خذ الكيمياء ، أضف الطاقة ، واحصل على الحياة. تم إجراء الاختبارات الأولى للفرضية الاستفزازية لأصل الحياة التي طرحها جيريمي إنجلترا ، وأظهروا كيف يمكن أن ينشأ النظام من لا شيء
أثار عالم الفيزياء الحيوية
جيريمي إنجلاند الجمهور في عام 2013 بنظريته الجديدة ، مما جعل أصل الحياة نتيجة حتمية للديناميكا الحرارية. تشير معادلاته إلى أنه في ظل ظروف معينة ، تقوم مجموعات من الذرات بإعادة الترتيب الطبيعي لإنفاق المزيد والمزيد من الطاقة ، مما يساهم في التبديد المستمر للطاقة وظهور "الكون" ، أو الاضطراب في الكون. يقول إنجلاند إن تأثير إعادة الهيكلة هذا ، الذي يسميه التكيف المتناثر ، يحفز نمو الهياكل المعقدة ، بما في ذلك الكائنات الحية.
وكتب في عام 2014 أن وجود الحياة ليس لغزا أو حظا ،
وهو ينبع من المبادئ الفيزيائية الأساسية و "يجب أن يكون مفاجئا مثل الحجارة المتدحرجة من الجبل".
ومنذ ذلك الحين ، اختبر إنجلاند ، وهو أستاذ مشارك يبلغ من العمر 35 عامًا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، جوانب فكرته في محاكاة الكمبيوتر. تم نشر اثنين من أهم أعماله في يوليو 2017 - ظهرت النتيجة الأكثر إثارة للاهتمام في مجلة
Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) ، والثانية في
Physical Review Letters (PRL). يبدو أن نتائج كلتا التجربتين تؤكد البيان الرئيسي لإنجلترا حول التكيف تحت تأثير التشتت ، على الرغم من أن إمكانية تطبيقها على الحياة الحقيقية لا تزال موضع تساؤل.
قال
مايكل لاسيج ، متخصص في الفيزياء الإحصائية والبيولوجيا الكمية من جامعة كولونيا في ألمانيا ، عن عمل PNAS الذي كتبه إنجلاند وما بعد الدكتوراه بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ،
جوردان هورويتز: "من الواضح أن هذه دراسة رائدة". يكتب لاسيغ أن هذا "مثال على دراسة مجموعة معينة من القواعد في نظام صغير نسبيًا ، لذا فمن السابق لأوانه تحديد ما إذا كان من الممكن تعميمه. ومع ذلك ، فإن السؤال الواضح المثير للاهتمام هو ماذا يعني هذا مدى الحياة. "
في العمل ، يتم تحليل التفاصيل المهمة عمليًا للخلايا والبيولوجيا ، ويتم وصف نظام مبسط ومحاكي للمركبات الكيميائية ، والذي ، مع ذلك ، يمكن أن يكون ظهور عفوي لهيكل استثنائي - تعتبر هذه الظاهرة من قبل إنجلترا القوة المحركة وراء ظهور الحياة. يشرح إنغلاند قائلاً: "هذا لا يعني أنك مضمون للحصول على هذا الهيكل". ديناميات النظام معقدة للغاية وغير خطية للتنبؤ بالنتائج.
تتضمن المحاكاة حساء من 25 مركب كيميائي يتفاعل مع بعضها البعض بعدد كبير من الطرق. تتسبب مصادر الطاقة في حدوث بعض هذه التفاعلات ، حيث يؤدي ضوء الشمس إلى إنتاج الأوزون في الغلاف الجوي ، ويتحكم وقود
الأدينوزين ثلاثي الفوسفات في العمليات في الخلية. بدءًا من التركيزات الأولية العشوائية ومعدلات التفاعل و "إجبار المناظر الطبيعية" - القواعد التي تحدد التفاعلات التي تغذي القوى الخارجية وأيها - تتطور
شبكة محاكاة
من التفاعلات الكيميائية حتى تصل إلى حالة نهائية مستقرة أو "نقطة ثابتة" ".
غالبًا ما يهدأ النظام في حالة توازن مع تركيز متوازن من المواد الكيميائية والتفاعلات ، مع احتمالية متساوية في كلا الاتجاهين. إن الرغبة في التوازن ، على سبيل المثال ، كوب من القهوة المبردة إلى درجة حرارة الغرفة ، هي النتيجة الأكثر شيوعًا
للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، والذي يفترض أن الطاقة تتوسع باستمرار ، وأن الكون يزداد باستمرار. يعمل القانون الثاني لأن الطاقة لديها طرق أكثر للتوزيع بين الجسيمات أكثر من التركيز في مكان واحد ، لذلك عندما تتحرك الجسيمات وتتفاعل ، يكون توزيع الطاقة بينها أكثر احتمالًا.
ولكن بالنسبة لبعض الظروف الأولية ، تتطور شبكة التفاعلات الكيميائية في المحاكاة بطريقة مختلفة تمامًا. في هذه الحالات ، يتطور إلى حالات ثابتة بعيدة عن نقطة التوازن ، حيث يبدأ في دفع دورات التفاعل بنشاط ، مع أخذ أكبر قدر ممكن من الطاقة من البيئة. يمكن اعتبار هذه الحالات "أمثلة على الضبط الدقيق" بين النظام والبيئة ، كما يكتب هورويتز وإنجلاند ، عندما يجد النظام "حالات نادرة من الإكراه الديناميكي الحراري الشديد".
تحافظ الكائنات الحية أيضًا على حالة مستقرة من الإكراه الشديد: نحن مستهلكون فائقون ، نحرق كمية كبيرة من الطاقة الكيميائية من خلال التفاعلات في الخلايا ، وبالتالي زيادة الكون الكون. يقول لاسيغ ، الذي يوضح مدى توفر هذه النقاط في الممارسة العملية ، أن الكمبيوتر يحاكي هذا السلوك في نظام كيميائي أبسط وأكثر تجريدًا ، ويظهر أن هذه الحالة يمكن أن تظهر "على الفور ، دون وقت انتظار كبير".
يعتقد العديد من علماء الفيزياء الحيوية أنه في تاريخ الحياة ، يمكن أن يحدث شيء مشابه لما وصفته إنجلترا. ولكن هل وجد أهم مرحلة في أصل الحياة ، يعتمد على ما هو جوهر الحياة؟ هنا تختلف الآراء.
الشكل والوظيفة
إنجلاند ، شخص موهوب بشكل شامل عمل في جامعة هارفارد وأكسفورد وستانفورد وبرينستون قبل انضمامه إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في سن 29 ، يعتقد أن جوهر الكائنات الحية هو الترتيب الاستثنائي للذرات المكونة لها. وكتب في وقت سابق "إذا كنت تتخيل أنني أخلط ذرات البكتيريا بشكل عشوائي - فأنا آخذ وأضع علامة وأمزج في الفضاء - ربما سأحصل على بعض القمامة". "معظم تركيبات الذرات لن تتحول إلى محطة طاقة استقلابية مثل البكتيريا."
ليس من السهل على مجموعة من الذرات الوصول إلى الطاقة الكيميائية وحرقها. لأداء هذه المهمة ، يجب أن تصطف الذرات في بنية غير عادية للغاية. ووفقًا لإنجلترا ، فإن وجود العلاقة بين الشكل والوظيفة "يعني ضمنيًا أن البيئة تطرح مشكلة يحلها الهيكل الناتج".
لكن كيف ولماذا تتخذ الذرات شكلًا ووظيفة محددة للبكتيريا ، مع تكوينها الأمثل لاستهلاك الطاقة الكيميائية؟ تعتقد إنجلترا أن هذه نتيجة طبيعية للديناميكا الحرارية للأنظمة البعيدة عن نقطة التوازن.
عالج الكيميائي المادي ، الحائز على جائزة نوبل
إيليا بريغوجين ، أفكارًا مماثلة في الستينيات ، لكن أساليبه كانت محدودة. تعمل المعادلات الديناميكية الحرارية التقليدية بشكل جيد فقط لدراسة الأنظمة في حالة قريبة من التوازن - مثل الغاز البارد ببطء أو الساخن. الأنظمة التي تغذيها مصادر خارجية قوية للطاقة لديها ديناميكيات أكثر تعقيدًا بكثير وأكثر صعوبة في الدراسة.
تغير الوضع في أواخر التسعينيات عندما
توصل الفيزيائيان
جافين كروكس وكريس جارزينسكي إلى "
نظريات التقلب "
، والتي يمكن استخدامها لحساب كيفية حدوث العمليات الفيزيائية المباشرة في كثير من الأحيان أكثر من العمليات العكسية. تسمح النظريات للباحثين بدراسة تطور النظام ، حتى بعيدًا عن التوازن. ووفقًا
لسارة والكر ، الفيزيائية النظرية والمتخصصة في أصل الحياة من جامعة أريزونا ، فإن منهج إنجلترا الجديد هو تطبيق نظريات التذبذب على "المشاكل المتعلقة بأصل الحياة. أعتقد أنه هو الشخص الوحيد الذي يفعل ذلك بدقة كافية. "
تبرد القهوة بسبب حقيقة أن لا شيء يسخنها ، لكن
حسابات إنجلاند تشير إلى أن مجموعات الذرات التي تغذيها مصادر الطاقة الخارجية يمكن أن تتصرف بشكل مختلف. إنهم يسعون جاهدين للاتصال بمصادر الطاقة هذه ، ومواءمة وتغيير الأماكن من أجل امتصاص الطاقة بشكل أفضل وتبديدها في شكل حرارة. وأوضح أيضًا أن هذا الاتجاه الإحصائي نحو تبديد الطاقة يمكن أن
يدعم التكاثر الذاتي (كما أوضح في عام 2014 ، "إن صنع نسخ من نفسك هو طريقة رائعة لتبديد المزيد من الطاقة). تعتقد إنغلاند أن الحياة ، ومزيجها الاستثنائي من الشكل والوظيفة ، هي نتيجة للتكيف ، تغذيها الرغبة في التشتت والتكاثر الذاتي.
ومع ذلك ، حتى مع استخدام نظريات التذبذب ، فإن الظروف على الأرض المبكرة أو في الخلية ستكون معقدة للغاية بحيث لا يمكن التنبؤ على أساس هذه المبادئ. لذلك ، يجب اختبار الأفكار في ظروف مبسطة ومحاكاة على جهاز كمبيوتر في محاولة للاقتراب من الواقعية.
في عمل PRL ، قام كل من Ingland et al و Tal Kachman و Jeremy Owen من MIT بمحاكاة نظام من الجزيئات المتفاعلة. ووجدوا أن النظام يزيد من امتصاص الطاقة بمرور الوقت ، وتشكيل وكسر الروابط من أجل صدى أفضل مع تردد القيادة. يقول إنغلاند: "هذه نتيجة أبسط من بعض النواحي" من عمل PNAS الذي تشارك فيه شبكة من التفاعلات الكيميائية.
في العمل الثاني ، ابتكر هو وهورويتز ظروفًا معقدة تتطلب فيها تكوينات خاصة من الذرات توصيلها بمصادر الطاقة المتاحة ، تمامًا كما تسمح تكوينات خاصة من ذرات البكتيريا لها بإجراء عملية التمثيل الغذائي. في المحاكاة ، حفزت مصادر الطاقة الخارجية تفاعلات كيميائية معينة في شبكة التفاعل. يعتمد نشاط هذا التحفيز على تركيزات المركبات الكيميائية المختلفة. مع مسار التفاعلات وزيادة التركيزات ، يمكن أن تتغير قوة التحفيز بشكل كبير. يوضح
جيريمي جوناواردن ، عالم الرياضيات وأخصائي علم الأحياء في كلية الطب بجامعة هارفارد ، أن مثل هذه القسوة جعلت من الصعب على النظام "العثور على مجموعات من التفاعلات التي يمكن أن تنتج الطاقة المتاحة على النحو الأمثل".
ومع ذلك ، عندما سمح الباحثون لشبكة التفاعل بالتطور في مثل هذه البيئة ، تم ضبطها بدقة على تلك البيئة. تطورت مجموعة عشوائية من الظروف الأولية وافترضت حالات نادرة من النشاط الكيميائي القوي والدعم الشديد أربع مرات أكثر من المتوقع. وعندما جاءت هذه النتائج ، حدث ذلك بشكل حاد للغاية. في الوقت نفسه ، مرت الأنظمة بدورات من التفاعلات والطاقة المتبددة في العملية ، والتي ، من وجهة نظر إنغلاند ، تخدم كأبسط علاقة بين الشكل والوظيفة اللازمة لظهور الحياة.
معالجات المعلومات
يقول الخبراء أن الخطوة المهمة التالية لإنجلاند وزملائه ستكون توسيع شبكات التفاعلات الكيميائية لمعرفة ما إذا كانت تتطور ديناميكيًا إلى حالات ثابتة نادرة من الدعم الشديد. قد يحاولون أيضًا جعل التحفيز أقل تجريدًا عن طريق جلب التركيزات الكيميائية ، ومعدلات التفاعل ، وظروف الدعم إلى تلك التي يمكن أن توجد في
مصانع المد والجزر أو بجوار الأنابيب البركانية في
المرق البدائي للأرض المبكرة (ولكن استنساخ الظروف التي نشأت فيها الحياة بالفعل - هذا هو أساسا المضاربة والمضاربة). قال راهول ساربيشكار ، أستاذ الهندسة الميكانيكية ، والفيزيائي وعلم الأحياء الدقيقة في كلية دارتمور: "سيكون من الجيد الحصول على معلومات فيزيائية محددة عن هذه الإنشاءات المجردة". ويأمل أن يرى كيف سيتم استنساخ هذه المواقف في تجارب حقيقية ، ربما باستخدام المواد الكيميائية المتعلقة بالبيولوجيا ومصادر الطاقة مثل الجلوكوز.
ولكن حتى إذا كان بإمكانك رؤية الحالات المصقولة بدقة شديدة تشبه الظروف التي من المفترض أن تؤدي إلى ولادة الحياة ، يعتقد بعض الباحثين أن أطروحة إنجلاند تصف الشروط "الضرورية ولكنها غير كافية" لشرح ظهور الحياة ، كما يقول ووكر. لا يمكنهم وصف ما يعتبره البعض السمة الحقيقية للأنظمة البيولوجية: القدرة على معالجة المعلومات. من أبسط
الانجذاب الكيميائي (قدرة البكتيريا على التحرك نحو تركيز العناصر الغذائية أو في الاتجاه من المركبات السامة) إلى التواصل البشري ، تأخذ أشكال الحياة وتستجيب للمعلومات حول محيطها.
يعتقد ووكر أن هذا يميزنا عن الأنظمة الأخرى التي تندرج ضمن نطاق نظرية إنجلترا الخاصة بتشتت التكيف ، مثل
البقعة الحمراء الكبرى للمشتري . وتقول: "هذا هيكل نثر غير متوازن موجود منذ 300 عام على الأقل ، وهو يختلف تمامًا عن هياكل التشتت غير المتوازنة الموجودة على الأرض اليوم والتي طورت مليارات السنين". إن فهم ما يميز الحياة عن مثل هذه الهياكل ، "يتطلب تعريفًا واضحًا للمعلومات يتجاوز عملية التشتت." من وجهة نظرها ، فإن القدرة على الاستجابة للمعلومات هي مفتاح ذلك: "نحن بحاجة إلى شبكة من التفاعلات الكيميائية التي يمكن أن تتقدم على قدميها والابتعاد عن البيئة التي نشأت فيها".
يلاحظ Gunawardena أنه بالإضافة إلى الخصائص الديناميكية الحرارية وقدرات معالجة المعلومات الموجودة في أشكال الحياة ، فإنها أيضًا تقوم بتخزين ونقل المعلومات الجينية عن نفسها إلى أحفادها. يقول إن أصل الحياة هو "ليس فقط مظهر البنية ، بل هو ظهور حس ديناميكي معين. هذا هو مظهر الهياكل الاستنساخ. وإمكانية تأثير خصائص هذه الأجسام على سرعة التشغيل. عندما تستوفي الشرطين ، ستجد نفسك في وضع بداية التطور الدارويني ، ويعتقد علماء الأحياء أن هذا هو بيت القصيد ".
من الواضح أن إيفجيني شاخنوفيتش ، أستاذ الكيمياء وعلم الأحياء الكيميائي في جامعة هارفارد ، الذي قاد دراسة إنجلترا ، يشارك بوضوح عمل الطالب السابق وقضايا الأحياء. يقول شاهنوفيتش: "بدأ مسيرته العلمية في مختبري وأعرف مدى قدرته ، لكن عمل جيريمي يقدم تمارين مثيرة للاهتمام في الميكانيكا الإحصائية غير المتوازنة للأنظمة المجردة البسيطة." ويضيف أن جميع الادعاءات بأنهم مرتبطون بأصل الحياة "هي مجرد تكهنات خالصة وعارية".
حتى إذا كانت إنجلاند على المسار الصحيح من وجهة نظر الفيزياء ، فإن علماء الأحياء بحاجة إلى أشياء أكثر تحديدًا - على سبيل المثال ، النظرية التي جاءت بها
الخلايا الأولية البدائية من الخلايا الحية الأولى ، وكيف ظهرت الشفرة الجينية. يوافق إنغلاند على أن النتائج التي توصل إليها ليس لها إجابة على هذه الأسئلة. ويقول: "على المدى القصير ، لا يخبروني الكثير عن عمل الأنظمة البيولوجية ، ولا أقول حتى أنهم سيخبرونني بالضبط من أين تأتي الحياة التي نعرفها". كلا السؤالين "فوضى محبطة" مبنية على "أدلة مجزأة" ينوي منها الابتعاد في الوقت الراهن. يقترح ببساطة أنه في مجموعة أدوات الحياة الأولى ، "ربما هناك شيء يمكن الحصول عليه بدون سبب ، ومن ثم تحسينه باستخدام آلية الداروينية".
على ما يبدو ، Sarpeshkar ، اعتبر التكيف تحت تأثير التشتت كأول عمل من تاريخ أصل الحياة. "يوضح جيريمي أنه إذا كنت قادرًا على استخراج الطاقة من البيئة ، فسيظهر النظام تلقائيًا ويتكيف مع نفسه" ، كما يقول. ويلاحظ أن الكائنات الحية تؤدي إجراءات أكثر بكثير من شبكة التفاعلات الكيميائية في إنجلاند وهورويتز. "لكننا نتحدث عن كيف ظهرت الحياة لأول مرة - كيف يمكن أن ينبثق النظام من لا شيء."