Czego się dowiadujemy, zerkając za zasłonę niewidzialności?

CO ZYSKUJEMY, gdy za pomocą nowoczesnej techniki uchylamy kurtyny i patrzymy na rzeczy dawniej niedostępne ludzkim oczom? Możemy dzięki temu znaleźć odpowiedź na pewne od dawna stawiane pytania (patrz ramka poniżej).

Kiedyś powszechnie wierzono, że Ziemia jest środkiem wszechświata. Gdy jednak skonstruowano lunetę, okazało się, że planety, a wraz z nimi Ziemia, w określonym porządku krążą wokół Słońca. W mniej odległych czasach dzięki wynalezieniu bardzo silnych mikroskopów człowiek zbadał atom i zobaczył, jak rozmaite atomy łączą się ze sobą w cząsteczki.

Zastanówmy się nad budową cząsteczki wody — substancji nieodzownej do życia. Ze względu na swe właściwości dwa atomy wodoru wiążą się w szczególny sposób z jednym atomem tlenu i tak powstaje molekuła wody — w każdej kropli są ich miliardy! Czego się dowiadujemy, badając te cząsteczki oraz ich zachowanie w różnych warunkach?

Cud, którym jest woda

Chociaż kropelki wody wyglądają tak zwyczajnie, jest ona bardzo skomplikowaną substancją. Doktor  John Emsley z londyńskiego Imperial College, popularyzator nauki, napisał, że to „jeden z najintensywniej badanych związków chemicznych, wciąż jednak najbardziej zagadkowy”. Pismo New Scientist informuje: „Woda jest najbardziej znaną cieczą na ziemi, a przecież zalicza się do najbardziej tajemniczych”.

Doktor Emsley wyjaśnia, że pomimo prostej struktury wody „nic innego nie zachowuje się w sposób równie skomplikowany”. Oto jeden z podanych przez niego przykładów: „Związek H₂O powinien być gazem (...) tymczasem jest cieczą. W dodatku gdy zamarza (...) wówczas postać stała, czyli lód, unosi się na powierzchni, a nie tonie”, jak można by oczekiwać. Na temat tego niezwykłego zachowania się wody dr Paul Klopsteg, były prezes Amerykańskiego Stowarzyszenia na rzecz Rozwoju Nauki, napisał:

„Wygląda to na genialny projekt mający na celu chronienie roślin i zwierząt wodnych, na przykład ryb. Pomyślmy, co by się stało, gdyby woda nie zachowywała się w ten sposób w temperaturze bliskiej temperatury krzepnięcia. Zamarzałaby tak długo, aż całe jezioro obróciłoby się w lód, co oznaczałoby zagładę większości lub nawet wszystkich żyjących w nim organizmów”. Według doktora Klopstega to osobliwe zachowanie wody „dowodzi, że wszechświat odzwierciedla niezwykłą mądrość i celowe działanie”.

Jak informuje New Scientist, naukowcy sądzą, że poznali przyczynę tego fenomenu. Opracowali pierwszy teoretyczny model, pozwalający dokładnie opisać rozszerzanie się wody. „Tajemnica polega na odpowiednim rozmieszczeniu atomów tlenu wewnątrz struktur [molekularnych]” — twierdzą uczeni.

Czy to nie zastanawiające? Cząsteczka o tak prostej z pozoru budowie rzuca wyzwanie ludzkiej zdolności pojmowania. I pomyśleć, że woda stanowi większą część masy naszego ciała! Czy w cudowności tego związku dwóch pierwiastków — molekuły utworzonej z trzech atomów — nie dostrzegamy ‛niezwykłej mądrości i celowego działania’? A przecież cząsteczka wody jest bez porównania mniejsza i mniej skomplikowana niż wiele innych molekuł.

Wielce skomplikowane cząsteczki

Niektóre cząsteczki zbudowane są z tysięcy atomów różnych pierwiastków występujących na Ziemi (których w sumie jest 88). Na przykład cząsteczka DNA (kwasu deoksyrybonukleinowego), będąca nośnikiem kodu genetycznego wszystkich organizmów żywych, może się składać z milionów atomów kilku pierwiastków!

Pomimo takiej niewiarygodnej złożoności cząsteczka DNA ma w przekroju tylko 0,0000025 milimetra średnicy — o wiele za mało, by można ją było zobaczyć. Trzeba się w tym celu posłużyć bardzo silnym mikroskopem. Dopiero w roku 1944 naukowcy odkryli, że za pomocą nadzwyczaj złożonej cząsteczki DNA określane są cechy dziedziczne człowieka, co dało początek intensywnym jej badaniom.

Ale cząsteczki DNA i wody to tylko dwie spośród najrozmaitszych molekuł, z których zbudowany jest świat. Ponadto wiele molekuł jest budulcem zarówno przyrody żywej, jak i nieożywionej — czyżby stąd wynikało, że jedną od drugiej dzieli tylko krok?

Przez długi czas tak sądzono. „Zwłaszcza w latach dwudziestych i trzydziestych sporo autorytetów wyrażało nadzieję, że postęp wiedzy biochemicznej rzuci most nad tą przepaścią” — pisze mikrobiolog Michael Denton. Co się jednak z biegiem czasu okazało?

Życie jest wyjątkowe i niepowtarzalne

Nauka spodziewała się znaleźć jakieś ogniwa, czyli ciąg etapów pośrednich między materią żywą a nieożywioną, lecz jak wyjaśnia Denton, „dzięki rewolucyjnym odkryciom biologii molekularnej z początku lat pięćdziesiątych udokumentowano” istnienie wielkiej przepaści. Na temat tej bardzo ważnej prawdy, która stała się oczywista dla naukowców, Denton napisał:

„Wiemy teraz nie tylko to, że między światem żywym a nieożywionym istnieje luka, ale także to, że chodzi o jeden z najbardziej uderzających, radykalnych braków ciągłości w naturze. Między żywą komórką a najwyżej zorganizowanym układem niebiologicznym,  takim jak kryształ czy płatek śniegu, rozciąga się niewiarygodnie wielka, nieprzebyta przepaść”.

Nie znaczy to, że utworzenie jakiejkolwiek cząsteczki jest proste. W pewnej książce wyjaśniono, że „już synteza małych molekularnych cegiełek jest skomplikowana” (Molecules to Living Cells). Ale powiedziano tam również, że „jest to dziecinna zabawa w porównaniu z procesami, które musiały zostać uruchomione, by powstała pierwsza żywa komórka”.

Komórki mogą istnieć jako oddzielne organizmy, na przykład bakterie, albo stanowić elementy składowe organizmów wielokomórkowych, do których zalicza się nasze ciało. Żeby zapełnić powierzchnię kropki na końcu tego zdania, potrzebnych by było jakieś 500 średniej wielkości komórek. Nic dziwnego, że funkcjonowanie komórki jest niewidoczne dla naszego wzroku. A co widać pod mikroskopem, gdy się patrzy na pojedynczą komórkę ludzkiego ciała?

Komórka — przypadek czy wynik projektowania?

Zastanawiając się nad złożonością żywych komórek, trudno się oprzeć zdumieniu. Pewien popularyzator nauk ścisłych pisze: „Normalny rozwój żywej komórki, choćby najmniej skomplikowanej, wymaga dziesiątków tysięcy reakcji chemicznych, przebiegających w ustalonym porządku”. Pyta: „Jak to możliwe, by w maleńkiej komórce jednocześnie zachodziło w sposób kontrolowany aż 20 000 reakcji?”

Michael Denton napisał, że nawet najmniejsza komórka „jest jakby mikroskopijną fabryką — pracuje w niej wymyślna aparatura molekularna zbudowana z tysięcy znakomicie zaprojektowanych części, złożonych w sumie ze stu miliardów atomów; jest więc o wiele bardziej skomplikowana niż jakiekolwiek urządzenie skonstruowane przez człowieka i w świecie nieożywionym nie ma nic równego sobie”.

Jak poinformował dziennik The New York Times z 15 lutego 2000 roku, złożoność komórki przyprawia naukowców o zawrót głowy:  „Im więcej biolodzy wiedzą o żywej komórce, tym trudniejsze wydaje im się opisanie wszystkich jej funkcji. Średniej wielkości komórka ciała ludzkiego jest za mała, by ją zobaczyć, a jednak w każdej chwili może zostać zablokowanych lub odblokowanych nawet do 30 000 spośród 100 000 jej genów, w zależności od potrzeb samej komórki lub w odpowiedzi na sygnały docierające z innych komórek”.

W artykule zadano pytanie: „Czy kiedykolwiek zdołamy poznać mechanizm tak miniaturowy, a zarazem tak skomplikowany? A jeśli nawet za cenę ogromnego wysiłku uda się dokładnie zrozumieć funkcjonowanie jednej komórki naszego ciała, to pamiętajmy, że jest ono utworzone przynajmniej z 200 typów komórek”.

Pismo Nature, w artykule „Prawdziwe silniki w przyrodzie”, donosi o odkryciu maleńkich silniczków wewnątrz każdej komórki ciała, pracujących po to, by wytworzyć kwas adenozynotrifosforowy (ATP), źródło energii potrzebnej komórkom. Pewien naukowiec marzy: „Czego to można by dokonać, gdyby się nauczyć projektować i budować mechanizmy molekularne wzorowane na istniejących w komórce?”

Pomyślmy o niezwykłym potencjale tkwiącym w komórce: informacje zawarte w DNA jednej zaledwie ludzkiej komórki zapełniłyby około miliona stron takich jak ta! A przy każdym podziale komórki macierzystej identyczne informacje są wprowadzane do komórki potomnej. Kto umieścił te informacje w każdej ze 100 bilionów komórek naszego ciała? Czy to się stało przez przypadek, czy za sprawą genialnego Projektanta?

Być może dojdziemy do tego samego wniosku, co biolog Russell Charles Artist, który powiedział: „Próbując wyjaśnić powstanie i sprawne funkcjonowanie [komórki], natrafiamy na wielkie, zgoła nieprzezwyciężone przeszkody, jeśli w zgodzie z logiką i faktami nie przyznamy, że mamy do czynienia z dowodami mocy sprawczej jakiegoś intelektu, rozumu”.

Zdumiewające uporządkowanie

Przed laty Kirtley F. Mather, ówczesny profesor geologii na Uniwersytecie Harvarda, wyraził następującą opinię: „Wszechświatem, w którym żyjemy, nie rządzi przypadek ani kaprys, lecz Prawo i Porządek. Jest on rządzony rozsądnie, w sposób zasługujący na najwyższy szacunek. Dowodzi tego choćby zadziwiające matematyczne uporządkowanie świata przyrody, które pozwala każdy pierwiastek oznaczyć kolejną liczbą atomową”.

Zastanówmy się przez chwilę nad tym „zadziwiającym matematycznym uporządkowaniem świata przyrody”. Starożytni znali takie pierwiastki, * jak złoto, srebro, miedź, cynę czy żelazo. Średniowieczni alchemicy odkryli arsen, bizmut, antymon, a w XVIII wieku stwierdzono istnienie wielu innych pierwiastków. W roku 1863 jako sześćdziesiąty trzeci na tej liście odkryty został ind, dzięki wykorzystaniu spektroskopu — przyrządu do badania niepowtarzalnego widma światła emitowanego przez pierwiastki.

W tym czasie rosyjski chemik Dmitrij Iwanowicz Mendelejew doszedł do wniosku, że pierwiastki nie powstały w sposób nieuporządkowany. Dnia 18 marca 1869 roku członkowie Rosyjskiego  Towarzystwa Chemicznego zapoznali się z jego traktatem „Zarys układu pierwiastków”. Ogłosił w nim: „Pragnę wprowadzić pewien układ, w którym pierwiastki nie są rozmieszczone przypadkowo, (...) lecz według wyraźnej, przejrzystej zasady”.

W tej słynnej rozprawie Mendelejew przewidywał: „Powinniśmy dalej oczekiwać odkrycia wielu nieznanych ciał prostych, na przykład podobnych do glinu i krzemu, pierwiastków o masie atomowej od 65 do 75”. Na te nieznane pierwiastki Mendelejew zostawił 16 wolnych miejsc. Kiedy poproszono o jakieś dowody na poparcie jego przewidywań, odrzekł: „Nie potrzeba żadnych dowodów. Prawa natury, w przeciwieństwie do praw gramatyki, nie znają wyjątków”. Powiedział też: „Myślę, że kiedy moje nieznane pierwiastki zostaną już odkryte, więcej ludzi zwróci na nas uwagę”.

I tak się rzeczywiście stało! „W ciągu następnych 15 lat odkrycie galu, skandu i germanu, których właściwości były bardzo zbliżone do określonych z góry przez Mendelejewa, potwierdziło zgodność układu okresowego pierwiastków z faktami oraz ugruntowało sławę jego twórcy” — informuje The Encyclopedia Americana. Na początku XX wieku wszystkie istniejące pierwiastki były już odkryte.

Trudno nie zgodzić się z chemikiem Elmerem W. Maurerem, że „to cudowne uporządkowanie nie może być dziełem przypadku”. O możliwości zaistnienia takiego idealnego porządku przez zwykły przypadek profesor chemii John Cleveland Cothran powiedział: „Późniejsze odkrycie wszystkich przepowiedzianych [przez Mendelejewa] pierwiastków, jak również to, że ich własności były niezwykle zbieżne z jego przewidywaniami, wyklucza taką ewentualność. Toteż jego genialnego uogólnienia nie nazwano ‚możliwością okresowości’, lecz ‚prawem okresowości’”.

Słynny fizyk i wykładowca matematyki na uniwersytecie w Cambridge, Paul Dirac, który badał pierwiastki i podziwiał, że tak idealnie pasują do siebie, tworząc materię wszechświata, podzielił się następującym spostrzeżeniem: „Może dałoby się opisać tę sytuację, gdyby powiedzieć, że Bóg jest wybitnym matematykiem i że przy konstruowaniu wszechświata posłużył się nader zaawansowaną wiedzą matematyczną”.

Jakie to ciekawe — zajrzeć do niewidocznego świata niewyobrażalnie małych form: atomów, cząsteczek i komórek albo popatrzeć na gigantyczne galaktyki, znajdujące się daleko poza zasięgiem oka nie uzbrojonego w przyrządy optyczne! To uczy pokory. A jakie jest twoje zdanie? Odbiciem czego są dla ciebie te twory? Czy dostrzegasz więcej, niż widzi twój fizyczny wzrok?

[Przypis]

[Ramka i ilustracje na stronie 5]

Za szybko, żeby dostrzec okiem

Galopujący koń porusza się tak prędko, że w XIX wieku zastanawiano się, czy w ogóle są chwile, kiedy jednocześnie odrywa od ziemi wszystkie cztery kopyta. W roku 1872 Eadweard Muybridge rozpoczął eksperymenty fotograficzne, które później rozstrzygnęły tę kwestię. W rezultacie wynalazł technikę zdjęć filmowych przyśpieszonych.

Muybridge uszeregował w pewnych odstępach zespół 24 kamer. Od wyzwalacza migawki każdej z nich przeciągnął sznurek w poprzek toru wyścigowego. Galopujący koń uderzał kolejno w sznurki i wyzwalał migawki. Analiza serii zdjęć wykazała, że chwilami koń zupełnie odrywa się od ziemi.

[Prawa własności]

Za zgodą George Eastman House

[Ilustracja na stronie 7]

Dlaczego lód nie tonie, lecz pływa po wierzchu?

[Ilustracja na stronie 7]

Cząsteczka DNA ma w przekroju tylko 0,0000025 milimetra średnicy, lecz zawarte w niej informacje zapełniłyby około miliona stron

[Prawa własności]

Komputerowy model DNA: Donald Struthers/Tony Stone Images

[Ilustracja na stronie 8]

W każdej ze 100 bilionów komórek naszego ciała zachodzi w ustalonym porządku dziesiątki tysięcy reakcji chemicznych

[Prawa własności]

Copyright Dennis Kunkel, University of Hawaii

[Ilustracje na stronie 9]

Rosyjski chemik Mendelejew doszedł do wniosku, że pierwiastki nie powstały w sposób nieuporządkowany

[Prawa własności]

Za zgodą National Library of Medicine