آیا زندگی نتیجه قوانین آنتروپی است؟

توسط استفان الکساندر و سالوادور آلماگرو مورنو

در زیر گزیده ای از خبرنامه ما در فضا-زمان گم شده است. ما هر ماه صفحه کلید را به یک یا دو فیزیکدان می‌سپاریم تا ایده‌های عالی را از گوشه جهان به شما بگوییم. در اینجا می توانید برای Lost in Space-Time ثبت نام کنید.

در طلوع تاریخ، جهان با انفجار بزرگ منفجر شد و زنجیره‌ای از رویدادها را آغاز کرد که منجر به خرد شدن ذرات زیراتمی به اتم‌ها، مولکول‌ها و در نهایت سیارات، ستاره‌ها و کهکشان‌هایی شد که امروزه می‌بینیم. این زنجیره رویدادها به ما نیز منجر شد، اگرچه ما اغلب زندگی و شکل‌گیری جهان را جدا از هم می‌بینیم، یا به قول استیون جی گولد زیست‌شناس، «اقتدار غیر همپوشانی» می‌بینیم.

برای کیهان شناسان، به نظر می رسد که سیستم های پیچیده ای مانند حیات تأثیر کمی بر مشکلاتی که آنها سعی در حل آنها دارند، مانند مسائل مربوط به انفجار بزرگ یا مدل استاندارد فیزیک ذرات، دارند. به همین ترتیب، برای زیست شناسان، زندگی در زیست کره ای جدا از رویدادهای جهان باشکوه وجود دارد. اما آیا این حقیقت دارد؟

دانشمندان برجسته، از جمله جان فون نویمان، اروین شرودینگر، کلود شانون و راجر پنروز، این ایده را شنیدند که می‌توان بینش‌هایی را از نگاه کردن به زندگی و جهان در کنار هم جمع‌آوری کرد.

نظرات اروین شرودینگر فیزیکدان به ویژه جالب بود، زیرا گمانه زنی ها و پیش بینی های جسورانه او در زیست شناسی بسیار تأثیرگذار بود. در سال 1943، او یک سری سخنرانی در کالج ترینیتی دوبلین ایراد کرد که در نهایت در یک کتاب کوچک اما بزرگ به نام منتشر شد. زندگی چیست؟ در آن، او حدس زد که چگونه فیزیک ممکن است با زیست شناسی و شیمی همکاری کند تا توضیح دهد که چگونه حیات از ماده بی جان پدید آمده است.

شرودینگر معتقد است که همان قوانین فیزیک که یک ستاره را توصیف می کند باید فرآیندهای متابولیکی پیچیده را در یک سلول زنده توضیح دهد. او می دانست که فیزیک زمان او برای توضیح برخی از نتایج تجربی مبتکرانه ای که قبلاً در مورد سلول های زنده به دست آمده بود کافی نیست، اما بدون توجه به این موضوع به کار خود ادامه داد و سعی کرد از فیزیکی که می دانست برای توضیح زیست شناسی استفاده کند.

او گفت که مکانیک کوانتومی باید نقش اصلی را در زندگی ایفا کند، زیرا لازم است اتم‌ها را پایدار کند و آنها را قادر به پیوند با مولکول‌های موجود در ماده، اعم از زنده و غیر زنده، کند. برای مواد غیر زنده، مانند فلزات، مکانیک کوانتومی به مولکول‌ها اجازه می‌دهد تا به روش‌های جالبی مانند کریستال‌های تناوبی – شبکه‌هایی از مولکول‌ها با درجات تقارن بالا، سازماندهی کنند. اما او فکر می کرد که دوره ای برای زندگی بسیار ساده است. در عوض، او پیش بینی کرد که ماده زنده توسط بلورهای غیر تناوبی اداره می شود. او پیشنهاد کرد که این نوع ساختار مولکولی غیر تکراری باید حاوی “اسکریپت” باشد که منجر به “کل الگوی رشد و عملکرد آینده فرد در یک حالت بالغ” شود. به عبارت دیگر، او به طور تصادفی با توصیف اولیه DNA مواجه شد.

رویکرد خارجی

قبل از زمان شرودینگر، زیست شناسان ایده ژن را مطرح کردند، اما این فقط یک واحد وراثت تعریف نشده بود. امروزه این ایده که ژن ها توسط کدی اداره می شوند که ساختارها و مکانیسم های سلول ها را برنامه ریزی می کند و سرنوشت موجودات زنده را تعیین می کند، آنقدر آشناست که منطقی است. با این حال، چگونگی دستیابی به این امر در سطح مولکولی هنوز توسط زیست شناسان مورد کنایه قرار می گیرد.

به ویژه قابل توجه این است که شرودینگر از منطق ناشی از مکانیک کوانتومی برای فرموله کردن فرضیه خود استفاده کرد. او فردی بیگانه از زیست شناسی بود و این طبیعتاً باعث شد که رویکرد متفاوتی داشته باشد.

فیزیک و زیست شناسی از زمان شرودینگر بسیار پیشرفت کرده است. چه می شد اگر همین روند را دنبال می کردیم و می پرسیدیم زندگی امروز چگونه است؟?

در طول سال ها، ما، نویسندگان این خبرنامه، الگویی را ایجاد کرده ایم. گاهی اوقات با نوشیدنی، برای تبادل نظر و به اشتراک گذاشتن تاملات اخیر خود در مورد کیهان شناسی یا زیست شناسی مولکولی، ملاقات می کنیم. ما اغلب بیدار می ماندیم و در حالی که به نوازندگان موسیقی جاز یا فلامنکو مورد علاقه خود گوش می دادیم، صحبت می کردیم. همانطور که شرودینگر انجام داده است، مکالمات ما تا حدی تمرینی برای تولید عمدی دیدگاه بیرونی است، و ما امیدواریم که تحقیقات یکدیگر سودمند باشد. اما این نیز بسیار سرگرم کننده است.

به طور خاص، از سال 2014، ما یک شهود مشترک ایجاد کرده ایم که ارتباط ظریفی بین سیستم های زنده و کیهان شناسی وجود دارد، همانطور که در برخی از نشریات ما نشان داده شده است. برای درک این موضوع، باید در مورد آنتروپی، معیار تلاطم، و چگونگی جریان آن در جهان، چه در سطوح بیولوژیکی و چه در سطح کیهان، صحبت کنیم.

در کیهان اولیه، قبل از وجود ستارگان و سیارات، فضا با مقدار مساوی تابش و ماده پر شده بود. با گرم شدن و حرکت بیشتر این مخلوط، نظم کمتری پیدا کرد و آنتروپی آن افزایش یافت. اما با انبساط جهان، تابش و ماده را به شیوه ای همگن و منظم توزیع کرد و از آنتروپی جهان کاسته شد.

با گسترش و سرد شدن بیشتر جهان، ساختارهای پیچیده ای مانند ستاره ها، کهکشان ها و حیات شکل گرفتند. قانون دوم ترمودینامیک می گوید که آنتروپی همیشه افزایش می یابد، اما این ساختارها نسبت به بقیه جهان نظم بیشتری دارند (و در نتیجه آنتروپی کمتری دارند. کیهان می‌تواند از این موضوع دور شود، زیرا نواحی با کمترین آنتروپی در ساختارهای کیهانی متمرکز شده‌اند، در حالی که آنتروپی در کل جهان همچنان در حال افزایش است.

ما معتقدیم که شبکه ساختارهای کاهش دهنده آنتروپی واحد پول اصلی زیست کره و حیات در سیارات است. همانطور که لودویگ بولتزمن، پدر ترمودینامیک می گوید: «بنابراین مبارزه عمومی برای وجود موجودات زنده، مبارزه برای مواد خام نیست… و نه برای انرژی که به وفور در هر جسمی به شکل گرما وجود دارد، بلکه یک مبارزه است. مبارزه برای آنتروپی، که از هنگام انتقال انرژی از خورشید سوزان به زمین سرد در دسترس می شود.

پدیده های نوظهور

همانطور که جهان از همگنی منحرف می شود، با بذر و تشکیل ساختارهای آنتروپی پایین تر، آنتروپی در سایر نقاط جهان به رشد خود ادامه می دهد. آنتروپی نیز در درون آن ساختارها تمایل به رشد دارد. این امر آنتروپی یا عدم وجود آن را به یک بازیگر کلیدی در حفظ ساختارهای کیهانی، مانند ستارگان و حیات تبدیل می کند. بنابراین، یک جهان اولیه بی جان با آنتروپی کم برای زندگی در اینجا روی زمین ضروری است. به عنوان مثال، خورشید ما انرژی را ساطع می‌کند که الکترون‌های موجود در گیاهان روی زمین آن را جذب کرده و برای عملکردهایی که برای زندگی نیاز دارند، استفاده می‌کنند. گیاهان این انرژی را به صورت گرما آزاد می کنند و بیشتر از کیهان تسخیر شده به جهان پس می دهند.

متأسفانه، توضیح اینکه چرا آنتروپی در جهان اولیه کم بود، با درک فعلی ما از فیزیک دشوار است. در واقع این مشکل آنتروپی کم که برای انفجار بزرگ نیاز داریم یکی از مشکلات اصلی این نظریه است.

جنبه بیولوژیکی داستان از تحقیقات سالوادور در مورد محرک‌های ژنتیکی و محیطی نشات می‌گیرد که جمعیت باکتری‌های بی‌ضرر را به تکامل و ظهور به عنوان عوامل بیماری‌زا سوق می‌دهد. نکته مهم در داستان این است که موضوع فقط مربوط به کد ژنتیکی باکتری نیست. یکی از مانتراهای سالوادور این است که زندگی یک پدیده تطبیقی ​​است که به تغییرات مداوم و غیرمنتظره در فشارهای محیط پاسخ می دهد.

این امر ارگانیسم را به پدیده‌ای نوظهور تبدیل می‌کند که در آن شکل نهایی آن در تکه‌هایی که از آن‌ها تشکیل شده است وجود ندارد، بلکه می‌تواند تحت تأثیر مجموعه‌ای از سیستم‌های بزرگ‌تر که به آن تعلق دارد، قرار گیرد. موجودات زنده از شبکه ای از فعل و انفعالات تشکیل شده اند که از طریق محیط صورت می گیرد. سیستم زنده قادر است میلیاردها سلول را برای حفظ عملکرد کلی آنها تنظیم کند. علاوه بر این، گروه‌هایی از موجودات به شبکه‌ای به نام اکوسیستم تعلق دارند که تعادل پویا را نیز حفظ می‌کنند.

این همه راه را به شبکه ها در بزرگترین مقیاس زندگی گسترش می دهد. جیمز لاولاک و لین مارگولیس در دهه 1970 ایده زمین را به عنوان یک اکوسیستم خودتنظیمی کشف کردند و به عنوان فرضیه گایا شناخته شد. آنچه برای ما مهم است این است که جریان آنتروپی منفی نه تنها برای ارگانیسم‌های منفرد، بلکه برای کل زمین وجود دارد.

خورشید انرژی رایگان را به زمین می فرستد و از طریق یک سری فعل و انفعالات پیچیده، انرژی از طریق شبکه ای از برهمکنش ها با موجودات زنده توزیع می شود که هر یک به آن وابسته است تا پیچیدگی خود را در مواجهه با تلاطم فزاینده حفظ کند. برای مفهوم سازی نقش حیات در ترمودینامیک، این ساختارهای مولد سیستم (مانند سلول) را به عنوان واحدهای Negentropy یا UONs تعریف می کنیم. اما چیزی به نام ناهار رایگان وجود ندارد. هنگامی که UON ها این انرژی را دوباره به محیط آزاد می کنند، این کار را بیشتر به شکلی انجام می دهند که آنتروپی بالاتری نسبت به دریافت شده دارد.

این شباهت عجیب بین سیستم‌های زنده، UONها و تکامل جهان ممکن است تصادفی به نظر برسد، اما ما ترجیح می‌دهیم اینطور به آن فکر نکنیم. در عوض، ما پیشنهاد می کنیم که این یک اصل سازماندهی مرکزی برای تکامل جهان و وجود حیات است. سالوادور تصمیم گرفت این را اصل انسان‌مرکزی بنامد، چشمکی به اصل انسان‌مرکزی، که در شکل قدرتمند خود بیان می‌کند که جهان به‌خوبی تنظیم شده است تا مناسب زندگی باشد. این به این دلیل است که قوانین طبیعت برای زندگی کاملاً مناسب به نظر می رسند. برای مثال، اگر قدرت نیروی هسته‌ای که هسته‌های اتم‌ها را به هم متصل می‌کند چند درصد متفاوت بود، ستاره‌ها قادر به تولید کربن نبودند و حیات مبتنی بر کربن وجود نداشت.

با این حال، مشکل تنظیم ممکن است آنقدر که به نظر می رسد شدید نباشد. در تحقیقاتی که استفون و همکارانش انجام دادند، او نشان داد که جهان می‌تواند قابل سکونت باشد، حتی زمانی که اجازه دهیم ثابت‌های طبیعت مانند گرانش و الکترومغناطیس تغییر کنند، البته تا زمانی که به طور همزمان متفاوت باشند. شاید ما به اصل انسان گرایی نیازی نداشته باشیم. از سوی دیگر، برهم زدن اصل انسان محوری دشوار است. اگر جهان قادر نبود مسیرهایی را فراهم کند که بتواند مناطقی با آنتروپی پایین‌تر ایجاد کند، آن‌گاه حیات به شکلی که ما می‌شناسیم وجود نداشت. این ما را به تعجب وا می دارد: آیا ما در یک بیوسفر کیهانی زندگی می کنیم یا جهان یک سلول کیهانی است؟

استفان الکساندر یک فیزیکدان نظری در دانشگاه براون در رود آیلند است که وقت خود را صرف تفکر در کیهان شناسی، نظریه ریسمان و موسیقی جاز می کند و به این فکر می کند که آیا جهان یک هوش مصنوعی خودآموز است. او نویسنده کتاب ترس از جهان سیاه است. سالوادور آلماگرو مورنو، زیست‌شناس مولکولی در دانشگاه فلوریدا مرکزی است که به بررسی ویژگی‌های در حال ظهور در سیستم‌های بیولوژیکی پیچیده، از تکامل پروتئین تا پویایی همه‌گیری می‌پردازد.