Γιατί αναδύθηκε η ζωή και γιατί συνεχίζει να υπάρχει;

Πηγή: PhysOrg, 11 Δεκεμβρίου 2008

Σήμερα, οι επιστήμονες κατανοούν πολύ καλά τον τρόπο με τον οποίο εξελίσσεται η ζωή, από μηχανισμούς που βασίζονται στη θεωρίας της φυσικής επιλογής του Δαρβίνου για την επιβίωση του ισχυρότερου. Ωστόσο, το κλασσικό έργο του Δαρβίνου του 1859 "Για την Προέλευση των Ειδών", κατά ειρωνικό τρόπο δεν απαντά στην ίδια ερώτηση - με ποιο τρόπο πραγματικά προήλθαν τα διάφορα είδη. Και μέχρι σήμερα, πώς από την πρώτη μικρή δεξαμενή των χημικών ουσιών αναπήδησε η ζωή, εξακολουθεί να αποτελεί έναν άλυτο ακόμα γρίφο.

Μία από τις πρώτες γνωστές μορφές ζωής στη Γη είναι οι στρωματόλιθοι, που αποτελούνται από κυανοβακτήρια (μπλε-πράσινα φύκια). Οι στρωματόλιθοι είναι ηλικίας 3,5 δισεκατομμυρίων ετών. Αυτή η φωτογραφία δείχνει σύγχρονους στρωματόλιθους στο Shark Bay της Δυτικής Αυστραλίας.

Σε μια πρόσφατη μελέτη με τίτλο "Γιατί αναδύθηκε η ζωή", δύο επιστήμονες, ο Arto Annila (γιος) του Πανεπιστημίου του Ελσίνκι και ο Erkki Annila (πατέρας) του Φινλανδικού Ινστιτούτου Δασικών Ερευνών, προσφέρουν μια εικόνα της γενικής κινητήριας δύναμης της προέλευσης ζωής με όρους της θερμοδυναμικής. Όπως εξηγούν, όλοι οι οργανισμοί αποτελούνται από μόρια που συγκεντρώνονται μαζί μέσω πολλών χημικών αντιδράσεων. Ακριβώς όπως η θερμότητα ρέει από το ζεστό στο κρύο σώμα, αυτά τα μόρια υπακούουν στην καθολική τάση να μειώνουν τις ενεργειακές διαφορές, έτσι ώστε οι πιο πιθανές χημικές αντιδράσεις να είναι εκείνες στις οποίες η ενέργεια να ρέει "κατηφορικά" προς μια σταθερή κατάσταση, ή στην χημική ισορροπία.

Αν και οι ερευνητές δεν κάνουν εικασίες για τις ειδικές χημικές αντιδράσεις που δημιούργησαν τη ζωή, αυτοί εξηγούν ότι τα μόρια που συμμετέχουν πολύ πιθανόν να υπέστησαν μια σειρά από ολοένα περισσότερο πολύπλοκες αντιδράσεις για την ελαχιστοποίηση των διαφορών της ενέργειας μεταξύ της ύλης στη Γη και της υψηλής ενέργειας ακτινοβολίας από τον Ήλιο. Η διαδικασία αυτή τελικά προχώρησε τόσο πολύ που συσσωρεύτηκε σε τέτοιες εξεζητημένες λειτουργικές δομές, που θα μπορούσε να ονομαστεί ζωή.

"Η πιο σημαντική ιδέα στη μελέτη μας είναι ότι δεν υπάρχει διάκριση μεταξύ έμβιου και μη έμβιου," λέει ο Arto Annila. "Οι διαδικασίες της ζωής, στις αρχές τους, δεν διαφέρουν από οποιαδήποτε άλλη φυσική διεργασία."

Στη μελέτη τους οι ερευνητές θεωρούν μια αρχέγονη λίμνη που περιείχε ορισμένες βασικές ενώσεις. Αντιδρώντας όλες αυτές μεταξύ τους και συνδεόμενες με μια εξωτερική πηγή ενέργειας όπως ο ήλιος, οι ενώσεις σχημάτισαν ένα χημικό σύστημα. Οι ενώσεις συνεχώς συμμετείχαν σε χημικές αντιδράσεις, που απέδιδαν περισσότερο όταν συλλάμβαναν όλο και περισσότερη ηλιακή ενέργεια, σε αναζήτηση μιας πιο σταθερής κατάστασης. Η εξελικτική διαδικασία ήταν και εξακολουθεί να είναι μη ντετερμινιστική, ακόμη και χαοτική, επειδή οι ροές της ενέργειας δημιουργούν διαφορές που με τη σειρά τους επηρεάζουν τη ροή.

Λόγω των τυχαίων μεταβολών, οι οποίες προέρχονταν από τις χημικές αντιδράσεις, μπορεί και ανέκυπταν μερικές νέες ενώσεις στο αρχέγονο σύστημα. Ορισμένες από τις ενώσεις αυτές (όπως εκείνες που αφορούν τον άνθρακα) θα μπορούσαν να ήταν εξαιρετικά καλές στη δημιουργία ενεργειακής ροής, επιτρέποντας έτσι στο σύστημα να μειώσει τις διαφορές ενέργειας με καλά αποτελέσματα και να φθάσει σε ένα υψηλότερο επίπεδο της εντροπίας. Ενώσεις με αυτά τα πλεονεκτήματα θα είχαν κερδίσει έδαφος κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου της πρωτόγονης χημικής εξέλιξης. Όμως, οι επιστήμονες τονίζουν ότι ο ακριβής προσδιορισμός των ενώσεων που ήταν οι βασικοί παράγοντες κατά την διάρκεια αυτής της περιόδου είναι πολύ δύσκολο να προσδιοριστούν.

"Σήμερα έχουν απομείνει πολύ λίγα στοιχεία από το πολύ μακρινό παρελθόν ώστε να συμπεράνουμε ποια χημικά είδη εξαφανίστηκαν, ενώ ποια άλλα είδη, με πιο βιώσιμη μεταγωγή ενέργειας, προέκυψαν," εξήγησε ο Arto Annila. Με άλλα λόγια, η παρούσα μελέτη επικεντρώνεται στο γιατί προέκυψε η ζωή, όχι στον τρόπο.

Το ποιο σπουδαίο είναι το γεγονός ότι η φυσική τάση να μειώνονται οι ενεργειακές διαφορές δεν κάνει καμία διάκριση μεταξύ των έμβιων ή άψυχων συστημάτων. Όπως εξηγούν οι ερευνητές, η τάξη και η πολυπλοκότητα που χαρακτηρίζουν τα σύγχρονα βιολογικά συστήματα δεν έχουν καμία αξία μέσα και για αυτά τα ίδια, αλλά η ιεραρχική δομή οργάνωσης εμφανίστηκε και αναπτύχθηκε επειδή αυτά έλαβαν μια πορεία για την αύξηση των ροών της ενέργειας.

Οι επιστήμονες δίνουν αρκετά παραδείγματα των μηχανισμών, που σχετίζονται με τη ζωή, όπου αυξάνεται η εντροπία. Για παράδειγμα, όταν μικρά συστήματα (π.χ. μόρια) φτιάχνουν μεγαλύτερα συστήματα (π.χ. κύτταρα), συμμετέχοντας σε αλληλεπιδράσεων που καταναλώνουν περισσότερη ελεύθερη ενέργειας, τότε η εντροπία αυξάνεται. Ο γενετικός κώδικας θα μπορούσε να είναι άλλος ένας πρωταρχικός μηχανισμός, δρώντας σαν καταλύτης που θα μπορούσε να αυξήσει την ενεργειακή ροή προς την κατεύθυνση της αύξησης της εντροπίας. Σήμερα, οι σύνθετοι οργανισμοί έχουν το μεταβολισμό του κυττάρου, που αποτελεί έναν άλλο μηχανισμό που αυξάνει την εντροπία, καθώς με αυτόν διασκορπίζεται ενέργεια σε ολόκληρο τον οργανισμό όπως και στο περιβάλλον. Η τροφική αλυσίδα σε ένα οικοσύστημα είναι ένα άλλο παράδειγμα ενός μηχανισμού για τη μεταφορά ενέργειας σε μεγαλύτερη κλίμακα.

Κατά αυτή την έννοια, η ζωή είναι ένα πολύ φυσιολογικό γεγονός, που προέκυψε απλώς για να ικανοποιήσει βασικούς φυσικούς νόμους. Ο "σκοπός" μας, για να το πούμε πιο καθαρά, είναι η ανακατανομή της ενέργειας στον πλανήτη, που προξενείτε μεταξύ του καυτού ήλιου και του ψυχρού χώρου. Οι οργανισμοί εξελίσσεται μέσω της φυσικής επιλογής, αλλά στο πιο βασικό επίπεδο, η φυσική επιλογή καθοδηγείται από την ίδια θερμοδυναμική αρχή: την αύξηση της εντροπίας και την μείωση των ενεργειακών διαφορών. Οι φυσικές διεργασίες από τις οποίες προέκυψε η ζωή, λοιπόν, είναι οι ίδιες διαδικασίες που διατηρούν τη συνέχιση της ζωής - και λειτουργούν με όλες τις χρονικές κλίμακες.

"Σύμφωνα με τη θερμοδυναμική, δεν υπήρχε καμιά ειδική στιγμή ή καμιά συγκεκριμένη θέση από όπου να προήλθε η ζωή, αλλά η φυσική διαδικασία της εξέλιξης έχει προέλθει μέσα από μια μακρά σειρά σταδίων, μέσω πολλών μηχανισμών που κατέληξαν σε συγκεκριμένη έννοια - τη ζωή," εξήγησαν οι ερευνητές.

Και επειδή δεν αναγνωρίζει η θερμοδυναμική μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, ένα συγκεκριμένο χώρο, σύνθεσης ή αντίδρασης που θα διακρίνει τη ζωή από το άψυχο, γι αυτό η αναζήτηση για το πως "γεννήθηκε η ζωής" μοιάζει σαν ένα πρόβλημα που έχει πολλές λύσεις ή είναι ένα πρόβλημα που δεν τίθεται σωστά, εξήγησε ο Arto Annila.

"Πράγματι, η αναζήτηση της προέλευσης της ζωής φαίνεται μια μάταιη προσπάθεια Επειδή η ζωή στο σύνολό της είναι μια φυσική διαδικασία που δεν έχει, σύμφωνα με το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, συγκεκριμένες αρχές", αναφέρει ο ίδιος. "Το να ρωτήσω πώς ξεκίνησε η ζωή είναι το ίδιο με το να ρωτήσω πότε και που έγινε η πρώτη ριπή του ανέμου που ρυτίδωσε την επιφάνεια μιας ζεστής λιμνούλας."

Περισσότερες πληροφορίες: Annila, Arto και Annila, Erkki. "Γιατί αναδύθηκε η ζωή;" International Journal of Astrobiology.

Κοιτάζοντας πίσω στον χρόνο, η εξέλιξη συνολικά είχε αναμφίβολα μια γενική κατεύθυνση, από το απλό στο πολύπλοκο, από την εξάρτηση από το περιβάλλον προς μια σχετική ανεξαρτησία από αυτό. Μια κατεύθυνση προς όλο και μεγαλύτερη αυτονομία των κυττάρων, προς όλο και μεγαλύτερη ανάπτυξη των αισθητηρίων οργάνων και των νευρικών συστημάτων, τα οποία μεταφέρουν και επεξεργάζονται την πληροφορία για την κατάσταση του περιβάλλοντος και του οργανισμού.

Η πρόοδος λοιπόν είναι μια ιδιότητα της εξέλιξης της ζωής σαν σύνολο,  με όποιο σχεδόν μέτρο σύγκρισης και αν χρησιμοποιήσουμε.

Από τα προκαρυωτικά, τα ευκαρυωτικά κύτταρα, τους ιστούς και τα όργανα ως τα φυτά και τα ζώα, τις οικογένειες, τις κοινότητες, τα οικοσυστήματα, και ολόκληρο τον ζωντανό μας πλανήτη, η Ζωή είναι Οργάνωση σε κάθε κλίμακα. Θα λέγαμε ότι η εξέλιξη της ζωής είναι η αύξηση της βιολογικής οργάνωσης. Είναι ξεκάθαρο λοιπόν, ότι αν η ζωή προέρχεται και εξελίσσεται προοδευτικά, χωρίς να έχει εισαχθεί αυτή η οργάνωση απ' έξω, τότε κάτι έχει οργανώσει τη Ζωή.

Ενέργεια, όπως πχ από το ηλιακό φως, εισέρχεται όπως ξέρουμε με σταθερό ρυθμό σε ένα βιολογικό σύστημα, οπότε κάποιος θα μπορούσε να πει πως η εντροπία (αταξία) μειώνεται. Αν θεωρήσουμε όμως ένα μεγαλύτερο σύστημα που να περιλαμβάνει και τον Ήλιο, η θερμοδυναμική εντροπία έχει αυξηθεί, όπως απαιτεί ο Δεύτερος Νόμος.