هل سيكون لدينا نظرية أساسية للحياة والوعي؟

ما الفرق بين مجموعة حية من المادة ، مثل سلحفاة ، وكتلة غير حية منها ، مثل الصخرة؟ كلاهما ، بعد كل شيء ، يتكونان للتو من ذرات غير حية. الحقيقة هي أننا لا نعرف حقًا بعد. يبدو أن الحياة تظهر بطريقة ما من أجزاء غير حية.

هذا لغز نتناوله في الحلقة الخامسة من بودكاست أسرار الفيزياء العظيمة – استضافتها ميريام فرانكل ، محررة العلوم في The Conversation ، وبدعم من FQxI ، معهد الأسئلة التأسيسية.

يبدو أن فيزياء العالم الحي تتعارض في النهاية مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية: أن النظام المغلق يزداد اضطرابًا بمرور الوقت ، مما يزيد مما يسميه الفيزيائيون الانتروبيا. الأنظمة الحية لها إنتروبيا منخفضة. يمكن أن تنمو كتلة فوضوية من الأنسجة في الرحم ، على سبيل المثال ، إلى حالة عالية التنظيم من القدم بخمسة أصابع.

يوضح جيم الخليلي ، المذيع وأستاذ الفيزياء المتميز في جامعة سوري في المملكة المتحدة: “نحافظ على هذا الشعور العالي بالنظام لعقود عديدة”. “فقط عندما نموت ، يبدأ هذا الانتروبيا والقانون الثاني للديناميكا الحرارية.”

علم الأحياء الكم هو أحد الأساليب لفهم كيف تختلف المادة الحية عن المادة الجامدة. إنه قائم على العالم الغريب لميكانيكا الكم ، الذي يحكم عالم الجسيمات والذرات. الفكرة هي أن الأنظمة الحية قد تستخدم ميكانيكا الكم لصالحها – تعزيز أو وقف العمليات الكمومية.

يوضح الخليلي ، الذي يجري بحثًا في المنطقة: “لقد كان للتطور وقت طويل بما يكفي لضبط الأشياء أو لإيقاف ميكانيكا الكم من فعل شيء لا تريدها الحياة أن تفعله”. “إنه مجال علمي جديد.”

أحد الأمثلة ، وإن كان لا يزال مثيرًا للجدل ، هو التمثيل الضوئي ، وهي العملية التي تمتص فيها النباتات أو البكتيريا جزيئات ضوء الشمس والفوتونات وتحويلها إلى طاقة كيميائية. يعتقد بعض الفيزيائيين أن الخاصية الكمومية المعروفة باسم التراكب – تسمح للجسيم بأن يكون في العديد من الحالات الممكنة ، مثل اتخاذ مسارات مختلفة ، في وقت واحد – تمكن من هذه العملية.

”كتلة من الطاقة [such as a photon] فقط القفز العشوائي يجب أن يضيع كحرارة مهدرة “، يوضح الخليلي. “هناك تفسير ميكانيكي الكم لكيفية اتباع هذا الفوتون لمسارات متعددة في وقت واحد.”

يستخدم الخليلي وزملاؤه الآن علم الأحياء الكمومي لمحاولة فهم طفرات الحمض النووي – وهي جزء أساسي من الحياة – وقد توصلوا بالفعل إلى بعض الاكتشافات المثيرة للاهتمام. وعلى الرغم من أنه غير مقتنع بأن النهج سيكون قادرًا على تفسير الوعي ، فإنه يجادل بأنه لا يمكننا استبعاده.

تفضل سارة والكر ، عالمة الأحياء الفلكية والفيزيائية النظرية التي تعمل كأستاذة في جامعة ولاية أريزونا في الولايات المتحدة ، مقاربة أخرى. إنها تحاول إنشاء نظرية فيزيائية جديدة للحياة تستند إلى نظرية المعلومات – والتي تأخذ المعلومات لتكون حقيقية ومادية.

يبدو أن المعلومات مهمة للحياة. الكائنات الحية لديها مجموعة من التعليمات يحمل في ثناياه عوامل ، الحمض النووي ، والتي ببساطة لا تمتلكها الكائنات غير الحية. وبالمثل ، عندما يخترع الكائنات الحية أشياء ، مثل الصواريخ ، فإنهم يعتمدون على المعلومات ، مثل معرفة قوانين الفيزياء ، المخزنة في ذاكرتهم.

يمكننا استخدام قوانين الفيزياء الحالية للتنبؤ بكيفية تطور الكوكب بمرور الوقت ، على سبيل المثال ما إذا كان من المحتمل أن تصطدم الأجسام القريبة به ومتى. لكن لا يمكننا استخدام القوانين لشرح كيف ومتى تنشأ الكائنات الذكية ونقرر بناء الصواريخ والأقمار الصناعية التي يطلقونها في مدار حول الكوكب.

“أعتقد أن هناك قوانين فيزيائية لم يتم اكتشافها بعد والتي تشرح ظواهر الحياة ، وأعتقد أن هذه القوانين لها علاقة بكيفية بناء المعلومات للواقع بطريقة ما” ، يوضح والكر.

يعتقد ووكر أن الكائنات الحية أكثر تعقيدًا ويصعب تجميعها من اللبنات الأساسية أكثر من الكائنات غير الحية المنتجة بشكل طبيعي ، مثل الجزيئات البسيطة. وعندما توجد كائنات حية بسيطة ، يبدو أنها تولد المزيد من التعقيد – إما عن طريق التطور أو من خلال البناء.

لذلك يعتقد والكر أن الحياة تولد دفعة مفاجئة في التعقيد قد يكون لها عتبة يمكن أن تكون سمة أساسية في فيزياء الحياة. جزء مركزي آخر من نظريتها هو الوقت. “كلما كان الشيء أعمق في الزمن ، كلما تطلب الأمر المزيد من التطور لإنتاجه.”

صمم ووكر تجربة للنظر في كيفية تكوين الجزيئات من خلال ضم القطع الأصغر معًا بطرق مختلفة. وتقول إن الفريق لم يعثر على أي دليل على أن الجزيئات عالية التعقيد يمكن أن تنتجها كائنات غير حية. الهدف النهائي هو تحديد أصل الحياة حيث يمكن للنظام الكيميائي أن يولد تعقيده الخاص.

لن يساعدنا ذلك فقط في فهم كيف تنشأ الحياة من كتل بناء غير حية ، بل يمكننا أيضًا استخدامها للبحث عن الحياة في عوالم أخرى في الكون.

_ يمكنك الاستماع إلى Great Mysteries of Physics عبر أي من التطبيقات المذكورة أعلاه ، أو موجز RSS الخاص بنا ، أو تعرف على كيفية الاستماع هنا. يمكنك أيضًا قراءة نص الحلقة هنا.