Θεωρία Συναρμολόγησης:Κατανόηση των Δομικών Μονάδων του Σύμπαντος

Μια νέα ιδέα για το πώς να συναρμολογήσετε τη ζωή

Αν θέλουμε να κατανοήσουμε πολύπλοκες κατασκευές, όπως εμείς, η θεωρία συναρμολόγησης λέει ότι πρέπει να λάβουμε υπόψη ολόκληρη την ιστορία του πώς προέκυψαν τέτοιες οντότητες.

Η θεωρία συναρμολόγησης εξηγεί γιατί, δεδομένων των φαινομενικά άπειρων συνδυαστικών δυνατοτήτων, παρατηρούμε μόνο ένα συγκεκριμένο υποσύνολο αντικειμένων στο σύμπαν μας.

Samuel Velasco/Quanta Magazine

Εισαγωγή

Η ζωή σε άλλους κόσμους - αν υπάρχει - μπορεί να είναι τόσο ξένη που να μην αναγνωρίζεται. Δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι η εξωγήινη βιολογία θα χρησιμοποιούσε τις ίδιες χημείες όπως στη Γη, με γνωστά δομικά στοιχεία όπως το DNA και τις πρωτεΐνες. Οι επιστήμονες μπορεί ακόμη και να εντοπίσουν τις υπογραφές τέτοιων μορφών ζωής χωρίς να γνωρίζουν ότι είναι έργο της βιολογίας.

Αυτό το πρόβλημα απέχει πολύ από το να είναι υποθετικό. Τον Απρίλιο, το διαστημόπλοιο Juice της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας ανατινάχθηκε από τη Γαλλική Γουιάνα σε μια πορεία προς τον Δία και τα φεγγάρια του. Ένα από αυτά τα φεγγάρια, η Ευρώπη, έχει έναν βαθύ, λαμπερό ωκεανό κάτω από τον παγωμένο φλοιό του και είναι ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα μέρη στο ηλιακό σύστημα για αναζήτηση εξωγήινης ζωής. Το επόμενο έτος, το διαστημόπλοιο Europa Clipper της NASA θα εκτοξευτεί, στοχεύοντας επίσης στην Ευρώπη. Και τα δύο διαστημόπλοια διαθέτουν όργανα που θα αναζητούν τα δακτυλικά αποτυπώματα σύνθετων οργανικών μορίων - μια πιθανή υπόδειξη ζωής κάτω από τον πάγο. Και το 2027, η NASA σχεδιάζει να εκτοξεύσει ένα ελικόπτερο που μοιάζει με drone με το όνομα Dragonfly για να βουίζει πάνω από την επιφάνεια του φεγγαριού του Κρόνου Τιτάνα, έναν θολό, πλούσιο σε άνθρακα κόσμο με λίμνες υγρών υδρογονανθράκων που μπορεί να είναι κατάλληλες για φιλοξενία ζωής — αλλά όχι όπως το ξέρουμε.

Αυτές και άλλες αποστολές στον ορίζοντα θα αντιμετωπίσουν το ίδιο εμπόδιο που ταλαιπωρούσε τους επιστήμονες από τότε που προσπάθησαν για πρώτη φορά να αναζητήσουν σημάδια της αρειανής βιολογίας με τα προσεδάφια Βίκινγκ τη δεκαετία του 1970:Δεν υπάρχει οριστική υπογραφή ζωής.

Αυτό μπορεί να είναι έτοιμο να αλλάξει. Το 2021, μια ομάδα με επικεφαλής τον Lee Cronin από το Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης στη Σκωτία και τη Sara Walker από το State University της Αριζόνα πρότειναν έναν πολύ γενικό τρόπο αναγνώρισης μορίων που παράγονται από ζωντανά συστήματα - ακόμη και αυτά που χρησιμοποιούν άγνωστες χημικές ουσίες. Η μέθοδός τους, είπαν, απλώς υποθέτει ότι οι εξωγήινες μορφές ζωής θα παράγουν μόρια με χημική πολυπλοκότητα παρόμοια με αυτή της ζωής στη Γη.

Ονομάζεται θεωρία συναρμολόγησης, η ιδέα που στηρίζει τη στρατηγική του ζευγαριού έχει ακόμη μεγαλύτερους στόχους. Όπως αναφέρεται σε μια πρόσφατη σειρά δημοσιεύσεων, επιχειρεί να εξηγήσει γιατί φαινομενικά απίθανα πράγματα, όπως εσείς και εγώ, υπάρχουν καν. Και αναζητά αυτήν την εξήγηση όχι, με τον συνηθισμένο τρόπο της φυσικής, σε διαχρονικούς φυσικούς νόμους, αλλά σε μια διαδικασία που διαποτίζει τα αντικείμενα με ιστορίες και μνήμες από αυτά που προηγήθηκαν. Επιδιώκει μάλιστα να απαντήσει σε ένα ερώτημα που μπερδεύει επιστήμονες και φιλοσόφους εδώ και χιλιετίες:Τι είναι η ζωή, ούτως ή άλλως;

Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι ένα τόσο φιλόδοξο έργο έχει προκαλέσει σκεπτικισμό. Οι υποστηρικτές του δεν έχουν ακόμη ξεκαθαρίσει πώς θα μπορούσε να δοκιμαστεί στο εργαστήριο. Και ορισμένοι επιστήμονες αναρωτιούνται μήπως η θεωρία συναρμολόγησης μπορεί να εκπληρώσει τις πιο μετριοπαθείς υποσχέσεις της να διακρίνει τη ζωή από τη μη ζωή και να σκεφτεί την πολυπλοκότητα με έναν νέο τρόπο.

Η θεωρία συναρμολόγησης εξελίχθηκε, εν μέρει, για να συλλάβει την υποψία του Lee Cronin ότι «τα σύνθετα μόρια δεν μπορούν απλώς να εμφανιστούν, επειδή ο συνδυαστικός χώρος είναι πολύ τεράστιος».

Ευγενική προσφορά του Lee Cronin

Αλλά άλλοι πιστεύουν ότι αυτές είναι ακόμη πρώτες μέρες για τη θεωρία συναρμολόγησης και υπάρχει πραγματική πιθανότητα να φέρει μια νέα προοπτική στο ερώτημα πώς προκύπτει και εξελίσσεται η πολυπλοκότητα. «Είναι διασκεδαστικό να ασχολείσαι μαζί του», είπε ο εξελικτικός θεωρητικός David Krakauer, πρόεδρος του Ινστιτούτου Santa Fe. Η θεωρία συναρμολόγησης, είπε, προσφέρει έναν τρόπο να ανακαλύψουμε τις ενδεχόμενες ιστορίες των αντικειμένων - ένα ζήτημα που αγνοείται από τις περισσότερες θεωρίες πολυπλοκότητας, οι οποίες τείνουν να επικεντρώνονται στον τρόπο που έχουν τα πράγματα αλλά όχι στο πώς έγιναν έτσι. Ο Paul Davies, ένας φυσικός στην Πολιτεία της Αριζόνα συμφωνεί, αποκαλώντας την «μια νέα ιδέα με τη δυνατότητα να μεταμορφώσει τον τρόπο που σκεφτόμαστε την πολυπλοκότητα».

Στην Τάξη των Πραγμάτων

Η θεωρία συναρμολόγησης ξεκίνησε όταν ο Cronin ρώτησε γιατί, δεδομένου του αστρονομικού αριθμού τρόπων συνδυασμού διαφορετικών ατόμων, η φύση δημιουργεί ορισμένα μόρια και όχι άλλα. Είναι ένα πράγμα να πούμε ότι ένα αντικείμενο είναι δυνατό σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής. Είναι άλλο να πούμε ότι υπάρχει ένα πραγματικό μονοπάτι για την κατασκευή του από τα συστατικά μέρη του. "Η θεωρία συναρμολόγησης αναπτύχθηκε για να συλλάβει τη διαίσθησή μου ότι πολύπλοκα μόρια δεν μπορούν απλώς να εμφανιστούν επειδή ο συνδυαστικός χώρος είναι πολύ τεράστιος", είπε ο Cronin.

Ο Walker, εν τω μεταξύ, παλεύει με το ζήτημα της προέλευσης της ζωής - ένα ζήτημα που σχετίζεται στενά με τη δημιουργία πολύπλοκων μορίων, επειδή αυτά σε ζωντανούς οργανισμούς είναι πολύ περίπλοκα για να έχουν συναρμολογηθεί τυχαία. Κάτι, σκέφτηκε ο Walker, πρέπει να καθοδηγούσε αυτή τη διαδικασία ακόμη και πριν αναλάβει η Δαρβινική επιλογή.

Ο Κρόνιν και ο Γουόκερ ένωσαν τις δυνάμεις τους αφού παρακολούθησαν ένα εργαστήριο αστροβιολογίας της NASA το 2012. «Η Σάρα και εγώ συζητούσαμε για τη θεωρία της πληροφορίας και τη ζωή και ελάχιστες διαδρομές για την κατασκευή αυτοαναπαραγόμενων μηχανών», θυμάται ο Κρόνιν. «Και μου έγινε πολύ σαφές ότι και οι δύο συγκλίναμε στο γεγονός ότι έλειπε μια «κινητήρια δύναμη» πριν από τη βιολογία.»

Τώρα, λέει το ζεύγος, η θεωρία συναρμολόγησης παρέχει μια συνεπή και μαθηματικά ακριβή περιγραφή της φαινομενικής ιστορικής πιθανότητας για το πώς γίνονται τα πράγματα - γιατί, για παράδειγμα, δεν μπορείτε να αναπτύξετε πυραύλους μέχρι να έχετε πρώτα πολυκύτταρα ζωή, μετά ανθρώπους και μετά πολιτισμό και επιστήμη. Υπάρχει μια συγκεκριμένη σειρά με την οποία μπορούν να εμφανίζονται τα αντικείμενα.

«Ζούμε σε ένα αναδρομικά δομημένο σύμπαν», είπε ο Walker. "Οι περισσότερες δομές πρέπει να χτιστούν στη μνήμη του παρελθόντος. Οι πληροφορίες δημιουργούνται με την πάροδο του χρόνου."

Αυτό μπορεί να φαίνεται διαισθητικά προφανές, αλλά ορισμένες ερωτήσεις σχετικά με την τάξη των πραγμάτων είναι πιο δύσκολο να απαντηθούν. Έπρεπε οι δεινόσαυροι να προηγούνται των πτηνών; Έπρεπε ο Μότσαρτ να προηγηθεί του Τζον Κολτρέιν; Μπορούμε να πούμε ποια μόρια προηγήθηκαν απαραίτητα του DNA και των πρωτεϊνών;

Ποσοτικοποίηση πολυπλοκότητας

Η θεωρία συναρμολόγησης κάνει τη φαινομενικά αδιαμφισβήτητη υπόθεση ότι πολύπλοκα αντικείμενα προκύπτουν από το συνδυασμό πολλών απλούστερων αντικειμένων. Η θεωρία λέει ότι είναι δυνατό να μετρηθεί αντικειμενικά η πολυπλοκότητα ενός αντικειμένου εξετάζοντας τον τρόπο κατασκευής του. Αυτό γίνεται με τον υπολογισμό του ελάχιστου αριθμού βημάτων που απαιτούνται για την κατασκευή του αντικειμένου από τα συστατικά του, ο οποίος ποσοτικοποιείται ως δείκτης συναρμολόγησης (AI).

Επιπλέον, για να είναι επιστημονικά ενδιαφέρον ένα σύνθετο αντικείμενο, πρέπει να υπάρχει πολύ. Πολύ περίπλοκα πράγματα μπορούν να προκύψουν από τυχαίες διαδικασίες συναρμολόγησης - για παράδειγμα, μπορείτε να δημιουργήσετε μόρια παρόμοια με πρωτεΐνη συνδέοντας τυχόν παλιά αμινοξέα σε αλυσίδες. Γενικά, όμως, αυτά τα τυχαία μόρια δεν θα κάνουν τίποτα ενδιαφέρον, όπως να συμπεριφέρονται σαν ένζυμο. Και οι πιθανότητες να αποκτήσετε δύο πανομοιότυπα μόρια με αυτόν τον τρόπο είναι εξαιρετικά μικρές.

Τα λειτουργικά ένζυμα, ωστόσο, παράγονται αξιόπιστα ξανά και ξανά στη βιολογία, επειδή συναρμολογούνται όχι τυχαία αλλά από γενετικές οδηγίες που κληρονομούνται από γενιά σε γενιά. Έτσι, ενώ η εύρεση ενός μεμονωμένου, εξαιρετικά πολύπλοκου μορίου δεν σας λέει τίποτα για τον τρόπο κατασκευής του, η εύρεση πολλών πανομοιότυπων πολύπλοκων μορίων είναι απίθανη, εκτός και αν κάποια ενορχηστρωμένη διαδικασία —ίσως η ζωή— λειτουργεί.

Οι Cronin και Walker υπολόγισαν ότι εάν ένα μόριο είναι αρκετά άφθονο ώστε να είναι καθόλου ανιχνεύσιμο, ο δείκτης συναρμολόγησής του μπορεί να υποδείξει εάν παρήχθη από μια οργανωμένη, ρεαλιστική διαδικασία. Το ελκυστικό αυτής της προσέγγισης είναι ότι δεν προϋποθέτει τίποτα σχετικά με τη λεπτομερή χημεία του ίδιου του μορίου ή εκείνη της έμπνευσης οντότητας που το δημιούργησε. Είναι χημικά αγνωστικιστικό. Και αυτό το καθιστά ιδιαίτερα πολύτιμο όταν αναζητούμε μορφές ζωής που μπορεί να μην συμμορφώνονται με την επίγεια βιοχημεία, δήλωσε ο Jonathan Lunine, πλανητολόγος στο Πανεπιστήμιο Cornell και ο κύριος ερευνητής μιας προτεινόμενης αποστολής για αναζήτηση ζωής στο παγωμένο φεγγάρι του Κρόνου Εγκέλαδος.

"Τουλάχιστον μια σχετικά αγνωστική τεχνική πρέπει να υπάρχει στις αποστολές ανίχνευσης ζωής", είπε ο Lunine.

Και, πρόσθεσε, είναι δυνατό να γίνουν οι μετρήσεις που απαιτεί η θεωρία συναρμολόγησης με τεχνικές που χρησιμοποιούνται ήδη για τη μελέτη της χημείας στις πλανητικές επιφάνειες. "Η εφαρμογή μετρήσεων που επιτρέπουν τη χρήση της θεωρίας συναρμολόγησης στην ερμηνεία δεδομένων είναι εξαιρετικά εφικτή", είπε.

A Measure of Life’s Work

Αυτό που χρειάζεται είναι μια γρήγορη και εύκολη πειραματική μέθοδος για τον προσδιορισμό των AI συγκεκριμένων μορίων. Χρησιμοποιώντας μια βάση δεδομένων χημικών δομών, οι Cronin, Walker και οι συνεργάτες τους επινόησαν έναν τρόπο να υπολογίσουν τον ελάχιστο αριθμό βημάτων που απαιτούνται για τη δημιουργία διαφορετικών μοριακών δομών. Τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι, για σχετικά μικρά μόρια, ο δείκτης συναρμολόγησης είναι κατά προσέγγιση ανάλογος με το μοριακό βάρος. Αλλά για μεγαλύτερα μόρια (οτιδήποτε μεγαλύτερο από μικρά πεπτίδια, ας πούμε) αυτή η σχέση καταρρέει.

Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι ερευνητές βρήκαν ότι μπορούσαν να εκτιμήσουν την τεχνητή νοημοσύνη χρησιμοποιώντας φασματομετρία μάζας — μια τεχνική που χρησιμοποιείται ήδη από το ρόβερ Curiosity της NASA για τον εντοπισμό χημικών ενώσεων στην επιφάνεια του Άρη και από το διαστημικό σκάφος Cassini της NASA για τη μελέτη μορίων που εκρήγνυνται από τον Εγκέλαδο.

Η φασματομετρία μάζας συνήθως διασπά μεγάλα μόρια σε θραύσματα. Ο Cronin, ο Walker και οι συνεργάτες του βρήκαν ότι κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, μεγάλα μόρια με υψηλά AI διασπώνται σε πιο πολύπλοκα μείγματα θραυσμάτων από αυτά με χαμηλή AI (όπως απλά, επαναλαμβανόμενα πολυμερή). Με αυτόν τον τρόπο οι ερευνητές θα μπορούσαν να προσδιορίσουν αξιόπιστα μια τεχνητή νοημοσύνη με βάση την πολυπλοκότητα του φάσματος μάζας του μορίου.

Όταν οι ερευνητές στη συνέχεια δοκίμασαν την τεχνική, διαπίστωσαν ότι πολύπλοκα μείγματα μορίων που παράγονται από ζωντανά συστήματα — μια καλλιέργεια E. coli βακτήρια, φυσικά προϊόντα όπως η ταξόλη (ένας μεταβολίτης του δέντρου πουρνάρι του Ειρηνικού με αντικαρκινικές ιδιότητες), η μπύρα και τα κύτταρα ζύμης — συνήθως είχαν σημαντικά υψηλότερο μέσο όρο AI από τα μέταλλα ή τα απλά οργανικά.

Η ανάλυση είναι επιρρεπής σε ψευδώς αρνητικά - ορισμένα προϊόντα ζωντανών συστημάτων, όπως το Ardbeg single malt scotch, έχουν AI που υποδηλώνουν μη ζωντανή προέλευση. Αλλά ίσως το πιο σημαντικό, το πείραμα δεν παρήγαγε ψευδώς θετικά:τα αβιοτικά συστήματα δεν μπορούν να συγκεντρώσουν αρκετά υψηλά AI για να μιμηθούν τη βιολογία. Έτσι, οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι εάν ένα δείγμα με υψηλή μοριακή τεχνητή νοημοσύνη μετρηθεί σε έναν άλλο κόσμο, είναι πιθανό να έχει δημιουργηθεί από μια οντότητα που θα μπορούσαμε να ονομάσουμε ζωντανή.

Merrill Sherman/Quanta Magazine; πηγή:https://doi.org/10.1038/s41467-021-23258-x

Η φασματομετρία μάζας θα λειτουργούσε μόνο σε αστροβιολογικές αναζητήσεις που έχουν πρόσβαση σε φυσικά δείγματα - δηλαδή αποστολές προσγείωσης ή ορισμένους τροχιακούς όπως το Europa Clipper που μπορούν να συλλάβουν και να αναλύσουν μόρια που εκτοξεύονται από την επιφάνεια ενός κόσμου. Αλλά ο Cronin και οι συνεργάτες του έχουν πλέον δείξει ότι μπορούν να μετρήσουν μοριακές AI χρησιμοποιώντας δύο άλλες τεχνικές που προσφέρουν σταθερά αποτελέσματα. Ένα από αυτά, η υπέρυθρη φασματοσκοπία, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί από όργανα όπως αυτά στο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb που ερευνούν εξ αποστάσεως τη χημική σύνθεση μακρινών κόσμων.

Αυτό δεν σημαίνει ότι αυτές οι μέθοδοι μοριακής ανίχνευσης προσφέρουν ένα καθαρό ραβδί μέτρησης που κυμαίνεται από βράχο έως ερπετό. Ο Έκτορ Ζενίλ, επιστήμονας υπολογιστών και βιοτεχνολόγος στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, επεσήμανε ότι η ουσία με την υψηλότερη τεχνητή νοημοσύνη από όλα τα δείγματα που εξέτασε η ομάδα της Γλασκώβης —μια ουσία που με αυτό το μέτρο μπορεί να θεωρηθεί η πιο «βιολογική» — δεν ήταν βακτήριο.

Ήταν μπύρα.

Αποβολή των δεσμών του ντετερμινισμού

Η θεωρία συναρμολόγησης προβλέπει ότι αντικείμενα σαν εμάς δεν μπορούν να προκύψουν μεμονωμένα - ότι ορισμένα σύνθετα αντικείμενα μπορούν να εμφανιστούν μόνο σε συνδυασμό με άλλα. Αυτό έχει διαισθητικό νόημα. το σύμπαν δεν θα μπορούσε ποτέ να παράγει μόνο έναν άνθρωπο. Για να φτιάξουμε οποιονδήποτε άνθρωπο, έπρεπε να μας φτιάξουμε ένα σωρό.

Κατά τον υπολογισμό συγκεκριμένων, πραγματικών οντοτήτων όπως οι άνθρωποι γενικά (και εσείς και εγώ ειδικότερα), η παραδοσιακή φυσική είναι τόσο χρήσιμη. Παρέχει τους νόμους της φύσης και υποθέτει ότι συγκεκριμένα αποτελέσματα είναι το αποτέλεσμα συγκεκριμένων αρχικών συνθηκών. Υπό αυτή την άποψη, πρέπει να ήμασταν κατά κάποιο τρόπο κωδικοποιημένοι στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος. Αλλά σίγουρα απαιτούνται εξαιρετικά ακριβείς αρχικές συνθήκες για να γίνει Homo sapiens (πόσο μάλλον εσύ) αναπόφευκτο.

Η θεωρία συναρμολόγησης, λένε οι υποστηρικτές της, ξεφεύγει από αυτό το είδος υπερκαθορισμένης εικόνας. Εδώ, οι αρχικές συνθήκες δεν έχουν μεγάλη σημασία. Αντίθετα, οι πληροφορίες που απαιτούνται για τη δημιουργία συγκεκριμένων αντικειμένων σαν εμάς δεν υπήρχαν στην αρχή, αλλά συσσωρεύονται στην εκτυλισσόμενη διαδικασία της κοσμικής εξέλιξης - μας απαλλάσσει από το να πρέπει να αναθέσουμε όλη αυτή την ευθύνη σε ένα απίστευτα καλά συντονισμένο Big Bang. Οι πληροφορίες "είναι στο μονοπάτι", είπε ο Walker, "όχι οι αρχικές συνθήκες."

Ο Cronin και ο Walker δεν είναι οι μόνοι επιστήμονες που προσπαθούν να εξηγήσουν πώς τα κλειδιά της παρατηρούμενης πραγματικότητας μπορεί να μην βρίσκονται στους παγκόσμιους νόμους αλλά στον τρόπο με τον οποίο ορισμένα αντικείμενα συναρμολογούνται ή μετατρέπονται σε άλλα. Η θεωρητική φυσική Chiara Marletto του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης αναπτύσσει μια παρόμοια ιδέα με τον φυσικό David Deutsch. Η προσέγγισή τους, την οποία αποκαλούν θεωρία κατασκευαστή και την οποία ο Marletto θεωρεί «κοντά στο πνεύμα» στη θεωρία συναρμολόγησης, εξετάζει ποιοι τύποι μετασχηματισμών είναι και ποιοι δεν είναι δυνατοί.

«Η θεωρία του κατασκευαστή μιλά για το σύμπαν των εργασιών ικανών να κάνουν ορισμένους μετασχηματισμούς», είπε ο Cronin. «Μπορεί να θεωρηθεί ότι οριοθετεί αυτό που μπορεί να συμβεί μέσα στους νόμους της φυσικής». Η θεωρία συναρμολόγησης, λέει, προσθέτει χρόνο και ιστορία σε αυτήν την εξίσωση.

Για να εξηγήσει γιατί κάποια αντικείμενα κατασκευάζονται αλλά άλλα όχι, η θεωρία συναρμολόγησης προσδιορίζει μια ένθετη ιεραρχία τεσσάρων διακριτών «σύμπαντα».

Στο Σύμπαν Συναρμολόγησης, επιτρέπονται όλες οι μεταθέσεις των βασικών δομικών στοιχείων. Στο Συναρμολόγηση Possible, οι νόμοι της φυσικής περιορίζουν αυτούς τους συνδυασμούς, επομένως μόνο ορισμένα αντικείμενα είναι εφικτά. Στη συνέχεια, το Συγκρότημα Συναρμολόγησης κλαδεύει την τεράστια γκάμα φυσικώς επιτρεπόμενων αντικειμένων επιλέγοντας αυτά που μπορούν πραγματικά να συναρμολογηθούν κατά μήκος πιθανών μονοπατιών. Το τέταρτο σύμπαν είναι το Assembly Observed, το οποίο περιλαμβάνει ακριβώς εκείνες τις διαδικασίες συναρμολόγησης που έχουν δημιουργήσει τα συγκεκριμένα αντικείμενα που βλέπουμε στην πραγματικότητα.

Merrill Sherman/Quanta Magazine; πηγή:https://doi.org/10.48550/arXiv.2206.02279

Η θεωρία συναρμολόγησης διερευνά τη δομή όλων αυτών των συμπάντων, χρησιμοποιώντας ιδέες που λαμβάνονται από τη μαθηματική μελέτη γραφημάτων ή δικτύων διασυνδεδεμένων κόμβων. Είναι «μια θεωρία για τα αντικείμενα πρώτα», είπε ο Walker, όπου «τα πράγματα [στη θεωρία] είναι τα αντικείμενα που φτιάχνονται στην πραγματικότητα, όχι τα συστατικά τους».

Για να κατανοήσετε πώς λειτουργούν οι διαδικασίες συναρμολόγησης μέσα σε αυτά τα νοητά σύμπαντα, εξετάστε το πρόβλημα της Δαρβινικής εξέλιξης. Συμβατικά, η εξέλιξη είναι κάτι που «απλώς συνέβη» μόλις προέκυψαν τυχαία τα αναπαραγόμενα μόρια - μια άποψη που κινδυνεύει να είναι ταυτολογία, επειδή φαίνεται να λέει ότι η εξέλιξη ξεκίνησε όταν υπήρχαν εξελικτικά μόρια. Αντίθετα, οι υποστηρικτές τόσο της θεωρίας συναρμολόγησης όσο και της θεωρίας του κατασκευαστή αναζητούν «μια ποσοτική κατανόηση της εξέλιξης που βασίζεται στη φυσική», είπε ο Μαρλέτο.

Σύμφωνα με τη θεωρία συναρμολόγησης, πριν προχωρήσει η δαρβινική εξέλιξη, κάτι πρέπει να επιλέξει για πολλαπλά αντίγραφα αντικειμένων υψηλής τεχνητής νοημοσύνης από το Assembly Possible. Η χημεία από μόνη της, είπε ο Cronin, θα μπορούσε να είναι ικανή για αυτό - περιορίζοντας σχετικά πολύπλοκα μόρια σε ένα μικρό υποσύνολο. Οι συνηθισμένες χημικές αντιδράσεις ήδη «επιλέγουν» ορισμένα προϊόντα από όλες τις πιθανές μεταθέσεις, επειδή έχουν ταχύτερους ρυθμούς αντίδρασης.

Οι ειδικές συνθήκες στο πρεβιοτικό περιβάλλον, όπως η θερμοκρασία ή οι επιφάνειες καταλυτικών ορυκτών, θα μπορούσαν έτσι να έχουν αρχίσει να κερδίζουν τη δεξαμενή των μοριακών πρόδρομων ουσιών της ζωής μεταξύ αυτών που βρίσκονται στο Assembly Possible. Σύμφωνα με τη θεωρία συναρμολόγησης, αυτές οι προτιμήσεις των πρεβιοτικών θα «θυμούνται» στα σημερινά βιολογικά μόρια:κωδικοποιούν τη δική τους ιστορία. Μόλις ανέλαβε η Δαρβινική επιλογή, ευνόησε εκείνα τα αντικείμενα που μπορούσαν να αναπαραχθούν καλύτερα. Στην πορεία, αυτή η κωδικοποίηση της ιστορίας έγινε ακόμη ισχυρότερη. Αυτός είναι ακριβώς ο λόγος που οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν τις μοριακές δομές των πρωτεϊνών και του DNA για να κάνουν συμπεράσματα σχετικά με τις εξελικτικές σχέσεις των οργανισμών.

Έτσι, η θεωρία συναρμολόγησης «παρέχει ένα πλαίσιο για να ενοποιήσει τις περιγραφές της επιλογής σε όλη τη φυσική και τη βιολογία», έγραψαν οι Cronin, Walker και συνεργάτες. "Όσο πιο "συναρμολογημένο" είναι ένα αντικείμενο, τόσο περισσότερη επιλογή απαιτείται για να δημιουργηθεί."

"Προσπαθούμε να φτιάξουμε μια θεωρία που εξηγεί πώς η ζωή προκύπτει από τη χημεία", είπε ο Cronin, "και το κάνουμε με έναν αυστηρό, εμπειρικά επαληθεύσιμο τρόπο."

Ένα μέτρο για να τους κυβερνάς όλους;

Ο Krakauer πιστεύει ότι τόσο η θεωρία συναρμολόγησης όσο και η θεωρία κατασκευαστών προσφέρουν διεγερτικούς νέους τρόπους σκέψης για το πώς δημιουργούνται πολύπλοκα αντικείμενα. «Αυτές οι θεωρίες μοιάζουν περισσότερο με τηλεσκόπια παρά με εργαστήρια χημείας», είπε. "Μας επιτρέπουν να βλέπουμε πράγματα, όχι να φτιάχνουμε πράγματα. Αυτό δεν είναι καθόλου κακό και θα μπορούσε να είναι πολύ ισχυρό."

Αλλά προειδοποιεί ότι «όπως όλη η επιστήμη, η απόδειξη θα είναι στην πουτίγκα».

Η Zenil, εν τω μεταξύ, πιστεύει ότι, δεδομένου ενός ήδη σημαντικού καταλόγου μετρήσεων πολυπλοκότητας, όπως η πολυπλοκότητα του Kolmogorov, η θεωρία συναρμολόγησης απλώς ανακαλύπτει εκ νέου τον τροχό. Ο Μαρλέτο διαφωνεί. «Υπάρχουν πολλά μέτρα πολυπλοκότητας γύρω, με το καθένα να συλλαμβάνει μια διαφορετική έννοια της πολυπλοκότητας», είπε. Όμως, τα περισσότερα από αυτά τα μέτρα, είπε, δεν σχετίζονται με διαδικασίες του πραγματικού κόσμου. Για παράδειγμα, η πολυπλοκότητα του Kolmogorov προϋποθέτει ένα είδος συσκευής που μπορεί να συνδυάσει οτιδήποτε επιτρέπουν οι νόμοι της φυσικής. Είναι ένα μέτρο κατάλληλο για το Assembly Possible, είπε ο Marletto, αλλά όχι απαραίτητα για το Assembly Observed. Αντίθετα, η θεωρία συναρμολόγησης είναι «μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση επειδή εστιάζει σε λειτουργικά καθορισμένες, φυσικές ιδιότητες», είπε, «και όχι σε αφηρημένες έννοιες πολυπλοκότητας».

Αυτό που λείπει από τέτοια προηγούμενα μέτρα πολυπλοκότητας, είπε ο Cronin, είναι οποιαδήποτε αίσθηση της ιστορίας του σύνθετου αντικειμένου — τα μέτρα δεν κάνουν διάκριση μεταξύ ενός ενζύμου και ενός τυχαίου πολυπεπτιδίου.

Οι Cronin και Walker ελπίζουν ότι η θεωρία συναρμολόγησης θα αντιμετωπίσει τελικά πολύ ευρεία ζητήματα στη φυσική, όπως η φύση του χρόνου και η προέλευση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής. Αλλά αυτοί οι στόχοι είναι ακόμα μακρινοί. «Το πρόγραμμα της θεωρίας συναρμολόγησης είναι ακόμα στα σπάργανα», είπε ο Μαρλέτο. Ελπίζει να δει τη θεωρία να περνάει από τους ρυθμούς της στο εργαστήριο. Αλλά μπορεί να συμβεί και στην άγρια φύση — στο κυνήγι για ρεαλιστικές διαδικασίες που συμβαίνουν σε εξωγήινους κόσμους.

Επόμενο άρθρο

Είναι δυνατή η διαρκής κίνηση σε κβαντικό επίπεδο;