Az élet megszületése matematikai szempontból elkerülhetetlen, létezése annyira meglepő, mint hogy a sziklák lefelé görögnek – állítja Jeremy England, az MIT fizikusa, aki kifejlesztett egy matematikai képletet, amely alapján az anyag bizonyos körülmények között mindenképpen megszerzi az élet kialakulásához szükséges feltételeket. Eredményeit a Chemical Physics című szaklapban publikálta [PDF]. Az alapvető elméletek, amelyekre épít, nem maiak, a fizika és a biológia alapvető törvényeit viszont merészen kapcsolja össze.
Az elmélet központi eleme a termodinamika második főtétele, lényege hőre vonatkoztatva, hogy a meleg dolgok lehűlnek; a gázok szétszóródnak a levegőben – azaz az energia idővel eloszlik. Ezt a folyamatot mérjük az entrópiával: számszerűsíthető, mennyi részecske oszlik el egy rendszerben. A rendszerek az entrópiai maximumhoz tartanak. ez a termodinamikai egyensúly, ilyenkor az energia egyenletesen oszlik el.
Hétköznapi példával szemléletezve: ha egy csésze kávét magára hagyunk egy szobában, a szoba levegője és a kávé hőmérséklete kiegyenlítődik: a kávé kihűl, a szoba pedig melegszik, amíg azonos nem lesz a hőmérsékletük. Amíg külső tényezőkkel nem nyúlunk bele a folyamatba, az megfordíthatatlan: a kávé sosem fog spontán újra felmelegedni.
Tehát zárt rendszerben egyre nagyobb lesz az entrópia – a nyílt rendszereknek viszont alacsonyan kell tartaniuk az entrópiát (azt nem tudjuk még pontosan miért, de ezzel nem sértik meg a termodinamika törvényeit), ezért szétszórják a megszerzett energiát. A fizika szempontjából van egy nagyon fontos különbség az élő és élettelen molekulák között ebben a kérdésben: előbbiek sokkal könnyebben szereznek energiát környezetükből, majd szórják szét azt hő formájában.
Az MIT fizikusa szerint képlete megmagyarázza ezt a különbséget: ha külső energiaforrással (ilyen lehet például a Nap) ellátott atomok csoportját forró fürdőbe helyezzük (például óceánba vagy az atmoszférába), előbb-utóbb átalakítják szerkezetüket, hogy egyre több energiát tudjanak szétszórni, ez pedig bizonyos körülmények között az élet kialakulásához vezethet. „Egy rakás véletlenszerű atommal indulsz, és ha elég hosszú ideig hagyod a fényen, nem meglepő, hogy a végeredmény egy növény” – hozott egy példát England a Quanta Magazine-nak.
Rengeteg tudós véli az ősleves-elméletet, eszerint molekulák kusza halmazából a légköri villámok és hatalmas szerencse vezetett az élet megszületéséig és az azt követő evolúcióig. England szerint elmélete viszont a természet alaptörvényeit követi, és kiegészíti Darwin természetes szelekcióját.
„Nem állítom, hogy Darwin ötletei hibásak, csak azt mondom, hogy a fizika szemszögéből az evolúciót csak egy sokkal általánosabb jelenség speciális esetének kell tekinteni” – mondja. Ha England ötlete bizonyítható, a biológusoknak nem kell többé darwini magyarázatot keresniük minden egyes alkalmazkodásra, az élőlényeket sokkal általánosabban, energiaelosztóként kezelhetik.
„A képlettel nagyon egyszerűen meg tudjuk mutatni, hogy annál valószínűbb az evolúciós eredmény, minél több energiát nyelt el és osztott el a környezet külső forrásaiból valami” – mondja England. Például a növény napenergiát nyel el a cukrok előállításához, és infravörös fényt szór szét, az energia másik formáját.
Elmélete szerint a biológiai reprodukció is csak egy logikai folyamat egyre több energia elosztására. A szétszórás elméleti minimuma az RNS-molekulák replikációjakor történik. A bakteriális sejtek nagyon közel vannak a folyamat során lemért tényleges értékhez. „A szétszórás nagyszerű módja, ha több másolatot készítesz magadból” – állítja a fizikus. Itt a kapcsolat elmélete és az evolúció között.
A kutatók már vizsgálták nem élő rendszerek önreplikációját, például zavaros folyadékok örvényeit, amelyek a környező folyadékból merítenek energiát replikációjukhoz. England szerint a hópelyhek cseppfolyósodásukkal és a homokdűnék a szél miatt ugyanezt a belső rendet igazolják.
Carl Franck, a Cornell University biofizikusa szerint a kutató elmélete alapján nem is olyan éles az élő és élettelen anyag közötti különbség. Ötletét több fizikus vitatja, elméleti eredményeit viszont (matematikailag) mindenki érvényesnek tartja, úgy is, hogy a képlethez egyelőre nincs több bizonyíték. Eugene Shakhnovich, a Harvard biofizikusa szerint viszont az elmélet ezen a ponton rendkívül spekulatív, különösen az a része, hogy az életre vonatkoztatják.