Titlul și subtitlul originale: EVERY LIFE IS ON FIRE: How Thermodynamics Explains the Origins of Living Things Autor: Jeremy England Copyright © 2020 by Jeremy England Copyright © Publica, 2021 pentru prezenta ediție Toate drepturile rezervate. Nicio parte din această carte nu poate fi reprodusă sau difuzată în orice formă sau prin orice mijloace, scris, foto sau video, exceptând cazul unor scurte citate sau recenzii, fără acordul scris din partea editorului.
Descrierea CIP a Bibliotecii Naționale a României ENGLAND, JEREMY Orice viaţă arde : cum explică termodinamica originea oricărei forme de viaţă / Jeremy England ; trad. din lb. engleză de Smaranda Nistor. - Bucureşti : Publica, 2021 ISBN 978-606-722-470-2
I. Nistor, Smaranda (trad.)
53
EDITORI: Cătălin Muraru, Silviu Dragomir DIRECTOR EXECUTIV: Adina Vasile REDACTOR-ȘEF: Ruxandra Tudor DESIGN COPERTĂ: Alexe Popescu REDACTOR: Anca Lepădatu CORECTORI: Rodica Crețu, Paula Rotaru DTP: Dragoş Tudor
CUPRINS
Introducere ............................................................................ 9 1. Toiag și șarpe ............................................................... 21 2. Zăpadă și țărână .......................................................... 55 3. Râu și sânge ................................................................. 93 4. Munte și sabie ............................................................ 131 5. Flacără și copac .......................................................... 159 6. Vânt și răsuflare ......................................................... 191 7. Glas și cuvânt ............................................................. 217 Mulțumiri .......................................................................... 241 Referințe și note ................................................................ 243
Pentru Miriam a mea
8 J E R E MY E N G L A N D
I
9
Introducere
La început a făcut Dumnezeu cerul şi pământul. Şi pământul era netocmit şi gol.
Enigma ar putea fi sintetizată în felul următor: orice ființă vie pe care o cunoaştem şi-a avut originea în altă ființă vie, dar avem motive să credem că n-a existat viață, nicăieri, când a început lumea să se pună în mişcare.1 Observația aceasta implică ideea că prima formă de viață apărută a răsărit din ceva care nu era viu, iar întrebarea este dacă acest grandios eveniment s-a petrecut într-un mod misterios, de neînțeles pentru legile fizicii şi chimiei, aşa cum le cunoaştem astăzi, sau dacă a avut loc într-o serie de etape pe care să le putem înțelege. Cu alte cuvinte, cum a început viața? Oamenii de ştiință, observatori curioşi ai lumii naturale, dar şi o mulțime de alte tipuri de minți iscoditoare şi contemplative care se străduiesc să înțeleagă condiția umană, ar putea cădea cu toții de acord asupra importanței acestei întrebări − cu toate acestea există multă confuzie şi mult dezacord, chiar şi în privința genului de răspuns pe care îl căutăm.
O R I C E V I AȚĂ A R D E
GENEZA 1:1–2
J E R E MY E N G L A N D 10
Poate că unii biofizicieni ar prefera să ştie ce tipuri de atomi s-au ciocnit între ei pentru a forma primele biomolecule, pe când alții consideră de la sine înțeles că trebuie să se fi întâmplat asta, aşa că, în schimb, îşi concentrează atenția pe evaluarea probabilității unui asemenea eveniment în varii condiții. În fond, ce eveniment presupune viață şi ce eveniment, nu? A fost prezența timpurie a vieții pe Pământ o neclară axă temporală continuă, de-a lungul căreia lucrurile au înaintat progresiv, sau insistăm să credem că trebuie să fi existat un anumit moment în care a explodat decisiv pe scena lumii? În primul caz, cum putem face diferența între ce este viu şi ce nu? În al doilea caz, considerând că viața se pricepe de minune să facă o mulțime de lucruri, care dintre ele a luat ființă primul? A fost ceva de la sine înțeles, aşa cum gheața se topeşte întotdeauna sub razele soarelui, sau trebuie să fi existat o scânteie declanşatoare, o întâmplare ieşită din comun, o circumstanță atât de rară, încât cea mai bună teorie a noastră despre cum s-au desfăşurat lucrurile nu poate constitui o explicație? Înțelegem câte ceva din felul în care se formează gheața când apa se răceşte suficient şi din felul în care stelele se aprind când gravitația este îndeajuns de puternică încât să comprime hidrogenul gazos, dar este, în mod straniu şi minunat, mai greu să formulăm condițiile fizice în care materia neînsuflețită capătă viață în mod garantat. La fel ca spectatorul sceptic al unui spectacol de iluzionism, mulți dintre noi nu vom fi mulțumiți până nu vom înțelege cum funcționează trucul. Cercetarea ştiințifică tenace nu este totuşi singurul motiv pentru care oamenii tânjesc cu atâta ardoare să ştie cum a început viața. O ființă umană atentă – de fapt, chiar şi un om de ştiință, dispus să arunce o privire onestă în oglindă şi să-şi
11 O R I C E V I AȚĂ A R D E
examineze cu grijă propriile sentimente – ar putea recunoaşte că motivul care face ca această întrebare să ne fascineze în asemenea măsură este că exprimă o speranță împărtăşită de noi toți. Căutarea sensului şi a scopului începe cu întrebarea de unde am venit şi din ce întreg facem parte, dar şi cu încercarea de a găsi o explicație despre felul în care au început lucrurile, în parte pentru că oamenii folosesc idei despre trecut ca să decidă cum vor acționa în prezent şi în viitor. Dacă toate elementele din care sunt alcătuite ființele umane pot fi găsite într-un iaz sau în trusa de chimie, atunci ce ne face diferiți? Oare oamenii sunt simple animale sau ceva mai mult? Existența noastră exprimă intenția unui Creator care ne-a făcut după chipul şi asemănarea Lui sau suntem – alături de toate celelalte forme de viață – doar o simplă pojghiță de gheață condensată în stratul subțire cât o lamă dintre pământ şi cer? Oare pot fi adevărate ambele variante? Dacă discutăm în aceşti termeni, miza disputei este cât se poate de ridicată. În această carte vom vedea că ştiința fizicii vine într-adevăr cu o viziune nouă şi revelatoare despre momentul şi modul în care lucrurile care nu sunt vii încep să se apropie de comportamentul unor forme de viață. Lucrurile vii reuşesc un întreg spectru de performanțe care, deşi nu sunt specifice vieții, cu siguranță reprezintă o trăsătură distinctivă a ei. De exemplu, fac copii după ele însele, culeg şi consumă combustibil şi anticipează cu acuratețe mediul înconjurător. Toate aceste procese fac parte din ceea ce înseamnă să fii viu şi fiecare dintre ele poate fi studiat sistematic din perspectiva termodinamicii. Punând accentul pe recentele progrese dintr-o ramură în plină şi rapidă dezvoltare a termodinamicii, mecanica statistică a sistemelor în condiții de neechilibru, acest text va consolida treptat toate conceptele necesare pentru a
J E R E MY E N G L A N D 12
construi un argument clar despre când şi cum proprietățile fizice ale materiei neînsuflețite s-ar putea să înceapă să producă tipurile de activități la care viața se pricepe deosebit de bine. Aspectul esențial va fi să realizăm că, exact la fel cum lucrurile vii au proprietăți specializate determinate de genele pe care le-au moştenit de la strămoşii lor, la fel se întâmplă şi cu mulțimile de particule fizice interactive − acestea au proprietăți specializate, care provin din configurațiile anterioare în care s-au aflat particulele respective. Fiind continuu împinse şi deplasate dintr-o parte în alta de tiparele din mediul înconjurător, particulele de materie pot să treacă printr-o explorare continuă a spațiului posibilelor forme ale căror ritm şi configurație ajung să corespundă acelor tipare, încât seamănă extraordinar de bine cu viața. Chiar dacă singurul scop ar fi acela de a găsi un nou sens fizic caracterului distinctiv al vieții, acest demers ar fi suficient. Dar, chiar şi mai mult decât majoritatea subiectelor ştiințifice, acesta cere cu siguranță o discuție mai amplă. Fie pentru că trebuie să elucidăm răspunsul la întrebarea simplă şi definitorie despre ce înseamnă viu, fie pentru că argumentele despre excepționalitatea, valoarea şi scopul vieții au constituit de-a lungul istoriei mare parte din motivele disputelor dintre oameni, este necesar să punem demersul nostru de examinare a graniței dintre însuflețit şi neînsuflețit într-un context filosofic adecvat. În principiu, este posibil să existe mai multe moduri de a face acest lucru, dar aici îşi spun cuvântul propriile mele convingeri. Felul în care pot eu să discut cu maximă eficacitate şi acuratețe despre „marile întrebări” ale condiției umane este prin raportarea la interpretări ale Bibliei ebraice. Astfel, la începutul demersului de concepere a acestei cărți, m-am gândit dacă Biblia are de spus ceva incon-
13 O R I C E V I AȚĂ A R D E
testabil coerent şi convingător ca reacție la fizica despre care plănuiam să scriu. Am fost uimit să descopăr că Biblia se arată deosebit de interesată de întrebarea despre cum şi de ce ar putea materia să traverseze granița dintre însuflețit şi neînsuflețit şi că acest subiect este centrul unuia dintre cele mai importante momente narative ale sale. Prin urmare, textul biblic furnizează o hartă incredibil de detaliată a traseului ştiințific pe care ne pregătim să-l parcurgem – o hartă care ne este utilă nu doar ca să redăm revelațiile fizice într-un mod comprehensibil pentru intuițiile experienței de zi cu zi, ci, în ultimă instanță, şi ca să ne orientăm printre consecințele mai generale ale felului în care ne gândim la condiția umană. Mai mult, unul dintre efectele secundare agreabile ale acestui întreg demers este că vom formula un mod de a ne raporta la Biblia ebraică în aşa fel încât să se combine cu ştiința şi să îmbogățească ceea ce ştiința poate să ne învețe, în loc să pară incompatibile. De obicei, se consideră de la sine înțeles că Biblia înțelege foarte puțin, dacă nu deloc, din ceea ce ştiința cunoaşte despre lumea naturală; s-a afirmat chiar că progresul ştiințific în înțelegerea originii vieții subminează nemijlocit credibilitatea şi autoritatea Bibliei, înțeleasă ca o cale spre cunoaşterea veritabilă.2 Iată că această carte încearcă să demonstreze profunda falsitate a acestei aserțiuni, dar nu prin injectarea unui plus de argumentație într-o dezbatere deja gonflată până la refuz. În schimb, o angrenare în discuție a Bibliei ne oferă încântătoarea ocazie de a dovedi acest lucru prin exemple, căci textul ei nu doar că pare conştient de conceptele necesare pentru a cugeta la apariția a ceea ce seamănă a viață într-un material fizic, ci chiar oferă un rezumat poetic al acestor concepte, folosind imagini care le fac mai accesibile şi mai inteligibile.
J E R E MY E N G L A N D 14
În acest sens, pentru mine există o armonie foarte satisfăcătoare între cerințele unei convingeri personale şi ceea ce rezolvă pur şi simplu cel mai bine problema, când încerc să explic ideile fizico-chimice din această carte. Inevitabil, o descriere a modului în care viața poate să-şi facă apariția din nişte procese mecanice „mute şi oarbe” le va părea unor specialişti ai retoricii lovitura de grație dată Genezei, riscând chiar să prezinte întregul filigran de vieți omeneşti ca pe un proces în întregime material, lipsit de semnificație morală. Prin urmare, intenționez să structurez discuția în aşa fel încât comentariul relevant oferit de scriptura ebraică să nu pară în contradicție flagrantă cu ştiința, aşa cum greşit îl percep unii oameni. În acelaşi timp, modul în care Biblia tratează subiectul „Cum devine materia însuflețită?” se dovedeşte a fi extrem de folositor ca instrument explicativ, pentru că se raportează la perspectiva simplificată a unei ființe umane, care observă şi evaluează lumea exclusiv prin cele cinci simțuri ale sale. Ideile care se nasc în universul matematic al termodinamicii statistice pot fi deseori traduse într-un limbaj mai uzual, dar pentru asta avem nevoie, de obicei, să facem referire la exemple concrete din existența cotidiană. Într-un mod absolut deliberat, Exodul vine cu numeroase astfel de exemple şi, dacă îmi fac bine treaba, includerea lor în discuție va face ca sensul teoriei fizicii să devină mai clar pentru un număr mai mare de cititori. Moise, un păstor singuratic îşi păzeşte în deşert turma de oi, când dă peste un rug învăluit de un foc minunat, un lucru însuflețit care arde cu flacără strălucitoare, fără să se mistuie. Dumnezeul care Se revelează pe Sine în acel moment îi vorbeşte lui Moise despre obârşia poporului său şi îi promite eliberarea din sclavie şi în plus, îi dă lui Moise trei semne pe care să le ducă evreilor în Egipt. Primul semn este un toiag
15 O R I C E V I AȚĂ A R D E
care se preface într-un şarpe. Al doilea este „mâna albă ca zăpada de lepră”. Ultimul este apa luată din râu care, amestecată cu țărână, se transformă în sânge. Fiecare dintre aceste semne poate fi înțeles ca un comentariu despre granița dintre însuflețit şi neînsuflețit, dintre viață şi nonviață. Toiagul este un obiect fără viață, care se transformă în mod surprinzător într-o vietate. Pata albă este o anomalie apărută pe piele, adică pe granița care desparte trupul unui om (care este viu) de mediul său înconjurător (care nu este), iar referirea la fulgul de zăpadă evocă ideea unei granițe veşnic ramificate, pe care este imposibil s-o urmăreşti până la capăt şi, astfel, n-o poți defini pe deplin. Și, bineînțeles, crearea sângelui – esența lichidă a vieții – din nişte elemente fundamentale, lipsite de formă, completează tabloul. Privit în aceşti termeni, pasajul din Exodul răspunde cât se poate de tranşant la întrebarea de unde vine viața şi cum putem s-o deosebim de fondul material neînsuflețit din care se poate să fi apărut. Cel mai simplu este să ne gândim la semnele miraculoase date lui Moise ca la nişte trucuri de iluzionism. Într-adevăr, textul se şi aşteaptă la asta, căci, când Moise şi fratele lui, Aaron, îi arată Faraonului toiagul care se transformă în şarpe şi noroiul care se face sânge, vrăjitorii de la curtea egipteană sunt capabili să producă aceleaşi efecte uluitoare, folosindu-şi propriile vrăji. Astfel, la o privire superficială, pasajul biblic ne invită pe aceia dintre noi care suntem fascinați de apariția vieții să ne comparăm cu spectatorii unei reprezentanții de iluzionism. Dar, dacă ne uităm mai atent, vom descoperi că aceste semne funcționează ca un ghid surprinzător de concludent şi detaliat care explică apariția „simili-vieții” cu ajutorul limbajului fizicii. Titlurile date capitolelor acestei
J E R E MY E N G L A N D 16
cărți – Toiag şi şarpe; Zăpadă şi țărână; Râu şi sânge; Munte şi sabie; Flacără şi copac; Vânt şi răsuflare; Glas şi cuvânt – sunt, toate, luate din textul biblic, şi fiecăruia i-am adăugat un epigraf care să scoată în relief tema titlului. Aceste asocieri ne vor permite să privim biologia şi fizica vieții dintr-o nouă perspectivă. Am făcut asta cu scopul de a lăsa lexiconul biblic să furnizeze un cadru solid de organizare pentru ideile separate din ştiințele naturale, care trebuie puse laolaltă sub forma unei descrieri complete a originilor formelor de viață. Trasând această cale, nu doar că vom arunca un ochi asupra felului în care simili-viața „începe să funcționeze” în termeni materiali, dar, până la sfârşit, vom începe să apreciem felul în care Biblia caută să exprime şi să comenteze o asemenea perspectivă, astfel încât reacția noastră la ea să rămână ancorată într-o apreciere deplină a ceea ce poate însemna viața pe care o trăim. Însă, înainte să pornim la drum, este util să enunțăm puțin mai concret ce fel de răspuns la întrebarea „De unde a venit viața?” am putea spera să găsim în cele ce urmează. Cel mai simplu enunțată noțiune despre cum ar putea arăta o asemenea reuşită ar fi, probabil, speranța copilăroasă că într-o zi am putea face un film despre ce fel de „supă primordială” a fost aceea în care s-au produs prima dată anumite reacții chimice speciale, şi (aspect crucial!) că vom fi în stare să dovedim, folosind datele strânse până în prezent, că filmul a fost o redare fidelă a ceea ce a avut loc în trecut.3 Există mai multe motive pentru care o astfel de abordare este fantezie, dar motivul fundamental este că nu avem – şi nici nu vom putea avea vreodată – nicio dovadă azi pentru ce anume s-a întâmplat, exact, pe Pământ, cu miliarde de ani în urmă. Aşa cum şi scena unei crime, şi săpăturile arheologice sunt total compromise pentru analiza medico-legală, dacă se permite ca indiciile să
17 O R I C E V I AȚĂ A R D E
fie călcate în picioare, modificate şi puse înapoi la întâmplare, la fel şi precursoarele celor mai timpurii forme de viață trebuie să fi fost puse alandala – doar că într-un mod mult, mult mai grav. ADN-ul, ARN-ul şi proteinele sunt macromolecule esențiale pentru funcționarea vieții la nivel subcelular şi toate se dezintegrează în apă la scara temporală de milioane de ani sau mai puțin.4 Nimeni nu-i atât de nebun încât să încerce să caute în tot nisipul de pe plajele din Coney Island, în încercarea de a reconstrui un castel de nisip, aşa cum s-ar putea să fi arătat, făcut de mâinile unui copil, în câteva ore, într-o zi de vară de acum o sută de ani, iar reconstrucția originilor moleculare ale vieții aşa cum o cunoaştem astăzi prin încercarea de a identifica fărâmele de rămăşițe, ar fi o trudă zadarnică. Dar mai există un tip de abordare la care putem recurge pentru a explica de unde provine ceva. Premisa implicită a întrebării despre originile vieții este că există ceva aici care necesită o explicație şi este util să încercăm să fim cât mai exacți în privința acestui lucru. Când plecăm în drumeție pe munte şi vedem un morman de bolovani pe fundul unei râpe, nu simțim nevoia să ne întrebăm cum au ajuns acolo; acelaşi lucru e valabil şi pentru conurile pe care călcăm când trecem pe sub ramurile unui pin. Sigur, când văd un con de pin într-un loc unde mi se pare perfect normal să văd aşa ceva, nu ştiu, de fapt, cu deplină certitudine, care ar fi întreaga istorie a acelui con; poate că, de fapt, cineva l-a pus acolo, sub copac, înainte de venirea mea. Totuşi nu pare nelalocul lui, fiindcă este absolut normal, observabil şi reproductibil să se adune conuri de pin sub pini. Ele cad acolo mereu, ca parte din fluxul şi refluxul normal al anotimpurilor. Acesta este sensul în care viața pare să ceară o explicație de genul celei pe care am putea spera s-o formulăm. Arareori
J E R E MY E N G L A N D 18
(de fapt, niciodată) vedem forme de viață răsărind din materia inertă şi neînsuflețită, aşa că pare anormal să ne închipuim că se întâmplă aşa ceva, ca explicație a vieții pe care o vedem. Mai mult decât atât, intuiției noastre îi este clar că problema nu se pune în termenii incapacității noastre de a aştepta îndeajuns de mult timp. Fireşte, unele procese care par rare şi improbabile la o anumită scară temporală (ca un trăsnet ce loveşte un vârf de munte) devin cvasicertitudini, dacă aşteptăm de vreo sută sau de vreun milion de ori mai mult. Și totuşi, când privim viața, în toată complexitatea ei, este evident că şi cele mai simple exemple de viață pe care le cunoaştem sunt atât de complex alcătuite, încât ar trebui să aşteptăm până la capătul erelor a nenumărate universuri ca să vedem toate aceste părți componente aduse laolaltă printr-o întâmplare fericită. Durata exactă de care trebuie să fi avut nevoie ca să se asambleze trebuie să fi fost consecința unor mici detalii din cutare sau cutare proces chimic, care s-ar putea să dureze o sută de ani într-un anumit set de condiții sau un milion, într-un altul. Cu toate acestea, explicația după care tânjim cu adevărat – singurul gen de explicație care ne-ar putea da un răspuns atât testabil, cât şi (măcar într-o anumită măsură) satisfăcător – este ca prima alcătuire a vieții să poată fi concepută ca un proces, care a fost descompus în etape ce pot fi înțeles teoretic, puse în practică şi observate experimental – cu alte cuvinte, în etape care să ni se pară la fel de fireşti ca nişte conuri de pini căzute sub pini. În paginile care urmează voi încerca să arăt începuturile acestui tip de înțelegere. Nu ştiu şi nici nu mă aştept să ştiu vreodată, cu exactitate, ce molecule au făcut un lucru sau altul sau când, în urmă cu foarte mult timp. Ceea ce vreau să propun este că există un set de idei, bazate pe o ramură a fizi-
I
19 O R I C E V I AȚĂ A R D E
cii numită termodinamica stărilor de neechilibru, care începe să ne arate cum putem desface procesul etapizat al apariției vieții în incremente inteligibile. Odată ce am înțeles că viața, prin prisma fizicii, este o antologie de fenomene specifice, dar diferite, cu definiții fizice precise, putem studia apariția acestor fenomene în paralel, ca pe nişte mici succese limitate de autoorganizare a vieții. Cu cât aceste piese ale puzzle-ului vieții pot fi implementate, influențate şi puțin modificate separat, cu atât putem începe să le privim ca pe nişte frânturi banale şi palpabile ale locurilor şi timpurilor în care trăim. În centrul acestei discuții stă o idee pe care o numesc „adaptare disipativă”, care în esență este un mod mai prețios de a spune că, atunci când este împinsă în toate direcțiile de tiparele din mediul înconjurător, materia ajunge să rămână blocată în forme care par deosebit de bine pregătite să reacționeze la acele tipare. Va trebui să prezentăm o serie întreagă de observații diferite despre fizică şi biologie, pentru a putea consolida un pic mai riguros această idee, dar una dintre recompensele cele mai agreabile ale acestui gen de ştiință este că rămâne foarte mult în contact cu exemplele de complexitate haotică pe care le întâlnim în viața de zi cu zi. Ceea ce înseamnă că, în momentul în care ajungem la concluzia noastră, veți fi probabil în măsură să testați multe dintre lucrurile afirmate aici în comparație cu dovada propriei voastre experiențe relevante, indiferent că vorbim despre cum alunecă pe parbriz fulgii apoşi de zăpadă în timpul unei reprize de lapoviță sau cum dansează împreună grăunții de sare şi piper într-o tigaie cu ulei încins.
20 J E R E MY E N G L A N D
1
21
Toiag şi şarpe
Ideea următoare este, pur şi simplu, evident rezonabilă: dacă orice formă de viață se compune din atomi care se supun unor ecuații precise pe care le cunoaştem – ceea ce pare a fi adevărat –, atunci existența vieții ar putea fi doar o consecință ulterioară a acestor legi, pe care noi încă nu ştim cum să le anticipăm. În esență, cam aşa gândeşte un fizician şi, spre meritul său, acest mod de gândire ne-a ajutat mult să înțelegem cum funcționează lucrurile vii. Mulțumită unor pionieri ai ştiinței ca Max Delbrück, care a trecut granița dinspre fizică spre biologie pe la jumătatea secolului XX, influența analizelor cantitative din ştiințele exacte a ajutat la apariția unor abordări mecaniciste, moleculare, în biologia celulară şi în biochimie, care au dus la numeroase descoperiri revoluționare. Tehnicile imagistice precum cristalografia cu raze X, rezonanța magnetică nucleară şi microscopia cu superrezoluție ne-au oferit un portret clar şi sugestiv al ADN-ului, al proteinelor şi al altor structuri mai mici decât celula, care fac viața să palpite la sca-
O R I C E V I AȚĂ A R D E
Şi a aruncat Moise toiagul jos şi s-a făcut toiagul şarpe. — EXODUL 4:3
J E R E MY E N G L A N D 22
ră moleculară.1 Mai departe, prin descifrarea codului genetic am fost capabili să supunem voinței noastre maşinăria celulelor vii, prin asamblarea unor macromolecule concepute de noi. Pe măsură ce am dobândit o imagine din ce în ce mai exactă a modului în care cele mai infinitezimale şi simple elemente primare ale vieții se îmbină pentru a forma întregul, a devenit tot mai ispititor pentru noi să ne închipuim că enigmele cele mai dificile ale biologiei nu pot fi dezlegate decât după ce vom descoperi cum să le abordăm în termenii ştiinței fizicii. Numai că abordarea subiectului vieții cu această atitudine ne va dezamăgi, din cel puțin două motive. Primul motiv s-ar putea numi „eroarea logică a reducționismului”. Reducționismul este prezumția că orice bucată de univers am alege să studiem, aceasta funcționează ca un soi de maşinărie mecanică străveche pe care o întorci cu cheița, astfel încât va fi uşor (sau măcar foarte posibil) să prezici comportamentul întregului, după ce ai aflat regulile care guvernează felul în care fiecare din componentele sale le împinge pe celelalte şi se mişcă împreună cu ele. Visul de a explica şi de a prezice orice, plecând de la doar câteva reguli simple, a captat imaginația multor savanți, îndeosebi fizicieni. Și, de ce să nu recunoaştem, o foarte mare parte din ştiința veritabilă a fost impulsionată de setea neostoită a unor cercetători după o explicație cât mai reductivă a fenomenului care îi interesează. La urma urmei, chiar există lucruri pe lumea asta care pot fi înțelese ca rezultat al unor interacțiuni cunoscute între diverse elemente mai simple. De la fluxul şi refluxul oceanelor determinate de atracția gravitațională a Lunii până la felul în care unele boli genetice pot fi puse în legătură cu evenimente moleculare produse de reacțiile chimice modificate ale unui minuscule porțiuni de pe suprafața unei proteine, câteodată
23 O R I C E V I AȚĂ A R D E
lucrul pe care îl studiem arată ca o sumă comprehensibilă a părților sale. Din păcate, speranța că toate enigmele ştiințifice vor fi cucerite prin reducționism a fost mai populară printre fizicieni înainte să intre în scenă secolul XX. De atunci încoace, numeroşi laureați ai Premiului Nobel pentru Fizică (precum şi nenumărați alții) au explicat cu luciditate cum şi de ce gândirea reducționistă este deseori falimentară.2 Nu poți folosi legile lui Newton sau teoria cuantică pentru a prezice piața bursieră, nici pentru a prezice chiar şi mult mai simplele proprietăți ale sistemelor „cu multe particule”, cum ar fi un fluid turbulent sau un magnet superrăcit.3 În toate cazurile de acest fel, legile fizice despre care se presupune că „guvernează” totul sunt copleşite de imensitatea a ceea ce nu ştim, nu putem măsura sau nu avem capacitatea de a calcula în mod direct. După cum vom vedea, fizica rămâne mai departe valabilă în cazul unor asemenea sisteme, dar nu exclusiv prin raportarea la ecuațiile fundamentale care guvernează comportamentul părților microscopice. A doua greşeală în modul în care oamenii priveau granița dintre însuflețit şi neînsuflețit continuă să se producă nestingherită şi în ziua de azi, avându-şi originea în felul cum folosim limbajul. Mulți, foarte mulți oameni îşi închipuie că, dacă înțelegem fizica îndeajuns de bine, vom reuşi până la urmă să înțelegem ce este viața ca fenomen fizic, la fel cum înțelegem astăzi de ce apa îngheață sau fierbe. Într-adevăr, deseori pare că ne aşteptăm ca o teorie fizică destul de bună să poată deveni noul standard-de-aur pentru a hotărî ce este viu şi ce nu. Dar voi încerca să arăt că această abordare nu ține seama că propriul rol în a da nume fenomenelor lumii precedă capacitatea noastră de a arăta, cât de cât clar, cel puțin ce
J E R E MY E N G L A N D 24
înseamnă să spunem despre ceva că este viu. Un fizician care vrea să conceapă teorii despre cum se comportă sau cum iau naştere lucrurile vii trebuie să înceapă prin a face alegeri intuitive pentru traducerea într-un limbaj fizic a caracteristicilor exemplelor de viață pe care le cunoaştem. Odată ce a făcut acest lucru, devine evident că granița dintre ce este viu şi ce nu reprezintă ceva care să fi fost deja trasat de la bun început, printr-un mod diferit de vorbire decât cel oferit de ştiința fizicii. Prin urmare, țelul adecvat al explicației date de un fizician ar trebui să fie acela de a găsi un mod prin care să descrie acea graniță în termeni fizici precişi, astfel încât să putem dobândi o nouă înțelegere asupra modului în care materia ar putea fi făcută să se mişte dintr-o parte a graniței în cealaltă. Într-o anumită măsură, o înclinație promițătoare spre reducționism se vede exprimată în însuşi faptul că ne întrebăm de unde vine viața. Privim un organism viu şi nu putem să nu ne întrebăm dacă un asemenea succes senzațional în formă şi funcție chiar poate fi rezultatul unui cumul de componente mai simple, de bază, care s-au ciocnit unele de altele ca nişte bile de biliard la fel de simple şi de previzibile. Să mai existe oare şi altceva în maşinărie, în afară de piesele care vibrează mute? Dacă nu există, asta n-ar trebui să însemne că putem până la urmă să înțelegem felul în care totul se îmbină? Altfel spus, nu ar trebui ca orice explicație propusă pentru apariția vieții să descompună întregul proces într-o succesiune de etape formulate rațional, unde fiecare etapă decurge în mod rezonabil şi previzibil din precedenta? Dacă da, de ce n-ar fi acelaşi lucru cu a spune că vrem să reducem viața la condiția de reuşită coregrafică, regizată şi dirijată de un set simplu şi calculabil de reguli fizice cunoscute?
25 O R I C E V I AȚĂ A R D E
Cum spuneam, trebuie admis că fizicienii au identificat deja unele reguli care se dovedesc capabile de predicții corecte, în sisteme care altădată păreau iremediabil şi misterios de complicate. Mulțumită ideilor unora ca Newton şi Kepler, mişcarea corpurilor cereşti este acum ca o carte deschisă pentru noi, iar capacitatea noastră de a calcula unde se duc aceste luminițe strălucitoare de pe cer este de o banalitate neremarcabilă, încât poți să faci studii extinse de fizică la numeroase universități reputate fără a te îngropa în reprezentația de specialitate a mecanicii orbitale riguroase. Imaginați-vă totuşi că sunteți un filosof naturalist sclipitor, în orice moment din cea mai mare parte a istoriei omenirii, şi vă minunați în fața complexității aparent insurmontabile a felului în care Soarele, Luna şi stelele par să se reaşeze neîncetat pe firmament, odată cu trecerea zilelor şi a anilor. Ideea că o pereche lapidară de ecuații, care descriu gravitația şi mişcarea determinată de forțe, ar putea aduce galaxii îndepărtate, planete rătăcitoare şi nişte cutii atârnate de arcuri elicoidale într-unul şi acelaşi cadru teoretic cuprinzător trebuie să fi fost de neconceput chiar şi pentru cele mai mărețe genii ale tuturor epocilor, de-a lungul a mii de ani. Anvergura şi semnificația revoluției care a demarat odată cu Newton şi cu contemporanii lui sunt imposibil de apreciat. După care a venit secolul XX! Einstein a început prin a contempla ecuațiile care descriu deplasarea luminii, iar apoi, cu simpla putere a intuiției, a sfârşit prin a reimagina originile gravitației, astfel încât să explice, în sfârşit, ultima enigmă rămasă în privința mişcării planetare, de care Newton nu s-a putut atinge (planeta Mercur). În paralel, ecuația cuantică a mecanicii ondulatorii a lui Erwin Schrödinger a dezlegat taina atomului, oferind o elegantă explicație cantitativă pentru
J E R E MY E N G L A N D 26
culorile luminii emise de diverse tipuri de gaze electrizate. Aceasta a fost o teorie bizară şi contraintuitivă despre mecanismele matematice interioare ale obiectelor prea mici ca să poată fi văzute sau atinse, dar care reuşea să corespundă uluitor de exact cu măsurătorile experimentale. În siajul acestor grandioase victorii ştiințifice, pot fi iertați unul-doi savanți stingheri cărora li se părea că orice urmă de imprevizibilitate s-ar putea să fie îndepărtată, pe măsură ce aveau să se nască teorii mai noi şi încă şi mai geniale. Însă la o privire mai atentă, această defilare triumfală a reuşitelor în favoarea ştiinței teoretice reductive dă la iveală un anumit subiectivism aprioric. Ce au în comun acestea şi multe alte exemple de teorii fizice reuşite este că dau cele mai bune rezultate când încearcă să prezică o porțiune clar izolată de lume, descrisă printr-o formulare matematică relativ simplă, bazată pe câteva lucruri pe care le putem măsura: sistemul solar cu o singură planetă, atomul unic şi solitar de hidrogen şi aşa mai departe. În fiecare dintre aceste cazuri, teoria îşi atinge scopul prin filtrarea şi îndepărtarea restului universului, concentrându-şi atenția pe câteva ecuații care descriu cu acuratețe relațiile dintre nu prea multe cantități fizice. Pe de altă parte, dacă ne uităm un pic mai îndeaproape la aceleaşi modele, ne putem face o idee despre locul unde gândirea reductivă se va clătina. Uneori modelele noastre ne dezamăgesc fiindcă nu reuşesc să capteze ceva fundamental pentru comportamentul sistemului pe care încearcă să-l descrie. De exemplu, aşa cum menționam mai sus, gravitația Soarelui este resimțită atât de puternic de planeta Mercur, încât legea gravitației formulate de Newton se dovedea insuficientă pentru a prezice forma orbitei, aşa cum era observată; abia cu subtilitatea teoriei ge-
27 O R I C E V I AȚĂ A R D E
nerale a relativității s-a putut umple acel gol. Totuşi există numeroase situații în câmpuri gravitaționale mai slabe, în care, în principiu, legea lui Newton se aplică perfect. În mod remarcabil însă, chiar şi când modelul pe care îl folosim reprezintă o enunțare absolut corectă a regulilor după care se comportă sistemul de interes, problema predicției poate fi în continuare una alunecoasă. Cu o singură stea şi o singură planetă, ecuațiile mişcării sunt splendid de suple şi, după un pic de efort în care creionul face cunoştință cu hârtia, ele produc exact legile lui Kepler, pe care planetele le respectă. De aceea a prezice forma orbitei unei planete luată separat se consideră a fi o sarcină relativ uşoară. Sarcina devine însă mai dificilă când adaugi chiar şi un singur obiect care orbitează şi te loveşti de faimoasa problemă a celor trei corpuri, care nu mai admite o soluție în termenii unor ecuații exacte scrise pe tablă. Ca să te lupți cu un asemenea sistem eşti nevoit fie să apelezi la trucuri matematice pentru aproximarea unei soluții care poate în continuare să fie derivată cu creionul pe hârtie, fie să apelezi la computere pentru tabelarea „prin forță brută” a rezultatelor numerice. Mai mult decât atât, cu cât studiezi mai mult, cu atât devine din ce în ce mai clar că instanțele în care fiecare element este uşor de identificat, putând fi scris de la început până la sfârşit pe un şervețel, sunt mai degrabă excepții de la regulă. Din când în când, simetriile speciale şi cazurile particulare, de genul sistemului solar cu o singură planetă, fac posibilă o rezolvare elegantă a lucrurilor în doar câteva ecuații. Norma este totuşi aceea că sistemele cu multe componente care interacționează între ele trebuie să fie rezolvate cu un program de computer. Cu enorma putere de procesare a informației de care dispunem azi, a devenit posibil să facem
J E R E MY E N G L A N D 28
predicții newtoniene, extrem de precise şi de fidele realității observate, despre mişcările orbitale care implică mult mai mult decât trei corpuri cereşti. Cu toate acestea, lecția generală şi extraordinar de influentă din mecanica orbitală, încă de când a fost dezvoltată ca domeniu teoretic, este aceea că sistemele cu mai multe componente sunt mai greu de studiat decât sistemele cu mai puține şi că, prin formularea şi testarea unor predicții despre comportamentul cazurilor mai simple, putem înțelege mai bine legile care le guvernează pe cele mai complexe. Conform celor spuse până aici, reducționismul ar putea fi totuşi corect – doar că s-ar putea să fie cam plictisitor şi costisitor să aflăm răspunsul, aşteptând un sistem de computere să afişeze soluția. Înarmat cu astfel de instrumente, un reducționist extrem ar spune că toată ştiința teoretică trebuie să procedeze astfel: pornim de la legile fundamentale ce par să guverneze micile componente separate ale lumii, legi care descriu corect mici grupuri de obiecte interactive, după care, cu mare efort, adăugăm mai multe variabile în calcul, pentru a prevedea ce ar trebui să facă sistemele mai complicate. Acum câteva secole, când absența totală a computerelor făcea ca nimeni să nu le înțeleagă îndeajuns de bine limitele, se prea poate să fi fost mai rezonabil să-ți închipui că toate predicțiile teoretice reuşite vor urmări exact acest tipar. Dar, în ultimii două sute de ani, o foarte mare parte din cunoaşterea ştiințifică dobândită a venit cu rezultate foarte diferite de aşteptările inițiale, din motive deopotrivă practice şi filosofice. Să ne gândim, spre exemplu, la un ibric cu apă pus pe o plită încinsă: ştie toată lumea că există o anumită temperatură de la care ne aşteptăm ca apa să fiarbă şi să se transforme în abur. Pentru un reducționist, această temperatură de fierbere
29 O R I C E V I AȚĂ A R D E
depinde de o listă scurtă de lucruri fundamentale, pe care le cunoaştem deja despre apă la nivel microscopic. Moleculele de apă se compun din particule încă şi mai minuscule, numite electroni şi nuclei, iar noi ştim o sumedenie de lucruri despre cât cântăresc ele şi ce fel de forțe exercită unele asupra celorlalte. Ca urmare, ecuația lui Schrödinger ne oferă un model excelent pentru ceea ce permite acestor componente să se lege în ceea ce numim H2O. În acest caz, am putea spune că, pentru a afla temperatura de fierbere, nu trebuie decât să scriem o ecuație Schrödinger care să descrie cele un trilion de trilioane de molecule care umplu un vas cu apă, după care să calculăm probabilitatea ca acele molecule să rămână în vas, în funcție de viteza cu care se agită în toate direcțiile. Această abordare de tip forță brută eşuează spectaculos. Mai întâi de toate, are în față un obstacol logistic evident: chiar şi cu supercomputere ultramoderne, volumul de putere de calcul necesar pentru a manevra scările temporale, numărul de particule şi rezoluția spațială necesare pentru a face diferența între vapori şi lichid, aplicând cu exactitate teoria cuantică, depăşeşte la un nivel monumental, cu multe ordine de mărime, ceea ce putem noi în prezent să gestionăm. Insuficiența puterii noastre de calcul este atât de cumplită, de fapt, încât ne vedem ispitiți s-o spunem pe şleau, admițând că nu vom putea construi niciodată un computer destul de mare – pentru că n-ar încăpea în galaxia noastră! Tentativele prin forță brută de a face o punte între nanoscară şi lumea macrodimensională a experienței umane vor rămâne dincolo de puterile noastre, în viitorul previzibil – dacă nu chiar pentru totdeauna. Dar există căi ocolite. Nu este nevoie de o precizie perfectă în fiecare detaliu ca să stoarcem răspunsuri corecte din abordarea reducționistă şi s-ar putea să ne descurcăm doar