Преодоление разрыва между физикой и биологией: новая теория может помочь объяснить жизнь

Современная картина материи, которую предлагает нам физика, неспособна объяснить, как жизнь возникла из неорганических материалов. Кажется, проблема в том, что физика определяет материю просто с точки зрения ее строительных блоков. Но новая теория предполагает, что история сборки материальных объектов, то, как они приобрели такую ​​сложность, является важнейшим свойством всей материи. Профессор Ли Кронин утверждает, что теория сборки материи показывает, что эволюция путем модификации и отбора является не просто сохранением жизни, но описывает, как развивается вся материя.

На протяжении веков ученые пытались объяснить, как жизнь могла возникнуть и развиться из неодушевленной материи, описанной физикой и химией. На первый взгляд кажется, что живые организмы фундаментально отличаются от неживых существ. Хотя физика прекрасно описывает поведение фундаментальных частиц, таких как электроны и протоны, она терпит неудачу в применении к таким сложным явлениям, как биологическая эволюция.

Любопытно, что многие эксперты не видят в этом фундаментальной проблемы, поскольку ожидают, что решение этой проблемы когда-нибудь будет найдено в фундаментальной физике. До сих пор это было невозможно, и, похоже, нет никаких перспектив на то, что будет найдено удовлетворительное объяснение снизу вверх, от элементарных частиц до жизни. Что-то в корне не так с нашим нынешним взглядом на реальность.

Теория эволюции Дарвина элегантно объясняет, почему некоторые организмы адаптированы лучше, чем другие. Но это не касается того, откуда вообще взялась способность к неограниченной эволюции. Если мы заглянем достаточно далеко в прошлое, первые примитивные живые системы, должно быть, возникли в результате более простой пребиотической химии.

Но как могла бы возникнуть одушевленная сложность без уже действующей эволюции? Чтобы преодолеть этот объяснительный разрыв между физикой и биологией, ученые исследовали, как комбинаторное пространство может обеспечить переход от химии неживой природы к биологии. Поскольку биология построена на подмножестве химии, комбинаторное пространство содержит все возможные молекулы, и оно практически бесконечно. Один из способов представления этих возможностей — рассмотреть «смежное возможное», которое представляет собой пространство возможностей, соприкасающихся с существующей реальностью.

Но до сих пор ни одна идея не смогла полностью интегрировать возникновение новизны и отбора в рамки физики. Это означает, что нам до сих пор не хватает теории, которая могла бы взять частицы, следуя известным законам физики, и продемонстрировать, как эволюция может выглядеть как возникающее явление.

Вместо того, чтобы рассматривать фундаментальные частицы, такие как атомы и молекулы, как нередуцируемые строительные блоки, теория сборки определяет все объекты по их способности быть собранными или разделенными с использованием минимальных путей.

Чтобы решить эти проблемы, Сара Уокер и я разработали новую концепцию под названием «Теория сборки» (AT, Assembly Theory), которая обеспечивает единый подход к пониманию того, как физика и эволюция, основанная на отборе, сочетаются друг с другом.

Теория сборки — это не просто новая теоретическая основа, она основана на экспериментах и ​​изначально была создана для решения вопроса «как сложная молекула может образоваться самопроизвольно?» Оказывается, ответ на этот вопрос является ключом к пониманию того, как в нашей Вселенной возникает сложность любого рода, как на неорганическом, так и на органическом уровне. Оказывается, жизнь и технологии имеют больше общего, чем мы предполагали ранее.

Переосмысление того, что делает объект

Теория сборки основана на обманчиво простом сдвиге перспективы. Вместо того, чтобы рассматривать фундаментальные частицы, такие как атомы и молекулы, как нередуцируемые строительные блоки, теория сборки определяет все объекты по их способности быть собранными или разбитыми с использованием минимальных путей. Это означает, что свойства объекта определяются не только его компонентами, но и историей его формирования.

Например, молекулу белка можно описать с точки зрения ее аминокислотной последовательности – ее составных частей. Но с точки зрения АТ белок — это больше, чем просто список его частей. Он также несет в себе свидетельства эволюционной истории, которая выбрала эту конкретную последовательность из астрономически большого набора возможных альтернатив.

Рассматривая кратчайший путь создания объекта из его строительных блоков, Теорию сборки можно использовать, чтобы увидеть, был ли объект создан в результате процесса отбора и эволюции, а не случайности. Это связано с тем, что чем больше шагов необходимо, чтобы объект прошел по кратчайшему пути (т. е. по самому простому пути), тем ниже вероятность того, что объект мог образоваться случайно. Это означает, что кратчайший путь помогает нам определить, потребовалась ли память, например ген, для создания объекта.

Рассматривая объекты как продукты их истории, а не просто как их составные части, АТ предоставляет пространство для генерации и отбора новизны, чтобы действовать в рамках физики. Теория количественно определяет сложность объекта на основе того, сколько этапов сборки потребовалось для его создания из более простых компонентов. Этот «индекс сборки» измеряет значимую функциональную информацию, а не просто случайность; Функциональная информация — это сложность, созданная живыми системами для содействия их выживанию.

AT также отслеживает, сколько присутствует идентичных копий данного объекта. Случайное появление уникальных объектов с высокими индексами сборки экспоненциально маловероятно. Большое обилие сложных объектов должно быть продуктом отбора, действующего на основе изменчивости, а не простой случайности. Совместное определение индекса сборки и количества копий отличает функциональные биотические явления от абиогенеза.

Количественно оценивая информацию с точки зрения операций физической сборки, теория сборки представляет отбор как физическое явление, а не как посторонний эволюционный ингредиент.

Воображение «пространств сборки»

Чтобы объяснить, как АТ включает отбор в физику, мы предлагаем концепцию «пространств сборки». Эти концептуальные пространства содержат все возможные пути, по которым объекты могут быть собраны шаг за шагом из их составляющих. Обширность этих пространств сборки отражает комбинаторный взрыв возможностей, создаваемых каждой дополнительной операцией сборки, которые увеличиваются экспоненциально в зависимости от индекса сборки (это количество шагов, необходимых для того, чтобы объект оказался на кратчайшем пути).

Хотя теоретически в пространстве существуют все возможные структуры, лишь малая их часть может быть создана с использованием ограниченных ресурсов и времени. Физические и исторические ограничения определяют, какие траектории будут проходить через эти пространства сборки. В определенных направлениях появление инноваций или механизма репликации может глубоко изменить последующие исследования.

Если посмотреть наоборот, объекты, встречающиеся на любом пути, отражают свидетельства давления отбора, которое сформировало их эволюцию. Количественно оценивая информацию с точки зрения операций физической сборки, теория сборки представляет отбор как физическое явление, а не как посторонний эволюционный ингредиент. Индексы сборки отличают функциональную сложность от случайности, не предполагая при этом единиц отбора или воспроизводства.

Примирение физики с эволюцией

Чтобы продемонстрировать силу АТ, мы смоделировали простые полимерные системы (это цепочки молекул, связанных вместе), в которых цепочки собираются поэтапно из отдельных молекул. Когда сборка происходит случайным образом, каждый новый шаг умножает количество возможных результатов в геометрической прогрессии. Это быстро исчерпает все ресурсы без создания большого количества копий с высоким индексом.

Но когда модели включают в себя базовый самовоспроизводящийся полимер, который преимущественно выбирает определенные реакции, системы генерируют как большое разнообразие, так и высокореплицируемые полимеры. Количественно оценивая результирующую «сборку» этих ансамблей, АТ подтверждает, что для создания этого конечного состояния необходим отбор.

В отличие от традиционных моделей эволюции, эти абстрактные полимерные модели реализуют отбор как обобщенное физическое явление, а не как нечто, применимое только к органическому веществу. Их поведение отражает реальную химию, где самовоспроизводящиеся полимеры вызывают специфичность в реакционных сетях, которые контролируют, какие молекулы реагируют друг с другом, как множество ключей, пытающихся найти определенный замок.

AT предлагает язык для обнаружения и измерения выбора даже в незнакомых системах, просто наблюдая за тем, какие структуры создаются. Модели также иллюстрируют, как AT интегрирует неограниченный рост сложности в физических пределах. Когда новые инновации расширяют разнообразие возможных компонентов и сборочных операций, окружающее пространство увеличивается в геометрической прогрессии, но включение знаний о прошлом ограничивает расширение, поскольку оно настолько велико, что его невозможно исследовать. Другими словами, жизнеспособные траектории движения в пространстве сборок во многом определяются историческими обстоятельствами. Таким образом, расширение происходит неравномерно по выбранным путям, и не равномерно заполняет все возможности.

Вместе эти особенности АТ обеспечивают компоненты, необходимые для перевода системы, подчиняющейся строго физике, в развивающийся открытый процесс. Переформулируя объекты как сборки, появление реалистичного поведения в физических системах становится не только возможным, но и поддающимся количественной оценке и предсказуемым. Мы считаем, что этот подход может, наконец, обеспечить желанный мост между физикой и биологией.

Благодаря радикально расширенному пониманию объектов теория сборки предлагает возможность обобщить дарвиновское «происхождение с модификациями» как принцип, пронизывающий всю физическую реальность.

Последствия, выходящие за рамки происхождения жизни

Теория сборки обещает изменить наше понимание того, как сложные явления, такие как жизнь, могут возникнуть из простых взаимодействий частиц. Но ее последствия могут простираться еще дальше. Например, перспектива сборки может дать новое представление о наших собственных передовых технологиях, которые также собираются из составных частей.

Применение АТ к человеческим инновациям, таким как компьютеры или самолеты, может обнаружить параллели с биологической эволюцией. Общие принципы могут управлять неограниченным созданием новинок как в природе, так и в человеческой инженерии. Общая динамика сборки может проявляться на любом субстрате, где комбинаторная сложность возникает из-за исторических случайностей.

Это также заставляет нас переосмыслить фундаментальные предположения о природе физической материи. Живые организмы — не единственные «объекты», свидетельствующие об исторических ограничениях. Вся стабильная материя формируется в процессе сборки. Таким образом, в нашей Вселенной существует избранное подмножество возможного благодаря эффектам отбора, восходящим к происхождению частиц, атомов и химии.

С этой точки зрения возникновение неограниченной эволюции не было чем-то, навязанным физике при появлении жизни. Скорее, рудиментарные эволюционные процессы могут действовать всегда, на каждом уровне, где возникают сложные объекты. Благодаря радикально расширенному пониманию объектов теория сборки предлагает возможность обобщить дарвиновское «происхождение с модификациями» как принцип, пронизывающий всю физическую реальность.

Автор: Ли Кронин, профессор химии Университета Глазго, член Королевского общества Эдинбурга и Королевского химического общества.