منشا تکامل و حیات چیست؟

zoomit.ir: منشا حیات چیست؟ این سوالی است که امروزه نیز در پاسخ به آن نمی‌توان با اطمینان تمام سخن گفت اما به تازگی فیریکدانی در دانشگاه MIT نظریه‌ای ارائه داده و ادعا می‌کند حیات موجودات و تکامل آن‌ها از روی شانس نبوده و ریشه در قوانین فیزیکی دارد.


فرضیه‌های معروف دسته‌ای از نور، انفجاری عظیم‌الجثه و شانسی بزرگ را دلیل وجود حیات می‌دانند اما اگر نظریه‌ی جدید مطرح شده صحیح باشد، نقش شانس در این دلایل بسیار کم‌رنگ خواهد شد. این نظریه منشا تکامل در حیات را قوانین فیزیکی می‌داند و مسیر تکامل را امری بدیهی می‌شمارد.

از دیدگاه فیزیکی تنها یک تفاوت عمده بین موجودات زنده و دسته‌ای ساکن از اتم‌های کربن وجود دارد: موجودات زنده در گرفتن انرژی از محیط و باز پس دادن آن به صورت گرما بسیار بهتر عمل می‌کنند. جرمی اینگلند، استادیار ۳۱ ساله‌ی دانشگاه MIT مدعی است که فرمولی ریاضی را استخراج کرده که می‌تواند این ظرفیت را توصیف کند.

این فرمول بیان می‌کند که اگر دسته‌ای از اتم‌ها که انرژی خود را از منبعی خارجی مانند خورشید یا سوخت شیمیایی، تامین می‌کنند در حمام گرمی مانند جو زمین یا اقیانوس قرار بگیرند، ساختار خود را به گونه‌ای تغییر می‌دهد که انرژی بیشتری آزاد کنند. این اتفاق بدین معنا است که در شرایط مشخصی ماده می‌تواند مهم‌ترین عامل فیزیکی در ارتباط با حیات یعنی انرژی را کسب کند. اینگلند می‌گوید:

می‌توانید از دسته‌ای از اتم‌ها شروع کنید، اگر به آن انرژی کافی بدهید و به مدت طولانی آن را در معرض نور قرار دهید، دور از ذهن نیست که این اتم‌ها به یک گیاه تبدیل شوند.


نظریه‌ی اینگلند، نظریه‌ی داروین را رد نمی‌کند، اما تحولات نظریه‌ی داروین را از روی شانس و اقبال نمی‌داند و بیان می‌کند که این تحولات پایه‌های فیزیکی دارند. اینگلند این‌گونه ادامه می‌دهد:

قطعا من نظریه‌ی داروین را نمی‌توانم رد کنم اما از دید فیزیکی تحولات نظریه‌ی داروین می‌تواند موردی خاص از یک پدیده‌ی عمومی در فیزیک باشد.

نظریه‌ی او به تفصیل در مقاله‌ی اخیر وی توضیح داده شده است و اینگلند در سخنرانی‌هایی که در دانشگاه‌های سراسر دنیا خواهد داشت درصدد توجیه و اثبات نظریه‌ی خود خواهد بود. البته این نظریه اختلافی بین همکاران او ایجاد کرده است، چرا که عده‌ای معتقدند ایده‌ی او ناقص است و گروهی دیگر نظریه‌ی اینگلند را پیشرفتی بزرگ در دنیای علوم می‌دانند.

اینگلند گامی شجاعان برداشته و همه‌ی دانشمندان امیدوارند تا این نظریه بتواند منشا حیات و روند تکامل را توصیف کند. آتیلا زابو، بیوفیزیکدان آزمایشگاه شیمی-فیزیک در موسسه‌ی ملی سلامت در این باره می‌گوید:

جرمی از با‌استعدادترین دانشمندانی است که تا به حال دیده‌ام. اصالت ایده‌ی او مرا بسیار تحت تاثیر قرار داده است.

اما افرادی نیز هستند که خیلی تحت تاثیر قرار نگرفته‌اند. یوجین شاکنوویچ استاد شیمی، بیولوژی شیمیایی و بیوفیزیک در دانشگاه هاروارد می‌گوید:

ایده‌های جرمی جالب بوده و پتانسیل زیادی برای کار کردن دارند اما فعلا این ایده در حد یک حرف است و نمی‌توانیم آن‌ را در پدیده‌های اطراف خود ببینیم.

نظریه‌های اینگلند تا حدود زیادی دقیق هستند اما فرمول او که نشان‌دهنده‌ی نیروی محرکه تحولات حیات است تا به حال به اثبات نرسیده است، با این حال او ایده‌های برای آزمایش این فرمول در آزمایشگاه دارد و امیدوار است بتواند آن را اثبات کند. مارا پرنتیس، استاد فیزیک دانشگاه هاروارد می‌گوید:

او درصدد انجام کاری است که بسیار متفاوت به نظر می‌رسد از دیدگاه اورگانیسمی، ایده‌ی او بی‌نظیر است و خواه درست باشد خواه غلط ارزش بسیاری برای انجام تحقیقات دارد.


در دل نظریه‌ی اینگلند، قانون دوم ترمودینامیک وجود دارد که به قانون افزایش آنتروپی و یا پیکان زمان نیز مشهور است. در واقع این نظریه بیان می‌کند که انرژی همواره تمایل به آزاد و پخش شدن دارند. انتروپی معیاری برای سنجش پراکندگی انرژی در بین ذرات است و نشان می‌دهد که تمایل هر ذره برای نفوذ در فضا چقدر است. راه‌های زیادی برای پراکنده کردن انرژی وجود دارد اما متمرکز کردن آن کاری بسیار دشوار است. پس در واقع زمانی که ذرات ساختار خود را تغییر می‌دهند، در تلاش هستند تا ساختاری را ایجاد کنند که انرژی به راحتی پخش شود.

در نهایت به حالتی می‌رسیم که تعادل ترمودینامیکی نامیده می‌شود، در این حالت انرژی به طور مساوی بین ذرات تقسیم شده و انتروپی در بیشترین مقدار خود قرار دارد. برای مثال اگر یک فنجان چای را در مای محیط باز قرار دهید پس از مدت چای شما دمایی برابر با دمای محیط خواهد داشت. این اتفاق برگشت‌ناپذیر است چرا که ممکن نیست چای دوباره بتواند از هوای اطراف خود انرژی از دست رفته را پس بگیرد مگر آن‌که انرژی محیط به صورت اتفاقی در لیوان چای متمرکز شود که تقریبا این اتفاق غیرممکن است.

هر چند انتروپی یک سیستم ایزوله و یا بسته در طی یک فرآیند افزایش می‌یابد اما در سیستم باز ذرات می‌توانند با بالا نگه داشتن انتروپی اطراف خود، انتروپی خود را در حد پایینی نگه دارند که این اتفاق به معنای تقسیم نامساوی انرژی در بین ذرات خواهد بود. اروین شرودینگر در نوشته‌ی خود با عنوان زندگی چیست مدعی بود که موجودات زنده نیز باید این کار را انجام دهند. برای مثال یک گیاه، انرژی زیادی از نور خورشید می‌گیرد و سپس از آن برای ساخت شکر استفاده می‌کند و پس از انجام این کار نور مادون قرمز از خود ساطع می‌کند که نوع رقیق‌تر و نامتمرکزتری از انرژی است. با از بین رفتن نور خورشید و در طی هر فرآیند فتوسنتز، انتروپی جهان افزایش می‌یابد و در عین حال گیاه با حفظ ساختار منظمی درونی، خود را از نابودی نجات می‌دهد.

حیات اطراف ما قانون دوم ترمودینامیک را نقض نمی‌کند اما برای مدتی طولانی فیزیکدان‌ها در اعمال آن بر روی سیستمی مانند سیستم حیات در اطراف ما ناتوان بودند. در عصر شرودینگر، دانشمندان معادلات قانون دوم ترمودینامیک را تنها بر روی سیستم بسته اعمال می‌کردند و در اعمال آن‌ها بر روی سایر سیستم‌ها عاجز بودند. در حدود سال‌ ۱۹۶۰ میلادی ایلیا پیجوجین پیشرفت‌های خوبی در پیش‌بینی رفتار سیستم باز که انرژی ضعیفی از منبع بیرونی دریافت می‌کند، کسب کرد و توانست جایزه‌ی نوبل شیمی را در سال ۱۹۷۷ میلادی از آن خود کند. اما رفتار سیستم‌هایی که از تعادل دور هستند و نیروی محرکه‌ی زیادی از منابع بیرونی دریافت می‌کنند، غیر قابل پیش‌بینی است.

این شرایط در اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰ میلادی توسط کریس یارزینسکی از دانشگاه مریلند و گاوین کروکس از آزمایشگاه ملی لاورنس در برکلی، دست خوش تغییر شد. با افزایش بیشتر انتروپی در واقع برگشت‌ناپذیری سیستم نیز بیشتر می‌شود. این رابطه‌ی به نظر ساده بر تمامی فرآیندهای در تعادل و یا غیرتعادلی قابل اعمال است و محدودیتی ندارد و توانسته دانش ما را نسبت به فرآیندهایی که بسیار از تعادل فاصله دارند نیر بیشتر از قبل کند. اینگلند، که در دو زمینه‌ی بیوشیمی و فیزیک تحصیل کرده است، دو سال است که آزمایشگاه خود در دانشگاه MIT را راه‌اندازی کرده است و می‌خواهد دانش فیزیک آماری خود را بر روی بیولوژی اعمال کند.

با استفاده از روابط یارزینسکی و کروکس، او رابطه‌ای عمومی از قانون دوم ترمودینامیک را برای ذرات در شرایط خاص، استخراج کرد. این ذرات از منبع خارجی مانند امواج الکترومغناطیس، انرژی بالایی دریافت می‌کنند و می‌توانند آن خود را درون حمام انرژی تخلیه کنند، این رده از سیستم‌ها در واقع فرآیندهای انجام شده توسط تمام موجودات زنده را در برمی‌گیرد. اینگلند سپس توضیح می‌دهد که چرا این سیستم‌ها تمایل به تغییر و افزایش برگشت‌ناپذیری خود دارند. اینگلند می‌گوید:

با استفاده از این رابطه به سادگی می‌توان نشان داد که فرآیندهای محتمل، فرآیندهایی هستند که برای پخش کردن بیشتر انرژی، انرژی بیشتری نیز از منبع خارجی جذب می‌کنند. این اتفاق به این معناست که خوشه‌ای از اتم‌ها که توسط حمامی از انرژی مانند جو یا اقیانوس احاطه شده‌اند، تمایل دارند تا طراحی خود را به گونه‌ای تغییر دهند که تقابل بهتری با منابع مکانیکی، الکترومغناطیس و یا شیمیایی انرژی در محیط داشته باشند.

خود جایگزین‌گری که فرآیندی تعیین کننده در تحولات روی زمین است، مثالی برای این‌گونه فرآیندها است که با گذر زمان تمایل به جذب و پخش انرژی بیشتری از خود نشان می‌دهند. بهترین روش برای پخش بیشتر انرژی تکثیر جمعیت است.

اتفاقاتی مانند جهش‌های ژنتیکی آنی، موقعیت جغرافیایی و موارد مشابه دیگر که روند تکامل در حیات انسان را تعیین کرده‌اند در واقع بدون قانون نبود‌ه‌اند و ریشه در تمایل ماده برای پخش انرژی بیشتر دارند.

این نظریه در مورد مواد بی‌جان نیز صادق است. اینگلند این‌گونه ادامه می‌دهد:

بسیار جالب است که بسیاری از پدیده‌ها را می‌توان با این نظریه توجیه کرد. حتی بسیاری پدیده‌های ناشناخته‌ی دیگر نیز در اطراف ما وجود دارند که با این نظریه می‌توان چگونگی اتفاق افتادن آن‌ها را شرح داد.

دانشمندان پیش از این نیز تکثیر را در پدیده‌های غیرزنده مشاهده کرده بودند و بنابر تحقیق جدیدی که فیلیپ مارکوس استاد دانشگاه برکلی آمریکا انجان داده است، مشاهده شده که گردابه‌ها در سیال‌های آشفته بی‌وقفه با گرفتن انرژی از تنش با سیال کناری، در حال تکثیر خود هستند. این پدیده‌ها هر چه بیشتر صدق کردن روابط اینگلند را تایید می‌کنند.

علاوه بر خود جایگزينی، برخورداری از ساختار بزرگ نیز می‌تواند پخش کردن انرژی توسط ماده را تسریع کند. یک گیاه که در واقع از اتم‌های کربن تشکیل شده است در جذب و نشر انرژی خورشید از خود اتم کربن بسیار بهتر عمل می‌کند، بنابراین شواهد، اینگلند مدعی است که تحت شرایطی خاص، مواد چه جاندار و چه بی‌جان خود را سازماندهی خواهند کرد. او می‌گوید:

دانه‌های برف و شن و گردابه‌های جریان آشفته همگی درصدد ایجاد ساختاری برای جذب و پخش هر چه بیشتر انرژی هستند.


کارل فرانک که فیزیکدانی در دانشگاه کرنل است می‌گوید:

اینگلند باعث شده که در ذهن من تفاوت موجودات زنده و غیرزنده مانند گذشته شفاف نباشد.

ایده‌ی اینگلند قطعا در سال‌های پیش‌رو بیشتر و بیشتر مورد بررسی قرار خواهد گرفت. او در حال حاضر در حال انجام شبیه‌سازی‌های نرم‌افزاری است تا نشان دهد که ذرات ساختار خود را برای پخش بیشتر انرژی جذب شده، دچار تغییر می‌کنند.

پرنتیس که سرپرست آزمایشگاه تجربی بیوفیزیک در دانشگاه هاروارد است، می‌گوید نظریه‌ی اینگلند را با مقایسه‌ی سلول‌ها با جهش‌های مختلف و پیدا کردن ارتباطی بین مقدار انرژی پخش شده توسط سلول و سرعت تکثیر آن، می‌توان مورد آزمایش قرار داد. اگر ارتباط بین این دو پدیده در تمامی سلول‌ها رابطه‌ی یکسانی داشته باشد می‌توان از درستی نظریه‌ی اینگلند اطمینان حاصل کرد.

برنر که استاد ریاضی و فیزیک کاربردی در هاروارد است، امید دارد نظریه‌ی اینگلند را با ساختار میکروسکوپی خود از مواد، تطبیق دهد و بررسی کند که آیا با این نظریه می‌توان پیش‌بینی کرد که کدام خود جایگزینی و یا تغییر ساختاری به وقوع خواهد پیوست. این سوال یکی از سوالات بنیادی تمامی علوم است.

محققان معتقدند اگر قانون کلی برای پیش‌بینی تکامل‌ها در جهان اطراف وجود داشته باشد، می‌توانند قدم‌های بعدی پیشرفت‌های علمی را سریع‌تر و زودتر بردارند.

اگر دیدگاه اینگلند اثبات شود به دانشمندان این اجازه را خواهد داد تا به جای یافتن توجیهی داروینی برای هر پدیده، کلی‌تر و علمی‌تر تفکر کنند. برای مثال زیست‌شناسان با دیدن مشخصه‌ای این‌گونه تفکر نمی‌کنند که دلیل وجود این ویژگی در موجود زنده گزینش‌پذیری بیشتر آن نسبت به مشخصه‌ی دیگر بوده است، بلکه خواهند دانست که مشخصه‌ی حاضر راه را برای پخش انرژی بیشتر برای موجود هموارتر می‌کن.

پرنتیس‌ می‌گوید:

گاهی تفکر در مورد یک موضوع ریز و خاص باعث می‌شود تا نتوانیم آن را توجیه کنیم اما اگر کمی وسیع‌تر و با دیدی باز به آن بنگریم کلید حل مشکلات را خواهیم یافت.