Elu olemuse mõistmine on inimkonna jaoks üks raskemaid ja samal ajal huvitavaid saladusi. Aja jooksul ületas see mõistatus paratamatult küsimuse, kas elu eksisteerib ainult Maal või eksisteerib see kusagil mujal universumis. Kas elu teke on tingitud juhuslikust ja õnnelikust kokkusattumusest või on see universumi jaoks sama loomulik kui füüsika universaalsed seadused?
Teadlased on püüdnud neile küsimustele pikka aega vastata. Üks neist on Massachusettsi tehnoloogiainstituudi biofüüsik Jeremy Inglismaa. 2013. aastal püstitas ta hüpoteesi, et füüsikaseadused võivad käivitada keemilisi reaktsioone, mis võimaldasid lihtsatel ainetel organiseeruda nii, et nad lõpuks omandavad "elu" omadused.
Inglismaa ja tema kolleegide uue töö tulemustes märgitakse, et füüsika on võimeline loomulikult looma iseenese taasesitatavate reaktsioonide protsesse, mis on üks esimesi samme "elava" loomiseks "eluta". Teisisõnu tähendab see, et elu tuleneb otseselt looduse põhiseadustest, mis praktiliselt välistab juhusliku esinemise hüpoteesi võimaluse. Kuid see oleks liiga vali avaldus.
Elu pidi millestki välja tulema. Bioloogia pole alati olemas olnud. Ka see tekkis teatud keemiliste protsesside ahela tagajärjel, mis viis faktini, et kemikaalid, mis kuidagi organiseerusid prebiootilisteks ühenditeks, lõid "elu ehitusplokid" ja muutusid seejärel mikroobideks, mis lõpuks kujunes hämmastavaks elusate asjade kogumiks. mis on meie tänasel planeedil olemas.
Abiogeneesi teoorias peetakse elu tekkimist elusa looduse tekkeks elutust ja Inglismaa arvates võib termodünaamika olla alus ja võti, mille kaudu elutud keemilised ühendid võivad muutuda elavateks bioloogilisteks. Kuid nagu teadlane ise märgib, ei ole uusimate uuringute eesmärk luua seost füüsiliste süsteemide "eluliste omaduste" ja bioloogiliste protsesside vahel.
"Ma ei ütleks, et olen teinud tööd, mis võiks vastata küsimusele elu kui sellise olemuse kohta," jagas Inglismaa Live Science'ile antud intervjuus.
"See, mis mind huvitas, oli põhimõtte tõestus - millised on füüsilised nõuded elukäitumise avaldumiseks elututes ühendites."
Reklaamvideo:
Enesekorraldus füüsilistes süsteemides
Kui süsteemi rakendatakse energiat, määravad füüsikaseadused, kuidas see energia hajub. Kui seda süsteemi mõjutab väline soojusallikas, hakkab energia hajuma, kuni selle süsteemi ümber on korraldatud termiline tasakaal. Asetage lauale kuum tass kohvi ja mõne aja pärast muutub koht, kus tass seisis, soojaks. Mõni füüsiline süsteem võib siiski olla tasakaalust väljas, seetõttu proovivad nad "iseorganiseerumise" kaudu välise allika energiat kõige tõhusamal viisil kasutada, mille tulemusel käivituvad üsna huvitavad, nagu Inglismaa märgib, iseseisevad keemilised reaktsioonid, mis takistavad termodünaamilise tasakaalu saavutamist. Tundus, et tass kohvi käivitas spontaanselt keemilise reaktsiooni, mille tagajärjel hoitakse kuumas ainult pisike kohvi osa tassi keskel,takistades selle jahtumist ja üleminekut lauaga termodünaamilise tasakaalu seisundisse. Teadlane nimetab sellist olukorda "kohanemiseks hajutamisega" ja just see mehhanism annab Inglismaa sõnul elututele füüsilistele süsteemidele elusad omadused.
Elu võtmekäitumine on isesuguse või (bioloogilisest aspektist lähtudes) paljunemise võimalus. See on mis tahes elu alus: seda loetakse kõige lihtsamaks, seejärel reprodutseeritakse, see muutub üha keerukamaks, siis reprodutseeritakse uuesti ja seda protsessi korratakse ikka ja jälle. Ja lihtsalt nii juhtub, et enesereplikatsioon on ka väga tõhus viis soojuse hajutamiseks ja entroopia suurendamiseks selles süsteemis.
Inglismaa riikliku teaduste akadeemia ajakirjas Proceedings of 18. juuli avaldatud uuringus ja kaasautor Jordan Horowitz kirjeldavad oma hüpoteesi testi. Nad viisid läbi mitu arvutisimulatsiooni suletud süsteemist (süsteem, mis ei vaheta oma keskkonnaga soojust ega ainet), mis sisaldas 25 kemikaali "suppi". Hoolimata asjaolust, et nende süsteem oli väga lihtne, on see selline "supp", mis tõenäoliselt kunagi võis katta iidse ja elutu Maa pinna. Nii selgus, et kui need kemikaalid on koos ja nad puutuvad kokku välisest allikast pärineva soojusega (näiteks hüdrotermilise kaevuga), siis peavad need ained vastavalt termodünaamika teisele seadusele seda soojust kuidagi hajutama, mis ütleb:et kuumus peaks hajuma ja süsteemi entroopia sellel hetkel paratamatult suureneb.
Luues teatud algtingimused, leidis teadlane, et need kemikaalid saavad enesekorralduse ja sellele järgnenud aktiivsete reaktsioonide abil enesereplitseerimiseks optimeerida energiasüsteemi mõju. Need kemikaalid on looduslikult kohanenud muutunud tingimustega. Nende loodud reaktsioonid tekitasid ka soojust, mis vastab termodünaamika teisele seadusele. Süsteemi entroopia suureneb alati ja kemikaalid jätkavad ka ise organiseerumist ja elukäitumise demonstreerimist isepaljunemise vormis.
“Tegelikult proovib süsteem kõigepealt palju väikesemahulisi lahendusi ja kui üks neist hakkab positiivset tulemust näitama, siis kogu süsteemi korraldamine ja selle lahendusega kohanemine ei võta palju aega,” jagas Inglismaa Live Science'i intervjuus.
Lihtne bioloogiamudel on selline: molekulienergia põletatakse rakkudes, mis on loomulikult tasakaalust väljas ja juhivad elu toetavaid ainevahetusprotsesse. Kuid nagu Inglismaa osutab, on virtuaalses keemilises supis avastatud eluomaduste ja käitumise ning elu enda vahel suur erinevus.
Arizona ülikooli teoreetiline füüsik ja astrobioloog Sarah Imari Walker, kes täna arutatud uurimistöösse ei kaasatud, nõustub.
„Bioloogia ja füüsika ühendamiseks on vaja minna kahte teed. Üks on mõista, kuidas eluomadusi saab lihtsatest füüsilistest süsteemidest. Teine eesmärk on mõista, kuidas füüsika saab elu luua. Mõlema nimetatud tingimusega tuleb tegelda, et päriselt aru saada, millised omadused on elule kui sellisele tõeliselt ainulaadsed ning millised omadused ja omadused on iseloomulikud asjadele, mida saate elusüsteemides eksitada, näiteks prebiootikumid, “kommenteeris Imari Walker Live Science'ile.
Elu tekkimine väljaspool Maad
Enne kui hakkame vastama suurele küsimusele, kas need lihtsad füüsilised süsteemid võiksid mõjutada elu tekkimist mujal universumis, peame kõigepealt mõistma paremini, kus sellised süsteemid võivad Maa peal esineda.
„Kui eluea all peate silmas midagi muljetavaldavat nagu näiteks bakterid või mis tahes muud vormid polümeraasidega (valgud, mis ühendavad DNA-d ja RNA-d) ja DNA-d, siis minu töö ei seisne selles, kui lihtne või keeruline see võib olla. midagi nii keerulist luua, nii et ma ei tahaks ennatlikult proovida teha oletusi selle kohta, kas leiame midagi sarnast kusagil mujal universumis, välja arvatud Maa,”ütleb Inglismaa.
See uuring ei määratle, kuidas bioloogia tekkis mittebioloogilistest süsteemidest, selle eesmärk on vaid selgitada mõnda keerulist keemilist protsessi, mille kaudu toimub kemikaalide iseorganiseerumine. Teostatud arvutisimulatsioonid ei võta arvesse muid eluomadusi, nagu näiteks keskkonnaga kohanemine või reageerimine välistele stiimulitele. Lisaks ei võta see suletud süsteemi termodünaamiline uuring arvesse kogunenud teabe edastamise rolli, märgib statistikaarst Michael Lassing, kes töötab Kölni ülikoolis ka kvantitatiivse bioloogia alal.
"See töö näitab kindlasti tasakaalustamata keemiliste võrkude vastastikmõju hämmastavat tulemust, kuid me oleme ikka veel kaugel sellest, kui füüsika suudab selgitada elu olemust, kus üks taasesituse ja teabe edastamise võtmerolli on omistatud," kommenteeris Lassing Live Science'ile.
Teabe ja selle transpordi roll elavates süsteemides on väga oluline, nõustub Imari Walker. Tema arvates ei tähenda kemikaalide "supis" esineva loodusliku iseorganiseerumise olemasolu tingimata seda, et tegemist on elava organisatsiooniga.
„Ma usun, et on palju vaheetappe, mis peame läbima, et liikuda lihtsalt tellimiselt täielikult funktsionaalse teabearhitektuuri loomisele nagu elavad rakud, mis nõuab midagi mälu või pärimist. Kindlasti saame korda nii füüsikas kui ka tasakaalusüsteemides, kuid see ei tähenda, et sel viisil elu saaksime,”ütleb Imari Walker.
Asjatundjad usuvad üldiselt, et ennatlik oleks öelda, et Inglismaa teos on elu olemuse "lõplik tõend", kuna on ka palju muid hüpoteese, mis üritavad kirjeldada, kuidas elu võis kujuneda peaaegu mitte millestki. Kuid see on kindlasti värske pilk sellele, kuidas füüsilised süsteemid on võimelised looduses ise korraldama. Nüüd, kui teadlastel on põhiline arusaam, kuidas see termodünaamiline süsteem käitub, on võib-olla järgmine samm proovida kindlaks teha piisav arv Maal esinevaid mittetasakaalulisi füüsikalisi süsteeme, väidab Inglismaa.
