Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

To, jak zaczęło się życie na Ziemi, jest bezdyskusyjnie jedną z najbardziej frapujących zagadek nauki. Nieuchronnie przesuwamy też to pytanie w dziedziny bardziej ogólne. Czy jest życie poza naszą planetą? Czy istnieją jakieś ogólne warunki jego powstania? Czy jego początek był przypadkiem? A może życie jest czymś naturalnym, jak uniwersalne prawa fizyki?

Jeremy England, biofizyk z Massachusetts Institute of Technology, stara się odpowiedzieć na te fundamentalne pytania. W 2013 roku sformułował hipotezę, według której siły fizyczne mogły spontaniczne doprowadzić obecne na Ziemi substancje chemiczne do stanu, w którym nabrały one cech charakterystycznych dla życia.

Najnowsze badania tego naukowca i jego współpracowników sugerują teraz, że zjawiska fizyczne mogą w naturalnych warunkach wywoływać samopowielające się chemiczne reakcje, które mogły być jednym z pierwszych kroków w drodze powstania życia z substancji nieożywionych. Jeśli ten sposób myślenia byłby słuszny, oznaczałoby to, że powstanie życia nie było przypadkiem, ale konsekwencją jednego z fundamentalnych praw rządzących naturą.

„Jakby-życie”
Życie musiało się jakoś zacząć – biologiczny świat nie istnieje odwiecznie. Początki biologii można doszukać się już w nieożywionych substancjach chemicznych, które w jakiś sposób zorganizowały się w prebiotyczne związki chemiczne i stworzyły elementy strukturalne dla życia, uformowały bakterie, a dalej ewoluowały w spektakularną różnorodność stworzeń, które dziś istnieją na naszej planecie.

„Abiogenezą” nazywamy sytuację, kiedy coś niebiologicznego zmienia się w coś biologicznego. England uważa, że ramy dla takiego przejścia mogła stworzyć termodynamika, poruszając nieożywione substancje chemiczne do stanu przypominającego zachowania organizmów żywych, do „jakby-życia” (ang. life-like). Badacz zastrzega jednak, że między stanem „jakby-życia” a samym życiem jest jeszcze do przebycia droga, której nie znamy.
 
– Nie mogę powiedzieć, że dokonałem odkrycia tego, jak powstało życie jako takie – wyznaje England. – Teraz najbardziej interesuje mnie dowód na fizyczną zasadę, zasadę wymaganą, aby powstało „jakby-życie”.

Samoorganizacja w układach fizycznych
Kiedy energia jest wprowadzana do układu, prawa fizyki dyktują, jak ma się ona rozpraszać. Dla przykładu, zewnętrzne źródło ciepła rozprasza się stopniowo, aż w końcu osiąga stan równowagi ze swoim otoczeniem, jak na przykład kubek kawy, pozostawiony do wystygnięcia na biurku. Entropia, czyli poziom nieuporządkowania układu, rośnie wraz z rozchodzeniem się ciepła.

Jednak – jak spekuluje England – niektóre układy fizyczne mogą być wystarczająco dalekie od stanu równowagi, do której powinny dążyć. Mogłyby one inaczej posłużyć się zewnętrznym źródłem energii, wywołując reakcje chemiczne, które powstrzymywałyby dążenie do równowagi termodynamicznej, utrzymując stan nierównowagi. Nasz kubek kawy spontaniczne wytwarzałby reakcję chemiczną, która utrzymywałaby całe ciepło dośrodkowo w płynie, powstrzymując jego wychładzanie i dążenie do stanu równowagi z otoczeniem.

Fizyk nazywa tę sytuację adaptacją rozproszenia (ang. dissipation-driven adaptation). Ona ma być właśnie tym, co przynosi pozbawionym życia układom fizycznym cechy przypominające życie, cechy „jakby-żywe”.

Najważniejszą „jakby-żywą” cechą jest samopowielenie czyli – z biologicznego punktu widzenia – reprodukcja. To podstawa wszelkiego życia: stan prosty – powielenie – stan bardziej złożony – ponowne powielenie. A tak się akurat składa, że samopowielenie jest bardzo efektywnym sposobem na rozproszenie ciepła i wzrost entropii układu.

England testuje swoje hipotezy w artykule opublikowanym wraz z Jordanem Horowitzem w czasopiśmie „Proceedings of the National Academy of Science”. Przeprowadzili oni serię symulacji komputerowych, wprowadzających zaproponowane zjawisko w środowisko (hipotetycznie) przypominające powierzchnię Ziemi z czasów sprzed powstania życia – płynną mieszankę 25 różnych substancji chemicznych.

Zaobserwowano, że pod pewnymi wstępnymi warunkami substancje te optymalizują wprowadzoną w układ energię, samoorganizując się i ulegając intensywnym reakcjom samopowielenia. Te reakcje generują ciepło, które działa zgodnie z drugą zasadą termodynamiki: entropia w układzie zawsze rośnie, a substancje chemiczne samoczynnie się organizują i wykazują „jakby-żywą” postawę samopowielenia.

– Zasadniczo, system próbował różnych rozstrzygnięć na niewielką skalę i za jednym razem jedno z nich zaczęło przynosić pozytywny oddźwięk. Nie zajęło zbyt dużo czasu, zanim takie zjawisko stało się podstawą organizacji układu – mówi England.

Jest to bardzo uproszczony model tego, co zachodzi w biologii: energia chemiczna jest spalana w komórkach, które – zgodnie ze swoją naturą – pozostają w stanie nierównowagi, utrzymując procesy metaboliczne, które napędzają życie. Oczywiście – jak podkreśla badacz, przyznając rację krytykom jego ambitnej teorii – jest jeszcze ogromna przepaść między warunkami „jakby życia” w wirtualnej chemicznej mieszaninie a samym życiem. Teoria biofizyka z MIT pozostaje więc jedynie cegiełką – choć bardzo interesującą – we wciąż niegotowej historii życia. Najciekawsze jest w niej to, że nie dotyczy ona wyłącznie jednorazowego zdarzenia powstania życia na Ziemi, ale opisuje ogólne warunki jego powstawania, możliwe do zaistnienia w wielu czasach i wielu światach.

Opracowano na podstawie artykułu „Was the Origin of Life a Fluke? Or Was It Physics?” opublikowanego na portalu LiveScience