Jak powstało życie?

Jaki związek łączy szympansa, który siedząc przed klawiaturą komputera pisze (nie przepisuje) Hamleta, z biogenezą, czyli powstaniem życia we Wszechświecie? Okazuje się, że związek ten jest dość ścisły, a jest nim matematyczne twierdzenie z zakresu rachunku prawdopodobieństwa, zwane lematem Borela-Cantellego. Zanim jednak wyjaśnimy sobie ten dość zaskakująco brzmiący wstęp, powiedzmy sobie kilka słów na temat powstania życia.

Myszy ze szmat i słomy

Ludwik Pasteur w swoim laboratorium, obraz E. Edelfeldta, 1885.

Na przestrzeni dziejów ludzie na różne sposoby tłumaczyli pochodzenie życia. Przez wieki kwestię tą wyjaśniały jedynie religie. Ludzie wierzyli ponadto, że pewne stworzenia podlegają tak zwanemu samorództwu, czyli samoistnemu, spontanicznemu powstawaniu. Powszechne było przekonanie, że larwy owadów same pojawiają się na psującym się mięsie, zaś aby powstała mysz, wystarczą stare szmaty i siano. Ostateczny kłam tym teoriom zadały dopiero prowadzone w XIX wieku badania Ludwika Pasteur’a. Było to jak otwarcie puszki Pandory – świat naukowy zdał sobie sprawę, że aż do tej pory pozostawał w błędzie, co poskutkowało rozpoczęciem wielu badań nad powstaniem życia. 

Obecnie wciąż nie mamy pewności, w jaki sposób życie powstało. Nie potrafimy go wytworzyć w warunkach laboratoryjnych. Nie oznacza to jednak, że stoimy w miejscu. Potrafimy otrzymywać wiele związków organicznych z substancji nieorganicznych, zbliżając się tym samym do stworzenia elementarnych „cegiełek życia”. Wraz z badaniami powstają także liczne teorie, wyjaśniające genezę organizmów żywych.

Pierwotna zupa 

Jedną z najpopularniejszych teorii jest teoria tak zwanej „pierwotnej zupy”. Zakłada ona,  że pierwsze organizmy żywe powstały z hipotetycznej mieszaniny prebiotycznej związków organicznych. Nie wchodząc w zbyt złożone kwestie biologiczno-chemiczne, można w uproszczeniu powiedzieć, że do powstania życia potrzebne były odpowiednie związki chemiczne, oraz określone warunki fizyczne, jak temperatura, ciśnienie, źródła energii. W takich sprzyjających warunkach, możliwe miałoby być powstanie materii ożywionej. Następnie, gdy pierwotne życie już by zaistniało, podlegać by miało przeobrażeniom, rozwojowi i przystosowaniom, w myśl zapoczątkowanej przez Darwina teorii ewolucji. Teoria ta ma zarówno swoich przeciwników jak i zwolenników. Głównym zarzutem wobec niej jest bardzo małe prawdopodobieństwo, że na drodze losowych zdarzeń związki nieorganiczne utworzą aminokwasy, dzięki którym będzie mogło powstać nawet najprostsze życie. W bardzo obrazowy sposób zarzut ten sformułował angielski astronom, Sir Fred Hoyle. Miał on powiedzieć, że prawdopodobieństwo samorzutnego powstania życia na Ziemi jest tak małe, jak to, że huragan wiejący nad złomowiskiem doprowadzi do zbudowania Boeinga 747. 

Obcy są wśród nas

Autorem kolejnej teorii jest szwedzki chemik i fizyk, Svante Arrhenius. Postawił on hipotezę, że życie na naszej planecie przywędrowało z Kosmosu - przetrwalniki bakterii miałyby jakoby przylecieć do nas z innej części Wszechświata dzięki meteoroidowi, planetoidzie lub komecie. Teoria ta, jakkolwiek ciekawa i mająca uzasadnione podstawy naukowe, nie rozwiązuje jednak problemu, a jedynie przesuwa go dalej. Skąd wzięło się życie na naszym rodzimym, ziemskim podwórku? Przyleciało z przestrzeni kosmicznej. A skąd tam się wzięło? Wracamy do punktu wyjścia, jedynie w zmienionym otoczeniu. Najbardziej radykalna odmiana teorii panspermii, bo tak została ona nazwana, zakłada, że powstanie życia na Ziemi było zbyt mało prawdopodobne, dlatego musieli w tym maczać palce… Obcy. Ale skąd oni się wzięli…?

Zegarmistrz świata

Inteligentny projekt zakłada, że życie nie powstało samo – miałoby powstać dzięki inteligentnej sile, projektantowi - zegarmistrzowi, który poruszyłby odpowiednie trybiki wielkiej machiny do tworzenia ożywionej materii. Często używanym argumentem przez zwolenników tej teorii jest tak zwana nieredukowalność złożona – mówi ona o tym, że pewne złożone narządy organizmów żywych nie mogły wyewoluować z mniej zaawansowanych tworów. W uproszczeniu, pół oka nie miałoby sensu, swoją funkcję spełnia dopiero całe oko. Zagadnienie to dotyczy jednak bardziej argumentów za oraz przeciw teorii ewolucji, która nie jest głównym tematem tego artykułu. Z inteligentnym projektem blisko spokrewniony jest kreacjonizm. Mówi on o tym, że ewolucja nie istnieje bądź istnieje w bardzo ograniczonym zakresie, zaś wszystkie organizmy zostały stworzone z grubsza rzecz biorąc w swym obecnym kształcie.

Prawdopodobieństwo

Odbiegnijmy na chwilę od naszego głównego tematu, i powróćmy do wspomnianego we wstępie rachunku prawdopodobieństwa. Choć zapewne na dźwięk słów „rachunek prawdopodobieństwa” część Czytelników może poczuć przypływ niemiłych wspomnień z lat szkolnych, to warto choć przez chwilę się nad nim pochylić. Przejdźmy zatem do rzeczy.

Każdy zna metodę losowania przy pomocy rzutu monetą. Nikt zapewne nie ma również wątpliwości, że prawdopodobieństwo wylosowania orła (lub reszki) wynosi 1:2 (choć pewne badania sugerują, że nie musi być to do końca prawdą, ale to materiał na inny artykuł). Wypadnie albo orzeł, albo reszka, innej możliwości nie ma. Gdybyśmy zatem postawili pieniądze na wypadnięcie orła (lub reszki), to mielibyśmy stosunkowo duże szanse na zwycięstwo.

Nieco większymi hazardzistami okazalibyśmy się, stawiając na wybraną liczbę oczek w rzucie kostką – tu prawdopodobieństwo wyrzucenia danej liczby wynosi 1:6. Dla prawdziwego ryzykanta byłoby to zapewne nic, i zdecydowałby się on postawić pieniądze na coś mniej prawdopodobnego, na przykład wyciągnięcie pewnej konkretnej karty z całej talii. Jak łatwo policzyć, prawdopodobieństwo wygranej w takiej próbie byłoby już znacznie mniejsze, i wynosiłoby 1:52.

Wielu ludzi nie zniechęca małe prawdopodobieństwo wygranej. Niemal codziennie tysiące Polaków obstawia sześć liczb w Dużym Lotku, licząc na wygranie fortuny. Nietrudno policzyć, prawdopodobieństwo poprawnego wytypowania wszystkich liczb nie jest zbyt zachęcające, i wynosi jedynie 1:13 983 816. Mało obrazowo? Weźmy zatem przykład. Wyobraźmy sobie, że jedziemy samochodem z Warszawy do Brukseli. 

Trasa z Warszawy do Brukseli. Źródło: Google Maps

Mamy ze sobą pistolet z jednym nabojem, wystawiamy rękę z bronią przez okno w samochodzie, tak, aby na muszce mieć pobocze. Robimy tak nie bez powodu – wzdłuż pobocza poustawiane są w ciasnym rządku, jedna przy drugiej, jednakowe, duże, szklane butelki. Rządek ten ciągnie się na całej długości naszej trasy. W jednej z tych butelek jest karteczka z napisem „Wygrana”. Pistolet mamy tak wymierzony, że nie spudłujemy, to znaczy na pewno trafimy w butelkę, a nie na przykład w przydrożne drzewo. Ale uwaga! Całe doświadczenie jest losowe, zatem podczas strzelania mamy zawiązane oczy. Taka jest mniej więcej szansa na główną wygraną w Lotto.

Szympansy a twórczość Szekspira

Co wspólnego ma Lotto z pochodzeniem życia? Niewiele, jednak rachunek prawdopodobieństwa w obu przypadkach może pełnić ważną funkcję. Jak wspomniałem wcześniej, najostrzejsza krytyka teorii pierwotnej zupy dotyczy skrajnie małego prawdopodobieństwa, jakim charakteryzowałoby się wyłonienie się z niej organizmów żywych. Gdyby prawdopodobieństwo to było podobnej klasy co szansa trafienia „szóstki” – to zapewne ta teoria nie miałaby ani jednego przeciwnika. Chodzi o prawdopodobieństwo mniejsze o kilka rzędów wielkości. Czy zatem huragan może zbudować Boeinga? Okazuje się, że tak. Wskazówki co do tej kwestii udziela matematyczne twierdzenie zwane lematem Borela-Cantellego. W artykule tym nie zamieszczam jego treści ani tym bardziej wzoru, zainteresowanych odsyłając do samodzielnych poszukiwań. Twierdzenie to mówi, że jeżeli jakieś zdarzenie ma dowolnie małe, ale niezerowe prawdopodobieństwo zajścia, to mając do dyspozycji nieskończenie długi czas, na sto procent zjawisko to zajdzie, i to nieskończenie wiele razy. Często jest to ilustrowane barwnym przykładem szympansa siedzącego przed klawiaturą komputera i stukającego w klawisze. Stuka on losowo, jak popadnie, jednak jeśli będzie on tam siedział nieskończenie długo, to jest pewne, że napisze on „Hamleta”, i to nieskończoną ilość razy. Zatem, jeżeli tylko istnieje cień takiej szansy, że wiatr może powkręcać śrubki, to po pewnym czasie będziemy mieli całą flotyllę boeingów.

Czy jest to dowód, że życie powstało z pierwotnej zupy? Oczywiście nie. Twierdzenie to dowodzi jednak, że jeżeli samorzutne powstanie życia nie jest niemożliwe, to jego powstanie jest pewne, i to w wielu niezależnych od siebie miejscach. Wszechświat jednak ma skończony wiek, dlatego to, że żyjemy, świadczy o tym, że mieliśmy szczęście. Moglibyśmy przecież narodzić się za wiele miliardów lat.