En gang for rundt tre og en halv milliarder år siden delte den første levende cellen seg i et skummende urhav.

Eller - var det egentlig noen første celle? Og var den levende, selv om den delte seg?

Først når livet har oppstått, kan evolusjonen forklare mesteparten av resten.  Hva kom før dette? Hvordan ble død materie levende? Det er ennå en gåte, selv om forskerne har teorier.

Nå har den unge fysikeren Jeremy England funnet stier av matematiske formler gjennom det teoretiske tåkelandet.

Han er ikke den første. Den meksikanske fysikeren Karo Michaelian utforsket området alt i 2009. Spørsmålet de stiller er: Kan døde molekyler selv strukturere seg henimot liv?

Fra varmt og kaldt til lunkent

Utgangspunktet er en gren av fysikken som kalles termodynamikk. Den sier at hvis du overlater død materie til seg selv, vil alle forskjeller jevne seg ut.

Hvis du har varmt vann oppi et kar med kaldt vann, blander det seg, og blir lunkent. Prosessen går bare en vei. Det lunkne vannet vil aldri dele seg i en varm og en kald del av seg selv.

Hvorfor ikke? Varme skyldes at molekylene beveger seg. Jo mer bevegelse, desto mer varme. Bevegelsene er tilfeldige i alle retninger. Noen beveger seg mer, andre mindre.

Statistikken sier at det er mye mindre sannsynlig at de mest sprelske, varme molekylene samler seg ett sted og de dvaske, kalde på et annet sted enn at de blander seg tilfeldig til lunkenhet.

Bli lys

Men England og Michaelian viser hvordan virkeligheten noen ganger gjør opprør mot denne lunkne statistikken.

For hva skjer hvis du sender ny energi ned mot det lunkne vannglasset, for eksempel en intens strålebunt av lys? Da har du virkeligheten i urhavet for tre og en halv milliarder år siden.

Da har du også en ny statistisk situasjon. Vannglasset er ikke lenger et lukket system. Det får tilførsel av energi utenfra.

Snur pila

Termodynamikken har tidligere hatt problemer med å skildre slike åpne systemer. Det har blant andre England og Michaelian gjort noe med.

De viser hvordan enkle organiske molekyler, byggesteinene til liv, da vil innta former som gjør dem i stand til å sende fra seg energien igjen.

Med andre ord: Disse molekylene sorterer mellom kaldere inni seg og varmere utafor. Lunkenhet blir til temperaturforskjeller. De snur den termodynamiske pila - akkurat slik som livet gjør.

Mat inn, avføring ut

Levende celler henter inn energi, og skiller ut overflødig varme. Resultatet inne i cellen er i videste økte forskjeller. Dette kan igjen tolkes som økt struktur og orden.

Termodynamikken har nemlig en videre og enda mer spennende tolkning. Den kan kobles opp mot informasjonsvitenskap og begreper som struktur, orden og kaos.

Varmeforskjeller er ett eksempel på struktur og orden. Lunken blanding er et eksempel på kaos.

Levende organismer bruker energi for å bygge struktur, og skiller ut kaos. Mat inn, avføring ut.

Flere stier

Men molekylene som England og Michaelian har beskrevet, er ikke levende. Eller - er de?

Det er her de virkelig spennende spørsmålene kan stilles. For hva er egentlig liv?

Formlene til England viser hvordan døde molekyler som tilføres energi, statistisk oftere inntar en form som gjør at de kan skille ut mer av energien igjen.

Og en effektiv måte å skille ut enda mer energi på, er å lage kopier av seg selv. England har ikke bare tråkket en sti gjennom tåkelandet fra død materie mot livets morgen. Han har tråkket flere stier.

Levende vann?

- Det er svært fristende å spekulere rundt hvilke fenomener i naturen som vi nå kan trekke inn under paraplybegrepet adaptiv organisering gjennom energitap, sier han i et intervju til nettstedet Quanta Magazine.

- Mange eksempler kan være rett under nesa på oss, men fordi vi ikke har sett dem har vi ikke lagt merke til dem, fortsetter han.

Andre forskere har vist eksempler på dette. Virvler i væske kan formere seg spontant ved å hente energi fra grenseflater der strømninger med forskjellige retninger møter hverandre.

Betyr det at livet i urhavet ikke bare oppstod i organiske molekyler? At sjøvannet selv kan være levende?

- Fra fysikkens perspektiv kan du kalle darwinistisk evolusjon for et spesialtilfelle av et mer generelt fenomen, sier England til Quanta Magazine.

Savner den genetiske koden

Men ikke alle kjøper Englands konklusjoner. Programmereren og skribenten Mark Mahin blogger sin skepsis under tittelen The Origin of Life ”Breakthrough” That Isn’t.

Selv om Mahlin mangler den faglige tyngden til England og Michaelian, har han et poeng: Selvorganisering og kopiering er ikke i seg selv et tegn på liv.

- Du kan forklare hvordan vann blir mer selvorganisert når det fryser (til krystaller), men det er ikke relevant for livets opprinnelse, skriver han.

Det Mahlin savner i teoriene til England, er ett av de viktigste kjennetegnene til liv, selve forutsetningen for evolusjonen slik Darwin beskrev den.

- Englands fagartikkel nevner ikke engang den genetiske koden, skriver han.

Beskriver seg selv

Her er vi ved kjernen av definisjon på liv. Vannvirvler kan kanskje lage kopier av seg selv. Men hvis de blir endret utenfra, tilsvarende mutasjoner i levende celler, vil ikke den neste vannvirvelen arve disse endringene.

Levende celler, derimot, inneholder oppskriften på seg selv. De er selvrefererende. De snakker om seg selv. Og hvis oppskriften endres, kan den instruere neste generasjon om å beholde endringene.

Uten den mekanismen vil vannvirvler i dag ligne på vannvirvler for tre og en halv milliard år siden. Vi får ingen evolusjon. Intelligente vannvirvler vil være utenkelige, fordi de ikke kan tenke seg selv.

Må finne for å forstå

Men vent nå litt. England utelater ikke arvestoffet helt. Har ikke Mahlin lest siste avsnitt i fagartikkelen hans?

- Tidligere har slike lover (som beskriver varmeutveksling) blitt anvendt med hell for å forstå termodynamikken bak kopiering av ”informasjonsmolekyler”, som nukleinsyrer, skriver England.

Nukleinsyrer er nettopp bokstavene i det genetiske alfabetet som beskriver livet i arvestoffet DNA.

Først da James Watson og Francis Crick fant DNA, kunne vi identifisere og ta for gitt hvordan en levende celle beskriver seg selv.  Det er også Englands poeng.

Helhet og deler

Han går videre ut i det teoretiske tåkelandet, mot den dype kløften mellom døde selvkopierende strukturer og selvbeskrivende, selvutviklende liv.

Her nærmer han seg også kløften mellom helheten og delene, mellom termodynamikken og statistikken på den ene siden og  bevegelsene til de enkelte vannmolekylene på den andre siden.

Når termodynamikken snakker om temperaturen til vannet, myser den mot molekylene, ser varme som summen av alle de små bevegelsene.

Statistikk er ikke interessert i enkeltskjebner, verken til mennesker eller molekyler. Et munnhell sier at skjebner blir til tall i statistikken.

Virvelen, molekyl for molekyl

Men arvestoffet, dobbeltspiralen DNA, utfolder og uttrykker seg i enkeltskjebner, enkeltorganismer.

Skal vi forstå evolusjonen, må vi både betrakte populasjoner og individer. Mutasjoner i arvestoffet til individene er dynamikken som skaper nye populasjoner og i siste instans nye arter.

Så blir spørsmålet: Hva er individ og hva er populasjon i en vannvirvel? Kan det tenkes at hvis vi går ned på molekylnivå, kan vi finne selvrefererende strukturer? Kan vannvirvelen likevel snakke om seg selv, beskrive seg selv, og overføre endringer til neste generasjon?

Krysse kløften

- Det vi har fått et glimt av her, er at den underliggende koblingen mellom (varmeutveksling og strukturering) kan anvendes mye mer generelt, så lenge vi forstår at ”selvreplisering” bare er synlig hvis en observatør bestemmer seg for hvordan systemets ”selv” skal klassifiseres, skriver England.

Bare ved å kjenne virvelen i detalj, ned til det enkelte vannmolekyl, kan vi kartlegge hvilket detaljnivå som lar oss skimte mekanismene bak en eventuell selvbeskrivende kopiering.

Hvis England eller andre fysikere finner en slik mekanisme, kan de ha klart å krysse kløften fra stier gjennom dødens lange natt og videre over mot livets morgen.

Og hva mer er: Han kan ha vist at vårt evolusjonstre bare er ett av mange i en stor ukjent skog, der over på den andre siden av kløften.

Lenker:

Natalie Wolchover: A New Physics Theory of Life, Quanta Magazine, 22.januar, 2014

Jeremy L. England: Statistical physics of self-replication, The Journal of Chemical Physics, 139, 121923 (2013); doi: 10.1063/1.4818538

Mark Mahin: The Origin of Life “Breakthrough” That Isn't, bloggen Future And Cosmos, 23.januar 2014