Mihez kezdene, ha kapna ajándékba tízezer évet?

Vajon végleg elborítják-e a Földet a szeméthegyek? Nagyobb lesz-e a fejünk a sok császármetszés miatt? Örökké élnek-e az élet legapróbb építőelemeit alkotó protonok? Rengeteg olyan, a mindennapi életünket is érintő tudományos probléma létezik, amelyekre azért nem tudunk megnyugtató választ adni, mert nincs elég időnk rá, hogy kísérleteket végezzünk. Neves kutatókat kérdeztek arról, milyen problémákat tárnának fel, ha lenne rá pár ezer, esetleg egymillió évük?

Ahhoz, hogy két atom molekulává kapcsolódjon össze, a másodperc milliomod részének milliomod része elegendő. Ehhez az időtartamhoz képest az emberi élet szinte örökkévalóság. Ám a hegységek kiemelkedésének vagy a galaxisok ütközésének léptékéhez mérten földi tartózkodásunk szempillantásnyi csupán. A tudósok az effajta jelenségek megfigyelését generációról generációra szokták hagyományozni: az orvostudományban megszokottak például az úgynevezett longitudinális vizsgálatok, amelyek egy-egy személy vagy család sorsát jóval a kísérletet indító kutató halála után is nyomon követik.

A legrégebbi, ma is zajló orvosi vizsgálatok még valamikor az 1920-as években kezdődtek. Az ókori babiloniak ennél is jóval hosszabb csillagászati megfigyeléssorozattal ajándékozták meg az emberiséget: a Krisztus előtti első évezredből legalább hatszáz évnyi folyamatos feljegyzést hagytak hátra, amelyek alapján felismerhetővé vált a nap- és holdfogyatkozások szabályosan visszatérő mintázata.

A kutatás legtöbb területén viszont az élet végessége miatt örökre megválaszolatlanul maradhatnak a legizgalmasabb és legalapvetőbb kérdések. De mi volna, ha az idő nem számítana? Davide Castelvecchi, a Scientific American szerkesztő-publicistája különböző tudományágak jeles képviselőit kérdezte arról, milyen problémák megoldásába vágnának bele legszívesebben, ha kísérleteik lefolytatásához évezredek - vagy akár évmilliók - állnának rendelkezésükre. És hogy a válaszokat a futurológia erős vonzása ellenére a tudomány medrében tartsák, arra kérte őket, csak a már ma is ismert technológiai eszközök használatával számoljanak.

Hogyan kezdődött az élet? (10 000 éves kísérlet - aki válaszol: Robert Hazen, a Föld őstörténetének kutatója, George Mason Egyetem)

Az 1950-es évek elején Stanley Miller és Harold Urey híres kísérletükben megmutatták, hogy megfelelő körülmények között az élő szervezeteket alkotó egyszerűbb molekulák, például egyes aminosavak spontán, kémiai úton kialakulhatnak szervetlen előanyagaikból. A felfedezés eufóriájában úgy tűnt, immár karnyújtásnyira lebeg az élet eredetének misztériuma - nem kell egyebet tenni, mint összekeverni a megfelelő vegyületeket, és elég sokáig várni.

Azóta kiderült, hogy az "elég sokáig" pontos jelentését akkoriban nem sikerült jól megadni: a szakértők ma úgy vélik, hogy a Urey-Miller kísérlet modern változata mintegy 10 000 év alatt hozhatná meg a várva várt eredményt, vagyis ennyi idő alatt állítaná elő az önállóan másolódni és evolválni képes molekulák valamilyen kezdetleges változatát - ami nem más lenne, mint maga az élet.

Bármilyen kísérletnek, amely az élet keletkezését hivatott szimulálni, geokémiailag elképzelhető kezdeti feltételekkel és teljesen a nulláról kell indulnia. Az ősóceán milliónyi különböző kismolekulát tartalmazhatott, és ennyi vegyület lehetséges reakcióinak száma csillagászati nagyságrendű. Mivel az óceán nyílt vizében koncentrációjuk túl alacsony lehetett ahhoz, hogy értékelhető gyakorisággal találkozzanak, a ma elfogadott elmélet szerint az első, önmásolásra képes molekulák a sziklák vizes felszínén jöhettek létre. Az ősi Föld nedves kőzetfelszínei óriási természetes laboratóriumként működhettek, és rajtuk 100-500 millió éven át minden pillanatban akár 1030 különböző parányi kísérlet is lejátszódhatott.

Azt gondoljuk, mindössze tízezer év elegendő volna ezeknek az eseményeknek a rekonstruálásához, ha hatalmas mennyiségű reakciót futtatnánk párhuzamosan. Ennek technikai feltételei elvben már ma is adottak, hiszen léteznek olyan - a számítógépek chipjeihez hasonlóan miniatürizált - "laborok a chipen", amelyek körömnyi területen sok száz elkülönített mélyedést hordoznak, és ezek mindegyikében más és más vegyületkombinációk találkozhatnának különböző ásványi felszíneken. A valamennyi mikroszkopikus reakcióteret folyamatosan ellenőrző automatika gondoskodna az esetlegesen meginduló önálló molekulamásolódás felderítéséről.

A sok százmillió éves eredeti futásidőt a kombinálódó molekulák körének leszűkítésével, a valóban érdekes reakciók kiszűrésével lehetne mintegy tízezer évre lefaragni. Közben csak csendben reménykedünk, hogy a természet valamely titkának megsejtésével és a kísérlet megfelelő módosításával akár pár évtizedesre is összerántható a nagy kísérlet.

Tényleg változatlanok a természeti állandók? (10 000 éves kísérlet - aki válaszol: Gerald Gabrielse fizikus, Harvard Egyetem)

A fizika alapvető törvényei egyetemesnek és örök érvényűnek tűnnek számunkra: legjobb tudásunk szerint minden proton töltése egyforma, a fény mindig ugyanolyan sebességgel halad, és így tovább. Azonban a valóság leírására javasolt némelyik modell elvben megengedi e sarokszámok változását, sőt egyes - igaz, vitatott értelmezésű - csillagászati megfigyelések kimutatni is véltek apró eltéréseket. A laboratóriumi adatok ugyanakkor az állandók sziklaszilárdságáról tanúskodnak. Mi például az elektron mágneses momentumát mérjük, ami az összes elemi részecske valahány tulajdonsága közül mennyiségileg a legpontosabban meghatározható, és az érték eleddig mindannyiszor egyformának adódott. Ám ha a méréseket ezer meg ezer éveken át folytatnánk, ki tudja, nem tolódna-e lassan valamilyen irányba?

Az elektron mágneses momentumának (egy makroszkopikus rúdmágnes esetében ezt a mágnes erősségének neveznénk) a meghatározásához elektrosztatikus tér segítségével síkba kényszerítünk egy magányos elektront, miközben mágneses tér alkalmazásával körmozgásra késztetjük. A kísérleti tér hőmérsékletét tized fokkal az abszolút nulla fölé csökkentjük, hogy az elektron a lehetséges legalacsonyabb mozgási energiaszintet vegye fel. Ebben az állapotban rádiófrekvenciás hullámokkal átbillentjük az elektron mágneses polaritását az ellenkező irányba. Abból, hogy miként reagál a rádiófrekvenciás jelekre, több mint 12 tizedesjegy pontossággal kiszámíthatjuk a mágneses momentumát.

A méréseink pontosságából adódik, hogy ha az elektron mágneses momentuma a Világegyetem eddigi teljes története során csupán az ezredrészével változott volna, és a változás állandó sebességgel zajlana, a kísérleteink már fényt derítettek volna rá. Természetesen attól, hogy valamit állandónak látunk, az a valami még változhat, csak éppen roppant lassan. És a változás sebességének állandósága sem okvetlenül reális feltételezés, hiszen a változás lehetett sokkal gyorsabb az Univerzum életének korai szakaszában, mint most. Mégis, ha a méréseket 10 000 évig ismételve semmiféle elmozdulást nem tudnánk kimutatni, az már nagyon szigorú korlátok közé szorítaná a természeti állandók változását jósló elméleteket, és komoly kételyeket támasztana azon állításokkal szemben, amelyek szerint a távoli kvazárok (szupererős rádiójeleket kibocsátó, ősi galaxismagok) fényének elemzése alapján az elektromágneses kölcsönhatás kismértékben változott a Világegyetem kezdete óta.

Hogyan bomlanak le az anyagok? (100 000 éves kísérlet - aki válaszol: Kristin Presson elméleti fizikus és anyagtudós, Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium)

Noha folyton építkezünk, igazából nem tudjuk, mennyire időtállók az általunk létrehozott létesítmények. Vajon biztosak lehetünk abban, hogy az atomtemetőink kitartanak addig, amikorra a bennük tárolt nukleáris hulladék már valóban veszélytelenné válik? Ha pedig nem akarjuk szeméttel megtölteni a bolygónkat, hasznos lenne tudnunk azt is, mennyi idő alatt bomlanak le a műanyagok és egyéb szennyezések. Ha anyagainkat százezer évig tartó stresszvizsgálatnak vethetnénk alá, könnyedén meggyőződhetnénk arról, mit bírnak ki valójában. Megtanulnánk, hogyan tervezzünk igazán hosszú élettartamú épületeket, ugyanakkor mely anyagok bomlanak le zöld módon.

Tesztelhetnénk mindenekelőtt azokat az anyagokat - például a rézalapú ötvözeteket és az üvegeket -, amelyekbe a nukleáris hulladékot zárjuk. (Igaz, az atomtemetőket mélyen a föld alá, geológiailag gondosan kiválasztott helyekre telepítik, ám a földtani viszonyok néhány évezred leforgása alatt is előre megjósolhatatlan módon változhatnak.) E kísérletekben fokozott igénybevételnek - például a hőmérséklet és a kémhatás erős és ismétlődő változásainak - tehetnénk ki a próbatestjeinket. Nagy időléptéken vizsgálva még a legellenállóbbnak gondolt anyagok is sérülékenynek bizonyulhatnak: ami észrevétlen romlás, pár atom veszteség itt vagy ott a hagyományos laboratóriumi tesztek skáláján, az nyilvánvaló méreteket ölthet az évezredek során. Ezt a szigorú próbát tényleg csak a legjobb anyagok állnák ki sikerrel.

Hogyan keletkeznek az új fajok? (100 000 éves kísérlet - aki válaszol: Jerry Coyne evolúcióbiológus, Chicagói Egyetem)

A természetben leginkább úgy keletkezik új faj, hogy élőlények egy populációja földrajzilag elszigetelődik a fajtársaktól. Miközben az elszakadt populáció alkalmazkodik az új helyi körülményekhez, egyedei előbb-utóbb olyan tulajdonságokra tesznek szert, amelyek meggátolják őket abban, hogy - egy esetleges újbóli találkozás esetén - a korábbi fajtársakkal sikeresen párosodjanak, és életképes utódot hozzanak létre. Az evolúcióbiológia egyik nagy megválaszolatlan kérdése a következő: vajon mi emel előbb gátat a sikeres szaporodás elé, a párosodásra való képesség elvesztése, avagy a keletkező utódok életképtelensége?

A természetes fajképződés tipikusan geológiai időléptékű jelenség. Ezért hiába tudjuk világosan nyomon követni a kövületekben vagy tetten érni a DNS-ben, évmilliókat kellene várnunk, hogy a tulajdon szemünkkel lássuk. (A fajképződésnek ismerjük ugyan jóval gyorsabb, földrajzi szétválást nem igénylő módozatait, de ezek inkább csak kivételt jelentenek a szabály alól.) Laboratóriumi körülmények között 100 000 évre lefaraghatnánk a szükséges időt azzal a trükkel, hogy gyors nemzedékváltású fajt választunk kísérletünk alanyául - teszem azt, a gyümölcslegyet, vagyis a Drosophilát. El kellene választani egymástól két vagy több populációt, eltérő körülmények között - például más koszton - tartani őket, és időről időre megvizsgálni, megjelentek-e bennük új mutációk, illetve megváltozott-e az anatómiájuk, az élettani jellemzőik vagy a viselkedésük. És persze olykor újból össze kellene ereszteni pár egyedet a külön nevelt populációkból, és figyelni, mi történik.

Drosophila

Kollégáimmal együtt néhány speciális esetben sikerült működés közben tetten érnünk a természetes szaporodási izolációt. Amikor a Drosophila nemzetség egy sor közelrokon faját vizsgáltuk, amelyek földrajzi elszigetelődés következtében az evolúciós széttartás különböző fokain állnak, azt tapasztaltuk, hogy a fajképződéshez vezető kétféle gát - a keresztpárzás akadályai és az utódok terméketlensége - körülbelül egyforma sebességgel épül fel. Azonban jól tudjuk, hogy fajok képződnek földrajzi elkülönülés nélkül, egyazon élőhelyen osztozó populációkból is, és ezekben az esetekben - legalábbis a Drosophiláknál - a párzási problémák korábban jelentkeznek.

A fent említettnél jóval gyorsabban, mondjuk 100 év alatt csak úgy tudunk új fajokat előállítani, ha a szétválasztott populációkra nehezedő szelekciós nyomásokat a természetesnél jóval magasabbra emeljük. Az 1980-as évek egyik úttörő kísérletében a kutatók mindössze 25 generáció alatt kitenyésztettek olyan elkülönült gyümölcslégy-utódpopulációkat, amelyek alkalmazkodtak az eltérő környezeti feltételekhez, és ráadásul szívesebben is párosodtak a velük azonos élőhelyet kedvelő fajtársakkal. Ugyanakkor a kísérleti körülmények nagyon mesterségesek voltak, és erősen kétséges, hogy a képződött populációk valóban külön fajoknak voltak-e tekinthetők. Perdöntő eredményt kizárólag egy kellően hosszú kísérlet hozhatna.

Örök életűek-e a protonok? (1 millió éves kísérlet - aki válaszol: Sean M. Carroll elméleti fizikus, Kaliforniai Technológiai Intézet)

A Világegyetem rendes anyaga javarészt protonokból áll; ezek a részecskék az Ősrobbanás óta velünk vannak. Ellentétben más szubatomi részecskékkel, például a neutronokkal, amelyek spontán bomlásra hajlamosak, a protonok kivételesen stabilnak tűnnek. Ám egyes Nagy Egyesített Elméletek (NEE-k) - olyan tudományos építmények, amelyek a részecskefizika egészét egyetlen mögöttes erő különböző megnyilvánulásaiként próbálják értelmezni - azt jósolják, hogy a protonoknak is le kell bomlaniuk, csak éppen az átlagos élettartamuk - konkrét elmélettől függően - akár az 1043 évet is elérheti. Vajon ha eleget várunk, elcsíphetjük egy proton hattyúdalát?

Ahhoz, hogy protont lássunk bomlani, mást nem is kell tennünk, mint vízzel megtölteni egy hatalmas föld alatti tartályt, és figyelni az apró fényfelvillanásokat, amelyek a vízben lévő atomok protonjainak kimúlását kísérik. Minél több protont tudunk szemmel tartani, annál nagyobb eséllyel kapjuk el valamelyiket éppen bomlás közben. A mai detektorokkal végzett kísérletek tanúsága szerint a protonok legalább 10³⁴ évig biztosan eléldegélnek, és ez az adat egy jó csomó NEE-t már eleve kizár a játékból. A végső szót azonban csak akkor mondhatjuk ki, ha a jelenlegi detektorokkal további 100 millió évig folytatjuk a megfigyelést. Ha viszont a maiaknál százszor nagyobb tartályokat építenénk - nagyjából akkorákat, mint egy profi futballpálya, hogy elférjen bennük ötmillió tonna víz -, már egymillió év alatt is eldőlhetne a kérdés. A részecskefizika egyesítése már csak elég fontos ahhoz, hogy megérje kivárni, nem igaz?

Kérdések dióhéjban

Ellenállóvá válunk-e a mai népbetegségekkel szemben? Az emberi étrend átformálódása olyan új egészségügyi kihívásokat hozott magával, mint a járványszerűen terjedő cukorbetegség. Néhány tízezer év alatt kiderülhetne, hogy a szervezetünk alkalmazkodik-e a megváltozott körülményekhez.

Megnőhet az ember fejmérete? A szülőcsatorna átmérője az emberi fejméretet korlátozó egyik legfontosabb tényező. Ha az elkövetkező százezer évben még általánosabbá válik a császármetszés gyakorlata, kiderülhet, hogy megnyílik az út az agyméret növekedése felé.

Megváltoztatja-e fajunk biológiáját a szülési életkor kitolódása? Az emberek manapság idősebb korban vállalnak gyereket, akkor, amikor a spermiumok mutációs rátája magasabb, és a gyereknevelés stílusa is eltér a fiatalabbakétól. Évtízezredek alatt kiderülhetne, hogy nyomot hagyhat-e ez a kulturális változás az emberi faj biológiáján.

Hogyan halmozódnak a földrengések térben és időben? A 2011. márciusi, 9-es erősségű japán földrengés meglepetésként érte a szeizmológusokat, mert senki sem hitte, hogy a háttérben álló jelenség ennyi energiát fog egyszerre felszabadítani. Ha évezredekig figyelhetnénk az egyes területek szeizmikus aktivitását, jobban fel tudnák mérni a kockázatokat, és felismernék a 8,5-nél erősebb megarengések közötti esetleges világméretű összefüggéseket.

Tátrai Péter