Nauja gyvybės fizikos teorija

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