Жизнь на Земле

О чём говорят исследования учёных? Наука опровергает или подтверждает существование Бога?

Жизнь на Земле

Сообщение FontCity » 03 апр 2011, 02:06

Тайна происхождения жизни

Чему равна вероятность случайного возникновения жизни? Как произошла жизнь на нашей планете? И что вообще такое жизнь?

Доминирующей в современной науке является абиогенетическая гипотеза, согласно которой жизнь возникла самопроизвольно из неживой материи миллиарды лет назад. Последующая эволюция стала причиной возникновения всех известных видов растений и животных, а также человека. Согласно этому подходу эволюции биологической предшествовала эволюция химическая, то есть процесс, в результате которого из неорганических молекул образовались органические, которые в свою очередь взаимодействовали друг с другом, пока не образовались биополимеры - белки и нуклеиновые кислоты.
В 1924 году советский биохимик Александр Иванович Опарин выступил с предположением, что химическая эволюция с последующим зарождением жизни могла протекать в первобытном океане - «бульоне», который вкупе с первобытной атмосферой содержал воду, аммиак, метан и водород. В 1953 году сотрудник Чикагского университета Стэнли Миллер опубликовал результаты своих экспериментов, в которых он попытался сварить такой «первобытный бульон», воспроизведя в лаборатории условия, которые должны были сопутствовать возникновению жизни. Учёный подверг воздействию электрических разрядов смесь из метана, воды, водорода и аммиака. Действительно, в этих и подобных им экспериментах удалось получить аминокислоты и азотистые основания. Напомним, что первые (аминокислоты) являются молекулярными кирпичиками, из которых построены белки, а вторые (азотистые основания) наряду с сахарами рибозой и дезоксирибозой и остатком фосфорной кислоты входят в состав нуклеиновых кислот.
Однако, детальный анализ продуктов спонтанного синтеза, протекающего в лабораторном «первобытном бульоне», вызвал немало вопросов.

Во-первых, в ходе этих экспериментов образовывались в равном количестве L- и D- изомеры аминокислот (эти формы являются зеркальным отображением друг друга). Но белки живых организмов состоят только из L- аминокислот. Возникает закономерный вопрос: каким образом возникли белки, состоящие исключительно из L-аминокислот? На него до сих пор так и не был получен удовлетворительный ответ. Во-вторых, факты говорят о том, что концентрации аминокислот в «первобытном бульоне» должны были бы быть слишком маленькими.

Химик Дональд Халл подсчитал, что концентрация самой простой аминокислоты, встречающейся в живых организмах - глицина, - не должна была быть больше 10-12 моля. Он пишет:
«Даже максимально вероятное содержание аминокислоты является безнадежно низким, чтобы служить отправной точкой для самопроизвольного зарождения жизни.»
(Hull D.Е. 1960. Thermodynamics and kinetics of spontaneous generation. Nature 186:693, 694).


Такие низкие концентрации ставят под сомнение идею самопроизвольного образования даже самых простых белковых молекул. Вероятность же самосборки сложных белков, состоящих из сотен L- аминокислот, соединённых между собой в определённой последовательности, - ещё меньше. Чтобы понять, какова она, приведём один весьма наглядный пример.
«Предположим, мы хотим получить белковую молекулу из ста аминокислот в результате хаотичного, самопроизвольного возникновения в «первобытном бульоне.» Сколько времени для этого необходимо? Как известно, природные белки состоят из двадцати аминокислот. Вероятность того, что мы случайно отберём из двадцати аминокислот строго определённую - один шанс из двадцати (или 0.05). Если мы хотим получить белок, аналогичный природному, - то все аминокислоты, входящие в него, должны быть L-изомерами. Вероятность того, что отобранная аминокислота будет именно L-изомером - один шанс из двух (0.5). Присоединение аминокислот к растущей пептидной цепочке возможно с двух её концов, следовательно, вероятность присоединения аминокислоты с «нужного» конца - один шанс из двух (0.5).
Таким образом, для того, чтобы найти вероятность появления одной определённой L-изомерной формы аминокислоты в нужном месте белка, нам необходимо просто перемножить все найденные нами три вероятности. Искомое число будет - один шанс из восьмидесяти (0.0125). Вероятность того, что две L-формы конкретных аминокислот расположатся в нужной последовательности в белке - один шанс из шести тысяч четырехсот (или 0.000156; чтобы получить эту величину, необходимо умножить 0.0125 на 0.0125). Для ста аминокислот вероятность их случайного попадания в строго определённое место белка составляет один шанс из 4.9 x 10-191

(Bradley WL., Thaxton CB. 1994. Information and the origin of life. In: Moreland JP, editor. The creation hypothesis: science evidence for an intelligent designer. Downers Grove, III.: InterVarsity Press, pp. 173-210).

«Оценочные расчёты, выполненные с целью определения примерного количества атомов в наблюдаемой части Вселенной, показывают, что вероятность найти конкретный атом методом проб и ошибок среди всех атомов Вселенной намного выше вероятности спонтанного возникновения белка из ста аминокислот, идентичного натуральному (образующемуся в живом организме).»
(Crick F. 1981. Life itself: its origin and nature. New York: Simon and Schuster, p. 51).


Дело ещё больше усложняется, если мы попытаемся обсудить вероятность самопроизвольного возникновения нуклеиновых кислот (ДНК и РНК).
В 1953 году (это тот же самый год, когда были обнародованы результаты экспериментов Стенли Миллера) Джим Уотсон и Фрэнсис Крик установили, что ДНК (молекула, носитель информации о живом организме) образует в живых системах двойную спираль, в которой нуклеотиды располагаются друг напротив друга. Было подсчитано, что вероятность того, что самопроизвольно образуется только одна пара нуклеотидов в нуклеиновой кислоте, с учётом всех возможных сочетаний атомов входящих в их состав, составляет 10-87. Число нуклеотидных пар в ДНК человека превышает 3 миллиарда, а для некоторых цветковых растений может достигать десятков миллиардов.
Понятно, что вероятность случайного возникновения строго определённой последовательности ДНК из миллиарда конкретных нуклеотидов несуразно мала. (Для сравнения, можно напомнить, что в 4,5 миллиардах лет, (столько обычно отводят на эволюцию на нашей планете), всего 1025 секунд).
Заметим, что условия, которые должны были бы сопутствовать появлению в «первобытном бульоне» сахаров (сахара рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот) и аминокислот (компонентов белков) различны. Аминокислоты образуются в кислой среде, которая непригодна для образования сахаров.
Переход от простого набора биополимеров к функционирующему живому организму, пускай даже очень простому, представляется ещё более сложной проблемой, чем спонтанный синтез белков и нуклеиновых кислот. Об этом говорят биохимики-эволюционисты Дэвид Грин и Роберт Гольдберг:
«Переход от макромолекул к клетке является скачком фантастических масштабов, который лежит за пределами поддающейся проверке гипотезы. В этой области всё является предположением. Доступные факты не дают основания постулировать, что на этой планете возникли клетки.»
(Green D.E., Goldberger R.F. Molecular insights into the living process. New York & London: Academic Press, 1967, pp. 406-407)


Гарольд Моровиц подсчитал, что вероятность самоорганизации биополимеров с образованием кишечной палочки (Escherichia coli) равна одному шансу из 10-110, для микоплазмы - один шанс из 10-450.
(Morowitz H.J. Energy flow in biology: biological organization as a problem in thermal physics. New York & London: Academic Press, 1968, p. 67).


Компоненты живой клетки, функционируя как единое целое, находятся в сложном взаимодействии друг с другом. В клетках белковые молекулы образуются в результате реакций матричного синтеза, которые протекают в соответствии с информацией, заложенной в молекуле ДНК. В этом сложном процессе может участвовать несколько сот специфических белков, и отсутствие одного из них делает матричный синтез просто невозможным. В свою очередь, белки участвуют в процессах биосинтеза нуклеиновых кислот. Таким образом, для синтеза белков в клетках нужны нуклеиновые кислоты, а для биосинтеза нуклеиновых кислот - белки. Как разрешить это противоречие?
Высказывались предположения, что первыми могли возникнуть самовоспроизводящиеся РНК. Но никаких экспериментальных подтверждений получено до сих пор не было. Нобелевский лауреат биохимик Христиан де Дюв говорит по этому поводу следующее:
«Попытки создать - при тщательной разработке и технической поддержке, которой не мог похвастаться первичный мир - молекулу РНК, способную катализировать самовоспроизведение, пока не увенчались успехом.»
(De Duve C. The beginning of life on earth. 1995, American Scientist 83:428-437).


Почему же до сих пор так и не получили такую РНК? Крупный российский биохимик Александр Спирин утверждает:
«Я глубоко убеждён, что «перебором», путём эволюции невозможно получить сложный прибор... Это таинственное, я бы сказал, «божественное» соединение - РНК, центральное звено живой материи, не могло появиться в результате эволюции. Она либо есть, либо её нет. Она настолько совершенна, что должна была быть создана некой системой, способной изобретать.»


Так существовал ли первобытный бульон? Ряд довольно крупных учёных считают, что нет. Австралийский биолог Майкл Дентон убеждён, что гипотеза о первобытном бульоне - хорошо устоявшийся научный миф:
«Учитывая, что на пребиотический бульон ссылаются во множестве дискуссий о происхождении жизни как на уже установленную реальность, понимание того, что нет абсолютно никаких положительных доказательств его существования, оказывается чем-то вроде шока.»
(Michael Denton. Evolution: A Theory in Crisis. - Bethesda, Marylan: Adler and Publishers; 1986. p. 261.).


Такого же мнения придерживается английский астроном Фред Хойл, профессор Кембриджского университета:
«Вероятность образования жизни из неодушевлённой материи равна отношению единицы к числу с 40000 нулей после неё. Оно достаточно велико, чтобы похоронить Дарвина и всю теорию эволюции. Никакого первичного бульона не существовало ни на нашей, ни на какой-либо другой планете, а если происхождение жизни было не случайным, то, следовательно, оно было продуктом преднамеренного акта, направляемого разумом.»
(Fred Hoyle. Hoyle on Evolution. Nature. 1981, Vol. 294, №5837, November 12).


© Дмитрий Мологин, armageddon.ru
• «Слова мудрых - как иглы и как вбитые гвозди...»
• «The words of the wise are as goads, and as nails fastened...»
Аватара пользователя
FontCity
 
Сообщения: 4278
Зарегистрирован: 28 мар 2011, 00:34
Откуда: Тверь


Оживить неживое

Сообщение FontCity » 25 фев 2013, 14:17

Российские ученые хотят "оживить" неживое

Изображение
Вулканическая активность на Камчатке
© william veerbeek / flickr.com


Группа российских геохимиков пытается вдохнуть жизнь в неживое вещество. Ученые хотят воссоздать в лаборатории среду термальных источников дальневосточного полуострова Камчатки, которые, по их мнению, могут служить колыбелью жизни

Ученые Института комплексного анализа региональных проблем Дальневосточного отделения Российской академии наук ставят эксперимент с органическим веществом в растворе, на который воздействуют высокие температуры и давление. Химическая эволюция не может перейти в биологическую без определенного стресса, отметил автор программы исследований Владимир Компаниченко в СМИ.

Иными словами, при определенном сочетании температуры и давления в неживой материи может возникнуть жизнь. К таким выводам ученый пришел после изучения термофильных бактерий на Камчатке. Теперь нужно лабораторно воссоздать геотермальную колыбель жизни.

Специалисты считают эксперимент дальневосточных геохимиков любопытным. Ведь это еще одна попытка объяснить зарождение жизни на Земле. Но к результатам опыта многие ученые относятся скептически. Он едва ли позволит синтезировать жизнь, отметил академик-биофизик Валентин Сапунов: "Во-первых, мы до сих пор не знаем, что такое живое, не имеем однозначных определений и не понимаем, как произошел скачок от живого к неживому. При таком отсутствии парадигмы и теории эксперимент, скорее всего, ни к чему не приведет. Путем случайных сочетаний создать такую структуру, как ген, как ДНК, практически невозможно".



Сейчас немало ученых склоняются к тому, что жизнь была привнесена на Землю из космоса, напомнил Валентин Сапунов. Такой версии возникновения жизни придерживались, например, шведский ученый, лауреат Нобелевской премии по химии Сванте Август Аррениус и российский основоположник биогеохимии, автор учения о ноосфере Владимир Вернадский.

Впрочем, многие ученые придерживаются другой теории происхождения жизни - вулканической. Впервые ее выдвинул около 40 лет назад российский вулканолог Евгений Мархинин, а развивает ее американская научная группа во главе с россиянином Евгением Куниным из Национального института здоровья США. Они считают, что первые живые организмы появились в водах озер, которые насыщали теплом и микроэлементами геотермальные источники вулканов.

Научная группа под руководством Владимира Компаниченко, по всей видимости, опирается на гипотезу советского биолога Александра Опарина. Согласно этой теории 1924 года, жизнь зародилась в так называемом первичном бульоне. Он образовался под действием электрических зарядов, высокой температуры и космического облучения и, предположительно, существовал в водоемах Земли 4 миллиарда лет назад. Этот бульон жизни состоял из аминокислот и полипептидов. Сродни такой среде – гейзеры Камчатки, считает Компаниченко.

В этой гипотезе есть рациональное зерно, пояснил доцент кафедры геохимии геологического факультета МГУ Андрей Бычков. По его словам, эндогенные, то есть геологические процессы, связанные с энергией недр Земли, могут стимулировать возникновение жизни. Но, по его мнению, чистоту эксперимента - в буквальном смысле этого слова - обеспечить сложно: "С точки зрения геохимии мы знаем, что жизнь появилась на Земле очень рано. Отсюда следует, что с основными эндогенными процессами - вулканизмом и гидротермами - она должна быть обязательно связана. Мы не можем быть уверены, что в каком-то объеме раствора или породы жизни нет, что нет ничего, что наследуется от сегодняшней жизни. Поэтому вопрос зарождения жизни, мне кажется, очень сложный".



Эксперименты с имитацией водной среды и атмосферы Земли в первые годы ее существования уже проводились. Через метан и другие газы, которые, предположительно, существовали в атмосфере Земли, пропускали электрические разряды. И через несколько месяцев после начала экспериментов там действительно появилось несколько органических молекул. Однако никаких клеток получено не было. А значит, не было и живой жизни.

© Ольга Соболевская, радио «Голос России», 13.10.2012, 08:40
• «Слова мудрых - как иглы и как вбитые гвозди...»
• «The words of the wise are as goads, and as nails fastened...»
Аватара пользователя
FontCity
 
Сообщения: 4278
Зарегистрирован: 28 мар 2011, 00:34
Откуда: Тверь


Жизнь появилась на Земле уже высокоразвитой

Сообщение FontCity » 17 апр 2013, 21:35

An extrapolation of the genetic complexity of organisms to earlier times suggests that life began before the Earth was formed. Life may have started from systems with single heritable elements that are functionally equivalent to a nucleotide. The genetic complexity, roughly measured by the number of non-redundant functional nucleotides, is expected to have grown exponentially due to several positive feedback factors: gene cooperation, duplication of genes with their subsequent specialization, and emergence of novel functional niches associated with existing genes. Linear regression of genetic complexity on a log scale extrapolated back to just one base pair suggests the time of the origin of life 9.7 billion years ago. This cosmic time scale for the evolution of life has important consequences: life took ca. 5 billion years to reach the complexity of bacteria; the environments in which life originated and evolved to the prokaryote stage may have been quite different from those envisaged on Earth; there was no intelligent life in our universe prior to the origin of Earth, thus Earth could not have been deliberately seeded with life by intelligent aliens; Earth was seeded by panspermia; experimental replication of the origin of life from scratch may have to emulate many cumulative rare events; and the Drake equation for guesstimating the number of civilizations in the universe is likely wrong, as intelligent life has just begun appearing in our universe. Evolution of advanced organisms has accelerated via development of additional information-processing systems: epigenetic memory, primitive mind, multicellular brain, language, books, computers, and Internet. As a result the doubling time of complexity has reached ca. 20 years. Finally, we discuss the issue of the predicted technological singularity and give a biosemiotics perspective on the increase of complexity.

© Alexei A. Sharov, Richard Gordon: «Life Before Earth»
Cornell University Library, Submitted on 28 Mar 2013


Жизнь родилась не на Земле

Изображение
© Фото: Vadim Sadovski

Анализ скорости эволюции жизни на Земле привел исследователей из Национального института старения в Балтиморе к парадоксальным выводам. Либо жизнь на планету попала уже в достаточно сложном виде, либо на первом этапе ее развитие шло невероятно быстрыми темпами, которые затем по неизвестной причине резко замедлились.

Толчком к исследованию стала идея проверить, можно ли применить к живым организмам знаменитый закон Гордона Мура о том, что количество транзисторов в чипе удваивается каждые два года. Если взять в любой момент времени современный чип и проследить эволюцию обратно во времени, зная про удвоение, можно придти к моменту, когда чипы только появились. Вот этот принцип и попытались проверить в Балтиморе.

Авторы исследования, проанализировав множество данных, в том числе генетические и палеонтологические, пришли к выводу, что сложность жизни на Земле удваивается каждые 376 млн лет. А сама кривая усложнения жизни является, как и в случае с законом Мура, экспонентой. Правда, экспоненциальный рост сложности генома характерен для жизни лишь до тех пор, пока она не достигла высокого уровня сложности. Так, между человеком и археей большой разрыв по сложности генов. А между рыбами и млекопитающим - совсем небольшой. В то же время между геномом мыши и человека по сложности различий уже практически нет.

А дальше начались проблемы. Линейная регрессия генетической сложности на логарифмической шкале показала, что нулевая генетическая сложность земной жизни должна была стать ненулевой в диапазоне 9,7 ± 2,5 млрд лет тому назад. Даже если применить минус, то получится 7,2 млрд. лет, что никак не укладывается в хронику планеты Земля, так как сама планета образовалась из пылевого облака солнечной туманности не ранее 4,54 млрд лет. Нашей Галактике в ее современном виде, по всем имеющимся сегодня данным, не более 10 млрд. лет. А Вселенная, по современным представлениям, возникла 13,7 ± 0,13 млрд лет назад.

Изображение

То есть, если применить плюс, то получится, что жизнь старше, чем наша Галактика и зародилась где-то примерно через 1,5 млрд лет после Большого взрыва.

Изображение

У возникающего парадокса есть два решения. Первое объяснение - жизнь возникла на Земле и в ранней истории скорость ее развития была стремительной. Затем что-то произошло, и скорость эволюции замедлилась. Собственно, большая ее часть происходила, согласно всем имеющимся научным данным, именно с этой «погашенной» по сравнению с начальным этапом скоростью. Подобное объяснение авторы отвергают, так как оно подозрительно напоминает концепцию креационистов. Другими словами, где-то там далеко в прошлом имелся акт божественного сотворения, создавшего жизнь сразу на достаточно продвинутом уровне.

Второе объяснение - жизнь действительно зародилась существенно раньше, чем появилась планета Земля, и она попала на нее уже в достаточно продвинутом состоянии - в виде сложных микроорганизмов, с высоким уровнем генетической сложности. Иными словами, исследование косвенно, на математическом уровне, подтверждает идеи панспермии - возможность распространения жизни во Вселенной посредством переноса ее между планетами.

© Алексей Шаров, Ричард Гордон: «Жизнь до Земли»
«Детали мира», 17 апр. 2013, 13:48
• «Слова мудрых - как иглы и как вбитые гвозди...»
• «The words of the wise are as goads, and as nails fastened...»
Аватара пользователя
FontCity
 
Сообщения: 4278
Зарегистрирован: 28 мар 2011, 00:34
Откуда: Тверь


Ещё одна версия, как неживое стало живым

Сообщение Holy Scripture » 31 янв 2014, 16:52

Dissipatio ergo sum

Американский физик полагает, что раскрыл секрет зарождения жизни на Земле

Изображение
Джереми Ингланд. © Фото: Katherine Taylor / Quanta Magazine

31-летний доцент Массачусетского технологического института (MIT) Джереми Ингланд вывел формулу, описывающую превращение неживой материи в живую. Выдержки из его научной работы, опубликованной в издании Journal of Chemical Physics, приводит сайт Quanta Magazine.

Наиболее распространенная гипотеза абиогенеза говорит о первичном бульоне, случайно ударившей в него молнии и невероятной удаче, благодаря которой на доисторической Земле синтезировались первые органические соединения. Но если теория молодого ученого верна, в процессах, которые привели к возникновению жизни, не было места случайности - напротив, оно неминуемо следует из фундаментальных законов природы и «удивительно настолько же, насколько камни, катящиеся под гору».

С точки зрения физики между живыми организмами и безжизненными скоплениями атомов углерода есть одно существенное различие: первые гораздо эффективнее аккумулируют энергию из окружающей среды и рассеивая ее в виде тепла. Этот процесс называется диссипацией энергии. Ингланд, одинаково компетентный в биохимии и физике, вывел уравнение, объясняющее способность живого организма к диссипации. Когда группа атомов получает энергию от внешнего источника (им может быть солнце или химическое топливо) и находится в теплой среде (например, океане или атмосфере), она будет постепенно реорганизовываться, рассеивая все больше и больше получаемой энергии. Это означает, что при определенных условиях неживая материя начинает приобретать ключевой физический атрибут живой.

«Начинаете со случайного скопления атомов, и если светить на него достаточно долго, не удивляйтесь, если в итоге появится растение», - цитирует Quanta Magazine Ингланда.

По словам Ингланда, с точки зрения физики «эволюцию можно назвать частным случаем более общего явления»; его гипотеза способна стать новым основанием теории эволюции.

Научная публикация молодого ученого из MIT (в интернете есть также pdf слайд-шоу, которое он показывает на лекциях) всколыхнула научное сообщество: одни говорят о потенциальном прорыве, другие - о противоречивости его идей. Профессор физики Нью-Йоркского университета Александр Гросберг, следивший за научными изысканиями Ингланда с самого начала, утверждает, что тот предпринял «очень смелый и важный шаг» и с большой вероятностью действительно описал физический процесс, лежащий в основе возникновения жизни. Его поддерживает биофизик Аттила Шабо из Национального института здравоохранения США, по словам которого «Джереми - один из умнейших молодых ученых», которого он когда-либо встречал.

Некоторые коллеги, в то же время, приняли работу Ингланда в штыки. Профессор химии, химической биологии и биофизики Гарвардского университета Евгений Шахнович назвал его идеи «крайне спекулятивными, особенно применительно к феномену жизни», признав их, впрочем, «интересными и многообещающими».

В целом теоретические достижения Ингланда в научной среде оценивают скорее позитивно. Несмотря на то что выведенная им формула, которая должна описывать фундаментальные процессы в природе, включая появление жизни, остается недоказанной, у ученого уже есть идея, как подтвердить ее лабораторным экспериментом.

Изображение
Поведение частиц в вязкой среде. Видно, что с течением времени (сверху вниз) устанавливается все больше связей между частицами. Компьютерное моделирование поведения частиц под действием осцилляционной силы. Компьютерная симуляция Джереми Ингланда и его коллег.

В сердце теории Ингланда лежит второй закон термодинамики: тенденция физической системы эволюционировать в направлении состояния с более высокой энтропией - грубо говоря, в направлении все большего беспорядка. Подброшенная в воздух стопка бумаги всегда рассыпается на отдельные листы; яйца разбиваются, но никогда самопроизвольно не затекают обратно в скорлупу; газ из открытой банки «Кока-колы» перемешивается с атмосферой; горячие вещи остывают и никогда не нагреваются заново сами по себе. Одним словом, с течением времени энергия всегда рассеивается. Энтропия - мера этой тенденции, которая позволяет количественно оценивать, насколько рассеяна энергия среди элементов физической системы, и насколько сами элементы рассредоточены в пространстве. Ее неминуемое возрастание - всего лишь вопрос вероятности: всегда существует больше возможностей для рассеивания энергии, чем ее концентрации. Пока в физической системе перемещаются и взаимодействуют частицы, они склонны случайно принимать конфигурации, при которых энергия рассеивается. Поэтому система всегда будет эволюционировать в сторону высокоэнтропийной конфигурации. В конце концов, система принимает состояние максимальной энтропии под названием «термодинамического равновесия», когда энергия распространена равномерно: температура кофе в чашке и воздуха в комнате, где она стоит, со временем оказываются одинаковой. Пока они изолированы, этот процесс необратим. Кофе внезапно не нагреется снова, потому что в подавляющем большинстве случаев вероятность того, что энергия всей комнаты случайно «сконцентрируется» в атомах кофе, ничтожна.

В замкнутой системе энтропия возрастает, но открытая система может сохранять свою энтропию низкой (то есть неравномерно распределять энергию среди атомов), значительно увеличивая энтропию вокруг себя. В монографии 1944 года «Что такое жизнь?» выдающийся физик Эрвин Шредингер утверждал, что именно этим и занимаются живые организмы. Например, растение поглощает высокоэнергетический солнечный свет, использует его для образования сахаров, и испускает гораздо менее концентрированный вид энергии - инфракрасное излучение. Фотосинтез увеличивает общую энтропию Вселенной, так как изначально низкоэнтропийная энергия солнечного света в результате диссипирует, хоть сами растения при этом и спасаются от распада, поддерживая упорядоченную (то есть низкоэнтропийную) внутреннюю структуру. Абсолютно любая форма жизни собирает низкоэнтропийную энергию и выдает наружу высокоэнтропийную.

«Cредство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (достаточно низкому уровню энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды. Это заключение менее парадоксально, чем оно кажется на первый взгляд. Скорее его можно упрекнуть в тривиальности. В самом деле, в случае высших животных мы достаточно хорошо знаем тот вид упорядоченности, которым они питаются, а именно - крайне хорошо упорядоченное состояние материи в более или менее сложных органических соединениях, служащих им пищевыми веществами. После использования животные возвращают эти вещества в очень деградировавшей форме, однако не вполне деградировавшей, так как их еще могут употреблять растения. (для растений собственным мощным источником „отрицательной энтропии“ служит, конечно, солнечный свет)», - писал Шредингер.

Жизнь не нарушает второй закон термодинамики, но до недавнего времени физики не могли внятно объяснить с помощью термодинамических уравнений, почему она вообще могла возникнуть. Во времена Шредингера термодинамика описывала только замкнутые системы, находящиеся в равновесии. В 1960-х бельгийских физик Илья Пригожин достиг успехов в предсказании поведения открытых систем со слабым влиянием внешних энергетических источников (за что и получил Нобелевскую премию по химии в 1977 году). Но он не умел прогнозировать поведение систем, которые чрезвычайно далеки от равновесия, связаны с внешней средой и подвержены сильному влиянию внешних энергетических источников.

Изображение
Самореплицирующиеся микросферы: частицы, спонтанно формирующие политетраэдр, провоцируют формирование идентичной фигуры другими частицами.
© Изображение: Michael Brenner / Proceedings of the National Academy of Sciences.


Ситуация изменилась в конце 1990-х благодаря работам Криса Жарзински (Chris Jarzynski) из Университета Мэриленда и Гэвина Крукса (Gavin Crooks) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Они показали, что термодинамическая энтропия - например, остывание чашки кофе - описывается простым соотношением: вероятности этого процесса к вероятности обратного (то есть такого спонтанного взаимодействия атомов, в результате которого кофе вдруг нагреется). С возрастанием энтропии возрастает и пропорция: поведение системы становится все более и более «необратимым». Эта формула применима к любому термодинамическому процессу, вне зависимости от его скорости и удаленности от термодинамического равновесия. Как говорит Гросберг, с этим открытием «понимание далекой от равновесия статистической механики значительно улучшилось».

Два года назад Ингланд применил формулы статистической физики к биологии. Используя расчеты Жарзински и Крукса, он вывел обобщение второго закона термодинамики для систем, испытывающих сильное влияние внешних источников энергии (например, электромагнитных волн) и высвобождающих тепло в окружающую среду. Потом молодой ученый определил, каким образом эти системы эволюционируют, покуда их «необратимость» возрастает. Он заключил, что наиболее вероятен такой исход эволюции материи, при котором физической системой «абсорбируется и диссипируются больше энергии из внешних „двигателей“ окружающей среды».

Таким образом, элементы физической системы склонны рассеивать все больше энергии, если они зависят от внешнего «двигателя» (источника энергии), который фактически направляет их движение от одной конфигурации к другой - и элементы предпочитают это направление любому другому во всякий момент времени. Соединения атомов, окруженные средой определенной температуры - например, первичным бульоном - со временем должны расположиться так, чтобы как можно лучше откликаться на источники механической, электромагнитной или химической активности в своей среде.

Саморепликация - процесс, запустивший эволюцию жизни на Земле - является как раз таким механизмом, благодаря которому диссипация энергии системы увеличивается. Как сказал Ингланд, «прекрасный способ разбазаривать больше энергии - делать больше копий самого себя». В своей публикации в «Journal of Chemical Physics» он вывел теоретический минимум диссипации при саморепликации молекул РНК и показал, что эта величина очень близка к реальному количеству энергии, высвобождающейся в ходе репликации РНК. Более того, по его словам, рибонуклеиновая кислота, которая согласно популярной гипотезе была предшественником ДНК-жизни (гипотеза мира РНК), является особенно дешевым строительным материалом - как только РНК возникла, ее дальнейшее участие в биологической эволюции было практически предрешено.

Конечно, химический состав первичного бульона, случайные мутации, география, природные катастрофы и бесчисленное множество других факторов внесли свой вклад в разнообразие земной флоры и фауны. Но основная причина абиогенеза по Ингланду - это адаптация неорганической материи к диссипации.

«Очень заманчиво спекулировать о том, какие явления в природе можно подогнать под этот принцип диссипативной адаптивной организации. Под нашим носом может быть уйма примеров, но мы не их замечали, потому что не искали», - цитирует Quanta Magazine ученого.

Науке уже известна саморепликация неживых систем. Согласно одному из исследований, вихри в турбулентных потоках (водоворотах) спонтанно реплицируют сами себя, черпая энергию из окружающей жидкости. Предположение Ингланда также подтверждает недавняя публикация в «Proceedings of the National Academy of Sciences» гарвардского профессора прикладной математики и физики Майкла Бреннера, моделирующего самореплицирующиеся микроструктуры - маленькие сферы спонтанно организуются в политетраэдры и запускают идентичную реорганизацию сфер поблизости. Хоть это исследование и довольно абстрактно, по словам самого Бреннера оно «крайне близко» к теме работы Ингланда. Математик уже пытается опробовать его эволюционную теорию на своих микросферах, чтобы проверить, правильно ли она предсказывает, какие репликационные процессы с ними произойдут.

Помимо саморепликации, еще одним средством, с помощью которого системы наращивают способность рассеивать энергию, является возрастающая сложность структурной организации. Растение гораздо лучше захватывает и распределяет солнечную энергию, чем кучка неструктурированных атомов углерода. Таким образом, при определенных обстоятельствах материя будет спонтанно самоорганизовываться. Эта тенденция объясняет внутреннюю упорядоченность не только живых организмов, но и многих явлений неживой природы: снежинки, песчаные дюны и турбулентные вихри - это чрезвычайно упорядоченные структуры, возникшие в системах с множеством частиц, управляемых каким-нибудь повышающим диссипацию процессом (в перечисленных случаях - конденсацией, ветром и вязкостным сопротивлением соответственно). Как выразился биофизик Корнелльского университета Карл Франк, открытия Ингланда «заставляют думать, что различие между живой и неживой материей не такое уж и большое».

В настоящий момент Ингланд работает над компьютерным моделированием систем, адаптирующих свою структуру для большей диссипации энергии. Следующим шагом запланированы эксперименты на живых организмах. Заведующая лабораторией экспериментальной биофизики в Гарварде Мара Прентисс говорит, что его идея - проверить, сравнив клетки с различными мутациями и найдя корреляцию между количеством энергии, которую клетки рассеивают, и их скоростью репликации. Если в ходе множества экспериментов на разных живых клетках удастся найти корреляцию между диссипацией и репликацией, значит, Ингланд обнаружил верный принцип организации материи.

Всеобъемлющее правило эволюции материи и возникновения жизни даст более широкий взгляд на появление определенных характеристик живых организмов, которые не в состоянии объяснить естественный отбор, говорит оксфордский биофизик Ард Луис. Эти характеристики включают, в частности, наследственные изменения в экспрессии генов под названием метилирования ДНК и нейтральные мутации, парадоксальным образом рождающие сложные признаки без помощи естественного отбора. Подход Ингланда может освободить биологов от поиска дарвиновского объяснения абсолютно всем случаям адаптации и позволит мыслить в более общих терминах управляемой диссипацией организации. Луис приводит следующий пример: «организм обладает скорее признаком X, чем Y, не потому что X подходит больше, чем Y, а потому что физические ограничения делают проще эволюцию X, чем Y».

Из прозрений сотрудника Массачусетского технологического института еще не до конца ясно, какие именно «определенные условия» должны способствовать саморепликации неорганической материи, ее превращению в органику и, в конце концов, появлению жизни. Очевидно, в истории Земли эти специфичные условия воплотились лишь однажды, дав жизнь Последнему всеобщему предку. Такая избирательность делает «универсальный закон эволюции материи» Ингланда не столь уж и универсальным.

В 1953 году загадку условий, в которых возможно возникновение жизни, попытался разрешить американский химик Стэнли Миллер. Он проделал эксперимент, в ходе которого электрические разряды, имитировавшие молнии, и простая смесь газов, из которых предположительно состояла атмосфера молодой Земли, запускали процесс химической эволюции. Через неделю после начала эксперимента в колбе синтезировались простые органические молекулы аминокислот. Однако сколько бы этот эксперимент ни повторяли с разными параметрами, в том числе воссоздавая «маленький теплый пруд», о котором писал Дарвин («если представить себе, что в каком-нибудь маленьком теплом пруду со всеми видами аммония, солей фосфора, светом, теплом, электричеством и так далее образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения...»), ученым не удавалось получить ничего даже отдаленного напоминающего РНК. Таким образом, слова Ингланда о том, что если «достаточно долго светить на случайное скопление атомов, в результате появится растение», следует считать шуткой.

© Станислав Наранович, Русская планета, 26 января 2014, 11:50
Holy Scripture
Администратор
 
Сообщения: 974
Зарегистрирован: 27 мар 2011, 20:51


Вернуться в Научные свидетельства

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 0

Яндекс.Метрика