Защо съществува животът?

Като цяло животът е невероятен – самото му възникване изумява, тъй като за появата на генетичния код на вашето ниво на сложност, скъпи читатели, според едни изчисления са необходими едва ли не десетки милиарди години, а това е повече от живота на Земята.

Тоест много ни е провървяло. Но има и алтернативна гледна точка.

Да речем за физика Джеръми Инглънд от Масачузетския технологичен институт (САЩ) възникването на живота е „толкова предсказуемо, както тенденцията на камъка да падне надолу“.

Нека да помислим, предлага ученият, какво от физична гледна точка отличава неживите въглеродни молекули от живите – вторите по-добре се справят с поглъщането на енергия от околната среда и нейното разсейване във вид на топлина. Да обърнем внимание, че по всяка вероятност с такива задачи понякога може да се справят и саждите, но ефективността на живота в това отношение все пак е наистина висока.

Опитвайки се да представи разликите на живото от неживото във формули, Инглънд стигнал до извода, че група атоми, на които действат странични източници на енергия (слънчеви лъчи, наличие на химично гориво) и която е заобиколена от топлинна баня (океан, атмосфера), често постепенно ще се преструктурира, за да разсейва все повече и повече енергия. По такъв начин, при определени условия, материята непременно ще придобие ключовите физически атрибути, асоцииращи се с живота.

Ако съвсем задълбаем, което Джеръми и прави, то се получава следното: „Започвате със случайна шепа атоми, които осветявате достатъчно дълго време, и не бива да се учудвате прекалено, ако тя внезапно се превърне в растение.“

Лесно е да разберем, че част от колегите на Инглънд се отнесли към работата му като към доста неопределена, други – като към революционна, а някои смятат, че са ѝ присъщи и двете черти. Евгений Шахнович от Харвардския университет я смята за дълбоко спекулативна, или поне на днешния етап. Да, формулата, описваща поведението на материята в някои условия, работи. Но явява ли се такъв стремеж на атомите да разсейват по-добре енергия гаранция за развитието на процеса, водещ до зараждането на живот?

Същността на идеята на Джеръми Инглънд е проста – втори закон на термодинамиката, ентропията расте с времето, горещото изстива, яйцата се излюпват, но обратното не се случва, и т.н. Докато енергията в системата е разпределена неравномерно, според теорията на вероятностите, пътищата ѝ за бъдещо разсейване са повече, отколкото за концентрация. И макар че на теория изстиващото кафе може с известна вероятност спонтанно отново да се затопли, на практика това е толкова невъзможно, че нищо подобно и не се случва.

Въпреки че ентропията винаги трябва на нараства с времето, това може да се види ясно основно в затворени системи, тъй като в техни отворени аналози енергията може да остава разпределена между атомите неравномерно поради канализирането на ентропията навън, в пространството, заобикалящо отворената система.

През 1944 г. Ервин Шрьодингер („Какво е животът?“) казва: това е, което правят живите същества, за да поддържат своето съществуване. По време на фотосинтезата ентропията във Вселената като цяло расте, а растението се предпазва от разпадане, поддържайки подредена вътрешна структура.

Но във времената на Шрьодингер уравненията на термодинамиката се решавали само за затворени системи, намиращи се в състояние на термодинамично равновесие. Излишно е да споменаваме, че животът далеч не е възникнал в тях.

През 1960 г. Иля Пригорин до известна степен преуспява в предсказанията на поведението на отворените системи, управлявани в слаба степен от външни енергийни източници (Нобелова награда през 1977 г.). Уви, животът е възникнал там, където до термодинамичното равновесие било далече, а въздействието на външни енергийни източници – изключително силно, ние още не сме умеели да правим предсказания в такава среда.

През 1990 година, благодарение на американците Крис Жарзински и Гавин Крукс всичко се променило. Било установено, че ентропията на термодинамичния процес (изстиването на кафето) съответства на просто съотношение: вероятността, че атомите ще преминат през този процеп, делена на вероятността, че те ще преминат в противоположна посока (че чашата – напротив, случайно се затопля). С увеличаването на продуцирането на ентропия това съотношение расте – поведението на системите става все „по-необратимо“, а вероятността кафето да се самозатопли в чашата неумолимо спада.

Според идеята на такова виждане е все едно колко далече от термодинамичното равновесие е средата, в която протича процесът.

Джеръми Ингланд само добавил в този подход силното влияние на външния източник (електромагнитни вълни) и способността да се отдава топлината навън – качества, присъщи на този клас системи, в които влизат и живите организми, и неживите материали, срещащи се на повърхността на Земята.

Моделирането на Инглънд показва, че във вискозна течност тези частици, които се колебаят под действието на външната среда, с времето (отгоре надолу) образуват повече връзки помежду си.
© Jeremy England

Неживите частици са склонни да разсейват повече енергия, когато се намират в резонанс с външния източник на енергия или се движат в посоката, в която ги тласка външната сила. В крайна сметка те са „по-склонни“ да се движат в тази посока, отколкото в която и да е друга.

„Групите атоми, заобиколени от топлинна баня с определена температура, както и в случая с атмосферата или океана, с времето ще се пренареждат така, че все по-добре да „резонират“ с източника на механична, електромагнитна или химична работа в своето обкръжение“, пояснява Инглънд.

Самовъзпроизводството – процес, който е донесъл на Земята целия населяващ я днес живот – е един от механизмите, чрез които системата може да разсейва нарастващото количество енергия с течение на времето. „Отличен начин за разсейване на енергията е производството на повече копия на самия себе си“, казва ученият.

В септемврийския (2013) брой на Journal of Chemical Physics изследователят показал, че теоретичният минимум на разсейването, протичащо при самовъзпроизводството на молекулата РНК и бактерията, е много близък до реалното количество, което тези системи разсейват при възпроизводство. При това именно РНК (очевидно – предшественик на ДНК живота) е особено „евтин“ в енергиен смисъл строителен материал, което е и предопределило нейната „победа“.

Джеръми подчертава: някои явления от неживата природа могат да бъдат обусловени от същия процес на адаптация на материята по линия на максималното разсейване на енергията. „Много примери може да са ни точно под носа, но понеже не сме ги търсили, не ги и виждаме“, смята физикът.

Разбира се, наскоро се появиха работи, според които вихрите в турбулентните потоци се възпроизвеждат спонтанно, заимствайки енергия от преместването на слоевете в заобикалящата ги среда. В друг случай опитите с купове от микросфери показват тяхната склонност да разсейват енергията, свързваща близките сфери в такива клъстери (самовъзпроизводство). Самият учен смята, че снежинките, дюните, вихрите имат много общо в този смисъл, че всички те имат повтаряща се структура, която възниква в многосъставните системи, привеждани в движение от процеса на разсейване на енергията.

В случая с опитите над бактерии не следва също да се забравя, че „има и просто мутации“, способни да влияят едновременно на много фактори, и невинаги трябва да се бърза с определянето на водещия.

Не е толкова просто да се проверят всички тези идеи – процесът по възникването на живота от шепа атоми не е задължително да бъде бърз. От друга страна, концепцията все пак може да се изпита частично – като се съотнесе ефективността на разсейването на енергията на мутантните линии живи клетки към скоростта на тяхното размножение. Ако те корелират, Инглънд ще получи поне косвено доказателство за своята правота.

Отчет за изследването е публикуван в Journal of Chemical Physics.

Quanta Magazine