آیا حیات محصول قوانین آنتروپی است؟

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. اکنون 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 درنتیجه‌ی انفجاری بزرگ (بیگ بنگ) به‌وجود آمد و سپس درنتیجه‌ی سلسله فعل‌‌و‌انفعالات ذرات زیراتمی گردهم آمدند و اتم‌ها، مولکول‌ها، ستاره‌ها، سیاره‌ها و کهکشان‌ها شکل امروزی خود را تشکیل دادند. این سلسله اتفاقات در‌ادامه باعث پیدایش حیات در حداقل یکی از این سیاره‌ها و البته باعث ظهور انسان‌ها شد. گاهی اوقات به تشکیل حیات و کهکشان‌ها به‌عنوان دو پدیده‌ی مجزا نگریسته می‌شود؛ موضوعی که زیست‌شناسی معروف به نام استفان گلود از آن با عبارت ماستری غیرهم‌پوشانی یاد می‌کند.

برای کیهان‌شناسان مطالعه‌ی سیستم‌های پیشرفته‌ای مانند زندگی اهمیت کمی در تلاش آن‌ها برای یافتن پاسخ پرسش‌های بزرگی مانند ماهیت بیگ بنگ یا مدل استاندارد فیزیک ذرات 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 دانشمندان برجسته‌ای مانند جام وون‌نیومن، 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، بتوان به اطلاعات بیشتری دست پیدا کرد. در‌این‌بین، دیدگاه‌های اروین شرودینگرِ فیزیک‌دان مهم‌تر از دیگران است؛ چراکه گمانه‌زنی‌های جسورانه و پیش‌بینی‌های او در حوزه‌ی زیست‌شناسی تأثیر شگرفی بر جامعه‌ی علمی گذاشته است.

در سال ۱۹۴۳، برخی از سخنرانی‌های علمی شرودینگر در کالج ترینیتی دوبلین در قالب کتابی کوچک، اما تأثیرگذار با‌ عنوان «زندگی چیست؟» منتشر شد. در این کتاب، شرودینگر می‌گوید که چگونه فیزیک با همراهی زیست‌شناسی و شیمی می‌تواند سربرآوردن حیات از مواد بی‌جان را توضیح دهد. شرودینگر معتقد بود همان قوانین فیزیکی که برای توصیف ستاره به‌کار می‌رود، برای مطالعه‌ی فرایندهای بی‌نهایت ظریف متابولیسم درون‌سلولی نیز کاربرد دارد.

شرودینگر معتقد بود که مکانیک کوانتوم باید نقش مهمی در تشکیل حیات ایفا کند؛ چراکه قوانین کوانتوم باعث پایدار‌شدن اتم‌ها و ترکیب آن‌ها و درنهایت تشکیل‌ مولکول‌های مواد جاندار و غیرجاندار می‌شود. در مواد غیرجاندار مانند فلز‌ها، مکانیک کوانتوم به اتم‌ها این اجازه را می‌دهد که به اَشکال جالبی در‌کنار یکدیگر قرار گیرند؛ آرایش‌هایی مانند کریستال‌های تناوبی که درواقع شبکه‌ای از اتم‌ها با تقارن بسیار زیاد هستند.

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

پیش از شرودینگر، زیست‌شناسان به فکر ایده‌ی ژن‌ها افتاده بودند؛ اما آن موقع ژن، تنها واحدی تعریف‌نشده برای به‌ارث‌بردن خصوصیات والدین بود. امروزه، ایده‌ی ژن‌های کدگذاری‌شده که حاوی برنامه‌ی ساخت بدن و ایجاد مکانیزم‌های سلولی که تعیین‌کننده‌ی سرنوشت ارگانیسم‌های زنده هستند، برای ما آن‌چنان واضح و مأنوس است که تقریباً به‌عنوان حقیقتی مسلم شناخته می‌شود. باوجوداین، چگونگی به‌ارث‌بردن خصوصیات مختلف در سطح مولکولی موضوعی است که زیست‌شناسان هم‌اکنون نیز مشغول آزمایش و کشف آن هستند.

نکته‌ی جالب‌ این است که شرودینگر از استدلال کوانتومی برای فرمول‌بندی فرضیه‌‌اش استفاده کرده بود. او زیست‌شناس نبود و همین باعث شد که رویکرد جدیدی برای نگاه به این موضوع در پیش بگیرد. از زمان شرودینگر تاکنون، علوم فیزیک و زیست‌شناسی راه زیادی پیموده‌اند. اکنون، می‌توانیم همین‌ فرایند را طی کنیم و از خود بپرسیم که «زندگی چیست؟»

در سال‌های گذشته، استفان الکساندر، فیزیک‌دان نظریه‌پرداز در دانشگاه براون و نویسنده‌ی کتاب «ترس از کیهان تاریک»، با سالوادور آلمارگومورنو، زیست‌شناس دانشگاه مرکزی فلوریدا، برای یافتن پاسخ این پرسش تبادل‌نظر کرده است. این دو محقق گاهی برای صرف نوشیدنی دورهم جمع می‌شوند و ایده‌هایشان درباره‌ی کیهان‌شناسی و زیست‌شناسی را به‌اشتراک می‌گذارند.

الکساندر و آلمارگومورنو در بخشی از گفت‌وگوی خود سعی می‌کردند مانند شرودینگر از نگاه فردی غیرمتخصص به تحقیقات طرف مقابل نگاه کنند. این کار علاوه‌بر اینکه نوعی سرگرمی مفرح بود، می‌توانست به گسترش ایده‌های تحقیقاتی جدید کمک کند. از سال ۲۰۱۴، این ایده‌ی مشترک در ذهن‌ الکساندر و آلمارگومورنو شکل گرفته است که شاید نوعی ارتباط دو‌طرفه بین سیستم‌های جاندار و کیهان وجود داشته باشد؛ ایده‌ای که راه خود را به مقاله‌ها و کتاب‌های چاپ‌شده‌ی آ‌ن‌ها پیدا کرده است.

برای درک این ارتباط، باید با مفهوم آنتروپی در حوزه‌ی کیهان‌شناسی و زیست‌شناسی آشنا باشیم. به‌طور‌خلاصه، می‌توان گفت که آنتروپی معیار سنجش 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 کاسته و به آنتروپی آن اضافه شد؛ اما با انبساط کیهان، تشعشع و ماده به‌طور همگون‌تر و منظم‌تری توزیع شد که نتیجه‌ی آن کاهش آنتروپی بود.

با انبساط بیشتر کیهان و سرد‌شدن آن، ساختارهای پیچیده‌ای مانند ستاره‌ها و کهکشان‌ها و حیات تشکیل شدند. قانون دوم ترمودینامیک می‌گوید که آنتروپی همواره افزایش پیدا می‌کند؛ اما این ساختارها نظم بیشتر و درنتیجه آنتروپی کمتری از دیگر قسمت‌های کیهان داشتند. 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 همواره در حال افزایش است.

آنتروپی در دنیای نانوذرات.

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.

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

درواقع، وجود کیهان جوان و عاری از حیات با آنتروپی اندک برای تشکیل حیات امروزی در زمین لازم بوده است. برای مثال، انرژی ساطع‌شده از خورشید را الکترون‌های گیاهان جذب می‌کنند و به شروع سلسله فرایندی برای ادامه‌ی حیات منجر می‌شود. گیاهان انرژی دریافتی را به‌صورت گرما آزاد می‌کنند و آنتروپی بیشتری به کیهان پس می‌دهند.

متأسفانه با دانش فعلی خود از علم فیزیک، نمی‌توانیم توضیح دهیم که چرا آنتروپی کیهان اولیه این چنین ناچیز بوده است. درحقیقت، تولید آنتروپی اندک در‌اثر وقوع انفجاری بزرگ یکی از نقص‌های اساسی این نظریه است. بااین‌حال، قسمت زیست‌شناسی ماجرا از تحقیقات سالوادور آلمارگومورنو در‌زمینه‌ی محرک‌های ژنتیکی و اکولوژیکی نشئت گرفته است. این محرک‌ها توانستند جمعیت باکتری‌های بی‌خطر را به عوامل بیماری‌زا تبدیل کنند.

تطبیق‌پذیری حیات باعث می‌شود که ارگانیسم مانند پدیده‌ای 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 شبکه‌ای‌ از سازوکارهای پیچیده در بستر محیط‌زیست است. هر سیستم زنده می‌تواند کارکردهای میلیاردها سلول را برای بقای خود تنظیم کند؛ اما فراتر از آن مجموعه‌‌ای از ارگانیسم‌ها شبکه‌ای به‌ نام اکوسیستم را تشکیل می‌دهند که آن نیز تعادلی پویا دارد.

در دهه‌ی ۱۹۷۰، اولین‌‌بار جیمز لاولاک و لین مارگولیس ایده‌ی زمین به‌عنوان اکوسیستم خودتنظیمی را مطرح کردند و بعد از آن با عنوان فرضیه‌ی 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 شبکه‌ای از موجودات زنده توزیع می‌شود؛ موجوداتی که به این انرژی برای حفظ پیچیدگی خود در مواجهه با 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 UNO انرژی خود را به محیط آزاد می‌کند، در اغلب مواقع باعث افزایش آنتروپی کل می‌شود.

این هم‌راستایی غیرعادی بین سیستم‌های زنده و واحدهای نگنتروپی و تکامل کیهان شاید تصادفی به‌نظر برسد؛ ولی دانشمندان تصمیم گرفته‌اند به‌‌‌‌ گونه‌ی دیگری به قضیه نگاه کنند. آنان می‌گویند که باید یک اصل سازمان‌دهنده‌ی مرکزی برای تکامل کیهان و پیدایش حیات وجود داشته باشد. سالوادور آلمارگومورنو پیشنهاد کرده است که نام آن اصل آنتروپی‌محوری گذاشته شود؛ نامی که یادآور فرضیه‌ی دیگری به‌ نام اصل انسان‌محوری است.

اصل انسان‌محوری در قوی‌ترین بیان خود می‌گوید که کیهان و تمام‌ سازوکارهای آن به‌منظور تشکیل حیات تنظیم شده است. دلیل پیشنهاد اصل انسان‌محوری به برداشت ما از طبیعت برمی‌گردد؛ گویی که تمام قوانین آن برای تشکیل حیات و تکامل انسان‌ها بهینه‌سازی شده است. برای مثال، اگر نیروی هسته‌ای که باعث تشکیل هسته‌ی اتم‌ها می‌شود، حتی چند درصد از مقدار فعلی خود متفاوت بود، ستاره‌ها نمی‌توانستند کربن تولید کنند و درنتیجه، حیات بر‌پایه‌ی کربن نیز هیچ‌گاه تکامل نمی‌یافت.

بااین‌حال، معمای بهینه‌سازی دقیق کیهان شاید چندان هم پیچیده نباشد. تحقیق استفان الکساندر و همکارانش نشان می‌دهد که حتی اگر ثابت‌های طبیعی مانند ضرایب گرانش و الکرومغناطیس متغیر باشند، تا زمانی که امکان تغییر هم‌زمان آن‌ها فراهم باشد، به تشکیل کیهانی منجر می‌شود که برای پیدایش حیات مناسب خواهد بود. با این اوصاف، شاید به وجود اصلی مانند اصل انسان‌محوری نیاز نداشته باشیم؛ ولی کنار‌گذاشتن اصل یادشده به همین راحتی نیست.

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