Почему существует жизнь?

Скажем, для физика Джереми Ингленда (Jeremy England) из Массачусетского технологического института (США) возникновение жизни «столь же предсказуемо, как тенденция камня к падению вниз».

Давайте подумаем, предлагает учёный, чтó с физической точки зрения отличает неживые углеродосодержащие молекулы от живых: вторые лучше справляются с поглощением энергии из окружающей их среды и её рассеиванием в виде тепла. Заметим, что, по всей видимости, с такими задачами иногда может справиться и сажа, однако эффективность жизни в данном направлении всё же действительно высока.

Попробовав представить отличия живого от неживого в формулах, г-н Ингленд пришёл к выводу, что группа атомов, на которую действуют сторонние источники энергии (солнечные лучи, наличие химического топлива) и которая окружена тепловой баней (океан, атмосфера), часто будет постепенно реструктурировать себя, с тем чтобы рассеивать всё больше и больше энергии. Таким образом, при определённых условиях материя непременно приобретёт ключевые физические атрибуты, ассоциирующиеся с жизнью.

Если совсем заострить, что Джереми и делает, то получается следующее: «Вы начинаете со случайным комком атомов, на который светите довольно долгое время, и не стоит слишком удивляться, если он внезапно станет растением».

Легко понять, что часть коллег г-на Ингленда отнеслась к его работе как к весьма неопределённой, другая — как к прорывной, а некоторые считают, что ей присущи обе эти черты. Так, Евгений Шахнович из Гарвардского университета (США) полагает её глубоко спекулятивной, по крайней мере на сегодняшнем этапе. Да, формула, описывающая поведение материи в некоторых условиях, работает. Но является ли такое стремление атомов лучше рассеивать энергию гарантией развития процесса, ведущего к зарождению жизни?..

Идея Джереми Ингленда в основе своей проста: второй закон термодинамики, энтропия со временем растёт, горячее остывает, яйца проклёвываются, но наоборот не бывает, и так далее. Пока энергия распределена в системе неравномерно, согласно теории вероятностей, путей для дальнейшего рассеивания у неё больше, чем для концентрации. И хотя в теории остывающий кофе может с некоторой вероятностью спонтанно вновь нагреться, на деле это столь невозможно, что ничего подобного и не случается.

Хотя энтропия всегда должна возрастать со временем, чётко это можно видеть в основном в закрытых системах, благо в их открытых аналогах энергия может оставаться распределённой между атомами неравномерно за счёт канализирования энтропии вовне, в пространство, окружающее открытую систему.

В 1944 году Эрвин Шрёдингер («Что есть жизнь?») заявил: это именно то, что делают живые существа, чтобы поддержать своё существование. Во время фотосинтеза энтропия во Вселенной в целом растёт, а вот растение предохраняет себя от распада, поддерживая упорядоченную внутреннюю структуру. Из «всему миру ли провалиться, мне ли чаю не пить» оно выбирает первое.

Однако во времена Шрёдингера уравнения термодинамики решались только для закрытых систем, находящихся к тому же в состоянии термодинамического равновесия. Излишне говорить, что жизнь возникла вовсе не в них.

В 1960-х Илья Пригожин до некоторой степени преуспел в предсказании поведения открытых систем, в слабой степени управляемых внешними энергетическими источниками (Нобелевская премия 1977 года). Увы, жизнь возникла там, где до термодинамического равновесия было далеко, а воздействие внешних энергетических источников — исключительно сильно, предсказания же в такой среде мы делать всё ещё не умели.

В 1990-е благодаря американцам Крису Жарзински (Chris Jarzynski) и Гэвину Круксу (Gavin Crooks) всё изменилось. Было показано, что энтропия термодинамического процесса (остывание кофе) соответствует простому соотношению: вероятность того, что атомы пройдут через этот процесс, делённая на вероятность того, что они пойдут в противоположном направлении (что чашка, напротив, случайно нагреется). По мере возрастания продуцирования энтропии это соотношение растёт: поведение системы становится всё более «необратимым», а вероятность самозакипания кофе в чашке неумолимо падает.

По идее, такому видению всё равно, насколько далека от термодинамического равновесия среда, в которой протекает процесс.

Собственно, Джереми Ингленд лишь добавил в этот подход сильное влияние внешнего источника (электромагнитные волны) и способность отдавать тепло вовне — качества, присущие тому классу систем, в который входят и живые организмы, и неживые материалы, встречающиеся на поверхности Земли.

Неживые частицы склонны рассеивать больше энергии, когда они находятся в резонансе с внешним источником энергии или двигаются в направлении, в котором их толкает внешняя сила. В конечном счёте они больше «склонны» двигаться в этом направлении, чем в любом другом. «Группы атомов, окруженные тепловой баней определённой температуры, как и в случае атмосферы или океана, со временем будут переупорядочивать себя так, чтобы всё лучше «резонировать» с источником механической, электромагнитной или химической работы в своём окружении», — поясняет г-н Ингленд.

Самовоспроизведение — процесс, который принёс на Землю всю населяющую её сегодня жизнь, — один из таких механизмов, посредством которого система может рассеивать возрастающее количество энергии с течением времени. «Отличный способ рассеивания энергии — это производство большого числа копий себя самого», — говорит учёный.

В сентябрьском (2013) номере Journal of Chemical Physics исследователь показал, что теоретический минимум рассеивания, происходящего при самовоспроизведении молекул РНК и бактерий, очень близок к реальным количествам, которые эти системы рассеивают при воспроизводстве. При этом именно РНК (по всей видимости — предшественник ДНК-жизни) является особенно «дешёвым» в энергетическом смысле строительным материалом, что и предопределило её «победу».

Джереми подчёркивает: некоторые явления неживой природы могут быть обусловлены тем же процессом адаптации материи по линии максимального рассеивания энергии. «Многие примеры могут быть прямо у нас под носом, но из-за того, что мы не искали их, мы их и не видим», — считает физик.

Кстати, недавно появились работы, согласно которым вихри в турбулентных жидкостях воспроизводят себя спонтанно, заимствуя энергию у сдвига слоёв окружающей их среды. В другом случае опыты со скоплениями микросфер показывают их склонность рассеивать энергию, связывая близкие сферы в такие же кластеры (самовоспроизводство). Сам учёный считает, что снежинки, дюны, вихри имеют много общего в том смысле, что все они обладают повторяющейся структурой, которая возникает в многосоставных системах, приводимых в движение процессом рассеивания энергии. В случае с опытами над бактериями не следует также забывать, что «бывают и просто мутации», причём способные влиять сразу на много факторов, и не всегда надо торопиться с определением ведущего.

Проверить все эти идеи не так-то просто: процесс возникновения жизни из кучи атомов не должен быть быстрым. С другой стороны, частично концепцию всё-таки можно испытать — соотнеся эффективности рассеивания энергии мутантными линиями живых клеток со скоростью их размножения. Если они и впрямь коррелируются, г-н Ингленд получит как минимум косвенное доказательство своей правоты. В то же время и здесь нужна осторожность: когда вам жарко, вы начинаете обмахиваться газеткой, но это можно трактовать не только как простое стремление кучи атомов в лице Пети Иванова усилить рассевание энергии в окружающем пространстве.

Если эта точка зрения подтвердится, многие мучительные вопросы вроде «зачем организму X нужна черта Y» перестанут быть таковыми: общие закономерности по росту эффективности рассеивания энергии способны объяснить ряд черт тех или иных организмов без их притягивания за уши к часто сомнительному статусу эволюционного преимущества.

Отчёт об исследовании опубликован в издании Journal of Chemical Physics.

Подготовлено по материалам Quanta Magazine. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.