|
Физика долгое время не могла объяснить жизнь
|
|
|
|
Современная физика может объяснить всё — от вращения мельчайшей частицы до поведения целых скоплений галактик. Но это не может объяснить жизнь. Просто не существует формулы, объясняющей разницу между живым куском материи и мертвым. Жизнь, кажется, просто загадочным образом «возникает» из неживых частей, таких как элементарные частицы. Теория сборки — это смелый новый подход к объяснению жизни в фундаментальном масштабе, его концепция недавно опубликована в журнале Nature. Он предполагает, что в основе всего лежат сложность и информация (например, ДНК). Теория дает возможность понять, как эти концепции возникают в химических системах. Эмерджентность — это слово, которое физики используют, чтобы объяснить нечто большее, чем сумма его частей — например, то, как вода может казаться влажной, а отдельные молекулы воды — нет. Влажность — это эмерджентное свойство.
|
|
|
|
Хотя математика изящна, теория в конечном итоге может быть надежной только в том случае, если она проверена в лаборатории. Тщательно спланированные эксперименты, такие как тот, который мы с коллегами проводим прямо сейчас, будут иметь важное значение для обоснования абстракций теории сборки в химической реальности. В основе теории сборки лежит идея о том, что объекты можно определять не как неизменяемые сущности, а на основании истории их формирования. Это смещает акцент на процессы, с помощью которых сложные конфигурации создаются из более простых строительных блоков.Теория предлагает «индекс сборки», который количественно определяет минимальные шаги или кратчайший путь, необходимый для построения объекта. Эта мера отслеживает степень «отбора», необходимого для создания ансамбля объектов, имея в виду память, например ДНК, необходимую для создания живых существ. В конце концов, живые существа не возникают спонтанно, как, например, гелий в звездах. Им нужна ДНК как образец для создания новых версий.
|
 |
|
|
|
Но как можно экспериментально проверить эти теоретические конструкции? Один ключевой аспект теории сборки уже был протестирован в нашей лаборатории. Это определение индекса сборки с помощью масс-спектрометрии (аналитического инструмента, который может измерять отношение массы к заряду в молекулах). Фрагментируя молекулы и анализируя их масс-спектры, мы можем оценить индекс их сборки. Мы можем буквально увидеть, сколько шагов требуется различным фрагментам, чтобы собраться вместе и сформировать данную молекулу. Индекс сборки также можно измерить с помощью других методов, называемых инфракрасной спектроскопией и ЯМР-спектроскопией для различных типов молекул. Мы определили индекс сборки ряда молекул как в лаборатории, так и с помощью вычислений. Наша работа показывает, что молекулы, связанные с жизнью, такие как гормоны и метаболиты (продукты метаболических реакций), действительно более сложны и требуют больше информации для сборки, чем молекулы, которые не связаны однозначно с жизнью, такие как углекислый газ. Фактически, мы показали, что индекс сборки выше 15 ступеней встречается только у молекул, связанных с жизнью — как и предполагает теория.
|
|
|
|
Теория также предлагает проверяемую информацию о происхождении жизни. Это потому, что в нем говорится, что наступает момент, когда молекулы становятся настолько сложными, что начинают использовать информацию для создания копий самих себя – внезапно требуя памяти и информации – своего рода порог, на котором жизнь возникает из нежизни. В конечном счете, в небиологических системах возможен отбор и минимальная память (например, как наше Солнце сформировало планеты, объединив тонны массы). Но вы не можете получить живые организмы или технологии, которые они создают — будь то Lego или ракетостроение — без высокого уровня памяти и отбора. Мы планируем более внимательно изучить это происхождение жизни, создав в нашей лаборатории своего рода химический суп. В этом супе со временем могут создаваться совершенно новые молекулы либо путем добавления различных реагентов, либо случайно, пока мы следим за индексом их сборки и ростом системы. Настраивая скорость реакции и условия, мы могли бы изучить эту захватывающую точку перехода от нежизни к жизни — и узнать, соответствует ли она предсказаниям теории сборки.
|
|
|
|
Мы также разрабатываем «генераторы химического супа», которые смешивают простые химические вещества для получения сложных. Это может улучшить наше понимание того, как можно создать сложность с помощью теории сборки и как можно инициировать отбор за пределами биологии. Это могло бы раскрыть кое-что о том, как сначала развивалась жизнь, начиная с минимального выбора, а затем требуя все большего и большего. Конструируются ли объекты в одинаковых условиях предсказуемым образом? Или в какой-то момент в бой вступает случайность? Это помогло бы нам понять, является ли возникновение жизни детерминированным и предсказуемым или более хаотичным. Это означает, что теория сборки может применяться гораздо шире. Помимо молекул, эта концепция может вдохновить исследования других систем, основанных на комбинациях, таких как агрегаты материалов, полимеры или искусственная химия. Это может привести к новым научным открытиям или технологическим изобретениям. Это может выявить тонкие закономерности, при которых молекулы, превышающие пороговый индекс сборки, непропорционально обладают определенными свойствами.
|
|
|
|
Мы также могли бы использовать эту теорию для детального изучения самой эволюции. Исследования могли бы выяснить, как фрагменты клеток существуют в процессе формирования единой клетки, возникая в результате объединения более мелких молекул с образованием аминокислот и нуклеотидов. Отслеживание возникновения метаболических и генетических сетей таким образом может дать ключ к разгадке переходов в эволюционной истории. Однако экспериментальные испытания создают проблемы. Отслеживание того, как собираются объекты, требует точного экспериментального мониторинга. Но, возможно, оно того стоит. Теория сборки обещает радикально новое понимание материи, потенциально раскрывая универсальные принципы иерархического построения, выходящие за рамки биологии. Сложные конфигурации материи могут быть не неизменными объектами, а путевыми точками в открытом процессе построения, распространяющемся во времени. Вселенная может подчиняться определенным физическим законам, но в конечном итоге она созидательна.
|
|
|
|
Источник
|
