magpie73
Внезапный переход систем из неодушевленного состояния в живое состояние, определяемый на основе современных живых организмов, представляет собой крайне маловероятное событие, которое вряд ли предсказуемо из сущ. физических законов.
Таким образом, мы сталкиваемся с дилеммой: либо жизнь возникла как следствие события, которое почти не имело шансов произойти во время жизни Вселенной, или появление жизни - это не просто вопрос о вероятности единственного события, но и движущей силе этого процесса.
Однако возможность того, что жизнь возникла из серии промежуточных этапов, требует, чтобы каждый из этапов этого эволюционного процесса обладал достаточной временной стабильностью, чтобы можно было добиться дальнейшего улучшения.
Появление жизни рассматривается как переход к крайне маловероятной системе:
a) Резкий переход, вызванный крайне маловероятным случайным событием, противоречащим второму закону;
b) Поэтапный процесс, при котором промежуточные этапы (в принципе не ограничивающие количество шагов) позволяют продолжить эволюцию в сторону большей степени организации на основе субъектов, которые способны воспроизводить себя и, следовательно, демонстрируют значительное сохранение перед возвратом в неорганизованное состояние (стрелка вправо). Выбор логарифмической шкалы невероятности для характеристики «живости» как ординаты является чисто произвольным, но в соответствии с характеристикой возникновения жизни как события с малой вероятностью.
Любое научное описание происхождения жизни требует движущей силы, способной объяснить, как эти промежуточные формы могут стабилизироваться в течение длительных периодов времени в равновесном состоянии. Тогда вопрос о происхождении жизни можно было бы решить, объяснив, как состояния, считающиеся неустойчивыми со статистической/термодинамической точки зрения, самостоятельно приобретают альтернативную форму устойчивости, которая затем допускает дальнейшие невероятные изменения.
Одной из самых ярких характеристик жизни является ее целенаправленный (теленомический) характер.
Смутное понятие цели может быть дано точной физико-химической характеристикой и происходит оно непосредственно из мощного кинетического характера реакции репликации.
Таким образом, объекты, способные к автокаталитическому воспроизведению, приобретают коллективную форму устойчивости, совершенно отличную от термодинамической стабильности и называемую динамической кинетической устойчивостью (DKS).
Это означает, что физико-химическая движущая сила эволюционного процесса может быть идентифицирована и в этом контексте роль естественного отбора становится яснее - естественный отбор не стимулирует эволюцию, а скорее направляет его на системы повышения стабильности, стабильности связанных с постоянными репликаторами (DKS).
Требования к источникам свободной энергии в живых системах:
Сравнение различных источников энергии, доступных в планетарных средах:
- электромагнитные излучения (соответствие по частоте и длине волны по абсциссе),
- тепловая энергия (кривые излучения черного тела, отображающие спектральное излучение по ординате: при 647 К, критическая точка воды, синяя линия, 1600 K, представляя типичную красную линию температуры маской Hadean и 3500 или 6000 K, темные и светло-оранжевые линии, поверхностные температуры примеров M-звезд или G-звезд в качестве Солнца соответственно)
- молнии ( T ≥ 10 4 K).
Значительно более высокий потенциал ( около 150 кДж. Моль -1 [42 , 43 ]), чем потенциальный потенциал свободной биохимии (зеленый прямоугольник 30-70 кДж. Моль -1 , включая АТФ), должен был инициировать самоорганизацию жизни после учета стоимости необратимости (желтые стрелки).
Фотохимия, вызванная ультрафиолетовым или видимым светом (излучаемая многими звездами, включая значительную часть очень обильных М-звезд), соответствует требованиям, а также молнии.
На более высоких стадиях эволюции жизни на Земле развитие метаболических двигателей позволило концентрировать свободную энергию от менее мощных трансмембранных потенциалов с помощью хемосмоза.
Развитие мембранной биоэнергетики благодаря ротационным синтазам АТФ и мембранам, непроницаемым для ионов, способствовало колонизации новых сред, а также использованию новых источников энергии за счет использования градиентов рН.
В целом, эти молекулярные двигатели, работающие как двигатели с концентрацией энергии, позволили использовать потенциал свободной энергии около 15-20 кДж / моль -1 для стимулирования клеточного метаболизма вместо почти в 10 раз более высокого потенциала, необходимого для ранней самоорганизации.
Напротив, тепловая энергия в гидротермальных системах с температурой, близкой к критической точке воды (647 K), не соответствует требованию необратимости для возникновения жизни.
Следует отметить, что простое предположение о том, что происхождение жизни было результатом процесса, обусловленного размножением компонентов в реакционных сетях, приводит к полуколичественным выводам о необратимости и соотношении между температурой, прочностью связей и кинетическими барьерами.
Его можно представить как происходящее в ландшафте свободной энергии, в котором энергия самопроизвольно вытекает из высокопотенциальных источников в низкопотенциальные продукты, что приводит к рециркуляции самоорганизующейся системы. Однако идея о том, что стоимость необратимости должна быть оплачена, так-же связана с упомянутой ранее идеей, что системы, подвергающиеся самоорганизации на промежуточных этапах, уже должны быть заселены способом, совершенно отличным от статистического распределения Больцмана.
Классическая термодинамика может предсказать направление эволюции системы к равновесному состоянию, где энтропия достигает максимального значения, поскольку все доступные в системе микросостояния заполняются в соответствии с законом распределения Больцмана. Однако термодинамика никогда не предсказывает временную эволюцию системы.
Что касается происхождения жизни, было бы логично, учитывая единую систему репликации, которая растет за счет ограниченного ресурса, что для выбранных вариантов выбираются те, которые, как правило, увеличивают общую скорость репликации, увеличивают реплицируя сущности и более эффективно истощайте ресурс, чтобы менее эффективные варианты были бы направлены на вымирание.
Это наблюдение предполагает, что эффект увеличения DKS будет в основном приводить к увеличению химического потока, но это справедливо только для изолированного набора вариантов реплицирующейся системы.
Любое улучшение DKS соответствует увеличению потока энергии, отвлеченного от спонтанных линейных процессов, наличием репликаторов. Таким образом, любое увеличение, будь то в скорости процесса определения скорости или в их эффективности, увеличит популяцию репликаторов, увеличив тем самым поток. Но следует учитывать, что с химической точки зрения каждое промежуточное звено в цикле репликации можно рассматривать как энергетический ресурс для других систем.
Поэтому введение системы хищников приведет к стабильной конфигурации (т.е. без возможности спонтанного возврата к прежнему состоянию).
Уменьшенный поток реагентов можно было бы наблюдать без изменения контура репликации (понятие DKS может в этом случае включать периодические изменения, предсказанные для систем хищников-жертв системами уравнений Лотки-Вольтерра).
Этот пример показывает, что внешние параметры могут влиять на поток реагентов и, следовательно, на поведение реплицирующей системы, так что ни один параметр, характеризующий его DKS, не может быть найден независимо от среды, в которой внедрена система и заканчивая проблемой о границах рассматриваемой системы.
Близко к равновесию, кинетика роста уровней репликатора и состав управляются константой равновесия K .
Это означает, что близкая к равновесию система репликации не ведет себя иначе по отношению к регулярным химическим системам. Однако в области экспоненциального роста обратная реакция остается незначительной, условие необратимости выполняется и рост тиражирования становится неустойчивым, так что процесс обычно ограничен доступностью ресурсов.
В основе кинетической модели лежит идея о том, что стабильность, которая управляет репликационными системами, является динамической кинетической стабильностью, которая явно отличается от термодинамической стабильности доминирующей в неодушевленном мире.
Соответственно, живые системы представляют собой кинетическое состояние материи, а не термодинамические состояния, которые доминируют в неодушевленном мире.
Таким образом, модель способна объединить живые и неодушевленные формы в рамках одной концептуальной структуры и способна учитывать уникальные характеристики жизни, среди которых и ее целеустремленность.
/Источник/
Journal information