SISSA Medialab tərəfindən

Sadie Harley tərəfindən redaktə edilib , Andrew Zinin tərəfindən nəzərdən keçirilib

 Redaktorların qeydləriOrta Atlantik silsiləsində 2980 metr suda qara siqaret çəkən. Bəzi fərziyyələr dərin dəniz hidrotermal dəliklərinin erkən həyatın yaranması üçün əlverişli şərait yaratmış ola biləcəyini göstərir. Bu mühitlərdə kimyəvi və enerji qradiyentləri hidrotermal aktivlik nəticəsində ayrılan birləşmələrə əsaslanan ibtidai kimyəvi sistemləri və metabolik prosesləri dəstəkləyə bilərdi. Orijinal şəkil mənbəyi: commons.wikimedia.org/wiki/File:MARUM-HTQ-01-HiRes.jpg. Müəllif: MARUM − Bremen Universiteti üçün Dəniz Təbiəti Mühafizəsi Mərkəzi

Mexaniki fizikanın hesablaya bilmədiyi “həyat xərcləri” var. Bunun bariz nümunəsi, alternativ proseslərin baş verməsinin qarşısını alarkən, fotosintezi təşkil edən proseslər kimi müəyyən biokimyəvi prosesləri aktiv saxlamaq üçün tələb olunan enerjidir (nümunələr saysız-hesabsızdır).

Mexanikada yerdəyişmənin olmaması sıfır iş demək deyil və sadə dillə desək, hadisələrin baş verməsinin qarşısını almaq üçün heç bir enerji xərci yoxdur. Lakin diqqətli stoxastik termodinamik hesablamalar göstərir ki, bu xərclər mövcuddur və onlar çox vaxt olduqca əhəmiyyətli olur.

Statistik Mexanika Jurnalı: Nəzəriyyə və Təcrübə ( JSTAT ) jurnalında dərc olunmuş bir məqalədə bu xərcləri termodinamik baxımdan hesablamaq və beləliklə, həyatın kökündə metabolik yolların seçilməsini və təkamülünü anlamaq üçün yeni bir vasitə təklif etmək üçün bir yol təklif olunur.

Qədim bir okeanda bir ovuc üzvi molekul xarici sərhədi — ilk hüceyrə membranını — əmələ gətirəndə ilk dəfə daxili və xarici arasında kəskin bir fərq ortaya çıxdı.

Həmin andan etibarən, ilkin sistem bu bölmələşməni qorumaq və baş verə biləcək çoxsaylı kimyəvi reaksiyalar arasından “kənardan” götürülən qiymətli maddələri istismar edib yeni məhsullara çevirə bilən yalnız bir neçə metabolik yolu seçmək üçün enerji sərf etməli idi. Həyat bu bölmələşmə və seçim səyi ilə birlikdə yarandı.

Metabolik proseslər birbaşa enerji xərci tələb edir, lakin kimyəvi axınların bütün fiziki mümkün alternativlərə yayılmasına imkan vermək əvəzinə, üstünlük verilən bir yola yönəldilməsi üçün “əlavə xərc” tələb edir.

Lakin klassik mexanika baxımından, sistemin sərhədlərinə tətbiq edilən “məhdudiyyətlər” olan bölmələşdirmə və reaksiya seçimi heç bir xərc tələb etməməlidir, çünki onlar entropiya istehsalına töhfə verməyən sabit xarici şərtlər kimi qəbul edilir.

Tokio Universitetinin tədqiqatçısı və yeni tədqiqatın ilk müəllifi Praful Qaqrani, həmkarları — Nino Lauber (Vyana Universiteti), Erik Smit (Gürcüstan Texnologiya İnstitutu və Yer-Həyat Elmləri İnstitutu) və Kristof Flamm (Vyana Universiteti) ilə birlikdə bu nəzərdən qaçırılmış xərcləri hesablamaq və yolları sıralamaq üçün bir metod hazırladılar.

Bu, tədqiqatçılara bioloji səmərəliliklərini qiymətləndirməyə imkan verir — planetimizdə həyatın necə yarandığını araşdıran təkamül tədqiqatları üçün dəyərli məlumatlar.

“Yeni əsərə ilham verən odur ki, həmmüəlliflərdən biri olan Erik Smit, CO₂-dan başlayaraq üzvi molekulları “qurmaq” üçün bütün mümkün yolları sadalamaq üçün Flamm və həmkarları tərəfindən hazırlanmış MØD proqram təminatından istifadə etmişdir.”

Qaqrani, Smit və həmkarlarının fotosintezdə karbon qazını qlükozaya çevirən kimyəvi reaksiyalar dövrü olan Kalvin dövrü ilə bağlı əvvəlki tədqiqatlarından birinə istinad edir.

“Erik, Kalvin dövrünün etdiyi kimi eyni çevrilməni edə biləcək bütün yolları sadalamaq üçün alqoritmdən istifadə etdi və sonra onları sıralamaq üçün məqaləmizdə indi texniki xidmət xərci adlandırdığımız şeydən istifadə etdi.”

Beləliklə, Smit və digərləri göstərdilər ki, təbiətin istifadə etdiyi dövr ən az dağılma yolu — ən aşağı enerji dəyəri olan yollar arasındadır. Qaqrani şərh edir: “Möhtəşəmdir, elə deyilmi?”

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Smitin işlərindən ilhamlanan Qaqrani və həmkarları metabolik proseslərin termodinamik xərclərini sistematik şəkildə qiymətləndirmək üçün ümumi bir metod hazırladılar. Onların çərçivəsində hüceyrə, məsələn, bir molekulun (qida maddəsi) daxil olduğu və digərinin (məhsul və ya tullantı) xaric olduğu sabit bir axınla kəsişən bir sistem kimi təsəvvür edilir.

Əsas kimya nəzərə alınmaqla, girişi çıxışa çevirən bütün kimyəvi cəhətdən mümkün yolları yaratmaq olar. Hər bir yolun öz “termodinamik dəyəri” var. Metod, klassik mənada enerjini hesablamaq əvəzinə, yalnız spontan kimya ilə idarə olunan bir dünyada şəbəkənin (girişi çıxışa çevirən molekullar və reaksiyalar dəsti) tam olaraq bu şəkildə davranmasını görməyin nə qədər mümkünsüz olduğunu təxmin edir.

Bu qeyri-mümkünlüyün iki komponenti var. Birincisi, texniki xidmət xərcləridir, yəni müəyyən bir yoldan sabit bir axını davam etdirməyin nə qədər mümkün olmadığını göstərir. İkincisi, yalnız maraq doğuran yolu aktiv saxlayarkən şəbəkədəki bütün alternativ reaksiyaları bloklamağın nə qədər mümkün olmadığını ölçən məhdudlaşdırma xərcləridir.

Hesablanmış ehtimalsızlıq həmin prosesin dəyərini təmsil edir və daha sonra metabolik yolları hüceyrənin bir yolu aktiv saxlayıb digərlərini susdurmasının nə qədər “bahalı” olduğuna görə təsnif etmək üçün istifadə edilə bilər.

Qaqrani izah edir ki, “Gözləmədiyimiz şeylər gördük, amma düşündükdən sonra məntiqli görünürdülər”.

“Məsələn, eyni anda birdən çox yoldan istifadə etmək yalnız bir yoldan istifadə etməkdən daha ucuzdur. Budur bir bənzətmə: dar tunellərdən A nöqtəsindən B nöqtəsinə keçməli olan dörd nəfəri təsəvvür edin. Hər bir insanın öz tuneli varsa – dörd tunel – onlar yalnız üç və ya daha az tunel olduqdan daha tez çatırlar, çünki iki və ya daha çox insan eyni dar keçiddə bir-birinə mane olardı.”

Lakin təbiətdə adətən bir prosesin bir çox prosesdən üstün tutulduğunu görürük. Bu necə izah olunur?

“Düzdür, amma bioloji sistemlərdə kataliz tez-tez reaksiyaları sürətləndirən və onları daha ucuz edən molekulların, fermentlərin hərəkətinə müdaxilə edir və paralel olaraq birdən çox yolun olması ilə eyni effekti əldə edir. Bu təkamül seçimi bir çox yolun saxlanmasının bir çox potensial zəhərli molekulların əmələ gəlməsi kimi digər çatışmazlıqlara səbəb ola biləcəyi üçün baş verir.”

Qaqrani belə yekunlaşdırır: “Metodumuz həyatın mənşəyini və təkamülünü öyrənmək üçün faydalı bir vasitədir, çünki bu, bizə müəyyən metabolik proseslərin seçilməsi və saxlanılması xərclərini qiymətləndirməyə imkan verir. Bu, müəyyən yolların necə yarandığını anlamağımıza kömək edir, lakin bu yolların niyə seçildiyini izah etmək həqiqətən çoxsahəli bir səy tələb edir.”

Daha çox məlumat: Reaksiya şəbəkələrində yolların termodinamik sıralaması, Statistik Mexanika Nəzəriyyəsi və Təcrübəsi Jurnalı (2025). DOI: 10.1088/1742-5468/ae22eb .

SISSA Medialab tərəfindən təmin edilir