Izpratne par dzīves būtību ir viens no grūtākajiem un vienlaikus cilvēcei interesantākajiem noslēpumiem. Laika gaitā šī noslēpums neizbēgami pārsniedza jautājumu par to, vai dzīvība pastāv tikai uz Zemes, vai tā pastāv kaut kur citur Visumā. Vai dzīvības parādīšanās notiek nejaušas un laimes sakritības dēļ, vai arī Visumam tā ir tikpat dabiska kā universālie fizikas likumi?
Zinātnieki uz šiem jautājumiem jau sen mēģina atbildēt. Viens no tiem ir Džeremijs Anglija, Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta biofiziķis. 2013. gadā viņš izvirzīja hipotēzi, ka fizikas likumi var izraisīt ķīmiskas reakcijas, kas ļāva vienkāršām vielām organizēties tā, lai tās galu galā iegūtu "dzīvības" īpašības.
Anglijas un viņa kolēģu jaunā darba rezultātos tiek atzīmēts, ka fizika spēj dabiski radīt pašreproducējamu reakciju procesus, kas ir viens no pirmajiem soļiem ceļā uz “dzīvo” radīšanu no “nedzīvojoša”. Citiem vārdiem sakot, tas nozīmē, ka dzīve tieši izriet no dabas pamatlikumiem, kas faktiski izslēdz nejaušas iestāšanās hipotēzes iespēju. Bet tas būtu pārāk skaļš paziņojums.
Dzīvei vajadzēja kaut kā iznākt. Bioloģija ne vienmēr ir pastāvējusi. Arī tas parādījās noteiktu ķīmisko procesu ķēdes rezultātā, kas noveda pie tā, ka ķīmiskās vielas kaut kā tika sakārtotas prebiotiskos savienojumos, radīja “dzīvības celtniecības blokus” un pēc tam pārvērtās par mikrobiem, kas galu galā pārtapa par pārsteidzošu dzīvo lietu kolekciju. kas šodien atrodas uz mūsu planētas.
Abioģenēzes teorijā dzīves parādīšanos uzskata par dzīvās dabas parādīšanos no nedzīvas, un, pēc Anglijas domām, termodinamika var būt pamats un atslēga, caur kuru nedzīvi ķīmiskie savienojumi varētu pārvērsties par dzīviem bioloģiskiem. Tomēr, kā atzīmē pats zinātnieks, jaunāko pētījumu mērķis nav izveidot savienojumu starp fizisko sistēmu "vitālajām īpašībām" un bioloģiskajiem procesiem.
"Es neteiktu, ka esmu paveicis darbu, kas varētu atbildēt uz jautājumu par dzīves pašu būtību kā tādu," intervijā Live Science dalījās Anglija.
"Tas, kas mani ieinteresēja, bija pats principa pierādījums - kādas ir fiziskās prasības dzīves uzvedības izpausmēm nedzīvajos savienojumos."
Reklāmas video:
Pašorganizācija fiziskajās sistēmās
Kad sistēmai tiek pielietota enerģija, fizikas likumi nosaka, kā šī enerģija izkliedēsies. Ja šo sistēmu ietekmē ārējs siltuma avots, tad enerģija sāk izklīst, līdz ap šo sistēmu tiek organizēts termiskais līdzsvars. Novietojiet karstu kafijas tasi uz galda, un pēc brīža vieta, kur tasi stāvēja, kļūs silta. Tomēr dažas fiziskās sistēmas var būt nelīdzsvarotas, tāpēc ar "pašorganizācijas" palīdzību viņi mēģina visefektīvāk izmantot ārēja avota enerģiju, kā rezultātā diezgan interesantas, kā uzsver Anglija, tiek iedarbinātas pašpietiekamas ķīmiskas reakcijas, kas neļauj sasniegt termodinamisko līdzsvaru. Tas ir tā, it kā kafijas tasīte spontāni izraisītu ķīmisku reakciju, kuras dēļ karstā veidā tiktu turēta tikai niecīga kafijas daļa tasītes centrā,novēršot tā atdzišanu un pāreju uz termodinamiskā līdzsvara stāvokli ar galdu. Zinātnieks šādu situāciju sauc par "pielāgošanos izkliedei", un tieši šis mehānisms, pēc Anglijas domām, piešķir nedzīvas fiziskas sistēmas ar dzīvām īpašībām.
Dzīves galvenā uzvedība ir sevis vairošanās vai (no bioloģiskā viedokļa) reprodukcijas iespēja. Tas ir jebkuras dzīves pamats: to lasa kā visvienkāršāko, tad to reproducē, kļūst arvien sarežģītāks, tad to reproducē vēlreiz un šis process tiek atkārtots atkal un atkal. Un tieši tā notiek, ka sevis replikācija ir arī ļoti efektīvs veids, kā izkliedēt siltumu un palielināt entropiju šajā sistēmā.
Pētījuma atklājumos, kas publicēti 18. jūlijā žurnālā Proceedings of the National Academy of Sciences, Anglija, un līdzautore Jordānija Horowitz apraksta savas hipotēzes pārbaudi. Viņi veica vairākas slēgtas sistēmas (sistēmas, kas nemaina siltumu vai vielu ar apkārtējo vidi) datorsimulācijas, kurās bija 25 ķimikāliju "zupa". Neskatoties uz to, ka viņu sistēma bija ļoti vienkārša, tā ir tāda “zupa”, kas, visticamāk, kādreiz varēja pārklāt senās un nedzīvās Zemes virsmu. Tātad izrādījās: ja šīs ķīmiskās vielas tiek atrastas kopā un tās tiek pakļautas karstumam no ārēja avota (piemēram, hidrotermiskās akas), tad šīm vielām vajadzēs kaut kā izkliedēt šo siltumu saskaņā ar otro termodinamikas likumu, kurā teiktskarstumam vajadzētu izklīst un sistēmas entropija šajā brīdī neizbēgami palielināsies.
Izveidojot noteiktus sākotnējos apstākļus, zinātnieks atklāja, ka šīs ķīmiskās vielas var optimizēt ietekmi uz enerģētisko sistēmu, izmantojot pašorganizāciju un sekojošas aktīvās reakcijas pašreplikācijai. Šīs ķīmiskās vielas dabiski pielāgojas mainīgajiem apstākļiem. Viņu radītās reakcijas arī radīja siltumu, kas atbilst otrajam termodinamikas likumam. Entropija sistēmā vienmēr palielināsies, un arī ķīmiskās vielas turpinās pašorganizēties un demonstrēt dzīves uzvedību pašreprodukcijas veidā.
“Faktiski sistēma vispirms izmēģina daudzus maza mēroga risinājumus, un, kad viens no tiem sāk parādīt pozitīvu rezultātu, tad visas sistēmas organizēšana un pielāgošanās šim risinājumam neaizņem daudz laika,” Anglija dalījās intervijā Live Science.
Vienkāršs bioloģijas modelis ir šāds: molekulārā enerģija tiek sadedzināta šūnās, kas dabiski atrodas ārpus līdzsvara un regulē vielmaiņas procesus, kas atbalsta dzīvību. Bet, kā uzsver Anglija, pastāv liela atšķirība starp atklātajām dzīves īpašībām un izturēšanos virtuālajā ķīmiskajā zupā un pašu dzīvi.
Ariansas universitātes teorētiskais fiziķis un astrobiologs Sāra Imari Walker, kas nebija iesaistīta šodien apspriestajā pētījumā, tam piekrīt.
“Lai mēģinātu apvienot bioloģiju un fiziku, ir jānoiet divi ceļi. Viens ir saprast, kā dzīves īpašības var iegūt no vienkāršām fiziskām sistēmām. Otrais ir saprast, kā fizika var radīt dzīvību. Būtu jāpievēršas abiem šiem nosacījumiem, lai patiešām saprastu, kuras īpašības ir patiesi unikālas dzīvei kā tādai, un kuras īpašības un īpašības ir raksturīgas lietām, kuras jūs varat sajaukt ar dzīvām sistēmām, piemēram, prebiotikām,”Imari Walker komentēja Live Science.
Dzīves rašanās ārpus Zemes
Pirms sākam atbildēt uz lielo jautājumu, vai šīs vienkāršās fiziskās sistēmas varētu ietekmēt dzīvības parādīšanos citur Visumā, mums vispirms ir labāk jāsaprot, kur šādas sistēmas varētu pastāvēt uz Zemes.
“Ja ar dzīvi jūs domājat kaut ko tikpat iespaidīgu kā, teiksim, baktērijas vai jebkuru citu formu ar polimerāzēm (olbaltumvielām, kas savieno DNS un RNS) un DNS, tad mans darbs nav par to, cik viegli vai grūti tas var būt. radīt kaut ko tik sarežģītu, tāpēc es negribētu priekšlaicīgi mēģināt izdarīt pieņēmumus par to, vai kaut ko citur Visumā, izņemot Zemi, atradīsim kaut ko līdzīgu,”saka Anglija.
Šis pētījums nenosaka, kā bioloģija izveidojās no nebioloģiskām sistēmām, tā mērķis ir tikai izskaidrot dažus sarežģītus ķīmiskos procesus, caur kuriem notiek ķīmisko vielu pašorganizācija. Veiktajās datorsimulācijās netiek ņemtas vērā citas dzīves īpašības, piemēram, pielāgošanās videi vai reakcija uz ārējiem stimuliem. Turklāt šis slēgtas sistēmas termodinamiskais pētījums neņem vērā uzkrāto informācijas nodošanas lomu, atzīmē Maikls Lāsings, statistiķu ārsts, kurš strādā arī kvantitatīvajā bioloģijā Ķelnes universitātē.
“Šis darbs noteikti parāda pārsteidzošos nevienmērīga līdzsvara ķīmisko tīklu mijiedarbības rezultātus, taču mēs joprojām esam tālu no tā, kad fizika var izskaidrot dzīves būtību, kurā viena no galvenajām lomām tiek piešķirta informācijas reproducēšanai un nodošanai,” Liveass komentēja Lassings.
Informācijai un tās transportam dzīvās sistēmās ir ļoti liela nozīme, piekrīt Imari Walker. Viņasprāt, dabiskas pašorganizācijas klātbūtne ķimikāliju “zupā” nebūt nenozīmē, ka tā ir dzīva organizācija.
“Es uzskatu, ka ir daudz starpposmu, kas mums jāiziet, lai pārietu no vienkāršas pasūtīšanas uz pilnībā funkcionējošas informācijas arhitektūras izveidi, piemēram, dzīvām šūnām, kam nepieciešams kaut kas līdzīgs atmiņai vai mantojumam. Mēs noteikti varam panākt kārtību fizikā un nesabalansētās sistēmās, taču tas nenozīmē, ka šādā veidā mēs iegūstam dzīvi,”saka Imari Walker.
Eksperti parasti uzskata, ka būtu pāragri apgalvot, ka Anglijas darbs ir "pārliecinošs dzīves dzīves pierādījums", jo ir arī daudzas citas hipotēzes, kas mēģina aprakstīt, kā dzīve varēja veidoties no gandrīz nekā. Bet tas noteikti ir svaigs skatījums uz to, kā fiziskās sistēmas spēj dabiski pašorganizēties. Tagad, kad zinātniekiem ir pamatzināšanas par to, kā šī termodinamiskā sistēma uzvedas, iespējams, nākamais solis būs mēģinājums identificēt pietiekamu skaitu nesabalansētu fizisko sistēmu, kas parādās uz Zemes, saka Anglija.