Intelegerea originii vietii este, fara indoiala, una dintre cele mai mari provocari pentru omenire. Aceasta provocare a mutat in mod inevitabil acest puzzle dincolo de planeta noastra. Exista viata si pe alte planete? Viata de pe Pamant este un accident norocos sau viata este la fel de naturala precum legile universale ale fizicii ce guverneaza materia?

Jeremy England, un biofizician de la Institutul de Tehnologie Massachusetts (MIT), incearca sa raspunda la aceste intrebari. In anul 2013, England a formulat o ipoteza potrivit careia fizica poate declansa in mod spontan substantele chimice sa se organizeze in moduri in care acestea sa aiba calitati „asemanatoare organismelor vii”.

Acum, o noua cercetare realizata de England sugereaza ca fizica poate produce in mod natural reactii chimice de auto-replicare, unul dintre primii pasi spre crearea vietii din substante non-vii.

Astfel s-ar putea interpreta ca viata se datoreaza legilor fundamentale ale naturii, eliminand astfel norocul din ecuatie.

Desi biologia si fizica impartasesc principiile comune ale rationamentului stiintific, cele doua domenii evalueaza lumea in termeni diferiti. Biologia presupune existenta vietii si studiaza organismele vii. Spre deosebire de biologie, fizica se adreseaza materiei, indiferent ca este vie sau nu si isi propune sa identifice relatiile matematice predictive intre cantitatile masurate precum distanta, timp sau masa.

Cea mai obisnuita modalitate de a combina aceste perspective este de a cauta o explicatie in termeni fizici pentru modul in care functioneaza o anumita parte dintr-un organism. De la plierea proteinelor la activitatea electrica a neuronilor, totul se bazeaza pe legile fizicii.

Din punct de vedere fizic, exista o diferenta esentiala intre lucrurile vii si grupurile de atomi de carbon neinsufletite: cele dintai tind sa fie mult mai eficiente la captarea energiei din mediul lor si sa disipe acea energie ca si caldura.

Viata trebuie sa vina de la ceva; nu a existat intotdeauna viata. Viata se naste din componentele chimice brute si lipsite de viata, care s-au organizat in compusi prebiotici, creand astfel „caramizile” vietii, ce au format microbi si mai apoi au evoluat intr-o serie spectaculoasa de creaturi care exista astazi pe Pamant.

„Abiogeneza” este termenul folosit pentru a descrie transformarea a ceva nonbiologic in ceva biologic, iar England crede ca un anumit capitol al fizicii, termodinamica, ofera cadrul necesar acestei transformari.

„Nu as putea sustine ca am investigat originile propriu-zise ale vietii, ci mai degraba am demonstrat un principiu, incercand sa raspund la intrebarea cu privire la conditiile fizice necesare pentru aparitia de organizari si comportamente asemanatoare vietii in anumite substante chimice”, a spus Jeremy England.

Auto-organizarea in sistemele fizice

Cand energia este aplicata unui sistem, legile fizicii dicteaza modul in care aceasta energie se disipeaza. Daca se aplica o sursa externa de caldura pentru sistemul respectiv, va atinge un echilibru termic cu mediul inconjurator, asa cum s-ar raci o ceasca de cafea fierbinte lasata pe birou. Entropia sau cantitatea de hazard din sistem va creste odata cu disiparea caldurii. Dar unele sisteme fizice pot fi suficient de dezechilibrate si folosesc in mod optim o sursa externa de energie, declansand reactii chimice interesante de auto-sustinere, care impiedica sistemul sa atinga un echilibru termodinamic. Este ca si cum aceasta ceasca de cafea produce in mod spontan o reactie chimica care impiedica sa se raceasca si sa ajunga la o stare de echilibru. England a numit aceasta situatie „adaptare bazata pe disipare”.

Un atribut cheie al vietii este auto-replicarea sau, din punct de vedere biologic, reproducerea. Aceasta este baza pentru tot ce este viu: incepe simplu, se replica, devine mai complexa, iar ciclul continua. England spune ca „auto-replicarea este, de asemenea, o modalitate foarte eficienta de a disipa caldura si de a creste entropia in acel sistem”.

Intr-un studiu publicat in 18 iulie in Jurnalul Proceedings of the National Academy of Sciences, England si co-autorul Jordan Horowitz au testat ipoteza lor. Ei au efectuat simulari pe calculator pe un sistem inchis (un sistem care nu schimba caldura sau materie cu mediul exterior) continand o „supa” de 25 de substante chimice. Desi configurarea lor este foarte simpla, un tip similar de supa s-ar fi putut afla pe Pamant acum 4 miliarde de ani. Daca, de exemplu, aceste substante chimice sunt concentrate si incalzite de o sursa externa – de exemplu, un orificiu hidrotermal – elementele chimice vor avea nevoia sa disipe caldura, in conformitate cu legea a doua a termodinamicii. Caldura se disipa iar entropia sistemului va creste in mod inevitabil.

In anumite conditii ideale, England a descoperit ca aceste substante chimice pot optimiza energia aplicata sistemului prin auto-organizare si reactii intense de auto-replicare. Elementele chimice s-au reglat in mod natural.

Acesta este un model foarte simplu a ceea ce se intampla in biologie: energia chimica este arsa in celule care, prin natura lor, sunt in afara echilibrului, conducand procesele metabolice care mentin viata. Dar, asa cum recunoaste England, exista o mare diferenta intre gasirea calitatilor vietii intr-o supa chimica virtuala si viata in sine.

Imari Walker, fizician si astrobiologist la Universitatea de Stat din Arizona spune ca „exista un pod cu doua sensuri ce trebuie traversat din ambele directii; unul este ca sa intelegi cum ai obtinut caracteristicile vietii din sistemele fizice simple, iar celalalt este cum sa intelegi cum fizica poate da nastere vietii”.

Viata dincolo de Pamant?

Inainte de a incepe chiar sa raspundem la marea intrebare daca aceste sisteme fizice ar putea influenta aparitia vietii in alta parte a Universului, ar fi mai bine sa intelegem unde sunt mai intai aceste sisteme pe Pamant.

Atunci cand spunem „viata”, ne gandim la ceva impresionant precum o bacterie sau orice alta forma de viata care are enzima polimeraza si ADN. Polimerazele creeaza molecule de ADN prin asamblarea nucleotidelor. Aceste enzime sunt esentiale in procesul replicarii ADN-ului si de obicei lucreaza in perechi pentru a creea doua stranduri identice de ADN dintr-o singura molecula initiala de ADN. La fiecare diviziune a unei celule, enzima ADN polimeraza dubleaza ADN-ul celulei. In acest fel, informatia este transmisa din generatie in generatie.

Studiul realizat de Jeremy England nu identifica in mod specific modul in care viata poate aparea din non-viata, ci doar arata ca in anumite situatii chimice complexe se produce o organizare surprinzatoare. „Aceste simulari nu iau in considerare alte proprietati ale vietii precum adaptarea la mediul inconjurator sau reactia la stimuli. De asemenea, acest test de termodinamica pe un sistem inchis nu ia in considerare rolul reproducerii informatiei in originea vietii”, spune Michael Lassig, fizician statistician si biolog la Universitatea din Koln.

Lucrarea lui Jeremy England poate fi accesata la urmatorul link

Bibliografie

https://www.livescience.com/60250-did-life-emerge-from-physical-laws.html
https://www.space.com/37988-did-life-emerge-from-physical-laws.html
https://www.scientificamerican.com/article/a-new-physics-theory-of-life/
http://www.englandlab.com/uploads/7/8/0/3/7803054/2013jcpsrep.pdf

1 COMENTARIU

LĂSAȚI UN MESAJ