Was De Origin Of Life Een Fluke? Of Was Het Natuurkunde?

{h1}

Het leven, of op zijn minst zelfreplicerende chemische reacties, had kunnen voortkomen uit de fundamentele wetten van de natuurkunde, suggereert nieuw onderzoek.

Het begrijpen van de oorsprong van het leven is misschien wel een van de meest dwingende zoektochten voor de mensheid. Deze zoektocht is onvermijdelijk voorbij de puzzel van het leven op aarde gegaan, of er elders in het universum leven is. Is het leven op aarde een toevalstreffer? Of is het leven even natuurlijk als de universele wetten van de natuurkunde?

Jeremy England, een biofysicus aan het Massachusetts Institute of Technology, probeert antwoord te geven op deze diepzinnige vragen. In 2013 formuleerde hij een hypothese dat de natuurkunde spontaan chemicaliën kan triggeren om zichzelf te organiseren op manieren die 'levensechte' eigenschappen zaaien.

Nu suggereert nieuw onderzoek van Engeland en een collega dat de natuurkunde van nature zelfreplicerende chemische reacties kan produceren, een van de eerste stappen in de richting van het creëren van leven van levenloze substanties.

Dit kan worden geïnterpreteerd als het leven dat rechtstreeks voortkomt uit de fundamentele natuurwetten, waardoor geluk uit de vergelijking wordt verwijderd. Maar dat zou het pistool zijn.

Het leven moest van iets zijn gekomen; er was niet altijd biologie. Biologie is geboren uit de rauwe en levenloze chemische componenten die zich op de een of andere manier hebben georganiseerd in prebiotische verbindingen, de bouwstenen van het leven hebben gemaakt, basisbacteriën hebben gevormd en uiteindelijk zijn uitgegroeid tot de spectaculaire reeks wezens die vandaag op onze planeet bestaan. [7 Theories on the Origin of Life]

"Abiogenesis" is wanneer iets niet-biologisch biologisch wordt en Engeland denkt dat thermodynamica het kader kan bieden dat leven-achtig gedrag drijft in anders levenloze chemicaliën. Dit onderzoek verbindt echter niet de levensechte eigenschappen van een fysiek systeem met de biologische processen zelf, zei Engeland.

"Ik zou niet zeggen dat ik iets heb gedaan om de 'oorsprong van het leven' te onderzoeken per se, "Vertelde Engeland aan WordsSideKick.com." Ik denk dat wat voor mij interessant is, het bewijs van principe is - wat zijn de fysieke vereisten voor het ontstaan ​​van levensecht gedrag? "

Zelforganisatie in fysieke systemen

Wanneer energie wordt toegepast op een systeem, dicteren de natuurkundige wetten hoe die energie verdwijnt. Als een externe warmtebron op dat systeem wordt toegepast, zal het verdampen en een thermisch evenwicht bereiken met zijn omgeving, zoals een koel kopje koffie op een bureau. Entropie, of de hoeveelheid stoornis in het systeem, neemt toe naarmate de warmte vordert. Maar sommige fysieke systemen zijn mogelijk onvoldoende uit evenwicht en "zelforganiseren" om optimaal gebruik te maken van een externe energiebron, het triggeren van interessante zichzelf in stand houdende chemische reacties die voorkomen dat het systeem thermodynamisch evenwicht bereikt en aldus een toestand van buiten-evenwicht houdt, speculeert Engeland. (Het is alsof die kop koffie spontaan een chemische reactie produceert die een hotspot in het midden van de vloeistof ondersteunt, waardoor de koffie niet naar een evenwichtsstaat koelen.) Hij noemt deze situatie "dissipatie-gestuurde aanpassing" en dit mechanisme is wat drijft levensechte kwaliteiten aan in het anders levenloze fysieke systeem van Engeland.

Een sleutel leven-achtig gedrag is zelfreplicatie, of (vanuit een biologisch oogpunt) reproductie. Dit is de basis voor al het leven: het begint simpel, repliceert, wordt complexer en repliceert zich opnieuw. Het gebeurt gewoon zo dat zelfreplicatie ook een zeer efficiënte manier is om warmte af te voeren en de entropie in dat systeem te vergroten.

In een studie die op 18 juli in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences werd gepubliceerd, testten Engeland en medeauteur Jordan Horowitz hun hypothese. Ze voerden computersimulaties uit op een gesloten systeem (of een systeem dat geen warmte of materie uitwisselt met de omgeving) met een "soep" van 25 chemicaliën. Hoewel hun opstelling heel eenvoudig is, kan een vergelijkbaar soort soep zijn samengevoegd op het oppervlak van een oorspronkelijke en levenloze aarde. Als, laten we zeggen, deze chemicaliën worden geconcentreerd en verwarmd door een externe bron - bijvoorbeeld een hydrothermale ventilatie - zou de pool van chemicaliën die warmte moeten afvoeren in overeenstemming met de tweede wet van de thermodynamica. De warmte moet verdwijnen en de entropie van het systeem zal onvermijdelijk toenemen.

Onder bepaalde initiële omstandigheden ontdekte hij dat deze chemicaliën de energie die op het systeem wordt toegepast, kunnen optimaliseren door zichzelf te organiseren en intense reacties op zelfreplicatie te ondergaan. De chemicaliën hebben zichzelf op natuurlijke wijze verfijnd. Deze reacties genereren warmte die voldoet aan de tweede wet van de thermodynamica; entropie zal altijd in het systeem toenemen en de chemicaliën zullen zichzelf organiseren en het levensechte gedrag van zelfreplicatie vertonen.

"In wezen probeert het systeem een ​​heleboel dingen op kleine schaal, en zodra een van hen positieve feedback begint te ervaren, duurt het niet lang voordat het het karakter van de organisatie in het systeem overneemt," vertelde Engeland aan WordsSideKick.com.

Dit is een heel eenvoudig model van wat er zich in de biologie afspeelt: chemische energie wordt verbrand in cellen die - door hun aard - uit evenwicht zijn en de metabole processen aandrijven die het leven in stand houden. Maar, zoals Engeland toegeeft, er is een groot verschil tussen het vinden van levensechte kwaliteiten in een virtuele chemische soep en het leven zelf.

Sara Imari Walker, een theoretisch fysicus en astrobioloog aan de Arizona State University, die niet betrokken was bij het huidige onderzoek, is het daar mee eens.

"Er is een tweerichtingsbrug die moet worden overgestoken om biologie en natuurkunde te overbruggen, een om te begrijpen hoe je levensechte kwaliteiten krijgt van eenvoudige fysieke systemen en de andere om te begrijpen hoe fysica leven kan opwekken," Imari Walker vertelde WordsSideKick.com. "Je moet beide doen om echt te begrijpen welke eigenschappen uniek zijn voor het leven en welke eigenschappen kenmerkend zijn voor dingen waarvan je denkt dat ze bijna [...] leven als een prebiotisch systeem."

Opkomst van het leven buiten de aarde?

Voordat we de grote vraag kunnen beantwoorden of deze eenvoudige fysieke systemen de opkomst van het leven elders in het universum kunnen beïnvloeden, is het beter eerst te begrijpen waar deze systemen op aarde bestaan.

"Als je, als je 'het leven' zegt, dingen bedoelt die zo verbluffend indrukwekkend zijn als een bacterie of iets anders met polymerasen en DNA, vertelt mijn werk ons ​​nog niets over hoe gemakkelijk of moeilijk het is om iets complexs te maken dus ik moet niet speculeren over wat we waarschijnlijk ergens anders dan de aarde zullen vinden, "zei Engeland. (Polymerasen zijn eiwitten die DNA en RNA samenstellen.)

Dit onderzoek identificeert niet specifiek hoe biologie uit niet-biologische systemen naar voren komt, alleen dat in sommige complexe chemische situaties verrassende zelforganisatie optreedt. Deze simulaties houden geen rekening met andere levensechte eigenschappen - zoals aanpassing aan de omgeving of reactie op stimuli. Ook deze thermodynamica test op een gesloten systeem houdt geen rekening met de rol van informatie reproductie in de oorsprong van het leven, zei Michael Lässig, een statistische fysicus en kwantitatieve bioloog aan de Universiteit van Keulen in Duitsland.

"[Dit] werk is inderdaad een fascinerend resultaat op niet-evenwichtige chemische netwerken, maar het is nog steeds ver verwijderd van een fysische verklaring van de oorsprong van het leven, dat de reproductie van informatie vereist", Lässig, die niet betrokken was bij het onderzoek, vertelde WordsSideKick.com.

Er is een cruciale rol weggelegd voor informatie in levende systemen, voegde Imari Walker eraan toe. Alleen omdat er sprake lijkt te zijn van een natuurlijke zelforganisatie die wordt vertoond door een soep van chemicaliën, betekent dit niet noodzakelijkerwijs een levende organisatie.

"Ik denk dat er veel tussenstappen zijn waar we doorheen moeten om van een eenvoudige bestelling te gaan tot een volledig op informatieverwerkingsarchitectuur zoals een levende cel, die iets als geheugen en erfelijkheid vereist", aldus Imari Walker. "We kunnen duidelijk orde krijgen in fysica en niet-evenwichtssystemen, maar dat maakt het niet noodzakelijk tot leven."

Om te zeggen dat het werk van Engeland het "rokende geweer" zou kunnen zijn voor de oorsprong van het leven is voorbarig, en er zijn veel andere hypothesen over hoe het leven uit het niets kan zijn voortgekomen, zeiden experts. Maar het is een fascinerend inzicht in hoe fysieke systemen zichzelf in de natuur kunnen organiseren. Nu de onderzoekers een algemeen idee hebben over hoe dit thermodynamische systeem zich gedraagt, zou het een mooie volgende stap zijn om voldoende uit evenwicht zijnde fysieke systemen te identificeren die van nature op aarde voorkomen, zei Engeland.

Oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.


Video Supplement: Benoit Mandelbrot: Fractals and the art of roughness.




Onderzoek


Zoon'S Dna Verschijnt In Mom'S Brain
Zoon'S Dna Verschijnt In Mom'S Brain

Plankton Go Ballistic: Teensy Organisms Wield Impressive Artillery
Plankton Go Ballistic: Teensy Organisms Wield Impressive Artillery

Science Nieuws


Small Fish'S Predator Perception Maakt Een Plons
Small Fish'S Predator Perception Maakt Een Plons

Konden We Energie Halen Uit Aardbevingen?
Konden We Energie Halen Uit Aardbevingen?

Wat Is Er Gebeurd Met Geothermische Energie?
Wat Is Er Gebeurd Met Geothermische Energie?

De Nier Van Deze Vrouw Viel In Haar Bek Wanneer Ze Opstond: Hier Is Waarom
De Nier Van Deze Vrouw Viel In Haar Bek Wanneer Ze Opstond: Hier Is Waarom

Wat Zal Er Gebeuren Als De Zon Sterft?
Wat Zal Er Gebeuren Als De Zon Sterft?


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com