27. Фабрикаторы

Привет! Вот какую штуку думаю. Есть фундаментальный вопрос о механизме возникновения жизни. И он всё время упирается в проблему очень большой сложности всех биологических штук. Главный аргумент креационистов — что вероятность возникновения живого существа сравнима с шансами того, что торнадо, несущееся по свалке, вдруг соберёт готовый Боинг-747.

С появлением лошади, жука или страуса хорошо разобрался Докинз — механика эволюции вызывает появление всё более и более сложных конструкций, и это совсем не хаотичный перебор всех вариантов, а направленное движение.

Но с возникновением жизни этот аргумент не работает: ведь пока нет жизни, нет эволюции (по определению НАСА жизнь — это почти тождественно эволюция). А если нет эволюции, то как же возникла первая живая штучка?

На текущий момент наука пытается идти такими путями:

1. Самокат вместо Боинга. Ищут такую жизнь, которая была бы достаточно простой по устройству, чтобы она могла возникнуть случайно из примитивного бульона. И тут дошли до «Мира РНК», что уже огромный прогресс — показано, что для жизни достаточно только РНК, и больше ничего не надо — ни белков, ни ферментов дополнительных, ни ДНК. Но это пока не решение проблемы — РНК всё равно жуть какая сложная конструкция. Предположить, что РНК само собой случайно собралось из нуклеотидов — не вариант.

2. Самособирающиеся механики. Это «Мир ПАУ» и другие гипотезы — что есть какие-то молекулы, которые по законам физики самопроизвольно собираются в сложные «стопки», похожие на РНК. Не понимаю этой истории, да и в любом случае это только фантазии, никаких экспериментальных свидетельств нет, а какой-то фундаментальной логики в этой теме не видно — попахивает креационизмом: как будто законы физики в нашей вселенной специально такие подобраны, что вызывают самопроизвольное возникновение сложных структур, которые потом опа, и вдруг самореплицируются.

В целом продвижения в этой области идёт полным ходом, почти каждый год делается какой-то шажочек, либо упрощающий требования к живым структурам, либо показывающий какие-то новые логики самопроизвольных возникновений каких-то аспектов живого из неживого.

Но давай посмотрим на задачу более концептуально — не с целью воспроизвести конкретно нашу земную жизнь, а как вообще хоть какая-то абстрактная «жизнь» может появиться. Я смотрю в первую очередь на свои математически модели клеточных автоматов, но все рассуждения вроде бы универсальны и годятся не только для компьютерно-цифровой, но и для земной органической жизни.

По определению НАСА, «жизнь — самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции». На более формальном языке, для жизни нужны:
1. Саморепликация. Структура создаёт из летающего вокруг мусора копии себя.
2. Устойчивость к небольшим изменениям. Если в этой структуре что-то немного изменить, то её способность к саморепликации не пропадёт.
Вроде бы этих двух свойств достаточно — они автоматически запускают процесс эволюции, а как только эволюция включилась, дальше всё понеслось по накатанной дороге.

И в этих терминах формулировка проблемы выглядит так: все известные устойчивые самореплицирующиеся структуры — капитально сложные по устройству. Что органические макромолекулы (РНК), что структуры-репликаторы в Конвейевской «Игре Жизнь» — это огромные тысячи, а то и миллионы строго определённым образом расположенных элементов. Их даже вручную сконструировать фантастически сложная задача (кстати, ты рассказывал про технологические стартапы, где делают оперирование на уровне атомов, но я правильно понимаю, что для ручного конструирования с нуля молекул типа ДНК ещё очень далеко?), а уж предположить, что они сами случайно собрались — невообразимо.

Собственно, поиск более простых устойчивых саморепликантов — как ты знаешь, это и есть главная цель моих экспериментов по моделированию в клеточных автоматах. Там уже много миллионов законов физики перебрано — и пока ничего не найдено. Интересного много, красивого ещё больше, но нормально самореплицирующегося — ноль. Я тут придумал новую версию, где на уровне мета-законов заложены вещи, провоцирующие появление сложных структур, попробую. Потом расскажу :)

Так вот. А что если простых саморепликантов не существует? Давай предположим, что это просто невозможно, что ну нет их простых, фундаментально. Как тогда могла бы возникнуть жизнь? Понятно, что антропный принцип ломает любые расчёты вероятностей, но он ничего не объясняет, забудем пока про него.

Попробуем найти недостающее звено — что могло бы быть промежуточным этапом между совсем неживым мелким органическим «мусором» и огромными живыми саморепликантами? Оно уже не мелкое, но и не огромное. Оно ещё не живое, но уже не совсем мёртвый «мусор».

Посмотрим на свойства 1 и 2 и попробуем одно из них сломать, но не совсем отказываться — чтобы оно не выполнялось, но всё-таки где-то рядышком лежало.

Берём первое свойство — саморепликацию. И пробуем от него отказаться, но всё-таки не на сто процентов. Структура не воспроизводит сама себя. Но, скажем, воспроизводит что-то другое, что не сама структура, но как-то рядом с ней. Что это может быть? Это может быть часть этой структуры, её составной блок!

В клеточных автоматах типа «Игры жизнь» похожие структуры отлично известны, это так называемые «ружья» — конфигурации, которые стабильны сами по себе и при этом постоянно создают рядом с собой копии более мелких нетривиальных конфигураций. И этих «ружей» известно множество, и что самое главное — они относительно простые! В самом первом открытом «ружье Госпера» всего пара десятков клеточек. В биохимическом мире структуры, катализирующие образование своих подструктур, наверняка тоже есть в избытке — очень легко себе представить примитивный недо-фермент, который катализирует реакцию образования, скажем, нуклеотидов или даже конкретных трёхмерных структур из нуклеотидов. Классическая автокаталитическая реакция Бутлерова, с которой началось изучение химической стадии эволюции — тоже где-то близко к тому.

Вот что в итоге получается:

Сначала посверкали разряды молний в доисторической атмосфере Земли, получили первичный бульон из множества самых простых органических компонентов — аминокислоты всякие, сахара, липиды. Кстати, ты слышал, что в 2008 году провели более точный анализ классического эксперимента Миллера-Юри, где моделировали атмосферу Земли, какой она была 4 млрд лет назад, и молнии через эту смесь газов пропускали, и обнаружили там аж 22 вида аминокислот (в 1950-х говорили только про 5)? Появление органики из неорганики экспериментально показано очень качественно.

Затем где-то в микроскопической щели в камне, заполненной первичным бульоном, случайно собралась молекула-фабрикатор — более сложная, чем одна аминокислота, но гораздо менее сложная, чем РНК, всего из десятков-сотен атомов. Этот фабрикатор не умеет ещё самовоспроизводиться, но он умеет воспроизводить копии кирпичиков, из которых он состоит. Кирпичиков этих у него много разных видов — возможно, он не умеет создавать их все параллельно, возможно, тут нужно несколько разных его модификаций — одна версия создаёт много кирпичиков А, другая Б, третья В. Но главное то, что вокруг этой молекулы-фабрикатора возникает раствор, насыщенный множеством кирпичиков, необходимых для сборки всей фабрики. И тогда в этом растворе вероятность случайной сборки единожды уже случайно собравшейся фабрики радикально возрастает! В этой щели будет плавать столько компонентов, необходимых для сборки всей фабрики, что они случайным образом изредка таки будут собираться в копию этой самой фабрики. Причём, вероятно, в разные её версии (А, Б, В, ...). И чем дальше, тем больше будет возрастать вероятность случайной сборки нового фабрикатора.

И вот это — фабрика по производству собственных кирпичиков — может быть недостающим звеном, соединяющим неживую органику и живые саморепликанты. Эти фабрики ещё не умеют самовоспроизводиться, но они умеют создавать вокруг себя повышенную концентрацию тех компонентов, которые необходимы для случайной самосборки таких же фабрик — самовоспроизведение через случайную сборку. Это очень важное свойство, потому что даже такое медленное косвенное самовоспроизведение уже запускает эволюцию! А как только мы запустили эволюцию, дальше усложнение структур идёт само собой.

Такая вот идея пришла в голову. Она больше основана на моём опыте по части математических моделей, в реальной биологической органике я недостаточно разбираюсь, но вдруг ты что-то похожее слышал? Или, может, я заново переоткрываю то, что экспертам в этой области давно известно? :)