Современная физика может объяснить многое: от спина мельчайшей частицы до поведения целых скоплений галактик. Но она не может объяснить жизнь. Просто не существует формулы, объясняющей разницу между живым и мёртвым куском материи. Кажется, что жизнь просто таинственным образом «возникает» из неживых частей, таких как элементарные частицы.
Теория сборки — это новый смелый подход к объяснению жизни на фундаментальном уровне, основы которого недавно были опубликованы в журнале Nature. Она предполагает, что в основе лежит сложность и информация (например, ДНК). Теория даёт возможность понять, как эти понятия возникают в химических системах.
Эмерджентность — это слово, которое физики используют для объяснения того, что нечто большее, чем сумма его частей — например, как вода может ощущаться влажной, когда отдельные молекулы воды этого не делают. К примеру, влажность — это эмерджентное свойство.
Несмотря на элегантность математических выкладок, теория может быть надёжной только при условии её проверки в лабораторных условиях. Тщательно спланированные эксперименты, подобные тем, которые я и мои коллеги проводим в настоящее время, будут иметь большое значение для обоснования абстракций теории сборки в химической реальности.
В основе теории сборки лежит идея о том, что объекты могут быть определены не как неизменные сущности, а по истории их формирования. Это позволяет сместить акцент на процессы, в ходе которых сложные конфигурации создаются из более простых строительных блоков.
Теория предлагает «индекс сборки», который количественно определяет минимальное количество шагов или кратчайший путь, необходимый для создания объекта. Эта мера отслеживает степень «отбора», необходимого для создания ансамбля объектов — имеется в виду память, такая как ДНК, необходимая для создания живых существ.
Ведь живые существа не возникают спонтанно, как, например, гелий в звёздах. Для их создания необходима ДНК, которая служит образцом для создания новых версий.
Предсказания новизны
Но как эти теоретические построения могут быть проверены экспериментально? Один из ключевых аспектов теории сборки уже был проверен в нашей лаборатории. Это определение индекса сборки с помощью масс-спектрометрии (аналитического инструмента, позволяющего измерять отношение массы к заряду в молекулах).
Фрагментируя молекулы и анализируя их масс-спектры, мы можем оценить их индекс сборки. Мы можем буквально увидеть, сколько шагов требуется для того, чтобы различные фрагменты соединились вместе и образовали данную молекулу. Индекс сборки может быть измерен и с помощью других методов: инфракрасной спектроскопии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса для различных типов молекул.
Мы определили индекс сборки для целого ряда молекул как в лабораторных условиях, так и с помощью вычислений. Наша работа показывает, что молекулы, связанные с жизнью, такие как гормоны и метаболиты (продукты метаболических реакций), действительно сложнее и требуют больше информации для сборки, чем молекулы, не связанные с жизнью, такие как углекислый газ. Более того, мы показали, что индекс сборки, превышающий 15 шагов, встречается только в молекулах, связанных с жизнью, как и предполагает теория.
Теория также предлагает поддающееся проверке понимание происхождения жизни. Это объясняется тем, что существует момент, когда молекулы становятся настолько сложными, что начинают использовать информацию для создания копий самих себя, что внезапно требует памяти и информации — своего рода порог, на котором жизнь возникает из не-жизни.
В конечном счёте, в небиологических системах возможен отбор и минимальная память (например, как наше Солнце образовало планеты, собрав вместе огромную массу материи). Но живые организмы и создаваемые ими технологии — будь то Lego или ракетостроение — без высокого уровня памяти и отбора невозможны.
Химический суп
Мы планируем более тщательно изучить вопрос о зарождении жизни, создав в нашей лаборатории химический суп. В этом «супе» со временем могут создаваться совершенно новые молекулы, либо путём добавления различных реактивов, либо случайно, а мы будем следить за индексом их сборки и ростом системы. Настраивая скорость реакций и условия, мы сможем изучить этот интересный переход от не-жизни к жизни и узнать, соответствует ли он предсказаниям теории сборки.
Мы также разрабатываем «генераторы химического супа», которые смешивают простые химические вещества для получения сложных. Это может расширить наше понимание того, как сложность может быть создана с помощью теории сборки и как может быть инициирован отбор вне биологии.
Возможно, это позволит узнать, как происходила эволюция жизни, начиная с минимального отбора и затем требуя всё большего и большего. В одинаковых ли условиях объекты строятся предсказуемым образом? Или в какой-то момент в дело вступает случайность? Это поможет нам понять, является ли возникновение жизни детерминированным и предсказуемым, или же оно носит более хаотичный характер.
Это означает, что теория сборки может применяться гораздо шире. Помимо молекул, эта концепция может вдохновить на изучение других систем, основанных на комбинациях, таких как агрегаты материалов, полимеры или искусственная химия. Это может привести к новым научным открытиям или технологическим изобретениям. Возможно, будут выявлены тонкие закономерности, в соответствии с которыми молекулы, превышающие пороговый индекс сборки, в непропорционально большой степени обладают определёнными свойствами.
Теория может быть использована и для детального изучения самой эволюции. Можно изучить, как фрагменты клеток существуют в процессе формирования целой клетки, возникая из более мелких молекул, объединяющихся в аминокислоты и нуклеотиды. Отслеживание возникновения метаболических и генетических сетей таким образом может дать ключ к разгадке переходов в истории эволюции.
Однако экспериментальные исследования сопряжены с определёнными трудностями. Отслеживание процесса сборки объектов требует точного экспериментального контроля.
Но, возможно, оно того стоит. Теория сборки обещает радикально новое понимание материи — возможно, будут открыты универсальные принципы иерархического построения, выходящие за рамки биологии.
Сложные конфигурации материи могут быть не неизменными объектами, а путевыми точками в бесконечном процессе построения, распространяющемся во времени. Вселенная может подчиняться определённым физическим законам, но в конечном счёте она творец.
Комментарии (40)
alexs963
01.11.2023 02:12+2Делали уже, да и сейчас думаю продолжают всякие попытки.
Breathe_the_pressure
01.11.2023 02:12+1я тоже не понимаю откуда такие чудики постоянно берутся, они не читают ничего по своим тематикам? Ну Википедию хотя бы.
DenSyo
01.11.2023 02:12+2Про синтез аминокислот давно уже известно, да. И на кометах их находим уже, что косвенно свидетельствует о довольно широком спектре условий их зарождения. Здесь ребята замахнулись на большее, они хотят преодолеть те самые 15 шагов, которые отделяют живое и неживого, используя любые подручные средства, проводя самые разные реакции. Не ставится целью воспроизвести зарождение жизни в земных условиях, идёт поиск самой возможности совершить акт творения.
Bedal
01.11.2023 02:12+1В действительности за этой "теорией" стоит очередная попытка оправдать креационизм, и ничего больше.
ksbes
01.11.2023 02:12?
Как раз наоборот, из этих исследований, если у них получится, будет следовать, что зарождение жизни - естественный физический процесс (хоть и, возможно, весьма маловероятный), а не божественное чудо.Bedal
01.11.2023 02:12Есть достаточно давно сформированное понимание эволюции - в том числе и химической. Исключающее, в том числе, существование чудесного момента "возникновение жизни". Нет никакой такой точки.
Вместо этого (или вследствие неспособности понять и принять эволюцию) начинают строить сугубо умозрительные критерии чуда. Просто перемещая понятие чуда из раскритикованных позиций куда-нибудь вбок.
saege5b
01.11.2023 02:12-4Гранты же.
Вначале надо убедить богатых дать денег, потом убедить дать ещё денег; потом - что деньги потрачены не зря, и нужно ещё денег.
Dolios
01.11.2023 02:12+9Даже если и так, что в этом плохого, если люди занимаются наукой? Наука — лучший способ удовлетворения личного любопытства за государственный счёт (с) И пока есть такие любопытные, их нужно всячески поддерживать, имхо.
Radisto
01.11.2023 02:12+8Для их создания необходима ДНК,
Гипотеза РНК-мира этому противоречит, а она наверное пока лучшее, что есть в изучении абиогенеза и происхождения жизни вообще. Откуда эта фраза? В исходной статье ее кажется нет
anatolykern
01.11.2023 02:12-4И это ученые ещё даже не пытались подступиться к принципу невероятности, хоть и пытаются придумать теории с фундаментальными силами информационной сложности, игнорируя кучу подсказок в исторических залежах знаний от религий и до них.
Решение трудной проблемы сознания позволит понять и эти неувязки.
ksbes
01.11.2023 02:12+3Ну а как к нему подступится, если вы этот принцип невероятности даже сформулировать не можете нормальным языком, понятным даже непосвящённым в великие тайны древних знаний? Где постановка задачи?
anatolykern
01.11.2023 02:12Простите, а Вы к кому тут обращаетесь? Уверены, что внимательно прочитали мой комментарий?
Адамсу Дугласу наверное было бы приятно знать Ваше мнение о нём, как о посвящённом в великие тайны древних знаний, предоставляя очередной повод посмеяться от души, но всё же... Вопрос о формулировке принципа невероятности остается если и адресовать, то только самому себе. Если после прочтения "Автостопом по Галактике" таковой ещё останется.
Kenya-West
01.11.2023 02:12Вопрос о формулировке принципа невероятности остается если и адресовать, то только самому себе
Ага. То есть его формализовать никак не получится; критериям Поппера любая гипотеза, базирующаяся на данном принципе, работать не будет; сам принцип, если он исходить будет от каждого человека по-разному, обобщить будет сложно.
Удачи с такими идеями работать в науке!
TheHangedKing
01.11.2023 02:12И это ученые ещё даже не пытались подступиться к принципу невероятности
Вы ведь это про учёных-литературоведов написали, правда?
ivef
01.11.2023 02:12Что такое "принцип невероятности"?
ksbes
01.11.2023 02:12+1Человек неудачно пошутил про двигатель на невероятностой тяге из "Автостопом по Галактике". Если, конечно, он пошутил?
anatolykern
01.11.2023 02:12В каждой шутке есть доля... шутки, но уровень восприятия новой информации, как и общий подход к осмыслению перед комментированием...
На данном этапе указывает на бессмысленность траты ограниченного фокуса внимания на этом ресурсе.
So Long, and Thanks for All the Fish.
AlexSpirit
01.11.2023 02:12+3>>Мы также разрабатываем "генераторы химического супа", которые смешивают простые химические вещества для получения сложных.
Вспоминается анекдот про учителя химии, который смешивает реагенты и возглас из класса "А не ёххет ? Не должно...."
Akina
01.11.2023 02:12+1молекулы, связанные с жизнью, такие как гормоны и метаболиты (продукты метаболических реакций), действительно сложнее и требуют больше информации для сборки, чем молекулы, не связанные с жизнью, такие как углекислый газ.
Смешно. Коню понятно, что экскаватор сложнее лома. А вы попробуйте провести сравнение для молекул "на одном уровне", близких по молекулярной массе и количеству атомов.
arTk_ev
01.11.2023 02:12-1Какой же лютый бред. Каким образом эти британские ученные зарабатывают на таких статьях? Гранты на такое дерьмо не дадут.
segment
01.11.2023 02:12Почему бред?
arTk_ev
01.11.2023 02:12+2То что они ищут и измеряют - это колмогоровская сложность. Длинна гена, кодирующего белок - и будет оптимальной сложностью. Проблема что в ДНК хранится лишь малая часть информации, белки имеют не просто химическую валентность, но и пространственную организацию, и это динамическая система. Сравнение сложности белков и молекул - ничего не даст, это пока неразрешимая задача. Это никак не связано с гипотезой происхождения жизни.
Эмерджетность - это математическое понятие. Для нее уже создан раздел математики. Уже исследованы генетические и эволюционные алгоритмы.
Если они не ссылаются на эти исследования - значит теория не имеет новизны.
GidraVydra
01.11.2023 02:12Не совсем. Для исчерпывающего описания молекулы в общем случае требуется намного меньше ресурсов, чем для исчерпывающего описания процедуры её "сборки", то есть синтеза. Для белков или ДНК канает колмогоровская сложность, потому что есть универсальный, обусловленный биохимически, алгоритм их сборки, и известен вид функции, связывающей кол-во аминокислот или нуклеотидов с числом шагов сборки. И, кстати, как раз для них и вторичную-третичную структуру тоже можно без проблем в колмогоровскую сложность запихнуть.
А вот для молекул произвольного строения так не работает. Вообще нет абсолютно никаких гарантий, что известный путь синтеза какой-то молекулы - наикратчайший. Завтра могут новую методологию выкатить, которая его вдвое-втрое сократит.
arTk_ev
01.11.2023 02:12Да, в оригинальном пейпере про это и написано. Были похожие генетические методы исследования в палеонтологии, для определения общих предков и мутаций. Значит имеет практическую ценность.
В синергетике, эмерджентное свойство не появляется из ниоткуда, а уже содержится в изначальных элементах и в среде. Значит сложность(комплексность) атомов - выше белков. А если учитывать отсутствие принципа локальности по квантовой механики, то придется учитывать всю материю. А мы даже не может решить задачу о трех телах и продолжают открывать все новые агрегатные состояния.
MAXH0
01.11.2023 02:12Для меня это - второе пришествие синергетики.. Ученые,ИМХО, хотят проверить смогут ли они на новом мат.аппарате перейти от абстрактных рассуждений к математически обоснованной теории. Что не смогла сделать синергетика.
arTk_ev
01.11.2023 02:12+4Синергетика никуда не уходила, это все же самая молодая математика. Там как понял, затык был только в одном месте, - в том что математики не умеют решать нелинейные дифференциальные уравнения высокого порядка, а из таких уравнений и состоит модель и все процессы. И химики не умееют в циклические реакции, а программисты в рекурсию.
PS Перечитал оригнал пейпера, там опять журналисты изналисовали. Пейпер лишь о количественной и вероятностной мере сложности и что ее удобно мерить спектрографией. И они все же ссылаются на синергетику, и на колмогоровскую сложность, и о ее неразрешимости и на машину Тьюринга. И ни слова о гипотезах эволюции.
GidraVydra
01.11.2023 02:12химики не умееют в циклические реакции
Вы можете как-то обосновать это смелое утверждение? Так-то циклические реакции - это катализ, просто по определению. И химики в него умеют.
о количественной и вероятностной мере сложности и что ее удобно мерить спектрографией
Спектрометрией. Спектрография уже лет как 60-70 не используется. Но там глобальный факап в том, что статью писали не химики, и они не понимают элементарных вещей - что фрагментация в масс-спектрометре никак не коррелирует с процессом сборки молекулы. Что не получится взять два фрагмента, на которые развалилась молекула в масс-спектрометре, и соединить их обратно. Более того - чаще всего связи, которые рвутся при фрагментации, очень трудно создавать при синтезе.
ksbes
01.11.2023 02:12Так-то циклические реакции - это катализ, просто по определению. И химики в него умеют.
Так-то это не просто катализ, а автокатализ. Между выхлопной системой автомобиля и функционированием клетки разница всё же есть и большая.
И как даже довольно опытные и неплохие программисты могут не понимать как работает рекурсия, а многие не могут её грамотно составить, так же и химикам - с автокаталитическими реакциями - не просто. Многие из тех с кем я разговаривал - просто отмахивались и говорили, что они им в работе не нужны - нечего голову забивать.
arTk_ev
01.11.2023 02:12Под циклическиими реакциями имел в виду автоколебательную реакцию Белоусова-Жаботинского.
Белоусову вообще не поверили, что такая реакция возможна. И таких реакция что-то не нашли и особо не ищут химики. С химической стороны это похоже сложные реакции, с математической все проще.
Под рекурсией имел в виду нелинейную рекурсию, что является основным условием для возникновения хаоса. Существует асинхронные процессоры, где нет тактовых частот и синхронизации. В ней используются безусловные бесконечные рекурсии, самосинхронизация, асинхронная логика. Для ИИ идеально подойдет.
Тьюринг еще об этом говорил, что для ИИ нужна возможность ошибаться и придумал отдельные машины Тьюринга для этого.
tminnigaliev
01.11.2023 02:12+2Думается мне, что для того, чтоб объявлять о новой теории, у теории должно быть хотя бы одно существенное неочевидное утверждение, помоогающее решать какую-то проблему, например:
У арифметики есть основная теорема арифметики, у алгебры есть такая теорема, у электродинамики есть уравнения Максвелла, и т.д.
Т.е. для содержательной теории нужен какой-то содержательный инструмент, а вот в этом случае пока не понятно, что там за инструмент будет.
ABRogov
01.11.2023 02:12+1Прежде чем оживлять химический суп, стоит научиться оживлять хотя бы мертвого комара (кого угодно). Там уже вроде все есть, даже собирать не надо, и оно даже работало. А то сразу суп, самосборкой... детский сад.
khajiit
01.11.2023 02:12+4Прежде, чем собирать блок, сначала надо запустить сломавшийся после крупной птицы Pratt-Whitney — там же все работало, и даже собирать не надо.
GidraVydra
01.11.2023 02:12Ого, молекула гормона сложнее молекулы углекислого газа! Вот это поворот. Ну, предположим, не нравится им тупо оценивать количество неводородных атомов в молекуле. Ну посчитайте число химических связей там, или, если так хочется расчетные мощности чем-то занять, число степеней свободы. Но зачем вводить какой-то натянутый похлеще чем сова на глобус "индекс сборки"? Тем более то эти ребята-физики, судя по содержанию статьи, с химией не особо дружат и как реально происходит синтез молекул, вообще дупля не отрезают. В частности, они не понимают, что количество стадий синтеза не является строго определенным значением. Можно говорить только о том, какое минимальное число стадий для этого синтеза известно на данный момент. Но сегодня А из В варится в 7 стадий, а завтра кто-то разработал новый синтетический подход, и А из В варится уже в 3 стадии. Не может теория опираться на значения, зависящие от субъективных факторов.
Фрагментация в масс-спектрометре - это вообще бомба. Я вольтаж разгонный поменяю, газ другой на вторичной ионизации возьму - у меня фрагментация той же молекулы вообще по-другому пойдет. С процессом "сборки" же фрагментация вообще никак не связана - рвутся вообще не те связи, которые создавали при синтезе. Тем более что фрагментации подвергаются разогнанные ионы в газовой фазе, а синтез происходит в растворах с сольватированными молекулами при условиях, близких к нормальным. Например, при фрагментации часто происходит асбтракция бензильных и аллильных катионов - но обратного процесса в синтезе в общем случае нет. Не говоря уже про различные перегруппировки Мак-Лаферти, для которых даже в частных случаях нет обратного процесса.
А информационная теория энтропии, которую эти перцы криво-косо пытаются изобразить, это, насколько я помню, середина прошлого века.
DenSigma
01.11.2023 02:12Хотелось бы узнать, чем "эмерджентность" отличается от https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_перехода_количественных_изменений_в_качественные?
Ну, кроме того, что этот закон, сформулированный еще Фридрихом Энгельсом в результате интерпретации логики Гегеля и философских работ Карла Маркса, имеет "фатальный недостаток"?
DenSyo
Очень интересный эксперимент. Интрига, вскипит суп или будет искать таинственную "частицу Бога"?..
Bender_Rodrigez
Молекулы типа FM, FF, MM, FMF, MFM, MMFM, MMMFM и более сложные молекулярные конструкции за количество шагов от одного стола лаборатории до другого.
Да, например, трудностью добычи и очистки реактивов группы F в лабораторных условиях.
ksbes
А что это за типы молекул такие? А то для непосвящённых вроде меня они выглядят как названия тэгов на порнохабе (и соответственно гугл не очень помогает.)
GidraVydra
Фрагментация в масс-спектре не имеет ничего общего с процессом и последовательностью синтеза ("сборки") этих молекул. Более того, фрагментация в масс-спектре определяется даже не строением молекулы, а условиями ионизации и генерации вторичных ионов при съемке спектра.