Итън Сийгъл отговаря: Защо съществува животът?

С две думи мога да изразя всичко, което съм научил за живота: той продължава.

– Робърт Фрост

Итън Сийгъл отговаря: Защо съществува животът?
Итън Сийгъл отговаря: Защо съществува животът?

Итън Сийгъл (Ethan Siegel), доктор по астрофизика и професор по физика и астрономия в Lewis & Clark College в Портланд отговаря на въпроса на свой читател:

„Бих искал да знам вашето мнение относно прилагането на втория закон на термодинамиката да произхода на живота.“

Добре известно е, че в началото във Вселената не е имало нищо наподобяващо живот. Не само сложни многоклетъчни форми на живот като бозайници или насекоми, веднага след Големия взрив не е бил дори атоми! Но от тази много гореща и плътна супа от доисторическа материя и лъчения постепенно започва всичко. А някои от тези стъпки са известни напълно.

Източник:Department of Energy, University of California, Lawrence Berkeley National Labs.
Източник:Department of Energy, University of California, Lawrence Berkeley National Labs.

Ранните кварки и глуони, част от праисторическата плазма във Вселената, се оказали здраво свързани един с друг, когато Вселената се разширила и охладила. Така се появили протоните и неутроните, с които сме запознати много по-добре.

И за това е имало причини – енергийно по-изгодно е да има кварки и глуони свързани във вид на протони и неутрони, отколкото под някаква друга форма. В условия на изобилие от енергия, нищо не ви принуждава да преминавате в по-стабилно състояние – но с охлаждането на Вселената всичко започва да се смъква  надолу и този процес продължава.

И когато Вселената се охлажда достатъчно, така че фотоните да не разбиват веднага по-сложните съчетания от протони и неутрони, те започват да формират по-тежки и стабилни атомни ядра. Ако имаха още по-голяма енергия, те биха формирали още по-тежки и по-стабилни елементи.

В този момент, хелий-4 е практическата граница, но с разширяването и охлаждането на Вселената се появил и друг начин, по който частиците да станат още по-здраво вързани – атомните ядра и електроните могат да се свързват заедно, образувайки неутрални атоми за първи път.

Изображение: Ned Wright ( Will Kinney) от лекцията Космическия микровълнов фон.
Изображение: Ned Wright ( Will Kinney) от лекцията Космическия микровълнов фон.

Разбира се, това може да се случи само когато Вселената се охлади достатъчно. Ако има твърде много енергия, неутралният атом отново ще се разпадне на йони и електрони. Но ако околните радиация / температура / енергия на частиците станат по-малки от енергията свързваща електроните с ядрото, ще получите неутрални атоми.

Вероятно вече сте забелязали принципа: някои процеси се случват спонтанно, но когато енергията на околната среда спадне под определен праг, просто се стига до конфигурации с по-ниско енергийно състояние, както и някои процеси изискват енергия на активиране, за да се прехвърлят това ниво. което води до по-стабилно състояние като цяло. Нека да отидем още по-далеч.

Изображение: Izan Leao (Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Brazil).
Изображение: Izan Leao (Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Brazil).

След като гравитацията свърже Вселената на малки късчета (отново виждаме пример за спонтанно свързване), най-плътните части събират достатъчно материя при достатъчно висока температура и плътност, за да започне ядрен синтез, който ще произвежда все повече и повече тежки елементи. Още един пример за необходимостта от енергия за активиране – но най-накрая получаваме продукти, още по-силно свързани от реагентите, от която започнахме.

След като най-тежките звезди се превърнат в свръхнови, междузвездната материя ще се обогати с всички атоми на периодичната таблица и те ще се свържат помежду си по различни начини и ще създадат молекули – отначало прости, но в крайна сметка, и достатъчно сложни.

Изображение: Noriega-Crespo et al.
Изображение: Noriega-Crespo et al.

Това, което трябва да се запомни е, че на всеки етап стигаме до енергийно по-изгодна конфигурация и винаги има два начина – или спонтанно „да се търкаляме надолу по енергийния хълм“ или да се изтъркаляме нагоре, за да се спуснем към по-ниска долина“.

Това е всичко. Във всички случаи, енергийните реакции изглеждат като една от следните криви до известна степен.

Изображение: Sindhunil Barman Roy 2013 J. Phys .
Изображение: Sindhunil Barman Roy 2013 J. Phys .

И така, какво да кажем за голямото събитие? Можем да преминем от субатомни частици до частиците, съставящи атомите, от протони, неутрони и електрони към атомите, от атомите до всички елементи на Менделеевата таблица, от елементите към огромното разнообразие от молекули, но в кой момент, в коя точка, трябва да извършим скокът. Вие знаете кой: където неживото се превръща в живо.

Изображение: NASA / JPL-Caltech.
Изображение: NASA / JPL-Caltech.

Прието е да се смята, че или животът се е зародил много отдавна на Земята, или в космоса, още по-рано, отколкото при нас. След като вече имаме живот, еволюцията на Дарвин – мутациите, ограничените ресурси и естественият подбор – ще доведат до нас от простите самовъзпроизвеждащи се организми до огромното разнообразие на живота, което виждаме днес на планетата.

Изображение: Реконструкция на фауната на шистовия масив Бърджес. BURGESS SHALE FAUNA (1989) Carel Brest van Kempen.
Изображение: Реконструкция на фауната на шистовия масив Бърджес. BURGESS SHALE FAUNA (1989) Carel Brest van Kempen.

Но това не е фундаментално обяснение –  то не ни казва механизма как или защо се случват тези промени, или що за физически процес води до тях.

Като цяло е много трудно да се тегли чертата между живо и неживо. За моите връстници ще е изненадващо колко близо до това определение е песента на „Улица  Сезам“: „дишаш, ядеш и растеш – така ти знаеш, че живееш“.

Животът не се различава от неживото по една характеристика, а по цял набор. Много неживи неща имат някои свойства на живите. Самостоятелното възпроизвеждане, например.

Изображение: Kenneth Libbrecht.
Изображение: Kenneth Libbrecht.

Кристалите очевидно не са живи, но кристалните структури се самовъзпроизвеждат. Точно както самовъзпроизвеждащите микросфери на молекулярно ниво

Изображение: Michael Brenner / Бюлетин на Националната академия на науките.
Изображение: Michael Brenner / Бюлетин на Националната академия на науките.

И това, което е още по-изненадващо – завихрянията, получавани при движение на течности или газове.

Изображение: Поток течност, направен видим, Henri Werlé, Leonardo
Изображение: Поток течност, направен видим, Henri Werlé, Leonardo

Тези неща не са живи – в смисъла, в който ние влагаме за вируси и бактерии. Но Джереми Ингланд (Jeremy England), физик от Масачузетския технологичен институт, смята, че едни и същи физически принципи могат да бъдат отговорни за появата на живота.

Снимка: Katherine Taylor for Quanta Magazine. (Тук можете да намерите пълния текст на изследването му, а тук - слайдовете)
Снимка: Katherine Taylor for Quanta Magazine. (Тук можете да намерите пълния текст на изследването му, а тук – слайдовете)

Всички аргументи се основават на енергийните предпочитания – на това, което физиците наричат ​​термодинамика. Идеята е, че ако вземете шепа от „нещо“ – атоми, молекули и т.н. – и им предавате енергия на малки и променливи порции, с течение на времето, те ще се самоорганизират в по-плътно свързано състояние. По същия начин леко и неравномерно разклащане на буркан със смесени ядки ще доведе до това, че най-големите ще останат отгоре, а най-малките ядки ще отидат на дъното: това ще бъде по-стабилна енергийна конфигурация.

Изображение: Jeremy England
Изображение: Jeremy England

От гледна точка на физиката, Ингланд е прав. И все пак, най-вероятно, това не е цялата история за произхода на живота. Има два примери, които показват, че еволюцията не винаги (или дори често) е енергийно най-изгодния вариант за решаване на проблема.

Еволюцията не е довела до появата на колелото, макар че има по-висока енергийна ефективност за определени приложения. И все пак няма животни, които да са го развили.

И всички растения за всички времена, основават добива си на слънчева енергия на две молекули хлорофил А и хлорофил В. Това не са единствените молекули, умеещи да съхраняват слънчева енергия или да фотосинтезират. Някои бактерии, използват за това други молекули. Освен това, спектърът на слънцето има пикове  жълто/зеления диапазон, а в това време, и хлорофил А, и хлорофил В абсорбира синя и червена светлина, но отразяват жълто / зелено.

Изображение: Wikimedia Commons, потребител Kelvinsong.
Изображение: Wikimedia Commons, потребител Kelvinsong.

Но само защото това явление не контролира всичко, не означава, че не е явлението отговорно за произхода на живота. Може би това е така. Но в момента това по-скоро прилича на фантазия. Както каза професорът от Харвард Евгений Шахнович (Eugene Shakhnovich):

„Идеите на Джеръми са интересни и обещаващи, но в момента са силно умозрителни, особено ако се прилагат за феномена на живота“

Термодинамиката има много приложения в биологията и биологичните процеси, но появил ли се е животът съгласно законите на ентропията и термодинамичните процеси?

Изображение : E. Coli бактерии.
Изображение : E. Coli бактерии.

Възможно е, но съгласия по този въпрос все още не е постигнато и няма да бъде постигнато още много дълго време. Тази хипотеза е много трудно да се провери, и ние няма да бъдем сигурни в полученото потвърждение, докато в ръцете ни не се появи Светия Граал на абиогенезата: докато самите ние не създадем живот от неживи субстанции.

Ние все още не знаем защо и как се е появил животът, но може би е разумно да се предположи, че термодинамичните процеси ще могат да отговорят на този въпрос. Също така е много хубаво, че хората отдавна се занимават в изследването на тези въпроси, както и че тези изследвания ни водят в такива различни и неочаквани пътища, някои от които могат да ни доведат до отговора на въпроса за произхода и еволюцията на живота на Земята.

Източник: http://nauka.offnews.bg/

Вашият коментар