Por que a vida existe?
Hipóteses populares creditam uma sopa primordial, um raio e um acidente vascular cerebral colossal de sorte. Mas se uma nova teoria provocativa estiver correta, a sorte pode ter pouco a ver com isso. Em vez disso, de acordo com o físico por tras da a ideia, a origem e a evolução subsequente da vida segue das leis fundamentais da natureza e "deve ser tão surpreendente como rochas rolando ladeira abaixo."
Do ponto de vista da física, há uma diferença essencial entre os seres vivos e inanimados aglomerados de átomos de carbono: os primeiros tendem a ser muito melhor em captar energia a partir de seu ambiente e dissipar essa energia na forma de calor. Jeremy England, de 33 anos professor assistente no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, derivou uma fórmula matemática que ele acredita que explica essa capacidade. A fórmula, baseado na física estabelecida, indica que, quando um grupo de átomos é acionado por uma fonte externa de energia (como o combustível do sol ou da química) e rodeada por um banho de calor (como o oceano ou atmosfera), será frequentemente gradualmente reestruturado em si, a fim de dissipar energia cada vez mais. Isto poderia significar que, sob certas condições, inexoravelmente a questão adquire o atributo físico chave associad o com a vida.
"Você começa com um grupo aleatório de átomos, e se você brilhar a luz sobre ele por tempo suficiente, ele surpreendentemente se transforma em algo", disse England.
A teoria de England destina-se a fundamentamentar, ao invés de substituir, a teoria da evolução de Darwin pela seleção natural, que fornece uma poderosa descrição da vida no nível de genes e populações. "Eu certamente não estou dizendo que as ideias darwinistas estão erradas", ele explicou. "Pelo contrário, estou apenas dizendo que a partir da perspectiva da física, você pode chamar a evolução darwiniana como um caso especial de um fenômeno mais geral."
Sua idéia, detalhada em um artigo recente e em uma palestra que em universidades ao redor do mundo, gerou polêmica entre seus colegas, que o vêem como quer tênue ou um avanço potencial, ou ambos.
England tomou "um passo muito corajoso e muito importante", disse Alexander Grosberg, um professor de física na Universidade de Nova York, que tem acompanhado o trabalho de England desde seus estágios iniciais. A "grande esperança" é que ele identificou o princípio físico subjacente ao dirigir a origem e a evolução da vida, disse Grosberg.
"Jeremy é nada mais que o mais brilhante jovem cientista que eu já me deparei", disse Attila Szabo, um biofísico no Laboratório de Química Física no National Institutes of Health, que correspondeu com England sobre sua teoria após conhecê-lo em uma conferência. "Fiquei impressionado com a originalidade das idéias."
Outros, como Eugene Shakhnovich, professor de química, biologia química e biofísica da Universidade de Harvard, não estão convencidos. "IAs déias de Jeremy são interessantes e potencialmente promissoras, mas neste momento são extremamente especulativa, especialmente quando aplicadas a fenômenos da vida", disse Shakhnovich.
Resultados teóricos de England são geralmente são considerados válidos. É sua interpretação - que sua fórmula representa a força motriz por trás de uma classe de fenômenos na natureza que inclui a vida - que ainda não foi provado. Mas já existem ideias sobre como testar essa interpretação no laboratório.
"Ele está tentando algo radicalmente diferente", disse Mara Prentiss, um professor de física na Universidade de Harvard que está contemplando tal experimento depois de aprender sobre o trabalho de England.. "Como uma lente organizadora, acho que ele tem uma idéia fabulosa. Certo ou errado, vai valer muto a investigação. "
Uma simulação de computador por Jeremy Inglaterra e colegas mostra um sistema de partículas confinadas no interior de um fluido viscoso no qual as partículas turquesa são ccionadas por uma força oscilante. Ao longo do tempo (de cima para baixo), a força provoca a formação de mais ligações entre as partículas.
". Flecha do tempo" no cerne da ideia de England é a segunda lei da termodinâmica, também conhecida como a lei da entropia crescente ou coisas quentes arrefecem, ogás difunde-se através do ar, ovos mexidos, mas nunca de forma espontânea desembaralham; em suma, a energia tende a se dispersar ou espalhar-se com o tempo. A entropia é uma medida desta tendência, como quantificar a energia dispersa é entre as partículas num sistema, e como as partículas são difusas por todo o espaço. Ele aumenta como uma simples questão de probabilidade: Existem várias maneiras para a energia tanto para ser espalhada tanto que para que possa ser concentrada. Assim, na forma de partículas em um sistema de se movimentar e interagir, eles vão, através do puro acaso, tendem a adotar configurações em que a energia se espalha para fora. Eventualmente, o sistema chega a um estado de entropia máxima chamado "equilíbrio termodinâmico", em que a energia é distribuída uniformemente. Uma xícara de café e o espaço em torno que a mesma temperatura, por exemplo. Enquanto o copo e o espaço em volta são deixados sozinhos, este processo é irreversível. O café nunca aquece espontaneamente de novo porque as probabilidades estão esmagadoramente empilhadas contra muito da energia do ambiente concentrando-se aleatoriamente em seus átomos.
Embora a entropia deve aumentar ao longo do tempo em um sistema "fechado" isolado ou, um sistema "aberto" pode manter sua entropia baixa - ou seja, a energia da divisão desigual entre os seus átomos -, aumenta grandemente a entropia de seus arredores. Em sua influente monografia de 1944 "O que é vida?", O físico quântico eminente Erwin Schrödinger argumentou que isso é o que os seres vivos devem fazer. Uma planta, por exemplo, absorve a luz solar extremamente enérgica, usa-a para construir açúcares, e ejeta a luz infravermelha, uma forma muito menos concentrada de energia. A entropia total do universo aumenta durante a fotossíntese como as dissipa luz solar, mesmo quando a planta previne-se de decomposição através da manutenção de uma estrutura interna ordenada.
A vida não viola a segunda lei da termodinâmica, mas até recentemente, os físicos não foram capazes de usar a termodinâmica para explicar por que deve surgir em primeiro lugar. Nos dias de Schrödinger, eles poderiam resolver as equações da termodinâmica somente para sistemas fechados em equilíbrio. Na década de 1960, o físico belga Ilya Prigogine fez progressos em predizer o comportamento de sistemas abertos fracamente conduzidos por fontes de energia externas (para o qual ele ganhou o Prêmio Nobel 1977 em Química). Mas o comportamento de sistemas que estão longe do equilíbrio, que estão ligadas ao ambiente externo e impulsionado fortemente por fontes externas de energia, não poderia ser previsto.
.
Esta situação mudou no final de 1990, devido principalmente ao trabalho de Chris Jarzynski, agora na Universidade de Maryland, e Gavin Crooks, agora no Lawrence Berkeley National Laboratory. Jarzynski e Crooks mostraram que a entropia produzida por um processo termodinâmico, tais como o arrefecimento de uma xícara de café, corresponde a uma razão simples: a probabilidade de que os átomos passarão por esse processo dividido pela sua probabilidade de sofrer o processo inverso (isto é , espontaneamente interagir de tal forma que o café aquece). Com o aumento da produção de entropia, o mesmo acontece ensta relação: ". Irreversível" O comportamento do sistema torna-se mais e mais A fórmula ainda rigorosa e simples poderia, em princípio, ser aplicada a qualquer processo termodinâmico, não importa quão rápido ou longe do equilíbrio. "Nossa compreensão da mecânica de extremo equilíbrio em estatística melhorou muito", disse Grosberg. England que é formado em ambos bioquímica e física, começou seu próprio laboratório no MIT há quatro anos e decidiu aplicar o novo conhecimento da física estatística para a biologia.
Usando formulação Jarzynski e Crooks ', ele derivou uma generalização da segunda lei da termodinâmica que vale para sistemas de partículas com determinadas características: Os sistemas são fortemente impulsionados por uma fonte de energia externa, como uma onda eletromagnética, e eles podem despejar calor em um banho circundante. Esta classe de sistemas inclui todas as coisas vivas. England, em seguida, determinou como esses sistemas tendem a evoluir ao longo do tempo à medida que aumentar a sua irreversibilidade. "Podemos mostrar de maneira muito simples a partir da fórmula que os resultados evolutivos mais provavelmente vão ser os que absorvem e dissipam mais energia a partir de unidades externas do meio ambiente no caminho para chegar lá", disse ele. A constatação faz sentido intuitivo: partículas tendem a se dissipar mais energia quando elas ressoam com uma força motriz, ou mover na direção que ele está empurrando-os, e eles são mais propensos a se mover nessa direção do que qualquer outro em qualquer momento.
"Isto significa que aglomerados de átomos rodeados por um banho em alguma temperatura, como a atmosfera ou do oceano, devem tender ao longo do tempo de organizar-se a ressoar melhor e melhor com as fontes de trabalho mecânico, eletromagnético ou químico em seus ambientes", England explicou .
De acordo com a nova pesquisa em Harvard, o revestimento das superfícies das microesferas pode causar-lhes para montar espontaneamente em uma estrutura escolhida, como um polytetrahedron (vermelho), que, em seguida, dispara esferas próximas para formar uma estrutura idêntica.
Auto-replicação (ou reprodução, em termos biológicos), o processo que impulsiona a evolução da vida na Terra, é um tal mecanismo pelo qual um sistema pode dissipar uma quantidade crescente de energia ao longo do tempo. Como England colocou, "Uma ótima maneira de dissipar mais é fazer mais cópias de si mesmo." Em um artigo no do Journal of Chemical Physics, ele relatou o valor mínimo teórico de dissipação que pode ocorrer durante o auto-replicação do RNA moléculas e células bacterianas, e mostrou que é muito perto dos valores reais que esses sistemas dissipam durante a replicação. Também mostrou que o ARN, o ácido nucleico que Muitos cientistas acreditam que serviu como o precursor para a vida baseada em DNA, é um material de construção particularmente barato. Uma vez que o RNA surgiu, ele argumenta, a sua "tomada de Darwin" foi talvez não tão surpreendente.
A química da sopa primordial, mutações aleatórias, geografia, eventos catastróficos e inúmeros outros fatores têm contribuído para os detalhes da diversidade da flora e fauna da Terra. Mas de acordo com a teoria de England, o princípio subjacente a condução de todo o processo é a adaptação orientada para a dissipação da matéria.
Este princípio se aplica bem à matéria inanimada . "É muito tentador especular sobre que fenômenos na natureza agora podemos caber sob esta grande tenda da organização adaptativa orientada a dissipação", disse England. "Muitos exemplos poderiam ser apenas para a direita debaixo do nosso nariz, mas porque não temos estado a olhar para eles não os ''percebemos''.
Os cientistas já observaram a auto-replicação em sistemas não-vivos. Segundo a nova pesquisa liderada por Philip Marcus, da Universidade da Califórnia, Berkeley, e relatado na revista Physical Review Letters em vórtices em fluidos turbulentos espontaneamente replicam-se pelo desenho de energia a partir de cisalhamento no fluido circundante. E em um documento publicado on-line a no Proceedings da Academia Nacional de Ciências, Michael Brenner, professor de matemática aplicada e física na Universidade de Harvard, e seus colaboradores presentes em modelos teóricos e simulações de microestruturas viram a auto-replicação ocorrer. . Estes aglomerados de microesferas especialmente revestidos dissipam a energia por esferas próximas a formar agrupamentos idênticos. " Istoliga muito ao que Jeremy está dizendo", disse Brenner.
Além de auto-replicação, maior organização estrutural é outro meio pelo qual os sistemas fortemente impulsionads incrementam sua capacidade de dissipar energia. A planta, por exemplo, é muito melhor na captura e roteamento de energia solar através de si mesmo do que um heap não estruturado de átomos de carbono. Assim, England argumenta que, sob certas condições, a matéria irá espontaneamente se auto-organizar. Esta tendência poderia explicar a ordem interna dos seres vivos e de muitas estruturas inanimadas também. "Flocos de neve, dunas de areia e vórtices turbulentos todos têm em comum que eles são estruturas surpreendentemente estampados que surgem em sistemas de muitas partículas conduzidas por algum processo de dissipação", disse ele. Condensação, vento e arraste viscoso são os processos relevantes nestes casos particulares.
"Ele está me fazendo pensar que a distinção entre matéria viva e não-viva não é nítida", disse Carl Franck, um físico especialista em biologia na Universidade de Cornell, em um email. "Estou particularmente impressionado com essa noção quando se considera sistemas tão pequenos quanto circuitos químicos envolvendo algumas biomoléculas."
Se uma nova teoria está correta, a mesma física que identifica como responsável pela origem de viver as coisas poderiam explicar a formação de muitas outras estruturas padronizadas na natureza. Flocos de neve, dunas de areia e vórtices auto-replicantes no disco protoplanetário podem ser todos exemplos de adaptação orientado a dissipação.A
idéia ousada de England provavelmente enfrentará um exame minucioso nos próximos anos. Ele está atualmente envolvido em execução de simulações de computador para testar a sua teoria de que os sistemas de partículas adaptam-se as suas estruturas para se tornar melhor na dissipação de energia. O próximo passo será a realização de experimentos em sistemas vivos.
Prentiss, que dirige um laboratório de biofísica experimental na Universidade de Harvard, diz que a teoria de England pode ser testada comparando células com mutações diferentes e à procura de uma correlação entre a quantidade de energia que as células se dissipam e as suas taxas de replicação. "É preciso ter cuidado, porque qualquer mutação poderia fazer muitas coisas", disse ele. "Mas se alguém continuou fazendo muitos destes experimentos em sistemas diferentes e se [a dissipação e o sucesso da replicação] estão de fato correlacionadas, adoraria sugerir que este é o princípio de organização correta."
Brenner disse que espera para ligar a teoria de England para suas próprias construções de microesferas e determinar se a teoria prevê corretamente que os processos de auto-replicação e auto-montagem podem ocorrer - "uma questão fundamental na ciência", disse ele.
Ter um princípio fundamental da vida e a evolução daria aos pesquisadores uma perspectiva mais ampla sobre o surgimento da estrutura e função nos seres vivos, muitos dos pesquisadores . "A seleção natural não explica certas características", disse Ard Louis, um biofísico da Universidade de Oxford, em um email. Estas características incluem uma mudança hereditária para a expressão do gene chamado metilação, aumentos na complexidade na ausência de seleção natural, e certas alterações moleculares que Louis recentemente estudou..
Se a abordagem de England precisar de mais testes, poderia libertar ainda mais os biólogos de buscar uma explicação darwiniana para cada adaptação e permitir-lhes a pensar de forma mais geral, em termos de organização orientada à dissipação. Eles podem encontrar, por exemplo, que "a razão pela qual um organismo mostra característica X em vez de Y não pode ser porque X é mais apto do que Y, mas por causade restrições físicas que tornam mais fácil para X voluir do que para Y para evoluir", Louis disse.
"As pessoas muitas vezes ficam presas ao pensar sobre os problemas individuais", disse Prentiss. Quer ou não as ideias de England vem a ser exatamente certas, ele disse, "pensar de forma mais ampla é onde muitas descobertas científicas são feitas."
Este artigo foi feito com base em ScientificAmerican.com e BusinessInsider.com.
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| JEREMY ENGLAND |
Hipóteses populares creditam uma sopa primordial, um raio e um acidente vascular cerebral colossal de sorte. Mas se uma nova teoria provocativa estiver correta, a sorte pode ter pouco a ver com isso. Em vez disso, de acordo com o físico por tras da a ideia, a origem e a evolução subsequente da vida segue das leis fundamentais da natureza e "deve ser tão surpreendente como rochas rolando ladeira abaixo."
Do ponto de vista da física, há uma diferença essencial entre os seres vivos e inanimados aglomerados de átomos de carbono: os primeiros tendem a ser muito melhor em captar energia a partir de seu ambiente e dissipar essa energia na forma de calor. Jeremy England, de 33 anos professor assistente no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, derivou uma fórmula matemática que ele acredita que explica essa capacidade. A fórmula, baseado na física estabelecida, indica que, quando um grupo de átomos é acionado por uma fonte externa de energia (como o combustível do sol ou da química) e rodeada por um banho de calor (como o oceano ou atmosfera), será frequentemente gradualmente reestruturado em si, a fim de dissipar energia cada vez mais. Isto poderia significar que, sob certas condições, inexoravelmente a questão adquire o atributo físico chave associad o com a vida.
"Você começa com um grupo aleatório de átomos, e se você brilhar a luz sobre ele por tempo suficiente, ele surpreendentemente se transforma em algo", disse England.
A teoria de England destina-se a fundamentamentar, ao invés de substituir, a teoria da evolução de Darwin pela seleção natural, que fornece uma poderosa descrição da vida no nível de genes e populações. "Eu certamente não estou dizendo que as ideias darwinistas estão erradas", ele explicou. "Pelo contrário, estou apenas dizendo que a partir da perspectiva da física, você pode chamar a evolução darwiniana como um caso especial de um fenômeno mais geral."
Sua idéia, detalhada em um artigo recente e em uma palestra que em universidades ao redor do mundo, gerou polêmica entre seus colegas, que o vêem como quer tênue ou um avanço potencial, ou ambos.
England tomou "um passo muito corajoso e muito importante", disse Alexander Grosberg, um professor de física na Universidade de Nova York, que tem acompanhado o trabalho de England desde seus estágios iniciais. A "grande esperança" é que ele identificou o princípio físico subjacente ao dirigir a origem e a evolução da vida, disse Grosberg.
"Jeremy é nada mais que o mais brilhante jovem cientista que eu já me deparei", disse Attila Szabo, um biofísico no Laboratório de Química Física no National Institutes of Health, que correspondeu com England sobre sua teoria após conhecê-lo em uma conferência. "Fiquei impressionado com a originalidade das idéias."
Outros, como Eugene Shakhnovich, professor de química, biologia química e biofísica da Universidade de Harvard, não estão convencidos. "IAs déias de Jeremy são interessantes e potencialmente promissoras, mas neste momento são extremamente especulativa, especialmente quando aplicadas a fenômenos da vida", disse Shakhnovich.
Resultados teóricos de England são geralmente são considerados válidos. É sua interpretação - que sua fórmula representa a força motriz por trás de uma classe de fenômenos na natureza que inclui a vida - que ainda não foi provado. Mas já existem ideias sobre como testar essa interpretação no laboratório.
"Ele está tentando algo radicalmente diferente", disse Mara Prentiss, um professor de física na Universidade de Harvard que está contemplando tal experimento depois de aprender sobre o trabalho de England.. "Como uma lente organizadora, acho que ele tem uma idéia fabulosa. Certo ou errado, vai valer muto a investigação. "
Uma simulação de computador por Jeremy Inglaterra e colegas mostra um sistema de partículas confinadas no interior de um fluido viscoso no qual as partículas turquesa são ccionadas por uma força oscilante. Ao longo do tempo (de cima para baixo), a força provoca a formação de mais ligações entre as partículas.
". Flecha do tempo" no cerne da ideia de England é a segunda lei da termodinâmica, também conhecida como a lei da entropia crescente ou coisas quentes arrefecem, ogás difunde-se através do ar, ovos mexidos, mas nunca de forma espontânea desembaralham; em suma, a energia tende a se dispersar ou espalhar-se com o tempo. A entropia é uma medida desta tendência, como quantificar a energia dispersa é entre as partículas num sistema, e como as partículas são difusas por todo o espaço. Ele aumenta como uma simples questão de probabilidade: Existem várias maneiras para a energia tanto para ser espalhada tanto que para que possa ser concentrada. Assim, na forma de partículas em um sistema de se movimentar e interagir, eles vão, através do puro acaso, tendem a adotar configurações em que a energia se espalha para fora. Eventualmente, o sistema chega a um estado de entropia máxima chamado "equilíbrio termodinâmico", em que a energia é distribuída uniformemente. Uma xícara de café e o espaço em torno que a mesma temperatura, por exemplo. Enquanto o copo e o espaço em volta são deixados sozinhos, este processo é irreversível. O café nunca aquece espontaneamente de novo porque as probabilidades estão esmagadoramente empilhadas contra muito da energia do ambiente concentrando-se aleatoriamente em seus átomos.
Embora a entropia deve aumentar ao longo do tempo em um sistema "fechado" isolado ou, um sistema "aberto" pode manter sua entropia baixa - ou seja, a energia da divisão desigual entre os seus átomos -, aumenta grandemente a entropia de seus arredores. Em sua influente monografia de 1944 "O que é vida?", O físico quântico eminente Erwin Schrödinger argumentou que isso é o que os seres vivos devem fazer. Uma planta, por exemplo, absorve a luz solar extremamente enérgica, usa-a para construir açúcares, e ejeta a luz infravermelha, uma forma muito menos concentrada de energia. A entropia total do universo aumenta durante a fotossíntese como as dissipa luz solar, mesmo quando a planta previne-se de decomposição através da manutenção de uma estrutura interna ordenada.
A vida não viola a segunda lei da termodinâmica, mas até recentemente, os físicos não foram capazes de usar a termodinâmica para explicar por que deve surgir em primeiro lugar. Nos dias de Schrödinger, eles poderiam resolver as equações da termodinâmica somente para sistemas fechados em equilíbrio. Na década de 1960, o físico belga Ilya Prigogine fez progressos em predizer o comportamento de sistemas abertos fracamente conduzidos por fontes de energia externas (para o qual ele ganhou o Prêmio Nobel 1977 em Química). Mas o comportamento de sistemas que estão longe do equilíbrio, que estão ligadas ao ambiente externo e impulsionado fortemente por fontes externas de energia, não poderia ser previsto.
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Esta situação mudou no final de 1990, devido principalmente ao trabalho de Chris Jarzynski, agora na Universidade de Maryland, e Gavin Crooks, agora no Lawrence Berkeley National Laboratory. Jarzynski e Crooks mostraram que a entropia produzida por um processo termodinâmico, tais como o arrefecimento de uma xícara de café, corresponde a uma razão simples: a probabilidade de que os átomos passarão por esse processo dividido pela sua probabilidade de sofrer o processo inverso (isto é , espontaneamente interagir de tal forma que o café aquece). Com o aumento da produção de entropia, o mesmo acontece ensta relação: ". Irreversível" O comportamento do sistema torna-se mais e mais A fórmula ainda rigorosa e simples poderia, em princípio, ser aplicada a qualquer processo termodinâmico, não importa quão rápido ou longe do equilíbrio. "Nossa compreensão da mecânica de extremo equilíbrio em estatística melhorou muito", disse Grosberg. England que é formado em ambos bioquímica e física, começou seu próprio laboratório no MIT há quatro anos e decidiu aplicar o novo conhecimento da física estatística para a biologia.
Usando formulação Jarzynski e Crooks ', ele derivou uma generalização da segunda lei da termodinâmica que vale para sistemas de partículas com determinadas características: Os sistemas são fortemente impulsionados por uma fonte de energia externa, como uma onda eletromagnética, e eles podem despejar calor em um banho circundante. Esta classe de sistemas inclui todas as coisas vivas. England, em seguida, determinou como esses sistemas tendem a evoluir ao longo do tempo à medida que aumentar a sua irreversibilidade. "Podemos mostrar de maneira muito simples a partir da fórmula que os resultados evolutivos mais provavelmente vão ser os que absorvem e dissipam mais energia a partir de unidades externas do meio ambiente no caminho para chegar lá", disse ele. A constatação faz sentido intuitivo: partículas tendem a se dissipar mais energia quando elas ressoam com uma força motriz, ou mover na direção que ele está empurrando-os, e eles são mais propensos a se mover nessa direção do que qualquer outro em qualquer momento.
"Isto significa que aglomerados de átomos rodeados por um banho em alguma temperatura, como a atmosfera ou do oceano, devem tender ao longo do tempo de organizar-se a ressoar melhor e melhor com as fontes de trabalho mecânico, eletromagnético ou químico em seus ambientes", England explicou .
De acordo com a nova pesquisa em Harvard, o revestimento das superfícies das microesferas pode causar-lhes para montar espontaneamente em uma estrutura escolhida, como um polytetrahedron (vermelho), que, em seguida, dispara esferas próximas para formar uma estrutura idêntica.
Auto-replicação (ou reprodução, em termos biológicos), o processo que impulsiona a evolução da vida na Terra, é um tal mecanismo pelo qual um sistema pode dissipar uma quantidade crescente de energia ao longo do tempo. Como England colocou, "Uma ótima maneira de dissipar mais é fazer mais cópias de si mesmo." Em um artigo no do Journal of Chemical Physics, ele relatou o valor mínimo teórico de dissipação que pode ocorrer durante o auto-replicação do RNA moléculas e células bacterianas, e mostrou que é muito perto dos valores reais que esses sistemas dissipam durante a replicação. Também mostrou que o ARN, o ácido nucleico que Muitos cientistas acreditam que serviu como o precursor para a vida baseada em DNA, é um material de construção particularmente barato. Uma vez que o RNA surgiu, ele argumenta, a sua "tomada de Darwin" foi talvez não tão surpreendente.
A química da sopa primordial, mutações aleatórias, geografia, eventos catastróficos e inúmeros outros fatores têm contribuído para os detalhes da diversidade da flora e fauna da Terra. Mas de acordo com a teoria de England, o princípio subjacente a condução de todo o processo é a adaptação orientada para a dissipação da matéria.
Este princípio se aplica bem à matéria inanimada . "É muito tentador especular sobre que fenômenos na natureza agora podemos caber sob esta grande tenda da organização adaptativa orientada a dissipação", disse England. "Muitos exemplos poderiam ser apenas para a direita debaixo do nosso nariz, mas porque não temos estado a olhar para eles não os ''percebemos''.
Os cientistas já observaram a auto-replicação em sistemas não-vivos. Segundo a nova pesquisa liderada por Philip Marcus, da Universidade da Califórnia, Berkeley, e relatado na revista Physical Review Letters em vórtices em fluidos turbulentos espontaneamente replicam-se pelo desenho de energia a partir de cisalhamento no fluido circundante. E em um documento publicado on-line a no Proceedings da Academia Nacional de Ciências, Michael Brenner, professor de matemática aplicada e física na Universidade de Harvard, e seus colaboradores presentes em modelos teóricos e simulações de microestruturas viram a auto-replicação ocorrer. . Estes aglomerados de microesferas especialmente revestidos dissipam a energia por esferas próximas a formar agrupamentos idênticos. " Istoliga muito ao que Jeremy está dizendo", disse Brenner.
Além de auto-replicação, maior organização estrutural é outro meio pelo qual os sistemas fortemente impulsionads incrementam sua capacidade de dissipar energia. A planta, por exemplo, é muito melhor na captura e roteamento de energia solar através de si mesmo do que um heap não estruturado de átomos de carbono. Assim, England argumenta que, sob certas condições, a matéria irá espontaneamente se auto-organizar. Esta tendência poderia explicar a ordem interna dos seres vivos e de muitas estruturas inanimadas também. "Flocos de neve, dunas de areia e vórtices turbulentos todos têm em comum que eles são estruturas surpreendentemente estampados que surgem em sistemas de muitas partículas conduzidas por algum processo de dissipação", disse ele. Condensação, vento e arraste viscoso são os processos relevantes nestes casos particulares.
"Ele está me fazendo pensar que a distinção entre matéria viva e não-viva não é nítida", disse Carl Franck, um físico especialista em biologia na Universidade de Cornell, em um email. "Estou particularmente impressionado com essa noção quando se considera sistemas tão pequenos quanto circuitos químicos envolvendo algumas biomoléculas."
Se uma nova teoria está correta, a mesma física que identifica como responsável pela origem de viver as coisas poderiam explicar a formação de muitas outras estruturas padronizadas na natureza. Flocos de neve, dunas de areia e vórtices auto-replicantes no disco protoplanetário podem ser todos exemplos de adaptação orientado a dissipação.A
idéia ousada de England provavelmente enfrentará um exame minucioso nos próximos anos. Ele está atualmente envolvido em execução de simulações de computador para testar a sua teoria de que os sistemas de partículas adaptam-se as suas estruturas para se tornar melhor na dissipação de energia. O próximo passo será a realização de experimentos em sistemas vivos.
Prentiss, que dirige um laboratório de biofísica experimental na Universidade de Harvard, diz que a teoria de England pode ser testada comparando células com mutações diferentes e à procura de uma correlação entre a quantidade de energia que as células se dissipam e as suas taxas de replicação. "É preciso ter cuidado, porque qualquer mutação poderia fazer muitas coisas", disse ele. "Mas se alguém continuou fazendo muitos destes experimentos em sistemas diferentes e se [a dissipação e o sucesso da replicação] estão de fato correlacionadas, adoraria sugerir que este é o princípio de organização correta."
Brenner disse que espera para ligar a teoria de England para suas próprias construções de microesferas e determinar se a teoria prevê corretamente que os processos de auto-replicação e auto-montagem podem ocorrer - "uma questão fundamental na ciência", disse ele.
Ter um princípio fundamental da vida e a evolução daria aos pesquisadores uma perspectiva mais ampla sobre o surgimento da estrutura e função nos seres vivos, muitos dos pesquisadores . "A seleção natural não explica certas características", disse Ard Louis, um biofísico da Universidade de Oxford, em um email. Estas características incluem uma mudança hereditária para a expressão do gene chamado metilação, aumentos na complexidade na ausência de seleção natural, e certas alterações moleculares que Louis recentemente estudou..
Se a abordagem de England precisar de mais testes, poderia libertar ainda mais os biólogos de buscar uma explicação darwiniana para cada adaptação e permitir-lhes a pensar de forma mais geral, em termos de organização orientada à dissipação. Eles podem encontrar, por exemplo, que "a razão pela qual um organismo mostra característica X em vez de Y não pode ser porque X é mais apto do que Y, mas por causade restrições físicas que tornam mais fácil para X voluir do que para Y para evoluir", Louis disse.
"As pessoas muitas vezes ficam presas ao pensar sobre os problemas individuais", disse Prentiss. Quer ou não as ideias de England vem a ser exatamente certas, ele disse, "pensar de forma mais ampla é onde muitas descobertas científicas são feitas."
Este artigo foi feito com base em ScientificAmerican.com e BusinessInsider.com.