Att förstå livets natur är ett av de svåraste och samtidigt intressanta mysterierna för mänskligheten. Med tiden gick detta mysterium oundvikligen utöver frågan om livet bara finns på jorden, eller om det finns någon annanstans i universum. Beror livets uppkomst på ett slumpmässigt och lyckligt sammanfall, eller är det lika naturligt för universum som fysiska universella lagar?
Forskare har försökt att svara på dessa frågor under lång tid. En av dem är Jeremy England, en biofysiker vid Massachusetts Institute of Technology. 2013 hypotes han om att fysiklagarna kunde utlösa kemiska reaktioner som tillät enkla ämnen att organisera på ett sådant sätt att de så småningom förvärvade "liv" -egenskaper.
I resultaten från det nya arbetet med England och hans kollegor noteras att fysik naturligtvis kan skapa processer av självreproducerbara reaktioner, vilket är ett av de första stegen mot att skapa "levande" från "icke-levande". Med andra ord betyder detta att livet direkt härrör från de grundläggande naturlagarna, vilket praktiskt taget utesluter möjligheten till en hypotes om oavsiktlig händelse. Men det skulle vara ett för högt uttalande.
Livet måste komma ur något. Biologi har inte alltid funnits. Det framkom också som ett resultat av en kedja av vissa kemiska processer som ledde till det faktum att kemikalier på något sätt organiserades i prebiotiska föreningar, skapade "livets byggstenar" och sedan förvandlades till mikrober, som så småningom utvecklades till en fantastisk samling av levande saker. som finns på vår planet idag.
Abiogenesteorin betraktar uppkomsten av liv som uppkomsten av levande natur från livlösa och enligt Englands uppfattning kan termodynamik vara grunden och nyckeln genom vilken livlösa kemiska föreningar kan förvandlas till levande biologiska. Men som forskaren själv konstaterar syftar den senaste forskningen inte till att skapa en koppling mellan de "vitala egenskaperna" hos fysiska system och biologiska processer.
"Jag skulle inte säga att jag har gjort arbete som kan besvara frågan om livets natur som sådan", delade England i en intervju med Live Science.
"Det som intresserade mig var själva beviset på principen - vilka är de fysiska kraven för manifestation av levande beteende i livlösa föreningar."
Kampanjvideo:
Självorganisation i fysiska system
När energi appliceras på ett system, dikterar fysikens lagar hur denna energi kommer att spridas. Om detta system påverkas av en extern värmekälla börjar energin spridas tills termisk jämvikt är organiserad runt detta system. Lägg en varm kopp kaffe på bordet och efter ett tag kommer platsen där koppen stod att bli varm. Vissa fysiska system kan emellertid vara icke-jämvikt, därför försöker de genom "självorganisation" använda energin från en extern källa på det mest effektiva sättet, vilket resulterar i att ganska intressanta, som England påpekar, självhållna kemiska reaktioner som förhindrar uppnåendet av termodynamisk jämvikt utlöses. Det är som om en kopp kaffe spontant utlöste en kemisk reaktion så att bara ett litet kaffeområde i mitten av koppen hölls varmt,förhindrar dess kylning och övergång till tillståndet i termodynamisk jämvikt med tabellen. Forskaren kallar en sådan situation "anpassning till spridning", och den här mekanismen är precis vad, enligt England, ger livlösa fysiska system med levande egenskaper.
Livets viktigaste beteende är möjligheten till självproduktion eller (ur biologisk synvinkel) reproduktion. Detta är grunden för varje liv: det läses som det enklaste, sedan reproduceras det, det blir mer och mer komplext, sedan reproduceras det igen och denna process upprepas om och om igen. Och det händer bara så att självreplikering också är ett mycket effektivt sätt att sprida värme och öka entropin i detta system.
I studiens resultat, som publicerades 18 juli i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences, England och medförfattare Jordan Horowitz beskriver testning av deras hypotes. De genomförde flera datorsimuleringar av ett slutet system (ett system som inte utbyter värme eller materia med dess miljö) som innehåller en "soppa" med 25 kemikalier. Trots att deras system var mycket enkelt, är det en sådan "soppa" som troligen en gång kunde täcka ytan på den forntida och livlösa jorden. Så det visade sig att om dessa kemikalier hittas tillsammans och de utsätts för värme från en extern källa (till exempel en hydrotermisk brunn), måste dessa ämnen på något sätt sprida denna värme enligt den andra lagen om termodynamik, som sägeratt värmen ska spridas och systemets entropi i detta ögonblick kommer oundvikligen att öka.
Genom att skapa vissa initiala förhållanden fann forskaren att dessa kemikalier kan optimera påverkan på energisystemet genom självorganisation och efterföljande aktiva reaktioner för självreplikation. Dessa kemikalier är naturligtvis självjusterade efter de förändrade förhållandena. Reaktionerna de skapade producerade också värme, vilket motsvarar den andra lagen för termodynamik. Entropin i systemet kommer alltid att öka och kemikalier kommer också att fortsätta att organisera sig själv och visa livets beteende i form av självproduktion.
"Faktiskt försöker systemet först många småskaliga lösningar, och när en av dem börjar visa ett positivt resultat, då tar det inte mycket tid att organisera hela systemet och anpassa sig till den här lösningen," delade England i en intervju med Live Science.
En enkel biologimodell går så här: molekylenergi förbränns i celler, som naturligtvis är ur balans och styr de metaboliska processerna som stöder liv. Men som England påpekar, det finns en stor skillnad mellan de upptäckta livsegenskaperna och beteendet i den virtuella kemiska soppan och själva livet.
Sarah Imari Walker, en teoretisk fysiker och astrobiolog vid University of Arizona, som inte deltog i den forskning som diskuteras idag, håller med.
”Det finns två vägar som måste tas för att försöka kombinera biologi och fysik. Den ena är att förstå hur livskvaliteter kan erhållas från enkla fysiska system. Den andra är att förstå hur fysik kan skapa liv. Båda dessa villkor måste åtgärdas för att verkligen förstå vilka egenskaper som verkligen är unika för livet som sådana och vilka egenskaper och egenskaper som är karakteristiska för saker som du kan misstaga för levande system, till exempel prebiotika, - Imari Walker kommenterade Live Science.
Framväxten av liv utanför jorden
Innan vi börjar svara på den stora frågan om dessa enkla fysiska system kan påverka uppkomsten av liv någon annanstans i universum, måste vi först förstå var sådana system kan existera på jorden.
”Om man i livet menar något som är lika imponerande som, till exempel, bakterier eller någon annan form med polymeraser (proteiner som kopplar DNA och RNA) och DNA, säger mitt arbete inte hur lätt eller svårt det kan vara. att skapa något så komplicerat, så jag skulle inte vilja för tidigt försöka göra antaganden om vi hittar något liknande någon annanstans i universum, utom Jorden, säger England.
Denna studie definierar inte hur biologi framkom från icke-biologiska system, den syftar bara till att förklara några av de komplexa kemiska processer genom vilka kemikaliens självorganisering sker. De datorsimuleringar som genomförs tar inte hänsyn till andra livsegenskaper, såsom anpassning till miljön eller reaktion på yttre stimuli. Dessutom tar denna termodynamiska studie av ett slutet system inte hänsyn till rollen för överföring av ackumulerad information, konstaterar Michael Lassing, en statistikerfysiker som också arbetar inom kvantitativ biologi vid universitetet i Köln.
"Det här arbetet visar verkligen det fantastiska resultatet av interaktionen mellan kemiska nätverk med icke-kondition, men vi är fortfarande långt ifrån när fysiken kan förklara livets natur, där en av nyckelrollerna tilldelas reproduktion och överföring av information," kommenterade Lassing till Live Science.
Informationen och dess transport i levande system är mycket viktig, håller Imari Walker med om. Enligt hennes åsikt innebär inte förekomsten av naturlig självorganisation som finns i en "soppa" av kemikalier nödvändigtvis att det är en levande organisation.
”Jag tror att det finns många mellanstadier som vi måste gå igenom för att gå från enkel beställning till att skapa en fullt fungerande informationsarkitektur som levande celler, vilket kräver något som minne eller arv. Vi kan säkert få ordning inom fysik och icke-jämviktssystem, men det betyder inte att vi på detta sätt får liv, säger Imari Walker.
Experter tror i allmänhet att det skulle vara för tidigt att säga att Englands arbete är "avgörande bevis" på livets natur, eftersom det finns många andra hypoteser som försöker beskriva hur livet kunde ha bildats från nästan ingenting. Men det är definitivt en ny titt på hur fysiska system kan organisera sig i naturen. Nu när forskare har en grundläggande förståelse för hur detta termodynamiska system beter sig, kanske nästa steg är att försöka bestämma ett tillräckligt antal fysiska system som inte är jämvikt som förekommer på jorden, säger England.
