Kas atklājas, ieskatoties neredzamajā?

KO CILVĒKI panāk, ar jaunu izgudrojumu palīdzību atverot logu uz pasauli, kas viņiem agrāk bija neredzama? Bieži vien tādā veidā ar diezgan lielu ticamības pakāpi var noskaidrot līdz tam nezināmus faktus. (Skat. ielogojumu lappuses apakšā.)

Savulaik vispārpieņemts bija uzskats, ka Zeme atrodas Visuma centrā. Taču vēlāk teleskopi palīdzēja noskaidrot, ka planētas, arī Zeme, riņķo ap Sauli. Vēl pēc kāda laika, kad tika izgudroti ļoti spēcīgi mikroskopi, cilvēkiem radās iespēja izpētīt atomu, un viņi atklāja, kā dažādi atomi savienojas, izveidojot daļiņas, ko dēvē par molekulām.

Aplūkosim tuvāk tādas dzīvībai svarīgas vielas kā ūdens molekulu. Divi ūdeņraža atomi īpašā veidā, ko nosaka to uzbūves īpatnības, saistās ar vienu skābekļa atomu, izveidojot ūdens molekulu — katrā ūdens pilienā šādu molekulu ir miljardiem. Ko mēs varam  iemācīties, izpētot šo molekulu un apdomājot, kā tā izturas dažādos apstākļos?

Brīnumainā viela — ūdens

Kaut arī atsevišķas ūdens lāses liekas ļoti vienkāršas, ūdens ir ārkārtīgi sarežģīta viela. Zinātnieks Dr. Džons Emslijs no Londonas Impēriskās koledžas (Lielbritānija) pat ir izteicies, ka ūdens pieder pie ”visvairāk izpētītajiem, bet vismazāk izprastajiem ķīmiskajiem savienojumiem”. Žurnālā New Scientist bija rakstīts: ”No visiem šķidrumiem uz Zemes ūdens ir ne tikai vispazīstamākais, bet arī viens no visnoslēpumainākajiem.”

Kā atzīmēja Dr. Emslijs, par spīti ūdens vienkāršajai struktūrai, ”tā izturēšanās ir augstākajā mērā sarežģīta”. Piemēram, viņš rakstīja, ”H₂0 būtu jābūt gāzei, ..bet tas ir šķidrums. Turklāt, kad tas sasalst.., tā cietā forma — ledus — peld, nevis grimst”, kā būtu sagaidāms. Par šo neparasto ūdens īpašību kādreizējais Amerikas Zinātnes veicināšanas biedrības prezidents Dr. Pols Klopstegs rakstīja:

”Tas šķiet brīnišķīgā veidā iekārtots tā, lai ūdenī varētu mājot tādas dzīvas radības kā, piemēram, zivis. Iedomājieties, kas notiktu, ja ūdens, atdzisis līdz sasalšanas temperatūrai, neizturētos tā, kā aprakstīts. Ledus turpinātu un turpinātu veidoties, līdz aizpildītu visu ezeru un iznīcinātu tajā praktiski visu dzīvību.” Pēc Dr. Klopstega domām, šī pārsteidzošā ūdens izturēšanās ir ”pierādījums, ka Visumā darbojas izcils un mērķtiecīgs prāts”.

Kā bija sacīts New Scientist, zinātnieki domā, ka tagad viņi ir noskaidrojuši, kāpēc ūdens izturas tik neparasti. Viņi ir izveidojuši pirmo teorētisko modeli, kas precīzi atspoguļo ūdens izplešanos. ”Noslēpuma atminējums ir saistīts ar to, kā šajās struktūrās izretinās skābekļa atomi,” ir secinājuši zinātnieki.

Vai tas nav apbrīnojami? Molekula, kas liekas tik vienkārša, uzdod cilvēka prātam tik grūtus jautājumus. Turklāt ūdens veido lielāko daļu mūsu ķermeņa svara. Vai arī jums šī ievērības cienīgā molekula, kas sastāv tikai no trijiem divu elementu atomiem, ir pierādījums ”izcila un mērķtiecīga prāta” darbībai? Tomēr ūdens molekula ir pavisam niecīga, un tā ir krietni vienkāršāka par daudzām citām.

Molekulas ar sarežģītu uzbūvi

Dažas molekulas sastāv no tūkstošiem atomu, un tās veido daudzi no 88 dabā sastopamajiem elementiem. Piemēram, DNS (dezoksiribonukleīnskābes) molekulā, kas satur kodēto iedzimtības informāciju, var ietilpt miljoniem vairāku elementu atomu.

Kaut arī DNS molekula ir neticami sarežģīta, tās diametrs ir tikai 0,0000025 milimetri, tāpēc tā nav saskatāma citādi kā vien ar ļoti spēcīgu mikroskopu. Tikai 1944. gadā zinātnieki atklāja, ka DNS nosaka cilvēka iedzimtību. Šis atklājums lika zinātniekiem sākt ļoti intensīvus šīs ārkārtīgi sarežģītās molekulas pētījumus.

Bet DNS un ūdens molekula ir tikai divas no tām daudzajām molekulām, no kurām sastāv materiālās pasaules objekti. Ņemot vērā, ka daudzas molekulas ir atrodamas gan dzīvās būtnēs, gan priekšmetos, vai būtu jāsecina, ka pastāv kāda pavisam vienkārša pāreja — sava veida tilts — starp dzīvo un nedzīvo dabu?

Ilgu laiku daudzi ticēja, ka tā tiešām ir. ”Divdesmitajos un trīsdesmitajos gados daudzi autoritatīvi speciālisti atklāti izteica cerību, ka, pieaugot bioķīmijas zināšanām, pār šo plaisu tiks pārmests tilts,” rakstīja mikrobiologs Maikls Dentons. Taču kādi fakti ar laiku tika noskaidroti?

Dzīvība ir unikāla

Kaut gan zinātnieki bija cerējuši atklāt pārejas posmu ķēdi, kas veidotu saistību starp dzīvo un nedzīvo, kā norādīja M. Dentons, ”pēc revolucionārajiem atklājumiem, kas molekulārbioloģijā tika izdarīti piecdesmito gadu sākumā, beidzot bija pierādīts”, ka šāda pakāpeniska pāreja nepastāv.  Tālāk M. Dentons minēja kādu ievērības cienīgu faktu, par ko zinātnieki ir pārliecinājušies:

”Tagad mēs zinām ne tikai to, ka dzīvo un nedzīvo pasauli šķir plaisa, bet arī to, ka šī plaisa ir viskrasākais un būtiskākais pārrāvums, kāds pastāv dabā. Starp dzīvu šūnu un vissakārtotāko nebioloģisko sistēmu, kāda ir kristāls vai sniega pārsla, ir tik milzīga un absolūta atšķirība, kādu vien var iedomāties.”

Tas nepavisam nenozīmē, ka izveidot molekulu būtu viegli. Grāmatā Molecules to Living Cells (No molekulām līdz dzīvām šūnām) sacīts, ka ”mazo molekulu sastāvdaļu sintezēšana jau pati par sevi ir komplicēts uzdevums”. Taču šādu molekulu veidošana, piebilsts minētajā grāmatā, ”ir bērnu spēle salīdzinājumā ar to, kas jāpaveic, lai sintezētu pirmo dzīvo šūnu”.

Šūnas var pastāvēt pašas par sevi kā atsevišķi dzīvi organismi, piemēram, baktērijas, un tās var funkcionēt kā daudzšūnu organisma, piemēram, cilvēka, sastāvdaļa. Uz punkta šī teikuma beigās varētu novietoties 500 vidēja izmēra šūnas, tāpēc, kā viegli saprast, šūnā notiekošie procesi ar neapbruņotu aci nav novērojami. Bet kas ir atklāts, ar mikroskopa palīdzību ielūkojoties atsevišķā cilvēka šūnā?

Vai šūna radusies nejauši vai izveidota ar nolūku?

Dzīvā šūna ir tik neiedomājami sarežģīta, ka tā liek gribot negribot izjust apbrīnu. Kāds zinātnieks rakstīja: ”Lai kaut vai pati vienkāršākā dzīvā šūna normāli augtu, saskaņoti ir jānotiek daudziem tūkstošiem ķīmisku reakciju.” Viņš uzdeva jautājumu: ”Kā gan vienā vienīgā niecīgā šūnā vienlaicīgi var tikt vadītas veselas 20 000 reakcijas?”

Maikls Dentons pat vissīkākās dzīvās šūnas salīdzināja ar ”īstām mikrominiaturizētām rūpnīcām, kas satur tūkstošiem lieliski projektētu, sarežģītu, no simt miljardiem atomu veidotu molekulārā mehānisma elementu, kas ir daudz komplicētāka par jebkuru cilvēka darināto  mehānismu un kam nav nekā līdzīga neorganiskajā pasaulē”.

Ar šūnas uzbūvi un darbību saistās daudzas mīklas, ko zinātniekiem vēl nav izdevies atrisināt. The New York Times 2000. gada 15. februāra numurā bija sacīts: ”Jo labāk biologi iepazīst dzīvās šūnas, jo grūtāks šķiet uzdevums izdibināt visu, kas tajās notiek. Vidēja cilvēka šūna ir pārāk maza, lai to saskatītu, taču ik brīdi līdz pat 30 000 no tās 100 000 gēniem ”ieslēdzas” vai ”izslēdzas”, veicot šūnā ikdienišķos darbus vai atbildot uz signāliem no citām šūnām.”

Times bija uzdots jautājums: ”Kā gan lai analizē tik niecīgu un tik sarežģītu mehānismu? Un, pat ja ar milzīgām pūlēm izdotos pilnīgi izpētīt vienu cilvēka šūnu, jāatceras, ka cilvēka organismā ir vismaz 200 dažādi šūnu veidi.”

Rakstā ”Dabas motori”, kas bija publicēts žurnālā Nature, bija stāstīts, ka ir atklāti sīciņi ”motori”, kas darbojas katrā organisma šūnā. Tie rotē, ražojot adenozīntrifosfātu — šūnas enerģijas avotu. Kāds zinātnieks, apcerot varbūtējās nākotnes izredzes, sacīja: ”Ko gan mēs spēsim paveikt, kad iemācīsimies projektēt un veidot molekulārus mehānismus, kas līdzīgi šūnās atrodamajām molekulārajām sistēmām?”

Iedomājieties, kāds potenciāls piemīt šūnai! Informācija, ko satur vienas vienīgas mūsu ķermeņa šūnas DNS, aizpildītu aptuveni miljons tādu lappušu kā šī. Turklāt ikreiz, kad šūna dalās, visa šī informācija tiek nodota arī jaunajai šūnai. Kā, jūsuprāt, mūsu ķermeņa šūnās — visos 100 triljonos — ir tikusi ieprogrammēta šī informācija? Vai tas noticis nejauši, jeb vai to paveicis kāds Izcils Projektētājs?

Varbūt jūs esat nonācis pie tāda paša secinājuma kā biologs Rasels Čārlzs Ārtists, kurš rakstīja: ”Mēs sastopamies ar milzīgām, pat nepārvaramām grūtībām, mēģinot izskaidrot [šūnas] izcelsmi, kā arī tās funkcionēšanu, ja neturamies pie loģiskā izskaidrojuma, ka to ir radījis kāds saprāts.”

Izcila kārtība

Savulaik Hārvarda universitātes ģeoloģijas profesors Kirtlijs Meiters izteica šādu secinājumu: ”Mēs dzīvojam nevis nejaušības vai kaprīzes, bet gan likuma un kārtības Visumā. Tā valdība ir visnotaļ racionāla un pelna vislielāko cieņu. Minēsim kaut vai dabas brīnišķīgo matemātisko struktūru, kas mums ļauj piešķirt visiem elementiem secīgus atomnumurus.”

Īsumā aplūkosim šo ”dabas brīnišķīgo matemātisko struktūru”. Daži no senatnē pazīstamajiem elementiem * bija zelts, sudrabs, varš, alva un dzelzs. Viduslaikos alķīmiķi identificēja tādus elementus kā, piemēram, arsēns, bismuts un antimons, un vēlāk, 18. gadsimtā, tika atklāti vēl daudzi citi. 1863. gadā, izmantojot spektroskopu — ierīci, kas ļauj izdalīt unikālās krāsu līnijas, ko izstaro katrs elements —, tika identificēts indijs, sešdesmit trešais atklātais elements.

Ap to laiku krievu ķīmiķis Dmitrijs Mendeļejevs secināja, ka ķīmiskie elementi nav veidoti, kā pagadās. 1869. gada 18. martā Krievijas Ķīmijas biedrībā tika nolasīts viņa darbs ”Elementu sistēmas mēģinājums”.  Tajā D. Mendeļejevs paziņoja par savu mērķi izveidot sistēmu, kuras pamatā būtu nevis nejaušība, bet kāds skaidrs un noteikts princips.

Šajā slavenajā darbā D. Mendeļejevs prognozēja: ”Mēs varam gaidīt, ka tiks atklāti vēl daudzi nezināmi vienkārši ķermeņi; piemēram, tie, kas līdzīgi alumīnijam un silīcijam — elementi ar atomsvaru no 65 līdz 75.” D. Mendeļejevs atstāja savā tabulā brīvas vietas 16 jauniem elementiem. Kad viņam vaicāja, uz kādiem pierādījumiem balstās viņa prognozes, D. Mendeļejevs atbildēja: ”Man nav vajadzīgi pierādījumi. Atšķirībā no gramatikas likumiem, dabas likumi nepieļauj izņēmumus.” Viņš piebilda: ”Es domāju, kad mani nezināmie elementi tiks atklāti, vairāk cilvēku ņems mūs vērā.”

Tieši tā arī notika. ”Turpmāko 15 gadu laikā,” stāstīts enciklopēdijā Encyclopedia Americana, ”tika atklāts gallijs, skandijs un germānijs, kuru īpašības bija ļoti līdzīgas Mendeļejeva paredzētajām, un šie atklājumi apliecināja periodiskās tabulas pareizību un nostiprināja tās autora slavu.” 20. gadsimta pirmajā pusē jau bija atklāti visi pastāvošie elementi.

Bez šaubām, kā atzīmēja ķīmiķis Elmers Maurers, ”šī lieliskā sakārtotība nez vai ir nejaušības rezultāts”. Par varbūtību, ka elementu harmoniskā kārtība ir izveidojusies nejauši, ķīmijas profesors Džons Klīvlends Kotrans rakstīja: ”Fakts, ka visi [Mendeļejeva] paredzētie elementi pēc šī paredzējuma izteikšanas tiešām tika atklāti un to īpašības gandrīz precīzi atbilda viņa paredzētajām, padara šādu varbūtību pilnīgi neiespējamu. Viņa lielais vispārinājums nekad netiek dēvēts par ”periodisko nejaušību”, gluži pretēji — to sauc par ”periodisko likumu”.”

Rūpīgi pētīdams ķīmiskos elementus un to, kā tie savienojas, lai veidotu visu Visumā pastāvošo, ievērojamais fiziķis P. Diraks, Kembridžas universitātes matemātikas pasniedzējs, nonāca pie šāda atzinuma: ”Raksturojot situāciju, varētu teikt, ka Dievs ir ļoti augstas klases matemātiķis un Visuma radīšanā Viņš ir izmantojis augstākās matemātikas sarežģītākos principus.”

Ir bezgala aizraujoši ielūkoties agrāk neredzētajā pasaulē — gan niecīgo atomu, molekulu un dzīvo šūnu, gan gigantisko galaktiku valstībā —, kas nav saskatāma ar neapbruņotu aci. Ieskats tajā iedveš cilvēkam bijību. Kā tas ietekmē jūs? Ko jūs redzat atspoguļojamies šajā apbrīnojami sīko un neizmērojami milzīgo objektu pasaulē? Vai jūs saskatāt tajā kaut ko vairāk, nekā var redzēt ar acīm?

[Zemsvītras piezīme]

[Papildmateriāls/Attēli 5. lpp.]

Par ātru, lai paspētu saskatīt

Tā kā auļojošs zirgs kustas ļoti ātri, 19. gadsimtā izcēlās debates par to, vai, zirgam auļojot, ir kāds brīdis, kad visas četras kājas ir atrāvušās no zemes. 1872. gadā Edvards Maibridžs sāka fotogrāfiskus eksperimentus, kas vēlāk deva atbildi uz šo jautājumu. Viņš izgudroja pirmo tehniku palēnināto kadru iegūšanai.

E. Maibridžs ar nelielām atstarpēm izvietoja rindā 24 fotokameras. No katras fotokameras slēdža pāri skrejceļam bija nostiepta aukla, lai zirgs, auļodams pa ceļu, šīs auklas parautu un tiktu izdarīti fotouzņēmumi. Izpētot iegūtos attēlus, izrādījās, ka brīžiem zirgs bija pilnīgi atrāvies no zemes.

[Norāde par autortiesībām]

Courtesy George Eastman House

[Attēls 7. lpp.]

Kāpēc sasalis ūdens peld, nevis grimst?

[Attēls 7. lpp.]

DNS molekulas diametrs ir tikai 0,0000025 milimetri, taču informācija, ko tā satur, aizņemtu miljons lappušu

[Norāde par autortiesībām]

Ar datoru veidots DNS modelis: Donald Struthers/Tony Stone Images

[Attēls 8. lpp.]

Ikvienā no 100 triljoniem ķermeņa šūnu saskaņoti norisinās desmitiem tūkstošu reakciju

[Norāde par autortiesībām]

Copyright Dennis Kunkel, University of Hawaii

[Attēli 9. lpp.]

Krievu ķīmiķis Dmitrijs Mendeļejevs secināja, ka ķīmiskie elementi nav veidoti, kā pagadās

[Norāde par autortiesībām]

Courtesy National Library of Medicine