Memahami hakikat kehidupan adalah salah satu misteri yang paling sulit dan sekaligus menarik bagi umat manusia. Seiring waktu, misteri ini secara tak terelakkan melampaui pertanyaan apakah kehidupan hanya ada di Bumi, atau ada di tempat lain di alam semesta. Apakah kemunculan kehidupan karena kebetulan yang acak dan menguntungkan, atau apakah hal itu sealami alam semesta seperti hukum fisika universal?
Para ilmuwan telah mencoba menjawab pertanyaan-pertanyaan ini sejak lama. Salah satunya adalah Jeremy England, seorang ahli biofisika di Massachusetts Institute of Technology. Pada tahun 2013, dia berhipotesis bahwa hukum fisika dapat memicu reaksi kimia yang memungkinkan zat sederhana untuk mengatur sedemikian rupa sehingga pada akhirnya memperoleh kualitas "kehidupan".
Dalam hasil penelitian baru Inggris dan rekan-rekannya, diketahui bahwa fisika mampu secara alami menciptakan proses reaksi yang dapat direproduksi sendiri, yang merupakan salah satu langkah pertama untuk menciptakan "hidup" dari "tidak hidup". Dengan kata lain, ini berarti bahwa kehidupan secara langsung berasal dari hukum-hukum dasar alam, yang secara virtual mengesampingkan kemungkinan hipotesis kejadian yang tidak disengaja. Tapi itu pernyataan yang terlalu keras.
Hidup harus keluar dari sesuatu. Biologi tidak selalu ada. Ia juga muncul sebagai hasil dari rantai proses kimia tertentu yang mengarah pada fakta bahwa bahan kimia entah bagaimana diatur menjadi senyawa prebiotik, menciptakan "bahan penyusun kehidupan", dan kemudian berubah menjadi mikroba, yang akhirnya berkembang menjadi kumpulan makhluk hidup yang menakjubkan. yang ada di planet kita saat ini.
Teori abiogenesis menganggap kemunculan kehidupan sebagai kemunculan alam hidup dari benda mati dan, menurut Inggris, termodinamika dapat menjadi dasar dan kunci agar senyawa kimia yang tidak hidup dapat berubah menjadi senyawa biologis yang hidup. Namun, seperti yang dicatat oleh ilmuwan itu sendiri, penelitian terbaru tidak bertujuan untuk menciptakan hubungan antara "sifat vital" dari sistem fisik dan proses biologis.
"Saya tidak akan mengatakan bahwa saya telah melakukan pekerjaan yang dapat menjawab pertanyaan tentang hakikat kehidupan seperti itu," kata Inggris dalam wawancara dengan Live Science.
"Yang menarik minat saya adalah bukti prinsipnya - apa persyaratan fisik untuk manifestasi perilaku hidup dalam senyawa mati."
Video promosi:
Organisasi mandiri dalam sistem fisik
Ketika energi diterapkan pada suatu sistem, hukum fisika menentukan bagaimana energi itu akan menghilang. Jika sistem ini dipengaruhi oleh sumber panas eksternal, energi mulai menghilang sampai kesetimbangan termal diatur di sekitar sistem ini. Letakkan secangkir kopi panas di atas meja dan setelah beberapa saat tempat cangkir berdiri akan menjadi hangat. Akan tetapi, beberapa sistem fisik dapat menjadi non-ekuilibrium, oleh karena itu, melalui "pengaturan-sendiri" mereka mencoba menggunakan energi dari sumber eksternal dengan cara yang paling efisien, sebagai akibatnya yang cukup menarik, seperti yang ditunjukkan Inggris, reaksi kimia mandiri yang mencegah pencapaian kesetimbangan termodinamika diluncurkan. Seolah-olah secangkir kopi secara spontan memicu reaksi kimia yang menyebabkan hanya sebagian kecil kopi di tengah cangkir yang tetap panas,mencegah pendinginan dan transisi ke keadaan kesetimbangan termodinamika dengan tabel. Ilmuwan menyebut situasi seperti itu sebagai "adaptasi terhadap disipasi", dan mekanisme inilah yang, menurut Inggris, memberikan sifat-sifat kehidupan pada sistem fisik yang mati.
Perilaku kunci kehidupan adalah kemungkinan reproduksi diri atau (dari sudut pandang biologis) reproduksi. Inilah dasar dari setiap kehidupan: itu dibaca sebagai yang paling sederhana, kemudian direproduksi, menjadi semakin kompleks, kemudian direproduksi lagi dan proses ini berulang lagi dan lagi. Dan kebetulan replikasi diri juga merupakan cara yang sangat efektif untuk menghilangkan panas dan meningkatkan entropi dalam sistem ini.
Dalam temuan penelitian yang diterbitkan 18 Juli di jurnal Proceedings of the National Academy of Sciences, Inggris dan rekan penulis Jordan Horowitz menjelaskan pengujian hipotesis mereka. Mereka melakukan beberapa simulasi komputer dari sistem tertutup (sistem yang tidak bertukar panas atau materi dengan lingkungannya) yang mengandung "sup" dari 25 bahan kimia. Terlepas dari kenyataan bahwa sistem mereka sangat sederhana, itu adalah "sup" yang kemungkinan besar pernah menutupi permukaan Bumi kuno dan tak bernyawa. Jadi ternyata jika bahan kimia ini bersama-sama dan terkena panas dari sumber eksternal (misalnya, sumur hidrotermal), maka zat ini harus menghilangkan panas ini menurut hukum kedua termodinamika, yang menyatakanbahwa panas akan menghilang dan entropi sistem pada saat ini pasti akan meningkat.
Dengan menciptakan kondisi awal tertentu, ilmuwan menemukan bahwa bahan kimia ini dapat mengoptimalkan dampak pada sistem energi melalui pengaturan mandiri dan reaksi aktif berikutnya untuk replikasi diri. Bahan kimia ini secara alami menyesuaikan diri dengan kondisi yang berubah. Reaksi yang mereka ciptakan juga menghasilkan panas, yang sesuai dengan hukum kedua termodinamika. Entropi dalam sistem akan selalu meningkat dan bahan kimia juga akan terus menata diri dan menunjukkan tingkah laku kehidupan dalam bentuk reproduksi diri.
“Faktanya, sistem pertama kali mencoba banyak solusi berskala kecil, dan ketika salah satunya mulai menunjukkan hasil yang positif, maka mengatur seluruh sistem dan menyesuaikan dengan solusi ini tidak memakan banyak waktu,” kata Inggris dalam wawancara dengan Live Science.
Model biologi sederhana berjalan seperti ini: energi molekuler dibakar dalam sel, yang secara alami tidak seimbang dan mengatur proses metabolisme yang mendukung kehidupan. Tetapi seperti yang ditunjukkan Inggris, ada perbedaan besar antara sifat-sifat kehidupan yang ditemukan dan perilaku dalam sup kimia virtual dan kehidupan itu sendiri.
Sarah Imari Walker, fisikawan teoritis dan astrobiolog di Universitas Arizona, yang tidak terlibat dalam penelitian yang dibahas hari ini, setuju.
“Ada dua jalur yang perlu diambil untuk mencoba menggabungkan biologi dan fisika. Pertama, memahami bagaimana kualitas hidup dapat diperoleh dari sistem fisik sederhana. Yang kedua adalah memahami bagaimana fisika dapat menciptakan kehidupan. Kedua kondisi ini perlu ditangani untuk benar-benar memahami properti mana yang benar-benar unik untuk kehidupan dan properti serta karakteristik mana yang merupakan karakteristik dari hal-hal yang dapat Anda salahkan untuk sistem kehidupan, misalnya prebiotik, - Imari Walker berkomentar di Live Science.
Munculnya kehidupan di luar bumi
Sebelum kita mulai menjawab pertanyaan besar apakah sistem fisik sederhana ini dapat memengaruhi kemunculan kehidupan di tempat lain di alam semesta, pertama-tama kita perlu lebih memahami di mana sistem seperti itu mungkin ada di Bumi.
“Jika yang Anda maksud dalam kehidupan adalah sesuatu yang mengesankan seperti, katakanlah, bakteri atau bentuk lain apa pun dengan polimerase (protein yang menghubungkan DNA dan RNA) dan DNA, maka pekerjaan saya tidak memberi tahu Anda betapa mudah atau sulitnya hal itu. untuk menciptakan sesuatu yang begitu rumit, jadi saya tidak ingin terlalu dini mencoba membuat asumsi tentang apakah kita akan menemukan sesuatu yang serupa di tempat lain di alam semesta, kecuali di Bumi,”kata England.
Studi ini tidak menjelaskan bagaimana biologi muncul dari sistem non-biologis, ini hanya bertujuan untuk menjelaskan beberapa proses kimia kompleks yang melaluinya terjadi pengaturan sendiri bahan kimia. Simulasi komputer yang dilakukan tidak memperhitungkan sifat kehidupan lainnya, seperti adaptasi terhadap lingkungan atau reaksi terhadap rangsangan eksternal. Selain itu, studi termodinamika sistem tertutup ini tidak memperhitungkan peran transfer informasi yang terakumulasi, catat Michael Lassing, fisikawan statistik yang juga bekerja dalam biologi kuantitatif di University of Cologne.
“Karya ini tentu saja menunjukkan hasil yang menakjubkan dari interaksi jaringan kimiawi non-kesetimbangan, tetapi kita masih jauh dari saat fisika dapat menjelaskan sifat kehidupan, di mana salah satu peran kunci ditugaskan pada reproduksi dan transfer informasi,” komentar Lassing kepada Live Science.
Peran informasi dan transportasinya dalam sistem kehidupan sangat penting, Imari Walker setuju. Menurutnya, kehadiran organisasi mandiri alami yang ada dalam "sup" bahan kimia tidak selalu berarti bahwa itu adalah organisasi yang hidup.
“Saya yakin ada banyak tahap peralihan yang harus kita lalui untuk beralih dari penataan sederhana ke menciptakan arsitektur informasi yang berfungsi penuh seperti sel hidup, yang membutuhkan sesuatu seperti ingatan atau keturunan. Kita pasti bisa mendapatkan keteraturan dalam fisika dan sistem non-ekuilibrium, tetapi ini tidak berarti bahwa dengan cara ini kita mendapatkan kehidupan,”kata Imari Walker.
Para ahli umumnya percaya bahwa terlalu dini untuk mengatakan bahwa karya Inggris adalah "bukti konklusif" dari sifat kehidupan, karena ada banyak hipotesis lain yang mencoba menggambarkan bagaimana kehidupan bisa terbentuk dari hampir tidak ada. Tapi ini jelas merupakan pandangan baru tentang bagaimana sistem fisik dapat mengatur dirinya sendiri di alam. Sekarang para ilmuwan memiliki pemahaman dasar tentang bagaimana sistem termodinamika ini berperilaku, mungkin langkah selanjutnya adalah mencoba mengidentifikasi sejumlah sistem fisik non-ekuilibrium yang muncul di Bumi, kata England.
