Titik Temu Fisika dan Biologi
JAKARTA GESAHKITA COM—
Hampir 80 tahun yang lalu, Erwin Schrödinger menggunakan fisika saat itu untuk mencoba memahami asal usul kehidupan. Sekarang, Stephon Alexander dan Salvador Almagro-Moreno mencoba melakukan hal yang sama dengan sains modern
Berikut ini adalah kutipan dari buletin Lost in Space-Time kami. Setiap bulan, kami menyerahkan keyboard kepada satu atau dua fisikawan untuk memberi tahu Anda tentang ide-ide menarik dari sudut alam semesta mereka. Anda dapat mendaftar untuk Lost in Space-Time di sini .
Pada awal waktu, alam semesta meledak menjadi ada dengan big bang , memulai rantai peristiwa yang menyebabkan partikel subatom menggumpal menjadi atom, molekul dan, akhirnya, planet, bintang, dan galaksi yang kita lihat sekarang.
Rangkaian peristiwa ini juga menuntun kita, meskipun kita sering melihat kehidupan dan pembentukan alam semesta sebagai hal yang terpisah, atau “magisteria yang tidak tumpang tindih” untuk meminjam ungkapan ahli biologi Stephen Jay Gould.
Bagi para kosmolog, sistem kompleks seperti kehidupan tampaknya tidak terlalu berdampak pada masalah yang mereka coba pecahkan, seperti yang berkaitan dengan big bang atau model standar fisika partikel. Demikian pula, bagi para ahli biologi, kehidupan ditempatkan dalam biosfer yang terpisah dari kejadian-kejadian di alam semesta yang megah. Tapi apakah itu benar?
Ilmuwan terkemuka, termasuk John von Neumann, Erwin Schrödinger , Claude Shannon, dan Roger Penrose , telah menemukan gagasan bahwa mungkin ada wawasan untuk dikumpulkan dari melihat kehidupan dan alam semesta secara bersamaan.
Pandangan fisikawan Erwin Schrödinger sangat menarik, karena spekulasi dan prediksinya yang berani dalam biologi sangat berpengaruh. Pada tahun 1943, ia memberikan serangkaian kuliah di Trinity College Dublin yang pada akhirnya akan diterbitkan dalam sebuah buku kecil, tetapi hebat, berjudul What Is Life? Di dalamnya, ia berspekulasi tentang bagaimana fisika bisa bekerja sama dengan biologi dan kimia untuk menjelaskan bagaimana kehidupan muncul dari benda mati.
Schrödinger percaya bahwa hukum fisika yang sama yang menggambarkan bintang harus menjelaskan proses metabolisme yang rumit di dalam sel hidup.
Dia tahu bahwa fisika pada masanya tidak cukup untuk menjelaskan beberapa temuan eksperimental yang cerdik yang telah dibuat tentang sel hidup, tetapi dia terus berusaha, mencoba menggunakan fisika yang dia tahu untuk menjelaskan biologi.
Dia mengatakan bahwa mekanika kuantum harus memainkan peran kunci dalam kehidupan, karena diperlukan untuk membuat atom stabil dan memungkinkan mereka untuk terikat dalam molekul yang ditemukan dalam materi, baik yang hidup maupun yang tidak. Untuk benda mati, seperti logam, mekanika kuantum memungkinkan molekul untuk mengatur dengan cara yang menarik, seperti kristal periodik – kisi-kisi molekul dengan derajat simetri yang tinggi.
Tapi dia percaya bahwa periodisitas terlalu sederhana untuk kehidupan; sebaliknya ia berspekulasi bahwa materi hidup diatur oleh kristal aperiodik. Dia mengusulkan bahwa jenis struktur molekul non-berulang ini harus menampung “skrip kode” yang akan memunculkan “seluruh pola perkembangan masa depan individu dan fungsinya dalam keadaan matang”. Dengan kata lain, dia menemukan deskripsi awal DNA.
Pendekatan orang luar
Sebelum masa Schrödinger, para ahli biologi telah menemukan gagasan tentang gen, tetapi itu hanyalah sebuah unit pewarisan yang tidak terdefinisi. Saat ini, gagasan bahwa gen diatur oleh kode yang memprogram struktur dan mekanisme sel dan menentukan nasib organisme hidup tampak begitu akrab, sehingga terasa seperti akal sehat.
Namun, bagaimana tepatnya hal ini dicapai pada tingkat molekuler masih menjadi bahan penelitian oleh para ahli biologi.
Apa yang sangat luar biasa adalah bahwa Schrödinger menggunakan penalaran yang berasal dari mekanika kuantum untuk merumuskan hipotesisnya. Dia adalah orang luar biologi, dan ini secara alami membuatnya membawa pendekatan yang berbeda.
Fisika dan biologi telah banyak bergerak sejak zaman Schrödinger. Bagaimana jika kita mengikuti proses yang sama dan bertanya apa kehidupan hari ini ?
Selama bertahun-tahun kami, penulis buletin ini, telah mengembangkan sebuah pola. Kami bertemu, terkadang sambil minum, untuk bertukar ide dan berbagi pemikiran terbaru kami dalam kosmologi atau biologi molekuler.
Kami sering begadang sambil mendengarkan musik jazz atau flamenco favorit kami. Sebagian, percakapan kami adalah latihan untuk secara sengaja menghasilkan perspektif orang luar, seperti yang dilakukan Schrödinger, semoga bermanfaat bagi penelitian masing-masing. Tapi itu juga sangat menyenangkan.
Secara khusus, sejak 2014 kami telah mengembangkan intuisi umum bahwa ada saling ketergantungan tersembunyi antara sistem kehidupan dan kosmologi, seperti yang ditunjukkan dalam beberapa publikasi kami. Untuk memahami ini, kita perlu berbicara tentang entropi , ukuran ketidakteraturan, dan bagaimana ia mengalir di alam semesta, baik pada skala biologis maupun kosmologis.
Di alam semesta awal, sebelum ada bintang dan planet, sebagian besar ruang dipenuhi dengan jumlah radiasi dan materi yang sama. Saat campuran ini menghangat dan bergerak lebih banyak, itu menjadi kurang teratur dan entropinya meningkat. Tetapi ketika alam semesta mengembang, ia mendistribusikan radiasi dan materi secara homogen dan teratur, menurunkan entropi alam semesta.
Saat alam semesta semakin meluas dan mendingin, struktur kompleks seperti bintang, galaksi, dan kehidupan terbentuk. Hukum kedua termodinamika mengatakan bahwa entropi selalu meningkat, tetapi struktur ini memiliki keteraturan lebih (dan karenanya entropi lebih sedikit) daripada bagian lain dari kosmos. Alam semesta dapat lolos dari hal ini karena daerah dengan entropi yang lebih rendah terkonsentrasi di dalam struktur kosmik, sementara entropi di alam semesta secara keseluruhan masih meningkat.
Kami percaya jaringan struktur penurun entropi ini adalah mata uang utama bagi biosfer dan kehidupan di planet. Sebagai bapak termodinamika, Ludwig Boltzmann, mengatakan: “Perjuangan umum untuk keberadaan makhluk hidup karena itu bukan perjuangan untuk bahan mentah … juga untuk energi yang ada dalam banyak tubuh dalam bentuk panas, tetapi perjuangan untuk entropi , yang tersedia melalui transisi energi dari matahari yang panas ke bumi yang dingin.”
Fenomena yang muncul
Ketika alam semesta menyimpang dari homogenitas, dengan menyemai dan membentuk struktur entropi yang lebih rendah, entropi di tempat lain di alam semesta terus tumbuh. Dan entropi juga cenderung tumbuh di dalam struktur tersebut.
Hal ini membuat entropi, atau ketidakhadirannya, menjadi pemain kunci dalam menopang struktur kosmik, seperti bintang dan kehidupan; oleh karena itu, alam semesta tak bernyawa awal dengan entropi rendah diperlukan untuk kehidupan di Bumi ini.
Misalnya, matahari kita memancarkan energi yang diserap oleh elektron pada tumbuhan di Bumi dan digunakan dalam fungsi yang mereka butuhkan untuk hidup. Tumbuhan melepaskan energi ini dalam bentuk panas, memberikan kembali ke alam semesta lebih banyak entropi daripada yang diambil.
Sayangnya, sulit untuk menjelaskan dengan pemahaman fisika kita saat ini mengapa entropi sangat rendah di alam semesta awal. Faktanya, masalah entropi rendah yang kita tuntut dari big bang ini adalah salah satu masalah utama dengan teori ini.
Sisi biologi dari cerita ini berasal dari penelitian Salvador terhadap penggerak genetik dan ekologi yang menyebabkan populasi bakteri yang tidak berbahaya berevolusi dan muncul sebagai patogen.
Penting untuk cerita ini adalah bahwa ini bukan hanya pertanyaan tentang kode genetik bakteri. Salah satu mantra Salvador adalah bahwa hidup adalah fenomena adaptif yang merespons perubahan tekanan yang konstan dan tak terduga dari lingkungan.
Hal ini membuat suatu organisme menjadi fenomena yang muncul, di mana bentuk akhirnya tidak terkandung dalam bagian-bagian individu yang membentuknya, tetapi dapat dipengaruhi oleh serangkaian sistem yang lebih besar yang menjadi miliknya.
Makhluk hidup terdiri dari jaringan interaksi yang dimediasi melalui lingkungan. Sistem kehidupan mampu mengatur miliaran sel untuk mempertahankan fungsinya secara keseluruhan. Di luar itu, kumpulan organisme termasuk dalam jaringan yang disebut ekosistem, yang juga menjaga keseimbangan dinamis.
Ini meluas sampai ke jaringan pada skala terbesar kehidupan. Gagasan tentang Bumi sebagai ekosistem yang mengatur diri sendiri ditemukan bersama oleh James Lovelock dan Lynn Margulis pada 1970-an, dan itu dikenal sebagai hipotesis Gaia .
Kesimpulannya bagi kita adalah bahwa aliran entropi negatif ada tidak hanya untuk makhluk hidup individu, tetapi untuk seluruh Bumi.
Matahari mengirimkan energi bebas ke Bumi, dan melalui rantai interaksi yang kompleks, energi tersebut didistribusikan melalui jaringan interaksi ke makhluk hidup, masing-masing mengandalkannya untuk mempertahankan kompleksitasnya dalam menghadapi gangguan yang meningkat.
Untuk mengontekstualisasikan peran kehidupan dalam kerangka termodinamika, kami mendefinisikan struktur pembangkit keteraturan ini (seperti sel) sebagai Unit Negentropi, atau UON.
Tapi tidak ada yang namanya makan siang gratis. Ketika UON melepaskan energi ini kembali ke lingkungan, mereka sebagian besar melakukannya dalam bentuk yang memiliki entropi lebih tinggi daripada yang diterima.
Paralel luar biasa antara sistem kehidupan, UON, dan evolusi alam semesta ini mungkin tampak seperti kebetulan, tetapi kami memilih untuk tidak memikirkannya seperti ini.
Sebaliknya, kami mengusulkan bahwa itu adalah prinsip pengorganisasian sentral dari evolusi kosmos dan keberadaan kehidupan. Salvador memilih untuk menyebut ini prinsip entroposentris, mengedipkan mata pada prinsip antropik, yang, dalam bentuknya yang kuat, menyatakan bahwa alam semesta disetel dengan baik untuk kehidupan.
Hal ini muncul karena hukum alam tampaknya tepat untuk kehidupan. Misalnya, jika kekuatan gaya nuklir yang mengikat jantung atom berbeda beberapa persen, bintang tidak akan mampu menghasilkan karbon dan tidak akan ada kehidupan berbasis karbon.
Masalah fine-tuning mungkin tidak separah kelihatannya. Dalam penelitian yang dilakukan Stephon bersama rekan-rekannya, ia menunjukkan bahwa alam semesta bisa cocok untuk kehidupan bahkan ketika kita membiarkan konstanta alam seperti gravitasi dan elektromagnetisme bervariasi, selama mereka bervariasi secara bersamaan.
Mungkin kita tidak membutuhkan prinsip antropik. Prinsip entroposentris, di sisi lain, lebih sulit untuk digoyahkan. Jika alam semesta tidak dapat menyediakan jalur yang memungkinkannya untuk menciptakan daerah dengan entropi yang lebih rendah, maka kehidupan seperti yang kita ketahui tidak akan ada. Ini membuat kita bertanya-tanya: apakah kita hidup di biosfer kosmik atau apakah alam semesta adalah sel kosmik?
Stephon Alexander adalah fisikawan teoretis di Brown University di Rhode Island yang menghabiskan waktunya untuk memikirkan kosmologi, teori string, dan jazz, dan bertanya-tanya apakah alam semesta adalah AI yang belajar sendiri .
Dia adalah penulis buku Fear of a Black Universe . Salvador Almagro-Moreno adalah ahli biologi molekuler di University of Central Florida yang menyelidiki sifat-sifat yang muncul dalam sistem biologis yang kompleks, dari evolusi protein hingga dinamika pandemi.
Sumber : new science
Alih bahasa gesahkita