Razumevanje narave življenja je ena najtežjih in hkrati zanimivih skrivnosti za človeštvo. Sčasoma je ta skrivnost neizogibno presegla vprašanje, ali življenje obstaja samo na Zemlji ali ali obstaja še drugje v vesolju. Je nastanek življenja posledica naključnega in posrečenega naključja ali je za vesolje ravno tako naraven kot univerzalni zakoni fizike?
Znanstveniki že dolgo poskušajo odgovoriti na ta vprašanja. Eden od njih je Jeremy England, biofizik z Massachusetts Institute of Technology. Leta 2013 je domneval, da lahko fizikalni zakoni sprožijo kemične reakcije, ki omogočajo, da se preproste snovi organizirajo tako, da sčasoma pridobijo "življenjske" lastnosti.
V rezultatih novega dela Anglije in njegovih sodelavcev je ugotovljeno, da fizika lahko naravno ustvari procese samoreproduktivnih reakcij, kar je eden prvih korakov k ustvarjanju "živega" iz "neživega". Z drugimi besedami, to pomeni, da življenje neposredno izhaja iz temeljnih naravnih zakonov, kar praktično izključuje možnost hipoteze naključnega pojava. A to bi bila preglasna izjava.
Življenje je moralo iz nečesa izhajati. Biologija ni vedno obstajala. Tudi to se je pojavilo kot posledica verige nekaterih kemičnih procesov, ki so privedli do dejstva, da so kemikalije nekako organizirane v prebiotične spojine, ustvarile "gradnike življenja", nato pa se spremenile v mikrobe, ki so se sčasoma razvili v neverjetno zbirko živih bitij. ki danes obstajajo na našem planetu.
Teorija abiogeneze obravnava nastanek življenja kot nastanek žive narave iz nežive in po mnenju Anglije je termodinamika lahko osnova in ključ, s pomočjo katerega bi se lahko nežive kemijske spojine spremenile v žive biološke. Vendar pa, kot ugotavlja sam znanstvenik, najnovejše raziskave niso usmerjene v vzpostavitev povezave med "vitalnimi lastnostmi" fizičnih sistemov in biološkimi procesi.
"Ne bi rekel, da sem opravil delo, ki bi lahko odgovorilo na vprašanje same narave življenja kot takega," je v intervjuju za Live Science delil Anglija.
"Kar me je zanimalo, je bil sam dokaz načela - kakšne so fizične zahteve za manifestacijo živega vedenja v neživih spojinah."
Promocijski video:
Samoorganizacija v fizičnih sistemih
Ko se energija uporablja v sistemu, zakoni fizike narekujejo, kako se bo ta energija razpršila. Če na ta sistem vpliva zunanji vir toplote, potem se energija začne širiti, dokler se okoli tega sistema ne organizira toplotno ravnovesje. Na mizo postavite vročo skodelico kave in čez nekaj časa bo mesto, kjer je stala skodelica, postalo toplo. Vendar pa so nekateri fizični sistemi lahko neravnovesja, zato s pomočjo "samoorganizacije" poskušajo na najbolj učinkovit način izkoristiti energijo zunanjega vira, zaradi česar se sprožijo precej zanimive, kot poudarja Anglija, samoodržane kemične reakcije, ki preprečujejo doseganje termodinamičnega ravnovesja. Kot da bi skodelica kave spontano sprožila kemično reakcijo, zaradi katere je vročino kave v središču skodelice ostalo vroče,preprečevanje njegovega hlajenja in prehoda v stanje termodinamičnega ravnovesja s tabelo. Znanstvenik takšno situacijo imenuje "prilagoditev razpadanju", in prav ta mehanizem je po mnenju Anglije neživi fizični sistemi z živimi lastnostmi.
Ključno vedenje življenja je možnost samoreprodukcije ali (z biološkega vidika) reprodukcije. To je osnova za vsako življenje: bere se kot najpreprostejše, nato se reproducira, postaja vse bolj zapleteno, nato se znova reproducira in ta postopek se ponavlja vedno znova. In ravno to se zgodi, da je tudi samoreplikacija zelo učinkovit način odvajanja toplote in povečanja entropije znotraj tega sistema.
V študiji, objavljeni 18. julija v reviji Proceedings of the National Academy of Sciences, Anglija in soavtor Jordan Horowitz, opisujeta test svoje hipoteze. Izvedli so več računalniških simulacij zaprtega sistema (sistema, ki ne izmenjuje toplote ali snovi s svojim okoljem), ki vsebuje "juho" 25 kemikalij. Kljub temu, da je bil njihov sistem zelo preprost, je bila takšna "juha", ki bi najverjetneje nekoč lahko pokrila površino starodavne in brezživne Zemlje. Tako se je izkazalo, da če te kemikalije najdemo skupaj in so izpostavljene toploti iz zunanjega vira (na primer hidrotermalnega vodnjaka), potem bodo te snovi morale to toploto nekako razpršiti po drugem zakonu termodinamike, ki pravida bi se toplota razpršila in entropija sistema v tem trenutku neizogibno narašča.
Z ustvarjanjem določenih začetnih pogojev je znanstvenik ugotovil, da lahko te kemikalije optimizirajo vpliv na energetski sistem s samoorganizacijo in poznejšimi aktivnimi reakcijami za samo-razmnoževanje. Te kemikalije se naravno samo prilagodijo spremenjenim razmeram. Reakcije, ki so jih ustvarile, so proizvajale tudi toploto, kar ustreza drugemu zakonu termodinamike. Entropija v sistemu se bo vedno povečevala, kemikalije pa se bodo še naprej samoorganizirale in izkazovale življenjsko vedenje v obliki samoreprodukcije.
"Dejansko sistem najprej preizkusi številne majhne rešitve, in ko ena od njih začne pozitivno doseči, potem organizacija celotnega sistema in prilagajanje tej rešitvi ne traja veliko časa," je Anglija dejala v intervjuju za Live Science.
Preprost biološki model gre takole: molekularna energija je zgorela v celicah, ki so naravno zunaj ravnovesja in urejajo presnovne procese, ki podpirajo življenje. A kot poudarja Anglija, je med odkritimi življenjskimi lastnostmi in vedenjem v virtualni kemični juhi in samim življenjem velika razlika.
Sarah Imari Walker, teoretična fizičarka in astrobiologinja z univerze v Arizoni, ki ni bila vključena v raziskovanje, o katerem smo danes govorili, se strinja.
„Za poskus združitve biologije in fizike je treba ubrati dve poti. Eno je razumeti, kako je mogoče življenjske lastnosti pridobiti iz preprostih fizičnih sistemov. Drugo je razumeti, kako fizika lahko ustvari življenje. Obe teh pogojev je treba obravnavati, da bi resnično razumeli, katere lastnosti so resnično edinstvene za življenje kot take in katere lastnosti in lastnosti so značilne za stvari, ki jih lahko zmotiš pri živih sistemih, na primer prebiotike, je Imari Walker komentiral Live Science.
Pojav življenja zunaj Zemlje
Preden začnemo odgovarjati na veliko vprašanje, ali bi lahko ti preprosti fizični sistemi vplivali na nastanek življenja drugje v vesolju, moramo najprej bolje razumeti, kje na Zemlji obstajajo takšni sistemi.
Če v življenju mislite na nekaj tako impresivnega kot recimo bakterije ali katero koli drugo obliko s polimerazami (beljakovinami, ki povezujejo DNK in RNK) in DNK, potem moje delo ni v tem, kako lahko ali težko je. ustvariti nekaj tako zapletenega, zato ne želim prezgodaj poskušati domnevati, ali bomo našli kaj podobnega kjerkoli drugje v vesolju, razen Zemlje, «pravi Anglija.
Ta študija ne določa, kako je biologija nastala iz nebioloških sistemov, temveč je namenjena le razlagi nekaterih zapletenih kemičnih procesov, skozi katere prihaja do samoorganizacije kemikalij. Izvedene računalniške simulacije ne upoštevajo drugih življenjskih lastnosti, kot so prilagajanje okolju ali reakcija na zunanje dražljaje. Poleg tega ta termodinamična študija zaprtega sistema ne upošteva vloge prenosa nakopičenih informacij, ugotavlja Michael Lassing, statistik fizik, ki dela tudi na področju kvantitativne biologije na univerzi v Kölnu.
"To delo zagotovo kaže neverjeten rezultat interakcije neenakomernih kemičnih omrežij, vendar smo še vedno daleč od tega, ko lahko fizika razloži naravo življenja, v katerem je ena od ključnih vlog dodeljena reprodukciji in prenosu informacij," je Lassing komentiral Live Science.
Imari Walker se strinja, da je vloga informacij in njihov prenos v živih sistemih zelo pomembna. Po njenem mnenju prisotnost naravne samoorganizacije, prisotne v "juhi" kemikalij, ne pomeni nujno, da gre za živo organizacijo.
"Verjamem, da moramo preiti od preprostega naročanja do oblikovanja popolnoma funkcionalne informacijske arhitekture, kot so žive celice, veliko vmesnih faz, ki potrebujejo nekaj, kot sta spomin ali dednost. Zagotovo lahko dobimo red v fiziki in neravnovesnih sistemih, vendar to ne pomeni, da na ta način dobimo življenje, "pravi Imari Walker.
Strokovnjaki na splošno menijo, da bi bilo prezgodaj reči, da je delo Anglije "dokončen dokaz" narave življenja, saj obstaja veliko drugih hipotez, ki poskušajo opisati, kako bi se življenje lahko oblikovalo iz skoraj nič. Vsekakor pa je svež pogled na to, kako se fizični sistemi lahko v naravi samoorganizirajo. Zdaj, ko imajo znanstveniki osnovno razumevanje, kako se obnaša ta termodinamični sistem, bo morda naslednji korak poskus, da prepoznajo zadostno število neravnovesnih fizičnih sistemov, ki se pojavljajo na Zemlji, pravi Anglija.