За короткий промежуток времени — всего 300 лет — с момента изобретения современной физики мы получили более глубокое понимание того, как работает наша Вселенная как в малых, так и в больших масштабах. Тем не менее, физика все еще очень молода, и когда дело доходит до использования ее для объяснения жизни, физики испытывают трудности.
Даже сегодня мы не можем толком объяснить, в чем разница между живым комком материи и мертвым. Но я и мои коллеги создаем новую физику жизни, которая, возможно, скоро даст ответы.
Более 150 лет назад Дарвин пронзительно отметил дихотомию между тем, что мы понимаем в физике, и тем, что мы наблюдаем в жизни, отметив в конце книги «Происхождение видов»: «…в то время как эта планета циклически движется в соответствии с неизменным законом гравитации, из столь простого начала развивались и развиваются бесконечные формы, самые прекрасные и самые удивительные».
Важность времени
Исаак Ньютон описал вселенную, в которой законы никогда не меняются, а время является неизменным и абсолютным фоном, на фоне которого все движется. Однако Дарвин наблюдал вселенную, где порождаются бесконечные формы, каждая из которых изменяет черты того, что было раньше, предполагая, что время должно не только иметь направление, но и в некотором роде складываться само по себе. Новые эволюционные формы могут возникать только через отбор на основе 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 не поддается объяснению в рамках современной физики, может быть пересмотр наших представлений о времени как ключевом различии между вселенной, описанной Ньютоном, и вселенной Дарвина. Время, на самом деле, много раз изобреталось заново на протяжении 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 существуют одновременно. Эту философию времени иногда называют «блочной вселенной», где прошлое, настоящее и будущее одинаково реальны и существуют в статичной структуре — без особого «сейчас». В квантовой механике течение времени возникает из того, как квантовые состояния меняются от одного к другому.
Изобретение термодинамики дало времени свою стрелу, объяснив, почему оно движется вперед, а не назад. Это потому, что в нашей вселенной есть явные примеры систем, таких как работающий двигатель, которые необратимы — 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 новинки, эволюция требует времени. Бесконечная новизна может появиться только во вселенной, где время существует и имеет четкое направление. Эволюция — это единственный физический процесс в нашей вселенной, который может породить последовательность новых объектов, которые мы связываем с жизнью — такие вещи, как микробы, млекопитающие, деревья и даже сотовые телефоны.
Информация и память
Такие объекты не могут возникать спонтанно. Они требуют памяти, основанной на том, что существовало в прошлом, чтобы конструировать вещи в настоящем. 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.
Подумай об этом, всё в живом мире требует какой-то памяти и потока информации. ДНК в наших клетках — это наш чертеж. И чтобы изобретать новые вещи, такие как ракеты или лекарства, живым существам также нужна информация — знание законов физики и химии.
Поэтому, чтобы объяснить жизнь, нам нужно понять, как сложные объекты, которые создает жизнь, существуют во времени. Вместе с моими коллегами мы занимаемся именно этим в рамках недавно предложенной теории физики, которая называется теорией сборки.
Ключевая гипотеза теории сборки заключается в том, что по мере усложнения объектов увеличивается количество уникальных частей, из которых они состоят, и возрастает потребность в локальной памяти для хранения того, как собрать объект из его уникальных частей. В теории сборки мы количественно определяем это как кратчайшее число физических шагов для сборки объекта из элементарных строительных блоков, называемое индексом сборки.
Важно, что теория сборки рассматривает этот кратчайший путь как неотъемлемое свойство объекта, и действительно, мы показали, как индекс сборки можно измерить для молекул, используя несколько различных методов измерения, включая масс-спектрометрию (аналитический метод измерения отношения массы к заряду молекул).
Используя этот подход, мы показали в лаборатории, проводя измерения как на биологических, так и на небиологических образцах, как молекулы с индексом сборки выше 15 ступеней встречаются только в живых образцах.
Это говорит о том, что теория сборки действительно способна проверить нашу 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 формирования является эволюция.
Мы стремимся использовать нашу 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 жизнь возникает из нежизни. Затем мы можем применить теорию к экспериментам, направленным на генерацию нового события зарождения жизни в лаборатории.
И когда мы будем знать это, мы сможем использовать теорию для поиска жизни на мирах, которые радикально отличаются от Земли и могут выглядеть настолько чуждыми, что мы не распознаем там жизнь.
Если теория подтвердится, это заставит радикально пересмотреть представление о времени в физике. Согласно нашей теории, сборку можно измерить как свойство, присущее молекулам, которое соответствует их размеру во времени — значит, время является физическим атрибутом.
В конечном итоге, время присуще нашему опыту восприятия мира, и оно необходимо для того, чтобы происходила эволюция. Если мы хотим, чтобы физика была способна объяснить жизнь — и нас — возможно, впервые в физике нам нужно рассматривать время как материальное свойство.
Это, пожалуй, самый радикальный отход физики жизни от стандартной физики, но он может оказаться тем критическим озарением, которое необходимо для объяснения того, что такое жизнь.
Сара Имари Уокер
Профессор физики, Школа исследования Земли и космоса, Университет штата Аризона
