Nauja gyvybės fizikos teorija (27)
Kai neieškai, tai ir nerandi. Elementari tiesa, slepianti savyje nemenką potencialą, galintį priversti pažvelgti naujai į jau, regis, dulkėmis fosilijų saugyklose nusėdusius faktus ir tiesas.
Už straipsnio pasiūlymą dėkojame p. Vilmantui Kiršai
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Kodėl egzistuoja gyvybė?
Populiarios hipotezės aiškina pirmine sriuba, žaibo smūgiu ir didžiule sėkme. Bet jei nauja provokuojanti teorija teisinga, su sėkme tai gali turėti mažai ką bendro. Vietoje to, pasak idėją iškėlusio fiziko, gyvybės atsiradimas ir tolesnė evoliucija kyla iš fundamentalių gamtos dėsnių ir „turėtų būti toks pat nestebinantis, kaip akmenų riedėjimas į pakalnę.”
Iš fizikos požiūrio taško, yra vienas esminis skirtumas tarp gyvų dalykų ir tiesiog krūvos anglies atomų: pirmieji paprastai daug geriau išgauna energiją iš aplinkos ir išsklaido ją kaip šilumą. Jeremy'is Englandas, 31-erių profesoriaus Massachusettso technologijos universitete (MIT), išvedė matematinę formulę, kuri, jo teigimu, paaiškina šį sugebėjimą. Formulė, paremta pripažinta fizika, rodo, kad grupei atomų judant dėl išorinio energijos šaltinio (pavyzdžiui, Saulės ar cheminio kuro) ir esant apsuptai terminės energijos rezervuaro (kaip vandenynai ar atmosfera), ji palaipsniui save pertvarko taip, kad išsklaidytų kuo daugiau energijos. Tai gali reikšti, kad tam tikromis aplinkybėmis materija neišvengiamai įgyja pagrindinius su gyvybe siejamus fizinius atributus.
© Kristian Peters
Samanos Plagiomnium affine ląstelės su matomais chloroplastais, organelomis, iš sugeriamos šviesos vykdančiomis fotosintezę.
„Pradedi nuo atsitiktinių atomų sankaupos ir jei pakankamai ilgai į ją šviesi, neturėtų stebinti, kad gausi augalą,” sakė Englandas.
Englando teorija skirta pagrįsti, o ne pakeisti Darwino evoliucijos natūralios atrankos būdu teoriją, suteikiančią galingą gyvybės apibūdinimą genų ir populiacijų lygmenyje. „Tikrai nesakau, kad Darwino idėjos neteisingos,” aiškina jis. „Priešingai, sakau tik, kad iš fizikos perspektyvos, Darwino evoliuciją galima vadinti bendresnio reiškinio atskiru atveju.”
Jo idėja, smulkiai išdėstyta naujame darbe ir toliau išvystyta kalboje, kurią sako viso pasaulio universitetuose, įžiebė kontroversiją tarp jo kolegų, kurie regi ją arba kaip silpną, arba kaip proveržį, arba kaip abu.
Englandas žengė „labai drąsų ir labai svarbų žingsnį,” sakė Alexanderis Grosbergas, Niujorko universiteto fizikos profesorius, sekęs Englando darbą nuo pat pradžių. „Didžioji viltis” yra tai, kad jis nustatė gyvybės atsiradimo ir evoliucijos pamatinį fizikinį principą, teigė Grosbergas.
„Jeremy'is yra, ko gero, šviesias mano sutiktas jaunas mokslininkas,” sakė Attila Szabo, Nacionalinio sveikatos instituto cheminės fizikos laboratorijos biofizikas, susirašinėjęs su Englandu apie šio teoriją po susitikimo konferencijoje. „Mane pribloškė idėjų originalumas.”
Kiti, pavyzdžiui Eugene'as Shakhnovichius, chemijos, cheminės biologijos ir biofizikos profesorius Harvardo universitete, nėra tuo įsitikinę. „Jeremy’io idėjos įdomios ir potencialiai daug žadančios, bet kol kas labai spekuliatyvios, ypač pritaikant jas gyvybės fenomenui,” svarstė Shakhnovichius.
Englando teoriniai rezultatai iš esmės pripažįstami, kaip teisingi. Tai jo interpretacija – kad ši formulė reprezentuoja gamtos reiškinių tarp kurių ir gyvybė, varomąją jėgą – lieka neįrodyta. Bet jau yra minčių, kaip šią interpretaciją patikrinti laboratorijoje.
„Jis bando kai ką radikaliai skirtingo,” sakė Mara Prentiss, fizikos profesorė Harvardo universitete, kuri planuoja tokį eksperimentą, sužinojusi apie Englando darbą. „Kaip organizatorė, manau, kad jo idėja nuostabi. Teisinga ji ar klaidinga, labai vertėtų patyrinėti.”
© Jeremy England
Jeremy'io Englando ir kolegų atlikta kompiuterinė simuliacija rodo klampiame skystyje pakibusią dalelių sistemą, kur turkio spalvos daleles judina osciliuojanti jėga. Bėgant laikui (nuo viršaus apačion), jėga skatina susiformuoti daugiau ryšių tarp dalelių.
Englando idėjos pagrindas yra antrasis termodinamikos dėsnis, dar vadinamas didėjančios entropijos ar „laiko strėlės“ dėsniu. Karšti daiktai vėsta, dujos išsisklaido ore, kiaušinį galima suplakti, bet jis niekada spontaniškai neatsiplaka; trumpiau tariant, energija linkusi sklisti ir plisti. Entropija yra šios tendencijos matas, parodantis, kaip sistemoje išplitusi ir tarp dalelių pasiskirsčiusi energija, ir kaip tos dalelės išsidėsčiusios erdvėje. Ji didėja dėl paprasčiausios tikimybės: yra daugiau būdų energijai būti išsibarsčiusiai, nei koncentruotai. Taigi, dalelėms judant sistemoje ir sąveikaujant, jos dėl gryno atsitiktinumo linkusios įgauti konfigūracijas, kuriose energija yra išsibarsčiusi. Galiausiai sistema įgauna maksimalios entropijos būseną, vadinamąją termodinaminę pusiausvyrą, kurioje energija pasiskirsčiusi tolygiai. Pavyzdžiui, kavos puodelis kambaryje ir pats kambarys tampa tos pačios temperatūros. Jei puodelis ir kambarys paliekami ramybėje, šis procesas yra negrįžtamas. Kava spontaniškai vėl netaps karšta, nes tokia tikimybė yra neapsakomai mažesnė, už kambario energijos atsitiktinio pasiskirstymo jo atomuose tikimybę.
Nors entropija izoliuotoje, „uždaroje“ sistemoje bėgant laikui turi didėti, „atvira“ sistema gali išlaikyti mažą entropiją – tai yra paskirstyti energiją tarp savo atomų netolygiai – smarkiai padidindama supančios aplinkos entropiją. Savo įtakingoje 1944-ųjų monografijoje „What Is Life?” žymusis kvantų fizikas Erwinas Schrödingeris teigė, kad būtent tai gyvi objektai ir turi daryti. Pavyzdžiui, augalas sugeria labai energingą šviesą, panaudoja ją cukrų gamybai ir išspinduliuoja infraraudonąją šviesą, daug mažiau koncentruotą energijos formą. Bendra visatos entropija vykstant fotosintezei didėja, kadangi saulės spinduliai išsibarsto, net jei augalas užkerta kelią savo irimui, išlaikydamas tvarkingą vidinę struktūrą.
Gyvybė antrojo termodinamikos dėsnio nepažeidžia, bet dar neseniai fizikai nesugebėjo naudoti termodinamikos, aiškindamiesi, kodėl ji išvis turtų atsirasti. Schrödingerio laikais jie galėjo spręsti termodinamikos lygtis tik uždaroms sistemoms, esančioms termodinaminėje pusiausvyroje. Septintajame XX a. dešimtmetyje belgų fizikas Ilya Prigogine'as pasistūmėjo, numatydamas atvirų sistemų, silpnai veikiamų išorinių energijos šaltinių, elgesį (1977 už tai jam buvo suteikta Nobelio premija, chemijos srityje). Tačiau smarkiai nepusiausvirų sistemų, sujungtų su išorine aplinka ir stipriai veikiamų išorinių energijos šaltinių elgesys negalėjo būti prognozuojamas.
Ši situacija pasikeitė dešimtojo dešimtmečio gale, labiausiai dėl Chriso Jarzynski'io, dabar dirbančio Marylando universitete, ir Gavino Crookso iš Lawrence Berkeley nacionalinės laboratorijos, darbo. Jarzynski'is ir Crooksas parodė, kad dėl termodinaminio proceso, tokio, kaip kavos puodelio vėsimas kambaryje, atsirandanti entropija atitinka paprastą santykį: su atomais vykstančio proceso tikimybę, padalintą iš priešingo proceso vykimo tikimybės (tai yra, spontaniškai sąveikauti taip, kad kava sušiltų). Didėjant entropijai, didėja ir šis santykis: sistemos elgesys tampa vis labiau „negrįžtamas“. Ši paprasta, tačiau griežta formulė iš principo gali būti taikoma bet kokiam termodinaminiam procesui, nesvarbu, kokia jo vykimo sparta ar kaip toli jis nuo pusiausvyros. „Mūsų supratimas apie labai nepusiausvirų sistemų statistinę mechaniką smarkiai patobulėjo,” sakė Grosbergas. Englandas, turintis biochemijos ir fizikos išsilavinimą, prieš porą metų MIT pradėjo savo laboratoriją ir nusprendė pritaikyti naujas statistinės fizikos žinias biologijai.
Naudodamas Jarzynski'io ir Crookso formuluotę, jis išvedė antrojo termodinamikos dėsnio apibendrinimą, tinkantį tam tikrų charakteristikų dalelių sistemoms: sistemas stipriai veikia išorinis energijos šaltinis, pavyzdžiui elektromagnetinės bangos, ir jos gali pašalinti šilumą į jas supantį terminės energijos rezervuarą. Šiai sistemų klasei priklauso visos gyvos būtybės. Tada Englandas nustatė, kaip tokios sistemos vystosi, didėjant jų negrįžtamumui. „Iš formulės labai paprastai matome, kad labiau tikėtinos tos evoliucinės pasekmės, kurios sugeria ir išsklaido daugiau energijos iš aplinkos išorinių šaltinių,” sakė jis. Atradimas intuityviai suprantamas: dalelės linkusios išsklaidyti daugiau energijos tada, kai rezonuoja su veikiančia jėga, arba juda ta kryptimi, kuria ji stumia, ir kad bet kuriuo momentu didesnė tikimybė, kad jos judės ta kryptimi, nei bet kuria kita.
„Tai reiškia, kad tam tikros temperatūros terminės energijos rezervuaro, pvz., okeano ar atmosferos, supamos atomų sankaupos turėtų laikui bėgant pasiskirstyti taip, kad vis geriau rezonuotų su mechaninės, elektromagnetinės ar cheminės energijos šaltinio veikimu savo aplinkoje,” paaiškino Englandas.
© Michael Brenner/Proceedings of the National Academy of Sciences
Besidalijančios rutuliukų sankaupos: pagal naujus Harvarde atliktus tyrimus, mikrosferų paviršiaus padengimas apvalkalu gali paskatinti jas spontaniškai susirinkti į pasirinktą struktūrą, pavyzdžiui politetraedroną (raudonas), kuris tada sukelia gretimų sferų formavimąsi į identišką struktūrą.
Savireplikacija (arba biologiniais terminais kalbant – reprodukcija), gyvybės evoliuciją Žemėje varantis procesas, yra vienas iš tokių mechanizmų, kuriais sistema gali išsklaidyti vis daugiau energijos. Kaip sako Englandas, „puikus energijos išsklaidymo būdas yra pasidaryti daugiau savo paties kopijų.” Rugsėjo straipsnyje Journal of Chemical Physics, jis aprašė teoriškai mažiausią energijos sklaidą, galinčią vykti replikuojantis RNR molekulėms ir bakterijų ląstelėms, ir parodė, kad jis labai artimas tikrajam šių replikuojančiųjų sistemų išskiriamam kiekiui. Dar jis pademonstravo, kad RNR, nukleininė rūgštis, daugelio mokslininkų manymu, buvusi DNR pagrindo gyvybės pirmtaku, yra itin pigi statybinė medžiaga. Jis teigia, kad atsiradus RNR, jos „darvinistinis užkariavimas” neturėtų stebinti.
Pirmykštės sriubos chemija, atsitiktinės mutacijos, geografija, katastrofos ir nesuskaičiuojama daugybė kitų faktorių prisidėjo prie smulkiausių Žemės floros ir faunos įvairovės detalių. Bet pagal Englando teoriją, pamatinis principas, stumiantis visą procesą yra materijos prisitaikymas energijos sklaidymui.
Šis principas taip pat tinka ir negyvai materijai. „Labai maga spekuliuoti, kuriuos gamtos reiškinius galime priskirti plačiai sklaidymo varomam adaptyviniam organizavimuisi,” sakė Englandas. „Daug pavyzdžių gali būti po nosimi, tačiau kadangi jų neieškojome, tai ir nepastebėjome.”
Mokslininkai jau yra stebėję savireplikaciją negyvoje sistemoje. Philipo Marcuso iš Kalifornijos universiteto Berklyje vadovaujamame naujame tyrime, paskelbtame Physical Review Letters rugpjūtį, turbulentinių skysčių verpetai spontaniškai save replikuoja, imdami energiją iš supančio skysčio. O šią savaitę internete pasirodysiančiame Proceedings of the National Academy of Sciences straipsnyje Michaelas Brenneris, taikomosios matematikos ir fizikos profesorius Harvarde, ir jo bendradarbiai pristato galinčių replikuotis mikrostruktūrų teorinius modelius ir simuliacijas. Šie specialiai padengtų mikrosferų sambūriai išsklaido energiją, priversdami gretimas sferas formuoti identiškus sambūrius. „Tai labai siejasi su Jeremio teiginiais,” sakė Brenneris.
Be savireplikacijos, struktūrinė organizacija yra kitas būdas, kuriuo stipriai veikiamos sistemos pagerina savo gebėjimą išsklaidyti energiją. Pavyzdžiui, augalas daug geriau sugauna ir perdirba saulės šviesą, nei nestruktūrizuota angies atomų krūva. Taigi, tvirtina Englandas, tam tikromis sąlygomis materija spontaniškai organizuosis. Ši tendencija galėtų paaiškinti vidinę gyvų organizmų tvarką ir taip pat daugelį negyvų struktūrų. „Snaigės, smėlio kopos ir turbulentiški sūkuriai panašūs tuo, kad yra stulbinančiai tvarkingos struktūros, atsirandančios daugelio dalelių sistemose, varomose kokio nors energijos išsklaidymo proceso,” sakė jis. Šiais konkrečiais atvejais tai yra kondensacija, vėjas ir skysčių trintis.
„Jis verčia mane galvoti, kad gyvos ir negyvos materijos skirtumai nėra griežtas,” elektroniniame laiške rašė Carlas Franckas, biofizikas iš Cornellio universiteto. „Ypač stipriai tai matosi, kai kalbama tokias mažas sistemas, kaip cheminiai virsmai, kuriuose dalyvauja tik kelios biomolekulės.”
© Wilson Bentley
Jei naujoji teorija teisinga, jos nurodoma gyvų sutvėrimų atsiradimą lemianti fizika galėtų paaiškinti daugelį kitų tvarkingų gamtos struktūrų susiformavimą. Snaigės, smėlio kopos ir save replikuojantys sūkuriai protoplanetiniame diske galėtų būti prisitaikymo išsklaidyti energiją pavyzdžiai.
Drąsi Englando idėja vėliau tikriausiai bus skrupulingai tikrinama. Dabar jis vykdo kompiuterinę simuliaciją, siekdamas patikrinti savo teoriją, jog dalelių sistemos pritaiko savo struktūrą geresniam energijos išsklaidymui. Kitas žingsnis bus eksperimentai su gyvomis sistemomis.
Prentissė, vadovaujanti eksperimentinės biofizikos laboratorijai Harvarde, sako, kad Englando teorija galėtų būti patikrinta, lyginant ląsteles su skirtingomis mutacijomis ir ieškant koreliacijos tarp išsklaidomos energijos kiekio ir jų dauginimosi greičių. „Reikia būti atsargiam, nes bet kokia mutacija gali veikti daug dalykų,” sakė ji. „Bet jei daug tokių eksperimentų vykdysime skirtingose sistemose ir jei [išsklaidymas ir replikacijos sėkmė] išties koreliuos, tai rodytų, jog šis organizavimo principas teisingas.”
Brenneris sakė, jog tikisi prijungti Englando teoriją prie savo mikrosferų konstravimo ir nustatyti, ar teorija teisingai numatys, kuris savireplikacijos ir savęs surinkimo procesas vyks – „fundamentalus mokslo klausimas,” pabrėžė jis.
Visaapimantis gyvybės ir evoliucijos principas suteiktų mokslininkams platesnę struktūrų atsiradimo ir gyvų organizmų funkcijų perspektyvą, tvirtino daugelis tyrėjų. „Natūrali atranka nepaaiškina tam tikrų charakteristikų,” e. laiške dėstė Ardas Louisas, biofizikas iš Oksfordo universiteto. Tai tokios charakteristikos, kaip paveldimas genų raiškos pokytis, vadinamasis metilinimas, sudėtingėja ir be natūralios atrankos, ir tam tikri Louiso tirti molekuliniai pokyčiai.
Jei Englando požiūris atlaikys ir tolesnį patikrinimą, jis galėtų labiau išlaisvinti biologus nuo darvinistinių paaiškinimų ieškojimų kiekvienam prisitaikymui ir leistų galvoti bendriau, energijos išsklaidymo varomos organizavimosi terminais. Pavyzdžiui, gali pasirodyti, kad „priežastis, kodėl organizmas turi charakteristikas X, o ne Y, gali būti ne todėl, kad X leidžia geriau prisitaikyti, nei Y, bet todėl, kad fizikiniai apribojimai X išsivystymą daro lengvesnį, nei Y išsivystymą,” sakė Louisas.
„Žmonės dažnai įstringa galvodami apie atskiras problemas,” sakė Prentiss. Ar Englando idėjos pasirodys teisingos, ar ne, sakė ji, „platesnis mąstymas yra ta vieta, kur padaroma daug mokslinių proveržių.”
Natalie Wolchover
https://www.simonsfoundation.org