[Перевод] Спросите Итана №21: Почему существует жизнь?
В двух словах я могу сформулировать всё, что я узнал о жизни: она продолжается.
— Роберт Фрост
Читатель спрашивает:
Хотелось бы узнать ваше мнение по вопросу применения второго закона термодинамики к истокам жизни.
И вот, о чём он говорит.
Давно известно, что в начале Вселенной не было ничего, похожего на жизнь. Не то, что сложных многоклеточных форм жизни вроде млекопитающих или насекомых — сразу после Большого Взрыва не было даже атомов! Но из этого очень горячего и плотного супа доисторической материи и излучения постепенно вышло всё. И некоторые из этих шагов известны нам полностью.
Ранние кварки и глюоны, часть доисторической плазмы во Вселенной, оказались накрепко связаны друг с другом, когда Вселенная расширялась и охлаждалась. Так появились протоны и нейтроны, с которыми мы знакомы гораздо лучше.
И для этого были причины — энергетически более предпочтительно иметь кварки и глюоны связанными в виде протонов и нейтронов, чем оставлять их в любом другом виде. В обстановке изобилия энергии ничто не заставляет вас переходить в более стабильное состояние —, но по мере охлаждения Вселенной всё начинает катиться под горку, и этот процесс продолжается.
И когда Вселенная охлаждается достаточно для того, чтобы фотоны не разбивали более сложные соединения протонов и нейтронов, эти соединения начинают формировать более тяжёлые и стабильные ядра атомов. Если бы у них было ещё больше энергии, они бы сформировали ещё более тяжёлые стабильные элементы.
В тот момент гелий-4 представлял собою практическое ограничение, но по мере расширения и охлаждения Вселенной появился другой способ, которым частицы могли связываться друг с другом — ядра атомов и электронов могли составлять первые нейтральные атомы.
Конечно, это могло случиться, только когда Вселенная достаточно остынет; если у вас слишком много энергии, нейтральный атом снова разобьют на части, на ионы и электроны. Но если окружающие излучение/температура/энергия частиц становятся меньше, чем энергия, связывающая электроны с ядром, вы получите нейтральные атомы.
Вы, наверное, уже заметили принцип: некоторые процессы происходят спонтанно, но когда энергия окружения опускается ниже определенного уровня, всё начинает приходить к конфигурации с меньшим энергетическим состоянием, и некоторым процессам требуется энергия активации, чтобы перебраться через этот уровень. В результате, всё приходит в более стабильное состояние. Давайте пойдем ещё дальше.
После того, как гравитация связывает Вселенную в небольшие кусочки (опять мы видим пример спонтанного связывания), самые плотные части собирают достаточно материи при достаточно высокой температуре и плотности, чтобы запустить ядерный синтез, который будет производить всё более тяжёлые элементы. Еще один пример потребности в энергии активации —, но в конце мы получаем продукты ещё более сильно связанные, чем реагенты, с которых мы начинали.
После того, как самые тяжёлые звёзды превращаются в сверхновые, межзвездная материя становится обогащена всеми атомами периодической таблицы, и они связываются вместе разными способами и создают молекулы — сначала простые, но, в конце концов, и довольно сложные.
Что нужно помнить, так это то, что на каждом шаге мы приходим ко всё более энергетически выгодной конфигурации, и всегда есть два пути — либо мы спонтанно катимся вниз по энергетическому холму, или мы закатываемся наверх, чтобы спуститься в более низкую долину.
Во всех случаях энергетические реакции выглядят как одна из этих кривых.
А что насчёт большого события? Можно перейти от субатомных частиц к частицам, составляющим атомы, от протонов, нейтронов и электронов к атомам, от атомов к элементам таблицы Менделеева, от элементов к разнообразным молекулам, но в какой-то момент нужно совершить прыжок. Вы знаете, какой — от безжизненного к жизни.
Принято считать, что либо жизнь давно зародилась на Земле, либо в космосе ещё раньше, чем у нас. А после этого дарвиновская эволюция, — мутации, ограниченные ресурсы и естественный отбор,- доведут нас от простейших самовоспроизводящихся организмов до полного разнообразия жизни, наблюдаемого в настоящее время на планете.
Но механизмы этого процесса это объяснение не определяет.
В общем-то, довольно сложно провести черту между жизнью и безжизненным. Для моих ровесников будет удивительным узнать, как близко подошла к этому определению песенка из шоу «Улица Сезам»: «дышишь, ешь и растёшь — так ты знаешь, что живёшь».
Жизнь от безжизненного отделяет не одна характеристика, а их набор. Множество неживых вещей имеет некоторые свойства живых. То же самовоспроизводство, например.
Кристаллы, очевидно, не живые, однако кристаллические структуры воспроизводят сами себя. Так же, как и самореплицирующиеся микросферы на молекулярном уровне.
А что ещё более удивительно — и завихрения, простейший пример течения жидкости или газа.
Эти вещи не живые — в том смысле, в каком мы думаем про вирусы и бактерии. Но Джереми Ингланд, физик из MIT, считает, что те же физические принципы, могут отвечать и за появление жизни.
(Здесь вы найдёте полную версию работы, которая очень хорошо читается, а тут — слайды к ней).
Все рассуждения основаны на энергетических предпочтениях — на том, что физики называют термодинамикой. Идея в том, что если вы возьмёте пучок чего угодно, — атомов, молекул, и т.п.,- и будете передавать им энергию небольшими и переменными порциями, они самоорганизуются в более связанные состояния. По тому же принципу лёгкое и неравномерное встряхивание кувшина с орехами приведёт к тому, что крупные орехи поднимутся наверх, а мелкие опустятся вниз — это будет более энергетически стабильная конфигурация.
С точки зрения физики Ингланд прав. И, тем не менее, скорее всего, это не вся история возникновения жизни. Есть два примера, показывающие, что эволюция не всегда (или даже не очень часто) находит самый энергетически выгодный вариант решения задачи.
Эволюция не привела к появлению колёс, хотя это было бы энергетически более эффективно для ряда задач.
И все растения во все времена основывали добычу энергии Солнца на двух молекулах: хлорофилл a и хлорофилл b. Это не единственные молекулы, умеющие хранить солнечную энергию или производить фотосинтез. Некоторые бактерии используют для этого другие молекулы. Более того, спектр солнца наиболее высок в жёлтом/зелёном диапазоне, в то время, как эти молекулы поглощают голубой и красный, но отражают жёлтый/зелёный.
Но только потому, что это явление не управляет всем на свете, не означает, что он не является причиной возникновения жизни. Может, и является. Но в настоящий момент это больше похоже на фантазии. Как сказал гарвардский профессор Евгений Шахнович: «Идеи Джереми интересные и многообещающие, но в данный момент чрезвычайно умозрительные, особенно в применении к феномену жизни».
У термодинамики есть много применений в биологии и биологических процессах, но появилась ли жизнь согласно законам энтропии и термодинамическим процессам?
Это возможно, но согласие по этому поводу ещё не достигнуто, и не будет достигнуто ещё очень долго. Эту гипотезу очень сложно проверить, и мы не будем уверены в получении подтверждения, пока у нас в руках не появится священный грааль абиогенеза: пока мы сами не сотворим жизнь из безжизненного. Мы всё ещё не знаем, почему и как появилась жизнь, но возможно и разумно предполагать, что термодинамические процессы смогут ответить на этот вопрос. Также очень здорово, что и люди давно занимаются исследованием этих вопросов, и что эти исследования ведут нас по таким разным и неожиданным путям, некоторые из которых могут привести нас к ответу на вопросы о происхождении и эволюции жизни на Земле.
