Megjelent: Élet és Tudomány, 2009. július 17, 902-905. o.

Véletlen vagy törvényszerű az élet a Világegyetemben?

Napfivér?

A Csillagászat Nemzetközi Éve alkalmat ad arra, hogy ne csak a tudományág új eredményeit ismertessük, hanem a régieket is újragondoljuk. A múlt heti számunkban beharangozott Csillagászat és civilizáció című konferencia egyik szervezőjének minden bizonnyal vitára indító cikke új fényben mutatja meg sokat tanulmányozott Napunkat.

Mai tudományos világképünk alapfeltevése szerint a világ folyamatait alapvetően, lényegében a fizikai törvények irányítják. Ha ez a feltevés igaz lenne, akkor minden folyamatot a fizikai törvények kellene, hogy irányítsanak, beleértve az élőlények viselkedését is. Tény, hogy az elemi részecskék, atomok, molekulák viselkedését a fizikai (és a kémiai) törvények irányítják. Tény, hogy minden élőlény atomokból áll. De az már csak egy újabb feltevés, hogy akkor az élőlények viselkedését is az atomokat irányító fizikai törvények irányítják. Az atomok az élőlényekben ugyanis nem önmagukban állnak, hanem rendkívül összetett, komplex kapcsolatrendszerben, szervezettségben, és ez sok mindent megváltoztat.

Érdemes észrevenni, hogy az élő szervezetek viselkedése jellegzetesen eltér a fizikai törvények alapján várhatótól. A hagyomány szerint Galilei annak idején a pisai Ferdetoronyból csak fizikai tárgyakat ejtett le. Ha a világról szeretnénk képet alkotni, akkor a világ összes alapvető jelenségfajtájához tartozó testet kell leejteni, illetve viselkedését, mozgását megfigyelni, értelmezni, leírni, magyarázni. És ha élő madarakat ejtünk le a magasból, pályájuk jellegzetesen eltér a szabadon, egyenesen lefelé eső kő pályájától: a madarak nem esnek szabadeséssel a földre, mint a kő. A toronyból leejtett madár példája a biológiai folyamatok lényegét szemlélteti azzal, hogy a fizikai egyensúly felé haladó, lefutó folyamatokat a fizikai egyensúlytól távolító folyamatokkal ellensúlyozza. A leejtett madár visszanyeri kezdeti helyzetének magasságát, az élőlények a sejtjeikben zajló lefutó, kiegyenlítődés felé vezető folyamatok hatására közelítenének a számukra halált jelentő termodinamikai egyensúlyhoz, ezért azt kiegyensúlyozzák a termodinamikai egyensúlytól távolító, felfutó folyamatokkal, és így visszanyerik a termodinamikai egyensúly fölötti távolságukat. A leejtett madár viselkedésére hatnak a fizikai törvények, kezdetben a szabadon eső kőhöz hasonlóan esik lefelé, de hamarosan kinyitja szárnyát, a kezdeti feltételek alapján fizikailag várható pályát módosítja, és végállapota teljesen eltér a kezdeti feltételek alapján a fizikai törvényekből várhatótól. Az élőlények viselkedését nem lehet kiszámítani a kezdeti feltételek és a fizikai törvények alapján.

A fizikán túli világ

Vogel és Angermann a Springer Atlasz “Biológia” című kötetének bevezetésében így foglalják össze a mai tudományos közvélekedést: “Történetileg a való világ rendszereit vagy élőnek, vagy élettelennek tekintjük, s ennek megfelelően a fizika, illetve a biológia tudományterületéhez soroljuk. Ez a megkülönböztetés nem elvi, hanem gyakorlati jellegű, mivel a két rendszertípus között csak bonyolultságuk fokában van különbség.”

A tudományos elmélet lényege a vizsgált jelenségkörben érvényes összefüggések, törvények megtalálása, és az ezekből levezethető következtetések tapasztalati ellenőrzése. Látni kell azonban, hogy a mai fizikai világkép egyszerűen nem volt képes arra, hogy olyan elméletet alakítson ki, amely a megfelelő törvényeket megállapítva ezeket összevethesse az élőlények megfigyelhető viselkedésével. Nincs olyan fizikai elmélet, modell, amelyik meg tudná határozni, hogyan, milyen pályát ír le a pisai Ferdetoronyból leejtett madár, sem pedig olyan, amelyik meg tudná jósolni, mikor fogom behajlítani a kisujjam. Az élő szervezetek kiszámíthatatlan mértékű bonyolultságára hivatkozás eltorlaszolja az utat a tudományos magyarázat előtt. A repülőgép is rendkívül összetett, a Boeing-nek több mint 200 000 alkatrésze van, a tudomány mégis képes a repülőgépek viselkedésének megértésére, mert nem áll el a vizsgálattól az alkatrészek összetettségére hivatkozva, hanem figyelembe veszi, hogy a repülőgépek viselkedése a felhajtóerő elve alapján érthető meg. Hasonlóan, a tudomány akkor válik igazán gyümölcsözővé az élőlények viselkedésének kutatásában, amikor az élet elvére támaszkodik.

A lényeg az, hogy az élő szervezetek viselkedését, az egysejtűektől egészen az emberig, szemmel láthatóan, adatszerűen kimutathatóan nem a fizika törvényei irányítják, ahogy azt a pisai Ferdetoronyból leejtett élő madár példája is szemlélteti. A leejtett madár viselkedésében van egy törvényszerű elem: ha egy mód van rá, minél messzebb elkerüli a veszélyt, a halállal fenyegető helyzeteket. Az élőlények viselkedését tehát mai fizikai világképünk alapfeltevésével éles ellentétben alapvetően nem a fizika, hanem az élet szempontjai irányítják, mégpedig törvényszerűen, mert törvényszerű, hogy a leejtett élő madár nem zuhan egyenesen a földre, hogy összezúzza magát. Az élet szerkezeti komplexitással történő “magyarázata” nemcsak gyakorlatilag kivihetetlen a rendkívüli bonyolultság számításigénye miatt, hanem elvileg is csődöt mond.

Az élet komplexitásának eredete

A mai tudományos közvélekedés szerint az első sejt a Földön “véletlenül” jött létre az abiogenezis során: véletlenül, sokféle fizikai folyamat véletlen kölcsönhatása következtében keletkezett autokatalitikus vegyületekből. Igen ám, de az első sejt, aminek véletlenül kellene létrejönnie, genetikus komplexitásának szintjén egymillió bit információt tartalmaz, vagyis egy ezer oldalas könyv információtartalmának felel meg. Márpedig a bevett hasonlattal élve ahhoz, hogy egymilliárd majom egymilliárd számítógép billentyűzetén egyetlen értelmes mondatot véletlenül legépeljen, több mint tízmilliárd évre van szükség. Ráadásul a genetikus komplexitás mélyebb szintű a leíró mondatok, vagy a számítógépes programok információjánál, inkább olyan, mintha regényírói vagy programozói képességek, viselkedési elvek tárháza lenne, és így elvileg számtalan könyv, program, viselkedés rendkívül sűrített, mélyebb szintű információját foglalná magába.

A cirkuszi akrobaták alapelve

Az élet alapjellemzője, hogy a legmélyebb szinten a biológiai csatolások a termodinamikailag lefutó (exergonikus) és felfutó (endergonikus) biokémiai folyamatok között állnak fenn (Green és Reible, 1975; Purves és társai, 1992, 1, 137). Egy hasonlattal: a fizikai, lefutó folyamatokat szemléltessük azzal a cirkuszi akrobatával, aki éppen a mérleghinta magasan álló ülésére esik páros lábbal. Ekkor a felfutó folyamatokat az a másik akrobata jelképezi, amelyik a mérleghinta lenti ülésén állt, s amikor a fenti ülésre társa megérkezett fentről, a mérleghinta lenti szára felcsapódik, s fellövi az addig ott álló akrobatát. A leeső akrobata a mérleghinta közvetítésével felröpülő akrobatát indít el. Az élő rendszerekben törvényszerűen jelentkeznek termodinamikailag felfutó folyamatok, hogy lehetővé tegyék a termodinamikai egyensúly, a halál elkerülését, a termodinamikailag lefutó folyamatok túlsúlyra jutását. A felfutó folyamatokhoz tartozik például az aktív transzport, a sejtek anyagforgalmában jelentős, biológiai forrásból eredő energia felhasználásával végbemenő szállítási folyamat – olyan, a sejt membránjának aktív működéséhez szükséges anyagáramlás, amely energiát igényel, fizikai és kémiai törvényekkel nem magyarázható, csak élő szervezetben létezik. A sejtfal a számára szükséges anyagokat beszívja, illetve kiadja magából.

Világos, hogy az élő szervezetek sejtjeinek helyreállítására rendszeres munkavégzésre van szükség. Bauer Ervin Elméleti biológia című könyvében az életet a következő elv alapján határozza meg: “Az élő rendszer munkája, bármilyenek is a környezeti feltételek, annak az egyensúlynak a bekövetkezése ellen irányul, amelynek az adott környezetben és az adott rendszer kezdeti állapota alapján fel kellene lépnie és munkát végez annak az egyensúlynak a létrejötte ellenében is, amelyet éppen ez a környezet és a rendszer kezdeti állapota határoz meg a fizikai és kémiai törvények alapján. Az élő és csakis az élő rendszerek soha sincsenek egyensúlyban, és szabadenergia-tartalmuk terhére állandóan munkát végeznek annak az egyensúlynak a beállta ellenében, amelynek az adott külső feltételek mellett a fizikai és kémiai törvények értelmében létre kellene jönnie.”

A Nap élettevékenysége

A fentiek fényében érdemes elvégeznünk egy érdekes gondolatkísérletet: vizsgáljuk meg: lehet-e a Nap élőlény?

Először is, a Nap nem-egyensúlyi rendszer, nincs termodinamikai egyensúlyban, mert napfoltokat, napkitöréseket hoz létre, azaz öntevékeny. Az öntevékenység pedig rendkívül figyelemre méltó tulajdonság, mert az élő macskát a halott macskától az különbözteti meg, hogy az élő macska magától mozog, míg a halott macska erre nem képes. Az élettelen tárgyaknak nincs öntevékenységük: a széknek nincs széktevékenysége, a kőnek nincs kőtevékenysége, de a Napnak van naptevékenysége. Ez a naptevékenység pedig rendkívül különös jelenség. A csillagászat, a fizika mindmáig nem képes megmagyarázni, előre jelezni a naptevékenységet. A Nap – különös módon – ahogy a Bauer elv megköveteli, rendszeresen átalakítja belső szerkezetét, újratermeli mágneses terét, amely irányítja öntevékenységét, mégpedig nem rövid, hanem hosszú távon, 4 milliárd éve, újratermelve az egyensúlytól mért távolságot.

A Nap tehát rendszeresen munkát fektet be ahhoz, hogy saját tevékenységét újratermelő tevékenységet indítson be, amelyik, úgy tűnik, az azonos kezdeti feltételekből induló fizikai rendszer viselkedésétől eltér (a naptevékenységet modellezni akaró dinamók hamar leállnak). Ehhez a rendszeresen ismétlődő, hasonló eredményre vezető irányú, célravezető munkabefektetéshez algoritmikus komplexitás tartozik. A Nap mágneses tere felméretlenül gazdag komplexitást hordoz, hiszen pontról pontra változik, és ráadásul spontán termelődnek benne önálló mágneses képződmények (áramszálak, áramlapok, áramgömbök). Ezt a mágneses teret komplexitásával együtt a Nap maga termeli. Elfogadott tény, hogy a mágneses tér irányítja a naptevékenységet. Ez pedig azt jelenti, hogy a Nap maga termeli a tevékenységét irányító programot, önmaga kezdeményezi saját változását. Nemrég, 2003-ban Consolini és tudóstársai a Nap felszínén zajló folyamatok megfigyeléseire támaszkodva azt is kimutatták, hogy a naptevékenység egyfajta információt is hordoz.

A mágneses tér újratermeléséhez a belső áramlások és az óriási komplexitást hordozó mágneses tér szerkezete össze kell legyen hangolva. A mágneses teret ugyanis a Nap belsejében csakis a mágneses teret magukkal ragadó áramlások tudják mozgatni, változtatni. Ahhoz, hogy az áramlások mindig a megfelelő irányban és mindig a megfelelő sebességgel vigyék maguk előtt a mágneses tér újratermeléséhez az adott pontban szükséges erősségű és irányú mágneses teret, az áramlásoknak pontról-pontra megfelelő sebességűnek és irányúnak kell lenniük, pontról-pontra az ott található mágneses tér irányának és erősségének megfelelően. A Nap tömege háromszázezer Földtömegnek felel meg, elemi részeinek száma ~1057. Mivel minden egyes részecskéje három irányba mozdulhat el, ezért az elemi részek szintjén a Nap lehetőségeinek (szabadsági fokainak) száma ~3*1057. Ha pedig mágneses erőterének változási lehetőségeit tekintjük pontról-pontra, ezek száma minden pillanatban végtelen. A rendkívül komplex mágneses térhez tehát egy rendkívüli komplexitású, a mágneses térrel az újratermeléshez szükséges módon összehangolt sebességtér kell tartozzon. Ha ez a finomhangolás nem áll fenn, akkor a mágneses tér nem termelődik újjá. Amíg az újratermelésnek olyan szigorú feltételei vannak, amely rendkívüli finomhangolást jelent, addig ha ezektől a szigorú feltételektől akár csak kicsit is eltér a Nap belső áramlásainak sebessége, akkor az eredmény nem az újratermelés, hanem a lecsengés. Fizikai alapon törvényszerű, hogy a naptevékenység gyorsan elhaljon, és rendkívüli véletlen, ha egyszer is újratermelődik. Pontosabban, rendkívüli véletlenek egész rendkívüli sorozata, hiszen az összehangoltságnak a Nap egész belsejében, pontról pontra fenn kell állnia. Ráadásul nemcsak egy adott pillanatban, hanem folyamatosan, a Nap egész eddigi élettartama alatt! Ez a rendkívüli összehangolódás-sorozat pedig már félmilliárdszor képes volt újratermelni a Nap mágneses terét, és ezzel magát a naptevékenységet (hiszen a mágneses tér irányítja a naptevékenységet). Ez a fizikai törvények alapján végtelenül valószínűtlen, csillagászati számmal jellemezhetően komplex és rendszeresen ismétlődő eseménysorozat tehát nem lehet egyszerűen a véletlen következménye. Ha nem akarunk a vakvéletlenekkel törvényszerűséget magyarázni, azaz fából vaskarikát készíteni, be kell lássuk, hogy a naptevékenység éppen olyan életjelenség, mint például a szívverés. A szív csakis a szervezeten belül életképes, azon kívül a szívverés egy-két dobbanás után leáll. De az élőlények szervezetén belül a szív az életút folyamán néhány milliárd dobbanásra képes. Érdekes, hogy ha a naptevékenység ciklusát a szívdobbanással állítjuk párhuzamba, mindkettő néhány milliárdszor ismétlődik az életút alatt.

A legegyszerűbb élőlény szíve is rendkívül összetett, algoritmikus komplexitása az agyéval vethető össze, azaz bit-ezermilliárdokban mérhető. Ha a naptevékenység algoritmikus komplexitása a szívével vethető össze, akkor egyben az agyéval is összevethető. A naptevékenységhez tehát algoritmikus komplexitás tartozik. A naptevékenység újratermelése tehát algoritmikus komplexitást termel újjá. Az algoritmikus komplexitás az élőlények és az ember által létrehozott gépek sajátsága. A Nap nem ember által létrehozott gép. Ha a Nap saját maga hozta létre algoritmikus komplexitását, az olyan, mintha egy számítógép maga írná a programot önmaga számára és az önmaga által írt program alapján működne. Ebből a szemszögből nézve tehát a Nap egyfajta kozmikus élőlénynek tekinthető. Az élőlények egyik definíciója ugyanis, hogy információ által irányított természetes rendszerek.

Eredményünk azért is érdekes, mert a Nap a legjobban ismert csillag, s a csillagok alaptípusának is tekinthető. Ha a Nap egyfajta kozmikus életformát jelent, akkor a Naphoz hasonló csillagok is kozmikus életformát hordozhatnak.

Grandpierre Attila, a fizikai tudományok kandidátusa