Испытание живого и неживого

В новой книге физик Сара Уолкер утверждает, что теория сборки может объяснить, что такое жизнь, и даже помочь учёным создать новые её формы.

На протяжении многих поколений физики ломали голову над тем, как устроена жизнь. Их теории о материи и энергии помогли им понять, как Вселенная породила галактики и планеты. Но физикам до сих пор сложно понять, как безжизненные химические реакции порождают сложность, хранящуюся в наших клетках.

В новой книге «Жизнь, какой её никто не знает: физика возникновения жизни», вышедшей 6 августа, Сара Уолкер, физик из Университета штата Аризона, предлагает теорию, которая, по её мнению и мнению её коллег, способна придать жизни смысл. «Теория сборки», как они её называют, рассматривает всё во Вселенной с точки зрения того, как оно было собрано из более мелких частей. Жизнь, утверждают учёные, возникает, когда Вселенная находит способ создавать исключительно сложные вещи.

Книга выходит в самое подходящее время, поскольку в последние месяцы теория сборки вызывает как похвалы, так и критику. Доктор Уокер утверждает, что теория способна помочь в обнаружении жизни на других планетах. И она может позволить учёным вроде неё создать жизнь с нуля.

«Я думаю, что инопланетная жизнь будет обнаружена сначала в лаборатории», — сказала доктор Уокер в одном из интервью.

Доктор Уокер поступила в аспирантуру, планируя стать космологом, но вскоре её внимание привлекла жизнь. Она была поражена тем, как трудно объяснить жизнь с помощью стандартных физических теорий. Гравитации и других сил недостаточно, чтобы создать самоподдерживающуюся сложность живых существ.

В результате учёные так и не смогли объяснить, как набор химических веществ, реагирующих друг с другом, может привести к появлению жизни. У учёных не было способа измерить, насколько группа химических веществ похожа на жизнь, подобно тому, как с помощью термометра можно измерить, насколько предмет горячий.

«Без концепции абсолютного нуля вы не понимаете, что делаете», — говорит она.

Мысли доктора Уокер о жизни совершили серьёзный поворот в 2015 году, когда она отправилась на конференцию в Вашингтон, округ Колумбия, посвящённую происхождению жизни. Там она слушала, как Ли Кронин, химик из Университета Глазго, описывал разрабатываемую им теорию.

Доктор Кронин акцентировал внимание на том, что белки и другие молекулы, из которых состоит наше тело, не возникают в одночасье. Им нужно собираться, шаг за шагом, из более простых строительных блоков. За пределами живых существ молекулы также могут собираться путём химических операций. Например, в космическом пространстве углекислый газ и другие соединения могут соединяться в метеориты для получения аминокислот. Доктор Кронин задался целью разработать способ сравнения молекул — живых или неживых — по количеству шагов, которые потребовались для их образования.

Доктор Уокер была настолько заинтригована этим подходом, что присоединилась к доктору Кронину для дальнейшего развития теории. «Сара обладает невероятной способностью быстро и кратко формулировать сложные проблемы», — говорит доктор Кронин.

За последние несколько лет доктор Уокер, доктор Кронин и их коллеги разработали методы измерения сложности молекулы. В их тестах используется число, которое они называют индексом сборки: более высокий индекс означает, что молекуле требуется больше шагов для сборки.

Чтобы определить индекс сборки молекулы, не обязательно кропотливо создавать её с нуля. Вместо этого учёные могут разрушить её лазером и подсчитать количество оставшихся фрагментов. Молекула с высоким индексом сборки будет производить множество различных фрагментов.

В 2021 году доктор Уолкер и её коллеги обнаружили поразительную закономерность в индексе сборки сотен молекул, которые они разрывали на части. Когда они рассматривали неживые молекулы, например, соединения, образовавшиеся в метеорите, им не удалось найти ни одной с индексом сборки выше 15. А вот белки и другие молекулы, образующиеся внутри клеток, набрали целых 64 балла.

Учёные предположили, что обнаруженное ими в ходе экспериментов число 15 может свидетельствовать о наличии порога для жизни. Обычная химия может собирать молекулы только через ограниченное число шагов, в то время как жизнь может пойти гораздо дальше.

Если это так, то индекс сборки может стать новым способом поиска жизни на других планетах или лунах — либо путём отбора образцов молекул межпланетным зондом, либо путём изучения их атмосфер с помощью телескопа.

Хотя доктор Уокер и её коллеги разрабатывали теорию сборки почти десять лет, многие учёные впервые узнали о ней в прошлом году, когда команда изложила её в резонансном эссе в журнале Nature. В сопроводительной статье Джордж Ф.Р. Эллис, математик из Кейптаунского университета в Южной Африке, написал о теории в восторженных выражениях. «Теория сборки — это потенциально глубокий подход к эволюции и её основам в физике», — сказал он.

Но некоторые биологи раскритиковали огульные заявления и непонятные формулировки в статье. «Как эта чушь смогла пройти рецензирование?» спросила Розмари Редфилд, микробиолог из Университета Британской Колумбии в соцсети X.

x.comx.com

Другие придерживаются более взвешенного мнения. «Мне очень нравится основная идея теории сборки», — сказал Роберт Хейзен, минералог и астробиолог из Carnegie Science в Вашингтоне, округ Колумбия, но он сомневается, что учёные могут провести чёткую границу между жизнью и нежизнью. «Я не уверен, что им следует останавливаться на каком-то определённом числе», — сказал он.

Доктор Хейзен и его коллеги попытались измерить индекс сборки некоторых из самых сложных минералов, известных в геологии, таких как эвингит — кристалл золотистого цвета, в состав которого входят кальций, углерод и уран. В январе они сообщили, что эти минералы набрали 30 баллов, что намного выше порога в 15 баллов, который доктор Уолкер и её коллеги обнаружили в своём исследовании 2021 года.

Доктор Уокер заявила, что исследование доктора Хейзена было ошибочным. Его команда скопировала эксперименты, которые она и её коллеги разработали специально для изучения молекул. Но минералы отличаются от молекул некоторыми важными особенностями. Вместо свободно плавающих скоплений атомов они представляют собой решётки, в структуре которых присутствует некоторый беспорядок.

Доктор Уокер говорит, что она и доктор Кронин вместе с коллегами работают над расширением теории сборки жизни. Кроме того, у них есть и более амбициозная задача: построить в лаборатории то, что она называет «двигателем зарождения жизни». Роботы будут смешивать инертные химические вещества в огромном количестве комбинаций, пытаясь найти те, которые приводят к образованию более сложных соединений.

При правильных условиях химические вещества могут образовывать капли, способные к самовоспроизведению со всё более высоким индексом сборки. Превысив определённый порог, они могут стать живыми — в такой форме, которую мы ещё не видели.

Если мы обнаружим жизнь на других планетах, доктор Уокер считает, что это станет важной вехой в истории человечества. Но идея о механизме зарождения жизни заставила её с большим интересом наблюдать за тем, как новая жизнь зарождается в лаборатории здесь, на Земле.

«Для меня как учёного это более интересно, потому что можно проверить теорию и увидеть, как это происходит», — сказала она.

Источник