Az élet természetének megértése az emberiség számára a legnehezebb és ugyanakkor érdekes misztérium. Az idő múlásával ez a rejtély elkerülhetetlenül túllépett azon a kérdésen, hogy az élet csak a Földön létezik-e, vagy másutt létezik az univerzumban. Az élet megjelenése véletlenszerű és szerencsés véletlen egybeesés miatt, vagy ugyanolyan természetes az univerzum számára, mint a fizika univerzális törvényei?
A tudósok már régóta próbáltak válaszolni ezekre a kérdésekre. Az egyik a Jeremy England, a Massachusetts Institute of Technology biofizikája. 2013-ban feltételezte, hogy a fizikai törvények olyan kémiai reakciókat válthatnak ki, amelyek lehetővé tették az egyszerű anyagok szerveződését oly módon, hogy végül "élet" tulajdonságokat szerezzenek.
Anglia és kollégái új munkájának eredményeiben meg kell jegyezni, hogy a fizika képes természetes módon önreprodukciós reakciókat létrehozni, ami az egyik első lépés a „nem életből” való „megélhetés” felé. Más szavakkal ez azt jelenti, hogy az élet közvetlenül a természet alapvető törvényeiből származik, amely gyakorlatilag kizárja a véletlenszerű esemény feltételezésének lehetőségét. De ez túl hangos állítás lenne.
Az életnek ki kellett jönnie valamiből. A biológia nem mindig létezett. Ugyancsak bizonyos kémiai folyamatok láncának eredményeként merült fel, amelyek ahhoz a tényhez vezettek, hogy a vegyi anyagok valamilyen módon prebiotikus vegyületekké szerveződtek, létrehozták az „élet építőelemeit”, majd mikrobákká váltak, amelyek végül az élőlények lenyűgöző gyűjteményé fejlődtek. a mai bolygónkon.
Az abiogenezis elmélete az élet megjelenését az élő természetnek az élettelen megjelenéseként tekinti, és Anglia szerint a termodinamika lehet az alap és kulcs, amelynek köszönhetően az élettelen kémiai vegyületek élő biológiai vegyületekké alakulhatnak. Ugyanakkor, amint maga a tudós megjegyzi, a legfrissebb kutatás nem célja a fizikai rendszerek "létfontosságú tulajdonságai" és a biológiai folyamatok közötti kapcsolat megteremtése.
"Nem mondanám, hogy olyan munkát végeztem, amely képes válaszolni az élet mint természetének kérdésére." - osztotta meg Anglia a Live Science interjújában.
"Ami engem érdekelt, az az elv igazolása - milyen fizikai követelmények vannak az élő viselkedés élettelen vegyületekben történő megnyilvánulásához."
Promóciós videó:
Önszervezés a fizikai rendszerekben
Amikor az energiát egy rendszerre alkalmazzák, a fizikai törvények előírják, hogy az energia hogyan oszlik el. Ha ezt a rendszert egy külső hőforrás befolyásolja, akkor az energia eloszlik, amíg a hőmérsékleti egyensúly meg nem rendeződik a rendszer körül. Helyezzen egy forró kávét az asztalra, és egy idő után az a hely, ahol a csésze állt, melegszik. Egyes fizikai rendszerek azonban nem egyensúlyiak lehetnek, ezért az "önszerveződés" révén megpróbálják a lehető leghatékonyabban felhasználni egy külső forrás energiáját, amelynek eredményeként - amint azt Anglia rámutat - nagyon érdekes olyan önfenntartó kémiai reakciók indulnak el, amelyek megakadályozzák a termodinamikai egyensúly elérését. Olyan, mintha egy csésze kávé spontán módon kémiai reakciót váltott volna ki, amelynek eredményeként a csésze közepén csak egy apró rész kávét melegít,megakadályozva a hűtést és az asztallal történő termodinamikai egyensúlyi állapotba való átmenetet. A tudós egy ilyen helyzetet "a disszipációhoz való alkalmazkodásnak" nevezik, és pontosan ez a mechanizmus az, ami Anglia szerint élettelen fizikai rendszereket biztosít élő tulajdonságokkal.
Az élet kulcsa az önszaporodás vagy (biológiai szempontból) reprodukció lehetősége. Ez az alapja minden életnek: úgy tekintik, mint a legegyszerűbbet, aztán reprodukálja, egyre komplexebbé válik, majd újra reprodukálja, és ezt a folyamatot megismételik újra. És éppen úgy történik, hogy az önreplikáció nagyon hatékony módszer a hő eloszlatására és az entrópia fokozására ebben a rendszerben.
A tanulmány megállapításaiban, amelyeket július 18-án tettek közzé az Anglia Nemzeti Tudományos Akadémia folyóiratában és Jordan Horowitz társszerzőjével, leírják hipotézisük tesztelését. Több számítógépes szimulációt készítettek egy zárt rendszerről (egy olyan rendszerről, amely nem cserél hőt vagy anyagot a környezetével), amely egy 25 vegyi anyagból álló "levest" tartalmaz. Annak ellenére, hogy rendszerük nagyon egyszerű volt, ez egy olyan "leves", amely valószínűleg egyszer képes lefedni az ősi és élettelen Föld felszínét. Kiderült, hogy ha ezeket a vegyi anyagokat együtt találják, és külső forrásból (például egy hidrotermikus kútból) származó hőnek vannak kitéve, akkor ezeknek az anyagoknak valamilyen módon el kell oszlatniuk ezt a hőt a termodinamika második törvényének megfelelően, amely szerinthogy a hőnek el kell szóródnia, és a rendszer entrópiája ebben a pillanatban elkerülhetetlenül növekszik.
Bizonyos kezdeti feltételek megteremtésével a tudós megállapította, hogy ezek a vegyi anyagok az önszerveződés és az azt követő aktív reakciók révén az önreplikáció érdekében optimalizálhatják az energiarendszerre gyakorolt hatást. Ezek a vegyi anyagok természetesen alkalmazkodnak a megváltozott feltételekhez. Az általuk létrehozott reakciók hőt termelnek, amely megfelel a termodinamika második törvényének. A rendszer entrópiája mindig növekszik, és a vegyi anyagok továbbra is önszerveződik és demonstrálják az élet viselkedését öntermelés formájában.
"Valójában a rendszer először sok kisebb léptékű megoldást kipróbál, és amikor egyikük pozitív eredményt mutat, akkor a teljes rendszer megszervezése és ennek a megoldásnak a hozzáigazítása nem igényel sok időt" - osztotta meg Anglia a Live Science interjújában.
Egy egyszerű biológiai modell így megy: a molekuláris energiát a sejtekben égetik el, amelyek lényegében kiegyensúlyozatlanok és szabályozzák az életet támogató anyagcserét. De amint azt Anglia rámutat, nagy a különbség a felfedezett élettulajdonságok és viselkedés között a virtuális kémiai leves és maga az élet között.
Sarah Imari Walker, az arizonai egyetem elméleti fizikusa és asztrobiológusa, aki nem vett részt a ma tárgyalt kutatásban, egyetért ezzel.
„Két módszert kell választanunk a biológia és a fizika összekapcsolására. Az egyik annak megértése, hogyan lehet az életminőségeket megszerezni az egyszerű fizikai rendszerekből. A második annak megértése, hogy a fizika hogyan hozhat létre életet. Mindkét feltételt figyelembe kell venni annak érdekében, hogy valóban megértsük, mely tulajdonságok valóban egyediek az életben, és melyek azok a tulajdonságok és jellemzők, amelyek jellemzőek azokra a dolgokra, amelyeket megsérthet az élő rendszerekben, például a prebiotikumokban”- kommentálta Imari Walker a Live Science számára.
Az élet megjelenése a Földön kívül
Mielőtt megválaszolnánk azt a nagy kérdést, hogy vajon ezek az egyszerű fizikai rendszerek befolyásolhatják-e az élet megjelenését az univerzum más részein, először jobban meg kell értenünk, hol léteznek ilyen rendszerek a Földön.
„Ha az élet alatt valami olyan lenyűgözőt ért, mint például baktériumok vagy bármilyen más forma polimerázokkal (fehérjék, amelyek a DNS-t és RNS-t összekötik) és a DNS-sel, akkor a munkám nem arról szól, hogy milyen könnyű vagy nehéz lehet. hogy valami oly összetett képet hozzon létre, ezért nem akarok idő előtt próbálni feltételezéseket tenni arról, hogy valami hasonlót találunk-e bárhol máshol az univerzumban, kivéve a Földet”- mondja Anglia.
Ez a tanulmány nem határozza meg, hogy a biológia hogyan alakult ki a nem biológiai rendszerekből, csupán annak a komplex kémiai folyamatoknak a magyarázatát célozza, amelyek révén a vegyi anyagok önszerveződése megtörténik. Az elvégzett számítógépes szimulációk nem veszik figyelembe az élet egyéb tulajdonságait, például a környezethez való alkalmazkodást vagy a külső ingerekre adott reakciót. Ezenkívül ez a zárt rendszer termodinamikai vizsgálata nem veszi figyelembe a felhalmozott információ átadásának szerepét - jegyzi meg Michael Lassing, a statisztikus orvos, aki a kölni egyetemen kvantitatív biológiában is dolgozik.
"Ez a munka minden bizonnyal megmutatja a nem egyensúlyi kémiai hálózatok kölcsönhatásának csodálatos eredményét, de még mindig messze vagyunk attól, hogy a fizika megmagyarázza az élet természetét, amelyben az egyik kulcsfontosságú szerepet az információ reprodukciója és átadása képezi" - kommentálta Lassing a Live Science számára.
Imari Walker egyetért az információ és annak szállítása az élő rendszerekben nagyon fontos szerepe. Véleménye szerint a természetes önszervezet jelenléte a vegyi anyagok "levesében" nem feltétlenül jelenti azt, hogy élő szervezet.
„Úgy gondolom, hogy számos köztes szakaszon keresztül kell mennünk, hogy az egyszerű megrendelésből egy teljesen funkcionális információs architektúrát hozzunk létre, mint például az élő sejtek, amelyhez valamilyen memória vagy örökség szükséges. Minden bizonnyal megrendelést kaphatunk a fizikában és a nem egyensúlyi rendszerekben, de ez nem azt jelenti, hogy ilyen módon életünk lesz”- mondja Imari Walker.
A szakértők általánosságban azt gondolják, hogy korai lenne azt mondani, hogy Anglia munkája "meggyőző bizonyítéka" az élet természetének, mivel sok más hipotézis is megpróbálja leírni, hogy az élet szinte semmiből alakulhatott volna ki. Ez határozottan egy új pillantás arra, hogy a fizikai rendszerek hogyan képesek a természetben önszerveződni. Most, hogy a tudósok alapvető ismeretekkel rendelkeznek a termodinamikai rendszer viselkedéséről, talán a következő lépés az, hogy megkíséreljék azonosítani a Földön megjelenő nem egyensúlyi fizikai rendszerek elegendő számát - mondja Anglia.