जीवन की उत्पत्ति के भौतिक सिद्धांत के पक्ष में पहला प्रमाण

रसायन शास्त्र लें, ऊर्जा जोड़ें, और जीवन प्राप्त करें। जेरेमी इंग्लैंड द्वारा डाले गए जीवन की उत्पत्ति की उत्तेजक परिकल्पना का पहला परीक्षण किया गया है, और वे बताते हैं कि कैसे आदेश कुछ भी नहीं हो सकता है

बायोफिजिसिस्ट जेरेमी इंगलैंड ने अपने नए सिद्धांत के साथ 2013 में जनता को उत्साहित किया , जिससे जीवन की उत्पत्ति थर्मोडायनामिक्स का एक अनिवार्य परिणाम बन गया। उनके समीकरणों का अर्थ है कि कुछ शर्तों के तहत, परमाणुओं के समूह स्वाभाविक रूप से अधिक से अधिक ऊर्जा खर्च करने के लिए पुनर्व्यवस्थित करते हैं, ऊर्जा के निरंतर अपव्यय और ब्रह्मांड में "एन्ट्रॉपी", या विकार के उद्भव में योगदान करते हैं। इंगलैंड इस पुनर्गठन प्रभाव को कहते हैं, जिसे वह बिखराव अनुकूलन कहते हैं, जटिल संरचनाओं के विकास को उत्तेजित करता है, जिसमें जीवित जीव शामिल हैं। जीवन का अस्तित्व एक रहस्य या भाग्य नहीं है, उन्होंने 2014 में लिखा था , यह मूल भौतिक सिद्धांतों से अनुसरण करता है और "पहाड़ से लुढ़कने वाले पत्थर के रूप में बहुत ही आश्चर्यजनक होना चाहिए।"

तब से, मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में 35 वर्षीय एसोसिएट प्रोफेसर इंगलैंड ने कंप्यूटर सिमुलेशन में अपने विचार के पहलुओं का परीक्षण किया है। उनके कार्यों में से दो सबसे महत्वपूर्ण जुलाई 2017 में प्रकाशित हुए थे - सबसे दिलचस्प परिणाम जर्नल प्रोसीडिंग्स ऑफ द नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज (पीएनएएस) में दिखाई दिया, और दूसरा भौतिक समीक्षा पत्र (पीआरएल) में। दोनों प्रयोगों के परिणाम बिखराव के प्रभाव के तहत अनुकूलन के बारे में इंग्लैंड के मुख्य बयान की पुष्टि करते हैं, हालांकि वास्तविक जीवन में उनके आवेदन की संभावना सवाल में बनी हुई है।

माइकल लॉज़िग ने कहा, "यह स्पष्ट रूप से जर्मनी में कोलोन विश्वविद्यालय के सांख्यिकीय भौतिकी और मात्रात्मक जीव विज्ञान के विशेषज्ञ माइकल लेस्सिग ने कहा है कि इंगलैंड द्वारा लिखित पीएनएएस काम और एमआईटी, जोर्डन होरोविट्ज़ के बाद के डॉक के बाद। लासिग लिखते हैं कि यह एक अपेक्षाकृत छोटी प्रणाली में नियमों के दिए गए सेट का अध्ययन करने का एक उदाहरण है, इसलिए यह कहना जल्दबाजी होगी कि क्या इसे सामान्य करना संभव होगा। हालांकि, स्पष्ट दिलचस्प सवाल यह है कि जीवन के लिए इसका क्या मतलब है। ”

कार्य में, व्यावहारिक रूप से कोशिकाओं और जीव विज्ञान के महत्वपूर्ण विवरणों का विश्लेषण किया जाता है, और रासायनिक यौगिकों के एक सरलीकृत, सिम्युलेटेड सिस्टम का वर्णन किया जाता है, जिसमें, हालांकि, एक असाधारण संरचना का सहज उद्भव संभव है - इस घटना को इंग्लैंड द्वारा जीवन के उद्भव के पीछे प्रेरक बल माना जाता है। "इसका मतलब यह नहीं है कि आपको यह संरचना प्राप्त करने की गारंटी है," इंगलैंड बताते हैं। परिणाम की भविष्यवाणी करने के लिए सिस्टम की गतिशीलता बहुत जटिल और गैर-अस्पष्ट है।

सिमुलेशन में 25 रासायनिक यौगिकों का एक सूप शामिल है जो एक दूसरे के साथ बड़ी संख्या में बातचीत करते हैं। ऊर्जा स्रोत इनमें से कुछ प्रतिक्रियाओं को लेने का कारण बनते हैं, क्योंकि सूर्य का प्रकाश वातावरण में ओजोन के उत्पादन को ट्रिगर करता है, और रासायनिक ईंधन एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट सेल में प्रक्रियाओं को नियंत्रित करता है। यादृच्छिक प्रारंभिक सांद्रता, प्रतिक्रिया दरों और "मजबूर परिदृश्य" के साथ शुरू - नियम जो कहते हैं कि जो प्रतिक्रियाएं बाहरी ताकतों को खिलाएंगी और जो - रासायनिक प्रतिक्रियाओं का एक नकली नेटवर्क विकसित होता है जब तक कि यह अपने अंतिम, स्थिर स्थिति या "निश्चित बिंदु" तक नहीं पहुंचता है "।



प्रणाली अक्सर संतुलन संतुलन में शांत होती है, जिसमें रसायनों और प्रतिक्रियाओं की एक संतुलित एकाग्रता होती है, दोनों दिशाओं में समान संभावना के साथ। संतुलन की इच्छा, उदाहरण के लिए, कमरे के तापमान को ठंडा करने वाला एक कप कॉफी, ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम का सबसे परिचित परिणाम है, जो बताता है कि ऊर्जा लगातार विस्तार कर रही है, और ब्रह्मांड का एन्ट्रापी लगातार बढ़ रहा है। दूसरा कानून काम करता है क्योंकि ऊर्जा को कणों के बीच वितरित करने के लिए एक ही स्थान पर ध्यान केंद्रित करने की तुलना में अधिक तरीके हैं, इसलिए जैसे-जैसे कण चलते हैं और बातचीत करते हैं, उनके बीच ऊर्जा का वितरण अधिक होने की संभावना है।

लेकिन कुछ प्रारंभिक स्थितियों के लिए, सिमुलेशन में रासायनिक प्रतिक्रियाओं का नेटवर्क पूरी तरह से अलग तरीके से विकसित होता है। इन मामलों में, यह स्थिर अवस्थाओं में विकसित होता है, जो संतुलन बिंदु से बहुत दूर हैं, जहां यह सक्रिय रूप से प्रतिक्रिया चक्र शुरू करता है, जो पर्यावरण से अधिकतम उपलब्ध ऊर्जा लेता है। इन मामलों को सिस्टम और पर्यावरण के बीच "ठीक ट्यूनिंग के उदाहरण" माना जा सकता है, जैसा कि होरोविट्ज़ और इंगलैंड ने लिखा है, जब सिस्टम "चरम थर्मोडायनामिक मजबूरी के दुर्लभ राज्य" पाता है।

जीवित प्राणी अत्यधिक मजबूरी की स्थिर स्थिति को भी बनाए रखते हैं: हम सुपर-उपभोक्ता हैं, कोशिकाओं में प्रतिक्रियाओं के माध्यम से रासायनिक ऊर्जा की एक बड़ी मात्रा को जलाते हैं, जिससे ब्रह्मांड का एन्ट्रापी बढ़ जाता है। लसिग कहते हैं कि कंप्यूटर एक सरल और अधिक सार रासायनिक प्रणाली में इस व्यवहार का अनुकरण करता है, और यह दर्शाता है कि यह राज्य "एक बड़ी प्रतीक्षा के बिना, तुरंत" दिखाई दे सकता है, जो व्यवहार में इन बिंदुओं की उपलब्धता को दर्शाता है।

कई जैव-भौतिकीविदों का मानना ​​है कि जीवन के इतिहास में, इंग्लैंड द्वारा वर्णित कुछ समान हो सकता है। लेकिन क्या उसने जीवन की उत्पत्ति में सबसे महत्वपूर्ण चरण पाया, इस पर निर्भर करता है कि जीवन का सार क्या है? यहाँ राय अलग है।

रूप और कार्य

29 वर्ष की आयु में एमआईटी में शामिल होने से पहले हार्वर्ड, ऑक्सफोर्ड, स्टैनफोर्ड और प्रिंसटन में काम करने वाले एक बड़े पैमाने पर उपहार वाले इनग्लैंड का मानना ​​है कि जीवित चीजों का सार उनके घटक परमाणुओं की असाधारण व्यवस्था है। "अगर आप कल्पना करते हैं कि मैं बेतरतीब ढंग से एक जीवाणु के परमाणुओं को मिलाता हूं - मैं अंतरिक्ष में ले जाता हूं, चिह्नित करता हूं, और मिश्रण करता हूं - मुझे शायद कुछ कचरा मिलेगा," उन्होंने पहले लिखा था। "परमाणुओं के अधिकांश संयोजन एक जीवाणु के रूप में इस तरह के चयापचय ऊर्जा स्टेशन में नहीं बदलेंगे।"

रासायनिक ऊर्जा तक पहुंच प्राप्त करने और उसे जलाने के लिए परमाणुओं के समूह के लिए यह आसान नहीं है। इस कार्य को करने के लिए, परमाणुओं को बहुत ही असामान्य संरचना में पंक्तिबद्ध होना चाहिए। इंग्लैंड के अनुसार, रूप और कार्य के बीच संबंध का बहुत ही अस्तित्व "इसका अर्थ है कि पर्यावरण एक समस्या उत्पन्न करता है जिसके परिणामस्वरूप संरचना हल करती है।"

लेकिन रासायनिक ऊर्जा की खपत के लिए इष्टतम विन्यास के साथ, एक जीवाणु के एक विशिष्ट रूप और कार्य में परमाणु कैसे और क्यों लेते हैं? इंग्लैंड का मानना ​​है कि यह उन प्रणालियों के लिए थर्मोडायनामिक्स का एक प्राकृतिक परिणाम है जो संतुलन बिंदु से बहुत दूर हैं।

भौतिक रसायनज्ञ, नोबेल पुरस्कार विजेता इल्या प्रोगोगिन , ने 1960 के दशक में समान विचारों से निपटा, लेकिन उनके तरीके सीमित थे। पारंपरिक थर्मोडायनामिक समीकरण केवल संतुलन के करीब एक राज्य में अध्ययन प्रणाली के लिए अच्छी तरह से काम करते हैं - जैसे कि धीरे-धीरे ठंडा या गर्म गैस। ऊर्जा के शक्तिशाली बाहरी स्रोतों द्वारा ईंधन वाले सिस्टम में अधिक जटिल गतिशीलता है और अध्ययन करने के लिए बहुत अधिक कठिन हैं।

1990 के दशक के उत्तरार्ध में स्थिति बदल गई जब भौतिक विज्ञानी गेविन क्रुक्स और क्रिस जारज़िंस्की " उतार-चढ़ाव प्रमेयों " के साथ आए , जिसका उपयोग यह गणना करने के लिए किया जा सकता है कि कैसे प्रत्यक्ष शारीरिक प्रक्रियाएं रिवर्स लोगों की तुलना में अधिक बार होती हैं। सिद्धांत शोधकर्ताओं को एक प्रणाली के विकास का अध्ययन करने की अनुमति देते हैं, यहां तक ​​कि संतुलन से भी दूर। एक भौतिक विज्ञानी और वैज्ञानिक एरिजोना विश्वविद्यालय से जीवन की उत्पत्ति के विशेषज्ञ सारा वाकर के अनुसार इंगलैंड का नया दृष्टिकोण, "जीवन की उत्पत्ति से संबंधित समस्याओं" के लिए उतार-चढ़ाव प्रमेय लागू करना है। मुझे लगता है कि वह सभी का एकमात्र व्यक्ति है जो यह पूरी तरह से पर्याप्त करता है। "

इस तथ्य के कारण कॉफी ठंडा हो जाती है कि कुछ भी गर्म नहीं होता है, लेकिन इंगलैंड की गणना बताती है कि बाहरी ऊर्जा स्रोतों द्वारा खिलाए गए परमाणुओं के समूह अलग-अलग व्यवहार कर सकते हैं। वे इन ऊर्जा स्रोतों से जुड़ने का प्रयास करते हैं, संरेखित करते हैं और स्थानों को बदलते हैं ताकि ऊर्जा को बेहतर तरीके से अवशोषित किया जा सके और इसे गर्मी के रूप में विघटित किया जा सके। उन्होंने आगे दिखाया कि ऊर्जा अपव्यय की ओर यह सांख्यिकीय प्रवृत्ति स्व-प्रजनन का समर्थन कर सकती है (जैसा कि उन्होंने 2014 में समझाया था, "खुद की प्रतियां बनाना अधिक ऊर्जा को नष्ट करने का एक शानदार तरीका है)। इंगलैंड का मानना ​​है कि जीवन, और इसके रूप और कार्य का असाधारण संयोजन, अनुकूलन का परिणाम है, जो फैलाव और आत्म-प्रजनन की इच्छा से ईंधन है।

हालांकि, उतार-चढ़ाव प्रमेयों के उपयोग के साथ, इन सिद्धांतों के आधार पर भविष्यवाणियां करने के लिए प्रारंभिक पृथ्वी या कोशिका पर स्थितियां बहुत जटिल होंगी। इसलिए, यथार्थवाद के करीब जाने के प्रयास में कंप्यूटर पर सिम्युलेटेड सरलीकृत परिस्थितियों में विचारों का परीक्षण किया जाना चाहिए।

PRL में, Ingland et al, Tal Kachman और MIT के जेरेमी ओवेन ने सहभागिता कणों की एक प्रणाली का अनुकरण किया। उन्होंने पाया कि सिस्टम समय के साथ ऊर्जा के अवशोषण को बढ़ाता है, इसके ड्राइविंग आवृत्ति के साथ बेहतर गूंजने के लिए बांड बनाता और तोड़ता है। "कुछ मायनों में यह एक सरल परिणाम है" पीएनएएस काम की तुलना में जिसमें रासायनिक प्रतिक्रियाओं का एक नेटवर्क शामिल है, इंगलैंड कहते हैं।

दूसरे काम में, उन्होंने और होरोविट्ज़ ने जटिल परिस्थितियों का निर्माण किया, जिसमें परमाणुओं के विशेष विन्यास को उपलब्ध ऊर्जा स्रोतों से जुड़ने की आवश्यकता होती है, जिस तरह एक जीवाणु के परमाणुओं का एक विशेष विन्यास इसे चयापचय करने की अनुमति देता है। सिमुलेशन में, बाहरी ऊर्जा स्रोतों ने प्रतिक्रिया नेटवर्क में कुछ रासायनिक प्रतिक्रियाओं को उत्तेजित किया। इस तरह की उत्तेजना की गतिविधि विभिन्न रासायनिक यौगिकों की सांद्रता पर निर्भर करती है। प्रतिक्रियाओं और बढ़ती सांद्रता के साथ, उत्तेजना की ताकत नाटकीय रूप से बदल सकती है। हार्वर्ड मेडिकल स्कूल के गणितज्ञ और सिस्टम बायोलॉजिस्ट जेरेमी गनवार्डन बताते हैं कि इस तरह की कठोरता ने "प्रतिक्रियाओं के संयोजन को खोजने के लिए जो कि उपलब्ध ऊर्जा का उत्पादन कर सकता है," प्रणाली के लिए मुश्किल बना दिया।

और फिर भी, जब शोधकर्ताओं ने प्रतिक्रिया नेटवर्क को ऐसे वातावरण में विकसित करने की अनुमति दी, तो यह उस वातावरण के लिए सूक्ष्म रूप से सक्षम हो गया। प्रारंभिक स्थितियों का एक यादृच्छिक सेट विकसित हुआ और जोरदार रासायनिक गतिविधि की दुर्लभ स्थिति और चरम समर्थन उम्मीद से चार गुना अधिक बार हुआ। और जब ऐसे परिणाम आए, तो यह बहुत तेजी से हुआ। इसी समय, सिस्टम प्रतिक्रियाओं के चक्र से गुजरा और इस प्रक्रिया में ऊर्जा का प्रसार हुआ, जो कि इंगलैंड के दृष्टिकोण से, जीवन के उद्भव के लिए आवश्यक रूप और कार्यक्षमता के बीच सबसे सरल संबंध के रूप में कार्य करता है।

सूचना संचालकों

विशेषज्ञों का कहना है कि इंगलैंड और उनके सहयोगियों के लिए अगला महत्वपूर्ण कदम यह होगा कि वे रासायनिक प्रतिक्रियाओं के नेटवर्क को देखें और देखें कि क्या वे गतिशील रूप से चरम समर्थन के दुर्लभ निश्चित राज्यों में विकसित हो रहे हैं। वे रासायनिक सांद्रता, प्रतिक्रिया दरों और उन स्थितियों को समर्थन की स्थिति लाकर उत्तेजना को कम अमूर्त बनाने की कोशिश कर सकते हैं, जो ज्वार की फैक्ट्रियों में या प्रारंभिक पृथ्वी के प्राइमर्डियल शोरबा में ज्वालामुखी ट्यूबों के बगल में मौजूद हो सकती हैं (लेकिन जिन स्थितियों में जीवन वास्तव में उत्पन्न हुआ था, उन्हें पुन: उत्पन्न करना - यह मुख्य रूप से अटकलें और अटकलें हैं)। डार्टमूर कॉलेज के एक भौतिक विज्ञानी और सूक्ष्म जीवविज्ञानी, मैकेनिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर राहुल सर्पशकर ने कहा: "इन अमूर्त निर्माणों पर विशिष्ट भौतिक जानकारी प्राप्त करना अच्छा होगा।" वह यह देखने की उम्मीद करता है कि वास्तविक प्रयोगों में इन स्थितियों को कैसे पुन: पेश किया जाएगा, संभवतः जीव विज्ञान से संबंधित रसायनों और ऊर्जा स्रोतों जैसे कि ग्लूकोज का उपयोग करके।

लेकिन भले ही आप ठीक-ठाक राज्यों को बहुत करीब से देख सकते हैं, जो जीवन के जन्म के लिए शुरू होने वाली स्थितियों से मिलते-जुलते हैं, कुछ शोधकर्ताओं का मानना ​​है कि इनग्लैंड के शोध प्रबंध में जीवन के उद्भव को समझाने के लिए "आवश्यक लेकिन अपर्याप्त" स्थितियों का वर्णन किया गया है, जैसा कि वॉकर कहते हैं। वे यह वर्णन नहीं कर सकते कि कुछ लोग जैविक प्रणालियों की सही विशेषता पर विचार करते हैं: जानकारी को संसाधित करने की क्षमता। सबसे सरल केमोटैक्सिस (बैक्टीरिया की पोषक तत्वों की एकाग्रता की दिशा में या विषाक्त यौगिकों से दिशा में जाने के लिए) से मानव संचार, जीवन रूपों को अपने परिवेश के बारे में जानकारी लेने और प्रतिक्रिया करने के लिए।



वॉकर का मानना ​​है कि यह हमें अन्य प्रणालियों से अलग करता है जो इंग्लैंड के सिद्धांत के बिखरने के दायरे में आते हैं, जैसे कि बृहस्पति का ग्रेट रेड स्पॉट । "यह एक कम से कम 300 वर्षों के लिए अस्तित्व में है कि एक noquilibrium बिखरने संरचना है, और यह कुछ भीququilibrium बिखरने संरचनाओं से अलग है जो आज पृथ्वी पर मौजूद हैं और अरबों वर्षों से विकसित हुए हैं," वह कहती हैं। इस तरह की संरचनाओं से जीवन को अलग करने वाली समझ, "फैलाव प्रक्रिया से परे जाने वाली जानकारी की स्पष्ट परिभाषा की आवश्यकता होती है।" उसके दृष्टिकोण से, सूचना का जवाब देने की क्षमता इस के लिए महत्वपूर्ण है: "हमें रासायनिक प्रतिक्रियाओं के एक नेटवर्क की आवश्यकता है जो अपने पैरों पर प्राप्त कर सकते हैं और उस वातावरण से दूर हो सकते हैं जिसमें यह उत्पन्न हुआ था।"

गनवार्डन नोट करते हैं कि जीवन रूपों में मौजूद जानकारी के थर्मोडायनामिक गुणों और प्रसंस्करण क्षमताओं के अलावा, वे अपने वंशजों के बारे में आनुवांशिक जानकारी को भी संग्रहीत और संचारित करते हैं। जीवन की उत्पत्ति, वे कहते हैं, "केवल संरचना की उपस्थिति नहीं है, यह एक निश्चित गतिशील, डार्विनियन अर्थ की उपस्थिति है। यह प्रजनन संरचनाओं की उपस्थिति है। और प्लेबैक गति पर इन वस्तुओं के गुणों के प्रभाव की संभावना। जब आप दोनों शर्तों को पूरा करते हैं, तो आप खुद को डार्विनियन विकास की शुरुआत की स्थिति में पाएंगे, और जीवविज्ञानी मानते हैं कि यह पूरा बिंदु है। "

हार्वर्ड में रसायन विज्ञान और रासायनिक जीव विज्ञान के प्रोफेसर एवगेनी शखनोविच , जिन्होंने इंग्लैंड के अध्ययन का नेतृत्व किया, अपने पूर्व छात्र के काम और जीव विज्ञान के मुद्दों को स्पष्ट रूप से साझा करते हैं। शाहनोविच कहते हैं, '' उन्होंने मेरे प्रयोगशाला में अपने वैज्ञानिक करियर की शुरुआत की और मुझे पता है कि वे कितने सक्षम हैं, '' लेकिन जेरेमी के काम में सरल अमूर्त प्रणालियों के नोक्विलिब्रीयम सांख्यिकीय यांत्रिकी में संभावित रूप से दिलचस्प अभ्यास प्रस्तुत किए गए हैं। '' सभी का दावा है कि वे जीवन की उत्पत्ति से संबंधित हैं, वह कहते हैं, "शुद्ध और बेशर्म अटकलें हैं।"

भले ही इंगलैंड भौतिक विज्ञान के दृष्टिकोण से सही रास्ते पर है, लेकिन जीवविज्ञानी को अधिक विशिष्ट चीजों की आवश्यकता है - उदाहरण के लिए, पहले जीवित कोशिकाओं में से आदिम प्रोटोकल्स का सिद्धांत और आनुवंशिक कोड कैसे प्रकट हुआ। इंगलैंड इस बात से सहमत है कि उसके निष्कर्षों का इन सवालों का कोई जवाब नहीं है। "अल्पावधि में, वे मुझे जैविक प्रणालियों के काम के बारे में ज्यादा नहीं बताते हैं, मैं यह भी नहीं कहता कि वे मुझे बताएंगे कि हम जिस जीवन को जानते हैं, वह कहां से आता है।" दोनों प्रश्न "खंडित साक्ष्य" पर आधारित एक "निराशाजनक गड़बड़" हैं, जिसमें से वह "अभी के लिए दूर रहने का इरादा रखता है"। वह केवल यह बताता है कि पहले जीवन के टूल किट में, "शायद ऐसा कुछ है जो बिना किसी कारण के प्राप्त किया जा सकता है, और फिर डार्विनियन तंत्र का उपयोग करके अनुकूलित किया जा सकता है"।

सर्पेशकर, जाहिर है, जीवन की उत्पत्ति के इतिहास के पहले कार्य के रूप में प्रकीर्णन के प्रभाव के तहत अनुकूलन माना जाता है। "जेरेमी दर्शाता है कि यदि आप पर्यावरण से ऊर्जा निकालने में सक्षम हैं, तो आदेश सहज रूप से प्रकट होगा और आत्म-समायोजन करेगा," वे कहते हैं। वह नोट करता है कि जीवित जीव Ingland और Horowitz की रासायनिक प्रतिक्रियाओं के नेटवर्क की तुलना में बहुत अधिक कार्य करते हैं। "लेकिन हम इस बारे में बात कर रहे हैं कि जीवन पहली बार कैसे दिखाई दिया - कुछ भी नहीं से आदेश कैसे निकल सकता है।"