Жизнь: случайное стечение обстоятельств или закон… физики?

Понимание природы жизни является одной из самых сложных и одновременно интересных загадок для человечества. Со временем эта загадка неизбежно вышла за рамки вопроса о том, существует ли жизнь только на Земле, или же она есть где-то еще во Вселенной. Обязано ли появление жизни случайному и удачному стечению обстоятельств, или же она настолько же естественна для Вселенной, как и универсальные законы физики?

Ученые давно пытаются ответить на эти вопросы. Одним из них является Джереми Ингланд, биофизик Массачусетского технологического института. В 2013 году он вывел гипотезу о том, что законы физики могли стать триггером химических реакций, позволивших простым веществам организоваться таким образом, что они в конечном итоге приобрели «жизненные» качества.

В результатах же новой работы Ингланда и его коллег отмечается, что физика способна естественным образом создавать процессы самовопроспроизводимых реакций, что является одним из первых шагов к созданию «живого» из «неживого». Другими словами, это значит, что жизнь напрямую происходит из фундаментальных законов природы, что фактически исключает возможность гипотезы о случайном возникновении. Но это было бы слишком громким заявлением.

Жизнь должна была появиться из чего-то. Биология существовала не всегда. Она тоже появилась в результате цепочки определенных химических процессов, приведших к тому, что химические вещества каким-то образом организовались в пребиотические соединения, создали «строительные кирпичики жизни», а затем превратились в микробов, которые в конечном итоге развились в удивительный набор живых существ, существующих сегодня на нашей планете.

Теория абиогенеза рассматривает возникновение жизни как появление живой природы из неживой и по мнению Ингланда, основой и ключом, благодаря которому неживые химические соединения могли превратиться в живые биологические может являться термодинамика. Однако, как отмечает сам ученый, последние исследование не ставит перед собой цель в создании связи между «жизненными свойствами» физических систем и биологическими процессами.

«Я бы не сказал, что я провел работу, которая могла бы ответить на вопрос самой природы жизни как таковой», — поделился Ингланд в интервью Live Science.

«То, что меня интересовало, так это само доказательство принципа – каковы физические требования для проявления у неживых соединений живого поведения».

Самоорганизация в физических системах

Когда к системе применяется энергия, законы физики диктуют, как эта энергия будет рассеиваться. Если на эту систему воздействует внешний источник тепла, то энергия начинает рассеиваться до тех пор, пока вокруг этой системы не организуется тепловое равновесие. Поставьте горячую чашку кофе на стол и через время то место, где стояла чашка, станет теплым. Однако некоторые физические системы могут быть неравновесными, поэтому через «самоорганизацию» они стараются наиболее эффективным образом задействовать энергию внешнего источника, в результате чего запускаются довольно интересные, как указывает Ингланд, самоподдерживаемые химические реакции, препятствующие достижению термодинамического равновесия. Это, как если бы чашка кофе спонтанно спровоцировала химическую реакцию, заставляющую поддерживать горячей только крошечную площадь кофе в центре чашки, предотвращая ее охлаждения и перехода в состояние термодинамического равновесия со столом. Ученый называет подобную ситуацию «адаптацией к диссипации», и этот механизм является именно тем, что наделяет по мнению Ингланда неживые физические системы живыми свойствами.

Ключевым же поведением жизни является возможность самовоспроизводства или (с биологической точки зрения) репродукции. Это основа для любой жизни: начитается как простейшая, затем репродуцируется, становится все более и более сложной, затем вновь репродуцируется и этот процесс повторяется вновь и вновь. И так получилось, что саморепликация тоже является очень эффективным способом рассеивания тепла и повышения энтропии внутри этой системы.

В результатах исследования, опубликованных 18 июля в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (Труды Национальной академии наук) Ингланд и соавтор работы Джордан Хоровиц описывают проверку своей гипотезы. Они провели несколько компьютерных симуляций закрытой системы (системы, которая не обменивается теплом или материей со своим окружением), содержащей «суп» из 25 химических веществ. Несмотря на то, что их система была весьма простой, именно подобный «бульон» скорее всего когда-то мог покрывать поверхность древней и безжизненной Земли. Так вот оказалось, что если эти химические вещества находятся вместе и на них оказывается воздействие тепла из внешнего источника (например, гидротермальной скважины), то этим веществам потребуется каким-то образом рассеивать это тепло согласно второму закону термодинамики, который говорит о том, что тепло должно рассеиваться и энтропия системы в этот момент будет неизбежно возрастать.

При создании определенных изначальных условий ученый обнаружил, что эти химические вещества могут оптимизировать воздействие, оказываемое на систему энергии путем самоорганизации и последующих активных реакций для саморепликации. Эти химические вещества естественным образом самостоятельно подстроились под измененные условия. Создаваемые же ими реакции тоже производили тепло, что соответствует второму закону термодинамики. Энтропия в системе всегда будет повышаться и химические вещества так же будут продолжать самоорганизовываться и демонстрировать жизненное поведение в виде самовоспроизводства.

«По сути система сначала пробует множество решений малого масштаба и когда одно из них начинает показывать положительный результат, то организация уже всей системы и подстройка под это решение не занимает много времени», — поделился Ингланд в интервью Live Science.

Простая модель биологии выглядит следующим образом: молекулярная энергия сгорает в клетках, которые по своей природе находятся вне равновесия и управляют метаболическими процессами, поддерживающими жизнь. Но как указывает Ингланд, между обнаруженными жизненными свойствами и поведением в виртуальном химическом супе и самой жизнью существует большая разница.

С этим соглашается Сара Имари Уокер, физик-теоретик и астробиолог Аризонского университета, не принимавшая участия в обсуждаемых сегодня исследованиях.

«Есть два пути, которые необходимо пройти, чтобы попытаться объединить биологию и физику. Один заключается в понимании того, как можно получить жизненные качества от простых физических систем. Второй же заключается в понимании того, как физика способна породить жизнь. Необходимо решить оба этих условия, чтобы реально понять, какие свойства являются действительно уникальными для жизни как таковой и какие свойства и особенности характерны для вещей, которые вы можете принять за живые системы, например, пребиотики», — прокомментировала Имари Уокер Live Science.

Возникновение жизни за пределами Земли

Перед тем как мы начнем отвечать на большой вопрос о том, могут ли эти простые физические системы повлиять на появление жизни где-то еще во Вселенной, сперва необходимо лучше разобраться в том, где подобные системы могут существовать на Земле.

«Если под словом «жизнь» вы подразумеваете нечто, что такое же впечатляющее, как скажем бактерии или любая другая форма с полимеразами (белками, соединяющими ДНК и РНК) и ДНК, то моя работа не говорит о том, насколько может быть легко или трудно создать что-то столь сложное, поэтому я бы не хотел раньше времени пытаться строить предположения о том, найдем ли мы нечто подобное где бы то ни было еще во Вселенной, кроме Земли», — говорит Ингланд.

Это исследование не определяет каким образом биология возникла из небиологических систем, оно лишь направлено на объяснение некоторых сложных химических процессов, благодаря которым происходит самоорганизация химических веществ. Проведенные компьютерные симуляции не учитывают других жизненных свойств, таких как адаптация к окружающей среде или реакцию на внешние раздражители. Кроме того, это термодинамическое исследование закрытой системы не учитывает роль переноса накопленной информации, отмечает Майкл Лэссинг, физик-статистик, занимающийся также количественной биологией в Кельнском университете.

«Эта работа безусловно показывает удивительный результат взаимодействия неравновесных химических сетей, но мы еще далеки от того, когда физика сможет объяснить природу жизни, в которой одни из ключевых ролей отведены воспроизводству и переносу информации», — прокомментировал Лэссинг Live Science.

Роль информации и ее переноса в живых системах очень важна, соглашается Имари Уокер. По ее мнению, наличие естественной самоорганизации присутствующее в «супе» из химических веществ необязательно должно означать, что это живая организация.

«Я считаю, что существует множество промежуточных этапов, которые нам необходимо пройти, чтобы перейти от простой упорядоченности к созданию полнофункциональной информационной архитектуре как у живых клеток, что требует наличие нечто вроде памяти или наследственности. Мы безусловно можем получить порядок в физике и неравновесных системах, но это не означает, что таким образом мы получим жизнь», — отмечает Имари Уокер.

Эксперты в целом считают, что говорить о том, что работа Ингланда является «убедительным доказательством» природы жизни скорее всего будет преждевременно, так как существует множество других гипотез, пытающихся описать то, как жизнь могла образоваться практически из ничего. Но она определенно является свежим взглядом на то, как физические системы способны самоорганизовываться в природе. Теперь, когда у ученых есть общее представление о том, как ведет себя эта термодинамическая система, возможно следующим шагом станет попытка определить достаточное количество неравновесных физических систем, появляющихся на Земле, говорит Ингланд.