Zrozumienie natury życia jest jedną z najtrudniejszych, a jednocześnie interesujących tajemnic ludzkości. Z biegiem czasu ta tajemnica nieuchronnie wykraczała poza kwestię, czy życie istnieje tylko na Ziemi, czy też gdzieś indziej we wszechświecie. Czy pojawienie się życia jest wynikiem przypadkowego i szczęśliwego zbiegów okoliczności, czy jest to tak samo naturalne dla wszechświata, jak uniwersalne prawa fizyki?
Naukowcy od dawna próbują odpowiedzieć na te pytania. Jednym z nich jest Jeremy England, biofizyk z Massachusetts Institute of Technology. W 2013 roku postawił hipotezę, że prawa fizyki mogą wywoływać reakcje chemiczne, które pozwalają prostym substancjom organizować się w taki sposób, że ostatecznie uzyskują właściwości „życia”.
W wynikach nowej pracy Anglii i jego współpracowników zauważono, że fizyka jest w stanie w naturalny sposób tworzyć procesy samoodtwarzających się reakcji, co jest jednym z pierwszych kroków w kierunku stworzenia „żywego” z „nieożywionego”. Innymi słowy, oznacza to, że życie wywodzi się bezpośrednio z podstawowych praw przyrody, co praktycznie wyklucza możliwość hipotezy o przypadkowym wystąpieniu. Ale to byłoby zbyt głośne stwierdzenie.
Życie musiało z czegoś powstać. Biologia nie zawsze istniała. To również pojawiło się w wyniku łańcucha pewnych procesów chemicznych, które doprowadziły do tego, że związki chemiczne w jakiś sposób zorganizowane w związki prebiotyczne stworzyły „cegiełki życia”, a następnie przekształciły się w mikroby, które ostatecznie przekształciły się w niesamowitą kolekcję żywych istot. istniejące na naszej planecie dzisiaj.
Teoria abiogenezy traktuje powstanie życia jako wyłanianie się natury żywej z nieożywionej, a według Anglii termodynamika może być podstawą i kluczem, dzięki któremu nieożywione związki chemiczne mogą przekształcić się w żywe biologiczne. Jednak, jak zauważa sam naukowiec, najnowsze badania nie mają na celu stworzenia związku między „żywotnymi właściwościami” układów fizycznych a procesami biologicznymi.
„Nie powiedziałbym, że wykonałem pracę, która mogłaby odpowiedzieć na pytanie o samą naturę życia jako takiego” - powiedział Anglia w wywiadzie dla Live Science.
„Zainteresował mnie sam dowód na zasadę - jakie są fizyczne wymagania dla przejawiania się zachowań żywych w związkach nieożywionych”.
Film promocyjny:
Samoorganizacja w systemach fizycznych
Kiedy energia jest stosowana do systemu, prawa fizyki dyktują, w jaki sposób ta energia zostanie rozproszona. Jeśli na ten system wpływa zewnętrzne źródło ciepła, wówczas energia zaczyna się rozpraszać, aż do zorganizowania równowagi termicznej wokół tego systemu. Postaw filiżankę gorącej kawy na stole, a po chwili miejsce, w którym stała filiżanka, nagrzeje się. Jednak niektóre układy fizyczne mogą być nierównowagowe, dlatego też poprzez „samoorganizację” starają się jak najefektywniej wykorzystać energię źródła zewnętrznego, w wyniku czego dość ciekawe, jak zaznacza Anglia, uruchamiane są samopodtrzymujące się reakcje chemiczne uniemożliwiające osiągnięcie równowagi termodynamicznej. To tak, jakby filiżanka kawy spontanicznie wywołała reakcję chemiczną, powodując, że tylko niewielki obszar kawy w środku filiżanki jest gorący,zapobieganie jego wychłodzeniu i przejściu do stanu równowagi termodynamicznej ze stołem. Naukowiec nazywa taką sytuację „przystosowaniem do rozproszenia”, a właśnie ten mechanizm, zdaniem Anglii, nadaje nieożywionym systemom fizycznym właściwości ożywione.
Kluczowym zachowaniem życiowym jest możliwość reprodukcji własnej lub (z biologicznego punktu widzenia) reprodukcji. To podstawa każdego życia: czyta się je jako najprostsze, potem jest reprodukowane, staje się coraz bardziej złożone, potem jest reprodukowane na nowo i ten proces się powtarza. Tak się składa, że samoreplikacja jest również bardzo skutecznym sposobem rozpraszania ciepła i zwiększania entropii w tym układzie.
W wynikach badań, opublikowanych 18 lipca w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences w Anglii, i współautor Jordan Horowitz opisują testowanie swojej hipotezy. Przeprowadzili kilka symulacji komputerowych systemu zamkniętego (systemu, który nie wymienia ciepła ani materii z otoczeniem) zawierającego „zupę” 25 chemikaliów. Pomimo tego, że ich system był bardzo prosty, jest to taka „zupa”, która najprawdopodobniej mogła kiedyś pokryć powierzchnię starożytnej i pozbawionej życia Ziemi. Okazało się więc, że jeśli te chemikalia zostaną znalezione razem i zostaną poddane działaniu ciepła z zewnętrznego źródła (na przykład studni hydrotermalnej), wówczas substancje te będą musiały jakoś rozproszyć to ciepło zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, która mówiże ciepło powinno się rozproszyć, a entropia układu w tym momencie nieuchronnie wzrośnie.
Tworząc określone warunki początkowe, naukowiec odkrył, że te substancje chemiczne mogą optymalizować wpływ na system energetyczny poprzez samoorganizację i późniejsze aktywne reakcje samoreplikacji. Te chemikalia naturalnie dostosowują się do zmienionych warunków. Reakcje, które wywołali, wytwarzały również ciepło, co odpowiada drugiej zasadzie termodynamiki. Entropia w systemie zawsze będzie wzrastać, a chemikalia będą nadal samoorganizować się i wykazywać zachowania życiowe w postaci samoreprodukcji.
„Tak naprawdę system najpierw próbuje wielu rozwiązań na małą skalę, a kiedy jedno z nich zaczyna przynosić pozytywny wynik, to uporządkowanie całego systemu i dostosowanie się do tego rozwiązania nie zajmuje dużo czasu” - powiedział Anglia w rozmowie z Live Science.
Prosty model biologii wygląda następująco: energia molekularna jest spalana w komórkach, które są z natury niezrównoważone i kontrolują procesy metaboliczne podtrzymujące życie. Ale jak wskazuje Anglia, istnieje duża różnica między odkrytymi właściwościami życiowymi i zachowaniem wirtualnej zupy chemicznej a samym życiem.
Zgadza się z tym Sarah Imari Walker, fizyk teoretyczny i astrobiolog z University of Arizona, który nie był zaangażowany w omawiane dziś badania.
„Istnieją dwie ścieżki, które należy obrać, aby spróbować połączyć biologię i fizykę. Jednym z nich jest zrozumienie, w jaki sposób cechy życia można uzyskać z prostych systemów fizycznych. Drugim jest zrozumienie, w jaki sposób fizyka może stworzyć życie. Aby naprawdę zrozumieć, które właściwości są naprawdę unikalne dla życia jako takiego, a także jakie właściwości i cechy są charakterystyczne dla rzeczy, które można pomylić z żywymi systemami, na przykład prebiotykami, należy wziąć pod uwagę oba te warunki”- skomentowała Imari Walker dla Live Science.
Pojawienie się życia poza Ziemią
Zanim zaczniemy odpowiadać na ważne pytanie, czy te proste układy fizyczne mogą wpłynąć na pojawienie się życia w innym miejscu we Wszechświecie, musimy najpierw lepiej zrozumieć, gdzie takie systemy mogą istnieć na Ziemi.
„Jeśli przez życie masz na myśli coś tak imponującego, jak, powiedzmy, bakterie lub jakakolwiek inna forma z polimerazami (białkami łączącymi DNA i RNA) i DNA, to moja praca nie dotyczy tego, jakie to łatwe lub trudne. żeby stworzyć coś tak złożonego, że nie chciałbym przedwcześnie zakładać, czy znajdziemy coś podobnego gdziekolwiek indziej we wszechświecie, z wyjątkiem Ziemi”- mówi Anglia.
Niniejsze badanie nie definiuje, w jaki sposób biologia wyłoniła się z systemów niebiologicznych, ma jedynie na celu wyjaśnienie niektórych złożonych procesów chemicznych, poprzez które zachodzi samoorganizacja chemikaliów. Przeprowadzane symulacje komputerowe nie uwzględniają innych właściwości życiowych, takich jak adaptacja do środowiska czy reakcja na bodźce zewnętrzne. Ponadto to badanie termodynamiczne układu zamkniętego nie bierze pod uwagę roli przekazywania zgromadzonych informacji, zauważa Michael Lassing, fizyk-statystyk, który pracuje również w biologii ilościowej na Uniwersytecie w Kolonii.
„Ta praca z pewnością pokazuje zdumiewające rezultaty interakcji nierównowagowych sieci chemicznych, ale wciąż jesteśmy daleko od momentu, gdy fizyka może wyjaśnić naturę życia, w którym jedną z kluczowych ról przypisuje się odtwarzaniu i przekazywaniu informacji” - skomentował Lassing dla Live Science.
Imari Walker zgadza się, że rola informacji i jej transportu w żywych systemach jest bardzo ważna. Jej zdaniem obecność naturalnej samoorganizacji obecna w „zupie” chemikaliów nie musi oznaczać, że jest to żywa organizacja.
„Uważam, że istnieje wiele etapów pośrednich, przez które musimy przejść, aby przejść od prostego zamawiania do stworzenia w pełni funkcjonalnej architektury informacji, takiej jak żywe komórki, która wymaga czegoś w rodzaju pamięci lub dziedziczenia. Z pewnością możemy uzyskać porządek w fizyce i układach nierównowagowych, ale nie oznacza to, że w ten sposób otrzymujemy życie”- mówi Imari Walker.
Eksperci na ogół uważają, że byłoby przedwczesne twierdzenie, że praca Anglii jest „ostatecznym dowodem” natury życia, ponieważ istnieje wiele innych hipotez próbujących opisać, jak życie mogło powstać z niczego. Ale to zdecydowanie świeże spojrzenie na to, jak systemy fizyczne są w stanie samoorganizować się w przyrodzie. Teraz, gdy naukowcy mają podstawową wiedzę na temat zachowania tego układu termodynamicznego, być może następnym krokiem będzie próba zidentyfikowania wystarczającej liczby nierównowagowych układów fizycznych pojawiających się na Ziemi, mówi Anglia.