Comprender la naturaleza de la vida es uno de los misterios más difíciles y al mismo tiempo interesantes para la humanidad. Con el tiempo, este misterio fue inevitablemente más allá de la cuestión de si la vida existe solo en la Tierra o si existe en algún otro lugar del universo. ¿El surgimiento de la vida se debe a una coincidencia aleatoria y afortunada, o es tan natural para el universo como las leyes universales de la física?
Los científicos han estado tratando de responder a estas preguntas durante mucho tiempo. Uno de ellos es Jeremy England, biofísico del Instituto Tecnológico de Massachusetts. En 2013, planteó la hipótesis de que las leyes de la física podrían desencadenar reacciones químicas que permitieran que las sustancias simples se organizaran de tal manera que finalmente adquirieran cualidades de "vida".
En los resultados del nuevo trabajo de England y sus colegas, se observa que la física es capaz de crear de forma natural procesos de reacciones autorreproducibles, que es uno de los primeros pasos hacia la creación de "vivos" a partir de "no vivos". En otras palabras, esto significa que la vida se deriva directamente de las leyes fundamentales de la naturaleza, lo que prácticamente excluye la posibilidad de una hipótesis de ocurrencia accidental. Pero esa sería una declaración demasiado fuerte.
La vida tenía que salir de algo. La biología no siempre ha existido. También surgió como resultado de una cadena de ciertos procesos químicos que llevaron al hecho de que los productos químicos de alguna manera se organizaron en compuestos prebióticos, crearon los "componentes básicos de la vida" y luego se convirtieron en microbios, que eventualmente evolucionaron hasta convertirse en una asombrosa colección de seres vivos. existente en nuestro planeta hoy.
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La teoría de la abiogénesis considera el surgimiento de la vida como el surgimiento de la naturaleza viva a partir de lo inanimado y, según Inglaterra, la termodinámica puede ser la base y la clave a través de la cual los compuestos químicos inanimados podrían convertirse en biológicos vivos. Sin embargo, como señala el propio científico, las últimas investigaciones no apuntan a crear una conexión entre las "propiedades vitales" de los sistemas físicos y los procesos biológicos.
"No diría que he realizado un trabajo que pueda responder a la pregunta de la naturaleza misma de la vida como tal", compartió England en una entrevista con Live Science.
"Lo que me interesó fue la prueba misma del principio: cuáles son los requisitos físicos para la manifestación del comportamiento vivo en compuestos inanimados".
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Autoorganización en sistemas físicos
Cuando se aplica energía a un sistema, las leyes de la física dictan cómo se disipará esa energía. Si este sistema se ve afectado por una fuente de calor externa, entonces la energía comienza a disiparse hasta que se organiza el equilibrio térmico alrededor de este sistema. Coloque una taza de café caliente sobre la mesa y después de un rato el lugar donde estaba la taza se calentará. Sin embargo, algunos sistemas físicos pueden estar en desequilibrio, por lo tanto, mediante la "autoorganización" intentan utilizar la energía de una fuente externa de la manera más eficiente, como resultado de lo cual bastante interesante, como señala England, se desencadenan reacciones químicas autosostenidas que impiden el logro del equilibrio termodinámico. Es como si una taza de café desencadenara espontáneamente una reacción química que hiciera que solo se mantuviera caliente una pequeña área de café en el centro de la taza.impidiendo su enfriamiento y transición al estado de equilibrio termodinámico con la mesa. El científico llama a esta situación "adaptación a la disipación", y este mecanismo es precisamente lo que, según Inglaterra, dota a los sistemas físicos inanimados de propiedades vivientes.
El comportamiento clave de la vida es la posibilidad de autorreproducción o (desde un punto de vista biológico) reproducción. Esta es la base de cualquier vida: se lee como la más simple, luego se reproduce, se vuelve cada vez más compleja, luego se vuelve a reproducir y este proceso se repite una y otra vez. Y da la casualidad de que la autorreplicación también es una forma muy eficaz de disipar el calor y aumentar la entropía dentro de este sistema.
En los hallazgos del estudio, publicados el 18 de julio en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, Inglaterra y el coautor Jordan Horowitz describen probar su hipótesis. Llevaron a cabo varias simulaciones por computadora de un sistema cerrado (un sistema que no intercambia calor ni materia con su entorno) que contiene una "sopa" de 25 sustancias químicas. A pesar del hecho de que su sistema era muy simple, es una "sopa" que muy probablemente alguna vez podría cubrir la superficie de la Tierra antigua y sin vida. Entonces resultó que si estos productos químicos se encuentran juntos y se exponen al calor de una fuente externa (por ejemplo, un pozo hidrotermal), entonces estas sustancias necesitarán disipar este calor de alguna manera de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, que diceque el calor debería disiparse y la entropía del sistema en este momento aumentará inevitablemente.
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Al crear ciertas condiciones iniciales, el científico descubrió que estos químicos pueden optimizar el impacto en el sistema energético a través de la autoorganización y posteriores reacciones activas de autorreplicación. Estos productos químicos se autoajustan naturalmente a las condiciones cambiantes. Las reacciones que crearon también produjeron calor, que corresponde a la segunda ley de la termodinámica. La entropía en el sistema siempre aumentará y los productos químicos también continuarán autoorganizándose y demostrando un comportamiento de vida en forma de autorreproducción.
“De hecho, el sistema primero prueba muchas soluciones a pequeña escala, y cuando una de ellas comienza a mostrar un resultado positivo, entonces organizar todo el sistema y adaptarse a esta solución no lleva mucho tiempo”, compartió England en una entrevista con Live Science.
Un modelo biológico simple es el siguiente: la energía molecular se quema en las células, que están naturalmente desequilibradas y gobiernan los procesos metabólicos que sustentan la vida. Pero, como señala England, existe una gran diferencia entre las propiedades vitales descubiertas y el comportamiento en la sopa química virtual y la vida misma.
Sarah Imari Walker, física teórica y astrobióloga de la Universidad de Arizona, que no participó en la investigación discutida hoy, está de acuerdo.
“Hay dos caminos que deben seguirse para intentar combinar biología y física. Uno es comprender cómo se pueden obtener cualidades de vida a partir de sistemas físicos simples. El segundo es comprender cómo la física puede crear vida. Ambas condiciones deben abordarse para comprender realmente qué propiedades son verdaderamente exclusivas de la vida como tal, y qué propiedades y características son características de cosas que se pueden confundir con sistemas vivos, por ejemplo, los prebióticos”, comentó Imari Walker a Live Science.
El surgimiento de la vida fuera de la Tierra
Antes de comenzar a responder la gran pregunta de si estos simples sistemas físicos podrían influir en el surgimiento de la vida en otras partes del universo, primero debemos comprender mejor dónde podrían existir tales sistemas en la Tierra.
“Si por vida te refieres a algo tan impresionante como, digamos, bacterias o cualquier otra forma con polimerasas (proteínas que conectan el ADN y el ARN) y el ADN, entonces mi trabajo no se trata de cuán fácil o difícil puede ser. para crear algo tan complejo, por lo que no quisiera intentar prematuramente hacer suposiciones sobre si encontraremos algo similar en cualquier otro lugar del universo, excepto en la Tierra”, dice England.
Este estudio no define cómo surgió la biología a partir de sistemas no biológicos, solo tiene como objetivo explicar algunos de los complejos procesos químicos a través de los cuales se produce la autoorganización de las sustancias químicas. Las simulaciones por ordenador realizadas no tienen en cuenta otras propiedades de la vida, como la adaptación al entorno o la reacción a estímulos externos. Además, este estudio termodinámico de un sistema cerrado no tiene en cuenta el papel de la transferencia de información acumulada, señala Michael Lassing, físico estadístico que también trabaja en biología cuantitativa en la Universidad de Colonia.
“Este trabajo ciertamente muestra el asombroso resultado de la interacción de redes químicas que no están en equilibrio, pero aún estamos lejos de cuando la física pueda explicar la naturaleza de la vida, en la que uno de los roles clave se asigna a la reproducción y transferencia de información”, comentó Lassing a Live Science.
El papel de la información y su transporte en los sistemas vivos es muy importante, coincide Imari Walker. En su opinión, la presencia de autoorganización natural presente en una "sopa" de químicos no significa necesariamente que sea una organización viva.
“Creo que hay muchas etapas intermedias por las que debemos pasar para pasar de un orden simple a crear una arquitectura de información completamente funcional como células vivas, que requiere algo como la memoria o la herencia. Ciertamente podemos poner orden en la física y en los sistemas que no están en equilibrio, pero esto no significa que de esta manera obtengamos vida”, dice Imari Walker.
Los expertos generalmente creen que sería prematuro decir que el trabajo de Inglaterra es una "prueba concluyente" de la naturaleza de la vida, ya que hay muchas otras hipótesis que intentan describir cómo la vida pudo haberse formado a partir de casi nada. Pero definitivamente es una nueva mirada a cómo los sistemas físicos son capaces de autoorganizarse en la naturaleza. Ahora que los científicos tienen una comprensión básica de cómo se comporta este sistema termodinámico, quizás el próximo paso sea tratar de identificar un número suficiente de sistemas físicos que no están en equilibrio y que aparecen en la Tierra, dice England.
