삶이 존재하는 이유는 무엇입니까?
대중 가설은 원시 수프, 번개의 볼트 및 거대한 행운을 인정합니다. 그러나 도발적인 새로운 이론이 옳다면 운은 그것과 거의 관련이 없을 수 있습니다. 대신에, 물리학 자에 따르면, 그 아이디어를 제안한 것에 따르면, 삶의 기원과 그 이후의 진화는 자연의 기본 법칙에서 나와“내리막 길을 굴리는 바위만큼 놀랍지 않아야합니다.”
물리학의 관점에서, 생물과 탄소 원자의 무생물 덩어리 사이에는 한 가지 필수 차이가 있습니다. 전자는 환경에서 에너지를 포착하고 그 에너지를 열로 소비하는 데 훨씬 더 나은 경향이 있습니다. 매사추세츠 공과 대학 (Massachusetts Institute of Technology)의 31 세 조교수 인 제레미 잉글랜드 (Jeremy England)는이 용량을 설명한다고 믿는 수학적 공식을 도출했습니다. 확립 된 물리학을 기반으로 한 공식은 원자 그룹이 외부 에너지 공급원 (태양 또는 화학 연료와 같은)에 의해 구동되고 (바다 또는 대기와 같은) 열 목욕 (바다 또는 대기)으로 둘러싸여있을 때 점점 더 많은 에너지를 소산하기 위해 점차적으로 재구성 될 것임을 나타냅니다. 이것은 특정 조건에서 생명과 관련된 주요 물리적 속성을 불가피하게 얻는다는 것을 의미 할 수 있습니다.
잉글랜드는“당신은 임의의 원자 덩어리로 시작하여 오랫동안 빛을 비치면 식물을 얻는 것이 너무 놀라운 일이 아닙니다.”라고 잉글랜드는 말했습니다.
영국의 이론은 자연 선택에 의한 다윈의 진화론 이론을 대체하기보다는 유전자와 집단 수준에서 삶에 대한 강력한 설명을 제공합니다. "나는 확실히 다윈의 아이디어가 잘못되었다고 말하지 않는다"고 그는 설명했다. "반대로, 나는 물리학의 관점에서, 당신은 다윈의 진화를보다 일반적인 현상의 특별한 경우라고 부를 수 있다고 말하고 있습니다."
.최근의 논문에 자세히 설명하고 전 세계 대학에서 전달하는 대화에서 더 자세히 설명한 그의 아이디어는 그의 동료들 사이에서 논쟁을 불러 일으켰으며, 그것은 그것을 균일하거나 잠재적 인 획기적인 것으로 보는 것입니다.
.영국은“매우 용감하고 매우 중요한 단계”라고 뉴욕 대학교의 물리학 교수 인 Alexander Grosberg는 초기 단계부터 영국의 작업을 따랐다. "큰 희망"은 그가 삶의 기원과 진화를 이끄는 근본적인 물리적 원칙을 확인했다고 Grosberg는 말했다.
“제레미는 내가 본 것 중 가장 밝은 젊은 과학자에 관한 것”이라고 회의에서 그를 만나고 나서 그의 이론에 대해 영국과 일치하는 National Institutes of Health의 화학 물리학 실험실의 생물 물리학자인 Attila Szabo는 말했다. "나는 아이디어의 독창성에 충격을 받았다."
하버드 대학교의 화학, 화학 생물학 및 생물 물리학 교수 인 유진 샤흐 노 비치 (Eugene Shakhnovich)와 같은 다른 사람들은 확신하지 못한다. Shakhnovich는“Jeremy의 아이디어는 흥미롭고 잠재적으로 유망하지만이 시점에서 특히 생명 현상에 적용되는 것처럼 매우 투기 적입니다.
영국의 이론적 결과는 일반적으로 유효한 것으로 간주됩니다. 그의 공식은 그의 해석이다. 그러나 이미 실험실에서 해석을 테스트하는 방법에 대한 아이디어가 있습니다.
하버드의 물리학 교수 인 마라 프렌 티스 (Mara Prentiss)는 영국의 작업에 대해 배운 후 그러한 실험을 고민하고 있다고 말했다. “조직 렌즈로서, 나는 그가 멋진 아이디어를 가지고 있다고 생각합니다. 옳고 그름, 조사 할 가치가있을 것입니다.”
영국의 아이디어의 핵심에는 엔트로피 증가 또는“화살표”의 법칙으로도 알려진 열역학 제 2 법칙이 있습니다. 뜨거운 것들이 식고, 가스가 공기를 통해 확산되고, 계란은 스크램블이지만 자발적으로는 스크램블되지 않습니다. 요컨대, 에너지는 시간이 지남에 따라 분산되거나 퍼지는 경향이 있습니다. 엔트로피는 이러한 경향의 척도이며, 시스템의 입자 중에 에너지가 어떻게 분산되었는지, 그리고 그 입자가 공간 전체에 어떻게 확산되는지를 정량화합니다. 그것은 확률의 단순한 문제로 증가합니다. 에너지가 집중되는 것보다 에너지가 퍼지는 방법이 더 있습니다. 따라서, 시스템의 입자가 움직이고 상호 작용함에 따라, 그들은 확고한 기회를 통해 에너지가 퍼지는 구성을 채택하는 경향이있다. 결국, 시스템은 에너지가 균일하게 분포 된 "열역학적 평형"이라는 최대 엔트로피 상태에 도달합니다. 예를 들어 커피 한 잔과 그 방은 같은 온도가됩니다. 컵과 방이 홀로 남아있는 한이 과정은 돌이킬 수 없습니다. 원자에 무작위로 집중하는 방의 많은 에너지에 압도적으로 쌓여 있기 때문에 커피는 자발적으로 다시 가열되지 않습니다.
고립 된 또는 "폐쇄 된"시스템에서 엔트로피는 시간이 지남에 따라 증가해야하지만, "열린"시스템은 엔트로피를 낮게 유지할 수 있습니다. 그의 영향력있는 1944 년 논문에서“생명은 무엇입니까?” 저명한 양자 물리학 자 Erwin Schrödinger는 이것이 생물이해야 할 일이라고 주장했다. 예를 들어, 식물은 매우 활기 넘치는 햇빛을 흡수하고 설탕을 만들기 위해 사용하며, 훨씬 덜 집중된 에너지 인 적외선을 배출합니다. 우주의 전체 엔트로피는 광합성 동안 햇빛이 사라짐에 따라, 식물이 질서 정연한 내부 구조를 유지함으로써 붕괴를 방지하더라도
.생명은 열역학의 제 2 법칙을 위반하지는 않지만 최근까지 물리학 자들은 열역학을 사용하여 왜 그것이 처음 발생 해야하는지 설명 할 수 없었습니다. Schrödinger의 날에는 평형 상태에서 폐쇄 시스템에 대해서만 열역학 방정식을 해결할 수 있습니다. 1960 년대에 벨기에 물리학 자 Ilya Prigogine은 외부 에너지 원 (1977 년 노벨 화학 상을 수상한)에 의해 약한 열린 시스템의 행동을 예측하는 데 진전을 보였습니다. 그러나 외부 환경에 연결되어 있고 외부 에너지 원에 의해 강하게 구동되는 평형과는 거리가 멀지 않은 시스템의 행동은 예측할 수 없었습니다.
이 상황은 1990 년대 후반에 주로 메릴랜드 대학교 Chris Jarzynski와 현재 Lawrence Berkeley National Laboratory의 Gavin Crooks의 작업으로 인해 변경되었습니다. Jarzynski와 Crooks는 커피 한 잔의 냉각과 같은 열역학적 공정에 의해 생성 된 엔트로피가 간단한 비율에 해당한다는 것을 보여주었습니다. 원자가 그 과정을 역 프로세스를 겪을 확률로 나눌 확률 (즉, 커피가 따뜻하게하는 방식으로 자발적으로 상호 작용합니다). 엔트로피 생산이 증가함에 따라이 비율도 증가합니다. 시스템의 동작이 점점 더 "돌이킬 수없는"것입니다. 단순하면서도 엄격한 공식은 원칙적으로 평형에서 얼마나 빠르거나 멀리 있더라도 모든 열역학적 공정에 적용될 수 있습니다. Grosberg는“평형에 이르는 통계 역학에 대한 우리의 이해는 크게 향상되었습니다. 생화학과 물리학을 훈련받은 영국은 2 년 전 MIT에서 자신의 실험실을 시작하여 통계 물리학에 대한 새로운 지식을 생물학에 적용하기로 결정했습니다.
Jarzynski와 Crooks의 공식화를 사용하여 그는 특정 특성을 가진 입자 시스템을 보유한 열역학 제 2 법칙을 일반화했습니다. 이 클래스의 시스템에는 모든 생물이 포함됩니다. 그런 다음 영국은 그러한 시스템이 비가역성을 높이면서 시간이 지남에 따라 어떻게 진화하는 경향이 있는지 결정했습니다. "우리는 진화론 적 결과가 환경의 외부 드라이브에서 더 많은 에너지를 흡수하고 소비 한 결과가 될 가능성이 높다는 공식에서 간단하게 보여줄 수있다"고 그는 말했다. 이 발견은 직관적 인 의미가 있습니다. 입자는 원동력으로 공명 할 때 더 많은 에너지를 소산하거나 밀고있는 방향으로 움직이고 주어진 순간에 다른 방향보다 그 방향으로 움직일 가능성이 더 높습니다.
.“이것은 대기 나 바다와 같은 일부 온도에서 욕조로 둘러싸인 원자 덩어리가 시간이 지남에 따라 환경에서 기계적, 전자기 또는 화학적 작업의 원천과 더 잘 공명하는 경향이 있어야합니다.
지구상의 생명의 진화를 유발하는 과정 인 자기 복제 (또는 생물학적 측면에서 생식)는 시스템이 시간이 지남에 따라 증가하는 에너지를 소산 할 수있는 메커니즘 중 하나입니다. 영국이 말했듯이,“더 많은 소멸의 좋은 방법은 더 많은 사본을 만드는 것입니다.” 저널 화학 물리학 저널의 9 월 논문에서, 그는 RNA 분자 및 박테리아 세포의 자체 복제 중에 발생할 수있는 이론적 최소 소산의 양을보고했으며, 이들 시스템이 복제 할 때 소산되는 실제 금액에 매우 가깝다는 것을 보여 주었다. 그는 또한 많은 과학자들이 DNA 기반 수명의 선구자 역할을했다고 믿는 핵산 인 RNA가 특히 저렴한 건축 물질임을 보여 주었다. 일단 RNA가 일어 났을 때, 그는“다윈의 인수”는 아마도 놀라운 일이 아니라고 주장한다.
원시 수프, 무작위 돌연변이, 지리, 치명적인 사건 및 수많은 다른 요인의 화학은 지구의 다양한 동식물과 동물 군의 미세한 세부 사항에 기여했습니다. 그러나 영국의 이론에 따르면, 전체 과정을 이끄는 근본적인 원칙은 물질의 소멸 중심 적응입니다.
이 원칙은 무생물 문제에도 적용됩니다. 잉글랜드는“본질적으로 어떤 현상이 우리가 소산 중심의 적응 조직 의이 큰 텐트 아래에 어떤 현상을 맞출 수 있는지 추측하고 싶어한다”고 말했다. "많은 사례가 코 아래에있을 수 있지만, 우리는 그것들을 찾지 못했기 때문에 우리는 그것들을 눈치 채지 못했습니다."
.과학자들은 이미 비 생생 시스템에서 자체 복제를 관찰했습니다. 버클리 캘리포니아 대학의 필립 마커스 (Philip Marcus)가 이끄는 새로운 연구에 따르면 8 월에 물리적 검토 편지에보고 된 난류 유체의 소용돌이는 주변 유체의 전단에서 에너지를 끌어 들여 자발적으로 복제합니다. 그리고 이번 주 국립 과학 아카데미 (National Academy of Sciences)의 절차에 온라인으로 출연 한 논문에서 하버드의 응용 수학 및 물리학 교수 인 마이클 브렌 너 (Michael Brenner)와 그의 공동 작업자들은 자기 복제하는 미세 구조에 대한 이론적 모델과 시뮬레이션을 제시합니다. 이들 특수 코팅 된 미소 구의 클러스터는 근처의 구체를 로핑하여 동일한 클러스터를 형성함으로써 에너지를 소산시킨다. Brenner는“이것은 Jeremy가 말하는 것과 매우 연결됩니다.
자체 복제 외에도 더 큰 구조적 조직은 강력하게 구동되는 시스템이 에너지를 소비하는 능력을 강화하는 또 다른 수단입니다. 예를 들어, 식물은 구조화되지 않은 탄소 원자 힙보다 그 자체를 통해 태양 에너지를 포착하고 라우팅하는 데 훨씬 좋습니다. 따라서 영국은 특정 조건 하에서 물질이 자발적으로 자체 구성 할 것이라고 주장한다. 이러한 경향은 내부 생활 질서와 많은 무생물 구조를 설명 할 수 있습니다. "눈송이, 모래 언덕 및 난류 소용돌이는 모두 공통적으로 공통점이 있으며, 일부 소산 과정에 의해 구동되는 많은 입자 시스템에서 나타나는 눈에 띄는 패턴 화 된 구조"라고 그는 말했다. 응축, 바람 및 점성 드래그는 이러한 특정 경우 관련 과정입니다.
Cornell University의 생물학적 물리학자인 Carl Franck는 이메일로“그는 살아있는 물질과 비 생생한 물질의 구별이 날카 롭지 않다고 생각하게 만들고 있습니다. "시스템이 몇 가지 생체 분자와 관련된 화학 회로로서 작은 것으로 간주 할 때이 개념에 특히 감명을 받았습니다."
.영국의 대담한 아이디어는 앞으로 몇 년 안에 긴밀한 조사에 직면 할 것입니다. 그는 현재 컴퓨터 시뮬레이션을 실행하여 입자 시스템이 에너지를 소비하는 데 더 나은 구조를 조정한다는 그의 이론을 테스트하고 있습니다. 다음 단계는 살아있는 시스템에 대한 실험을 실행하는 것입니다.
하버드에서 실험적 생물 물리학 연구소를 운영하는 Prentiss는 세포를 다른 돌연변이와 비교하고 세포가 소산되는 에너지의 양과 복제 속도 사이의 상관 관계를 찾음으로써 영국의 이론을 테스트 할 수 있다고 말했다. 그녀는“어떤 돌연변이가 많은 일을 할 수 있기 때문에 하나는 조심해야한다”고 말했다. "그러나 다른 시스템에서 이러한 실험을 계속하고 있다면 [소산 및 복제 성공]이 실제로 상관 관계가 있다면 이것이 올바른 조직 원리라는 것을 암시합니다."
.Brenner는 영국의 이론을 자신의 소소서 구성에 연결하고 이론이 어떤 자기 복제 및 자기 조립 프로세스가 발생할 수 있는지,“과학의 근본적인 질문”을 올바르게 예측하는지 여부를 결정하기를 희망한다고 말했다.
많은 연구자들은 생명과 진화의 가장 중요한 원칙을 갖추고 있으며, 연구원들은 생물의 구조와 기능의 출현에 대한 더 넓은 관점을 제공 할 것이라고 많은 연구자들은 말했다. 옥스포드 대학의 생물 물리학자인 Ard Louis는 이메일로“자연 선택은 특정 특성을 설명하지 않습니다. 이러한 특성에는 메틸화라는 유전자 발현에 대한 유전 적 변화, 자연 선택이 없을 때 복잡성 증가 및 루이가 최근 연구 한 특정 분자 변화가 포함됩니다.
.영국의 접근 방식이 더 많은 테스트에 달려 있다면, 생물 학자들이 모든 적응에 대한 다윈의 설명을 찾지 못하고 소산 중심의 조직의 관점에서보다 일반적으로 생각할 수있게 해줄 수 있습니다. 예를 들어, 유기체가 Y보다 특징적인 X를 나타내는 이유는 X가 Y보다 더 적합하지 않기 때문일 수 있지만 물리적 제약으로 인해 X가 y가 진화하는 것보다 X가 진화하기가 더 쉬워지기 때문입니다.
Prentiss는“사람들은 종종 개인 문제에 대해 생각하는 데 갇히게됩니다. 그녀는 영국의 아이디어가 정확히 옳은 것으로 판명되었는지 여부에 관계없이“더 광범위하게 생각하는 것은 많은 과학적 돌파구가 만들어지는 곳입니다.”
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Emily Singer 보고서에 기여했습니다. 이 기사는 Scientificamerican.com 및 BusinessInsider.com에서 재 인쇄되었습니다.
보정 :이 기사는 2014 년 1 월 22 일에 개정되어 Ilya Prigogine이 물리학이 아닌 화학 상을 수상했습니다.
