Buzz
Bài báo loại bỏ những chi tiết tinh tế của tế bào và sinh học, mô tả một hệ thống giả tưởng đơn giản hóa của các hợp chất hóa học, trong đó vẫn có khả năng xuất hiện cấu trúc ngoại lệ một cách tự nhiên - hiện tượng mà England xem như là động lực đằng sau nguồn gốc của cuộc sống. “Điều đó không có nghĩa là bạn chắc chắn sẽ có được cấu trúc đó,” England giải thích. Động lực của hệ thống quá phức tạp và phi tuyến tính để dự đoán điều gì sẽ xảy ra.
Mô phỏng liên quan đến một thức ăn gồm 25 hợp chất phản ứng với nhau theo nhiều cách. Nguồn năng lượng trong môi trường của thức ăn tạo điều kiện hoặc “buộc” một số phản ứng hóa học này, giống như ánh sáng mặt trời kích thích sự sản xuất ozone trong khí quyển và nhiên liệu hóa học ATP thúc đẩy các quá trình trong tế bào. Bắt đầu với nồng độ hóa chất ban đầu ngẫu nhiên, tốc độ phản ứng và “cảnh quan buộc” - các quy tắc quy định phản ứng nào được đẩy lên bởi lực ngoại vi và bao nhiêu - mạng phản ứng hóa học giả tưởng tiến triển cho đến khi nó đạt đến trạng thái ổn định, hoặc “điểm cố định”.
Thường, hệ thống ổn định thành một trạng thái cân bằng, nơi có nồng độ cân bằng của các chất hóa học và các phản ứng diễn ra cũng như ngược lại. Tendency này để cân bằng, giống như cốc cà phê nguội xuống nhiệt độ phòng, là kết quả phổ biến nhất của định luật thứ hai của nhiệt động học, nói rằng năng lượng liên tục lan truyền và entropy của vũ trụ luôn tăng. (Định luật thứ hai đúng vì có nhiều cách để năng lượng được phân tán giữa các hạt hơn là được tập trung, vì vậy khi các hạt di chuyển và tương tác, khả năng năng lượng của họ ngày càng được chia sẻ.)
Nhưng đối với một số cài đặt ban đầu, mạng phản ứng hóa học trong mô phỏng chuyển hướng theo một hướng khác nhau một cách hoang dã: Trong những trường hợp này, nó tiến triển đến các điểm cố định xa xa cân bằng, nơi nó mạnh mẽ chuyển động qua các phản ứng bằng cách thu hoạch tối đa năng lượng có thể từ môi trường. Những trường hợp này “có thể được nhận biết là các ví dụ về sự điều chỉnh tinh tế” giữa hệ thống và môi trường của nó, Horowitz và England viết, trong đó hệ thống tìm thấy “trạng thái hiếm hoi của lực đẩy nhiệt độ cực đại.”
Các sinh linh cũng duy trì các trạng thái ổn định của sự đẩy mạnh cực kỳ: Chúng ta là những người siêu tiêu thụ, đốt cháy lượng lớn năng lượng hóa học, làm suy giảm nó và tăng entropy của vũ trụ, khi chúng ta đưa năng lượng vào các phản ứng trong tế bào của mình. Mô phỏng mô phỏng hành vi ổn định này trong một hệ thống hóa học đơn giản, trừu tượng hơn và cho thấy rằng nó có thể xuất hiện “cơ bản ngay lập tức, mà không cần phải chờ đợi lâu,” Lässig nói - cho thấy rằng những điểm cố định như vậy có thể dễ dàng đạt được trong thực tế.
Nhiều nhà Vật lý sinh học nghĩ rằng điều gì đó giống như những gì England đang đề xuất có thể hoàn toàn là một phần của câu chuyện về cuộc sống. Nhưng việc England đã xác định bước quan trọng nhất trong nguồn gốc của cuộc sống phụ thuộc một phần vào câu hỏi: Bản chất của cuộc sống là gì? Ý kiến khác nhau.
Hình Dạng và Chức Năng
England, một thiên tài theo nhiều báo cáo đã dành thời gian tại các trường Đại học Harvard, Oxford, Stanford và Princeton trước khi gia nhập đội ngũ giảng viên tại MIT khi 29 tuổi, nhìn nhận bản chất của những thứ sống là sự sắp xếp đặc biệt của các nguyên tử thành phần của chúng. “Nếu tôi tưởng tượng việc sắp xếp ngẫu nhiên các nguyên tử của vi khuẩn - vì vậy tôi chỉ lấy chúng, tôi gắn nhãn tất cả chúng, tôi hoán đổi chúng trong không gian - có lẽ tôi sẽ nhận được một cái gì đó là rác rưởi,” ông nói vào đầu tháng này. “Hầu hết các sắp xếp [của khối xây dựng nguyên tử] sẽ không phải là những trạm năng lượng chính của một vi khuẩn.”
Việc một nhóm nguyên tử mở khóa và đốt cháy năng lượng hóa học không dễ dàng. Để thực hiện chức năng này, các nguyên tử phải được sắp xếp trong một hình thức cực kỳ không bình thường. Theo England, sự tồn tại của mối quan hệ hình thức-chức năng “đề xuất rằng có một thách thức được đặt ra bởi môi trường mà chúng ta nhìn thấy cấu trúc của hệ thống đáp ứng.”
Nhưng làm thế nào và tại sao nguyên tử có được hình thức và chức năng cụ thể của một vi khuẩn, với cấu hình tối ưu của nó để tiêu thụ năng lượng hóa học? England giả thuyết rằng đó là một kết quả tự nhiên của nhiệt động học trong các hệ thống nằm xa xa cân bằng.
Nhà hóa học vật lý đoạt giải Nobel Ilya Prigogine theo đuổi những ý tưởng tương tự vào những năm 1960, nhưng phương pháp của ông bị hạn chế. Phương trình nhiệt động học truyền thống chỉ hoạt động tốt khi nghiên cứu các hệ thống gần cân bằng như một khí đang từ từ được làm nóng hoặc làm lạnh. Hệ thống được đẩy bởi nguồn năng lượng ngoại vi mạnh mẽ có động lực phức tạp nhiều hơn và khó nghiên cứu hơn nhiều.
Tình hình thay đổi vào cuối những năm 1990, khi các nhà vật lý Gavin Crooks và Chris Jarzynski suy luận “định luật dao động” có thể được sử dụng để đo lường mức độ thường xuyên hơn những quá trình vật lý nhất định xảy ra so với các quá trình ngược lại. Những định luật này cho phép các nghiên cứu viên nghiên cứu cách hệ thống phát triển - thậm chí ở xa xa cân bằng. “Góc độ mới” của England, theo Sara Walker, một nhà vật lý lý thuyết và chuyên gia về nguồn gốc của cuộc sống tại Đại học Arizona, đã áp dụng định luật dao động “đối với các vấn đề liên quan đến nguồn gốc của cuộc sống. Tôi nghĩ ông có lẽ là người duy nhất làm điều đó một cách chặt chẽ.”
Cà phê nguội đi vì không có gì làm nó nóng, nhưng tính toán của Anh cho thấy nhóm nguyên tử được đẩy bởi các nguồn năng lượng bên ngoài có thể hành xử khác nhau: Chúng thường bắt đầu tận dụng những nguồn năng lượng đó, sắp xếp và sắp xếp lại để hấp thụ năng lượng tốt hơn và phát tán nó dưới dạng nhiệt. Anh ta tiếp tục chỉ ra rằng xu hướng thống kê này để phát tán năng lượng có thể thúc đẩy tự nhân bản. (Như anh ấy giải thích vào năm 2014, “Một cách tuyệt vời để phát tán nhiều hơn là tạo thêm bản sao của chính bạn.”) Anh ta nhìn nhận cuộc sống và sự kết hợp phi thường giữa hình thức và chức năng của nó như là kết quả cuối cùng của quá trình thích ứng và tự nhân bản do sự phân tán năng lượng.
Trong bài báo của Physical Review Letters, England và đồng tác giả Tal Kachman và Jeremy Owen của MIT mô phỏng một hệ thống các hạt tương tác. Họ phát hiện rằng hệ thống tăng sự hấp thụ năng lượng theo thời gian bằng cách tạo và phá các liên kết để cùng nhau dao động tốt hơn với một tần số đưa động. “Kết quả này có một ý nghĩa nào đó là một kết quả cơ bản hơn” so với các kết quả của PNAS liên quan đến mạng phản ứng hóa học, England nói.
Quan trọng là, trong công việc sau này, anh và Horowitz đã tạo ra môi trường khó khăn nơi cấu hình đặc biệt sẽ được yêu cầu để tận dụng các nguồn năng lượng có sẵn, giống như sự sắp xếp nguyên tử đặc biệt của vi khuẩn giúp chúng tiêu hóa năng lượng. Trong môi trường mô phỏng, các nguồn năng lượng bên ngoài đã thúc đẩy (hoặc “ép buộc”) một số phản ứng hóa học cụ thể trong mạng phản ứng. Mức độ ép buộc này phụ thuộc vào nồng độ của các loại chất hóa học khác nhau. Khi các phản ứng tiến triển và nồng độ thay đổi, lượng ép buộc sẽ thay đổi đột ngột. Một cảnh quan ép buộc gồ ghề như vậy khiến cho hệ thống “khó tìm ra các kết hợp phản ứng có khả năng trích xuất năng lượng tự do tối ưu”, Jeremy Gunawardena, một nhà toán học và nhà sinh học hệ thống tại Trường Y khoa Harvard, giải thích.
Tuy nhiên, khi các nghiên cứu cho phép các mạng phản ứng hóa học diễn ra trong môi trường như vậy, các mạng dường như trở nên được điều chỉnh tinh tế theo cảnh đất. Một tập hợp ngẫu nhiên các điểm xuất phát đã tiếp tục đạt được các trạng thái hiếm hoi của hoạt động hóa học sôi nổi và ép buộc cực kỳ nhiều lần hơn so với những gì được mong đợi. Và khi những kết quả này xảy ra, chúng xảy ra một cách ấn tượng: Các mạng hóa học này kết thúc ở phần trăm 99 so với mức độ ép buộc so với tất cả các kết quả có thể xảy ra. Khi những hệ thống này xoay vòng qua các chu kỳ phản ứng và phân tán năng lượng trong quá trình đó, mối quan hệ cơ bản-chức năng mà England coi là quan trọng đối với sự sống đã thiết lập.
Các Bộ Xử Lý Thông Tin
Các chuyên gia nói rằng bước quan trọng tiếp theo cho England và đồng sự của ông sẽ là mở rộng mạng phản ứng hóa học của họ và xem xét xem nó có tiến triển động đến các điểm cố định hiếm hoi của ép buộc cực kỳ hay không. Họ cũng có thể thử làm cho mô phỏng ít trừu tượng hơn bằng cách dựa trên nồng độ hóa chất, tốc độ phản ứng và cảnh đất ép buộc có thể đã tồn tại trong các hồ nước triều của Trái Đất sớm hay gần khe nứt núi lửa (nhưng việc nhân bản điều kiện thực sự đã tạo ra sự sống là việc đoán xét). Rahul Sarpeshkar, một giáo sư ngành kỹ thuật, vật lý và vi sinh vật học tại Đại học Dartmouth, nói: “Sẽ tốt nếu có một biểu diễn vật lý cụ thể của những cấu trúc trừu tượng này.” Anh ấy mong muốn thấy các mô phỏng được tái tạo trong các thí nghiệm thực tế, có thể sử dụng các chất hóa học và nguồn năng lượng có liên quan đến sinh học như glucose.
Theo quan điểm của Walker, điều này phân biệt chúng ta khỏi các hệ thống khác nằm dưới bóng của lý thuyết thích ứng do sự phân tán của England, như Vết đỏ lớn tại Sao Mộc. “Đó là một cấu trúc phân tán không cân bằng rất cao đã tồn tại ít nhất 300 năm, và nó hoàn toàn khác biệt so với các cấu trúc phân tán không cân bằng đang tồn tại trên Trái Đất ngay bây giờ đã tiến hóa từ hàng tỷ năm,” cô nói. Hiểu biết về điều phân biệt sự sống, cô thêm, “đòi hỏi một quan niệm rõ ràng về thông tin mà đưa nó vượt ra khỏi quá trình cấu trúc phân tán không cân bằng loại.” Theo quan điểm của cô, khả năng phản ứng với thông tin là chìa khóa: “Chúng ta cần các mạng phản ứng hóa học có thể đứng dậy và rời khỏi môi trường nơi chúng bắt nguồn.
Gunawardena lưu ý rằng ngoài các tính chất nhiệt động học và khả năng xử lý thông tin của các hình thức sống, chúng cũng lưu trữ và truyền đạt thông tin gen về bản thân cho hậu duệ. Xuất phát điểm của sự sống, Gunawardena nói, 'không chỉ là sự xuất hiện của cấu trúc, mà còn là sự xuất hiện của một loại động lực cụ thể, đó là Darwinian. Đó là sự xuất hiện của các cấu trúc có khả năng sinh sản. Và khả năng của các đối tượng ảnh hưởng đến tỷ lệ sinh sản của chúng. Một khi bạn có hai điều kiện đó, bạn đang ở trong tình huống mà tiến hóa Darwinian bắt đầu, và đối với những người sinh học, đó là điều mà mọi thứ đều xoay quanh.'
Eugene Shakhnovich, một giáo sư hóa học và sinh học hóa học tại Harvard, người giám sát nghiên cứu đại học của England, nhấn mạnh sự chia rẽ giữa công việc của học trò cũ và các câu hỏi trong lĩnh vực sinh học. 'Anh ấy bắt đầu sự nghiệp khoa học của mình trong phòng thí nghiệm của tôi và tôi thực sự biết anh ấy có khả năng đến đâu,' Shakhnovich nói, nhưng 'Công việc của Jeremy đại diện cho các bài tập có thể thú vị trong cơ học thống kê không cân bằng của các hệ thống trừu tượng đơn giản.' Mọi tuyên bố rằng nó liên quan đến sinh học hoặc nguồn gốc của sự sống, ông thêm, là 'những suy đoán thuần túy và không biết xấu hổ.'
Ngay cả khi England đang đi đúng hướng về vật lý, các nhà sinh học muốn biết thêm chi tiết - như một lý thuyết về những 'tế bào tiền sinh' nguyên thủy là gì mà đã tiến hóa thành các tế bào sống đầu tiên, và cách mã gen xuất hiện. England hoàn toàn đồng ý rằng những phát hiện của mình không nói lên nhiều về điều gì đang diễn ra trong một hệ thống sinh học, cũng như không khẳng định rằng điều này chắc chắn là nói cho chúng ta biết sự sống như chúng ta biết nó đến từ đâu.'
Sarpeshkar có vẻ nhìn nhận việc thích ứng do sự tiêu thụ là màn trình diễn mở đầu của câu chuyện nguồn gốc của sự sống. 'Những gì Jeremy đang thể hiện là miễn là bạn có thể thu hoạch năng lượng từ môi trường của mình, thì sẽ có thứ tự tự nhiên nảy sinh và tự điều chỉnh,' ông nói. Vật sống đã tiến xa hơn những gì hệ thống phản ứng hóa học của England và Horowitz đã làm, ông lưu ý. 'Nhưng điều này liên quan đến việc sự sống xuất hiện lần đầu tiên, có lẽ - làm thế nào bạn có được thứ tự từ không.'
Câu chuyện gốc được tái bản với sự cho phép từ Quanta Magazine, một tờ báo độc lập biên tập của Simons Foundation với nhiệm vụ làm tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách đưa tin về các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và đời sống.
