생물 물리학 자 제레미 잉글랜드는 2013 년에 생명의 기원을 불가피한 열역학의 결과로 던진 새로운 이론으로 물결시켰다. 그의 방정식은 특정 조건에서 원자 그룹이 자연스럽게 스스로를 재구성하여 점점 더 많은 에너지를 태울 수 있도록 자연스럽게 재구성하여 에너지의 끊임없는 분산과 우주에서“엔트로피”또는 장애의 상승을 촉진 할 것이라고 제안했다. 영국은이 구조 조정 효과가 소산 중심 적응이라고 부르는이 구조 조정 효과는 생물을 포함한 복잡한 구조의 성장을 촉진한다고 말했다. 삶의 존재는 미스터리 나 행운의 휴식이 아니라고 그는 Quanta 에 말했다. 2014 년에는 일반적인 물리적 원칙에서 나오고“내리막 길을 굴리는 바위만큼 놀라운 일이어야합니다.”
.그 이후로 매사추세츠 주립 기술 연구소의 35 세의 부교수 인 영국은 컴퓨터 시뮬레이션에서 아이디어의 측면을 테스트하고 있습니다. 이 연구 중 가장 중요한 두 가지는 이번 달에 발표되었습니다. 국립 과학 아카데미의 절차에서 더 큰 인기있는 결과 ( pnas ) 그리고 다른 하나는 물리적 검토 편지 ( prl ). 두 컴퓨터 실험의 결과는 소산 중심 적응에 대한 영국의 일반 논문을 뒷받침하는 것으로 보이지만 실제 생활에 대한 의미는 여전히 투기 적으로 남아 있습니다.
독일 쾰른 대학교의 통계 물리학 자이자 정량적 생물학자인 마이클 라스 시그 (Michael Lässig)는“이것은 분명히 선구적인 연구”라고 말했다. 영국과 MIT 박사후 연구원, Jordan Horowitz가 쓴 논문. Lässsig는“비교적 작은 시스템에 대한 주어진 규칙 세트에 대한 사례 연구이므로 일반화 여부를 말하기는 조금 일찍 일 수 있습니다. "그러나 명백한 관심은 이것이 인생의 의미를 묻는 것입니다."
이 논문은 세포와 생물학의 끔찍한 세부 사항을 제거하고 탁월한 구조가 자발적으로 발생할 수있는 간단하고 시뮬레이션 된 화학 물질 시스템을 설명합니다. 잉글랜드는“그렇다고해서 그 구조를 획득 할 것을 보장한다는 의미는 아닙니다. 시스템의 역학은 너무 복잡하고 비선형이되어서 어떤 일이 일어날 지 예측합니다.
시뮬레이션에는 무수한 방식으로 서로 반응하는 25 개의 화학 물질 수프가 포함되었습니다. 수프 환경의 에너지 원은 햇빛이 대기에서 오존의 생산을 유발하는 것처럼 이러한 화학 반응을 촉진하거나 "강제"합니다. 임의의 초기 화학적 농도, 반응 속도 및 "강제 조경"로 시작하여 외부 힘으로부터 어떤 반응이 향상되는지, 그리고 얼마나 많은 반응을 나타내는 규칙 - 시뮬레이션 된 화학 반응 네트워크가 최종, 정상 상태 또는 "고정 지점에 도달 할 때까지"
에 도달 할 때까지 진화합니다. .
종종, 시스템은 평형 상태로 정착하며, 여기서 균형 잡힌 화학 물질과 반응이 균형 잡힌 농도를 갖는다. 커피 냉각 잔처럼 실온으로 평형화되는 경향은 열역학 제 2 차 법칙의 가장 친숙한 결과이며, 이는 에너지가 지속적으로 퍼지고 우주의 엔트로피가 항상 증가한다고 말합니다. (두 번째 법은 집중하는 것보다 입자들 사이에 에너지가 퍼지는 방법이 더 많기 때문에 사실입니다. 그래서 입자가 움직이고 상호 작용함에 따라 확률은 그들의 에너지가 점점 더 공유되는 것을 선호합니다.)
.그러나 일부 초기 설정의 경우 시뮬레이션의 화학 반응 네트워크는 매우 다른 방향으로 이동합니다.이 경우, 평형에서 멀리 떨어진 고정 된 지점으로 진화하며, 환경에서 가능한 최대 에너지를 수확하여 반응을 활발하게 순환합니다. 이러한 사례는 시스템과 그 환경 사이의 명백한 미세 조정의 예로 인식 될 수 있습니다. Horowitz와 England Write는 시스템이“극한 열역학적 강제의 희귀 상태”를 발견합니다.
.살아있는 생물은 또한 극단적 인 강제력의 꾸준한 상태를 유지합니다. 우리는 엄청난 양의 화학 에너지를 통해 화상을 입히고,이를 분해하고 우주의 엔트로피를 증가시키는 초 소비자입니다. 시뮬레이션은이 정상 상태의 행동을 더 간단하고 추상적 인 화학 시스템으로 모방하고“기본적으로 대기 시간없이 바로 발생할 수 있음을 보여줍니다.”라고 Lässssig는 말했다.
많은 생물 생리 학자들은 잉글랜드가 제안한 것과 같은 것이 인생의 이야기의 적어도 일부일 수 있다고 생각합니다. 그러나 영국이 생명의 기원에서 가장 중요한 단계를 확인했는지 여부는 다음과 같은 질문에 달려 있습니다. 삶의 본질은 무엇입니까? 의견은 다릅니다.
형태와 기능
영국인 영국인 영국인, 29 세의 MIT 교수진에 상륙하기 전에 하버드, 옥스포드, 스탠포드 및 프린스턴 대학에서 시간을 보낸 많은 계정에 의한 신동은 생명체의 본질을 구성 요소 원자의 탁월한 배열로 본다. "박테리아의 원자를 무작위로 재배치한다고 생각한다면 - 단지 가져 가서 모든 것을 분류하고 우주에 분출합니다. 아마도 쓰레기를 얻을 것입니다." "원자 빌딩 블록의 대부분의 배열은 박테리아가있는 대사 발전소가되지 않을 것입니다."
.원자 그룹이 화학 에너지를 잠금 해제하고 연소시키는 것은 쉽지 않습니다. 이 기능을 수행하려면 원자를 매우 특이한 형태로 배열해야합니다. 잉글랜드에 따르면, 형태 기능 관계의 존재는“시스템의 구조를 회의로 본 환경에 의해 제시된 도전이 있음을 암시한다”며 "
.그러나 화학 에너지 소비를위한 최적의 구성으로 원자가 박테리아의 특정 형태와 기능을 어떻게 그리고 왜 획득합니까? 영국은 평형 시스템에서 열역학의 자연스러운 결과라고 가정합니다.
노벨 프라이즈 우승 한 물리 화학자 Ilya Prigogine은 1960 년대에 비슷한 아이디어를 추구했지만 그의 방법은 제한적이었습니다. 전통적인 열역학적 방정식은 천천히 가열되거나 냉각되는 가스와 같은 근접 평형 시스템을 연구하는 데만 적합합니다. 강력한 외부 에너지 원에 의해 구동되는 시스템은 훨씬 더 복잡한 역학을 가지고 있으며 연구하기가 훨씬 어렵습니다.
물리학 자 Gavin Crooks와 Chris Jarzynski가 역 프로세스보다 특정 물리적 프로세스가 얼마나 자주 발생하는지를 정량화하는 데 사용될 수있는“변동 정리”를 도출 한 1990 년대 후반 상황이 바뀌 었습니다. 이 이론은 연구자들이 균형과는 거리가 멀다는 시스템의 진화 방식을 연구 할 수있게합니다. 애리조나 주립 대학의 이론적 물리학 자이자 생명 전문가 인 사라 워커 (Sara Walker)는 영국의“소설 각도”라고 말했다. 나는 그가 아마도 어떤 종류의 엄격한 방식 으로든 그렇게하는 유일한 사람이라고 생각합니다.”
.커피는 아무것도 가열하지 않기 때문에 커피가 냉각되지만 영국의 계산에 따르면 외부 에너지 원에 의해 구동되는 원자 그룹은 다르게 행동 할 수 있다고 제안했습니다. 에너지 원을 도청하고 에너지를 더 잘 흡수하고 열로 소비하기 위해 정렬 및 재 배열하는 경향이 있습니다. 그는 또한 에너지를 소멸시키는 이러한 통계적 경향이 자기 복제를 촉진 할 수 있음을 보여 주었다. (그는 2014 년에 설명했듯이,“더 많은 것을 소비하는 좋은 방법은 더 많은 사본을 만드는 것입니다.”잉글랜드는 생명과 그 형태와 기능의 특별한 합류, 소산 중심 적응과 자기 복제의 궁극적 인 결과를 봅니다.
.그러나 변동 정리가 손에 든 경우에도 초기 지구 나 셀 내부의 조건은 첫 번째 원칙을 예측하기에는 너무 복잡합니다. 그렇기 때문에 현실의 풍미를 포착하는 것을 목표로하는 단순화 된 컴퓨터 시뮬레이션 환경에서 아이디어를 테스트해야합니다.
prl 에서 Paper, England와 그의 공동 저자 인 Tal Kachman과 MIT의 Jeremy Owen은 상호 작용하는 입자 시스템을 시뮬레이션했습니다. 그들은 시스템이 구동 주파수에 더 잘 공명하기 위해 결합을 형성하고 파괴함으로써 시간에 따른 에너지 흡수를 증가 시킨다는 것을 발견했다. "이것은 pnas 보다 약간 더 기본적인 의미입니다. 잉글랜드는 화학 반응 네트워크와 관련된 결과
라고 말했다결정적으로, 후자의 작업에서, 그와 Horowitz는 박테리아의 특별한 원자 배열이 에너지를 대사 할 수 있도록 가용 에너지 원을 활용하기 위해 특별한 구성이 필요한 도전적인 환경을 만들었습니다. 시뮬레이션 된 환경에서, 외부 에너지 원은 반응 네트워크의 특정 화학 반응을 강화 (또는“강제”)했습니다. 이 강제력의 정도는 상이한 화학 종의 농도에 의존했다. 반응이 진행되고 농도가 진화함에 따라, 강제의 양은 갑자기 변할 것이다. 이러한 견고한 강제 환경으로 인해 시스템은“자유 에너지를 최적으로 추출 할 수있는 반응의 조합을 찾기가 어려워졌다”고 하버드 의과 대학의 수학자이자 시스템 생물 학자 인 제레미 건 와르 나 (Jeremy Gunawardena)는 설명했다.
.그러나 연구원들이 그러한 환경에서 화학 반응 네트워크가 재생되게했을 때, 네트워크는 환경에 미세 조정되는 것처럼 보였다. 무작위 출발점 세트는 드문 드문 화학적 화학 활동을 달성하고 예상보다 4 배 더 자주 강요하기 위해 계속되었습니다. 그리고 이러한 결과가 일어 났을 때, 그들은 극적으로 일어났다. 이 시스템이 프로세스에서 반응주기와 소산 에너지를 통해 휘젓기 때문에 영국이 생명에 필수적인 것으로보고있는 기본 형태-기능 관계.
정보 프로세서
전문가들은 영국과 그의 공동 작업자들에게 중요한 다음 단계는 화학 반응 네트워크를 확장하고 그것이 여전히 극단적 인 강제력의 희귀 한 고정 지점으로 동적으로 진화하는지 확인하는 것이라고 말했다. 그들은 또한 초기 지구의 원시 수프의 조석 수영장이나 화산 통풍구에 존재했을 수있는 조건에 대한 화학적 농도, 반응 속도 및 풍경을 강제하여 시뮬레이션을 덜 추상적으로 만들려고 할 수도 있습니다 (그러나 실제로 생명을 일으킨 조건을 복제하는 것은 추측입니다). Dartmouth College의 공학, 물리 및 미생물학 교수 인 Rahul Sarpeshkar는“이러한 추상 구성에 대한 구체적인 물리적 인스턴스화를 갖는 것이 좋을 것입니다.”라고 말했습니다. 그는 생물학적으로 관련된 화학 물질과 포도당과 같은 에너지 원을 사용하여 시뮬레이션이 실제 실험에서 재창조되기를 희망합니다.
.그러나 미세 조정 된 고정 지점이 점점 더 생명과 추정의 시작으로 점점 더 추정되는 설정에서 관찰 될 수 있다고해도 일부 연구자들은 Walker가 생물학적 시스템의 진정한 특징을 설명 할 수 없기 때문에 영국의 가장 중요한 논문은 생명을 설명하기 위해“필요하지만 충분하지 않다”고보고있다. 간단한 화학 주성 (박테리아가 영양소 농도로 이동하거나 독을 멀리하는 능력)에서 인간의 의사 소통에 이르기까지 생명체는 환경에 대한 정보를 취하고 반응합니다.
Walker의 마음에 이것은 우리를 Jupiter의 Great Red Spot과 같은 영국의 소산 중심 적응 이론의 우산에 해당하는 다른 시스템과 구별됩니다. 그녀는“이는 적어도 300 년 동안 존재했던 비평 형 소산 구조이며, 수십억 년 동안 진화해온 지구상에 존재하는 비평 형 소산 구조와는 상당히 다릅니다. 그녀는 삶을 구별하는 것을 이해하면서“비평 형 소산 구조 유형 프로세스를 넘어서는 정보에 대한 명백한 개념이 필요하다”고 덧붙였다. 그녀의 견해로는 정보에 응답 할 수있는 능력이 핵심입니다.“우리는 그들이 시작한 환경에서 벗어날 수있는 화학 반응 네트워크가 필요합니다.”
.Gunawardena는 생명 형태의 열역학적 특성 및 정보 처리 능력 외에도 자신에 대한 유전자 정보를 자신의 자손에게 저장하고 전달한다고 지적했다. Gunawardena는 생명의 기원은 구조의 출현이 아니라 다윈의 특정 종류의 역학의 출현입니다. 재현하는 구조의 출현입니다. 그러한 대상의 특성이 생식률에 영향을 줄 수있는 능력. 이 두 가지 조건이 있으면 기본적으로 다윈의 진화가 시작되고 생물 학자들에게 그게 전부입니다.”
.영국의 학부 연구를 감독 한 하버드의 화학 및 화학 생물학 교수 인 Eugene Shakhnovich는 그의 전 학생의 연구와 생물학에 대한 질문 사이의 분열을 크게 강조했다. Shakhnovich는“그는 실험실에서 과학적 경력을 시작했으며 그가 얼마나 유능한 지 알고 있습니다. 그러나 Jeremy의 작품은 단순한 추상 시스템의 비평형 통계 역학에서 잠재적으로 흥미로운 운동을 나타냅니다.”라고 말했습니다. 그는 생물학이나 삶의 기원과 관련이 있다는 주장은“순수하고 뻔뻔한 추측”이라고 덧붙였다.
영국이 물리학에 대한 올바른 길을 가고 있더라도, 생물 학자들은 원시적 인“프로토 셀”이 첫 번째 살아있는 세포로 진화 한 것과 유전자 코드가 어떻게 생겼는지에 대한 이론과 같은 더 많은 세부 사항을 원합니다. 영국은 그의 발견이 그러한 주제에 대해 음소거라는 데 완전히 동의합니다. "단기적으로는 이것이 생물학적 시스템에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대해 많은 것을 말하지 않으며 심지어 이것이 우리가 알고있는 삶이 어디에서 왔는지 반드시 알려주고 있다고 주장하는 것"이라고 그는 말했다. 그는 두 가지 질문 모두“단편적인 증거”에 근거한“혼란스러운 혼란”이며,“지금은 피해야한다”고 말했다. 오히려 첫 번째 수명 또는 프로토 라이프 형식의 도구 키트에서“무료로 얻을 수있는 더 많은 것이있을 수 있으며 다윈의 메커니즘을 사용하여 최적화 할 수 있습니다.”
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Sarpeshkar는 생명의 기원 이야기의 오프닝 행위로 소산 중심의 적응을보고있는 것처럼 보였다. "제레미가 보여주는 것은 환경에서 에너지를 수확 할 수있는 한 순서가 자발적으로 발생하고 자기 조정이 될 것"이라고 그는 말했다. 그는 영국과 호로위츠의 화학 반응 네트워크보다 훨씬 더 많은 일을했다고 그는 지적했다. "그러나 이것은 인생이 어떻게 처음 발생했는지에 관한 것입니다.
