Матэрыялы адфільтраваныя па даце: чацвер 30 студзеня 2014

Наша команда-партнер Artmisto

Скажам, для фізіка Джэрэмі Ингленда ( Jeremy England ) З Масачусецкага тэхналагічнага інстытута (ЗША) ўзнікненне жыцця «гэтак жа прадказальна, як тэндэнцыя каменя да падзення ўніз».

Джэрэмі Ингленду 31 год, і ён ... Ну, вы і так бачыце. (Фота Katherine Taylor.)

Давайце падумаем, прапануе навуковец, чтó з фізічнай пункту гледжання адрознівае нежывыя углеродосодержащие малекулы ад жывых: другія лепш спраўляюцца з паглынаннем энергіі з навакольнага іх асяроддзя і яе рассейваннем ў выглядзе цяпла. Заўважым, што, па ўсёй бачнасці, з такімі задачамі часам можа справіцца і сажа, аднак эфектыўнасць жыцця ў гэтым напрамку ўсё ж сапраўды высокая.
Паспрабаваўшы прадставіць адрозненні жывога ад нежывога ў формулах, г-н Ингленд прыйшоў да высновы, што група атамаў, на якую дзейнічаюць іншыя крыніцы энергіі (сонечныя прамяні, наяўнасць хімічнага паліва) і якая акружаная цеплавой лазняй (акіян, атмасфера), часта будзе паступова рэструктураваць сябе, з тым каб рассейваць ўсё больш і больш энергіі. Такім чынам, пры пэўных умовах матэрыя абавязкова набудзе ключавыя фізічныя атрыбуты, якія асацыююцца з жыццём.
Калі зусім завастрыць, што Джэрэмі і робіць, то атрымліваецца наступнае: «Вы пачынаеце з выпадковым камяком атамаў, на якое свеціць даволі доўгі час, і не варта занадта дзівіцца, калі ён раптам стане раслінай».
Лёгка зразумець, што частка калегаў г-на Ингленда паставілася да яго працы як да вельмі нявызначаным, іншая - як да прарыўны, а некаторыя лічаць, што ёй ўласцівыя абедзве гэтыя рысы. Так, Яўген Шахновіч з Гарвардскага ўніверсітэта (ЗША) лічыць яе глыбока спекулятыўнай, па меншай меры на сённяшнім этапе. Так, формула, якая апісвае паводзіны матэрыі ў некаторых умовах, працуе. Але ці з'яўляецца такое імкненне атамаў лепш рассейваць энергію гарантыяй развіцця працэсу, вядучага да зараджэння жыцця? ..
Ідэя Джэрэмі Ингленда у аснове сваёй простая: другі закон тэрмадынамікі, энтрапія з часам расце, гарачае астывае, яйкі проклёвываются, але наадварот не бывае, і гэтак далей. Пакуль энергія размеркавана ў сістэме нераўнамерна, паводле тэорыі верагоднасцяў, шляхоў для далейшага рассейвання ў яе больш, чым для канцэнтрацыі. І хоць у тэорыі астывае кава можа з некаторай верагоднасцю спантанна зноў нагрэцца, на справе гэта гэтак немагчыма, што нічога падобнага і ня здараецца.
Хоць энтрапія заўсёды павінна ўзрастаць з часам, выразна гэта можна бачыць у асноўным у закрытых сістэмах, балазе ў іх адкрытых аналогах энергія можа заставацца размеркаванай паміж атамамі нераўнамерна за кошт канализирования энтрапіі па-за, у прастору, навакольнае адкрытую сістэму.
У 1944 годзе Эрвін Шрёдингер ( « Што ёсць жыццё? ») Заявіў: гэта менавіта тое, што робяць жывыя істоты, каб падтрымаць сваё існаванне. Падчас фотасінтэзу энтрапія ў Сусвеце ў цэлым расце, а вось расліна засцерагае сябе ад распаду, падтрымліваючы спарадкаваную ўнутраную структуру. З «ўсім свеце Ці праваліцца, ці мне чаю не піць» яно выбірае першае.
Аднак у часы Шрёдингера ўраўненні тэрмадынамікі вырашаліся толькі для закрытых сістэм, якія знаходзяцца да таго ж у стане тэрмадынамічнай раўнавагі. Залішне казаць, што жыццё паўстала зусім не ў іх.
У 1960-х Ілля Прыгожын да некаторай ступені атрымаў поспех у прадказанні паводзін адкрытых сістэм, у слабой ступені кіраваных знешнімі энергетычнымі крыніцамі (Нобелеўская прэмія 1977 года). Нажаль, жыццё паўстала там, дзе да тэрмадынамічнай раўнавагі было далёка, а ўздзеянне знешніх энергетычных крыніц - выключна моцна, прадказанні ж у такім асяроддзі мы рабіць усё яшчэ не ўмелі.
У 1990-я дзякуючы амерыканцам Крысу Жарзински (Chris Jarzynski) і Гэвину Крукса (Gavin Crooks) усё змянілася. было паказана , Што энтрапія тэрмадынамічнага працэсу (астываньне кавы) адпавядае простаму суадносінах: верагоднасць таго, што атамы пройдуць праз гэты працэс, делённая на верагоднасць таго, што яны пойдуць у процілеглым кірунку (што кубак, насупраць, выпадкова нагрэецца). Па меры ўзрастання продуцірованіе энтрапіі гэтыя суадносіны расце: паводзіны сістэмы становіцца ўсё больш «незваротным», а верагоднасць самозакипания каву ў кубку няўмольна падае.
Па ідэі, такому ў і дению ўсё роўна, наколькі далёкая ад тэрмадынамічнай раўнавагі асяроддзе, у якой працякае працэс.
Уласна, Джэрэмі Ингленд толькі дадаў у гэты падыход моцны ўплыў вонкавай крыніцы (электрамагнітныя хвалі) і здольнасць аддаваць цяпло вонкі - якасці, уласцівыя таго класа сістэм, у які ўваходзяць і жывыя арганізмы, і нежывыя матэрыялы, якія сустракаюцца на паверхні Зямлі.

Мадэляванне Ингленда паказвае, што ў вязкай вадкасці тыя часціцы, што вагаюцца пад дзеяннем вонкавай сілы, з часам (зверху ўніз) утвараюць паміж сабой больш сувязяў. (Ілюстрацыя Jeremy England.)

Нежывыя часціцы схільныя рассейваць больш энергіі, калі яны знаходзяцца ў рэзанансе з вонкавым крыніцай энергіі або рухаюцца ў напрамку, у якім іх штурхае знешняя сіла. У канчатковым рахунку яны больш «схільныя» рухацца ў гэтым кірунку, чым у любым іншым. «Групы атамаў, акружаныя цеплавой лазняй пэўнай тэмпературы, як і ў выпадку атмасферы або акіяна, з часам будуць переупорядочивать сябе так, каб усё лепш" рэзанаваць "з крыніцай механічнай, электрамагнітнай або хімічнай працы ў сваім асяродку», - тлумачыць г-н Ингленд .
Самапрайгравання - працэс, які прынёс на Зямлю ўсю засяляюць яе сёння жыццё, - адзін з такіх механізмаў, з дапамогай якога сістэма можа рассейваць нарастаючае колькасць энергіі з цягам часу. «Выдатны спосаб рассейвання энергіі - гэта вытворчасць вялікага ліку копій сябе самога», - кажа навуковец.
У вераснёвым (2013 года) нумары Journal of Chemical Physics даследчык паказаў, што тэарэтычны мінімум рассейвання, таго, што адбываецца пры самапрайгравання малекул РНК і бактэрый, вельмі блізкі да рэальнай колькасці, якія гэтыя сістэмы рассейваюць пры аднаўленні. Пры гэтым менавіта РНК (па ўсёй бачнасці - папярэднік ДНК-жыцця) з'яўляецца асабліва «танным» ў энергетычным сэнсе будаўнічым матэрыялам, што і абумовіла яе «перамогу».
Джэрэмі падкрэслівае: некаторыя з'явы нежывой прыроды могуць быць абумоўлены тым жа працэсам адаптацыі матэрыі па лініі максімальнага рассейвання энергіі. "Многія прыклады могуць быць прама ў нас пад носам, але з-за таго, што мы не шукалі іх, мы іх і не бачым», - лічыць фізік.
Дарэчы, нядаўна з'явіліся працы, згодна з якімі віхуры ў турбулентных вадкасцях прайграваюць сябе спантанна , Запазычваючы энергію ў зруху слаёў навакольнага іх асяроддзя. У іншым выпадку досведы са наваламі мікрасферы паказваюць іх схільнасць рассейваць энергію, звязваючы блізкія сферы у такія ж кластары (Самаўзнаўлення). Сам навуковец лічыць, што сняжынкі, выдмы, віхуры маюць шмат агульнага ў тым сэнсе, што ўсе яны валодаюць інфармацыяй, якая паўтараецца структурай, якая ўзнікае ў многосоставных сістэмах, якія прыводзяцца ў рух працэсам рассейвання энергіі. У выпадку з досведамі над бактэрыямі ня варта таксама забываць, што «бываюць і проста мутацыі», прычым здольныя ўплываць адразу на шмат фактараў, і не заўсёды трэба спяшацца з вызначэннем вядучага.
Праверыць усе гэтыя ідэі не так-то проста: працэс ўзнікнення жыцця з кучы атамаў не павінен быць хуткім. З іншага боку, часткова канцэпцыю ўсё ж такі можна выпрабаваць - суаднясення эфектыўнасці рассейвання энергіі мутантным лініямі жывых клетак з хуткасцю іх размнажэння. Калі яны і сапраўды карэлююцца, г-н Ингленд атрымае як мінімум ўскоснае доказ сваёй правасці. У той жа час і тут патрэбна асцярога: калі вам горача, вы пачынаеце абмахвацца газеткай, але гэта можна трактаваць не толькі як простае імкненне кучы атамаў у асобе Пеці Іванова ўзмацніць рассевание энергіі ў навакольным прасторы.
Калі гэты пункт гледжання пацвердзіцца, многія пакутлівыя пытанні накшталт "навошта арганізму X патрэбна рыса Y» перастануць быць такімі: агульныя заканамернасці па росце эфектыўнасці рассейвання энергіі здольныя растлумачыць шэраг рысаў тых ці іншых арганізмаў без іх прыцягвання за вушы да часта сумнеўнае статусу эвалюцыйнага перавагі.
Справаздача аб даследаванні апублікаваны ў выданні Journal of Chemical Physics .
Падрыхтавана па матэрыялах Quanta Magazine . Малюнак на застаўцы належыць Shutterstock .