Fizica modernă poate explica de la spinul particulelor, până la comportamentul unor roiuri de galaxii. Dar fizica nu poate explica viața. Pur și simplu nu există o formulă care să explice diferența dintre materia vie și una fără viață. Viața pare să apară în mod misterios din părți nevii, precum particulele elementare.
Teoria asamblării este o nouă abordare pentru a explica viața la nivel fundamental, esența teoriei fiind publicată recent în cadrul unui articol în revista Nature.
Teoria asamblării pleacă de la ipoteza că informațiile (precum ADN-ul) și complexitatea sunt conceptele fundamentale care stau la baza vieții și oferă o modalitate de a înțelege cum apar aceste concepte în sistemele chimice.
Sumarul articolului din Nature:
Oamenii de știință s-au străduit să pună de acord evoluția biologice cu legile imuabile ale universului definite de fizică. Aceste legi stau la baza originii vieții, evoluției și dezvoltării culturii și tehnologiei umane, dar ele nu prezic apariția acestor fenomene.
Teoria evoluționistă explică de ce unele lucruri există și altele nu prin prisma selecției. Pentru a înțelege cum pot apărea sisteme deschise diverse, fără un model de proiectare, este necesară o nouă abordare pentru înțelegerea și cuantificarea selecției.
Prezentăm teoria asamblării (AT) ca un cadru care nu modifică legile fizicii, ci redefinește conceptul de „obiect” asupra căruia acţionează aceste legi.
AT conceptualizează obiectele nu ca particule punctiforme, ci ca entități definite de posibilele lor istorii de formare. Acest lucru permite obiectelor să arate dovezi ale selecției, în limitele bine definite ale indivizilor sau unităților selectate.
Introducem o măsură numită asamblare (A), care surprinde gradul de cauzalitate necesar pentru a produce un anumit ansamblu de obiecte.
Această abordare ne permite să încorporăm generarea și selecția de noutăți în fizica obiectelor complexe.
Acesta explică modul în care aceste obiecte pot fi caracterizate printr-un proces dinamic, având în vedere asamblarea lor.
Prin reimaginarea conceptului de materie în spațiile de asamblare, AT oferă o interfață puternică între fizică și biologie.
Teoria dezvăluie un nou aspect al fizicii care apare la scară chimică, prin care istoria și contingența cauzală influențează ceea ce există.
Emergența este un cuvânt pe care fizicienii îl folosesc pentru a explica ceva ce este mai mare decât suma părților sale, cum ar fi modul în care apa se poate simți umedă, deși moleculele individuale de apă nu au această proprietate. Umiditatea este o proprietate emergentă.
Deși matematica poate fi elegantă, o teoria este de încredere doar dacă este testată cu succes în laborator. Experimente atent concepute, precum cel pe care eu și colegii mei îl desfășurăm chiar acum, vor fi esențiale pentru a cupla abstracțiile teoriei asamblării cu realitatea chimică.
La baza teoriei asamblării se află ideea că obiectele pot fi definite nu ca entități imuabile, ci prin istoria modului în care s-au format. Acest lucru se concentrează asupra proceselor prin care configurațiile complexe sunt construite din elemente mai simple.
Teoria propune un „indice de asamblare” care cuantifică pașii minimi, sau calea cea mai scurtă, necesari pentru a construi un obiect. Această măsură urmărește gradul de selecție necesar pentru a produce un ansamblu de obiecte, referindu-se la memoria necesară pentru a crea ființe vii (cum ar fi ADN-ul).
La urma urmei, lucrurile vii nu apar spontan, cum ar fi heliul în stele. Acestea au nevoie de ADN, ca schiță pentru crearea de noi versiuni.
Pragul dintre materie inertă și viață
Dar cum ar putea aceste aspecte teoretice să fie de fapt testate experimental? Un aspect cheie al teoriei asamblării a fost deja testat în laboratorul nostru. Aceasta este determinarea indicelui de asamblare folosind spectrometria de masă (un instrument analitic care poate măsura raportul masă-sarcină în molecule).
Fragmentând moleculele și analizându-le spectrele de masă, putem estima indicele lor de asamblare. Putem vedea literalmente câți pași sunt necesari pentru ca diferite fragmente să se unească pentru a forma o moleculă dată. Indicele de asamblare poate fi măsurat și folosind alte tehnici numite spectroscopie în infraroșu și spectroscopie RMN (rezonanță magnetică nucleară) pentru diferite tipuri de molecule.
Am determinat indicele de asamblare pentru o serie de molecule, atât în laborator, cât și cu ajutorul computerului. Am arătat că moleculele asociate cu viața, cum ar fi hormonii și metaboliții (produse ale reacțiilor metabolice), sunt într-adevăr mai complexe și necesită mai multe informații pentru a fi asamblate decât moleculele care nu sunt asociate în mod unic cu viața, cum ar fi dioxidul de carbon. De fapt, am arătat că un indice de asamblare de peste 15 trepte se găsește doar în moleculele asociate cu viața, așa cum sugerează teoria.
Teoria oferă, de asemenea, perspective testabile despre originea vieții. Asta pentru că spune că există un moment în care moleculele devin atât de complexe, încât încep să folosească informațiile pentru a-și face copii, necesitând dintr-o dată memorie și informații, un fel de prag la care viața ia naștere din non-viață.
În cele din urmă, este posibil să existe selecție și memorie minimă în sistemele non-biologice (cum ar fi modul în care Soarele nostru a format planetele prin aglutinarea materiei disponibile). Dar nu poți obține organisme vii sau tehnologia pe care o creează acestea – fie că vorbim de lego sau știință rachetelor spațiale – fără un nivel ridicat de memorie și selecție.
Supa chimică
Intenționăm să investigăm mai îndeaproape această origine a vieții prin crearea unui tip de supă chimică în laboratorul nostru. În această supă, moleculele noi ar putea fi create în timp, fie prin adăugarea a diverși reactanți, fie întâmplător, în timp ce le monitorizăm indicele de asamblare și dezvoltarea sistemului.
Reglând ratele de reacție și ceilalți parametrii, am putea ajunge să observăm acel punct de tranziție fascinant de la non-viață la viață și să aflăm dacă îndeplinește predicțiile făcute de teoria asamblării.
De asemenea, proiectăm „generatoare de supă chimică”, care combină substanțe chimice simple pentru a le identifica pe altele complexe. Acestea ne pot îmbunătăți înțelegerea modului în care complexitatea poate fi construită folosind teoria asamblării și cum poate fi inițiată selecția în afara biologiei.
Acest lucru ar putea să ne ajute să înțelegem cu a apărut viața, începând cu o selecție minimă. În condiții identice, sunt obiectele construite în moduri previzibile sau aleatorul intră în scenă la un moment dat? Acest lucru ne-ar ajuta să înțelegem dacă apariția vieții este deterministă și previzibilă sau haotică.
Teoria asamblării s-ar putea aplica în mai multe domenii
Dincolo de molecule, teoria ar putea inspira studierea altor sisteme care se bazează pe combinații, cum ar fi agregatele de materiale, polimerii sau chimia artificială. Acest lucru poate duce la noi perspective științifice sau invenții tehnologice. Poate dezvălui modele subtile în cazul în care moleculele peste un indice de asamblare posedă în mod disproporționat anumite proprietăți.
De asemenea, am putea folosi teoria pentru studii detaliate ale evoluției. Cercetările ar putea explora modul în care fragmentele de celule există în procesul de formare a unei celule globale, formându-se din molecule mai mici, care se combină pentru a forma aminoacizi și nucleotide. Urmărirea apariției rețelelor metabolice și genetice în acest fel poate oferi indicii asupra tranzițiilor în istoria evoluției.
Testele experimentale reprezintă totuși provocări. Urmărirea modului în care obiectele sunt asamblate necesită o monitorizare experimentală precisă.
Dar s-ar putea să merite. Teoria asamblării promite o înțelegere radical nouă a materiei, putând descoperi principii universale ale construcției ierarhice care transcend biologia.
Configurațiile complexe ale materiei pot să nu fie obiecte imuabile, ci puncte de referință într-un proces deschis de construcție care se propagă în timp. Universul se poate supune anumitor legi fizice, dar în cele din urmă este creativ.
Autorul, Lee Cronin, este profesor de chimie la Universitatea Glasgow
Traducere și adaptare după Physics has long failed to explain life
Credit imagine depositphotos.com
