Assembly Theory
Или «расшифровка» ответа на главный вопрос жизни, Вселенной и всего такого
Мы живем в рекурсивно структурированной Вселенной © S.I. Walker
Относительно недавно появилась концептуально очень красивая теория, которая дает определению “жизни” совершенно новое, непривычное толкование. И позволяет инструментально отличать живое от неживого.
Заметка на эту тему достаточно давно у меня висела в черновиках, пару раз я за нее брался но все как-то откладывал. Пока сегодня не пришел уважаемый @nadoby и не выдал:
Тут кто-то уже знакомился вширь и вглубь с “Assembly theory”? Которую Ли Кронин (Lee Cronin) и со-товарищи развивает? А то тут книга “Life As No One Knows It: The Physics of Life’s Emergence” вышла за авторством Сары Имари Уокер (Sara Imari Walker), надо её почитать наверное
Что ж, раз уж начали даже в чате про это говорить, придется доставать черновик из “долгого ящика”, подумал я 👇
Может показаться удивительным, но Человечество до сих пор не знает что такое жизнь.
Мы ищем ее в космосе, на других планетах, на астероидах, но всегда используем свое, очень деформированное (земными условиями) определение этого понятия. Инопланетная жизнь может быть абсолютно не похожа на то, что есть на нашей планете, и мы даже не знаем на что именно она может быть похожа. Не существует общего определения жизни, которое бы позволило с его помощью идентифицировать новые-разные-непривычные-незнакомые нам формы.
Но совсем недавно такую теорию предложили два исследователя. Это химик Ли Кронин (Lee Cronin) из университета Глазго в Шотландии и теорфизик Сара Уокер (Sara Walker) из государственного университета Аризоны. Познакомились Кронин и Уокер на семинаре по астробиологии NASA в 2012 году, где обсуждение теории информации и путей создания самовоспроизводящихся машин привели их к пониманию того, что современная биология находится в тупике, ей не хватает “движущей силы”, чтобы шагнуть на следующую ступень развития. Теперь, возможно, такой движущей силой сможет стать новая авторская теория, у которой появляется все больше сторонников в научных и околонаучных кругах.
Свою теорию исследователи назвали Assembly Theory. Пока в русскоязычной номенклатуре синонима попросту нет, будем называть ее теорией сборки (далее ТеорС). Идея теории возникла из гипотезы о том, что крупные органические молекулы являются слишком сложными и вероятность их появления в результате случайного комбинирования атомов и даже других, более простых молекул, пренебрежимо мала. А вероятность появления множества идентичных копий подобных молекул мала исчезающе.
Значит, предположили ученые, первые и самые простые структуры, подходящие под определение понятия “жизнь”, появились в результате воздействия среды как структуры. Появились благодаря своей способности хранить и воспроизводить информацию о собственном состоянии.
“жизнь” согласно ТеорС — это любые структуры, позволяющие хранить, накапливать и копировать информацию о собственном состоянии.
Отличительная черта таких структур — степень их сложности, которая оценивается по количеству отдельных шагов, потребовавшихся для их создания. Т.е. признаком жизни является не химический состав материи, а уровень сложности её конструкции. Соответственно и развитость (или продвинутость) жизни прямо связана со сложностью производимых ей структур. Для оценки развитости используется количественная величина, т.н. Assembly Index, я буду его называть далее сборочный индекс. Посчитав этот индекс для какого-то объекта, мы можем узнать является ли он формой жизни. Для относительно небольших молекул индекс сборки примерно пропорционален молекулярной массе. Но для более крупных молекул (всех, что больше, например, небольших пептидов) эта закономерность нарушается.
Сборочный индекс — это минимальное количество шагов, которые потребуются для воссоздания первоначальной структуры, если разобрать её на независимо существующие блоки. Если сборочный индекс больше определённого порога, то структура является либо живой материей, либо продуктом её жизнедеятельности. Главное в ТеорС — это ее универсальность. Потому что здесь не важно, из чего состоит “жизнь” — из углерода, кремния или урана. Для опознания больше не важен не атомный состав, важна только структура.
Прим. мое: на данном этапе развития ТеорС условно считается, что молекулы со сборочным индексом выше 15–16 не возникают во вселенной без наличия “памяти” и “отбора” (о нем далее).
Исходя из этой гипотезы жизнью могут считаться и вирусы “ и мобильный телефон, и ботинки, и вообще все, что сделано человеком, включая мусор” © Для ориентира — табличка ниже. Как видите наиболее продвинутая жизнь среди всех примеров — это пиво :)
Каждая новая статья про ТеорС приносит еще больше пищи для размышлений. Например относительно недавно исследователи опубликовали работу, в которой утверждают, что естественный отбор действует не только в живой, но и не в живой природе.
Заметить его проявления можно, если оценивать два параметра: сложность физических материалов, частоту, с которой они встречаются в природе. То есть если материал достаточно сложный (с высоким сборочным индексом) и встречается часто, то значит он, как и живые организмы, является результатом естественного отбора. Но это при том условии, что более простые материалы, состоящие из тех же компонентов, встречаются гораздо реже.
Cлучайно приобретённые признаки такого (сложного) материала прошли в природе “тест на выживаемость” и смогли закрепиться
Косвенно указывать на наличие естественного отбора может количество комбинаций компонентов, из которых состоит вещество. Если комбинации любые возможные — то вещество появилось случайно, если же комбинаций ограниченное число — значит поработал “направленный” естественный отбор. В нем природа соединяет друг с другом не просто случайные объекты, а объекты, которые в комбинации взаимодополняют друг друга и дают “эволюционные преимущества (или просто позволяют проявляться новым функциям). Если сам сборочный индекс количественно определяет минимальное количество шагов для построения объекта, то число копий объекта (распространенность) — иллюстрирует то, как через отбор порождается сложность.
Подход, который реализует ТеорС может применяться не только к каким-то природным материалам, но и к таким явлениям как человеческие языки, компьютерные программы, даже мемы в Интернет. И это только начало, в ближайшее время исследователи обещают опубликовать филогенетическое древо жизни, но основанное не на ДНК, а на молекулах в общем. А в еще более дальних планах — оценка через призму ТеорС природы времени и происхождения второго закона термодинамики.
По словам авторов, во-первых все утверждения в ТеорС являются проверяемыми, а во-вторых, что более важно, степень сложности любого объекта/вещества можно точно установить с помощью инструментальных методов. Т.е. различить живое и неживое можно вслепую, используя только масс-спектрометр (+ ИК/ЯМР спектроскопию). Несмотря на то, что ТеорС очень молода, но космические аппараты, посылаемые сейчас к спутникам Юпитера и Сатурна для поисков следов жизни, будут использовать ее при изучении этих космических объектов.
Стоит отметить, что как и у любой молодой теории, у ТеорС тоже хватает критиков. Претензии в основном идут по трем направлениям. Во-первых многие исследователи говорят о том что ТеорС слишком упрощенно смотрит на сложные системы и поэтому не способна адекватно представить всю сложность биологических/ физических систем и как результат в реальных сценариях ее применять нельзя. Во-вторых претензия к путанице, которую вызывает слишком широкое использование термина “отбор”, расходящееся с мнением традиционной эволюционной биологии. Ну и в-третьих — конечно же “отсутствие новизны” или “изобретают велосипед”. Есть высказывания о том, что сборочный индекс — это просто компрессия LZ77, а вся ТС не более чем слабое подобие т.н. Колмогоровской сложности.
Колмогоровская сложность представляет собой меру количества информации, необходимой для описания объекта. Чем проще описать объект, тем меньше его Колмогоровская сложность.
Хотя утверждая так, критики забывают, что ТеорС, в отличие от традиционных теорий измерения сложности, фокусируется не на представлении данных или сжимаемости, а на физических процессах построения объекта. Абстрактные математические описания возможных сложностей против инструментально определеямых физических свойств = потенциально возможные процессы против реальных. В отличия от сложности Колмогорова или кодирования Хаффмана, в которых все вращается вокруг абстрактного сжатия данных и алгоритмических описаниях, ТеорС дает в руки исследователям осязаемый инструмент, способный зафиксировать процессы, лежащие в основе возникновения сложности одинаково хорошо и для биологических, и для небиологических систем. В ранее представленных способах описания сложностей отсутствует само понятие истории сложного мира, т.е. невозможно отличить фермент и случайную цепь из аминокислот, а ТеорС это сделать позволяет.
Подытоживая можно сказать, что ТеорС — это действительно “теория всего”, потому что в перспективе может стать основой для унификации определения “естественного отбора” как в редукционистской физике, так и в биологии (дарвиновская эволюция). Фактически она является мостом между двумя этими дисциплинами. И, возможно, именно благодаря этому мосту будет построена принципиально новая физика и Нобелевские премии опять станут вызывать невероятный “ВАУ!” эффект. Ибо, как я писал в своих Плачах по Нобелевской неделе-2024:
В той же физике уже давным-давно нет достижений, которые что-то меняли в самой физике — только вторичные эффекты и награды за них.
Ну а пока, пока еще ТеорС находится в зачаточном состоянии и толком не имеет экспериментальной проверки. Но даже в таком состоянии она вдохновляет, она красива. Поэтому…Пока суть да дело, можно выкроить очередные выходные под чтение “истории от Sara Imari Walker” 👇