BlogSurfing - 6 (Architekti vesmíru)

(Pro vědecky zaměřené čtenáře)

V knize autorů Haralda Lesche a Jorna Mullera „Velký třesk - druhé dějství“  jsou uvedeny skutečnosti, kterým vděčíme za vznik života ve vesmíru a na Zemi.

1. Asymetrie při vzniku vesmíru.

Když kvůli pokračujícímu rozpínání vesmíru poklesla teplota asi na 10^-27 stupňů Kelvina, nestačila energie v kosmu tvořit supertěžké částice a bosony X se rozpadala na kvarky. Co se stalo vzápětí, patří k největším tajemstvím universa. Teoreticky měl následovat zcela symetrický rozpad bosonů X a antibosonů X na zcela stejné množství kvarků a antikvarků a každá částice se měla jako obvykle anihilovat spolu se svou antičásticí a vyzářit se. Místo toho nastala nepatrná nerovnováha: asi na 10 mld kvarků vzniklo vždy o jeden antikvark méně. Kvarků tedy bylo víc než antikvarků v poměru asi 1:10 mld.

Když teplota kosmu klesla na 10 000 mld stupňů K, nemohly ani kvarky, ani antikvarky existovat jako samostatné částice. Z kvarků se proto vytvořily protony a neutrony a z antikvarků se stávaly antiprotony a antineutrony. Protože ale bylo více kvarků než antikvarků, bylo na 10 mld normálních protonů, popř. neutronů vždy o jeden antiproton, popř. antineutron méně. Původní asymetrie mezi kvarky a antikvarky tedy pokračovala v asymetrii mezi mezi protony a antiprotony, jakož i mezi neutrony a antineutrony. A právě nyní nadešel rozhodující okamžik: když teplota poklesla asi na 1000 mld st. K, anihilovaly protony párově s antiprotony a neutrony s antineutrony a vznikly fotony. Zůstalo jen několik málo protonů a neutronů, na které nezbyly příslušné antičástice. To znamená, že veškerá hmota v podobě hvězd, galaxií, mezigalaktických plynných oblaků a všeho ostatního, co ještě v současném vesmíru existuje, vznikla z těchto několika málo protonů a neutronů, jež unikly zkáze, protože proti sobě neměly žádnou antičástici. Za svou existenci vděčíme jen a jen této závratně malé asymetrii při rozpadu bosonů v ranném vesmíru.

2. Rovnováha kyslíku a dusíku

Zatímco vazebné řetězce a prstence uhlíku tvoří páteř organického světa, za jeho sílu a stabilitu odpovídají kyslík a dusík. Protože dusík poměrně obtížně vstupuje do chemických reakcí, soustředilo se ho v atmosféře největší množství ze všech plynů (78%), zatímco kyslíku jen necelých 21%. Příliš vysoký podíl kyslíku v atmosféře by vyvolal velkoplošné požáry globálních rozměrů. To by zničilo biomasu produkující kyslík, čímž by se snížil podíl kyslíku v atmosféře a požáry by opět uhasly. Žádoucí ovšem není pro život ani příliš málo kyslíku, o čemž by mohli vyprávět himalájští horolezci. Současný podíl kyslíku v zemské atmosféře je výsledkem funkce samočinně se regulujícího, úzce propojeného biosystému. (str.104)

3. Stavba aminokyseliny

Jako základní stavební kameny života mají zvláštní význam aminokyseliny. Tvoří skupinu molekul s podobnou strukturou, které se skládají asi z deseti až třiceti atomů, spojených do uhlíkových řetězců. Objev uhlíkatých molekul ve vesmíru dokládá, že zákony chemické vazby, které jsou koneckonců založeny na fyzikálních zákonech stavby atomu, platí v celém vesmíru.

Jenže aminokyseliny jsou monomery, tedy malé molekuly a od těch je ještě dlouhá cesta k nejjednodušším organismům, jejichž molekuly mají víc než 10 000 atomů. Vznikají procesem, zvaným polymerace. Tento proces, při němž se z jednoduchých molekul budují větší, ba dokonce obří molekuly, odlišuje živou hmotu od neživé. Struktura monomerů vykazuje jednu zvláštnost. Existují dvě formy, z nichž jedna je zrcadlovým obrazem druhé. Byly označeny jako levá a pravá forma. Zvláštní je, že všechny aminokyselinové monomery mají levou orientaci.Protože nikdo neví proč, bylo to zatím označeno za náhodu. Omezení na jednu ze dvou možností však značně zvyšuje účinnost chemických reakcí, které umožňují a udržují život. Ve zbytcích meteoritů však nacházíme aminokyseliny obou typů. Znamená to tedy, že podmínky pro život na Zemi byly modifikovány. Tento závěr potvrzuje i výpočet pravděpodobnosti s jakou by reagovalo 1000 aminokyselin ve vhodné nádobě za miliardu let tak, aby vytvořily určitou bílkovinu. Matematikové došli k číslu 10 ^-360 .   Zmíněná pravděpodobnost se prakticky rovná nule. Ve srovnání s tím ale existuje přímo obrovská pravděpodobnost, přesněji 10 ^-24 , že ze saharského písku na jedno hrábnutí vybereme docela určité zrnko.

4. Voda

Malé molekuly z jednoho atomu kyslíku a dvou atomů vodíku určují biologický svět. Většina chemických procesů v buňkách probíhá ve vodě a s její pomocí. Kyslík i vodík jsou při pokojové teplotě plyny, ale po jejich spojení vznikne látka tekutá. Na základě trojúhelníkové stavby jsou uvnitř molekuly vody těžiště rozdělena kladným a záporným nábojem, takže molekula působí jako dipól, ačkoliv jako celek je neutrální. Vznikají vodíkové můstky, které mimo jiné způsobují zvláštní vlastnosti ledu, jako třetího skupenství vody. Led je lehčí než voda, zamrzá na povrchu vodní plochy, izoluje spodní vrstvy a dovoluje tak živým organismům přežívat v nepříznivých podmínkách. Kdyby tomu bylo jinak, nemohl by život ve vodě existovat.

5. Kde se vzala RNA?

V biologickém smyslu chápeme pod rozmnožováním předávání informace k zachování formy a funkce nějakého biologického organismu. Model prapolévky ze které vznikl život je zatím používán, i když není průkazný. A i kdyby tento model platil , nikdo není schopen vysvětlit, jak tyto vytvořené složité molekuly obživly. Jak obživly tyto uhlíkové řetězce a jak se začaly reprodukovat? Jak vznikaly duplikáty? Ačkoliv známe přesně strukturu DNA, dodnes se nikomu nepodařilo ji přimět, aby vznikla sama od sebe. Aby se mohly spustit polymerační procesy, sloužící k výstavbě složitých bílkovinných makromolekul, je zapotřebí určitých proteinů, které jako enzymy katalyzačně podporují reakce v nichž se duplikuje informace uložená v DNA. Jenže co bylo dřív – originál, DNA, nebo proteiny fungující jako enzymy? Klíč k životu se možná skrývá v kyselině ribonukleové (RNA), podobné DNA. Tato kyselina totiž obsahuje určité sekvence s katalyzačními vlastnostmi, jež snad umožnily autoreprodukci. Tímto způsobem by vznikl nejprve tzv. svět RNA, v němž by tato molekula obsahovala  jak informace, které jsou dnes zakódovány v DNA, tak katalyzační vlastnosti enzymatických proteinů. Nicméně i pak zůstává nezodpovězená otázka: Kde se vzala RNA? Vznikla snad náhodou?

6. Náhody v parametrech Země

Z navrstvení hornin se zjistilo, že před 500 miliony let měl rok víc než 400 dní, že tedy den byl dlouhý jen přibližně 21 hodin. Kdyby nebyl měsíc, působilo by na rotaci Země pouze Slunce, které by dodnes zbrzdilo Zemi asi na desetihodinovou otáčku.

Rychlost rotace určuje do značné míry průběh počasí. Točí-li se planeta příliš pomalu vzniknou mezi osvětlenou a neosvětlenou polokoulí vysoké tepelné rozdíly, způsobující prudké bouře. Točí-li se planeta příliš rychle, snižuje se vlivem odstředivé síly působení gravitace, což má vliv na hustotu atmosféry a její vhodnosti pro život. Snižuje se i působení gravitace, což umožňuje vznik gigantismu u rostlin i živočichů.

Měsíc nejen způsobil, že se Země otáčí vhodnou rychlostí, ale také stabilizuje její osu, která je už miliony let nakloněná vůči kolmici k rovině zemské dráhy kolem Slunce stále pod úhlem 23,5°. Tento sklon má za následek střídání ročních období. Kromě toho s téměř kruhovou dráhou kolem Slunce zaručuje relativně rovnoměrný přítok energie s poměrně mírnými teplotními rozdíly mezi létem a zimou. Kdyby Země neměla Měsíc, sklon zmíněné osy by kolísal během pouhých 1000 let mezi 15° a  asi 32°, což by mělo zdrcující účinky na klima. Velmi rychle by se pravděpodobně střídaly doby ledové a doby se subtropickým klimatem.

7. Magnetické pole Země

Další zvláštností Země je její magnetické pole. Působí jako ochranný štít proti kosmickému záření, složenému z vysoce energetických protonů, elektronů a atomových jader, které k nám proniká z vesmíru. Magnetické pole Země souvisí se silami působícími v nitru Země. Vrchní zemské jádro sestává z horkého tekutého železa a niklu. Tato žhavá hmota stoupá vzhůru, ochlazuje se a klesá znovu dolů. Je to permanentní koloběh, který produkuje elektrický proud, vytvářející elektromagnetické pole.

8. Štít proti kometám

Jako ochrana proti kometám může působit velká a těžká planeta (v našem případě Jupiter), která svým silným gravitačním polem zachycuje komety, vlétající do sluneční soustavy. V dějinách Země nastalo posledních 500 mil. let nejméně pětkrát období globálního hromadného vymírání, přičemž pokaždé během 10 000 až 50 000 let bylo vyhubeno 50 až   90 % všech druhů. Většinu těchto katastrof lze svést na dopady meteoritů. Vzhledem k takovým katastrofám by bylo lépe, kdyby se život nezačal vyvíjet předčasně. Měl by počkat, až odezní raná fáze vzniku planety, provázená mnohem četnějšími dopady meteoritů a většinu nebezpečných malých těles vychýlí ze soustavy přitažlivá síla planet o velké hmotnosti. Jenže  to by byl život na Zemi začal teprve asi před 60 miliony let. Tento údaj sice nesouhlasí s dosud oficiální doktrínou postupného náhodného vývoje života na Zemi (evoluční teorií), ale velice se přibližuje novým teoriím, že život na Zemi se vyvíjel v jakýchsi skocích v podstatně kratší době, měřitelné v miliónech let. Tyto teorie však nejsou schopny vysvětlit potřebnou rychlost vývoje života na Zemi, protože se neodvažují předpokládat zásah jiných vesmírných civilizací na naší planetě. Připustíme-li cílevědomou činnost vyspělé civilizace při vývoji člověka, tak jak o tom hovoří staré sumerské texty, lze předpokládat, že se o tuto část vesmíru zajímaly vyspělé vesmírné civilizace už dříve. V těchto souvislostech se proto lze domnívat, že meteority potřebné velikosti byly na Zemi navedeny záměrně v rámci pokusů s vývojem života na naší planetě. Jedním z posledních zásahů, kdy bylo třeba zničit nepodařené výpěstky, byla likvidace dinosaurů, ale také člověka, protože není přesně známo, co iniciovalo potopu světa.

9. Správné místo v Mléčné dráze

Slunce rotuje kolem středu Mléčné dráhy rychlostí 220km/s ve vzdálenosti 26 000 světelných let, tedy poměrně přesně v habituální (obyvatelné) zóně galaxie. Protože spirálová ramena v místě Slunce rotují asi jen poloviční rychlostí, trvá přibližně 500 mil let, než projde všemi spirálovými rameny. Slunce se kromě toho v současné době nachází přesně mezi dvěma spirálovými rameny, tedy v oblasti, v níž je nepatrné nebezpečí, že by je ohrozila supernova. Možná právě těmto šťastným konstelacím vděčíme v neposlední řadě za to, že se na Zemi dokázal uchytit život. Lze to ovšem okomentovat i tak, že díky tomuto faktu byla naše sluneční soustava vybrána jako místo vhodné pro rozšíření života ve vesmíru.

10. Blízká slunce a jejich planety

Na seznamu lovce planet Jeana Schneidera z Pařížské observatoře stálo v roce 2003 91 hvězd se 105 planetami. Téměř všechny hvězdy mají hmotnost 0,7 až 1,4 Slunce. Přestože vědci očekávali, že z technických důvodů nemohou objevit tak malé planety jako je Země, překvapilo je, že objevili opravdové obry o hmotnosti třináctkrát větší než Jupiter, největší planeta naší sluneční soustavy. Druhým překvapením bylo, že vzdálenost planet od jejich sluncí byla směšně malá. Země obíhá Slunce ve vzdálenosti přibližně 150 mil.km, tedy 1 AU. Jupiter, třistadvacetkrát těžší než Země obíhá Slunce ve vzdálenosti 5,2 AU a jeden oblet mu trvá 11,86 let. A objevené planety? Padesát tři jich krouží ve vzdálenosti menší než 1 AU, dvě planety jsou od svého slunce ve vzdálenosti asi 1 AU a dvacet se pohybuje ve vzdálenosti      1 – 2 AU. Takže víc než polovina planet obíhá svou hvězdu v mnohonásobně menší vzdálenosti než Jupiter Slunce. To znamená, že je téměř nemožné, aby v habituální (obyvatelné) zóně dané hvězdy byla planeta s podobnými parametry jako Země, tedy obyvatelná.

11. Důležité hodnoty veličin

Vývoj našeho vesmíru je řetězcem po sobě jdoucích a do sebe zasahujících procesů, které mohou proběhnout jen proto, že částice a síly působící mezi nimi mají přesně ty vlastnosti, které mají mít, jinak řečeno, mají potřebné vlastnosti. Vypadá to, jako by počáteční veličiny universa byly nastaveny přesně tak, aby se vývoj mohl ubírat pouze jedním směrem, na jehož dosavadním konci v našich podmínkách stojí člověk. Einstein prý jednou řekl: „Zajímalo by mne, zda Bůh měl na vybranou, když tvořil svět.“

Podívejme se nejprve na to, „co drží pohromadě svět v jeho nejhlubším nitru“. To, že se něco děje a především jak se to děje, je výrazem působení přírodních zákonů v našem světě. Dění v celém vesmíru je určováno působením soustavy všeobecně platných pravidel, která platí všude stejně, tedy alespoň v té části vesmíru, dostupné našemu pozorování. Například spektrum atomu vybuzeného k záření se nemění, ať se jedná o atom v pozemní laboratoři nebo na vzdálené hvězdě. Zdá se, že všude  ve vesmíru platí teorie relativity, což lze doložit mj. na základě efektu gravitační čočky, zapříčiněného hmotností. Odhlédneme-li od stále ještě záhadné „temné hmoty“, je vše ve vesmíru složeno z protonů, neutronů, elektronů a neutrin. Působením čtyř základních sil – gravitace, elektromagnetické, silné a slabé interakce – jsou spolu tyto částice v úzkém vzájemném vztahu, přičemž síly jejich působení jsou charakterizovány vzdáleností, na kterou jsou schopny působit. Víme, kolik váží neutron nebo jaký náboj má elektron. Neumíme však vysvětlit, proč hmotnosti částic  a vazebné konstanty mají právě tyto a ne jiné hodnoty. Není znám žádný naléhavý důvod, proč byly z nesmírného množství hodnot, které jsou v rámci přírodních zákonů možné, vybrány právě tyto.  Jak se ale zdá, právě tyto hodnoty udělaly z našeho kosmu to, čím dnes je. Ať už je vybral kdokoli, nebo cokoli, jim vděčíme za svou existenci. Kdyby například byl neutron jen o 10% těžší, vytvořily by se po velkém třesku téměř samé protony, tedy vodíková jádra. Kdyby byl naproti tomu neutron stejně těžký jako proton, vzniklo by stejné množství neutronů i protonů a na konci primordiální syntézy by zůstalo pouze helium. Kromě jiných důsledků tohoto stavu by také nevznikla žádná voda, neboť bez protonů se nemohou tvořit molekuly vody a bez vody zase není možný život.  Kdyby býval poměr hmotnosti protonu a neutronu přesně opačný, odehrálo by se všechno přesně s opačným znaménkem. Tím docházíme k závěru, že již nepatrně změněná hmotnost stavebních kamenů jádra atomu vylučuje vznik života. K obdobnému závěru dojdeme i v případě, kdy bychom přestavěli stupnice čtyř základních sil. Kdyby například byl poměr silné interakce k elektromagnetické síle jen nepatrně jiný, byla by zcela potlačena rezonance berylia a uhlíku a tvorba uhlíku ve hvězdách by se prakticky rovnala nule, takže by nikdy nemohl vzniknout uhlík, na němž je založen život.

12. Antropický princip / ID

Proč je ale příroda taková jaká je, proč přírodní konstanty a síly řídící vývojové procesy mají přesně ty hodnoty a velikosti, a ne jiné, to je jedna z největších záhad fyziky. Proto byl definován antropický princip, který říká:“ Právě proto, že v našem vesmíru existuje život, mohou mít parametry jen ty hodnoty, které umožňují jeho existenci“.