โลกเหนือฟิสิกส์: การเกิดขึ้นและวิวัฒนาการของชีวิต

 Stuart A. Kauffman Oxford University Press (2019)

ท่ามกลางปริศนาทางวิทยาศาสตร์666slotclubที่ยิ่งใหญ่ในสมัยของเราคือการที่ชีวิตเกิดจากสสารอนินทรีย์ นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจสอบตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1920 เมื่อนักชีวเคมี Alexsandr Oparin และ JBS Haldane (แยกกัน) ตรวจสอบคุณสมบัติของหยดที่อุดมไปด้วยโมเลกุลอินทรีย์ที่มีอยู่ใน ‘ซุปพรีไบโอติก’ บนโลกดึกดำบรรพ์ (ดู T. Hyman และ C. Brangwynne Nature 491 , 524–525; 2012). แต่ละคนตั้งสมมติฐานว่าสารประกอบอินทรีย์เกิดปฏิกิริยาซึ่งนำไปสู่โมเลกุลที่ซับซ้อนมากขึ้น และในที่สุดก็เกิดรูปแบบชีวิตแรกขึ้น

สิ่งที่ขาดหายไปในตอนนี้คือทฤษฎีที่เป็นรูปธรรมสำหรับฟิสิกส์ว่าชีวิตคืออะไร สามารถทดสอบกับการทดลองได้ ซึ่งมีแนวโน้มว่าจะเป็นสากลมากกว่าเคมีของสิ่งมีชีวิตบนโลก ทศวรรษหลัง Oparin และ Haldane หนังสือของ Erwin Schrödinger ในปี 1944 ชีวิตคืออะไร? (ดู P. Ball Nature 560, 548–550; 2018) พยายามวางรากฐานแนวคิดสำหรับทฤษฎีดังกล่าว กระนั้น กว่า 70 ปีและนักฟิสิกส์สองชั่วอายุคนต่อมา นักวิจัยยังคงไตร่ตรองว่าคำตอบนั้นอยู่ในฟิสิกส์ที่ไม่รู้จักหรือไม่ ไม่มีใครเป็นผู้นำในคำถามเหล่านี้ได้มากเท่ากับ Stuart Kauffman

ในช่วงปี 1980 และ 1990 Kauffman 

ซึ่งเป็นนักวิจัยด้านระบบที่ซับซ้อนได้พัฒนาทฤษฎีที่มีอิทธิพลอย่างสูงสำหรับต้นกำเนิดของชีวิต โดยอาศัยโมเลกุลที่สืบพันธุ์รวมกันเท่านั้น เรียกว่าชุดตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ เขาตั้งข้อสังเกตว่าหากส่วนผสมทางเคมีของโพลีเมอร์มีความหลากหลายเพียงพอ เซตเหล่านี้จะปรากฎขึ้นเองตามธรรมชาติเมื่อเปลี่ยนเฟส นั่นคือการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในสถานะหรือการทำงาน คล้ายกับการเปลี่ยนจากของแข็งเป็นของเหลว เซตทำงานแบบองค์รวม กระตุ้นซึ่งกันและกันในการก่อตัวของสมาชิกโมเลกุลทั้งหมด (แรงบันดาลใจของเขาคือความก้าวหน้าในวิชาคณิตศาสตร์ของเครือข่ายโดย Paul Erdős และ Alfréd Rényi ซึ่งได้แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนเฟสเกิดขึ้นในเครือข่ายแบบสุ่มเมื่อมีการเชื่อมต่อเพิ่มขึ้น) ใน A World Beyond Physics คอฟฟ์แมนอธิบายอย่างละเอียด

ความเข้าใจที่สำคัญของเขาได้รับแรงบันดาลใจจากสิ่งที่เขาเรียกว่า “โลกที่ไม่มีวัตถุนิยม” – ของวัตถุที่ซับซ้อนกว่าอะตอม อะตอมส่วนใหญ่มีความเรียบง่าย ดังนั้นสถานะที่เป็นไปได้ทั้งหมดจึงสามารถดำรงอยู่ได้ในช่วงเวลาที่เหมาะสม เมื่อพวกมันเริ่มมีปฏิสัมพันธ์กันเพื่อสร้างโมเลกุล จำนวนสถานะที่เป็นไปได้จะกลายเป็นจำนวนมหาศาลอย่างไม่น่าเชื่อ มีโปรตีนจำนวนเล็กน้อยที่มีความซับซ้อนพอสมควร กล่าวคือ มีกรดอะมิโนยาว 200 ตัว ได้เกิดขึ้นตลอดประวัติศาสตร์ของจักรวาล การสร้างความเป็นไปได้ทั้งหมดในปี 20200 จะใช้เวลาชั่วกัลปาวสาน เมื่อพิจารณาจากข้อจำกัดดังกล่าวแล้ว สิ่งที่มีอยู่จึงเกิดขึ้นได้อย่างไร?

นี่คือที่ที่คอฟฟ์แมนขยายขอบเขตของทฤษฎีชุดตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ โดยแนะนำแนวคิดเช่น การปิด ซึ่งกระบวนการต่างๆ จะเชื่อมโยงกันเพื่อให้แต่ละส่วนขับเคลื่อนต่อไปในวัฏจักรปิด เขาวางตัวว่าชุดตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ (ของ RNA, เปปไทด์หรือทั้งสองอย่าง) ที่ห่อหุ้มอยู่ในทรงกลมของโมเลกุลไขมันสามารถสร้างโปรโตเซลล์ที่ผลิตซ้ำได้เอง และเขาคาดเดาว่าโปรโตเซลล์เหล่านี้สามารถวิวัฒนาการได้ ดังนั้น นวัตกรรมทางชีววิทยาใหม่แต่ละอย่างจึงทำให้เกิดช่องการทำงานใหม่ที่ส่งเสริมให้เกิดนวัตกรรมมากขึ้น คุณไม่สามารถคาดเดาสิ่งที่จะเกิดขึ้นได้ เขาโต้แย้ง เพราะหน้าที่ของทุกสิ่งที่ชีววิทยาสร้างขึ้นจะขึ้นอยู่กับสิ่งที่มาก่อน และสิ่งอื่นที่มีอยู่ในขณะนี้ ด้วยชุดของสิ่งที่เป็นไปได้ต่อไปที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ

ด้วยเหตุนี้ คอฟฟ์มันจึงสรุปอย่างยั่วยวนว่า ไม่มีกฎทางคณิตศาสตร์ใดที่สามารถอธิบายความหลากหลายและความอุดมสมบูรณ์ของชีวิตในชีวมณฑลได้ เขาเขียนว่า: “เราไม่รู้ตัวแปรที่เกี่ยวข้องก่อนที่จะมีวิวัฒนาการ” อย่างดีที่สุด เขาให้เหตุผลว่า “กฎแห่งชีวิต” ใดๆ ที่มีอยู่จะอธิบายการแจกแจงทางสถิติของแง่มุมต่างๆ ของวิวัฒนาการนั้น ตัวอย่างเช่น พวกเขาอาจทำนายการกระจายของการสูญพันธุ์ การเกิดขึ้นของชีวิตอาจขึ้นอยู่กับพื้นฐานของฟิสิกส์ “แต่มันไม่ได้มาจากสิ่งเหล่านี้” คอฟฟ์แมนให้เหตุผล

หากชีววิทยาไม่สามารถลดขนาดลงเป็นฟิสิกส์ได้ มันจะ “เกินฟิสิกส์” ตามที่คอฟฟ์แมนอ้างหรือไม่? นี่เป็นช่วงเวลาที่น่าสนใจในการทำงานเกี่ยวกับต้นกำเนิดของชีวิต มีการถกเถียงกันอย่างเข้มข้นในสาขานี้ว่าฟิสิกส์ในปัจจุบันเพียงพอหรือไม่ หรือจำเป็นต้องมีหลักการใหม่หรือไม่ ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งของชีวิตในท้ายที่สุดจะมาจากการเข้าใจว่ารูปแบบและหน้าที่เกิดขึ้นจากการไหลของข้อมูลได้อย่างไร? ชีวิตจะถูกเข้าใจเป็นเพียงกระบวนการระดับดาวเคราะห์ที่เชื่อมโยงกับวิทยาศาสตร์นอกระบบดาวเคราะห์หรือไม่? หรือการผสมผสานทฤษฎีและการทดลองจะนำไปสู่แนวทางใหม่ในการสร้างชีวิตเทียม? แนวทางเหล่านี้กำลังได้รับการพัฒนาให้เป็นความพยายามระดับนานาชาติ ซึ่งรวมอยู่ในการประชุม Re-Conceptualizing the Origins of Life ในปี 2015 โดยดึงนักวิจัยจากสถาบันต่างๆ รวมทั้งสถาบันซานตาเฟในนิวเม็กซิโก สถาบัน Earth-Life Science ที่สถาบันเทคโนโลยีแห่งโตเกียว และ มหาวิทยาลัยรัฐแอริโซนาในเทมพี666slotclub