Fiziķis pašai dzīvei atvasina termodinamikas likumus

Šeit ir interesants domu eksperiments. Iedomājieties kastīti, kas piepildīta ar dažādiem atomiem un molekulām proporcijās, kas ir aptuveni līdzvērtīgas prebiotiskās zupas sastāvam, kurā plaukst dzīvība.

Cik liela ir iespējamība, ka šīs molekulas pārtaps par pilnvērtīgu dzīvo būtni, piemēram, baktēriju? Tas ir grūts jautājums, bet Džeremijs Anglijas Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā Kembridžā ir izstrādājis, kā aprēķināt atbildi, vismaz teorētiski. Viņa rezultāti padara aizraujošu lasīšanu.

Daļa no problēmas šeit ir tā, ka pašu dzīvi ir grūti definēt. Bet Anglijai ir veids, kā to apiet. Viņa ideja ir izpētīt visas šajā lodziņā iespējamās stāvokļu kombinācijas un konsultēties ar visuzinošu mikrobiologu par to, vai katrs stāvoklis pārstāv baktēriju vai nē. Tādā veidā vajadzētu būt iespējai, vismaz principā, gūt priekšstatu par iesaistīto statistisko fiziku.

Pēc tam viņš lūdz mikrobiologu vēlreiz apskatīt kastīti pēc perioda, kas ir aptuveni līdzvērtīgs laikam, kas nepieciešams baktēriju dalīšanai.

Tad jautājums ir par to, cik liela ir iespējamība, ka kastē būs divas baktērijas.

Vēlreiz visuzinošais mikrobiologs varētu aplūkot visus iespējamos kastes stāvokli un pateikt, vai ir notikusi pašreplicēšanās. Ja kastē ir divas baktērijas, var noteikt, cik liela entropija ir radusies procesā un cik daudz siltuma izlietots.

Anglija ievieš dažus termodinamikas pamatlikumus un tādā veidā izveido pašreplicēšanas statistiskās fizikas modeli, modeli, kas ir analoģisks likumiem, kas regulē jebkuras kastē esošo daļiņu kopas statistisko uzvedību.

Salīdzinājumam viņš aplūko arī statistiku, kas regulē apgriezto procesu – baktēriju spontānu sadalīšanos oglekļa dioksīdā, ūdeņradi un tā tālāk.

Tas nosaka svarīgu robežu tam, kas šajā sistēmā ir termodinamiski iespējams: faktiski Anglija atvasina sistēmas otro termodinamikas likumu. No tā viņš izstrādā dažādus “likumus”, piemēram, minimālo siltuma daudzumu, kas jārada vienai šūnu dalīšanās kārtai.

Visbeidzot, viņš savā modelī ievieto dažus skaitļus, tostarp tādus skaitļus kā peptīdu saišu dzīves ilgums bioloģiskajās sistēmās, lai noskaidrotu, cik daudz siltuma ir jārada kompleksajām sistēmām, piemēram, E. coli baktērijām, kad tās replikējas.

Izrādās, ka E. coli baktērijas ir ārkārtīgi efektīvi replikatori. Organisms ķīmisko enerģiju var pārvērst jaunā sevī tik efektīvi, ka, ja tas ražotu pat uz pusi mazāk siltuma, tas pārkāptu termodinamiski iespējamās robežas! viņš saka.

Viņš veic līdzīgu aprēķinu RNS un DNS molekulu replikācijai. Tas liecina, ka termodinamikas ziņā RNS replikācija ir daudz vieglāka nekā DNS.

Tas ir interesants rezultāts, ņemot vērā to, ka daudzi biologi ir ierosinājuši, ka pirmajām pašreplicējošām sistēmām Zemes prebiotiskajā zupā jābūt balstītām uz RNS, nevis DNS.

Agrāk biologi ir pētījuši RNS katalītiskās īpašības, kas ir būtiskas dzīvām šūnām, un atzīmēja, ka DNS nepiemīt šīs īpašības. Tātad domāšana ir tāda, ka RNS ir jābūt pirmajā vietā replikācijas laika skalā, un DNS attīstījās vēlāk, jo dzīve kļuva sarežģītāka.

Anglijas darbi apstiprina šo ideju, taču pilnīgi citu iemeslu dēļ RNS ir termodinamiski labāka pašreplicēšanā. Aizraujošs rezultāts.

Tomēr darbam ir svarīgs ierobežojums. Tas nespēj risināt dzīves dabas definīciju, un tā vietā problēma tiek nodota visuzinošam mikrobiologam, kurš, kā tiek pieņemts, vienmēr var sniegt atbildi.

Ir vilinošs mājiens, ka Anglijas pieeja kādu dienu varētu atrisināt šo problēmu. Sīkāk izpētot statistiskās fizikas lomu, iespējams, ir iespējams definēt dzīvi, izmantojot precīzas termodinamiskās robežas.

Tāpēc būs vērts pavērot, kur tālāk Anglija ņems savu ideju.

Atsauce: arxiv.org/abs/1209.1179 : Pašreplicēšanas statistiskā fizika

paslēpties