За краткия период от само 300 години от изобретяването на съвременната физика разбрахме по-добре как функционира нашата вселена както в малки, така и в големи мащаби. Въпреки това физиката е все още много млада и когато става въпрос за прилагането ѝ за обяснение на живота, физиците се затрудняват.

Дори и днес не можем да обясним каква е разликата между жива и мъртва материя. Но има нова физика на живота, която скоро може да даде отговори.

Преди повече от 150 години Дарвин определя дихотомията между това, което разбираме от физика, и това, което наблюдаваме в живота - отбелязвайки в края на "Произход на видовете": "...докато тази планета се е движела в кръг според фиксирания закон на гравитацията, от толкова просто начало са еволюирали и еволюират безкрайно много форми, най-красиви и най-прекрасни."

ЗНАЧЕНИЕТО НА ВРЕМЕТО

Исак Нютон описва вселена, в която законите никога не се променят, а времето е неизменен и абсолютен фон, на който всичко се движи. Дарвин обаче наблюдава вселена, в която се пораждат безкрайни форми, всяка от които променя характеристиките на предишната, което предполага, че времето не само трябва да има посока, но и че по някакъв начин се обръща назад към себе си. Новите еволюционни форми могат да възникнат само чрез подбор в миналото.

Вероятно тези две области на науката описват една и съща вселена, но как могат да бъдат обединени два толкова диаметрално противоположни възгледа?

Ключът към разбирането на причините, поради които животът не може да бъде обяснен в рамките на настоящата физика, може би в това, че трябва да преразгледаме представите си за времето като основна разлика между вселената, описана от Нютон, и тази на Дарвин. Всъщност времето е било преоткривано много пъти в историята на физиката.

Въпреки че времето на Нютон е било фиксирано и абсолютно, времето на Айнщайн се превръща в измерение - точно както трите пространствени измерения. И точно както всички точки в пространството съществуват едновременно, така и всички точки във времето съществуват едновременно. Тази философия на времето понякога се нарича "блокова вселена", където миналото, настоящето и бъдещето са еднакво реални и съществуват в статична структура - без специално "сега". В квантовата механика протичането на времето възниква от това как квантовите състояния се променят от едно в друго.

Изобретяването на термодинамиката дава на времето неговата посока, обясняваща защо то се движи напред, а не назад. Това е така, защото има ясни примери за системи в нашата Вселена, които са необратими - работят само в една посока. Всяка нова област на фундаменталната физика, независимо дали описва пространството и времето (Нютон и Айнщайн), материята и светлината (квантова механика) или топлината и работата (термодинамика), е въвеждала нова представа за време.

Но какво да кажем за еволюцията и живота?

За да се създадат нови неща, еволюцията изисква време. Безкрайна поредица от нови неща може да се появи само във вселена, в която времето съществува и има ясна посока. Еволюцията е единственият физически процес в нашата вселена, който може да генерира поредицата от нови обекти, които свързваме с живота - неща като микроби, бозайници, дървета и дори мобилни телефони.

ИНФОРМАЦИЯ И ПАМЕТ

Такива обекти не могат да се появят спонтанно. Те се нуждаят от памет, основана на това, което е съществувало в миналото, за да се конструират нещата в настоящето. Именно такъв "подбор" определя разделителната линия между вселената, описана от настоящата физика, и тази, която е видял Дарвин: това е механизмът, който превръща вселена, в която паметта няма значение за определяне на това, което съществува, в такава, в която има значение.

Помислете, всичко в живия свят изисква някакъв вид памет и информационен поток. ДНК в клетките ни е нашият план. А за да изобретяват нови неща, като например ракети или лекарства, живите същества също се нуждаят от информация - от познаване на законите на физиката и химията.

Следователно, за да обясним живота, трябва да разберем как сложните обекти, които животът създава, съществуват във времето.

Сара Имари Уокър (Sara Imari Walker) и нейните сътрудници правят точно това в една новопредложена теория на физиката, наречена теория на сглобяването (assembly theory), за която разказва в статия в The Conversation.

Основното предположение на теорията на сглобяването е, че с усложняването на обектите броят на уникалните части, от които те се състоят, се увеличава, както и необходимостта от локална памет, в която да се съхранява начинът за сглобяване на обекта от неговите уникални части. В теорията на сглобяването това се определя количествено като най-краткия брой физически стъпки за изграждане на обекта от неговите елементарни градивни елементи, наречен индекс на сглобяване или асемблиращ индекс.

Важно е, че теорията на сглобяването разглежда този най-кратък път като вътрешно свойство на обекта и наистина показва как индексът на сглобяване може да бъде измерен за молекули с помощта на няколко различни техники за измерване, включително масспектрометрия (аналитичен метод за измерване на съотношението маса-заряд на молекулите).

Синтез на аристолохиева киселина. За да бъдат синтезирани, сложните молекули изискват много стъпки. И колкото повече стъпки са необходими за синтезирането на определена молекула, толкова по-вероятно е тя да е от биологичен (или технологичен) произход. Кредит: Pixabay

С този подход изследователите показват в лабораторни условия, с измервания върху биологични и небиологични проби, че молекули с индекс на сглобяване над 15 стъпки се срещат само в живи проби.

Това показва, че теорията на сглобяването наистина е способна да провери хипотезата, че животът е единствената физика, която създава сложни обекти. И може да направи това, идентифицирайки онези обекти, които са толкова сложни, че единственият физически механизъм за образуването им е еволюцията.

Целта на учените е да използват теорията си, за да преценят кога възниква животът, измервайки момента, в който молекулите в химическата супа стават толкова сложни, че започват да използват информация, за да създават свои копия - прагът, при който животът възниква от неживото. След това теорията може да се приложи в експерименти, целящи да генерират нов случай на възникване на живот в лабораторни условия.

А когато знаем това, можем да използваме теорията, за да търсим живот на светове, които са коренно различни от Земята и следователно може да изглеждат толкова чужди, че да не разпознаем живота там.

Ако теорията се потвърди, това ще наложи радикално преосмисляне на времето във физиката. Според тази теория сглобяването може да бъде измерено като вътрешно свойство за молекулите, което съответства на техния размер във времето, което означава, че времето е физичен атрибут.

В крайна сметка времето е присъщо на нашия опит в света и е необходимо, за да се случи еволюцията. Ако искаме физиката да е в състояние да обясни живота и нас, може би трябва за първи път във физиката да разглеждаме времето като материално свойство.

Това е може би най-радикалното отклонение на физиката на живота от стандартната физика, но то може да се окаже решаващото прозрение, необходимо за обяснението на това какво представлява животът.

Теорията на сглобяването

Теорията е измислена от Лерой Кронин (Leroy Cronin) и е разработена от ръководения от него екип в Университета в Глазгоу, след което е разширена в сътрудничество с екип в Държавния университет в Аризона, ръководен от Сара Имари Уокър. Трудно е да се идентифицират химични сигнатури, които са уникални за живота. Например биологичните експерименти на спускаемия модул "Viking" откриват молекули, които могат да бъдат обяснени както с живи, така и с естествени неживи процеси.

Теорията на сглобяването извежда колко сложен е даден обект като функция на броя на независимите части и тяхното изобилие. За да се изчисли колко сложен е даден обект, той се разделя рекурсивно на съставните си части. Индексът на сглобяване" се определя като най-краткия път за сглобяване на обекта.

Например думата "abracadabra" се състои от 5 различни букви и е дълга 11 символа. Тя може да бъде сглобена от съставните си части по следния начин: a + b --> ab + r --> abr + a --> abra + c --> abrac + a --> abraca + d --> abracad + abra --> abracadabra, тъй като "abra" вече е било конструирано на по-ранен етап. Тъй като това изисква 7 стъпки, индексът на сглобяване е 7. Низът 'abcdefghijk' няма повторения, така че има индекс на сглобяване 10.

Макар че други подходи могат да предоставят мярка за сложност, изследователите твърдят, че молекулярният индекс на асемблиране на теорията за асемблиране е първият, който може да бъде измерен експериментално. Те твърдят, че числото на молекулярно сглобяване може да се използва за измерване на вероятността една сложна молекула да е създадена без живот, като по-големият брой стъпки съответства на по-голяма вероятност. Този метод може да бъде приложен в инструмент за фрагментационна тандемна масспектрометрия за търсене на биосигнали. Лерой Кронин заявява: "Нашата система е първата фалшифицируема хипотеза за откриване на живот и се основава на идеята, че само живите системи могат да произвеждат сложни молекули, които не биха могли да се образуват случайно в каквото и да е изобилие, и това ни позволява да заобиколим проблема с дефинирането на живота."

Теорията е разширена, за да се картографира химичното пространство с помощта на дървета на молекулните сглобки. Тези дървета се формират чрез подреждане на съставните части в ред по размер. Когато две или повече молекули имат общи единици, техните дървета се комбинират, включвайки двете целеви молекули и различни хибриди.

Assembly Theory Explains and Quantifies the Emergence of Selection and Evolution - Abhishek Sharma, Dániel Czégel, Michael Lachmann, Christopher P. Kempes, Sara I. Walker, Leroy Cronin, https://arxiv.org/abs/2206.02279 

Life: modern physics can’t explain it – but our new theory, which says time is fundamental, might, The Conversation

Assembly theory, wikipedia.org

Авторът Сара Имари Уокър (Sara Imari Walker) е професор по физика във Факултета за изследване на Земята и космоса към Държавния университет на Аризона