Wyobrażone życie - James Trefil, Michael Summers

1. Niespodziewana Galaktyka

Wydaje się, że każdego dnia dowiadujemy się czegoś nowego i pasjonującego na temat Wszechświata. Astronomowie odkrywają nowe planety - całe nowe układy planetarne - tak szybko, że trudno nadążyć za tymi wiadomościami. Media pełne są także doniesień o nowych właściwościach naszego własnego świata i nowych zdumiewających właściwościach naszego Wszechświata. Chcielibyśmy jeszcze trochę podkręcić temperaturę i zadać pytanie o to, jakie stworzenia mogłyby dzielić z nami Galaktykę i Wszechświat. Pragniemy, aby czytelnik wyobraził sobie, co oprócz nas samych, znanych nam roślin i zwierząt mogłoby jeszcze żyć w kosmosie, na tych nowych światach odkrywanych w oszałamiającym tempie przez naukowców. Na dobry start trochę rachunków.

Obliczenia

Żyjemy w Galaktyce, w której jest więcej planet niż gwiazd. Stwierdzenie to nie wydaje się zbyt zaskakujące, dopóki sobie nie uświadomimy, że nasza rodzima Galaktyka - Droga Mleczna - zawiera około 300 miliardów gwiazd. Powtórzmy: 300 000 000 000 gwiazd - ogromnie wiele zer. Tylko jedna z gwiazd, nasze Słońce, ma w swoim układzie więcej niż 100 planet, księżyców i dużych asteroid. Każdy członek tej rodziny posiada specyficzne właściwości, a wiele z nich mogłoby być siedliskiem życia. Gdyby sytuacja taka była typowa dla innych gwiazd, musiałoby istnieć 30 bilionów podobnych obiektów w naszej Galaktyce - liczby takie spotyka się jedynie w astronomii i w obliczeniach długu krajowego.

Spośród tych możliwych 30 bilionów obiektów do tej pory udało nam się zidentyfikować nie więcej niż 4 tysiące. To znikomy odsetek całości. Jak jednak pokazuje nasza książka Exoplanets (Smithsonian Books, 2017), ten niewielki odsetek obejmuje światy, których różnorodność zapiera dech w piersiach. Istnieją światy krążące w atmosferze swojej gwiazdy, światy pokryte wodą, światy błądzące w mroźnej przestrzeni kosmicznej pozbawione gwiazdy, która by je oświetliła. Możemy jedynie w pełnym podziwu oczekiwaniu zadumać się nad tym, co jeszcze odkryjemy, gdy nasze instrumenty będą doskonalsze i będą dawać dokładniejsze pomiary.

Ale liczby mówią nam coś jeszcze. Stwórzmy w wyobraźni jakiś dziwaczny świat - być może zupełnie niepodobny do tego, co znamy. Ten wyobrażony świat być może zawiera wysokie stężenie rzadkiego pierwiastka, takiego jak choćby iterb. Być może jest to księżyc samotnej planety, unoszonej w mrokach przestrzeni kosmicznej. A może przypomina Ziemię z bujnym życiem lądowym i oceanicznym. Przypuśćmy, że nasz wyobrażony świat jest całkowicie nieprawdopodobny - być może ma gęstość mniejszą od gęstości wody lub jest zbudowany ze stałego żelaza. Przypuśćmy, że szansa uformowania się takiej planety wynosi tylko jeden na milion (dla porównania, byłoby to mniej więcej prawdopodobieństwo, z jakim zostaniemy uderzeni przez piorun w ciągu jednego roku). Nawet gdyby istnienie takiego wyobrażonego świata było aż tak mało prawdopodobne, możemy się spodziewać, że światów takich jest około 10 milionów w samej naszej Galaktyce. Gdyby zmniejszyć szansę do jednego na bilion, liczba planet jak ta wyobrażona przez nas spadłaby do "zaledwie" 10 tysięcy. Zważywszy na ogromną liczbę planet w Galaktyce, bez względu na to, jak dziwny wyobrazimy sobie świat - o ile tylko spełnia on prawa fizyki i chemii - prawdopodobnie istnieje gdzieś coś do niego podobnego. Ostatnie zdanie możemy w istocie uczynić przewodnią zasadą naszej dyskusji:

Dla każdego wyobrażonego świata zgodnego z prawami fizyki istnieje spore prawdopodobieństwo, że występuje on gdzieś w Galaktyce.

Gdyby te liczby nie robiły dostatecznego wrażenia, przypomnijmy, że istnieją we Wszechświecie miliardy galaktyk takich jak nasza, a każda przypuszczalnie ma podobny zestaw planet.

Co mówi nam to o życiu?

Wobec tej niewiarygodnej różnorodności planet powinniśmy się spodziewać podobnego - jeśli nie większego - poziomu różnorodności życia, które mogłoby na tych światach zaistnieć. Stanowi to dla nas problem, jesteśmy bowiem obeznani tylko z jedną formą życia: życiem "takim jak nasze", to znaczy opartym na chemii związków węgla i potrzebującym ciekłej wody. Bioróżnorodność Ziemi jest w gruncie rzeczy następstwem tylko jednego doświadczenia przeprowadzonego tylko w jednym z niezliczonych laboratoriów Wszechświata, dlatego nasza planeta nie daje nam wielu wskazówek co do tego, jak powinniśmy myśleć o ogromnej złożoności, której spodziewamy się w Drodze Mlecznej. Mamy jednak tylko to, powinniśmy więc jak najlepiej wykorzystać naszą ograniczoną wiedzę.

Nasze badania form, jakie może przybrać życie w Galaktyce, rozpoczniemy od przyjrzenia się tak zwanym regułom gry, czyli podstawowym zasadom, dzięki którym życie na Ziemi jest tym, czym jest. Twierdzimy, że najważniejsza z nich - ewolucja na drodze selekcji naturalnej - powinna działać w prawie każdym środowisku w Galaktyce. Druga wielka zasada - że życie opiera się na chemii atomów węgla - prawdopodobnie ma mniej uniwersalny charakter. Ponieważ jednak to, co znane, łatwiej zrozumieć, będziemy trzymać się chemii węgla tak długo, jak to możliwe.

Dlatego podzielimy dyskusję nad możliwym życiem na trzy wspomniane we wstępie kategorie: życie takie jak nasze, życie nie takie jak nasze oraz życie naprawdę nie takie jak nasze. Z oczywistych powodów większość uwagi poświęcimy pierwszej kategorii. Po ustaleniu podstawowych reguł dociekań nad możliwością życia takiego jak nasze przyjrzymy się temu, jak reguły te mogłyby przejawiać się w rozmaitego rodzaju środowiskach egzoplanetarnych:

- Planeta Złotowłosej - planeta taka jak Ziemia krążąca w takiej odległości od gwiazdy, która umożliwia istnienie przez długi czas na jej powierzchni oceanów ciekłej wody. Taka planeta jest najprostszym przypadkiem, gdyż mamy sporą wiedzę na temat jednej z nich: Ziemi. Wiele egzoplanet, które ostatnio pojawiają się w doniesieniach medialnych, takie jak krążąca wokół Proxima Centauri (naszego najbliższego gwiezdnego sąsiada) czy trzy z siedmiu planet okrążających gwiazdę TRAPPIST-1, to planety Złotowłosej - wszystkie są w odpowiedniej odległości od gwiazdy, woda na ich powierzchni pozostaje więc w stanie ciekłym.

- Świat z oceanami podpowierzchniowymi - planeta, której oceany ciekłej wody są z dołu ograniczone przez litą skałę, a z góry przez lód. Znamy takie światy z naszego Układu Słonecznego: Pluton (patrz Dygresja lingwistyczna w rozdziale 7), a także parę księżyców planet zewnętrznych.

- Świat samotny - planeta, która została wyrzucona z jakiegoś układu słonecznego i wędruje w kosmosie niezwiązana z gwiazdą. Takie sieroty nie muszą być miejscami zamarzniętymi i pozbawionymi życia, gdyż mogą mieć wewnętrzne źródła ciepła, tak samo jak inne planety, a brak światła nie miałby wpływu na ciepło z tych źródeł.

- Świat wodny - planeta całkowicie pozbawiona suchego lądu. Główną cechą takiego środowiska są odrębne warstwy znajdujące się na różnych głębokościach pokrywy wodnej. W oceanach Ziemi warstwy takie są tworzone przez masy wody o różnej temperaturze i zasoleniu, ale inne czynniki (na przykład ciśnienie) mogłyby odgrywać rolę na egzoplanetach. Przyjrzymy się intrygującej możliwości, że różne typy życia mogłyby ewoluować w różnych warstwach w światach wodnych, co pozwala myśleć o zdumiewających scenariuszach. Wyobraźmy sobie międzywarstwowe wojny, w których stworzenia z wyższego poziomu zrzucają wodne odpowiedniki bomb na stworzenia z niższego poziomu, a te ostatnie odpowiadają puszczaniem w górę baniek.

- Świat z rotacją synchroniczną - planeta, która jest zawsze zwrócona tą samą stroną do gwiazdy, podobnie jak Księżyc jest zawsze zwrócony tą samą stroną do Ziemi. Przypuszcza się, że wiele odkrytych światów, takich jak planety krążące wokół gwiazdy TRAPPIST-1, należy do tego typu. Ich cechą wyróżniającą jest to, że mają jedną stronę zawsze nagrzaną, a drugą zawsze zamarzniętą. Życie może istnieć tylko w wąskim pasie przejściowym, a dodatkową cechą tych planet są silne wiatry, które przenoszą ciepło ze strony gorącej na zimną.

- Superziemia - skalista planeta o rozmiarze pośrednim między Ziemią i Neptunem. Wydaje się, że jest wiele takich planet, a jej brak w naszym Układzie Słonecznym jest wyjątkiem. Ze względu na ich wielką masę główną właściwością środowiska jest silne pole grawitacyjne. Jeśli organizmy żywe pozostają w oceanach, supergrawitacja nie jest problemem, ale gdyby przeniosły się na ląd, musiałyby rozwinąć strategie radzenia sobie z nią. Na Ziemi, gdzie grawitacja jest umiarkowana, rozwinęło się wiele strategii dla różnych form życia: układy naczyniowe u roślin, egzoszkielety u owadów, szkielety wewnętrzne u ssaków. Jakie strategie rozwinęłyby się na Ziemi, gdyby grawitacja była dwa razy silniejsza? A dziesięć razy silniejsza? Gdyby jakiś gatunek gadów rozwinął pęcherz pławny - jak zrobiły ryby, aby poruszać się w wodzie - to czy przeobraziłyby się one ostatecznie w latające smoki, zdolne do wzbicia się w gęstą atmosferę planety?

Zbadawszy te możliwości, będziemy mogli odrzucić ciasne początkowe założenia i pomyśleć o życiu nie takim jak nasze. Będziemy to robić stopniowo, odejmując jedną wygodną cechę życia takiego jak nasze po drugiej.

A gdyby rozważyć życie oparte na chemii innego pierwiastka niż węgiel? Na przykład krzem znajduje się tuż pod węglem w układzie okresowym pierwiastków i ma wiele podobnych właściwości, dzięki czemu od dziesięcioleci życie oparte na krzemie należy do żelaznego repertuaru fabuł science fiction. Być może najbardziej znanym przykładem jest odcinek serialu Star Trek nakręcony w 1967 roku, w którym górnicy na odległej egzoplanecie spotykają - początkowo wrogo nastawioną - opartą na krzemie formę życia o nazwie Hortas, która zamieszkuje litą skałę. Zbadamy więc, na jakich planetach stworzenia takie mogłyby się rozwinąć. Zadamy także pytania innego rodzaju: Czy ten rodzaj życia rozpoznalibyśmy jako życie, gdybyśmy je napotkali? Czy formę życia opartą na krzemie postrzegalibyśmy rzeczywiście jako odmianę życia, czy też uznalibyśmy jedynie za skałę? Im bardziej się oddalamy od życia takiego jak nasze, tym bardziej kłopotliwe stają się takie pytania - życie chemiczne mogłoby opierać się nawet na pierwiastkach rzadkich na Ziemi, ale występujących obficie gdzie indziej, jak sugerują ostatnie katalogi składów chemicznych gwiazd (a zatem zapewne także planet krążących wokół nich).

Jeśli puścimy wodze fantazji, możemy wziąć pod uwagę życie, które wcale nie byłoby takie jak nasze - życie niechemiczne, a także życie, które nie działa zgodnie z prawami selekcji naturalnej. Ostatecznie zatem naczelne pytanie brzmi: zważywszy na ogromną złożoność i różnorodność, którą już spotkaliśmy pośród egzoplanet, czy znajdziemy podobną złożoność i różnorodność pośród żywych stworzeń zamieszkujących te planety?

Przedmowa

Żyjemy w złotym wieku odkryć naukowych. Stopniowo rozwiązywane są wielkie tajemnice, które zajmowały naukowców w minionych stuleciach. Rozumiemy na przykład, że Wszechświat na początku swej historii, 13,8 miliarda lat temu, znajdował się w gorącym, gęstym stanie i od tamtej pory rozszerza się i ochładza. Wiemy obecnie, że życie opiera się na chemii i że chemią życia rządzi cząsteczka znana jako DNA. Wiemy, że powierzchnia naszej planety zmienia kształt w reakcji na ruch materiału głęboko pod naszymi nogami. Nasz pogląd na świat i miejsce, jakie w nim zajmujemy, jest coraz jaśniejszy, coraz bardziej zrozumiały.

A jednak głębokie i fundamentalne pytania pozostają. Jedno z najstarszych i najgłębszych stanowi przedmiot niniejszej książki. Wyrażone najprościej brzmi ono: czy jesteśmy we Wszechświecie sami?

Musimy mieć świadomość, że znamy tylko jedną formę życia - tę, która rozwinęła się na naszej planecie. Nie wiemy jednak, czy życie to jest skutkiem zwykłych procesów chemicznych i fizycznych, czy może to, co zaszło na Ziemi, było statystycznym przypadkiem - losową pomyłką natury. Nasze myślenie na ten temat przechodzi właśnie radykalną przemianę, ponieważ w ostatniej dekadzie odkryliśmy tysiące nieznanych wcześniej planet, które krążą wokół gwiazd innych niż Słońce (lub nie krążą wokół żadnej gwiazdy). Zdaliśmy sobie sprawę z tego, że nasz Układ Słoneczny jest jednym z ogromnej liczby takich układów w Galaktyce i że Ziemia jest tylko jedną z wielu miliardów planet, na których mogłoby się rozwinąć życie. Czy rzeczywiście życie rozwinęło się na tych planetach, a jeśli tak, to jakiego rodzaju życie? Czy jesteśmy jedynymi istotami myślącymi w Galaktyce?

Mamy dość dobre pojęcie o pewnych krokach, które doprowadziły do obecności życia na Ziemi, i dokładnie rozumiemy, jak od pierwszych prymitywnych mikroorganizmów życie ewoluowało do obecnej różnorodności. Historia życia na Ziemi w znacznym stopniu zależała od właściwości środowiska, w którym te kroki się dokonały - od szczególnego charakteru naszej planety. Zagadnienie nasze brzmi zatem: jak kroki takie wyglądałyby w radykalnie odmiennych warunkach, które panują na egzoplanetach? Czy mogłoby na nich rozwinąć się życie takie jak na Ziemi? Czy rozwinęłoby się inne życie? Na czym polegałyby różnice? Jakie życie możemy sobie wyobrazić w nowo odkrytej krainie egzoplanet?

Oczywiście tego rodzaju kwestie muszą opierać się na wielkiej dozie wyobraźni. Niemniej istnieją prawa przyrody działające wszędzie we Wszechświecie i prawa te określają - choć w bardzo ogólnych zarysach - to, jak możemy wyobrażać sobie życie w kosmosie. Autorzy tej książki są wykładowcami fizyki (J.T.) i astronomii (M.S.), dlatego w tym, co pojawi się dalej, biorą starannie pod uwagę te granice. Zdumiewa jednak wielka liczba zupełnie odmiennych scenariuszy, jakie można sobie wyobrazić w granicach wyznaczonych przez prawa przyrody.

W pierwszych pięciu rozdziałach książki przedstawiamy podstawowe procedury, którymi kierujemy się w naszych rozważaniach nad naturą życia. Przyglądamy się zawiłemu problemowi definicji życia (rozdział 3), a potem omawiamy zasady, które rządzą jego powstaniem i ewolucją (rozdział 4). Dalej (w rozdziale 5) pochylamy się nad trudnym zadaniem, jakie stoi przed naukowcami starającymi się odkryć życie na odległych planetach.

Później wchodzimy już w tryb, który wymaga zarówno mnóstwa wyobraźni, jak i wiedzy naukowej. Przyglądamy się typowym egzoplanetom i próbujemy zrozumieć, jak w środowisku każdej z nich działałyby podstawowe zasady rządzące rozwojem życia. Pytamy, w jaki sposób, w jakich miejscach i jakiego rodzaju życie mogłoby się rozwinąć w tych egzoświatach, oraz prowadzimy spekulacje nad tym, jak mogłyby pojawić się w nich zaawansowane cywilizacje techniczne.

Na końcu rozdziałów tej części książki czytelnik spotka dialogi z nagłówkiem Mike i Jim (imiona te wybraliśmy z oczywistych powodów). W każdym z nich wyobrażamy sobie, że właśnie opisany świat rozwinął nie tylko życie, ale także wyrafinowaną technikę. Każda rozmowa zawiera argumenty - pół żartem, pół serio - za i przeciw tezie, że dany rodzaj życia na odwiedzonej egzoplanecie byłby jedynym, który występuje we Wszechświecie. Zabawa ta to hołd złożony wielkiemu pisarzowi science fiction Isaacowi Asimovi, a w szczególności jego opowiadaniu z 1941 roku Nastanie nocy, którego akcja rozgrywa się na wyobrażonej planecie w sześciogwiazdowym układzie słonecznym. W pewnej chwili grupa astronomów rozważa hipotezę o planecie krążącej wokół tylko jednej gwiazdy, lecz dochodzi do wniosku, że życie w takim środowisku byłoby niemożliwe - przecież przez połowę czasu byłoby ciemno! W podobnym duchu dialogi Mike'a i Jima powinny zostać zrozumiane jako wezwanie do intelektualnej otwartości w rozważaniach nad możliwym życiem w kosmosie.

W naszej wędrówce po egzoplanetach skupiamy się na życiu "takim jak nasze" - to znaczy życiu, jakie występuje na naszej planecie, opartym na chemii związków węgla. W rozdziale 15 jednak poszerzymy nasze poszukiwania. Najpierw rozważymy to, co nazywamy "życiem nie takim jak nasze" - to znaczy życie nadal oparte na chemii, ale niekoniecznie związków węgla. W końcu zaś - w rozdziale 16 - pójdziemy już na całego i wyobrazimy sobie to, co nazywamy "życiem naprawdę nie takim jak nasze" - to znaczy życie w ogóle nie oparte na chemii. Im bardziej oddalamy się od znanego nam świata i im bardziej niepewne stają się naukowe podstawy dyskusji, tym bardziej zmuszeni jesteśmy myśleć o scenariuszach, które mogłyby być zaczerpnięte z fantastyki naukowej.

Zanim opuścimy ziemską atmosferę, chcielibyśmy złożyć parę podziękowań. W projekcie takim jak ten autorzy muszą polegać na radach przyjaciół i kolegów. Jak zawsze z zastrzeżeniem, że za wszelkie błędy, które pozostały, ponoszą odpowiedzialność wyłącznie autorzy, szczególnie dziękujemy doktorowi Jeffowi Newmeyerowi i doktor Wandzie O'Brien-Trefil za nieocenioną pomoc udzieloną nam w czasie pisania tej książki.