Ambil kimia, tambahkan energi, dan dapatkan kehidupan. Tes pertama dari hipotesis provokatif tentang asal usul kehidupan yang diajukan oleh Jeremy Inggris telah dilakukan, dan mereka menunjukkan bagaimana ketertiban dapat timbul dari ketiadaan.
Ahli biofisika
Jeremy Ingland menggembirakan masyarakat pada 2013 dengan teori barunya , menjadikan asal usul kehidupan sebagai konsekuensi tak terhindarkan dari termodinamika. Persamaannya menyiratkan bahwa dalam kondisi tertentu, kelompok atom secara alami mengatur ulang untuk menghabiskan lebih banyak energi, berkontribusi pada pembuangan energi yang terus menerus dan munculnya "entropi", atau gangguan di alam semesta. Ingland mengatakan efek restrukturisasi ini, yang dia sebut adaptasi hamburan, merangsang pertumbuhan struktur kompleks, termasuk organisme hidup. Keberadaan kehidupan bukanlah misteri atau keberuntungan,
tulisnya pada tahun 2014 , ini mengikuti dari prinsip-prinsip fisik dasar dan "harus sama mengejutkannya dengan batu-batu yang bergulir dari gunung."
Sejak itu, Ingland, associate professor berusia 35 tahun di Massachusetts Institute of Technology, telah menguji aspek idenya dalam simulasi komputer. Dua dari karyanya yang paling penting diterbitkan pada Juli 2017 - hasil yang paling menarik muncul dalam jurnal
Prosiding National Academy of Sciences (PNAS), dan yang kedua di
Physical Review Letters (PRL). Hasil dari kedua percobaan tersebut tampaknya mengkonfirmasi pernyataan utama Inggris tentang adaptasi di bawah pengaruh hamburan, meskipun kemungkinan penerapannya pada kehidupan nyata masih dipertanyakan.
"Ini jelas merupakan studi yang inovatif," kata
Michael Lässig , seorang spesialis dalam fisika statistik dan biologi kuantitatif dari Universitas Cologne di Jerman, mengenai karya PNAS yang ditulis oleh Ingland dan post-doc dari MIT,
Jordan Horowitz . Lassig menulis bahwa ini adalah "contoh mempelajari seperangkat aturan tertentu dalam sistem yang relatif kecil, sehingga terlalu dini untuk mengatakan apakah mungkin untuk menggeneralisasikannya. Namun, pertanyaan menarik yang jelas adalah apa artinya ini bagi kehidupan. "
Dalam penelitian ini, rincian sel dan biologi yang penting secara praktis dianalisis, dan sistem senyawa kimia yang disimulasikan dan disederhanakan dijelaskan, di mana, bagaimanapun, kemunculan spontan dari suatu struktur yang luar biasa dimungkinkan - fenomena ini dianggap oleh Inggris sebagai kekuatan pendorong di balik kemunculan kehidupan. "Ini tidak berarti bahwa Anda dijamin mendapatkan struktur ini," jelas Ingland. Dinamika sistem terlalu kompleks dan tidak linier untuk memprediksi hasil.
Simulasi melibatkan sup dari 25 senyawa kimia yang saling berinteraksi dalam sejumlah besar cara. Sumber energi menyebabkan beberapa reaksi ini terjadi, karena sinar matahari memicu produksi ozon di atmosfer, dan bahan bakar kimia
adenosin trifosfat mengendalikan proses di dalam sel. Dimulai dengan konsentrasi awal acak, laju reaksi, dan “memaksa bentang alam” - aturan yang mengatakan reaksi mana yang akan memberi makan kekuatan eksternal dan yang mana -
jaringan simulasi
reaksi kimia berkembang hingga mencapai final, kondisi stabil, atau "titik tetap" ".
Sistem sering kali tenang dalam keadaan setimbang dengan konsentrasi bahan kimia dan reaksi yang seimbang, dengan probabilitas yang sama terjadi di kedua arah. Keinginan untuk keseimbangan, misalnya, secangkir kopi mendingin pada suhu kamar, adalah hasil paling akrab dari
hukum kedua termodinamika , yang mendalilkan bahwa energi terus berkembang, dan entropi alam semesta terus meningkat. Hukum kedua bekerja karena energi memiliki lebih banyak cara untuk mendistribusikan antar partikel daripada berkonsentrasi di satu tempat, sehingga ketika partikel bergerak dan berinteraksi, distribusi energi di antara mereka lebih mungkin.
Tetapi untuk beberapa kondisi awal, jaringan reaksi kimia dalam simulasi berkembang dengan cara yang sangat berbeda. Dalam kasus ini, ia berevolusi menjadi keadaan tetap yang jauh dari titik keseimbangan, di mana ia mulai secara aktif mendorong siklus reaksi, mengambil jumlah energi maksimum yang tersedia dari lingkungan. Kasus-kasus ini dapat dianggap sebagai "contoh fine tuning" antara sistem dan lingkungan, seperti yang ditulis Horowitz dan Ingland, ketika sistem menemukan "keadaan langka paksaan termodinamika ekstrim".
Makhluk hidup juga mempertahankan keadaan stabil dari paksaan ekstrem: kita adalah konsumen super, membakar sejumlah besar energi kimia melalui reaksi dalam sel, sehingga meningkatkan entropi alam semesta. Komputer mengemulasi perilaku ini dalam sistem kimia yang lebih sederhana dan lebih abstrak, dan menunjukkan bahwa keadaan ini dapat muncul "segera, tanpa waktu tunggu yang besar," kata Lassig, yang menunjukkan ketersediaan titik-titik ini dalam praktiknya.
Banyak ahli biofisika percaya bahwa dalam sejarah kehidupan, sesuatu yang mirip dengan yang dijelaskan oleh Inggris dapat terjadi. Tetapi apakah dia menemukan tahap paling penting dalam asal usul kehidupan, tergantung pada apa esensi kehidupan? Di sini pendapat berbeda.
Bentuk dan fungsi
Ingland, orang yang sangat berbakat yang bekerja di Harvard, Oxford, Stanford dan Princeton sebelum bergabung dengan MIT pada usia 29, percaya bahwa esensi makhluk hidup adalah pengaturan luar biasa dari atom penyusunnya. "Jika Anda membayangkan bahwa saya secara acak mencampurkan atom-atom bakteri - saya ambil, tandai, dan campur dalam ruang - saya mungkin akan mendapatkan sampah," tulisnya sebelumnya. "Sebagian besar kombinasi atom tidak akan berubah menjadi stasiun energi metabolik seperti bakteri."
Tidak mudah bagi sekelompok atom untuk mendapatkan akses ke energi kimia dan membakarnya. Untuk melakukan tugas ini, atom harus berbaris dalam struktur yang sangat tidak biasa. Menurut Inggris, keberadaan hubungan antara bentuk dan fungsi "menyiratkan bahwa lingkungan menimbulkan masalah yang dipecahkan oleh struktur yang dihasilkan."
Tetapi bagaimana dan mengapa atom mengambil bentuk dan fungsi spesifik bakteri, dengan konfigurasi optimalnya untuk konsumsi energi kimia? Inggris percaya bahwa ini adalah konsekuensi alami dari termodinamika untuk sistem yang jauh dari titik keseimbangan.
Ahli kimia fisik, pemenang Nobel
Ilya Prigogine , berurusan dengan ide-ide serupa pada 1960-an, tetapi metodenya terbatas. Persamaan termodinamika tradisional bekerja dengan baik hanya untuk mempelajari sistem dalam keadaan mendekati kesetimbangan - seperti gas yang didinginkan atau dipanaskan secara perlahan. Sistem yang didorong oleh sumber energi eksternal yang kuat memiliki dinamika yang jauh lebih kompleks dan jauh lebih sulit untuk dipelajari.
Situasi berubah pada akhir 1990-an ketika fisikawan
Gavin Crooks dan
Chris Jarzynski datang dengan "
teorema fluktuasi, " yang dapat digunakan untuk menghitung bagaimana proses fisik langsung terjadi lebih sering daripada yang terbalik. Teorema memungkinkan para peneliti untuk mempelajari evolusi suatu sistem, bahkan jauh dari keseimbangan. Pendekatan baru Ingland, menurut
Sarah Walker , seorang fisikawan teoretis dan spesialis asal usul kehidupan dari Arizona University, adalah menerapkan teorema fluktuasi pada “masalah yang berkaitan dengan asal usul kehidupan. Saya pikir dia adalah satu-satunya orang dari semua yang melakukan ini dengan cukup menyeluruh. "
Kopi mendingin karena fakta bahwa tidak ada yang memanaskannya, tetapi
perhitungan Ingland menunjukkan bahwa kelompok atom yang diberi makan oleh sumber energi eksternal dapat berperilaku berbeda. Mereka berusaha keras untuk terhubung ke sumber energi ini, meluruskan dan mengubah tempat sehingga lebih baik menyerap energi dan membuangnya dalam bentuk panas. Dia lebih lanjut menunjukkan bahwa tren statistik ini terhadap disipasi energi dapat
mendukung reproduksi diri (seperti yang ia jelaskan pada tahun 2014, “membuat salinan diri Anda adalah cara yang bagus untuk menghilangkan lebih banyak energi). Ingland percaya bahwa kehidupan, dan kombinasi bentuk dan fungsinya yang luar biasa, adalah hasil dari adaptasi, didorong oleh keinginan untuk dispersi dan reproduksi-diri.
Namun, bahkan dengan penggunaan teorema fluktuasi, kondisi di Bumi awal atau di dalam sel akan terlalu rumit untuk membuat prediksi berdasarkan prinsip-prinsip ini. Oleh karena itu, ide-ide harus diuji dalam kondisi sederhana yang disimulasikan pada komputer dalam upaya untuk mendekati realisme.
Dalam PRL, Ingland et al, Tal Kachman dan Jeremy Owen dari MIT mensimulasikan sistem partikel yang berinteraksi. Mereka menemukan bahwa sistem meningkatkan penyerapan energi dari waktu ke waktu, membentuk dan memutuskan ikatan agar lebih beresonansi dengan frekuensi mengemudi. "Dalam beberapa hal ini adalah hasil yang lebih sederhana" daripada karya PNAS di mana jaringan reaksi kimia terlibat, kata Ingland.
Dalam karya kedua, ia dan Horowitz menciptakan kondisi kompleks di mana konfigurasi atom khusus perlu dihubungkan ke sumber energi yang tersedia, sama seperti konfigurasi khusus atom bakteri memungkinkannya untuk melakukan metabolisme. Dalam simulasi, sumber energi eksternal merangsang reaksi kimia tertentu dalam jaringan reaksi. Aktivitas stimulasi tersebut tergantung pada konsentrasi berbagai senyawa kimia. Dengan rangkaian reaksi dan peningkatan konsentrasi, kekuatan stimulasi dapat berubah secara dramatis. Kekerasan seperti itu menyulitkan sistem untuk "menemukan kombinasi reaksi yang secara optimal dapat menghasilkan energi yang tersedia," jelas
Jeremy Gunawarden , seorang ahli matematika dan ahli sistem biologi di Harvard Medical School.
Namun, ketika para peneliti membiarkan jaringan reaksi berkembang di lingkungan seperti itu, ia menjadi tersetel ke lingkungan itu. Serangkaian kondisi awal acak berevolusi dan diasumsikan keadaan langka aktivitas kimia yang kuat dan dukungan ekstrim empat kali lebih sering dari yang diharapkan. Dan ketika hasil seperti itu datang, itu terjadi dengan sangat tajam. Pada saat yang sama, sistem melewati siklus reaksi dan energi yang dihabiskan dalam proses, yang, dari sudut pandang Ingland, berfungsi sebagai hubungan paling sederhana antara bentuk dan fungsi yang diperlukan untuk munculnya kehidupan.
Penangan informasi
Para ahli mengatakan bahwa langkah penting berikutnya bagi Ingland dan rekan-rekannya adalah untuk skala jaringan reaksi kimia untuk melihat apakah mereka secara dinamis berkembang menjadi kondisi langka dukungan ekstrim yang langka. Mereka juga dapat mencoba untuk membuat stimulasi kurang abstrak dengan membawa konsentrasi kimia, laju reaksi, dan kondisi pendukung kepada mereka yang bisa ada di
pabrik pasang surut atau di samping tabung vulkanik dalam
kaldu primordial Bumi awal (tetapi mereproduksi kondisi dari mana kehidupan sebenarnya muncul - ini terutama spekulasi dan spekulasi). Rahul Sarpeshkar, seorang profesor teknik mesin, seorang fisikawan dan ahli mikrobiologi di Dartmoor College, mengatakan: "Akan menyenangkan untuk mendapatkan informasi fisik spesifik tentang konstruksi abstrak ini." Dia berharap untuk melihat bagaimana situasi ini akan direproduksi dalam percobaan nyata, mungkin menggunakan bahan kimia yang berhubungan dengan biologi dan sumber energi seperti glukosa.
Tetapi bahkan jika Anda dapat melihat kondisi yang disetel sangat mirip dengan kondisi yang seharusnya telah memicu kelahiran kehidupan, beberapa peneliti percaya bahwa disertasi Ingland menggambarkan kondisi "perlu tetapi tidak cukup" untuk menjelaskan munculnya kehidupan, seperti kata Walker. Mereka tidak dapat menggambarkan apa yang beberapa orang anggap sebagai atribut sebenarnya dari sistem biologis: kemampuan untuk memproses informasi. Dari
kemotaksis yang paling sederhana (kemampuan bakteri untuk bergerak menuju konsentrasi nutrisi atau dalam arah dari senyawa beracun) hingga komunikasi manusia, makhluk hidup mengambil dan merespons informasi tentang lingkungan mereka.
Walker percaya bahwa ini membedakan kita dari sistem lain yang berada di bawah lingkup teori adaptasi hamburan Inggris, seperti
Bintik Merah Besar Jupiter . "Ini adalah struktur hamburan nonequilibrium yang telah ada selama setidaknya 300 tahun, dan sangat berbeda dari struktur hamburan nonequilibrium yang telah ada di Bumi saat ini dan telah berevolusi miliaran tahun," katanya. Memahami apa yang membedakan kehidupan dari struktur seperti itu, "memerlukan definisi informasi yang eksplisit yang melampaui proses dispersi." Dari sudut pandangnya, kemampuan untuk menanggapi informasi adalah kunci untuk ini: "Kita membutuhkan jaringan reaksi kimia yang dapat berjalan dan menjauh dari lingkungan tempat ia berasal."
Gunawardena mencatat bahwa selain sifat termodinamika dan kemampuan pemrosesan informasi yang ada dalam bentuk kehidupan, mereka juga menyimpan dan mengirimkan informasi genetik tentang diri mereka kepada keturunan mereka. Asal usul kehidupan, katanya, adalah “bukan hanya penampakan struktur, itu adalah penampakan dinamika tertentu, pengertian Darwinian. Ini adalah penampilan struktur reproduksi. Dan kemungkinan pengaruh sifat-sifat benda-benda ini pada kecepatan pemutaran. Ketika Anda memenuhi kedua kondisi tersebut, Anda akan menemukan diri Anda dalam situasi awal evolusi Darwin, dan para ahli biologi percaya bahwa inilah intinya. "
Evgeny Shakhnovich , profesor kimia dan biologi kimia di Harvard, yang memimpin studi di Inggris, jelas berbagi karya mantan siswa dan masalah biologi. "Dia memulai karir ilmiahnya di laboratorium saya dan saya tahu seberapa cakapnya dia," kata Shahnovich, "tetapi karya Jeremy menyajikan latihan yang berpotensi menarik dalam mekanika statistik non-kalibrasi sistem abstrak sederhana." Semua klaim bahwa mereka terkait dengan asal usul kehidupan, ia menambahkan, "adalah spekulasi yang murni dan tak tahu malu."
Bahkan jika Ingland berada di jalur yang benar dari sudut pandang fisika, ahli biologi membutuhkan hal-hal yang lebih spesifik - misalnya, teori sel
protoel primitif yang berasal dari sel hidup pertama, dan bagaimana kode genetik muncul. Ingland setuju bahwa temuannya tidak memiliki jawaban untuk pertanyaan-pertanyaan ini. "Dalam jangka pendek, mereka tidak memberi tahu saya banyak tentang pekerjaan sistem biologis, saya bahkan tidak mengatakan bahwa mereka akan memberi tahu saya dengan tepat dari mana kehidupan yang kita tahu berasal," katanya. Kedua pertanyaan itu adalah "kekacauan yang menyedihkan" berdasarkan "bukti terpisah" dari mana ia "bermaksud untuk menjauh sekarang". Dia hanya menyarankan bahwa dalam tool kit kehidupan pertama, "mungkin ada sesuatu yang dapat diperoleh tanpa alasan, dan kemudian dioptimalkan menggunakan mekanisme Darwinian".
Sarpeshkar, tampaknya, menganggap adaptasi di bawah pengaruh hamburan sebagai tindakan pertama dari sejarah asal usul kehidupan. "Jeremy menunjukkan bahwa jika Anda dapat mengekstraksi energi dari lingkungan, ketertiban akan muncul secara spontan dan menyesuaikan diri," katanya. Dia mencatat bahwa organisme hidup melakukan lebih banyak aksi daripada jaringan reaksi kimia Ingland dan Horowitz. "Tapi kita berbicara tentang bagaimana kehidupan pertama kali muncul - bagaimana ketertiban bisa muncul dari ketiadaan."