آیا زندگی محصول قوانین آنتروپی است؟

نزدیک به هشتاد سال پیش، اروین شرودینگر او از دانش فیزیک زمان خود برای درک منشأ حیات و کشف رازهای نهفته در آن استفاده کرد. حالا دو دانشمند با یک نامه استفان الکساندر و سالوادور آلمارگومورنو آنها قصد دارند با کمک فیزیک جدید توضیحی برای منشا حیات بیابند.

در سپیده دم، جهان در نتیجه یک انفجار بزرگ شکل گرفت و سپس در نتیجه یک سری از فعل و انفعالات ذرات زیر اتمی، اتم ها، مولکول ها، ستارگان، سیارات و کهکشان ها شکل فعلی خود را تشکیل دادند. این توالی وقایع منجر به پیدایش حیات حداقل در یکی از این سیارات و البته پیدایش انسان شد. شکل گیری حیات و کهکشان ها گاهی به عنوان دو پدیده مجزا دیده می شوند. شیئی که به نام زیست شناسی شناخته می شود استیون گولد او او را یک استاد غیر همپوشانی می نامد.

برای کیهان شناسان، مطالعه سیستم های پیشرفته ای مانند حیات در تلاش آنها برای پاسخ به سؤالاتی مانند ماهیت بیگ بنگ یا مدل استاندارد فیزیک ذرات اهمیت چندانی ندارد. به همین ترتیب، زندگی در بیوسفر کاملاً جدا از آنچه در جهان گسترده اتفاق می افتد در نظر گرفته می شود. اما آیا واقعا مسئله این است؟

در ذهن دانشمندان برجسته ای مانند جام جم وونیون، اروین شرودینگر، کلود شانون و راجر پنروز این ایده شکل می گیرد که شاید بتوان با در نظر گرفتن حیات و جهان به عنوان دو طبیعت به هم پیوسته اطلاعات بیشتری به دست آورد. در این میان، نظرات اروین شرودینگر فیزیکدان مهمتر از دیگران است. چرا که گمانه زنی ها و پیش بینی های جسورانه او در زمینه زیست شناسی تاثیر زیادی بر جامعه علمی داشته است.

در سال 1943، برخی از سخنرانی های علمی شریدینگر در کالج ترینیتی دوبلین در قالب یک کتاب کوچک اما تأثیرگذار به نام زندگی چیست؟ منتشر شد. شریدینگر در این کتاب به بحث می پردازد که چگونه فیزیک، همراه با زیست شناسی و شیمی، می تواند ظهور حیات از ماده بی جان را توضیح دهد. شر این دینگر معتقد است که از همان قوانین فیزیکی که برای توصیف ستاره استفاده می شود برای مطالعه فرآیندهای بسیار ظریف متابولیسم درون سلولی استفاده شده است.

شر ین دینگر فیزیکدانی بود که در مورد زیست شناسی نیز دیدگاه های جالب و آینده نگرانه ای داشت.

شر ین دینگر می دانست که فیزیک زمان او نمی تواند برخی از اکتشافات شگفت انگیز تحقیق در مورد سلول های زنده را توضیح دهد. با این حال، او به تلاش برای استفاده از فیزیک برای توضیح منشأ حیات ادامه داد.

شر ین دینگر معتقد است که مکانیک کوانتومی باید نقش مهمی در شکل دادن به زندگی ایفا کند. زیرا قوانین کوانتومی باعث تثبیت اتم ها و ترکیبات آنها و در نهایت تشکیل مولکول های ماده زنده و غیر زنده می شود. در مواد بی جان، مانند فلزات، مکانیک کوانتومی به اتم ها اجازه می دهد تا به اشکال جالب ترکیب شوند. چیدمان به صورت کریستال های تناوبی که در واقع شبکه ای از اتم های بسیار متقارن هستند.

  پتنت اپل حکایت از تجربه مشابه با macOS در iPad با اتصال صفحه کلید به این تبلت دارد.

با این حال، شریدینگر معتقد است که آرایش تناوبی برای تشکیل حیات بسیار ساده است و در عوض معتقد است که وجود ماده زنده توسط بلورهای نامنظم ممکن شده است. از این رو، Schr in dinger پیشنهاد می‌کند که این ساختار منحصربه‌فرد آرایش اتم‌ها باید حاوی یک خط کد باشد که «الگوی کاملی برای رشد آینده هر فرد و عملکرد آن در بزرگسالی» ارائه می‌کند. به عبارت دیگر، او سعی داشت توصیفی اولیه از آنچه بعدها جهان نامیده شد، ارائه دهد.

رویکرد غیر تخصصی

قبل از شرودینگر، زیست شناسان ایده ژن ها را اختراع کردند. اما در آن زمان، ژن ها تنها واحد تعریف نشده برای به ارث بردن صفات والدین بودند. امروزه، ایده ژن های رمزگذاری شده، حاوی برنامه ساخت بدن و ایجاد مکانیسم های سلولی که سرنوشت موجودات زنده را تعیین می کند، آنقدر برای ما بدیهی و آشنا است که تقریباً در سراسر جهان شناخته شده است. با این حال، چگونگی به ارث بردن خواص مختلف در سطح مولکولی موضوعی است که زیست شناسان هنوز در حال آزمایش و کشف آن هستند.

جالب اینجاست که شرودینگر از استدلال کوانتومی برای تدوین فرضیه خود استفاده می کند. او یک زیست شناس نبود، بنابراین رویکرد جدیدی به این موضوع داشت. فیزیک و زیست شناسی از شریدینگر تا کنون راه درازی را پیموده اند. اکنون می توانیم همین روند را طی کنیم و از خود بپرسیم “زندگی چیست؟”

در سالهای اخیر، استفان الکساندرفیزیکدان نظری از دانشگاه براون و نویسنده کتاب ترس از تاریکی جهان، سالوادور آلمارگومورنو، یک زیست شناس از دانشگاه فلوریدا مرکزی در حال بررسی پاسخ این سوال است. این دو محقق گاهی اوقات برای نوشیدنی دور هم جمع می شوند و ایده های خود را در مورد کیهان شناسی و زیست شناسی به اشتراک می گذارند.

مقالات مرتبط:

الکساندر و آلمارگومورنو در بخشی از گفتگوی خود سعی کردند مانند شریدینگر به تحقیقات طرف مقابل از دیدگاهی غیرتخصصی نگاه کنند. علاوه بر سرگرم کننده بودن، می تواند به گسترش ایده های تحقیقاتی جدید کمک کند. از سال 2014، این ایده کلی مبنی بر اینکه ممکن است بین سیستم های زنده و جهان ارتباط دو طرفه وجود داشته باشد در ذهن اسکندر و آلمارگومورنو شکل گرفته است. ایده ای که در مقالات و کتاب هایی که منتشر می کنند راه پیدا کرده است.

برای درک این ارتباط، باید با مفهوم آنتروپی در کیهان شناسی و زیست شناسی آشنا باشیم. به طور خلاصه، آنتروپی معیاری از بی نظمی است که در جهان هستی در جریان است. اندکی پس از خلقت کیهان و قبل از شکل گیری ستارگان و سیارات، فضا به طور مساوی از تابش و ماده پر شد. همانطور که مخلوط گرم تر و پر جنب و جوش تر می شود، نظم آن کاهش می یابد و آنتروپی افزایش می یابد. اما با انبساط جهان، تشعشعات و ماده به طور یکنواخت و منظم‌تر توزیع می‌شوند که منجر به کاهش آنتروپی می‌شود.

با ادامه گسترش و سرد شدن جهان، ساختارهای پیچیده ای مانند ستارگان، کهکشان ها و حیات شکل می گیرند. قانون دوم ترمودینامیک بیان می کند که آنتروپی دائما در حال افزایش است. اما این ساختارها نسبت به سایر بخش های کیهان نظم بیشتری داشتند و در نتیجه آنتروپی کمتری داشتند. ناگفته نماند که احتمال کاهش آنتروپی در برخی نقاط هستی وجود دارد. از آنجایی که این نواحی بخشی از ساختار کلی جهان هستند، آنتروپی کل آن دائما در حال افزایش است.

  عینک مترجم واقعیت افزوده گوگل؛ پروژه های واقعی یا خیالی؟

آنتروپی نانوذرات

آنتروپی در دنیای نانوذرات

ممکن است یک ارتباط دو طرفه بین سیستم های زنده و جهان وجود داشته باشد

دانشمندان بر این باورند که وجود این شبکه از مناطق با کاهش آنتروپی امکان کاهش جریان زیست کره ها و تشکیل حیات در سیارات را فراهم می کند. پسندیدن لودویگ بولتزمنپدر علم ترمودینامیک می گوید:

مبارزه مشترک موجودات زنده برای هستی، مبارزه برای دسترسی به مواد خام نیست. این مبارزه برای انرژی نیز نیست. زیرا این انرژی به صورت گسترده در بدن به صورت گرما وجود دارد. این یک مبارزه برای آنتروپی است که تنها با انتقال انرژی گرم خورشیدی به زمین سرد حاصل می شود.

پدیده های نوظهور

همانطور که جهان به سمت ناهمگونی بیشتر حرکت می کند، با ادامه شکل گیری ساختارهای کم آنتروپی، آنتروپی در سایر بخش های جهان افزایش می یابد. علاوه بر این، آنتروپی در این ساختارها نیز تمایل به افزایش دارد. به همین دلیل است که آنتروپی و تعادل آن نقش مهمی در حفظ ساختارهای کیهانی از جمله ستاره منظومه شمسی و حیات در حیات دارد.

در واقع وجود یک جهان جوان و بی‌جان با آنتروپی کم برای شکل‌گیری حیات مدرن روی زمین ضروری بود. به عنوان مثال، انرژی ساطع شده از خورشید توسط الکترون های گیاهی جذب می شود که منجر به یک سری فرآیندهای بقا می شود. گیاهان انرژی دریافتی را به صورت گرما آزاد می کنند و آنتروپی بیشتری را به کیهان باز می گرداند.

متأسفانه، با دانش فعلی ما از فیزیک، نمی‌توانیم توضیح دهیم که چرا آنتروپی جهان اولیه تا این حد پایین بوده است. در واقع تولید آنتروپی کم در اثر انفجار بزرگ یکی از معایب اصلی این نظریه است. با این حال، بخش بیولوژیکی داستان از تحقیقات سالوادور آلمارگومورنو در مورد محرک های ژنتیکی و محیطی ناشی می شود. این محرک ها توانستند جمعیت باکتری های بی ضرر را به عوامل بیماری زا تبدیل کنند.

جریان آنتروپی منفی برای کل زمین وجود دارد و مختص موجودات زنده نیست

یکی از نکات مهم در مورد تبدیل باکتری ها به عوامل بیماری زا این است که فقط موضوع کد ژنتیکی باکتری ها نیست. یکی از باورهای آلمارگومورنو این است که زندگی یک پدیده انطباقی است که دائماً به تغییرات ثابت و غیرقابل پیش بینی فشارهای محیط زندگی پاسخ می دهد.

سازگاری حیات، ارگانیسم را به پدیده ای جدید تبدیل می کند. یعنی شکل نهایی آن محدود به اجزای آن نیست; بلکه توسط سیستم های بزرگتری که به آن تعلق دارد تعیین می شود. ماده زنده شامل شبکه ای از مکانیسم های پیچیده در زمینه محیط است. هر سیستم زنده ای می تواند عملکرد میلیاردها سلول را برای بقای خود تنظیم کند. اما علاوه بر این، مجموعه ای از موجودات شبکه ای به نام اکوسیستم را تشکیل می دهند که تعادل پویا نیز دارد.

برای اولین بار در سال 1970م جیمز لاولاک و لین مارگولیس آنها ایده زمین را به عنوان یک اکوسیستم خود تنظیم کننده معرفی کردند و بعدها به عنوان فرضیه گایا او معروف شد. درک ما از فرضیه گایا این است که جریان آنتروپی منفی نه تنها برای موجودات زنده، بلکه برای کل زمین وجود دارد. خورشید انرژی رایگان خود را به زمین می فرستد و این انرژی از طریق مجموعه ای از فعل و انفعالات در شبکه ای از موجودات زنده توزیع می شود. موجوداتی که برای حفظ پیچیدگی خود در مواجهه با بی نظمی رو به رشد به این انرژی نیاز دارند.

برای قرار دادن نقش حیات در قوانین ترمودینامیک، باید ساختارهای تنظیم کننده (مانند سلول ها) را تعریف کنیم. ما این سازه ها را می سازیم واحدهای نگتروپیک (آنتروپی منفی) یا UON؛ اما چیزی به نام “ناهار رایگان” وجود ندارد. وقتی UNO انرژی خود را در محیط آزاد می کند، اغلب آنتروپی کل را افزایش می دهد.

این همسویی غیرعادی بین سیستم های زنده و واحدهای غیر انسان و تکامل جهان ممکن است تصادفی به نظر برسد. اما دانشمندان تصمیم گرفته اند به طور متفاوتی به آن نگاه کنند. آنها می گویند باید یک اصل سازماندهی مرکزی برای تکامل جهان و پیدایش حیات وجود داشته باشد. سالوادور آلمارگومورنو نام او را پیشنهاد کرد اصل انسان محوری قرار گرفتن نامی که یادآور فرضیه دیگری به نام اصل اومانیسم است.

اصل انسان مداری در قوی ترین بیان خود بیان می کند که جهان و همه مکانیسم های آن برای شکل دادن به حیات طراحی شده اند. دلیل طرح اصل انسان مداری به درک ما از طبیعت برمی گردد. گویی تمام قوانین آن برای شکل گیری زندگی و تکامل انسان بهینه شده است. به عنوان مثال، اگر نیروی هسته ای تشکیل دهنده هسته اتم ها حتی چند درصد با مقدار فعلی آنها متفاوت بود، ستارگان قادر به تولید کربن نبودند و در نتیجه، زندگی مبتنی بر کربن هرگز تکامل نمی یافت.

با این حال، راز بهینه سازی دقیق جهان ممکن است چندان پیچیده نباشد. تحقیق استفان الکساندر و همکاران. نشان می دهد که حتی اگر ثابت های طبیعی مانند گرانش و ضرایب الکترومغناطیسی متغیر باشند، تا زمانی که امکان تغییر همزمان آنها وجود داشته باشد، می توانند به تشکیل کیهانی منجر شوند که برای پیدایش حیات مناسب است. با در نظر گرفتن این موضوع، ممکن است به وجود اصلی به عنوان یک اصل انسان محور نیاز نداشته باشیم. اما کنار گذاشتن این اصل آسان نیست.

اگر کائنات نمی توانست راه هایی برای ایجاد مناطقی با آنتروپی کمتر ارائه دهد، امروز حیات وجود نداشت. این باعث می‌شود به این فکر کنیم که آیا انسان‌ها در بیوسفرهای فضایی زندگی می‌کنند یا اینکه خود کیهان یک سلول فضایی است.

دیدگاهتان را بنویسید