Naš obstoj je neizbežen, pravi matematika

Zakaj obstaja življenje? Zakaj obstajamo mi? Mnogi bodo trdili, da nas je ustvarilo nebeško bitje, a vsakemu z nekaj logike je jasno, da temu ni tako. A tudi znanost nima jasnega odgovora. Najpopularnejša teorija pravi, da se je življenje začelo v pradavni “juhi” pred več kot tremi milijardami leti, ko naj bi strela iz vode, metana, amonijaka in vodika ustvarila aminokisline in sladkor (dokazano leta 1953). Druga teorija pravi, da so se prve molekule življenja srečale na glini. Tretja pa trdi, da so se zapletene molekule razvile skozi preproste reakcije med preprostimi molekulami.

A najnovejša teorija pravi, da naš obstoj ni tako naključen, kot se je zdelo doslej. Za fizike je največja razlika med živimi in neživimi bitji ta, da živa bitja veliko bolje sprejmejo energijo in jo nato oddajajo kot toploto. Jeremy England, 31-letni profesor na bostonskem MIT, je napisal matematično formulo, ki naj bi razložila prav to. Formula pravi:

Ko je skupina atomov pod vplivom zunanjega vira energije (sonce ali kemično gorivo) in obkroženo s “toplotno kopeljo” (ocean ali atmosfera), potem se bo sčasoma preuredila tako, da bo oddajala več energije.

To pomeni, da se pod določenimi pogoji neživa snov preoblikuje v živo snov, ker tako bolj učinkovito predeluje energijo v toploto. England je dal za primer celice mahu Plagiomnium, ki so opremljeni z vidnimi kloroplasti, ki omogočajo fotosintezo.

“Če naključno gmoto atomov dovolj dolgo osvetljujete, se ne čudite, če ustvarite rastlino.”

Tu gre seveda za izjemno dolgotrajen proces. Englandova teorija pa ne kljubuje Darwinovi teoriji evolucije, ampak jo le še nadgradi. Z vidika fizike je evolucija življenja na Zemlji le poseben primer bolj splošnega pojava.

Njegova ideja, ki jo natančneje razloži v svoji disertaciji, in ki jo v svojih predavanjih predstavlja širom sveta, je dvignila obilo prahu v svetu znanosti. Nekateri profesorji ga hvalijo in dodajo, da je eden najbolj bistrih znanstvenikom današnjih dni, drugi pa zamahnejo z roko in pravijo, da je njegova teorija sicer zanimiva, a da je trenutno izredno spekulativna in ne povsem mogoča, ko je govora o življenju.

Srce Englandove teorije je drugi zakon termodinamike, ki mu pravijo tudi zakon o povečanju entropije ali celo “puščica časa”. Če citiram Kelvina:

Ni mogoča takšna krožna sprememba, pri kateri bi sistem prejel toploto iz toplotnega rezervoarja in oddal enako veliko delo, ne da bi se pri tem spremenilo karkoli drugega v okolici.

Po domače: vroče stvari se ohladijo, plini se razpršijo v zraku, umešanja jajca se nikoli ne “razmešajo” nazaj v prvotno stanje. Energija se s časom vedno razprši. Ko na štedilniku segrejete vodo in si naredite kavo, imate v skodelici ujeto okusno tekočino, v katero je bilo vložene ogromno energije (dobesedno). Če skodelico pustite na mizi, se bo prej ali slej ohladila na sobno temperaturo in s tem dosegla ravnovesje. Energija se je v obliki toplote razpršila po prostoru, kava pa je ostala mlačna. Ta pojav merimo z entropijo, ki meri, kako razpršena je energija med delci v sistemu in kako so ti delci razporejeni po prostoru.

Povečanje entropije je stvar verjetnosti, saj obstaja več načinov, kako se energija razprši kot načinov, kako ostane skoncentrirana. Ko se delci v sistemu premikajo in se odzivajo drug na drugega, se povsem naključno prilagodijo načinu, po katerem se energija razprši. To pomeni, da bo sistem prej ali slej dosegel stanje maksimalne entropije, ki ji pravimo “termodinamično ravnovesje”. V takšnem ravnovesju je energija enakomerno razporejena. Prej omenjena kava v skodelici ima enako temperaturo kot okolica.

Kako preprečimo takšno potratnost? Ljudje bi kavo dali v termovko, narava pa bi ustvarila ljudi. V zaprtem sistemu se mora entropija po naravnih zakonih povečati (stvari se ohlajajo), v odprtih sistemih pa je lahko nizka – če se energija neenakomerno razporedi med atomi in s tem poveča entropijo v svoji okolici. Leta 1944 je fizik Erwin Schrödinger (ja, tisti z mačko v škatli) napisal monografsko študijo z naslovom “Kaj je življenje?” in v njej zapisal, da je neenakomerno razporejanje energije med atomi naloga živih bitij. Rastlina absorbira sončne žarke, ki so absurdno nabiti z energijo, ki jo rastlina spremeni v sladkorje, oddaja pa infrardečo svetlobo, ki je veliko manj skoncentrirana oblika energije. Entropija okolja (in vesolja) se s fotosintezo povečuje, saj rastlina sončno energijo znova odda in razprši, obenem pa ohranja samo sebe pri življenju.

Življenje tako ne krši drugega zakona termodinamike in od Schrödingerja do nedavnega enačbe termodinamike niso mogli rešiti za odprte sisteme. V devetdesetih sta fizika Chris Jarzynski in Gavin Crooks pokazala, da se entropija, ki jo ustvari termodinamični proces (ohlajanje skodelice kave), ravna po preprostem razmerju: verjetnost, da bodo atomi podvrženi procesu, deljeno z verjetnostjo, da se bo zgodil obratni proces (torej samodejno segrevanje kave brez zunanjega vira energije). To fizikalno statistično formulo je leta 2013 Jeremy England, strokovnjak v fiziki in biokemiji, uporabil na biologiji.

Z uporabo formulacije Jarzynskija in Crooksa je prišel do posplošitve drugega zakona termodinamike, ki držijo za sisteme delcev z določenimi lastnostmi:

Sisteme močno poganja zunanji vir energije (elektromagnetni valovi), nato pa ti sistemi toploto odlagajo v okolico (ta okolica mora biti bodisi voda bodisi atmosfera.)

Takšen sistem je vsako živo bitje. Tudi vaš maček ali vaša babica. Ti sistemi se nato s časom razvijajo in postajajo vedno bolj učinkoviti, t.j. takšni, ki bodo sprejeli čim več energije in oddali čim več toplote. Gruče atomov, ki so plavale v “kopeli” z določeno temperaturo (ocean), se bodo s časom preuredile tako, da bodo vedno bolj prilagojene virom energije. Ali še bolj preprosto: energija, ki obdaja gručo atomov, te atome prisili, da se preoblikujejo tako, da ustrezajo smeri energije – to je vedno večja entropija.

Entropija torej neprestano sili snov, da se organizira in razmnožuje v vedno bolj zapletene oblike. Skupaj z naravno selekcijo, seveda. Razmnoževanje pa je eden od mehanizmov, s katerim sistem oddaja vedno večjo količino energije. Kako oddaš več energije? “Narediš kopijo sebe,” pravi England. Še več: RNA, prednik DNK in glavni gradnik življenja na Zemlji (in drugje?) je najcenejši gradbeni material, zato je bila evolucija iz enoceličarjev v zapletene organizme kot sta človek ali mačka neizbežna.

Juha iz pradavnine, geografija, kataklizmični dogodki in naključne mutacije so gotovo botrovale našemu nastanku. Ljudje smo takšni kot smo zaradi neštetih pogojev in naključnih mutacij. A po Englandovi teoriji je takšen razvoj neizbežen. Lahko bi se razvila povsem drugačna bitja (že ena mutacija v preteklosti manj, pa bi bili nekaj drugega), a razvila bi se. Bistvo življenja bi potemtakem lahko bilo prilagajanje snovi za čimbolj učinkovito oddajanje energije.

Dodatno branje:

• Jeremy England: Statistical physics of self-replication
• Nick Lane: The Vital Question: Energy, Evolution, and the Origins of Complex Life
• Don S. Lemons: A Student’s Guide to Entropy
• Erwin Schrödinger: What is Life?
• Addy Pross: What is Life?: How chemistry becomes biology