Този сайт използва бисквитки (cookies). Ако желаете можете да научите повече тукПриемам
18 декември 2017
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Животът е неизбежна последица от физиката, според нови изследвания (видео)

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 03 август 2017 в 11:5364150
Shayla Fish за Quanta Magazine

Вземете химия, добавете енергия и ще получите живот. 

Преди няколко години тази забележителна хипотеза си проправи път в науката, а именно, че животът е неизбежно следствие на физиката, по точно от термодинамиката.

Сега се появиха първите тестове на тази провокативна хипотеза за произхода на живота от биофизика от Масачузетския технологичен институт (MIT) Джереми Ингланд (Jeremy England), които показват как може да възникне подреденост от нищо, съобщи Quanta Magazine.

Две от най-важните проучвания на тази хипотеза са публикувани на този месец - едното в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), а другото - в Physical Review Letters (PRL). Резултатите от двата компютърни експеримента изглежда подкрепят тезата на Ингланд, въпреки че последиците им за реалния живот остават умозрителни.

Уравненията на термодинамиката сочат, че при определени условия групите от атоми естествено ще се преструктурират, така че да изгарят повече и повече енергия, за да улеснят непрекъснатото разсейване на енергия и повишаването на "ентропията" или разрушаването на реда във Вселената.

Ингланд заяви, че този процес на преструктуриране, който се нарича дисипация (разсейване), задвижва адаптации, насърчаващи растежа на сложни структури, включително и живи същества. Съществуването на живот не е мистерия или късмет, отбеляза той пред Quanta през 2014 г. , а по-скоро следствие от общите физически принципи и "трябва да е толкова изненадващо, колкото това, че камъните падат надолу".

Хипотезата на Ингланд е ключов мост между физиката и биологията. И въпреки че не е още доказана убедително, тя потенциално държи ключа към отговора на един от най-големите въпроси на човечеството: Откъде идваме?, пише Робин Андрюс (Robin Andrews) на страницата на IFLScience.

Симулациите в първата публикация на Ингланд в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)  описва по-проста система от химичните вещества, от която все пак е възможно спонтанно да се появят структури - явление, в което Ингланд вижда като движещата сила за възникването на живота. "Това не означава, че гарантирано ще се появат такива структури", обяснява Ингланд. Динамиката на системите е твърде сложна и нелинейна, за да може да се предскаже какво ще се случи.

Важно е да се отбележи, че в симулациите не са въвеждани предварително програмирани биологични променливи - поведението на клетки, образуването на ДНК, и така нататък. 

Симулацията включва "бульон" от 25 химични вещества, които реагират едни с други по безброй начини. Източниците на енергия от околната среда улесняват (катализират) някои от тези химически реакции, както слънчевата светлина ускорява производството на озон в атмосферата и химическото гориво АТР задвижва процесите в клетката. Започвайки със случайни начални химически концентрации, скорости на реакциите и катализиращи външни въздействия, симулираната мрежа от химически реакции еволюира, докато достигне едно крайно, стабилно състояние.

Често системата се установява в състояние на равновесие, в което има балансирана концентрация на химикали и реакции, които протичат еднакво често в едната и в другата посока. Подобни циклични химични реакции са известни от срeдата на 50-те години на миналия век и са открити от руските химици Белоусов и Жаботински.

Но как и защо атомите се подреждат в конкретната форма и функции на бактерия, с оптимална конфигурация за консумиране на химическа енергия? Ингланд смята, че това е естественият изход на термодинамиката при системи, които са далеч от състояние на равновесие.

Нобеловият лауреат белгийският физикохимик Иля Пригожин (Ilya Prigogine) изследва подобни идеи през 60-те години, но методите му са ограничени. Традиционните термодинамични уравнения работят добре само за изучаване на близки до равновесието системи като газ, който бавно се загрява или охлажда. Системите, задвижвани от мощни външни източници на енергия, имат много по-сложна динамика и са много по-трудни за изучаване.

Един най-познатите резултати от втория закон на термодинамиката е, че кафето ни изстива винаги до стайна температура. Това показва, че енергията постоянно се разсейва и ентропията на Вселената винаги се увеличава.

Термодинамична стрелаИлюстрация: F5T25

Ако разтръскаме буркан (затворена система) с разноцветни топчета, те могат и да се подредят, но това е малко вероятно. Много по-вероятно е топчетата да са хаотично подредени.

Ако хвърляме "спонтанно" тухли, макар, че левия вариант е по-желан, то той е малко вероятен, по-вероятно е да се получи безформена купчина от тухли.

В момента обаче във Вселената съществуват области на подреденост с ниска ентропия - обекти, които не се разпадат сами и остават едни и същи дълго време (планети и живот, например). Те са изключения в хаотичната Вселена.

Но Ингланд казва, че кафето изстива, защото нищо не го загрява, а изчисленията му показват, че групи от атоми, които се управляват от външни енергийни източници, могат да се държат по различен начин. Под въздействието на тези енергийни източници те могат да започнат да се изравняват и пренареждат, така че по-добре да усвояват енергията и разсейват като топлина. Освен това, той показа, че тази статистическа тенденция за разсейване на енергията може да стимулира саморепликацията (самовъзпроизвеждането).

"Чудесен начин за разсейване на повече енергия е да се направят повече свои копия", отбелязва Ингланд. За него това е живот - необикновеното сливане на форма и функция като краен резултат от задвижваната от адаптациите дисипация и саморепликация.

Но макар и с флуктуационните теореми на разположение, условията за ранната Земя или във вътрешността на клетката са твърде сложни, за да се предскажат. Ето защо идеите трябва да се тестват в опростени, компютърно симулирани среди, които имат за цел да уловят тенденциите на реалността.

Във втората публикация във Physical Review Letters Ингланд и неговите съавтори Тал Качман (Tal Kachman) и Джеръми Оуен (Jeremy Owen) от MIT симулират система, която се задвижва от външен енергиен източник - Слънцето. В този случай атомите се пренареждат, за да поглъщат и излъчват енергията по-ефективно. И може би най-забележителният резултат е, че тези животоподобни структури започват да се копират, за да се справят по-добре с този енергиен поток.

Проведените симулации с рандомизиран (случаен) набор от отправни точки постигат редки състояния на енергийна химическа активност и екстремно катализиране се случва четири пъти по-често, отколкото се очакваше. Тези системи бушуват открай докрай от циклични реакции и дисипативна енергия в процес, базов за връзката форма-функция, който Ингланд смята от съществено значение за възникването на живота.

Ингланд получи колкото похвали за своята изобретателност, толкова и критики за нестандартната си дефиниция за "живот".

Разбира се, дефиницията му за живот е доста слаба, а някои предполагат, че животоподобните структури, наблюдавани в работата на Инглад, са твърде абстрактни, за да бъдат с право наричани "живи".

Това е убедителна хипотеза, която ясно показва организираност, възникваща в система, която тласка неумолимо към пълна дезорганизация. Ако тя е коректна, тогава това би било най-значимото допълнение към еволюционната теория, откакто Дарвин пусна своя "Произход на видовете" за първи път, заключава Робин Андрюс.

Видео към новината

Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика

Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.