Pochopenie podstaty života je pre ľudstvo jednou z najťažších a zároveň zaujímavých záhad. Časom toto tajomstvo nevyhnutne presahovalo otázku, či život existuje iba na Zemi alebo či existuje niekde inde vo vesmíre. Je vznik života náhodnou a šťastnou náhodou alebo je pre vesmír rovnako prirodzený ako univerzálne fyzikálne zákony?
Vedci sa na tieto otázky pokúšajú odpovedať už dlhú dobu. Jedným z nich je Jeremy England, biofyzik na Massachusetts Institute of Technology. V roku 2013 predpokladal, že fyzikálne zákony by mohli vyvolať chemické reakcie, ktoré umožnia usporiadanie jednoduchých látok takým spôsobom, aby nakoniec získali „životné“kvality.
Vo výsledkoch novej práce Anglicka a jeho kolegov sa uvádza, že fyzika je schopná prirodzene vytvárať procesy samoreprodukčných reakcií, čo je jeden z prvých krokov k vytvoreniu „živého“z „neživého“. Inými slovami, to znamená, že život je priamo odvodený od základných prírodných zákonov, ktoré prakticky vylučujú hypotézu náhodného výskytu. To by však bolo príliš hlasné vyhlásenie.
Život musel pochádzať z niečoho. Biológia vždy neexistovala. Vyskytlo sa to aj v dôsledku reťazca určitých chemických procesov, ktoré viedli k tomu, že chemikálie sa nejakým spôsobom zorganizovali na prebiotické zlúčeniny, vytvorili „stavebné kamene života“a potom sa zmenili na mikróby, ktoré sa nakoniec vyvinuli v úžasnú zbierku živých vecí. na našej planéte dnes.
Teória abiogenézy považuje vznik života za vznik živej prírody z neživého a podľa názoru Anglicka môže byť termodynamika základom a kľúčom, prostredníctvom ktorého by sa z neživých chemických zlúčenín mohli stať živé biologické látky. Ako však poznamenáva samotný vedec, posledný výskum sa nezameriava na vytvorenie spojenia medzi „životne dôležitými vlastnosťami“fyzických systémov a biologickými procesmi.
„Nepovedal by som, že som vykonal prácu, ktorá by mohla zodpovedať otázku samotnej podstaty života ako takého,“podieľalo sa na rozhovore pre Anglicko s Live Science.
„To, čo ma zaujímalo, bolo samotným dôkazom tohto princípu - aké sú fyzické požiadavky na prejavenie správania v neživých zložkách.“
Propagačné video:
Samoorganizácia vo fyzických systémoch
Keď sa energia aplikuje na systém, zákony fyziky určujú, ako sa táto energia rozptýli. Ak je tento systém ovplyvnený externým zdrojom tepla, energia sa začne rozptyľovať, až kým sa okolo tohto systému zorganizuje tepelná rovnováha. Na stôl položte horúcu šálku kávy a po chvíli sa miesto, kde sa šálka postavila, zahrieva. Niektoré fyzikálne systémy však môžu byť nerovnovážné, preto sa prostredníctvom „samoorganizácie“snažia využívať energiu vonkajšieho zdroja najúčinnejším spôsobom, v dôsledku čoho sa spúšťajú celkom zaujímavé, ako uvádza Anglicko, samoudržateľné chemické reakcie, ktoré bránia dosiahnutiu termodynamickej rovnováhy. Je to, akoby šálka kávy spontánne vyvolala chemickú reakciu, ktorá spôsobila, že iba malá oblasť kávy v strede šálky bola udržiavaná v horúcom stave,zabránenie jeho ochladeniu a prechodu do stavu termodynamickej rovnováhy so stolom. Vedec nazýva takúto situáciu „adaptáciou na rozptyl“a tento mechanizmus je presne to, čo podľa Anglicka poskytuje neživé fyzické systémy životným vlastnostiam.
Kľúčovým správaním života je možnosť samopreprodukcie alebo (z biologického hľadiska) rozmnožovania. To je základ každého života: je čítaný ako najjednoduchší, potom sa reprodukuje, stáva sa čoraz zložitejším, potom sa opakuje a tento proces sa opakuje znova a znova. A práve tak sa stáva, že samoreplikácia je tiež veľmi efektívnym spôsobom rozptylu tepla a zvýšenia entropie v tomto systéme.
V štúdii uverejnenej 18. júla v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences, England and spoluautor Jordan Horowitz popisuje test ich hypotéz. Vykonali niekoľko počítačových simulácií uzavretého systému (systému, ktorý nevymieňa teplo alebo látku so svojím prostredím) obsahujúceho „polievku“s 25 chemikáliami. Napriek tomu, že ich systém bol veľmi jednoduchý, je to taká „polievka“, ktorá by s najväčšou pravdepodobnosťou mohla zakryť povrch starej a neživej Zeme. Ukázalo sa teda, že ak sú tieto chemikálie spolu a sú vystavené teplu z vonkajšieho zdroja (napríklad z hydrotermálnej studne), potom tieto látky budú musieť nejakým spôsobom rozptýliť toto teplo podľa druhého zákona o termodynamike, ktorý hovoríaby sa teplo rozptýlilo a entropia systému sa v tomto okamihu nevyhnutne zvýši.
Vytvorením určitých počiatočných podmienok vedec zistil, že tieto chemikálie môžu optimalizovať vplyv na energetický systém prostredníctvom samoorganizácie a následných aktívnych reakcií na samoreprodukciu. Tieto chemikálie sa prirodzene prispôsobili zmeneným podmienkam. Reakcie, ktoré vytvorili, tiež produkovali teplo, čo zodpovedá druhému termodynamickému zákonu. Entropia v systéme sa bude vždy zvyšovať a chemikálie sa budú aj naďalej organizovať samy a demonštrujú životné správanie vo forme samopreprodukcie.
"V skutočnosti systém najskôr vyskúša veľa riešení malého rozsahu, a keď jedno z nich začne vykazovať pozitívny výsledok, potom organizácia celého systému a prispôsobenie sa tomuto riešeniu nezaberie veľa času," podieľalo sa Anglicko na rozhovore so spoločnosťou Live Science.
Jednoduchý biologický model vyzerá takto: molekulárna energia sa spaľuje v bunkách, ktoré sú prirodzene mimo rovnováhy a regulujú metabolické procesy, ktoré podporujú život. Ako však uvádza Anglicko, existuje veľký rozdiel medzi objavenými vlastnosťami života a správaním sa vo virtuálnej chemickej polievke a samotným životom.
Sarah Imari Walker, teoretická fyzika a astrobiológka na arizonskej univerzite, ktorá sa nezúčastnila na dnešnom výskume, súhlasí.
„Existujú dve cesty, ktoré je potrebné urobiť, aby sme sa pokúsili kombinovať biológiu a fyziku. Jedným z nich je pochopiť, ako je možné získať životné kvality z jednoduchých fyzikálnych systémov. Druhým je pochopiť, ako môže fyzika vytvoriť život. Obidve tieto podmienky sa musia riešiť, aby sa skutočne pochopilo, ktoré vlastnosti sú skutočne jedinečné pre život ako také a ktoré vlastnosti a vlastnosti sú charakteristické pre veci, ktoré si môžete pomýliť so živými systémami, napríklad prebiotiká, “komentoval Imari Walker živú vedu.
Vznik života mimo Zeme
Skôr ako začneme odpovedať na veľkú otázku, či tieto jednoduché fyzikálne systémy môžu ovplyvniť vznik života inde vo vesmíre, musíme najprv lepšie pochopiť, kde by takéto systémy mohli existovať na Zemi.
„Ak podľa vášho názoru máte na mysli niečo také pôsobivé ako, povedzme, baktérie alebo akúkoľvek inú formu s polymerázami (proteíny, ktoré spájajú DNA a RNA) a DNA, potom moja práca nie je o tom, aké ľahké alebo ťažké to môže byť. vytvoriť niečo také zložité, takže by som sa nechcel predčasne pokúsiť urobiť predpoklady, či nájdeme niečo podobné kdekoľvek inde vo vesmíre, s výnimkou Zeme, “hovorí Anglicko.
Táto štúdia nedefinuje, ako sa biológia vynorila z nebiologických systémov, je zameraná iba na vysvetlenie niektorých zložitých chemických procesov, prostredníctvom ktorých dochádza k samoorganizácii chemikálií. Vykonané počítačové simulácie nezohľadňujú iné životné vlastnosti, napríklad prispôsobenie sa prostrediu alebo reakciu na vonkajšie podnety. Okrem toho táto termodynamická štúdia uzavretého systému nezohľadňuje úlohu prenosu nahromadených informácií, poznamenáva Michael Lassing, štatistický fyzik, ktorý tiež pracuje v kvantitatívnej biológii na Kolínskej univerzite.
„Táto práca určite ukazuje úžasný výsledok vzájomného pôsobenia nerovnovážnych chemických sietí, ale ešte stále nie sme ďaleko od toho, kedy fyzika dokáže vysvetliť povahu života, v ktorej je jednou z kľúčových úloh priradená reprodukcia a prenos informácií,“komentoval Lassing živú vedu.
Úloha informácií a ich preprava v živých systémoch je veľmi dôležitá, súhlasí Imari Walker. Podľa jej názoru prítomnosť prírodnej samoorganizácie prítomnej v „polievke“chemikálií nevyhnutne neznamená, že ide o živú organizáciu.
„Som presvedčený, že existuje veľa prechodných fáz, ktoré musíme prejsť, aby sme prešli od jednoduchého usporiadania k vytvoreniu plne funkčnej informačnej architektúry, ako sú živé bunky, čo si vyžaduje niečo ako pamäť alebo dedičnosť. Určite môžeme získať poriadok vo fyzike a nerovnovážnych systémoch, to však neznamená, že takto získame život, “hovorí Imari Walker.
Odborníci sa všeobecne domnievajú, že by bolo predčasné tvrdiť, že práca v Anglicku je „presvedčivým dôkazom“o povahe života, pretože existuje mnoho ďalších hypotéz, ktoré sa snažia opísať, ako sa život mohol vytvoriť takmer z ničoho. Určite je to však nový pohľad na to, ako sa fyzické systémy dokážu samy organizovať v prírode. Teraz, keď vedci majú základné vedomosti o tom, ako sa tento termodynamický systém správa, pravdepodobne bude ďalším krokom pokus o identifikáciu dostatočného počtu nerovnovážnych fyzikálnych systémov objavujúcich sa na Zemi, tvrdí Anglicko.