A földi életnek értelmet adó keret
Negyven évvel a Frankenstein megjelenése után, 1859 novemberében A fajok eredetében Charles Darwin megadta a szükséges fogalmi kereteket az élet eredetének tudományos igényű vizsgálatához, éppúgy, ahogy Einstein általános relativitáselmélete a Világegyetem eredetének tanulmányozásához. Darwin felismerte a Földön élő különböző fajok sokféleségét és azt, hogy ez a „végtelenül sokféle és csodálatos forma”, ahogyan ő figyelemre méltó módon nevezte, kapcsolatban áll egymással. Ma már tudjuk, hogy ez valóban így van, Darwin részéről azonban ez az elképzelés gyökeresen újszerű volt, tulajdonképpen egy zseni nagyszerű ötlete, ha figyelembe vesszük, hogy abban az időben milyen kevés bizonyíték állt a rendelkezésére. Mindamellett képes volt ezt a következtetést levonni, és olyan mechanizmust tudott javasolni, amelynek révén a régebbi fajokból újabbak alakulnak ki: a természetes kiválasztódás irányította evolúciót.
Egy adott populáción belül mindig létrejön a genetikai változékonyság, ami - mint ma már tudjuk - a genetikai kódban bekövetkező mutációknak, a gének ivaros szaporodás miatti keveredésének és számos más tényezőnek a megnyilvánulása. Mivel a szervezetek átadják génjeiket az utódaiknak, ezért a géneknek azok a kombinációi, amelyek lehetővé teszik a szervezet hosszú távú létezését, gyakoribbá válnak a populáción belül. Ily módon a populációk a környezetükkel és a más élőlényekkel való kölcsönhatásaik következtében nagyon gyorsan átalakulnak. Ha valamely populáció kettéválik, részei messze kerülnek egymástól, és már csak alig van vagy egyáltalán nincs kölcsönhatás a két rész között. Ilyenkor az említett folyamatok hatására genetikailag, fizikai formájukat és viselkedésüket tekintve eltávolodnak egymástól, így új fajok alakulnak ki. Az elkülönülés lehet földrajzi, mint a különböző szigeteken, például Madagaszkáron talált egyedi fauna és flóra esetében, de előállhat olyankor is, ha valamely élőhelyen eltérő környezeti feltételek adódnak.
Ha elfogadjuk, hogy a fajok nem teljesen kifejlődve jelennek meg, nem maradnak változatlanok, és elkerülhetetlenül új fajokká fejlődnek, ha térben és időben egymástól elkülönülve eltérő szelekciós nyomásnak vannak kitéve, akkor legalábbis lehetséges, hogy minden élőlénynek valamikor a múltban lehetett egy közös őse. Amint Darwin megfogalmazta: „Ezen analógia alapján arra a következtetésre jutottam, hogy minden élőlény, amely valaha a Földön élt, egyetlen ősi formából származhatott, amelyben először jött létre az élet”.
Darwin nem tudta, hogy helyes-e a feltevése, azt viszont tudta, hogy ez így lehetséges. Barátjának és kollégájának, Joseph Hookernek írt levelében ennél is tovább ment, és azon töprengett, hogy a földi élet talán valamilyen ősi, „meleg kis tócsában” jöhetett létre. Állítólag az indította meg a fantáziáját, amit egy kísérletről olvasott, amelyben bemutatták, hogy egyes penészgombák túlélik a forralást.
„ Gyakran mondják, hogy jelenleg is léteznek azok a viszonyok, amelyek az első eleven organizmusok kialakulásához szükségesek, és amelyek mindig is léteztek. Ám ha (és ó, micsoda ha!) valamely meleg kis tócsában benne van minden ammónia- és foszforsó; van fény, hő, elektromosság és egyebek ahhoz, hogy kémiai úton kialakuljon egy olyan fehérjevegyület, amely kész további, még bonyolultabb változásokra, akkor ez az anyag ma azonnal elpusztul és felszívódik, aminek nem szabadna megtörténnie az eleven teremtmények kialakulása előtt.”
(Kelemen László fordítása, in: Richard Dawkins: A legnagyobb mutatvány)
Nehéz túlbecsülni annak a jelentőségét, milyen merész kijelentést tett ezzel Darwin, és mennyire a jövőbe látott. A fenti sorokat ugyanis 1859-ben írta, három évvel korábban, mint ahogy Lord Kelvin a kor fizikai ismeretei alapján kijelentette, hogy a Nap és következésképpen a Föld nem lehet 30 millió évesnél idősebb. Ennek a problémának a megoldását a 4. fejezetben fogjuk tárgyalni. Nagyon nehéz elképzelni, miként alakulhat ki az élettelen építőelemekből valamilyen primitív, egysejtű szervezet, majd az hogyan fejlődhet néhány millió év alatt a természetes kiválasztódás működése eredményeképpen emberi lénnyé. Néhány milliárd év esetében viszont már egészen más a helyzet. Darwin, mint kiderült, nagyon helyesen úgy döntött, figyelmen kívül hagyja a fizikusok véleményét. Az évek múlásával egyre sokasodtak a „meleg, kis tócsa” ötletét alátámasztó bizonyítékok, vagyis ebben a geológiai inkubátorban „jöttek létre az első teremtmények, a megszámlálhatatlanul sok kihalt és ma is élő leszármazottak ősei.”
Ha tágabb értelemben fel akarjuk vázolni Darwin „meleg tócsájának” mint az első földi élőlények inkubátorának a tudományos képét, akkor tisztáznunk kell, milyen fizikai viszonyok uralkodhattak bolygónkon abban az időben, amikor az élet megjelent. Emellett bizonyítékokat kell keresnünk a legősibb élőlényekre, hogy megtudjuk, milyen messzire kell visszamennünk az időben. A fizikusok egyik kedvenc kifejezésével élve, ez nem triviális, mert abban az egyben egészen biztosak lehetünk, hogy mindez nagyon-nagyon régen történt.
A nyugat-ausztráliai Márvány-zátony (Marble Bar) környéki homokkő üledékek mikrofosszíliáinak elemzése szilárd bizonyítékot szolgáltat arra, hogy a földi élet 3,4 milliárd évvel ezelőtt már létezett. Ezek a megkövesedett objektumok a fényképeken természetesen élő sejtek maradványainak látszanak, a látszat azonban néha csal. Szerencsére az ősi struktúrákat kémiai elemzésnek is alávetették, és ennek alapján azokban a biológiai eredetre utaló jellegzetességeket találtak. A szén különböző izotópjainak koncentrációja a struktúrákban biológiai szempontból jelzés értékű részletnek (biomarker) tekinthető. A szén atommagjában hat proton, leggyakoribb izotópjában emellett hat neutron helyezkedik el. Ezt nevezzük szén-12 (12C) izotópnak. A természetben előfordul, a szén másik izotópja is amelynek magjában hét neutron van, ez az úgynevezett szén-13. Az élőlények a szén-12 izotópot részesítik előnyben, ezért a biológiai folyamatok eredményeképpen létrejött szénüledékek a könnyebb izotóp enyhe többletét mutatják. Ez a helyzet a Marble Bar-struktúrában is. A feltételezett sejtfalakban magas nitrogénkoncentrációt mértek, ami szintén a biológiai eredetre enged következtetni. A legtöbb biológus elfogadja, hogy ezek és a más lelőhelyekről származó hasonló minták szilárd bizonyítékként szólnak amellett, hogy 3,4 milliárd évvel ezelőtt nagy tömegben éltek a Földön a prokariótáknak nevezett egysejtű szervezetek.
Az ismert legrégebbi objektumokat a Földön Nyugat-Ausztrália egy távoli területén fedezték fel, Perthtől északra. Figyelmet érdemel, hogy a minták biológiai bizonyítékokat tartalmaznak. A cirkon a vulkáni kőzetekben előforduló kristály. Bár általában nem nagyobb egy homokszemnél és látványa sem különösebben megkapó, a tudományos értéke rendkívüli, mert csaknem elpusztíthatatlan időkapszulák, amelyek saját belső órát tartalmaznak.
Amikor a hűlő lávából kialakulnak a cirkon kristályai, azokba bezáródnak a légkört alkotó gázkeverék parányi buborékjai. A kristályszerkezetbe radioaktív uránatomok is beépülnek, ezért az urán—ólom kormeghatározásnak nevezett, rendkívül pontos módszerrel néhány millió év pontossággal meg lehet állapítani a kristályok keletkezésének időpontját. A Jack Hills dombvonulatban lévő Erawandoo Hillről származó minta korát nemrég 4404 ± 8 millió évesnek mérték, így ez az ismert legősibb földi objektum. A Föld kora 4540 ± 50 millió év, vagyis ezek a kristályok akkor alakultak ki, amikor a fiatal Föld még kihűlőfélben volt. A kristályba záródott gázok elemzése meglepő eredményt adott, ami megkérdőjelezi azt a széles körben elfogadott vélekedést, amely szerint a fiatal Föld pokoli hely volt, ahol bugyborékolt a láva, a légkört pedig mérgező gázok alkották. Kiderült, hogy amikor az ősi cirkonkristályok egy része létrejött, akkor a Föld már kék bolygó lehetett, folyékony vízzel a felszínén. A légkörben még csak kevés oxigén volt jelen, ami nem meglepő, hiszen a légköri oxigén legfőbb forrása a fotoszintézis. Ettől eltekintve azonban az ősi légkör a maihoz hasonlónak tűnik, amelyben bőségesen megtalálható volt a nitrogén, továbbá a szén-dioxid és a vízgőz, a vulkáni aktivitás következtében pedig a kén-dioxid koncentrációja is magas volt. Ez az új bizonyíték arra enged következtetni, hogy a fiatal Föld hőmérséklete mérsékelt lehetett, felszínén stabil óceánok hullámzottak, a bolygót pedig a jól ismert légkör vette körül.
2015 novemberében a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetem és a Stanford Egyetem kutatói több mint tízezer, a Jack Hills területről származó, 4,1 milliárd évesnél idősebb cirkonkristály elemzése alapján publikáltak egy cikket. A cirkonban szénlerakódást találtak, és akárcsak a Márvány-zátony mintái esetében, a 1C és a l3C izotópok egymáshoz viszonyított mennyisége ebben az esetben is biológiai eredetre utalt. Az eredmény meglepő, amint azt a kutatócsoport egyik tagja, Mark Harrison megjegyezte, hiszen még húsz évvel ezelőtt is csaknem eretnekségnek számított volna azt állítani, hogy egymilliárd évvel a Föld keletkezése után már létezett rajta az élet. Ha a cirkon vizsgálatából származó legújabb eredmények helytállóak, akkor Harrison szavaival „az élet talán szinte azonnal megjelent”, vagyis a földi bioszféra már 4,1 milliárd évvel ezelőtt kifejlődhetett.
Az egyre gyarapodó bizonyítékok, amelyek szerint az élet szinte azonnal létrejött a Földön, mihelyt arra lehetőség volt, azt az érzést keltik bennünk, mintha elkerülhetetlen lenne az átmenet a kémiából a biológiába. Ez természetesen szubjektív ítélet, mert bizonyítékként csak egyetlen bolygót tudunk felsorakoztatni, márpedig egy egyetlen elemből álló mintából nehéz erős lábakon álló következtetéseket levonni. Ez egy további ok, amiért a Marson vagy a Jupiter és a Szaturnusz holdjain, netalán a közeli csillagok körül keringő exobolygókon oly fontos az élet nyomainak keresése. A Naprendszeren kívüli bolygók kutatásáról bővebben lesz majd szó a 4. fejezetben. Mindezt figyelembe véve, érdekes az a megállapítás, amely szerint az élet „szinte azonnal” megjelent a Földön. Christian de Duve Nobel-díjas belga biokémikus érvelése szerint a kémiai reakciók vagy nagyon gyorsan lejátszódnak, vagy egyáltalán nem. Minthogy a biológia valójában kémiai folyamatokat jelent, ezért ha fennállnak a megfelelő körülmények, akkor ebből az következik, hogy a biológia vagy nagyon gyorsan megjelenik, vagy egyáltalán nem. A nyugat-ausztráliai cirkon vizsgálatával kapott eredmények alátámasztani látszanak ezt az elgondolást.
Az elképzelés, miszerint az élet az élettelen összetevők leveséből talán egyszerűen „berobbant a létezésbe” vagy magától értetődőnek, vagy pedig nevetségesnek tűnhet az önök számára. A XIX. század közepén a tudomány legjelesebb képviselői közül néhányan nagyon határozottan azok közé tartoztak, akik nevetségesnek találták az ötletet. Az élet élettelen anyagból keletkezésének lehetősége, az úgynevezett spontán keletkezés már Arisztotelész kora óta újra meg újra felbukkant. Nem tűnt teljes képtelenségnek, hiszen úgy látszott, mintha a nyüvek teljesen kifejlődnének a rothadó húsból. Számos kísérletet végeztek, a leghíresebbeket Louis Pasteur, majd később John Tyndall, amelyek cáfolni látszottak az elképzelést és elvezettek az úgynevezett biogenezis törvényéhez; eszerint élőlények csak más élőlényekből jöhetnek létre. Amint Pasteur a kísérleteiről írva 1864-ben meglehetősen szerénytelenül megfogalmazta: „A spontán keletkezés tana soha nem tud feltápászkodni abból a halálos csapásból, amelyet ezek az egyszerű kísérletek mértek rá”, és „azokat, akik ezt másképp gondolják, félrevezették a gyengén összeállított kísérleteik és az azokban elkövetett hibák, amelyeket sem észrevenni, sem pedig elkerülni nem tudtak”.
Megállapításában azonban összekeveredik egy önálló, komplex szervezet, például egy nyű, vagy akár csak egy baktérium spontán keletkezése az élet alapvető biokémiájának spontán keletkezésével - ami tulajdonképpen érthető, ha valaki nem ismeri azokat a bonyolult mechanizmusokat, amelyek révén a komplex élőlények kifejlődnek az egyszerűbbekből. Darwin természetes kiválasztódáson alapuló evolúciós elméletének számos érdeme közül pontosan az az egyik, hogy leír egy ilyen mechanizmust, és amint arra Darwin rájött, ez a mechanizmus legalábbis a lehetőségek szintjére emeli a spontán keletkezést, mert kijelenti, hogy az élet egyszerű formában keletkezhetett. Nem tudom, miért nem figyelt fel Pasteur A fajok eredetére, amely mű öt évvel azelőtt jelent meg, amikor az idézett, kategorikus kijelentéseit tette, és kiutat jelent az ott jelzett problémából. A végső szó kimondását a tudománytörténészekre hagynám, de talán Pasteur nem is olvasta Darwin könyvét.
Az, hogy Pasteur határozottan elutasította a spontán keletkezés elméletét, másokra is hatással lehetett, ezért a rá következő fél évszázadban a földi élet eredetének kutatása nem tartozott a divatos témák közé. Túlzás lenne azt állítani, hogy az élet eredetének keresése azért került vissza a rangos tudományos körökbe, mert az 1920-as években néhány év különbséggel két tekintélyes tudósnak egy-egy zseniális tanulmánya jelent meg a témában, de természetesen tény, hogy a két dolgozat megjelenése pontosan jelzi az addig szunnyadó érdeklődés ébredését. Mindkét dolgozatnak „Az élet eredetéről” a címe. Az elsőt 1922-ben Alekszandr Oparin orosz biokémikus írta, de csak 1967-ben fordították angolra. A másik dolgozat szerzője a saját útját járó, önmagán kísérleteket végrehajtó biológus, J. B. S. Haldane volt; cikke 1929-ben a Rationalist Annual című folyóiratban jelent meg. Haldane jellemzésére nehéz jelzőket találni, maradjunk talán egyszerűen az „éleselméjű” minősítésnél. Legkedvesebb, vele kapcsolatos történetem szerint perforálódott a dobhártyája, amikor egy barokamrában (dekompressziós kamrában) saját magán vizsgálta az oxigénszint változásának hatását az emberi szervezetre. Haldane megjegyezte: „A dobhártya rendszerint begyógyul; de ha megmarad egy kicsiny lyuk, akkor ugyan az ember kissé megsüketül, viszont a cigarettafüstöt ki tudja fújni a szóban forgó fülén keresztül, ami társaságban felettébb szórakoztató lehet.”
Egyik tudós sem ismerte a másik munkáját, mégis tanulmányaik sokatmondó érvelése végén hasonló következtetésre jutottak. Mindketten felteszik azt a nyilvánvaló kérdést, amely Pasteur állítása nyomán vetődik fel, miszerint az élet csak életből jöhet létre. Oparin erről így ír:
Louis Pasteur pasztörizálási kísérlete azt igazolja, hogy a folyadék megromlását nem maga a levegő, hanem a levegőben lévő részecskék okozzák. Ezek a kísérletek a betegségek csíraelmélete mellett szóló fontos bizonyítékot jelentettek.
„Pasteur kísérlete kétséget kizáróan bebizonyította, hogy a mikrobák spontán keletkezése mindig valamilyen szerves közegben történik. Minden élő szervezet csírákból fejlődik ki, tehát azt állíthatjuk, hogy létezésüket más élőlényeknek köszönhetik. De vajon hogyan jöttek létre az első élőlények? Hogyan alakult ki az élet a Földön?"
Mindkét szerző felveti, de egyúttal el is veti azt az elgondolást, hogy az élet esetleg a Földön kívülről eredhet. Amint már megírtam, a feltevés akár helytálló is lehet, mégsem tekinthető hasznos munkahipotézisnek, mert mint Oparin megjegyzi, „ez csak a földi élet keletkezésére ad választ, arra viszont nem, miként jöhetett létre általánosságban az élet”.
Oparin ezután rátér a biológia és a kémia közötti különbségre:
„ Van-e logikai alapon jogunk elfogadni az alapvető különbséget az élő és a holt között? Találhatók-e a bennünket körülvevő világban olyan tények, amelyek arról győznének meg, hogy az élet örökké létezett, és arról, hogy oly csekély közösséget mutat a holt anyaggal, hogy soha, semmilyen körülmények között sem alakulhatott ki vagy származhatott abból?"
Válasza egyértelműen nem.
„Az élő szervezetek sajátos jellemzője, hogy bennük számos olyan tulajdonság és jellegzetesség rendkívül bonyolult kombinációja gyűlik össze és integrálódik, amelyek egymástól elszigetelten a különféle holt, szervetlen testekben is jelen vannak. Az életnek nincs egyetlen saját jellemzője, ehelyett ezeknek a tulajdonságoknak a meghatározott, specifikus kombinációja jellemzi.”
Haldane tömörebben fogalmaz:
„Az élő és a holt anyag közötti kapcsolatot valahol a sejtek és az atomok szintje között kell keresni.”
Ez a kijelentés nagyon fontos. Ha fizikai jelenségként akarjuk megérteni az életet, akkor félre kell tennünk azokat a téma szempontjából lényegtelen bonyodalmakat, amelyeket emberi élettapasztalatunk hoz magával. Nem a tudatosságra, az érzelmek eredetére, az erkölcsre, a jóra és a rosszra vonatkozóan teszünk fel kérdéseket, mint ahogy az élet által létrehozott más, végtelenül bonyolult dolgok sem érdekelnek. Csak az atom és egyetlen sejt közötti különbségre figyelünk, és arra, milyen körülmények közt képesek az atomok összegyűlni és olyan struktúrákba rendeződni, amelyeket élőként ismerhetünk fel.
Haldane és Oparin esszéi abból a szempontból is tanulságosak, hogyan kell körültekintően gondolkozni egy nehéz problémán, ugyanakkor figyelemre méltó, fejtegetéseik mennyire előrevetítik az élet eredetére vonatkozó mai felfogásunkat, különösen akkor, ha figyelembe vesszük, milyen korlátozott biokémiai ismeretek álltak annak idején a rendelkezésükre. A hibajavítás és a fotoszintézis részleteit a legjobb esetben is csak vázlatosan ismerték, a DNS felfedezésére pedig még egy kutatói generációváltásnyit kellett várni. Az élet kialakulásának helyszíneként mindkét tanulmány az „ősi” vagy „primitív” óceánt említi, ahol Oparin szavaival „a szerves anyagok egyes összetevői a vízben lebegve találkoztak és egyesültek egymással”, majd Haldane-nel folytatva, „elérték a meleg és híg leves állapotát”.
A „prebiotikus leves” ötlete, vagyis Darwin meleg, kis tócsája, amely elősegíti az egyre összetettebb szerves vegyületek fokozatos kifejlődését a reakcióképes légkör jelenlétében, és amely az energiát az ibolyántúli sugárzásból nyeri, talán a hétköznapi legszélesebb körben elterjedt kép az élet eredetéről. Ez részben annak a híres kísérletnek köszönhető, amelyet 1953-ban hajtott végre Harold Urey Nobel-díjas vegyész és doktrandusza, Stanley Miller a Chicagói Egyetemen. Talán nem meglepő, hogy a Urey-Miller-kísérlet azonnal megragadta a laikusok figyelmét, jócskán elhomályosítva egy másik, ugyanabban az évben történt felfedezést: azt, hogy Crick és Watson felismerték a DNS szerkezetét. Haldane azzal fejezte be a tanulmányát, hogy felvázolt egy életszerű és meggyőző képet arról, amit el akartak érni: "A fenti következtetések spekulatívak. Ez egészen addig így marad, amíg nem sikerül élő teremtményeket szintetizálnunk a biokémiai laboratóriumunkban. Ettől a céltól azonban még nagyon messze járunk.”
Urey és Miller egy ötliteres, sterilizált üveglombikban elkészítették az ősi óceán modelljét. A lombikba metánt, ammóniát és hidrogént töltöttek, így utánozták azt, amilyen feltételezésük szerint a fiatal Föld erősen reakcióképes, redukáló légköre lehetett. Egy elektródapár tagjai között folyamatosan szikrákat keltettek a lombikban, ezzel utánozva a villámokat. A kísérletben létrejövő „levest” ezután egy hidegebb, az ősi óceánt utánzó palackba vezették, amelyből ki tudták vonni a vizsgálatnak alávetett mintákat. A kísérleti berendezés képe a küvetkező ábrán látható.
Stanley Miller kísérleti berendezésében egy metánt, ammóniát és hidrogént tartalmazó edény szimulálta a Föld redukáló légkörét, egy meleg vízzel töltött edényben vízpárát állított elő, az elektródákkal pedig a villámlást utánozta. Az „őslevest" innen elvezette a zárt rendszerbe, ahol lehűtötte és az alul lévő csapdában lecsapatta.
Egyetlen napnak kellett csak eltelnie, és az ősóceán palackba zárt modellje izgalmasan rózsaszín árnyalatúra színeződött. A kísérleti berendezést több mint egy héten keresztül folyamatosan működtették, majd a sterilizált lombikba zárt óceánt megvizsgálták, a szerves élet nyomait keresve benne. Urey és Miller aminosavakat találtak, vagyis az élet alapvető összetevőit jelentő fehérjék építőelemeit. A közvélemény óriási lelkesedéssel reagált a kísérlet eredményére; Miller 1953-ban a Time magazin címlapjára került, miközben Cricknek és Watsonnak meg kellett elégedniük a Nature kevésbé feltűnő oldalaival. Könnyen belátható, miért. A Urey-Miller-kísérlet a mikrobiológiai Frankenstein minden ismertetőjegyét magán viselte; az élet alapvető építőköveit elektromos szikrákkal élettelen atomokból hozták létre. Talán ha a levest elég hosszú időre magára hagyták volna, valami még ki is mászott volna belőle.
Hatvan év elteltével a Urey-Miller-kísérlet még mindig hosszú árnyékot vet az élet eredetének kutatására. Valószínűleg helyénvaló a kísérlet hatását az árnyékhoz hasonlítani, mivel a Urey-Miller-kísérlet kiinduló feltevései valószínűleg hibásak voltak. A cirkonokból származó bizonyítékok szerint a Föld ősi légkörét nem ammónia, metán és hidrogén reakcióképes keveréke alkotta. Ráadásul felettébb valószínűtlennek tűnik az az elképzelés, amely szerint az aminosavak keverékéből az ibolyántúli sugárzás és a villámok szelíd bökdösésének hatására évmilliók alatt kialakul valami sokkal bonyolultabb dolog, például egy élő sejt. Amint Nick Lane Life Ascending (A felemelkedő élet) című ragyogó könyvében rámutat, ha leveszünk a polcról egy sterilizált leveskonzervet, és néhány millió évre magára hagyjuk, esetleg közben időnként elektromos árammal megpiszkáljuk, akkor semmi más nem történik, csak a levest alkotó molekulák atomjaikra esnek szét. Nem túl valószínű, hogy az eredeti alkotóelemeknél bonyolultabb valami jelenik meg. Ez a fizika, pontosabban a fizika egyik ága, a termodinamika egyik fontos problémája.
Még a legegyszerűbb élő sejt is bonyolult, nagyfokúan rendezett struktúra. A Föld legkisebb élőlényei a Mycoplasma nemhez tartozó baktériumok. Mindössze két tízezred milliméter méretűek, de térfogatuk még így is több mint egymilliárdszor nagyobb egy szénatoménál. Az alapvető biológiai építőelemek számát tekintve, a legegyszerűbb élő sejt a Carsonella ruddii nevű, szimbiotikus baktérium, amely csupán 182 különböző fehérjét tartalmaz. Ez nem túl sok, főleg, ha figyelembe vesszük, hogy többek között le kell másolniuk saját magukat. Ám ezek még így is rendkívül komplex objektumok, amelyek egymással kölcsönható atomok milliárdjaiból épülnek fel.
Az ősleves hipotézisének az a problémája, hogy olyan bonyolult dolog, mint amilyen az élő sejt, nem fog véletlenszerűen előbukkanni egy elszigetelt, lassan gőzölgő pocsolyából, akármilyen hosszú ideig várunk. E kijelentés alapját a természet egyik alapvető törvénye, a termodinamika második főtétele rejti magában. A főtétel kimondja, hogy az idő múlásával a dolgok egyre rendezetlenebbé válnak. Az eltört tojás soha nem forr össze. Az elpusztult madár teste elbomlik. Már nem győzöm számolni, hányszor hívták fel a figyelmemet arra, hogy a néhány évvel ezelőtti sláger, amelynek elkészítésében magam is közreműködtem, „A dolgok csak jobbra fordulhatnak” címe ellentmond a termodinamika második főtételének. Elismerem, valóban ez a helyzet. A dolgok csak rosszabbra fordulhatnak, bármiről legyen is szó.
A termodinamika második főtételét gyakran a következő formában mondják ki:
Zárt rendszerek entrópiája sohasem csökken.
Az entrópiát közelítőleg annak a mértékeként képzelhetjük el, ahányféleképpen a dolgok összetevői elrendeződhetnek, miközben az adott tárgy minden esetben ugyanolyannak látszik. Az entrópia annak a mértéke, mennyire rendezett a rendszer. A nagyobb entrópia rendezettlenebb felépítésnek felel meg, a kisebb entrópia rendezettebbet jelent. Az élőlények rendkívüli mértékben rendezettek. Ezt a definíciót Ludwig Boltzmann osztrák fizikus fejezte ki egy matematikai formulával, amely, a rendszer entrópiájának megállapítására szolgáló kifejezés, és még a Bécsben lévő sírjára is felvésték:
S = kB ln W,
ahol S az entrópia, W az a szám, ahányféleképpen az összetevőket el tudjuk rendezni úgy, hogy összességében ugyanazt a végeredményt adják, kB a Boltzmann-állandónak nevezett arányossági tényező, míg ln a természetes alapú logaritmus jelölése a matematikában. A nagyobb entrópiájú konfiguráció annak felel meg, hogy az összetevőket nagyon sokféleképpen tudjuk elrendezni; kisebb entrópia esetén erre kevesebb lehetőségünk van.
Az eddigieket egy példa világosabbá teszi. Gondoljunk a szobánkban lévő levegőmolekulákra, amelyek véletlenszerűen száguldoznak összevissza a szobában, és ha elég ideig várunk, akkor bárhol azonos valószínűséggel fordulhatnak elő. Nagyon valószínűtlen, hogy egyszerre csak minden molekula az egyik sarokban gyűlik össze, a szoba többi részében pedig tökéletes vákuum uralkodik. Miért van ez így? A válasz egyszerű statisztikai megfontolásból adódik. Célszerű bevezetnem két egyszerű szakkifejezést, amely sokkal világosabbá és könnyebbé teszi a kérdés tárgyalását. Kizárólag ez a mentségem a szakkifejezések használatára.
A molekulák minden egyedi elrendeződését a szobában a rendszer mikroállapotának nevezzük. Ha le akarunk írni egy adott mikroállapotot, akkor ismernünk kell minden egyes levegőmolekula helyét és sebességét. Úgy dönthetünk - nagyon helyesen -, hogy ez nem különösebben érdekel minket. Sokkal jobban érdekel, ami megfigyelhető, például a hőmérséklet és a légnyomás eloszlása a szobán belül. Ez a kevésbé pontosan definiált, de gyakorlati szempontból a szoba állapotára jellemzőbb fogalom a makroállapot.
Ha a levegőmolekulák minden egyes elrendeződése — azaz minden mikroállapot - egyenlő valószínűséggel fordul elő, (Pontosan fogalmazva, ez csak egyensúlyi helyzetben igaz.) akkor ebből az következik, hogy a szoba nagyobb valószínűséggel kerül abba a makroállapotba, amelynek a legnagyobb számú mikroállapot felel meg. Még ha kezdetben minden molekula a szobának ugyanabban a sarkában helyezkedett is el, az idő múlásával egyenletesen ki fogják tölteni a rendelkezésükre álló teret. A rendszerünk mindig azon makroállapot elérésére törekszik, amelyiknek a legtöbb mikroállapot felel meg, vagyis a rendszer entrópiája mindig nő. A Boltzmann-formulában szereplő W mennyiség az adott makroállapothoz tartozó mikroállapotok száma.
Ezt mondja ki a termodinamika második főtétele, amellyel aligha lehet vitába szállni. Erről a fizikus Sir Arthur Eddington egyszer ezt mondta:
„Ha valaki rámutat arra, hogy az univerzumról alkotott kedvenc elméletünk ellentmond Maxwell egyenleteinek — akkor ez a Maxwell-egyenletek baja. Ha megállapítják, hogy ellentmond a megfigyelések eredményének — akkor sincs baj, hiszen ezek a kísérletezők néha összezagyválják a dolgokat. Ha azonban azt állapítják meg, hogy az elmélet ellentmond a termodinamika második főtételének, akkor nincs remény; egyetlen lehetőségünk marad: mélyen megalázva magunkba roskadni.”
Úgy tűnik, mintha az élet ellentmondana a termodinamika második főtételének, hiszen az élőlények nagyon rendezettek. Olyan a makroállapotuk, ami nagyon kevés mikroállapotnak felel meg, ezért nagyon alacsony az entrópiájuk. „Kértelek, Teremtő, hogy sárból embert gyúrj?” (Jánosy István fordítása) Egy 80 kg tömegű agyagcsomó talán minden olyan összetevőt tartalmaz, ami egy emberi lény felépítéséhez szükséges (valójában persze nem, ez csak hasonlat!), de az összetevők legtöbb véletlenszerű összeállítása csak különbözőképpen elrendezett, de egymástól megkülönböztethetetlen agyagcsomókat eredményez. Meglepődnénk, ha kivételes szerencsénknek köszönhetően véletlenül úgy sikerülne elrendeznünk az összetevőket, hogy az adott konfiguráció felüljön, és elkezdjen az élet eredetéről gondolkozni. Az ember a statisztikus szemléleten alapuló józan ész durva megsértésének látszik, a fizikus kétszeresen is, bár rám mondtak már ennél rosszabbat is. A baktérium sem sokkal jobb. Ezt is említettem már. Most azonban tettünk egy kis irodalmi kitérőt, hogy rámutassak a lényegre. Amint már megjegyeztem, nem szabad eltévelyednünk, és megpróbálni azt megmagyarázni, hogyan jöhet létre az ősi anyagból „egyetlen lépésben” egy olyan bonyolult szervezet, mint amilyen egy emberi lény, mert az ember kifejlődése esetében a munka legnagyobb részét a természetes kiválasztódáson alapuló evolúció végezte el. A természetes kiválasztódás nem véletlenszerű folyamat, hanem olyan, amelynek eredményeképpen megdöbbentően gyorsan növekedhet az élőlények komplexitása. Ezzel tehát megvolnánk, ám ahhoz, hogy a természetes kiválasztódáson alapuló evolúció megindulhasson, szükség van valamiféle genetikai kódra, amely átadja az információt a következő generációknak, továbbá szükség van a kapcsolódó fehérjékre és a gének másolásához a megfelelő mechanizmusra. Úgy tűnik, problémába ütköztünk.
Az egyik első tudós, aki mélyen elgondolkozott ezen a látszólagos ellentmondáson, és megoldást is kínált, Erwin Schrödinger volt, aki elsősorban a kvantumelméletet megalapozó munkásságáról ismert. Schrödinger 1943-ban előadás-sorozatot tartott a dublini Trinity College-ban, ahol a következő kérdést tette fel: „Miként tud számot adni a fizika és a kémia azokról a térben és időben lejátszódó eseményekről, amelyek az élő szervezet térbeli határain belül történnek?” A válasz értelmében, amint Schrödinger kifejtette, a szervezet fizikai határain belül történő eseményeket nem érthetjük meg, ha azokat elszigetelt jelenségeknek tekintjük, mert a szervezetek nem elszigetelt rendszerek. Csak akkor érthetők meg, ha figyelembe vesszük a külső környezetükkel fennálló szoros és alapvető kapcsolatukat. Ha megengedik, hogy egyetlen mondatban két irodalmi utalást is tegyek, anélkül, hogy statisztikailag valószínűtlen módon Morrissey-vé válnék, akkor Miltonnal John Donne-t állítanám szembe; a teremtőt nem kérhetjük egyetlen ember összegyúrására, mert egyetlen ember sem önálló sziget.
Ha összeszedünk 7 • 1027 atomot, ahány egy átlagos emberi testet felépít - főként oxigént, szenet, hidrogént, nitrogént, kalciumot, foszfort, káliumot, ként, nátriumot, klórt és magnéziumot -, és azokat egy dobozba zárjuk, akkor az atomok nagy entrópiájú, egyenletes eloszlását kapjuk, hasonlóan ahhoz, ahogy a levegőmolekulák egyenletes eloszlásban betöltik a szobát. Nagyon nehéz lenne rávenni az atomokat arra, hogy „gyűljenek össze az egyik sarokban”, ami megfelel egy emberi lény létrehozásának. Az atomok egy részét persze megpróbálhatjuk rábírni valamilyen struktúra létrehozására, például azzal, hogy egy égő gyufát dobunk a dobozba; ekkor azonban a hidrogén és az oxigén egyesülése eredményeképpen heves robbanást tapasztalunk, és igencsak meglepődnénk, ha eközben egy emberi lény keletkezne.
Mindamellett, egy vízmolekula alacsonyabb entrópiájú elrendeződést jelent a szabadon mozgó két hidrogén- és egy oxigénatomhoz képest, ami ellentmondani látszik a termodinamika második főtételének. Mi történt ebben az esetben? A válasz nagyon fontos. Miközben a kémiai reakció eredményeképpen az atomokból álló rendszer entrópiája csökkent, egyidejűleg jelentős mennyiségű hő szabadult fel. Szakszerűbben fogalmazva, exoterm (hőtermelő) reakció játszódott le. Robbanás történt. A hőt a környezet elnyelte, ami nagyobb mértékben növelte meg a környezet entrópiáját, mint amennyivel a vízmolekulák keletkezése folytán az entrópia csökkent. A teljes rendszert, vagyis a vízmolekulákká alakuló hidrogén- és oxigénatomokat a környezetükkel együtt vizsgálva tehát azt tapasztaljuk, hogy az entrópia - a termodinamika második főtételével összhangban - nőtt.
Termodinamikai szemszögből nézve ugyanígy működnek az élőlények. Ők maguk rendezettebbé válhatnak ugyan, de ennek az az ára, hogy a rendezetlenséget hő formájában átadják a környezetüknek, vagyis az univerzumnak. Miközben ön ezt a könyvet olvassa, folyamatosan rendezetlenséget ad át a környezetének. Ez azt jelenti, hogy puszta létezésünkkel siettetjük minden más létezőnek a pusztulását, vagyis létezésünk miatt hamarabb érkezik el a hőhalálnak nevezett állapot, amikor minden csillag elpusztul, minden fekete lyuk elpárolog, az egész teremtett világ pedig fotonok homogén közegévé válik, amely egyetlen bitnyi információt sem képes tárolni Világegyetemünk egykor volt dicsőséges ifjúkoráról. Azáltal tesszük ezt, hogy a levegőből vett oxigénnel elégetjük az elfogyasztott táplálékunkat. Ez a reakció is exoterm, vagyis eközben rengeteg továbbadható hő fejlődik, méghozzá több mint amennyi kompenzálná tékozló, erőteljesen rendezett testünk átmenetileg alacsony entrópiájú állapotban tartott konfigurációját. Úgy tűnik, mégis Morrissey-vé válok: milyenek az esélyeim?
A hő termeléséhez elengedhetetlenül szükség van a Föld oxigéntartalmú légkörére és az entrópiát exportáló reakciókra, amelyek lehetővé teszik komplex struktúránk fenntartását, és ez döntő jelentőségű. Úgy tűnik, mintha „szembeszállnánk” a termodinamika második főtételével, ám ténylegesen nem erről van szó, hiszen nem elszigetelt rendszerként működünk, hanem egy nagyobb, nemegyensúlyi állapotban lévő rendszer részei vagyunk. Az oxigénlégkör instabil, mert az oxigén - csekély ráhatásra - bármivel készséggel reakcióra lép. Az egyensúlynak ezt a hiányát használjuk ki, hogy létrehozzuk és fenntartsuk saját, erőteljesen rendezett struktúránkat. Ezt mindaddig megtehetjük, amíg van mit belélegeznünk, aminek viszont az az ára, hogy jelentős mennyiségű hőt sugárzunk ki. Olyanok vagyunk, mint egy kis vízimalom, amelyik a vízesés energiáját használja ki a belső szerkezet működtetéséhez. Ha viszont a vízesés kiszárad, a vízikerék leáll, a malom pedig szétkorhad.
Az instabil oxigénlégkör oxigénjét folyamatosan pótolja a fotoszintézis, amely önmagában is a biológia csodája, amint azt a 4. fejezetben részletesebben is szemügyre vesszük. A fotoszintézis termodinamikai szempontból is izgalmas folyamat. A növények és az algák szén-dioxidból és vízből bonyolult cukrokat építenek fel, ami csökkenti a helyi entrópiát, miközben erősen reakcióképes oxigént és hőt enged a légkörbe. Hogyan lehetséges ez? Azért, mert rendelkezésünkre áll a vízesés - amit ebben az esetben a Föld és a Nap felszínének hőmérséklete közötti különbség képvisel. Az egész földi tápláléklánc alapjául szolgáló fotoszintézis csak azért lehetséges, mert számottevő eltérés áll fenn az egyensúlyi állapottól, esetünkben egy 150 millió kilométer távolságban lévő, izzó fotonforrás formájában.
Összefoglalva, termodinamikai szempontból azért lehetséges az élet, mert a természetes környezet nagyon távol van az egyensúlyi állapottól. Az élőlények az egyensúly hiányát kihasználva élnek, annak számlájára építik fel és tartják fenn komplex struktúrájukat, éppúgy, ahogy a malom a vízikerék segítségével megcsapolja, és saját javára hasznosítja a lezúduló víz energiáját, miközben megnöveli a teljes rendszer entrópiáját. Az élet eredetének szempontjából ez nagyon fontos megfigyelés. Az élet valószínűleg nem egy enyhén gőzölgő pocsolyában keletkezhetett, mert ott a hőmérsékleti gradiens túlságosan csekély ahhoz, hogy felbukkanhasson a komplexitás. Az élőlényeknek komplex struktúrájuk felépítéséhez és fenntartásához szükségük van a külső környezetben folyamatosan fennálló, számottevő gradiensre.
Az emberi test elsősorban egy sor olyan kémiai elemből épül fel, amelyek a Föld anyagában is előfordulnak.
Az a külső gradiens, amelyet a jelenlegi élőlények legtöbbje kihasznál, az első szervezetek létrejöttekor nem létezett. A légkörben legfeljebb kevés oxigén volt jelen, ha egyáltalán volt valamennyi, mert az oxigént a fotoszintézis termeli a Nap és a Föld hőmérséklete közötti különbséget kihasználva. A fotoszintézis viszont felettébb bonyolult biokémiai folyamat, amelynek megjelenése nyilván nem előzhette meg az élet kialakulását. Ha tehát az élet eredetét keressük, akkor valamilyen gradienst kell keresnünk; a Föld geológiája révén fennálló természetes egyensúlyhiányt, amely a szikrát adhatta az élet kifejlődéséhez. Ez a geológiai bölcső volt az a stabil energiaforrás, amelyiknek köszönhetően a geokémia a termodinamika hegyét megmászva, biokémiává fejlődött.
E fejezet elején már megtárgyaltuk, hogy az élet eredetének tudományos igényű vizsgálatához Darwin természetes kiválasztódáson alapuló evolúciós elmélete adja a fogalmi keretet. Emlékezzünk vissza Darwin híres soraira: „Ezen analógia alapján arra a következtetésre jutottam, hogy minden élőlény, amely valaha a Földön élt, egyetlen ősi formából származhatott, amelyben először jött létre az élet.” Ez a feltételezett ősi életforma az élőlények azon populációja, amelyet minden földi élet utolsó, egyetemes, közös ősének, vagy az angol kifejezés rövidítésével LUCA-nak (Last Universal Common Ancestor) nevezünk.
A földi élet megszakítás nélküli lánca 4 milliárd évvel ezelőttig nyúlik vissza, ami érdekes lehetőséget vet fel. Ha a LUCA létezett, akkor reménykedhetünk abban, hogy a természetes kiválasztódáson alapuló evolúció rá következő négymilliárd éve nem mosta el az eredeti biokémia minden nyomát. Megmaradhattak olyan közös vonások, amelyek minden ma létező szervezetben egyaránt megtalálhatók, és ha ez így van, akkor ezeknek a tulajdonságoknak a LUCA-ban is jelen kellett lenniük. Továbbá, ha az evolúció, ez az örök bajkeverő, az elmúlt négymilliárd év során a „végtelen sok szépséges és csodálatos forma” valamelyikében nem tudta valami másra cserélni ezt a folyamatot, akkor nyugodtan arra következtethetünk, hogy ezek a folyamatok alapvetőek, és minden élet szükséges részét alkotják. Ilyen formában ez már forró nyomot jelent, amely az egész Világegyetem történetének harmadát kitevő négymilliárd évet áthidalva, összekapcsolja a mai élőlényeket a meleg, kis tócsával.
A genetikai kód, vagyis a DNS az egyik ilyen közös vonás. Ez a baktériumoktól az emberig minden élőlényben megtalálható. Ismerünk azonban még egy, talán még meglepőbb jellemzőt, amely minden élőlény közös sajátossága: energiagazdálkodásunk mikéntjét. Figyelembe véve, amit a termodinamikának az életben betöltött központi szerepéről mondtunk, ez izgalmas és fontos megfigyelés. Létezik egy közös energiagazdálkodási rendszer, ezért elképzelhető, hogy ez a földi élet bölcsőjénél uralkodó fizikai viszonyok maradványa. Az élőlények olyanok, mint a könyvek, amelyek a saját evolúciós történetük nyomait őrzik. Minden egysejtű baktériumban, minden fűszálban, testünk minden sejtjében dokumentálva van a földi élet evolúciójának története, amely bizonyára hiányos ugyan, de a történet mégsem törlődött ki teljesen. Kövessük most ezt a szálat, nézzük meg, hová vezet, és derítsük ki, miként gazdálkodnak az élőlények az energiájukkal.