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 все 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.
