Naturvetenskapens gränser

Naturvetenskapen söker utvidga sina gränser mot materiens allra minsta beståndsdelar, mot det allra största, universum, och också mot det mest komplicerade, livet självt. Vad finner man för information och hur kan den påverka våra liv? Vi ser här dessa frågor från en fysikers utgångspunkt.

Naturvetenskapens utgångspunkt

Vi vetenskapsmän studerar världen och försöker förstå vad som händer där. I detta finns ett tvåfaldigt syfte: dels att mätta vår nyfikenhet, dels för att kunna dra nytta av vår kunskap, att utnyttja världen och dess resurser. Naturvetenskapen bör i det fallet vara förutsättningslös och inte drivas av speciella syften, men vi måste också erkänna att det nog inte alltid är så.

Vi fysiker utgår från grundläggande principer om elementära beståndsdelar i den materia vi studerar. Dessa skall vara väl underbyggda och också så enkla som möjligt. När vi sedan söker beskriva fenomen i världen omkring oss, gör vi det med utgångspunkt i dessa grundprinciper. Det är vad vi kallar en reduktionistisk ståndpunkt. Det är viktigt att detta uppfattas på ett korrekt sätt. Det får inte överdrivas – samtidigt som vi går nedåt i förenkling till det mest elementära måste vi ha en helhetsbild klar från begrepp om världen så som vi ser den.

Vad finns det för gränser i dessa strävanden för vårt vetande, och vilka gränser kan vi passera? Finns gränser vi inte bör passera? Jag startar med sökandet efter det mest fundamentala för att senare ta upp frågor om grundläggande principer för det mest komplicerade, själva livet.

Det har funnits och finns även idag många uttryck för att sökandet efter fundamentala grundlagar är ett sätt att nalkas Gud. Stephen Hawking har i sin Kosmos, en kort historik skrivit vad som blivit ett bevingat ord: att när vi kan uttrycka de mest fundamentala naturlagarna, ”då känner vi Guds tankar”. Ett annat uttalande säger att ”universum är ett meddelande i kod, en kosmisk kod, och vetenskapsmannens uppgift är att dechiffrera koden” (Heinz Pagels, Den Kosmiska Koden).

Många tar avstånd från sådana påståenden. Ändå tycker jag, att det finns en sorts religiös övertygelse hos dem som verkligen tror på möjligheten att finna våra dagars heliga Graal, naturlagarnas naturlag.

Gränser nedåt och uppåt

Forskarna har kommit långt i sina strävanden att utforska det allra innersta och reducera grunden till ett minimum av detaljer. Kemin lär oss att allt är sammansatt av ett antal grundämnen, vart och ett associerat med en sorts atomer. Men man går vidare. Alla atomer är uppbyggda på samma sätt med negativt laddade elektroner, som bildar en sorts moln kring en hårt sammanhållen atomkärna innehållande positivt laddade protoner och elektriskt oladdade neutroner. Det är en enkel bild med bara tre sorters partiklar. Lite mer måste dock med.

Protoner och neutroner är själva sammansatta av vad man kallar kvarkar. Idag har man en bild med grupper av fundamentala partiklar. En innefattar kvarkarna, en annan vad som kallas leptoner, där elektronen är den viktigaste. Den här bilden kompletteras med de krafter som råder mellan partiklarna. Man särskiljer fyra typer av krafter, och i en ytterligare strävan försöker man att förena dessa till en fundamental grundkraft. För oss är tyngdkraften, gravitationskraften, den mest märkbara. Det är den som håller oss kvar på jordytan, får föremål att falla till golvet och planeter att gå i banor kring solen. Också välbekant är elektricitet och magnetism, olika fenomen som styrs av samma sorts elektromagnetiska kraft. Den är den viktigaste i atomernas värld, där elektriska krafter håller samman negativt laddade elektroner och positiva atomkärnor. Elektriska krafter och de kvantmekaniska regler som beskriver atomernas värld binder samman atomer till molekyler och skapar den mångfald av materia vi har omkring oss. Metaller, keramiska material, levande materia, vätskor, gaser.

I atomernas värld är gravitationskraften mycket svag. Till skillnad från de andra krafterna, verkar den på samma sätt mellan alla föremål med massa, också på långa avstånd, och kan aldrig kompenseras. Därmed är den viktigare ju större föremål det är fråga om.

De återstående två krafterna verkar bara på mycket små avstånd, inom atomkärnans värld. Den starka kärnkraften håller samman kvarkar i protoner och neutroner och binder samman dessa i kärnorna. Den svaga kärnkraften, slutligen, styr vissa radioaktiva sönderfall.

Meningen här är inte att ge en beskrivning av alla detaljer, utan att ge en bild hur man försöker komma till det mest grundläggande. Man har kunnat förena de elektromagnetiska krafterna och den svaga kärnkraften till en elektrosvag kraft. Det finns strävanden att förena denna med den starka kärnkraften. Här finns flera idéer, men för att få detta klart måste en del pusselbitar passas in. Det fordrar resultat från stora anläggningar där partiklar med mycket höga energier skjuts mot varandra, varvid detaljer hur de växelverkar uppenbaras för oss.

Det stora målet är att förena dessa krafter med gravitationskraften i en slutgiltig grundteori, en teori som beskriver allt och helst också kan förklara varför olika partiklar har de massor de har och varför olika växelverkningar är som vi ser dem, kort sagt varför allt är som det är.

Kommer man att kunna uppnå ett sådant mål eller är det här fråga om gränser man aldrig kan komma förbi? Därom råder i hög grad delade meningar. En sådan grundlagarnas grundlag för med sig konsekvenser som aldrig kommer att kunna testas. Flera forskare hävdar dock att de matematiska kraven på hur en sådan grundlag formuleras är så starka att om man hittar något som uppfyller dessa krav, måste det vara rätt. Idéer, som verkar hoppfulla, och som man hoppas skall leda till målet är grundade på så kallade supersträngar, mycket små enheter vars konfigurationer ger en utgångspunkt för beskrivningen av världen.

Det här är till största delen vetenskap för vetenskapens skull. Människan vill veta mer, och också gå tillbaka till utgångspunkten. Det vi talar om, har konsekvenser för hur universum en gång startade. Allt pekar numera på att allt började med en stor explosion, Big Bang. Det ger ett scenario som beskrivs enligt Einsteins allmänna relativitetsteori, och innebär att världen startade som en oändligt sammanpressad punkt och sedan utvidgades. Det ger en entydig bild av starten och ett konstaterande: Det fanns inget före Big Bang. Tid och rum började på samma gång, ingenting fanns före detta. Det är förenligt med kristendomens skapelse, men det verkar svårbegripligt för många. Måste det inte ha funnits något före?

Kanske det gör det. Den bild jag just beskrev, innebär att universum började oändligt sammanpressad i en punkt. De allra mest koncentrerade tillstånden vid början av detta scenario är dock sådana, att de inte kan beskrivas inom vår nuvarande fysik. Då krävs den naturlagarnas naturlag jag talat om där alla fysikens krafter är förenade, och allt måste beskrivas med kvantmekanik, den speciella mekanik som behövs för att beskriva atomer. För det behöver man en kvantgravitationsteori, något som hägrar som ett viktigt mål för många forskare, och som måste ligga till grunden för naturlagarnas naturlag.

Nu är det också så att en kvantgravitationsvärld kan inte beskrivas med våra normala begrepp om rum och tid. De matematiska krav för en grundläggande naturlag, som jag nämnde tidigare, verkar fordra åtminstone tio dimensioner. I vår värld uppfattar vi tre rumsriktningar och tiden som fyra dimensioner. Övriga sex riktningar är oerhört sammanpressade inom dimensioner som gör det i det närmaste omöjligt att få information om dem. (Men man skall nog aldrig säga helt omöjligt.) Bilden är att vårt universum startade i en enormt koncentrerad tio-dimensionell kvantgravitationsvärld som en växande fyrdimensionell bubbla med vårt rum och vår tid.

I den bubblan var från början alla krafter förenade till en fundamentalkraft i ett tillstånd som representerade en enorm energitäthet. Senare kom krafterna att separeras och begränsas till sina områden – kärnkrafterna till atomkärnorna, gravitationen till stora föremål.

Idag utvidgas universum. Vad kommer att hända inom en mycket lång framtid? Finns det något slut? Här finns två möjligheter: Världen kan fortsätta att utvidgas, men det är också möjligt att utvidgningen vänds, varvid världen dras samman och slutar som den startade i en enormt sammanpressad kvantgravitationsvärld. Vilket som sker, beror på materietätheten i universum och detaljer i de lagar som styr utvecklingen av världen i stort, förhållanden där det finns en hel del osäkerheter. Man gör för närvarande stora framsteg i att klargöra detta. Det verkar klart att universum är mycket nära gränsen för att utvidgningen så småningom skall vända. Tidsskalan för det slutgiltiga ödet är mycket längre än den tid universum nu har existerat.

Det är naturligtvis ingen självklarhet att naturlagarna är oförändrade under alla tider, och att de nödvändigtvis är samma överallt. Alla observationer tyder dock på att det är så. Även om vi än inte kan förstå de allra första stadierna av världens utvidgning, har man framgångsrikt kunnat utnyttja kända lagar att beskriva senare stadier. Under den första minuten hade kärnpartiklar stabiliserats och de protoner och neutroner som finns kvar idag hade bildats. Under någon minut var materie- och energitätheter sådana att protoner och neutroner kunde bindas samman till atomkärnor, främst till tunga vätekärnor (en proton och en neutron) och vidare i heliumkärnor (två protoner med en eller två neutroner). Nya atomkärnor har inte kunnat bildas i rymden (men väl i stjärnor) sedan dess. Beräkningar, som utgår från vad man vet om kärnreaktioner, stämmer väl med proportionerna mellan dessa atomer i universum. Detta bekräftar Big Bang-scenariot och den universella giltigheten av våra naturlagar.

Tveksamhet inför gränserna

Det här är gränser mot det minsta och samtidigt mot det största. De nuvarande strävandena mot en grundläggande förståelse är dock mer en fråga om att utveckla vår världsbild, än att göra sådant som påverkar våra liv. Fast det finns en ekonomisk sida. Hur mycket är vi beredda att betala för denna nya information?

Det finns också andra gränser, andra strävanden att tränga in i naturens innersta vrår, som har mer att göra med oss själva. När vi nu känner så mycket om materiens innersta struktur, vad säger den om livet självt? Hur långt kan vi komma med tillämpningar av fysikens grundlagar för att förstå de mekanismer som ligger bakom det vi kallar liv? Vad finns där för gränser? Finns där gränser som vi inte borde överskrida?

Ofta uttrycks bland lekmän en rädsla för att gå för långt, för att överskrida gränser. Dock knappast bland vetenskapsmännen, som nog i stort förbehåller sig rätten att passera gränser. (Men det är nog inte ett enhälligt synsätt.) Författare har ofta uttryckt sådan rädsla, kanske mest påtagligt med Mary Shelleys ”Frankensteins Monster”, en skapelse där det verkligen var fråga om att komma in på Gudarnas område. Det kan vara på sin plats här att citera monstrets hotfulla yttrande:

Kom ihåg, jag har makt. Jag kan göra dig så eländig att dagens ljus blir dig förhatligt.

Du är min skapare, men jag är din mästare.

Lyd!

Rädslan för vart naturvetenskapen kan leda finns också idag, kanske annorlunda formulerad. Naturvetenskapen och framförallt dess utnyttjande av teknologin har inte enbart fört gott med sig. Kärnkraften är kanske det mest påtagliga. Idag kommer frågan upp inom genteknologin, ett område jag kommer att säga mer om. Skulle man ha undvikit att utveckla kärnteknologin, att passera gränsen? Jag tror det lurar en stor fara bakom ett sådant resonemang. När väl upptäckten hade gjorts att atomkärnor kunde splittras och ge stora energimängder var fältet fritt fram för olika tillämpningar, även oönskade. Jag tror att det finns en stor risk med en tveksamhet att passera gränser genom att forskningen lätt skulle bli helt hemligstämplad, fortsatt av makter som vill utnyttja den till speciella, mörka syften.

Naturvetenskapen måste själv bli medveten om sina risker och förbli öppen och gränslös. Observera att det hela tiden är naturvetare som kommit upp med farhågor om problem med kärnkraft, med växthuseffekten, om riskerna med kemikalier som påverkar ozonlagret och så vidare. En allmän rädsla för vad naturvetenskap och teknik kan ställa till med, ger inget positivt. Det finns en risk att den urskillningslöst hindrar framsteg, utan att ge möjligheter att se problemen i deras rätta perspektiv. Vi behöver den förutsättningslösa naturvetenskapen.

Livets grundmekanismer

Så låt oss nu gå till vad jag ser som den viktigaste gränsen för vår diskussion, den mot det mest komplicerade av allt, livet självt: att förstå livet och livets innersta funktioner från en naturvetenskaplig utgångspunkt.

Vi utgår från vårt reduktionistiska synsätt, men vi behöver inte gå hela den väg som jag beskrivit. Det räcker att utgå från att materien beskrivs av atomer, att atomer sammansätts av atomkärnor och elektroner, och att dessa bildar molekyler bildas genom att elektronernas ”moln” sprids ut och binder ihop flera atomkärnor. Viktigast av alla atomer när det gäller att bygga upp de ämnen som är viktiga för livet är kolatomen med speciellt goda egenskaper att binda samman många atomer. Förutom kol finner man framförallt väte, syre och kväve i de molekyler som styr de levande processerna.

Vi skall gå uppåt från atomerna till vad som styr processer i alla levande celler. Det ger en stegvis ökad komplexitet. Atomerna binds samman i relativt enkla molekyler som kan ses som livets grundläggande byggstenar. Bland de viktigaste är aminosyrorna, sammansatta av de nämnda atomerna kol, väte, syre och kväve (i några fall också med svavel). Aminosyror finns av flera olika sorter, sammansatta av 10 upp till ungefär 30 atomer. Vi uppfattar dem som enheter, beskrivna med kemiska formler. Till exempel, en av de enklaste och vanligaste aminosyrorna är alanin, sammansatt av 3 kolatomer, 2 syreatomer, 1 kväveatom och 7 väten som sitter ihop på ett speciellt sätt enligt formeln:

COOH – CH – NH2

|

CH3

Det är främst 20 olika aminosyror som utnyttjas i levande celler, vilka i sin tur sätts samman i långa kedjor, proteiner. Ett speciellt protein är uppbyggt av en speciell följd av aminosyror och kan dessutom innehålla andra molekyler och metaller, till exempel järn, koppar och zink.

Proteinerna utgör cellernas maskineri. De står för allt som skall utföras i levande organismer. Hemoglobin transporterar syre från lungorna till platser i kroppen där syret används för energiomsättning. Enzymer är proteiner som deltar i nedbrytning och uppbyggnad av olika ämnen i en organism. Alla kemiska reaktioner i cellerna möjliggörs och kontrolleras av proteiner. Proteiner kontrollerar olika processer i organismerna, bland annat celltillväxten. I form av antikroppar motverkar de främmande intrång i våra kroppar. De bygger också upp våra kroppar, hud, ben, hår, naglar, allt är till större delen protein.

Genom sin speciella följd av aminosyror får ett speciellt protein en speciell struktur och med denna speciella funktioner. Vad som är viktigt är att proteinerna kan ändra struktur och därmed funktion under påverkan av olika ämnen i cellen (bland annat vad vi kallar hormoner). Det ger möjlighet till kontrollmekanismer. Till exempel, ett visst ämne skall finnas i lämplig mängd. Finns det rikligt i en cell, kan det lätt bindas till ett protein som spelar en roll i dess produktion. Den bindningen hindrar proteinet att delta i produktionen, men cellen skall heller inte då göra mer av ämnet. Om det finns lite av ämnet, binds det inte till proteinet, som då blir aktivt och bidrar till produktionen. Sådana processer är vanliga (men ofta mer invecklade än vad som här beskrivits) för att skapa och upprätthålla balans mellan olika ämnen i en organism.

Generna

Proteinernas speciella struktur bestäms av den genetiska informationen hos DNA, den andra viktiga typen av stora molekyler i cellerna. DNA är enormt långa kedjor med en ”ryggrad” sammansatt av fosfat och en sockermolekyl, från vilken de baser som utgör DNA:s ”kod” sticker ut. Det finns fyra olika baser som kan bindas till varandra parvis. Dessa kopplingar håller samman två DNA-kedjor i den kända dubbla DNA-spiralen, och de ger förutsättningen för hur DNA kan kopieras. Baser kan bindas till en befintlig DNA-kedja och kopplas samman i en ny. Följden av baser utgör också instruktioner att bygga upp proteiner på ett bestämt sätt. En gen är en del av DNA som innehåller information om ett bestämt protein. Tre på varandra följande baser i DNA bestämmer en speciell aminosyra som skall finnas på en speciell plats i proteinkedjan. Därmed innehåller DNA information om allt som kan och skall göras i cellerna.

DNA-spiralerna är enormt stora enheter. Även i en bakteriecell kan de innehålla några miljoner baser och hos människan miljarder baser. Överföringen av DNA:s information regleras starkt i en organism av proteiner: Alla möjliga proteiner skall inte finnas i alla celler, och en del skall bara finnas vid vissa tider, till exempel när en individ växer upp, eller vid fortplantning.

Forskarna har kommit enormt långt att utforska denna molekylära cellvärld. Gränser överskrids när man tränger in i cellerna och reder ut hur processer sker och kopplas samman i nätverk. Än finns mycket att gå vidare med, och här kommer vi till en viktig begränsning: hur komplicerat kan ett system bli innan vi helt tappar tråden? Vad kan verkligen göras?

Man har just passerat en gräns genom att bestämma alla DNA-baser i mänskliga kromosomer (och i flera andra organismer). Det är ett projekt som hållit på under cirka tio år med stora insatser från forskningsgrupper runt om i världen. Det har accelererat på slutet, och man nådde målet snabbare än vad de flesta trodde för tio år sedan.

När man nu har det resultatet inställer sig frågan: hur skall detta utnyttjas i fortsättningen? Vad skall det vara bra för? Från vår nyfikenhetsstyrda naturvetenskap finns ett mål: DNA innehåller information om allt som finns i organismerna. Nästa steg är att kartlägga och försöka förstå olika funktioner, och hur de kopplas samman i en levande organism. Det stora problemet har gått över i ett ännu större problemkomplex, som kommer att sysselsätta forskare lång tid framöver. Kommer vi att kunna reda ut allt? Knappast. Problemet är alltför stort.

En mycket viktig aspekt är att förstå hur det kan gå fel. Många sjukdomstillstånd innebär att organismernas kontrollmekanismer går fel. Vid cancer växer vissa celler okontrollerat, en process som normalt är starkt reglerad. Vad vi kallar autoimmuna sjukdomar (MS, reumatiska sjukdomar, etc.) innebär att cellens maskineri vänds mot sig själv och förstör delar av organisationen. I Alzheimer och ”galna ko-sjukan” förstörs hjärnan när vissa normala protein bildar oönskade, förstörande strukturer genom en mekanism som gått fel.

Vad som speciellt framhålls är de medicinska aspekterna. Kunskapen om generna ger oss information om ärftliga egenskaper och om ärftliga sjukdomar.

Man överskrider andra gränser: man ger sig in i det genetiska materialet och kan påverka det. Det ger möjligheter att ta bort oönskade egenskaper och också kanske sätta in fördelaktiga. Det borde väl vara bra. Kan manipulationer med generna ge negativa effekter? Överskrider forskare här gränser som man inte borde passera?

Något man nyligen fått upp ögonen för och som visar sig kunna ge stora möjligheter är stamceller som kan växa till och ersätta celler på många håll i kroppen. Det är inte längre sant att man bara förlorar hjärnceller med åren – stamceller kan bilda nya också i hjärnan. Detta ger nya, oanade möjligheter att fräscha upp organ. Med nya erfarenheter om material som kan passa in i en kropp, kan man till stor del komma över och rätta till ålderskrämpor. Man talar om att kunna utsträcka normal ålder till 120 år (och kanske ännu mer), och att pigga hundraåringar med nya, förbättrade organ är redo att möta nya utmaningar. Vision idag, men en möjlig verklighet i morgon.

Livets ursprung

När vi drar våra gränser mot livets grundläggande processer kommer vi till frågor om hur liv har uppstått och hur det utvecklats. Det vetenskapliga synsättet utgår från en materialistisk ståndpunkt. Livet uppstod på Jorden genom att olika kemiska ämnen bildades, förenade sig, och bildade långa makromolekyler som kunde organisera sig till levande organismer, som sedan utvecklades. En tanke som kanske är avskräckande för en del. Är den rimlig?

Utgångspunkten är förhållanden på den tidiga Jorden för 4 miljarder år sedan. En ofattbart lång tidsrymd bakåt. Vi vet genom observationer i Jordens äldsta berg att liv fanns mycket tidigt i Jordens historia. När man funderar över livets uppkomst, kan man följa cellernas beståndsdelar så som vi just gjort. Det första problemet är kemiskt, och man börjar med att fråga hur de enklaste byggstenarna kunde bildas. Aminosyror kan bildas relativt lätt. Idag betraktar man två mycket olika platser för de första kemiska stegen. Det ena är i samband med mineralytor i kontakt med vatten, som är en nödvändig beståndsdel för livet. Kanske på oceanbotten, kanske i vattenfyllda sprickor inne i bergen. Den andra platsen var längre ut i planetsystemet, där det fanns mer av de ämnen som är viktiga för liv, vatten och lätta föreningar med väte, kol, syre och kväve. Till exempel kometer innehåller sådana föreningar, och viktiga ämnen kan ha kommit hit genom kometkollisioner.

Fanns aminosyror, kunde de också kopplas samman till korta kedjor som vi kallar peptider, föregångare till dagens betydligt längre proteiner. Peptiderna kan ha viss funktion och till exempel underlätta ytterligare processer. Det innebär en start, men inte mer, på en väg mot liv.

Vad som i den här bilden måste ha uppkommit i ett viktigt skede på vägen mot det första livet är molekyler som kunde bilda kopior av sig själva. Det är just vad DNA och den likartade RNA kan göra. Med sådana öppnades möjligheterna till verkligt liv. Ingen vet idag hur byggstenar till sådana molekyler kunde bildas i ett tidigt skede, och ännu mindre hur de kunde sättas samman. Troligen fanns först något enklare, som sedan överglänstes av dagens ämnen.

Gränserna sätts här av bristfällig information. Vi vet inte mycket om de förhållanden under vilka dessa molekyler bildades och utvecklades till den första cellen. Inget finns kvar från den tiden, och vad man får göra är att utgå från vad som verkar rimligt. Vad som då kan ha spelat en väsentlig roll kanske inte alls finns kvar i vår tid.

Man vet mycket lite om hur organisationen i den första cellen kunde uppstå. Redan i den var det nödvändigt att mycket kunde samordnas och kontrolleras. Kunde en sådan organisation uppstå av sig själv? Ja, det är vad många av oss tror, men det är en punkt där andra tycker sig se en gräns som den ”materialistiska naturvetenskapen” inte kan komma förbi.

Den bild man annars försöker göra är att ämnen som kan kopiera sig själva, och som kan kontrollera uppbyggande processer, också kan generera en själv-organisation, ett steg mot fungerande celler. Det är ett område med små möjligheter att göra meningsfulla experiment, men där man försöker komma fram med goda idéer.

Det finns heller ingen information om vad det första livet var, och var det uppstod. Allmänt kan sägas, att man kan inte veta hur livet verkligen uppstod, men man försöker förstå hur det skulle kunna skett. Redan det är en stor uppgift. Än är man långt från att forma konstgjort liv i provrör, men det är naturligtvis ett mål.

Det första livet

Liv verkar ha uppstått så snart som det fanns möjligheter på den tidiga Jorden. Förhållandena var då helt annorlunda än idag. Atmosfären var från början tätare än nu och innehöll antagligen mest koldioxid. Temperaturen var antagligen hög, kanske upp emot hundra grader. Syre som är så viktigt idag fanns det nog mycket lite av.

Bland annat genom att studera DNA och molekylära komponenter i en cell försöker man spåra livet tillbaka till dess början. Likheter och olikheter mellan olika organismers DNA ger information om alla slag av släktskap. Olikheterna ger information om hur långt tillbaka i tiden som de hade gemensamma förfäder. Allt slags släktskap kan fastställas, och man bygger upp släktträd för olika typer av organismer från sådan information. Det ger också möjlighet att komma till grenar som varit skilda sedan de allra äldsta tiderna.

En sak är alla överens om: de grundläggande molekylärbiologiska processerna är väsentligen desamma hos alla organismer, något som leder till en klar slutsats: Allt liv på Jorden idag härrör från en urcell, en vattenlevande mikroorganism som uppstod i ett tidigt skede i Jordens historia. Olika grenar av mikroorganismer spjälkades upp efter denna tidiga urcell.

Vad man har viss samstämmighet om idag (men kanske inte i morgon) är att urcellen fanns i en mycket speciell miljö: i en het omgivning, antagligen nära heta, vulkaniska utflöden på oceanernas botten. Sådana miljöer finns också idag, där kontinentalplattorna möts, och där finns idag mikroorganismer som klarar temperaturer upp mot 100oC. När man sätter upp ett släktträd för alla sorters liv ligger dessa just vid roten. Den miljön är också fördelaktig för att bilda nödvändiga organiska ämnen som aminosyror.

Dessa organismer utgjorde inte nödvändigtvis det första livet. Liv kan ha uppstått på andra platser, men av någon anledning, kanske någon stor katastrof vid jordytan, överlevde bara vad som härrörde från det som fanns vid de heta källorna och spreds vidare.

I ett tidigt skede utvecklades fotosyntesen hos vad vi kallar cyanobakterier eller blågröna alger. Det kan ses som den viktigaste mekanismen hos någon levande organism överhuvudtaget. Det gav möjlighet att utnyttja solljus, vilket gav en energikälla och möjlighet att bygga upp de organiska byggstenarna. I senare skeden har växter tagit upp denna funktion. Fotosyntesen som många andra stora genombrott ledde också till en ofantlig miljökatastrof och förändrade så småningom hela Jorden. Den innebar också att syre frigjordes. Syre är ett viktigt ämne för oss på Jorden idag, men det förstör lätt organiska föreningar. De byggstenar, vi talat om, måste ha startat i en miljö som var i det närmaste tom på fritt syre. Det frigjorda syret oxiderade organiska ämnen och dödade många organismer. Det kunde tas upp av järn som på den tidiga Jorden fanns i fri form. Merparten av Jordens järnmalm bildades i tidiga skeden när järn oxiderades av syre, utsläppt av fotosyntetiska bakterier.

Under två miljarder år, motsvarande halva Jordens nuvarande ålder, fanns liv bara i form av mikroorganismer (bakterier) i haven. Det finns gott om fossila mikroorganismer, och de visar mycket liten variation under denna enorma tidsrymd. Det verkar som om perfekta organismer, de fotosyntetiska cyanobakterierna, uppkom alldeles vid livets början. De hade lärt sig att utnyttja den perfekta energikällan, solen, för att driva cellens processer. De var Jordens herrar, och kanske hade utvecklingen kunnat ha stannat där. Det var också deras avfallsprodukt, syret som gav möjlighet till vidare utveckling. För ungefär 2 miljarder år sedan började syre anrikas i atmosfären. Jordens järn hade då mättats. Då uppkommer högre organismer som kunde utnyttja syre för sin energiomsättning. Möjligheter för mer varierade organismer ökade ytterligare efter att sexuell fortplantning utvecklats.

Först för ungefär 500 miljoner år sedan, kom en verklig utveckling igång när olika djurgrupper dök upp under den tid vi kallar kambrium. Redan det är en närmast ofattbar lång tid tillbaka, men ändå hade då sju åttondelar av Jordens historia passerat. Efter ytterligare några hundra miljoner år dyker de första organismerna upp på land, och sedan kom utvecklingen där igång som nu lett till oss människor.

Evolutionens mekanismer

Förutsättningen är DNA:s kopiering. Som sagts tidigare innehåller DNA information om allt i cellerna genom sin speciella följd av baser. Vid fortplantning kopieras denna information och sprids vidare till nya organismer. Kopieringen är aldrig helt perfekt, och en viss variation bildas. Med sexuell fortplantning ökar variationerna, då DNA från moder- och faderorganismer blandas i avkommans arvsanlag.

Ändringar i DNA innebär förändringar i de proteiner som byggs upp från DNA:s information. Ett ändrat protein kanske inte fungerar alls, och det kan till och med ha en skadlig inverkan. Det kan också vara bättre än ursprunget och kan även ge nya funktioner.

Detta är det centrala i evolutionstanken: det bildas en genetisk variation när organismerna fortplantas och DNA kopieras. Variationen innebär lite olika funktioner. Några individer är effektivare än andra vad det gäller att utnyttja tillgängliga resurser. Det är de som är ”vinnare” i naturens spel, och som väljs ut i det ”naturliga urvalet”.

Evolutionens vägar

Evolutionens vägar är inte enkla. Vid flera tillfällen i Jordens historia har stora katastrofer inträffat då ett stort antal, i de värsta fallen upp till 90 %, av alla arter försvunnit. Vid en sådan katastrof försvann dinosaurierna och många andra arter för ungefär 65 miljoner år sedan. En ännu större katastrof inträffade vid slutet av permtiden för ungefär 300 miljoner år sedan, då bland annat trilobiterna försvann.

Man ser katastroferna som förändringar av fossil. Det är svårt att se hur plötsliga de var, om de skedde under en natt, under några år eller under många tusen år. För dinosauriernas utdöende finns en påtaglig möjlig orsak: att en stor himlakropp kolliderade med Jorden vilket ledde till sådana klimatförändringar under några års tid att dinosaurierna helt försvann.

Vi kan också konstatera att, om mänskligheten inom en nära framtid tar kål på sig själv, kommer vår tid att framstå som en abrupt katastroftid. Livet däremot kommer att fortsätta.

I katastroferna försvinner arter som varit framgångsrika under en tidigare period. De verkar ha varit särskilt sårbara när tiderna förändras. Andra organismer får sin chans. Däggdjur fanns under dinosauriernas tid, men som små arter i de stora djurens skugga. De överlevde, och utvecklades snabbt.

Detta ger en nyckfullhet. Vad som är ”bäst” (läs: mest anpassad) beror alltid på rådande omständigheter. Vägen mot människan blev inte möjlig förrän dinosaurierna hade försvunnit. I kambrium för 500 miljoner år sedan utvecklades en mångfald av olika djurformer. Vägen mot ryggradsdjuren representerades där av en oansenlig fiskliknande varelse, släkt med dagens lansettfiskar. Den hade varken skelett eller fullständigt blodsystem med ett drivande hjärta, ryggradsdjurens viktigaste egenskaper. De flesta nya och många mycket iögonfallande djurformer under kambrium försvann snabbt. Den oansenliga lansettfisken överlevde, och dess efterkommande utvecklades under senare perioder, först till fiskar, sedan till landlevande djur, till slut till människor. Varför överlevde den, varför inte de andra?

Många har svårt att acceptera att urvalet sker i en slumpartad variation av organismernas arvsmassor. Ändå ger den en representativ variation som representerar en god samling av olika möjligheter. Principen för evolution finns klart i funktionen hos DNA. Detta med nyckfullheten vid katastroftider borde ses som ett svårare problem. Vägen mot människan passerade en rad flaskhalsar. Kanske antyder det en speciell mening utanför den traditionella vetenskapen.

Evolutionen verkar sakna ett drivande syfte. Den väljer ut vad som existerar och fungerar bäst i den situation som råder för stunden. Där finns inget förutseende, inga förutsättningar att klara oförutsedda katastrofsituationer. Det är svårt att komma ifrån den slutsatsen, men det är något som för många är det allra svåraste att acceptera i naturvetenskapen.

Den gränslösa människan och evolutionen

Människan med sin intelligens har en unik position i världen. Människan har ett förutseende, möjlighet att planera vad som kan ske, vetskap om vad som kan hända. Vårt språk ger obegränsade möjligheter.

Människan har möjlighet att ändra evolutionens regler. Med kunskap om de genetiska förutsättningarna kan man skapa nya funktioner och organismer som har speciella egenskaper. Sedan lång tid tillbaka har människan påverkat och tämjt husdjur. Man har utvecklat grödor för att få mat. För detta har man utnyttjat den normala genetiska variationen, och kunnat konsekvent välja ut egenskaper. Det ger en konstgjord, målinriktad evolution.

Det finns möjliga faror. I organismernas DNA kommer inte allt till uttryck. I högre organismer med sexuell fortplantning, maskeras vad vi kallar recessiva gener. De kan stå för ofördelaktiga egenskaper, men det innebär normalt inga problem. Det kan också hända är att virus, parasiter med eget DNA kan förena sitt DNA med en värdcells, och därmed bidra med nya gener. Med kunskap om all DNA-information kan vi få kunskap om gener som maskeras, och de som har ett främmande ursprung. Här har man talat om en lurande fara om man utnyttjar organ från andra djur, t.ex. grisar vid transplantation. Dessa kan innehålla DNA som inte utgör någon risk för grisen, men det som är rätt harmlöst i grisen kan utgöra en fara i ett transplanterat organ.

Nya rön och genteknik ger möjligheter som aldrig tidigare. Men med möjligheterna kommer problem. Mycket som har sett så bra ut har slagit tillbaka. En del ser sådant som naturens hämnd på människan, som överskridit alltför viktiga gränser. Se Frankenstein-citatet tidigare. Man har satt sig upp mot naturen och naturen slår tillbaka.

Det har delvis gått alltför fort. Man har sett fördelar och vad det kan ge i nytta i vårt kommersiella samhällssystem, men inte hunnit överväga problem. Gång på gång ser vi det.

Tiden är knapp. Naturvetenskapen ger stora möjligheter och ger oss också varningssignaler, till exempel om hotande miljöproblem och klimatförändringar i framtiden. Det verkar svårt att hejda vad som håller på att ske. Ingen vill betala för att stanna upp ett slag, att minska begären för stunden och göra det möjligt att fortsätta att utveckla naturvetenskap och teknik.

Vad händer annars? Svältkatastrofer, miljökatastrofer, katastrofala klimatförändringar. Det är en pessimistisk bild, men den verkar för närvarande realistisk. Samtidigt finns visioner om framsteg i kommande tidsperioder. Livet kanske utsträcks till normalt 120 år, och man kan ersätta utslitna delar genom att utnyttja stamceller. Men vilka skall få del av denna nya teknologi? Jordens befolkning ökar, och det verkar omöjligt att denna ökande befolkning skall kunna få del av den levnadsstandard som vi har idag, ännu mindre av framtidens visioner.

Människan till skillnad från allt annat levande kan planera, men hur skall man utnyttja detta? Till att ta kål på sig själv? Är det ofrånkomligt att vår kunskap ger ett elitsamhälle med ett lyxliv för ett fåtal? Blir människan en misslyckad, kort epok i evolutionen, eller är vi dess krona?