Oko ludzkie i doskonałość stworzenia

Czy długa szyja żyrafy, zajęcze skoki albo narząd taki, jak ludzkie oko, są wytworem opatrznościowego inteligentnego projektu, czy też mogły ukształtować się samorzutnie wskutek ewolucji? Do połowy XIX wieku poglądy ewolucyjne były raczej odosobnione i niedopracowane. W żywych istotach widziano przykład mądrości bożej. Nawet arcyniedowiarek Voltaire pisał w swym Traité de métaphysique (czyli „Traktacie metafizycznym”):

Kiedy widzę zegarek, którego wskazówka pokazuje godziny, dochodzę do wniosku, że istota inteligentna rozmieściła sprężyny tej machiny w taki sposób, by wskazówka pokazywała godziny. Podobnie widząc sprężyny ciała ludzkiego, dochodzę do wniosku, że istota inteligentna rozmieściła jego narządy w taki sposób, aby mogło mieścić się i odżywiać przez dziewięć miesięcy w macicy; że oczy są mu dane, by widzieć, ręce, aby chwytać itd.

Voltaire nie był osobistym wrogiem Stwórcy, był deistą, sceptycznie zapatrującym się na Jego samozwańczych przedstawicieli na ziemi. Argument Voltaire’a podjęty został przez teologa Williama Paleya, który w zegarku znalezionym na wrzosowisku chciał widzieć dowód istnienia Boga, i to koniecznie w jego anglikańskiej odmianie. Rozwijana była, zwłaszcza w XIX wieku, tzw. teologia naturalna. Podkreślano w niej rozmaite przykłady dostosowania istot żywych albo ich poszczególnych narządów do swych funkcji i traktowano to jako przykłady inżynierskich talentów Stwórcy – był wszak wiek przemysłu napędzanego siłą pary, a niebawem także elektryczności, i inżynierowie byli w cenie.Także młody Charles Darwin znał i podzielał argumentację tego rodzaju, zanim odkrył inne rozwiązanie: żywe organizmy mogą ewoluować, a sukces odnoszą te z nich, którym najlepiej uda się wykorzystać swoje środowisko. Nie ma więc projektu ani zegarmistrza czy konstruktora, jest następowanie kolejnych innowacji, kumulujących się niekiedy w coś tak bliskiego doskonałości jak oko ludzkie albo gepard.

W liberalnym i dżentelmeńskim świecie Darwina dyskusja musiała być rzetelna, wyzbyta demagogii. Dlatego w dziele O powstawaniu gatunków uczony zamieścił cały rozdział poświęcony trudnościom własnej teorii – coś, czego jego dzisiejsi koledzy, tak usilnie walczący o przetrwanie w akademickim środowisku, z reguły nie robią, poprzestając na autoreklamie.

Pisze Darwin:

Przypuszczenie, że oko ze wszystkimi swoimi niezrównanymi urządzeniami do nastawiania ogniskowej na rozmaite odległości, do dopuszczania rozmaitych ilości światła oraz korygowania aberracji sferycznej i chromatycznej mogło powstać drogą doboru naturalnego, wydaje się – przyznaję to otwarcie – w najwyższym stopniu niedorzeczne. Rozum jednak mi mówi, że jeśli można dowieść istnienia licznych stadiów pośrednich, od skomplikowanego i doskonałego oka do prostego i niedoskonałego, przy czym każde z tych stadiów jest użyteczne dla posiadacza, jeżeli zmiany te są bardzo niewielkie i dziedziczne (…), i jeżeli takie zmiany lub modyfikacje narządu będą zawsze korzystne dla zwierzęcia przy zmianie warunków życia, wtedy trudności przyjęcia, iż doskonałe i skomplikowane oko może powstać drogą doboru naturalnego (…) nie sposób uznać za rzeczywistą. [przeł. Sz. Dickstein, J. Nussbaum, popr. J. Popiołek, M. Yamazaki, s. 175-176]

O „doskonałości” oka ludzkiego powiemy nieco dalej. Najpierw spójrzmy na samą kwestię ewolucji od plamki ocznej do rozbudowanej struktury z gałką oczną, soczewką i siatkówką.

John Ellis, How Science Works: Evolution, 2nd ed., Springer 2016

Dość łatwo wyobrazić sobie kolejne kroki ewolucyjne i korzyści z nich płynące: lepiej mieć jakiś detektor światła niż go nie mieć (np. u fotosyntezującej eugleny światło jest źródłem energii, korzystnie jest zatem znaleźć się w miejscu o lepszym oświetleniu). Podobnie, lepiej jest otrzymywać jakąś, nawet niedokładną informację o kierunku, z którego dociera światło, niż nie otrzymywać jej wcale. Naturalne więc są struktury typu camera obscura: otwór, przez który wpada światło, a naprzeciwko tego otworka komórki światłoczułe. Oko tego rodzaju pozwala zaobserwować jakiś obraz przedmiotu, ma jednak słabą zdolność rozdzielczą i wpuszcza niewiele światła. Owady wykorzystują wiele egzemplarzy takich oczu jednocześnie. Lepszym rozwiązaniem jest poszerzenie otworu, którym wpada światło i umieszczenie soczewki wytwarzającej obraz na światłoczułym ekranie – siatkówce. Można wówczas regulować ilość światła docierającego do siatkówki oraz uzyskać obraz o dobrej zdolności rozdzielczej.

John Ellis, How Science Works: Evolution, 2nd ed., Springer 2016

Obliczono, że cała ta ścieżka ewolucyjna może zmieścić się w czasie rzędu pół miliona lat, przyjmując, że u małych organizmów morskich pokolenie trwa mniej więcej jeden rok). Oznacza to, że kiedy wydarzyła się eksplozja kambryjska: pojawienie się licznych zwierząt około 540 mln lat temu, to praktycznie natychmiast (w skali geologicznej) powinny się też pojawić oczy. Wśród skamieniałości z kambru znajdują się trylobity i żywiące się nimi drapieżniki anomalocaris – zwierzęta te posiadały oczy złożone. Odkryto też, że u gatunków tak różnych, jak myszy, owady i ludzie wpływ na budowę oka ma ten sam gen regulujący PAX6, najwyraźniej mieliśmy więc wspólnych przodków.

Grafika: Trevor D. Lamb, Evolution of the Eye, „Scientific American”, July 2011

Dzielimy przeszłość oka ze śluzicą (hagfish) i minogiem (lamprey). W rozwoju embrionalnym oko człowieka powtarza owe wczesne stadia rozwojowe.

Parę słów na temat jakości optycznej naszego oka. Nie jest ono bynajmniej konstrukcją idealną. W zasadzie ostry obraz odbieramy tylko poprzez czopki skupione w plamce żółtej na powierzchni około 1 mm² – jest to zdecydowanie najbardziej drogocenny fragment naszego ciała. Daje to pole widzenia rzędu zaledwie 2°. Czopki zapewniają nam też widzenie barwne, ponieważ występują w trzech odmianach, które wrażliwe są (głównie) na czerwień, zieleń i błękit. Wrażenie obrazu przed oczami tworzone jest przez nasz mózg, wzrok skanuje bowiem nieustannie pole widzenia (dlatego tak ważna jest ruchomość gałki ocznej). Mamy tu więc do czynienia z dobrej jakości kamerą o niezwykle wąskim polu widzenia, która tworzy szerszy obraz dzięki swoim bezustannym ruchom i oprogramowaniu. Spróbujmy np. przeczytać poniższy tekst, a zobaczymy, że idea linearnego odczytywania tekstu literaz za literą nie jest całkiem poprawna.

Nie werizłeim że mzóg mżoe bez polbrmeu oczdaytć sowła z pporyzsteaimawni ltemirai blye tlkyo perwizsa i otanista błyy na sowich mecscijah

Aberracje sferyczna i chromatyczna (*), o których mówił Darwin nie są w przypadku oka tak trudne do skorygowania, jak mu się zdawało, a to dlatego, że najważniejsze są promienie blisko osi optycznej, dla nich aberracje te są niewielkie. Możemy natomiast przystosowywać się do zmiennych warunków oświetlenia dzięki kurczeniu i rozszerzaniu źrenic oraz możemy modyfikować ogniskową całego oka tak, by obraz przedmiotów położonych niezbyt blisko oka był wyraźny (konkretna odległość dobrego widzenia zależy od indywidualnych cech oka oraz wieku jego posiadacza). W obrębie plamki żółtej zdolność rozdzielcza oka zbliża się do granicy dyfrakcyjnej, tzn. teoretycznej zdolności rozdzielczej (por. John Biddell Airy: Jak drobne szczegóły można dostrzec przez teleskop).

Pod względem konstrukcyjnym oko ludzkie jest jednak zbudowane gorzej niż oko ośmiornicy.

Po lewej stronie mamy oko kręgowca. Włókna nerwowe (2) przechodzą w nim przed światłoczułą siatkówką (1). Cały ten bałagan przed siatkówką pogarsza oczywiście jakość obrazu. Nerwy skupiają się w w dodatku w wiązkę (nerw wzrokowy) (3) w taki sposób, że pozostaje obszar oka niewrażliwy na światło, tzw. plamka ślepa (4). To, że jej zwykle nie widzimy, jest czarodziejstwem mózgu. Po prawej stronie mamy znacznie porządniejszy inżyniersko projekt oka głowonoga, gdzie siatkówka jest umieszczona przed nerwami wzrokowymi, które nie zakłócają biegu światła i nie tworzą plamki ślepej.

Jeśli Stwórca starał się osiągnąć projekt idealny, to udało mu się go zrealizować w przypadku ośmiornic, nie ludzi. Przypomina się odpowiedź wybitnego biologa J.S.E. Haldane’a na pytanie pewnego teologa, czego na temat Boga można dowiedzieć się z badań biologicznych. „Że wykazuje nadmierne upodobanie do chrząszczy” – brzmiała odpowiedź. Jest to aluzja do faktu, że istnieje około miliona gatunków chrząszczy, z czego tylko część jest znana badaczom.

(*) Aberracja sferyczna to efekt nieogniskowania wszystkich promieni w jednym miejscu przez soczewkę o powierzchniach idealnie sferycznych. W oku nie mamy do czynienia z tak prostą sytuacją, ale problem nieogniskowania w jednym punkcie także występuje.

Aberracja chromatyczna pojawia się, ponieważ promienie różnych barw mają różne współczynniki załamania, nawet więc gdyby kształt soczewki został zaprojektowany w sposób idealny, dotyczyłoby to jedynie jednej barwy, dla innych obraz musiałby być nieco rozmyty.

A kromatikus aberráció jelensége.

Streptomycyna: pierwszy lek przeciw gruźlicy (1943)

Gdy myślimy o najgroźniejszych chorobach zakaźnych, na myśl przychodzą nam ospa, malaria, dżuma czy cholera. Jednak to nie one uśmierciły najwięcej ofiar. Rekord śmiertelności należy do gruźlicy: ponad miliard zgonów w ostatnich dwustu latach.

Gruźlica jest chorobą biednych i niedożywionych, a także tych, którzy mają z jakichś powodów słabszą odporność (w ostatnich latach często łączy się z AIDS). Sprzyjają jej kiepskie warunki mieszkaniowe, stłoczenie wielu osób na małej przestrzeni, toteż nasiliła się wraz z rozwojem miast w paru ostatnich stuleciach. Dosięgała jednak wszystkich: biednych i bogatych. Gdyby nie gruźlica dłużej mogliby tworzyć pisarze tacy, jak Anton Czechow czy George Orwell, a u nas Juliusz Słowacki i Stanisław Brzozowski. Inaczej wyglądałaby matematyka, gdyby Niels Abel czy Bernhard Reimann nie umarli przedwcześnie. Itd. itp., listę tę można by wydłużać.

Pierwszym skutecznym lekiem przeciw gruźlicy była streptomycyna. W listopadzie 1944 roku podano ją młodej pacjentce Mayo Clinic Patricii Thomas, której oba płuca zaatakowała gruźlica i tylko dni dzieliły ją od śmierci. Nie wiedziano jeszcze, jakie dawki leku są odpowiednie, lekarze na bieżąco monitorowali jej stan. Po pięciu miesiącach kuracji choroba ustąpiła i latem 1945 roku Patricia wróciła do domu. Jej chłopak, który służył w marynarce wojennej, także wrócił szczęśliwie, kiedy tylko skończyła się wojna. Pobrali się, mieli trójkę dzieci. Patricia przeżyła jeszcze dwadzieścia lat.

Przez następne kilka lat prowadzono próby kliniczne, obserwowano skutki uboczne. Ostatecznie streptomycyna stała się pierwszym antybiotykiem stosowanym z powodzeniem w leczeniu gruźlicy, a także niektórych innych infekcji.

Antybakteryjne działanie streptomycyny odkryte zostało zaledwie rok przed przypadkiem Patricii Thomas. Odkrycia dokonano na Universytecie Rutgersa w stanie New Jersey. Pracował tam Selman Abraham Waksman, urodzony na Ukrainie mikrobiolog, specjalista od bakterii glebowych i autorytet w tej dziedzinie. To on pierwszy użył nazwy antybiotyk na określenie substancji produkowanej przez jedne bakterie i toksycznej dla innych – gleba jest dla bakterii środowiskiem mocno konkurencyjnym, stąd wytwarzanie takich toksyn zwiększa ich szanse przeżycia. Pierwsze antybiotyki znalezione przez Waksmana i jego współpracowników były jednak toksyczne także dla zwierząt, więc ich przydatność lecznicza była niewielka. Wszystko zmieniło się w listopadzie 1943 roku, gdy jego doktorant Albert Schatz stwierdził, że streptomycyna niszczy prątki gruźlicy. Schatz, syn żydowskiego emigranta z Rosji i Angielki, niedawny absolwent Rutgersa, pracował dzień i noc w piwnicy laboratorium Waksmana nad wyizolowywaniem i badaniem działania różnych substancji wytwarzanych przez promieniowce żyjące w glebie (bakterie te odpowiadają za swoisty zapach mokrej ziemi). Waksman nie zapuszczał się nigdy do piwnicy zajmowanej przez Schatza, obawiając się zarażenia gruźlicą, jego laboratorium nie miało bowiem żadnych zabezpieczeń mikrobiologicznych. Młody człowiek, zarabiający 40$ miesięcznie, spędzał w swej piwnicy większość czasu, żywił się głównie tym, co pozostawało z badań w laboratorium, spał nawet na miejscu, nocny portier budził go od czasu do czasu, gdy trzeba było coś zmienić w ustawieniach aparatury pracującej na okragło. Odkrycie było szczęśliwym trafem, choć oczywiście nie było całkiem przypadkowe: zarówno Waksman, jak i Schatz, szukali substancji o takich właściwościach, nie wiedząc jednak, czy badania zakończą się sukcesem.

Sukces okazał się oszałamiający. Schatz stwierdził, że streptomycyna niszczy prątki gruźlicy i wyprodukował pierwsze 10g antybiotyku. Niebawem próby in vivo na świnkach morskich potwierdziły nadzieje wiązane z tą substancją. Firma Merck & Co., sponsorująca badania Waksmana, zdecydowała o zbudowaniu fabryki produkującej nowy lek, niebawem poszły za nimi inne firmy (patent został udostępniony). Był to drugi po penicylinie antybiotyk wprowadzony do leczenia i decyzja była o tyle trudna, że ograniczało się tym samym zasoby przeznaczone na produkcję penicyliny bardzo potrzebnej żołnierzom amerykańskim. Tu nie chodziło już o 40$ miesięcznie i piwnicę na badania, lecz o miliony dolarów i najlepszych chemików potrzebnych do przeskalowania całego procesu do rozmiarów przemysłowych. Niewykluczone, że decyzję uławiła obawa przez bronią biologiczną: streptomycyna niszczy bowiem zupełnie inne rodzaje bakterii niż penicylina.

Dla ludzkości najważniejsze było samo wprowadzenie streptomycyny. W połączeniu z kwasem p-aminosalicylowym (PAS) antybiotyk ten dał pierwszą w historii możliwość wyleczenia gruźlicy. Ludzie są jednak ludźmi i w tle toczyła się nierówna i brzydka walka Waksmana i Schatza o uznanie pierwszeństwa odkrycia. Waksman wygumkował całkowicie udział Schatza i przedstawiał się wszem i wobec jako jedyny odkrywca streptomycyny. Oznaczało to ogromne uznanie: od 1946 roku począwszy Waksman otrzymał 22 doktoraty honorowe i 67 różnych nagród naukowych, w tym Nagrodę Nobla za odkrycie tego konkretnie leku. O Schatzu Waksman nawet nie wspominał, sprowadzając go do roli anonimowego laboranta, który jedynie wykonywał zlecone mu prace. Można zrozumieć ten zawrót głowy: starszy uczony, dotąd wybitny specjalista w dość niszowej dziedzinie, znalazł się nagle w centrum uwagi mediów całego świata i nie potrafił oprzeć się pokusie przypisania sobie całej chwały. Chodziło także o pieniądze. Choć Waksman nie kierował się jedynie chęcią zysku, to zarabiał na  prawach do streptomycyny duże sumy (gwoli sprawiedliwości dodać należy, że przeznaczał je w większości na badania naukowe). Albert Schatz, schowany w cieniu, wciąż z trudem wiążący koniec z końcem, zdecydował się na krok nietypowy w nauce: pozwał Waksmana do sądu. W grudniu 1950 r. doszło do ugody: 3% dochodów z praw do streptomycyny przypadło Schatzowi, 10% Waksmanowi oraz 7% do podziału między wszystkich pracowników laboratorium w czasie, gdy dokonano odkrycia. Kariera naukowa Schatza była jednak skończona, żadna licząca się placówka naukowa nie chciała zatrudnić młodego uczonego, mimo jego niewątpliwych kwalifikacji. Panowało przekonanie, że wyniki badań uzyskanych w danym ośrodku należą się automatycznie kierownikowi – coś w rodzaju ius primae noctis w feudalnej Europie. Sposób patrzenia na rolę młodszych pracowników niewiele zmienił się ćwierć wieku później: kiedy w 1967 roku doktorantka Jocelyn Bell dokonała odkrycia pulsarów, Nagrodę Nobla za to odkrycie otrzymał jej szef Anthony Hewish. W 2018 r. Jocelyn Bell Burnell otrzymała Special Breakthrough Prize m.in. za tamto odkrycie. Pieniądze (3 mln dolarów) przeznaczyła na stypendia dla kobiet, przedstawicieli mniejszości oraz imigrantów specjalizujących się w fizyce.

Rezygnacja Richarda Willstättera (1924)

Na krótkim filmie z czerwca 1920 r. widzimy laureatów Nagrody Nobla wraz z żonami. Od lewej stoją: Fritz Haber (chemia, 1918), Charles Glover Barkla (fizyka, 1917), Max Planck (fizyka 1918), Richard Willstätter (chemia, 1915), Johannes Stark (fizyka, 1919) oraz Max von Laue (fizyka, 1914).

Półtora roku po Wielkiej Wojnie – jak wtedy mówiono – uroczystość noblowska była jedną z pierwszych okazji gromadzących uczonych z dwóch stron niedawnego frontu. Wymowny jest brak na zdjęciach obu brytyjskich laureatów z fizyki za rok 1915: Williama Henry’ego Bragga (ojciec) i Williama Lawrence’a Bragga (syn). Drugi syn Williama Bragga, Robert Charles, zginął na wojnie. Obaj Brytyjczycy pracowali nad dźwiękowym wykrywaniem łodzi podwodnych oraz pozycji artylerii – czymś w rodzaju akustycznego radaru. Także Haber i Willstätter zaangażowani byli w wysiłek wojenny swego kraju. Pierwszy uratował Niemcy przed klęską militarną: zapasy materiałów wybuchowych i amunicji wystarczały na kilka miesięcy wojny. Kiedy okazało się, że nie będzie szybkiego rozstrzygnięcia, pojawił się problem produkcji materiałów wybuchowych. Do tej pory korzystano z saletry importowanej z Chile. Jednak po wybuchu wojny marynarka brytyjska dość skutecznie odcięła tę drogę zaopatrzenia. Ratunkiem dla Niemiec okazał się proces Habera-Boscha produkcji amoniaku z powietrza. Haber na tym nie poprzestał, zaczął pracować nad gazami bojowymi i stał się entuzjastycznym inicjatorem wojny chemicznej. Willstätter także pracował na rzecz armii, ale nie chciał zajmować się produkcją broni, opracował maskę gazową, chroniącą żołnierzy. Zaopatrzenie armii koordynował Walther Rathenau, przemysłowiec i wielki patriota, późniejszy minister spraw zagranicznych w roku 1922 zamordowany przez nacjonalistów. Charakterystyczne jest, że choć niemieccy Żydzi wnieśli wielki wkład w wysiłek wojenny swego kraju (także walcząc w okopach), po przegranej wojnie to oni zostali oskarżeni o klęskę i spiskowanie z wrogiem.

Społeczeństwo niemieckie wyszło z wojny zupełnie podzielone. Nikt nie chciał odpowiadać za klęskę i bezmiar cierpień. Traktat wersalski przyniósł upokorzenie, nakładając ciężary reparacji niemożliwe do udźwignięcia. Skrajne siły na lewicy i prawicy podmywały porządek konstytucyjny, antysemityzm, od dawna obecny wśród Niemców, coraz częściej przeradzał się w obsesyjną nienawiść. Nawet nauka nie była wyłączona z tej presji politycznej. Z pięciu uczonych niemieckich na filmie, dwóch było Żydami, dwóch – von Laue i Planck – starało się zachować neutralność nauki, Johannes Stark natomiast był jednym z wczesnych zwolenników Hitlera i później propagatorem czegoś, co nazywało się „fizyką niemiecką” – jakby atomy, grawitacja, elektryczność, kwanty miały narodowość i aryjski rodowód.

Richard Willstätter był chemikiem, Nagrodę Nobla otrzymał za badania nad chlorofilem. Dzięki jego długoletniej pracy znane stały się podstawowe cechy budowy cząsteczki chlorofilu, z jej magnezowym centrum (miał tu polskiego prekursora w Leonie Marchlewskim), udowodnił także, że występują dwa rodzaje chlorofilu: a i b. Wykazał, że cząsteczki chlorofilu w różnych roślinach mają jednakową budowę, podobną zresztą do budowy cząsteczki hemoglobiny. Za ogromną różnorodnością życia kryła się więc jednolitość na poziomie biochemicznym. Willstätter badał też inne barwniki występujące w roślinach. Na filmie jest sam, jego żona umarła, później umarł także ich synek, została mu tylko córka. Uczony do końca życia pozostał już sam.

Rodzina pochodziła z Badenii, lecz przyszły chemik do gimnazjum chodził w Norymberdze, a studiował w Monachium. Starszy o siedem lat od Einsteina, w odróżnieniu od niego czuł się w Bawarii dobrze, choć też doświadczał czasem antysemityzmu, począwszy od łobuziaków na ulicy, goniących i rzucającyh kamieniami za żydowskimi rówieśnikami. Znacznie poważniejszym problemem był antysemityzm elit. W nauce Żydzi zostawali czasem profesorami, było to jednak trudne. Willstätter pierwszą posadę profesorską dostał w Szwajcarii, w ETH w Zurychu. Potem ściągnięto go w roku 1912 do Berlina, nieco podobnie dwa lata później Einsteina: był to świadomy zamysł ludzi takich, jak Haber, Nernst czy Planck, aby budować wielkość nauki niemieckiej. W roku 1916 Willstätter dostał propozycję katedry w Monachium, mógł dzięki temu wrócić na swą macierzystą uczelnię, teraz jako dyrektor budujący nowy gmach laboratorium, który wyposażył za pieniądze ze swej Nagrody Nobla.

W 1924 roku uniwersytet rozpatrywał sprawę nominacji profesora geochemii. Znakomitym kandydatem był Victor M. Goldschmidt, pracujący w Kristianii (dzisiejsze Oslo). Jednak Wilhelm Wien, fizyk i ówczesny dziekan wydziału, utrącił tę kandydaturę, przekonując profesorów, by nie głosowali za osobą „obcokrajowca” (nie chodziło mu przy tym bynajmniej o obywatelstwo norweskie). Przyjęto na stanowisko nauczyciela ze szkoły dla dziewcząt, bez żadnego dorobku naukowego. Decyzja podjęta za sprawą uprzedzeń rasowych wzburzyła bardzo Willstättera – tego samego dnia podał się do dymisji i nie odwiodły go od niej rozmaite apele i rozgłos wokół tej sprawy. Nie przyjął też żadnej z licznych propozycji, które zaczęły napływać z kraju i zagranicy: miał pięćdziesiąt trzy lata, był noblistą i sporo jeszcze mógł dokonać. Wycofał się na emeryturę, odtąd pracował naukowo, kontaktując się telefonicznie ze swymi asystentami, nigdy już nie odwiedzając swego laboratorium.

W marcu 1939 roku Richard Willstätter przekroczył granicę niemiecko-szwajcarską, opuszczając na zawsze ojczyznę. Pozwolenie na wyjazd okupione było długotrwałymi staraniami i utratą większej części majątku, w tym wspaniałej biblioteki zajmującej siedem pokoi w jego monachijskim domu. Umarł kilka lat później.

Powstawanie kontynentów i oceanów (1922) – Alfred Wegener

Książka została napisana w okresie rekonwalescencji autora, dwukrotnie rannego na froncie zachodnim zaraz na początku wojny światowej (wrócił później do służby jako meteorolog). Ukazała się po raz pierwszy w roku 1915 nakładem wydawnictwa Vieweg & Sohn. Kolejne trzy wydania ukazały się już po wojnie. Z początkowych niecałych stu stron książka rozrosła się do ponad dwustu w czwartym wydaniu. Najważniesze historycznie okazało się wydanie trzecie z roku 1922, które stało się podstawą przekładów m.in. na angielski, francuski, hiszpański i rosyjski, wywołując ożywioną dyskusję nie tylko w kręgach naukowych.

Wysunięta przez Wegenera teoria dryfu kontynentów, przyjęta zrazu ze sceptycyzmem, niedowierzaniem, a nawet szyderstwem, w okresie międzywojennym zyskała niewielu zwolenników. Idee przesuwania się kontynentów wróciły triumfalnie dopiero w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku jako teoria płyt tektonicznych, która zrewolucjonizowała nauki o Ziemi.

Alfred Lothar Wegener z wykształcenia był astronomem, lecz po doktoracie dotyczącym Tablic Alfonsyńskich w roku 1905 postanowił zająć się meteorologią. Zapalony wędrowiec, alpinista i narciarz szukał dziedziny mniej obciążonej tradycją, dającej ponadto możliwość pracy w terenie, a nawet przygody. Wraz ze starszym bratem Kurtem ustanowił w roku 1906 światowy rekord czasu lotu balonem (52,5 godziny). W tym samym roku wyruszył na Grenlandię jako meteorolog duńskiej wyprawy. Spędził tam dwie zimy, tworząc pierwszą stację meteorologiczną i dokonując pomiarów atmosfery przy użyciu latawców oraz balonów. Po powrocie pracował na uniwersytecie w Marburgu, opracowywał wyniki obserwacji polarnych, napisał także podręcznik Termodynamika atmosfery (1911). Przygotowując go, Wegener zwrócił się o opinię do uznanego specjalisty profesora Wladimira Köppena z Hamburga, który przychylnie przyjął rękopis młodszego kolegi. Wegener poznał też córkę profesora Else i niebawem się z nią zaręczył. Na następną wyprawę na Grenlandię wyruszył w 1912 roku, Else spędziła ten czas w domu norweskiego meteorologa Vihelma Bjerknesa, ucząc jego dzieci niemieckiego, a sama ucząc się norweskiego oraz duńskiego (przełożyła potem na niemiecki dwie prace Bjerknesa). Latem 1913 roku wyprawa z udziałem Wegenera przebyła drogę w poprzek Grenlandii mniej na szerokości geograficznej 75°. Tego samego roku młody polarnik i Else wzięli ślub. Po wojnie światowej Wegener objął po przejściu teścia na emeryturę jego stanowisko w Morskim Obserwatorium Meteorologicznym w Hamburgu, przeniósł także swoje prawo nauczania na tamtejszy nowopowstały uniwersytet. We współpracy z Köppenem napisał książkę na temat paleoklimatologii, w której rozwinięte zostały pewne argumenty na rzecz dryftu kontynentalnego. Napisał też książkę na temat kraterów księżycowych, uznając je – zgodnie z prawdą, a wbrew ówczesnym poglądom – za skutek impaktów meteorytów. Mimo ożywionej aktywności Wegenerowi nie udawało się uzyskać katedry uniwersyteckiej, można przypuszczać, że pewną rolę odgrywała tu niechęć wobec jego śmiałych teorii. W 1924 roku został profesorem na katedrze meteorologii i geofizyki w prowincjonalnym Grazu w Austrii (stanowisko stworzono specjalnie dla niego, łącząc obie dziedziny, którymi się zajmował). Wegenerowie przeprowadzili się tam wraz ze swymi trzema córkami i teściem. Jak wspominała Else: „W pięknym Grazu niemal całkiem zatopiliśmy się w mieszczańskiej stabilizacji”. Wegener pracował naukowo, wszyscy troje odbywali liczne wycieczki, regularnie jeździli na narty w Alpy, wojna i ciężkie przejścia w Grenlandii wydawały się daleko poza nimi. Jednak w roku 1929 Alfred Wegener nie umiał się oprzeć okazji ponownej wyprawy na Grenlandię. Zmarł tam niespodziewanie w listopadzie 1930 roku, prawdopodobnie na atak serca z nadmiernego wysiłku, niedługo po swoich pięćdziesiątych urodzinach.

Alfred Wegener i jego towarzysz Rasmus Villumsen na kilka dni przed śmiercią (obaj zginęli w drodze między obozem w głębi Grenlandii a wybrzeżem)

Idea ruchu kontynentów przyszła Wegenerowi po raz pierwszy do głowy w roku 1910, gdy zwrócił uwagę na przystawanie linii brzegowych Ameryki Południowej i Afryki na mapie. Nie był pierwszym, który zauważył owo dopasowanie – jednak nauka instytucjonalna nauczyła się ten fakt ignorować. W roku 1911 Wegener zetknął się po raz pierwszy z danymi geologicznymi i paleontologicznymi, które wskazywały na podobieństwo obu kontynentów. Fakty te znane były specjalistom, interpretowano je jako świadectwo istnienia niegdyś pomostów lądowych między Afryką i Ameryką, uznając za pewnik, że kontynenty te zawsze były położone tak jak dziś (nieco słabsza wersja tego poglądu zakładała istnienie łańcucha wysp łączących oba kontynenty). Wegener postanowił zakwestionować ten pewnik i sprawdzić, czy koncepcja przesuwania się kontynentów może się obronić. W styczniu 1912 roku po raz pierwszy przedstawił swe pomysły publicznie na zjeździe Towarzystwa Geologicznego we Frankfurcie, a trzy lata później rozwinął je w książce. Jak się zdaje, koncepcja pomostów lądowych od początku nie trafiała mu do przekonania. Podstawowym jego argumentem była tu izostazja, obserwowane przez geologów dążenie do równowagi hydrostatycznej. Wiadomo było np., że lądy podnosiły się po ustąpieniu zlodowacenia. Góry mają niższy ciężar właściwy niż dno oceanów. Jeśli tak, to zbudowane z lżejszego materiału pomosty lądowe nie mogły zatonąć w gęstszym podłożu, gdyż przeczyłoby to prawu Archimedesa. Wegener zaczął na kontynenty patrzeć jak na dobrze mu znaną z Arktyki pokrywę lodową: tworzy ona względnie trwałe pływające struktury, które mogą łączyć się albo pękać na mniejsze części, przy czym większa część ich objętości zanurzona jest w wodzie. Podobne zjawiska – oczywiście w nieporównanie większej skali czasowej – mogły zachodzić w przypadku kontynentów na Ziemi.

Przyrodnik zwracał uwagę, że większą część powierzchni Ziemi stanowią albo głębie oceaniczne, albo niezby wysokie lądy.

(Ryc. 4 z Entstehung der Kontinente und Ozeane, 1922, s. 27)

Rozkład wysokości dla całej powierzchni Ziemi ma dwa wyraźne maksima, odpowiadające lądom oraz dnu oceanów. Przeczy to zdaniem Wegenera panującej w tym okresie teorii Eduarda Suessa kurczenia się (kontrakcji) Ziemi. Wyobrażano sobie, iż Ziemia stygnie z fazy ciekłej i stale się w związku z tym kurczy. Wywoływałoby to na jej powierzchni efekt podobny do marszczenia się skórki na wysychającym jabłku. Owo „marszczenie się” zewnętrznych warstw skorupy ziemskiej objawiać się miało m.in. fałdowaniem i wypiętrzaniem gór. Ponieważ kurczenie zachodzi stopniowo, więc w różnych jego fazach ta sama część powierzchni mogła znajdować się nad albo pod powierzchnią morza. Odkrycie pierwiastków promieniotwórczych, które stale wydzielają ciepło, stawiało teorię kontrakcji pod znakiem zapytania. W dodatku skały osadowe znajdowane na kontynentach wskazują na to, że tereny te mogły się znajdować jedynie płytko pod powierzchnią morza, nie stanowiły więc nigdy dna oceanicznego. Wegener sądził także, że gdyby to kurczenie się Ziemi odpowiadało za rzeźbę jej powierzchni, rozkład wysokości powinien mieć jedno tylko maksimum, takie jak przerywana linia na rycinie powyżej.

(Ryc. 4 z Entstehung der Kontinente und Ozeane, 1922, s. 35; dziś wiemy, że dno oceanów także należy do litosfery, która jednak jest tam znacznie cieńsza niż pod kontynentami)

Jego zdaniem lżejsza masa kontynentu, sial (od zawartości krzemu i aluminium: Si-Al) pływa w cięższej simie (od zawartości krzemu i magnezu: Si-Ma), która ma pewne cechy cieczy, przynajmniej w długiej skali czasowej. Toteż poziome przemieszczanie się kontynentów przypominałoby pływanie kier lodowych w morzu. Według oszacowania Wegenera grubość kontynentów (oznaczona M na rycinie) była rzędu 100 km (rycina jest schematyczna i nie oddaje prawidłowo skali).

Mapy Wegenera (Entstehung der Kontinente und Ozeane, 1929, s. 19, 20)

Teoria dryftu kontynentów nie tylko tłumaczyła dopasowanie kształtów różnych lądów, ale także w naturalny sposób objaśniała podobieństwa geologiczne: góry po jednej stronie Atlantyku znajdowały swe naturalne przedłużenie po drugiej jego stronie. Podobieństwa zachodziły także między kopalnymi gatunkami roślin i zwierząt z części świata oddzielonych barierą oceanu. Bez pomostów lądowych trudno było zrozumieć, w jaki sposób te same gatunki mogły wyewoluować w sposób niezależny od siebie.

(J.S. Monroe, S. Wicander, The Changing Earth, 4th edition, s. 33)

Wegener przyjął, że w erze paleozoicznej wszystkie kontynenty stanowiły jeden ląd, nazwany Pangea, który następnie popękał na oddzielne fragmenty, odsuwające się stopniowo od siebie. Jedna z krawędzi Pangei znajdowała się blisko bieguna południowego – gdyż kontynenty przesuwały się nie tylko względem siebie, ale także w stosunku do osi obrotu Ziemi. Dzięki temu można było wyjaśnić geologiczne ślady zlodowaceń paleozoicznych w miejscach położonych obecnie tak daleko od siebie, jak Argentyna, Afryka Południowa, Indie i Australia – wszystkie te lądy znajdowały się kiedyś blisko siebie, a także blisko bieguna ziemskiego.

Dane Wegenera wg współczesnego podręcznika (W. Frisch et al., Plate Tectonics, Springer 2011, s. 3)

Ciągłość pasm górskich oraz zlodowacenia i lasy karbońskie (E.J. Tarbuk, F.K. Lutgens, D. Tasa, Earth: An Introduction to Physical Geology, 11th edition, s. 46,47)

W oczach większości geologów hipoteza Wegenera zakrawała na szaleństwo. Jak zauważył jeden z geologów, przeciwnik dryftu: gdyby to była prawda, to należałoby napisać na nowo podręczniki z ostatnich trzydziestu lat – rzeczywiście, trzeba było to w końcu zrobić. Podobnie reagowali wykształceni ludzie XVI wieku, słysząc o koncepcji Kopernika. Obie teorie usuwały niejako metafizyczny grunt pod nogami, głosząc zmienność i ruch tam, gdzie pragnęlibyśmy stabilności i niezmienności. Obie brały początek ze stosunkowo prostego i nienowego pomysłu, który był po wielokroć odrzucany jako absurdalny. Sformułowane zostały dzięki innemu spojrzeniu na znane fakty, a nie dzięki jakimś nowym, nieznanym dotąd obserwacjom. Obie teorie przekraczały także granice między różnymi naukami. Kopernik „niedopuszczalnie” mieszał astronomię i fizykę. W sprofesjonalizowanym i wyspecjalizowanym dwudziestym wieku czyniono zarzut z tego, że teorię wysunął nie geolog, który strawił lata na badaniach terenowych, lecz autsajder: astronom zajmujący się głównie meteorologią. Warmia Kopernika i Marburg oraz Graz Wegenera, leżąc na uboczu, ułatwiały niezależne myślenie, wolne od presji poglądów środowiska. Obaj autorzy zdawali sobie do pewnego stopnia sprawę z kontrowersyjnosci swoich hipotez, choć żaden z nich nie spodziewał się chyba aż tak zażartego oporu. Oczywiście, każdy rewolucyjny pogląd rodzi nowe trudności i niełatwo z góry przesądzić, czy ostanie się wobec zarzutów. Obie teorie wykazywały też dość podobny brak: nie zawierały bowiem konkretnego mechanizmu, który tłumaczyłby zakładane ruchy. Mechanika arystotelesowska z trudem dawała się pogodzić z heliocentryzmem, w przypadku Wegenera trudność była może jeszcze większa, gdyż potrzebne prawa fizyki były wprawdzie znane, lecz nie było jasne, w jaki sposób miałyby z nich wynikać przemieszczenia kontynentów. Świadom tej trudności, uczony zaproponował dwa mechanizmy, choć podkreślał także, że jest zbyt wcześnie na tego rodzaju szczegóły. Mówił o sile odśrodkowej, która wywołać miała ucieczkę od biegunów – Polflucht, a także o siłach przypływowych Księżyca i Słońca, które wywołać miały przesuwanie kontynentów ku zachodowi. Wyjaśnienia te zostały bardzo ostro skrytykowane przez ekspertów.
Niektóre argumenty Wegenera były błędne, co nie powinno nas szczególnie dziwić w przypadku pracy tak pionierskiej (podobnie było z większoscią szczegółowych poglądów Kopernika oprócz samego heliocentryzmu). Stosunkowo największym błędem było bardzo późne oddzielenie się Grenlandii, która zdaniem Wegenera przesuwać się miała z szybkością rzędu 30 m rocznie. Wegener nadmiernie zawierzył pomiarom astronomicznym długości geograficznej, które nie miały dostatecznej dokładności. Dziś szybkości przesuwania się płyt tektonicznych można mierzyć bezpośrednio za pomocą systemu GPS i wiadomo, że są one rzędu kilku cm rocznie.

W latach dwudziestych ubiegłego wieku krytykowano jednak nie tylko słabe punkty teorii Wegenera, ale także i jej mocne strony. Wysuwano np. twierdzenie (H.S. Washington, 1923), że skały po obu stronach Atlantyku nie wykazują podobieństw. Nie zgadzał się z tym poglądem A.L. Du Toit, wybitny południowoafrykański geolog, który specjalnie w tym celu udał się do Ameryki Południowej i stwierdził, że podobieństwa geologiczne „są wręcz zdumiewające”. Du Toit stał się zwolennikiem teorii Wegenera. Szczególnie niechętne przyjęcie spotkało teorię Wegenera w Stanach Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii, a więc w krajach w geologii przodujących. Przewodniczący Londyńskiego Towarzystwa Geologicznego J.W. Gregory stwierdził, że jeśli izostazja sprzeczna jest z zanurzaniem się dna oceanów, to tym gorzej dla izostazji. Zgadzał się z tym zdaniem także Harold Jeffreys, wybitny geofizyk, który na podstawie danych sejsmicznych wierzył w częściowo płynne jądro Ziemi, sądził jednak, że zewnętrzne jej warstwy są sztywne. Naomi Oreskes upatruje źródeł reakcji amerykańskich geologów na teorię Wegenera w ich niechęci do ogólnych, zbyt spekulatywnych teorii. Niewątpliwie pewna dyscyplina myślowa jest w naukach empirycznych niezbędna, nie należy budować pochopnych uogólnień i uczeni zdobywają pozycję w swoim cechu na podstawie rzeczowych i beznamiętnych obserwacji. Jednak żaden podręcznik metodologii nie nauczy nas, które uogólnienia są „pochopne”, a które – „śmiałe i nowatorskie”. Niemal zawsze prace rewolucyjne przekraczają granice uznanych dziedzin i dopuszczalnych metod. Idee Wegenera podjął Arthur Holmes, twórca datowania radiometrycznego, był w tym jednak niemal całkowicie odosobniony. Przypuszczał on, że ciepło wydzielane przez pierwiastki promieniotwórcze może przenosić się za pomocą prądów konwekcyjnych w płaszczu Ziemi. Prądy takie odpowiedzialne byłyby za przesuwanie kontynentów.

Przesuwanie się kontynentów wróciło do łask w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku dzięki wielu nowym obserwacjom i metodom. Postęp osiągnięty został przede wszystkim dzięki badaniom dna oceanów. Dopiero po drugiej wojnie światowej można było zastosować echosondy do precyzyjnego zbadania topografii dna morskiego. Dzięki badaniom magnetyzmu występujących tam skał można było stwierdzić, że podmorski Grzbiet Śródatlantycki jest strefą spredingu – miejscem, gdzie na powierzchnię wydobywa się nowy materiał z wnętrza Ziemi i tworzą płyty tektoniczne. Kontynenty są częścią płyt tektonicznych, nie torują sobie drogi w płynnym podłożu, lecz raczej są przesuwane wraz z całością płyty, do której należą (symetryczne zjawisko niszczenia płyt następuje w obszarach subdukcji, gdzie jedna płyta wsuwa się pod drugą). W marcu 1964 roku Towarzystwo Królewskie w Londynie zorganizowało konferencję poświęconą przesuwaniu się kontynentów. Zaprezentowano na niej pracę przedstawiającą komputerowe dopasowanie kształtu kontynentów po obu stronach Atlantyku (E. Bullard, J.E. Everett, A.G. Smith, The fit of the continents around the Atlantic, Phil. Trans. Roy. Soc. London A, 258: 41-51).

Okazało się ostatecznie, że Wegener miał rację: średni kwadratowy błąd dopasowania jest rzędu 50 km (co ciekawe, w latach dwudziestych jeden z geologów sporządził model, z którego wynikało, że takiego dopasowania wcale nie ma i luki między kontynentami sięgają 1200 km!). Płyty kontynentalne zachowują się jak sztywne dwuwymiarowe obiekty przesuwające się po powierzchni Ziemi. Oznacza to, że mają one krzywiznę Ziemi i ich ruchy są obrotami – zgodnie z twierdzeniem Eulera, mówiącym, iż dowolne złożenie obrotów przedstawić można jako obrót wokół pewnej ustalonej osi o pewien kąt. Swoistą ironią losu jest fakt, że trwają wciąż dyskusje na temat sił wywołujących przesuwanie się płyt tektonicznych, prądy konwekcyjne rozpatrywane przez Holmesa są raczej skutkiem niż przyczyną tych ruchów. Najczęściej uważa się, że dominuje jakiś mechanizm grawitacyjny.

Jedna ze współczesnych rekonstrukcji Pangei (za: A. Schettino, Quantitative Plate Tectonics, Springer 2015, s. 60)

 

Naukowy idiotyzm roku 2016

714248_bced_51_34

Nie będę się znęcał nad tym artykułem Gościa niedzielnego (sprzedaż ponad 120 000 egzemplarzy!). Nieczuli manipulatorzy trzymają w ciekłym azocie piękne aryjskie bobaski. Dodam tylko z podziwem, że trzeba mieć naprawdę czułe sumienie, aby w dniach, gdy w Aleppo giną tysiącami ludzie, przejąć się dramatem mrozaczków. Katholikos po grecku znaczy powszechny.

Antonie van Leeuwenhoek: Delft, czyli wszechświat

W XVII wieku podróże po Europie stały się modne, choć mieszkając w kraju takim, jak Holandia, można było wiedzieć sporo o świecie, nawet nie ruszając się z domu. Antonie van Leeuwenhoek, kupiec bławatny i pasmanteryjny, terminował w Amsterdamie, podróżował do Anglii, większość jednak swego długiego, dziewięćdziesięcioletniego życia spędził w rodzinnym Delft. Nauką zajął się późno, bo grubo po trzydziestce, kiedy porzucił już handel i został urzędnikiem miejskim, służąc na wielu stanowiskach, m.in. geodety i kontrolera sprowadzanych win i innych trunków. Liczące przeszło dwadzieścia tysięcy mieszkańców Delft nigdy nie było tak dużym ośrodkiem, jak pobliska Haga (barki do stolicy odpływały co pół godziny), słynęło jednak ze swych niebieskich, ręcznie malowanych fajansów, miało też własną gildię malarzy. W Delft pracował przez całe życie, znany wówczas jedynie znawcom, Johannes Vermeer, rówieśnik Leeuwenhoeka. Wpis chrztu malarza datowany pięć dni wcześniej od chrztu uczonego znajduje się na tej samej stronie księgi parafialnej z roku 1632. Z pewnością znali się jako wybitni obywatele tego samego miasta, tak niezrównanie przedstawionego przez malarza.

view_of_delft

To o tym obrazie pisał Marcel Proust: „Odkąd w haskim muzeum zobaczyłem Widok Delft, wiem, że widziałem obraz najpiękniejszy na świecie”Niezrównany i subtelny kolorysta, cyzelował długo każdy szczegół swoich płócien. Namalował ich w rezultacie niewiele i mimo bogatego ożenku zmarł pogrążony w długach. Leeuwenhoeka wyznaczono na kuratora spadku po artyście. Nie przyjaźnili się zapewne i fakt ten dowodzi raczej tylko wysokiego mniemania władz miasta o uczciwości Leeuwenhoeka. Zadanie było delikatne i niewdzięczne, zostało jednak pomyślnie przeprowadzone do końca. Francuski szlachcic, Balthasar de Monconys, dziwił się bardzo, znajdując później u piekarza z Delft pewien obraz Vermeera, za który zapłacono sześćset liwrów, a za który podróżnik nie dałby więcej niż sześć pistoli. Mistrz piekarski z Delft znał się więc dużo lepiej na sztuce niż francuski szlachcic.

f1-large

Nie znamy upodobań Leeuwenhoeka, był człowiekiem niewykształconym, nie znał żadnego języka prócz własnego i sam przyznawał, że niechętnie pisze. Jeśli coś mogło zbliżyć tych dwóch ludzi, to upodobanie do wnikliwej obserwacji i mistyczna niemal adoracja światła. Tkaniny u Vermeera oddane są z niezwykłym pietyzmem, a być może właśnie od przyglądania się detalom tkanin za pomocą szkła powiększającego zaczęła się pasja Leeuwenhoeka. Musiał być człowiekiem niezwykle sumiennym i cierpliwym, gdyż wytrwale doskonalił kunszt szlifowania szkieł i zdołał zbudować mikroskopy lepsze niż ktokolwiek inny.

Używane przez niego mikroskopy miały tylko jedną kulistą soczewkę. Kula taka jest soczewką skupiającą i przy typowym współczynniku załamania szkła jej ognisko leży o pół promienia za powierzchnią (a więc w odległości \frac{3}{2}r od jej środka, patrz poniżej). Używając soczewki możemy przedmiot przybliżyć do oka znacznie bliżej niż wynosi odległość dobrego widzenia, równa zwykle D=25 \mbox{ cm}. Dzięki temu widzimy szczegóły pod większym kątem.

oko

Powiększenie kątowe równe jest

\dfrac{\beta}{\alpha}=\dfrac{h}{d}\dfrac{D}{h}=\dfrac{D}{d}.

Zastępujemy tu kąty (w radianach) ich tangensami, co stanowi dobre przybliżenie, gdy kąty są niewielkie. Odległość d w przypadku soczewki kulistej równa się \frac{3}{2}r. Należy więc używać jak najmniejszych kulek szklanych, powiększenia uzyskiwane przez Leeuwenhoeka sięgały kilkuset razy. Tak wygląda współczesna rekonstrukcja jego mikroskopu.

hl1

Strona Hansa Loncke

Holender prowadził dziennik obserwacji, jego fragmenty wysyłał do Towarzystwa Królewskiego do Londynu. Tłumaczone na angielski lub łacinę, ukazywały się przez wiele lat w „Philosophical Transactions”. Zrazu uczeni byli nieufni, z czasem jednak zaczęto Leewenhoeka i jego odkrycia traktować serio. Zaczęli go odwiedzać inni badacze, którzy mogli się naocznie przekonać, że Holender jest rzeczywiście wytrawnym obserwatorem i niczego nie zmyśla. Niektóre z jego odkryć zostały niezależnie powtórzone, ogólnie jednak był z tym kłopot: nikomu nie udawało się sporządzać tak małych kulek szklanych dobrej jakości optycznej. Angielski autorytet w dziedzinie optyki Robert Hooke, autor zdumiewających rysunków mikroskopowych, takich jak poniższa pchła, używał mikroskopu z dwóch soczewek i nie był przekonany do metody Leeuwenhoeka.

4879769

Odkrycia Holendra nie były aż tak spektakularne, gdyż dotyczyły żyjątek niezwykle drobnych, wręcz nieprawdopodobnie małych, o rozmiarach niewielu mikrometrów. Leeuwenhoek odkrył cały świat mikroflory bakteryjnej, obserwował przejawy życia w kroplach wody i w najróżniejszych płynach ustrojowych, jak krew i sperma. Tak wyglądały np. bakterie z jamy ustnej (specjaliści zidentyfikowali je później).

drawings-of-animalcules-form-leeuwenhoeks-letter-dr-jeremy-byrgess

Nasienie zwierząt i ludzi pełne było zadziwiających, żywo poruszających się stworów, przypominających kijanki. Leeuwenhoek odkrył w ten sposób plemniki. Badania tego rodzaju nieco go krępowały, tłumaczył, że spermę uzyskał bez grzechu jako skutek stosunku małżeńskiego. Sądził jednak, że odkrycie to jest w najwyższym stopniu godne uwagi.

lind006gesc01ill24

Ówcześni uczeni przypuszczali, że początkiem życia człowieka jest komórka jajowa (w istocie to, co brali za komórkę jajową było pęcherzykami jajnikowymi). Sądzono, że pramatka Ewa nosiła w sobie jajeczka wszystkich ludzi, którzy później przyszli na świat. Obserwacje Leeuwenhoeka wskazywały na coś zupełnie innego: to plemniki odgrywają decydującą rolę, podczas gdy komórka jajowa dostarcza jedynie pożywienia wzrastającemu organizmowi. Nicolas Hartsoeker, lekarz i rodak Leewuwenhoeka, przekonywał, że to plemnik zawiera całego człowieka w miniaturze (słówko homunculus pojawiło się dwa wieki później). Jak się zdaje, podobnego mniemania był także Leeuwenhoek.

human-sperm-17th-century-granger

Zapłodnienie zdaniem Hartsoekera nie polegało na tym, że najsilniejszy plemnik (powiedzmy Donald Trump) przebija się do środka komórki jajowej. Sądził on, że plemnik przyczepia się do jajeczka ogonkiem, przez który czerpie substancje odżywcze i który z czasem zamienia się w pępowinę łączącą zarodek z organizmem matki. Interpretując te poglądy w duchu tzw. obrońców życia: nie tylko zygota ludzka byłaby święta, ale należałoby jak osoby ludzkie traktować także wszystkie plemniki, które także byłyby święte. Oczywiście, wszystkie one powinny koniecznie mieć imiona, zanim umrą.

Leeuwenhoek był pionierem, jego badań nikt nie kontynuował. Częściowo sam sobie był winien, ponieważ nie ujawniał swojej metody wytwarzania soczewek i nikt inny tego nie potrafił. Nauka nie była przygotowana na cały ten zawrotny świat mikroorganizmów, kiedy nie można zrozumieć pewnych faktów, spycha się je po prostu na bok. Z czasem Leewenhoek spostrzegł, że młodzi ludzie nie są zainteresowani nauczeniem się jego sekretów i kontynuacją jego badań. Pisał: „Większość studentów idzie tam [na uniwersytet w Lejdzie], aby zarabiać pieniądze dzięki wiedzy albo zdobyć reputację w świecie uczonych. Lecz szlifowanie soczewek i odkrywanie rzeczy ukrytych przed wzrokiem nie ma z tym nic wspólnego”. Trzeba przyznać, że i dziś ten podział nie całkiem się zatarł: na tych, co odnoszą korzyści z nauki i tych, z których korzyść odnosi nauka.

kula
Kąt \beta, jak widać z rysunku, równy jest

\beta=\dfrac{h}{r+f}.

Ogniskową f znajdujemy, rozpatrując dwukrotne załamanie promienia bliskiego środka kuli (w ten sposób wszystkie kąty są małe, zostały na rysunku powiększone dla przejrzystości). Odchylenie na pierwszej powierzchni równe jest \delta-\varepsilon; oba kąty spełniają prawo załamania

\dfrac{\delta}{\varepsilon}=n,

gdzie n jest współczynnikiem załamania.

leeuwenhoek

Odchylenie na drugiej powierzchni jest takie samo. Należy uwzględnić fakt, że nasza soczewka jest gruba, tzn. promień zbliża się do osi z odległości x na odległość y. Ostatecznie, wartość ogniskowej równa jest

f=\dfrac{r}{2}\cdot \dfrac{2-n}{n-1}.

Przy n=1,5 otrzymamy f=\dfrac{1}{2}r.

D.A. Henderson, synek Franklina i racjonalność decyzji o szczepieniu

W tych dniach zmarł D.A. Henderson, epidemiolog, który walnie przyczynił się do zlikwidowania ospy na świecie. Był to wynik wieloletniej planowej pracy zespołu ludzi, którymi kierował najpierw w amerykańskiej CDC, a później w WHO. Fachowcy mówią, że to największy wymierny sukces w historii medycyny. Dramatem naszego świata jest fakt, że ludzie tacy jak on są niezbyt znani w przeciwieństwie do różnej maści celebrytów, skandalistów i kokainistów płci obojga.  OB-Henderson__13981471621450

Pisałem o epidemii w roku 1721 w Bostonie i tragicznym losie małego synka Benjamina Franklina. Stosując rachunek prawdopodobieństwa, nietrudno uzasadnić racjonalność decyzji o szczepieniu nawet przy niepełnych danych z XVIII wieku. Musimy pamiętać, że ówczesne szczepienie, tzw. inokulacja albo wariolizacja, różniły się od późniejszej metody. Zaszczepiano bowiem ludziom ospę ludzką, co w niektórych przypadkach kończyło się śmiercią. Dopiero pod koniec stulecia Edward Jenner odkrył, że bezpieczniejsze jest zaszczepianie ludziom ospy krowiej.

Zazwyczaj w podręcznikach matematyki mamy do czynienia z urnami, z których wyciąga się kule i w zależności od tego, co wyciągniemy, pojawiają się różne możliwości i budujemy drzewo rozmaitych ewentualności. Szczepienia są przykładem lepiej chyba przemawiającym do wyobraźni niż losowania białych i czarnych kul z urny.

Oto dane dla epidemii w Bostonie w roku 1721.

  • Liczba ludności miasta: 10 700
  • Poddanych inokulacji 281, z czego 6 zmarło
  • Spośród niepoddanych inokulacji 4917 zachorowało i przeżyło, 842 osoby zachorowały i zmarły, a 4654 osoby w ogóle nie zachorowały

Będziemy prawdopodobieństwa przybliżać częstościami, zazwyczaj nie mamy na to lepszego sposobu, należy pamiętać, że dane pochodzące z niewielkiej próby mogą się okazać niedokładne i dysponując większą statystyką, otrzymalibyśmy nieco inne wyniki. Mamy więc prawdopodobieństwo zgonu po inokulacji równe 6/281=0,021 i przeżycia inokulacji 1-0,021=0,979.

Prawdopodobieństwo zgonu wśród niepoddanych inokulacji oraz zarażonych jest równe 842/(842+4917)=0,146, a prawdopodobieństwo przeżycia w tej samej grupie równa się 1-0,146=0,854.

Prawdopodobieństwo zarażenia osoby niepoddanej inokulacji możemy próbować oszacować na podstawie naszych danych jako (4917+842)/(4654+4917+842)=0,553. Jest to szacowanie z dołu: musimy pamiętać, że część spośród 4654 osób, które nie zachorowały, przeszła już kiedyś ospę i była uodporniona na resztę życia. Jeśli prawdopodobieństwo zarażenia osoby, która nie przeszła ospy, oznaczymy przez x, mamy następujące drzewo możliwości.

qc23465.f1

Rysunek z pracy M Best, A Katamba, and D Neuhauser, Making the right decision: Benjamin Franklin’s son dies of smallpox in 1736.

Jeśli przyjmiemy x=0,553, to prawdopodobieństwo przeżycia bez inokulacji będzie równe (1-x)+x \cdot 0,854=0,919. Jak widać, wartość ta jest mniejsza od prawdopodobieństwa przeżycia inokulacji, zatem statystycznie biorąc, zabieg ten zwiększa szanse przeżycia. Gdybyśmy mieli więcej informacji, wartość x mogłaby się okazać jeszcze większa, a to by oznaczało, że prawdopodobieństwo przeżycia bez inokulacji jest jeszcze mniejsze (można zapisać to prawdopodobieństwo jako 1-x+0,854x=1-0,146x, jest to więc malejąca funkcja zmiennej x).

Można też się zastanowić, jaka musi być najmniejsza wartość x, żeby inokulacja była racjonalnym zabiegiem. Granicą racjonalności będą równe prawdopodobieństwa zgonu: x\cdot 0,146=0,021, skąd x> 0,144. Ponieważ dane wskazują, że prawie na pewno ostatni warunek jest spełniony, inokulacja jest racjonalnym zabiegiem.

Nie mamy, niestety, danych dla epidemii w 1736 roku w Filadelfii, gdzie mieszkał Benjamin Franklin z rodziną. Mamy jednak dane dla późniejszej epidemii w Bostonie w roku 1752.

  • Boston liczył wówczas 15 684 mieszkańców
  • 5998 osób przeszło już ospę i nie musiało się jej obawiać
  • 2124 osoby poddały się inokulacji (znacznie więcej niż w roku 1721), 30 z nich zmarło
  • 1843 osoby uciekły na wieś, by przeczekać epidemię, nie wiemy, jak wiele spośród nich zmarło.
  • 5719 osób nie poddało się inokulacji ani nie uciekło; 97% spośród nich zachorowało, a 539 zmarło

Prawdopodobieństwo zgonu po inokulacji równe jest 30/2124=0,014; prawdopodobieństwo przeżycia: 0,986. Wartości zbliżone są do tego, co otrzymaliśmy wyżej dla roku 1721.

Wśród niezaszczepionych i narażonych na zachorowanie śmiertelność była równa 539/(0,97\cdot 5719)=0,097, prawdopodobieństwo przeżycia choroby równało się 1-0,097=0,903. Oznaczało to, że nie robiąc nic, ma się prawdopodobieństwo przeżycia 0,03+0,97\cdot 0,903=0,906. Należy porównywać to z wartością 0,986 dla zaszczepionych. Inokulacja była więc znacznie lepszą decyzją.

Statystyka z roku 1752 obejmuje jeszcze możliwość ucieczki z miasta. Była to najprostsza metoda unikania chorób epidemicznych i kogo było na nią stać, ten ją stosował. Nie znamy prawdopodobieństwa zachorowania wśród tych, co uciekli. Oznaczmy je przez y. Mamy więc następujące drzewo możliwości.

qc23465.f2

(Rysunek z pracy jw.)

Można zadać pytanie, jakie powinno być y, aby ucieczka była lepszym wyjściem niż pozostanie w Bostonie i poddanie się inokulacji. Prawdopodobieństwo zgonu osoby uciekającej to 0,097y, należy je porównać z prawdopodobieństwem zgonu po inokulacji, równym 0,014. A zatem, jeśli y< 0,144, to ucieczka jest racjonalna. Trudno jest oczywiście oszacować wartość y, zależy ona np. od tego, czy uciekniemy, zanim jeszcze epidemia się rozwinie, czy w jej późniejszej fazie (choroba ma pewien okres inkubacji, możemy więc wyjeżdżając czuć się dobrze mimo zarażenia). W dodatku uciekając, nadal nie mamy odporności na ospę, a w Bostonie w ciągu osiemnastego wieku większe epidemie wystąpiły w latach 1721, 1730, 1752, 1764, 1776, 1778 oraz 1792. Można się było spodziewać, że za kilkanaście lat choroba znów się pojawi.