Международная команда биологов, физиков и математиков опубликовала в журнале Interface Focus статью, которая выводит эти вопросы из области научной фантастики в область научных законов.
Ученые исследовали фундаментальные ограничения для развития любой жизни
Международная команда биологов, физиков и математиков опубликовала в журнале Interface Focus статью, в которой ставятся самые общие вопросы о возможных формах жизни. Без чего никакая форма жизни невозможна? Ученые попытались дать ответ.
Эрнест Геккель клетка радиолярии (1862). Авторы работы считают, что Геккель все понимал правильно, потому что чувствовал некоторую общую логику живого. Public domain
Внеземная и искусственная жизнь уже давно завораживает человеческий разум. Но зная лишь нашу собственную биосферу, можем ли мы предсказать, какой может быть жизнь на других планетах? Какие факторы будут влиять на те формы жизни, которые мы надеемся создать в лабораториях здесь, на Земле?
Ученые пишут: «Исторический характер эволюции делает ее процессом, сильно зависящим от ее пути. Согласно этой точке зрения, результатом эволюционной динамики могли бы стать организмы с различными формами и функциями. В то же время существует множество доказательств того, что конвергенция и ограничения сильно сокращают потенциальные принципы дизайна, которых может достичь эволюция. Имеют ли эти ограничения значение для формирования структуры возможного? Мы утверждаем, что фундаментальные ограничения связаны с логикой живой материи. Мы проиллюстрируем эту идею, рассмотрев термодинамические свойства живых систем, линейную природу молекулярной информации, клеточную природу строительных блоков жизни, многоклеточность и развитие, пороговую природу вычислений в когнитивных системах и дискретную природу архитектуры экосистем. Во всех этих примерах мы приводим имеющиеся доказательства и предлагаем потенциальные пути к четко сформулированной теоретической формулировке»
Логика жизни
Циклические структуры характеризуют диссипативные системы, которые достигают неравновесных устойчивых состояний под действием внешних факторов. В абиотической системе, такой как клетка Бенара (a), градиент температуры приводит к образованию ячеек, которые переносят тепло путем циклической конвекции. В живых системах химическая энергия приводит в движение метаболические циклы, такие как цикл лимонной кислоты (b), который играет важнейшую роль в производстве энергии и биосинтезе. На рисунке указаны как промежуточные метаболиты цикла, так и ферменты.
Рассмотрев примеры из термодинамики, вычислений, генетики, клеточного развития, науки о мозге, экологии и эволюции, авторы статьи пришли к выводу, что некоторые фундаментальные ограничения не позволяют некоторым формам жизни существовать.
Линейные полимеры, информация и вычисления. Некоторые молекулярные события связаны с хранением и обработкой информации, например репликация ДНК (а) или транскрипция (б), или обратная транскрипция РНК в ДНК у вирусов (в). Во всех этих примерах участвуют линейные полимеры, которые «считываются» специальными наномашинами (ДНК- и РНК-полимеразами или обратной транскриптазой). Классическая модель вычислений, определенная Тьюрингом (d), включает машину с внутренними состояниями, которая сканирует линейную строку символов (здесь из нулей и единиц) и изменяет свои внутренние состояния в процессе вычислений.
Логика самовоспроизводящихся живых «машин». Клетки размножаются с помощью сложного процесса, который использует ДНК в качестве набора инструкций, но требует также ДНК для репликации. Согласно теории фон Неймана (а), формальная машина, способная копировать саму себя, должна иметь набор инструкций для создания новой машины в некоторых контролируемых состояниях, чтобы инструкции также воспроизводились. В биологии одним из важнейших компонентов клеточного механизма перевода является рибосома (b), состоящая из двух субъединиц (RibLU и RibSU), которые «считывают» строки РНК для синтеза белков, играя роль конструктора. В молекулярной, воплощенной реализации воспроизводства клетки должны взаимодействовать самоорганизованные взаимодействия между компраментом (закрытой частью внутри клетки, окруженной мембраной, например, клеточной органеллой), метаболизмом и информацией. Пример простой реализации показан в (c) для синтетической клетки, включающей компрамент, связанный с двухцепочечными полимерами и минимальным метаболизмом. Здесь предшественник ?? превращается в липиды (?), которые обеспечивают рост мембраны до тех пор, пока некоторая нестабильность не вызовет деление.
Среди обязательных требований к любой возможной форме жизни — снижение энтропии (что включает, например, способность к регенерации), наличие клетки, то есть некоторой закрытой камеры, как обязательной единицы жизни, а также система — например, мозг, — которая интегрирует информацию и принимает решения с помощью нейроноподобных единиц.
Авторы приводят исторические примеры, когда люди предсказывали те или иные сложные свойства жизни, которые впоследствии подтверждались биологами. В качестве примера можно привести представление великого физика Эрвина Шредингера об информационных молекулах как «апериодических кристаллах» или моделирование, проведенное в середине XX века, предсказывающее, что паразиты необходимы для эволюции сложной жизни.
То, что исторические правильные предсказания были возможны практически без каких-либо доказательств, по мнению ученых говорит о том, что все живые системы подчиняются универсальной логике. Но эту логику еще предстоит выявить и описать. Сделан только первый шаг.