نزدیک به هشتاد سال پیش، اروین شرودینگر از دانش فیزیک دوران خود برای درک منشأ حیات و پیبردن به رازهای نهفته در آن استفاده ‌می‌کرد. الان دو دانشمند با نامهای استفان الکساندر و سالوادور آلمارگومورنو با کمک فیزیک جدید قصد دارند توضیحی برای منشأ حیات پیدا کنند.

در سپیده‌دم زمان، کیهان درنتیجه‌ای انفجاری بزرگ (بیگ بنگ) آمد و سپس درنتیجه‌ای سلسله فعل‌و‌انفعالات ذرات زیراتمی گردهم آمدند و اتم‌ها، مولکول‌ها، ستاره‌ها، سیاره‌ها و کهکشان‌ها به شکل خود را تشکیل دادند. این سلسله اتفاقات در آدامه باعث پیدایش حیات در کمترین یکی از این سیاره‌ها می‌شود و باعث ظهور انسان‌ها می‌شود. گاهی اوقات به تشکیل و کهکشان‌ها به‌عنوان دو پدیده مجزا نگریسته می‌شود. موضوعی که زیست‌شناسی معروف به نام استفان گلود از آن با عبارت استادی غیرهمپوشانی یاد می‌کند.

برای کیهان‌شناسان مطالعه‌ی سیستم‌های پیشرفته‌ای مانند زندگی کمی در جستجوی آن‌ها برای یافتن پاسخ پرسش‌های بزرگی مانند ماهیت بیگ بنگ یا مدل استاندارد فیزیک ذرات وجود دارد. به‌طور مشابه، زندگی در زیست‌کره نیز از آنچه در کیهان پهناور روی می‌دهد، کاملاً جدا پنداشته می‌شود. اما آیا واقعاً اینطور است؟

در ذهن برجسته‌ای مانند جام وونيومن، اروین شرودینگر، کلاد شانون و راجر پنروز این ایده شکل گرفته بود که شاید با نگاه‌کردن به زندگی و کیهان به‌عنوان دو ماهیت مرتبط باهم، می‌توان به اطلاعات بیشتر دست پیدا کرد. در این‌بین، دیدگاه‌های اروین شرودینگر فیزیکدانان مهم‌تر از دیگران است. چراکه گم‌زنی‌های جسورانه و پیش‌بینی‌های او در حوزه زیست‌شناسی تأثیر شگرفی بر جامعه‌ای علمی گذاشته شده است.

در سال 1943، برخی از سخنرانی‌های علمی شرودینگر در قالب کتابی کوچک، اما تأثیرگذار با عنوان «زندگی چیست؟» منتشر شد. در این کتاب شرودینگر می‌گوید که چگونه فیزیک با زیست‌شناسی همراه و شیمی می‌تواند سربرآوردن از مواد بیجان را بیان کند. شرودینگر همان قوانین را داشت که برای توصیف ستاره به‌کار می‌رود، برای مطالعه فرآیندهای بی‌نهایت ظریف متابولیسم درون‌سلولی نیز کاربرد دارد.

شرودینگر فیزیکدانی بود که درباره زیست‌شناسی هم دیدگاه‌های جالب و آینده‌نگرانه‌های داشت.

شرودینگر می‌دانست که علم فیزیک دوران او نمی‌تواند برخی از یافته‌های حیرت‌انگیز تحقیقاتی درباره‌ی سلول‌های زنده را توضیح دهد. اما فقط به این موضوع نگاه کنید وی ادامه داد: برای استفاده از فیزیک برای توضیح منشأ حیات ادامه داد.

شرودینگر معتقد بود که مکانیک کوانتوم باید نقش مهمی در تشکیل حیات ایفا کند. چراکه قوانین کوانتوم باعث پایدار شدن مواد و آن‌ها و درنهایت ترکیب‌های مولکول‌های مواد جاندار و غیرجاندار می‌شود. در مواد غیرجاندار مانند فلزات، مکانیک کوانتوم به اتم ها این اجازه را می دهد که به اشکال جالبی در کنار دستگاه قرار گیرند. آرایش‌هایی مانند کریستال‌های تناوبی که در شبکه‌های مختلف با تقارن بسیار زیاد هستند.

بااین‌حال به‌باور شرودینگر، آرایش تناوبی بیش‌ازحد برای تشکیل حیات ساده بود و درعوض گمان می‌کرد که به‌وجود آمدن مواد جاندار به‌واسطه‌ی کریستال‌های نامنظم ممکن است. ازاینرو، شرودینگر پیشنهاد داد که این ساختار غیرتکراری از آرایش اتم‌ها باید حاوی نوعی کد باشد که باعث ایجاد «الگویی کامل برای رشد آتی هر فرد و عملکردش در شرایط بلوغ» باشد. بهعبارتدیگر، او در تلاش برای ارائه توصیفی از چیزی بود که بعداً به آن دیانا گفته شد.

فرد غیرمتخصص

پیش از شرودینگر، زیست‌شناسان به فکر ایده‌ای ژن‌ها افتادند؛ اما آن موقع ژن، تنها واحدی تعریف شده برای بهارثبردن خصوصیات والدین بود. برنامه‌های، ایده‌های ژن کدگذاری‌شده که حاوی برنامه‌هایی برای ساخت بدن و ایجاد مکانیسم‌های سلولی هستند که تعیین‌کننده سرنوشت ارگانیسم‌های زنده هستند، برای ما آنچنان واضح و مأنوس است که تقریباً به‌عنوان حقیقتی مسلم شناخته می‌شود. باوجوداین، چگونگی به‌ارثبردن ویژگی‌های مختلف در سطوح مولکولی موضوعی است که زیست‌شناسان هم‌اکنون می‌توانند آزمایش کنند و آن‌ها را کشف کنند.

نکته جالب این است که شرودینگر از استدلال کوانتومی برای فرمولبندی فرضیه‌ها استفاده کرده است. او زیست‌شناس نبود و همین باعث می‌شود که نگاهی به این موضوع در پیش داشته باشد. زمان شرودین بیمارگر، علوم فیزیک و زیست‌شناسی راه بسیاری از پیموده‌اند. اکنون، می‌توانیم همین فرآیند را انجام دهیم و از خود بپرسیم که «زندگی چیست؟»

در سالهای گذشته، استفان الکساندر، نظریه فیزیکدان در دانشگاه براون و نویسنده کتاب «ترس از کیهان تاریک»، با سالوادور آلمارگومورنو، زیست شناس دانشگاه مرکزی فلوریدا، برای یافتن پاسخ این پرسش تبادل نظر کرده است. این دو بار برای صرف نوشیدنی دورهمی جمع می شوند و ایده هایشان درباره کیهان شناسی و زیست شناسی را به اشتراک می دهند.

مقالات مرتبط:

الکساندر و آلمارگومورنو در بخشی از گفت‌وگوی خود سعی می‌کنند مانند شرودینگر از نگاه فردی غیرمتخصص به تحقیقات در مقابل نگاه کنند. این کار علاوه بر اینکه نوعی سرگرمی مفرح بود، می‌توانست به گسترش ایده‌های تحقیقاتی جدید کمک کند. از سال 14، این ایده مشترک در ذهن الکساندر و آلمارگومورنو شکل گرفته است که شاید بتوان گفت که بین سیستم‌های جاندار و کیهان وجود داشته باشد. ایده هایی که راه خود را به مقاله ها و کتاب های چاپ شده آن ها پیدا کرده اند است.

برای درک این ارتباط، باید با مفهوم آنتروپی در حوزه کیهان‌شناسی و زیست‌شناسی آشنا باشیم. به‌طور‌خلاصه، می‌توان گفت که سنجش آنتروپی بی‌نظمی است که در کیهان جریان دارد. کمی پس از پیدایش کیهان و قبل از تشکیل ستاره‌ها و سیاره‌ها، فضا به‌طور یکنواخت از تشعشع و ماده پر شده بود. وقتی این مخلوط گرم‌تر و پرجنب‌وجوش‌تر شد، از نظم آن کاست و به آنتروپی اضافه شد. اما با انبساط کیهان، تشعشع و مواد به‌طور همگون‌تر و منظم‌تری پخش شدند که نتیجه آن کاهش آنتروپی بود.

با انبساط بیشتر کیهان و سردشدن آن، ساختارهای پیچیده‌ای مانند ستاره‌ها و کهکشان‌ها و حیات تشکیل می‌شوند. قانون دوم ترمودینامیک می‌گوید که آنتروپی همیشه افزایش پیدا می‌کند. اما این ساختارها نظم بیشتری و درنتیجه آنتروپی کمتری از قسمتهای دیگر کیهان دارند. ناگفته نماند امکان کاهش آنتروپی در برخی از قسمتهای کیهان وجود دارد. چراکه این نواحی بخشی از ساختار کلی کیهان هستند و آنتروپی مجموع آن نیز همیشه در حال افزایش است.

آنتروپی نانوذرات

آنتروپی در دنیای نانوذرات.

شاید ارتباط دوطرفه بین سیستم های جاندار و کیهان وجود داشته باشد

دانشمندان معتقدند که این شبکه از نواحی با آنتروپی روبه‌کاهش جریان اصلی زیست‌کره و شکل‌گیری در سیاره‌ها را می‌کند. همانطورکه لودویگ بولتزمن، پدر علم ترمودینامیک می‌گوید:

کشمکش کلی موجودات زنده برای وجود‌داشتن کشمکش برای دستیابی به موادخام نیست. همچنین، کشمکش برای انرژی هم نیست؛ زیرا این انرژی به‌طور وسیع به‌صورت گرما در بدن وجود دارد. این کشمکشی برای آنتروپی است که تنها ازطریق انتقال انرژی خورشید داغ به زمین سرد دردسترس قرار می‌گیرد.

پدیده های نوظهور

ادامه‌ی اینکه کیهان با ادامه تشکیل ساختارهای کم‌آنتروپی به‌سمت ناهمگونی بیشتر حرکت می‌کند، آنتروپی در دیگر نواحی کیهان افزایش پیدا می‌کند. افزون‌براین، آنتروپی در این ساختارها نیز افزایش پیدا می‌کند. همین موضوع باعث می‌شود که آنتروپی و توازن آن نقش مهمی در حفظ ساختارهای کیهانی ازجمله ستاره‌ای منظومه‌ای شمسی و حیات در زندگی ایفا کند.

در واقع، وجود کیهان جوان و عاری از حیات با آنتروپی اندک برای تشکیل حیات امروزی در زمین لازم بوده است. برای مثال، انرژی با استفاده از انرژی خورشیدی را الکترون‌های گیاهان جذب می‌کنند و شروع به پردازش سلسله برای ادامه حیات می‌شود. گیاهان انرژی دریافتی را به‌صورت گرما آزاد می‌کنند و آنتروپی را بیشتر به کیهان پس می‌دهند.

متأسفانه با دانش خود از علم فیزیک، نمی‌توانم توضیح بدهم که چرا آنتروپی کیهان این چنین ناچیز بوده است. درحقیقت، تولید آنتروپی اندک دراثر انفجاری بزرگ یکی از ضعف‌های اساسی این نظریه است. بااین‌حال، قسمت زیست‌شناسی از تحقیقات سالوادور آلمارگومورنو درزمینه محرک‌های ژنتیکی و اکولوژیکی نشئت گرفته شده است. این محرک‌ها، جمعیت‌های بیخطر را به عوامل بیماری‌زا تبدیل می‌کنند.

جریان آنتروپی منفی برای کل زمین وجود دارد و مختصر جانداران نیست

یکی از موضوعات مهم تبدیل شدن‌ها به پاتوژن این است که فقط کد ژنتیکی‌ها نیست. یکی از باورهای آلمارگومورنو این است که حیات پدیده‌های وفق‌پذیر است و دائماً به تغییرات پیوسته و پیش‌رونده‌ای فشار محیط زندگی پاسخ می‌دهد.

حیات تطبیق‌پذیری باعث می‌شود که ارگانیسم مانند پدیده‌های نوظهور باشد. یعنی شکل نهایی آن را اجزای سازنده‌اش محدود نمی‌کنند. بلکه با سیستم‌های بزرگ‌تری تعیین می‌شود که به آن تعلق دارد. مواد جاندار شامل شبکه های از سازوکارهای پیچیده در بستر محیطزیست است. هر زنده می‌تواند سیستم‌های سلولی را برای بقای خود تنظیم کند. اما فراتر از آن مجموعه‌ای از ارگانیسم‌ها شبکه‌های به‌نام اکوسیستم را تشکیل می‌دهند که آن را نیز مشارکتی پویا دارد.

در دهه ۱۹۷۰، اولین بار جیمز لاولاک و لین مارگولیس ایده‌ای زمین به‌عنوان اکوسیستم خودتنظیمی را مطرح کردند و بعد از آن با عنوان فرضیه گایا مشهور شد. برداشت ما از فرضیه‌ی گایا این است که جریان آنتروپی منفی نه‌تنها برای موجودات جاندار، بلکه برای کل زمین وجود دارد. خورشید انرژی رایگان خود را به زمین می‌فرستد و این انرژی ازطریق یک دسته از فعل‌وانفعالات در شبکه‌های موجود از موجودات زنده پخش می‌شود؛ موجوداتی که به این انرژی برای حفظ پیچیدگی خود در برابر بی‌نظمی روزافزا نیاز دارند.

برای قراردادن نقش حیات در چهارچوب قوانین ترمودینامیک، به تعریف ساختارهای نظم‌بخش (مانند سلول‌ها) نیاز داریم. ما این ساختارها را واحدهای نگنتروپی (آنتروپی منفی) یا UON می‌نامیم؛ اما چیزی به نام «ناهار مجانی» وجود ندارد. وقتی انرژی UNO را به محیط آزاد می‌کند، در واقع باعث افزایش آنتروپی کل می‌شود.

این هم‌راستایی غیرعادی بین سیستم‌های زنده و واحدهای نگنتروپی و توسعه کیهان شاید تصادفی به‌نظر برسد. ولی تصمیم تصمیم گرفته شده به گونه دیگری به موضوع نگاه کنند. آنها می‌گویند که باید یک اصل سازمان‌دهنده مرکزی برای توسعه کیهان و پیدایش حیات وجود داشته باشد. سالوادور آلمارگومورنو پیشنهاد کرده است که نام آن را دارد اصل آنتروپی محوری گذاشته شود نامی که فرضیه دیگری به نام اصل انسان محوری است.

اصل انسان‌محوری در قوی‌ترین بیان خود می‌گوید که کیهان و تمام سازوکارهای آن بهمنظور تشکیل حیات می‌دهند. دلیل اصل انسان‌محوری به پیشنهاد ما از طبیعت برمی‌گرداند؛ گویی تمام قوانین آن برای تشکیل حیات و اجرای انسان‌ها بهینه‌سازی شده است. برای مثال، اگر نیرو‌های سازنده‌ای که تشکیل‌دهنده‌ی چند می‌شود، حتی درصد از مقدار فعلی خود متفاوت بود، ستاره‌ها نمی‌توانند کربن تولید کنند و درنتیجه، حیات برپایه‌ی کربن نیز هیچ‌گاه رشد نمی‌کنند.

بااین‌حال، معمای به‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌های دقیق‌تر شاید همچین کاری کنند نباید. تحقیق استفان الکساندر و همکارانش نشان می‌دهند که حتی اگر ثابت‌های طبیعی مانند ضرایب گرانش و الکرومغناطیس باشند، تا زمانی که امکان تغییر هم‌زمان آن‌ها وجود داشته باشد، کیهانی می‌شود که برای پیدایش حیات مناسب خواهد بود. با این اوصاف، شاید به وجود اصلی مانند اصل انسان‌محوری نیاز داشته باشد؛ ولی کنار‌گذاشتن اصل یادشده به همین راحتی نیست.

اگر کیهان نمی‌توانست مسیرهایی را برای خلق مناطقی با آنتروپی پایین‌تر فراهم کند، حیات به‌شکل امروزی‌اش وجود ندارد. این موضوع ما را به این فکر می‌اندازد که آیا انسان‌ها در زیست‌کره‌ای کیهانی زندگی می‌کنند یا جهان خود سلولی کیهانی است؟