Az élet kezdete és az evolúció: az okok új elmélete

A biológia, azaz élettan, mint tudomány nem kevesebbet tűzött maga elé célul, mint leírni és megérteni az életet és annak formáit. Mégse tudott a mai napig teljes körű választ adni a leglényegesebb kérdésekre: Mi az élet? Miért van? Egy amerikai fizikus most új elmélettel állt elő az élet keletkezésével kapcsolatban, ami, ha beigazolódik, az egész evolúció hátterét átírhatja.

Hogyan keletkezett az élet? Erre a kérdésre több, jórészt hipotetikus felelet adható. Az emberiség nagyjából két nagy táborra szakadt az alapján, milyen választ ad: vannak, akik Darwin és követői nyomán egy afféle felhevült “ősleves”-t, egy villámcsapást és egy hatalmas adag szerencsét okolnak (ez nagyon leegyszerűsítve az eddigi elfogadott tudományos válasz), és vannak azok, akik szerint mindez elképzelhetetlen lett volna valamiféle felsőbbrendű tudat, Isten beavatkozása nélkül. A 31 éves Jeremy England, az MIT fizikusa szerint se villám, se isteni csoda nem kellett az élet elindulásához.

England szakmájának szemüvegével vizsgálja az élet születését és az evolúciót, mindkettőt fizikai jelenségekkel magyarázva. A fizika nézőpontjából az élőlények és az élettelen szénvegyületek között egyetlen alapvető különbség van adott pillanatban: az élők sokkal hatékonyabban szereznek energiát a környezetükből és gazdaságosabban képesek azt hőként eloszlatni, England előállt egy matematikai képlettel, amely leírja ezt a képességet: amikor egy csoport atomra hat egy erős külső energiaforrás (mint mondjuk a Nap vagy folytonos kémiai reakciók), miközben egy meleg “fürdő” veszi körbe (akár óceán, akár atmoszféra), akkor a csoport fokozatosan átstrukturálja magát, hogy egyre több energiát tudjon felvenni. Ez azt jelenti, hogy bizonyos körülmények között az anyag megszerzi az élethez társított fizikai tulajdonságokat!

Egyszerűen szólva, England szerint ha adott egy tetszőleges atomcsoport, amit kellő ideig világítunk, nem meglepő, ha abból egy növényt kapunk.

Elméletével nem hazudtolni vagy helyettesíteni, hanem alátámasztani akarja Darwin elméletét a természetes kiválasztódásról, ami szinte tökéletesen leírja és magyarázza az életet gének és populációk szintjén.

“Nem azt mondom, hogy Darwin elképzelései tévesek. Ellenkezőleg, annyit mondok, hogy a fizika szemszögéből nézve a darwini evolúció egy általános jelenség egy esete.”

Kollégái megosztónak tartják nézeteit. Többek szerint ez az adalék információ nem oszt, nem szoroz – mások szerint akár egy nagy áttöréshez is vezethet mind az evolúció, mind a biológia és a biofizika tekintetében. Nagy remény, hogy England ezzel az elképzeléssel rámutat az élet eredete és fejlődése mögötti igazi okokra.

A teória középpontja a termodinamika második főtétele, amit az idő nyílvesszejének és a növekvő entrópia törvényének is hívnak. Eszerint például a meleg dolgok leadják a hőt és kihűlnek, de semmi sem hevül föl spontán módon magától – azaz, az energia idővel szétárad vagy kiterjed, nem összeáll. Az entrópia ennek a tendenciának a mértéke, amely számszerűsíti, hogy mennyire terjed szét az energia egy rendszer részecskéi közt, és hogyan oszlik meg a térben. Egyszerűen többféleképpen tud az energia szétoszlani, mint koncentrálódni, emiatt a részecskék interakcióikkal olyan helyzeteket, konfigurációkat teremtenek, amelyben az energia szétterjed. A rendszer egy idő után eléri a maximális entrópia állapotát, amit termikus egyensúlynak nevezünk: itt a rendszerben az energia teljesen egyenletesen megoszlik. Például Amy kakaója szép lassan kihűl és egy hőmérséklete lesz a szobával, ahol Amy ott felejtette. Ameddig a bögre és a szoba nincs megbolygatva, ez így is marad, a kakaó nem fog puszta szívjóságból visszamelegedni – tudományosan mondva a folyamat nem visszafordítható, hiszen a szoba energiája nem fog egy kakaónyi pontba  összpontosulni. A kakaó egészen addig megmarad hidegnek, amíg Amy vissza nem jön és meg nem melegíti.

Erwin Schrödinger, a híres cicás kvantumfizikus 1944-es Mi az élet? című monográfiájában azt is leírta, hogy bár az entrópia törvényszerűen növekedni kényszerül az idő múlásával egy izolált, avagy zárt rendszerben – de egy nyitott rendszerben az entrópia alacsony szinten tartható úgy, hogy a rendszer a saját környezete entrópiáját növeli. Schrödinger szerint pontosan ezt kell elérnie az élőlényeknek: a növények például felveszik a rendkívül energiadús napfényt, a segítségével cukrokat építenek, és emellett infravörös fényt bocsátanak ki, ami jóval kevésbé energiával teli. Az univerzum entrópiája ezáltal növekszik a fotoszintézistől, még úgy is, hogy a növény elég ügyesen megtartja magában az energiát.

England elmélete alapján az az evolúciós variáns lesz a végeredménye a fejlődésnek, amely több energiát fogad be és oszt szét – azaz az élet evolúciója az egyre növekvő entrópiát gyártó változatok mentén halad. Erre a növekvő energiakibocsátásra jó megoldás az önreplikáció, önmásolás – azaz, tulajdonképpen a szaporodás. Egy szeptemberi kutatás szerint az energiaszétoszlatás legkisebb lehetséges mennyisége az RNS-másolás, aminek mennyisége megegyezik England számaival. Az RNS egy különösen “olcsó” építőanyag, megjelenése England szerint azonnal garantálta a győzelmét az önrendező anyag fejlődésének tekintetében.

Azaz az ősleves, a beérkező sugárzás, a sorsszerű mutációk és az a rengeteg egyéb faktor, amivel korábban az élet megjelenését magyarázták, valóban megtörténhetett, de az élet kialakulásához teljesen szükségtelen volt, hiszen az élet mögött húzódó abszolút alapelv nem más, mint az anyag energia-szétoszlatás központú adaptív változássorozata.

Ami az élettelen anyagra is igaz.

Ismerünk önreprodukáló élettelen rendszereket is, például zavaros folyadékok örvényei képesek spontán lemásolni magukat az által, hogy környezetükből energiát vonnak ki. Az önreprodukció mellett a bonyolultabb szerkezeti felépítés is egy ilyen energiaeloszlatási mód. Egy bonyolult növény például sokkal gazdaságosabban bánik a felvett energiával, mint egy rakás kő (és több energiát be is fogad). Ugyanezen elv alapján jönnek létre szerinte az olyan bonyolult formák is, mint a hópehely, a homokbuckák vagy az emlegetett örvények: mind-mind az energialeadásnak köszönhetik ismert, rendkívüli formájukat.

A közeljövőben England és más tudósok is igyekeznek majd az elméletet igazolni vagy cáfolni, először élettelen anyagot, majd élő szervezetek sajátságait vizsgálva.

Hogy helyes-e England elmélete, vagy sem, így a jövőben dől el, minden esetre is rendkívül érdekes gondolat kiszabadítani az evolúciót és az élet kezdetének problémáját abból az ördögi körből, amiből képtelen volt eddig kitörni.

simonsfoundation nyomán