حیات چیست ؟ حیات با زنده بودن فرق دارد! (قسمت اول)

حیات مساوی زنده بودن نیست! می‌دانیم که ‌یک گربه زنده است، اما یک مبل زنده نیست، با این حال مبل هم بخشی از زندگی و حیات است، چرا؟ پاسخ این سوال را نظریه اطلاعات به ما می‌گوید. در این قسمت به توضیح یک «قانون فیزیکی جدید» برای حیات می‌پردازیم. ممکن است شهود ما از حیات براساس ادراکات نادرست و ناقص باشد؛ زیرا نمی‌توانیم مستقیما رابطه‌ی بین گربه و مبل را ببینیم. ما برای درک حیات، باید بفهمیم کدام بیت‌های ماده می‌توانند اطلاعاتی را به دست آورند که در نتیجه‌ی آن اطلاعات بتوانیم زنده را از غیر زنده تفکیک کنیم. شاید تمام حیات برخاسته از حیات دیگری باشد! با دیپ لوک همراه باشید…

یک گربه که روی یک مبل در گوشه‌ی اتاق در حال چرخش است؛ به وضوح نمونه‌ای از حیات و زندگی است، در حالی که مبل نیست. اما آیا باید به شهودمان اعتماد کنیم؟ در نظر بگیرید که نیوتون، زمان را به صورت جهانی، در گردش و بدون اثرات خارجی در نظر گرفت و زمان نسبی را تنها برای درک بهتر ما به وسیله‌ی ساعت‌ها اندازه گیری کرد.

آلبرت اینشتین دو قرن بعد، مفهوم زمان جهانی را کنار گذاشت و به جای آن مفهوم زمانی را معرفی کرد که فقط به صورت موضعی بر حسب ساعت‌ها اندازه گیری می‌شود. قبل از اینشتین چه کسی فکرش را می‌کرد که همین زمان در خورشید، ماه و حتی در هر کدام از ساعت‌های ما با سرعت‌های کمی متفاوت می‌گذرد و دیگر زمان، مطلق جهانی نیست؟ و تلفن‌های همراه امروز ما برای عملکرد موقعیت‌یابی جهانی یا GPS باید از همان زمان نسبی استفاده کنند.

علم در راستای کشف عمیق و اغلب متضاد یک واقعیت فیزیکی، گام‌های شگفت‌انگیزی برداشته است. ما از اتم‌های بدنمان و ستاره‌های آسمان خیلی بیشتر از زندگی خصوصی انسان‌ها به عنوان مثالی از حیات می‌دانیم. در حقیقت، دانشمندان تا زمانی که به تعریف دقیقی از حیات، برسند، روی آن بحث می‌کنند.

حیات ≠ زنده بودن

ارسطو اولین کسی بود که می‌گفت حیات چیزی است که رشد می‌کند و تکثیر می‌شود. او مجذوب قاطر شده بود، حیوانی که حد وسط اسب و خر و همیشه عقیم است؛ اما نمی‌توان فقط به خاطر عقیم بودن قاطر، آن را مرده تلقی کرد. این بحث بی پایان است: برخی می‌گویند که حیات باید سوخت و ساز داشته باشد (متابولیسم)، یعنی ترکیباتش را به انرژی تبدیل کند و ضایعات آن را جدا کند. پس با این اوصاف، آیا موتورهای جت حیات دارند؟ به طور خلاصه، هیچ نظریه و بنابراین هیچ وسیله‌ی اندازه گیری وجود ندارد که بتواند فرض ما را که گربه زنده است و مبل زنده نیست، ثابت یا رد کند؛ یا حتی بگوید شُمایی که این مقاله را می‌خوانید زنده هستید یا نه! ممکن است با شکست روبه رو شویم، اما ارزش امتحان کردن را دارد.

گام مهمی که برای درک اصول بنیادین برداشته شد و قادر به توضیح مفهوم حیات بود، توسط یکی از پدران فیزیک کوانتومی به نام اروین شرودینگر مطرح شد. احتمالا شناخته‌شده و معروف‌ترین آزمایش ذهنی شرودینگر، گربه‌ای باشد که هم زنده و هم مرده است، یعنی این گربه به طور همزمان در هر دو حالت (برهم نهی کوانتومی) وجود دارد.

اما مجموعه ای از سخنرانی‌های شرودینگر نیز در سال ۱۹۴۳ در موسسه مطالعات پیشرفته دوبلین تحت عنوان «حیات چیست؟» بسیار مورد توجه قرار گرفته است. سخنرانی‌های او سال بعد در یک کتاب منتشر شد و در جهت درک و الهام‌بخشی حیات برای دانشمندان نسل‌های بعدی، بسیار شهرت یافت. به ویژه، مهم‌ترین تاثیر او بر زیست شناسان مولکولی، جیمز واتسون (James Watson) و فرانسیس کریک (Francis Crick) در جستجوی ساختار DNA بود، چرا که شرودینگر شکل DNA را به صورت یک بلور غیرتناوبی که ماده ارثی را می‌سازد، پیش‌بینی کرده بود.

حیات چیست ؟

شرودینگر این ناسازگاری آشکار بین حیات و قانون دوم ترمودینامیک (که می‌گوید انتروپی یا بی نظمی یک سیستم فیزیکی همیشه افزایش می‌یابد) را توضیح داد. وقتی که جهان مطابق با قانون دوم ترمودینامیک باید همیشه نظم خود را کاهش دهد، چطور حیات می‌تواند نظم را افزایش دهد؟ پاسخ شرودینگر این بود که حیات باید از «انتروپی منفی» یا انرژی آزاد تغذیه کند، البته که معمولا برای غذا و نور خورشید از واژه‌ی تغذیه کردن استفاده می‌کنیم. قانون دوم ترمودینامیک تعیین می‌کند که میزان نظمی که در نور خورشید هنگام گرم کردن سیاره ما از بین می‌رود، باید بیشتر از میزان نظم تولید شده در یک گیاه باشد (به عبارتی پدیده‌های بی‌نظم در جهان بسیار بیشتر از پدیده های منظم هستند).

با این حال، اینکه بگوییم حیات با قوانین فیزیک سازگار است، با اینکه ادعا کنیم قوانین فیزیکی می‌توانند حیات را توصیف کنند، فرق دارد. شرودینگر به طور خاص، شیفته‌ی این پرسش شده بود که حیات چطور می‌تواند با وجود نویز ذاتی و طبیعی در دینامیک مولکولی، به نحو منظمی عمل کند؟ پرسشی که تا این لحظه هنوز هم بی‌پاسخ باقی مانده است. حتی سخت‌تر از آن، توضیح این است که حیات چطور از بی‌جانی پدیدار می‌شود.

خود شرودینگر نیز از این سوالات و صحبت در مورد اینکه حیات چیست متحیر بود. شاید یک «قانون فیزیکی جدید» برای توضیح حیات ضروری باشد. بیش از ۷۰ سال از زمان انتشار کتاب شرودینگر می‌گذرد و در این بین تلاش‌های بسیاری برای تعریف حیات یا حداقل خصوصیات کلیدی آن انجام شده است؛ اما هنوز یک نظریه‌ی توضیح دهنده‌ و جامع بدست نیامده است.

ممکن است شهود ما از زندگی براساس ادراکات نادرست و ناقص باشد؛ زیرا ما نمی‌توانیم مستقیما رابطه‌ی بین گربه و مبل را ببینیم. فیزیک تاریخچه‌ای طولانی برای کشف ساختار پنهان در دنیای ما دارد، زیرا قوانین و قواعد جهانی همه جا صحیح هستند، نه فقط برای گربه‌ها، مبل‌ها، اتم‌ها یا کهکشان‌ها. مثال قانون پایستگی انرژی را در نظر بگیرید که در آن هیچ فرایندی انرژی را تولید نمی‌کند یا حتی آن را از بین نمی‌برد، چه یک کهکشان باشد چه حتی یک گربه. گام مهمی که برای شناخت قانون پایستگی انرژی برداشته شد این بود که می‌توان انرژی جنبشی و انرژی گرمایی را یکسان در نظر گرفت. ما باید تلاش کنیم یک فیزیک برای تعریف حیات بیابیم که در آن، تمام نمونه‌های حیات که در اصل بخشی از یک پدیده‌ی جهانی هستند را در نظر بگیریم؛ در غیر این صورت، حیات، یک خصوصیت قابل مشاهده نیست، بلکه مجموعه‌ای از موارد خاص است.

بازنگری فیزیک برای تعریف قوانین حیات

در واقع اگر «نوع جدیدی از قانون فیزیکی» برای توضیح حیات، همانطور که فکر می‌کنیم و شرودینگر به آن اشاره کرد، ضروری است، باید نه تنها در مورد رویکردمان به حیات، بلکه به فیزیک نیز بازنگری کنیم. «قوانین حیات» باید مانند قوانین فیزیک، جهانی باشد، یعنی نه تنها برای حیات روی زمین، بلکه در مورد حیات در جهان‌های دیگر، در زیست شناسی و همچنین در فیزیک قابل استفاده باشند.

بحث در مورد اینکه آیا حیات توسط قوانین ویژه‌ی خودش کنترل می‌شود یا اینکه قوانین حیات و غیرحیات، یکسان هستند، تازگی ندارد. فیلسوفان حیات گرا (Vitalist philosophers) معتقدند چیز خاصی در مورد موجودات زنده وجود دارد، یک نیروی حیات که زنده را از غیر زنده جدا می‌کند و در شیمی، مواد آلی یا ارگانیک را از غیر آلی تفکیک می‌نماید. این نیروی حیات مفروض توضیح می‌دهد که چرا باکتری‌ها نباید به طور خود به خودی در خاک ظاهر شوند. در سال ۱۸۵۹، لوئیس پاستور (Louis Pasteur) نشان داد که باکتری‌ها نمی‌توانند خود به خود تولید شوند؛ او نتیجه گرفت که:

تمام حیات باید برخاسته از حیات دیگری باشد.

اما امروزه می‌دانیم که فقدان نیروی حیات نیست که مانع تولید خود به خودی یک باکتری می‌شود، بلکه، مورد دیگری از قلم افتاده است: اطلاعات که به معنای ساختار سلول باکتریایی و محتوای ژنوم آن است، حاصل میلیاردها سال تکامل‌اند و بدون اطلاعات، قابلیت بازتولید بلافاصله‌ی سیستم‌ها را ندارند.

این اطلاعات به طریقی، همان نیروی حیات واقعی هستند: چیزی که زنده را از غیر زنده تفکیک می‌کند. با این حال، این اطلاعات به جای آنکه نیروی اسرارآمیزی باشند که فقط از بیت‌های خاصی از ماده عبور می‌کنند، در طول زمان و فضا و از طریق فرایند انتخاب، ظاهر می‌شوند. ما برای درک منشا حیات، باید بفهمیم کدام بیت‌های ماده می‌توانند چنین اطلاعاتی را بدست آورند و این روند را چطور انجام می‌دهند.

برای پاسخ دادن به این سوال، باید فراتر از ایده‌های کلود شنون (Claude Shannon) قدم بگذاریم. برای مثال، شنون در مطالعه‌ی سیگنال‌های رادیویی یا سایر ارتباطات، به محتوای پیام ارسال شده علاقمند نبود، در عوض، او به این علاقمند بود که آیا بیت‌های ارسال شده، عدم قطعیت درباره‌ی حالت فرستنده را در یک گیرنده کاهش می‌دهند یا نه. او برای انجام این کار، تنها احتمالات را شمرد. اگر قرار باشد فردا بارانی یا آفتابی باشد و هر دوی آنها به یک اندازه ممکن باشند و شما یک گزارش آب و هوای دقیق ۱۰۰ درصدی را ببینید که می‌گوید فردا بارانی است، تعداد احتمالات نصف می‌شود. شما یک بیت اطلاعات بدست آوردید. اگر سکه را برگردانید و بدانید که کدام طرف سکه می‌آید، یا اگر یک سیاهچاله را مشاهده کنید و بدانید که به سمت چپ یا راست می‌چرخد، نتیجه‌ی پیش‌بینی شما درست از آب در می‌آید زیرا از احتمال وقوع آن باخبر هستید. در تمام این نمونه‌ها، شما دقیقا یک بیت اطلاعات را توسط مشاهدات خود به دست آوردید. اطلاعات تعداد احتمالات مورد انتظار را و در نتیجه، عدم قطعیت را کاهش می‌دهند. مهم نیست پیغام حاوی چه اطلاعاتی است، معنای یک سیگنال به نظریه اطلاعات شنون ربطی ندارد.

ادامه دارد…