Всего за 300 лет, прошедших с момента изобретения современной физики, мы получили более глубокое понимание того, как работает наша Вселенная в малых и больших масштабах. Тем не менее, физика все еще очень молода, и когда дело доходит до использования ее для объяснения жизни, ученые испытывают трудности.
Даже сегодня мы не можем объяснить, чем отличается живой образец материи от неживого. Но исследователи создают новую физику жизни, которая, возможно, скоро даст ответы.
Содержание
Более 150 лет назад Дарвин остроумно отметил дихотомию между тем, что мы понимаем в физике, и тем, что мы наблюдаем в жизни, заметив в конце книги “Происхождение видов”:
“…пока эта планета вращалась в соответствии с фиксированным законом гравитации, из такого простого начала развились и развиваются бесконечные формы, прекраснейшие и изумительнейшие”.
Важность времени
Исаак Ньютон описал Вселенную, в которой законы никогда не меняются, а время является неизменным и абсолютным фоном, на котором все движется. Дарвин, однако, наблюдал Вселенную, где порождаются бесконечные формы, каждая из которых изменяет черты предыдущей, предполагая, что время должно не только иметь направление, но и в некотором роде возвращаться обратно. Ведь новые эволюционные формы могут возникать только в результате отбора из прошлого.
Предположительно, эти две области науки описывают одну и ту же Вселенную, но как можно объединить два таких диаметрально противоположных взгляда? Ключом к пониманию того, почему жизнь невозможно объяснить с помощью современной физики, может быть пересмотр наших представлений о времени как ключевом различии между Вселенной, описанной Ньютоном и Дарвином. На самом деле, время неоднократно изобреталось заново на протяжении всей истории физики.
Хотя время Ньютона было фиксированным и абсолютным, время Эйнштейна стало измерением – таким же, как пространство. И как все точки в пространстве существуют одновременно, так и все точки во времени тоже могут существовать одновременно. Эту философию времени иногда называют “блочной вселенной”, где прошлое, настоящее и будущее одинаково реальны и существуют в статичной структуре – без того, что мы называем “сейчас”. В квантовой механике течение времени связано с тем, как квантовые состояния меняются от одного к другому.
Изобретение термодинамики дало времени стрелу, объясняющую, почему оно движется вперед, а не назад. Это потому, что в нашей Вселенной есть наглядные примеры систем, таких как работающий двигатель, которые необратимы – они работают только в одном направлении. Каждая новая область фундаментальной физики, будь то описание пространства и времени (Ньютон/Эйнштейн), материи и света (квантовая механика) или тепла и работы (термодинамика), вводила новое понятие времени.
Но как насчет эволюции и жизни? Чтобы создавать новые виды, эволюция требует времени. Бесконечная новизна может появиться только во вселенной, где время существует и имеет четкое направление. Эволюция – единственный физический процесс в нашей Вселенной, который может породить последовательность новых объектов, которые мы связываем с жизнью – микробы, млекопитающие, деревья и даже сотовые телефоны.
Информация и память
Такие объекты не могут возникать спонтанно. Для их создания в настоящем необходима память, основанная на том, что существовало в прошлом. Именно такой “отбор” определяет разделительную линию между вселенной, описываемой современной физикой, и тем, что видел Дарвин: это механизм, который превращает вселенную, где память не имеет значения для определения того, что существует, во вселенную, где она имеет значение.
Подумайте об этом: все в живом мире нуждается в памяти и потоке информации. ДНК в наших клетках – это наш план. А чтобы изобретать новые вещи, такие как ракеты или лекарства, живым существам также необходима информация – знание законов физики и химии.
Поэтому, чтобы объяснить жизнь, нам нужно понять, как сложные объекты, которые создает жизнь, существуют во времени. Сегодня ученые активно занимаются эти вопросом в рамках предложенной в 2022 году теории физики под названием “теория сборки”.
Основная гипотеза теории сборки заключается в том, что по мере усложнения объектов количество уникальных частей, из которых они состоят, увеличивается, и возрастает потребность в локальной памяти для хранения информации о том, как собрать объект из этих уникальных частей. В теории сборки мы определяем это как кратчайшее число физических шагов для сборки объекта из элементарных строительных блоков, называемое индексом сборки.
Важно отметить, что теория сборки рассматривает этот кратчайший путь как неотъемлемое свойство объекта, и ученые показали, как индекс сборки может быть измерен для молекул с помощью нескольких различных методов измерения, включая масс-спектрометрию (аналитический метод для измерения отношения массы к заряду молекул).
Используя этот подход, исследователи показали в лаборатории, с помощью измерений на биологических и небиологических образцах, что молекулы с индексом сборки выше 15 шагов встречаются только в живых образцах.
Это говорит о том, что теория сборки действительно способна проверить гипотезу о том, что жизнь – единственная физика, порождающая сложные объекты. И мы можем сделать это, определив те объекты, которые настолько сложны, что единственным физическим механизмом их образования является эволюция.
Ученые стремятся использовать теорию для оценки времени возникновения жизни, измеряя момент, когда молекулы в химическом супе становятся настолько сложными, что начинают использовать информацию для создания своих копий – порог, при котором живое возникает из неживого. Затем исследователи собираются применить теорию в экспериментах, направленных на создание нового события зарождения жизни в лаборатории.
А когда мы будем знать это, мы сможем использовать теорию для поиска жизни в мирах, которые радикально отличаются от Земли и могут выглядеть настолько чуждыми, что мы не сможем распознать там жизнь никаким другим способом.
Если теория подтвердится, это заставит полностью пересмотреть представление о времени в физике. Согласно теории сборки, сборка может быть измерена как свойство, присущее молекулам, которое соответствует их размеру во времени – то есть время является физическим атрибутом.
В конечном счете, время присуще нашему восприятию мира, и оно необходимо для эволюции. Если мы хотим, чтобы физика была способна объяснить жизнь и нас, то, возможно, впервые в физике нам придется рассматривать время как материальное свойство.
Возможно, это самый радикальный отход физики жизни от стандартной физики, но, возможно, это критическое понимание необходимо для объяснения того, что такое жизнь.
Читайте также: Почему все больше физиков начинают считать пространство и время иллюзией?