Asymmetrie des Lebens

Hallo! Ich weiß nichts über dich, aber ich wollte immer nicht nur etwas wissen, sondern auch verstehen, was ich weiß. Das Wissen, das das Bildungssystem in Form einer inkohärenten Reihe von Fakten über die Welt präsentierte, erforderte immer große Anstrengungen, um sie im Kopf zu behalten, aber es genügte, das logische Prinzip oder die Regelmäßigkeit zu verstehen, die dem Auftreten dieser Fakten entspricht, und es war möglich, sie mit gutem Gewissen loszuwerden und zu verlassen im Kopf nur die Regel selbst und, falls erforderlich, die notwendige Tatsache aus diesem Prinzip ableiten.

Und die Wissenschaften mit den wichtigsten Fakten ohne logische Erklärungen waren für mich immer diejenigen, die sich auf das organische Leben und seine Struktur beziehen. Um dies sicher zu sein, öffnen Sie das Biologielehrbuch, zum Beispiel im Abschnitt DNA, es wird eine detaillierte Beschreibung der Struktur und Funktionen der DNA geben, aber nicht Worte darüber, warum das alles einfach so funktionieren sollte und nicht anders. Dies ist wahrscheinlich der Grund, warum mein Wissen über diese Themen immer ein großer Misserfolg war. In diesem Artikel geht es darum, die Lücken zu schließen und Fakten über das organische Leben in ein kohärentes System zu bringen, das nicht nur die Frage „Wie?“ Beantworten würde. es könnte aber auch eine allgemeine Richtung geben, in die man sich bewegen muss, um die Frage „Warum?“ zu beantworten. Also lass uns gehen!

"Symmetrieelemente können in verschiedenen Phänomenen vorhanden sein, sind aber nicht notwendig; für die Existenz von Phänomenen ist nur das Fehlen bestimmter Symmetrieelemente notwendig." Pierre Curie

"Die Kenntnis weniger Prinzipien befreit von der Kenntnis vieler Tatsachen." Rene Descartes

Inhalt:

1. "Symmetrie des Chaos" - Betrachten Sie das Verhältnis von Symmetrie, Energie und Information.
2. „Lebende Systeme, die gegen die Störung verstoßen“ - Wir untersuchen die Unterschiede zwischen lebender Natur und nicht lebender Natur in Bezug auf die Informationsentropie.
3. "Selbstreplizierend-vernünftig" - Betrachten Sie die biologische Evolution im Rahmen der Theorie der Selbstreplikation.
4. "Life ++" - wir werden zeigen, wie die logischen Prinzipien, die für die Funktion des Selbstreplikators notwendig sind, mit der Grundstruktur von Nukleotiden und DNA übereinstimmen;
5. "Ein Löffel chiralen Teers" - wir werden das Phänomen der chiralen Reinheit organischer Moleküle kennenlernen;
6. "Asymmetrische Quelle des Lebens" betrachten wir, wie die Verletzung der Symmetrie organischer Moleküle von lebenden Systemen genutzt wird;
7. Fazit

Chaos Symmetrie

Was ist das symmetrischste, das Sie sich vorstellen können? Viele mit dieser Frage stellen sich einen Ball vor, und tatsächlich befindet sich jeder Punkt auf der Oberfläche des Balls in gleichem Abstand vom Zentrum. Wenn Sie jedoch einen anderen Punkt in die Tiefe nehmen, ist die Symmetrie bereits gebrochen. Sicherlich kann ein ungefährer idealer Symmetriezustand als ein unendlicher Raum betrachtet werden, der aus einem absoluten physikalischen Vakuum besteht, das weder Felder noch Teilchen enthält, ohne ein Zentrum von Grenzen. Jeder Punkt eines solchen Raums ist einem anderen äquivalent, um einen solchen Raum zu beschreiben, für den Sie ein Minimum an Informationen benötigen im wesentlichen nichts zu beschreiben.

Glücklicherweise ist der Zustand der absoluten Symmetrie in unserer physischen Welt nicht verfügbar. Der maximal mögliche Symmetriezustand in dieser Hinsicht ist der interstellare Raum, es gibt praktisch keine Materie darin und anscheinend ist er unendlich, aber im Gegensatz zu einem echten Vakuum wird er von Feldern durchdrungen, die ständig und zufällig schwingen und mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von einer Million Milliarden Milliarden schwanken (10 in 24) Grad) einmal pro Sekunde auf einer Skala, die mit Millionstel Milliardstel (10 bis minus 15 Grad) eines Millimeters vergleichbar ist. Wir können die größten und stabilsten Schwingungen als separate Partikel wahrnehmen. Dies kann damit verglichen werden, wie die Tsunami-Welle als separates Objekt betrachtet werden kann, aber dies ist nichts weiter als eine gepumpte Variation der Wellen auf der Wasseroberfläche. Dank der ständigen Schwankungen der Felder haben wir so viele lustige und kaputte Dinge wie das Prinzip der Unsicherheit und der dunklen Energie. Es ist möglich, in einem Übersichtsartikel über Habré ausführlicher zu lesen und das Video visuell zu beschreiben:

https://www.youtube.com/watch?v=Qhowc1PSO4E

Visualisierung von Gluonenfeldschwankungen

Wir sehen also, dass unser realer Zustand maximaler Symmetrie sich stark vom Ideal unterscheidet und im Gegensatz dazu maximale Unsicherheit aufweist, d.h. erfordert maximale Informationen zur Beschreibung oder maximale Entropie ( https://ru.wikipedia.org/wiki/Information_entropy ), um dies sicherzustellen. Schauen wir uns ein einfaches Beispiel an:

Stellen Sie sich eine Platte vor, die an den Rändern mit Wasser gefüllt ist, so dass die Oberflächenspannung eine Oberfläche bildet, die konvex und symmetrisch zu den Rändern des Gefäßes ist. Legen Sie vorsichtig auf diese Oberfläche, beispielsweise eine Tischtenniskugel, genau in der Mitte, am höchsten Punkt. Es gibt eine Vielzahl von Optionen, in welche Richtung sich der Ball entlang der Wasseroberfläche bewegt. Seine Richtung hängt vom Ergebnis von Milliarden zufälliger Kollisionen mit Wassermolekülen infolge thermischer Bewegung ab. Um dieses Ergebnis zu berechnen, müssen Sie die Geschwindigkeit und Richtung all dieser Moleküle kennen dass dies eine sehr große Informationsmenge ist und die Unvorhersehbarkeit (Entropie) dieses Systems ebenfalls sehr groß ist (Abb. 1). Aber was ist, wenn Sie die Symmetrie des Systems brechen? Wenn zum Beispiel eine Kante der Platte relativ zur anderen angehoben wird, beginnen die Naturkräfte sofort mit ihrer Arbeit, um diese schreckliche Ungerechtigkeit wiederherzustellen. Wasser fließt aus dem Gefäß und gleicht das Niveau aus. Das gießende Wasser nimmt den Ball mit und seine Bewegung kann bereits einfach durch Kenntnis der Geschwindigkeit und Richtung des Wasserflusses beschrieben werden (Abb. .2) Der Stream wird sich jedoch nicht selbst erstellen. Um den Stream zu erstellen, müssen Sie die Symmetrie aufheben, d. H. Energie von außen in das System zu bringen.



Daraus können wir folgendes ableiten:

1. Ein System mit größerer Symmetrie hat eine größere Entropie - Unsicherheit oder ein Maß für die Menge an Informationen, die zur Beschreibung erforderlich sind, und gleichzeitig weniger Energie.
2. Symmetriebrechung reduziert die Entropie und startet den Prozess;
3. Die Natur liebt Symmetrie, alle Systeme neigen zu einem Gleichgewichtszustand und minimaler Energie.
4. Jeder Prozess kann als Versuch des Systems betrachtet werden, zu einem Symmetriezustand oder einer minimalen Energie zurückzukehren.

„Wir betonen noch einmal: Das Konzept der maximalen Entropie impliziert den chaotischsten und damit symmetrischsten Zustand des Systems. Alle spontanen Prozesse in der Natur gehen in Richtung zunehmender Entropie. “ ( http://cyclowiki.org/wiki/Mixing Paradox )
In der Tat können wir mit Sicherheit sagen, dass alle Prozesse, die wir beobachten, Echos der einst gut gebrochenen Symmetrie sind, die sich glücklicherweise noch nicht vollständig erholt hat, aber Sie können nicht gegen Entropie rasseln und früher oder später werden alle Systeme ins Gleichgewicht kommen und die Pendel aller Stunden werden aufhören oder Ausnahmen?

Lebensstörungssysteme

Wenn wir lebende Organismen unter dem Gesichtspunkt der Entropie betrachten, können wir sehen, dass lebende Systeme im Gegensatz zu allen umgebenden nicht lebenden Systemen, die bei jeder Gelegenheit ins Chaos geraten, schließlich immer komplexere und geordnetere Strukturen erzeugen, von einfachen selbstreplizierenden Molekülen bis hin zu des menschlichen Gehirns, Demonstration der umgekehrten Bewegung - Reduzierung der Entropie.

Um diese Aussage besser zu verstehen, versuchen wir sehr grob, die Entropie eines biologischen Organismus, beispielsweise einer Person mit einem Gewicht von 70 kg, mit der Entropie eines Systems zu vergleichen, das aus der gleichen Anzahl von Atomen besteht.



Entropie eines Systems bestehend aus 70 kg. von ungeordneten Atomen ist die Größe sehr groß und proportional zu ihrer Anzahl, d.h. Um dieses System zu definieren, müssen wir den Zustand von ungefähr 6,7 * 10 bis zum 27. Grad (6,7 Milliarden Milliarden Milliarden) von Atomen beschreiben. Was ist mit einem lebenden Organismus? Alle Informationen, die zum Aufbau des menschlichen Systems erforderlich sind, werden in seiner DNA gespeichert, einer langen Sequenz mehrerer Arten identischer Moleküle, d.h. im Fall eines lebenden Systems reicht es aus, nur die Konfiguration der DNA-Kette zu kennen, die aus nur 6 Milliarden Molekülen besteht, von denen jedes aus etwa 30 Atomen besteht, und dies ist 18 · 10 bis zur 10. Potenz, d.h. insgesamt 180 Milliarden Atome. Dann können wir durch eine einfache Beziehung den Unterschied in der Reihenfolge der Entropien dieser Systeme abschätzen:

6,7 * 10 ^ 27 ÷ 18 * 10 ^ 10 ≈ 3,7 * 10 ^ 16

Insgesamt ist nach den gröbsten Schätzungen die Entropie des lebenden Systems "Mensch" mit der gleichen Materiemasse um 16 Größenordnungen geringer als die eines nicht lebenden Atomclusters, d.h. zig Millionen Milliarden Mal! (Weitere Informationen zur Entropie von Systemen finden Sie hier: studfiles.net/preview/953337/page : 31 /, sernam.ru/book_tp.php?id=104 ). Es scheint, dass lebende Systeme die Nase der Entropie gut abgewischt haben. Aber dank welcher Qualität gelingt ihnen ein so einzigartiger Trick?

Selbstreplikator-vernünftig

Da wir uns entschlossen haben, über das Leben zu sprechen, lohnt es sich auch, sich der Evolutionstheorie zuzuwenden. In dieser Angelegenheit ist sie eine absolute Autorität. Wenn wir alles überflüssige verwerfen, behauptet diese Theorie im Grunde, dass die Entwicklung der gesamten Vielfalt der von uns beobachteten Wildtiere zur ständigen Übertragung und Veränderung erblicher Informationen zwischen Generationen von Organismen verpflichtet ist. Erfolgreiche Modifikationen tragen zu einer effizienteren Reproduktion (Selbstkopie) ihres Trägers bei, wodurch eine inverse positive Beziehung entsteht und umgekehrt erfolglos bleibt. Durch die Ansammlung erfolgreicher Modifikationen erhalten Organismen immer komplexere und geordnetere Formen, wodurch die primäre Symmetrie zunehmend gebrochen wird.

Basierend auf diesem Hauptunterschied zwischen lebenden und nicht lebenden Systemen ist es im Allgemeinen möglich, sich alle lebenden Organismen als einfach selbstreplizierende und sich selbst verändernde DNA-Programme mit einem Code wie dem folgenden vorzustellen:

Anweisung1: <create: [Zufällige Anweisungen]>
Anweisung 2: <Ausführen: [Erste Anweisungen] + [Zufällige Anweisungen]>
Anweisung3: <Schreiben: [Originalanweisungen] = ([Originalanweisungen] + [Zufällige Anweisungen])>
Anweisung4: <Kopie: [Alle Anweisungen oben] + [Anweisung4]>

Als Ergebnis der Ausführung eines solchen Programms erhalten wir eine mutierte Kopie davon, die sich vom Original unterscheidet, da zufällige Anweisungen in die Originalanweisungen gemischt werden, und dann wird auch eine eigene modifizierte Kopie usw. erstellt. Wenn sich herausstellt, dass die Mutationen nicht erfolgreich sind und während ihrer Ausführung ein Fehler auftritt, erreicht das Programm die Kopierphase nicht und wird nicht an die nächste Generation weitergegeben.

Es reicht aus, ein solches Programm in eine funktionsfähige Umgebung zu stellen und es sich selbst zu überlassen. Nach nur wenigen Milliarden Jahren erhalten Sie die gesamte Artenvielfalt ohne zusätzliche Entwicklungskosten.


Das Original

Das Konzept der Selbstreplikatorprogramme wurde bereits 1951 vorgeschlagen. - Von Neumann ist ein brillanter Mathematiker und Physiker, ein Mann, dessen Beitrag zur Wissenschaft des 20. Jahrhunderts kaum zu überschätzen ist, der Vater der Spieltheorie, der mathematischen Sprache der Quantenmechanik und darüber hinaus der modernen Computertechnologie Die nach ihm benannte Architektur produziert heute die meisten Computer. (mehr über die Theorie der Selbstreplikation in einem Artikel von PostNauki und auch im Originalartikel von Von Neumann ).

Leben ++

Wir haben bereits gesehen, dass lebende Systeme sich aufgrund der Fähigkeit, ihre eigenen genetischen Informationen zu akkumulieren, zu modifizieren und zu kopieren, ständig selbst komplizieren und selbst organisieren. Um besser zu verstehen, wie diese Funktionen funktionieren, und sie in ein logisches System zu integrieren, versuchen wir als Gedankenexperiment, den Ursprung des Lebens zu simulieren und ein Replikatorprogramm von Grund auf neu zu schreiben. Stellen wir uns vor, wir haben nur das, was die Natur zur Hand hat: die Gesetze der Physik, eine Reihe verschiedener Atome und mehrere Milliarden Jahre Freizeit.

Okay, wo fangen wir an, nachdem wir in sozialen Netzwerken stecken geblieben sind und alle Serien gesehen haben, die wir jemals gedreht haben? Um etwas zu schreiben, das wir brauchen, werden wir zunächst keine unnötigen Entitäten erzeugen und zunächst das minimal notwendige Alphabet verwenden, das ausreicht, um Informationen zu codieren - dies sind nur zwei Zeichen: 0 und 1. Nehmen wir an, wir verbinden einige oder zwei Atome, dann wird das resultierende Molekül "Null" genannt, und wenn wir zwei andere Atome verbinden, erhalten wir ein anderes Molekül, das wir "Einheit" nennen werden, und zunächst werden wir ihnen ein solches Schema präsentieren:



Damit der geschriebene Text, der solche Buchstaben verwendet, ein Programm ist, müssen die folgenden erforderlichen Mindestanforderungen erfüllt sein:

1. Integrität Dafür ist es wichtig, dass unsere molekulare Null und eins fest miteinander verbunden sind und eine durchgehende Linie bilden, da wir uns unter den Bedingungen des molekularen Schreibens keine Räume leisten können, weil andere Moleküle und Atome und unser Molekül ständig und zufällig herumwandern. Code mit Leerzeichen fliegt bei Kollisionen sofort in Komponenten.
2. Sequenz. Jedes Programm sollte per Definition eine Folge von Befehlen haben. In unserem Beispiel eines Selbstreplikator-Codebeispiels wurde die Folge beobachtet, da wir Text standardmäßig nur in eine Richtung lesen: von links nach rechts, von oben nach unten. Die zweite notwendige Bedingung wird also sein, die Richtung für unseren molekularen Text eindeutig festzulegen.

Um die erste Anforderung zu erfüllen, reicht es aus, unsere Moleküle so anzupassen, dass sie links und rechts zwei Verbindungen haben, dann können sie aneinander haften und eine kontinuierliche Kette bilden. Und damit immer eine Richtung der Kette eingehalten wird, reicht es aus, dass die Haken an den Buchstaben nur die linke mit der rechten verbinden können. Dieses Prinzip lässt sich leicht am Beispiel einer Kette von Menschen darstellen, die Hände halten. Jede Person hält ihre rechte Hand mit der linken Hand, sodass jeder gegenübersteht in eine Richtung. Nach diesem Prinzip kann jeder der Molekülbuchstaben auch in nur einer Richtung in einer Kette stehen. Stellen Sie es sich schematisch so vor:



Großartig, jetzt haben wir unser Mindestalphabet von 2 Buchstaben-Molekülen, die zu stabilen Ketten mit einer Richtung kombiniert werden können. Beginnen wir mit dem Schreiben von Code.

Weil Wenn wir einen Selbstreplikator schreiben, müssen Sie zunächst über einen einfachen und zuverlässigen Mechanismus zum Selbstkopieren unseres Programms nachdenken. Wie soll es funktionieren? Auch hier kann man nicht auf zwei Mindestanforderungen verzichten:

1. Der Mechanismus muss im Programmcode enthalten sein.
2. Der Mechanismus sollte aufgrund seiner Arbeit eine Kopie des Programmcodes erstellen.

Weil Wir können keine Leerzeichen setzen, dann sollte unser Code vollständig aus einer Zeile bestehen, aber niemand hat uns auf die Anzahl der Zeichen beschränkt, daher sollte dies kein Problem sein. Nehmen wir weiter an, dass es möglich ist, eine Sequenz von Elementmolekülen so auszuwählen, dass sie nur durch die Wechselwirkungen zwischen Atomen die folgenden Funktionen erfüllt: Einerseits interagiert sie in der Reihenfolge mit einem Codeelement (null oder eins) und sammelt sich dann nach der Wechselwirkung von anderen Atomen das gleiche Element (kopierte das Element), wonach ich diese Aktion mit dem nächsten Element der Kette wiederholen und sie auch miteinander verbinden würde. Nennen wir diese Sequenz einen Kopiermechanismus und fügen sie dem Code hinzu, der schematisch wie folgt dargestellt werden kann:

0> 1> 0 ... (beliebig viele Zeichen)> (Kopiermechanismuscode) ... 0> 1>


Nun werden wir simulieren, wie unser Mechanismus funktionieren wird. Da er sich an einem Ende der Kette befindet, beginnt er, das Programm von der anderen Seite zu kopieren, sodass unsere Codezeile wie eine Schlange im gleichnamigen Spiel zusammenbricht. Der Mechanismus bewegt sich vorwärts, empfängt Eingaben und kopiert Elemente der Sequenz nacheinander und schließt das Kopieren des Abschnitts „... (beliebig viele Zeichen) ab. > "Und stößt dann auf das Problem der Rekursion, denn um Informationen aus seinen eigenen Elementen zu lesen, muss der Mechanismus eine Kopie von sich selbst haben, und um eine Kopie von sich selbst zu erstellen, müssen Sie Informationen von lesen wesentliche Elemente.

Lassen Sie uns irgendwie rauskommen und dafür werden wir einen anderen Weg in Betracht ziehen, etwas zu kopieren, nicht direkt, jedes Element neu zu erstellen, sondern nach dem Prinzip einer Besetzung. So stellen sie beispielsweise Formen zum Gießen von Bronzestatuen her: Erstellen Sie einen Prototyp, erstellen Sie dann einen Prototypabdruck in Ton und füllen Sie ihn mit geschmolzenem Metall. Sie können eine Kopie des Prototyps erhalten. Hört sich gut an, versuchen wir, dieses Prinzip in unserem molekularen Code anzuwenden. Um ein solches Kopierschema zu implementieren, müssen wir zum Anfang zurückkehren und kleine Änderungen an unserem Alphabet vornehmen. Nämlich: Fügen Sie unserer Null und Eins zwei weitere Zeichen hinzu: "2" und "3" und machen Sie jedes Zeichen zu einer Besetzung für sein Paar, Null für eine Zwei, Eins für eine Drei und umgekehrt, lassen Sie den Rest unverändert : Alle Buchstaben haben die gleichen Seitenhaken und die gleiche Richtung. Damit der Abdruck und das Original immer genau übereinstimmen, fügen wir jedem Buchstaben ein Paar Abdrücke mit neuen Haken hinzu, die nach dem Prinzip des Puzzles funktionieren sie konnten sich nur mit ihrem Paar 0 s 2 und 1 s 3 paaren. Neue s Dreschflegel organisiert auch alle Buchstaben in den gleichen gleichen - mit der Unterkante. Und so erhalten wir ein Alphabet mit 4 Zeichen: 0,1,2,3, von denen jedes drei Hakenverbindungen hat: Links, rechts und unten, linke Haken verbinden sich nur mit der rechten Seite eines Zeichens, und die unteren Verbindungen können nur ein Zeichen verbinden mit seinem Cast-Kumpel: Null mit einer Zwei und eine Einheit mit einer Drei. :



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Dieser Effekt liegt dem Supercoiling-Prozess zugrunde , der für DNA-Funktionen sehr wichtig ist , d.h. dichtes Verpacken in einer Form, die zum Aufbewahren und Kopieren geeignet ist. Bei diesem Verfahren wird die DNA-Kette, die anfänglich eine Gesamtlänge von etwa 2 Metern hat, um ein Vielfaches verdreht, wodurch die Richtung der Spiralisierung geändert wird und Zehntausende Male kompakter werden, um in Form von Chromosomen in den Zellkern zu passen, die so klein (6 Mikrometer) sind wie auf dem Streichholzkopf Eintausend solcher Kerne können leicht untergebracht werden.

Fazit

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