Життя: випадковий збіг обставин або закон... фізики?

Розуміння природи життя є однією з найскладніших і водночас цікавих загадок для людства. З часом ця загадка неминуче вийшла за рамки питання про те, чи існує життя на Землі, або ж вона є десь ще у Всесвіті. Чи зобов'язане поява життя випадковим і вдалому збігу обставин, або ж вона настільки ж природна для Всесвіту, як і універсальні закони фізики?

Вчені давно намагаються відповісти на ці питання. Одним з них є Джеремі Інгланд, біофізик Массачусетського технологічного інституту. У 2013 році він вивів гіпотезу про те, що закони фізики могли стати тригером хімічних реакцій, що дозволили простим речовин організуватися таким чином, що вони в кінцевому підсумку набули «життєві» якості.

результати нової роботи Інгланда і його колег зазначається, що фізика здатна природним чином створювати процеси самовопроспроизводимых реакцій, що є одним з перших кроків до створення «живого» з «неживого». Іншими словами, це означає, що життя безпосередньо відбувається з фундаментальних законів природи, що фактично виключає можливість гіпотези про випадкове виникнення. Але це було б занадто гучною заявою.

Життя повинна була з'явитися чогось. Біологія існувала не завжди. Вона також з'явилася в результаті ланцюжка певних хімічних процесів, які призвели до того, що хімічні речовини якимось чином організувалися в пребіотичні з'єднання, створили «будівельні цеглинки життя», а потім перетворилися в мікробів, які в кінцевому підсумку розвинулися в дивовижний набір живих істот, існуючих сьогодні на нашій планеті.

Теорія абиогенеза розглядає виникнення життя як поява живої природи з неживою і на думку Інгланда, основою і ключем, завдяки якому неживі хімічні сполуки могли перетворитися на живі біологічні може бути термодинаміка. Однак, як зазначає сам учений, останні дослідження не ставить перед собою мету в створенні зв'язку між «життєвими властивості фізичних систем і біологічними процесами.

«Я б не сказав, що я провів роботу, яка могла б відповісти на питання самої природи життя як такого», — поділився Інгланд в інтерв'ю Live Science.

«Те, що мене цікавило, так це саме доказ принципу – які фізичні вимоги для прояви у неживих сполук живого поведінки».

Самоорганізація у фізичних системах

Коли до системи застосовується енергія, закони фізики диктують, як ця енергія буде розсіюватися. Якщо на цю систему впливає зовнішнє джерело тепла, то енергія починає розсіюватися до тих пір, поки навколо цієї системи не організовується теплове рівновагу. Поставте гарячу чашку кави на стіл і через час місце, де стояла чашка, стане теплим. Однак деякі фізичні системи можуть бути нерівноважними, тому через «самоорганізацію» вони намагаються найбільш ефективним чином задіяти енергію зовнішнього джерела, в результаті чого запускаються досить цікаві, як вказує Інгланд, самоподдерживаемые хімічні реакції, що перешкоджають досягненню термодинамічної рівноваги. Це, як якщо б чашка кави спонтанно спровокувала хімічну реакцію, що змушує підтримувати гарячої тільки крихітну площа кави в центрі чашки, запобігаючи її охолодження і переходу в стан термодинамічної рівноваги із столом. Вчений називає таку ситуацію «адаптацією до дисипації», і цей механізм є саме тим, що наділяє на думку Інгланда неживі фізичні системи живими властивостями.

Ключовим поведінкою життя є можливість самовідтворення або (з біологічної точки зору) репродукції. Це основа для будь-життя: начитається як найпростіша, потім репродукується, стає все більш і більш складною, потім знову репродукується і цей процес повторюється знову і знову. І так вийшло, що саморепликация теж є дуже ефективним способом розсіювання тепла і підвищення ентропії всередині цієї системи.

В результатах дослідження, опублікованих 18 липня в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences (Праці Національної академії наук) Інгланд і співавтор роботи Джордан Хоровіц описують перевірку своєї гіпотези. Вони провели кілька комп'ютерних симуляцій закритої системи (системи, яка не обмінюється теплом або матерією зі своїм оточенням), містить «суп» з 25 хімічних речовин. Незважаючи на те, що їх система була досить простий, саме подібний «бульйон» швидше за все коли-то міг покривати поверхню давньої і млявої Землі. Так от виявилося, що якщо ці хімічні речовини знаходяться разом і на них виявляється вплив тепла із зовнішнього джерела (наприклад, гідротермальної свердловини), то цих речовин потрібно якимось чином розсіювати тепло відповідно до другого закону термодинаміки, який говорить про те, що тепло повинно розсіюватися і ентропія системи в цей момент буде неминуче зростати.

При створенні певних початкових умов учений виявив, що ці хімічні речовини можуть оптимізувати вплив, який чиниться на систему енергії шляхом самоорганізації та подальших активних реакцій для самореплікації. Ці хімічні речовини природним чином самостійно підлаштувалися під змінені умови. Створювані ними реакції теж виробляли тепло, що відповідає другому закону термодинаміки.Ентропія в системі завжди буде підвищуватися і хімічні речовини так само будуть продовжувати самоорганізовуватися і демонструвати життєве поведінка у вигляді самовідтворення.

«По суті система спочатку пробує безліч рішень малого масштабу і коли одна з них починає показувати позитивний результат, то організація вже всієї системи і підстроювання під це рішення не займає багато часу», — поділився Інгланд в інтерв'ю Live Science.

Проста модель біології виглядає наступним чином: молекулярна енергія згорає в клітинах, які за своєю природою знаходяться поза рівноваги і керують метаболічними процесами, що підтримують життя. Але як вказує Інгланд, між виявленими життєвими властивостями і поведінкою у віртуальному хімічному супі і самим життям існує велика різниця.

З цим погоджується Сара Імарі Уокер, фізик-теоретик і астробіолог Арізонського університету, яка не брала участі в обговорюваних сьогодні дослідженнях.

«Є два шляхи, які необхідно пройти, щоб спробувати об'єднати біологію і фізику. Один полягає в розумінні того, як можна отримати життєві якості від простих фізичних систем. Другий же полягає в розумінні того, як фізика здатна породити життя. Необхідно вирішити обидві ці умови, щоб реально зрозуміти, які властивості є дійсно унікальними для життя як такого і які властивості і особливості характерні для речей, які ви можете прийняти за живі системи, наприклад, пребіотики», — прокоментувала Імарі Уокер Live Science.

Виникнення життя за межами Землі

Перед тим як ми почнемо відповідати на питання про те, чи можуть ці прості фізичні системи вплинути на появу життя десь ще у Всесвіті, спершу необхідно краще розібратися в тому, де подібні системи можуть існувати на Землі.

«Якщо під словом «життя» ви маєте на увазі щось, що таке ж вражаюче, як скажімо бактерії або будь-яка інша форма з полимеразами (білками, що з'єднують ДНК і РНК) і ДНК, то моя робота не говорить про те, наскільки може бути легко чи важко створити щось настільки складне, тому я б не хотів завчасно намагатися будувати припущення про те, чи знайдемо ми щось подібне де б то не було ще у Всесвіті, крім Землі», — каже Інгланд.

Це дослідження не визначає яким чином біологія виникла з небіологічних систем, воно спрямоване на пояснення деяких складних хімічних процесів, завдяки яким відбувається самоорганізація хімічних речовин. Проведені комп'ютерні симуляції не враховують інших життєвих властивостей, таких як адаптація до навколишнього середовища або реакцію на зовнішні подразники. Крім того, це термодинамічне дослідження закритої системи не враховує роль перенесення накопиченої інформації, відзначає Майкл Лессінг, фізик-статистик, займається також кількісної біологією в Кельнському університеті.

«Ця робота безумовно показує дивовижний результат взаємодії нерівноважних хімічних мереж, але ми ще далекі від того, коли фізика зможе пояснити природу життя, в якій одні з ключових ролей відведені відтворення і перенесення інформації», — прокоментував Лессінг Live Science.

Роль інформації і її перенесення в живих системах дуже важлива, погоджується Імарі Уокер. На її думку, наявність природної самоорганізації присутнє в «супі» з хімічних речовин обов'язково має означати, що це жива організація.

«Я вважаю, що існує безліч проміжних етапів, які необхідно пройти, щоб перейти від простої упорядкованості до створення повнофункціональної інформаційної архітектурі як у живих клітин, що вимагає наявність щось на зразок пам'яті або спадковості. Ми безумовно можемо отримати порядок у фізиці і нерівноважних системах, але це не означає, що таким чином ми отримаємо життя», — відзначає Імарі Уокер.

Експерти в цілому вважають, що говорити про те, що робота Інгланда є переконливим доказом» природи життя швидше за все буде передчасно, так як існує безліч інших гіпотез, які намагаються описати те, як життя могла утворитися практично з нічого. Але вона безумовно є свіжим поглядом на те, як фізичні системи здатні самоорганізовуватися в природі. Тепер, коли у вчених є загальне уявлення про те, як веде себе ця термодинамічна система, можливо, наступним кроком стане спроба визначити достатню кількість нерівноважних фізичних систем, що з'являються на Землі, говорить Інгланд.