Memahami hakikat kehidupan adalah salah satu misteri yang paling sukar dan sekaligus menarik bagi umat manusia. Lama kelamaan, misteri ini pasti melangkaui persoalan sama ada kehidupan hanya wujud di Bumi, atau adakah wujud di tempat lain di alam semesta. Adakah kemunculan hidup disebabkan oleh kebetulan secara rawak dan beruntung, atau adakah wajar bagi alam semesta seperti hukum fizik sejagat?
Para saintis telah lama berusaha menjawab soalan-soalan ini. Salah satunya ialah Jeremy England, ahli biofisik di Massachusetts Institute of Technology. Pada tahun 2013, dia membuat hipotesis bahawa undang-undang fizik dapat mencetuskan reaksi kimia yang membolehkan bahan sederhana menyusun sedemikian rupa sehingga akhirnya mereka memperoleh kualiti "hidup".
Dalam hasil karya baru England dan rakan-rakannya, diperhatikan bahawa fizik secara semula jadi dapat membuat proses reaksi yang dapat ditiru sendiri, yang merupakan salah satu langkah pertama untuk mewujudkan "hidup" dari "bukan hidup". Dengan kata lain, ini bermaksud bahawa kehidupan secara langsung berasal dari hukum dasar alam, yang hampir tidak termasuk kemungkinan hipotesis kejadian tidak sengaja. Tetapi kenyataan itu terlalu keras.
Hidup mesti keluar dari sesuatu. Biologi tidak selalu wujud. Ia juga muncul sebagai hasil dari rangkaian proses kimia tertentu yang menyebabkan fakta bahawa bahan kimia entah bagaimana disusun menjadi sebatian prebiotik, menciptakan "blok bangunan kehidupan," dan kemudian berubah menjadi mikroba, yang akhirnya berkembang menjadi koleksi makhluk hidup yang luar biasa. wujud di planet kita hari ini.
Teori abiogenesis menganggap kemunculan hidup sebagai kemunculan alam hidup dari mati dan, menurut pendapat Inggeris, termodinamik boleh menjadi asas dan kunci di mana sebatian kimia mati dapat berubah menjadi makhluk biologi hidup. Namun, seperti yang diperhatikan oleh saintis itu sendiri, penyelidikan terbaru tidak bertujuan mewujudkan hubungan antara "sifat penting" sistem fizikal dan proses biologi.
"Saya tidak akan mengatakan bahawa saya telah melakukan pekerjaan yang dapat menjawab persoalan hakikat kehidupan seperti itu," kata England dalam temu bual dengan Live Science.
"Apa yang menarik bagi saya adalah bukti asas - apakah syarat fizikal untuk manifestasi tingkah laku hidup dalam senyawa mati."
Video promosi:
Organisasi diri dalam sistem fizikal
Apabila tenaga diterapkan pada sistem, undang-undang fizik menentukan bagaimana tenaga itu akan hilang. Sekiranya sistem ini dipengaruhi oleh sumber haba luaran, maka tenaga mula hilang sehingga keseimbangan terma teratur di sekitar sistem ini. Letakkan secawan kopi panas di atas meja dan selepas beberapa saat tempat di mana cawan berdiri akan menjadi hangat. Walau bagaimanapun, beberapa sistem fizikal boleh menjadi tidak seimbang, oleh itu, melalui "organisasi diri" mereka berusaha menggunakan tenaga sumber luaran dengan cara yang paling cekap, akibatnya yang cukup menarik, seperti yang ditunjukkan oleh England, reaksi kimia penahan diri yang menghalang pencapaian keseimbangan termodinamik dicetuskan. Seolah-olah secawan kopi secara spontan memicu reaksi kimia yang menyebabkan hanya sebilangan kecil kopi di tengah cawan itu tetap panas,mencegah penyejukan dan peralihan ke keadaan keseimbangan termodinamik dengan jadual. Ilmuwan memanggil situasi seperti itu "penyesuaian terhadap pembuangan", dan mekanisme inilah yang, menurut England, memberikan sistem fizikal mati dengan sifat hidup.
Tingkah laku utama kehidupan adalah kemungkinan pembiakan diri atau pembiakan (dari sudut pandangan biologi). Ini adalah asas bagi kehidupan apa pun: ia dibaca sebagai yang paling sederhana, kemudian ditiru, menjadi semakin kompleks, kemudian dibuat semula dan proses ini diulang berulang kali. Kebetulan replikasi diri juga merupakan kaedah yang sangat berkesan untuk menghilangkan haba dan meningkatkan entropi dalam sistem ini.
Dalam kajian yang diterbitkan pada 18 Julai dalam jurnal Proceedings of the National Academy of Sciences, England dan pengarang bersama Jordan Horowitz menerangkan ujian hipotesis mereka. Mereka melakukan beberapa simulasi komputer dari sistem tertutup (sistem yang tidak dapat menukar haba atau bahan dengan persekitarannya) yang mengandungi "sup" 25 bahan kimia. Walaupun sistem mereka sangat sederhana, ini adalah "sup" yang kemungkinan sekali dapat menutupi permukaan Bumi kuno dan tidak bernyawa. Oleh itu, jika bahan kimia ini bersatu dan terdedah kepada haba dari sumber luaran (contohnya, telaga hidroterma), maka bahan-bahan ini perlu menghilangkan haba ini mengikut undang-undang termodinamik kedua, yang mengatakanbahawa panas harus hilang dan entropi sistem pada masa ini pasti akan meningkat.
Dengan mewujudkan keadaan awal tertentu, saintis mendapati bahawa bahan kimia ini dapat mengoptimumkan kesan pada sistem tenaga melalui penyusunan diri dan tindak balas aktif seterusnya untuk replikasi diri. Bahan kimia ini secara semula jadi disesuaikan dengan keadaan yang berubah. Reaksi yang mereka buat juga menghasilkan haba, yang sesuai dengan hukum termodinamik kedua. Entropi dalam sistem akan sentiasa meningkat dan bahan kimia juga akan terus mengatur diri dan menunjukkan tingkah laku hidup dalam bentuk pembiakan diri.
"Sebenarnya, sistem ini pertama kali mencuba banyak solusi skala kecil, dan ketika salah satunya mulai menunjukkan hasil yang positif, maka mengatur seluruh sistem dan menyesuaikan diri dengan penyelesaian ini tidak memerlukan banyak waktu," kata Inggris dalam wawancara dengan Live Science.
Model biologi sederhana seperti ini: tenaga molekul dibakar dalam sel, yang secara semula jadi tidak seimbang dan mengatur proses metabolik yang menyokong kehidupan. Tetapi seperti yang ditunjukkan oleh England, terdapat perbezaan besar antara sifat hidup dan tingkah laku yang ditemui dalam sup kimia maya dan kehidupan itu sendiri.
Sarah Imari Walker, ahli fizik teori dan ahli astrobiologi di University of Arizona, yang tidak terlibat dalam penyelidikan yang dibincangkan hari ini, bersetuju.
"Ada dua jalan yang harus ditempuh untuk mencuba menggabungkan biologi dan fizik. Salah satunya adalah untuk memahami bagaimana kualiti hidup dapat diperoleh dari sistem fizikal sederhana. Yang kedua adalah memahami bagaimana fizik dapat mencipta kehidupan. Kedua-dua syarat ini perlu ditangani untuk benar-benar memahami sifat mana yang benar-benar unik untuk kehidupan seperti itu dan sifat dan ciri mana yang merupakan ciri perkara yang boleh anda salahkan untuk sistem hidup, misalnya, prebiotik, "- Imari Walker mengulas Live Science.
Kemunculan kehidupan di luar Bumi
Sebelum kita mula menjawab persoalan besar apakah sistem fizikal sederhana ini dapat mempengaruhi kemunculan kehidupan di tempat lain di alam semesta, pertama-tama kita perlu lebih memahami di mana sistem tersebut mungkin ada di Bumi.
Sekiranya seumur hidup anda bermaksud sesuatu yang mengesankan seperti, katakanlah, bakteria atau bentuk lain dengan polimerase (protein yang menghubungkan DNA dan RNA) dan DNA, maka karya saya tidak memberitahu anda betapa mudah atau sukarnya. untuk membuat sesuatu yang begitu rumit, jadi saya tidak mahu terlalu awal mencuba membuat andaian tentang sama ada kita akan menemui sesuatu yang serupa di tempat lain di alam semesta ini, kecuali Bumi,”kata England.
Kajian ini tidak menentukan bagaimana biologi muncul dari sistem bukan biologi, hanya bertujuan untuk menjelaskan beberapa proses kimia yang kompleks di mana bahan kimia mengatur sendiri. Simulasi komputer yang dijalankan tidak mengambil kira sifat kehidupan lain, seperti penyesuaian dengan persekitaran atau reaksi terhadap rangsangan luaran. Sebagai tambahan, kajian termodinamik sistem tertutup ini tidak mengambil kira peranan memindahkan maklumat terkumpul, kata Michael Lassing, ahli fizik statistik yang juga bekerja dalam biologi kuantitatif di University of Cologne.
"Karya ini tentunya menunjukkan hasil yang luar biasa dari interaksi rangkaian kimia nonequilibrium, tetapi kita masih jauh dari ketika fizik dapat menjelaskan hakikat kehidupan, di mana salah satu peranan penting diberikan kepada pembiakan dan pemindahan maklumat," komentar Lassing kepada Live Science.
Peranan maklumat dan pengangkutannya dalam sistem hidup sangat penting, Imari Walker bersetuju. Menurutnya, kehadiran organisasi diri semula jadi yang terdapat dalam "sup" bahan kimia tidak semestinya bermaksud bahawa ia adalah organisasi yang hidup.
Saya percaya ada banyak peringkat pertengahan yang harus kita lalui untuk beralih dari pesanan sederhana ke membuat seni bina maklumat yang berfungsi sepenuhnya seperti sel hidup, yang memerlukan sesuatu seperti memori atau warisan. Kita tentu boleh mendapat ketertiban dalam sistem fizik dan bukan keseimbangan, tetapi ini tidak bermaksud dengan cara ini kita memperoleh kehidupan,”kata Imari Walker.
Para pakar pada umumnya percaya bahawa akan terlalu awal untuk mengatakan bahawa karya Inggeris adalah "bukti muktamad" mengenai hakikat kehidupan, kerana terdapat banyak hipotesis lain yang cuba menggambarkan bagaimana kehidupan dapat terbentuk dari hampir tidak ada. Tetapi ini jelas melihat bagaimana sistem fizikal dapat mengatur diri secara semula jadi. Sekarang bahawa para saintis mempunyai pemahaman asas tentang bagaimana sistem termodinamik ini berkelakuan, mungkin langkah seterusnya adalah dengan berusaha menentukan sebilangan besar sistem fizikal bukan keseimbangan yang muncul di Bumi, kata England.
