Why You Live ? The Strange Science of Life and Energy
This lesson explores Why You Live by explaining how life constantly fights against entropy, how cells use energy to stay alive, and why molecules like ATP are essential for keeping the universe in motion through living beings.
Science Explained
At this very second, you are on a narrow ledge between life and death. You probably don’t feel it, but there is an incredible amount of activity happening inside you, and this activity can never stop. To be alive is to constantly fight against stopping. Imagine yourself as a slinky falling down an escalator that is moving upward. The falling represents the self-replicating processes of your cells. The escalator represents the laws of physics pushing everything forward. Being alive means being in motion, but never actually arriving anywhere. If you ever reach the top of the escalator, the falling stops—and you are dead forever. Somewhat unsettlingly, the universe wants you to reach the top. So the question becomes: how do you avoid that, and why are you alive in the first place?
Ngay lúc này, bạn đang đứng trên ranh giới mong manh giữa sự sống và cái chết. Có lẽ bạn không cảm nhận được, nhưng có một lượng hoạt động đáng kinh ngạc đang diễn ra bên trong bạn, và hoạt động này không bao giờ dừng lại. Sống nghĩa là liên tục đấu tranh chống lại sự dừng lại. Hãy tưởng tượng bạn như một chiếc lò xo đang rơi xuống một thang cuốn đang di chuyển lên trên. Sự rơi xuống tượng trưng cho quá trình tự sao chép của các tế bào trong cơ thể bạn. Thang cuốn tượng trưng cho các định luật vật lý đẩy mọi thứ về phía trước. Sống nghĩa là luôn chuyển động, nhưng không bao giờ thực sự đến đích. Nếu bạn đến được đỉnh thang cuốn, sự rơi xuống sẽ dừng lại – và bạn sẽ chết mãi mãi. Điều đáng lo ngại là vũ trụ muốn bạn đến được đỉnh. Vậy câu hỏi đặt ra là: làm thế nào để tránh điều đó, và tại sao bạn lại sống ngay từ đầu?
All life is based on the cell. A cell is a tiny piece of the dead universe that separated itself so it could do its own thing for a while. When this separation breaks down, the cell dies and rejoins the rest of the dead universe. Unfortunately, the universe prefers things to be boring and stable. It tries to eliminate excitement and difference. This principle is called entropy, and it is a fundamental rule of the universe. Living things, however, are inherently exciting and disordered.
Mọi sự sống đều dựa trên tế bào. Tế bào là một mảnh nhỏ của vũ trụ vô tri vô giác, tự tách ra để có thể hoạt động độc lập trong một thời gian. Khi sự tách biệt này bị phá vỡ, tế bào chết đi và hòa nhập trở lại với phần còn lại của vũ trụ vô tri. Thật không may, vũ trụ lại ưa thích sự nhàm chán và ổn định. Nó cố gắng loại bỏ sự thú vị và khác biệt. Nguyên tắc này được gọi là entropy, và nó là một quy luật cơ bản của vũ trụ. Tuy nhiên, các sinh vật sống vốn dĩ luôn thú vị và hỗn loạn.
Inside a single cell are millions of proteins and countless simpler molecules like water. Thousands of complex, self-replicating processes happen hundreds of thousands of times every second. To stay alive, a cell must constantly work to avoid entropy and maintain its separation from the outside world. Cells do this by controlling the concentration of molecules, keeping the inside different from the outside, and actively pumping excess material away. All of this work requires energy. Energy is the ability to do work, create movement, and cause change. Energy cannot be created or destroyed. The total amount of energy in the universe never changes. We don’t know why—it simply works that way. So one of the biggest challenges for early life was figuring out how to obtain usable energy.
Bên trong một tế bào có hàng triệu protein và vô số phân tử đơn giản hơn như nước. Hàng ngàn quá trình phức tạp, tự sao chép diễn ra hàng trăm nghìn lần mỗi giây. Để tồn tại, tế bào phải liên tục hoạt động để tránh sự suy giảm năng lượng và duy trì sự tách biệt với thế giới bên ngoài. Tế bào thực hiện điều này bằng cách kiểm soát nồng độ các phân tử, giữ cho bên trong khác biệt với bên ngoài và chủ động bơm vật chất dư thừa ra ngoài. Tất cả công việc này đều cần năng lượng. Năng lượng là khả năng thực hiện công việc, tạo ra chuyển động và gây ra sự thay đổi. Năng lượng không thể được tạo ra hoặc bị phá hủy. Tổng lượng năng lượng trong vũ trụ không bao giờ thay đổi. Chúng ta không biết tại sao – nó đơn giản là hoạt động như vậy. Vì vậy, một trong những thách thức lớn nhất đối với sự sống sơ khai là tìm ra cách thu được năng lượng có thể sử dụng được.
Early cells used simple chemical reactions, but eventually discovered the ultimate energy-transfer molecule: adenosine triphosphate, or ATP. ATP is uniquely suited for accepting, storing briefly, and releasing energy when a cell needs it. When a cell needs energy—for example, to pump out molecules or repair microscopic machinery—it breaks down ATP and uses the released chemical energy to do work. This is why living beings are able to function at all. Every living thing on Earth—plants, fungi, bacteria, and animals—uses ATP or something very similar. Without ATP, there would be no life on Earth, and possibly nowhere else in the universe.
Các tế bào sơ khai sử dụng các phản ứng hóa học đơn giản, nhưng cuối cùng đã phát hiện ra phân tử truyền năng lượng tối ưu: adenosine triphosphate, hay ATP. ATP có đặc tính độc đáo là tiếp nhận, lưu trữ trong thời gian ngắn và giải phóng năng lượng khi tế bào cần. Khi tế bào cần năng lượng—ví dụ, để bơm các phân tử hoặc sửa chữa các bộ máy siêu nhỏ—nó sẽ phân giải ATP và sử dụng năng lượng hóa học được giải phóng để thực hiện công việc. Đây là lý do tại sao các sinh vật sống có thể hoạt động được. Mọi sinh vật sống trên Trái đất—thực vật, nấm, vi khuẩn và động vật—đều sử dụng ATP hoặc một chất rất giống với nó. Nếu không có ATP, sẽ không có sự sống trên Trái đất, và có thể không nơi nào khác trong vũ trụ.
Early life forms missed out on the greatest energy source available: the sun. The sun releases massive amounts of electromagnetic energy, but this energy is raw and unusable without processing. It needed to be refined. After hundreds of millions of years of evolution, a cell figured out how to absorb sunlight and convert it into chemical energy. This process is called photosynthesis. Light energy is transformed into chemical energy stored in ATP. Some cells improved this system by producing glucose, a high-energy sugar that is easy to break down. Glucose became so useful that other cells decided to stop making energy themselves and instead consume cells that already did.
Các dạng sống sơ khai đã bỏ lỡ nguồn năng lượng lớn nhất: mặt trời. Mặt trời giải phóng một lượng lớn năng lượng điện từ, nhưng năng lượng này thô và không thể sử dụng được nếu không qua xử lý. Nó cần được tinh chế. Sau hàng trăm triệu năm tiến hóa, tế bào đã tìm ra cách hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa nó thành năng lượng hóa học. Quá trình này được gọi là quang hợp. Năng lượng ánh sáng được chuyển hóa thành năng lượng hóa học được lưu trữ trong ATP. Một số tế bào đã cải tiến hệ thống này bằng cách sản xuất glucose, một loại đường giàu năng lượng và dễ phân hủy. Glucose trở nên hữu ích đến mức các tế bào khác quyết định ngừng tự sản xuất năng lượng và thay vào đó tiêu thụ các tế bào đã làm điều đó.
Eventually, one cell swallowed another but did not destroy it. Instead, they formed a permanent partnership. This moment changed Earth forever. The swallowed cell became the mitochondria, the powerhouse of the cell. This single event is the origin of all complex life. Every animal—from blue whales to dinosaurs to humans—can trace its existence back to this moment. Mitochondria specialize in producing ATP by breaking down sugar using oxygen, releasing energy, carbon dioxide, water, and heat. This division of labor gave cells far more energy than ever before, opening the door to multicellular life.
Cuối cùng, một tế bào nuốt chửng một tế bào khác nhưng không phá hủy nó. Thay vào đó, chúng hình thành một mối quan hệ cộng sinh vĩnh viễn. Khoảnh khắc này đã thay đổi Trái đất mãi mãi. Tế bào bị nuốt chửng trở thành ty thể, nhà máy năng lượng của tế bào. Sự kiện duy nhất này là nguồn gốc của mọi sự sống phức tạp. Mọi loài động vật—từ cá voi xanh đến khủng long đến con người—đều có thể truy nguồn gốc sự tồn tại của mình về khoảnh khắc này. Ty thể chuyên sản xuất ATP bằng cách phân giải đường bằng oxy, giải phóng năng lượng, carbon dioxide, nước và nhiệt. Sự phân công lao động này đã cung cấp cho tế bào nhiều năng lượng hơn bao giờ hết, mở ra cánh cửa cho sự sống đa bào.
Eventually, cells formed communities, then tissues, then organisms. Today, you are made of trillions of cells, each producing ATP constantly to keep you alive. If this process stops—even for a few minutes—you die. You might wonder why we don’t store ATP the way we store fat. The reason is that ATP is excellent for energy transfer, but terrible for energy storage. It holds very little energy compared to its mass. Every day, your body produces and consumes roughly your own body weight in ATP. ATP must be made continuously, because even storing enough for a few minutes is nearly impossible.
Dần dần, các tế bào hình thành nên cộng đồng, rồi mô, và cuối cùng là cơ thể sống. Ngày nay, cơ thể bạn được tạo thành từ hàng nghìn tỷ tế bào, mỗi tế bào liên tục sản sinh ATP để duy trì sự sống. Nếu quá trình này dừng lại – dù chỉ vài phút – bạn sẽ chết. Bạn có thể thắc mắc tại sao chúng ta không dự trữ ATP giống như cách chúng ta dự trữ chất béo. Lý do là ATP rất tốt cho việc truyền năng lượng, nhưng lại rất tệ cho việc lưu trữ năng lượng. Nó chứa rất ít năng lượng so với khối lượng của nó. Mỗi ngày, cơ thể bạn sản sinh và tiêu thụ lượng ATP xấp xỉ trọng lượng cơ thể bạn. ATP phải được tạo ra liên tục, bởi vì ngay cả việc dự trữ đủ lượng ATP trong vài phút cũng gần như không thể.
This is the strange story of the molecule that allows you to exist as something different from the dead universe—a slinky on an escalator, constantly moving to avoid stopping. Life depends on producing fuel while already moving, like driving a car at full speed while making fuel in the trunk from scraps on the road. This began billions of years ago, when pieces of the dead universe briefly became something alive. From the first cells to you watching this now, the motion has never stopped. One day, you will return to the rest of the universe. But until then, you get to do what life does best—making the universe more interesting.
Đây là câu chuyện kỳ lạ về phân tử cho phép bạn tồn tại như một thực thể khác biệt so với vũ trụ đã chết – một chiếc lò xo trên thang cuốn, liên tục chuyển động để tránh dừng lại. Sự sống phụ thuộc vào việc tạo ra nhiên liệu trong khi đang chuyển động, giống như lái xe ở tốc độ tối đa trong khi tạo ra nhiên liệu trong cốp xe từ những mảnh vụn trên đường. Điều này bắt đầu từ hàng tỷ năm trước, khi những mảnh vỡ của vũ trụ đã chết tạm thời trở thành một thứ gì đó sống động. Từ những tế bào đầu tiên cho đến bạn đang xem điều này bây giờ, chuyển động chưa bao giờ dừng lại. Một ngày nào đó, bạn sẽ trở về với phần còn lại của vũ trụ. Nhưng cho đến lúc đó, bạn được làm điều mà sự sống làm tốt nhất – làm cho vũ trụ trở nên thú vị hơn.