Comprendre la nature de la vie est l'un des mystères les plus difficiles et en même temps les plus intéressants pour l'humanité. Au fil du temps, ce mystère a inévitablement dépassé la question de savoir si la vie n'existe que sur Terre, ou si elle existe ailleurs dans l'univers. L'émergence de la vie est-elle due à une coïncidence aléatoire et heureuse, ou est-elle aussi naturelle pour l'univers que les lois universelles de la physique?
Les scientifiques tentent de répondre à ces questions depuis longtemps. L'un d'eux est Jeremy England, biophysicien au Massachusetts Institute of Technology. En 2013, il a émis l'hypothèse que les lois de la physique pouvaient déclencher des réactions chimiques permettant à des substances simples de s'organiser de telle sorte qu'elles acquièrent éventuellement des qualités «de vie».
Dans les résultats des nouveaux travaux d'Angleterre et de ses collègues, il est noté que la physique est capable de créer naturellement des processus de réactions auto-reproductibles, ce qui est l'une des premières étapes vers la création du «vivant» à partir du «non-vivant». En d'autres termes, cela signifie que la vie dérive directement des lois fondamentales de la nature, ce qui exclut virtuellement la possibilité d'une hypothèse d'occurrence accidentelle. Mais ce serait une déclaration trop forte.
La vie devait sortir de quelque chose. La biologie n'a pas toujours existé. Il est également apparu à la suite d'une chaîne de certains processus chimiques qui ont conduit au fait que les produits chimiques se sont organisés en composés prébiotiques, ont créé les «éléments constitutifs de la vie», puis se sont transformés en microbes, qui se sont finalement développés en une étonnante collection d'êtres vivants. existant sur notre planète aujourd'hui.
La théorie de l'abiogenèse considère l'émergence de la vie comme l'émergence de la nature vivante de l'inanimé et, selon l'Angleterre, la thermodynamique peut être la base et la clé, grâce auxquelles des composés chimiques inanimés pourraient se transformer en composés biologiques vivants. Cependant, comme le note le scientifique lui-même, les dernières recherches ne visent pas à créer un lien entre les «propriétés vitales» des systèmes physiques et les processus biologiques.
"Je ne dirais pas que j'ai fait un travail qui pourrait répondre à la question de la nature même de la vie en tant que telle", a déclaré England dans une interview à Live Science.
"Ce qui m'intéressait, c'était la preuve même du principe - quelles sont les exigences physiques pour la manifestation d'un comportement vivant dans des composés inanimés."
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Auto-organisation dans les systèmes physiques
Lorsque l'énergie est appliquée à un système, les lois de la physique dictent comment cette énergie se dissipera. Si ce système est affecté par une source de chaleur externe, l'énergie commence à se dissiper jusqu'à ce que l'équilibre thermique s'organise autour de ce système. Placez une tasse de café chaud sur la table et après un certain temps, l'endroit où la tasse se trouvait deviendra chaud. Cependant, certains systèmes physiques peuvent être en déséquilibre, c'est pourquoi, par le biais de l '«auto-organisation», ils essaient d'utiliser l'énergie d'une source externe de la manière la plus efficace, ce qui, comme le souligne l'Angleterre, déclenche des réactions chimiques auto-entretenues qui empêchent la réalisation de l'équilibre thermodynamique. Tout se passe comme si une tasse de café déclenchait spontanément une réaction chimique en ne gardant au chaud qu’une petite zone de café au centre de la tasse,empêchant son refroidissement et le passage à l'état d'équilibre thermodynamique avec la table. Le scientifique appelle une telle situation «adaptation à la dissipation», et ce mécanisme est précisément ce qui, selon l'Angleterre, confère aux systèmes physiques inanimés des propriétés vivantes.
Le comportement clé de la vie est la possibilité d'auto-reproduction ou (d'un point de vue biologique) de reproduction. C'est la base de toute vie: elle est lue comme la plus simple, puis elle est reproduite, elle devient de plus en plus complexe, puis elle est reproduite à nouveau et ce processus se répète encore et encore. Et il se trouve que l'auto-réplication est également un moyen très efficace de dissiper la chaleur et d'augmenter l'entropie dans ce système.
Dans une étude publiée le 18 juillet dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, Angleterre et le co-auteur Jordan Horowitz décrivent le test de leur hypothèse. Ils ont réalisé plusieurs simulations informatiques d'un système fermé (un système qui n'échange ni chaleur ni matière avec son environnement) contenant une «soupe» de 25 produits chimiques. Malgré le fait que leur système était très simple, c'est une telle "soupe" qui pourrait très probablement couvrir une fois la surface de la Terre ancienne et sans vie. Il s'est donc avéré que si ces produits chimiques sont ensemble et qu'ils sont exposés à la chaleur d'une source externe (par exemple, un puits hydrothermal), ces substances devront en quelque sorte dissiper cette chaleur selon la deuxième loi de la thermodynamique, qui ditque la chaleur devrait se dissiper et que l'entropie du système à ce moment augmentera inévitablement.
En créant certaines conditions initiales, le scientifique a découvert que ces produits chimiques peuvent optimiser l'impact sur le système énergétique grâce à l'auto-organisation et à des réactions actives ultérieures pour l'auto-réplication. Ces produits chimiques s'auto-adaptent naturellement aux conditions modifiées. Les réactions qu'ils ont créées ont également produit de la chaleur, ce qui correspond à la deuxième loi de la thermodynamique. L'entropie dans le système augmentera toujours et les produits chimiques continueront également à s'auto-organiser et à démontrer le comportement de la vie sous forme d'auto-reproduction.
«En fait, le système essaie d'abord de nombreuses solutions à petite échelle, et lorsque l'une d'entre elles commence à montrer un résultat positif, organiser l'ensemble du système et s'adapter à cette solution ne prend pas beaucoup de temps», a déclaré England dans une interview avec Live Science.
Un modèle de biologie simple va comme ceci: l'énergie moléculaire est brûlée dans les cellules, qui sont naturellement déséquilibrées et régissent les processus métaboliques qui soutiennent la vie. Mais comme le souligne l'Angleterre, il y a une grande différence entre les propriétés de vie et le comportement découverts dans la soupe chimique virtuelle et la vie elle-même.
Sarah Imari Walker, physicienne théoricien et astrobiologiste à l'Université de l'Arizona, qui n'a pas été impliquée dans la recherche discutée aujourd'hui, est d'accord.
«Il y a deux voies à emprunter pour essayer de combiner biologie et physique. L'une consiste à comprendre comment les qualités de vie peuvent être obtenues à partir de systèmes physiques simples. Le second est de comprendre comment la physique peut créer la vie. Ces deux conditions doivent être abordées afin de vraiment comprendre quelles propriétés sont vraiment uniques à la vie en tant que telles, et quelles propriétés et caractéristiques sont caractéristiques de choses que vous pouvez confondre avec des systèmes vivants, par exemple, les prébiotiques », a commenté Imari Walker à Live Science.
L'émergence de la vie hors de la Terre
Avant de commencer à répondre à la grande question de savoir si ces systèmes physiques simples pourraient influencer l'émergence de la vie ailleurs dans l'univers, nous devons d'abord mieux comprendre où de tels systèmes pourraient exister sur Terre.
«Si vous entendez par vie quelque chose d'aussi impressionnant que, disons, des bactéries ou toute autre forme de polymérases (protéines qui relient l'ADN et l'ARN) et l'ADN, alors mon travail ne consiste pas à dire à quel point cela peut être facile ou difficile. pour créer quelque chose d'aussi complexe, donc je ne voudrais pas essayer prématurément de faire des hypothèses sur la question de savoir si nous trouverons quelque chose de similaire ailleurs dans l'univers, à l'exception de la Terre », déclare l'Angleterre.
Cette étude ne définit pas comment la biologie a émergé de systèmes non biologiques, elle vise uniquement à expliquer certains des processus chimiques complexes par lesquels l'auto-organisation des produits chimiques se produit. Les simulations informatiques réalisées ne prennent pas en compte d'autres propriétés de la vie, telles que l'adaptation à l'environnement ou la réaction à des stimuli externes. De plus, cette étude thermodynamique d'un système fermé ne prend pas en compte le rôle du transfert d'informations accumulées, note Michael Lassing, physicien statisticien qui travaille également en biologie quantitative à l'Université de Cologne.
«Ce travail montre certainement le résultat étonnant de l'interaction des réseaux chimiques hors équilibre, mais nous sommes encore loin du moment où la physique peut expliquer la nature de la vie, dans laquelle l'un des rôles clés est attribué à la reproduction et au transfert d'informations», a commenté Lassing à Live Science.
Le rôle de l'information et de son transport dans les systèmes vivants est très important, reconnaît Imari Walker. À son avis, la présence d'une auto-organisation naturelle présente dans une «soupe» de produits chimiques ne signifie pas nécessairement qu'il s'agit d'une organisation vivante.
«Je crois qu'il y a de nombreuses étapes intermédiaires que nous devons franchir pour passer d'une simple commande à la création d'une architecture d'information entièrement fonctionnelle comme les cellules vivantes, ce qui nécessite quelque chose comme la mémoire ou l'héritage. Nous pouvons certainement mettre de l'ordre dans la physique et les systèmes hors équilibre, mais cela ne signifie pas que nous obtenons la vie de cette façon », déclare Imari Walker.
Les experts estiment généralement qu'il serait prématuré de dire que l'œuvre de l'Angleterre est une «preuve concluante» de la nature de la vie, car il existe de nombreuses autres hypothèses qui tentent de décrire comment la vie aurait pu se former à partir de presque rien. Mais c'est définitivement un nouveau regard sur la façon dont les systèmes physiques sont capables de s'auto-organiser dans la nature. Maintenant que les scientifiques ont une compréhension de base du comportement de ce système thermodynamique, peut-être que la prochaine étape sera d'essayer de déterminer un nombre suffisant de systèmes physiques non équilibrés apparaissant sur Terre, dit l'Angleterre.
