Физици проверяват в лаборатория нова хипотеза за произхода на живота

Съвременната физика може да обясни много неща – от въртенето на най-малката частица до поведението на цели галактически клъстери. Но тя не може да обясни живота. Просто няма формула, която да обясни разликата между живата и мъртвата частица материя. Изглежда, че животът просто мистериозно се „появява“ от неживи части, такива като елементарните частици.

Теорията за асемблирането е смел нов подход за обяснение на живота на фундаментално ниво, чиито основи бяха публикувани наскоро в списание Nature. Тя предполага, че в основата на всичко стоят сложността и информацията (като например ДНК). Теорията дава представа за това как тези понятия възникват в химичните системи.

Емерджент е дума, която физиците използват, за да обяснят как едно нещо е повече от сумата на своите части – например как водата може да се чувства мокра, когато отделните водни молекули не го правят. В този случай мокротата е емергентно (възникващо) свойство.

Въпреки елегантността на математиката, една теория може да бъде надеждна, само ако се тества в лабораторни условия. Внимателно планираните експерименти, като тези, които аз и моите колеги провеждаме в момента, ще допринесат много за обосноваването на абстракциите на теорията на асемблирането в химическата реалност.

В основата на теорията на асемблирането стои идеята, че обектите могат да бъдат дефинирани не като неизменни същности, а чрез историята на тяхното формиране. Това премества фокуса върху процесите, при които сложните конфигурации се създават от по-прости градивни елементи.

Теорията предлага „индекс на сглобяване“, който определя количествено минималния брой стъпки или най-краткия път, необходим за създаването на даден обект. Този показател проследява степента на „селекция“, необходима за създаването на ансамбъл от обекти – има се предвид паметта, например ДНК, необходима за създаването на живите същества.

В края на краищата живите същества не възникват спонтанно, като например хелият в звездите. За създаването им е необходима ДНК, която служи като шаблон за създаването на нови версии.

Памет и информация

Но по какъв начин тези теоретични конструкции могат да бъдат проверени експериментално? Един от ключовите аспекти на теорията за асемблирането вече е тестван в нашата лаборатория. Това е определянето на индекса на асемблиране с помощта на масспектрометрия (аналитичен инструмент, който измерва съотношението маса-заряд в молекулите).

Чрез фрагментиране на молекулите и анализиране на техните масови спектри можем да оценим техния индекс на асемблиране (сглобяване). Можем буквално да видим колко стъпки са необходими на различните фрагменти да се съединят, за да образуват дадена молекула. Индексът на сглобяване може да бъде измерен и чрез други техники: инфрачервена спектроскопия и спектроскопия на ядрено-магнитен резонанс за различните видове молекули.

Определихме индекса на асемблиране за редица молекули както in vitro, така и по изчислителен път. Нашата работа показва, че свързаните с живота молекули, като хормоните и метаболитите (продукти на метаболитните реакции), са наистина по-сложни и изискват повече информация за асемблирането, отколкото несвързаните с живота молекули, като въглеродния диоксид. Освен това показахме, че индексът на сглобяване, по-голям от 15 етапа, се среща само при молекулите, свързани с живота, както предполага теорията.

Теорията също така предлага проверимо разбиране за произхода на живота. Това е така, защото има момент, в който молекулите стават толкова сложни, че започват да използват информацията, за да правят свои копия, което малко неочаквано изисква определено количество памет и информация – един вид праг, при който животът се появява от неживото.

В крайна сметка селекцията и минималната памет са възможни и в небиологичните системи (като например начинът, по който нашето Слънце е образувало планетите, събирайки заедно огромна маса от материя). Но живите организми и технологиите, които те създават – било то Лего или ракетостроене – са невъзможни без високи нива на памет и селекция.

Химическата супа

Възнамеряваме да проучим по-отблизо произхода на живота, като създадем химическа супа в нашата лаборатория. В тази „супа“ с течение на времето могат да се създадат съвсем нови молекули чрез добавяне на различни реагенти, или съвсем случайно, и ние ще наблюдаваме индекса на тяхното асемблиране, както и растежа на системата. Като регулираме скоростта на реакциите и условията, ще можем да изследваме този интересен преход от неживот към живот и да видим дали той отговаря на прогнозите на теорията за асемблирането.

Разработваме също така „генератори на химическа супа„, които смесват прости химически вещества, за да произвеждат сложни такива. Това може да повиши разбирането ни за това как може да се създаде сложност с помощта на теорията на асемблирането и как може да се задейства селекцията извън биологията.

Може би то ще разкрие как е протекла еволюцията на живота, започвайки с минимална селекция, а след това изисквайки все повече и повече подбор. Изграждат ли се обектите по предсказуем начин при едни и същи условия? Или в някакъв момент се намесва случайността? Това ще ни помогне да разберем дали възникването на живота е детерминирано и предсказуемо, или е по-скоро хаотично.

Това означава, че теорията на асемблирането може да се прилага много по-широко. Освен молекулите, концепцията може да вдъхнови изучаването на други системи, основани на комбинации, като например агрегати от материали, полимери или изкуствена химия. Това може да доведе до нови научни открития и технологични изобретения. Могат да бъдат идентифицирани фини модели, при които молекулите, надвишаващи праговия индекс на сглобяване, притежават непропорционално много определени свойства.

Теорията може да се използва и за подробно изучаване на самата еволюция. Можем да проучим как клетъчните фрагменти се появяват по време на формирането на цялата клетка, възниквайки от по-малки молекули, които се комбинират, за да образуват аминокиселини и нуклеотиди. По този начин проследяването на възникването на метаболитните и генетичните мрежи може да даде ключ към разгадаването на преходите в еволюционната история.

Експерименталните изследвания обаче са изпълнени с определени трудности. Проследяването на асемблирането на обектите изисква прецизен експериментален контрол.

Но това със сигурност ще си заслужава. Теорията на асемблирането обещава радикално ново разбиране за материята – може би ще бъдат открити универсални принципи на йерархичното изграждане извън рамките на биологията.

Сложните конфигурации на материята може да не са неизменни обекти, а отправни точки в един безкраен процес на изграждане, разпространяващ се във времето. Вселената може да се подчинява на определени физични закони, но в крайна сметка тя е създателят и творецът.