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Den Ursprung des Lebens zu verstehen, ist wohl eine der faszinierendsten Aufgaben für die Menschheit. Diese Suche hat sich unvermeidlich über das Puzzle des Lebens auf der Erde hinaus bewegt, ob es anderswo im Universum Leben gibt. Ist das Leben auf der Erde ein Zufall? Oder ist das Leben so natürlich wie die universellen Gesetze der Physik?

Jeremy England, ein Biophysiker am Massachusetts Institute of Technology, versucht diese tiefgründigen Fragen zu beantworten. Im Jahr 2013 formulierte er eine Hypothese, dass die Physik spontan Chemikalien auslösen kann, um sich selbst so zu organisieren, dass "lebensähnliche" Qualitäten entstehen.

Jetzt deuten neue Forschungen Englands und eines Kollegen darauf hin, dass die Physik auf natürliche Weise selbstreplizierende chemische Reaktionen erzeugen kann, einer der ersten Schritte, um Leben aus unbelebten Substanzen zu schaffen.

Dies könnte als Leben interpretiert werden, das direkt von den Grundgesetzen der Natur herrührt, wodurch das Glück aus der Gleichung entfernt wird. Aber das wäre die Waffe zu springen.

Das Leben musste von etwas kommen; Es gab nicht immer Biologie. Die Biologie wird aus den rohen und leblosen chemischen Komponenten geboren, die sich irgendwie zu präbiotischen Verbindungen organisierten, die Bausteine ​​des Lebens schufen, grundlegende Mikroben bildeten und sich schließlich zu der spektakulären Vielfalt von Kreaturen entwickelten, die es heute auf unserem Planeten gibt. [7 Theorien über den Ursprung des Lebens]

"Abiogenese" ist, wenn etwas nichtbiologisches zu etwas Biologischem wird und England denkt, dass die Thermodynamik den Rahmen liefern könnte, der das lebensechte Verhalten in ansonsten leblosen Chemikalien antreibt. Diese Forschung überbrückt jedoch nicht die lebensähnlichen Eigenschaften eines physikalischen Systems mit den biologischen Prozessen selbst, sagte England.

"Ich würde nicht sagen, dass ich irgendetwas getan habe, um den" Ursprung des Lebens "zu untersuchen an sich"England hat Live Science erzählt. Ich denke, was für mich interessant ist, ist der Beweis des Prinzips - was sind die physischen Voraussetzungen für die Entstehung von lebensähnlichen Verhaltensweisen?"

Selbstorganisation in physikalischen Systemen

Wenn Energie auf ein System angewendet wird, diktieren die Gesetze der Physik, wie sich diese Energie auflöst. Wenn eine externe Wärmequelle an dieses System angelegt wird, wird es sich zerstreuen und ein thermisches Gleichgewicht mit seiner Umgebung erreichen, wie eine kühle Tasse Kaffee, die auf einem Schreibtisch verbleibt. Die Entropie, oder die Menge an Unordnung in dem System, wird zunehmen, wenn die Wärme abgeführt wird. Aber einige physikalische Systeme können aus dem Gleichgewicht geraten, dass sie sich selbst "organisieren", um eine externe Energiequelle optimal zu nutzen, Es werden interessante, selbsttragende chemische Reaktionen ausgelöst, die das System daran hindern, ein thermodynamisches Gleichgewicht zu erreichen und somit einen Nicht-Gleichgewichtszustand aufrechtzuerhalten, spekuliert England. (Es ist, als ob diese Tasse Kaffee spontan eine chemische Reaktion hervorruft, die einen Hotspot in der Mitte der Flüssigkeit aufrechterhält und verhindert, dass der Kaffee in einen Gleichgewichtszustand abkühlt.) Er nennt diese Situation "Dissipations-getriebene Anpassung" und dieser Mechanismus ist was treibt in Englands sonst leblosem System lebensechte Qualitäten an.

Ein lebenswichtiges Schlüsselverhalten ist die Selbstreplikation oder (aus biologischer Sicht) die Reproduktion. Dies ist die Grundlage für alles Leben: Es beginnt einfach, repliziert, wird komplexer und repliziert sich erneut. Es ist einfach so, dass die Selbstreplikation auch eine sehr effiziente Methode ist, Wärme zu verteilen und die Entropie in diesem System zu erhöhen.

In einer am 18. Juli in der Zeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlichten Studie testeten England und Co-Autor Jordan Horowitz ihre Hypothese. Sie haben Computersimulationen an einem geschlossenen System (oder einem System, das keine Wärme oder Materie mit seiner Umgebung austauscht) mit einer "Suppe" aus 25 Chemikalien durchgeführt. Obwohl ihre Anordnung sehr einfach ist, könnte sich eine ähnliche Art von Suppe auf der Oberfläche einer ursprünglichen und leblosen Erde angesammelt haben. Würden diese Chemikalien z. B. durch eine externe Quelle - zum Beispiel eine Hydrothermalquelle - konzentriert und erhitzt, müsste der Chemikalienpool diese Wärme nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik abführen. Wärme muss sich auflösen und die Entropie des Systems wird unweigerlich zunehmen.

Unter bestimmten Anfangsbedingungen stellte er fest, dass diese Chemikalien die Energie, die auf das System aufgebracht wird, durch Selbstorganisation und intensive Reaktionen auf Selbstreplikation optimieren können. Die Chemikalien haben sich auf natürliche Weise fein abgestimmt. Diese Reaktionen erzeugen Wärme, die dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gehorcht. Entropie wird immer im System zunehmen und die Chemikalien würden sich selbst organisieren und das lebensechte Verhalten der Selbstreplikation zeigen.

"Im Wesentlichen versucht das System eine Menge Dinge in kleinem Umfang, und sobald einer von ihnen anfängt, positives Feedback zu erhalten, dauert es nicht lange, bis es den Charakter der Organisation im System übernimmt", sagte England gegenüber Live Science.

Dies ist ein sehr einfaches Modell dessen, was in der Biologie vor sich geht: Chemische Energie wird in Zellen verbrannt, die - ihrer Natur nach - aus dem Gleichgewicht geraten und die metabolischen Prozesse antreiben, die das Leben aufrechterhalten. Aber, wie England zugibt, gibt es einen großen Unterschied zwischen dem Finden von lebensähnlichen Qualitäten in einer virtuellen chemischen Suppe und dem Leben selbst.

Sara Imari Walker, eine theoretische Physikerin und Astrobiologin an der Arizona State University, die an der aktuellen Forschung nicht beteiligt war, stimmt dem zu.

"Es gibt eine Zweiwegbrücke, die überquert werden muss, um Biologie und Physik zu überbrücken; man muss verstehen, wie man aus einfachen physikalischen Systemen lebensechte Qualitäten erhält und die andere versteht, wie die Physik Leben hervorbringen kann" Imari Walker erzählte Live Science. "Man muss beides tun, um wirklich zu verstehen, welche Eigenschaften einzigartig für das Leben sind und welche Eigenschaften charakteristisch für Dinge sind, die man für fast lebendig hält [...] wie ein präbiotisches System."

Entstehung des Lebens jenseits der Erde?

Bevor wir überhaupt anfangen können, die große Frage zu beantworten, ob diese einfachen physikalischen Systeme die Entstehung von Leben an einem anderen Ort im Universum beeinflussen könnten, wäre es besser zu verstehen, wo diese Systeme zuerst auf der Erde existieren.

"Wenn du" Leben "sagst, meinst du Zeug, das so erstaunlich beeindruckend ist wie ein Bakterium oder irgendetwas anderes mit Polymerasen und DNA, sagt meine Arbeit noch nichts darüber aus, wie einfach oder schwierig es ist, etwas so Komplexes zu machen Also sollte ich nicht darüber spekulieren, was wir anderswo als auf der Erde finden würden ", sagte England. (Polymerasen sind Proteine, die DNA und RNA zusammensetzen.)

Diese Forschung identifiziert nicht spezifisch, wie Biologie aus nichtbiologischen Systemen hervorgeht, nur dass in einigen komplexen chemischen Situationen eine überraschende Selbstorganisation auftritt. Diese Simulationen berücksichtigen keine anderen lebensechten Eigenschaften - wie Anpassung an die Umwelt oder Reaktion auf Reize. Auch dieser thermodynamische Test an einem geschlossenen System berücksichtigt nicht die Rolle der Informationsreproduktion in den Ursprüngen des Lebens, sagte Michael Lässig, Statistiker und quantitativer Biologe an der Universität zu Köln.

"Diese Arbeit ist in der Tat ein faszinierendes Ergebnis für chemische Nichtgleichgewichtsnetzwerke, aber sie ist noch weit von einer physikalischen Erklärung der Ursprünge des Lebens entfernt, die die Reproduktion von Informationen erfordert", sagte Lässig, der nicht an der Forschung beteiligt war , erzählte Live Science.

Es gibt eine entscheidende Rolle für Informationen in lebenden Systemen, fügte Imari Walker hinzu. Nur weil es scheinbar eine natürliche Selbstorganisation gibt, die eine Suppe aus Chemikalien zeigt, bedeutet das nicht unbedingt eine lebendige Organisation.

"Ich denke, es gibt eine Menge Zwischenschritte, die wir durchstehen müssen, um von einer einfachen Bestellung zu einer vollständigen Informationsverarbeitungsarchitektur wie einer lebenden Zelle zu kommen, die etwas wie Gedächtnis und Erbgut benötigt", sagte Imari Walker. "Wir können in Physik und Nicht-Gleichgewichtssystemen Ordnung schaffen, aber das macht es nicht unbedingt zum Leben."

Zu sagen, Englands Arbeit könnte die "rauchende Waffe" für den Ursprung des Lebens sein, ist verfrüht, und es gibt viele andere Hypothesen darüber, wie das Leben aus dem Nichts entstanden sein könnte, sagten Experten. Aber es ist ein faszinierender Einblick, wie sich physikalische Systeme in der Natur selbst organisieren können. Jetzt, da die Forscher eine allgemeine Vorstellung davon haben, wie sich dieses thermodynamische System verhält, wäre es ein netter nächster Schritt, um genügend physikalische Systeme zu identifizieren, die außerhalb des Gleichgewichts liegen, die auf der Erde natürlich vorkommen, sagte England.