Życie jako informacja

Życie jako informacja

Aby zrozumieć, czym jest życie, potrzebujemy nowych praw fizyki wiążących się w fundamentalny sposób z pojęciem informacji


Paul Davies – brytyjski fizyk specjalizujący się w kosmologii, astrobiologii i kwantowej teorii pola, pisarz i publicysta. Od 2005 r. bierze udział w projekcie SETI. Dyrektor BEYOND – Centrum Fundamentalnych Idei w Nauce.



Czy wszechświat ma sens, czy jest jakiś cel jego istnienia?
– Nauka opiera się na założeniu, że wszechświat ma sens i że w miarę dalszego badania będziemy dokonywać odkryć, które pasują do całokształtu istniejącej wiedzy. Dobrym przykładem jest odkrycie bozonu Higgsa w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN. Został on przepowiedziany przez teorię matematyczną w latach 60. XX w. i odkryty, zgodnie z oczekiwaniami, w 2012 r. Widzimy więc, że natura jest zarówno racjonalna, jak i zrozumiała, przynajmniej częściowo, dla ludzkiego umysłu. Dlaczego tak jest, to tajemnica, ale nie można być naukowcem, nie wierząc, że świat taki jest. Jeśli chodzi o to, czy możemy przypisać wszechświatowi jakiś cel, to o wiele trudniej jest odpowiedzieć na to pytanie. Życie ma cele lub zadania, ale nie jestem pewien, czy koncepcja ta ma sens dla takiego systemu jak cały wszechświat. Wolałbym powiedzieć, że istnieje racjonalny schemat rzeczy.

Prawdopodobieństwo niczego nie tłumaczy?
– Noblista w dziedzinie fizjologii i medycyny Jacques Monod zauważył, że świat jest mieszanką przypadku i konieczności. Istnieją prawa matematyczne i istnieje prawdopodobieństwo. Ruch Księżyca tłumaczylibyśmy jako nieprzypadkowy – podążający zgodnie z  prawami ruchu Newtona – ale już konkretne rozmiary jego orbity są przypadkowe, wynikają z losowych kosmicznych wydarzeń 4,5 mld lat temu. To prawda, że niektóre pozornie przypadkowe zdarzenia mają podłoże nielosowe – jest to przedmiot teorii chaosu i odnosi się np. do huraganów czy ruletki – ale większość naukowców akceptuje fakt, że mechanika kwantowa, która opisuje świat atomów, jest z natury probabilistyczna. Einstein próbował trzymać się idei, że pod kwantową losowością i niepewnością znajduje się ukryta warstwa porządku, jednak niedawne eksperymenty obaliły ten pogląd.

Czy ta przypadkowość świata atomów mogła stworzyć w kosmosie życie?
– 50 lat temu panował wśród biologów pogląd, że źródłem życia jest chemiczny ślepy traf obejmujący ciąg zdarzeń. Jednak jego prawdopodobieństwo było tak niskie, że szansa powtórzenia tego ślepego trafu w obserwowalnym wszechświecie graniczy z niemożliwym. To Monod twierdził, że „wszechświat nie jest brzemienny życiem”. Wspierał go George Simpson, jeden z wielkich neodarwinistów lat powojennych, który oceniał projekt SETI, czyli poszukiwanie inteligentnych form życia poza Ziemią, jako „grę hazardową o najbardziej niekorzystnym prawdopodobieństwie”. Budowali oni swoją opinię na fakcie, że maszyneria życia jest tak niezwykle złożona i oparta na tak wielu aspektach, że nieprawdopodobne jest, aby pojawiła się więcej niż raz w wyniku przypadkowych reakcji chemicznych. Jednak już w latach 90. XX w. noblista Christian de Duve opisywał wszechświat jako siedlisko życia, a swój wniosek nazwał nawet „kosmicznym imperatywem”. Wtórowała mu Mary Voytek, szefowa Instytutu Astrobiologii NASA, wskazując na ogromną liczbę planet w kosmosie i odrzucając możliwość, że życie nie mogło pojawić się gdzie indziej. Ja jednak twierdzę, że możliwość pojawienia się życia niekoniecznie pociąga za sobą pojawienie się życia. Wyobraźmy sobie, że przejście od materii nieożywionej do ożywionej wymaga sekwencji zaledwie stu reakcji chemicznych. Biorąc pod uwagę, że każda z nich wymaga innej temperatury, ściśle określonych zakresów ciśnienia, zasolenia, kwasowości, nie wspominając już o obecności wielu katalizatorów, trudno wyobrazić sobie wymarzony konieczny zbieg tych wszystkich okoliczności. Musimy pogodzić się z tym, że w obserwowalnym wszechświecie może istnieć tylko jedna planeta, na której powstało życie.

Potrafię sobie wyobrazić, jak w pierwotnej mieszaninie związków nieorganicznych powstają związki organiczne. Ale jak to się stało, że powstała tak skomplikowana struktura jak kod genetyczny, czyli tak naprawdę zapis informacji dotyczących funkcjonowania organizmu?
– Nie wydaje mi się, żebyśmy mieli przekonujące wyjaśnienie, w jaki sposób powstał kod genetyczny. Jak molekuły mogą pisać kod? Moim zdaniem, potrzebujemy nowego rodzaju prawa fizycznego, aby to wyjaśnić. Już Erwin Schrödinger podejrzewał tę konieczność. To on pytał, czym jest życie, w przeciwieństwie do Darwina, który pominął ten problem. Przepaści, która oddziela fizykę od biologii, nie da się pokonać bez stworzenia zupełnie nowych koncepcji. Żywe organizmy mają swoje cele, zadania, zamiary – to efekt ewolucji, natomiast cząsteczki ślepo stosują się do praw fizyki. W jakiś sposób, którego jeszcze nie poznaliśmy, jedno musi wynikać z drugiego. Jestem jednak w mniejszości, głosząc ten pogląd.

Społeczność naukowa uznaje potrzebę definiowania życia jako zjawiska fizycznego, bagatelizuje jednak wyzwanie, jakim jest pełne zrozumienie jego natury i pochodzenia. Poszukiwanie tego ogniwa, które łączy formy żywe i nieożywione w jednolitą strukturę, doprowadziło do powstania zupełnie nowej dziedziny nauki, znajdującej się na styku biologii, fizyki, matematyki i informatyki. Wspólnym mianownikiem dla tego nurtu jest pojęcie informacji, ale nie w jej codziennym, banalnym rozumieniu, tylko jako bardziej abstrakcyjnej wielkości, która podobnie jak energia ma zdolność do ożywiania materii. Informacje przebiegają przez komórki, krążą w mózgach, tworzą sieci w ekosystemach i społecznościach. To z tego zaczynu informacyjnego wyłania się koncepcja podmiotowości, łącząca się ze samoświadomością czy wolną wolą. To dzięki sposobowi porządkowania czy korzystania z informacji z chaosu molekuł wyłania się porządek życia.

Nie ma jakichkolwiek dowodów, że znane prawa fizyki są zaprojektowane pod kątem powstawania życia. Mam jednak przeczucie, że mogą faworyzować szerszą klasę złożonych układów zarządzania informacjami, których życie, jakie znamy, byłoby wspaniałym przykładem. Wydaje się więc, i to jest budujące, że prawa wszechświata mogą być przyjazne biologii.

Eric Kandel ogłosił w swoim słynnym manifeście, że proces uczenia się ma wpływ na ekspresję genów. Oznacza to, że proces uczenia się wpływa na sposób odczytania i przepisania informacji zapisanej w genie na jego produkty, czyli białka i różne formy RNA. Może organizmy żywe potrafią aktywnie kształtować własne genomy?
– Uważam, że właśnie tak jest. Temat ten jest czasami nazywany naturalną inżynierią genetyczną i został znakomicie zbadany przez słynnego biologa Jamesa Shapiro. Brał on udział w pracach zespołu, który jako pierwszy wyizolował pojedynczy gen z organizmu. Jest oczywiste, że komórki edytują swoje genomy – na przykład istnieją mechanizmy korygowania błędów. Pomysł, że organizm mógłby w jakiś sposób przeprojektować swój własny genom, jest heretycki, ponieważ wydaje się prowadzić do lamarkizmu, według którego dziedziczne zmiany ewolucyjne mogą następować w wyniku „wewnętrznej potrzeby organizmów”, a więc obraża ortodoksyjnych darwinistów. Wierzę jednak, że biorąc pod uwagę nową technologię, taką jak CRISPR, gdzie naukowcy czują się już komfortowo z ideą sztucznej edycji genów, jest tylko krok do możliwości rozważenia naturalnej edycji genów.

Ewolucja z pewnością działałaby znacznie szybciej, gdyby natura zaprojektowała odpowiednie mutacje mające służyć organizmowi w trudnych sytuacjach w sposób przewidziany przez Lamarcka. Biolodzy jednak dawno już odrzucili ten pomysł przypominający pomocną dłoń Boga. Wolą odwoływać się do przypadków jako jedynego wyjaśnienia zmienności. Ten obraz został jednak zaburzony przez „potworne robaki” Levina, które są wyraźnym przykładem cech nabytych. Levin odkrył, że wypławki, robaki, które po przecięciu na pół nie umierają, w pobliżu ran generują impulsy elektryczne służące komórkom do komunikowania się Nauczył się zakłócać te impulsy, co doprowadziło do sytuacji, w której robakom rosną dwie głowy, umie nawet wyhodować płazińce z czterema głowami, albo nadprogramowymi ogonami bez głów. Jest to spektakularny przykład dziedziczenia epigenetycznego, czyli modyfikacji ekspresji genów przez czynniki zewnętrzne. Takich przykładów jest więcej.

Może zatem należy odrzucić darwinizm, a przyjąć lamarkizm?
– Nikt nie może zaprzeczyć, że dobór naturalny sprzyja przetrwaniu najlepiej przystosowanych. Lecz tu pojawiają się kłopotliwe pytania. Natura może opierać się tylko na dostępnych dla niej wariantach i tu znajdujemy zasadniczy problem, w jaki sposób pojawiają się te inne wersje. W biologii roi się od nowinek: fotosynteza, kostny szkielet kręgowców, ptasi lot, owady, które zapylają rośliny, oczy, mózgi… Jak to się dzieje, że natura generuje tak genialne rozwiązania? Czy jest możliwe, żeby taka złożoność powstała wyłącznie z przypadkowej zmienności i doboru naturalnego? Prosty model probabilistyczny nie wystarcza do wyjaśnienia tej fantastycznej różnorodności. Myślę, że żywa materia jest tak niezwykła, że potrzebne są nowe prawa fizyki powyżej pewnego poziomu złożoności. Chociaż mamy tylko mgliste wyobrażenie o tym, jak działają te prawa wyższego rzędu, wiemy, że w fundamentalny sposób wiążą się one z pojęciem informacji. Nie wydaje mi się, aby pochodzenie życia było cudem.

Najbardziej niepokoi mnie abstrakcyjność pojęcia „informacja”.
– Wiele pojęć w nauce zaczyna się od abstrakcji, ale przestają być takie w momencie, kiedy wchodzą do użycia. Energia była pojęciem abstrakcyjnym, ale teraz czujemy się komfortowo, mówiąc o niej. Rozumiemy sens jej istnienia w prawach fizyki. Informacja pojawiła się w sferze komunikacji międzyludzkiej, ale przy odpowiedniej definicji matematycznej prowadzi do teorii informacji, która została zastosowana w całej nauce i inżynierii. Z pewnością znajduje ona zastosowanie w biologii molekularnej i istnieje przecież cały dział nauki zwany bioinformatyką. Aby jednak w pełni wyjaśnić życie, bardziej potrzebujemy zniuansowanej koncepcji informacji niż tylko liczenie „bitów”. W mojej książce „Demon w maszynie” podaję kilka pomysłów na to, jak można rozszerzyć teorię informacji, by zastosować ją do stworzenia teorii pochodzenia życia i jej roli w nadzorowaniu procesów biologicznych, takich jak rozwój embrionów.

Czyli według pana informacja jest przyczyną i zasadą powstania bytów, a nawet fundamentem wszechświata?
– Niektórzy naukowcy rzeczywiście uważają, że „informacja” (nie materia) jest pierwotnym bytem, na którym zbudowany jest wszechświat. Ideę tę popularyzował wielki fizyk teoretyczny John Wheeler, odpowiedzialny m.in. za popularyzację pojęcia czarnej dziury. Ukuł on sformułowanie It from bit, w myśl którego każdy obiekt materialny (np. elektron) jest tak naprawdę abstrakcyjną koncepcją, która wyłania się z podstawowych bitów informacji. Podoba mi się ten pogląd. Podobnie jak wielu moim kolegom. Użycie tej koncepcji oznacza, że wszechświat jest siecią przechowywania i wymiany informacji, a pojawienie się obiektów i systemów fizycznych jest zjawiskiem wtórnym, a nie podstawową rzeczywistością.

Pojawienie się czegoś nowego we wszechświecie zawsze jest połączeniem praw i warunków początkowych. My po prostu nie znamy warunków koniecznych do pojawienia się początkowych informacji biologicznych. Nie wiemy też, jak dużą rolę odgrywa dobór naturalny w porównaniu z działaniem praw informacyjnych, a być może innych zasad, które mogą ujawniać się w układach złożonych. W książce, o której wspomniałem, staram się pokazać tę nową dziedzinę nauki.

Bardzo często słyszymy o kolejnych doniesieniach naukowych.
– Teraz w zasadzie nie ma dnia, w którym nie pokazywano by nowych badań, kolejnego artykułu czy eksperymentu mającego bezpośredni wpływ na fizykę informacji. Tuż po tym, jak w 1953 r. Crick i Watson opublikowali pracę na temat podwójnej helisy DNA, chemik Stanley Miller opublikował swoją próbę odtworzenia życia w laboratorium. Miller umieścił w kolbie mieszaninę gazów atmosferycznych i wodę, i potraktował ją wyładowaniami elektrycznymi. Po tygodniu na dnie kolby pojawił się osad. Analiza chemiczna wykazała, że składa się on z aminokwasów, z których korzysta życie. Wyglądało na to, że chemik wykonał pierwszy krok na drodze do stworzenia życia. Połączenie tych dwóch artykułów, jednego dotyczącego zapisu ogromnej ilości informacji na temat życia i drugiego o jego prostych elementach składowych, trafnie symbolizuje główny problem biologii: co było pierwsze – złożona chemia organiczna, czy złożone wzorce informacyjne?

Może pora odwołać się do idei pierwszego poruszyciela?
– Te spekulacyjne pomysły dotyczące fizyki informacji są dalekie od idei cudotwórczego bóstwa, które z prochu powołuje życie do istnienia. Ale jeśli pojawienie się życia, a być może także umysłu, zostanie wpisane w podstawowe prawa natury, nadałoby to naszej egzystencji w formie żywych, myślących istot znaczenie w skali kosmicznej. Przed Darwinem powszechnie wierzono, że życie zostało stworzone przez Boga. Dziś większość ludzi akceptuje pogląd, że miało ono naturalistyczne pochodzenie. To prawda, naukowcom brakuje pełnego wyjaśnienia sposobu, w jaki życie wyłoniło się z materii nieożywionej. Jednak powoływanie się na cud stworzenia prowadzi w pułapkę. Ta koncepcja wymagałaby kosmicznego demiurga, który czasem interweniuje, zmieniając położenie cząsteczek, ale zwykle pozwala im poruszać się zgodnie z ustalonymi prawami. Pogląd, że te metafizyczne rozważania są istotne jedynie dla naukowców, filozofów i matematyków, jest błędny, ponieważ niosą one ogromne konsekwencje związane nie tylko z wyjaśnianiem zjawiska życia, ale również natury ludzkiej egzystencji czy naszego miejsca we wszechświecie.

Czy naukowcy potrzebują wiary w prawa nauki?
– Nie można być naukowcem bez niezachwianej wiary w racjonalny porządek kosmosu.

Fot. Shutterstock

Wydanie: 25/2021

Kategorie: Nauka

Napisz komentarz

Odpowiedz na treść artykułu lub innych komentarzy