Cztery zaskoczenia (4a): Fizyka

Inne odcinki serii:

Cztery zaskoczenia (1): Biologia (systematyka i ewolucja)

Cztery zaskoczenia (2): Astronomia

Cztery zaskoczenia (3): Chemia

Cztery zaskoczenia (4b): Fizyka

Cztery zaskoczenia (4c): Fizyka

Tu także, jak w poprzednich odcinkach cyklu, mam problem typu l’embarras du choix, czyli nadmiaru możliwości do wyboru. Co prawda niektóre z zaskoczeń astronomicznych czy chemicznych można jednocześnie uznać za fizyczne. Dlatego, skoro wspominałem już przy innej okazji np. o badaniu czarnych dziur czy detekcji fal grawitacyjnych, to nie będę już do nich wracał. Tym razem ucieknę od kosmologii i astrofizyki w stronę mikroświata cząstek elementarnych i zjawisk kwantowych. Oczywiście za mojej pamięci i tu wiele się działo. Spróbuję o tym opowiedzieć. Przepraszam z góry, jeśli jako niespecjalista być może popełniam tu i ówdzie błędy rzeczowe. Skłamałbym, twierdząc, że moja wiedza o mechanice kwantowej i cząstkach elementarnych jest głęboka. „Ale staram się, Ringo” – jak deklarował Jules Winnfield w Pulp Fiction. Na pewno warto mieć w tych sprawach jako taką orientację.

Żeby jednak nie wystraszyć Czytelników nadmiarem szczegółów technicznych, przedstawię swoje cztery zaskoczenia fizyczne w trzech rozsądnych dawkach –  dwa w jednym wpisie, a potem po jednym w kolejnych. Przyczyna jest prozaiczna: o niektórych rzeczach nie sposób opowiedzieć krótko. Jeśli uważacie, że coś przedstawiłem nieprzejrzyście, zachęcam do dyskusji w komentarzach. Chętnie doprecyzuję wszelkie niejasności.

1. Burzliwe morze wewnątrz protonu

Nukleony (protony i neutrony) uchodziły kiedyś za cząstki elementarne. W 1964 r. pojawiła się teoria oddziaływań silnych Murraya Gell-Manna i George’a Zweiga, a wraz z nią hipoteza, że każdy nukleon składa się trzech silnie związanych mniejszych cząstek – kwarków. Doświadczenia z głębokim rozpraszaniem niesprężystym elektronów na nukleonach, przeprowadzone cztery lata później na wielkim akceleratorze liniowym Uniwersytetu Stanforda dowiodły, że nukleony faktycznie nie są miniaturowymi odpowiednikami kul bilardowych, tylko posiadają ziarnistą strukturę wewnętrzną. Innymi słowy, coś w nich siedzi. Zgodnie z przewidywaniami teoretyków w przypadku protonu p są to dwa kwarki górne u (każdy o ładunku +⅔ e) i jeden kwark dolny d (o ładunku −⅓ e). Symbolicznie: p = uud. Zauważmy, że suma ładunków elektrycznych kwarków wynosi +1 e i taki też jest ładunek protonu.

Proton nie jest jednak prostą sumą swoich składników: zawiera także oddziaływania między nimi, a zgodnie z formułą Einsteina (E = mc²) energia oddziaływań uwięziona w jakimś układzie wnosi wkład w jego masę. Suma mas u, u, d – tzw. kwarków walencyjnych, decydujących o tym, że proton jest protonem – odpowiada tylko za ok. 1% masy protonu. Reszta – to ekwiwalent energii kinetycznej i potencjalnej kwarków oraz tego, co je wiąże: energii oddziaływań silnych, których nośnikami są gluony. Wewnętrzna energia protonu generuje wirtualne pary kwark–antykwark, ulegające niemal natychmiast anihilacji. W rezultacie proton wypełniony jest nie tylko polem gluonowym, ale i „morzem” pojawiających się i znikających kwarków i antykwarków. Innymi słowy, stanowi gmatwaninę cząstek i oddziaływań, w której niełatwo się rozeznać. Choć swobodny proton jest cząstką trwałą i niezmienną, a jeśli go zostawić w spokoju, ma szansę „żyć wiecznie”, to uwięziona w nim energia nieustannie wrze.

Artystyczna wizja kwarków walencyjnych, gluonów i morza kwarków wirtualnych wewnątrz protonu. Autor: Daniel Dominguez/CERN.

Im większe zderzacze i im wyższa energia zderzeń, z tym lepszą rozdzielczością możemy sondować strukturę protonu i obserwować jego składniki. W ostatnich dziesięcioleciach postęp w tej dziedzinie jest imponujący. W eksperymentach, w których na przykład ciekły wodór i deuter bombardowane są strumieniem rozpędzonych protonów, analiza produktów zderzeń ujawnia znaczenie składników wirtualnych. Jeśli zaobserwujemy kwark u lub d, to nie sposób stwierdzić, czy jest on jednym ze stałych rezydentów (kwarków walencyjnych), czy też należy do morza cząstek wirtualnych. Jeśli jednak dostrzeżemy wewnątrz protonu antykwark ū lub , ewentualnie kwark o innym, bardziej egzotycznym „zapachu” (np. kwark dziwny s), to wiemy na pewno, że natknęliśmy się na wirtualny składnik morza podczas jego przelotnej egzystencji. A oprócz masy także spin, czyli wewnętrzny moment pędu protonu, jest tylko w kilku lub kilkunastu procentach sumą spinów kwarków walencyjnych, poza tym zaś stanowi kombinację momentów pędu wszystkiego, co w protonie siedzi. Zdarza się, że w danej chwili jeden wirtualny antykwark wnosi prawie połowę wkładu w całkowity spin protonu, choć formalnie rzecz biorąc nie jest jego składnikiem.

To samo oczywiście dotyczy neutronu, z tą tylko różnicą, że jego skład kwarkowy jest nieco inny (n = udd), że w związku z tym suma ładunków kwarków (czyli ładunek neutronu) wynosi 0 i że swobodny neutron jest cząstką nietrwałą (a przez to nieco trudniejszym obiektem do badania). Mimo że znamy już budowę nukleonów, zachodzące w nich oddziaływania są na tyle skomplikowne, że brak dotąd teorii wyjaśniającej szczegółowo cechy nukleonów na podstawie właściwości ich składników. A pamiętam czasy, kiedy proton czy neutron był gładką kulką, której odmawiano prawa do życia wewnętrznego!

2. Splątanie i informacja kwantowa

W roku 2022 nagrodę Nobla z fizyki zdobyli trzej uczeni (Alain Aspect, John Clauser i Anton Zeilinger), którzy w latach siedemdziesiątych, osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych XX w. prowadzili badania nad różnymi aspektami splątania kwantowego. Jest to przewidywane przez mechanikę kwantową zjawisko, które może się wydawać sprzeczne nie tylko z intuicją, ale także z fundamentalną wiedzą o właściwościach czasoprzestrzeni. O ile to pierwsze nie jest w fizyce nowością (wiemy, jak zawodny jest „zdrowy rozsądek” czerpany z potocznego doświadczenia), o tyle to drugie było powodem do niepokoju. Zwrócili na to uwagę Albert Einstein, Boris Podolsky i Nathan Rosen (EPR) w publikacji z roku 1935. Ich zdaniem przewidywane zachowanie układów kwantowych było nie do pogodzenia ze szczególną teorią względności i relatywistycznym pojmowaniem zasady przyczynowości. Miało to świadczyć o ukrytych wadach mechaniki kwantowej, podważających całą teorię.

Na czym polega splątanie? Otóż może się tak zdarzyć, że stan kwantowy złożonego układu jest dobrze określony, podczas gdy stany jego lokalnych składników pozostają nieokreślone. Wyobraźmy sobie, że układ składa się z dwu cząstek wyemitowanych w przeciwnych kierunkach. Cząstki wygenerowano w taki sposób, że znamy ich własność wspólną (stan układu jako całości), ale każda z nich jest opisana przez superpozycję, czyli kwantowe złożenie różnych stanów. Mimo oddalenia cząstki pozostają z sobą „splątane” w tym sensie, że ich stany kwantowe są z sobą wzajemnie skorelowane. Jeżeli dokonujemy pomiaru stanu jednej z cząstek splątanych, powodujemy, że przybiera on określoną wartość. Jaką  – tego nie da się z góry przewidzieć, bo możliwe wyniki pomiaru mają rozkład losowy. Pomiar wpływa jednak na cały układ objęty splątaniem, co pozwala nam przewidzieć – w idealnym przypadku z pewnością, w praktyce z większą dozą pewności niż przy zgadywaniu w ciemno – jaki okaże się wynik pomiaru dokonanego przez innego obserwatora na drugiej cząstce, choćby znajdowała się w dużej odległości od pierwszej.

Spójność układu kwantowego, dopóki nie zostanie naruszona przez pomiar (oznaczający fizyczną ingerencję), nie zanika z odległością. Panowie EPR uważali, że oznacza to możliwość natychmiastowego przekazania informacji z nieskończoną prędkością, czyli „upiornego oddziaływania na odległość”, co rzeczywiście byłoby sprzeczne ze szczególną teorią względności. Jednak – aczkolwiek dzięki eksperymentom nagrodzonym zeszłorocznym Noblem wiemy, że splątanie jest zjawiskiem całkowicie rzeczywistym – z rozważań teoretycznych wynika, że nie można go użyć do przesłania z prędkością nadświetlną informacji mogącej posłużyć do naruszenia zasady przyczynowości. Dokładniej – nie można za jego pomocą sprawić, że kolejność w czasie przyczyny i skutku ulegnie odwróceniu w jakimkolwiek inercjalnym układzie odniesienia. A zatem paradoks EPR nie prowadzi do prawdziwej sprzeczności.

Ambitne plany IBM: procesory kwantowe z rosnącą liczbą kubitów. Źródło: IBM.

Splątanie przejawia się na różne sposoby. Jednym z efektów specjalnych, jakie mu zawdzięczamy, jest „teleportacja kwantowa” – możliwość przeniesienia na odległość stanu kwantowego z wykorzystaniem obiektów splątanych kwantowo, bez przesyłania materii lub energii. Można ją wykorzystać np. do bezpiecznego szyfrowania: zakodowana wiadomość jest przesyłana kanałem klasycznym (np. przez światłowód lub drogą radiową), a klucz umożliwiający jej odczytanie – „teleportowany” w postaci informacji kwantowej. Jeśli komunikat zostanie przechwycony, to bez klucza jest bezużyteczny, natomiast próba przechwycenia klucza nie jest możliwa w sposób niezdradzający interwencji podsłuchującego. Sam klucz nie jest komunikatem i nie da się za jego pomocą przekazać informacji „klasycznej”.

Warto też pamiętać, że możliwość splątania dużych zbiorów kubitów (jednostek informacji kwantowej) decyduje o szybkości i efektywności działania komputera kwantowego w porównaniu z komputerem klasycznym. Kubit tym się różni od klasycznego bitu (mogącego przyjąć dwie wartości, 0 lub 1), że dopóki nie zostanie odczytany („zaobserwowany”), jego stan jest kwantową mieszanką, czyli superpozycją obu możliwości. Większa liczba kubitów może tworzyć tzw. rejestr kwantowy. Ciąg dwudziestu bitów klasycznych pozwala na zapamiętanie jednej z 2²⁰ = 1 048 576 kombinacji zero-jedynkowych. Ciąg dwudziestu kubitów utrzymywanych w stanie splątania umożliwia jednoczesne zapamiętanie wszystkich (czyli ponad miliona) kombinacji w formie superpozycji na potrzeby obliczeń kwantowych. Aczkolwiek informatyka kwantowa jeszcze nie całkiem wyszła z powijaków, to jej zastosowaniom można wróżyć świetlaną przyszłość. Ale nawet pomijając zastosowania praktyczne i technologie przyszłości, samo zrozumienie znaczenia splątania jako fundamentalnej cechy rzeczywistości zasługuje na wyróżnienie wśród osiągnięć fizyki współczesnej.

Lektura uzupełniająca

Co siedzi wewnątrz protonu (i często sprawia badaczom niespodzianki)

https://cerncourier.com/a/the-proton-laid-bare/

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03282-z

Za co przyznano Noble z fizyki w roku 2022

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/

Cztery zaskoczenia (3): Chemia

Inne odcinki serii:

Cztery zaskoczenia (1): Biologia (systematyka i ewolucja)

Cztery zaskoczenia (2): Astronomia

Cztery zaskoczenia (4a): Fizyka

Cztery zaskoczenia (4b): Fizyka

Cztery zaskoczenia (4c): Fizyka

Trochę żałuję, że narzuciłem sobie samoograniczenie: z każdej omawianej dyscypliny wybieram tylko cztery odkrycia, które zrobiły na mnie szczególne wrażenie od czasu, kiedy zacząłem się interesować nauką (ponad 50 lat temu). Nauka rozwija się w szaleńczym tempie, co roku rozdawane są Noble, wybór czterech tematów oznacza pominięcie kiluset równie ważnych. Ale trudno: słowo się rzekło – kobyłka u płota; poza tym więcej odkryć nie zmieściłoby się w jednym wpisie. Oto moje cztery czysto subiektywne zaskoczenia chemiczne.

1. Cuda z czystego węgla

Silne i trwałe wiązanie między atomami węgla (C–C), któremy zawdzięczamy nieskończoną różnorodność związków tego pierwiastka oraz istnienie życia na Ziemi, może zdziałać cuda także wówczas, gdy z kompletu klocków tworzących molekuły zabierzemy wszystkie inne pierwiastki i zostawimy sam węgiel. Od dawna znamy dwie odmiany alotropowe węgla, w których atomy uporządkowane są w różny sposób w sieć krystaliczną. Są to grafit i diament. Wyjątkowa łączliwość atomów węgla każe się zastanowić, czy z klocków C nie dałoby się zbudować innych stabilnych struktur. W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX w. kilkakrotnie rozważano teoretyczną możliwość istnienia związku C₆₀, złożonego z atomów węgla ułożonych sferycznie w kształt dwudziestościanu ściętego (jak styki łat piłki nożnej). Jednak świat naukowy nie przywiązywał wielkiej wagi do takich spekulacji. Sytuacja zmieniła się w roku 1985, gdy w bezpostaciowych, przypominających sadzę produktach odparowania węgla w atmosferze helowej znaleziono C₆₀, a do tego jeszcze inną, podobną molekułę, C₇₀. Okazało się niebawem, że „piłeczki węglowe” różnej wielkości (C₆₀ ma średnicę rzędu nanometra) nie tylko istnieją, ale powstają w sposób naturalny poza laboratorium, choćby w kopcącym płomieniu lub podczas wyładowań atmosferycznych; znaleziono je też w meteorytach. Charakterystyczne widmo absorpcyjne ujawniło ich obecność nawet w przestrzeni międzygwiezdnej – w mgławicach planetarnych, czyli w otoczkach gazowych odrzucanych przez gwiazdę przekształcającą się w białego karła.

Model związku „endohedralnego″ He@C₆₀, złożonego z fulerenu C₆₀ i zamkniętego wewnątrz niego atomu helu. Naturalne związki tego typu (z uwięzionymi gazami szlachetnymi) znaleziono w meteorytach. Cząsteczka po prawej dolnej stronie (organiczny związek niklu) służy jako miejsce przyczepu pozwalające „przytrzymać″ fuleren. Źródło: Cambridge Crystallographic Data Centre.

Ten nowy typ związków węgla z węglem, tworzących zamknięte struktury wielościenne, nazwano fulerenami.* Mają one fascynujące właściwości chemiczne i mnóstwo zastosowań, ale z braku miejsca wspomnę tylko o tym, że jedno odkrycie prowadzi do następnych. Gdy nauczono się już identyfikować i syntetyzowć fulereny, przyszedł czas na poszukiwanie innych niekonwencjonalnych odmian węgla. Zamiast zwijać sieć atomów C w kuleczkę, można ją zwinąć w rulonik, czyli w powierzchnię walca o dowolnej długości. W ten sposób powstają nanorurki węglowe, odkryte w 1991 r.  Z kolei, jeśli promień sfery dąży do nieskończoności, jej powierzchnia staje się płaska. Na płaszczyźnie można ułożyć sieć atomów węgla o sześciokątnych oczkach, przypominającą kryształ grafitu, ale składającą się z jednej warstwy atomów. Istnienie takiej dwuwymiarowej struktury węgla (którą można uznać za szczególny, graniczny typ fulerenu) podejrzewano od dawna, ale została ona wyizolowana i porządnie opisana dopiero w roku 2004. Nazywamy ją grafenem. Jednoatomowa warstewka węglowego „plastra miodu” została pozyskana w genialnie prosty sposób: zdjęto ją z powierzchni grafitu za pomocą taśmy klejącej. W ostatnich dziesięcioleciach poznano kilka kolejnych odmian węgla (w tym nanopiankę węglową), ale zwłaszcza nanorurki i grafen są substancjami o ogromnej liczbie już rozwiniętych lub potencjalnych zastosowań praktycznych. Odkrycia zarówno fulerenów, jak i grafenu zostały uhonorowane nagrodami Nobla. W pełni zasłużenie, bo popchnęły one chemię węgla, pierwiastka pospolitego i znanego „od zawsze”, w całkiem nowych kierunkach.

2. Kwazikryształy

Kryształ jest to taki sposób uporządkowania atomów, jonów lub molekuł ciała stałego, że tworzą one w skali mikroskopowej trójwymiarowy układ okresowo powtarzalny wzdłuż osi przestrzennych. Najmniejsza powtarzalna jednostka tej struktury to komórka elementarna. Dwuwymiarowym analogiem kryształu jest pokrycie płaszczyzny figurami geometrycznymi w sposób okresowy, czyli taki, że ten sam motyw geometryczny powtarza się w nieskończoność. Na przykład całą płaszczyznę łatwo pokryć szczelnie kafelkami w kształcie trójkątów równobocznych, kwadratów lub sześciokątów foremnych albo np. okresowo powtarzalną kombinacją wszystkich tych trzech typów kafelków, ale nie można szczelnie pokryć płaszczyzny pięciokątami foremnymi. W drugiej połowie XX w. zaczęto odkrywać sposoby pokrycia płaszczyzny za pomocą skończonego zbioru wielokątów w sposób regularny, ale nieokresowy: po dowolnym przesunięciu liniowym wzór nie nakłada się sam na siebie. Pierwsze przykłady takich pokryć były dość skomplikowane, ale w latach siedemdziesiątych Roger Penrose odkrył całą klasę pokryć nieokresowych (jest ich nie tylko nieskończenie, ale nawet nieprzeliczalnie wiele), do których wystarczą dwa czworokąty: „latawiec” i „strzałka”, albo (w innym wariancie) dwa romby o różnych kątach wewnętrznych. Ciekawą właściwością tych pokryć (parkietaży Penrose’a) jest pięcioboczna symetria obrotowa: wzór nakłada się sam na siebie po obrocie o 72° wokół środka symetrii.**

Dwunastościenny kwazikryształ stopu holmu, manganu i cynku (na tle monety jednocentowej). W odróżnieniu od przypominających dwunastościan foremny kryształów pirytu (w którym jednak kąty ścian nie są równe), tu mamy do czynienia z prawdziwą symetrią pięciokątną. Foto: Ames Laboratory, Iowa State University. Źródło: The San Diego Union-Tribune.

Teoretycy zaczęli się zastanawiać, czy mogłyby istnieć także regularne, ale nieokresowe uporządkowania atomów, jonów lub molekuł odpowiadające parkietażom Penrose’a. Na początku lat osiemdziesiątych zdawano już sobie sprawę, że jeśli istnieją, powinny się dać rozpoznać po nietypowych wzorcach dyfrakcji elektronów, wskazujących na symetrię obrotową inną niż trój-, cztero- lub sześciokątna. Pozostałoby to abstrakcyjną ciekawostką teoretyczną, gdyby izraelski chemik Dan Shechtman nie odkrył w 1984 r. substancji dającej wzorzec dyfrakcyjny o symetrii dziesięciokrotnej, „zabronionej” przez klasyczne zasady krystalografii. Był to pierwszy znany kwazikryształ (aperiodyczne uogólnienie pojęcia kryształu), stop glinu z manganem (Al₆Mn). Odkrycie spotkało się z niedowierzaniem dużej części społeczności naukowej, a dwukrotny noblista (chemiczny i pokojowy) Linus Pauling grzmiał publicznie na konferencji naukowej: „Danny Shechtman opowiada bzdury! Nie ma kwazikryształów, są tylko kwazinaukowcy!” Mniej więcej przez trzy lata odkrywca musiał się zmagać z wrogością środowiska, a nawet ostracyzmem. Jednak późniejsze wyniki badań nie tylko w pełni potwierdziły jego odkrycie, ale przyniosły kolejne przykłady kwazikryształów (dziś są ich setki). Za udowodnienie ich istnienia Schechtman sam dostał nagrodę Nobla w 2011 r. Obecnie znamy nawet naturalny minerał kwazikrystaliczny, ikosahedryt (Al₆₃Cu₂₄Fe₁₃). Trafił on na Ziemię wraz z meteorytem (chondrytem węglowym), którego resztki znaleziono nad rzeką Chatyrką w Górach Koriackich na Syberii.

Kwazikryształy mają interesujące zastosowania praktyczne, może nie tak spektakularne jak nowe formy węgla, ale nie za to je kochamy. Ich odkrycie jest satysfakcjonujące estetycznie i intelektualnie jako przykład głębokich związków matematyki z naukami przyrodniczymi.

3. Międzygwiezdna chemia organiczna

Czasy, gdy związki organiczne uważano za produkty istot żywych otrzymywane za pomocą specjalnej siły życiowej (vis vitalis), odeszły w przeszłość jeszcze w XIX w. Ale złożone związki węgla tak bardzo kojarzą się z życiem, że nadal zaskakuje nas ich występowanie w przyrodzie nieożywionej. Zwłaszcza jeśli chodzi o „cegiełki życia”, czyli komponenty głównych makrocząsteczek, z których zbudowane są komórki organizmów biologicznych: kwasów nukleinowych, białek, glikanów czy lipidów. Nie poznaliśmy dotąd szczegółowego scenariusza abiogenezy, czyli powstania życia na Ziemi, ale każda jego wersja wymaga wcześniejszego istnienia cukrów, zasad azotowych, aminokwasów, kwasów tłuszczowych i innych „klocków Lego”, które mogły się zorganizować w bardziej złożone struktury.

Od czasów eksperymentu Millera–Ureya (1953) wiadomo, że część z tych związków można otrzymać, przeprowadzając wyładowania elektryczne w mieszaninie gazów imitującej domniemany skład atmosfery Ziemi przed miliardami lat. Co prawda dzisiejsza wiedza o warunkach prebiotycznych młodej Ziemi przeczy założeniom Stanleya Millera o atmosferze złożonej głównie z metanu i amoniaku, ale współczesne, bardziej realistyczne eksperymenty tego typu pozwalają uzyskać jeszcze bardziej urozmaicone zestawy „cegiełek życia”. Źródłem tych związków mogły być także spadające na Ziemię komety i meteoryty. W meteorytach znajdowanych i badanych współcześnie odkryto m.in. bogaty zestaw aminokwasów, wszystkie zasady azotowe wchodzące w skład RNA i DNA, a ostatnio także kilka cukrów, w tym rybozę, ważny element strukturalny wielu związków fundamentalnych dla procesów biologicznych (RNA, ADP, ATP). Prawie 50 związków organicznych, w tym aminokwas glicynę, odkryto za pomocą spektrometru masowego ROSINA w atmosferze komety 67P/Czuriumow–Gierasimienko, odwiedzonej prze sondę kosmiczną Rosetta (2014–2016). Jest zatem rzeczą pewną, że synteza dość skomplikowanych związków niezbędnych dla powstania życia mogła zachodzić nie tylko na Ziemi, ale także w materii kosmicznej Układu Słonecznego jeszcze przed uformowaniem się naszej planety.

Fragment Obłoku Molekulernego Byka (TMC-1) sfotografowanego w podczerwieni przez Kosmiczne Obserwatorium Herschela. To jeden z obszarów wyjątkowo bogatych w liczne związki organiczne. Źródło: Europejska Agencja Kosmiczna.

Co więcej, chemia organiczna jest starsza niż Układ Słoneczny. Już  w latach 30. i 40. ubiegłego wieku widma optyczne pobliskich gwiazd ujawniały obecność prostych, dwuatomowych cząsteczek w ośrodku międzygwiezdnym lub otoczkach gazowych gwiazd. Wykryto w ten sposób np. grupę metinową (CH) i nitrylową (CN). Dopiero pod koniec lat 60. i w kolejnych dziesięcioleciach postępy radioastronomii umożliwiły badanie nowych zakresów widma i detekcję w obłokach gazu międzygwiezdnego bardziej skomplikowanych molekuł: amoniaku (NH₃), wody (H₂O), formaldehydu (CH₂O), siarkowodoru (H₂S), tlenku węgla (CO), a nawet metanolu (CH₃OH) i etanolu (C₂H₅OH). Część z nich to związki organiczne mogące być prekursorami jeszcze bardziej skomplikowanej chemii kosmicznej. Jednak prawdziwa eksplozja nowych odkryć nastąpiła w XXI w., a zwłaszcza od roku 2020.*** Zarówno w przestrzeni międzygwiezdnej (także w odległych galaktykach), jak i w obszarach formowania się gwiazd oraz w dyskach protoplanetarnych  otaczających młode gwiazdy zidentyfikowano dotąd ponad 250 związków organicznych, w tym wiele takich, które powszechnie uważane są za „prebiotyczne” (prekursory aminokwasów czy rybozy), a także np. wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Wyżej wspomniałem już o kosmicznych fulerenach. Dysponując tyloma danymi można się już pokusić o rekonstrukcję szlaków chemicznych prowadzących od najprostszych połączeń atomów do związków niezbędnych dla powstania życia. W każdym razie półprodukty umożliwiające powstanie animokwasów czy zasad azotowych nie musiały czekać na uformowanie się planet. Występują powszechnie we Wszechświecie, nawet w środowiskach z pozoru niegościnnych i w warunkach uważanych za skrajnie surowe.

4. PCR: reakcja, która zmieniła świat

W świecie, w którym uczelnie i instytuty badawcze coraz bardziej przypominają zbiurokratyzowane korporacje, coraz trudniej być szalonym naukowcem, w którego działalności bardziej się liczą chaotyczne błyski indywidualnego geniuszu w nadaktywnym umyśle niż oddanie mrówczej pracy zespołowej i starannej metodologii. Zapewne gdyby takich ekscentryków było zbyt wielu, świat nauki uległby dezintegracji. Ale gdyby nie było ich w ogóle, na niektóre przełomy trzeba by było dłużej poczekać. Życie niedawno zmarłego Kary’ego Mullisa (1944–2019) bardziej przypominało powieść łotrzykowską niż CV naukowca.**** Jego praca doktorska zawierała wątki tak wariackie, że z trudem została zaakceptowana. W dużej mierze wynikało to stąd, że doktorant poszerzał sobie holistyczną percepcję Wszechświata dzięki substancjom psychoaktywnym, które sam potrafił nielegalnie syntetyzować. Po doktoracie Mullis porzucił pracę naukową, żeby po pewnym czasie do niej wrócić. Żył od romansu do romansu i od konfliktu do konfliktu, surfował, nie stronił od alkoholu i LSD, szokował środowisko naukowe swoim niemal programowym negacjonizmem w sprawach takich jak dziura ozonowa, globalne ocieplenie lub HIV/AIDS, a jednocześnie wierzył w astrologię i spotkania z kosmitami. Gdyby dożył pandemii SARS-CoV-2, z pewnością zostałby antyszczepionkowcem pour épater les bourgeois. Krótko mówiąc, był okazem tego, co internet nazywa „szurem”. A jednak w roku 1983 to właśnie Mullis, zaangażowany przez firmę Cetus do badań nad DNA (choć w biologii molekularnej orientował się raczej powierzchownie), w przypływie natchnienia wpadł na pomysł, który w 1993 r. przyniósł mu Nobla, a historię biologii molekularnej, genomiki, diagnostyki medycznej, a nawet kryminalistyki i paleontologii podzielił na epoki „przed” i „po”.

Nowoczesny termocykler. Foto: Rror. Źródło: Wikimedia (licencja CC BY-SA 3.0).

Była to reakcja łańcuchowa polimerazy (polymerase chain reaction), czyli PCR. W wariancie podstawowym wygląda z grubsza tak: bierzemy próbkę reakcyjną, w której skład wchodzi DNA zawierające interesujący nas fragment, mieszanka nukleotydów (z której można złożyć DNA jak tekst z rozsypanych czcionek), dwa tak zwane startery (primery), przedni i wsteczny, czyli – w uproszczeniu – odcinki DNA wskazujące, „odkąd dokąd”  chcemy powielać łańcuch DNA, i enzym zwany polimerazą DNA. Mullis najpierw użył polimerazy pochodzącej od Escherichia coli, ale później wpadł na pomysł, żeby zastąpić go odporną na wysokie temperatury polimerazą Taq (bakterii Thermus aquaticus). Próbkę  wielokrotnie szybko podgrzewamy i schładzamy w urządzeniu zwanym termocyklerem. Dzięki termostabilności enzymu nie musimy ingerować w skład mieszanki. Zachodzi w niej reakcja łańcuchowa: fragment zaznaczony przez startery powiela się w kolejnych cyklach w tempie wykładniczym, choćby nawet początkowo występował w próbce w ilości śladowej. Nie trzeba znać z góry powielanej sekwencji; wystarczy odpowiednio dobrać startery. Chcemy sprawdzić, czy w próbce pobranej od chorego są ślady DNA poszukiwanego patogenu? Chcemy sprawdzić, czy w cebulce włosa znalezionego na miejscu zbrodni występuje DNA podejrzanego? Chcemy namnożyć i złożyć w spójną sekwencję częściowo zdegradowane DNA wyekstrahowane z kości neandertalczyka? Pomoże nam PCR.

Tyle na temat moich chemicznych zaskoczeń. Wybór był trudny, a jeśli ktoś ma inne pomysły na wyróżnienie odkryć ostatnich 50 lat, zapraszam do komentowania.

Przypisy

*) Nazwa fuleren (fullerene) pochodzo od nazwiska architekta Buckminstera Fullera (1895–1983), specjalisty od wznoszenia „kopuł geodezyjnych” o szkielecie złożonym z sześciokątów i pięciokątów podzielonych na trójkąty. Pełna nazwa C₆₀ to buckminsterfullerene.

**) Roger Penrose o swoich parkietażach: https://www.maths.ox.ac.uk/outreach/oxford-mathematics-alphabet/aperiodic-tiles

***) Przegląd najnowszych odkryć w przestrzeni międzygwiezdnej: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fspas.2022.787567/full

****) O barwnym życiu Kary’ego Mullisa: https://alumni.berkeley.edu/california-magazine/winter-2019/intolerable-genius-berkeleys-most-controversial-nobel-laureate

Cztery zaskoczenia (1): Biologia (systematyka i ewolucja)

Inne odcinki serii:

Cztery zaskoczenia (2): Astronomia

Cztery zaskoczenia (3): Chemia

Cztery zaskoczenia (4a): Fizyka

Cztery zaskoczenia (4b): Fizyka

Cztery zaskoczenia (4c): Fizyka

Zamierzam poświęcić kilka wpisów temu, co mnie osobiście zaskoczyło w dyscyplinach naukowych, którymi interesuję się od dzieciństwa. Ponieważ sięgam pamięcią dalej niż na pół stulecia, te niespodzianki odpowiadają małym (a czasem wcale nie tak małym) rewolucjom w nauce od lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Zacznę od biologii, w której oczywiście działo się przez ostatnie półwiecze tak wiele, że nie sposób opowiedzieć o wszystkim w jednym wpisie. Dlatego skupię się w tym wpisie na wąskim wycinku: na naszej wizji ewolucji życia na Ziemi i związanej z tym wiedzy o tym, jak wyglądają „więzy rodzinne” między grupami organizmów i jakie miejsce zajmują różne gatunki na „drzewie życia” reprezentującym historię ewolucyjną (filogenezę) życia na Ziemi.

Niespodzianki, o których opowiem poniżej, dotyczą zatem systematyki i wynikają w dużym stopniu z upowszechnienia się podejścia kladystycznego, zgodnie z którym systematyka powinna odzwierciedlać rzeczywiste relacje pokrewieństwa. Jeśli ostatni wspólny przodek gatunków A i B nie był jednocześnie przodkiem gatunku C, to nie powinniśmy zaliczać A i C do jednej grupy taksonomicznej, wyłączając z niej B. Przykładem może być człowiek (Homo sapiens) i małpy człekokształtne. Kilkadziesiąt lat temu szympansy, goryle i orangutany zaliczane były do rodziny Pongidae (wielkich małp człekokształtnych), a człowiek i jego kopalni przodkowie – do rodziny Hominidae (człowiekowatych). Przypuszczano, że te dwie rodziny rozdzieliły się 15–20 mln lat temu i odtąd „praludzie” stanowili osobną (i wielce wyjątkową) linię ewolucyjną. Badania molekularne dowiodły jednak, że człowiek i szympans (rodzaj Pan) mieli wspólnego przodka, który nie był przodkiem goryli ani orangutanów. Dlatego nie można było utrzymać podziału na dwie rodziny i wszystkie wielkie małpy człekokształtne włączono wraz człowiekiem do grupy Hominidae. Zresztą to, że nadajemy tej grupie tradycyjną rangę rodziny (siostrzanej względem rodziny Hylobatidae, do której należą gibony) jest sprawą umowną i drugorzędną. Ważne jest, że obecna klasyfikacja odpowiada rzeczywistym pokrewieństwom, czyli historii ewolucyjnej grupy zwierząt, do której należymy. Nie uważam jej za wielką niespodziankę, bo w przynależność ludzi do rzędu naczelnych i w ich pokrewieństwo z wielkimi małpami człekokształtnymi i tak nikt rozsądny nie wątpił.

A oto prawdziwe – moim zdaniem – niespodzianki (z kilkoma z nich oczywiście zdążyliśmy się już oswoić, więc osoby młodsze niż ja mogą nie podzielać mojego zaskoczenia).

1. Dinozaury są wokół nas

Nowa wizja dinozaurów. Deinonychus antirrhopus (wczesna kreda, 115 mln lat temu); jeden z dinozaurów, od których zaczęła się zmiana w postrzeganiu całej grupy. Modele: Muzeum Historii Naturalnej w Londynie.

Dinozaurami (i ogólnie paleontologią oraz ewolucją) zainteresowałem się na większą skalę w roku 1968, kiedy w Pałacu Kultury w Warszawie otwarto wystawę „Dinozaury z pustyni Gobi”, prezentującą odkrycia polsko-mongolskich ekspedycji kierowanych przez prof. Zofię Kielan-Jaworowską. W owym czasie uważano, że ptaki pochodzą od „tekodontów”, czyli prymitywnych gadów naczelnych (Archosauria). Oznaczałoby to, że ptaki miały wspólnych przodków z dinozaurami i krokodylami, ale oddzieliły się od nich ewolucyjnie w bardzo odległej przeszłości jako zupełnie osobna linia rozwojowa. Pogląd, że przodkami ptaków były dinozaury, a konkretnie jedna z grup dwunożnych teropodów, przewijał się od XIX w. (m.in. Thomas Huxley doszedł do takiego wniosku, analizując anatomię archeopteryksa), ale pozostawał koncepcją niszową aż do lat siedemdziesiątych XX w. Odkryto wówczas kilka nowych skamieniałości dinozaurów wykazujących cechy charakterystyczne dla ptaków, a ponadto rozwinięto hipotezę, że dinozaury były przynajmniej częściowo stałocieplne, a więc przypominały ptaki pod względem metabolizmu.

Potem posypały się kolejne odkrycia i zanim ktokolwiek się obejrzał, luki kopalne między ptakami a ich teropodowym przodkami zostały szczelnie zasypane. Do tego stopnia, że patrząc na skamieniałości opierzonych dinozaurów z jury i kredy nie zawsze potrafimy „poznać, kto ptak, a kto nie ptak”. W związku z kladystycznym rozumieniem jednostek taksonomicznych, skoro ptaki wyewoluowały wewnątrz kladu Dinosauria, to należą do niego na wieczność (klad jest to jednostka systematyczna składająca się z jednego wspólnego przodka i wszystkich gatunków, które od niego pochodzą). Innymi słowy, ptaki są dinozaurami, a także teropodami (bo klad ptaków zawarty jest w kladzie teropodów, a ten z kolei w kladzie dinozaurów). A ponieważ granicę kreda–paleogen przekroczyło kilka linii rozwojowych ptaków istniejących do dziś, to nie można powiedzieć, że dinozaury wymarły. Owszem, 66 mln lat temu wymarła ich większość (notabene podobnie jak większość ssaków), ale te, które przeżyły, mają się dobrze. Kilkanaście gatunków odwiedza regularnie karmnik na tarasie mojego domu. Przy okazji: najbliższymi żyjącymi krewnymi ptaków są krokodyle, ale o tym wiedziano już od dawna. Tyle tylko, że kiedyś nie przeszkadzało to uważać ptaki i gady (wraz z krokodylami) za dwie odrębne jednostki taksonomiczne. Według obecnych poglądów na systematykę gady (w dawnym sensie) nie są poprawnie zdefiniowanym kladem, bo nie ma sposobu, żeby wyłączyć spośród nich ptaki, pozostawiając krokodyle.

2. Walenie są parzystokopytne

Ambulocetus natans (eocen, 48 mln lat temu), jeden z najlepiej zbadanych prymitywnych waleni z Pakistanu, częściowo lądowy. Autor: Notafly. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY-SA 3.0).

Wczesna ewolucja waleni była całkowitą zagadką aż do początku lat osiemdziesiątych XX w. Na podstawie podobieństwa budowy zębów przypuszczano, że walenie pochodzą od mezonychidów, wymarłych ssaków zaliczanych wówczas do „pradrapieżnych”. Po roku 1980 w Pakistanie i Indiach zaczęto odkrywać skamieniałości ssaków lądowych i półwodnych, których anatomia (zwłaszcza unikatowa budowa ucha środkowego) wyraźnie wskazywała na pokrewieństwo z waleniami. Z początku nadal uważano je za mezonychidy, ale na początku XXI w. znaleziono szkielety kończyn wczesnych waleni, a w nich – ważną cechę rozpoznawczą: wyspecjalizowaną formę kości skokowej, charakterystyczną dla parzystokopytnych, a niewystępującą u mezonychidów. Już wcześniej analizy molekularne wskazywały, że walenie nie są tylko bliskimi krewnymi parzystokopytnych, ale zwyczajnie należą do nich. Dane paleontologiczne potwierdziły ten pogląd.

Obecnie wczesna ewolucja waleni (od zwierząt lądowych do pełnomorskich) jest znakomicie udokumentowana przez zapis kopalny. Jest też jasne, że walenie (łącznie z hipopotamami) stanowią grupę siostrzaną względem przeżuwaczy (czyli m.in. krów, owiec, żyraf i jeleni). Inne parzystokopytne (świniowate i wielbłądowate) są ich dalszymi kuzynami. Krótko mówiąc, krowa jest bliżej spokrewniona z orką lub płetwalem błękitnym niż z dzikiem lub wielbłądem. Tak jak w przypadku ptaków i dinozaurów, trzeba walenie uznać za część kladu parzystokopytnych (Artiodactyla), który dzięki temu wzbogacił się o ok. 90 żyjących gatunków.

3. Afrotheria, czyli bardzo dziwni kuzyni

Sorkonos czarno-rdzawy (Rhynchocyon petersi) z rzędu ryjkonosów (Macroscelidea), klad Afrotheria (Kenia, Tanzania). Przypomina ryjówkę, ale jest bliżej spokrewniony ze słoniami. Zoo w Filadelfii, USA. Foto: Joey Makalintal. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY 2.0).

Przez ostatnie 30 lat (mniej więcej) przyzwyczailiśmy się do zasady, że gdy wnioski dotyczące pokrewieństwa wysnute z porównań anatomicznych są sprzeczne z wnioskami, jakich dostarcza analiza DNA, to przeważnie po bliższym przyjrzeniu się faktom wygrywa genetyka. Oczywiście nie zawsze, bo nikt nie jest doskonały i analizy filogenomiczne też bywają z różnych przyczyn błędne, ale na ogół tak właśnie bywa. Nie było to takie oczywiste w 1998 r., gdy wyłącznie na podstawie danych molekularnych zaproponowano połączenie w jeden klad, nazwany Afrotheria, następujących grup ssaków: trąbowców, brzegowców (czyli syren), góralków, rurkozębnych (mrówników), ryjkonosów, złotokretów i madagaskarskich tenreków wraz z afrykańskimi wodnicami. O ile pierwsze trzy rzędy od dawna były uważane za blisko spokrewnione i łączone w nadrząd półkopytnych (Paenungulata), to pozostałe wydawały się ssakami z całkiem innej bajki. Mrówniki (z jednym żyjącym gatunkiem) uchodziły za egzotyczny relikt wczesnej historii ssaków, który niezależnie od innych rzędów wyodrębnił się z „prakopytnych” (grupy, do której wrzucano wszystko, co wyglądało na luźno spokrewnione z dzisiejszymi ssakami parzysto- lub nieparzystokopytnymi). Pozostałe grupy lądowały z kolei w worku z napisem „owadożerne” (Insectivora), który zawierał wszystkie małe i prymitywnie wyglądające łożyskowce żywiące się głównie bezkręgowcami.

Koncepcja, że np. złotokrety i słonie są bliżej z sobą spokrewnione niż złotokrety z kretami, mogła się wydawać nieco obłąkana, ale kolejne analizy uparcie ją potwierdzały. Systematyka łożyskowców musiała zostać w dużym stopniu przebudowana. Z dawnych owadożernych pozostał okrojony rząd Eulipotyphla obejmujący ryjówki, krety, jeże i almiki. Wszystkie łożyskowce dzielimy obecnie na trzy główne klady:  Boreoeutheria, Afrotheria i Xenarthra. Wczesna ewolucja pierwszego z nich przebiegała w Eurazji i Ameryce Północnej, stanowiących resztki dawnego superkontynentu Laurazji. Afrotheria, jak sama nazwa wskazuje, wyewoluowały w Afryce (choć niektóre później ją opuściły). Xenarthra, obejmujące pancerniki, leniwce i mrówkojady, wyodrębniły się w Ameryce Południowej. Kiedy i w jaki sposób najstarsze łożyskowce wędrowały między kontynentami, pokonując bariery morskie, żeby dać początek tym trzem grupom, to nadal kwestia nie do końca wyjaśniona, ale w każdym razie dzisiejsza wizja ich ewolucji jest zasadniczo inna niż pół wieku temu.

4. Jesteśmy archeowcami

Nasz archeowcowy kuzyn, „Candidatus Lokiarchaeum ossiferum”, jeden z bardzo nielicznych członków grupy Asgard, których udało się bezpośrednio zaobserwować. Odkryty w osadach dennych na wybrzeżu Słowenii. Foto: Thiago Rodrigues-Oliveira, Uniwersytet Wiedeński. Źródło: Science News (domena publiczna).

Zanim ktoś mi zarzuci szowinizm ssaczo-kręgowcowy, wyjaśniam, że moja prywatna lista niespodzianek jest bardzo długa, ale z ludzkiego punktu widzenia nie wszystkie tak samo przemawiają do wyobraźni. Laik może nie wiedzieć, co to są żebropławy ani czym się różni niesporczak od pratchawca. Natomiast każde dziecko rozpozna słonia, delfina albo dinozaura (chyba że dinozaur jest maleńki, siedzi na drzewie i ćwierka). Dla równowagi popatrzmy na drzewo życia z najszerszej perspektywy. Kiedyś postrzegano je jako mglistą chmarę „jednokomórkowców” (bakterii, glonów i pierwotniaków), z której w drodze ewolucji wyłaniały się jak Afrodyta z morskiej piany „organizmy wyższe” – królestwa zwierząt i roślin. Aha, i jeszcze grzyby, także cieszące się honorową rangą królestwa. W ciągu XX w. stopniowo zaczęto podkreślać zasadniczy podział na organizmy bezjądrowe (Prokaryota) i posiadające jądro (Eukaryota). Pierwsze z nich utożsamiano z „bakteriami”, dorzucając do nich sinice (tradycyjnie traktowane jako „glony” ze względu na zdolność do fotosyntezy). Eukarionty podzielono na trzy tradycyjne królestwa: roślin, grzybów i zwierząt, całą resztę starym zwyczajem wrzucając do jednego worka jako „protisty”.

Okazało się jednak, że bakteria bakterii nierówna, a różnice między prokariontami bywają tak głębokie, że muszą sięgać prawie początków życia na Ziemi. W 1990 r. dokonano rewolucji, dzieląc wszystko, co żyje, na trzy ogromne domeny organizmów: Bacteria (bakterie właściwe), Archaea (archeowce) i Eukaryota (organizmy jądrowe). Wyniesienie archeowców do tak fundamentalnej rangi było nowością; wcześniej traktowano je jako nieco egzotyczną podgrupę bakterii, skłonną do życia w warunkach ekstremalnych (np. w gorących źródłach lub słonych jeziorach) i bardzo trudną w hodowli. Rewolucja jednak potoczyła się dalej. Z początku nie było jasne, skąd się wzięły eukarionty, choć odkryto, że w ich ewolucji ważną rolę odegrała endosymbioza – „oswojenie” bakterii infekujących komórki przodka eukariontów, które przekształciły się w bardzo nam potrzebne mitochondria. W podobny sposób przodkowie roślin wchłonęli inne symbiotyczne bakterie, sinice. Dały one początek m.in. chloroplastom, w których zachodzi fotosynteza. Ale kim był gospodarz, który wchłonął te symbionty? I skąd się wzięła najbardziej charakterystyczna cecha eukariontów – jądro komórkowe, w którym zamknięta jest zasadnicza część genomu?

Pełnej odpowiedzi nadal nie znamy, ale w ostatnich latach teoria trzech domen zaczęła ustępować nowej koncepcji: u samej podstawy drzewa życia organizmy dzielą się na dwie grupy: Bacteria i Archaea. Eukaryota wyewoluowały w obrębie tych drugich i choć endosymbioza była ważnym etapem w ich ewolucji, nie tylko jej (a zapewne nawet nie przede wszystkim jej) zawdzięczają swoją odrębność. Wydaje się obecnie, że cechy typowe dla eukariontów ewoluowały i kumulowały się stopniowo w jednej z gałęzi ewolucyjnych archeowców – i nawet z grubsza wiemy w której (klad nazwany Asgard), choć znamy przedstawicieli tej grupy niemal wyłącznie z analizy metagenomów – DNA obecnego w próbkach osadów morskich. Tylko parę z nich udało się utrzymać w hodowli w warunkach laboratoryjnych i obejrzeć pod mikroskopem. Pierwsze archeowce z grupy Asgard (czy raczej ich materiał genetyczny) odkryto w 2010 r. Trochę dziwnie jest pomyśleć, że pochodzimy od „czegoś w tym rodzaju”, a z kladystycznego punktu widzenia jesteśmy (wraz ze wszystkimi eukariontami) osobliwą, silnie zmodyfikowaną linią rodową archeowców.