Mokslo ir technologijų pasaulis

Gyvybės kilmė – viena iš didžiausių mokslo paslapčių. Kaip negyvas molekulių mišinys transformavosi į gyvą organizmą? Koks mechanizmas lėmė tokią permainą?

Prieš pusantro šimtmečio Charlesas Darwinas gana įtikinamai paaiškino, kaip Žemėje gyvybė iš pačių paprasčiausių mikroorganizmų išsivystė į sudėtingą šiandieninę biosferą. Bet šio rūšių kilmę išaiškinusio mokslininko teorijoje stinga vieno svarbaus elemento – kaip atsirado gyvybė apskritai. „Lygiai taip pat galima būtų svarstyti ir apie materijos prigimtį“, - į kritiką, kad nepaaiškino gyvybės atsiradimo, replikavo C. Darwinas. Tačiau tai nesutrukdė daugeliui mokslininkų kartų tyrinėti šį klausimą, rašo guardian.co.uk.

Bėda ta, jog gyvybė atsirado prieš milijardus metų, o visi šio proceso pėdsakai jau senų seniausiai išnykę. Labai tikėtina, kad niekada taip ir nesužinosime kaip pažingsniui įvyko gyvybės atsiradimo procesas. Bet galbūt mes vis dar sugebėtume atsakyti į paprastesnį klausimą – ar gyvybės atsiradimas buvo neįtikėtinų sutapimų seka, nutikusi tik kartą, ar beveik neišvengiamas gyvybei draugiškų gamtos dėsnių rezultatas. Šis atsakymas mums labai svarbus – jis atsakytų, ar mes Visatoje esame vieni, o galbūt mūsų ir kaimyninėse galaktikose gyvybė knibžda.

Paskutinį gyvybės kilmės tyrimą atliko chemikai. Jie įvairiais būdais bandė atkurti pirmuosius gyvybės kelio žingsnius, tačiau rimtos pažangos taip ir nebuvo padaryta. Galbūt tai neturėtų stebinti žinant, kokia stulbinamai sudėtinga yra gyvybė. Netgi paprasčiausios bakterijos yra nepalyginamai sudėtingesnės nei bet koks iki šiol tirtas chemikalų mišinys.

Visi bandymai chemijos laboratorijoje sukurti gyvybę iš molekulių susiduria ir su kur kas fundamentalesne kliūtimi: chemijos kalba tiesiog nedera su biologijos kalba. Chemijoje svarbu kokios yra medžiagų savybės, kaip jos reaguoja tarpusavy, o biologijoje operuojama tokiomis sąvokomis, kaip informacija ir organizacija. Informaciniai junginiai biologijoje yra visur. DNR yra vadinama genetine „duomenų baze“, kurioje saugomos „instrukcijos“, pagal kurias sukuriamas organizmas. Šis genetinis „kodas“ prieš panaudojimą turi būti „transkribuojamas“ ir „transliuojamas“. Ir taip toliau. Jeigu gyvybės kilmės klausimą aptarinėtume kompiuteriniu žargonu, tuomet bandymai atlikti cheminę gyvybės sintezę būtų darbas grynai su „geležimi“ - cheminiu gyvybės substratu – ignoruojant programinę įrangą – informacinį aspektą. Norint suprasti kaip atsirado gyvybė, turėtume suvokti, kaip atsirado unikalus informacijos srautų valdymas.

Praėjusio amžiaus penktame dešimtmetyje matematikas Johnas von Neumannas gyvybę palygino su mechaniniu konstruktoriumi ir aprašė savaime besigaminančio automato, kuris pasigamintų ir savo techninę, ir programinę įrangą, loginę struktūrą. Deja, J. Von Neumanno analizė iki šiol tėra teorinis pasvarstymas. Bet dabar iš inžinierių, matematikų ir informatikų, tiriančių kaip informacija teka sudėtingose sistemose su atgalinio ryšio kilpomis, loginiais moduliais ir kontrolės procesais, veiklos gimė nauja perspektyva. Šių mokslininkų darbas parodė, kad informacijos tėkmės dinamika pasižymi esminiais bruožais, kurie nėra priklausomi nuo specifinės techninės įrangos, kurioje ši informacija laikoma.

Informacijos teorija plačiai taikoma biologinėms sistemoms įvairiuose lygmenyse – nuo genomų iki ekosistemų – tačiau retai kada pasinaudojant šia teorija bandoma spręsti gyvybės atsiradimo klausimą. Toks teorijos taikymas pateikia visiškai naują uždavinio perspektyvą. Gyvybės atsiradimo paslaptis slypi ne kokioje nors ypatingoje cheminio mišinio sudėtyje, o informacijos srautų organizavimo transformacijoje.

NASA astrobiologė Sara Walker, dirbanti Arizonos valstijos universitete (JAV) kartu su šio guardian.co.uk publikuoto straipsnio autoriumi Paulu Daviesu iškėlė idėją, kad svarbiausia biologinės informacijos savybė yra ne jos sudėtingumas, nors jis ir nėra paneigiamas, tačiau jos hierarchinis organizavimas. Visose fizinėse sistemose informacijos srautai teka iš apačios į viršų – sistemos komponentai lemia visos sistemos veikimą. Todėl jeigu meteorologas nori prognozuoti orus, jis turėtų pradėti nuo vietinės informacijos, tokios kaip temperatūra ir oro slėgis įvairiose vietovėse, o po to apskaičiuoti, kaip judės ir keisis orų sistemos visuma. Gyvosiose sistemose toks informacijos srautas iš apačios aukštyn maišosi su priešingu srautu, iš viršaus žemyn – tai, kas vyksta lokaliai, gali būti priklausoma nuo globalios aplinkos ir atvirkščiai.

Apsvarstykime paprastą pavyzdį. Tai, ar ląstelė vykdys geno ekspresiją, priklauso nuo mechaninio spaudimo ar elektrinių laukų, veikiančių ląstelę iš išorės. Taigi, globalios informacijos pokytis (veikiančios jėgos permaina) makroskopiniame lygmenyje gali virsti vietiniu informacijos judėjimu mikroskopiniame lygmenyje (geno sintezė ar įjungimas). Žvelgiant bendriau, iš aplinkos gaunamų signalų spektras padeda nuspręsti, kaip paskirstoma ir transkribuojama ląstelės DNR. Mokslininkai pasiūlė idėją, kad esminė permaina kelyje į gyvybės atsiradimą įvyko tuomet, kai pirmą kartą pradėjo dominuoti informacijos srautas iš viršaus žemyn. Taikant paprastus matematinius modelius mokslininkai įgijo pagrindą teigti, kad tokia permaina įvyko staiga – jie tai palygino su įkaitusių dujų staigiu užsidegimu.

Yra ir dar vienas išskirtinis būdas, kuriuo gyvybė valdo informacijos apdorojimą. Genų kalba yra skaitmeninė, sudaryta iš diskrečių bitų, surašytų keturių raidžių apimties abėcėle. Palyginimui, cheminiai procesai yra tolydūs. Tolydūs kintamieji taip pat gali apdoroti informaciją – tokiu būdu veikia vadinamieji analoginiai kompiuteriai – tačiau ne taip patikimai, kaip skaitmeniniai. Kad ir kokioje cheminėje sistemoje gimė gyvybė, joje turėjo įvykti perėjimas iš analoginio į skaitmeninį režimą.

Tame, kaip gyvybė valdo informacijos srautus, dalyvauja loginė struktūra, kuri fundamentaliai skiriasi nuo paprastos sudėtingų junginių chemijos. Taigi, vien chemija niekada neatskleis gyvybės atsiradimo paslapties, lygiai, kaip silicio, vario ar plastiko tyrimai niekada nepaaiškins, kaip kompiuteris atlieka vieną ar kitą funkciją. Mokslininkų teigimu, atsakymas į šį be galo svarbų klausimą bus gautas tuomet, kai informacija bus vertinama rimtai, kaip fiziškai egzistuojantis dalykas, pasižymintis savo dinamika ir priežastiniais ryšiais, greta tą informaciją įkūnijančios materijos. Ir kuomet biologijos kalba bei sąvokos bus perkeltos į fiziką bei chemiją, o ne atvirkščiai.