Конструктор жизни: что такое Теория сборки

Целью космических миссий является, в том числе, поиск следов жизни. Однако как определить жизнь, если она развивалась в отличных от земных условиях? Ответ на этот и многие другие важные вопросы предлагает научный подход, получивший название Теория сборки.

Если существует жизнь на других планетах, то она может быть настолько чуждой нашей, что мы просто не сможем ее распознать. Нет никакой гарантии, что в инопланетной биологии происходят те же химические процессы, что и на Земле, с известными нам ДНК и белками.

В апреле стартовал космический аппарат Juice Европейского космического агентства, который взял курс на Юпитер и его спутники. Один из них, Европа, имеет под своей замерзшей корой глубокий соленый океан. Это наиболее перспективное место в Солнечной системе для поиска инопланетной жизни. В следующем году будет запущен космический аппарат Europa Clipper, также нацеленный на Европу. Оба аппарата оснащены бортовыми приборами, которые будут искать отпечатки сложных органических молекул, возможный намек на существование жизни подо льдом. А в 2027 году НАСА планирует запустить беспилотный вертолет Dragonfly для облета поверхности спутника Сатурна Титана, туманного, богатого углеродом мира с озерами жидких углеводородов, в которых, возможно, как раз и обитает жизнь, но не такая, какой мы ее знаем.

В связи с этим перед учеными вновь встает вопрос: а какие признаки точно указывают на существование жизни?

В 2021 году группа специалистов под руководством Ли Кронина из Университета Глазго в Шотландии и Сары Уолкер из Университета штата Аризона предложила общий способ идентификации молекул, образующихся в живых системах, даже тех, которые используют незнакомый химический состав. Их метод предполагает, что инопланетные формы жизни производят молекулы с химической сложностью, сходной с той, которая характерна для жизни на Земле.

Их идеи оформились в Теорию сборки, которая ставит амбициозные цели. Как сказано в серии недавних публикаций, теория сборки может объяснить, почему такие маловероятные существа, как мы с вами, вообще существуют. И еще теория сборки стремится ответить на вопрос, который тысячелетиями ставит в тупик ученых и философов: что такое жизнь вообще?

Многие специалисты считают, что теория сборки позволит по-новому взглянуть на вопрос о том, как возникает и эволюционирует сложность. По словам теоретика эволюции Дэвида Кракауэра, президента Института Санта-Фе, это способ выявления случайных особенностей истории объектов. Вопрос, игнорируемый большинством теорий сложности, которые, как правило, сосредоточены на том, как устроены вещи, но не на том, как они стали такими. Пол Дэвис, физик из Университета штата Аризона, называя это идеей, способной изменить наше представление о сложности.

О порядке вещей

В чем суть новой теории? В ответе на вопрос: почему, учитывая астрономическое количество способов соединения различных атомов, природа создает одни молекулы, а не другие? Одно дело сказать, что объект возможен в соответствии с законами физики, другое — утверждать, что существует реальный путь его создания из составных частей. «Сложные молекулы не могут возникнуть просто так, поскольку комбинаторное пространство слишком велико», — поясняет Кронин.

Теория сборки дает последовательное и математически точное объяснение очевидной исторической обусловленности того, как создаются сложные вещи: почему, например, невозможно создать ракеты, пока не появится многоклеточная жизнь, затем люди, а потом цивилизация и наука. Существует определенный порядок появления объектов.

«Мы живем в рекурсивно структурированной Вселенной, — говорит Уокер. — Большинство структур должно быть построено на основе памяти о прошлом. Информация накапливается с течением времени».

Количественная оценка сложности

Теория сборки предполагает, что сложные объекты возникают в результате объединения множества более простых объектов. Объективно измерить сложность объекта можно, рассмотрев, как он был создан. Для этого вычисляется минимальное количество шагов, необходимых для создания объекта из его компонентов, которое называется индексом сборки (ИС).

Очень сложные объекты могут возникать в результате случайных процессов сборки. Например, можно создавать молекулы, похожие на белки, соединяя в цепочки любые аминокислоты. Но случайные молекулы не обязательно будут выполнять какую-то функцию, скажем, станут ферментами. Да и вероятность получения двух одинаковых молекул таким способом исчезающе мала.

Однако в биологии ферменты создаются вновь и вновь, поскольку они собираются не случайно, а на основе генетических инструкций, передаваемых по наследству из поколения в поколение. Таким образом обнаружение множества одинаковых сложных молекул маловероятно, если только не действует какой-то организованный процесс. Возможно, жизнь.

Кронин и Уокер пришли к выводу, что если молекула достаточно многочисленна, чтобы ее можно было обнаружить, то ее индекс сборки может указывать на то, что она была получена в результате организованного, похожего на жизнь, процесса. При этом неважно, насколько химический состав этой сложной молекулы идентичен земному. «Это особенно ценно при поиске форм жизни, которые могут не соответствовать земной биохимии», — считает Джонатан Лунин, планетолог из Корнельского университета и главный исследователь предполагаемой миссии по поиску жизни на ледяной луне Сатурна, Энцеладе.

При этом, по его словам, измерения, требуемые теорией сборки, можно проводить с помощью методов, уже используемых для изучения химии планетарных поверхностей.

Измерить саму жизнь

Перед учеными стояла задача найти быстрый и простой экспериментальный метод определения индекса сборки конкретных молекул. Кронин, Уокер и их коллеги разработали способ расчета минимального количества шагов, необходимых для создания различных молекулярных структур.

Результаты показали, что для относительно небольших молекул индекс сборки примерно пропорционален молекулярной массе. Но для более крупных молекул (скажем, больше небольших пептидов) эта зависимость нарушается.

В этих случаях исследователи пришли к выводу, что индекс сборки можно оценить с помощью масс-спектрометрии. Этот метод уже используется марсоходом Curiosity для определения химических соединений на поверхности Марса, а также космическим аппаратом Cassini для изучения молекул на Энцеладе.

Протестировав методику, исследователи обнаружили, что сложные соединения молекул (кишечные бактерии и дрожжи), как правило, имеют значительно более высокий индекс сборки, чем минералы или простые органические вещества. Эксперимент не дал ни одного ложноположительного результата: абиотические системы не могут иметь достаточно высокий индекс сборки, чтобы имитировать биологию, несмотря на то, что некоторые продукты живых систем имеют индекс сборки, свидетельствующий о неживом происхождении. Таким образом, если в другом мире измеряется образец с высоким индексом сборки, то, скорее всего, он был создан существом, которое мы можем назвать живым.

Кронин и его коллеги показали, что они могут измерять молекулярные индексы сборки при помощи двух других эффективных методов. Один из них, инфракрасная спектроскопия, может использоваться космическим телескопом Джеймса Уэбба для дистанционного изучения химического состава далеких планет.

Свобода от предопределенности

Согласно Теории сборки, такие объекты, как мы, не могут возникнуть сами по себе: сложные объекты могут возникнуть только в сочетании с другими. Это интуитивно понятно: Вселенная никогда не могла создать только одного человека.

Традиционная физика объясняет законы природы и предполагает, что конкретные результаты являются следствием конкретных начальных условий. С этой точки зрения, мы должны быть каким-то образом закодированы в первые моменты существования Вселенной. Но для того, чтобы сделать появление Homo sapiens (не говоря уже о вас) неизбежным, несомненно, нужны чрезвычайно точные начальные условия.

Теория сборки позволяет уйти от этой предопределенности. Начальные условия не имеют большого значения. Скорее, информация, необходимая для создания таких объектов, как мы, накапливалась в процессе космической эволюции. «Информация содержится в самом пути, — подчеркивает Уолкер, — а не в первоначальных условиях».

Физик-теоретик Кьяра Марлетто из Оксфордского университета совместно с физиком Дэвидом Дойчем разрабатывает аналогичную идею. Их подход, Теория конструкторов, рассматривает, какие типы преобразований возможны, а какие нет. «Теория конструкторов говорит о вселенной задач, способных выполнять определенные преобразования, — подтверждает Кронин. — Теория сборки добавляет в это уравнение время и историю».

Чтобы объяснить, как что-то существует в реальности, а что-то — нет, Теория сборки выделяет иерархию из четырех «Вселенных».

Во «Вселенной сборки» допускаются все перестановки основных строительных блоков. Во «Вселенной возможной сборки» законы физики ограничивают эти комбинации, так что лишь некоторые объекты могут быть реализованы. Третья вселенная, «Условная сборка», создает сужение огромного числа физически допустимых объектов путем отбора тех, которые действительно могут быть собраны по вероятным путям. Четвертая вселенная — это «Наблюдаемая сборка». Она включает в себя только те процессы сборки, что привели к появлению конкретных объектов, которые мы видим в действительности.

Теория сборки изучает структуру всех этих вселенных, используя идеи, взятые из математического исследования графов, или сетей взаимосвязанных узлов.

С этой точки зрения, есть важное отличие от традиционного подхода к теории эволюции Дарвина, который рассматривает жизнь как нечто, что «просто произошло», когда случайно возникли реплицирующиеся молекулы. Вместо этого сторонники теории сборки и теории конструктора ищут количественное понимание эволюции, уходящее корнями в физику, по словам Марлетто.

Так, согласно теории сборки, чтобы эволюция могла происходить, необходимы несколько копий объектов с высоким уровнем индекса сборки из числа возможных. По словам Кронина, на это способна только химия: сузить круг относительно сложных молекул до небольшого подмножества.

Таким образом, специфические условия пребиотической среды, температура или каталитические поверхности минералов, могли начать отбор молекул-предшественников жизни из числа возможных для сборки. И эта «химическая история» содержится в современных молекулах. Затем, с появлением эволюционного отбора, стало больше тех молекул, которые лучше воспроизводились. Именно поэтому ученые могут использовать молекулярные структуры белков и ДНК для выводов об эволюционных связях организмов.

«Мы пытаемся создать теорию, объясняющую возникновение жизни из химии, — поясняет Кронин, — используя строгий, эмпирически проверяемый способ».

Одна мера для всех?

Некоторые ученые скептически относятся к новому подходу. Например, Зенил считает, что, учитывая уже имеющийся значительный набор метрик сложности, например, сложности Колмогорова, теория сборки просто изобретает велосипед. Однако, по словам Марлетто, колмогоровская сложность предполагает наличие устройства, которое может собрать все, что позволяют законы физики. Такая система измерений подходит для «Возможной сборки», но не для реально существующих условий Вселенной «Наблюдаемой сборки». «Теория сборки, напротив, является многообещающим подходом, поскольку она фокусируется на операционально определенных физических свойствах, — поясняет Марлетто, — а не на абстрактных понятиях сложности».

Главным в новом подходе, по словам Кронина, является то, что он дает представление об истории создания сложного объекта. Поэтому создатели теории надеются, что она в конечном итоге позволит ответить на важные вопросы физики, такие как природа времени и происхождение второго закона термодинамики. Но эти цели пока далеки. В ближайших планах теория будет опробована в лаборатории. Но это может произойти и в «полевых условиях»: в поисках «живых» процессов, происходящих в инопланетных мирах.

Источник