A është jeta një gjendje e lëndës?

Shkencat e natyrës e ndajnë natyrën në disiplinat e fizikës, kimisë dhe biologjisë. Kjo është një ndarje pragmatike që mundëson studimin më efektiv shkencor të karakterit hierarkik dhe të larmishëm të natyrës. Por, me përparimin e njohurive, këta ishuj të veçantë studimi duhet përfundimisht të bashkohen, dhe në të vërtetë, në fizikë dhe kimi, ky bashkim tashmë ka ndodhur. Në fund të fundit, natyra ishte, dhe mbetet, një e tërë e unifikuar.

Statusi i biologjisë, megjithatë, mbetet në një pozitë shkencërisht të vështirë. Edhe pse çështja shpesh margjinalizohet, një humnerë e thellë konceptuale vijon t’i ndajë shkencat fizike nga ato biologjike. Shkencëtarët e natyrës pajtohen pothuajse gjithmonë se qeniet biologjike janë, thënë thjesht, të përbëra vetëm nga materie fizike dhe kimike. Vitalizmi, pikëpamja sipas së cilës organizmat e gjallë udhëhiqen nga një "forcë vitale," u mund kryesisht në kalimin e shekullit XX. Siç e ka thënë Ernst Mayr, biologu evolucionist i Harvardit, disa vite më parë, "asnjë biolog i gjallë sot nuk do të dëshironte të klasifikohej si vitalist."

E megjithatë, ndarja e habitshme mes së gjallës dhe asaj që është e pajetë është e dukshme edhe për një fëmijë; një qen lodër dhe një i gjallë sillen shumë ndryshe. Cila është baza fizike e "gjalljes", ajo cilësi e paprekshme që disi buron nga rrjeti i ndërlikuar i proceseve fizike dhe kimike të jetës? Dhe çfarë ndodh kur vdekja zëvendëson jetën — kur kimia e veçantë që qëndron pas "gjalljes" zhduket papritmas dhe kimia "e zakonshme" merr përsipër? Si mund të kuptohen këto ndryshime kimike?

Fizika dhe kimia vazhdojnë të përpiqen ta kapërcejnë këtë hendek konceptual. Dhe biologët, duke u gjetur të braktisur nga kolegët e tyre të fizikës, kanë marrë të vetmen rrugë që dukej e hapur për ta: t'i qëndrojnë besnikë një qasjeje biologjike. Një qasje e "autonomisë së biologjisë," e zhvilluar kryesisht nga Ernst Mayr, u vendos si standard, një qasje që tentonte të anashkalonte kontradiktat e brendshme të pikëpamjes fizike të jetës.

Por një situatë e tillë është qartazi nuk të kënaq. Këtu kemi dy shkenca të mëdha: fizikën dhe biologjinë, secila e mbështetur në realitetin material, të lidhura pashmangshmërisht me njëra-tjetrën, e megjithatë thelbësisht të papajtueshme. I vjen ndër mend njeriut çifti i çuditshëm i bashkëbanorëve në pjesën "The Odd Couple" të Neil Simon-it, të cilët nuk mund të ndahen, por as të jetojnë së bashku. Dhe tensionet mes disiplinave (bashkë me shkencëtarët përkatës) shkojnë përtej thënies së famshme përçmuese të Lordit Rutherford se në shkencë "ka fizikë dhe koleksionim pullash," ku biologjia me arrogancë relegohet në kategorinë e dytë.

Ka, sigurisht, shumë pika pajtimi mes dy shkencave. Edhe çiftet që grinden, pajtohen për disa gjëra. Të dyja shkencat pranojnë se bota materiale, si e gjalla ashtu edhe e pajeta, përbëhet nga të njëjtat blloqe themelore ndërtuese atomike. Të dyja shkencat pranojnë se atomet mund të bashkohen në mënyra të shumta për të formuar një gamë pothuajse të pafundme molekulash të mundshme. Dhe të dyja shkencat pajtohen se molekulat mund të vetë-mblidhen për të krijuar "materie." Por nga kjo pikë, dallime dramatike bëhen të dukshme.

Merrni parasysh vetë-organizimin, një fenomen i zakonshëm si në botën fizike, ashtu edhe në atë biologjike. Materia fizike zakonisht mblidhet në forma të pajeta, si kristalet apo shkëmbinjtë amorfë. Por në rrethana unike, ajo mund të vetë-mblidhet gjithashtu në forma të gjalla, si bakteret, zogjtë dhe bletët.

Dallimi mes këtyre dy llojeve të vetë-organizimit është vërtet i jashtëzakonshëm. Në botën e pajetë, kur një tretësirë, të themi, e kripës së zakonshme (klorur natriumi) bëhet e ngopur, në momentin që formohet një mikrokristal, i padukshëm me sy të lirë, ai mikrokristal tërheq më shumë jone natriumi dhe klori nga tretësira, dhe mikrokristali rritet. Çdo jon vendoset në vend sipas ligjeve fizike, veçanërisht Ligjit të Dytë të Termodinamikës, duke çuar në formimin e një rrjete kristalore tredimensionale shumë të rregullt. Formimi i kristalit është gjithashtu në përputhje me Ligjin e Dytë. Procesi çliron energji termike (që gjeneron entropi), duke tejkaluar kështu drejtimin konkurrues të Ligjit të Dytë drejt çrregullimit më të madh.

Një flok bore është një shembull tjetër i kësaj lloj vetë-mbledhjeje. Një imazh i zmadhuar i flokut të borës zbulon struktura të hollësishme me simetri të jashtëzakonshme. Struktura të tilla tregojnë se natyra mund të drejtojë procese me saktësi të jashtëzakonshme.

Por pastaj kemi vetë-organizimin biologjik, siç reflektohet, për shembull, në procesin e quajtur ontogjeni. Këtu, një vezë e fekonduar, me madhësi të ngjashme me mikrokristalin në eksperimentin e kristalizimit, rritet me kalimin e kohës. Ajo tërheq material nga mjedisi, ashtu si ai mikrokristal, por në këtë rast, ajo rritet në një embrion dhe përfundimisht në një të rritur, qoftë njeri, bretkocë apo flutur. Ky transformim është qartazi i drejtuar, ashtu si formimi i flokut të borës është i drejtuar. Por këtu, vetë-mbledhja ndodh në një mënyrë befasuese, pothuajse të pabesueshme.

Ai grumbull i vockël njëqelizor, përmes vetë-mbledhjes së vazhdueshme, përfundimisht bëhet miliarda qeliza të diferencuara që përbëjnë organet e organizmit të veçantë që përfaqëson — zemra, veshkat, sytë, veshët, kockat dhe gjymtyrët. Dhe në varësi të strukturave të hollësishme molekulare të disa molekulave brenda asaj strukture parësore qelizore, rezultati përfundimtar morfologjik i këtij procesi vetë-mbledhjeje është kryesisht i paracaktuar dhe mund të ndryshojë dramatikisht, duke rezultuar në shfaqjen e një njeriu, bretkoce apo fluture.

Kemi dy shkenca të mëdha: fizikën dhe biologjinë; të lidhura pashmangshmërisht me njëra-tjetrën, e megjithatë thelbësisht të papajtueshme.

Në terma të përgjithshëm, pra, kemi para nesh dy lloje vetë-mbledhjeje. Në të dyja rastet, fillimet mund të gjenden në një grumbull mikroskopik, por vetë-mbledhja që pason është e dallueshme qartë. Ato ndryshojnë në formë, fizikë, cilësi fenomenologjike dhe larmi. Më e rëndësishmja, njëri grumbull është i gjallë; tjetri jo.

Çfarë e bën vetë-mbledhjen të ndjekë rrugë kaq të dallueshme materiale? Përsëri, shkenca aktualisht nuk ofron përgjigje të qartë. Kur vjen puna te vetë-mbledhja biologjike, mbetemi ende në terr. Atë që natyra e bën rregullisht, qëllimisht, dhe me saktësi të jashtëzakonshme, ne nuk mund ta imitojmë as fillimisht. Nuk kemi asnjë ide se si të marrim një përzierje të atyre që konsiderohen blloqe ndërtuese të njohura të jetës — proteina, acide nukleike, sheqerna, lipide, disa jone metalike, e të tjera, të marra në ndonjë mënyrë, për shembull, duke i nxjerrë nga qeliza të vdekura — dhe t'i bëjmë ato të rimblidhen në mënyrën biologjike për të ndërtuar një qenie të gjallë. Në fakt, vetë-mbledhja e këtyre biomolekulave mund të nxitet, por nuk do të jetë vetë-mbledhje biologjike, siç vërehet gjatë ontogjenisë. Përkundrazi, do të jetë vetë-mbledhje e zakonshme fizike, siç vërehet për formimin e akullit apo kripës. Kjo do të çojë në formimin e grumbujve "të vdekur" jo-homogjenë të materies, dhe jo në vetë-mbledhjen e saktë biologjike që rezulton në një qenie të gjallë.

Lloji i veçantë i vetë-mbledhjes që çon në një organizëm të gjallë ndodh vetëm kur fillon me agregatin  fillestar të përshtatshëm të gjallë — një vezë të fekonduar — dhe vazhdon ta furnizosh atë me materiale të papërshtatshme, ndërkohë që vijon të garantojë kushte të përshtatshme që sigurojnë se qenia e gjallë mbetet e gjallë.

Si është e mundur që natyra të vetë-organizojë blloqet ndërtuese të jetës në atë mënyrë unike, shenjë dalluese e të gjitha qenieve të gjalla, ndërsa ne shkencëtarët, me gjithë njohuritë tona shkencore mbi materien dhe proceset materiale, nuk arrijmë ta bëjmë këtë? Kemi pasiguri edhe për atë se nga t’ia nisim. Arsyeja për këtë vështirësi është mjaft e qartë — nuk e kuptojmë procesin. Dhe arsyeja qendrore pse nuk e kuptojmë procesin është se na mungon një teori fizike e jetës.

Por misteri i jetës nuk mbaron këtu. Kur ndodh vetë-mbledhja në qeniet e gjalla, ajo rezulton në veti që minojnë parimet më themelore të epistemologjisë fizike, para së gjithash, agjencinë (aftësinë për të vepruar).

Që do të thotë se të gjitha qeniet e gjalla duken me një qëllim të caktuar, të afta të veprojnë në emër të tyre, dhe e bëjnë këtë përmes organizimit të tyre të brendshëm. Mendojeni këtë — organizim që çon në materie me një axhendë të nënkuptuar. Si është e mundur kjo? Kristalet e akullit apo kripës, të formuara nga vetë-mbledhja fizike, sigurisht nuk tregojnë asnjë shenjë organizimi të qëllimshëm. Ato struktura vendosen në mënyrë që të minimizojnë energjinë e kristalit, ashtu si topat që rrokullisen poshtë kërkojnë pikën më të ulët të energjisë potenciale.

E megjithatë, edhe qenia më e thjeshtë e gjallë, një qelizë bakteriale, nuk është një strukturë që kërkon të ulë energjinë e saj. Në fakt, e kundërta është e vërtetë. Qeliza është aktualisht në një gjendje të energjizuar, duke shfrytëzuar vazhdimisht një burim të jashtëm energjie për të ruajtur organizimin e saj të qëllimshëm, të vetëdijshëm. Qeliza biologjike është në thelb makina më e sofistikuar dhe e ndërlikuar kopjuese në botë. Në një qelizë, gjejmë një entitet fizik të përbërë nga disa milionë molekula dhe grumbuj molekularë funksionalë që riprodhon veten me besnikëri, me korrigjim të integruar për të korrigjuar gabimet e rastësishme të kopjimit. I gjithë ai organizim ka një qëllim të qartë, të identifikueshëm. Siç e ka thënë biologu i njohur francez François Jacob, "Ëndrra e çdo qelize është të bëhet dy qeliza."

Sjellja e jashtëzakonshme materiale e qenieve të gjalla mund të shihet gjithashtu nga perspektiva e gjendjeve ekzistuese të materies. Hapni çdo libër fizike apo kimie, dhe do t'ju tregojë se ka tri gjendje të materies: e ngurtë, e lëngshme dhe e gaztë (përveç dy gjendjeve ekzotike që vërehen në temperatura shumë të larta apo shumë të ulëta).

Qeniet e gjalla, megjithatë, janë padyshim materiale, e megjithatë nuk konsiderohen si shembull i një gjendjeje materiale, edhe pse janë kudo rreth nesh. Si mund të jetë e mundur që një formë materiale që ka mbizotëruar planetin tonë të mos ketë karakterizim fizik apo kimik të përcaktueshëm? Në fakt, fizikantët kryesorë të shekullit XX — mes tyre Niels Bohr, Erwin Schrödinger dhe Eugene Wigner — ishin thellësisht të hutuar nga kjo çështje dhe arritën në përfundimin se gjasat janë se ka ligje të fizikës ende të pazbuluara për të shpjeguar karakteristikat jo-materiale të jetës.

"Ëndrra e çdo qelize është të bëhet dy qeliza."

Në fund të viteve 1970, kimisti fizikan belg Ilya Prigogine dha një kontribut të rëndësishëm në këtë fushë duke zgjeruar parimet termodinamike te sistemet jashtë ekuilibrit. Ai tregoi se sistemet në gjendje jashtë-ekuilibri mund të vetë-organizohen dhe të ruajnë struktura larg ekuilibrit, pavarësisht prirjes natyrore termodinamike drejt ekuilibrit. Shembuj që i kemi parë përditë përfshijnë vorbullat, uraganet dhe të ashtuquajturat qeliza Bénard. Vorbullat, uraganet dhe qelizat Bénard mund të ekzistojnë vetëm me një burim energjie që i mban. Qelizat Bénard zakonisht mund të gjenerohen në një shtresë lëngu që nxehet nga poshtë. Duke bërë këtë, rezulton një model i habitshëm i qelizave konvektive gjashtëkëndore që mund të ruhet për sa kohë vazhdon furnizimi me nxehtësi. Të gjitha strukturat e tilla jashtë-ekuilibrit quhen struktura disipative, pasi ato vazhdimisht shpërndajnë energji për t'u ruajtur.

E megjithatë, vetëm këto ide nuk mundën ta zgjidhnin dilemën e jetës. Ndërkohë që idetë e reja të Prigogine-s mbi termodinamikën jashtë-ekuilibrit ngushtuan hendekun konceptual që ndan të gjallën nga e pajeta, ato nuk çuan në përparimin e kërkuar prej kohësh. Hendeku konceptual që ndan sistemet e gjalla nga ato të pajeta mbeti i pazgjidhur.

Por duke iu kthyer diskutimit tonë për gjendjet e materies, nuk ka arsye pse të mos klasifikojmë jetën si një lloj gjendjeje "të katërt" të materies, krahas tri gjendjeve tradicionale. (Ky klasifikim nuk është plotësisht i thjeshtë, pasi tri gjendjet konvencionale të materies — e ngurtë, e lëngshme dhe e gaztë — janë gjendje termodinamike. Gjendja e gjallë, duke qenë e hapur, që do të thotë se ndodh shkëmbim material dhe energjik me mjedisin, formalisht nuk është një gjendje termodinamike. Por për qëllimin e analizës sonë, karakterizimi i saj si gjendje materiale është i dobishëm.)

Tri gjendjet tradicionale të materies tani kuptohen mirë, edhe pse kanë veti dallueshëm ndryshe. Uji në gjendjen e tij të lëngshme është mjaft ndryshe nga uji në formën e tij të ngurtë, akulli, dhe shumë ndryshe përsëri nga uji në gjendjen e tij të gaztë, avulli. Në fakt, uji në gjendje gazi është i padukshëm. Është e vështirë të jenë më ndryshe se kaq.

Por ajo që është më e rëndësishme është se këto tri gjendje të ndryshme të materies, pavarësisht dallimeve, kuptohen mirë falë teorisë kinetike të materies, e formuluar në mesin e shekullit XX.

Teoria bazohej në idenë se materia përbëhet nga grimca në lëvizje të vazhdueshme, dhe se energjia kinetike e grimcave varet nga temperatura e mostrës materiale. Për shkak të forcave tërheqëse mes grimcave individuale, gjendja e vëzhguar e materies varet drejtpërdrejt nga niveli i energjisë kinetike. Në temperatura të ulëta, kur energjia është e ulët, forcat tërheqëse mes grimcave dominojnë, dhe materiali ekziston si i ngurtë. Në temperatura të ndërmjetme, kur grimcat janë më energjike, forcat tërheqëse nuk mund t'i mbajnë ato të kyçura në një konfigurim të vetëm statik. Por ato forca i mbajnë grimcat në afërsi të ngushtë, duke rezultuar në formimin e gjendjes së lëngshme. Në temperatura edhe më të larta, grimcat kanë energji kinetike të lartë, duke u mundësuar atyre të ndahen nga njëra-tjetra dhe të hyjnë në një gjendje të gaztë.

Kështu, falë teorisë kinetike të materies, kuptojmë vetitë e secilës prej tri gjendjeve, marrëdhënien e tyre me njëra-tjetrën, dhe, më e rëndësishmja, bazuar në atë teori kinetike, dimë si të kthejmë secilën gjendje në një tjetër përmes atyre që quhen tranzicione fazore. Në të vërtetë, ajo aftësi për të ndryshuar sipas dëshirës mes tri gjendjeve është shprehja e drejtpërdrejtë e kuptimit tonë.

Pra, ku përshtatet gjendja e gjallë në këtë skemë? Epo, siç u diskutua më parë, ajo nuk përshtatet. Sigurisht, sipërfaqësisht, gjendja e gjallë i ngjan gjendjes së grumbullimit të ngurtë/lëngshëm. Por si të kthejmë njëra-tjetrën gjendjen e gjallë dhe atë të pajetë — ajo shprehje e drejtpërdrejtë e kuptimit material — mbetet e paarritshme. Është, sigurisht, shumë e lehtë të shndërrosh materien e gjallë në "materie të vdekur." Por si ta bindësh gjendjen e pajetë të kthehet përsëri në atë të gjallë pa ndihmën e Dr. Frankenstein-it? Ende nuk kemi asnjë ide.

Thjesht të kesh blloqet materiale ndërtuese të jetës nuk mjafton për të zgjidhur misterin. Nëse mendojmë për gjendjen e gjallë si një gjendje të katërt të materies, nuk dimë si të nxisim një tranzicion fazor drejt asaj gjendjeje të katërt. E çuditshme, fizika, shkenca e materies dhe energjisë, duket se ka hequr dorë nga përgjigja e asaj pyetjeje qendrore, e cila rri në zemër të vetë biologjisë. Si mund të riformulohen fizika dhe biologjia për t'u bashkuar në mënyrën e duhur?

Suksesi në këtë çështje do të ishte një hap i parë i rëndësishëm drejt mundësimit që fizika dhe biologjia, ai çift i çuditshëm, të lidhen plotësisht, siç themelisht duhet.

Si mund të jetë e mundur që një formë materiale që ka mbizotëruar planetin tonë të mos ketë karakterizim fizik apo kimik të përcaktueshëm?

Por ja lajmi i mirë: Përparimet e fundit në teorinë kimike tani tregojnë një mënyrë për të zgjidhur dilemën. Misteri i jetës nuk qëndron në ndonjë përbërës të veçantë të fshehur brenda materies së gjallë, por në faktin se të gjitha qeniet e gjalla shembullojnë një gjendje materiale të panjohur më parë, një gjendje dinamike kinetike mjaft e dallueshme nga tri gjendjet tradicionale termodinamike.

Ashtu si teoria kinetike transformoi kuptimin tonë për të ngurtat, lëngjet dhe gazet duke zbuluar se si vetitë e tyre dalluese lindin nga sjellja kolektive e grimcave përbërëse, përparimet e fundit në teorinë dhe praktikën kimike sugjerojnë se jeta është materie në një gjendje dinamike, një gjendje në të cilën përbërësit molekularë të jetës vazhdimisht rinovohen, njësoj si pikat e ujit në një shatërvan uji. Kjo do të thotë se shumë pjesë tuat, që tani po e lexon këtë artikull — copëzat molekulare dhe qelizore — vazhdimisht po rinovohen dhe zëvendësohen nga copëza të tjera ekuivalente molekulare dhe qelizore. (Metaforikisht, mund ta mendoni veten si një shatërvan kimik!)

Gjendjet termodinamike, sigurisht, nuk sillen kështu. Përbërësit molekularë të një shkëmbi, për shembull, mbeten përgjithësisht të pandryshuar për sa kohë që shkëmbi vijon të ekzistojë fizikisht.

Jeta nuk përcaktohet vetëm nga çfarë përbëhen qeniet e gjalla, por nga dinamika dalluese përmes së cilës materia organizohet dhe bëhet e aftë të shprehë vetitë e saj të jashtëzakonshme. Në këtë aspekt, karakteri i jetës si shatërvan mund të ofrojë më në fund lidhjen që mungonte mes fizikës dhe biologjisë — një mënyrë për t'iu përgjigjur më mirë asaj pyetjeje më themelore se çfarë është jeta.

*Addy Pross është profesor emeritus i kimisë në Universitetin Ben-Gurion të Negevit, në Beer Sheva. Hulumtimet e tij përqendrohen te çështja e origjinës së jetës dhe te natyra e ndërfaqes midis kimisë dhe biologjisë. Ai është autori i librit "Life’s Chemical Secret" (Sekreti Kimik i Jetës), nga i cili është përshtatur ky artikull.

/The Mit Press Reader/

Shënim: Artikulli është përkthuer me Claude AI, versioni i hapur dhe redaktuar prej ResPublica. Cilësia e përkthimit ilustron hyrjen në një kohë të re që e zhvlerëson disi sjelljen e materialeve të tilla nga mediat, megjithatë, edhe përsëritja ka vlerën e vet.