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.
