مقاله

تاریخ انتشار:

1397/02/03

زیست‌شناسی چه نسبتی با علوم فیزیک و شیمی دارد؟

ولاتکو ودرال

ماده‌ی بی‌جان به خودی خود هدفی را دنبال نمی‌کند، در حالی که زندگی پیوسته در تکاپو است. این ویژگی «زندگی» را به موضوعی پیچیده برای علوم فیزیک و شیمی تبدیل می‌کند. آیا موجود زنده، به عنوان موضوع تحقیق زیست‌شناسی، می‌تواند تابع قوانین طبیعی در علوم فیزیک و شیمی باشد؟

مرزهای بین علوم در حال فروپاشی است. طبیعت از این مرزبندی و خط‌کشی دقیق بین علوم پیروی نمی‌کند؛ و هرچه بر عمق دانش ما افزوده می‌شود، بیشتر متوجه می‌شویم که این شاخه‌های متمایز سنتی علوم چه اشتراکاتی با هم دارند. سایر شاخه‌ها هم موارد اندکی هستند که در برابر این جریان مقاومت می‌کنند. دانش فیزیک به ویژگی‌های ماده و انرژی و برهم‌کنشِ آن‌ها می‌پردازد. علم شیمی این پرسش را طرح می‌کند که چگونه اتم‌ها با هم پیوند می‌خورند و ترکیبات پیچیده‌ی مولکولی را ایجاد می‌کنند و این فرآیند در موادِ پدیدآمده چه تأثیری دارد. وجه اشتراک این دو علم آن است که موضوع تحقیقات‌شان موجودات غیرزنده است.

از سوی دیگر، زیست‌شناسی موجودات زنده را بررسی می‌کند. و در این‌جا به مانع اصلی در مد نظر گرفتن همه‌ی علوم طبیعی به عنوان یک کلیتِ منسجم بر می‌خوریم. به نظر می‌رسد که موجودات بی‌جان، بدون هیچ استثنا و مو به مو، از قوانین طبیعت پیروی می‌کنند. در تضاد با این‌ها، چنین مشاهده می‌شود که موجودات زنده خواست خودشان را دنبال می‌کنند. بهترین راه برای فهم (و شاید حتی تعریف) موجودات زنده استفاده از واژه‌ی «هدفدار» است. آن‌ها می‌کوشند کارهایی کنند، و از آن‌جایی که نمی‌توانند از قوانین طبیعت تخطی کنند، یقیناً طوری این قوانین را به کار می‌بندند که اهداف‌شان را محقق کنند. این قاعده در خصوص موجودات بی‌جان صادق نیست.

این چیز خیلی عجیبی نیست که پیوندهای موجود بین فیزیک و شیمی باید بسیار استوارتر از پیوند هر یک از این‌ها با زیست‌شناسی باشد. تعداد بسیار اندکی از دانشمندان منکر قدرت قوانین فیزیک کوانتومی (دقیق‌ترین قوانین بنادین طبیعت در حال حاضر) در تبیین قوانین علم شیمی هستند. بله، شاید دشوار باشد که بخواهیم تمام جزئیات ظریف و حساس یک واکنش پیچیده‌ی معین را تنها با بهره‌گیری از قوانین فیزیکی محاسبه کنیم، اما بیشتر دانشمندان معتقدند که شیمی هنوز در قالب کلی از نظریه‌ی کوانتومی پیروی می‌کند. به نظر می‌رسد که زیست‌شناسی امر متفاوتی باشد؛ اما شکی نیست که آن بخش‌های زیست‌شناسی که ظاهراً از شیمی برگرفته شده‌اند به شکل ساده‌تری در فیزیک کوانتومی هم قابل تبیین هستند.

برای مثال، «نظریه‌ی تکامل» را در نظر بگیرید. بیایید کار را با تصور کردن تعدادی موجود زنده‌ی نخستین آغاز کنیم که قادر به تولید مثل هستند. فرزندان این موجودات یک مجموعه جهش ژنتیکی خواهند داشت، و برخی از ویژگی‌های محیطی باعث می‌شوند که بعضی از این جهش‌ها مطلوب‌تر از بقیه باشند. در مجموع، این شرایط موجب می‌شوند که انتظار داشته باشیم موجودات پیچیده‌تری پدید بیایند (اگرچه همچنان، به احتمال زیاد، همان انواعِ ساده‌تر غالب هستند). بی‌شک، نظریه‌ی داروین بهترین توضیح در خصوص پیچیدگی‌های حیات است که در جهان اطراف‌مان شاهدش هستیم. می‌دانیم که انواع به واسطه‌ی جهش‌های ژنتیکی تغییر می‌کنند، و این انواعِ جدید جانِ سالم به در می‌برند چرا که در مقایسه با رقبایشان با محیط سازگارتر هستند. اما آیا «قانونِ» بقای سازگارترین موجودات هم، مثل شیمی، از قوانین بنیادین فیزیک کوانتومی پیروی می‌کند؟

این سرنخ‌ها الهام‌بخش ظهور رشته‌ی جدیدی به نام «زیست‌شناسی کوانتومی» شده‌اند که همان قدر برای دانشمندان جالب و جذاب است که برای عموم مردم نیز هست.

اجازه بدهید قبل از این که به این پرسش بپردازم، یک چیز را روشن کنم. سؤالم فقط این نیست که: آیا این موجودات زنده می‌توانند از عجیب‌ترین جنبه‌های علم فیزیک کوانتومی بهره ببرند تا بخت بقایشان را بیشتر کنند؟ پاسخ ساده به این پرسش این است: بله، ظاهراً چنین می‌کنند. حتی عجیب‌ترین و جالب‌ترین تأثیرات کوانتومی، درهم‌پیچیدگی کوانتومی، توسط گیاهان در فرآیند فوتوسنتز به کار گرفته می‌شود تا نور از طریق کارآترین مجاری به قسمت تولید انرژی در گیاه منتقل شود. به شکل مشابهی، گمان می‌رود برخی از پرندگان هم از تأثیرات شگفت کوانتومی بهره می‌برند تا در طول زمان مهاجرت‌شان میدان‌های مغناطیسی روی زمین را تشخیص دهند. فایده‌ای که کوانتوم برای این موجودات زنده به منظور افزایش بهره‌وری دارد در این است که به آن‌ها اجازه می‌دهد به شکل همزمان چند کار را انجام دهند، چیزی که دانشمندان علوم رایانه‌ای آن را «پردازش موازیِ اطلاعات» می‌خوانند. تعداد اندکی از مردم انتظار داشتند که مجموعه قوانین فیزیک کوانتومی بتواند در مقیاس میکروسکوپی، فضاهایِ گرم و مرطوب، و محیط‌های پر سروصدا مثل محیط زیست گیاهان و پرندگان درست کار کنند. شگفت و جالب آن که، این سرنخ‌ها الهام‌بخش ظهور رشته‌ی جدیدی به نام «زیست‌شناسی کوانتومی» شده‌اند که همان قدر برای دانشمندان جالب و جذاب است که برای عموم مردم نیز هست.

اما این موضوع به معنی تبدیل کردن و تقلیل دادن زیست‌شناسی به علم فیزیک نیست. قوانین مکانیک کلاسیک و جاذبه در حیات به کار می‌روند، و این به آن معنی نیست که تکامل حیات در پرتو مکانیک کلاسیک و قانون جاذبه قابل توضیح است. حیات می‌تواند همچنان با تمامی قوانین فیزیک سازگار باشد، و ما همچنان به قوانینی علاوه بر فیزیک احتیاج داشته باشم تا قادر به تبیین آن باشیم. در واقع، اغلب زیست‌شناسان هم بر این عقیده‌اند که حیات در سازگاری با قوانین فیزیک است، به این معنی که حیات باید از تمامی این قوانین پیروی کند. اگر هم که تابع فیزیک نباشد، همچنان تحت تأثیر آن است: به قدر کافی واضح است که محیط پیرامون از طریق فیزیک بر موجودات زنده اثرگذاری می‌کند.

اگرچه ما داریم در خصوص مناسبات دو حوزه‌ی مختلف (جان‌دار و بی‌جان) تأمل می‌کنیم، همچنان با حفظ تمایزات‌شان در مورد هر کدام پژوهش می‌کنیم. چیزی که می‌خواهیم بدانیم این است که: آیا این تمایز همچنان باقی خواهد ماند یا نه؟ پرسش این است که: آیا تکامل، یکی از ارکان نظریه‌ی زیست‌شناختی، تماماً پیامدِ فیزیک است یا نه؟ و به طور خاص، آیا تکامل محصولِ فیزیک کوانتومِ (مبین هر آن‌چه که ما از اتم‌ها و مولکول‌ها می‌دانیم) است؟

در نگاه نخست، چنین به نظر نمی‌رسد. پدر بزرگ علم فیزیک کوانتومی، دانشمند دانمارکی به نام نیلز بور، در یک سخنرانی معروف در سال 1932 با عنوان «نور و حیات» حتی از این فراتر رفت. او بحث را چنین مطرح کرد که، حتی به طور کلی هم، برای درک حیات نمی‌توانیم آن را در موجودات زنده (محیط‌های درون‌تنی) بررسی کنیم. به بیان خودش، «وجود حیات باید به عنوان حقیقتی مقدماتی در نظر گرفته شود که قابل توضیح نیست.» با این حال، درست همان طور که «ذره‌ی ثابت» مد نظر پلانک (که بنا به نظر بور، «از منظر فیزیک مکانیک کلاسیک یک عنصر نامعقول به نظر می‌رسد») بنیادِ تقلیل‌ناپذیر نظریه‌ی اتمی را شکل می‌دهد، حیات را نیز باید به عنوان یک مبدأ غیر قابل توضیح در زیست‌شناسی مد نظر گرفت.

عقیده‌ی بور خیلی بدبینانه است. سایر دانشمندان امید بیشتری برای یکی کردن حوزه‌های متنوع علمی داشته‌اند. آن‌ها با خوش‌بینی به این نتیجه رسیده‌اند که موضوع را می‌شود از زاویه‌ای دیگر بررسی کرد. فیزیک کوانتومی از هدفمند نبودن ذرات کمک می‌گیرد تا وضع رخدادهای مربوط به اتم‌ها و مولکول‌ها در مقیاس میکروسکوپی را توضیح دهد. شاید ما بتوانیم پیوندی بین این شیوه با نظریه‌ی جهش تصادفی ژن‌ها در زیست‌شناسی پیدا کنیم – هرچند که شاید «تصادف زیست‌شناختی» از «تصادف کوانتومی» بسیار متفاوت باشد. یکی از تمایزات واضح این است که اصل تکاملیِ «انتخاب طبیعی» هیچ معادلی در فیزیک ندارد: حالات گوناگون موجود بی‌جان بر اساس هیچ معیاری انتخاب نشده‌اند که حالت سازگازتر و مناسب‌تری را ایجاد کنند.

یا شاید هم انتخاب شده‌اند؟ لودویگ بولتسمان، فیزیکدان اتریشی، برای اولین بار توانست از منظر میکروسکوپی حالات مختلف تعادل یک موجود بی‌جان را (حالاتی را که در گذر زمان یکسان هستند) دریابد. در دهه‌ی 1870، بولتسمان توانست قانون دوم ترمودینامیک را تبیین کند که بر طبق آن بی‌نظمیِ یک سیستم تک‌افتاده همواره رو به افزایش است. بر طبق منطق او، آن حالت میکروسکوپی که یک جسم به خودش می‌گیرد، خیلی ساده همانی است که بیشترِ اجزای میکروسکوپی دارند. تصور کنید که قرار است که یک جفت تاسِ بازی را بیاندازیم. اگر قرار باشد که شما روی عددی شرط ببندید که حاصل مجموع دو تاس باشد، باید عدد هفت را انتخاب کنید؛ دلیلش هم خیلی ساده است، چرا که شش حالت مختلف برای این دو تاس وجود دارد که مجموع‌شان هفت می‌شود، در حالی که این احتمال برای هر عدد مجموع دیگری کمتر است. به همین نحو، ذراتی که به طور تصادفی در حال جنبش هستند تمایل به بی‌نظمی دارند؛ دلیلش هم خیلی ساده است: حالاتی که منجر به بی‌نظمی می‌شوند تعدادشان خیلی بیشتر از حالاتی است که منجر به یک نظم و ترتیب می‌شوند. حال، چگونه این دریافت را به سیستم‌های زنده و دارای حیات مرتبط سازیم؟

اصل تکاملیِ «انتخاب طبیعی» هیچ معادلی در فیزیک ندارد: حالات گوناگون موجود بی‌جان بر اساس هیچ معیاری انتخاب نشده‌اند که حالت سازگازتر و مناسب‌تری را ایجاد کنند.

از روی تصادف نیست که اولین کسی هم که در محدوده‌ی قانون دوم ترمودینامیک در خصوص کیفیت حیات سخن گفت بولتسمان بوده است. این‌جا است که او می‌گوید: «تنازع اصلی در بین موجودات زنده نه‌ بر سر مواد خام است (که عبارت اند از هوا، آب، و خاک، که همگی به وفور وجود دارند) و نه بر سر انرژی که به مقدار فراوان در بدن همه به شکل حرارت وجود دارد؛ بلکه این تنازع بر سر آنتروپی یا بی‌نظمی [منفی] است که در پی انتقال انرژی از خورشید سوزان به زمین سرد قابل استفاده می‌شود.» در نظر بولتسمان، حیات در حال تلاش برای پرهیز از توازن است، پرهیز از رسیدن به وضع موجودات غیرمتحرک یا مرده. حیات این کار را با جذب چیزهایی با بی‌نظمی کمتر از محیط اطراف محقق می‌کند، در نتیجه حد بی‌نظمیِ خودش را از حد اکثر دور می‌کند. یکی دیگر از پیشگامان فیزیک کوانتومی، فیزیکدان اتریشی به نام اروین شرودینگر، هم بر این اندیشه تأکید می‌کرد که حیات می‌کوشد «انرژی آزاد» را، یعنی انرژی‌ای را که برای انجام کار مفید در دسترس است، به بیشترین مقدار برساند؛ این شکل دیگری برای بیان این نکته است که حیات می‌خواهد خودش را از تعادل دور نگه دارد. از همین روی، این خصلت در موجودات زنده متفاوت است، برای مثال، یک سنگ که به حال خودش رها شده و همان طور که بوده می‌ماند و کار مفیدی هم انجام نمی‌دهد.

آیا ممکن است که این همان خصوصیت گریزپایی باشد که موجودِ سازگارتر را معین می‌کند؟ اگر چنین است، باید راهی را هم پیش پای ما بگذارد تا بتوانیم از لحاظ زیست‌شناختی قانون بقای موجود سازگارتر را بازگو کنیم. حالا بیایید ببینیم که این روایت چه می‌گوید: هرچه سریع‌تر بتوانیم به وضعیتی دورتر از تعادل برسیم، سازگارتر هستیم. در واقع، این شیوه‌ی تفکر در خصوص زیست‌شناسی اول بار توسط ایلیا پریگوگین، برنده‌ی جایزه‌ی نوبل در سال 1977، مطرح شد. اندیشه‌ی او چنین بود که طبیعت آن‌گونه سازگاری‌هایی را بر می‌گزیند که تولید بی‌نظمی را به بیشترین مقدار می‌رسانند، آن دگرگونی‌هایی را که بی‌نظمی را به حداکثر سرعت می‌رسانند. ورای برخی بحث‌های نظری که به سود این نظریه وجود دارند، شواهد تجربی اندکی هم هستند که اصل جریان به شمار می‌روند. در واقع، برخی شواهد هم برخلاف این نظریه هستند. شاید علتش هم دشوار بودن اندازه‌گیری تولید بی‌نظمی به هر شیوه‌ی دقیقی است. اما شاید هم معنی‌اش این است که این قاعده ایرادی دارد.

آخرین نمونه از این کوشش‌ها برای راه یافتن به زیست‌شناسی از طریق فیزیک متعلق به فیزیکدان اسرائیلی، ادی پروس، است. او می‌گوید همان قدر که موجودات بی‌جان با حداکثری کردنِ بی‌نظمی از قوانین ترمودینامیک پیروی می‌کنند، موجودات زنده هم می‌کوشند که چیزی را که او «ثبات جنبشی» می‌خواند به حداکثر برسانند. این شبیه حداکثری کردن ایجاد بی‌نظمی یا آنتروپی نیست. به جای رسیدن به یک سطح منفعل توازن، همان کاری که ناگزیر تمام موجودات بی‌جان بر طبق قانون دوم ترمودینامیک می‌کنند، موجودات زنده یک سطح پویا و پایدار را بر می‌گزینند، اما باید دائماً در حفظ و نگه‌داری آن بکوشند. این سطح از پویایی و ثبات آسیب‌پذیر و محتاج بازآفرینیِ مدام است. پرنده‌ای را تصور کنید که دارد بال می‌زند تا فقط در یک جا در هوا بماند: این وضع محتاج یک تعادل مراقبت‌شده و به وضوح پویا است، و همه‌ی این‌ها نهایتاً در یک مختصات واحد اتفاق می‌افتند. اگر حرف پروس درست باشد، ما همه‌ی عناصر لازم برای تبدیل جنبه‌های اصلی زیست‌شناسیِ تکاملی به علم شیمی را در اختیار داریم. با توجه به این‌که شیمی می‌تواند تحت قوانین فیزیک کوانتومی‌ ساده شود، به نظر می‌رسد که می‌توانیم از زیست‌شناسی به فیزیک کوانتومی نقب بزنیم. این دستاورد بزرگی خواهد بود – اگرچه مثل بسیاری دیگر از دستاوردهای بزرگ با خودش پرسش‌هایی نیز به همراه می‌آورد.

بحث را این‌گونه آغاز کردیم که گفتیم از فرق گذاشتن بین موجودات زنده و بی‌جان هدفی را دنبال می‌کنیم. اگر زیست‌شناسی به فیزیک کوانتومی تحویل‌پذیر باشد و موضوعات اصلی علم کوانتوم (یعنی اتم‌ها و مولکول‌ها) هدفی را دنبال نکنند، این تغییر حال و هدفدار شدن در کجا اتفاق می‌افتد؟ این میل به رسیدن به سطح «ثبات جنبشی» از کجا می‌آید؟ البته که این‌ها ما را به خانه‌ی اول باز می‌گرداند. یک راه ساده این است که بگوییم هدفدار بودن توهمی بیش نیست. اما احتمالاً نظر پروس این است که این پدیده‌ بر اثر پیچیدگیِ شیمی پدید می‌آید. با این حال، با توجه به این که «هدفدار بودن» همان شیوه‌ای است که ما داریم جهان را از طریق آن می‌بینیم، شاید باید از نتیجه‌گیری‌هایی که باعث می‌شوند این فرض را به سادگی پس بزنیم بپرهیزیم.

تظاهر نمی‌کنم که پاسخ همه‌ی این پرسش‌ها را می‌دانم. از سوی دیگر، سرعت بالای پیشرفت مطالعاتِ میان‌رشته‌ای در علوم طبیعی (به ویژه در زیست‌شناسی کوانتومی) مرا امیدوار می‌کند که دیر یا زود به پاسخ‌ها برسیم. الان تنها باید به کوشش خود ادامه دهیم. از آن‌جایی که ما هم از جمله‌ی موجودات زنده هستیم، به نظر می‌رسد که روزی پاسخ‌ها به طور طبیعی به سراغ‌مان می‌آیند.