Artykuł w „Inference” pokazuje, że procesy naturalne nie wyjaśniają pochodzenia życiaCzas czytania: 11 min

Brian Miller

2022-02-09
Artykuł w „Inference” pokazuje, że procesy naturalne nie wyjaśniają pochodzenia życia<span class="wtr-time-wrap after-title">Czas czytania: <span class="wtr-time-number">11</span> min </span>

W ciągu ostatnich kilku lat chemik organiczny James Tour pokazał, dlaczego na przestrzeni ostatnich stu lat naukowcy badający pochodzenie życia nie byli w stanie podać, w jaki sposób procesy naturalne mogły doprowadzić do powstania pierwszej, zdolnej do replikacji komórki (pomimo że możemy spotkać się ze stwierdzeniami, iż takie wyjaśnienia zostały przedstawione)1. Ten smutny stan rzecz, na co już zwracałem uwagę, był całkowicie do przewidzenia, gdy się uwzględni wyzwania płynące z termodynamiki i teorii informacji2. Raz jeszcze przeanalizowałem dokładnie to zagadnienie, a wnioski, do których doszedłem, przedstawiłem w artykule opublikowanym w czasopiśmie „Inference”3. Chociaż tekst jest wysoko techniczny i matematyczny, to jednak zasadniczy argument w nim zawarty można przełożyć na prosty język przy nieznacznej utracie precyzji.

 

Wyzwania termodynamiczne

Większość systemów fizycznych wykazuje tendencję zmian w kierunku wzrostu entropii albo zmniejszenia energii lub jednego i drugiego. Teoria entropia jest z grubsza kojarzona z poziomem nieuporządkowania jakiegoś systemu (pomyślmy o pokoju, w którym jest bałagan, i o takim, gdzie jest porządek), jednak precyzyjniejszy opis łączy tę koncepcję z miarą informacji Shannona4. W kontekście powstania życia, duże cząsteczki z wiązaniami chemicznymi o większej energii będą miały skłonność do dzielenia się na mniejsze cząstki z wiązaniami o niższej energii. Natomiast bardzo złożone, wyspecyfikowane struktury będą dążyły do rozpadu na niezorganizowaną mieszankę prostych cząsteczek, substancji smolistych i innych biologicznie biernych produktów.

Entropia i energia są często łączone przez fizyków i chemików w coś, co jest określane jako wolna energia5. Wielkość ta jest szczególnie istotna, ponieważ procesy naturalne dążą do mniejszej wolnej energii. Wolna energia równa się także energii, która jest dostępna, by wykonać jakąś pracę. Przykładowo, energia baterii może być z łatwością wykorzystana do uruchomienia zegarka, zawiera zatem dużo wolnej energii. Dla odmiany cząsteczki powietrza w gorący letni dzień posiadają dużo energii, aczkolwiek dzięki tej energii samochód nie może wjechać na wzgórze. Zatem gorące powietrze zawiera mało wolnej energii. Problem, przed którym tutaj stoimy, polega na tym, że aby na pierwotnej Ziemi mogła powstać komórka, proste cząsteczki musiałyby łączyć się w układy o niskiej entropii i dużej energii. Innymi słowy, powstanie życia wymaga, by cząsteczki dążyły do znacząco większej wolnej energii – a to zadanie, które niemal zawsze jest fizycznie niemożliwe.

Wielu naukowców badających pochodzenie życia odpowiedziało na to wyzwanie, argumentując, że system znacząco odchodzący od stanu równowagi mógłby zorganizować się w funkcjonalną komórkę6. Nadzieję pokłada się tutaj w idei, że jakieś nowe fizyczne zasady mogą pokonać bariery stawiane przez klasyczną termodynamikę. Nadzieja ta przejawia się w badaniach fizyka z Massachusetts Institute of Technology Jeremy’ego Englanda7. Przedstawił on spekulację w postaci „fizycznej teorii życia”, bazującą na czymś, co się określa jako twierdzenia fluktuacji. Jego badania zostały potraktowane przez media jako klucz do wyjaśnienia zagadki powstania życia8.

Mój artykuł pokazuje, że twierdzenia fluktuacji wskazują na coś przeciwnego. Mianowicie, systemy oddalające się od stanu równowagi również zmierzają ku większej entropii, oddając ciepło do środowiska. Powstanie życia wymaga jednak czegoś innego: energia musi być pobrana z otoczenia w taki sposób, aby w lokalnym zbiorze cząsteczek wzrosła wolna energia oraz by ten zbiór cząsteczek przekształcił się w określony stan o niskiej entropii. Matematycznie rzecz ujmując, twierdzenia fluktuacji pokazują, że powstanie komórki jest tak samo krańcowo nieprawdopodobne w stanach dalekich od równowagi, jak i w stanach jej bliskich.

 

Silniki i informacja

Istnieje tylko jeden sposób, aby pokonać te termodynamiczne bariery9. Mianowicie muszą zostać spełniona dwa warunki:

  1. Potrzebne są silniki konwertujące jakieś źródła zewnętrznej energii w formę, która nadaje się do napędzania operacji komórkowych.
  2. Potrzebna jest informacja, dzięki której ta energia zostałaby spożytkowana na uruchomienie określonego rodzaju reakcji chemicznych, które wytwarzają, utrzymują i kierują komórką.

Silniki występujące w komórkach obejmują takie maszyny molekularne jak syntaza ATP.  Informacja zawarta jest w DNA, a także w długich łańcuchach aminokwasów zwanych białkami. Informacja w białkach odnosi się do precyzyjnej sekwencji aminokwasów, co jest analogiczne do ułożenia liter w zdaniu. Tego rodzaju sekwencja powoduje, że nowo uformowane białko fałduje się w określony trójwymiarowy kształt10, dzięki czemu może stać się jednym z elementów struktury komórki lub funkcjonować jako enzym aktywujący określoną reakcję. Informacja w DNA przechowuje (koduje) sekwencje białek, co umożliwia wytwarzanie większej ilości tego typu struktur, a także koordynację i kontrolę tego procesu.

Tak więc już na samym początku życia musiał istnieć pełen zakres enzymów lub ich odpowiedników – aby komórka mogła przetrwać i uniknąć natychmiastowego rozpadu na prostsze związki chemiczne, potrzebuje zestawu ściśle określonych, połączonych ze sobą reakcji chemicznych podtrzymujących kluczowe dla jej istnienia procesy. Jednak szansa, by takie reakcje miały miejsce na pierwotnej Ziemi, jest astronomicznie mała11. Co więcej, różne reakcje wymagają wzajemnie wykluczających się warunków środowiskowych12. Innymi słowy, nie mogą one zachodzić w tym samym miejscu i w tym samym czasie. Dodatkowo, wiele reakcji nie zachodzi spontanicznie bez zewnętrznej energii narzucającej właściwy kierunek tym reakcjom. A nawet te, które mogą następować naturalnie, zachodzą zbyt wolno, by mogły wspierać aktywność komórkową.

Jedynie enzymy są w stanie spełnić wszystkie wskazane wyżej wymagania i tylko one mogą pokonać wszystkie przeszkody. To miejsca aktywne enzymów tworzą właściwe środowisko dla ich katalitycznych reakcji, dramatycznie przyspieszając ich prędkość zachodzenia. Mogą one także pozyskiwać energię z wysokoenergetycznych cząstek tworzonych przez silniki oraz wykorzystywać ją do aktywowania niespontanicznych reakcji. Inne cząsteczki, takie jak rybosomy, nie mają tego typu koniecznych zdolności13. Nie sposób nie wspomnieć również o tym, że wymagany zestaw enzymów zawiera zadziwiającą ilość informacji.

 

Minimalne wymagania

Uczeni specjalizujący się w biologii komórki próbowali określić minimalną złożoność genomu: minimalną ilość genów i białek, które są wymagane do zaistnienia najprostszej żywej komórki. Niezależnie od tego, inżynierowie, informatycy i matematycy dążyli do wskazania minimalnego zestawu części wymaganych dla maszyny, która mogłaby wytworzyć swoją w pełni funkcjonalną kopię (czyli maszyny samoreplikującej). Rezultaty tych dwóch osobno prowadzonych badań zbiegły się i pozwoliły określić komponenty, które musiały istnieć przy powstaniu życia14. Lista wygląda następująco:

  • Duże repozytoria informacji i przetwarzania informacji.
  • Centra produkcyjne, które wytwarzają wszystkie wymagane części.
  • Montowanie i instalacja wszystkich tych części.
  • Produkcja energii i maszyneria jej dystrybucji.
  • Zautomatyzowane systemy naprawcze i wymieniające części.
  • Bariery z kontrolnymi bramkami przepuszczające w obydwu kierunkach określone materiały.
  • Globalna komunikacja i koordynacja z kontrolnymi systemami sprzężeń.
  • Badanie otoczenia i obliczanie właściwych zachowań.
  • Samoreplikacja, która wymaga prawie wszystkich innych kluczowych funkcji.

Te minimalne wymagania obejmują kilkaset enzymów i ponad milion bitów informacji. Ta ilość z grubsza odpowiada informacji zawartej w książce Charlesa Dickensa Opowieść wigilijna.

 

Świadectwa projektu

Wielu naukowców zaczęło rozumieć kluczową rolę informacji w naukach o życiu. Przykładowo, naukowcy zajmujący się pochodzeniem życia, tacy jak Sara Imari Walker i Paul Davies, opisali potrzebę pojawienia się „informacji, która może organizować materię”15. Innymi słowy, aby mogło zaistnieć właściwe ułożenie cząsteczek, wcześniej potrzebna jest informacja.

Inżynier chemiczny i biomolekularny Yaşar Demirel pokazał, że tylko za pomocą informacji można osiągnąć i utrzymać w komórce stan niskiej entropii16. Żadne naturalne procesy nie są w stanie wytworzyć dużych ilości sensownej informacji17.

W książce The Mystery of Life’s Origin: The Continuing Controversy [Tajemnica pochodzenia życia. Nieustająca kontrowersja] wskazałem na konsekwencje wynikające z powyższych rozważań:

Podsumowując, nie można wiarygodnie wytłumaczyć, że pierwsza komórka powstała w efekcie niekierowanego procesu. Co więcej, minimalne wymagania dla powstania takiej komórki jednoznacznie wskazują na działanie inteligencji. W każdym innym kontekście, przy zachowaniu wszystkich sensownych i oczywistych kryteriów, moglibyśmy z łatwością wykryć projekt, na przykład badając nanotechnologiczny statek mogący wytwarzać energię, przetwarzać informację i sterować innymi znanymi procesami. W szczególności procesy i struktury komórkowe stanowią świadectwo dalekowzroczności18, koordynacji i ukierunkowania na cel, co jest charakterystyczną cechą działania inteligencji19.

Brian Miller

Oryginał: „Inference” Article Demonstrates Implausibility of Natural Processes for Explaining the Origin of Life, „Evolution News & Science Today” 2020, May 5 [dostęp 09 II 2022].

 

Przekład z języka angielskiego: Piotr Kublicki

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 09.02.2022

 

 

Przypisy

  1. Listę artykułów Jamesa Toura na ten temat zobaczyć można na stronach „Inference Review”: J. Tour, „Inference Review”. B. Miller, Origin of Life, Public Education, and Religious Neutrality, „Evolution News & Science Today” 2019 [dostęp 16 VIII 2021]; B. Miller, The Origin of Life: Dangers of Taking Research Claims at Face Value, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021].
  2. Por. B. Miller, Thermodynamics of the Origin of Life, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021]; B. Miller, The Origin of Life: Correcting Common Mistakes on Thermodynamics, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021]; B. Miller, Origin of Life and Information – Some Common Myths, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021]; B. Miller, The Origin of Life: The Information Challenge, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021].
  3. B. Miller, J. England, Hot Wired, „Inference Review” 2020, May, Vol. 5, No. 2 [dostęp 16 VIII 2021].
  4. Por. A. Ben-Naim, Entropy, Shannon’s Measure of Information and Boltzmann’s H-Theorem, „Entropy” 2017, Vol. 19, No. 48, s. 1–18.
  5. Por. Gibbs Free Energy and Spontaneity, „Khan Academy” 2015 [dostęp 16 VIII 2021].
  6. Por. B. Miller, Thermodynamic Challenges to the Origin of Life, „Evolution News & Science Today” 2020 [dostęp 16 VIII 2021]; B. Miller, The Origin of Life, Self-Organization, and Information, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021].
  7. Por. B. Miller, Hailed as the „Next Darwin, MIT’s Jeremy England Sheds Little Light on Life’s Origins, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021].
  8. Por. N. Wolchover, A New Physics Theory of Life, „Quanta Magazine” 2014 [dostęp 16 VIII 2021].
  9. Por. B. Miller, Free Energy and the Origin of Life: Natural Engines to the Rescue, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021].
  10. Por. B. Miller, Protein Folding and the Four Horsemen of the Axocalypse, „Evolution News & Science Today” 2018 [dostęp 16 VIII 2021].
  11. Por. P. Tompa, G.D. Rose, The Levinthal Paradox of the Interactome, „Protein Sci” 2011, Vol. 12, s. 2074–2079.
  12. Por. N. Kitadai, S. Maruyama, Origins of Building Blocks of Life: A Review, „Geoscience Frontiers” 2018, Vol. 9, No. 4, s. 1117–1153.
  13. Por. C. Luskin, As a Solution to the Origin of Life, RNA World Model Comes Under Attack, „Evolution News & Science Today” 2015 [dostęp 16 VIII 2021].
  14. Por. J.I. Glass et al., Essential Genes of a Minimal Bacterium, „PNAS” 2006, Vol. 103, No. 2, s. 425–430; R. Freitas Jr, W. Zachary, A Self-replicating, Growing Lunar Factory, „4th Space manufacturing; Proceedings of the Fifth Conference” 18–21 May 1981, Princeton, NJ, USA; J. Neumann, Theory of Self-reproducing Automata, Urbana 1996.
  15. S.I. Walker, P.C.W. Davies, The Hard Problem of Life, arXiv 2016 [dostęp 16 VIII 2021].
  16. Por. Y. Demirel, Information in Biological Systems and the Fluctuation Theorem, „Entropy” 2014, Vol. 16, No. 4, s. 1931–1948.
  17. Por. B. Miller, Evolutionary Informatics: Marks, Dembski, and Ewert Demonstrate the Limits of Darwinism, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021]; W. Ewert, W.A. Dembski, R.J. Marks II, Algorithmic Specified Complexity, w: Engineering and the Ultimate: An Interdisciplinary Investigation of Order and Design in Nature and Craft, ed. J. Bartlett, D. Halsmer, M. Hall,  Toronto 2014, s. 131–149 [dostęp 16 VIII 2021].
  18. Autor prawdopodobnie nawiązuje tutaj do badań jednego z teoretyków projektu, Marcosa Eberlina, opublikowanych na stronach książki Foresight: How the Chemistry of Life Reveals Planning and Purpose [Dalekowzroczność. Jak biochemia ukazuje planowanie i celowość]. Por. M. Eberlin, Foresight: How the Chemistry of Life Reveals Planning and Purpose, Discovery Institute, Seattle 2019 (przyp. tłum.).
  19. B. Miller, Thermodynamic Challenges to the Origin of Life, w: The Mystery of Life’s Origin, C.B. Thaxton et al., Discovery Institute, Seattle 2020, s. 368–369 [359–374].

Literatura:

  1. Ben-Naim A., Entropy, Shannon’s Measure of Information and Boltzmann’s H-Theorem, „Entropy” 2017, Vol. 19, No. 48, s. 1–18.
  2. Demirel Y., Information in Biological Systems and the Fluctuation Theorem, „Entropy” 2014, Vol. 16, No. 4, s. 1931–1948.
  3. Eberlin M., Foresight: How the Chemistry of Life Reveals Planning and Purpose, Discovery Institute, Seattle 2019.
  4. Ewert W., Dembski W.A., Marks R.J. II, Algorithmic Specified Complexity, w: Engineering and the Ultimate: An Interdisciplinary Investigation of Order and Design in Nature and Craft, eds. J. Bartlett, D. Halsmer, M. Hall, Toronto 2014, s. 131–149 [dostęp 16 VIII 2021].
  5. Freitas R. Jr, Zachary W., A Self-Replicating, Growing Lunar Factory, „4th Space Manufacturing; Proceedings of the Fifth Conference” 18–21 May 1981, Princeton, NJ, USA.
  6. Gibbs Free Energy and Spontaneity, „Khan Academy” 2015 [dostęp 16 VIII 2021].
  7. Glass J.I. et al., Essential Genes of a Minimal Bacterium, „PNAS” 2006, Vol. 103, No. 2, s. 425–430.
  8. Kitadai N., Maruyama S., Origins of Building Blocks of Life: A Review, „Geoscience Frontiers” 2018, Vol. 9, No. 4, s. 1117–1153.
  9. Luskin C., As a Solution to the Origin of Life, RNA World Model Comes Under Attack, „Evolution News & Science Today” 2015 [dostęp 16 VIII 2021].
  10. Miller B., Evolutionary Informatics: Marks, Dembski, and Ewert Demonstrate the Limits of Darwinism, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021].
  11. Miller B., Free Energy and the Origin of Life: Natural Engines to the Rescue, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021].
  12. Miller B., Hailed as the „Next Darwin, MIT’s Jeremy England Sheds Little Light on Life’s Origins, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021].
  13. Miller B., Origin of Life and Information – Some Common Myths, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021].
  14. Miller B., Origin of Life, Public Education, and Religious Neutrality, „Evolution News & Science Today” 2019 [dostęp 16 VIII 2021].
  15. Miller B., Protein Folding and the Four Horsemen of the Axocalypse, „Evolution News & Science Today” 2018 [dostęp 16 VIII 2021].
  16. B. Miller, Thermodynamic Challenges to the Origin of Life, w: The Mystery of Life's Origin, C.B. Thaxton et al., Discovery Institute, Seattle 2020, s. 359–374.
  17. Miller B., The Origin of Life: Correcting Common Mistakes on Thermodynamics, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021].
  18. Miller B., The Origin of Life: Dangers of Taking Research Claims at Face Value, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021].
  19. Miller B., The Origin of Life, Self-Organization, and Information, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021].
  20. Miller B., The Origin of Life: The Information Challenge, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021].
  21. Miller B., Thermodynamic Challenges to the Origin of Life, „Evolution News & Science Today” 2020 [dostęp 16 VIII 2021].
  22. Miller B., Thermodynamics of the Origin of Life, „Evolution News & Science Today” 2017 [dostęp 16 VIII 2021].
  23. Miller B., England J., Hot Wired, „Inference Review” 2020, Vol. 5, No. 2 [dostęp 16 VIII 2021].
  24. Neumann J., Theory of Self-Reproducing Automata, Urbana 1996.
  25. Tompa P., Rose G.D., The Levinthal Paradox of the Interactome, „Protein Sci” 2011, Vol. 12, s. 2074–2079.
  26. Walker S.I., Davies P.C.W., The Hard Problem of Life, arXiv 2016 [dostęp 16 VIII 2021].
  27. Wolchover N., A New Physics Theory of Life, „Quanta Magazine” 2014 [dostęp 16 VIII 2021].
Liczba wyświetleń: 1 018
Tagi: aminokwasy, białka, Claude Shannon, DNA, druga zasada termodynamiki, energia, entropia, genom, James Tour, Jeremy England, miara informacji Shannona, Paul Davies, Sara Imari Walker, syntaza ATP, teoria entropii, Yasar Demirel

Jedna odpowiedź do “Artykuł w „Inference” pokazuje, że procesy naturalne nie wyjaśniają pochodzenia życiaCzas czytania: 11 min ”

  1. „Uczeni specjalizujący się w biologii komórki próbowali określić minimalną złożoność genomu: minimalną ilość genów i białek, które są wymagane do zaistnienia najprostszej żywej komórki.”

    Tutaj dokładniej, w sposób systematyczny jest napisane, jak przebiegały badania nad genomem minimalnym:

    https://slawekp7.wordpress.com/2021/08/09/abiogeneza-najpierw-rna-najpierw-metabolizm-czy-najpierw-bialka/

    https://science.sciencemag.org/content/351/6280/aad6253

    Ten tekst rzuca większe światło na te szczegoly:

    https://slawekp7.wordpress.com/2014/12/26/genom-minimalny/

    Dostępne na yt filmy dotyczące pracy Craiga Ventera:

    https://youtu.be/y2WikAyjeB8

    https://youtu.be/aBOICzkRSvs

    Odpowiedz

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *



Najnowsze wpisy

Najczęściej oglądane wpisy

Wybrane tagi