ฟิสิกส์เพื่อบรรลุธรรมแห่ง”การกำเนิดชีวิต”

(ภาพจาก http://nautil.us/issue/34/adaptation/how-do-you-say-life-in-physics)

ชีวิตคืออะไร? 

คำถามแนวนี้ ถ้าไม่พบเจอคำตอบจากศาสนา ก็อาจเป็นหัวข้อพิศวงชวนอ่านในหนังสือไซไฟ 

หนังสือใหม่ของ Dan Brown วางแผงปีที่แล้ว ชื่อว่า Origin ก็มีเนื้อหาสอดแทรกทำนองนี้

เช่นเดียวกับงานอื่นๆของ Dan Brown เช่น The Davinci Code หรือ Angels and Demons ที่มักเขียนอิงวิทยาศาสตร์ร่วมสมัยชวนผู้อ่านติดตาม Origin ก็อิงวิทยาศาสตร์ที่เป็นข่าวใหญ่เมื่อประมาณปี 2014 เกี่ยวกับข้อความทำนองว่า การกำเนิด “ชีวิต” สามารถเป็นไปได้ตามกฏฟิสิกส์ในสาขา out-of-equilibrium driven-dissipative statistical physics ซึ่งเราจะเล่าให้ฟังกันคร่าวๆ ในบทความนี้


“ชีวิตคือฟิสิกส์” เป็นแนวคิดวิทยาศาสตร์ที่ท้าทายศาสนาคริสต์ (Creationism) เสนอโดยผู้ช่วยศาสตราจารย์ Jeremy England ชาวยิวผู้เคร่งศาสนา และนักฟิสิกส์ จากกลุ่ม Physics of Living System ณ MIT


แม้ชีววิทยากับฟิสิกส์จะเป็นสองศาสตร์ที่เหมือนจะไม่คาบเกี่ยวกัน - ศาสตร์หนึ่งศึกษาสิ่งไร้ชีวิต อีกศาสตร์ศึกษาสิ่งมีชีวิต - แต่ปัจจุบันพรมแดนกั้นระหว่างสองศาสตร์นี้ได้จางลง เมื่อนักวิทยาศาสตร์ได้พยายามนำมุมมองการคิดอย่างนักฟิสิกส์มาศึกษาความเป็นเหตุเป็นผลของระบบสิ่งมีชีวิต 


จากมุมมองของฟิสิกส์ “ชีวิต” นั้นแปลกประหลาด ช่างขัดกับกฏข้อที่ 2 ของ Thermodynamics ที่กล่าวว่า ในระบบปิด - เช่นเกร็ดหิมะในกระป๋องปิด - ความไร้ระเบียบของระบบจะเพิ่มขึ้นตามเวลา เกร็ดหิมะอันมีระเบียบสวยงามละลายกลายเป็นน้ำที่ไร้ระเบียบ แต่น้ำที่ไร้ระเบียบไม่สามารถย้อนคืนรูปแบบเป็นเกร็ดหิมะที่มีระเบียบได้ กฏข้อที่สองจำกัดความสามารถในการย้อนกลับ ( Irreversibility ) ของความประพฤติของกลุ่มอนุภาคจำนวนมหาศาล (จำนวนในระดับ 10²³) ทำให้เราสามารถแยกแยะคำว่า “อดีต” “ปัจจุบัน” และ “อนาคต” ออกจากกันได้ ในระบบปิดที่ประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก

(ภาพจาก https://www.chemistryworld.com/news/what-makes-a-snowflake-special/3008386.article)

 
ทิศทางของเวลา ชี้ไปสู่การเพิ่มความไร้ระเบียบ อย่างไรก็ตาม ทิศทางของชีวิต เหมือนจะชี้ไปสู่การเพิ่มความมีระเบียบ...จากเมล็ดพันธุ์พืช โตมาสู่ดอกไม้นานาพันธุ์ที่มีระเบียบ มีสีสันสวยงาม...
มันเป็นไปได้อย่างไรที่กฏที่อยู่เบื้องหลังคำว่า “ชีวิต” ช่างต่างจากกฏของ "สิ่งไร้ชีวิต” ขององค์ประกอบอื่นๆในจักรวาล?


ในปี 1944 Erwin Schrodinger ( หนึ่งในผู้ให้กำเนิดกลศาสตร์ควอนตัม ) พยายามอภิปรายตอบคำถามสุดฉงนนี้ ในหนังสือ What is Life? ^[1] Schrodinger ตระหนักดีว่า "สิ่งมีชีวิต”เป็นระบบ *เปิด* ต่างจากก๊าซในกระป๋องซึ่งเป็นระบบ *ปิด* นั่นคือ "สิ่งมีชีวิต” สามารถถ่ายเทพลังงานระหว่างตัวมันเองกับสภาพแวดล้อมภายนอกได้ แม้ว่า"สิ่งมีชีวิต” จะรักษาความเป็นระเบียบภายในตัวมันเองได้แต่การถ่ายเทความร้อนให้แก่สภาพแวดล้อมทำให้จักรวาลมีความไร้ระเบียบ (Entropy) เพิ่มขึ้น สอดคล้องกับกฏข้อที่สองของ Thermodynamics ไม่ควรจะประหลาดใจ


Schrodinger ยังกล่าวเพิ่มด้วยว่า กลไกที่ก่อให้เกิดทิศทางของเวลา ไม่สามารถเป็นกลไกเดียวกัน กับกลไกที่ก่อให้เกิดทิศทางของชีวิต ทิศทางของเวลาที่พูดกันใน Thermodynamics เกิดขึ้นจากความประพฤติทางสถิติขององค์ประกอบจำนวนมหาศาล - เมื่อมีองค์ประกอบย่อยจำนวนหลัก 10²³ รูปแบบการจัดเรียงองค์ประกอบส่วนมากจะไร้ระเบียบสุดๆ โอกาสเกิดรูปแบบการจัดเรียงองค์ประกอบที่มีระเบียบนั้นลู่เข้าใกล้ศูนย์ - อย่างไรก็ตาม เมื่อกล่าวถึง"ชีวิต" นักวิทยาศาสตร์มักจะเจาะจงพูดถึง Nucleotides ซึ่งคือ building block ของ RNA และ DNA ซึ่งคือ ส่วนประกอบพื้นฐานของ"สิ่งมีชีวิต” building block เหล่านี้ประกอบด้วยโมเลกุลจำนวนหลักสิบโมเลกุล เป็นระบบที่องค์ประกอบย่อยไม่ใช่จำนวนหลัก 10²³ การที่ทิศทางของเวลาชี้ไปสู่การเพิ่มของระเบียบจึงไม่ขัดแย้งกับหลัก Thermodynamics 



แม้ไม่ขัดกับหลัก Thermodynamics เมื่อพิจารณาอย่างลึกซึ้งขึ้น ก็ยังมีความประหลาดในแง่ที่ว่า genetic code นั้นถูกสืบทอดจากรุ่นสู่รุ่นได้เป็นล้านๆรุ่นโดยแทบจะไม่มีการเปลี่ยนแปลง “ชีวิต” สืบทอดข้อมูลการจัดเรียงโมเลกุลจากรุ่นสู่รุ่นได้อย่างมีระเบียบและแม่นยำได้อย่างไร ? ยีนอันเกิดจากโมเลกุลมาเรียงต่อกันอย่างเปราะบางสามารถต้านทานความเสื่อมสลายของการจัดเรียงอย่างมีระเบียบได้อย่างไร?  

 (ภาพจาก https://expreso.press/2017/05/05/identifican-genes-interrumpen-desarrollo-del-cerebro/genes-adn/)

มันต้องมีกลไลบางอย่างที่ลึกซึ้งกว่าแค่สถิติ ที่นิมิตรให้กลุ่มโมเลกุลจำนวนไม่มากนี้ สามารถ irreversibly ประกอบร่างกันได้เอง เหมือน“มีชีวิต”


กว่าห้าสิบปีถัดมา ในปี ค.ศ.1999 Gavin Crooks นักเคมีขาวอังกฤษ ได้พบเบาะแสที่จะช่วยแก้ปริศนานี้ เมื่อ Crooks อธิบาย Irreversibility ในระบบ*เปิด*ที่มีองค์ประกอบย่อยไม่มากเป็นภาษาคณิตศาสตร์ มีใจความว่า ระบบเปิดขนาดเล็กที่ถูก drive ด้วยพลังงานจากภายนอก สามารถมีการเปลี่ยนแบบ irreversible ได้ ถ้าระบบถ่ายเทพลังงานออกสู่ภายนอกในขณะที่มีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น


จินตนาการถึงการปีนกำแพงหนีโรงเรียน (ไม่ควรนะเด็กๆ) ถ้ากำแพงสูงเกินเรากระโดด อาจให้เพื่อนที่ปีนขึ้นไปได้ช่วยหย่อนไม้ดึงเราขึ้น เรารับพลังงานเพิ่มแต่ไม่เสียพลังงานสู่สภาพแวดล้อม กรณีนี้จะปีนออกหรือปีนเข้าก็ทำได้ เป็นการเปลี่ยนแปลงแบบ reversible ในอีกกรณีที่ไม่มีเพื่อนคอยช่วยแต่เรามีไอพ่นติดหลัง ในขณะที่ไอพ่นเสียพลังงานสู่สภาพแวดล้อม ตัวเรารับพลังงานจากไอพ่นทำให้กระโดดขึ้นไปเกาะบนกำแพงได้ ปีนข้ามไปได้ในรอบแรก แต่เมื่ออาจารย์จับได้ว่าเราหนี จะปีนกลับมารายงานตัว ไอพ่นหมด เราเลยติดอยู่นอกโรงเรียน เป็นการเปลี่ยนแปลงแบบ irreversible ( อาจโดนไล่ออกจากโรงเรียนแบบถาวรอีกต่างหาก )


Crooks แสดงให้เห็นว่า ระบบที่มีองค์ประกอบย่อยซึ่งรับพลังงานภายนอกเป็นช่วงๆ สามารถเปลี่ยนรูปแบบการจัดเรียงได้ -เช่นเดียวกับการปีนกำแพงโดยมีไอพ่นช่วยกระโดด- และถ้าระบบสูญเสียพลังงานระหว่างเปลี่ยนแปลงรูปแบบ การเปลี่ยนแปลงนั้นสามารถเป็นแบบ irreversible ได้ ^[2]


แม้สมการคณิตศาสตร์ของ Crooks ใช้อธิบายการเปลี่ยนแปลงของ driven-dissipative out-of-equilibrium system ซึ่งน่าจะรวมถึง “ชีวิต” ด้วย แต่ความหมายของสมการใช้ได้กับระบบเปิดใดใด กว้างมาก ไม่เฉพาะเจาะจง เมื่อต้องการพูดถึง “ชีวิต” ซึ่งมีความเจาะจงมากกว่าเป็นระบบเปิดใดใด ทำให้ยังไม่สามารถอธิบาย “ชีวิต” ได้อย่างน่าเชื่อถือ


England พยายามอุดช่องโหว่ระหว่างระบบเปิดใดใด กับ ระบบเปิดที่น่าจะ “มีชีวิต” ถ้าเราพิจารณาระบบเปิดที่มีการจัดเรียงองค์ประกอบย่อยที่บางรูปแบบสามารถดูดและคายพลังงานจากภายนอกได้ดีกว่ารูปแบบอื่น รูปแบบเหล่านี้มีโอกาสเปลี่ยนอย่าง irreversible ได้บ่อยกว่ารูปแบบอื่น แล้วถ้ารูปแบบเหล่านี้สามารถเปลี่ยนอย่าง irreversible ได้เก่งขึ้นเรื่อยๆล่ะ? จะเกิด series ของการเปลี่ยนอย่าง irreversible จากซุปโมเลกุลสู่สารประกอบที่มีรูปแบบและมีระเบียบ คล้ายกับ “มีชีวิต"


แนวคิด series of irreversible changes นี้ไม่ใช่แนวคิดใหม่จากมุมมอง self-assembly หรือ protein folding หรือ synthetic biology แต่ England เขียนในบริบทของการขยายความ กฏข้อที่สองของ Thermodynamics โดยได้รวมถึงเส้นทางการคายพลังงานของระบบเปิดระหว่างเกิดการเปลี่ยนแปลงด้วย เมื่อเขียนในความหมายที่เปิดกว้างแต่เจาะจงกว่า Crooks ทำให้ทราบว่า เส้นทางการดูดและคายพลังงานบางเส้นทาง ทำให้เกิดระเบียบและโครงสร้างในระบบเปิดได้ แม้ entropy ของระบบจะเพิ่มขึ้น! 


นี่คือการขยายความ Thermodynamics ให้ไม่ขัดกฏข้อสอง ซึ่งกล่าวถึงทิศทางของเวลากับการเพิ่มของความไร้ระเบียบ ทิศทางของเวลาไม่จำเป็นต้องชี้ไปในทิศทางไร้ระเบียบอย่างที่นักฟิสิกส์เคยเข้าใจ ถ้าระบบเปิดอยู่ไกลสมดุลย์ความร้อนจากการถูก drive และ dissipate พลังงานสู่สภาพแวดล้อม! 
ในความหมายของ England “ชีวิต” คือ self-organization ของรูปแบบการจัดเรียงที่ well-adapted กับ สภาวะแวดล้อม หรือสรุปสั้นๆว่าคือ “dissipative adaptation” ^[3] 


อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้ได้รับการโต้แย้งจากนักชีววิทยาและนักเคมี ว่าเพิกเฉยต่อความรู้การสร้างโมเลกุลทางเคมีชีวภาพ ทฤษฎีนี้ไม่ได้กล่าวถึงการเกิด DNA ที่สังเกตเห็นกันในห้องแลบ แต่อย่างน้อยก็ทำให้ทราบว่า จากซุปของโมเลกุลที่ผสมกันอย่างไร้ระเบียบ สามารถเกิดรูปแบบการจัดเรียงโมเลกุลที่จำเพาะและมีระเบียบจากการถ่ายเทความร้อนเข้าออกจากระบบ และสามารถสืบทอดรูปแบบนั้นจากรุ่นสู่รุ่นแบบ Irreversible ได้ เป็นกฏของธรรมชาติ ไม่ใช่เวทย์มนต์
ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์พยายามออกแบบองค์ประกอบของซุป เพื่อสร้างการจัดเรียงองค์ประกอบในรูปแบบจำเพาะมีระเบียบ เพียงแค่ "คนกับต้ม” ซุปที่มีส่วนผสมที่ถูกต้องเหมาะสม ^[6]

(ภาพจาก https://www.nature.com/articles/ncomms7203.pdf)

แม้ England จะตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับ origin of life ในขณะเดียวกันเขาก็เป็น orthodox jew ที่เคร่งศาสนา ติดตามรายละเอียดงานที่กล่าวถึงเชิงลึกได้ที่ ^[3] สำหรับงานวิจัยของ England ที่ต่อยอดจาก ^[3] สามารถติดตามได้ที่ ^[4] และจากใน technical talk ^[5]

 

เรียบเรียงโดย

ดร.ธิปรัชต์ โชติบุตร
นักวิจัยหลังปริญญาเอก Singapore University of Technology and Design

• [1] Schrödinger, E. What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell. Cambridge University Press (1944)
• [2] Crooks, G. Entropy production fluctuation theorem and the nonequilibrium work relation for free energy differences, Physical Review E (1999)
• [3] England, J.L. Dissipative adaptation in driven self-assembly. Nature Nanotechnology (2015)
• [4] https://www.englandlab.com
• [5] No Turning Back: The Nonequilibrium Statistical Thermodynamics of becoming (and remaining) Life-Like https://www.youtube.com/watch?v=10cVVHKCRWw
• [6] ตัวอย่างงาน "คนกับต้ม” ซุปให้เกิดการประกอบรวมร่าง http://www.physics.nyu.edu/~pc86/publications.html
• [7] http://nautil.us/issue/34/adaptation/how-do-you-say-life-in-physics