что такое жизнь с научной точки зрения

Что такое жизнь с точки зрения науки.

Александр Гурьян.

Как пишут в научной литературе, энтропия – это стремление материи к хаосу. Хотя на самом деле – это определение бестолковое и малопонятное, как-то нелогично назвать хаосом состояние равновесия.

Но как было показано выше, закон возрастания энтропии просто обязывает материю, непрерывно усложняться.

Подтверждением этого факта является наличие в природе объектов различной сложности, от атома водорода, до атомов трансуранов и огромных органических молекул.В противном случае, эволюция вселенной была бы невозможна. Именно эти медленные и непрерывные усложнения в течении многих миллиардов лет, и привели к появлению высокомолекулярных белковых соединений и аминокислот, а в последствии, и к образованию сложнейших биологических организмов, которые мы называем живыми. Ученые и философы насочиняли множество определение понятия жизни, однако, ни одно из них не может быть исчерпывающим, потому что провести границу между живым и неживым так же невозможно, как невозможно отделить проводники от диэлектриков. Граница эта весьма условна и её можно провести, где угодно, в зависимости от принятых критериев определения живого.

Безграмотные заявления некоторых ученых о том, что «жизнь», якобы, не подчиняется второму началу и идет с убыванием энтропии, не имеют под собой абсолютно никаких оснований, так как такие процессы невозможны в принципе. Непонимание сути процесса эволюции материи, приводит к сочинению различных теорий о возникновении белковых молекул, в результате электрических разрядов в атмосфере. Хотя разряды и играли определенную роль в синтезе органических веществ, но они были просто одними из многочисленных благоприятных обстоятельств, способствующих процессу синтеза. Этот синтез высокомолекулярных соединений, наиболее интенсивно протекал в теплых болотистых местностях тропических и субтропических областей земного шара, в мелководных прибрежных зонах водоемов, где существовали благоприятные температурные условия, постепенно расширяя ареал обитания на средние широты.

Его вполне можно сравнить с работающим двигателем внутреннего сгорания, в котором также осуществляются автоматические процессы – подается горючее, смешивается с воздухом, сжимается в цилиндрах, поджигается и так далее. Достаточно нарушить один из них, как двигатель заглохнет. То есть умрет. То же самое происходит и с любым организмом, сбой одного или нескольких процессов, нарушает их согласованность, отточенную миллионами лет эволюции, и приводит к его разрушению. Правда двигатель легко реанимировать, достаточно заменить деталь или почистить контакты, что с остановившимся организмом не всегда может получиться. Потому что в биологическом организме, почти сразу же начинаются совершенно другие процессы синтеза, делающие реанимацию невозможной.

Логическое развитие единой теории поля, неизбежно приводит к совершенно ошеломляющему выводу, что то, что мы называем «жизнью», не является чем-то исключительным и таинственным, а является закономерным следствием процесса эволюции материи вселенной. И только непониманием этого обстоятельства объясняется то, что еще многие ученые до сих пор безуспешно пытаются найти разгадку отличия живого от неживого, по сути, ломясь в открытую дверь. Именно детская ограниченность человеческого разума привела к возникновению учений о некоем высшем существе, которое, непонятным образом, создало эту вселенную и сотворило все «живое», поместив его на планету с комфортными условиями проживания. Абсурдность этих учений становится очевидной, если задать авторам и их последователям пару простых вопросов.

Вопрос первый : а для чего, собственно, всемогущему существу, которое ни в чем не нуждается, этот геморрой с человечеством, которое только и делает, что постоянно воюет, грабит и убивает друг друга? И вопрос второй: а что, у этого всемогущего существа не хватило ума решить эти проблемы еще на стадии проектирования?

Отсутствие ответов на это простые вопросы доказывает, что это всемогущее существо, не более чем плод фантазии людей, создавших его по своему образу и подобию. Верить в то, что это всемогущее разумное существо может быть таким примитивным и жестоким, в высшей степени нелепо и бессмысленно. Более того несмотря на то, что это существо обещает людям вечное блаженство в загробном мире, никто почему-то особенно не торопится воспользоваться этим обстоятельством, а совсем наоборот, очень многие бьются над разработкой методов продления своего существования, на этом свете. Пытаясь почему-то, как можно дольше оттянуть момент получения вечного блаженства. Для этого даже придумали криогенные камеры, где замороженные трупы важных (с их точки зрения) людей будут храниться до тех пор, пока человечество не найдет способа оживить их и вылечить. Но, собственно, для чего? А все потому, что даже самые глубоковерующие религиозные фанатики, в глубине души осознают ту неизвестность, которая ожидает их после смерти. Ведь человек создал себе бога именно из страха смерти, для собственного успокоения. И даже поднимаясь по лестнице познания, он постоянно совершенствует свою придумку. Вместо ветхозаветного и примитивного божества, теперь в мозгах полуграмотных верующих фигурирует уже некий высший разум, который, по-видимому, от скуки занялся животноводством и создал человека в каких-то своих научных целях…

«Жизнь», как уже было сказано, это следствие процесса эволюции материи и процесс этот бесконечен. И мысль продлить то, что уже само по себе бесконечно, может прийти в голову только крайне недалекому и ограниченному уму. Бесконечная вселенная просто кишит планетами с подходящими условиями, где уже существуют биологические организмы, и человечество Земли сможет наладить с ними контакт, если к тому времени не погибнет в какой-нибудь космической катастрофе, что для материи не имеет абсолютно никакого значения. Так как процесс эволюции материи охватывает всю бесконечную вселенную и подчинен единственному закону, человек, как биологический механизм, постоянно воспроизводится природой заново и, в принципе, живет бесконечно. Однако, еще не осознавая того, что начиная каждую новую «жизнь» с нуля, он не может помнить предыдущие «жизни».

Этот необычный вывод, по сути, выглядит неким обоснованием буддизма, но не как религии, а как интуитивного научного мировоззрения с реинкарнацией, не только души, но материального тела. Человек рождается с, практически чистым, как лист бумаги, мозгом и ему каждый раз приходится, в течении всей жизни учиться заново, наполняя его знаниями. Собственно говоря, сознание, как свойство высокоорганизованной материи, формирующееся в результате воспитания и обучения, и исчезающее бесследно после смерти организма, вместе со всеми, накопленными в течении жизни, знаниями, – это и есть наша душа. Душа, которая, так же, как и тело, постоянно формируется заново.

Источник

Что такое жизнь?

Первооткрыватели двойной спирали ДНК Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон пришли к молекулярной генетике (один из физики, другой из зоологии), как сами признавались, благодаря этой книжке. Прочитав ее, они поняли, где в науке будет прорыв. И сами этот прорыв совершили: открыли структуру ДНК и способ ее «размножения».

Современный физик и математик Роджер Пенроуз, сам прекрасный популяризатор и мастер задавать вдохновляющие вопросы, считает, что эту книгу «непременно следует поставить в один ряд с самыми влиятельными научными трудами XX века».

«Что такое жизнь» и сейчас читают самые романтические и широко мыслящие школьники и первокурсники, да и маститые ученые, хотя Эрвин Шрёдингер даже не знал, что такое ферменты и что гены кодируются ДНК.

Наука как искусство задавать вопросы

Эрвин Шрёдингер вдохновляет уже тем, что задает, казалось бы, наивные, но самые главные вопросы. Ровно так, как любят задавать вопросы дети, коты и гении. И задает их так, что скучный человек хочет от него отмахнуться, а остроумный начинает отвечать со всей кошачьей серьезностью.

Но как он задавал вопросы и какие?

Почему атомы так малы?

Этот вопрос звучит по-детски. Скучный взрослый на него ответит: «Уж какие есть, такие родились». Остроумный зануда заметит: «Маленькие в сравнении с чем? Не бывает просто маленького или большого, все познается в сравнении». Шрёдингер пишет:

В атомной физике за единицу длины принят так называемый ангстрем (А), равный 10

10 метра (м) или в десятичной записи 0,0000000001 м. Диаметр атомов лежит между 1 и 2 А. Единицы же длины, по сравнению с которыми атомы так малы, прямо связаны с размерами нашего тела.

Бытует легенда, которая приписывает происхождение ярда чувству юмора одного английского короля. Когда советники спросили его, что принять за единицу длины, он вытянул руку в сторону и сказал: «Возьмите расстояние от середины моей груди до кончиков пальцев, это и будет то, что надо». Было так или нет, но этот рассказ имеет прямое отношение к нашему вопросу. Естественно, что король хотел указать длину, сравнимую с длиной его тела, так как он знал, что иначе мера будет очень неудобной. При всем своем пристрастии к ангстремам физик все-таки предпочтет, чтоб ему сказали, что на его новый костюм потребуется 6,5 ярда твида, а не 65 тысяч миллионов ангстремов.

Почему гены все же существуют?

Теперь мы знаем, что такая точка зрения была бы ошибочной. Как мы сейчас увидим, невероятно маленькие группы атомов, слишком малые, чтобы проявлять точные статистические законы, играют главенствующую роль в весьма упорядоченных и закономерных процессах внутри каждого организма.

Мы теперь серьезно стоим перед вопросом: как можно с точки зрения статистической физики примирить то, что генная структура, по-видимому, включает в себя только сравнительно малое число атомов (порядка 1000, а возможно, гораздо меньше) и все же проявляет весьма регулярную и закономерную активность и такое постоянство, какое граничит с чудом.

И действительно, структура двойной спирали ДНК, открытая Уотсоном и Криком в 1953 году, очень похожа на «апериодический кристалл». Смотрите, цепь дезоксирибонуклеиновой кислоты состоит из одинаковых частей: сахара дезоксирибозы и фосфатной группы, внутри комплементарными парами идут азотистые основания. И получается, что цепь похожа на периодический кристалл, а основания пишут апериодический текст нашего генома.

Как могут сворачиваться белки

Здесь хочется рассказать историю одного недавнего красивого научного результата, про который не мог знать Шрёдингер, но зато эта история содержит «странный и нелепый» парадокс в духе его книги.

Для короткого белка в 100 аминокислот количество вариантов структуры составило бы примерно 10100, их «тупой» перебор занял бы примерно 1080 лет, если на переход из одной структуры в другую заложить лишь 10-13 секунды.

Этот парадокс разрешил Алексей Финкельштейн с коллегами в пущинском Институте белка. Оказалось, что белок сворачивается, не перебирая все варианты, а исключая неподходящие по дороге. Он начинает упаковываться по частям. Например, часть цепочки сворачивается в спираль или фрагмент будущего клубка. Уже свернутый фрагмент клубка больше не разрушается и не участвует в переборе вариантов, они оказываются очень стабильными. К ним постепенно присоединяются остальные части цепи. Для белка в 100 аминокислот количество вариантов оценивается не в 10100, а «всего» в 10100*2/3, что дает наблюдаемое в экспериментах время (удивительно: небольшое изменение формулы степени кардинально меняет результат).

То есть молекулы в живых системах ведут себя по законам физики, но не вполне случайно: они словно накапливают порядок, как будто «по плану».

Что мы едим, когда едим?

Удивительная способность ДНК и белков строить себя, свою структуру (сейчас мы знаем, что внутри живой клетки им помогают другие белки, нуклеиновые кислоты и целые машины, состоящие из них) тоже была угадана Шрёдингером в рассуждении о жизни как функции порядка.

И здесь он начал с «наивного» вопроса. Все знают, что организмы живут благодаря обмену веществ: нам нужно питаться, чтобы жить. Но Шрёдингер пишет:

…Представляется нелепостью, чтобы главным был именно обмен веществ. Любой атом азота, кислорода, серы и т. п. так же хорош, как любой другой атом того же элемента…

Мы потребляем не просто вещества, их в организме полно. И даже не энергию, ведь общая энергия организма более-менее постоянна. Но он все равно нуждается в веществах и энергии. Наверное, эти вещество и энергия должны быть особенными.

Интересно, если люди сделают такого робота, они будут считать его живым?

Новые вопросы

А если бы Эрвин Шрёдингер писал такую книжку сейчас, какие бы вопросы он поставил, чтобы вдохновить ныне живущих молодых ученых?

Тем не менее в биологии до сих пор остаются удивительные наивные вопросы. Артем Оганов сформулировал два, самых волнующих.

Как произошла жизнь?

Мы понимаем, что жизнь, вполне вероятно, началась с молекул РНК, которые очень похожи на ДНК, но любят сворачиваться не только в двойные спирали, но и в разные прихотливые, при этом довольно стабильные конфигурации. Некоторые из них могут помогать строить себя, то есть размножаться. Но как возникла сама РНК? Возможность ее синтеза из простых веществ недавно была показана. Но в какой обстановке она возникла? Каким был первый организм? А кто такие вирусы? Это паразиты, сформировавшиеся из более сложных существ, или они подсказывают нам, как выглядели первые организмы? Вопросов множество.

Что такое сознание?

Ненаучный вопрос напоследок

Но Шрёдингер не сомневался в наличии свободы воли, а в последней главе, извиняясь перед читателями, позволяет себе пофилософствовать:

1. Мое тело функционирует как чистый механизм, подчиняясь всеобщим законам природы.

2. Однако из неопровержимого, непосредственного опыта я знаю, что я управляю действиями своего тела…

Ни в каком случае здесь нет потери личного существования, которую надо оплакивать.

Источник

Что такое Жизнь во Вселенной: четыре базовых принципа вместо трёх характерных функций

Данная статья мотивирована необходимостью построить более общую картину, что такое жизнь (и какой она может быть) по отношению к остальным явлениям во Вселенной.

(Является переводом довольно любопытной научной статьи от 16 апреля 2020 года).

Введение. Зачем нужно новое определение для жизни?

Попасть сложно из-за слишком маленькой целевой зоны

Это не самая выгодная зона для попадания (гораздо лучше целиться в 3х60)

Есть множество других довольно выгодных участков для прицеливания

Следовательно, при поиске внеземной жизни мы должны учитывать, что:

Жизнь, очень точно подходящая под признаки той, с которой мы знакомы, может быть очень редкой во Вселенной, однако более общий класс жизнеподобных феноменов может быть куда более распространённым.

Могут существовать системы, которые только предстоит открыть или хотя бы представить, и они будут более успешно удовлетворять критериям жизни, даже по сравнению с земной.

Ослабив наши ограничения в определении жизни, мы откроем весь спектр параметров физических и химических взаимодействий, которые могут создавать жизнь.

Так же нас мотивируют жаркие споры в области происхождения жизни, которые разделили исследователей на множество лагерей, в каждом из которых спорщики ищут свой, «единственно истинный» сценарий появления жизни. Мы утверждаем, что большая часть споров произошла из-за различий в предположении о том, что есть жизнь и, соответственно, каким было её начало.
Переопределяя сам термин «жизнь», мы надеемся, что это поможет более глубокому взаимопониманию и информационному обмену между сообществами исследователей.

Характерные функции жизни

Другой взгляд предполагает существование неких «законов сохранения», подобных тем, что играют важную роль в физике и инженерии. То есть какие-то материальные и функциональные ограничения, которые присущи для жизни с самого начала. Любая система, которая не соответствует этим ограничениям не может называться жизнью (в рамках этого подхода).
Одним из примеров такого подхода является «принцип сохранения химии», на который ссылаются в [3 ]. Их аргумент выглядит таким образом: «Химические свойства организмов более консервативны, чем изменяющаяся окружающая среда, и поэтому сохраняют информацию о древних условиях окружающей среды» [4 ]. В соответствии с этим принципом поиск контекста происхождения жизни, по сути, представляет собой поиск пребиотических сред, максимально приближенных к клеточным условиям.

Рисунок 1. Три распространённых примера характерных функций жизни в теориях её происхождения.

Примерами характерных функций являются репликация РНК по шаблонам, циклы реакций, формирующие ранние виды метаболизма и изоляция систем липидными мембранами от окружающего мира (рис. 1). Это приводит к возникновению различных «первичных» теорий возникновения жизни. Например, в так называемой «гипотезе мира РНК» считается, что «согласно теории эволюции Дарвина неживая материя должна самоорганизоваться до получения поведения, которое мы приписываем биологии»[5 ], а наступление дарвинизма произойдет с абиотическим образованием длинноцепочечных РНК-полимеров.

Лабораторные эксперименты показывают, что приповерхностные среды, подверженные УФ-излучению и (возможно, эпизодическому) взаимодействию с атмосферными условиями и/или снабжаемые подходящими молекулами из внешних источников, идеально подходят для синтеза РНК, например [12 ].

С другой стороны, глубоководные щелочные гидротермальные источники являются центрами фокусировки окислительно-восстановительных процессов и неравновесия рН, которые могут приводить к возникновению протометаболических циклов, например, [6 ].

Однако, геотермальные пузырьки благоприятны для спонтанной самосборки липидных везикул, что отчасти обусловлено низкими концентрациями двухвалентных катионов [13 ].

Каждая теория, пытающаяся объяснить какую-то характерную функцию, присущую земной биологии, содержит неявное предположение о том, что эта самая характерная функция присутствовала при появлении жизни и что она является основополагающей.

Однако, учитывая изначальное отсутствие ископаемых или геологических свидетельств, нет почти никаких доказательств того, что какая-либо из этих функций действительно присутствовала в начале жизни.

Горизонт событий исследований происхождения жизни

Существует «горизонт событий», как подходящий по смыслу термин из астрофизики, в исследованиях происхождения жизни (рис. 2).

Подходы «сверху-вниз», такие как молекулярная филогенетика, используют подсказки из сохранившейся жизни, чтобы проследить историю жизни в направлении ее происхождения. Такой подход может привести нас только до LUCA.

Подходы «снизу-вверх», направленные на моделирование синтеза пребиотических молекул и/или наступление протоживых структур и функций, могут в один прекрасный день привести к созданию абиогенеза. Однако такое «пробное происхождение» не будет являться LUCA.

Рисунок 3. Невозможность различия сценариев происхождения жизни при подходе «сверху-вниз».

Кроме того, нисходящие подходы ограничены в своем понимании происхождения жизни, поскольку дерево жизни, которое мы видим сегодня, может быть достигнуто самыми разными теоретическими сценариями (рис. 3). Эти сценарии могут включать в себя множество никогда не сходящихся генов, в результате чего образуются совершенно разные геномные ветви, которые либо уже вымерли, либо все ещё присутствуют в качестве «теневой биосферы» [15 ].

Исторический vs Синтетический vs Универсальный сценарии происхождения

Следовательно, различные сценарии, разработанные исследователями, затрагивают не один, а множество научных вопросов. Одним из них обычно является происхождение жизни на Земле, которое распространяется и на генезис земноподобной жизни на других мирах.

Однако существует совершенно отдельный вопрос о происхождении «жизнеподобных» систем, как земных, так и неземных, в инопланетных средах.

Ещё один вопрос заключается в том, как мы могли бы создать полностью искусственные структуры, но которые мы бы считали живыми.

Эти разрозненные цели и задачи могут привести к тому, что сообщество исследователей столкнётся с проблемой «лебедя, рака и щуки» (вместо взаимопомощи), излишних споров (вместо консенсусного обмена идеями) или апатии (вместо подлинного интереса к работам друг друга).
В этой статье вводится новый словарь и новое определение жизни в ответ на эти опасения.

Определение Y-жизни

Y-жизнь представляет собой любое гипотетическое явление во Вселенной, которое удовлетворяет фундаментальным принципам живого состояния, независимо от типов эксплуатируемых неравновесий либо компонентов. Y-жизнь представляет собой любое гипотетическое явление, которое поддерживает своё низкоэнтропийное состояние путём диссипации и конверсии термодинамических неравновесий, использует цепи автокаталитических реакций для достижения нелинейного роста и распространения, использует гомеостатические регулирующие механизмы для обеспечения стабильности и смягчения внешних возмущений, а так же собирает и обрабатывает функциональную информацию об окружающей среде.

Понятие «жизнь, какой мы ее не знаем» не ново. Тем не менее, традиционные определения жизни не позволяют строго разграничить понятия «жизнь, какой мы ее знаем» и «жизнью, какой мы ее не знаем». Их расплывчатость не позволит нам вынести какой-то определённый вердикт, если разница между двумя категориями велика.

Например, согласно определению жизни, данному НАСА (см. введение), следует ли считать самоподдерживающуюся химическую систему, которая развивается не по Дарвину, «жизнью, какой мы её не знаем» или вообще не стоит её считать жизнью?

Чтобы исправить это, мы и разработали наши критерии Y-жизни на основе четырех фундаментальных процессов.

Это и есть 4 базовых принципа из заголовка статьи и их подробное описание выглядит так:

Хотя эти четыре принципа Y-жизни являются производными от наблюдений за жизнью в том виде, в котором мы ее знаем, новое определение намного более расширяемое. Эти четыре принципа представляют собой необходимые и достаточные требования к Y-живому состоянию, оставаясь при этом отделёнными от конкретных компонентов, составляющих систему.

Это иллюстрируется тем фактом, что существует множество систем, которые выполняют те же самые принципы, но достаточно отличаются друг от друга по форме (обсуждается далее). Следовательно, универсальность термина Y-жизнь вытекает из разумного ожидания того, что он может быть применен к еще неизведанным (или не изобретенным) системам, существующим в бесчисленных масштабах по всей Вселенной.

Может даже существовать класс систем, еще не открытых и не описанных, которые соответствуют всем четырём принципам Y-жизни, и, в дополнение, соответствуют некоторому пятому. Такие системы могут считаться Y-сверхживыми. Хотя открытие Y-сверхжизни, безусловно, стало бы началом новой научной парадигмы, мы пока что сохраняем агностицизм в отношении его существования.

Мы хотим подчеркнуть, что наше определение Y-жизни применяется на системном уровне. Принципы, которые могут быть применены к некой системе, зависят, в частности, от границ, которыми мы обозначаем эту систему. Например, какие принципы выполняют вирусы? Один вирус по отдельности не соответствует ни одному из принципов.

Вирусы в системе, состоящей из вирусов, бактерий и питательных веществ, могут совершать автокатализ и, путём разрушения своих жертв, диссипировать.

Вирусы в биосфере в целом, могут совершать не только автокатализ и диссипацию, но и обучаться (в процессе эволюции).

В некоторых экосистемах вирусы могут даже придавать системе гомеостатические атрибуты, вводя клеткам-хостам вспомогательные метаболические гены и поглощая органическое вещество через лизис [45 ].

Мы также отмечаем, что важность и актуальность этих принципов отделены от той легкости, с которой мы можем измерить их присутствие.

Для примера, измерение автокаталитического свойства, скорее всего, будет нетривиальным, если только рассматриваемые организмы/системы не могут быть культивированы. В частности, получения биосигнатур с удаленных экзопланет, вероятно, будет недостаточно для выявления автокаталитических свойств, если только эти сигнатуры не собираются в течение очень длительных периодов времени.

Следовательно, для этого принципа существует разделение между значимостью (это свойство имеет основополагающее значение для определения Y-жизни) и легкостью измерения (его может быть нелегко оценить).

Однако иногда автокаталитическое свойство проявляется очень драматично. Пока мы пишем эту статью, мир переворачивается с ног на голову сущностью, которая одновременно считается неживой и состоит только из небольшого генома РНК и набора белков. Каждая диаграмма, которая отслеживала COVID-19, показывала экспоненциальный рост (автокатализ) в первой фазе, демонстрируя как крошечные биологические сущности могут показать экстремальные нелинейные динамические изменения в короткое время.

Y-субжизнь

Помимо предоставления простого «контрольного перечня» критериев для определения того, является ли динамическая система живой или нет, эти четыре принципа также позволяют нам рассмотреть Y-жизнь в контексте других явлений во Вселенной.

Мы определяем Y-жизнь как любую систему, которая выполняет все четыре столба, и Y-субжизнь как любую систему, которая выполняет некоторые, но не все эти функции (рис. 5).

Что касается гомеостаза в системах равновесия (область 2 на Рис. 5), то здесь есть некоторые тонкости. Наше утверждение о том, что гомеостаз происходит в изолированных системах, заключается просто в том, что они являются архетипами устойчивости (по определению). Однако этот вопрос может быть спорным. Можно утверждать, что в момент флуктуации происходит мгновенное создание свободной энергии. Однако, использование такого колебания потребовало бы измерений и обработки информации, и, как показано в [56 ], для этого в системе с ограниченным количеством памяти потребуется стирание, которое не может быть сделано бесплатно, а значит, свободной энергии, создаваемой колебаниями системы равновесия, на самом деле не существует.

В целом любое возмущение такой системы исчезнет за конечное время по мере уравновешивания системы, поэтому мы допускаем гомеостаз в системах равновесия (однако, биологические гомеостатические процессы, как правило, происходят за счет потребления свободной энергии).

Существует несколько примечательных макромолекулярных комплексов, которые являются как диссипативными, так и автокаталитическими, но не обязательно гомеостатическими (области 3 и 6 на рис. 5).

Например, интернет-мемы явно являются автокаталитическими и диссипативными (учитывая затраты на вычислительную энергию, связанные с их распространением и коммуникацией). Кроме того, система «участие в социальных медиа плюс мемы» учится коллективно, и тем самым оказывается в регионе 6 на рис. 5.

На наш взгляд, вероятно также, что относительно простые системы, способные к рудиментарной обработке информации, могут возникнуть изначально и что способность этих систем со временем оптимизировать свои диссипативные, автокаталитические и гомеостатические черты определит их конечную судьбу (см. также [66 ]).

Например, первая жизнь на Земле почти наверняка не использовала ДНК для хранения информации или какие-либо узнаваемые ферменты в своей метаболической сети. После бесчисленных колебаний между случайностью и необходимостью эволюция всё же породила знакомые нам макромолекулы, которые мы наблюдаем сегодня. Далее мы покажем, как понятие «Y-жизнь» может изменить наши подходы к исследованию истоков жизни.

Y-жизнь и исследования происхождения жизни

Идея о том, что эти три характерные функции определяют необходимые и достаточные условия жизни, была подробно теоретически исследована в области создания искусственной жизни и концепций аутопоэзис [67 ] и «Хемотон» [68 ].

Рисунок 6.

На рисунке 6 показан «куб», вершины которого представляют живые системы с различными комбинациями компонентов, выполняющих три характерные функции. На одной вершине жизнь выполняет эти характерные функции, используя механизмы РНК/ДНК, хемиосмоса и липидных мембран. Вы можете удалиться от земной жизни на 1, 2 или 3 шага по ребрам этого куба и получить самые различные комбинации.

Рисунок 7.

Рассмотрим сверхсовременный японский поезд Синкансэн (с «метаболизмом», основанном на сверхпроводящих магнитах, охлаждаемых жидким гелием, «компартментализацией» из композиционных материалов, таких как углеродное волокно, полимеры и сплавы, и «обработкой информации» с помощью системы компьютерного управления). Изучая Синкансэн и ничего больше не зная, можно ли определить, как выглядел первый локомотив («метаболизм», осуществляемый при сжигании ископаемого топлива, «компартментализация» из чугуна и древесины, и «обработка информации» в виде бортпроводника)?

По нашему мнению, истина, вероятно, наиболее близка к гибриду этих «веревочных» и «луковых» концепций. Появление жизни и ранние стадии, вероятно, хорошо представлены концепцией веревки, в которой различные волокна соединяются, вносят свой вклад и покидают веревку. Основываясь на аналогии с «длинной веревкой», мы предполагаем, что «поглощения» Кэрн-Смита могли быть скорее внезапными, чем постепенными.

Однако, как только эволюция наткнулась на волокно с превосходной эффективностью или стабильностью, эта особенность быстро интегрируется и становится центральной нитью веревки жизни, навсегда укореняясь в молекулярном ядре биосферы. Слои функций, накапливающиеся вокруг центральной нити веревки, предотвращали бы потерю основных компонентов из веревки. Это приводит к «луковичной» истории, которую можно разобрать на части с помощью современных методов, таких как молекулярная филогения и метаболомика.

Обратите внимание, что «фиксация» функциональности происходит во многих сложных системах, включая экономические, технологические и политические. Системные ядра, которые взаимодействуют со многими более высокоуровневыми подсистемами, становятся настолько функционально связанными с различными модулями, что любые изменения в ядре будут вредными или катастрофическими для согласованного целого.

Это может быть верно, даже если существуют более совершенные системы-кандидаты на создание ядра. Например, многие европейские города в течение долгого времени росли органически и теперь имеют несколько фрактальную организацию. Сравните это с гораздо более спланированными сетчатыми структурами американских городов. Изменение фундаментальной структуры европейских городов в настоящее время слишком дорогостоящее, поэтому они надолго застряли с их спонтанными планировками.

Также вполне вероятно, что современные компоненты основных биохимических систем изначально выполняли различные функции. Биосфера изобилует примерами такой экзаптации: смена функции или кооптация компонента для другого использования. Перья изначально давали тепло и сигнальные способности и только позже стали орудиями полета. Крылья, вероятно, использовались для увеличения скорости бега прежде чем стали использоваться для полета [74 ]. Водный окислительный комплекс, возникший в эпоху кислородного фотосинтеза, возможно, изначально использовался для окисления марганца [75 ]. Дальнейшие примеры экзаптации смотрите в работе [76 ].

Таким образом, мы должны быть осторожны в попытках объявления однозначной универсальности того или иного компонента в современной биосфере и его необходимости для появлении жизни.

Возможно, длинные нити нуклеотидов не были первой системой обработки информации. Возможно, полифосфатные цепи не были первой «энергетической валютой» жизни. Возможно, первые мембраны не состояли из органических углеводородов.

Сценарии происхождения жизни, которые ищут абиотические пути синтеза специфических «строительных блоков» жизни, основываются на предположении, что эти молекулы: (1) стояли у истоков жизни; (2) выполняли те же функции в истоках жизни, что и сегодня; (3) проявляли функциональность сразу после формирования, т.е. после синтеза и начала применения всех компонентов жизни их способность к сложной обработке информации просто взяла и появилась (некоторые даже описывали это третье предположение как форму современного «витализма» [77 ]). Этот узкий подход неизбежно слеп к сценариям, в которых жизнь могла бы начинаться с использования альтернативных компонентов, как это могло бы произойти не только на Земле, но и в других местах Вселенной.

Итак, исследуя возникновение жизни, что же мы ищем, если не конкретные биомолекулы? Определение Y-жизни дает ответ: мы ищем систему, которая демонстрирует диссипацию, автокатализ, гомеостаз и обучение. Основываясь на общих процессах, а не на конкретных компонентах, выполняющих конкретные задачи, мы открываем свой разум для исследования всех систем, которые отображают эти возникающие свойства, освобождая себя от ограничений точных химических рецептов, рецепты которых содержат предположения, которые могут ограничить наши исследования появления во вселенной поведения, похожего на жизнь.

Какой может быть Y-жизнь? Примеры альтернативных компонентов в гипотезах происхождения жизни

Сообщество исследователей происхождения жизни выдвигает множество гипотез, которые предполагают поэтапное возникновение через Y-жизнеподобные фазы. Используя нашу классификацию, эти возникающие системы можно было бы классифицировать как Y-живые или Y-субживые, потому что они используют радикально отличные от современной жизни компоненты для достижения одного или более из базовых принципов жизни. Данная глава описывает несколько важных примеров гипотез происхождения, которые используют альтернативные компоненты.

В гипотезах возникновения, затрагивающих гидротермальные системы, компартментализация достигается не за счет самопроизвольной компоновки липидных мембран, а за счет лабиринта неорганических поровых пространств минералов. Только после изобретения биосинтеза липидов и последующего изобретения биохимии клеточных стенок появились живые клетки, выходящие из гидротермальных границ [95 ]. Однако до того, как они стали свободноживущими прокариотами, сложные химические сети, размещённые внутри их минеральных оболочек, все еще можно было считать Y-живыми (или Y-субживыми до достижения всех четырех базовых принципов).

Y-Жизнь на Титане

Механотрофы

Рисунок 8.

Почему этот процесс не может быть обращен вспять для питания механотрофного организма? Представьте себе одноклеточный организм в проточной воде, прикрепленный к скале через тросоподобную нить. Предположим, что такой организм оснащен типом жгутиковых моторных белков, которые были изучены у плавающих бактерий или одноклеточных эукариот. Поток воды вызывает вращательное движение жгутиковых нитей, и это вращательное движение используется для синтеза АТФ (или, возможно, какого-либо другого эндергонического химического шага в более экзотической Y-жизни), как показано на рис. 8. Реально ли это, зависит от термодинамических и гидродинамических условий.

Обратите внимание, что такой механотрофный организм может иметь конструкцию, отличающуюся от той, которую архетипичная бактерия использует для плавания. Например, он может использовать жёсткий к скручиванию трос, прикрепленный к молекуле молекулярного генератора (жгутик приводится в движение), и вся клетка может вращаться вокруг комплекса трос-генератор. В этом случае жгутик фиксируется относительно тела ячейки (на противоположном конце тросо-генераторного комплекса) и вместе с ячейкой вращается.

Гидродинамические детали, эффективность и энергия такого организма будут детально изучены в будущей работе. Здесь мы просто хотим подчеркнуть возможность существования такого организма. Это был бы наглядный пример Y-жизненной формы, хотя не исключено, что такой организм существует на Земле, но до сих пор просто остался незамеченным.

Заключение (от переводчика)

Все источники вы можете увидеть в оригинальной статье. Я не стал полностью убирать ссылки на них в переводе, так как это затрудняло корректную передачу смысла. Авторы очень многословны, поэтому некоторые, незначительные для общего сюжета абзацы я не стал включать в текст.

Я перевёл эту статью, так как она может помочь взглянуть по новому на некоторые социально-экономические явления, а так же помочь исследователям в области машинного обучения (коим я сам являюсь) нащупать путь к созданию сильного искусственного интеллекта.

Источник