Dissipatio ergo sum

Джереми Ингланд. Фото: Katherine Taylor / Quanta Magazine

 

Джереми Ингланд. Фото: Katherine Taylor / Quanta Magazine

Подробнееhttp://rusplt.ru/world/dissipatio-ergo-sum-7642.html

Американский физик полагает, что раскрыл секрет зарождения жизни на Земле

 

31-летний доцент Массачусетского технологического института (MIT) Джереми Ингланд вывел формулу, описывающую превращение неживой материи в живую. Выдержки из его научной работы, опубликованной в издании «Journal of Chemical Physics», приводит сайт Quanta Magazine.

Наиболее распространенная гипотеза абиогенеза говорит о первичном бульоне, случайно ударившей в него молнии и невероятной удаче, благодаря которой на доисторической Земле синтезировалась первые органические соединения. Но если теория молодого ученого верна, в процессах, которые привели к возникновению жизни, не было места случайности – напротив, оно неминуемо следует из фундаментальных законов природы и «удивительно настолько же, насколько камни, катящиеся под гору».

С точки зрения физики, между живыми организмами и безжизненными скоплениями атомов углерода есть одно существенное различие: первые гораздо эффективнее «аккумулируют» энергию из окружающей среды и «рассеивая» ее в виде тепла. Этот процесс называетсядиссипацией энергии. Ингланд, одинаково компетентный в биохимии и физике, вывел уравнение, объясняющее способность живого организма к диссипации. Когда группа атомов получает энергию от внешнего источника (им может быть солнце или химическое топливо) и находится в теплой среде (например, океане или атмосфере), она будет постепенно реорганизовываться, рассеивая все больше и больше получаемой энергии. Это означает, что при определенных условиях неживая материя начинает  приобретать ключевой физический атрибут живой.

«Начинаете со случайного скопления атомов, и если светить на него достаточно долго, не удивляйтесь, если в итоге появится растение», — цитирует Quanta Magazine Ингланда.

По словам Ингланда, с точки зрения физики «эволюцию можно назвать частным случаем более общего явления». Его гипотеза способна лечь в основу оригинальной теории эволюции, которая позволит по-новому описать жизнь на уровне генов и популяций.

Научная публикация молодого ученого из MIT (в интернете есть также pdf слайд-шоу, которое он показывает на лекциях) всколыхнула научное сообщество: одни говорят о потенциальном прорыве, другие – о противоречивости его идей. Профессор физики Нью-Йоркского университета Александр Гросберг, следивший за научными изысканиями Ингланда с самого начала, утверждает, что тот предпринял «очень смелый и важный шаг» и с большой вероятностью действительно описал физический процесс, лежащий в основе возникновения жизни. Его поддерживает биофизик Аттила Шабо из Национального института здравоохранения США, по словам которого «Джереми — один из умнейших молодых ученых», которого он когда-либо встречал.

Некоторые коллеги, в то же время, приняли работу Ингланда в штыки. Профессор химии, химической биологии и биофизики Гарвардского университета Евгений Шахнович назвал его идеи «крайне спекулятивными, особенно применительно к феномену жизни», признав их, впрочем, «интересными и многообещающими».

В целом теоретические достижения Ингланда в научной среде оценивают скорее позитивно. Несмотря на то, что выведенная им формула, которая должна описывать фундаментальные процессы в природе, включая появление жизни, остается недоказанной, у ученого уже есть идея, как подтвердить ее лабораторным экспериментом.

Поведение частиц в вязкой среде. Видно, что с течением времени (сверху вниз) устанавливается все больше связей между частицами. Компьютерная симуляция Джереми Ингланда и его коллег

Компьютерное моделирование частиц, подвергнутых осцилляционной силе. Со временем частицы начинают формировать больше связей между друг другом. Компьютерная симуляция Джереми Ингланда и его коллег

 

В сердце теории Ингланда лежит второй закон термодинамики: тенденция физической системы эволюционировать в направлении состояния с более высокой энтропией — грубо говоря, в направлении все большего беспорядка. Подброшенная в воздух стопка бумаги всегда рассыпается на отдельные листы; яйца разбиваются, но никогда самопроизвольно не затекают обратно в скорлупу; газ из открытой банки «Кока-колы» перемешивается с атмосферой; горячие вещи остывают и никогда не нагреваются заново сами по себе. Одним словом, с течением времени энергия всегда рассеивается. Энтропия — мера этой тенденции, которая позволяет количественно оценивать, насколько рассеяна энергия среди элементов физической системы, и насколько сами элементы рассредоточены в пространстве. Ее неминуемое возрастание — всего лишь вопрос вероятности: всегда существует больше возможностей для рассеивания энергии, чем ее концентрации. Пока в физической системе перемещаются и взаимодействуют частицы, они склонны случайно принимать конфигурации, при которых энергия рассеивается. Поэтому система всегда будет эволюционировать в сторону высокоэнтропийной конфигурации. В конце концов, система принимает состояние максимальной энтропии под названием «термодинамического равновесия», когда энергия распространена равномерно: температура кофе в чашке и воздуха в комнате, где она стоит, со временем оказываются одинаковой. Пока они изолированы, этот процесс необратим. Кофе внезапно не нагреется снова, потому что в подавляющем большинстве случаев вероятность того, что энергия всей комнаты случайно «сконцентрируется» в атомах кофе, ничтожна.

В замкнутой системе энтропия возрастает, но открытая система может сохранять свою энтропию низкой (то есть неравномерно распределять энергию среди атомов), значительно увеличивая энтропию вокруг себя. В монографии 1944-го года «Что такое жизнь?» выдающийся физик Эрвин Шредингер утверждал, что именно этим и занимаются живые организмы. Например, растение поглощает высокоэнергетический солнечный свет, использует его для образования сахаров, и испускает гораздо менее концентрированный вид энергии — инфракрасное излучение. Фотосинтез увеличивает общую энтропию Вселенной, так как изначально низкоэнтропийная энергия солнечного света в результате диссипирует, хоть сами растения при этом и спасаются от распада, поддерживая упорядоченную (то есть низкоэнтропийную) внутреннюю структуру. Абсолютно любая форма жизни собирает низкоэнтропийную энергию и выдает наружу высокоэнтропийную.

«Cредство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (достаточно низкому уровню энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды. Это заключение менее парадоксально, чем оно кажется на первый взгляд. Скорее его можно упрекнуть в тривиальности. В самом деле, в случае высших животных мы достаточно хорошо знаем тот вид упорядоченности, которым они питаются, а именно — крайне хорошо упорядоченное состояние материи в более или менее сложных органических соединениях, служащих им пищевыми веществами. После использования животные возвращают эти вещества в очень деградировавшей форме, однако не вполне деградировавшей, так как их еще могут употреблять растения. (для растений собственным мощным источником "отрицательной энтропии" служит, конечно, солнечный свет)», — писал Шредингер.

Жизнь не нарушает второй закон термодинамики, но до недавнего времени физики не могли внятно объяснить с помощью термодинамических уравнений, почему она вообще могла возникнуть. Во времена Шредингера термодинамика описывала только замкнутые системы, находящиеся в равновесии. В 1960-х бельгийских физик Илья Пригожин достиг успехов в предсказании поведения открытых систем со слабым влиянием внешних энергетических источников (за что и получил Нобелевскую премию по химии в 1977 году). Но он не умел прогнозировать поведение систем, которые чрезвычайно далеки от равновесия, связаны с внешней средой и подвержены сильному влиянию внешних энергетических источников.

Саморепликация микросфер. Изображение: Michael Brenner / Proceedings of the National Academy of Sciences

Самореплицирующиеся микросферы: частицы, спонтанно формирующиеся в политетраедр, провоцируют формирование других частиц в идентичную фигуру. Изображение: Michael Brenner / Proceedings of the National Academy of Sciences

Ситуация изменилась в конце 1990-х благодаря работам Криса Жарзински (Chris Jarzynski) из Университета Мэриленда и Гэвина Крукса (Gavin Crooks) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Они показали, что термодинамическая энтропия –  например, остывание чашки кофе – описывается простым соотношением: вероятности этого процесса к вероятности обратного (то есть такого спонтанного взаимодействия атомов, в результате которого кофе вдруг нагреется). С возрастанием энтропии возрастает и пропорция: поведение системы становится все более и более «необратимым».  Эта формула применима к любому термодинамическому процессу, вне зависимости от его скорости и удаленности от термодинамического равновесия. Как говорит Гросберг, с этим открытием «понимание далекой от равновесия статистической механики значительно улучшилось».

Два года назад Ингланд применил формулы статистической физики к биологии. Используя расчеты Жарзински и Крукса, он вывел обобщение второго закона термодинамики для систем, испытывающих сильное влияние внешних источников энергии (например, электромагнитных волн) и высвобождающих тепло в окружающую среду. Потом молодой ученый определил, каким образом эти системы эволюционируют, покуда их «необратимость» возрастает. Он заключил, что наиболее вероятен такой исход эволюции материи, при котором физической системой  «абсорбируется и диссипируются больше энергии из внешних "двигателей" окружающей среды».

Таким образом, элементы физической системы склонны рассеивать все больше энергии, если они зависят от внешнего «двигателя» (источника энергии), который фактически направляет их движение от одной конфигурации к другой — и элементы предпочитают это направление любому другому во всякий момент времени. Соединения атомов, окруженные средой определенной температуры — например, первичным бульоном — со временем должны расположиться так, чтобы как можно лучше откликаться на источники механической, электромагнитной или химической активности в своей среде.

Саморепликация — процесс, запустивший эволюцию жизни на Земле — является как раз таким механизмом, благодаря которому диссипация энергии системы увеличивается. Как сказал Ингланд, «прекрасный способ разбазаривать больше энергии — делать больше копий самого себя». В своей публикации в «Journal of Chemical Physics» он вывел теоретический минимум диссипации при саморепликации молекул РНК и показал, что эта величина очень близка к реальному количеству энергии, высвобождающейся в ходе репликации РНК. Более того, по его словам, рибонуклеиновая кислота, которая согласно популярной гипотезе была предшественником ДНК-жизни (гипотеза мира РНК), является особенно дешевым строительным материалом — как только РНК возникла, ее дальнейшее участие в биологической эволюции было практически предрешено.

Конечно, химический состав первичного бульона, случайные мутации, география, природные катастрофы и бесчисленное множество других факторов внесли свой вклад в разнообразие земной флоры и фауны. Но основная причина абиогенеза по Ингланду — это адаптация неорганической материи к диссипации.

«Очень заманчиво спекулировать о том, какие явления в природе можно подогнать под этот принцип диссипативной адаптивной организации. Под нашим носом может быть уйма примеров, но мы не их замечали, потому что не искали», — цитирует Quanta Magazine ученого.

Науке уже известна саморепликация неживых систем. Согласно одному из исследований, вихри в турбулентных потоках (водоворотах) спонтанно реплицируют сами себя, черпая энергию из окружающей жидкости. Предположение Ингланда также подтверждает недавняяпубликация в «Proceedings of the National Academy of Sciences» гарвардского профессора прикладной математики и физики Майкла Бреннера, моделирующего самореплицирующиеся микроструктуры — маленькие сферы спонтанно организуются в политетраэдры и запускают идентичную реорганизацию сфер поблизости. Хоть это исследование и довольно абстрактно, по словам самого Бреннера оно «крайне близко» к теме работы Ингланда. Математик уже пытается опробовать его эволюционную теорию на своих микросферах, чтобы проверить, правильно ли она предсказывает, какие репликационные процессы с ними произойдут.

Помимо саморепликации, еще одним средством, с помощью которого системы наращивают способность рассеивать энергию, является возрастающая сложность структурной организации. Растение гораздо лучше захватывает и распределяет солнечную энергию, чем кучка неструктурированных атомов углерода. Таким образом, при определенных обстоятельствах материя будет спонтанно самоорганизовываться. Эта тенденция объясняет внутреннюю упорядоченность не только живых организмов, но и многих явлений неживой природы: снежинки, песчаные дюны и турбулентные вихри — это чрезвычайно упорядоченные структуры, возникшие в системах с множеством частиц, управляемых каким-нибудь повышающим диссипацию процессом (в перечисленных случаях – конденсацией, ветром и вязкостным сопротивлением соответственно). Как выразился биофизик Корнелльского университета Карл Франк, открытия Ингланда «заставляют думать, что различие между живой и неживой материей не такое уж и большое».

В настоящий момент Ингланд работает над компьютерным моделированием систем, адаптирующих свою структуру для большей диссипации энергии. Следующим шагом запланированы эксперименты на живых организмах. Заведующая лабораторией экспериментальной биофизики в Гарварде Мара Прентисс говорит, что его идея –  проверить, сравнив клетки с различными мутациями и найдя корреляцию между количеством энергии, которую клетки рассеивают, и их скоростью репликации. Если в ходе множества экспериментов на разных живых клетках удастся найти корреляцию между диссипацией и репликацией, значит, Ингланд обнаружил верный принцип организации материи.

Всеобъемлющее правило эволюции материи и возникновения жизни даст более широкий взгляд на появление определенных характеристик живых организмов, которые не в состоянии объяснить естественный отбор, говорит оксфордский биофизик Ард Луис. Эти характеристики включают, в частности, наследственные изменения в экспрессии генов под названием метилирования ДНК и нейтральные мутации, парадоксальным образом рождающие сложные признаки без помощи естественного отбора. Подход Ингланда может освободить биологов от поиска дарвиновского объяснения абсолютно всем случаям адаптации и позволит мыслить в более общих терминах управляемой диссипацией организации. Луис приводит следующий пример: «организм обладает скорее признаком X, чем Y, не потому что X подходит больше, чем Y, а потому что физические ограничения делают проще эволюцию X, чем Y».

Из прозрений сотрудника Массачусетского технологического института еще не до конца ясно, какие именно «определенные условия» должны способствовать саморепликации неорганической материи, ее превращению в органику и, в конце концов, появлению жизни. Очевидно, в истории Земли эти специфичные условия воплотились лишь однажды, дав жизнь Последнему всеобщему предку. Такая избирательность делает «универсальный закон эволюции материи» Ингланда не столь уж и универсальным.

В 1953 году загадку условий, в которых возможно возникновение жизни, попытался разрешить американский химик Стэнли Миллер. Он проделал эксперимент, в ходе которого электрические разряды, имитировавшие молнии, и простая смесь газов, из которых предположительно состояла атмосфера молодой Земли, запускали процесс химической эволюции. Через неделю после начала эксперимента в колбе синтезировались простые органические молекулы аминокислот. Однако сколько бы этот эксперимент ни повторяли с разными параметрами, в том числе воссоздавая «маленький теплый пруд», о котором писал Дарвин («если представить себе, что в каком-нибудь маленьком теплом пруду со всеми видами аммония, солей фосфора, светом, теплом, электричеством и так далее образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения...»), ученым не удавалось получить ничего даже отдаленного напоминающего РНК. Таким образом, слова Ингланда о том, что если «достаточно долго светить на случайное скопление атомов, в результате появится растение», следует считать шуткой.

Подробнееhttp://rusplt.ru/world/dissipatio-ergo-sum-7642.html

http://rusplt.ru/world/dissipatio-ergo-sum-7642.html

26 Января 2014
Поделиться:

Комментарии

Для загрузки изображений необходимо авторизоваться

Материалы категории
Pro-екты

Архив материалов