Η απομόνωση της πρώτης σπίθας ζωής στη Γη είναι θέμα βιολογίας, γεωλογίας και χημείας – αλλά είναι επίσης ένα εκπληκτικό μαθηματικό πρόβλημα. Τουλάχιστον, έτσι το έβλεπε ο Varun Varanasi ’24 όταν ήταν προπτυχιακός στο Yale.
Το ερώτημα, με λίγα λόγια, είναι το εξής: Πώς μετατράπηκε η αρχέγονη σούπα αλληλεπιδρώντων μορίων στην επιφάνεια της Γης πριν από δισεκατομμύρια χρόνια από το πλήρες χάος σε ένα οργανωμένο σύστημα αυτοσυντηρούμενων, αναπαραγωγής χημικών ουσιών; Αυτό συνέβη σταδιακά μέσα σε εκατομμύρια χρόνια ή ήταν απότομο;
Οι ερευνητές σκέφτονται αυτό το ερώτημα εδώ και έναν αιώνα. Εμπνευσμένος από ένα μάθημα που παρακολούθησε ως προπτυχιακός φοιτητής του Γέιλ, το οποίο διδάχθηκε από τον γεωφυσικό του Γέιλ Τζουν Κορενάγκα, ο Βαρανάσι αποφάσισε ότι ήταν η σειρά του.
Αυτή η έμπνευση θα γινόταν η ανώτερη διατριβή του Βαρανάσι, η οποία είναι τώρα η βάση για μια νέα μελέτη στο περιοδικό Physical Review E. (Συγγραφέας είναι από κοινού από τον Korenaga, καθηγητή Γης και Πλανητικών Επιστημών στη Σχολή Τεχνών και Επιστημών του Yale.)
«Η εργασία μας προσφέρει έναν άμεσο τρόπο σύνδεσης της υποκείμενης χημείας των πρεβιοτικών περιβαλλόντων με την αυθόρμητη εμφάνιση δομών που μοιάζουν με ζωή», είπε ο Varanasi, τώρα Ph.D. φοιτητής βιοφυσικής στο Χάρβαρντ. “Προσθέτει σε συναρπαστικές πρόσφατες εξελίξεις στην έρευνα για την προέλευση της ζωής και RNA autocatalysis, που μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά στην απάντηση σε ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της ζωής.
Η αυτοκατάλυση είναι μια κορυφαία θεωρία για την προέλευση της ζωής πριν από σχεδόν τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια. Προτείνει ότι ομάδες μορίων άρχισαν συλλογικά να υποστηρίζουν το σχηματισμό νέων μορίων μέσω καταλυτικών αλληλεπιδράσεων. Πώς όμως έμοιαζε αυτή η διαδικασία;
Οι Varanasi και Korenaga λένε ότι ήταν σαν ένας διακόπτης φώτων που ανάβουν μετά από εκατομμύρια χρόνια προετοιμασίας. Η πιθανότητα ενός αυτοσυντηρούμενου χημικού δικτύου στην αρχέγονη σούπα αυξήθηκε απότομα από το μηδέν σε σχεδόν βεβαιότητα.
«Χρησιμοποιώντας ένα μαθηματικό πλαίσιο που βασίζεται στα δίκτυα Kauffman, η εργασία αντλεί μια ρητή πρόβλεψη για το πότε αυτές οι δομές που μοιάζουν με τη ζωή είναι συντριπτικά πιθανό να εμφανιστούν», είπε ο Korenaga.
Τα δίκτυα Kauffman, επίσης γνωστά ως τυχαία δυαδικά δίκτυα, είναι αφηρημένα μαθηματικά μοντέλα αυτοοργάνωσης συλλογικής δράσης. Ονομάστηκαν για τον θεωρητικό βιολόγο Stuart Kauffman, ο οποίος εφάρμοσε για πρώτη φορά την έννοια στα δίκτυα γονιδιακής ρύθμισης στα τέλη της δεκαετίας του 1960. Τα δίκτυα έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη άλλων πολύπλοκων συστημάτων, όπως οικονομικά μοντέλα παραγωγής.
Οι Varanasi και Korenaga λένε ότι τα ευρήματά τους προσφέρουν μια γέφυρα μεταξύ των αφηρημένων θεωριών περί σύνθετων συστημάτων και των ίδιων των συστημάτων του πραγματικού κόσμου. Σημείωσαν ότι παρόμοια μαθηματικά μοντέλα πρόβλεψης θα μπορούσαν να εφαρμοστούν σε βιολογικά και διεπιστημονικά συστήματα.
Ο Varanasi είπε ότι η έρευνα εμπνεύστηκε από ένα μάθημα του Yale, «The Science of Complex Systems», το οποίο εισάγει τους προπτυχιακούς φοιτητές σε μαθηματικές προσεγγίσεις για τη μελέτη της αναδυόμενης συμπεριφοράς σε τέτοια συστήματα.
«Θυμάμαι ότι έμαθα για το ανταγωνιστικό μοντέλο Lotka-Volterra, το οποίο περιγράφει τη δυναμική του πληθυσμού αρπακτικών-θηραμάτων», είπε ο Varanasi. «Ο Τζουν είχε μόλις ολοκληρώσει μερικές διαλέξεις που περιγράφουν μαθηματικά φαινόμενα που προκύπτουν από διαφορικές εξισώσεις και στη συνέχεια εισήγαγε αυτό το κλασικό μοντέλο εξηγώντας γιατί ορισμένα οικολογικά συστήματα μπορούν να υποστηρίξουν τον εαυτό τους ενώ άλλα όχι.»
Πρόσθεσε, «Με γοήτευσε η πολυπλοκότητα στον πραγματικό κόσμο που θα μπορούσε να αποτυπωθεί από κάποιες καθαρές εξισώσεις που μάθαμε σε μερικές εβδομάδες. Στο τέλος του μαθήματος, ένιωσα ότι είχα μάθει έναν νέο τρόπο να σκέφτομαι τον κόσμο.â€
Ο Korenaga, ο οποίος περιγράφει τον εαυτό του ως γεωφυσικό «ελεύθερου στυλ», ήταν πολύ χαρούμενος που βοήθησε τον Varanasi να πάει το ενδιαφέρον του στο επόμενο επίπεδο.
«Το να βλέπεις ένα έργο που ξεκίνησε σε μια προπτυχιακή τάξη να εξελίσσεται σε μια δημοσιευμένη μελέτη σε περιοδικό με κριτές ήταν εξαιρετικά ανταποδοτικό», είπε.
