The Device

by Claude Lee Sadik

Urzekający swoją prostotą i humorem szorcik. Zabawny i dobrze zrealizowany. Autorzy nie postawili sobie za wysoko poprzeczki przez co nie razi taniochą czy kiepskimi CGI.

Postanowiłem raz na jakiś czas wrzucać na bloga krótkometrażówki SF (lub z pogranicza SF). Jeśli nie będę miał nic do powiedzenia, nie będę się rozpisywał, tak jak dzisiaj. Pozwolę Wam się po prostu cieszyć obrazem. Najbliższa notka już w piątek - będzie historyjka, będzie kosmos i będzie fizyka.

Tlenowy szowinista

Steven Price – Gravity


Minął rok od czasu tej notki, gdzie wyjaśniłem czym jest „węglowy szowinizm”. Dlatego to dobra okazja, żeby wytłumaczyć czemu spodziewam się, że jeśli gdzieś tam, pozaziemskie życie rozwinęło się do poziomu sporych, wielokomórkowych istot, to zapewne oddychają one tlenem.

Oczywiście nie mogę mieć co do tego pewności – podobnie jak w przypadku przekonania, że są oparte o węgiel. To dobra okazja na cytat z Richarda Feynmana „mam przybliżone odpowiedzi, potencjalne przekonania i różne stopnie pewności co do różnych rzeczy. Ale niczego nie jestem absolutnie pewien”. Tlenowy szowinizm tylko częściowo wynika z obserwacji życia ziemskiego. Żeby nie rozciągać notki, nie chcę wchodzić w zagadnienie definicji życia ani argumentację za tym, że wymaga ono metabolizmu – czyli spalania/oddychania. Przeskoczmy od razu do argumentów, dlaczego powinien do tego służyć tlen.

Duże (znaczy wielokomórkowe) organizmy będą mieć duże potrzeby energetyczne. Niemal wszystkie wielokomórkowe organizmy na Ziemi, od grzybów przez rośliny po dziobaki, mają mitochondria i oddychają tlenem, wydalając CO2. Nie jest to kwestia planety, czy zbiegu okoliczności, ale chemii. Ocenia się, że beztlenowe oddychanie generuje dziesięć razy mniej energii niż tlenowe. Do niedawna sądzono, że w ogóle wszystkie wielokomórkowce wymagają tlenu. Zaprzeczyło temu odkrycie kolczugowców – największych wielokomórkowców pozbawionych mitochondriów. Mierzą one od 100 do 400 mikrometrów, czyli milionowych części metra. Funkcje energetyczne pełnią u nich hydrogenosomy które, co ciekawe, najprawdopodobniej wyewoluowały z tlenowych mitochondriów.

Nikt nie zaproponował sensownej alternatywy dla tlenu. Byłby to nie lada wyczyn, bo tlen to nie tylko spore możliwości energetyczne. Takie oddychanie jest też stosunkowo proste – glukoza spalana tlenowo dostarcza energii i pozostawia dwutlenek węgla oraz wodę.

Ostatnim argumentem jest jego powszechność we Wszechświecie. To trzeci najczęściej występujący pierwiastek. Jest go ponad dwa razy więcej niż węgla. Podobnie jak w przypadku wody – mamy nie tylko idealne właściwości chemiczne, ale i ogromne zasoby. To sprawia, że nawet jeśli możliwe są alternatywy (bo w końcu życie narodziło się w środowisku beztlenowym), to znacznie bardziej prawdopodobne jest, że duże formy życia sięgną po tlen, podobnie jak to miało miejsce na Ziemi.

Na koniec zła wiadomość. A przynajmniej dla tych, którzy robili sobie nadzieje, że w ciągu najbliższych dwóch-trzech dekad odkryjemy dowody na istnienie życia pozaziemskiego. Ostatnie postępy w szukaniu i analizowaniu planet pozaziemskich są imponujące. Znajdujemy ich setki i oceniamy że jest ich co najmniej tyle, co gwiazd. Stawiamy pierwsze kroczki w analizowaniu ich atmosfer. Wiemy, że chemia jest nieubłagana a tlen jest bardzo aktywnym pierwiastkiem. Gdyby rośliny bezustannie nie produkowały O2, zniknąłby z naszej atmosfery bardzo szybko. I nie potrzeba byłoby do tego oddychających form życia. Jest cały szereg procesów i związków, które chętnie uwiązałyby tlen.

Nasuwa się zatem wniosek, że jeśli w atmosferze pozaziemskiej planety wykryjemy spore ilości tlenu, będzie można przyjąć, że istnieje tam życie. Być może przegapimy proste formy życia, którego metabolizm nie korzysta z tlenu na wielu planetach, ale odkryjemy to oddychające tlenem… Niestety ostatnie badania sugerują, że nie będzie tak łatwo. Czerwone karły, stanowiące około trzech czwartych gwiazd w Drodze Mlecznej, emitują znacznie więcej promieniowania ultrafioletowego niż Słońce. Może ono wywoływać reakcje chemiczne w atmosferach planet, których owocem będzie ozon i tlen. Innymi słowy obecność O2 w ich spektrum będzie jedynie dawało nadzieję, że coś tam oddycha i być może wpatruje się w gwiazdy. Poszukiwanie pozaziemskiego życia stało się nieco trudniejsze.

Kłamstwa dla dzieci

The National – Exile Vilify


To będzie odważny wpis. Będzie wzór, będzie mechanika kwantowa, wezmę się za bary z bozonem Higgsa i teorią strun. Czyli wszystko czym tylko można odstraszyć „casualowego czytelnika”. Mimo to liczę, że się nie wystraszycie, bo nie planuję wchodzić w te tematy głęboko. Jestem po Waszej stronie i nie rozumiem fizyki kwantowej. Feynman też nie rozumiał.

Mimo mocnego tytułu notka nie będzie też o bzdurach (a przynajmniej w większości). Kiedy piszę o kłamstwach dla dzieci nie mam na myśli kompletnego fałszu, a jedynie uproszczenia. Ci z nas, których uczono praw dynamiki Newtona (mam nadzieję, że wciąż uczy się ich każdego w podstawówce i/lub szkole średniej), mogą pamiętać, że każde ciało porusza się z przyspieszeniem wprost proporcjonalnym do wypadkowej siły (w szczególnym wypadku zero) i odwrotnie proporcjonalnym do jego masy. Tymczasem w rzeczywistości jest to bardziej złożone:

Po pierwsze w uogólnionej wersji (znaczy lepszej ;) ), mówimy, że zmiana pędu ciała jest proporcjonalna do działającej wypadkowej siły (w pędzie zawarta jest już masa). Ale Albert Einstein wykazał (i od stu lat wszystkie eksperymenty to potwierdzają), że prędkość światła jest stałą fizyczną. Ma to ogromne konsekwencje dla świata – rzeczy w ruchu inaczej postrzegają upływ czasu, ich masa i długość ulegają zniekształceniom, dzieje się sporo dziwnych rzeczy, w które nie mam zamiaru się zagłębiać. Istotne jest to, że gdy tylko ciało nie jest w spoczynku w grę wchodzą poprawki relatywistyczne. Wzór po lewej to „kłamstwo dla dzieci”.

„Kłamstwa dla dzieci” to przemilczenia i uproszczenia. Tu na Ziemi w większości przypadków obcujemy z prędkościami tak małymi, że używanie wzoru po prawej po prostu nie ma sensu. Dla przykładu – rekord prędkości przelotowej samolotu Blackbird (ten z X-Men) wynosi ponad 3500 km/h. Jeśli uwzględnimy teorię względności okaże się, że dla nieruchomego obserwatora prędkość wyniesie 3500,00000001947 km/h czyli trzy i pół tysiąca kilometrów i dziewiętnaście mikrometrów na godzinę. Dlatego do dziś, każdego dnia inżynierowie na całym świecie używają zasad, które opisał Newton w Principia Mathematica w 1687. Jednocześnie astronomia, astronautyka, GPS polegają na teorii Einsteina.

„Kłamstwa dla dzieci” to (na ogół) nieszkodliwe uproszczenia. To co obserwujemy, w większości jest wypadkową sumy niewyobrażalnej ilości drgających atomów. Nasze wyobrażenie atomów jako kuleczek też jest ogromnym uproszczeniem. Jeśli zainteresujemy się tą tematyką, dowiemy się, że elektrony (i nie tylko) można sobie wyobrazić jako chmury prawdopodobieństwa. Obłoczki przyjmują różne kształty, im ciemniej tym większa szansa, że w danym momencie trafimy tam na elektron.

Każdy słyszał o dualizmie korpuskularno-falowym. Obiekty kwantowe mają dwoistą naturę – zachowują się zarówno jak fale i jak cząstki. Dualizm brzmi mądrze, jak dorzucimy do tego korpuskularna-falowy pozostaje chyba tylko inteligentnie pokiwać głową. Ale przecież fala to zaburzenie ośrodka, COŚ musi falować. A korpuskuła to cząsteczka, chmurka, słonik, jakiś OBIEKT. Tego nie da się pogodzić. A jednak eksperymenty niezbicie dowodzą, że elektrony, fotony itd. zachowują się jednocześnie jak fale i jak cząstki. Dla mnie dualizm korpuskularno-falowy to ładny eufemizm na „nie mam pojęcia czym to jest”.

Nic dziwnego, że naukowcy poszukują zupełnie innych podejść jak teoria strun, gdzie nie ma kuleczek, nie ma fal, są struny wibrujące w wielu wymiarach. Oczywiście to podwaliny pod kolejne kłamstwo dla dzieci, bo przecież te struny mają się nijak do tych makroskopowych strun. Więc mogłaby to być teoria różowych słoni, w której wszystkie elementy świata są słonikami, a ich fizyczne własności są wynikiem tego jak bardzo są one różowe.

Nie jest moim celem krytyka tych uproszczeń, choć niektóre mogą być szkodliwymi a nie niewinnymi ułatwieniami (jak na przykład popularne i mylące przedstawienie ewolucji wyjaśnione powyżej i tutaj). Są konieczne dla ambitnych ssaków, które praktyczny nóż ewolucji przystosował do przetrwania na sawannie, gdzie ucieczka przed drapieżnikiem i zdobycie pożywienia nie wymagały rozumienia i dostrzegania efektów fizyki kwantowej ani relatywistki. „Wszechświat nie jest zobligowany do bycia w zgodzie z naszym zdrowym rozsądkiem”, bo ten został ukształtowany w innym celu.

Chcę zamiast tego wskazać ciekawą myśl. Być może te wszystkie uproszczenia są tak naprawdę utrudnieniami. U podstaw reguł świata, gdzieś na samym dnie, do którego mamy nadzieję kiedyś dotrzeć, tkwią prawdopodobnie ekstremalnie proste zasady. Materia i energia to dwa oblicza tego samego. Trzy z czterech oddziaływań opisuje jedna teoria, a podejrzewamy że wszystkie są tak naprawdę różnymi obliczami jednego. Ostatnio upewniliśmy się co do koncepcji, która powstała 50 lat temu i „roboczo” była traktowana jako pewnik przez Model Standardowy. Mówię tu o bozonie Higgsa. Prawda jest taka, że gdyby nie bozon i pole Higgsa, model by się po prostu posypał. Ale nie o tym miałem...

Musiałem przekopać się przez kilka warstw kłamstw dla dzieci, żeby dotrzeć do sedna tematu. A przynajmniej tak mi się wydaje. Nie zapominajmy, że jak ktoś twierdzi, że rozumie fizykę kwantową, to na pewno nie rozumie fizyki kwantowej. W każdym razie – jak przebijemy się przez gazetowe opisy o tym, że „Higgs nadaje cząstkom masę”, opowiastki o zatłoczonym pokoju czy o melasie, to dotrzemy do czegoś ciekawego – cząsteczki które nie posiadają masy muszą poruszać się z prędkością światła. Cząsteczki posiadające masę poruszałyby się z prędkością światła, ale spowalnia je to, że oddziałują z wszechobecnym polem Higgsa.

Jak się okazuje mieć masę, to znaczy „obijać się” o pole Higgsa. Pomiędzy odbijaniem się cząsteczka porusza się z… prędkością światła. Prędkości mniejsze niż prędkość światła są zatem tylko efektem złożenia tych interakcji. Większa masa oznacza intensywniejsze oddziaływanie z polem czyli, że trudniej zmienić prędkość danej cząstki*. To wszystko to oczywiście kolejne kłamstwo dla dzieci. Powyższy rysunek ładnie pokazuje, ze elektron tylko czasem uderza w wszechobecne pole Higgsa, bozon W obija się o nie intensywnie, a foton w ogóle je ignoruje. Ale przecież takie pole to nie siatka kuleczek, a fotony i elektrony i bozony też nie są kuleczkami. Do tego patrząc na ten rysunek można się zastanawiać jak to jest, że cząsteczki nie zmieniają co rusz kierunków. Po prostu – to kolejne uproszczenie.

Zamiast wnikać głębiej przejdę do konkluzji. Czy to nie wspaniałe? Materia i energia to jedno i to samo, cztery podstawowe siły są prawdopodobnie odmianami jednej, a do tego wszystko co istnieje we Wszechświecie porusza się i oddziałuje z prędkością światła. Obecnie ucząc o świecie stosujemy metodę „top-down” mówimy o materii, która składają się z atomów, potem przechodzimy do fizyki kwantowej itd. Być może kiedyś dotrzemy do tak prostego opisu rzeczywistości, że będziemy mogli uczyć „bottom-up”. Powiedzieć jak dysponując jedną fundamentalną siłą, masą energii i jedną dopuszczalną prędkością można po odpowiednim czasie otrzymać gwiazdy, galaktyki, dziobaki i burgery pieczone na żywym ogniu.


Linki:
Obrazek pola Higgsa
Obrazek „stick evolution” (M. F. Bonnan)
Drugi obrazek o ewolucji
Najlepsze wyjaśnienie bozonu Higgsa jakie do tej pory znalazłem
Jak działają magnesy – niby nie w temacie, ale ten film świetnie pokazuje jak efekty kwantowe z obcego nam świata rzeczy mikroskopowych propagują do „naszego” świata.


* - Zwróćcie uwagę jak mylące są te uproszczenia. Można by pomyśleć, że skoro mocniej wchodzi w interakcję, to po prostu będzie się poruszać wolniej (cięższe w naszym pojmowaniu), ale bardziej oddziaływać z polem Higgsa = mieć większą bezwładność. Dlatego choć rysunek kropkami wyjaśnia część zjawiska, może wprowadzać w błąd. Porównanie pola Higgsa do melasy w której grzęźnie samochód brzmi jakby w tym polu wszystko spowalniało, a to też nie jest prawda. "Zwalnia" obiekt na który działa wypadkowa siła skierowana przeciwnie do kierunku jego dotychczasowego ruchu.

Kowale własnych genów

Atrium Carceri - Thermographic Components


Od dość dawna wiemy, że DNA to podstawa życia. Kod genetyczny określa budowę i funkcjonowanie organizmów. Jak się okazało to bardzo precyzyjny kod o jasno określonych zasadach. Można by powiedzieć, że zrozumieć DNA to zrozumieć fenomen życia. Jest to jednak trochę tak jakby stwierdzić, że znajomość zasad szachów stawia nas na równi z Garri Kasparowem.

Cztery zasady nukleotydowe, połączone w trójki, dają 64 kombinacje (4*4*4). Te kombinacje, czyli kodony, kodują 20 podstawowych aminokwasów. Brzmi prosto, ale jeśli spojrzymy na ludzkie DNA z miliardami zasad nukleotydowych, ułożone w chromosomy, podzielone na geny, jeśli dodamy do tego telomery, trabanty, czapeczki, ogony… Zdecydowanie nie jest prosto, a jako dyletant nawet nie jestem w stanie w pełni przybliżyć jak trudnym zagadnieniem jest genetyka.

Mimo tego dziesiątki lat badań i eksperymentów przynoszą coraz więcej, coraz bardziej imponujących efektów. Nieubłaganie zbliżamy się do nie tylko coraz większego zrozumienia ale i swobody w kontrolowaniu DNA. W tym roku MIT opracowało metodę CRISPR pozwalającą na precyzyjną modyfikację DNA. Inspirowana mechanizmem obronnym bakterii, umożliwia edycję pojedynczych fragmentów genów. Do tego możliwe jest też modyfikowanie wielu genów jednocześnie.

Na University of Washington powstał język programowania napisany z myślą o tworzeniu syntetycznego DNA. Dzięki niemu chemicy/biolodzy potencjalnie będą mogli pisać kody podobnie do programistów, które następnie komputer będzie tłumaczył na kod genetyczny „GATC…”. Rozwiązanie to nie jest jeszcze w pełni gotowe do szerokiego zastosowania, ale możliwości są potencjalnie nieograniczone. Mówimy tu nie tylko o uproszczeniu procesu, ale też o dopuszczeniu ogromnej ilości umysłów do tego niezwykłego potencjału.

Warto zwrócić uwagę, że nie dotyczy to jedynie medycyny. Życie w tej skali zajmuje się tworzeniem związków chemicznych. Dzisiejsze metody i próby używania mikroorganizmów do produkcji materiałów, leków itd., wkrótce mogą się wydawać toporne. Być może niedługo produkcją nanorurek będą zajmować się bakterie. Można sobie wyobrazić zbiorniki, do których będziemy wrzucać pożywkę i trochę węgla by po kilkunastu godzinach wyciągać z nich wiadra pełne nanorurek. Dziś wiele szczepionek produkuje się z użyciem kurzych jaj co skutecznie ogranicza tempo ich produkcji. Być może w ciągu dwóch dekad produkcja szczepionki będzie mogła ruszyć w kilka godzin po tym jak zsekwencjonowany (szybko i tanio) zostanie kod wirusa pobranego od pacjenta zero.

To nie jest fikcja. Ostatnio odkryto jak sprawniej przeprogramowywać bakterie, tak by produkowały więcej pożądanych leków, biopaliw itd. Do tego dochodzą spadające koszty sekwencjonowania i rosnąca moc obliczeniowa komputerów, o czym pisałem wcześniej. Wpływa to na wykładniczy przyrost naszej wiedzy o DNA, a także na łatwiejsze odkrywanie subtelnych czynników wpływających na działanie genetycznej maszynerii.

Te przeogromne możliwości, które gnają w naszym kierunku wywołają lawinę pytań. Niektóre będą kompletnie pozbawiona sensu i podszyte strachem wynikającym z niewiedzy; niektóre jednak będą bardzo zasadne. Dzisiejszy poziom debaty w żadnym wypadku nie zapowiada, by coś miało się zmienić. GMO zalewa fala krytyki, a analizy i badania są zwyczajnie negowane i zakrzykiwane. Argumenty takie jak ratunek wymierającego kasztanowca w Ameryce Północnej, który ginie nie przez „piły i siekiery, ale gatunek niepozornego grzyba”, lub te o bakterii, która sama sobie prowadzi hodowlę GMO nie znajdują posłuchu.

Czy za kilkanaście lat nastąpi boom na programistów DNA? Designerów genów? Czy będą ich zatrudniać w jednakowej mierze koncerny farmakologiczne, chemiczne, energetyczne, recyclingowe, oczyszczalnie ścieków...? Czy sprawny programista będzie w stanie stworzyć kod DNA, który sprawi, że altanka z pięknymi kwiatami wyrośnie sama? W końcu w DNA tkwi kształt i układ naszych kości, więc niewykluczone, że z jednego nasionka mogłyby wyrosnąć estetyczne łuki obsypujące się co roku pachnącymi kwiatami. Kto wie, może na ziemi poniżej dałoby się też wyhodować ładny chitynowy chodniczek z sześciokątnych płytek.


Źródła:
Precyzyjna modyfikacja DNA
To samo na Science Daily
Język programowania dla DNA
Odkrycie, które poprawi sprawność „designerskich genów” bakterii produkujących leki, biopaliwa itd.
Powrót eugeniki
GMO z pomocą zagrożonym gatunkom drzew
Bakteria prowadząca własną hodowlę GMO

Gravity / Grawitacja

Arvo Part – Spiegel Im Spiegel


W 1978 naukowiec NASA, Donald Kessler, zwrócił uwagę na zwiększającą się ilość obiektów na niskiej orbicie okołoziemskiej. Stwierdził, że przy odpowiedniej ich gęstości na orbicie jedna przypadkowa kolizja może rozpocząć lawinę. Zderzenie, powiedzmy dwóch satelitów, doprowadziłoby do powstania setek szczątków, które mogłyby wywołać kolejne zderzenia i kolejne szczątki. Taka lawina, zwana później Syndromem Kesslera, mogłaby uniemożliwić eksplorację kosmosu i wynoszenie satelitów na orbitę na dekady. W 2007 Chińczycy przeprowadzili test rakiety przechwytującej w którym zniszczyli własnego satelitę. Ilość śledzonych przez NASA odłamków wzrosła z ponad 10 000 do niecałych 14 000.

Gravity nie jest filmem SF. To thriller katastroficzny przedstawiający lawinową kolizję z perspektywy dwójki astronautów, próbujących wyjść cało z piekła rozgrywającego się na orbicie. Tylko tyle i aż tyle. Myślę, że nie będzie wielką przesadą, jeśli powiem, że wizyta w kinie była wielkim przeżyciem. Nie pamiętam kiedy ostatnio jakaś scena wywołała u mnie uczucie duszności. Alfonso Cuaron dokonał tego ciskając bezradną astronautką w rozgwieżdżoną pustkę. Grawitacja tuż po otwierającej film ekspozycji serwuje nam coś bardziej przerażającego niż wizja rozbitka na środku oceanu. A to dopiero początek niesamowitego widowiska.

Pomimo obecności dowcipkującego astronauty Kowalskiego, nie jest to film zabawny. Przez 90 minut na zmianę towarzyszy nam intensywne zagrożenie, przytłaczający nastrój beznadziejności i krótkie chwile zapierającego dech w piersiach piękna błękitnej planety. Gravity pokazuje jak niegościnnym miejscem jest przestrzeń kosmiczna, nawet tuż-tuż nad atmosferą Ziemi.

Realizacja stoi na najwyższym poziomie i sądzę, że co najmniej Emmanuel Lubezki może liczyć na niejedną nagrodę. Ale nie tylko jemu należą się słowa uznania. Cuaron mistrzowsko prowadzi swój film, a raczej mistrzowsko kładzie jego ciężar na Sandrze Bullock, która dzielnie utrzymuje go ze wsparciem Clooney’a. Absolutną ciszę kosmosu wypełnia świetny soundtrack Stevena Price. Wizualna strona imponuje na wiele sposobów. Długie, płynne ujęcia, czasem przenoszące nas nawet do wnętrza kombinezonów astronautów, niesamowite ujęcia naszej planety oraz trudne do opisania sekwencje deszczu odłamków robiących sito z wszystkiego co jeszcze znajduje się na orbicie.

Czy są jakieś wady? Oczywiście. Gravity ma kilka tandetnych dialogów, w jednej czy dwóch scenach Sandra mogłaby gadać troszkę mniej, jedną czy dwie scenki troszeczkę przeciągnięto. Ale wszystko to nie jest w stanie umniejszyć jakości kinowego przeżycia. Kiedy zapaliły się światła i wstałem, nogi lekko ugięły się pode mną. Ten film zdecydowanie nie nadaje się do oglądania na nawet najlepszym kinie domowym, dlatego w najbliższym czasie nie odmówię sobie kolejnego wypadu do kina. Niech to posłuży Wam za najkrótszą rekomendację i podsumowanie.