Bez niej albatrosom nie przydałby się wiatr, a korzenie roślin nie wiedziałyby, w którą stronę rosnąć. Z jej powodu szyje żyraf wypełnia gąszcz naczyń krwionośnych. To grawitacja ukształtowała życie na Ziemi, na spółkę z ewolucją oczywiście.
Wbrew powszechnym skojarzeniom słowo „teoria” nie oznacza w nauce bardziej lub mniej abstrakcyjnych dywagacji, określa spójny system tłumaczenia obserwowanych zjawisk. W tym sensie teoria ewolucji to po prostu najlepsze wyjaśnienie całej znanej nam różnorodności przyrody ożywionej, jakie mamy. Jeżeli znajdzie się teoria, która wytłumaczy to jeszcze lepiej, nauka chętnie ją przyjmie. Ale na razie się na to nie zanosi.
Z teorią grawitacji jest podobnie, choć siłę ciążenia łatwiej obserwować na co dzień i na pewno już przed Newtonem ludzie zauważyli, że rzeczy spadają na ziemię nawet wtedy, gdy wcale tego nie chcemy. Zresztą tak naprawdę o przyciąganiu się wszystkich obiektów wcześniej (w roku 1674) wspominał Robert Hooke, ale to dopiero Newton opisał grawitację z matematyczną precyzją w roku 1687.
Teoria ta wciąż jest intensywnie badana, skądinąd nie tylko przez ludzi. Ktokolwiek z nas miał szczęście żyć z kotami, z pewnością wie, że rzesze kudłatych naukowców nieustannie pracują nad ustaleniem, czy spodeczek stłucze się równie atrakcyjnie co ten dzbanuszek przed chwilą. A nauka, jak wiadomo, wymaga powtórzeń, stąd ich kolejne doświadczenia.
Prześcieradła w kosmosie
Ulubiony geniusz zbiorowej wyobraźni, Albert Einstein, nazywał grawitację zakrzywieniem przestrzeni wokół obiektów. Najłatwiej to sobie wyobrazić, jeśli pomyślimy o rozciągniętym prześcieradle (to jest ta nasza przestrzeń), na którego środku leży spory kamień, dookoła zaś pełno mniejszych. Oczywiście nasze prześcieradło będzie się lekko uginać wokół dużego kamienia, a kamyki leżące w pobliżu zaczną się turlać w stronę powstałego lejka. Jeśli jednak jakiś kamyk znajdzie się wystarczająco daleko, gdzieś przy brzegu prześcieradła, może się tak całkiem nie stoczyć, bo przestrzeń wokół niego nie będzie za bardzo zagięta. Tak to mniej więcej działa, bo siła grawitacji faktycznie słabnie wraz z odległością.
Moglibyśmy też spróbować poturlać jakiś okrągły kamyczek nie w kierunku lejka, ale prostopadle do linii, którą razem wyznaczają. Gdyby nie tracił prędkości wskutek oporu, to można sobie wyobrazić, że toczy się w kółko, bez końca okrążając lejek.
Tylko dzięki grawitacji żyjemy, bo to ona sprawia, że Ziemia wędruje wokół Słońca po swojej orbicie, zamiast chaotycznie tłuc się po całym wszechświecie, którego znakomita większość nie nadaje się do życia. Z kolei wokół Ziemi, dzięki jej grawitacji, krąży Księżyc – jego przyciąganie sprawia zaś, że nasze morza i oceany wznoszą się lub opadają w odwiecznym rytmie codziennych przypływów i odpływów. Akurat na Bałtyku tych zmian praktycznie nie widać, bo jest dosyć płytki i izolowany, ale w niektórych miejscach świata takie dobowe różnice czasem mogą sięgać nawet kilkunastu metrów. Niektórzy twierdzą, że to właśnie w strefach pływów, gdzie na przemian jest woda i jej nie ma, narodziło się ziemskie życie. Te pływy były zresztą kiedyś silniejsze, bo i Księżyc znajdował się dawniej bliżej Ziemi – nasz naturalny satelita wymyka się ziemskiej grawitacji w tempie 3,78 cm na rok.
Grawitacja, jak zauważył wspomniany już Einstein, działa nawet na światło. To dlatego czarne dziury są czarne – ich grawitacja jest tak silna, że nie wypuszczają one niczego ze swojego wnętrza, również światła. Grawitacji zawdzięczamy wreszcie jedną z najpiękniejszych wizji z tego niezwykłego obszaru, gdzie fizyka teoretyczna miesza się z poezją. W pewnej odległości czarną dziurę otacza cienka sfera, spoza której żadna informacja na zewnątrz nie jest w stanie się wydostać. Ta sfera to horyzont zdarzeń. Kiedyś chciałem tak nazwać moją wymarzoną knajpę, ale pewnie nigdy nie otworzę knajpy, więc możesz skorzystać z tego pomysłu, Czytelniku – będę częstym gościem.
Przyziemnie o grawitacji
Tak jak w przypadku innych naukowych zagadnień już Arystoteles zastanawiał się, jak to jest z tym spadaniem. Uznał, że wszystko, co istnieje, dąży do środka wszechświata, a skoro rzeczy lecą w dół, to środek wszechświata musi być gdzieś pod naszymi stopami. Łatwo sobie wyobrazić, że geocentryczny model wszechświata był naturalną konsekwencją takiego przekonania, podobnie jak wnioski o kulistości Ziemi. Czyli na drugiej półkuli ludzie nie spadaliby w kosmos, tak samo jak my nie spadamy. I w sumie właśnie tak jest z grawitacją, tylko nie chodzi o żaden tajemniczy środek wszechświata, do którego wszystko dąży, lecz o przyciąganie wszystkich jego elementów. Arystoteles uważał przy tym, że cięższe obiekty spadają na ziemię szybciej niż lżejsze, i dopiero Galileusz udowodnił, że tak nie jest oraz że ta prędkość w miarę spadania ciągle rośnie.
Jeśli jednak akurat nie spadamy, grawitacja i tak działa na nas bez przerwy, podobnie jak na wszystkie inne elementy przyrody ożywionej i nieożywionej, a także wszystkie elementy wewnątrz nas wszystkich. To dlatego żyrafa potrzebuje wyjątkowych rozwiązań w swoim układzie krwionośnym. Jej ważące 11 kg serce pod wielkim ciśnieniem (dwukrotnie większym niż u ludzi) wyrzuca krew do oddalonej o 2 do prawie 3 m głowy. Tętnica, która tam prowadzi, musi być więc wyjątkowo szeroka, a na dodatek zaopatrzona w zastawki, dzięki którym krew może się poruszać wbrew grawitacji. Żyrafy dorastają do niemal 6 m i są najwyższymi ze wszystkich żyjących dziś ssaków lądowych (choć nie umiałbym odpowiedzieć na pytanie o to, jak wysoki jest wieloryb), gdyż jej nogi są równie długie co szyja. Do jedzenia nie muszą się schylać, bo żerują wśród gałęzi drzew, ale nawet żyrafa czasem musi się napić, a wtedy jej głowa nagle obniża się o kilka metrów. W szyi żyrafy znajduje się tzw. sieć dziwna (łac. rete mirabile), czyli niezwykła plątanina naczyń krwionośnych – to ona zapobiega gwałtownemu napływowi krwi do mózgu i wylewom. Tętnice i żyły rozgałęziają się w naczynia włosowate, a następnie łączą się w to samo naczynie, z którego powstały. Dzięki nim krew, która przy pochyleniu głowy spływa w dół, meandruje, spowalnia i nie zagraża mózgowi. Na dodatek tuż nad kopytami żyrafa ma długie „skarpety uciskowe”, czyli bardzo ciasną skórę, która zapobiega obrzękom powstałym w wyniku spływania krwi i płynów tkankowych. Gdyby nie grawitacja, żadne z tych przystosowań nie byłoby konieczne, choć jak już wspomniałem, bez grawitacji samej żyrafy też by nie było.
Z grawitacją musi sobie poradzić każda istota na Ziemi. Nawet jeśli nie chcesz nigdzie chodzić albo latać, tylko swoje życie spędzasz w jednym miejscu, niczym grzyb, roślina albo jakiś ukwiał, to i tak musisz mieć w ciele struktury, które sprawią, że nie rozpłaszczysz się jak naleśnik. W wodzie nie dla wszystkich stworzeń jest to problem, bo można grawitację zrównoważyć pływalnością – dlatego niektóre wodorosty osiągają nawet kilkanaście metrów wysokości i tworzą prawdziwe podwodne lasy, choć nie mają żadnych sztywnych tkanek. Wodorosty, czyli glony, w ogóle zresztą nie mają tkanek, tylko trochę zróżnicowaną plechę.
Organizmy lądowe stoją przed większym wyzwaniem. Jeśli jesteś rośliną, do pionu stawiają cię ściany komórkowe zbudowane z celulozy, u większych gatunków zdrewniałe. Grzyby i stawonogi usztywnia chityna. Jeśli jednak chcesz zwiedzać świat, to o ile nie jesteś wężem lub ślimakiem, potrzebne ci są nogi. Jak łatwo sobie wyobrazić, masa organizmów wzrasta w stosunku sześciennym, bo zależna jest od objętości ich ciała. Jednak siła mięśni i wytrzymałość kości związane są z grubością ich przekroju mierzoną w jednostkach kwadratowych. Czyli im większe z ciebie zwierzę, tym proporcjonalnie grubszych nóg potrzebujesz. Słoń nie mógłby mieć proporcji ratlerka, bo nogi nie byłyby w stanie utrzymać jego ciężaru. Niestety oznacza to, że wyniosłe, gigantyczne słonie na pajęczych nogach mogą istnieć tylko na obrazach Salvadora Dalego. Nogi zaś nie mogą się pogrubiać w nieskończoność, bo w pewnym momencie nie dałoby się nimi ruszać – najzwyczajniej nie mieściłyby się pod brzuchem użytkownika. Dlatego największe dinozaury wprawdzie mogły chodzić (choć uważa się, że większość czasu spędzały na mokradłach, wspomagane wypornością wody), ale pobrykać sobie już, biedactwa, nie mogły. A jeszcze większe po prostu by nie mogły istnieć, chyba że zamiast kości miałyby szkielety z tytanu. Tylko wtedy byłyby jeszcze cięższe, więc problemu by to nie rozwiązało.
Biegnący albatros
Jeśli chcesz latać, grawitacja ograniczy twój wzrost jeszcze bardziej. Im skrzydła są większe, tym cięższe – i w którymś momencie muszą się okazać zbyt ciężkie. Jednocześnie masz kłopot z możliwą siłą mięśni i wytrzymałością kości. Największe latające ptaki, albatrosy, są świetnymi szybownikami, lecz do wzbicia się w powietrze nie wystarczy im zwykły podskok. Na lądzie rozpędzają się, biegnąc (mają bardzo silne nogi), a startując z wody, najczęściej wykorzystują odpowiedni wiatr, dlatego też żyją w najbardziej wietrznych częściach naszej planety. Ale nawet albatros wędrowny, z rekordową rozpiętością skrzydeł wynoszącą 3,7 m, waży tylko około 7 kg.
Największe latające zwierzęta w dziejach, czyli pterozaury, takie jak Quetzalcoatlus northropi i Cryodrakon boreas (nazwa tego drugiego dosłownie oznacza „lodowy smok z północy”, a został on opisany w roku 2019, więc można zgadywać, że jego odkrywcy lubią pewną popularną serię fantasy), miały skrzydła o rozpiętości 10–11 m i ważyły jakieś 200–250 kg. Dopiero niedawno udało się ustalić, że pterozaury dosłownie wystrzeliwały się w powietrze za pomocą specjalnej katapulty ukrytej w nogach, wypełnionych nie tylko potężnymi mięśniami i sprężystymi ścięgnami, lecz także zwalnianymi nagle zaczepami. Zgodnie z dostępną nam wiedzą większe od nich zwierzęta po prostu latać by nie mogły. Jednocześnie musimy pamiętać, że według jednego z popularnych mitów trzmiele też nie powinny latać, bo powierzchnia ich skrzydeł jest za mała, żeby unieść pulchne ciałka. To jednak bzdura – naukowcy wiedzą bowiem, że trzmiel szybkimi ruchami skrzydeł generuje miniaturowe tornada, które go unoszą, dlatego nie można porównywać go z samolotem, ale nie zmienia to faktu, że przyroda nieraz już nas zaskoczyła i dlatego tak fajnie jest ją badać.
Toteż gdybym przybył na Ziemię z kosmosu, nie mając pojęcia, kogo tu spotkam, ale rozumiejąc teorię grawitacji (w przeciwnym razie nie udałoby mi się raczej latać między planetami), największych zwierząt szukałbym w wodzie. I słusznie. Wszyscy wiemy, że największym zwierzęciem wszech czasów jest płetwal błękitny. Najdłuższa samica, zabita w roku 1909 w wodach Antarktyki, mierzyła 33,58 m. Najcięższa, zabita w tej samej okolicy w roku 1947, ważyła 190 ton, czyli tyle, ile 2,5 tys. ludzi. Najprostsza odpowiedź na pytanie, dlaczego wieloryby są takie ogromne, brzmi: bo mogą. Nie ogranicza ich grawitacja, a jednocześnie mają w bród pożywienia, potężne rozmiary zaś nie tylko ratują je przed drapieżnikami, ale także ułatwiają utrzymanie stałej temperatury. Jednak to droga bez powrotu – wieloryby, które zostają wyrzucone na ląd, nie umierają z braku tlenu czy na skutek wyschnięcia. Duszą się i łamią pod własnym ciężarem, bo grawitacja srogo karze zbiegłych niewolników.
Kryształki w uchu
Ziemia i jej grawitacja wyznaczają kluczową dla życia oś: nie tylko zwierzęta orientują się, gdzie jest góra, a gdzie dół. Jak to opisuje w Zmysłowym życiu roślin Daniel Chamovitz, w 1758 r. Henri-Louis Duhamel du Monceau, francuski lekarz, inżynier i botanik, zauważył, że jeśli odwrócimy siewkę do góry korzeniem, to rozwijająca się roślina po jakimś czasie tak zmieni kierunek wzrostu, że znowu korzeń wygnie się do dołu, a pęd do góry. Więc wie! Pół wieku później nieco dokładniej zbadał to Thomas Andrew Knight, mocując siewki fasoli do poziomo ustawionej tarczy drewnianej, wirującej przez kilka dni z prędkością 150 obrotów na minutę. Zniwelował w ten sposób siłę grawitacji, zapewniając roślinom siłę odśrodkową – i faktycznie korzenie siewek zaczęły rosnąć na zewnątrz tarczy, a pędy ku jej środkowi.
Kolejne pół wieku później niezawodny Karol Darwin wraz z synem Francisem ustalili, że receptory grawitacji mieszczą się w samej końcówce korzenia, czyli w części nazywanej jego czapeczką (korzenia, nie Darwina). Naukowcy umieszczali kiełki różnych roślin w poziomie, a następnie usuwali lub niszczyli ową czapeczkę, przez co korzenie nadal rosły, ale poziomo, nie zakręcając ku ziemi. Co ciekawe, taki efekt uzyskiwano wyłącznie wtedy, gdy korzeń został uszkodzony tuż po położeniu sadzonek. Jeśli stało się to 19 minut później (nie wiem, dlaczego akurat tyle), uszkodzone korzenie rosły jak należy – w dół.
Jednak o tym, skąd rośliny wiedzą, gdzie góra, a gdzie dół, dowiedzieliśmy się dopiero niedawno, wraz z rozwojem technik molekularnych i pierwszymi lotami w kosmos. W komórkach czapeczki korzenia wykryto drobne, kuliste twory zwane statolitami, które opadają ku dołowi. Jeśli w warunkach sztucznej grawitacji statolity dążą na prawo, to tam dąży korzeń, jeśli na lewo – korzeń również rośnie w lewą stronę. A w warunkach nieważkości, gdy statolity swobodnie unoszą się w komórce, korzenie nie mają pojęcia, którędy rosnąć, i rosną wszędzie.
U ludzi tę samą rolę odgrywa błędnik – wypełnione płynem pętle ucha wewnętrznego i pływające w nim otolity, czyli drobne kryształki. Pętle błędnika wyginają się w trzech płaszczyznach i wyściełane są komórkami wrażliwymi na dotyk. Płyn i otolity poddają się grawitacji i dzięki temu dokładnie wiemy, w jakim położeniu znajduje się nasze ciało, a przynajmniej głowa. To dlatego, kiedy bujamy się na huśtawce lub na morskich falach albo kiedy siła odśrodkowa karuzeli zaburza działanie grawitacji, co wrażliwsi z nas mają zawroty głowy. Płyn z otolitami jest nie tam, gdzie powinien być.
Zarówno dla zwierząt, jak i roślin życie z grawitacją to ciężka sprawa. Ale bez niej w ogóle nie byłoby ani o czym, ani komu mówić.
Czytaj również:
