از بیگ‌بنگ تا زندگی: معمای منشأ حیات

بررسی نظریۀ منشأ زندگی از دیدگاه ترمودینامیک آماری

معمای منشأ حیات و تنظیم دقیق قوانین فیزیک به‌طوری‌که اجازۀ حیات و پیچیدگی در طی تکامل را بدهد، قرن‌ها دانشمندان را به چالش کشیده است. در تکاپوی حل این چالش، یک نظریه پیشگامانۀ فیزیک در مورد زندگی، ارائه‌شده توسط استادیار 42 سالۀ دانشگاه MIT، Jeremy England را بررسی می‌کنیم. او نظریۀ جدیدی را ارائه می‌کند که نشان می‌دهد زندگی و سازمان بیولوژیکی، نتایج اجتناب‌ناپذیر قوانین فیزیکی طبیعت هستند. نظریۀ انگلند با بررسی نقش ترمودینامیک و اتلاف انرژی در پیدایش و نگهداری سیستم‌های زنده، دیدگاه جدیدی را در مورد منشأ و ماهیت حیات ارائه می‌کند. ما مفاهیم کلیدی این نظریه را مورد بحث قرار خواهیم داد و آنرا با چارچوب تکاملی سنتی داروینی مقایسه خواهیم کرد و پتانسیل آن را برای متحول‌کردن درک ما از زندگی‌ای که می‌شناسیم، برجسته خواهیم کرد.

پیچیدگی از پوچی ...

شانس وجود زندگی به اندازۀ شانس روییدن قارچ از خاک به‌واسطۀ برخورد صاعقه، تصادفی به نظر می‌آید. اما اگر تئوری جدید جرمی انگلند درست باشد، شانس به میزان کمی در وجود زندگی دخیل بوده است. در عوض، طبق تئوری او منشأ زندگی و تکامل‌های پس از آن از قوانین طبیعت پیروی می‌کنند و «باید به اندازۀ پایین غلتیدن سنگ‌ها از تپه طبیعی باشند». ادوارد جی. لارسون، برنده جایزۀ پولیتزر، گفت که اگر انگلند بتواند فرضیۀ خود راجع‌ به منشأ حیات را درست نشان دهد، می‌تواند داروین بعدی باشد.

نظریۀ انگلند برخلاف تصور، بیشتر زمینۀ نظریۀ تکامل داروین است تا جایگزین آن. این تئوری،توصیف قدرتمندی از زندگی در سطح ژن‌ها و جمعیت‌ها را ارائه می‌دهد. او توضیح می‌دهد: «مطمئناً نمی‌گویم که ایده‌های داروینی اشتباه هستند. برعکس، من فقط می‌گویم که از منظر فیزیک، شما می‌توانید تکامل داروینی را مورد خاصی از یک پدیدۀ کلی‌تر بنامید». ایدۀ او در میان همکارانش، چه کار او را ضعیف و چه یک پیشرفت بالقوه می‌دانستند، جنجال به پا کرده است.

از دیدگاه فیزیکی یک تفاوت اساسی بین موجودات زنده و توده‌های بی‌جان کربن وجود دارد و آن این است که اولی سعی دارد در جذب انرژی و تلف‌کردن آن به‌صورت گرما بسیار بهتر باشد. وی در سال 2013 فرمولی را بیان می‌کند که به باور خود این ظرفیت را توجیه می‌کند. این فرمول بیان می‌دارد که براساس فیزیک، اگر گروهی از اتم‌ها تحت منبع یک انرژی خارجی‌ مانند خورشید یا سوخت شیمیایی و یا در محاصرۀ یک منبع گرمایی‌ مانند اقیانوس یا اتمسفر قرار گیرند، اغلب به تدریج خود را بازسازی می‌کند تا انرژی بیشتری را هدر دهند. این به این معناست که تحت شرایط خاصی، ماده به‌طور اجتناب‌ناپذیری ویژگی فیزیکی کلیدی مرتبط با زندگی را به‌دست می‌آورد. به بیانی دیگر وی می‌گوید: «شما با یک دستۀ تصادفی از اتم‌ها شروع می‌کنید و اگر به مدت کافی به آن نور بتابانید، نباید آنقدر تعجب‌آور باشد که گیاهی به‌دست آورید».

سازگاری اتلاف‌پذیر

در هستۀ نظریۀ جرمی انگلند، مفهوم سازگاری اتلافی وجود دارد که فرض می‌کند که ماده در سیستم‌های زنده خود سازماندهی می‌شود تا انرژی را به صورت گرما به‌طور مؤثرتر دفع کند. این ایده مبتنی بر قانون دوم ترمودینامیک و قانون افزایش آنتروپی یا «پیکان زمان» است. این قانون بیان می‌کند که آنتروپی یک سیستم ایزوله در طول زمان افزایش می‌یابد، یعنی انرژی با گذشت زمان تمایل دارد پراکنده یا پخش شود و در نهایت سیستم به حالت حداکثر آنتروپی به نام «تعادل ترمودینامیکی» می‌رسد که در آن انرژی به‌طور یکنواخت توزیع می‌شود. اروین شرودینگر، فیزیکدان برجستۀ کوانتومی در سال 1944 در مونولوگی به نام «زندگی چیست؟» استدلال کرد که این همان کاری است که موجودات زنده باید انجام دهند. انگلند نیز در نظریۀ خود پیشنهاد می‌کند که زندگی را می‌توان به‌عنوان وسیله‌ای در نظر گرفت که از طریق آن اتلاف انرژی به شیوه‌ای منظم‌تر و کارآمدتر اتفاق می‌افتد. برای مثال، یک گیاه، نور خورشید که بسیار پرانرژی است را جذب می‌کند،از آن برای ساختن قند استفاده می‌کند و نور مادون قرمز را که حالت بسیار کمتری از انرژی است،خارج می‌کند. آنتروپی کلی کیهان در طول فتوسنتز افزایش می‌یابد، زیرا نور خورشید از بین می‌رود، حتی زمانی که گیاه با حفظ یک ساختار داخلی منظم از پوسیدگی خود جلوگیری می‌کند.

زندگی قانون دوم ترمودینامیک را نقض نمی‌کند، اما تا همین اواخر، فیزیکدانان نمی‌توانستند از ترمودینامیک برای توضیح اینکه چرا زندگی باید در وهلۀ اول به وجود بیاید، استفاده کنند. در زمان شرودینگر، آنها می‌توانستند معادلات ترمودینامیک را فقط برای سیستم‌های بستۀ در حالت تعادل حل کنند. در دهۀ 1960، فیزیکدان بلژیکی، ایلیا پریگوژین (Ilya Romanovich Prigogine)، در پیش‌بینی رفتار سیستم‌های باز که به‌طور ضعیفی توسط منابع انرژی خارجی هدایت می‌شوند، پیشرفت کرد که به‌خاطر آن جایزۀ نوبل شیمی را در سال 1977 دریافت کرد. رفتار سیستم‌های که از تعادل به دور و به محیط بیرون متصل هستند و به‌شدت توسط منابع خارجی انرژی هدایت می‌شوند، قابل پیش‌بینی نبود.

این وضعیت در اواخر دهۀ 1990 عمدتاً به‌دلیل کار کریس یارزینسکی که اکنون در دانشگاه مریلندو گاوین کروکس که اکنون در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی است، تغییر کرد. یارزینسکی و کروکسنشان دادند که آنتروپی تولیدشده توسط یک فرآیند ترمودینامیکی، مانند خنک‌شدن یک فنجان قهوه،با نسبت سادۀ احتمال اینکه اتم‌ها تحت آن فرآیند قرار گیرند، به احتمال انجام فرآیند معکوس مرتبط است. یعنی با افزایش تولید آنتروپی، این نسبت نیز افزایش می‌یابد و رفتار یک سیستم بیشتر و بیشتر غیر قابل برگشت می‌شود. این فرمول ساده و در عین حال دقیق را می‌توان برای هر فرآیندترمودینامیکی، صرف نظر از اینکه چقدر سریع یا دور از تعادل است، به کار برد.

جرمی انگلند که در هر دو رشتۀ بیوشیمی و فیزیک آموزش دیده است، در سال 2012 آزمایشگاه خود را درMIT راه‌اندازی کرد و تصمیم گرفت دانش جدید فیزیک آماری را در زیست‌شناسی به کارگیرد. وی با استفاده از فرمول یارزینسکی و کروکس، تعمیم قانون دوم ترمودینامیک را به‌دست آورد که برای سیستم‌های ذرات با ویژگی‌های خاص صادق است. این سیستم‌ها به‌شدت توسط یک منبع انرژی خارجی مانند موج الکترومغناطیسی هدایت می‌شوند و می‌توانند گرما را به یک منبع انرژی تخلیه کنند و این دسته از سیستم‌ها شامل تمامی موجودات زنده است.

جرمی انگلند برای حمایت از ادعای خود، یک چارچوب ریاضی ایجاد کرد که نشان می‌دهد چگونه ذراتی که توسط یک منبع انرژی خارجی هدایت می‌شوند، می‌توانند خود را به ساختارهایی تبدیل کنند که در اتلاف انرژی بهتر هستند. این ساختارها، که می‌توانند به‌عنوان پیش‌درآمد اولیۀ سیستم‌های زنده در نظر گرفته شوند، به دلیل تمایل طبیعی سیستم‌ها برای به حداقل رساندن انرژی آزاد و افزایش آنتروپی خود مورد توجه هستند. به این ترتیب، نظریۀ جرمی انگلند دیدگاه جدیدی را در مورد منشأ حیات ارائه می‌دهد و پیشنهاد می‌کند که به‌عنوان یک نتیجۀ طبیعی از اصول ترمودینامیکی ظاهر ‌شود. سپس انگلند تعیین کرد که چگونه چنین سیستم‌هایی با افزایش بازگشت‌ناپذیر خود در طول زمان به تکامل می‌رسند. او گفت: «ما خیلی ساده از روی فرمول می‌توانیم نشان دهیم که آن دسته از نتایج تکاملی محتمل‌ترند که انرژی بیشتری را از محرک‌های بیرونی محیط در مسیر رسیدن به آن جذب و هدر می‌دهند».

بازتولید یا به عبارت بیولوژیکی، تولید مثل، فرآیندی است که تکامل حیات روی زمین را هدایت می‌کند و یکی از مکانیزم‌هایی است که توسط آن یک سیستم ممکن است مقدار فزاینده‌ای انرژی را در طول زمان هدر دهد. همان‌طور که انگلند می‌گوید: «یک راه عالی برای ازبین‌بردن بیشتر این است که کپی‌های بیشتری از روی خودتان بسازید»! در مقاله‌ای در سپتامبر 2013 در مجلۀ فیزیک شیمی، او حداقل میزان تئوری اتلاف را که می‌تواند در طی خودتکثیری مولکول‌های RNA وسلول‌های باکتریایی رخ دهد را گزارش کرد و نشان داد که بسیار نزدیک به مقادیر واقعی آن هنگام تکثیر است.

نظریۀ انگلند فرض می‌کند که مخلوط‌های شیمیایی ساده و به دور از تعادل، تحت خودسازماندهی قرار می‌گیرند و در نهایت پیش‌سازهای مولکول‌های بیولوژیکی مانند RNA و پروتئین‌ها را تولید می‌کنند. این الگوها و سازمان‌های اولیۀ بیوشیمیایی سپس زمینه را برای انتخاب طبیعی و تکامل داروینی فراهم کردند. این اصل در مورد مواد بی‌جان نیز صدق می‌کند. جرمی انگلند گفت: «بسیار هیجان‌انگیز است که چه پدیده‌هایی در طبیعت را اکنون می‌توانیم تحت این چادر بزرگ سازمان سازگاری اتلاف‌پذیری قرار دهیم. بسیاری از نمونه‌ها می‌توانند درست جلوی چشمانمان باشند، اما چون ما به دنبال آنها نبوده‌ایم، متوجه آنها نشده‌ایم».

وجه تمایز با نظریۀ داروین

تفاوت‌های اصلی نظریۀ انگلند با داروینیسم سنتی به شرح زیر است:

1. نظریۀ انگلند به‌جای مکانیزم تکامل، بر سرچشمه‌های سازماندهی و پیچیدگی زیستی تمرکز دارد. در مقابل نظریۀ داروین توضیح می‌دهد که چگونه تکامل پس از وجود حیات، از طریق انتخاب طبیعی و عبور از صفات وراثتی رخ می‌دهد. در واقع نظریۀ انگلند تلاش می‌کند توضیح دهد که چگونه حیات و سازمان بیولوژیکی برای اولین بار از مادۀ غیر زنده پدید می‌آیند.

2. نظریۀ انگلند منشأ حیات را به قوانین فیزیکی نسبت می‌دهد، نه شانس و تصادف. اما داروین تنوع حیات را به جهش‌های ژنتیکی تصادفی نسبت داد که در طول زمان در صورت ایجاد مزیت انتخاب می‌شوند. جرمی انگلند استدلال می‌کند که قوانین فیزیکی ذاتاً از ظهور ساختارها و سازمان‌های پیچیده‌ای حمایت می‌کنند که می‌توانند انرژی را هدر دهند و آنتروپی ایجاد کنند.

3. نظریۀ انگلند نیازی به انتخاب طبیعی ندارد. نظریۀ داروین با عنوان‌کردن انتخاب طبیعی،مبتنی بر این ایده است که ارگانیسم‌هایی با ویژگی‌هایی که به بقا و تولید مثل کمک می‌کنند در طول زمان انتخاب می‌شوند و این ویژگی‌ها را منتقل می‌کنند. تئوری انگلند استدلال می‌کند که ساختارهای پیچیده به‌طور خود به ‌خود از قوانین فیزیکی اولیه پدید می‌آیند، بدون آنکه نیازی به مکانیزم انتخابی خارجی داشته باشند.

4. نظریۀ انگلند پیشنهاد می‌کند که پیچیدگی حیات و سازمان بیولوژیکی اجتناب‌ناپذیر هستند. طبق نظر انگلند، قوانین طبیعت تمایل ذاتی دارند که نظم را از بی‌نظمی تحت شرایط نامتعادل ایجاد کنند. این امر پیدایش پیچیدگی و تکامل را به یک محصول جانبی اجتناب‌ناپذیر تبدیل می‌کند.

به‌طور خلاصه، درحالی که داروینیسم چگونگی تکامل حیات را توضیح می‌دهد، نظریۀ جرمیانگلند تلاش می‌کند تا توضیح دهد که چرا و چگونه زندگی ابتدا بر اساس قوانین اساسی فیزیک پدیدار می‌شود. بیشتر تئوری‌ها بر مسیرهای شیمیایی یا بیوشیمیایی متمرکز هستند که می‌توانستند به اولین مولکول‌های خودتکثیرشونده منجر شوند. نظریۀ انگلند استدلال می‌کند که قوانین فیزیکی خود ذاتاً به ظهور پیچیدگی و سازمان بیولوژیکی کمک می‌کنند.

چرا این نظریه مهم است؟

نظریۀ سازگاری اتلاف‌پذیر جرمی انگلند دیدگاهی پیشگامانه در مورد ماهیت و منشأ حیات ارائه می‌دهد که ریشه در اصول ترمودینامیک و فیزیک آماری دارد. انگلند استدلال می‌کند که ساختارهای پیچیده و ارگانیسم‌های بیولوژیکی ذاتاً هدفشان اتلاف مؤثر انرژی مفید و ایجاد آنتروپی است. ایننظریه با پیشنهاد اینکه حیات به‌عنوان یک نتیجه از تمایل طبیعی سیستم‌ها به اتلاف انرژی به‌طور کارآمدتر به وجود می‌آید، چارچوب‌های تکاملی سنتی داروینی را به چالش می‌کشد و راه‌های جدیدی را برای تحقیق و کاوش در علوم زیستی باز می‌کند. درحالی‌که نظریۀ انگلند بینش‌های جدید جالبی ارائه می‌دهد و در مجامع علمی، عموماً معتبر تلقی می‌شود، کار زیادی برای تأیید این ایده از طریق آزمایش و مدل‌سازی باقی مانده است. با این حال، اگر صحت آن ثابت شود، می‌تواند اساساً درک ما از فیزیک، شیمی و زیست‌شناسی را تغییر دهد.

مارا پرنتیس (Mara Prentiss) پروفسور فیزیک در هاروارد که پس از اطلاع از کارهای انگلند درحال فکرکردن به چنین آزمایشی است، می‌گوید: «او در حال امتحان‌کردن چیزی کاملا متفاوت استو من با عینک سازماندهی فکر می‌کنم که او ایدۀ شگفت‌انگیزی دارد که درست یا غلط، ارزش بررسی دارد».

اگر رویکرد انگلند در برابر آزمایش‌های بیشتر صادق باشد، می‌تواند زیست‌شناسان را از جستجوی توضیح داروینی برای هر انطباق بیشتر رهایی بخشد و به آنها اجازه دهد که به‌طور کلی فکر کنند. اصولی که در نظریۀ انگلند مشخص شده است، می‌تواند در جستجوی حیات فرازمینی نیز به کار گرفته ‌شود و بینش جدیدی در مورد اشکال و ویژگی‌های احتمالی حیات در فراسوی زمین ارائه دهد. پرنتیس، که یک آزمایشگاه بیوفیزیک تجربی در هاروارد را اداره می‌کند، گفت: «مردم اغلب در فکرکردن به مشکلات منحصر به فرد ناتوانند. ایده‌های انگلند چه دقیقاً درست باشد یا خیر، بسیاری از پیشرفت‌های علمی جایی اتفاق می‌افتد که تفکر گسترده‌تر انجام می‌شود».

کیارش حقانی-ورودی ۱۴۰۱ مکانیک