infos.ro

Este viața rezultatul legilor entropiei?

Autor:, www.newscientist.com

ADN

Poate fizica să explice biologia?

Shutterstock / Miliard de fotografii

Următorul este un extras din buletinul nostru informativ Lost in Space-Time. În fiecare lună, predăm tastatura unui fizician sau doi pentru a vă spune despre idei fascinante din colțul lor de univers. Vă puteți înscrie la Lost in Space-Time Aici.

În zorii timpului, universul a explodat în existență cu Marea explozie, declanșând un lanț de evenimente care au condus la particulele subatomice care se adună împreună în atomi, molecule și, în cele din urmă, planetele, stelele și galaxiile pe care le vedem astăzi. Acest lanț de evenimente a condus și la noi, deși adesea vedem viața și formarea universului ca fiind separate, sau „magisteria care nu se suprapune” pentru a împrumuta fraza biologului Stephen Jay Gould.

Pentru cosmologi, sistemele complexe precum viața par de mică importanță pentru problemele pe care încearcă să le rezolve, cum ar fi cele legate de big bang sau modelul standard al fizicii particulelor. În mod similar, pentru biologi, viața este găzduită într-o biosferă care este decuplată de întâmplările universului grandios. Dar este corect?

Oameni de știință remarcabili, inclusiv John von Neumann, Erwin SchrödingerClaude Shannon și Roger Penroseau avut ideea că ar putea exista perspective de adunat din privire la viață și universul în tandem.

Părerile fizicianului Erwin Schrödinger au fost deosebit de interesante, deoarece speculațiile și predicțiile sale îndrăznețe în biologie au fost extrem de influente. În 1943, a ținut o serie de prelegeri la Trinity College Dublin, care aveau să fie publicate în cele din urmă într-o carte mică, dar puternică, numită Ce este viața? În el, el a speculat cum fizica ar putea face echipă cu biologia și chimia pentru a explica modul în care viața iese din materia neînsuflețită.

Schrödinger credea că aceleași legi ale fizicii care descriu o stea trebuie să țină cont de procesele complicate ale metabolismului din interiorul unei celule vii. El știa că fizica timpului său era insuficientă pentru a explica unele dintre descoperirile experimentale ingenioase care fuseseră deja făcute despre celulele vii, dar a continuat, indiferent, încercând să folosească fizica pe care o știa pentru a explica biologia.

El a spus asta mecanica cuantică trebuie să joace un rol cheie în viață, deoarece este necesar pentru a stabiliza atomii și pentru a le permite să se lege în moleculele găsite în materie, atât vii, cât și nu. Pentru materia nevii, cum ar fi în metal, mecanica cuantică permite moleculelor să se organizeze în moduri interesante, cum ar fi cristalele periodice – rețele de molecule cu grade ridicate de simetrie. Dar el credea că periodicitatea este prea simplă pentru viață; în schimb, a speculat că materia vie este guvernată de cristale aperiodice. El a propus ca acest tip de structură moleculară nerepetitivă să găzduiască un „script de cod” care să dea naștere „întregului tipar al dezvoltării viitoare a individului și al funcționării acestuia în starea matură”. Cu alte cuvinte, dădea peste o descriere timpurie a ADN.

Abordarea unui străin

Înainte de vremea lui Schrödinger, biologii au ajuns la ideea genei, dar era doar o unitate nedefinită de moștenire. Astăzi, ideea că genele sunt guvernate de un cod care programează structurile și mecanismele celulelor și determină soarta organismelor vii pare atât de familiară, încât se simte ca de bun simț. Cu toate acestea, exact modul în care se realizează acest lucru la nivel molecular este încă o ființă tachinată de biologi.

Ceea ce este deosebit de remarcabil este faptul că Schrödinger a folosit raționamentul care decurge din mecanica cuantică pentru a-și formula ipoteza. Era un străin de biologie și, în mod natural, acest lucru l-a făcut să aducă o abordare diferită.

Fizica și biologia au evoluat mult de pe vremea lui Schrödinger. Ce-ar fi dacă am urma același proces și am întreba ce este viața astăzi?

De-a lungul anilor, noi, autorii acestui buletin informativ, am dezvoltat un model. Ne întâlnim, uneori la o băutură, pentru a face schimb de idei și a împărtăși ultimele noastre gânduri în cosmologie sau biologie moleculară. Adesea am stat până târziu să vorbim în timp ce ascultăm muzicienii noștri preferați de jazz sau flamenco. În parte, conversațiile noastre sunt un exercițiu de generare deliberată a unei perspective externe, așa cum a făcut Schrödinger, sperăm să beneficieze reciproc de cercetare. Dar este, de asemenea, o mulțime de distracție.

Mai exact, din 2014 am dezvoltat o intuiție comună că există o interdependență ascunsă între sistemele vii și cosmologie, așa cum se demonstrează în unele dintre publicațiile noastre. Pentru a înțelege acest lucru, trebuie să vorbim despre asta entropieo măsură a dezordinei și modul în care aceasta curge în univers, atât la scară biologică, cât și la scară cosmologică.

În universul timpuriu, înainte de a exista stele și planete, spațiul era în mare parte umplut cu o cantitate egală de radiații și materie. Pe măsură ce acest amestec s-a încălzit și s-a mișcat mai mult, a devenit mai puțin ordonat și entropia sa a crescut. Dar, pe măsură ce universul s-a extins, a distribuit radiația și materia într-un mod omogen, ordonat, scăzând entropia universului.

Pe măsură ce universul s-a extins și s-a răcit în continuare, s-au format structuri complexe precum stelele, galaxiile și viața. The a doua lege a termodinamicii spune că entropia crește întotdeauna, dar aceste structuri aveau mai multă ordine (și, prin urmare, mai puțină entropie) decât restul cosmosului. Universul poate scăpa de asta deoarece regiunile de entropie inferioară sunt concentrate în structurile cosmice, în timp ce entropia în univers în ansamblu crește încă.

Credem că această rețea de structuri de scădere a entropiei este principala monedă pentru biosferă și viața de pe planete. Așa cum a spus părintele termodinamicii, Ludwig Boltzmann: „Lupta generală pentru existența ființelor însuflețite nu este așadar o luptă pentru materii prime… nici pentru energia care există din belșug în orice corp sub formă de căldură, ci o luptă pentru entropie. , care devine disponibil prin tranziția energiei de la soarele fierbinte la pământul rece.”

Fenomene emergente

Pe măsură ce universul se abate de la omogenitate, prin însămânțarea și formarea structurilor de entropie inferioară, entropia în altă parte a universului continuă să crească. Și entropia tinde, de asemenea, să crească în cadrul acestor structuri. Acest lucru face ca entropia, sau absența ei, un jucător cheie în susținerea structurilor cosmice, cum ar fi stelele și viața; prin urmare, un univers timpuriu fără viață cu entropie scăzută este necesar pentru viața aici pe Pământ. De exemplu, soarele nostru radiază energie care este absorbită de electroni în plantele de pe Pământ și utilizată în funcțiile de care au nevoie pentru a trăi. Plantele eliberează această energie sub formă de căldură, redând universului mai multă entropie decât a fost absorbită.

Din păcate, este dificil de explicat cu înțelegerea noastră actuală a fizicii de ce entropia a fost atât de scăzută în universul timpuriu. De fapt, această problemă a entropiei scăzute pe care o cerem de la Big Bang este una dintre problemele majore ale acestei teorii.

Partea de biologie a poveștii provine din cercetările lui Salvador asupra factorilor genetici și ecologici care conduc populațiile de bacterii inofensive să evolueze și să apară ca agenți patogeni. Esențial pentru poveste este că nu este vorba doar de codul genetic al bacteriilor. Una dintre mantrele lui Salvador este că viața este un fenomen adaptativ care răspunde la schimbările constante și neașteptate ale presiunilor din mediu.

Acest lucru face ca un organism să fie un fenomen emergent, în care forma finală a acestuia nu este conținută în piesele individuale care îl alcătuiesc, ci poate fi influențată de o serie de sisteme mai mari cărora îi aparține. Ființele vii cuprind o rețea de interacțiuni mediate prin mediu. Un sistem viu este capabil să regleze miliarde de celule pentru a-și menține funcționarea generală. Dincolo de asta, colecțiile de organisme aparțin unei rețele numite ecosistem, care menține și un echilibru dinamic.

Acest lucru se extinde până la rețele la cele mai mari dimensiuni ale vieții. Ideea că Pământul este un ecosistem autoreglabil a fost co-descoperită de James Lovelock și Lynn Margulis în anii 1970 și a devenit cunoscut sub numele de Ipoteza Gaia. Concluzia pentru noi este că fluxul de entropie negativă există nu numai pentru ființe vii individuale, ci și pentru întregul Pământ.

Soarele trimite energie gratuită pe Pământ, iar printr-un lanț de interacțiuni complexe, energia este distribuită printr-o rețea de interacțiuni către ființele vii, fiecare bazându-se pe ea pentru a-și menține complexitatea în fața dezordinii crescânde. Pentru a contextualiza rolul vieții în cadrul termodinamicii, definim aceste structuri generatoare de ordine (cum ar fi o celulă) ca unități de negentropie sau UON. Dar nu există un prânz gratuit. Când UON-urile eliberează această energie înapoi în mediu, în mare parte o fac într-o formă care are o entropie mai mare decât a fost primită.

Această paralelă ciudată între sistemele vii, UON-uri și evoluția universului poate părea o coincidență, dar alegem să nu ne gândim la asta. În schimb, propunem că este un principiu organizator central al evoluției cosmosului și al existenței vieții. Salvador a ales să numească asta principiul entropocentric, o face cu ochiul la principiul antropic, care, în forma sa puternică, afirmă că universul este reglat fin pentru viață. Acest lucru apare deoarece legile naturii par a fi potrivite pentru viață. De exemplu, dacă puterea forței nucleare care leagă inimile atomilor ar fi diferită cu câteva procente, stelele nu ar fi capabile să producă carbon și nu ar exista viață bazată pe carbon.

Problema de reglare fină poate să nu fie atât de gravă pe cât pare, totuși. În cercetările efectuate de Stephon împreună cu colegii, el a arătat că universul poate fi potrivit pentru viață chiar și atunci când lăsăm constantele naturii, cum ar fi gravitația și electromagnetismul, să varieze, atâta timp cât acestea variază simultan. Poate că nu avem nevoie de principiul antropic până la urmă. Principiul entropocentric, pe de altă parte, este mai greu de scuturat. Dacă universul nu ar fi capabil să ofere căi care să-i permită să creeze regiuni de entropie mai scăzută, atunci viața așa cum o știm noi nu ar exista. Acest lucru ne lasă să ne întrebăm: trăim într-o biosferă cosmică sau universul este o celulă cosmică?

Stephon Alexander este un fizician teoretician la Universitatea Brown în Rhode Island, care își petrece timpul gândindu-se la cosmologie, teoria corzilor și jazz și întrebându-se dacă universul este un IA care se învață singur. El este autorul cărții Frica de un univers negru. Salvador Almagro-Moreno este biolog molecular la Universitatea din Florida Centrală care investighează proprietățile emergente în sisteme biologice complexe, de la evoluția proteinelor până la dinamica pandemiei.

Mai multe despre aceste subiecte:

You might also like