Het begrijpen van de aard van het leven is een van de moeilijkste en tegelijkertijd interessante mysteries voor de mensheid. Na verloop van tijd ging dit mysterie onvermijdelijk verder dan de vraag of het leven alleen op aarde bestaat, of dat het ergens anders in het universum bestaat. Is het ontstaan van leven te wijten aan een willekeurig en gelukkig toeval, of is het net zo natuurlijk voor het universum als de universele wetten van de fysica?
Wetenschappers proberen deze vragen al heel lang te beantwoorden. Een van hen is Jeremy England, een biofysicus aan het Massachusetts Institute of Technology. In 2013 stelde hij de hypothese dat de wetten van de fysica chemische reacties zouden kunnen veroorzaken waardoor eenvoudige stoffen zich zo konden organiseren dat ze uiteindelijk "levens" -kwaliteiten verwierven.
In de resultaten van het nieuwe werk van Engeland en zijn collega's wordt opgemerkt dat de natuurkunde in staat is om op natuurlijke wijze processen van zelf-reproduceerbare reacties te creëren, wat een van de eerste stappen is naar het creëren van "leven" van "niet-levend". Met andere woorden, dit betekent dat het leven rechtstreeks voortkomt uit de fundamentele natuurwetten, wat de mogelijkheid van een hypothese van een toevallige gebeurtenis vrijwel uitsluit. Maar dat zou een te luide verklaring zijn.
Het leven moest ergens uit komen. Biologie heeft niet altijd bestaan. Het ontstond ook als een resultaat van een ketting van bepaalde chemische processen die leidden tot het feit dat chemicaliën zich op de een of andere manier organiseerden in prebiotische verbindingen, de 'bouwstenen van het leven' creëerden en vervolgens in microben veranderden, die uiteindelijk uitgroeide tot een verbazingwekkende verzameling levende wezens. die vandaag op onze planeet bestaan.
De theorie van abiogenese beschouwt het ontstaan van leven als het ontstaan van levende natuur uit levenloos en, naar de mening van Engeland, kan thermodynamica de basis en sleutel zijn waardoor levenloze chemische verbindingen in levende biologische verbindingen kunnen veranderen. Zoals de wetenschapper echter zelf opmerkt, is het laatste onderzoek niet gericht op het leggen van een verband tussen de "vitale eigenschappen" van fysische systemen en biologische processen.
"Ik zou niet zeggen dat ik werk heb gedaan dat de vraag naar de aard van het leven als zodanig zou kunnen beantwoorden", deelde Engeland in een interview met WordsSideKick.com.
"Wat me interesseerde was het bewijs van het principe - wat zijn de fysieke vereisten voor de manifestatie van levend gedrag in levenloze samenstellingen."
Promotie video:
Zelforganisatie in fysieke systemen
Wanneer energie wordt toegepast op een systeem, dicteren de wetten van de fysica hoe die energie zal verdwijnen. Als dit systeem wordt beïnvloed door een externe warmtebron, begint de energie te verdrijven totdat er een thermisch evenwicht rond dit systeem is georganiseerd. Zet een warme kop koffie op tafel en na een tijdje wordt de plek waar de kop stond warm. Sommige fysische systemen kunnen echter niet in evenwicht zijn, daarom proberen ze door 'zelforganisatie' de energie van een externe bron op de meest efficiënte manier te gebruiken, waardoor, zoals Engeland opmerkt, zichzelf in stand houdende chemische reacties worden geactiveerd die het bereiken van een thermodynamisch evenwicht verhinderen. Het is alsof een kopje koffie spontaan een chemische reactie teweegbrengt waardoor slechts een klein stukje koffie in het midden van het kopje heet wordt gehouden,het voorkomen van afkoeling en overgang naar de staat van thermodynamisch evenwicht met de tafel. De wetenschapper noemt een dergelijke situatie "aanpassing aan dissipatie", en dit mechanisme is precies wat volgens Engeland levenloze fysieke systemen met levende eigenschappen verleent.
Het belangrijkste gedrag van het leven is de mogelijkheid van zelfreproductie of (vanuit biologisch oogpunt) reproductie. Dit is de basis voor elk leven: het wordt gelezen als het eenvoudigste, dan wordt het gereproduceerd, het wordt steeds complexer, dan wordt het opnieuw gereproduceerd en dit proces wordt keer op keer herhaald. En toevallig is zelfreplicatie ook een zeer effectieve manier om warmte af te voeren en de entropie binnen dit systeem te vergroten.
In een studie die op 18 juli in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences, Engeland is gepubliceerd, beschrijven co-auteur Jordan Horowitz de test van hun hypothese. Ze voerden verschillende computersimulaties uit van een gesloten systeem (een systeem dat geen warmte of materie uitwisselt met zijn omgeving) dat een "soep" van 25 chemicaliën bevat. Ondanks het feit dat hun systeem erg eenvoudig was, is het zo'n "soep" die hoogstwaarschijnlijk ooit het oppervlak van de oude en levenloze aarde zou kunnen bedekken. Dus het bleek dat als deze chemicaliën samen zijn en ze worden blootgesteld aan warmte van een externe bron (bijvoorbeeld een hydrothermische bron), deze stoffen deze warmte op de een of andere manier moeten afvoeren volgens de tweede wet van de thermodynamica, die zegtdat de warmte moet verdwijnen en de entropie van het systeem op dit moment onvermijdelijk zal toenemen.
Door bepaalde beginvoorwaarden te creëren, ontdekte de wetenschapper dat deze chemicaliën de impact op het energiesysteem kunnen optimaliseren door zelforganisatie en daaropvolgende actieve reacties voor zelfreplicatie. Deze chemicaliën pasten zich vanzelfsprekend aan de veranderde omstandigheden aan. De reacties die ze veroorzaakten, produceerden ook warmte, wat overeenkomt met de tweede wet van de thermodynamica. De entropie in het systeem zal altijd toenemen en chemicaliën zullen zich ook blijven organiseren en levensgedrag vertonen in de vorm van zelfreproductie.
"In feite probeert het systeem eerst veel kleinschalige oplossingen, en wanneer een ervan een positief resultaat begint te vertonen, kost het niet veel tijd om het hele systeem te organiseren en je aan deze oplossing aan te passen", vertelde Engeland in een interview met WordsSideKick.com.
Een eenvoudig biologiemodel gaat als volgt: moleculaire energie wordt verbrand in cellen, die inherent uit balans zijn en de metabolische processen regelen die het leven ondersteunen. Maar zoals Engeland opmerkt, is er een groot verschil tussen de ontdekte eigenschappen en het gedrag van het leven in de virtuele chemische soep en het leven zelf.
Sarah Imari Walker, een theoretisch fysicus en astrobioloog aan de Universiteit van Arizona, die niet betrokken was bij het onderzoek dat vandaag wordt besproken, is het daarmee eens.
“Er zijn twee wegen die moeten worden bewandeld om biologie en natuurkunde te combineren. Een daarvan is te begrijpen hoe levenskwaliteiten kunnen worden verkregen uit eenvoudige fysieke systemen. De tweede is om te begrijpen hoe natuurkunde leven kan creëren. Beide aandoeningen moeten worden aangepakt om echt te begrijpen welke eigenschappen echt uniek zijn voor het leven als zodanig, en welke eigenschappen en kenmerken kenmerkend zijn voor dingen die je kunt verwarren met levende systemen, bijvoorbeeld prebiotica,”merkte Imari Walker op tegen WordsSideKick.com.
Het ontstaan van leven buiten de aarde
Voordat we beginnen met het beantwoorden van de grote vraag of deze eenvoudige fysieke systemen het ontstaan van leven elders in het universum zouden kunnen beïnvloeden, moeten we eerst beter begrijpen waar dergelijke systemen op aarde zouden kunnen bestaan.
“Als je met leven iets bedoelt dat zo indrukwekkend is als bijvoorbeeld bacteriën of welke andere vorm dan ook met polymerasen (eiwitten die DNA en RNA verbinden) en DNA, dan gaat mijn werk niet over hoe gemakkelijk of moeilijk het kan zijn. om zoiets ingewikkelds te creëren, dus ik zou niet voortijdig willen proberen aannames te doen over de vraag of we ergens anders in het universum iets soortgelijks zullen vinden, behalve op de aarde”, zegt Engeland.
Deze studie definieert niet hoe biologie voortkwam uit niet-biologische systemen, maar is alleen bedoeld om enkele van de complexe chemische processen te verklaren waardoor de zelforganisatie van chemicaliën plaatsvindt. De uitgevoerde computersimulaties houden geen rekening met andere levenseigenschappen, zoals aanpassing aan de omgeving of reactie op prikkels van buitenaf. Bovendien houdt deze thermodynamische studie van een gesloten systeem geen rekening met de rol van de overdracht van verzamelde informatie, merkt Michael Lassing op, een statisticus fysicus die ook werkzaam is in de kwantitatieve biologie aan de Universiteit van Keulen.
"Dit werk toont zeker het verbazingwekkende resultaat van de interactie van niet-evenwichtige chemische netwerken, maar we zijn nog ver verwijderd van het moment waarop de natuurkunde de aard van het leven kan verklaren, waarin een van de sleutelrollen wordt toebedeeld aan de reproductie en overdracht van informatie," zei Lassing tegen WordsSideKick.com.
De rol van informatie en het transport ervan in levende systemen is erg belangrijk, beaamt Imari Walker. De aanwezigheid van natuurlijke zelforganisatie in een "soep" van chemicaliën betekent volgens haar niet noodzakelijk dat het een levende organisatie is.
“Ik geloof dat er veel tussenstadia zijn die we moeten doorlopen om van een eenvoudige ordening over te gaan naar het creëren van een volledig functionele informatiearchitectuur zoals levende cellen, waarvoor zoiets als geheugen of overerving nodig is. We kunnen zeker orde krijgen in fysica en niet-evenwichtssystemen, maar dit betekent niet dat we op deze manier leven krijgen”, zegt Imari Walker.
Deskundigen zijn over het algemeen van mening dat het voorbarig zou zijn om te zeggen dat het werk van Engeland een "sluitend bewijs" is van de aard van het leven, aangezien er veel andere hypothesen zijn die proberen te beschrijven hoe het leven uit bijna niets zou kunnen zijn ontstaan. Maar het is absoluut een frisse kijk op hoe fysieke systemen zichzelf in de natuur kunnen organiseren. Nu wetenschappers een basiskennis hebben van hoe dit thermodynamische systeem zich gedraagt, zal de volgende stap misschien zijn om te proberen een voldoende aantal niet-evenwichtige fysieke systemen te bepalen die op aarde verschijnen, zegt Engeland.
