Comprendere la natura della vita è uno dei misteri più difficili e allo stesso tempo interessanti per l'umanità. Nel tempo, questo mistero è andato inevitabilmente oltre la questione se la vita esiste solo sulla Terra o se esiste da qualche altra parte nell'universo. L'emergere della vita è dovuto a una coincidenza casuale e fortunata, o è altrettanto naturale per l'universo quanto le leggi universali della fisica?
Gli scienziati hanno cercato di rispondere a queste domande per molto tempo. Uno di loro è Jeremy England, biofisico del Massachusetts Institute of Technology. Nel 2013 ha ipotizzato che le leggi della fisica potessero innescare reazioni chimiche che permettessero a sostanze semplici di organizzarsi in modo tale da acquisire alla fine qualità di "vita".
Nei risultati del nuovo lavoro di England e dei suoi colleghi, si nota che la fisica è in grado di creare naturalmente processi di reazioni auto-riproducibili, che è uno dei primi passi verso la creazione di "vivente" dal "non vivente". In altre parole, ciò significa che la vita deriva direttamente dalle leggi fondamentali della natura, il che esclude virtualmente la possibilità di un'ipotesi di accadimento accidentale. Ma sarebbe un'affermazione troppo forte.
La vita doveva venire fuori da qualcosa. La biologia non è sempre esistita. Anch'essa è emersa come risultato di una catena di determinati processi chimici che hanno portato al fatto che le sostanze chimiche in qualche modo si sono organizzate in composti prebiotici, hanno creato i "mattoni della vita" e poi si sono trasformati in microbi, che alla fine si sono sviluppati in una straordinaria collezione di esseri viventi. esistenti sul nostro pianeta oggi.
La teoria dell'abiogenesi considera l'emergere della vita come l'emergere della natura vivente dall'inanimato e, secondo l'opinione dell'Inghilterra, la termodinamica può essere la base e la chiave attraverso cui i composti chimici inanimati potrebbero trasformarsi in quelli biologici viventi. Tuttavia, come osserva lo stesso scienziato, l'ultima ricerca non mira a creare una connessione tra le "proprietà vitali" dei sistemi fisici e i processi biologici.
"Non direi di aver svolto un lavoro che potrebbe rispondere alla domanda sulla natura stessa della vita in quanto tale", ha condiviso l'Inghilterra in un'intervista a WordsSideKick.com.
"Ciò che mi interessava era proprio la prova del principio: quali sono i requisiti fisici per la manifestazione del comportamento vivente in composti inanimati".
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Auto-organizzazione nei sistemi fisici
Quando l'energia viene applicata a un sistema, le leggi della fisica determinano come quell'energia si dissiperà. Se questo sistema è influenzato da una fonte di calore esterna, l'energia inizia a dissiparsi fino a quando l'equilibrio termico è organizzato attorno a questo sistema. Metti una tazza di caffè calda sul tavolo e dopo un po 'il luogo in cui si trovava si riscalda. Tuttavia, alcuni sistemi fisici possono essere non in equilibrio, quindi, attraverso l '"auto-organizzazione", cercano di utilizzare l'energia di una fonte esterna nel modo più efficiente, per cui, piuttosto interessante, come sottolinea l'Inghilterra, si innescano reazioni chimiche autosostenute che impediscono il raggiungimento dell'equilibrio termodinamico. È come se una tazzina di caffè innescasse spontaneamente una reazione chimica che mantiene calda solo una minuscola area di caffè al centro della tazzina,impedendone il raffreddamento e il passaggio allo stato di equilibrio termodinamico con la tavola. Lo scienziato chiama tale situazione "adattamento alla dissipazione", e questo meccanismo è precisamente ciò che, secondo l'Inghilterra, conferisce ai sistemi fisici inanimati proprietà viventi.
Il comportamento chiave della vita è la possibilità di auto-riproduzione o (da un punto di vista biologico) riproduzione. Questa è la base di ogni vita: viene letta come la più semplice, poi viene riprodotta, diventa sempre più complessa, poi viene riprodotta di nuovo e questo processo viene ripetuto ancora e ancora. E proprio così accade che l'auto-replicazione sia anche un modo molto efficace per dissipare il calore e aumentare l'entropia all'interno di questo sistema.
In uno studio pubblicato il 18 luglio sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, Inghilterra e il coautore Jordan Horowitz descrivono il test della loro ipotesi. Hanno condotto diverse simulazioni al computer di un sistema chiuso (un sistema che non scambia calore o materia con il suo ambiente) contenente una "zuppa" di 25 sostanze chimiche. Nonostante il fatto che il loro sistema fosse molto semplice, è una tale "zuppa" che molto probabilmente potrebbe una volta coprire la superficie della Terra antica e senza vita. Quindi si è scoperto che se queste sostanze chimiche sono insieme e sono esposte al calore da una fonte esterna (ad esempio, un pozzo idrotermale), allora queste sostanze dovranno in qualche modo dissipare questo calore secondo la seconda legge della termodinamica, che diceche il calore dovrebbe dissiparsi e l'entropia del sistema in questo momento aumenterà inevitabilmente.
Creando alcune condizioni iniziali, lo scienziato ha scoperto che queste sostanze chimiche possono ottimizzare l'impatto sul sistema energetico attraverso l'auto-organizzazione e le successive reazioni attive per l'auto-replicazione. Queste sostanze chimiche si adattano naturalmente alle mutate condizioni. Le reazioni che hanno creato hanno anche prodotto calore, che corrisponde alla seconda legge della termodinamica. L'entropia nel sistema aumenterà sempre e le sostanze chimiche continueranno anche ad auto-organizzarsi e dimostrare il comportamento della vita sotto forma di auto-riproduzione.
"In effetti, il sistema prima prova molte soluzioni su piccola scala e, quando una di esse inizia a mostrare un risultato positivo, l'organizzazione dell'intero sistema e l'adattamento a questa soluzione non richiede molto tempo", ha condiviso l'Inghilterra in un'intervista a WordsSideKick.com.
Un semplice modello di biologia funziona così: l'energia molecolare viene bruciata nelle cellule, che sono naturalmente sbilanciate e governano i processi metabolici che supportano la vita. Ma come sottolinea l'Inghilterra, c'è una grande differenza tra le proprietà della vita scoperte e il comportamento nel brodo chimico virtuale e la vita stessa.
Sarah Imari Walker, fisica teorica e astrobiologa dell'Università dell'Arizona, che non è stata coinvolta nella ricerca discussa oggi, è d'accordo.
“Ci sono due strade che devono essere intraprese per cercare di combinare biologia e fisica. Uno è capire come le qualità della vita possono essere ottenute da semplici sistemi fisici. Il secondo è capire come la fisica può creare la vita. Entrambe queste condizioni devono essere affrontate per capire veramente quali proprietà sono veramente uniche per la vita in quanto tale e quali proprietà e caratteristiche sono caratteristiche di cose che puoi scambiare per sistemi viventi, ad esempio, prebiotici , ha commentato Imari Walker a WordsSideKick.com.
L'emergere della vita al di fuori della Terra
Prima di iniziare a rispondere alla grande domanda se questi semplici sistemi fisici possano influenzare l'emergere della vita in altre parti dell'universo, dobbiamo prima capire meglio dove potrebbero esistere tali sistemi sulla Terra.
“Se per vita intendi qualcosa di impressionante come, diciamo, batteri o qualsiasi altra forma con polimerasi (proteine che collegano DNA e RNA) e DNA, allora il mio lavoro non riguarda quanto possa essere facile o difficile. per creare qualcosa di così complesso, quindi non vorrei provare prematuramente a fare supposizioni sul fatto che troveremo qualcosa di simile in qualsiasi altra parte dell'universo, ad eccezione della Terra , dice England.
Questo studio non definisce come la biologia sia emersa da sistemi non biologici, si limita a spiegare alcuni dei complessi processi chimici attraverso i quali avviene l'auto-organizzazione delle sostanze chimiche. Le simulazioni al computer effettuate non tengono conto di altre proprietà della vita, come l'adattamento all'ambiente o la reazione a stimoli esterni. Inoltre, questo studio termodinamico di un sistema chiuso non tiene conto del ruolo del trasferimento delle informazioni accumulate, osserva Michael Lassing, un fisico statistico che lavora anche in biologia quantitativa all'Università di Colonia.
"Questo lavoro mostra certamente il sorprendente risultato dell'interazione di reti chimiche di non equilibrio, ma siamo ancora lontani da quando la fisica può spiegare la natura della vita, in cui uno dei ruoli chiave è assegnato alla riproduzione e al trasferimento di informazioni", ha commentato Lassing a WordsSideKick.com.
Il ruolo dell'informazione e del suo trasporto nei sistemi viventi è molto importante, concorda Imari Walker. Secondo lei, la presenza di un'auto-organizzazione naturale presente in un "brodo" di sostanze chimiche non significa necessariamente che si tratti di un'organizzazione vivente.
“Credo che ci siano molte fasi intermedie che dobbiamo attraversare per passare dal semplice ordinamento alla creazione di un'architettura dell'informazione completamente funzionale come le cellule viventi, che richiede qualcosa come la memoria o l'eredità. Possiamo certamente ottenere l'ordine nella fisica e nei sistemi di non equilibrio, ma questo non significa che in questo modo otteniamo la vita , dice Imari Walker.
Gli esperti generalmente ritengono che sarebbe prematuro affermare che il lavoro dell'Inghilterra è una "prova conclusiva" della natura della vita, poiché ci sono molte altre ipotesi che tentano di descrivere come la vita possa essersi formata quasi dal nulla. Ma è sicuramente un nuovo sguardo su come i sistemi fisici sono in grado di auto-organizzarsi in natura. Ora che gli scienziati hanno una conoscenza di base di come si comporta questo sistema termodinamico, forse il prossimo passo sarà cercare di identificare un numero sufficiente di sistemi fisici non in equilibrio che appaiono sulla Terra, dice l'Inghilterra.
