1. BIOLOGIA. Skąd się wzięło życie?

Ziemia powstała 4,5 mld lat temu, a najdawniejsze ślady zostawione przez organizmy żywe pochodzą sprzed 3,7 mld lat. To oznacza, że życie pojawiło się na naszej planecie bardzo szybko. Ale jak do tego doszło? Już Karol Darwin spekulował, że pierwsza istota żywa mogła narodzić się „w jakimś ciepłym stawie” z prostych związków chemicznych. Jednak uczeni zorientowali się, że nie da się wskazać jednego scenariusza, który do tego prowadzi. Wiemy tylko, że na początku niezbędne były organiczne związki chemiczne, które dziś wchodzą w skład komórek. Tylko które?

Podstawowe elementy komórek to białka i DNA, ale są one od siebie zależne: DNA zawiera przepis na białka, a białka wchodzą w skład enzymów, niezbędnych
do powielania DNA. „Życie na młodej Ziemi mogło zacząć się od RNA. Potrafi ono przenosić informacje podobnie jak DNA, ale umie też zwijać się w trójwymiarowe struktury, co nadaje mu właściwości enzymu” – wyjaśnia znany ewolucjonista prof. Richard Dawkins w książce „Najwspanialsze widowisko świata. Świadectwa ewolucji”. Cząsteczki pradawnego RNA musiały mieć jeszcze możliwość „schowania się” w czymś, co by je odgradzało od reakcji chemicznych zachodzących w środowisku. Potrzebne byłyby więc pęcherzyki zbudowane ze związków tłuszczowych, przypominające współczesne błony komórkowe.

Znalezienie warunków, w których byłoby to możliwe, okazało się trudniejsze, niż przewidywał Darwin. W ciepłym stawie brakowałoby źródła energii, niezbędnego do zapoczątkowania takich reakcji. Obecnie część naukowców sądzi, że bardziej prawdopodobnym miejscem mogły być tzw. kominy hydrotermalne – szczeliny w dnie morza, przez które wydobywa się gorąca woda bogata w substancje mineralne. Tam jednak wszelkie biomolekuły mogłyby zostać szybko zniszczone lub rozcieńczone – argumentują inni badacze. Być może lepsze warunki panowałyby w wilgotnych częściach lądu, np. w sąsiedztwie gejzerów. A może w warunkach pustynnych, gdzie roztwory związków chemicznych okresowo wysychają, co sprzyja powstawaniu cząsteczek przypominających RNA zamknięte w pęcherzykach? A może tam, gdzie woda na zmianę zamarza i rozmarza? Najbardziej rewolucyjną hipotezą jest powiązanie początków życia na Ziemi z bombardowaniem naszej planety przez meteoryty. Mogły one dostarczyć chemiczne „cegiełki” niezbędne do powstania
organicznych związków chemicznych, a zderzenie kosmicznej skały z gruntem wyzwoliło energię, konieczną do przeprowadzenia reakcji. – W takich warunkach
mogły powstać wszystkie elementy przyszłych organizmów żywych – uważa prof. John Sutherland, chemik z brytyjskiego Medical Research Council.

Który z tych scenariuszy jest najbardziej prawdopodobny? – Przepisów na życie może być mnóstwo i musimy poznać ich jak najwięcej, aby wiedzieć, czego się spodziewać na innych planetach – uważa prof. Jack Szostak, jeden z czołowych badaczy początków życia, laureat Nagrody Nobla z 2009 r. A to oznacza, że rozwiązań tej zagadki może być wiele. Choć zapewne tylko jedno z nich doprowadziło do powstania ziemskiego życia i nas samych.
 

NIE WIEMY TEŻ

- Skąd się wzięły wirusy i czy są żywe?

- Kiedy i dlaczego pojawiło się rozmnażanie płciowe?
 

 

2. EWOLUCJA. Kiedy staliśmy się ludźmi rozumnymi?

Na to pytanie odpowiedź jest pozornie prosta. Gatunek Homo sapiens, czyli człowiek rozumny, wyewoluował z Homo erectus co najmniej 200 tys. lat temu. Większość uczonych twierdzi, że miało to miejsce we wschodniej Afryce (choć najnowsze odkrycia pokazują, że podobny proces mógł też zachodzić w południowo-wschodniej Azji). Od tamtej pory na Ziemi obecne były istoty takie jak my – przynajmniej z wyglądu. Nie znaczy to jednak, że gdybyśmy mogli je dziś spotkać, udałoby nam się znaleźć wspólny język. Wręcz przeciwnie, wcześni przedstawiciele Homo sapiens prawdopodobnie myśleli zupełnie inaczej niż my i możliwe, że prawie w ogóle nie potrafili mówić.

„To, co chcemy wiązać najściślej z naszym gatunkiem – innowacyjność, zamiłowanie do zmian i, przede wszystkim, postęp techniczny – najwyraźniej nie zaczęło się wraz z powstaniem naszego gatunku ani nawet 100 tysięcy lat później, ale dopiero wtedy gdy zaczęliśmy się »współcześnie« zachowywać: produkować bardziej zaawansowane narzędzia kamienne, wykorzystywać nowe materiały (w tym kości, róg i drewno), wymieniać się dobrami z innymi ludźmi,
zdobić ciała i wreszcie tworzyć dzieła sztuki figuratywnej, głównie wizerunki zwierząt, które ozdobiły setki pieczar w wielu krajach na południu i zachodzie
naszego kontynentu i które zwiastowały psychiczne przebudzenie człowieka, jakie się wówczas dokonało” – pisze dr Marcin Ryszkiewicz w książce „Homo
sapiens. Meandry ewolucji”.

Do dziś nie jest jasne, gdzie i w jaki dokładnie sposób doszło do tego przełomu. Nasi praprzodkowie od czasów Homo erectus migrowali i osiedlali się poza Afryką, a jednak dziś wszyscy jesteśmy ludźmi behawioralnie współczesnymi. Każde, nawet najbardziej odizolowane od świata plemię łowców-zbieraczy posługuje się złożonym językiem, ma swoją kulturę i sztukę, opracowuje nowe narzędzia. Oznacza to, że zmiana, która według szacunków naukowców rozpoczęła się mniej więcej 50 tys. lat temu, była bardzo głęboka i objęła całą ludzkość.

Nie możemy też sprawdzić, jak był zbudowany mózg wczesnego Homo sapiens. Wielkością przypominał nasz, ale czy jego obszary związane np. z mową były równie rozwinięte? A jeśli nie, co je zmieniło? Mogła to być mutacja genetyczna, np. w związanym ze zdolnościami językowymi genie FOXP2. A może zespół kilku mutacji, które dodały nam rozumności? Inne podejście zakłada, że proces ten był stopniowy i obejmował tysiące, a nawet dziesiątki tysięcy lat, kiedy
nasi praprzodkowie doskonalili różne nowe umiejętności. „W psychologii ewolucyjnej istnieje teoria modularnego mózgu, swoistych modułów inteligencji,
w dużej mierze autonomicznych i pierwotnie niepołączonych. Można spekulować, że pełna behawioralna współczesność powstała dopiero wtedy, gdy wszystkie
one zespoliły się i zaczęły działać wspólnie” – pisze dr Ryszkiewicz.

Gdy staliśmy się naprawdę sapiens, rozpoczęła się nasza ewolucja kulturowa, dzięki której zasiedliliśmy cały świat i zaczęliśmy go przekształcać na wielką skalę

NIE WIEMY TEŻ

- Kiedy i jak nasi przodkowie nauczyli się posługiwać ogniem?

- Dlaczego wyginęli neandertalczycy?
 

 

3. NEURONAUKA. Czym jest świadomość?

Tym, co odróżnia nas od innych istot na Ziemi – a być może także od wczesnych Homo sapiens – jest inna cecha, którą trudno opisać i zbadać: świadomość.
– Wciąż nie ma jednolitej definicji świadomości. W swojej pracy przyjmujemy, że składa się ona z dwóch zjawisk: czuwania i postrzegania – mówi „Focusowi”
dr Davinia Fernández-Espejo, specjalistka od zaburzeń świadomości z Wydziału Psychologii Uniwersytetu Birmingham. Czuwanie to stan przeciwny do snu.

Postrzeganie polega na tym, że bodźce odbierane przez nasze narządy zmysłów docierają do tych części mózgu, które odpowiadają za procesy myślowe. Tak niejasno sformułowane kryteria sprawiają, że lekarze mają spore trudności z diagnozowaniem pacjentów, u których dochodzi do zaburzeń funkcjonowania mózgu. – W śpiączce nie występuje ani czuwanie, ani postrzeganie. Pacjent w stanie wegetatywnym ma zachowane czuwanie, ale nie ma postrzegania. Stan świadomości minimalnej polega na tym, że u pacjenta czasami pojawia się postrzeganie. Natomiast w tzw. syndromie zamknięcia człowiek jest w pełni świadomy, ale nie może mówić ani się poruszać – wyjaśnia dr Fernández-Espejo.

Za stan czuwania w dużym stopniu odpowiada tzw. twór siatkowaty, czyli sieć neuronów rozciągająca się wzdłuż niemal całego mózgu. Znacznie trudniej jest
uczonym wskazać, który fragment naszego układu nerwowego odpowiada za postrzeganie. – Jeszcze 20 lat temu uważaliśmy, że uda się znaleźć jakąś niewielką grupę neuronów w mózgu, która będzie ośrodkiem czy przełącznikiem postrzegania. Dziś wiemy już, że takie podejście było błędne – tłumaczy prof. Christof Koch, szef amerykańskiego Allen Institute for Brain Science.

Obecnie podejście do kwestii świadomości bardziej przypomina wspomnianą wcześniej teorię modularnego mózgu. Stan ten pojawia się, gdy współpracuje ze sobą wiele sieci neuronów jednocześnie. Jedna z koncepcji mówi, że informacje docierające do mózgu ze świata zewnętrznego konkurują ze sobą o dostęp do naszej uwagi. Najpierw trafiają do części mózgu zwanej wzgórzem, gdzie są filtrowane. Tylko te najważniejsze są przepuszczane dalej i rozsyłane po wielu zakątkach kory mózgowej. Oznacza to, że może istnieć jeden ośrodek odpowiedzialny za postrzeganie – swoisty węzeł przesiadkowy. Ale naukowcy wciąż spierają się o jego lokalizację: jedni uważają, że jest to kora mózgu w jego przedniej, czołowej części, inni wskazują na część tylną, czyli potyliczną.

Być może spór ten rozstrzygną dopiero eksperymenty. – Chcemy zbudować urządzenie, które za pomocą impulsów magnetycznych będzie pobudzać korę mózgową i rejestrować jej reakcję. W ten sposób ustalimy wreszcie, które jej części odpowiadają za świadomość – zapowiada prof. Koch.

NIE WIEMY TEŻ

- Czy można skopiować ludzką pamięć i przenieść ją do komputera?

- Jak powstaje choroba Alzheimera i jak ją wyleczyć?

 

4. FIZJOLOGIA. Czy możemy obejść się bez snu?

Sporo tajemnic kryje też znacznie powszechniejszy stan utraty świadomości, który przytrafia nam się codziennie. – Śpią wszystkie zwierzęta: od owadów, poprzez ryby, mięczaki, gady, płazy, ptaki, po ssaki. Przeciętny człowiek przesypia łącznie ok. 20 lat, ale co powoduje, że śpimy? Na pewno nie chodzi tu o zmęczenie ciała, bo wystarczyłoby się położyć, by odpoczęło. Sen służy przede wszystkim wypoczynkowi umysłu – mówił nieżyjący już prof. Elio Lugaresi, specjalista od snu i jego zaburzeń.

Wiadomo, że podczas snu mózg „sprząta” przestrzenie między neuronami, usuwając z nich m.in. toksyny zwiększające ryzyko choroby Alzheimera. Jednocześnie zajmuje się też segregowaniem i utrwalaniem informacji zebranych w okresie aktywności. Pytanie brzmi, czy mógłby to robić szybciej albo podczas czuwania? W odróżnieniu od naszych przodków możemy być aktywni po zmroku: mamy sztuczne oświetlenie, nie musimy też obawiać się nocnego ataku drapieżników.

Znamy też wiele organizmów, które w ogóle nie śpią albo robią to tylko jedną półkulą mózgu – np. walenie czy doskonale wszystkim znane kaczki. Od lat trwają
badania nad możliwościami skrócenia snu lub – choćby czasowego – wyeliminowania jego potrzeby. Na razie bez większych sukcesów. Ciekawych sugestii dostarczają jednak obserwacje delfinów. Normalnie śpią one, podobnie jak my, przez 5–8 godzin na dobę. Jednak samice butlonosów i orek obywają się bez snu przez pierwszy miesiąc po porodzie. Inne ssaki przypłaciłyby tak chroniczną bezsenność co najmniej zdrowiem, ale walenie czują się świetnie.

Nie można tego powiedzieć o ludziach – osoba zajmująca się noworodkiem (czyli w większości przypadków matka) śpi zaledwie po niecałe 5 godzin na dobę, a po roku jej deficyt snu wynosi aż 44 dni. – Być może delfinom udaje się, tak jak czasem ludziom, spać z otwartymi oczami. Ale i tak poziom ich aktywności jest zadziwiający – uważa prof. Jim Horne z brytyjskiego Uniwersytetu Loughborough. Badania nad tymi morskimi ssakami mogą pomóc nam w lepszym wykorzystywaniu czasu w ciągu doby – bez ryzyka dla zdrowia.

NIE WIEMY TEŻ

- Czy możemy uzyskać zdolność regeneracji części ciała?

- Czy ludzie mogą zapadać w stan hibernacji, tak jak inne ssaki?
 

 

5. MEDYCYNA. Co sprawia, że chorujemy na raka?

Niedobór snu jest o tyle groźny, że zwiększa ryzyko choroby nowotworowej. Dziś jest ona nie tylko przedmiotem badań naukowych, ale też niekończących się
publicznych debat, w trakcie których pojawiają się oskarżenia, że naukowcy nie potrafią lub nie chcą znaleźć „lekarstwa na raka”. Nie jest to jednak takie proste, jak się wydaje – choćby dlatego, że tak naprawdę istnieje ponad setka różnych chorób nowotworowych. Ale też dlatego, że wciąż nie wiemy, dlaczego ktoś choruje na raka, a ktoś inny nie. Naukowcy przebadali dość dokładnie sam początek nowotworu – sytuację, w której pod wpływem mutacji DNA komórki naszego ciała zaczynają się nieprawidłowo dzielić, niszcząc okoliczne tkanki i rozprzestrzeniając się po organizmie. Jednak splot czynników, które do tego prowadzą, jest złożony. Z jednej strony mamy wadliwe geny, które możemy odziedziczyć po rodzicach.

Z drugiej – styl życia, czyli kwestie diety, aktywności fizycznej, palenia papierosów, picia alkoholu itd. Do tego dochodzą jeszcze czynniki środowiskowe – np.
zanieczyszczenia powietrza czy promieniowanie jonizujące – i takie, które dopiero są badane, jak np. infekcje bakteryjne, wirusowe i pasożytnicze. Każdy z tych elementów może zwiększyć ryzyko zachorowania, ale też rzadko który daje jego pewność. Innymi słowy, można mieć „złe” geny albo palić przez całe życie i nigdy nie zachorować na raka. – Większość, bo aż dwie trzecie zachorowań na raka, to wynik przypadku. Można to potraktować jak biologicznego pecha – sądzi dr Cristian Tomasetti z amerykańskiego Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, jeden z autorów głośnej pracy naukowej na ten temat, opublikowanej trzy lata temu na łamach prestiżowego „Science”.

Oczywiście lekarze dodają, że profilaktyka raka wciąż ma sens. Zmiana diety, rzucenie palenia czy szczepionka przeciw wirusowi HPV wciąż zmniejszają ryzyko choroby. Ale warto pamiętać, że – jak to już w nauce bywa – nie dają nam stuprocentowej gwarancji zdrowia.

NIE WIEMY TEŻ

- Czy możemy zatrzymać starzenie się organizmu?

- Jak pokonać choroby zakaźne?

 

6. FIZYKA. Jak działa grawitacja?

Nauka musi zmierzyć się z luką w wiedzy na temat tak fundamentalnego i powszechnego zjawiska, jak grawitacja. Bo choć z pozoru wiemy, jak ona działa – to dzięki niej stoimy na ziemi, Ziemia obiega Słońce, a coś rzuconego w górę najczęściej spada – diabeł tkwi w szczegółach. Z punktu widzenia fizyki grawitacja to kształt czasoprzestrzeni, czyli wszystkiego, co nas otacza. Wyobraźmy sobie dwuwymiarową płaszczyznę, np. naciągniętą gumową membranę. Jeśli położymy na niej ciężką kulę, powierzchnia się ugnie i mniejsze kulki znajdujące się w pobliżu zostaną „przyciągnięte” do większej. To samo dzieje się we Wszechświecie – tyle że w czterech wymiarach (trzech przestrzennych i jednym czasowym), a membraną jest właśnie czasoprzestrzeń.

Licząca ponad 100 lat ogólna teoria względności Einsteina bardzo precyzyjnie opisuje jej właściwości. Przewidziała nawet istnienie fal grawitacyjnych, które zmierzono dopiero trzy lata temu. Nie wyjaśnia jednak, jak grawitacja działa w sytuacjach ekstremalnych – np. takich, jakie panują w pobliżu czarnych dziur.
Obecnie największe znaczenie mają dwie konkurencyjne teorie – tzw. teoria strun i teoria pętlowej grawitacji. – Obie są wciąż bardzo niekompletne i trudno mówić, że któraś jest lepsza bądź gorsza – uważa dr Jorge Pullin, fizyk z Uniwersytetu Stanowego Luizjany.

Co więcej, nawet teoria względności jest brana pod lupę przez badaczy. Obserwacje galaktyk wykazały, że jeśli Einstein miał rację, to te ogromne skupiska gwiazd muszą zawierać znacznie więcej materii niż jesteśmy w stanie dostrzec. Dlatego uczeni uznali, że istnieje coś takiego jak ciemna materia, którą trudno jest zaobserwować, ale można ją wykryć podczas eksperymentów w akceleratorach cząstek takich jak LHC znajdujący się w europejskim ośrodku badań jądrowych CERN. – Dzięki LHC potwierdziliśmy m.in. istnienie bozonu Higgsa, ale do dziś nie trafiliśmy na nawet najmniejszy ślad ciemnej materii. Możliwe więc, że ona w ogóle nie istnieje, a my po prostu nadal nie rozumiemy dokładnie, jak działa grawitacja w dużej, kosmicznej skali – mówi prof. Brian Cox, fizyk z Uniwersytetu Manchester.

NIE WIEMY TEŻ

- Co było przed Wielkim Wybuchem?

- Dlaczego czas płynie w jednym kierunku i czy możliwe są podróże w czasie?

 

7. FILOZOFIA. Czy jesteśmy sami we Wszechświecie?

Procesy takie jak powstanie życia czy istot rozumnych nadal są dla nas zagadkowe, ale wiemy już, że powinny być możliwe także w innych zakątkach kosmosu.
Wszechświat, który powstał prawie 14 mld lat temu, składa się z miliardów galaktyk, z których każda zawiera miliardy gwiazd. Wydaje się więc niemożliwe, by tylko na Ziemi powstała cywilizacja. Dlatego już w latach 40. XX wieku wybitny fizyk Enrico Fermi stwierdził, że gdyby faktycznie inteligentne życie było tak powszechne, to przedstawiciele obcej cywilizacji powinni już dawno dotrzeć do Ziemi. A przynajmniej mogliby wysłać w naszym kierunku wiadomość w postaci wiązki fal radiowych czy statku kosmicznego. Jednak do dziś nie udało nam się znaleźć jakiegokolwiek dowodu na istnienie kosmitów.

Najprostsze wyjaśnienie sprowadza się do tego, że kosmos jest ogromny i w większości zupełnie pusty. Światło – a więc i jakikolwiek sygnał (w tym radiowy) – potrzebuje setek, a nawet tysięcy lat, by dotrzeć z jednego układu planetarnego do drugiego. „Zapewne nie jesteśmy sami, a może nawet wysp życia we Wszechświecie są miliony. Problem w tym, że są one tak bardzo od siebie odległe, że szansa na jakikolwiek kontakt, nawet radiowy, jest w zasadzie żadna. Z praktycznego punktu widzenia jest więc tak, jakbyśmy byli sami” – podsumowuje prof. Dawkins.

Oczywiście dla bardzo zaawansowanej cywilizacji, która potrafiłaby sterować grawitacją, pokonanie takiej odległości mogłoby być prostsze niż dla nas. Pytanie brzmi, czy miałaby ona jakikolwiek powód do nawiązywania kontaktu? Część badaczy uważa, że nie. W latach 80. ubiegłego stulecia dr David Brin, naukowiec,
konsultant NASA i pisarz science-fiction uznał, że obce cywilizacje celowo ukrywają swą obecność przed innymi, bojąc się kosmicznego konfliktu. Cixin Liu, autor książek z serii „Wspomnienie o przeszłości Ziemi” idzie jeszcze dalej. Porównuje Wszechświat do ciemnego lasu, w którym istoty rozumne czają się i niszczą te cywilizacje, które nieopatrznie zdradziły innym swe istnienie. Jeśli ta hipoteza jest prawdziwa, najlepiej by było dla nas, gdybyśmy nigdy nie rozwiązali akurat tej zagadki.

NIE WIEMY TEŻ

- Czy mamy wolną wolę?

- Czy Wszechświat jest wielką symulacją komputerową?