Понимание термодинамической функции жизни может пролить свет на ее происхождение. Жизнь, как и все необратимые процессы, зависит от производства энтропии. Производство энтропии - это показатель тенденции природы к исследованию имеющихся микросостояний. Наиболее важным необратимым процессом, генерирующим энтропию в биосфере и, таким образом, способствующим этим исследованиям, является поглощение и преобразование солнечного света в тепло. Здесь мы предполагаем, что жизнь началась и продолжается и сегодня, как катализатор поглощения и рассеивания солнечного света на поверхности архейских морей.
Полученное в результате этого тепло можно было бы эффективно собирать с помощью других необратимых процессов, таких как круговорот воды, ураганы, океанические и ветровые течения. РНК и ДНК являются наиболее эффективными из всех известных молекул для поглощения интенсивного ультрафиолетового света, который проникает в плотную раннюю атмосферу и очень быстро преобразует этот свет в тепло при наличии жидкой воды.
С этой точки зрения, происхождение и эволюция жизни, неотделимые от воды и водного цикла, могут быть поняты как результат естественного термодинамического императива производства энтропии Земли во взаимодействии с ее солнечной средой. Предложен механизм воспроизводства РНК и ДНК без ферментов, стимулируемый рассеянием УФ-лучей и суточным температурным циклом архейской поверхности моря.
Спустя 27 лет ученые признали, что борьба за существование - это не борьба за сырье, ни за энергию, а борьба за энтропию (низкая энтропия), которая стала возможной благодаря распылению фотонов высокой энергии на фотоны низкой энергии (производство энтропии) через необратимые процессы в биосфере. В настоящее время хорошо известно, что неравновесное структурирование вещества во времени и пространстве - от молекул до ураганов и живых систем - зависит от производства энтропии.
Такие необратимые процессы известны как "диссипативные структуры", поскольку, хотя они и существуют при низкой энтропии, они возникают спонтанно, чтобы обеспечить новые пути к большей выборке огромного множества микросостояний, лежащих в основе природы, и, таким образом, их образование увеличивает энтропию Вселенной.
Было показано, как различные необратимые процессы могут сочетаться для того, чтобы устранить препятствия для увеличения глобального производства энтропии. В целом, чем сложнее диссипативное структурирование во времени и пространстве (т.е. вовлечение многих связанных необратимых процессов со встроенными иерархическими уровнями и взаимодействиями длительного пространственного и временного масштаба), тем больше общая продукция энтропии во взаимодействии систем с внешней средой. Эмпирические данные об истории эволюции Земли свидетельствуют о том, что живые системы - от клеток до биосферы - с течением времени, как правило, усложняются, и, соответственно, наблюдается увеличение общего производства энтропии, а также чистого производства энтропии на единицу биомассы.
Повсеместное распространение эмпирических данных, свидетельствующих о том, что природа стремится найти новые абиотические, биотические и связанные абиотические пути к производству энтропии, рассматривается здесь как достаточное обоснование предположения. Что РНК и ДНК и их связь с водным циклом, возникли первоначально как структурирование материала в пространстве и времени для обеспечения нового пути к увеличению производства энтропии Земли в ее взаимодействии с солнечной средой.
РНК и ДНК нуклеиновых кислот являются эффективными поглотителями фотонов в 200-300 нм ультрафиолетовой области спектра Солнца; именно эта важная часть спектра, которая могла попасть в плотную атмосферу Земли на раннем этапе. Эти молекулы, в присутствии воды, чрезвычайно быстро рассеивают фотоны высокой энергии для нагрева. Вполне вероятно, что жизнь стала катализатором поглощения солнечного света на поверхности мелководных морей, рассеивая его в тепло и способствуя тем самым другим необратимым процессам, таким как круговорот воды (испарение/дождь), ветровые и океанические течения, которые способствуют образованию энтропии в биосфере.
Это предполагает наличие термодинамического императива для возникновения жизни, который может быть связан с его термодинамической функцией производства. Преобладающие сценарии возникновения жизненного центра на основе репликации первой гипотезы РНК и "сначала метаболизм", а затем предложения репликации, включая предложения гидротермальных вентиляторов. Представленный здесь сценарий больше похож на гипотезу о мире РНК, но разделяет с первыми теориями метаболизма идею постепенного генетического поглощения метаболического процесса.
Однако репликация и метаболизм связаны с самого начала; предполагается, что первыми молекулами жизни, РНК и ДНК, являются фотоавтотрофы, метаболизирующие ультрафиолетовый свет. В рамках этого возникает ряд серьезных проблем, связанных с низкими урожаями на отдельных этапах синтеза и репликации РНК, но с осторожным оптимизмом смотрит на абиогенный синтез, предполагая, что другие, еще не открытые, пути к этим молекулам могут быть найдены.
Наиболее сложными текущими проблемами с абиогенезисом являются:
- производство и стабильность рибозы, конкурирующей с другими более легко синтезируемыми и более стабильными сахарами;
- трудности полимеризации нуклеотидов для образования полинуклеотидов;
- проблема расового смешения хиральных нуклеотидов без помощи шаблонов;
- невозможность копирования полинуклеотидов и РНК, возможно, наиболее сложная проблема.
Представленная здесь теория предлагает последовательную основу, в рамках которой каждая из вышеупомянутых трудностей смягчается. В ней признается неравновесный термодинамический императив для получения РНК и ДНК, независимо от сложности их получения в лаборатории, в связи с большим потенциалом производства энтропии этих молекул при начальных условиях примитивной Земли. Учитывая эти термодинамические силы, не только снимает трудности с получением абиогенных первичных молекул жизни, но и одновременно обеспечивает ультрафиолетовый и температурный механизм воспроизводства без необходимости использования энзимов.
Окружающие условия проникновенной жизни
Поскольку жизнь обретает свою жизненную силу только в контексте взаимодействия с внешней средой, для любой теории о происхождении жизни необходимо установить окружающие условия первобытной Земли. Предполагается, что первые моря Земли, существовавшие в самом начале жизни около 3,8 миллиардов лет назад, были горячими из органического материала.
Вдохновленные материалистическими идеями о происхождении жизни ученые провели экспериментальные испытания и подтвердили, что органические молекулы могли быть созданы ударами молнии и фотохимическими реакциями на восстановительную архейскую атмосферу, содержащую много водорода в виде аммиака и метана. Было показано, что все основания нуклеиновой кислоты могут быть получены путем смешивания цианистого водорода с цианогеном и цианацетиленом в водном растворе.
Альтернативная гипотеза заключается в том, что органические молекулы образуются в циркумстеллярных оболочках звезд, которые проливают большую часть своей ранней атмосферы в межзвездное пространство. В настоящее время в космосе обнаружено более 140 органических молекул, хотя нуклеобазы еще не обнаружены. Затем предполагается, что диспергированные органические молекулы попадают в океаны Земли через механизм столкновения комет, астероидов или космической пыли.
Аминокислоты и нуклеобазы были обнаружены в углеродистых хондритовых метеоритах, предположительно полученных из комет, таких как метеорит Мурчинсона. Обе теории происхождения исходных органических материалов, таким образом, жизнеспособны и подкреплены эмпирическими данными. Но какая из этих двух теорий наиболее вероятна при определении высокой концентрации органических молекул, необходимой в исходном супе, зависит от того, как восстанавливалась атмосфера в начале жизни, тема все еще широко обсуждалась с новыми представлениями, часто меняющими баланс.
Например, недавно проведенный анализ показывает, что ранняя атмосфера Земли могла быть холоднее, чем предполагалось изначально, и, таким образом, удерживать до 30% водорода по массе. В этом случае наиболее вероятным сценарием было бы образование органических молекул с помощью молний и фотохимических реакций, а не на аммиак и атмосферу метана, как предполагалось в первоначальных экспериментах.
