Pochopení podstaty života je pro lidstvo jednou z nejobtížnějších a zároveň zajímavých záhad. Postupem času toto tajemství nevyhnutelně přesahovalo otázku, zda život existuje pouze na Zemi, nebo zda existuje někde jinde ve vesmíru. Je vznik života náhodnou a šťastnou náhodou, nebo je pro vesmír stejně přirozený jako univerzální fyzikální zákony?
Vědci se snaží na tyto otázky odpovídat již dlouhou dobu. Jedním z nich je Jeremy England, biofyzik na Massachusetts Institute of Technology. V roce 2013 předpokládal, že fyzikální zákony mohou vyvolat chemické reakce, které umožnily organizování jednoduchých látek tak, aby nakonec získaly „životní“kvality.
Ve výsledcích nové práce Anglie a jejích kolegů je třeba poznamenat, že fyzika je schopna přirozeně vytvářet procesy samo reprodukovatelných reakcí, což je jeden z prvních kroků k vytvoření „živobytí“z „neživení“. Jinými slovy to znamená, že život přímo vychází ze základních přírodních zákonů, které prakticky vylučují možnost hypotézy náhodného výskytu. Ale to by bylo příliš hlasité prohlášení.
Život musel vycházet z něčeho. Biologie vždy neexistovala. Také se to objevilo v důsledku řetězce určitých chemických procesů, které vedly k tomu, že se chemikálie nějak organizovaly do prebiotických sloučenin, vytvořily „stavební kameny života“a poté se změnily v mikroby, které se nakonec vyvinuly v úžasnou sbírku živých věcí. na naší planetě dnes.
Teorie abiogeneze považuje vznik života za vznik živé přírody z neživého a podle Anglie může být základem a klíčem termodynamika, díky níž se z neživých chemických sloučenin mohou proměnit živé biologické sloučeniny. Jak však sám vědec poznamenává, nejnovější výzkum se nezaměřuje na vytvoření spojení mezi „životně důležitými vlastnostmi“fyzických systémů a biologickými procesy.
„Neřekl bych, že jsem udělal práci, která by mohla odpovědět na otázku samotné povahy života jako takové,“řekla Anglie v rozhovoru pro Live Science.
"To, co mě zajímalo, byl samotný důkaz principu - jaké jsou fyzické požadavky na projevy živého chování v neživých sloučeninách."
Propagační video:
Sebeorganizace ve fyzických systémech
Když je energie aplikována na systém, zákony fyziky určují, jak se tato energie rozptýlí. Pokud je tento systém ovlivněn externím zdrojem tepla, energie se začne rozptylovat, dokud není kolem tohoto systému uspořádána tepelná rovnováha. Položte horký šálek kávy na stůl a po chvíli se místo, kde stála šálek, zahřeje. Některé fyzické systémy však mohou být nerovnovážné, a proto se prostřednictvím „samoorganizace“snaží využít energii vnějšího zdroje nejefektivnějším způsobem, v důsledku čehož se spustí docela zajímavé, jak ukazuje Anglie, samy udržující chemické reakce, které brání dosažení termodynamické rovnováhy. Je to, jako by šálek kávy spontánně spustilo chemickou reakci, která způsobila, že ve středu šálku byla udržována pouze malá část kávy,zabrání jeho ochlazení a přechodu do stavu termodynamické rovnováhy s tabulkou. Vědec takovou situaci nazývá „přizpůsobení se rozptylu“a tento mechanismus je přesně to, co podle Anglie obdaří neživé fyzické systémy živými vlastnostmi.
Klíčovým chováním života je možnost vlastní reprodukce nebo (z biologického hlediska) reprodukce. To je základem každého života: je to čteno jako nejjednodušší, pak se reprodukuje, stává se čím dál složitější, pak se opakuje a tento proces se opakuje znovu a znovu. A právě tak se stává, že samoreplikace je také velmi účinným způsobem odvádění tepla a zvyšování entropie v tomto systému.
Ve studii zveřejněné 18. července v časopise Sborník Národní akademie věd v Anglii a spoluautor Jordan Horowitz popisují test své hypotézy. Provedli několik počítačových simulací uzavřeného systému (systému, který si nevyměňuje teplo ani látku s okolím) obsahující „polévku“s 25 chemikáliemi. Navzdory skutečnosti, že jejich systém byl velmi jednoduchý, je to taková „polévka“, která by s největší pravděpodobností mohla kdysi pokrýt povrch staré a neživé Země. Ukázalo se tedy, že pokud jsou tyto chemikálie společně a jsou vystaveny teplu z vnějšího zdroje (například z hydrotermální studny), pak tyto látky budou muset nějakým způsobem rozptýlit toto teplo podle druhého zákona termodynamiky, který říkáže by se teplo mělo rozptýlit a entropie systému v tuto chvíli nevyhnutelně vzroste.
Vytvořením určitých počátečních podmínek vědec zjistil, že tyto chemikálie mohou optimalizovat dopad na energetický systém prostřednictvím samoorganizace a následných aktivních reakcí pro samoreplikaci. Tyto chemikálie se přirozeně přizpůsobily změněným podmínkám. Reakce, které vytvořili, také produkovaly teplo, což odpovídá druhému zákonu termodynamiky. Entropie v systému se bude vždy zvyšovat a chemikálie se budou i nadále samy organizovat a prokazovat životní chování ve formě sebereprodukce.
"Ve skutečnosti systém nejprve vyzkouší mnoho malých řešení, a když jedno z nich začne vykazovat pozitivní výsledek, pak uspořádání celého systému a přizpůsobení se tomuto řešení nezabere moc času," sdílel Anglii rozhovor s Live Science.
Jednoduchý biologický model vypadá takto: molekulární energie se spaluje v buňkách, které jsou přirozeně mimo rovnováhu a řídí metabolické procesy, které podporují život. Jak však Anglie zdůrazňuje, existuje velký rozdíl mezi objevenými životními vlastnostmi a chováním ve virtuální chemické polévce a životem samotným.
Sarah Imari Walker, teoretická fyzika a astrobiologka z Arizonské univerzity, která se dnes nezúčastnila výzkumu, se shoduje.
"Existují dvě cesty, které je třeba vzít, abychom se pokusili kombinovat biologii a fyziku." Jedním je pochopit, jak lze životní kvality získat jednoduchými fyzickými systémy. Druhým je pochopit, jak fyzika může vytvořit život. Obě tyto podmínky je třeba řešit, abychom skutečně pochopili, které vlastnosti jsou pro život jako takové skutečně jedinečné a které vlastnosti a vlastnosti jsou charakteristické pro věci, které si můžete pro živé systémy zaměnit, například prebiotika, "- Imari Walker komentoval Live Science.
Vznik života mimo Zemi
Než začneme odpovídat na velkou otázku, zda tyto jednoduché fyzikální systémy mohou ovlivnit vznik života jinde ve vesmíru, musíme nejprve lépe pochopit, kde takové systémy na Zemi mohou existovat.
"Pokud podle vás máte na mysli něco, co je stejně působivé jako, řekněme, bakterie nebo jakákoli jiná forma s polymerázami (proteiny, které spojují DNA a RNA) a DNA, pak moje práce není o tom, jak snadné nebo obtížné to může být." vytvořit něco tak složitého, takže bych se nechtěl předčasně pokusit učinit předpoklady, zda najdeme něco podobného kdekoli jinde ve vesmíru, s výjimkou Země, “říká Anglie.
Tato studie nedefinuje, jak se biologie objevila z nebiologických systémů, je zaměřena pouze na vysvětlení některých složitých chemických procesů, prostřednictvím kterých dochází k samoorganizaci chemických látek. Provedené počítačové simulace nezohledňují jiné životní vlastnosti, jako je přizpůsobení prostředí nebo reakce na vnější podněty. Navíc tato termodynamická studie uzavřeného systému nebere v úvahu roli přenosu akumulovaných informací, uvádí Michael Lassing, statistický fyzik, který také pracuje v kvantitativní biologii na Univerzitě v Kolíně nad Rýnem.
"Tato práce jistě ukazuje úžasný výsledek interakce nerovnovážných chemických sítí, ale stále ještě nejsme daleko, kdy fyzika může vysvětlit povahu života, ve kterém je jedna z klíčových rolí přiřazena reprodukci a přenosu informací," komentoval Lassing Live Science.
Úloha informací a jejich transport v živých systémech je velmi důležitá, souhlasí Imari Walker. Podle jejího názoru přítomnost přirozené samoorganizace přítomné v „polévce“chemikálií nutně neznamená, že se jedná o živou organizaci.
"Věřím, že existuje mnoho přechodných fází, které musíme projít, abychom se dostali od jednoduchého uspořádání k vytvoření plně funkční informační architektury, jako jsou živé buňky, která vyžaduje něco jako paměť nebo dědičnost." Určitě můžeme získat pořádek ve fyzice a nerovnovážných systémech, ale to neznamená, že tímto způsobem získáme život, “říká Imari Walker.
Odborníci se obecně domnívají, že by bylo předčasné říkat, že práce v Anglii je „přesvědčivým důkazem“povahy života, protože existuje mnoho dalších hypotéz, které se pokoušejí popsat, jak by se život mohl vytvořit téměř z ničeho. Je to však určitě čerstvý pohled na to, jak jsou fyzické systémy schopny samoorganizovat se v přírodě. Nyní, když vědci mají základní představu o tom, jak se tento termodynamický systém chová, možná bude dalším krokem pokusit se identifikovat dostatečný počet nerovnovážných fyzikálních systémů, které se objevují na Zemi, říká Anglie.