Физика — прекрасная основа для понимания нашей Вселенной, но в ней есть несколько заметных пробелов. Одним из них является эволюция. До сих пор непонятно, из каких процессов возникает жизнь, и каким законам это явление подчиняется. Биология, если подумать, должна соответствовать физическим теориям. То есть, входить в физику. Но пока что мы изучаем две эти науки отдельно друг от друга. Никто не понимает, как «подвязать» физику к эволюции, появлению различных характерных особенностей живых существ и сообществ. Мы даже не можем в точности определить, на каком этапе начинается жизнь, а в каком случае объект просто является самореплицирующейся химической структурой. Какого-то одного объективного показателя нет.
Точнее, не было до этого года. Одна из самых больших теорий, соединяющих физику и биологию, была в этом году сформулирована международной группой ученых во главе с физиком-теоретиком Сарой Уокер из Университета штата Аризона и химиком Ли Кронином из Университета Глазго.
Они назвали свою новую теорию «Теорией сборки» и заявляют, что она может помочь в поиске жизни в других мирах. В начале октября их работа была опубликована в журнале Nature.
Уокер поясняет основы:
Теория сборки дает совершенно новый взгляд на физику, химию и биологию как на разные точки наблюдения одной и той же реальности.
С помощью этой теории мы можем начать сокращать разрыв между редукционистской физикой и дарвиновской эволюцией — это важный шаг на пути к фундаментальной теории, объединяющей инертную и живую материю.
Ученые предполагают, что объединение физики и биологии становится очевидным, когда мы рассматриваем объекты не только в том виде, в котором они существуют сейчас. А принимаем во внимание то, как они формировались, и учитываем их потенциал к изменениям.
Для подробного анализа и классификации этого исследователи опирались на свою предыдущую работу, в которой они составили так называемый «индекс молекулярной сложности», определяющий уровень развития живых существ, и позволяющий наконец по объективным показателям отделить живое от неживого.
Молекулярный индекс
Чтобы составить индекс молекулярной сложности, та же команда годом ранее определила наименьшее количество шагов, необходимых для создания каждого типа молекул. Они разбили сотни различных органических и неорганических соединений на части и использовали масс-спектрометрию, чтобы идентифицировать их молекулярные строительные блоки. И присвоили проверенным молекулам сложность, основанную на количестве шагов, необходимых для их сборки.
Получилась довольно объективная структура сложности жизни. С выводом, что чем сложнее молекула — тем больше разнообразных живых существ должно было появиться до неё, чтобы обеспечить ее существование.
Единственные соединения во Вселенной, для сборки которых необходимо 15 и более этапов, происходили от живых систем (зеленые точки) или от технологических процессов (синие точки). Которые, опять же, были вызваны живыми системами, и, по мнению ученых, могут считаться их частью.
Уокер и Кронин объясняют:
Пятнадцать этапов — точка отсечения. Дальше это может быть либо клетка, которая создает молекулы с высокой степенью сборки, такие как белки, либо химик, который создает молекулы с еще более высокой степенью сборки, такие как противораковый препарат Таксол. В обоих случаях достижение такой сложности молекулы без биологического вмешательства невозможно.
Одно из преимуществ такого индекса состоит в том, что для идентификации жизни теперь не требуется, чтобы инопланетяне были сделаны из тех же органических материалов на основе углерода, что и существа, живущие на Земле. Они могут быть созданы из чего угодно, и мы можем наблюдать любой аспект их жизнедеятельности — скажем, препараты, которые они создают, или выбросы в атмосферу, возникающие на их планете. Если там есть молекулы с достаточной степенью сложности компонирования — значит, там есть жизнь.
Также индекс сборки безразличен к тому, начинает ли инопланетная жизнь только зарождаться — или перешла на технологическую стадию, находящуюся за пределами нашего понимания. Все эти состояния производят сложные молекулы, которые не могли бы возникнуть без живой системы.
Сейчас команда Уокера и Кронина применяет идею индекса молекулярной сборки к будущим миссиям НАСА. В середине 2030-х годов корабль «Стрекоза» пролетит сквозь плотную атмосферу Титана, состоящую из метана и азота. Титан, спутник Сатурна, — единственное место в Солнечной системе, кроме Земли, где есть постоянные «озера» из жидкости. На его поверхности имеются большие залежи жидких углеводородов, а под землей, как предполагают в НАСА, расположена жидкая вода.
Роботизированный винтокрылый аппарат будет бурить ледяную поверхность в каждой своей точке приземления и извлекать образцы размером менее 1 грамма. Эти образцы затем будут подвергнуты воздействию бортового лазера, который расщепит более крупные молекулы, чтобы можно было проанализировать химический состав породы. Если расчеты ученых верны, уже этот простой анализ позволит с большой долей вероятности понять, существует ли на Титане жизнь.
Уокер пишет, что:
Это хороший пример преимуществ более общего и объективного подхода к тому, что такое жизнь, поскольку Титан сильно отличается от Земли.
Мы не ожидаем, что там может оказаться что-то вроде земной жизни. Поэтому нам нужен агностический метод определения, что живо, а что нет.
Моя группа сейчас работает над определением того, как мы сможем обнаруживать молекулы с высокой степенью сборки. Мы работаем с НАСА, чтобы гарантировать, что их существующие приборы масс-спектрометрии имеют достаточно высокое разрешение для обнаружения молекул с достаточной сложностью.
Теория всего
Базируясь на своем предыдущем исследовании молекулярной структуры, ученые в своем новом исследовании создали математическую основу для определения того, какой объем эволюционного отбора требуется для создания сложного объекта — такого как белки, глаза, хвост или чешуя — из молекулярных строительных блоков.
Это похоже на индекс молекулярной сложности, но в более крупном масштабе. И он позволяет определить не только наличие жизни, но и её сложность и развитость, по крайней мере в эволюционном смысле.
Эту теорию тоже назвали «теорией сборки». Только теперь не молекулярной, а биологической. Она основана на минимальном количестве шагов, необходимых для «сборки» объекта, и минимальном объеме данных, который необходим, чтобы описать его характеристики. Также учитывается обилие данного объекта в мире — то есть, число его копий.
Количество копий важно, потому что по мере увеличения сложности объекта вероятность повторения его существования по счастливой случайности уменьшается. Если только не существует какой-то внешней силы, которая помогает его реплицировать, и идет наперекор вероятностям. Именно так действует отбор на случайные мутации в процессе эволюции, если происходит отбор по какому-то признаку.
В основе, опять же, лежит количество шагов, требуемых для появления в особи той или иной характеристики. Используя эту основу, исследователи смогли количественно оценить степень отбора, необходимую для создания разнообразных эволюционировавших объектов, от молекул до клеточных структур. Математика и физика впервые напрямую оказались на фундаментальном уровне связаны с биологией.
Главное, что результаты работают не только оценки для существующих объектов. Их также можно использовать для прогнозирования появления новых. Это полезный инструмент для исследования новых миров, таких как Титан, где находятся многие базовые «строительные блоки» для жизни. А если мы когда-нибудь найдем жизнь, отличную от земной, можно будет объективно понять, на каком уровне эволюции она находится.
Далее команда собирается совершенствовать свою работу, расширить теорию сборки, чтобы она могла точнее определять жизнь. Большие количества блоков и большой объем возможных характеристик — вообще не проблема, ведь у нас есть ИИ. Ученые говорят, теорию уже можно исследовать не только математически, но и экспериментально, и в процессе этого в лабораторных условиях можно попытаться воссоздать процесс образования жизни. «Теория сборки», по их мнению, может ответить на вопросы о том, как именно жизнь впервые возникла здесь, на Земле.
В конце своей работы ученые пишут:
Теория сборки предлагает совершенно новый способ взглянуть на материю, из которой состоит наш мир. Определять её не только составляющими частицами, но и памятью, необходимой для создания этих объектов посредством отбора с течением времени.
При дальнейшей работе такой подход может трансформировать разные области науки, от космологии до информатики. Это реальный способ в одном месте объединить физику, химию, биологию и теорию информации.
Эта статья поддерживается командой ITGLOBAL.COM
Мы — первый облачный провайдер в России, а также интегратор, поставщик ИТ-услуг, продуктов, сервисов и разработчик собственного ПО.
• Наш сайт
• Наш блог про виртуализацию и Enterprise IT
• Истории успеха наших клиентов
Комментарии (22)
ImagineTables
19.10.2023 09:38+8начать сокращать разрыв между редукционистской физикой
индекс молекулярной сложности
Как-то странно они уходят от редукционистской физики. «Индекс молекулярной сложности» даже по названию — махровый редукционизм, а по описанию — тем более.
bbs12
19.10.2023 09:38+9Мы даже не можем в точности определить, на каком этапе начинается жизнь, а в каком случае объект просто является самореплицирующейся химической структурой
Да вроде всё просто - когда появляется первая самореплицирующаяся структура с наследованием случайных мутаций, можно считать, что тогда и появляется жизнь.
Постоянный поиск четких границ неопределенных сущностей слегка напрягает. На какой высоте заканчивается атмосфера и начинается космос? И чтобы с точностью до нанометра. Там вообще нет четких границ.
YNK
19.10.2023 09:38+3Немного странно, что как бы отринута такая научная дисциплина как биофизика, которая изучает законы биологического развития через особенности действия физических законов при преобразованиях вещества и энергии. Начала этого знания положены вот этой статьей «Что такое жизнь с точки зрения физики» самим Эрвином Шредингером еще в 1945 году.
arTk_ev
19.10.2023 09:38+1В чем новизна то? Кибернетике уже 70 лет.
Они тоже как-то предлагали "теорию всего", но за это их наказали.
perfect_genius
19.10.2023 09:38Если орган сначала сформировался сложным, а потом упрощался, деградировал, то как можно это учитывать наименьшим количеством шагов?
Ведь выйдет мало шагов до простого органа, хотя для такого состояния он сначала должен был быть сложным, т.е. шагов явно было больше.
Arlekcangp
19.10.2023 09:38+1Не раскрыт момент, а почему 15 шагов то? Если смотреть на то как люди изучали сложность до появления компьютеров, то там хватало и 4-5 шагов, что бы запутаться. Вероятность найти правильную комбинацию случайным перебором в такой куче вариантов уже весьма мала. Так зачем именно 15 ? Я могу предположить, что они взяли за эталон скорость эволюции на земле. А это вряд ли можно считать эталоном. Если разговор вообще про любую жизнь, а не только углеродную с ДНК, то цифра 15 становится совсем не понятной. Вполне возможно что какие-то кремниевые грибо-кристаллы на далёкой планете не имеют ДНК и эволюционируют совсем с иной скоростью. Перебрать для них цепочки длиной в 15 шагов - раз плюнуть, такая у них организация, вызванная средой той планеты. Каждую лунную ночь той планеты они "открывают" новое сложное соединение, которое на земле не откроют никогда, и выпускают несколько сот тон его в атмосферу... Не будучи жизнью в полной мере, (например, это какие то наслоения из атмосферы той планеты, они не размножаются в классическом понимании этого слова, но влияют на окружающую среду из которой и создаются новые очаги их потомков , не питаются, они просто используют обратимые химические процессы, и может быть свет и тепло местной звезды) они могут производить очень сложные молекулы. Увидев эти молекулы в спектрометр, человек сделает ошибочный вывод о наличии высокоразвитой цивилизации, а на самом деле это кремниевая недо-плесень, которая крайне медленно эволюционирует... Очевидно, что одной цифрой нельзя отделить живое от не живого, и тем более разумное от не разумного.
Jeshua
19.10.2023 09:38+1Не раскрыт момент, а почему 15 шагов то?
Это экспериментальное значение, напрямую следует из приведенной диаграммы разброса точек.
ra3vdx
19.10.2023 09:38До сих пор непонятно, из каких процессов возникает жизнь, и каким законам это явление подчиняется.Ох, спорно. Весьма спорно. Известно. За пределом Эйгена точно.
Законов там с гулькин нос.
Ну, я имею в виду то, что мы называем "законами" в физическом представлении.
domix32
О, б-ги. Назвали свою теорию "теорией всего", хотя к к той самой теории всего оно имеет опосредованное отношение. Развернули порядок наследования сущностей и теперь биология виляет физикой, а не наоборот.
V_Scalar
А вот представим ситуацию: допустим вы святой дух, носитесь над водами, стало вам скучно и решили вы слепить, твердь, людей и тд.
А в наличии имеются только простейшие частицы, которые имеют только импульс проще говоря умею только сталкиваться, отскакивать, из них ведь ничего не слепишь. Тогда вы создаёте неравновесную систему в которой самоорганизуются диссипативные структуры -заряды. Проще говоря вам надо нагреть участок, чтобы он начал расширяться и охлаждаться, тогда в нём образуются микроскопические смерчи, эти смерчи и являются зарядами имеющими полуцелый спин. Теперь вы можете отдохнуть сидя на облаке и понаблюдать как заряды соединяются в протоны, ядра и тд
domix32
Проблема современной физики - мы не знаем сколько там фундаментальных частиц. Теория сборки на это также не отвечает. Если уж взялись за аналогии - теория всего - это будет краска, физика частиц - красить забор этой краской, а теория сборки - смотреть как она сохнет при разных условиях.
V_Scalar
Теорию можно строить сверху вниз, а можно снизу вверх. Само название фундаментальная частица подразумевает -простейшая. Смотрим какими свойствами симметриями и законами сохраннений эта частица может обладать. Блин, да все почти симметрии нарушаются (значит эти частицы не фундаментальные), кроме сохранение импульса и сохранение углового момента. из этого и стройте
domix32
Этим теоретическая физика и занимается до сих пор. Теорий много, подтверждений - не очень.
Jeshua
Зачем вы приписываете ученым то, чего они не делали? "Теорией всего" их работу назвал автор заметки на Хабре. Если перейти к сути, то я удивлен обилию уничижительных комментариев. Работа представляет вероятно первую числовую оценку сложности жизни. С её помощью, например, можно получить обоснованный ответ на вопрос о происхождении жизни на Земле. Например, мне всегда казалось, что время, прошедшее от простых молекул до первой цианобактерии как-то разительно меньше времени от цианобактерии до хомо. Имея числовую оценку сложности, можно проверить это утверждение. Если это действительно так, то стоит поискать колыбель жизни не в строматолитах, а в ближайших звездных системах.
domix32
Я бы понял, если бы это касалось только биохимии, так они же постулируют это как обобщённый фреймворк для любых эволюционных процессов.
При неисчислимом количестве изначальных состояний одна единственная цифра не даст вам ответа, тем более что пока человек не скрафтит жизнь эта цифра ко всему будет ещё и спекулятивна донельзя.
Jeshua
Так и отлично. Если удастся свести всю эволюцию к одному уравнению, это будет прекрасно. Я давно мечтаю о таком уравнении, потому что здесь зияет огромная дыра в наших знаниях. Жизни не должно быть по второму закону термодинамики, а она есть.
Почему не даст? По сути это будет явная формула для расчета энтропии, или количества информации, содержащейся хоть в чем. Вполне годится для сравнения. Да, необходимо проверить, зависит ли конечное состояние от путей его достижения, здесь есть над чем поработать. Моя гипотеза, что не зависит. Ваша - что зависит.
domix32
ага, нынче по тому же принципу существует более 100 000 валидных многообразий, на которых теория струн описывала бы нашу вселенную в некотором достаточно похожем приближении. так и толку если у вас будет хотя бы 100 000 начальных конфигураций, которые могли бы привести к некой финальной точке. А также на каждую из них ещё по 100 000 альтернативных результатов. Никакая расчёт энтропии вам не поможет при таком количестве параметров.
Jeshua
Не вижу аналогии. Рассматривается минимальное число шагов, необходимое для сборки из начального вполне определенного состояния. Эта задача имеет единственное решение, несмотря на то, что она, скорее всего, NP-трудная.
domix32
Окей, пусть будет проще - есть некоторое начальное число $k$, есть некоторое финальное число
. Вам нужно найти какие конфигурации чисел приводят к тому что в результате из 
получается n. У вас на одно только сложение будет приходиться ~ 
способов. И нет, 
не станет вашим единственным решением как минимальное необходимое число шагов иначе это было бы как нарисовать два круга, и за один шаг дорисовать остатки совы. Добавляем в рецепт 
начальных состояний из которых хотим получить некоторый набор 
состояний, то бишь 
. Вы также будете утверждать, что сложность всё также NP?