Razumijevanje prirode života jedna je od najtežih i istovremeno zanimljivih misterija za čovječanstvo. S vremenom je ta misterija neizbježno nadišla pitanje postoji li život samo na Zemlji ili postoji negdje drugdje u svemiru. Je li nastanak života posljedica slučajne i sretne slučajnosti ili je to jednako prirodno za svemir koliko i univerzalni zakoni fizike?
Znanstvenici već duže vrijeme pokušavaju odgovoriti na ta pitanja. Jedan od njih je Jeremy England, biofizičar s Massachusetts Institute of Technology. Godine 2013. hipotetirao je da zakoni fizike mogu pokrenuti kemijske reakcije koje su dopustile organiziranje jednostavnih tvari na takav način da su na kraju stekle "životne" kvalitete.
U rezultatima novog rada Engleske i njegovih kolega primjećuje se da fizika može prirodno stvoriti procese reakcija koje se mogu ponoviti, što je jedan od prvih koraka u stvaranju „živog“od „nežive“. Drugim riječima, to znači da život izravno proizlazi iz temeljnih zakona prirode, što gotovo isključuje mogućnost hipoteze slučajne pojave. Ali to bi bila preglasna izjava.
Život je morao izaći iz nečega. Biologija nije uvijek postojala. I on je nastao kao rezultat lanca određenih kemijskih procesa koji su doveli do činjenice da su kemikalije nekako organizirane u prebiotske spojeve, stvorile "građevne blokove života", a zatim se pretvorile u mikrobe, koji su se s vremenom razvili u nevjerojatnu kolekciju živih bića. postoje na našem planetu danas.
Teorija abiogeneze smatra nastanak života pojavom žive prirode iz neživih i, prema Engleskom mišljenju, termodinamika može biti osnova i ključ kroz koji bi se neživi kemijski spojevi mogli pretvoriti u žive biološke. Međutim, kako sam znanstvenik primjećuje, najnovije istraživanje nema za cilj stvaranje veze između "vitalnih svojstava" fizičkih sustava i bioloških procesa.
"Ne bih rekao da sam učinio posao koji bi mogao odgovoriti na pitanje same prirode života kao takvog", podijelila je Engleska u intervjuu za Live Science.
"Ono što me je zanimalo bio je sam dokaz načela - koji su fizički zahtjevi za ispoljenjem živog ponašanja u neživim spojevima."
Promotivni video:
Samoorganizacija u fizičkim sustavima
Kad se energija primijeni na sustav, zakoni fizike diktiraju kako će se ta energija rasipati. Ako na ovaj sustav utječe vanjski izvor topline, tada se energija počinje rasipati sve dok se oko tog sustava ne organizira toplinska ravnoteža. Stavite vruću šalicu kave na stol i nakon nekog vremena mjesto na kojem je stajala šalica postat će toplo. Međutim, neki fizički sustavi mogu biti neravnotežni, stoga se „samoorganiziranjem“pokušavaju iskoristiti energija vanjskog izvora na najučinkovitiji način, zbog čega se pokreću prilično zanimljive, kako Engleska ističe, samoodržavajuće kemijske reakcije koje sprječavaju postizanje termodinamičke ravnoteže. Kao da je šalica kave spontano pokrenula kemijsku reakciju uzrokujući da se samo maleno područje kave u središtu šalice održava vrućim,sprječavajući njegovo hlađenje i prelazak u stanje termodinamičke ravnoteže sa tablicom. Znanstvenik takvu situaciju naziva "prilagodbom rasipanju", a upravo je ovaj mehanizam ono što, prema Engleskoj, obdarava neživim fizičkim sustavima sa živim svojstvima.
Ključno ponašanje života je mogućnost samoreprodukcije ili (s biološkog stajališta) reprodukcije. To je osnova za svaki život: čita se kao najjednostavnije, zatim se reproducira, postaje sve složenije, zatim se ponovo reproducira i taj se postupak ponavlja iznova i iznova. I jednostavno se događa da je samoobnavljanje također vrlo učinkovit način raspršivanja topline i sve veće entropije unutar ovog sustava.
U studiji objavljenoj 18. srpnja u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences, England, a koautor Jordan Horowitz opisuje test svoje hipoteze. Proveli su nekoliko računalnih simulacija zatvorenog sustava (sustav koji ne razmjenjuje toplinu ili materiju sa svojim okolišem) koji sadrže "juhu" od 25 kemikalija. Unatoč činjenici da je njihov sustav bio vrlo jednostavan, to je takva "juha" koja bi najvjerojatnije mogla jednom prekriti površinu drevne i beživotne Zemlje. Pa se ispostavilo da ako su te kemikalije zajedno i ako su izložene toplini iz vanjskog izvora (na primjer, hidrotermalni bunar), te će tvari trebati nekako rasipati tu toplinu prema drugom zakonu termodinamike, koji kažeda bi toplina trebala rasipati i entropija sustava u ovom trenutku neizbježno će se povećati.
Stvaranjem određenih početnih uvjeta, znanstvenik je otkrio da ove kemikalije mogu optimizirati utjecaj na energetski sustav samoorganizacijom i naknadnim aktivnim reakcijama za samoobnavljanje. Te se kemikalije prirodno prilagođavaju promijenjenim uvjetima. Stvorene reakcije također su proizvele toplinu, što odgovara drugom zakonu termodinamike. Entropija u sustavu uvijek će se povećavati, a kemikalije će se i dalje samoorganizirati i demonstrirati životno ponašanje u obliku samoprodukcije.
"Zapravo, sustav prvo isproba mnoga rješenja malog opsega, a kada jedno od njih počne prikazivati pozitivan rezultat, tada organiziranje cijelog sustava i prilagođavanje ovom rješenju ne treba puno vremena", podijelila je Engleska u intervjuu za Live Science.
Jednostavni biološki model ide ovako: molekularna energija sagorijeva se u stanicama, koje su prirodno izvan ravnoteže i upravljaju metaboličkim procesima koji podržavaju život. No, kako Engleska ističe, postoji velika razlika između otkrivenih životnih svojstava i ponašanja u virtualnoj kemijskoj juhi i samog života.
Slaže se Sarah Imari Walker, teorijska fizičarka i astrobiologinja sa Sveučilišta u Arizoni, koja nije bila uključena u istraživanje danas o kojem se raspravljalo.
„Dva su putanja koja treba pokušati spojiti biologiju i fiziku. Jedno je razumjeti kako se životne kvalitete mogu dobiti iz jednostavnih fizičkih sustava. Drugo je razumjeti kako fizika može stvoriti život. Oba ova stanja moraju se riješiti kako biste stvarno shvatili koja su svojstva doista jedinstvena za život kao takva i koja svojstva i karakteristike su karakteristične za stvari koje možete pogriješiti za životne sustave, na primjer, prebiotike “, komentirao je Imari Walker za Live Science.
Nastanak života izvan Zemlje
Prije nego što počnemo odgovarati na veliko pitanje mogu li ovi jednostavni fizički sustavi utjecati na pojavu života drugdje u svemiru, prvo moramo bolje razumjeti gdje takvi sustavi mogu postojati na Zemlji.
"Ako pod životom mislite na nešto što je impresivno kao što su, recimo, bakterije ili bilo koji drugi oblik s polimerazama (proteinima koji povezuju DNK i RNK) i DNK, onda moj rad nije u tome koliko lako ili teško može biti. stvoriti nešto tako složeno i ne bih htio prerano pokušavati pretpostaviti hoćemo li pronaći nešto slično negdje drugdje u svemiru, osim na Zemlji ", kaže Engleska.
Ova studija ne definira kako je biologija nastala iz nebioloških sustava, ona je samo usmjerena na objašnjenje nekih složenih kemijskih procesa kroz koje se događa samoorganizacija kemikalija. Provedene računalne simulacije ne uzimaju u obzir druga životna svojstva, poput prilagodbe na okoliš ili reakcije na vanjske podražaje. Osim toga, ovo termodinamičko istraživanje zatvorenog sustava ne uzima u obzir ulogu prijenosa nakupljenih informacija, napominje Michael Lassing, fizičar statistike koji također radi na kvantitativnoj biologiji na Sveučilištu u Kölnu.
"Ovaj rad sigurno pokazuje zadivljujući rezultat interakcije neravnotežnih kemijskih mreža, ali još smo daleko od toga kada fizika može objasniti prirodu života, u kojoj je jedna od ključnih uloga dodijeljena reprodukciji i prijenosu informacija", komentirao je Lassing za Live Science.
Uloga informacija i njezin transport u živim sustavima je vrlo važna, slaže se Imari Walker. Prema njenom mišljenju, prisustvo prirodne samoorganizacije prisutne u „juhi“kemikalija ne znači nužno da je to živa organizacija.
„Vjerujem da postoji puno usrednjih faza kroz koje moramo proći kako bismo prešli od jednostavnog naručivanja do stvaranja potpuno funkcionalne informacijske arhitekture poput živih ćelija, koja zahtijeva nešto poput memorije ili nasljeđivanja. Svakako možemo uspostaviti red u fizici i nebalansnim sustavima, ali to ne znači da na taj način dobivamo život , kaže Imari Walker.
Stručnjaci uglavnom vjeruju da bi bilo prerano reći da je rad u Engleskoj "uvjerljiv dokaz" prirode života, jer postoje mnoge druge hipoteze koje pokušavaju opisati kako se život mogao stvoriti iz gotovo ničega. Ali definitivno je svjež pogled na to kako se fizički sustavi mogu samoorganizirati u prirodi. Sada, kada znanstvenici imaju osnovno razumijevanje kako se ponaša ovaj termodinamički sustav, možda će sljedeći korak biti pokušaj određivanja dovoljnog broja neuravnoteženih fizičkih sustava koji se pojavljuju na Zemlji, kaže Engleska.
