Więzy życia

Jednym z podstawowych zarzutów, jakie ewolucjonizmowi stawiają kreacjoniści, zwłaszcza ci, którzy w szkole przespali tylko lekcje biologii, a na fizyce niekiedy uważali, jest jej rzekoma niezgodność z zasadami termodynamiki.

Powtarzają więc do znudzenia: druga zasada termodynamiki stanowi, że entropia zawsze rośnie. Entropia, czyli termodynamiczna funkcja stanu wyrażająca nieuporządkowanie układu. Matematycznie wiąże się z liczbą możliwości zrealizowania danego układu. Jeśli mamy więc układ doskonale uporządkowany, jak np. żywy organizm bądź działające narzędzie, ma on wiele ograniczeń i można go zbudować na ograniczoną liczbę sposobów. Zepsuć go można natomiast na znacznie więcej: jednej całej szklance odpowiadają niezliczone możliwości rozbicia. Wobec tego rozbita szklanka ma większą entropię niż nierozbita. Dlatego obserwować będziemy samorzutne rozbijanie się szklanki, ale nie samorzutne jej składanie się z kawałków. Dopuszczalność danego procesu fizycznego wyznacza wzrost entropii. Kreacjoniści wyprowadzają z tego wniosek, jakoby niemożliwe było samorzutne powstanie organizmów żywych, złożonych, ściśle zorganizowanych struktur, posiadających przeto bardzo małą entropię.

Ci, którzy na fizyce uważali nie tylko niekiedy, dopowiedzą jednak do tego dwie rzeczy. Po pierwsze: nie zawsze entropia rośnie – w procesach równowagowych się nie zmienia. Po drugie – rośnie entropia całkowita. Inaczej mówiąc: entropia rośnie w układach zamkniętych. Jeżeli sztucznie wyizolujemy mentalnie część układu, entropia może w tej części maleć. Ktoś przecież musiał tę szklankę wyprodukować, lokalnie zmniejszając entropię.

Co więcej, natura ma pewne zdolności samoorganizacji. Zmieszane z wodą cząsteczki tłuszczu, zbudowane z polarnej, dobrze rozpuszczalnej w wodzie (hydrofilowej) główki i nierozpuszczalnego, „tłustego” (hydrofobowego) ogonka, tworzą bąble bądź powierzchnie z dwóch warstw cząsteczek. Tym razem forma, wydawałoby się, bardziej uporządkowana ma po prostu mniejszą energię – a tracąc energię, cząsteczki przekazują ją otoczeniu i całkowita entropia rośnie. Chemia fizyczna łączy entropię układu i otoczenia w innej funkcji stanu, entalpii swobodnej, wyznaczającej możliwość zajścia reakcji. Tak naprawdę życie istnieje dzięki Słońcu, które daje mu niską entalpię swobodną.

Zdolności układu do samoorganizacji opisuje w swojej książce „Świat poza fizyką. Powstanie i ewolucja życia” Stuart A. Kauffman, amerykański lekarz i biolog.

Rozpatruje on prosty proces fizyczny: podgrzewanie gazu. Ten ostatni oddaje energię otoczeniu, zwiększając jego ciepło. Może też poruszyć tłok, wykonując pracę. Oba procesy przebiegają dokładnie tak samo: rozgrzany gaz ma większą energię, a więc jego cząsteczki silniej (szybciej) uderzają w cząsteczki otoczenia. Co więc różnicuje pracę i ciepło? W tym pierwszym przypadku przesuwają tłok w jedną konkretną stronę. Ich bezładny ruch przesuwa tłok w tym jedynym kierunku, w którym może to zrobić. Cząsteczki uderzają w każdym kierunku, ale tylko w jednym mogą coś poruszyć. Występuje pewne zewnętrzne wobec nich samych ukierunkowanie. Jak pisze autor, na układ nałożono więzy. Podobnie w przypadku wystrzelającej pocisk armaty – ukierunkowanie ruchu kuli przez armatę (więzy) umożliwia wykonanie pracy.

Kauffman stawia teraz pytanie: co jeśli wykonywana praca polegać będzie na tworzeniu właśnie więzów? Niekoniecznie więzów tego samego procesu. Może dostarczać więzów umożliwiających wykonanie innej pracy, również polegającej na tworzeniu więzów, dzięki którym wykonana zostanie kolejna praca, dostarczająca z kolei więzy pierwotnego procesu. Otrzymamy zamknięty cykl, który przy dopływie energii ukierunkuje się sam na podtrzymywanie swego istnienia, a nawet samopowielanie się.

Autor ukazuje następnie, że podobne pętle więzów mogą tworzyć się dość łatwo w niezbyt skomplikowanych mieszaninach substancji organicznych, jako że wiele prostych związków ma właściwości katalityczne (ukierunkowujące i ułatwiające przebieg innych reakcji, a więc dostarczające więzów). Kilkuetapowy układ wzajemnie katalizowanych reakcji syntezy samych katalizatorów (np. A katalizuje powstanie B, które katalizuje syntezę C, które katalizuje tworzenie A) będzie podtrzymywał swoje istnienie. I zarazem jest na tyle prosty, że może spontanicznie wyłonić się w roztworze.

Z czasem będzie on ulegał dalszym komplikacjom, włączał nowe katalizatory i reakcje, wszystkie zachodzące zgodnie z zasadami termodynamiki. Podawany przez kreacjonistów jako sztandarowy przykład nieredukowalnej złożoności (a więc układ, który z powodu swego skomplikowania nie mógł powstać stopniowo, gdyż żaden etap pośredni sam by się nie utrzymał) cykl Krebbsa zaobserwowano w zasadowych komórkach skalnych kominów hydrotermalnych, gdzie zachodzi bez żadnych organizmów żywych i żadnych białkowych katalizatorów. Zachodzi, bo składające się nań reakcje mają ujemną entalpię swobodną. Tak jak reakcje zachodzące w naszym organizmie, z tym że znacznie bardziej ukierunkowane licznymi więzami, które same wytwarzają.

Dostarczamy sobie energię i obniżamy entalpię swobodną, przyjmując pokarm. Dalej na każdym etapie jego obróbki i przetworzenia na budulec czy energię dochodzi do rozproszenia istotnej części energii w postaci ciepła, co zwiększa entropię otoczenia. Sumaryczna entropia wzrasta pomimo licznych procesów zwiększających lokalnie porządek. Ten wzrost można nawet wyliczyć. Jeśli się uważało na fizyce.

Marcin Nowak

Bibliografia

  • Stuart A. Kauffman, Świat poza fizyką. Powstanie i ewolucja życia. Copernicus Center Press, Kraków 2019 / 2021

Ilustracja została wykonana przez autora