Originea vieţii continua sa fie unul dintre cele mai mari mistere ale lumii. In pofida evolutiei sale, stiinta nu a gasit inca raspuns la intrebarea daca viaţa pe Terra este un accident bizar sau este o necesitate rezultată din modul în care funcţionează legile fizicii. În 2013, Jeremy Englandel a formulat ipoteza că legile fizicii pot determina în mod spontan o anumită organizare a substanţelor chimice care ar dobândi calităţile necesare vieţii.

Concluzia lui England inseamna viaţa derivă direct din acţiunea legilor fundamentale ale naturii, o poziţie seducătoare pentru oamenii de ştiinţă - dar oare poate fi exclusă întâmplarea sau alţi factori imposibil de cuantificat de ştiinţă din această ecuaţie?

Ceea ce este cert este că viaţa, ca şi Universul, trebuie să aibă o origine. Viaţa nu a existat dintotdeauna ci a apărut din reacţia unor substanţe chimice brute, inanimate, care s-au organizat cumva formând compuşi prebiotici din care s-au format acizii nucleici (ARN şi ADN), care apoi au găsit o modalitate de a se replica în nişte organisme simple, microbiene, din care, de-a lungul unor perioade mari de timp, au evoluat şi s-au diversificat toate formele de viaţă cunoscute.

"Abiogeneza" este termenul folosit pentru a descrie transformarea a ceva nonbilogic în ceva biologic, iar England crede că un anumit capitol al fizicii, termodinamica, oferă cadrul necesar acestei transformări, scrie agerpres.

Sisteme fizice capabile de auto-organizare

Când este introdusă energie într-un sistem, legile fizicii dictează modul în care această energie este disipată. Dacă, spre exemplu, o sursă de căldură externă este aplicată unui sistem, în timp, sistemul respectiv va emite căldură până va ajunge la un echilibru termic cu mediul său înconjurător - la fel ca o ceaşcă de cafea care se răceşte uitată pe birou. Entropia, sau nivelul de dezordine din sistem, va creşte pe măsură ce căldura se disipează. Anumite sisteme fizice însă ar putea fi suficient de dezechilibrate pentru a se "auto-organiza" în aşa fel încât să profite la maximum de o sursă externă de energie, declanşând o serie de interesante reacţii chimice de autosusţinere care împiedică sistemul să ajungă la echilibru termodinamic şi perpetuând astfel o stare în afara acestui echilibru - ca şi cum în ceaşca de cafea uitată pe birou s-ar produce în mod spontan o reacţie chimică care o menţine fierbinte, împiedicând răcirea sa şi revenirea la starea de echilibru cu mediul înconjurător. Jeremy England numeşte această situaţie "adaptare determinată de disipare" iar acest mecanism poate introduce variabile cu calităţi asemănătoare vieţii într-un sistem fizic inanimat.

Un comportament cheie asemănător vieţii este cel de autoreplicare, sau, dintr-o perspectivă biologică, de reproducere. Acesta este fundamentul vieţii. Începe la un nivel simplu şi se reproduce, devenind mai complex şi apoi se reproduce din nou. Întâmplător (sau nu) procesul de autoreplicare este şi o modalitate foarte eficientă de a disipa căldură şi de a creşte nivelul de entropie într-un sistem fizic.

Într-un studiu publicat în prestigioasa revistă Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), England şi colegul său, Jordan Horowitz, au testat aceste ipoteze. Ei au monitorizat o serie de simulări computerizate asupra unui sistem fizic închis (un sistem care nu face schimb de energie cu mediul înconjurător) constând într-o "supă" conţinând 25 de substanţe chimice. Alcătuirea acestui sistem era extrem de simplă şi similară "cocktail-ului chimic" din care este posibil să fi apărut viaţa pe Pământ. Dacă, spre exemplu, aceste substanţe chimice sunt concentrate şi încălzite de o sursă externă - un izvor hidrotermal - "supa chimică" va trebui să disipeze căldura primită, în conformitate cu cea de-a doua lege a termodinamicii. Căldura trebuie disipată iar entropia sistemului va creşte în mod inevitabil.

În anumite condiţii iniţiale, cei doi cercetători au observat că aceste substanţe chimice pot optimiza aportul de energie primit de sistem prin auto-organizare şi prin producerea unor reacţii chimice de autoreplicare. În mod natural, aceste substanţe chimice inanimate încep să se comporte ca părţi ale unui "organism". Reacţiile de autoreplicare generează căldură care respectă cea de-a doua lege a termodinamicii (principiu care susţine că, în timp, gradul de entropie al unui sistem izolat creşte) şi se disipează.

Acesta este un model foarte simplu pentru reacţiile care se produc în lumea vie: energia chimică este consumată în celule vii care sunt, prin natura lor, în stare de dezechilibru (faţă de mediul înconjurător) şi generează astfel procesele metabolice necesare menţinerii acestui dezechilibru - care este viaţa - până la momentul de revenire a sistemului la starea de echilibru cu mediul, care este moartea.

Însă, după cum recunoaşte şi Jeremy England, există o diferenţă substanţială între identificarea calităţilor asemănătoare vieţii într-o supă chimică virtuală şi Viaţă.

Sara Imari Walker, fizician şi astrobiolog la Arizona State University, care nu a participat la acest studiu, este de acord cu England. "Este un pod cu două sensuri de mers care trebuie construit pentru a putea conecta biologia şi fizica. Unul din sensuri necesită înţelegerea modului în care ajung să se manifeste calităţi sau proprietăţi asemănătoare vieţii în sisteme fizice simple, iar celălalt sens care trebuie parcurs este să explicăm cum fizica poate da naştere vieţii", a explicat Imari Walker pentru Live Science. "Trebuie să parcurgem aceste două etape pentru a înţelege cu adevărat ce proprietăţi sunt unice pentru viaţă şi care proprietăţi pot caracteriza lucruri care nu sunt vii, dar sunt aproape vii, aşa cum este un sistem prebiotic", a adăugat ea.

Viaţa dincolo de Terra

Înainte de a ne propune să răspundem întrebării dacă aceste sisteme fizice simple pot influenţa sau determina apariţia vieţii şi în alte părţi ale Universului, va trebui să înţelegem unde şi în ce condiţii au funcţionat aceste sisteme pe Pământ.

"Dacă prin viaţă înţelegem un organism uluitor şi complex cum este cel al unei bacterii sau orice altceva ce conţine polimeraze (proteinele care compun acizii nucleici ARN şi ADN), studiile noastre nu ne spun nimic despre cât de uşor sau dimpotrivă, de dificil este să obţii ceva atât de complex, aşa că nu pot specula cu privire la cum ar putea arăta viaţa extraterestră", a subliniat Jeremy England.

Acest studiu nu identifică în mod specific modul în care un sistem biologic se naşte dintr-un sistem non-biologic ci doar că, în anumite situaţii, substanţele chimice se pot auto-organiza în mod surprinzător şi în conformitate cu legile fizicii. Simulările computerizate ce au fost derulate în cadrul studiului nu ţin cont de variabile importante prezente în toate organismele vii, aşa cum sunt capacitatea de adaptare la mediu sau reacţiile faţă de stimuli. De asemenea, rolul jucat de capacitatea de a reproduce informaţia conţinută de acizii nucleici a fost de asemenea ignorat în acest studiu.

Cu toate acestea, concluziile studiului oferă o perspectivă fascinantă, deşi limitată, asupra modului în care sistemele fizice nonbiologice se pot auto-organiza şi autoreplica în natură, putând reprezenta "arma fumegândă" în dezlegarea misterului originilor vieţii.