Legile fizicii produc în mod natural reacții chimice care se pot autoreplica (reproduce singure) - un prim pas în obținerea vieții din substanțe inanimate, conform concluziilor unui nou studiu realizat de o echipă de cercetători coordonată de Jeremy England, biofizician la Institutul Tehnologic din Massachusetts, transmite joi SPACE.com.

Sursa foto: NASA

Originea vieții este fără îndoială unul dintre cele mai mari mistere pe care oamenii de știință sunt chemați să-l dezlege, iar pe măsură ce știința a evoluat, acest mister mai degrabă s-a adâncit decât s-a apropiat de soluție, depășind sfera planetei noastre și îndreptându-se spre alte stele. Este viața pe Pământ un accident bizar sau viața este o necesitate rezultată din modul în care funcționează legile fizicii, caz în care am putea trăi într-un Univers care pur și simplu mustește de viață?

Jeremy England și-a dedicat cariera încercării de a răspunde la aceste întrebări. În 2013 el a formulat ipoteza că legile fizicii pot determina în mod spontan o anumită organizare a substanțelor chimice care ar dobândi calitățile necesare vieții.

Concluzia lui England implică o uriașă doză de determinism științific, postulând faptul că viața derivă direct din acțiunea legilor fundamentale ale naturii, o poziție seducătoare pentru oamenii de știință — dar oare poate fi exclusă întâmplarea sau alți factori imposibil de cuantificat de știință din această ecuație?

Ceea ce este cert este că viața, ca și Universul, trebuie să aibă o origine. Viața nu a existat dintotdeauna ci a apărut din reacția unor substanțe chimice brute, inanimate, care s-au organizat cumva formând compuși prebiotici din care s-au format acizii nucleici (ARN și ADN), care apoi au găsit o modalitate de a se replica în niște organisme simple, microbiene, din care, de-a lungul unor perioade mari de timp, au evoluat și s-au diversificat toate formele de viață cunoscute.

"Abiogeneza" este termenul folosit pentru a descrie transformarea a ceva nonbilogic în ceva biologic, iar England crede că un anumit capitol al fizicii, termodinamica, oferă cadrul necesar acestei transformări.

"Nu aș putea susține că am investigat originile propriu-zise ale vieții, ci mai degrabă am demonstrat un principiu, încercând să răspund la întrebarea cu privire la condițiile fizice necesare pentru apariția de organizări și comportamente asemănătoare vieții în anumite substanțe chimice", a nuanțat cercetătorul american.

Sisteme fizice capabile de auto-organizare

Atunci când este introdusă energie într-un sistem, legile fizicii dictează modul în care această energie este disipată. Dacă, spre exemplu, o sursă de căldură externă este aplicată unui sistem, în timp, sistemul respectiv va emite căldură până va ajunge la un echilibru termic cu mediul său înconjurător — la fel ca o ceașcă de cafea care se răcește uitată pe birou. Entropia, sau nivelul de dezordine din sistem, va crește pe măsură ce căldura se disipează. Anumite sisteme fizice însă ar putea fi suficient de dezechilibrate pentru a se "auto-organiza" în așa fel încât să profite la maximum de o sursă externă de energie, declanșând o serie de interesante reacții chimice de autosusținere care împiedică sistemul să ajungă la echilibru termodinamic și perpetuând astfel o stare în afara acestui echilibru — ca și cum în ceașca de cafea uitată pe birou s-ar produce în mod spontan o reacție chimică care o menține fierbinte, împiedicând răcirea sa și revenirea la starea de echilibru cu mediul înconjurător. Jeremy England numește această situație "adaptare determinată de disipare" iar acest mecanism poate introduce variabile cu calități asemănătoare vieții într-un sistem fizic inanimat.

Un comportament cheie asemănător vieții este cel de autoreplicare, sau, dintr-o perspectivă biologică, de reproducere. Acesta este fundamentul vieții. Începe la un nivel simplu și se reproduce, devenind mai complex și apoi se reproduce din nou. Întâmplător (sau nu) procesul de autoreplicare este și o modalitate foarte eficientă de a disipa căldură și de a crește nivelul de entropie într-un sistem fizic.

Într-un studiu publicat la 18 iulie în prestigioasa revistă Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), England și colegul său, Jordan Horowitz, au testat aceste ipoteze. Ei au monitorizat o serie de simulări computerizate asupra unui sistem fizic închis (un sistem care nu face schimb de energie cu mediul înconjurător) constând într-o "supă" conținând 25 de substanțe chimice. Alcătuirea acestui sistem era extrem de simplă și similară "cocktail-ului chimic" din care este posibil să fi apărut viața pe Pământ. Dacă, spre exemplu, aceste substanțe chimice sunt concentrate și încălzite de o sursă externă — un izvor hidrotermal — "supa chimică" va trebui să disipeze căldura primită, în conformitate cu cea de-a doua lege a termodinamicii. Căldura trebuie disipată iar entropia sistemului va crește în mod inevitabil.

În anumite condiții inițiale, cei doi cercetători au observat că aceste substanțe chimice pot optimiza aportul de energie primit de sistem prin auto-organizare și prin producerea unor reacții chimice de autoreplicare. În mod natural, aceste substanțe chimice inanimate încep să se comporte ca părți ale unui "organism". Reacțiile de autoreplicare generează căldură care respectă cea de-a doua lege a termodinamicii (principiu care susține că, în timp, gradul de entropie al unui sistem izolat crește) și se disipează.

"Sistemul încearcă să facă mai multe chestii la nivel micro, iar odată ce una dintre aceste chestii primește un feedback pozitiv, ea este adoptată ca măsură de organizare a întregului sistem", a explicat England pentru Live Science.

Acesta este un model foarte simplu pentru reacțiile care se produc în lumea vie: energia chimică este consumată în celule vii care sunt, prin natura lor, în stare de dezechilibru (față de mediul înconjurător) și generează astfel procesele metabolice necesare menținerii acestui dezechilibru — care este viața — până la momentul de revenire a sistemului la starea de echilibru cu mediul, care este moartea.

Însă, după cum recunoaște și Jeremy England, există o diferență substanțială între identificarea calităților asemănătoare vieții într-o supă chimică virtuală și Viață.

Sara Imari Walker, fizician și astrobiolog la Arizona State University, care nu a participat la acest studiu, este de acord cu England. "Este un pod cu două sensuri de mers care trebuie construit pentru a putea conecta biologia și fizica. Unul din sensuri necesită înțelegerea modului în care ajung să se manifeste calități sau proprietăți asemănătoare vieții în sisteme fizice simple, iar celălalt sens care trebuie parcurs este să explicăm cum fizica poate da naștere vieții", a explicat Imari Walker pentru Live Science. "Trebuie să parcurgem aceste două etape pentru a înțelege cu adevărat ce proprietăți sunt unice pentru viață și care proprietăți pot caracteriza lucruri care nu sunt vii, dar sunt aproape vii, așa cum este un sistem prebiotic", a adăugat ea.

Viața dincolo de Terra

Înainte de a ne propune să răspundem întrebării dacă aceste sisteme fizice simple pot influența sau determina apariția vieții și în alte părți ale Universului, va trebui să înțelegem unde și în ce condiții au funcționat aceste sisteme pe Pământ.

"Dacă prin viață înțelegem un organism uluitor și complex cum este cel al unei bacterii sau orice altceva ce conține polimeraze (proteinele care compun acizii nucleici ARN și ADN), studiile noastre nu ne spun nimic despre cât de ușor sau dimpotrivă, de dificil este să obții ceva atât de complex, așa că nu pot specula cu privire la cum ar putea arăta viața extraterestră", a subliniat Jeremy England.

Acest studiu nu identifică în mod specific modul în care un sistem biologic se naște dintr-un sistem non-biologic ci doar că, în anumite situații, substanțele chimice se pot auto-organiza în mod surprinzător și în conformitate cu legile fizicii. Simulările computerizate ce au fost derulate în cadrul studiului nu țin cont de variabile importante prezente în toate organismele vii, așa cum sunt capacitatea de adaptare la mediu sau reacțiile față de stimuli. De asemenea, rolul jucat de capacitatea de a reproduce informația conținută de acizii nucleici a fost de asemenea ignorat în acest studiu.

Cu toate acestea, concluziile studiului oferă o perspectivă fascinantă, deși limitată, asupra modului în care sistemele fizice nonbiologice se pot auto-organiza și autoreplica în natură, putând reprezenta "arma fumegândă" în dezlegarea misterului originilor vieții.

AGERPRES