Вопрос о том, как впервые началась жизнь на Земле, остается одной из самых больших загадок. Конечно, ученых есть идеи о том, как она началась, возможно, рядом с гидротермальным источником, обеспечивающим энергию, необходимую для химической реакции, которая в конечном итоге привела к первым живым организмам. Об этом иногда говорят как о маловероятном событии — уж очень невысок шанс, что сложились идеальные условия для случайного появления жизни. Но что, если именно физика лежит в основе этих реакций, направляя жизнь к существованию?
Это часть идеи, представленной американским физиком Джереми Ингландом, который считает, что жизнь может быть следствием энтропии.
Энтропия — это мера беспорядка системы. Когда что-то находится в состоянии высокой энтропии (или высокого беспорядка), при смене мест компонентов системы, она остается практически такой же.
Но во Вселенной есть вещи, такие как жизнь, которые существуют в состоянии низкой энтропии. Это может показаться нарушением второго закона термодинамики (энтропия в замкнутой системе всегда возрастает, или все стремится к беспорядку), но это не так. Жизнь не нарушает второй закон, поскольку черпает энергию из окружающей среды, расходуя энергию для временного снижения собственной энтропии, подобно тому, как вы можете потратить энергию, чтобы временно слепить снег в форму снеговика и создать временный порядок, пока энтропия не вернет его обратно в беспорядок. Когда учитывается общая система (включая источник энергии для жизни и тепло, выделяемое жизнью), общая система продолжает стремиться к высокой энтропии.
Этот статистический закон Вселенной был впервые открыт Рудольфом Клаузиусом, который заметил, что тепло течет от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, а не наоборот. По словам Ингланда, жизнь и подобные жизни структуры могут возникать в сложных, хаотичных средах способами, которые лучше распределяют тепло в окружающей среде. Другими словами, жизнь и подобные жизни структуры возникают как следствие энтропии, благодаря своей способности распределять тепло.
В статье Ингланд смоделировал сложный "суп" из 25 химических веществ в различных концентрациях с различными уровнями энергии в системе, чтобы заставить химические реакции происходить, подобно тому, как солнечный свет может вызвать образование озона в нашей атмосфере.
Как и ожидалось в предыдущих теоретических работах, нашим главным выводом было то, что кинетически стабильное поведение такой системы действительно предвзято в сторону того, чтобы казаться точно настроенным на внешнее воздействие. Другими словами, долговременное поведение системы обогащается результатами, которые будут наблюдаться только с небольшой вероятностью при случайной и равномерной выборке из всего пространства возможностей.
Если говорить проще, то в определенных условиях достаточно комплексная система будет приводить к редким результатам чаще, чем в ситуациях со случайными факторами.
В то время как некоторые "супы" двигались к равновесию, как и ожидалось, более экстремальные системы испытывали "спонтанную тонкую настройку", перестраиваясь в более сложные структуры, лучше способные справляться со сложной средой и лучше распределять тепло.
Во второй статье команда обнаружила более "похожие на жизнь паттерны коллективного молекулярного поведения", а также "статистическую тенденцию системы к принятию структур с более высокими, чем в равновесии, скоростями поглощения работы..., при которой высоко необратимые переходы, поддерживающие неравновесную предвзятость системы в сторону резонансных структур, происходят потому, что резонанс помогает им получать больше работы от внешнего [источника энергии]".
Если перевести это с научного — представьте набор из множества маленьких шариков, которые могут вместе собираться в разные фигуры. В этом эксперименте ученые выяснили, что эти шарики способны собираться в фигуры, похожие на живые существа. Эти фигуры не только сложные, но и могут быстро поглощать энергию, например, от солнца. Ученые выяснили, что когда шарики собираются вместе в такие структуры, они способны использовать энергию для осуществления большего числа разных действий, и это очень похоже на то, как работают живые существа.
Хотя это аналог жизни не повторяет ее сложность (теория все еще спорная и, как всегда, требует дальнейшей работы) — результаты интригуют и предполагают, что жизнь может возникать просто потому что тому способствуют законы физики. Если это так, то означает, что жизнь широко распространена во Вселенной и возникает в комплексных системах, таких как наша планета.
Грубо говоря, если начать со скопления атомов и светить на него светом достаточно долго — неудивительно, что в какой-то момент может появиться растение.