek, és telítetlen zsírsavakkal tartják folyékonyan sejtmembránjukat a fagypont alatti hőmérsékleten.
• Halofilek (Sókedvelők): A Holt-tengerben vagy a Nagy-sóstóban élő mikrobák képesek ellensúlyozni az ozmózisnyomást, amely máskülönben kiszívná belőlük a vizet, és „mazsolává” aszalná őket.
• Acidofilek (Savkedvelők): A spanyolországi Rio Tinto folyó vize olyan savas, mint az ecet, mégis gazdag mikrobiális közösségnek ad otthont, amely képes fenntartani a belső pH-egyensúlyt a savas környezet ellenére.
• Sugárzástűrők: A Deinococcus radiodurans baktérium olyan sugárzási dózist is túlél, amely ezerszerese az emberre halálos mennyiségnek, köszönhetően rendkívül hatékony DNS-javító mechanizmusának.

Ezek a felfedezések arra utalnak, hogy az élet sokkal rugalmasabb, mint korábban hittük, a rugalmasságnak azonban léteznek fizikai korlátai. A fehérjék stabilitása, 150°C körül biztosan szétesnek, a szénkötések pedig 450°C körül felbomlanak.

A víz hiánya (alacsony vízaktivitás) szintén abszolút gátat szabhat, mint ahogy azt az antarktiszi Don Juan-tó esete mutatja, amely annyira sós, hogy a víz biológiailag elérhetetlenné válik. Az élet tehát tágíthatja a határokat, de nem lépheti át a fizika alapvető törvényeit.

A "bizarr élet" (weird life) keresése során felmerül a kérdés: vajon az életnek szükségszerűen szén-alapúnak és víz-alapúnak kell-e lennie, vagy ez csak a földi evolúció véletlenszerűsége (egy ún. "frozen accident", azaz befagyott véletlen)?

A szénatom elektron-konfigurációja (amely a Pauli-féle kizárási elvből következik) egyedülállóan alkalmassá teszi arra, hogy stabil, mégis reaktív kötéseket hozzon létre, és hosszú láncokat, gyűrűket alkothasson. A szilícium, amelyet gyakran emlegetnek a szén alternatívájaként (lásd a Star Trek Horta nevű lényét), bár kémiailag hasonló csoportba tartozik, nem képes ugyanerre a sokoldalúságra.

A szilícium-szilícium kötések gyengébbek, a nagy molekulák instabilak, és oxigén jelenlétében a szilícium hajlamos szilárd, reakcióképtelen kőzetté (szilikáttá) válni. A csillagközi térben és a meteoritokban talált szerves molekulák túlnyomó többsége szén-alapú, ami azt sugallja, hogy a "szerves kémia" valójában "kozmikus kémia".

A víz szintén különleges. Poláris molekula, kiváló oldószer, és ami a legfontosabb: jég formájában kisebb a sűrűsége, így úszik a víz felszínén, szigetelő réteget képezve az alatta lévő élet számára.

William Bains biokémikus szerint a szilícium alapú élet lehetséges lehet extrém hideg környezetben, ahol a szénkötések túl merevek lennének, de a szilíciumkötések stabilak maradhatnak. Oldószerként pedig a víz helyett szóba jöhet az ammónia, a metán vagy a hidrogén-fluorid.

A Szaturnusz holdja, a Titán, kiváló teszthelyszín ezen elméletek számára. A Titán felszínén folyékony metán- és etántavak találhatók, a hőmérséklet pedig -179°C. A NASA kutatói, köztük Chris McKay, felvetették, hogy létezhetnek olyan metanogén életformák, amelyek hidrogént fogyasztanak, acetilént égetnek el, és metánt termelnek (a földi oxigén-alapú légzés analógiájaként). A Cassini űrszonda adatai érdekes anomáliákat mutattak – hidrogénhiányt a felszín közelében –, ami akár biológiai aktivitásra is utalhat, bár a kémiai magyarázatok is valószínűek.

Az Energia univerzális nyelve

Az élet egyik leginkább univerzális jellemzője az energiagyűjtés módja. Minden földi életforma – a baktériumoktól az emberekig – az elektronok áramoltatásával nyer energiát. Ez az elektrontranszport-lánc proton gradienst (proton motive force) hoz létre a sejtmembránon keresztül, amely egy molekuláris turbinát, az ATP-szintázt hajtja meg, hogy ATP-t termeljen.

Ez a mechanizmus annyira alapvető és hatékony (mint egy miniatűr vízerőmű), hogy ez valószínűleg univerzális megoldás lehet az univerzumban. Az élet azonban rugalmas az elektronforrások tekintetében.

A "szendvicsek" (szerves szén) és az oxigén helyett egyes mikrobák vasat, ként, hidrogént vagy akár uránt használnak elektron donorként vagy akceptorként, de ez már kémia.

Ez a sokféleség azt mutatja, hogy bár az alapelv (elektronok mozgatása) állandó, a források variálhatók. Egy idegen bolygón az élet talán nem oxigént lélegez be, hanem vasat "eszik" vagy elektromosságot csapol meg, de a fizikai alapelv – az energia kinyerése a környezet termodinamikai egyensúlyhiányából – ugyanaz marad.

Az univerzum állatkertje

A fizikai törvények nemcsak a mikroszkopikus szinten, hanem a makroszkopikus testfelépítésben is korlátokat szabnak. Az exobolygók felfedezése (Kepler-misszió) rámutatott, hogy a bolygók mérete és gravitációja változatos, de a fizika ott is ugyanaz. Egy nagyobb gravitációjú bolygón ("szuper-Föld") a szárazföldi állatoknak vastagabb lábakra lenne szükségük a súlyuk megtartásához, míg a vízi élőlényekre a felhajtóerő miatt kevésbé hatna a gravitáció növekedése.

A tudományos-fantasztikus irodalom gyakran túllép ezeken a korlátokon. Fred Hoyle The Black Cloud című regényében egy intelligens csillagközi gázfelhőt ír le, amely elektromágneses erőkkel szervezi magát. Robert Forward Dragon's Egg című művében a neutroncsillagok felszínén élő, nukleáris reakciókkal működő apró lényeket képzel el, akik milliószor gyorsabban élnek, mint mi. Freeman Dyson pedig egy olyan távoli jövőt vázol fel, ahol az élet porfelhők formájában létezik, és hibernációval alkalmazkodik a kihűlő univerzumhoz.

A fizika törvényei – a termodinamika, a diffúzió, a gravitáció, a kvantummechanika (Pauli-elv) – szigorú kereteket szabnak, ugyanakkor el is engedik az evolúció kezét, hagyják kísérletezni, kipróbálni dolgokat.

A szén és a víz valószínűleg nem véletlen választás, hanem a kémiai univerzum legjobb, legstabilabb és legsokoldalúbb eszközei. A konvergens evolúció pedig azt mutatja, hogy a hatékony megoldások (mint a szem, a szárny vagy a láb) újra és újra megjelennek, mert fizikailag ezek a működőképesek.

Az élet tehát kiszámítható és bizonyos értelemben univerzális.

Egy csodálatos könyvre hívnám még fel a figyelmet a végén, több kötet jelent már meg új, nem látott életformák tudományos leírásával a múltban, és most egy hasonló jelent meg: Wildlife on the planet furaha. csodálatos képekkel, illusztrációkkal egy elképzelt világból. A faj leírásokból képeket készítettem a Geminivel és néhány filmet is.