Фільтрувати матеріали за датою: Понеділок, 30 січня 2014

Наша команда-партнер Artmisto

Скажімо, для фізика Джеремі Інгленд ( Jeremy England ) З Массачусетського технологічного інституту (США) виникнення життя «настільки ж передбачено, як тенденція каменю до падіння вниз».

Джеремі Інгленд 31 рік, і він ... Ну, ви і так бачите. (Фото Katherine Taylor.)

Давайте подумаємо, пропонує вчений, чтó з фізичної точки зору відрізняє неживі углеродосодержащие молекули від живих: другі краще справляються з поглинанням енергії з навколишнього середовища і її розсіюванням у вигляді тепла. Зауважимо, що, по всій видимості, з такими завданнями іноді може впоратися і сажа, проте ефективність життя в даному напрямку все ж дійсно висока.
Спробувавши уявити відмінності живого від неживого в формулах, пан Інгленд прийшов до висновку, що група атомів, на яку діють сторонні джерела енергії (сонячні промені, наявність хімічного палива) і яка оточена теплової лазнею (океан, атмосфера), часто буде поступово реструктурувати себе, з тим щоб розсіювати все більше і більше енергії. Таким чином, при певних умовах матерія неодмінно придбає ключові фізичні атрибути, що асоціюються з життям.
Якщо зовсім загострити, що Джеремі і робить, то виходить наступне: «Ви починаєте з випадковим грудкою атомів, на який світите досить довгий час, і не варто занадто дивуватися, якщо він раптово стане рослиною».
Легко зрозуміти, що частина колег пана Інгленд поставилася до його роботи як до вельми невизначеною, інша - як до проривний, а деякі вважають, що їй притаманні обидві ці риси. Так, Євген Шахновіч з Гарвардського університету (США) вважає її глибоко спекулятивної, принаймні на сьогоднішньому етапі. Так, формула, що описує поведінку матерії в деяких умовах, працює. Але чи є таке прагнення атомів краще розсіювати енергію гарантією розвитку процесу, що веде до зародження життя? ..
Ідея Джеремі Інгленд в основі своїй проста: другий закон термодинаміки, ентропія згодом зростає, гаряче остигає, яйця прокльовується, але навпаки не буває, і так далі. Поки енергія розподілена в системі нерівномірно, відповідно до теорії ймовірностей, шляхів для подальшого розсіювання у неї більше, ніж для концентрації. І хоча в теорії остигає кава може з певною ймовірністю спонтанно знову нагрітися, на ділі це настільки неможливо, що нічого подібного і не трапляється.
Хоча ентропія завжди повинна зростати з часом, чітко це можна бачити в основному в закритих системах, благо в їх відкритих аналогах енергія може залишатися розподіленої між атомами нерівномірно за рахунок каналізування ентропії зовні, в простір, що оточує відкриту систему.
У 1944 році Ервін Шредінгер ( « Що є життя? ») Заявив: це саме те, що роблять живі істоти, щоб підтримати своє існування. Під час фотосинтезу ентропія у Всесвіті в цілому зростає, а ось рослина оберігає себе від розпаду, підтримуючи впорядковану внутрішню структуру. З «всьому світу чи провалитися, чи мені чаю не пити» воно обирає перше.
Однак за часів Шредінгера рівняння термодинаміки вирішувалися тільки для закритих систем, що знаходяться до того ж в стані термодинамічної рівноваги. Зайве говорити, що життя виникло зовсім не в них.
У 1960-х Ілля Пригожин до деякої міри досяг успіху в прогнозі поведінки відкритих систем, в слабкому ступені керованих зовнішніми енергетичними джерелами (Нобелівська премія 1977 року). На жаль, життя виникло там, де до термодинамічної рівноваги було далеко, а вплив зовнішніх енергетичних джерел - виключно сильно, передбачення же в такому середовищі ми робити все ще не вміли.
У 1990-ті завдяки американцям Крісу Жарзінскі (Chris Jarzynski) і Гевіну Крукс (Gavin Crooks) все змінилося. було показано , Що ентропія термодинамічної процесу (охолодження кави) відповідає простому співвідношенню: ймовірність того, що атоми пройдуть через цей процес, поділена на ймовірність того, що вони підуть в протилежному напрямку (що чашка, навпаки, випадково нагріється). У міру зростання продукування ентропії це співвідношення росте: поведінка системи стає все більш «незворотнім», а ймовірність самозакіпанія кави в чашці невблаганно падає.
За ідеєю, такого в і дению все одно, наскільки далека від термодинамічної рівноваги середовище, в якому протікає процес.
Власне, Джеремі Інгленд лише додав в цей підхід сильний вплив зовнішнього джерела (електромагнітні хвилі) і здатність віддавати тепло назовні - якості, притаманні тому класу систем, в який входять і живі організми, і неживі матеріали, що зустрічаються на поверхні Землі.

Моделювання Інгленд показує, що в в'язкої рідини ті частинки, що коливаються під дією зовнішньої сили, з часом (зверху вниз) утворюють між собою більше зв'язків. (Ілюстрація Jeremy England.)

Неживі частинки схильні розсіювати більше енергії, коли вони знаходяться в резонансі із зовнішнім джерелом енергії або рухаються в напрямку, в якому їх штовхає зовнішня сила. В остаточному підсумку вони більше «схильні» рухатися в цьому напрямку, ніж в будь-якому іншому. «Групи атомів, оточені теплової лазнею певної температури, як і в разі атмосфери або океану, з часом будуть змінювати порядок себе так, щоб все краще" резонувати "з джерелом механічної, електромагнітної або хімічної роботи в своєму оточенні», - пояснює пан Інгленд .
Самовідтворення - процес, який приніс на Землю всю населяють її сьогодні життя, - один з таких механізмів, за допомогою якого система може розсіювати зростаючу кількість енергії з плином часу. «Відмінний спосіб розсіювання енергії - це виробництво великого числа копій себе самого», - говорить учений.
У вересневому (2013) номері Journal of Chemical Physics дослідник показав, що теоретичний мінімум розсіювання, що відбувається при самовідтворення молекул РНК і бактерій, дуже близький до реальних кількостей, які ці системи розсіюють при відтворенні. При цьому саме РНК (по всій видимості - попередник ДНК-життя) є особливо «дешевим» в енергетичному сенсі будівельним матеріалом, що і зумовило її «перемогу».
Джеремі підкреслює: деякі явища неживої природи можуть бути обумовлені тим же процесом адаптації матерії по лінії максимального розсіювання енергії. «Багато прикладів можуть бути прямо у нас під носом, але через те, що ми не шукали їх, ми їх і не бачимо», - вважає фізик.
До речі, недавно з'явилися роботи, згідно з якими вихори в турбулентних рідинах відтворюють себе спонтанно , Запозичуючи енергію у зсуву шарів навколишнього середовища. В іншому випадку досліди зі скупченнями мікросфер показують їх схильність розсіювати енергію, пов'язуючи близькі сфери в такі ж кластери (Самовідтворення). Сам учений вважає, що сніжинки, дюни, вихори мають багато спільного в тому сенсі, що всі вони мають повторюваної структурою, яка виникає в багатоскладних системах, що приводяться в рух процесом розсіювання енергії. У випадку з дослідами над бактеріями не слід також забувати, що «бувають і просто мутації», причому здатні впливати відразу на багато факторів, і не завжди треба поспішати з визначенням ведучого.
Перевірити всі ці ідеї не так-то просто: процес виникнення життя з купи атомів не повинен бути швидким. З іншого боку, частково концепцію все-таки можна випробувати - віднісши ефективності розсіювання енергії мутантними лініями живих клітин зі швидкістю їх розмноження. Якщо вони і справді корелюються, пан Інгленд отримає як мінімум непрямий доказ своєї правоти. У той же час і тут потрібна обережність: коли вам жарко, ви починаєте обмахуватися газеткою, але це можна трактувати не лише як просте прагнення купи атомів в особі Петі Іванова посилити розсівання енергії в навколишньому просторі.
Якщо ця точка зору підтвердиться, багато болісні питання на кшталт «навіщо організму X потрібна риса Y» перестануть бути такими: загальні закономірності щодо зростання ефективності розсіювання енергії здатні пояснити ряд рис тих чи інших організмів без їх притягнення за вуха до часто сумнівного статусу еволюційної переваги.
Звіт про дослідження опублікований у виданні Journal of Chemical Physics .
Підготовлено за матеріалами Quanta Magazine . Зображення на заставці належить Shutterstock .