Das Verständnis der Natur des Lebens ist eines der schwierigsten und gleichzeitig interessantesten Geheimnisse für die Menschheit. Im Laufe der Zeit ging dieses Rätsel unweigerlich über die Frage hinaus, ob Leben nur auf der Erde existiert oder ob es irgendwo anders im Universum existiert. Ist die Entstehung des Lebens auf einen zufälligen und glücklichen Zufall zurückzuführen oder ist es für das Universum genauso natürlich wie die universellen Gesetze der Physik?
Wissenschaftler haben lange versucht, diese Fragen zu beantworten. Einer von ihnen ist Jeremy England, Biophysiker am Massachusetts Institute of Technology. 2013 stellte er die Hypothese auf, dass die Gesetze der Physik chemische Reaktionen auslösen könnten, die es einfachen Substanzen ermöglichten, sich so zu organisieren, dass sie schließlich "Lebensqualitäten" erlangten.
In den Ergebnissen der neuen Arbeit Englands und seiner Kollegen wird festgestellt, dass die Physik in der Lage ist, auf natürliche Weise Prozesse selbstreproduzierbarer Reaktionen zu erzeugen. Dies ist einer der ersten Schritte zur Schaffung von „Leben“aus „Nicht-Leben“. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass sich das Leben direkt aus den Grundgesetzen der Natur ergibt, was die Möglichkeit einer Hypothese eines zufälligen Auftretens praktisch ausschließt. Aber das wäre eine zu laute Aussage.
Das Leben musste aus etwas entstehen. Biologie hat nicht immer existiert. Es entstand auch als Ergebnis einer Kette bestimmter chemischer Prozesse, die dazu führten, dass Chemikalien irgendwie in präbiotischen Verbindungen organisiert waren, die „Bausteine des Lebens“schufen und sich dann in Mikroben verwandelten, die sich schließlich zu einer erstaunlichen Sammlung von Lebewesen entwickelten. heute auf unserem Planeten existieren.
Die Theorie der Abiogenese betrachtet die Entstehung des Lebens als die Entstehung der lebenden Natur aus leblosen und nach England kann die Thermodynamik die Grundlage und der Schlüssel sein, dank derer leblose chemische Verbindungen zu lebenden biologischen Verbindungen werden können. Wie der Wissenschaftler selbst feststellt, zielt die neueste Forschung jedoch nicht darauf ab, eine Verbindung zwischen den "lebenswichtigen Eigenschaften" physikalischer Systeme und biologischen Prozessen herzustellen.
"Ich würde nicht sagen, dass ich Arbeit geleistet habe, die die Frage nach der Natur des Lebens als solches beantworten könnte", teilte England in einem Interview mit Live Science mit.
"Was mich interessierte, war der Beweis des Prinzips - was sind die physikalischen Voraussetzungen für die Manifestation des Lebensverhaltens in leblosen Verbindungen."
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Selbstorganisation in physischen Systemen
Wenn Energie auf ein System angewendet wird, bestimmen die Gesetze der Physik, wie sich diese Energie auflöst. Wenn dieses System von einer externen Wärmequelle beeinflusst wird, beginnt sich die Energie zu zerstreuen, bis sich ein thermisches Gleichgewicht um dieses System herum organisiert. Stellen Sie eine heiße Tasse Kaffee auf den Tisch und nach einer Weile wird die Stelle, an der die Tasse stand, warm. Einige physikalische Systeme können jedoch nicht im Gleichgewicht sein, weshalb sie durch "Selbstorganisation" versuchen, die Energie einer externen Quelle auf die effizienteste Weise zu nutzen, wodurch, wie England hervorhebt, sehr interessante, sich selbst erhaltende chemische Reaktionen ausgelöst werden, die das Erreichen eines thermodynamischen Gleichgewichts verhindern. Es ist, als ob eine Tasse Kaffee spontan eine chemische Reaktion auslöste, bei der nur ein winziger Bereich Kaffee in der Mitte der Tasse heiß gehalten wurde. Verhinderung seiner Abkühlung und des Übergangs in den Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts mit dem Tisch. Der Wissenschaftler nennt eine solche Situation "Anpassung an die Dissipation", und genau dieser Mechanismus verleiht laut England leblosen physikalischen Systemen lebende Eigenschaften.
Das Schlüsselverhalten des Lebens ist die Möglichkeit der Selbstreproduktion oder (aus biologischer Sicht) der Reproduktion. Dies ist die Grundlage für jedes Leben: Es wird als das einfachste gelesen, dann wird es reproduziert, es wird immer komplexer, dann wird es erneut reproduziert und dieser Vorgang wird immer wieder wiederholt. Und genau so ist die Selbstreplikation auch ein sehr effektiver Weg, um Wärme abzuleiten und die Entropie in diesem System zu erhöhen.
In einer Studie, die am 18. Juli in der Zeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences in England veröffentlicht wurde, beschreiben der Co-Autor Jordan Horowitz den Test ihrer Hypothese. Sie führten mehrere Computersimulationen eines geschlossenen Systems (ein System, das keine Wärme oder Materie mit seiner Umgebung austauscht) durch, das eine "Suppe" von 25 Chemikalien enthielt. Trotz der Tatsache, dass ihr System sehr einfach war, ist es eine solche "Suppe", die höchstwahrscheinlich einmal die Oberfläche der alten und leblosen Erde bedecken könnte. Es stellte sich also heraus, dass diese Substanzen, wenn diese Chemikalien zusammen sind und Wärme von einer externen Quelle (z. B. einem hydrothermalen Brunnen) ausgesetzt werden, diese Wärme gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, irgendwie abführen müssendass die Wärme abgeführt werden sollte und die Entropie des Systems in diesem Moment unvermeidlich zunimmt.
Durch die Schaffung bestimmter Anfangsbedingungen stellte der Wissenschaftler fest, dass diese Chemikalien die Auswirkungen auf das Energiesystem durch Selbstorganisation und nachfolgende aktive Reaktionen zur Selbstreplikation optimieren können. Diese Chemikalien passen sich natürlich selbst an die veränderten Bedingungen an. Die von ihnen erzeugten Reaktionen erzeugten auch Wärme, was dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik entspricht. Die Entropie im System wird immer zunehmen und Chemikalien werden sich auch weiterhin selbst organisieren und das Lebensverhalten in Form von Selbstreproduktion demonstrieren.
"Tatsächlich probiert das System zuerst viele kleine Lösungen aus. Wenn eine davon ein positives Ergebnis zeigt, dauert es nicht lange, das gesamte System zu organisieren und sich an diese Lösung anzupassen", teilte England in einem Interview mit Live Science mit.
Ein einfaches biologisches Modell sieht so aus: Molekulare Energie wird in Zellen verbrannt, die von Natur aus aus dem Gleichgewicht geraten und die Stoffwechselprozesse steuern, die das Leben unterstützen. Aber wie England betont, gibt es einen großen Unterschied zwischen den entdeckten Lebenseigenschaften und dem Verhalten in der virtuellen chemischen Suppe und dem Leben selbst.
Sarah Imari Walker, eine theoretische Physikerin und Astrobiologin an der Universität von Arizona, die nicht an der heute diskutierten Forschung beteiligt war, stimmt dem zu.
„Es gibt zwei Wege, um Biologie und Physik zu verbinden. Eine ist zu verstehen, wie Lebensqualitäten aus einfachen physikalischen Systemen erhalten werden können. Die zweite ist zu verstehen, wie Physik Leben schaffen kann. Diese beiden Bedingungen müssen angegangen werden, um wirklich zu verstehen, welche Eigenschaften für das Leben als solches wirklich einzigartig sind und welche Eigenschaften und Merkmale für Dinge charakteristisch sind, die Sie mit lebenden Systemen verwechseln können, beispielsweise Präbiotika “, kommentierte Imari Walker Live Science.
Die Entstehung des Lebens außerhalb der Erde
Bevor wir beginnen, die große Frage zu beantworten, ob diese einfachen physikalischen Systeme die Entstehung von Leben anderswo im Universum beeinflussen könnten, müssen wir zunächst besser verstehen, wo solche Systeme auf der Erde existieren könnten.
Wenn Sie mit Leben etwas meinen, das so beeindruckend ist wie beispielsweise Bakterien oder irgendeine andere Form mit Polymerasen (Proteinen, die DNA und RNA verbinden) und DNA, dann sagt Ihnen meine Arbeit nicht, wie einfach oder schwierig es sein kann. um etwas so Komplexes zu erschaffen, möchte ich nicht vorzeitig versuchen, Annahmen darüber zu treffen, ob wir irgendwo anders im Universum etwas Ähnliches finden werden, außer auf der Erde “, sagt England.
Diese Studie definiert nicht, wie die Biologie aus nicht-biologischen Systemen hervorgegangen ist, sondern zielt nur darauf ab, einige der komplexen chemischen Prozesse zu erklären, durch die die Selbstorganisation von Chemikalien stattfindet. Die durchgeführten Computersimulationen berücksichtigen keine anderen Lebenseigenschaften wie die Anpassung an die Umgebung oder die Reaktion auf äußere Reize. Darüber hinaus berücksichtigt diese thermodynamische Untersuchung eines geschlossenen Systems nicht die Rolle der Übertragung akkumulierter Informationen, bemerkt Michael Lassing, ein Statistiker, der auch in quantitativer Biologie an der Universität zu Köln arbeitet.
"Diese Arbeit zeigt sicherlich das erstaunliche Ergebnis der Wechselwirkung chemischer Nichtgleichgewichtsnetzwerke, aber wir sind noch weit davon entfernt, wann die Physik die Natur des Lebens erklären kann, in der eine der Schlüsselrollen der Reproduktion und Übertragung von Informationen zugewiesen ist", kommentierte Lassing Live Science.
Die Rolle von Informationen und deren Transport in lebenden Systemen ist sehr wichtig, stimmt Imari Walker zu. Ihrer Meinung nach bedeutet das Vorhandensein einer natürlichen Selbstorganisation in einer "Suppe" von Chemikalien nicht unbedingt, dass es sich um eine lebendige Organisation handelt.
„Ich glaube, es gibt viele Zwischenstufen, die wir durchlaufen müssen, um von der einfachen Bestellung zur Schaffung einer voll funktionsfähigen Informationsarchitektur wie lebenden Zellen überzugehen, die so etwas wie Gedächtnis oder Vererbung erfordert. Wir können sicherlich Ordnung in der Physik und in Nichtgleichgewichts-Systemen bekommen, aber das bedeutet nicht, dass wir auf diese Weise Leben bekommen “, sagt Imari Walker.
Experten glauben im Allgemeinen, dass es verfrüht wäre zu sagen, dass Englands Arbeit ein "schlüssiger Beweis" für die Natur des Lebens ist, da es viele andere Hypothesen gibt, die zu beschreiben versuchen, wie sich das Leben aus fast nichts hätte bilden können. Aber es ist definitiv ein neuer Blick darauf, wie sich physische Systeme in der Natur selbst organisieren können. Nachdem die Wissenschaftler nun ein grundlegendes Verständnis für das Verhalten dieses thermodynamischen Systems haben, wird der nächste Schritt möglicherweise darin bestehen, eine ausreichende Anzahl physikalischer Nichtgleichgewichts-Systeme auf der Erde zu identifizieren, sagt England.
