Miltä tuntuisi ajatus, että ainehiukkasten
itseorganisoituminen olisikin yhtä luonnollista kuin kiven pyöriminen kalliolta
alas? MIT:n professori Jeremy England on esittänyt olemassa olevaan
termodynamiikkaan perustuvan teorian, joka sanoo, että kun ryhmä atomeja saa
ulkopuolista energiaa jostain ja kykenee siirtämään ympäristöönsä lämpöä, ryhmä
organisoituu monimutkaistuviksi rakenteiksi, jotka siirtävät lämpöä
ympäristöönsä aina vaan tehokkaammin.
Mitä on elämä? Ryhmä atomeja jotka saavat energiaa ja
siirtävät lämpöä ympäristöönsä.
Termodynamiikan toisen pääsäännön mukaan entropia kasvaa
ajan kuluessa. Kuumat esineet jäähtyvät ja lastenhuoneiden lattiat täyttyvät
vähitellen leluista. Kun aika kuluu, energialla on taipumus levittäytyä tai
hävitä tietystä systeemistä. Energian on yksinkertaisesti helpompi levitä kuin
pysyä tietyssä paikassa.
Maailmankaikkeudesta energia ei toki häviä, mutta
maailmankaikkeutta pienemmistä yksiköistä kyllä. Teoriassaan England johti
termodynamiikan toisen pääsäännön yleistyksen hiukkasjärjestelmille, jotka
saavat ulkopuolista energiaa ja pystyvät siirtämään lämpöä ympäristöönsä. Yleistyksen
pohjalta hän tarkasteli, miten tällaiset järjestelmät lisäävät todennäköisimmin
entropiaansa. Todennäköisimmät hiukkasjärjestelmän konfiguraatiot
osoittautuivat sellaisiksi, jotka absorboivat energiaa mainitusta
ulkopuolisesta lähteestä ja siirtävät sitä lämpönä ulos mahdollisimman
tehokkaasti. Nämä konfiguraatiot puolestaan ovat sellaisia, joissa hiukkaset
ovat jollakin koordinoidulla tavalla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa,
vaikkapa kiinnittyneinä toisiinsa. Tämä tarkoittaa periaatteessa sitä, että
esimerkiksi auringon valaisemat atomiryhmät valtameressä tai ilmakehässä
organisoituvat itsekseen monimutkaisemmiksi rakenteiksi.
Myös kopioituminen, so. jälkeläisten tuottaminen, saattaa
olla seurausta teoriasta, sillä kopioituminen on erittäin tehokas tapa napata
energiaa lisää ja siirtää sitä lämpönä ulos. Jatkotutkimuksissaan England on
osoittanut, että mm. RNA-molekyylien itsereplikoitumiseen liittyvät
energiatasot tukevat teoriaa. Mielenkiintoista on, että teoria myös hämärtää
elämän ja ei-elämäksi katsottavan toiminnan rajaa: turbulenttien nesteiden
pyörteet kahdentavat itsensä ja teoreettisia sekä simulointitutkimuksia
ei-elävistä itsereplikoituvista mikrorakenteista on esitetty.
Esitetty ajattelu tuntuu vieraalta, koska termodynamiikkaa
on tähän asti käsitelty teoreettisesti lähinnä suljetuissa järjestelmissä
jotka ovat lähellä tasapainoa. Avointen kaukana tasapainosta olevien
järjestelmien analyysi ei ole ollut termodynamiikan mainstreamia. Alan
tutkimusta on tehty, mutta tieteenhaarana ala on varsin esoteerinen eikä sitä
ole pystytty aiemmin kunnolla nostamaan puheenaiheeksi.
England itse sanoo, että hänen teoriansa ei missään
tapauksessa korvaa Darwinin luonnonvalintaa, mutta auttaa ajattelemaan
laajemmin ja tarjoaa uudenlaisia ratkaisumalleja tietyille toistaiseksi
selittämättä oleville evoluutiobiologian ongelmille.
Kuten kaikilla uusilla tieteellisillä ajatuksilla, tälläkin
teorialla on puolustajansa ja vastustajansa. Myös joukko aiempia tutkimuksia
tehneitä tutkijoita on noussut vaatimaan osaansa kunniasta, mikäli sellaista
lopulta jaetaan. England itse jatkaa sekä teoreettista että käytännöllistä
tutkimusta, ja varmastikin myrskyisää argumentointia puolesta ja vastaan on
odotettavissa. Se, onko England fysikaalisen elämän tuleva Darwin vaiko vain hyvä popularisoija, jää
nähtäväksi.
Referaatti ja käännös tekijän lisäyksin tekstistä
https://www.quantamagazine.org/20140122-a-new-physics-theory-of-life/
