Разбирането на природата на живота е една от най-трудните и в същото време интересни загадки за човечеството. С течение на времето тази мистерия неизбежно надхвърли въпроса дали животът съществува само на Земята, или дали съществува някъде другаде във Вселената. Възникването на живота дължи ли се на случайно и щастливо съвпадение или това е също толкова естествено за Вселената, колкото и универсалните закони на физиката?
Учените отдавна се опитват да отговорят на тези въпроси. Един от тях е Джеръми Англия, биофизик от Масачузетския технологичен институт. През 2013 г. той предположи, че законите на физиката могат да предизвикат химични реакции, които позволяват на прости вещества да се организират по такъв начин, че в крайна сметка да придобият „житейски“качества.
В резултатите от новата работа на Англия и неговите колеги се отбелязва, че физиката е в състояние естествено да създава процеси на самовъзпроизводими реакции, което е една от първите стъпки към създаването на „живото“от „неживото“С други думи, това означава, че животът директно произтича от основните закони на природата, което на практика изключва възможността за хипотеза за случайно настъпване. Но това би било твърде силно изявление.
Животът трябваше да излезе от нещо. Биологията не винаги е съществувала. Той също се появи в резултат на верига от определени химически процеси, които доведоха до факта, че химикалите по някакъв начин се организираха в пребиотични съединения, създадоха „градивните елементи на живота“и след това се превърнаха в микроби, които в крайна сметка се превърнаха в невероятна колекция от живи същества. съществуващи на нашата планета днес.
Теорията на абиогенезата разглежда появата на живота като появата на жива природа от неживата и според Англия термодинамиката може да бъде основа и ключ, благодарение на което неодушевените химични съединения могат да се превърнат в живи биологични. Както отбелязва самият учен обаче, най-новите изследвания не целят създаване на връзка между „жизнените свойства“на физическите системи и биологичните процеси.
"Не бих казал, че съм свършил работа, която може да отговори на въпроса за самата природа на живота като такъв", сподели Англия в интервю за Live Science.
"Това, което ме интересуваше, беше самото доказателство за принципа - какви са физическите изисквания за проявление на живото поведение в неодушевените съединения."
Промоционално видео:
Самоорганизация във физическите системи
Когато енергията се прилага към система, законите на физиката диктуват как тази енергия ще се разсейва. Ако тази система е засегната от външен източник на топлина, тогава енергията започва да се разсейва, докато около нея се организира топлинно равновесие. Поставете гореща чаша кафе на масата и след известно време мястото, където е стояла чашата, ще се затопли. Някои физически системи обаче могат да бъдат неравновесни, поради което чрез „самоорганизация“те се опитват да използват енергията на външен източник по най-ефективния начин, в резултат на което се предизвикват доста интересни, както подчертава Англия, самоподдържащи се химически реакции, които предотвратяват постигането на термодинамично равновесие. Сякаш чаша кафе спонтанно задейства химическа реакция, причинявайки само мъничка зона кафе в центъра на чашата, която да се поддържа гореща,предотвратявайки неговото охлаждане и преминаване към състояние на термодинамично равновесие с таблицата. Ученият нарича подобна ситуация „приспособяване към разсейване“и именно този механизъм е именно това, което според Англия дава неодушевени физически системи с живи свойства.
Ключовото поведение на живота е възможността за самовъзпроизвеждане или (от биологична гледна точка) възпроизвеждане. Това е основата на всеки живот: тя се чете като най-проста, след това се възпроизвежда, става все по-сложна, след това се възпроизвежда отново и този процес се повтаря отново и отново. И точно така се случва, че самовъзпроизвеждането също е много ефективен начин за разсейване на топлината и увеличаване на ентропията в рамките на тази система.
В проучване, публикувано на 18 юли в списанието Proceedings of the National Academy of Sciences, Англия и съавторът Jordan Horowitz описват теста на тяхната хипотеза. Те проведоха няколко компютърни симулации на затворена система (система, която не обменя топлина или материя със своята среда), съдържаща „супа“от 25 химикали. Въпреки факта, че системата им е била много проста, това е такава „супа“, която най-вероятно някога би могла да покрие повърхността на древната и безжизнена Земя. Така се оказа, че ако тези химикали са заедно и те са изложени на топлина от външен източник (например хидротермален кладенец), тогава тези вещества ще трябва по някакъв начин да разсеят тази топлина според втория закон на термодинамиката, който казваче топлината трябва да се разсейва и ентропията на системата в този момент неминуемо ще се увеличи.
Създавайки определени първоначални условия, ученият откри, че тези химикали могат да оптимизират въздействието върху енергийната система чрез самоорганизация и последващи активни реакции за самовъзпроизвеждане. Тези химикали естествено се адаптират към променените условия. Създадените от тях реакции също произвеждат топлина, което съответства на втория закон на термодинамиката. Ентропията в системата винаги ще се увеличава и химикалите също ще продължат да се самоорганизират и демонстрират житейско поведение под формата на самовъзпроизвеждане.
„Всъщност системата първо опитва много малки решения и когато едно от тях започне да показва положителен резултат, организацията на цялата система и приспособяването към това решение не отнема много време“, споделя Англия в интервю за Live Science.
Един прост биологичен модел върви така: молекулярната енергия се изгаря в клетки, които естествено са в баланс и управляват метаболитните процеси, които поддържат живота. Но както Англия посочва, има голяма разлика между откритите житейски свойства и поведение във виртуалната химическа супа и самия живот.
Сара Имари Уокър, теоретичен физик и астробиолог от Университета в Аризона, която не е участвала в обсъжданите днес изследвания, е съгласна.
„Има два пътя, които трябва да се предприемат, за да се опита да се съчетаят биология и физика. Единият е да се разбере как жизнените качества могат да се получат от прости физически системи. Второто е да се разбере как физиката може да създаде живот. И двете условия трябва да бъдат разгледани, за да разберем кои свойства са наистина уникални за живота като такива и кои свойства и характеристики са характерни за неща, които можете да сбъркате за живи системи, например пребиотици “, коментира Имари Уокър пред Live Science.
Появата на живот извън Земята
Преди да започнем да отговаряме на големия въпрос дали тези прости физически системи могат да повлияят на появата на живот другаде във Вселената, първо трябва да разберем по-добре къде могат да съществуват такива системи на Земята.
„Ако под живота имате предвид нещо, което е толкова впечатляващо, като, да речем, бактерии или каквато и да е друга форма с полимерази (протеини, които свързват ДНК и РНК) и ДНК, моята работа не ви казва колко лесно или трудно може да бъде. да създам нещо толкова сложно, така че не бих искал преждевременно да се опитвам да направя предположения дали ще намерим нещо подобно навсякъде във Вселената, с изключение на Земята “, казва Англия.
Това проучване не определя как биологията е възникнала от небиологичните системи, а е насочена само към обясняване на някои от сложните химични процеси, чрез които протича самоорганизацията на химикалите. Проведените компютърни симулации не отчитат други жизненоважни свойства, като например адаптиране към околната среда или реакция на външни стимули. В допълнение, това термодинамично проучване на затворена система не отчита ролята на прехвърлянето на натрупана информация, отбелязва Майкъл Ласинг, статистик физик, който също работи в количествената биология в Университета в Кьолн.
„Тази работа със сигурност показва невероятния резултат от взаимодействието на неравновесните химически мрежи, но все още сме далеч от това, когато физиката може да обясни природата на живота, в който една от ключовите роли е възложена на възпроизвеждането и преноса на информация“, коментира Ласинг пред Live Science.
Ролята на информацията и нейния транспорт в живите системи е много важна, съгласен е Имари Уокър. Според нея наличието на естествена самоорганизация, присъстваща в „супа“от химикали, не означава непременно, че това е жива организация.
„Вярвам, че има много междинни етапи, през които трябва да преминем, за да преминем от простото подреждане към създаването на напълно функционална информационна архитектура като живи клетки, която изисква нещо като памет или наследственост. Със сигурност можем да наредим ред във физиката и неравновесните системи, но това не означава, че по този начин получаваме живот “, казва Имари Уокър.
По принцип експертите смятат, че би било преждевременно да се твърди, че работата на Англия е "категорично доказателство" за природата на живота, тъй като има много други хипотези, опитващи се да опишат как животът би могъл да се формира от почти нищо. Но определено е свеж поглед върху това как физическите системи са в състояние да се самоорганизират в природата. Сега, когато учените имат основно разбиране за това как се държи тази термодинамична система, може би следващата стъпка ще бъде да се опитат да идентифицират достатъчен брой неравновесни физически системи, появяващи се на Земята, казва Англия.
