Jerome Rothstein se narodil v roce 1918 v Bronxu, v New Yorku. Po ukončení bakalářského vzdělání na City College v New Yorku dále studoval v Židovském teologickém semináři. Doktorát z fyziky získal v roce 1940 na Kolumbijské univerzitě. V letech 1942 až 1957 pracoval ve výzkumných a vývojových laboratořích americké armády v oblastech fyziky pevných látek a fyzikální elektroniky. Následujících deset let pak pracoval pro různé průmyslové organizace, jako byl Edgerton a Germeshausen and Grier of Bedford ve státě Massachusetts. Od roku 1967 se stal členem fakulty na Státní univerzitě v Ohio, kde působil jako profesor počítačové a informační vědy a biofyziky. Jeho publikace zasahují do řady vědeckých oblastí. V roce 1977 získal za svoji originální práci cenu na Mezinárodní konferenci o paralelních procesech.
Může se hmota vyvinout za podmínek velmi odlišných od těch, které panují na Zemi, do statických a dynamických forem, které označujeme jako život? Jaké typy chování hmoty lze označit za projevy života? Budeme vůbec schopni rozpoznat exotické formy života ve vesmíru? Jaké typy života mohou existovat? Na tyto otázky se snaží odpovědět článek Jeromeho Rothsteina "Generalized Life" [X1].
Tyto otázky jsou velmi hluboké a obtížně na ně lze odpovědět. Dostatečně solidní vědeckou odpověď zřejmě nelze získat pouze pomocí poznatků fyziky, chemie, psychologie a filozofie. Možná bude nutné využít také poznatků ekologie, teorie organizace, vědy managementu, sociologie a teorie her. Tyto obory mohou skrývat určité nové zákony a principy, jichž bude možná nutno použít.
Pro zodpovězení těchto otázek bude nutné využít maximálně univerzálních a nejlépe zformulovaných přírodních zákonů, jako máme dnes k dispozici.
Takovými "věčnými pravdami" ve vědě jsou zřejmě zákony teorie termodynamiky.
Obecná teorie relativity a kvantová mechanika, které znamenaly revoluci
ve fyzice, ponechaly základní koncept termodynamiky beze změny. Přestože
termodynamika pronikla do nových a rychle se rozvíjejících oborů, jako
je biologie, složité systémy nebo systémy daleko od termodynamické rovnováhy,
její jádro zůstalo beze změny. Můžeme se tedy oprávněně domnívat, že základem
všech úvah o existenci života jsou zákony termodynamiky a že ostatní zákony
fyziky doplňují harmonii, protikladnost a různé variace projevů těchto
základních zákonů.
První zákon termodynamiky je často vyjádřen jako zákon zachování energie, kdy energie nemůže být stvořena ani zničena, ale pouze jedna její forma může být přeměněna ve formy jiné. Jeho význam jde ale za hranice zachování energie. Jestliže neuvažujeme disipativní procesy (procesy, při nichž se část energie nevratně mění v teplo), jde o zákon platný jak v mechanice, tak v elektrodynamice. První zákon termodynamiky je ovšem platný také pro procesy, jako je tření, kdy se mechanická energie ztrácí. Novou formou energie je v tomto případě "teplo". Fyzikální význam tepla je definován právě pomocí prvního zákona termodynamiky. Teplo není mechanickou energií a nelze je proto změřit způsobem, jakým se získává mechanická informace. Tam, kde se nepotřebujeme zabývat mechanickou energií, lze s výhodou použít termodynamiku jako určitou idealizaci problému.
Druhý zákon termodynamiky lze populárně popsat tak, že některé procesy, jako je tření, jsou ve své podstatě jednosměrné. Například rotující setrvačník lze zabrzdit třením, kdy se energie setrvačníku přemění v teplo. Ale pouhým teplem nelze setrvačník znovu roztočit, pokud nepoužijeme nějaké zařízení pro přeměnu tepla v mechanickou práci. Smysl druhého zákona termodynamiky v tomto případě spočívá v tom, že pro roztočení setrvačníku na jistou rychlost je třeba více tepla než vznikne jeho zabrzděním. Mechanickou, elektrickou nebo chemickou energii lze beze zbytku přeměnit v teplo, ale pro opačnou přeměnu platí přísná omezení. Obecně jsou všechny fyzikální procesy nevratné.
Podle druhého zákona termodynamiky všechny reálné fyzikální procesy ve vesmíru postupně vedou k přeměně "vyšších" forem energie v teplo. Tato "degradace" energie je charakterizována veličinou označovanou jako entropie, která v čase nikdy globálně neklesá. Pokud uvažujeme izolovaný termodynamický systém, který si s okolím nevyměňuje žádnou formu energie a žádnou formu hmoty, pak tento systém v čase spěje nezadržitelně k termodynamické rovnováze, v níž bude entropie systému maximální.
Pokud uvažujeme znovu rotující setrvačník, který je zastaven třením, tak veškerá energie rotace se přemění v teplo a za určitý čas celý systém dosáhne všude stejné teploty.
Clausius zjistil, že vesmír sám o sobě je izolovaný systém, protože nemá žádné okolí. V roce 1865 upravil oba termodynamické zákony do kosmologické verze. Podle prvního zákona je celková energie vesmíru konstantní a podle druhého celková entropie vesmíru roste. Německý fyzik Hermann von Helmoltz vyvodil z toho závěr, že evoluce vesmíru je postupnou degenerací, která se zastaví, až vesmír dospěje do termodynamické rovnováhy. Přestanou existovat všechny gradienty teplot (toky tepla z těles teplejších na tělesa chladnější) a ostatních veličin, které jsou hnací silou většiny fyzikálních procesů. Vesmír v této rovnováze bude mít maximální entropii a nebude se dále vyvíjet. Tento stav se označuje jako "tepelná smrt vesmíru". [1]
Podle současné fyziky tepelná smrt vesmíru neuvažuje roli gravitace a vesmír se vzdaluje od stavu s rovnoměrným rozložením hmoty, který předpovídá tepelná smrt. Vesmír jako celek se kosmologicky rozpíná a proto se nemůže nacházet ve stavu blízkém termodynamické rovnováze. Naopak se nachází ve stavu daleko od termodynamické rovnováhy a právě tento stav má zcela zásadní důsledky, jako byl vznik života.
Z hlediska molekulové fyziky po dosažení rovnovážného stavu pravděpodobnosti obsazení jednotlivých hladin energie přestanou záviset na čase. Střední hodnoty makroskopických veličin budou konstantní a jakékoliv další změny jsou způsobeny jen fluktuacemi kolem středních hodnot. Na základě Gibbsova rozdělení musí být fluktuace v tak velkém systému, jako je vesmír, velmi nepatrné. Hranice použitelnosti výsledků teorie fluktuací je tedy dána hranicemi použitelnosti Gibbsova rozdělení.
Při odvozování zákona rozdělení energie mezi podsystémy se předpokládalo, že podsystémy jsou statisticky nezávislé a že se jejich energie sčítají. Tato aditivnost však vyžaduje, aby energie vzájemného působení mezi podsystémy byla malá. V malých systémech je tato podmínka běžně splněna, protože jde o působení sil mezi molekulami. Při zvětšování rozměrů systému energie vzájemného působení molekul roste pomaleji než vnitřní energie systému. Ve vesmíru jako celku je situace podstatně odlišná. Převládajícím silovým působením je gravitace, u níž potenciální energie klesá s 1/r. Vnitřní energie vesmíru roste za předpokladu homogenního rozložení látky s efektivní měrnou hustotou ró úměrně s objemem V. Gravitační síla roste podle Newtonova gravitačního zákona s druhou mocninou hmotnosti (ró.V)2 a klesá nepřímo úměrně se vzdáleností, která je úměrná V1/3. Energie vzájemného působení se tedy mění podle vztahu
U1,2 ~ V2.V-1/3 = V5/3,
což v porovnání s vnitřní energií vesmíru je vzrůst rychlejší o faktor V2/3. U dostatečně velkých systémů energie vzájemného působení převládá nad vnitřní energií. Proto na vesmír nelze aplikovat termodynamickou teorii fluktuací. Lze očekávat, že v dostatečně velkých systémech mohou probíhat relativně velké fluktuace, které jsou schopny systém vychýlit z rovnovážného stavu. Z podrobnějších teorií dále plyne, že proces vývoje k rovnováze se naruší, pokud se začne uplatňovat energie vzájemného působení. Je tedy vidět, že neexistují žádné fyzikální důvody pro existenci tepelné smrti vesmíru. [1]
Jaký význam má termodynamika pro evoluci života? Dosažení termodynamické rovnováhy pro živé systémy znamená smrt. Druhý zákon termodynamiky ukazuje, že všechny systémy nezadržitelně spějí k termodynamické rovnováze. Přesto organická evoluce se dlouhodobě vyvíjí od jednoduchých systémů k systémům složitým. Živé organismy nejsou uzavřenými systémy, protože si s okolím vyměňují různé formy energie a hmoty. Takový systém proto může existovat prakticky tak dlouho, dokud dochází k výměně energie a hmoty s okolím. Druhý zákon termodynamiky je přitom splněn, protože celková změna entropie systému a jeho okolí je kladná.
Živé systémy využívají energii a hmotu ze svého okolí. Živočichové energii a hmotu získávají z rostlin nebo těl jiných živočichů, rostliny získávají energii ze slunečního záření a hmotu z anorganických a organických látek v půdě a vodě. Ale vysvětlit, jak takové systémy vůbec vznikly, je dodnes předmětem dohadů a spekulací.
Živé organismy aktivně interagují se svým prostředím. Proto budeme zkoumat, jak biologická evoluce mohla vést od stavu, v němž systém během termodynamického cyklu nevykonává žádnou práci, ke stavu, kdy se systém chová jako Carnotův tepelný stroj.
Budeme muset zobecnit prostou evoluci směřující k rovnováze pomocí množiny trvale působících podmínek, které zabraňují živému systému dosáhnout termodynamické rovnováhy. Ve srovnání s cyklem uvažovaným v termodynamice je doba evolučního kroku velmi dlouhá. V pozemských podmínkách evoluční krok trvá milióny let, zatímco termodynamický cyklus je srovnatelný s délkou dne. Proto je pro nás výhodné chápat druhý termodynamický zákon jako kladnou změnu entropie. Za určitých podmínek je živý systém řízen a směrován k jisté stabilní hodnotě entropie.
Jaký má ale tento stabilní stav vztah k počátečnímu stavu? Pokud by byl uvažovaný systém na počátku dezorganizován, mohli bychom očekávat, že během tepelného cyklu dosáhne stavu, kdy nevykonává žádnou práci a hodnota entropie systému je maximální. V rovnovážném stavu je změna entropie nulová, protože entropie je maximální. Dnes na základě práce Onsagera, Prigogina a řady dalších víme, že v stabilním stavu je změna energie minimální (nebo se od této minimální změny liší jen velmi málo). Dosažení stabilního stavu pak odpovídá vývoji systému směrem k nejmenší produkci entropie. Systém se bude vyvíjet směrem k dokonalému Carnotovu stroji s nejvyšší možnou koncentrací "vyšších forem" energie. Takový systém je nutně vysoce organizovaný. Cenou za vzrůst entropie je přeměna tepla ze zdrojů s vysokou teplotou na teplo s nízkou teplotou, které je vyzařováno do okolí.
Pro naše účely je ale věta o minimálním růstu entropie pouze velmi hrubou
aproximací. Potřebujeme nalézt organizační princip, který ale nemusí být
dokonalý. Biologická evoluce je sice málo efektivním strojem, ale její
efektivita není nulová.
Termodynamika umožňuje, aby se organizované systémy vyvíjely za podmínek, které zabraňují dosažení termodynamické rovnováhy. Nyní bychom se rádi dověděli, jak takového stavu živé systémy dosahují. Řada systémů takovou schopnost postrádá. Nádobu s vodou lze ohřát nebo ochladit, aniž by se takový cyklus nějak odlišoval od cyklu následujícího. Samozřejmě neuvažujeme, že teplo může měnit stav nádoby, která únavou materiálu může třeba prasknout.
Uvažujme nyní nádobu s ledem, vodou a solí v takovém poměru, že veškerá sůl se rozpustí, pokud veškerý led roztaje, ale pokud většina voda zmrzne, sůl se z roztoku vykrystalizuje. Takový systém je mimo jiné základem Zarchinovy metody odsolování mořské vody. Změnou trvání cyklu, rozsahu teplot, povrchu nádoby a poměru vody a soli lze systému vnutit různé chování. Například přidání soli v jednom místě může vést k vymizení soli v místě jiném a původní roztok s rovnoměrnou koncentrací soli se může změnit v řadu oblastí s různými koncentracemi. Podobně pracují živé buňky, jejichž elektrická vodivost se mění v závislosti na koncentraci soli uvnitř a vně buňky. Takové systémy jsou dokonce schopny uchovávat určité množství chemické energie. Tepelný tok může změnit původně stejnoměrnou koncentraci soli v roztoku, čímž dojde ke změně elektrických a dalších potenciálů.
Klíčovou vlastností takových systémů je fázový přechod (např. změna pevné látky v kapalnou a naopak). Sůl se chová rozdílně v ledu (pevná látka) a ve vodě (kapalina). Množství vyloučené soli z roztoku lze ovlivnit fázovou změnou roztoku. Vidíme tedy, že systém je schopen měnit určité své vlastnosti mezi nejméně dvěma různými úrovněmi. Tyto změny chápeme jako změny chování. Pokud se navíc mohou různé vlastnosti kumulovat, pak cyklické změny stavu mohou vést k různým typům chování.
Povšimněme si, jak obecné a mocné principy plynou z výše uvedeného jednoduchého příkladu. Uvažujme jevy, které souvisí bezprostředně söfázovým přechodem. Plyn se mění vökapalinu, když molekuly plynu začnou vytvářet shluky molekul, které se trvale rozpadají a přeskupují. Fázový přechod je dokončen, když jsou shluky molekul velmi velké a žádná molekula se nevyskytuje mimo nějaký shluk po dobu delší než je průměrná doba existence shluku. Vznik shluků molekul se podobá shlukování atomů do molekul nebo spojení řetězců polymerů v kapalině do pevné látky. Chemické reakce jsou vratné a shluky se mohou rozpadnout. Tohoto mechanismu využívá například amoeba pro svůj pohyb. Přitom tento proces může probíhat v jedné situaci rychle, v jiné pomalu nebo dokonce je zakázán. Procesy v systému jsou obvykle řízeny svojí citlivostí k řadě vnějších parametrů. V našem příkladě takovým parametrem byla teplota. Většina fyzikálních systémů je řízena řadou fyzikálních parametrů, jako je teplota, tlak, chemická koncentrace, různá elektrická a magnetická pole atd.
Kumulativní jevy v systémech často vedou ke vzniku paměti (ukládání informace), kdy systém zaznamenává svoji historii v tom smyslu, že jeho současné vlastnosti závisejí na jeho předchozích vlastnostech. Pokud vnější parametry mají po určitém cyklu znovu stejné hodnoty, pak na rozdíl od jednoduchého systému, který bude mít zcela stejné chování jako v cyklu předchozím, systém s pamětí se chová odlišně v závislosti na předchozím stavu nebo stavech. Matematicky lze takový dynamický systém popsat jako markovský proces s diskrétním časem [2]. Příkladem systému s pamětí může být kovová tyč, kterou když natáhneme a znovu stlačíme, je obtížné ji znovu natáhnout.
Dynamické systémy s fázovými přechody, pamětí a s řízením vnějšími parametry lze dostatečně přesně simulovat pomocí matematických a počítačových modelů. Lze propojit velké množství řídících elementů a paměťových elementů tak, aby model velmi věrně popisoval chování systému. Vstupními daty jsou pak hodnoty vnějších parametrů, výstupními daty jsou stavy chování systému. Termodynamika dostala zcela novou podobu studiem nerovnovážných systémů. Ukazuje se, že druhá věta termodynamiky nevede pouze k rovnovážnému stavu, ale že během této cesty se objevují složité struktury a časové cykly.
Průkopníkem moderní termodynamiky 20. století byla skupina Ilji Prigogina ze Svobodné univerzity v Bruselu (Université Libre Bruxelles). Ilja Prigogine položil základy teorie samoorganizace. Teorie svědčí o tom, že druhý zákon termodynamiky není pouze synonymem maximální entropie hmoty, protože tento zákon netvrdí, že růst entropie probíhá v časoprostoru všude stejnoměrně.
Podstatným krokem k pochopení teorie samoorganizace hmoty je odlišit rovnovážnou termodynamiku, kdy veškerá schopnost změny je vyčerpána, od termodynamiky nerovnovážné. Samoorganizace látky souvisí s nelineárními dynamickými systémy s deterministickým chaosem. Tento chaos neznamená pouhé rozrušení řádu, ale spíše jeho zvláštní formu. Přívlastek "deterministický" naznačuje, že tento chaos má skryté formy uspořádání. Kolem nelineárních dynamických systémů a deterministického chaosu vznikla nová vědecká oblast, označovaná termínem "nelineární věda", díky níž se objevila "nová fyzika", která se snaží realitu nerozdělovat na jednotlivé části, jak to fyzika činila až dosud, ale postihnout realitu jako celek. Matematika k nelineární vědě dospěla nejen prostřednictvím fyziky, ale také studiem fraktální geometrie a hledáním řešení nelineárních diferenciálních rovnic, které není možno řešit explicitně, ale pouze pomocí matematických modelů v počítačích. [3]
Dostatečně propracované termodynamické modely mohou popisovat chování
systémů s dostatečnou přesností. Pokud budeme schopni definovat, co chápeme
pod pojmem živý nebo inteligentní systém, snad vytvoříme modely popisující
dostatečně jeho chování. Takové modely by pak mohly vysvětlit původ života
a evoluci inteligence. Fyzikální systém je ve své podstatě analogový počítač,
který je naprogramován tak, aby simuloval své vlastní chování. Evoluce
systému simulujícího chování života je ve své podstatě evolucí života.
Život, jak ho dosud známe, je založen na chemii organických sloučenin. Informace jsou ukládány do rozsáhlých struktur, které se skládají z malého počtu chemicky rozlišitelných jednotek v dlouhých řetězcích molekul. Řízení systému zde probíhá pomocí katalyzátorů. Termodynamika může popsat práci systému, jeho energii, teplo a teplotu. Evoluční vývoj směrem k "informačním tepelným strojům" lze popsat čistě termodynamicky, bez určité specifikace termodynamického systému. Požadujeme pouze ukládání informace a řízení systému od jednoho stavu ke stavu druhému. Přitom nám vůbec nezáleží na tom, zda systém je ve své podstatě chemický nebo elektronický.
Uvažujme nyní určité specificky exotické systémy, v nichž evoluce složitosti může vést k určité formě života. Naše principy stability, které zahrnují jak stabilní statické tak stabilní dynamické konfigurace, vycházejí na úrovni kvantové mechaniky ze dvou fundamentálních konceptů. Prvním z nich jsou stabilní podmínky nebo stavy a druhým je vylučovací princip. Stabilní podmínky vedou ke statické nebo dynamické stabilitě. Tento princip postuloval Niels Bohr ještě před vznikem kvantové mechaniky. Vylučovací princip byl objeven Wolfgangem Paulim a poprvé byl použit Nielsem Bohrem při vysvětlování periodické tabulky chemických prvků.
Pauliho vylučovací princip říká, že v atomu se dva elektrony nemohou nacházet ve stejném stavu, který je popsán kvantovými čísly (hlavní kvantové číslo, vedlejší kvantové číslo, magnetické kvantové číslo a spin elektronu). Hlavní kvantové číslo určuje energii elektronu v poli jádra. Vedlejší (orbitální) kvantové číslo určuje moment hybnosti elektronu na jeho dráze. Magnetické kvantové číslo charakterizuje chování elektronu ve vnějším magnetickém poli. Spinové kvantové číslo charakterizuje vlastní orbitální moment elektronu kolem své osy. [4] Pauliho vylučovací princip řídí obsazení hladin energie kolem atomového jádra elektrony. Struktura obsazení hladin energie elektrony určuje chemické vlastnosti prvku, chování v molekulách, jeho fyzikální vlastnosti. Fyzika pevných látek a moderní elektronika vycházejí z kvantové mechaniky, stejně jako rychle se rozvíjející kvantová biologie. Mezi stabilními stavy existují přechody. Atom může zachytit kvantum energie a některý elektron v elektronovém obalu se dostane ze základního stavu do stavu vyššího, což se projeví přechodem mezi hladinami energie. Naopak přechodem elektronu do hladiny s nižší energií se kvantum energie vyzáří. Elektron se může také nacházet v metastabilním stavu (kdy není v základním stavu, ale má nižší pravděpodobnost přechodu do tohoto stavu). Metastabilní stavy mohou sloužit k dočasnému uchovávání energie. Tyto stavy lze uspořádat, jako je tomu v atomech, které tvoří aktivní prostředí laserů. V laserech se záření, jehož energie byla získána předchozím přechodem elektronů do metastabilních stavů, neuvolňuje spontánně, ale je řízena procesem stimulované emise, kterou předpověděl Albert Einstein v roce 1917.
Vraťme se nyní k termodynamickým systémům, jejichž vývoj může vést ke vzniku života. Nebudeme se proto zabývat možnostmi života založenému na sloučeninách uhlíku nebo na jiných prvcích. Takové předpoklady by mohly omezit a předurčovat naše budoucí úvahy. Uvažujme proto neobvyklé podmínky, za nichž by uhlíkový život vůbec nemohl existovat, jako jsou zamrzlé oblasti na povrchu Jupiteru nebo naopak velmi horké oblasti poblíž hvězd. Pokusme se například prostudovat neobvyklé prostředí, jímž jsou neutronové hvězdy.
Neutronové hvězdy jsou malé husté a rychle rotující objekty s průměrem jen několika desítek kilometrů a s hmotností rovné asi čtvrtině hmotnosti Slunce. Hustota látky v neutronové hvězdě je srovnatelná nebo je vyšší než hustota uvnitř atomového jádra. Neutronové hvězdy mohou mít velmi silné magnetické pole, které vede k proudění záření jen v oblasti pólů rotace. Takové hvězdy označujeme jako pulsary. Povrch neutronové hvězdy má hustotu asi desettisíckrát vyšší než je hustota vody a skládá se především z atomů železa Fe-56, které je konečným produktem termonukleární reakce v nitru hvězd. Teplota povrchu je asi sto tisíc Kelvinů. Kůra neutronové hvězdy je zřejmě pevná a její teplota je řádově tisíckrát vyšší než teplota povrchu. Jádra atomů jsou obklopena neutronovým mořem, podobně jako jsou kovové ionty v běžných pevných látkách obklopeny elektronovým mořem. Čím blíže k jádru neutronové hvězdy, tím hustší je neutronové moře. Směrem k jádru se objevuje neutronová kapalina a velká jádra atomů jsou zcela rozrušena. V hlubších vrstvách neutronové hvězdy jsou v jednotce objemu tisíce neutronů místo stovek neutronů v běžné látce. Tato látka plynule přechází v makrojádro, suprahustou kapalinu, která se skládá z neutronů a několika procent protonů. Ještě v hlubších vrstvách se objevují těžké částice (baryony a hyperony), které zřejmě tvoří těžké hyperonové jádro neutronové hvězdy. Jeho hustota je asi miliardkrát vyšší než je hustota látky na povrchu neutronové hvězdy.
Co by zde mohlo být nazváno zobecněným životem? V kapalném jádře neutronové hvězdy existuje přechodová oblast mezi malým a velkým jádrem. Větší jádro obsahuje řadu typů částic, kdežto menší jádro obsahuje velmi málo typů částic. Můžeme proto zde uvažovat o jakési "chemii roztoku" nukleonů v analogii vodnímu roztoku aminokyselin, proteidů, proteinů a dalších sloučenin, ze kterých vznikl uhlíkový život na Zemi. Dříve uvedené argumenty termodynamiky a kvantové mechaniky lze použít i v tomto případě. Autor článku [X1] se proto domnívá, že v principu by v této oblasti neutronové hvězdy mohl existovat "zobecněný" život. Velká jádra atomů by mohla nahrazovat velké molekuly, neutrony by nahrazovaly vodu a tak podobně.
Samozřejmě existují další možnosti. Kdo dnes ví, jaké typy hyperonů se mohou nacházet v jádru neutronové hvězdy? Je možné, že určité koncentrické sféry různých "velkých hyperonů" zde mohou vykazovat chování podobné chemii roztoků. Nebo snad atomy železa v těchto extrémních fyzikálních podmínkách mohou vytvářet různé polymery? Charakteristiky silných magnetických polí mohou např. odpovídat některým termodynamickým veličinám, jako je tlak.
Bílí trpaslíci nemají takovou hustotu látky jako neutronové hvězdy a proto mají menší možnosti nukleonové nebo hyperonové chemie. Ale jejich jádra mají dostatečně extrémní podmínky na to, aby umožňovala určitou chemii roztoků, jako je tomu ve vnějších vrstvách neutronových hvězd. Dokonce běžné velmi těžké hvězdy mohou mít v jádrech takové fyzikální podmínky, že by se zde mohly vyskytovat koncentrické sféry jader těžkých prvků s vlastní chemií roztoků. Podle autora [X1] existuje řada možností mezi naší běžnou chemií a nukleonovou nebo hyperonovou "chemií".
Zatím jsme uvažovali velmi horké, hmotné a husté prostředí. Ale obdobné možnosti platí pro velmi chladné a lehké prostředí. Základní elementární částice obecně mají magnetický moment nebo spin. Interakce mezi spiny různých atomových nebo molekulových struktur jsou obecně velmi slabé a rychle klesají s rostoucí vzdáleností částic. Uvnitř atomových jader, atomů nebo molekul jsou tyto magnetické a spinové momenty relativně silné, ale obvykle působí proti sobě, takže většina látek se nám za běžných fyzikálních podmínek jeví jako nemagnetická. Při velmi nízkých teplotách dochází k postupnému vymizení tepelných jevů, které ovlivňují chování částic. Při teplotě absolutní nuly musí podle kvantové teorie existovat kvantový pohyb, který nesouvisí s tepelným pohybem částic. Tepelná energie se přestane projevovat a objeví se makroskopické kvantové jevy. Určité jevy za nízkých teplot vykazují kvantové chování na úrovni makroskopických objektů. Těmito jevy je supravodivost, supratekutost, kvantový Hallův jev a další jevy. [5]
Autor článku [X1] se domnívá, že za velmi nízkých teplot mohou existovat složitě organizované kvantové systémy. Tuto myšlenku podporují objevy makroskopických kvantových jevů, při nichž se objevuje určité a často i velmi složité koordinované chování systémů částic, jako je tomu u supratekutého isotopu hélia He-3. [5] Prostředí s velmi nízkou teplotou, silným vnějším magnetickým polem a elektromagnetickým zářením se vyskytuje např. poblíž planety Jupiter.
Je proto možné uvažovat o supravodivosti a supratekutosti, spinových kvantových systémech, které by mohly být základem "supratekuté" chemie. Navíc supratekuté systémy mohou existovat také v neutronových hvězdách. Značná hustota látky vede k překrývání vlnových funkcí neutronů, což je předpokladem pro makroskopické kvantové jevy.
Konečně můžeme uvažovat obrovské systémy s nízkou hustotou. Magnetické pole zde může silně interagovat s řídkou plasmou (ionizovaným plynem) ve volném prostoru. Pohyb hvězd, které mají silné vnější magnetické pole, může ovlivnit plasmu v těchto systémech. Mohou se objevit magnetohydrodynamické nestability, turbulence, metastabilní stavy a organizované chování, které je předpokladem pro vývoj určité formy života. Vidíme, že pokud opustíme tradiční představy biologické evoluce, můžeme formy života hledat všude tam, kde k tomu jsou splněny podmínky. Autor článku [X1] dokonce hovoří o statistické analýze mechaniky galaxií, které mohou sehrávat roli molekul. Použití nelineárních rovnic obecné teorie relativity by pak mohlo zviditelnit pomalou evoluci složitých systémů galaktických superkup. Nemohou galaxie svým vývojem v horizontu miliard let směřovat k informačním tepelným strojům?
Autor článku [X1] se snažil svým článkem naznačit možnosti evoluce zobecněného života, pokud jsme ochotni přijmout jeho základní termodynamickou definici toho, co je život.
Robin Hanson se ve svém článku [X2] zabývá problémem tzv. "Velkého filtru". Za řadu let výzkumu vesmíru jsme v našem blízkém okolí neobjevili žádné známky života. Existuje snad nějaký filtr, který nám zabraňuje pozorovat vyspělé civilizace ve vesmíru? Autor článku [X2] uvádí, že práce biologů, astronomů, fyziků a vědců v oblasti sociálních věd naznačují, že by tento filtr měl být mnohem menší, než dosud pozorujeme. Domnívá se, že v našich dosavadních závěrech musí být nějaká závažná chyba. Jeho článek analyzuje různé kritické kroky evolučního vývoje a snaží se nalézt ten evoluční krok nebo kroky, jejichž překonání je velmi málo pravděpodobné. Opírá se přitom o práce Freemana J. Dysona, Enrica Fermiho, Michaela H. Harta a Franka J. Tiplera.
V souvislosti s úvahami autora článku [X1] se nyní nabízí další možnost.
Je možné, že naše uhlíková forma života je mnohem exotičtější, než jiné
zde uvažované formy. Snad proto se nám nedaří objevit projevy života, které
očekáváme na základě své uhlíkové biologie. Zde by se mohl skrývat onen
diskutovaný "Velký filtr" autora článku [X2].
Co lze říci o otázkách položených v úvodu tohoto článku? Podle názoru autora článku [X1] se hmota v různých částech vesmíru a za různých podmínek vyvíjí v konfiguracích, které lze označit v jistém smyslu jako živé. Není žádný důvod věřit, že náš pozemský život je nejobvyklejší formou života. Právě naopak, řada teoretických závěrů naznačuje, že jiné zde zmíněné formy mohou být mnohem obvyklejší, pokud uvážíme odpovídající podmínky pro jejich vznik. Ve většině případů neexistuje žádná jednoduchá možnost, jak s takovými formami komunikovat, nebo je dokonce jen objevit.
Autor článku [X1] se domnívá, že překážky vzájemné komunikace mohou být zásadního rázu. Hypotetičtí tvorové na neutronové hvězdě mohou vnímat například jen supratekuté proudy nukleonů a nemohou vůbec indikovat elektromagnetické záření, které k nim vysíláme. Naopak žádná informace z jejich prostředí nemůže proniknout k nám. Nemusíme také pozorovat žádné projevy inteligentního života, o nichž se domníváme, že bychom je měly pozorovat. Hypotetičtí tvorové neutronové hvězdy nemusí nutně mít žádnou kulturu nebo ekonomiku, nemusí myslet způsobem, jako my. Mohou existovat zásadní rozdíly v senzorových orgánech, které vylučují jakoukoliv komunikaci s námi. Jejich myšlenky mohou být formulovány stejně tak v nanosekundách, jako v miliónech let. Pokud by vysílali nějaké signály do vesmíru, nemáme žádnou šanci je zachytit nebo identifikovat jako projev inteligence.
Dosud jsme se nezmínili o způsobech chování, které považujeme za inteligentní. Dosud pouze víme, jak mohou vzniknout tepelné stroje a počítače a tuto schopnost hmoty chápeme jako projev její určité inteligence. Ale co je to inteligence obecně?
Autor článku [X1] se domnívá, že základní myšlenka existence života je dostatečně obecná. Každý dynamický systém, který se nachází ve stavu daleko od termodynamické rovnováhy, je schopen nejen sám sebe kopírovat, ale je schopen projevů zobecněného života nezávisle na tom, z jakých elementů se skládá.
Mnohem těžší je definovat inteligentní chování. Systém, který se chová jako živý, lze chápat jako inteligentní, pokud hraje hru o přežití. Přesněji, je schopen shromažďovat informace o svém prostředí, které ho udržují při životě, a pokud takové informace nemá, může být prostředím zničen. Například virus bychom mohli považovat za inteligentní, pokud by po řadě neúspěšných pokusů napadnout nějaký typ organismu mutoval takovým způsobem, že by nakonec tento typ organismu napadl. Proto většinu instinktivního chování nebo většinu adaptací lze podle této definice považovat za inteligentní chování.
Vidíme tedy, že zničující druhý termodynamický zákon může vést k řadě projevů zobecněného života a inteligence. Až jednou vesmír natolik vychladne, že v něm nebude místo pro tepelné systémy, vzniknou nízkoteplotní formy zobecněného života. Autor článku [X1] se domnívá, že tyto nízkoteplotní formy zvítězí nad tepelnou smrtí vesmíru a budou existovat až do jeho konce.
Literatura:
[X1] Cosmic Search Vol. 1 No. 2. Jerome Rothstein: Generalized Life. Cosmic Quest, Inc. Last Updated 9-Oct-1995.
[X2] The Great Filter - Are We Almost Past It? Robin Hanson. Caltech, Sept. 1996.
[X3] Principia Cybernetica Web. Evolutionary theory. Prof. dr. Francis Heylighen, PESP, Free University of Brussels, Pleinlaan 2, B-1050 Brussels, Belgium.
[1] Veis, Štefan; Maďar, Ján; Martišovitš, Viktor: Mechanika a molekulová fyzika (všeobecná fyzika 1). Alfa, Bratislava, SNTL, Praha, 1981, 2.vydání
[2] Rektorys, Karel a spolupracovníci: Přehled užité matematiky. Prometheus s.r.o., Žitná 25, 177 01 Praha 1, 1995. ISBN: 80-85849-72-0 (soubor dvou dílů) II. díl: 36. Náhodné procesy (napsal Tomáš Cipra).
[3] Coveney, Peter; Highfield, Roger: Šíp času. Nakl. Oldag, Ostrava 1995, ISBN: 80-85954-08-7, orig.: The Arrow of Time, WH Allen (Virgin Publishing Ltd.) Great Britain, 1990
[4] Blína, Jaroslav a kol.: Malá encyklopedie chemie. SNTL, Praha 1976
[5] Odehnal, Milan: Supravodivost a jiné kvantové jevy. Academia,
Praha 1992. ISSN: 0528-7103