Μια Νέα Φυσική Θεωρία της Ζωής

Γιατί υπάρχει ζωή;

Οι δημοφιλείς υποθέσεις πιστώνουν μια αρχέγονη σούπα, έναν κεραυνό και ένα κολοσσιαίο χτύπημα τύχης. Αλλά αν μια προκλητική νέα θεωρία είναι σωστή, η τύχη μπορεί να έχει ελάχιστη σχέση με αυτήν. Αντίθετα, σύμφωνα με τον φυσικό που προτείνει την ιδέα, η προέλευση και η μετέπειτα εξέλιξη της ζωής απορρέουν από τους θεμελιώδεις νόμους της φύσης και «θα πρέπει να είναι εξίσου απρόσμενη όσο οι βράχοι που κυλούν στην κατηφόρα».

Από τη σκοπιά της φυσικής, υπάρχει μια ουσιαστική διαφορά μεταξύ των ζωντανών όντων και των άψυχων συστάδων ατόμων άνθρακα:Τα πρώτα τείνουν να είναι πολύ καλύτερα στο να συλλαμβάνουν ενέργεια από το περιβάλλον τους και να διαχέουν αυτήν την ενέργεια ως θερμότητα. Ο Jeremy England, ένας 31χρονος επίκουρος καθηγητής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, εξήγαγε έναν μαθηματικό τύπο που πιστεύει ότι εξηγεί αυτή την ικανότητα. Ο τύπος, που βασίζεται σε καθιερωμένη φυσική, υποδεικνύει ότι όταν μια ομάδα ατόμων οδηγείται από μια εξωτερική πηγή ενέργειας (όπως ο ήλιος ή χημικό καύσιμο) και περιβάλλεται από ένα θερμικό λουτρό (όπως ο ωκεανός ή η ατμόσφαιρα), συχνά αναδομείται σταδιακά. για να διαχέει όλο και περισσότερη ενέργεια. Αυτό θα μπορούσε να σημαίνει ότι υπό ορισμένες συνθήκες, η ύλη αποκτά αναπόφευκτα το βασικό φυσικό χαρακτηριστικό που σχετίζεται με τη ζωή.

"Ξεκινάτε με μια τυχαία συστάδα ατόμων και αν την ρίξετε φως για αρκετό καιρό, δεν θα πρέπει να σας εκπλήσσει το γεγονός ότι αποκτάτε ένα φυτό", είπε η England.

Η θεωρία της Αγγλίας προορίζεται να υποστηρίξει, αντί να αντικαταστήσει, τη θεωρία του Δαρβίνου για την εξέλιξη από τη φυσική επιλογή, η οποία παρέχει μια ισχυρή περιγραφή της ζωής σε επίπεδο γονιδίων και πληθυσμών. «Σίγουρα δεν λέω ότι οι δαρβινικές ιδέες είναι λάθος», εξήγησε. «Αντίθετα, απλώς λέω ότι από τη σκοπιά της φυσικής, θα μπορούσατε να αποκαλέσετε τη Δαρβινική εξέλιξη μια ειδική περίπτωση ενός γενικότερου φαινομένου.»

Η ιδέα του, η οποία περιγράφεται λεπτομερώς σε πρόσφατο έγγραφο και επεξεργάζεται περαιτέρω σε μια ομιλία που εκφωνεί σε πανεπιστήμια σε όλο τον κόσμο, έχει πυροδοτήσει διαμάχη μεταξύ των συναδέλφων του, οι οποίοι τη βλέπουν είτε ως αδύναμη είτε ως μια πιθανή ανακάλυψη, ή και τα δύο.

Η Αγγλία έκανε «ένα πολύ γενναίο και πολύ σημαντικό βήμα», δήλωσε ο Αλεξάντερ Γκρόσμπεργκ, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης που παρακολουθεί το έργο της Αγγλίας από τα πρώτα στάδια της. Η «μεγάλη ελπίδα» είναι ότι έχει προσδιορίσει την υποκείμενη φυσική αρχή που οδηγεί την προέλευση και την εξέλιξη της ζωής, είπε ο Grosberg.

«Ο Τζέρεμι είναι σχεδόν ο πιο έξυπνος νέος επιστήμονας που συνάντησα ποτέ», είπε ο Attila Szabo, βιοφυσικός στο Εργαστήριο Χημικής Φυσικής στο Εθνικό Ινστιτούτο Υγείας που αλληλογραφούσε με την Αγγλία σχετικά με τη θεωρία του αφού τον συνάντησε σε συνέδριο. "Με εντυπωσίασε η πρωτοτυπία των ιδεών."

Άλλοι, όπως ο Eugene Shakhnovich, καθηγητής χημείας, χημικής βιολογίας και βιοφυσικής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, δεν είναι πεπεισμένοι. «Οι ιδέες του Τζέρεμι είναι ενδιαφέρουσες και δυνητικά ελπιδοφόρες, αλλά σε αυτό το σημείο είναι εξαιρετικά εικασιακές, ειδικά όσον αφορά τα φαινόμενα της ζωής», είπε ο Shakhnovich.

Τα θεωρητικά αποτελέσματα της Αγγλίας θεωρούνται γενικά έγκυρα. Είναι η ερμηνεία του - ότι η φόρμουλα του αντιπροσωπεύει την κινητήρια δύναμη πίσω από μια κατηγορία φαινομένων στη φύση που περιλαμβάνει τη ζωή - που παραμένει αναπόδεικτη. Αλλά ήδη, υπάρχουν ιδέες σχετικά με τον τρόπο δοκιμής αυτής της ερμηνείας στο εργαστήριο.

«Δοκιμάζει κάτι ριζικά διαφορετικό», είπε η Μάρα Πρέντις, καθηγήτρια φυσικής στο Χάρβαρντ που σκέφτεται ένα τέτοιο πείραμα αφού έμαθε για το έργο της Αγγλίας. «Ως οργανωτικός φακός, νομίζω ότι έχει μια υπέροχη ιδέα. Σωστό ή λάθος, θα αξίζει πολύ η διερεύνηση.»

Στην καρδιά της ιδέας της Αγγλίας βρίσκεται ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής, γνωστός και ως νόμος της αυξανόμενης εντροπίας ή «βέλος του χρόνου». Τα ζεστά πράγματα κρυώνουν, το αέριο διαχέεται στον αέρα, τα αυγά ανακατεύονται αλλά ποτέ δεν ξετυλίγονται αυθόρμητα. Εν ολίγοις, η ενέργεια τείνει να διασκορπίζεται ή να εξαπλώνεται καθώς προχωρά ο χρόνος. Η εντροπία είναι ένα μέτρο αυτής της τάσης, ποσοτικοποιώντας πόσο διασκορπισμένη είναι η ενέργεια μεταξύ των σωματιδίων ενός συστήματος και πόσο διάχυτα είναι αυτά τα σωματίδια στο διάστημα. Αυξάνεται ως απλό θέμα πιθανοτήτων:Υπάρχουν περισσότεροι τρόποι για να διανεμηθεί η ενέργεια παρά για να συγκεντρωθεί. Έτσι, καθώς τα σωματίδια σε ένα σύστημα κινούνται και αλληλεπιδρούν, θα τείνουν, μέσω της απόλυτης τύχης, να υιοθετήσουν διαμορφώσεις στις οποίες διαχέεται η ενέργεια. Τελικά, το σύστημα φτάνει σε μια κατάσταση μέγιστης εντροπίας που ονομάζεται «θερμοδυναμική ισορροπία», στην οποία η ενέργεια κατανέμεται ομοιόμορφα. Ένα φλιτζάνι καφέ και το δωμάτιο στο οποίο κάθεται έχουν την ίδια θερμοκρασία, για παράδειγμα. Όσο το φλιτζάνι και το δωμάτιο μένουν μόνα τους, αυτή η διαδικασία είναι μη αναστρέψιμη. Ο καφές δεν θερμαίνεται ποτέ ξανά αυθόρμητα, επειδή οι πιθανότητες στοιβάζονται σε συντριπτικά επίπεδα ενάντια σε τόσο μεγάλο μέρος της ενέργειας του δωματίου που συγκεντρώνεται τυχαία στα άτομά του.

Αν και η εντροπία πρέπει να αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου σε ένα απομονωμένο ή «κλειστό» σύστημα, ένα «ανοιχτό» σύστημα μπορεί να διατηρήσει την εντροπία του σε χαμηλά επίπεδα —δηλαδή να διαιρεί την ενέργεια άνισα μεταξύ των ατόμων του— αυξάνοντας σημαντικά την εντροπία του περιβάλλοντός του. Στην επιδραστική μονογραφία του του 1944 «Τι είναι η ζωή;» ο διαπρεπής κβαντικός φυσικός Erwin Schrödinger υποστήριξε ότι αυτό πρέπει να κάνουν τα ζωντανά όντα. Ένα φυτό, για παράδειγμα, απορροφά το εξαιρετικά ενεργητικό φως του ήλιου, το χρησιμοποιεί για να δημιουργήσει σάκχαρα και εκτοξεύει το υπέρυθρο φως, μια πολύ λιγότερο συγκεντρωμένη μορφή ενέργειας. Η συνολική εντροπία του σύμπαντος αυξάνεται κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης καθώς το φως του ήλιου διαχέεται, ακόμη και όταν το φυτό εμποδίζει τον εαυτό του να αποσυντεθεί διατηρώντας μια τακτική εσωτερική δομή.

Η ζωή δεν παραβιάζει τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, αλλά μέχρι πρόσφατα, οι φυσικοί δεν μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τη θερμοδυναμική για να εξηγήσουν γιατί έπρεπε να προκύψει εξαρχής. Την εποχή του Σρέντινγκερ, μπορούσαν να λύσουν τις θερμοδυναμικές εξισώσεις μόνο για κλειστά συστήματα σε ισορροπία. Στη δεκαετία του 1960, ο Βέλγος φυσικός Ilya Prigogine σημείωσε πρόοδο στην πρόβλεψη της συμπεριφοράς ανοιχτών συστημάτων που οδηγούνται ασθενώς από εξωτερικές πηγές ενέργειας (για την οποία κέρδισε το Νόμπελ Χημείας το 1977). Αλλά η συμπεριφορά συστημάτων που απέχουν πολύ από την ισορροπία, τα οποία συνδέονται με το εξωτερικό περιβάλλον και οδηγούνται έντονα από εξωτερικές πηγές ενέργειας, δεν ήταν δυνατό να προβλεφθεί.

Αυτή η κατάσταση άλλαξε στα τέλη της δεκαετίας του 1990, κυρίως λόγω της εργασίας του Chris Jarzynski, τώρα στο Πανεπιστήμιο του Maryland, και του Gavin Crooks, τώρα στο Lawrence Berkeley National Laboratory. Οι Jarzynski και Crooks έδειξαν ότι η εντροπία που παράγεται από μια θερμοδυναμική διαδικασία, όπως η ψύξη ενός φλιτζανιού καφέ, αντιστοιχεί σε μια απλή αναλογία:την πιθανότητα τα άτομα να υποστούν αυτή τη διαδικασία διαιρούμενη με την πιθανότητα να υποστούν την αντίστροφη διαδικασία (δηλ. , αυθόρμητα αλληλεπιδρώντας με τέτοιο τρόπο ώστε ο καφές να ζεσταίνεται). Καθώς αυξάνεται η παραγωγή εντροπίας, αυξάνεται και αυτή η αναλογία:η συμπεριφορά ενός συστήματος γίνεται όλο και πιο «μη αναστρέψιμη». Ο απλός αλλά αυστηρός τύπος θα μπορούσε καταρχήν να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε θερμοδυναμική διαδικασία, ανεξάρτητα από το πόσο γρήγορη ή μακριά από την ισορροπία. «Η κατανόησή μας για τη στατιστική μηχανική μακριά από την ισορροπία βελτιώθηκε σημαντικά», είπε ο Γκρόσμπεργκ. Η Αγγλία, η οποία έχει εκπαιδευτεί τόσο στη βιοχημεία όσο και στη φυσική, ξεκίνησε το δικό του εργαστήριο στο MIT πριν από δύο χρόνια και αποφάσισε να εφαρμόσει τη νέα γνώση της στατιστικής φυσικής στη βιολογία.

Χρησιμοποιώντας τη διατύπωση των Jarzynski και Crooks, εξήγαγε μια γενίκευση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής που ισχύει για συστήματα σωματιδίων με ορισμένα χαρακτηριστικά:Τα συστήματα οδηγούνται έντονα από μια εξωτερική πηγή ενέργειας όπως ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, και μπορούν να απορρίψουν θερμότητα σε γύρω λουτρό. Αυτή η κατηγορία συστημάτων περιλαμβάνει όλα τα έμβια όντα. Στη συνέχεια, η Αγγλία προσδιόρισε πώς τέτοια συστήματα τείνουν να εξελίσσονται με την πάροδο του χρόνου καθώς αυξάνουν τη μη αναστρέψιμότητά τους. «Μπορούμε να δείξουμε πολύ απλά από τη φόρμουλα ότι τα πιο πιθανά εξελικτικά αποτελέσματα θα είναι εκείνα που απορροφούν και διαχέουν περισσότερη ενέργεια από τις εξωτερικές κινήσεις του περιβάλλοντος στο δρόμο για να φτάσουμε εκεί», είπε. Το εύρημα έχει διαισθητικό νόημα:Τα σωματίδια τείνουν να διαχέουν περισσότερη ενέργεια όταν αντηχούν με μια κινητήρια δύναμη ή κινούνται προς την κατεύθυνση που τα ωθεί και είναι πιο πιθανό να κινηθούν προς αυτή την κατεύθυνση από οποιαδήποτε άλλη σε κάθε δεδομένη στιγμή.

«Αυτό σημαίνει ότι συστάδες ατόμων που περιβάλλονται από ένα λουτρό σε κάποια θερμοκρασία, όπως η ατμόσφαιρα ή ο ωκεανός, θα πρέπει με την πάροδο του χρόνου να τείνουν να τακτοποιούνται ώστε να αντηχούν όλο και καλύτερα με τις πηγές μηχανικής, ηλεκτρομαγνητικής ή χημικής εργασίας στο περιβάλλον τους», εξήγησε η Αγγλία. .

Η αυτοαναπαραγωγή (ή η αναπαραγωγή, με βιολογικούς όρους), η διαδικασία που οδηγεί την εξέλιξη της ζωής στη Γη, είναι ένας τέτοιος μηχανισμός με τον οποίο ένα σύστημα μπορεί να διασκορπίσει μια αυξανόμενη ποσότητα ενέργειας με την πάροδο του χρόνου. Όπως το έθεσε η Αγγλία, «Ένας καλός τρόπος για να διασκορπίσεις περισσότερα είναι να κάνεις περισσότερα αντίγραφα του εαυτού σου». Σε ένα άρθρο του Σεπτεμβρίου στο Journal of Chemical Physics, ανέφερε τη θεωρητική ελάχιστη ποσότητα διασποράς που μπορεί να συμβεί κατά την αυτο-αντιγραφή των μορίων RNA και των βακτηριακών κυττάρων και έδειξε ότι είναι πολύ κοντά στις πραγματικές ποσότητες που διαχέουν αυτά τα συστήματα κατά την αντιγραφή. . Έδειξε επίσης ότι το RNA, το νουκλεϊκό οξύ που πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι χρησίμευε ως πρόδρομος της ζωής που βασίζεται στο DNA, είναι ένα ιδιαίτερα φθηνό δομικό υλικό. Από τη στιγμή που προέκυψε το RNA, υποστηρίζει, η «δαρβινική εξαγορά» του δεν ήταν ίσως έκπληξη.

Η χημεία της αρχέγονης σούπας, οι τυχαίες μεταλλάξεις, η γεωγραφία, τα καταστροφικά γεγονότα και αμέτρητοι άλλοι παράγοντες έχουν συμβάλει στις λεπτές λεπτομέρειες της ποικιλόμορφης χλωρίδας και πανίδας της Γης. Αλλά σύμφωνα με τη θεωρία της Αγγλίας, η βασική αρχή που οδηγεί την όλη διαδικασία είναι η προσαρμογή της ύλης που βασίζεται στη διάχυση.

Αυτή η αρχή θα ισχύει και για την άψυχη ύλη. «Είναι πολύ δελεαστικό να κάνουμε εικασίες για τα φαινόμενα της φύσης που μπορούμε τώρα να χωρέσουμε κάτω από αυτή τη μεγάλη σκηνή προσαρμοστικής οργάνωσης που βασίζεται στη διάχυση», είπε η England. "Πολλά παραδείγματα θα μπορούσαν να είναι ακριβώς κάτω από τη μύτη μας, αλλά επειδή δεν τα έχουμε ψάξει, δεν τα έχουμε προσέξει."

Οι επιστήμονες έχουν ήδη παρατηρήσει αυτοαντιγραφή σε μη ζωντανά συστήματα. Σύμφωνα με νέα έρευνα με επικεφαλής τον Philip Marcus του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ και που αναφέρθηκε στο Physical Review Letters τον Αύγουστο, οι δίνες σε τυρβώδη ρευστά αναπαράγονται αυθόρμητα αντλώντας ενέργεια από τη διάτμηση στο περιβάλλον ρευστό. Και σε μια εργασία που εμφανίζεται στο Διαδίκτυο αυτή την εβδομάδα στο Proceedings of the National Academy of Sciences, ο Michael Brenner, καθηγητής εφαρμοσμένων μαθηματικών και φυσικής στο Χάρβαρντ, και οι συνεργάτες του παρουσιάζουν θεωρητικά μοντέλα και προσομοιώσεις μικροδομών που αυτοαναπαράγονται. Αυτά τα σμήνη από ειδικά επικαλυμμένα μικροσφαιρίδια διαχέουν ενέργεια με το σχοινί των κοντινών σφαιρών σχηματίζοντας πανομοιότυπα σμήνη. «Αυτό συνδέεται πάρα πολύ με αυτό που λέει ο Τζέρεμι», είπε ο Μπρένερ.

Εκτός από την αυτοαναπαραγωγή, η μεγαλύτερη δομική οργάνωση είναι ένα άλλο μέσο με το οποίο τα ισχυρά καθοδηγούμενα συστήματα ενισχύουν την ικανότητά τους να διαχέουν ενέργεια. Ένα εργοστάσιο, για παράδειγμα, είναι πολύ καλύτερο στο να συλλαμβάνει και να δρομολογεί την ηλιακή ενέργεια μέσω του εαυτού του από ένα αδόμητο σωρό ατόμων άνθρακα. Έτσι, η Αγγλία υποστηρίζει ότι υπό ορισμένες προϋποθέσεις, η ύλη θα αυτοοργανώνεται αυθόρμητα. Αυτή η τάση θα μπορούσε να εξηγήσει την εσωτερική τάξη των έμβιων όντων και πολλών άψυχων δομών επίσης. «Οι νιφάδες χιονιού, οι αμμόλοφοι και οι τυρβώδεις δίνες έχουν όλα κοινό ότι είναι δομές με εντυπωσιακά σχέδια που αναδύονται σε συστήματα πολλών σωματιδίων που οδηγούνται από κάποια διαδικασία διασποράς», είπε. Η συμπύκνωση, ο άνεμος και η ιξώδης αντίσταση είναι οι σχετικές διαδικασίες σε αυτές τις συγκεκριμένες περιπτώσεις.

«Με κάνει να πιστεύω ότι η διάκριση μεταξύ ζωντανής και μη ζωντανής ύλης δεν είναι οξεία», είπε ο Carl Franck, βιολογικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Cornell, σε ένα email. «Μου κάνει ιδιαίτερη εντύπωση αυτή η ιδέα όταν κάποιος θεωρεί συστήματα τόσο μικρά όσο τα χημικά κυκλώματα που περιλαμβάνουν λίγα βιομόρια.»

Η τολμηρή ιδέα της Αγγλίας πιθανότατα θα αντιμετωπίσει στενό έλεγχο τα επόμενα χρόνια. Αυτή τη στιγμή εκτελεί προσομοιώσεις υπολογιστή για να δοκιμάσει τη θεωρία του ότι τα συστήματα σωματιδίων προσαρμόζουν τις δομές τους για να γίνουν καλύτερα στη διάχυση ενέργειας. Το επόμενο βήμα θα είναι η εκτέλεση πειραμάτων σε ζωντανά συστήματα.

Ο Πρέντις, που διευθύνει ένα πειραματικό εργαστήριο βιοφυσικής στο Χάρβαρντ, λέει ότι η θεωρία της Αγγλίας θα μπορούσε να ελεγχθεί συγκρίνοντας κύτταρα με διαφορετικές μεταλλάξεις και αναζητώντας μια συσχέτιση μεταξύ της ποσότητας ενέργειας που διαχέουν τα κύτταρα και των ρυθμών αντιγραφής τους. «Πρέπει να είναι κανείς προσεκτικός γιατί οποιαδήποτε μετάλλαξη μπορεί να κάνει πολλά πράγματα», είπε. "Αλλά αν κάποιος συνέχιζε να κάνει πολλά από αυτά τα πειράματα σε διαφορετικά συστήματα και εάν [η επιτυχία της διάχυσης και της αναπαραγωγής] συσχετίζονται όντως, αυτό θα υποδηλώνει ότι αυτή είναι η σωστή αρχή οργάνωσης."

Ο Brenner είπε ότι ελπίζει να συνδέσει τη θεωρία της Αγγλίας με τις δικές του κατασκευές μικροσφαιρών και να καθορίσει εάν η θεωρία προβλέπει σωστά ποιες διαδικασίες αυτοαντιγραφής και αυτοσυναρμολόγησης μπορούν να συμβούν — «ένα θεμελιώδες ερώτημα στην επιστήμη», είπε.

Η κατοχή μιας κυρίαρχης αρχής της ζωής και της εξέλιξης θα έδινε στους ερευνητές μια ευρύτερη προοπτική για την εμφάνιση της δομής και της λειτουργίας στα έμβια όντα, είπαν πολλοί από τους ερευνητές. «Η φυσική επιλογή δεν εξηγεί ορισμένα χαρακτηριστικά», είπε ο Ard Louis, βιοφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, σε ένα email. Αυτά τα χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν μια κληρονομική αλλαγή στη γονιδιακή έκφραση που ονομάζεται μεθυλίωση, αύξηση της πολυπλοκότητας απουσία φυσικής επιλογής και ορισμένες μοριακές αλλαγές που έχει μελετήσει πρόσφατα ο Louis.

Εάν η προσέγγιση της Αγγλίας αντέχει σε περισσότερες δοκιμές, θα μπορούσε να απελευθερώσει περαιτέρω τους βιολόγους από την αναζήτηση μιας δαρβινικής εξήγησης για κάθε προσαρμογή και να τους επιτρέψει να σκεφτούν γενικότερα με όρους οργάνωσης που καθοδηγείται από τη διάχυση. Μπορεί να βρουν, για παράδειγμα, ότι «ο λόγος που ένας οργανισμός δείχνει το χαρακτηριστικό Χ αντί για Υ μπορεί να μην είναι επειδή το Χ είναι πιο κατάλληλο από το Υ, αλλά επειδή οι φυσικοί περιορισμοί διευκολύνουν την εξέλιξη του Χ παρά για την εξέλιξη του Υ», Louis. είπε.

«Οι άνθρωποι συχνά κολλάνε στο να σκέφτονται μεμονωμένα προβλήματα», είπε ο Prentiss. Είτε οι ιδέες της Αγγλίας αποδεικνύονται σωστές είτε όχι, είπε, «η ευρύτερη σκέψη είναι εκεί που γίνονται πολλές επιστημονικές ανακαλύψεις».

Emily Singer Ο συνέβαλε στην αναφορά. Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε στο ScientificAmerican.com και στο BusinessInsider.com.

Διόρθωση:Αυτό το άρθρο αναθεωρήθηκε στις 22 Ιανουαρίου 2014, για να αντικατοπτρίζει ότι ο Ilya Prigogine κέρδισε το βραβείο Νόμπελ στη χημεία και όχι στη φυσική.