TEORI FISIKA BARU TENTANG HIDUP

Hidup itu penuh rahasia, belum banyak yang terungkap tentang rahasia kehidupan. Baru-baru ini seorang fisikawan Jeremy England (2014) berpendapat bahwa hidup itu ada karena adanya peningkatan entropi sebagai pengendali penting  dari sifat fisik hidup (terlepas dari sudut pandang ilmu agama).

Dari sudut pandang fisika, ada satu perbedaan penting antara makhluk hidup dengan benda mati seperti gumpalan atom karbon. Benda mati cenderung jauh lebih baik dalam menangkap energi dari lingkungan  dan menghamburkan energi itu sebagai panas. Untuk menjelaskan  Jeremy England, telah menurunkan rumus matematika yang ia percaya dapat menjelaskan kapasitas ini. Rumus dasar kestabilan fisika menunjukkan bahwa ketika sekelompok atom mendapat energi dari luar ( seperti matahari atau bahan bakar kimia ) dan dikelilingi oleh panas ( seperti laut atau atmosfer ), sering secara bertahap akan merestrukturisasi diri sendiri untuk menyerap lebih banyak energi . Ini  berarti, bahwa dalam kondisi tertentu, materi memperoleh atribut fisik kunci yang terkait dengan kehidupan

Teori England ini, ternyata mendasari, bukan menggantikan, teori evolusi Darwin melalui seleksi alam, yang memberikan gambaran kuat tentang kehidupan pada tingkat gen dan populasi. Menurut England, ide-ide Darwin tidak salah, ia hanya menjelaskan dari sudut pandang fisika. Ia juga menjelaskan bahwa teori evolusi Darwin merupakan kasus khusus dari fenomena yang lebih umum. "

Ide England ini, secara rinci ditulisnya dalam makalah dan dijabarkannya  lebih lanjut dalam seminar-seminar di universitas-universitas di seluruh dunia. Hal ini ternyata memicu kontroversi di kalangan rekan-rekannya. Ada yang melihatnya sebagai hal yang baik, ada pula yang menyatakan hal yang  lemah, tetapi ada pula yang menganggap sebagai terobosan potensial , atau keduanya .

Alexander Grosberg, seorang profesor fisika asal New York University yang telah bekerja sama dengan England sejak tahap awal, menyatakan bahwa England telah mengambil " langkah yang sangat berani dan sangat penting, yaitu ia telah mengidentifikasi prinsip fisik yang mendasari pengendali asal-usul dan evolusi kehidupan.

Hasil teoritis England umumnya dianggap valid. Ini adalah penafsirannya, bahwa formula merupakan kekuatan  untuk menguji fenomena alam termasuk kehidupan di laboratorium .

 Ide England ini merupakan hukum kedua termodinamika,yang juga dikenal sebagai hukum peningkatan entropi yang berkaitan dengan hal-hal panas dingin. Sebagai contoh gas berdifusi melalui udara , partikel berebut energi tetapi tidak pernah secara spontan menguraikan.  Dalam jangka pendek, energi cenderung  menyebar seiring berjalannya waktu . Entropi adalah ukuran dari kecenderungan yang mengukur bagaimana  energi tersebar. Cara mengukurnya adalah dengan mengukur salah satu partikel dalam suatu sistem , dan bagaimana partikel-partikel lain menyebar di seluruh ruang angkasa. Hal ini berkaitan dengan masalah  probabilitas sederhana. Ada  banyak cara mengukur energi yang akan menyebar dibandingkan mengukur energi yang harus terkonsentrasi. Dengan demikian, sebagai partikel dalam suatu sistem yang bergerak dan berinteraksi, mereka akan berinteraksi secara kebetulan, cenderung mengadopsi konfigurasi dari energi yang tersebar. Akhirnya, sistem akan sampai pada keadaan entropi maksimum disebut " keseimbangan termodinamika". Pada kondisi ini energi terdistribusi secara merata. Analogi dari peristiwa ini, misalkan ada secangkir kopi panas di dalam suatu ruangan dan di dalam ruangan itu duduk seseorang sampai suhu kopi sama dengan suhu orang dan suhu ruangan. Selama cangkir dan ruangan tersebut dibiarkan saja maka, proses ini tidak dapat diubah . Kopi tidak pernah secara spontan memanas lagi karena peluangnya sangat kecil untuk kembali. Hal ini disebabkan oleh energi kopi yang telah ditumpuk dan melawan begitu banyak energi ruangan yang secara acak berkonsentrasi dalam atom tersebut .

Meskipun entropi harus meningkat dari waktu ke waktu dalam suatu sistem yang terisolasi atau " tertutup " , sistem " terbuka " dapat menjaga entropi rendah - yaitu , energi dibagi merata di antara atom.  Fisikawan kuantum terkemuka Erwin Schrödinger berpendapat bahwa inilah yang harus dilakukan makhluk hidup. Sebatang tanaman, misalnya, menyerap sinar matahari yang sangat energik, menggunakannya untuk membentuk gula, dan menyebarkan cahaya inframerah, membentuk energi yang kurang terkonsentrasi. Hidup tidak melanggar hukum kedua termodinamika, tapi sampai saat ini, fisikawan tidak dapat menggunakan termodinamika tersebut untuk menjelaskan mengapa hal itu harus terjadi. Pada saat itu Schrödinger hanya bisa memecahkan persamaan termodinamika untuk sistem tertutup dalam keseimbangan . Pada tahun 1960 , fisikawan Belgia Ilya Prigogine membuat kemajuan dapat memprediksi perilaku sistem terbuka yang didorong oleh sumber energi eksternal lemah. Ia kemudian memenangkan Hadiah Nobel 1977 di bidang kimia. Tapi perilaku sistem yang jauh dari keseimbangan, terhubung dengan lingkungan luar, walau didorong oleh sumber energi dari luar, tidak bisa diprediksi .

Situasi ini berubah pada akhir tahun 1990-an, terutama karena karya Chris Jarzynski , sekarang di University of Maryland , dan Gavin Crooks , sekarang di Lawrence Berkeley National Laboratory. Jarzynski dan Crooks menunjukkan bahwa entropi yang dihasilkan oleh proses termodinamika, seperti pendinginan secangkir kopi, sesuai dengan rasio sederhana probabilitas bahwa atom akan menjalani proses dibagi dengan probabilitas mereka menjalani proses sebaliknya (yaitu, spontan berinteraksi sedemikian rupa sehingga kopi menjadi hangat).

Menggunakan formulasi Jarzynski dan Crooks, ia berhasil menggeneralisasikan  hukum kedua termodinamika yang berlaku untuk sistem partikel dengan karakteristik tertentu : Sistem ini didorong oleh sumber energi eksternal seperti gelombang elektromagnetik , dan mereka dapat membuang panas ke dalam bak mandi. Cakupan sistem ini meliputi semua makhluk hidup. England kemudian menentukan bagaimana sistem tersebut cenderung berkembang dari waktu ke waktu karena meningkatkan ireversibilitas. Temuan ini masuk akal karena partikel cenderung melepas atau kehilangan lebih banyak energi ketika terjadi resonansi.

Ini berarti gumpalan atom yang dikelilingi oleh  suhu , seperti suasana atau laut , dari waktu ke waktu cenderung untuk mengatur diri untuk beresonansi  dengan sumber kerja mekanik , elektromagnetik atau kimia di lingkungan mereka , " .

Pada proses replikasi diri atau reproduksi (istilah biologi), proses yang mendorong evolusi kehidupan di Bumi, adalah salah satu mekanisme tersebut dimana sistem mungkin menghilangkan peningkatan jumlah energi dari waktu ke waktu. Dalam sebuah makalah September di Journal of Kimia Fisika, England melaporkan secara teoritis bahwa jumlah minimum disipasi yang dapat terjadi selama reproduksi molekul RNA dan sel-sel bakteri, menunjukkan bahwa sangat dekat dengan jumlah yang sebenarnya sistem ini menghilang saat replikasi. Ia juga menunjukkan bahwa RNA , asam nukleat yang oleh banyak ilmuwan dipercaya sebagai prekursor untuk hidup berbasis DNA, adalah bahan bangunan sangat murah.

Sifat kimia sup primordial , mutasi acak , geografi , peristiwa bencana dan banyak faktor lain telah memberi kontribusi pada rincian denda beragam flora dan fauna bumi . Namun menurut teori England, prinsip dasar pengendali seluruh proses adaptasi disipasi berbasis materi

Selain reproduksi , struktur organisasi yang lebih besar adalah cara lain yang sangat didorong oleh sistem sampai tercapai kemampuan mereka untuk mengusir energi . Pabrik A, misalnya , jauh lebih baik dalam menangkap dan routing energi matahari melalui dirinya daripada tumpukan terstruktur atom karbon . Dengan demikian , England berpendapat bahwa dalam kondisi tertentu , materi akan secara spontan mengatur dirinya sendiri . Kecenderungan ini dapat menjelaskan urutan internal makhluk hidup dan banyak struktur benda mati juga. Lebih lanjut dikemukakannya " Serpihan salju , pasir dan vortisitas turbulen semua memiliki kesamaan bahwa mereka adalah struktur mencolok bermotif yang muncul dalam sistem banyak partikel didorong oleh beberapa proses disipatif. Kondensasi , angin dan kekentalan adalah proses yang relevan dalam kasus-kasus tertentu .

Ide berani England kemungkinan akan menghadapi pengawasan dalam tahun-tahun mendatang . Dia saat ini menjalankan simulasi komputer untuk menguji teorinya bahwa sistem partikel menyesuaikan struktur mereka untuk menjadi lebih baik dalam menghamburkan energi . Langkah berikutnya adalah untuk menjalankan percobaan pada sistem kehidupan .

Prentiss , pengelola sebuah laboratorium biofisika di Harvard , mengatakan teori England dapat diuji dengan membandingkan sel dengan mutasi yang berbeda dan mencari korelasi antara jumlah energi sel menghilang dan tingkat replikasi yang terjadi

Disisi lain Brenner berharap dapat menghubungkan teori England untuk konstruksi microsphere sendiri dan menentukan apakah teori ini dapat dengan benar memprediksi terjadinya proses replikasi diri dan self-assembly. Suatu pertanyaan mendasar dalam ilmu pengetahuan..

Memiliki prinsip menyeluruh tentang  kehidupan dan evolusi, akan memberikan perspektif yang lebih luas kepada peneliti tentang munculnya struktur dan fungsi makhluk hidup Menurut Ard Louis, seorang biofisika di Universitas Oxford  menyatakan  bahwa seleksi alam tidak menjelaskan karakteristik tertentu seperti perubahan yang diwariskan untuk ekspresi gen yang disebut metilasi, peningkatan kompleksitas dalam ketiadaan seleksi alam , dan perubahan molekul tertentu

Pendekatan England untuk pengujian lebih jauh, akan dapat membebaskan ahli biologi dari mencari penjelasan Darwin untuk setiap adaptasi dan memungkinkan mereka untuk berpikir lebih umum dalam hal pengendalian disipasi. Mereka mungkin akan dapat menemukan alasan mengapa organisme menunjukkan karakteristik X daripada Y , bukan karena X lebih fit daripada Y, tetapi karena kendala fisik memudahkan X berkembang daripada Y .

Sumber: http://scientificamerican.com./