b Мы можем смоделировать процесс сборки как случайную прогулку по “деревьям”, где количество исходящих ребер (листьев) растет в зависимости от глубины дерева за счет добавления ранее созданных подструктур. Сгенерировав несколько миллионов деревьев и вычислив вероятность наиболее вероятного пути по дереву, мы можем оценить вероятность случайного образования объекта как в зависимости от количества необходимых операций соединения (длины пути).
c Вероятность наиболее вероятного пути по дереву в зависимости от длины пути быстро уменьшается. Цвета указывают на различные предположения о химическом пространстве. Для сравнения, пунктирные линии показывают соотношение (I) одной звезды во всем Млечном Пути, 1:1011, (II) одного грамма из всей биомассы Земли, 1:1017, (III) одного моля, 1:1023, и (IV) одного грамма из массы Земли. (1:1029).
Identifying molecules as biosignatures with assembly theory and mass spectrometry
Как надежно отличить живое от неживого? Живое сложнее. “Молекулярный индекс” или “индекс сборки” (molecular index или assembly index) основан на количестве связей, необходимых для создания молекулы. Например, слово ‘abracadabra’ состоит из 5 различных букв и имеет длину 11 символов. Оно может быть собрано из составляющих его символов как a + b –> ab + r –> abr + a –> abra + c –> abrac + a –> abraca + d –> abracad + abra –> abracadabra, поскольку “abra” уже было построено на более раннем этапе. Поскольку это требует 7 шагов, индекс сборки равен 7. Строка ‘abcdefghijk’ не имеет повторений, поэтому индекс сборки равен 10.
Как из пространства вариантов возможных конфигураций простых частиц собираются более сложные? И не просто более сложные, но похожие, или даже одинаковые: Мы сейчас не говорим о репликации, потому, что это ещё сложнее. Давайте вспомним второй закон термодинамики. Живые существа сжигают энергию, производя работу и тепло. Но это не хаотичное шевеление молекул, а использование энергии для осуществления изменений, например, движения, изменение объема и химических превращений.
Объединяет эти процессы то, что энергия вводится в систему извне, и направляется таким образом, что изменяется форма или расположение системы. Живым существам удается не распадаться так же быстро, как они образуются, потому что они постоянно увеличивают энтропию вокруг себя. Они делают это благодаря своей молекулярной структуре, которая позволяет им поглощать энергию в виде работы и отдавать ее в виде тепла. При определенных условиях эта способность поглощать работу позволяет организмам (и другим системам) совершенствовать свою структуру, чтобы поглощать больше работы и при этом выделять больше тепла. Все это приводит к возникновению положительной обратной связи, которая заставляет нас двигаться вперед во времени в соответствии с расширенным вторым законом.
Давайте вернемся к отличию живого от неживого: крупные биогенные молекулы будут иметь больший индекс сборки, чем мелкие молекулы или крупные молекулы, которые не являются биогенными. Коллектив Лироя Кронина использовал свой метод “индекса сборки” для присвоения значений индекса сборки базе данных, содержащей около 2,5 миллионов молекул. Затем они использовали подмножество из примерно 100 малых молекул и небольших белковых фрагментов (пептидов), чтобы экспериментально проверить ожидаемую корреляцию между индексом сборки и количеством фрагментов, генерируемых масс-спектрометром.
Масс-спектрометры ионизируют образец, разбивая молекулу на фрагменты, а затем подсчитывают количество уникальных частей. Чем больше количество уникальных частей, тем выше индекс. В сотрудничестве с NASA и университетом Аризоны, команда Кронина, показала, что система работает с образцами с Земли и за её пределами. Среди них были кусочек метеорита (не биологического происхождения), содержащие ископаемые образцы озерных отложений из голоцена (30 000 лет назад) и середины миоцена (14 миллионов лет назад). Они обнаружили, что только живые системы производят большое количество молекул с индексом сборки выше экспериментально определенного значения в 15 шагов. Отсечка между 13 и 15 свидетельствует о фазовом переходе, когда физика эволюции и отбора должна заменить другие формы физики для объяснения того, как образовалась молекула.
Но откуда у нас возьмутся сложные молекулы? Физика имеет дело с простыми и элементарными объектами: для их создания Вселенной не требуется “память” – способ “записи” процессов необходимых для появления этих частиц. Когда мы переходим к дисциплинам, изучающим эволюцию, таким как химия и биология, мы обнаруживаем слишком сложные объекты, которые не могут быть произведены в изобилии мгновенно (даже при наличии энергии и материалов). Для их производства требуется память, накапливаемая с течением времени, когда происходит отбор подходящих вариантов. Более сложные объекты требуют больше памяти, чтобы появиться на свет.
В теории сборки (assembly theory) предложенной Лироем Крониным, объекты усложняются со временем благодаря процессу отбора. По мере усложнения объектов их уникальные части будут усложняться – это означает, что локальная память также должна увеличиваться. Эта “локальная память” представляет собой причинно-следственную цепочку событий, в которой объект сначала “обнаруживается” в результате отбора, а затем создается в нескольких экземплярах. Например, при исследовании происхождения жизни химики изучают, как молекулы собираются вместе, чтобы стать живыми организмами. Чтобы химическая система спонтанно возникла как “жизнь”, она должна самовоспроизводиться, образуя или катализируя самоподдерживающиеся сети химических реакций. Но как химическая система “узнает”, какие комбинации ей следует создать? Нужная для сборки “память” не распылена равномерно, она локальна в пространстве и времени. Это означает, что объект может быть произведен только там, где есть локальная память, которая может направлять выбор того, какие части как, куда и когда присоединятся.
В теории сборки “выбор” относится к тому, что появилось в пространстве возможных комбинаций. Формально он описывается через число копий объекта и его сложность. Число копий или концентрация – это понятие, используемое в химии и молекулярной биологии, обозначающее, сколько копий молекулы присутствует в данном объеме пространства. В теории сборки сложность имеет такое же значение, как и число копий. Очень сложная молекула, которая существует только в виде одной копии, не имеет значения. Для теории сборки интерес представляют сложные молекулы с высоким числом копий – это свидетельствует о том, что молекула была получена в результате эволюции. Значение “индекса сборки” связано с объемом физической памяти, необходимой для хранения информации, направляющей сборку объекта и задающей направление во времени от простого к сложному. И хотя память должна существовать в окружающей среде, чтобы объект появился на свет, в теории сборки память также является неотъемлемой физической характеристикой объекта. Фактически, это и есть объект.
Теория сборки предполагает, что изменения измеряются не временем, а кодируются в цепочках событий, которые порождают сложные молекулы с различной “глубиной во времени”. Глубина напрямую связана с индексом сборки объекта и количеством копий. И можно вообще объединить в одно число, “сборку” (assembly), или А. Чем выше показатель сборки, тем глубже объект во времени. Некоторые объекты появились сравнительно недавно, например, синтетические “вечные химикаты” из фторорганических химических соединений. Другие возникли миллиарды лет назад, например, фотосинтезирующие растительные клетки. Разные объекты имеют разную глубину во времени. Собранные из локальной памяти в пространстве возможных комбинаций, эти объекты записывают прошлое, действуют в настоящем и определяют будущее. Это означает, что Вселенная расширяется во времени, а не в пространстве – или, возможно, пространство возникает из времени, как предполагают многие современные предложения квантовой гравитации.
A New Idea for How to Assemble Life
