Życie: przypadkowy zbieg okoliczności, czy prawa fizyki...?

Zrozumienie natury życia jest jednym z najtrudniejszych i jednocześnie ciekawych zagadek dla ludzkości. Z czasem ta zagadka nieuchronnie wyszła poza ramy pytania o to, czy istnieje życie tylko na Ziemi, czy też jest gdzieś indziej we Wszechświecie. Musi czy pojawienie się życia przypadkowe i udanej zbiegiem okoliczności, czy też jest ona tak naturalna dla Wszechświata, jak i uniwersalne prawa fizyki?

Naukowcy od dawna starają się odpowiedzieć na te pytania. Jednym z nich jest Jeremy England, биофизик Massachusetts institute of technology. W 2013 roku wyprowadził hipotezę o tym, że prawa fizyki mogą być wyzwalanie reakcji chemicznych, które pozwoliły proste substancje zorganizować w taki sposób, że w końcu kupili "życiowe" jakości.

W wynikach nowej pracy Ингланда i jego kolegów podkreśla się, że fizyka jest w stanie w naturalny sposób tworzyć procesy самовопроспроизводимых reakcji, co jest jednym z pierwszych kroków do stworzenia "żywego" z "nieożywionych". Innymi słowy, to znaczy, że życie pochodzi bezpośrednio z podstawowych praw natury, co praktycznie wyklucza możliwość hipotezy na temat przypadkowego wystąpienia. Ale to by było zbyt głośno oświadczenie.

Życie powinna była pojawić się z czegoś. Biologia nie istniała zawsze. Ona również pojawiła się w wyniku łańcucha pewnych procesów chemicznych, które doprowadziły do tego, że substancje chemiczne w jakiś sposób organizowano w prebiotyczne połączenia, stworzyli "budowlane cegiełki życia", a następnie zamieniły się w zarazków, które ostatecznie przekształciły się w niesamowity zestaw żywych istot, istniejących dziś na naszej planecie.

Teoria абиогенеза rozważa pojawienie się życia jak pojawienie przyrody z nieożywionej i zdaniem Ингланда, podstawą i kluczem, dzięki któremu nieożywionych związków chemicznych mogą przekształcić się w żywe biologiczne może być termodynamika. Jednak, jak zauważa sam naukowiec, ostatnie badanie nie stawia przed sobą cel w tworzeniu więzi między "życiowymi właściwości" układów fizycznych i procesami biologicznymi.

"Ja bym nie powiedział, że spędziłem pracę, która mogłaby odpowiedzieć na pytanie natury życia jako takiego", — wspólne England w wywiadzie Live Science.

"To, co mnie interesuje, to sam dowód zasada – jakie są wymagania fizyczne dla przejawy u żywe połączeń żywego zachowania".

Samoorganizacja w fizycznych układach

Gdy do systemu jest stosowana energia, prawa fizyki dyktują, jak ta energia będzie się rozpraszać. Jeśli na ten system działa z zewnętrznego źródła ciepła, energia zaczyna wygasać, aż wokół tego systemu nie zapewnia termiczną równowagę. Umieścić filiżankę gorącej kawy na stole i przez czas, to miejsce, gdzie stała filiżanka, będzie ciepły. Jednak niektóre systemy fizyczne mogą być неравновесными, więc przez "samoorganizację" starają się w jak najbardziej efektywny sposób wykorzystać energię z zewnętrznego źródła, w wyniku czego uruchamiane są dość ciekawe, jak wskazuje England, самоподдерживаемые reakcje chemiczne, które uniemożliwiają osiągnięcia równowagi termodynamicznej. To, jak gdyby filiżanka kawy spontanicznie spowodowała reakcję chemiczną, заставляющую utrzymania gorącej tylko mały plac kawy w centrum filiżanki, zapobiegając jej chłodzenia i przejścia w stan równowagi termodynamicznej ze stołem. Naukowiec nazywa taką sytuację "adaptacją do rozpraszania", i ten mechanizm jest właśnie tym, co nadaje zdaniem Ингланда martwe systemy fizyczne właściwości żywych.

Kluczowym zachowanie życia jest możliwość replikowania lub (z biologicznego punktu widzenia) reprodukcje. To podstawa dla każdego życia: zaczyna się jak najprostsza, a następnie репродуцируется, staje się coraz bardziej wymagająca, a następnie ponownie репродуцируется i proces ten powtarza się na nowo. I tak wyszło, że саморепликация też jest bardzo skutecznym sposobem rozpraszania ciepła i zwiększenia entropii wewnątrz tego systemu.

W wynikach badań opublikowanych 18 lipca w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences (Postępowania narodowa akademia nauk) England i współautor pracy Jordan Horowitz opisują sprawdzenie swojej hipotezy. Spędzili kilka symulacji komputerowych zamknięty system (system, który nie wymienia ciepła lub materią ze swoim otoczeniem), zawierającej "zupa" z 25 substancji chemicznych. Mimo, że ich system jest bardzo prosty, to właśnie taki "bulion" najprawdopodobniej mógłby pokrywać powierzchnię starożytnej i martwe Ziemie. Tak oto okazało się, że jeśli te substancje chemiczne są razem i na nich się okazuje wpływ ciepła z zewnętrznego źródła (np. гидротермальной studni), to te substancje należy w jakiś sposób rozproszyć ciepło to zgodnie z drugim prawem termodynamiki, która mówi o tym, że ciepło musi być odprowadzone i entropia układu w tym momencie będzie nieuchronnie wzrastać.

Podczas tworzenia pewnych pierwotnych warunków naukowiec odkrył, że te substancje chemiczne mogą zoptymalizować oddziaływania na system energii poprzez samoorganizacji i kolejnych aktywnych reakcji dla саморепликации. Te substancje chemiczne w naturalny sposób samodzielnie przystosowane do zmienionych warunków. Tworzone przez samo ich reakcje też produkowali ciepło, co odpowiada drugiemu prawu termodynamiki.Entropia w układzie zawsze będzie się zwiększać i substancje chemiczne będą kontynuować samoorganizacji i demonstrować życiowe zachowanie w postaci replikowania.

"W rzeczywistości system najpierw próbuje wiele rozwiązań na małą skalę i gdy jeden z nich zaczyna wykazywać pozytywny wynik, to organizacja całego systemu i dostosowanie pod to rozwiązanie nie zajmuje dużo czasu", — wspólne England w wywiadzie Live Science.

Prosty model biologia wygląda w następujący sposób: cząsteczkowa energia spala się w komórkach, które ze swej natury są poza równowagi i sterują procesami metabolicznymi, podtrzymującymi życie. Ale jak wskazuje England, między wykrytymi życiowymi właściwościami i zachowaniem w wirtualnym chemicznej zupie i życie istnieje duża różnica.

Zgadza się Z tym Sarah Imari Walker, fizyk-teoretyk i astrobiolog Аризонского uniwersytetu, nie podejmująca udziału w omawianych dzisiaj badaniach.

Istnieją dwa sposoby, które należy przejść, aby spróbować połączyć biologię i fizykę. Jeden polega na zrozumieniu tego, jak można uzyskać życiowe jakości od prostych układów fizycznych. Drugi zaś polega na zrozumieniu tego, jak fizyka jest w stanie stworzyć życie. Należy rozwiązać oba te warunki, aby naprawdę zrozumieć, jakie właściwości są naprawdę unikalne dla życia jako takiego i jakie właściwości i cechy charakterystyczne dla rzeczy, które można przyjąć za żywe systemu, na przykład, prebiotyki", — skomentowała Imari Walker Live Science.

Powstanie życia poza ziemią

Zanim zaczniemy odpowiadać na pytanie o to, czy te proste systemy fizyczne wpłynąć na pojawienie się życia gdzie indziej we Wszechświecie, najpierw lepiej zorientować się w tym, gdzie takie systemy mogą istnieć na Ziemi.

"Jeśli pod słowem "życie" masz na myśli coś, co jest takie samo wrażenie, jak powiedzmy bakterie lub jakakolwiek inna forma z polimerazami (białka, łączącymi DNA i RNA) i DNA, to moja praca nie mówi o tym, jak może być łatwo lub trudno jest stworzyć coś tak skomplikowanego, więc nie chciałbym wcześniej czasu próbować budować hipotezy o tym, jak mamy znaleźć coś podobnego gdzie by to nie było jeszcze we Wszechświecie, oprócz Ziemi", — mówi England.

To badanie nie określa w jaki sposób biologia pochodzi z небиологических systemów, to tylko ukierunkowana na wyjaśnienie niektórych złożonych procesów chemicznych, dzięki którym następuje samoorganizacja substancji chemicznych. Przeprowadzone komputerowe symulacje nie uwzględniają innych życiowych właściwości, takich jak adaptacja do środowiska lub reakcję na bodźce zewnętrzne. Poza tym, to термодинамическое badanie zamkniętego układu nie uwzględnia się rola migracji zgromadzonej informacji-podkreśla Michael Лэссинг, fizyk-statystyki, zajmujący się również ilościowej biologii w uniwersytecie w Kolonii.

"Ta praca na pewno pokazuje niesamowity wynik interakcji неравновесных chemicznych sieci, ale jesteśmy jeszcze daleko od tego, kiedy fizyka w stanie wyjaśnić naturę życia, w którym jedne z głównych ról są wyznaczone reprodukcji i przenoszenia informacji", — wypowiadał się Лэссинг Live Science.

Rola informacji i jej przesyłania w żywych systemach jest bardzo ważna, zgadza się Imari Walker. Jej zdaniem, obecność naturalnej samoorganizacji występująca w "zupie" z substancji chemicznych nie musi oznaczać, że to jest żywa organizacja.

"uważam, że istnieje wiele pośrednich etapów, które musimy przejść, aby przejść od prostej kolejności do stworzenia w pełni funkcjonalny informacyjnej architekturze jak u żywych komórek, co wymaga coś w rodzaju pamięci lub dziedziczenia. Z pewnością możemy uzyskać porządek w fizyce i неравновесных operacyjnych, ale to nie oznacza, że w ten sposób otrzymamy życie", — zauważa Imari Walker.

Eksperci w ogóle uważają, że mówienie o tym, że praca Ингланда jest "przekonujące dowody" natury życia prawdopodobnie będzie przedwcześnie, ponieważ istnieje wiele innych hipotez, próbujących opisać to, jak życie mogło powstać praktycznie z niczego. Ale ona na pewno jest świeże spojrzenie na to, jak systemy fizyczne zdolne do samoorganizacji w naturze. Teraz, kiedy naukowcy mają ogólne pojęcie o tym, jak zachowuje się ta kaloria system, być może następnym krokiem będzie próba określenia wystarczającą ilość неравновесных układów fizycznych, pojawiających się na Ziemi, mówi England.