Asimetría de la vida

Hola No sé sobre ti, pero siempre quise no solo saber algo, sino también entender lo que sé. El conocimiento presentado por el sistema educativo, en forma de un conjunto incoherente de hechos sobre el mundo, siempre requirió grandes esfuerzos para mantenerlos en la cabeza, pero fue suficiente para comprender el principio lógico o la regularidad que corresponde a la aparición de estos hechos y fue posible deshacerse de ellos con la conciencia tranquila, dejando en la cabeza, solo la regla misma y, si es necesario, deducen el hecho necesario de este principio.

Y las ciencias con los hechos más completos sin explicaciones lógicas para mí siempre han sido las relacionadas con la vida orgánica y su estructura, para estar seguros de esto, abra el libro de texto de biología, por ejemplo, en la sección de ADN, habrá una descripción detallada de la estructura y las funciones del ADN, pero no palabras sobre por qué todo esto debería funcionar así y no de otra manera. Esta es probablemente la razón por la cual mi conocimiento de estos temas siempre ha sido un gran fracaso. Este artículo trata sobre tratar de llenar los vacíos y llevar los hechos sobre la vida orgánica a un sistema coherente que no solo respondería a la pregunta "¿cómo?" pero también podría dar una dirección general en la que uno debe moverse para responder la pregunta "¿por qué?". ¡Entonces vamos!

"Los elementos de simetría pueden estar presentes en varios fenómenos, pero no son necesarios; para la existencia de fenómenos, solo es necesaria la ausencia de ciertos elementos de simetría". Pierre Curie

"El conocimiento de pocos principios exime del conocimiento de muchos hechos". René Descartes

Contenido:

1. "Simetría del caos": considere la relación de simetría, energía e información;
2. “Sistemas vivos que violan el trastorno”: investigamos las diferencias entre la naturaleza viva y la no viva en términos de entropía informativa;
3. "Autorreplicante-razonable" - considere la evolución biológica en el marco de la teoría de la autorreplicación;
4. "Life ++": mostraremos cómo los principios lógicos necesarios para el funcionamiento del autorreplicador son consistentes con la estructura básica de nucleótidos y ADN;
5. “Una cucharada de alquitrán quiral”: nos familiarizaremos con el fenómeno de la pureza quiral de las moléculas orgánicas;
6. "Fuente de vida asimétrica" ​​consideramos cómo los sistemas vivos utilizan la violación de la simetría de las moléculas orgánicas;
7. Conclusión

Simetría del caos

¿Cuál es el más simétrico que puedas imaginar? Muchos con esta pregunta imaginan una pelota, y de hecho cada punto en la superficie de la pelota está a la misma distancia del centro, pero si tomas otro punto en profundidad, entonces la simetría ya está rota. Seguramente, un estado de simetría ideal aproximado puede considerarse un espacio infinito que consiste en un vacío físico absoluto que no contiene campos ni partículas, sin un centro de límites, cada punto de dicho espacio será equivalente a otro, para describir dicho espacio necesita un mínimo de información, porque esencialmente nada que describir.

Afortunadamente, el estado de simetría absoluta no está disponible en nuestro mundo físico. El estado de simetría máximo posible a este respecto es el espacio interestelar, prácticamente no tiene importancia y, aparentemente, es infinito, pero a diferencia de un verdadero vacío, es penetrado por campos que oscilan constante y aleatoriamente, fluctúan a una velocidad del orden de un millón de billones de billones (10 en 24 grados) una vez por segundo en una escala comparable a millonésimas de billonésimas (10 a menos 15 grados) de un milímetro. Podemos percibir las vibraciones más grandes y más estables como partículas separadas, esto se puede comparar con la forma en que la ola de tsunami se puede considerar como un objeto separado, pero esto no es más que una variación bombeada de las ondas en la superficie del agua. Gracias a las constantes fluctuaciones de los campos, tenemos decenas de cerebros inteligentes tan divertidos y rotos, como el principio de incertidumbre y energía oscura. Es posible leer con más detalle en un artículo de revisión sobre Habré , y también mirar el video que describe visualmente:

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

Visualización de las fluctuaciones del campo de gluones.

Entonces, vemos que nuestro estado real de simetría máxima es bastante diferente del ideal y, en contraste, tiene una incertidumbre máxima, es decir, requiere máxima información para describir o tiene una entropía máxima ( https://ru.wikipedia.org/wiki/Information_entropy ) para asegurarse de esto, veamos un ejemplo simple:

Imagine una placa llena de agua hasta los bordes, de modo que la tensión superficial forme una superficie convexa, simétrica con respecto a los bordes del recipiente, coloque suavemente sobre esta superficie, por ejemplo, una pelota de ping-pong, exactamente en el centro, en el punto más alto. Hay una gran cantidad de opciones, en qué dirección se moverá la bola a lo largo de la superficie del agua, su dirección dependerá del resultado de miles de millones de colisiones aleatorias con moléculas de agua como resultado del movimiento térmico, y para calcular este resultado necesita saber la velocidad y la dirección de todas estas moléculas, ciertamente puede decir que esta es una gran cantidad de información y que la imprevisibilidad (entropía) de este sistema también es muy grande (Fig. 1). Pero, ¿y si rompes la simetría del sistema? Por ejemplo, al elevar un borde de la placa en relación con el otro, las fuerzas de la naturaleza comenzarán inmediatamente su trabajo para restaurar esta terrible injusticia, el agua saldrá del recipiente nivelando el nivel, el agua vertida arrastrará la bola y su movimiento ya puede describirse simplemente conociendo la velocidad y la dirección del flujo de agua (Fig. .2) Pero la secuencia no se creará sola, para crear la secuencia tendrá que romper la simetría, es decir. para traer energía al sistema desde afuera.



De esto podemos derivar lo siguiente:

1. un sistema con mayor simetría tiene una mayor entropía: incertidumbre o una medida de la cantidad de información requerida para describirlo y, al mismo tiempo, menos energía;
2. la ruptura de simetría reduce la entropía y comienza el proceso;
3. la naturaleza ama la simetría, todos los sistemas tienden a un estado de equilibrio y energía mínima;
4. cualquier proceso puede considerarse como un intento por parte del sistema de volver a un estado de simetría o energía mínima.

“Una vez más enfatizamos: el concepto de máxima entropía implica el estado más caótico y, por lo tanto, más simétrico del sistema. Todos los procesos espontáneos en la naturaleza van hacia una entropía creciente ”. ( http://cyclowiki.org/wiki/Mixing Paradox )
De hecho, podemos decir con certeza que todos los procesos que estamos observando son ecos de la simetría que alguna vez estuvo bien rota, que afortunadamente aún no se ha recuperado por completo, pero no puede sacudirse contra la entropía y, tarde o temprano, todos los sistemas se equilibrarán y los péndulos de todas las horas se detendrán, o alguna excepción?

Sistemas de perturbaciones vivas

Si consideramos los organismos vivos desde el punto de vista de la entropía, podemos ver que, en contraste con todos los sistemas no vivos circundantes, que en cualquier oportunidad se deslizan al caos, los sistemas vivos eventualmente producen estructuras cada vez más complejas y ordenadas, desde simples moléculas autorreplicantes hasta del cerebro humano, demostrando el movimiento inverso, reduciendo la entropía.

Para comprender mejor esta afirmación, intentemos comparar la entropía de un organismo biológico, por ejemplo, una persona que pesa 70 kg., Con la entropía de un sistema que consta del mismo número de átomos.



Entropía de un sistema que consta de 70 kg. de átomos desordenados, la magnitud es muy grande y proporcional a su número, es decir Para definir este sistema, necesitaremos describir el estado de aproximadamente 6.7 * 10 al grado 27 (6.7 billones de billones de billones) de átomos. ¿Qué pasa con un organismo vivo? Toda la información necesaria para ensamblar el sistema humano se almacena en su ADN, una secuencia larga de varios tipos de moléculas idénticas, es decir. en el caso de un sistema vivo, es suficiente para nosotros conocer solo la configuración de la cadena de ADN que consta de solo 6 mil millones de moléculas, cada una de las cuales consta de aproximadamente 30 átomos, y esto es 18 * 10 a la décima potencia, es decir total 180 mil millones de átomos. Luego, por una relación simple, podemos estimar la diferencia en el orden de las entropías de estos sistemas:

6.7 * 10 ^ 27 ÷ 18 * 10 ^ 10 ≈ 3.7 * 10 ^ 16

En total, según las estimaciones más duras, la entropía del sistema vivo "Hombre" con la misma masa de materia es menor que la de un grupo de átomos no vivos en 16 órdenes de magnitud, es decir. decenas de millones de miles de millones de veces! (Puede encontrar más información sobre la entropía de los sistemas aquí: studfiles.net/preview/953337/page : 31 /, sernam.ru/book_tp.php?id=104 ). Parece que los sistemas vivos han limpiado bien la nariz de la entropía. ¿Pero gracias a qué calidad tienen éxito en un truco tan único?

Autorreplicador-razonable

Como decidimos hablar sobre la vida, también vale la pena recurrir a la Teoría de la evolución. En este asunto, ella es una autoridad absoluta. Si descartamos todo lo que es superfluo, básicamente, esta teoría afirma que el desarrollo de toda la diversidad de la vida silvestre que observamos está obligado a la transmisión y modificación constantes de la información hereditaria entre generaciones de organismos. Las modificaciones exitosas contribuyen a una reproducción más eficiente (auto-copia) de su portador, creando una relación positiva inversa y sin éxito a la inversa. Por lo tanto, al acumular modificaciones exitosas, los organismos adquieren formas cada vez más complejas y ordenadas, rompiendo cada vez más la simetría primaria.

En base a esta diferencia clave entre los sistemas vivos y los no vivos, en la consideración más general, es posible imaginar a todos los organismos vivos como programas de ADN que simplemente se replican y cambian con un código como:

Instrucción1: <crear: [instrucciones aleatorias]>
Instrucción2: <ejecutar: [Instrucciones iniciales] + [Instrucciones aleatorias]>
Instrucción3: <escribir: [Instrucciones originales] = ([Instrucciones originales] + [Instrucciones aleatorias])>
Instrucción4: <copia: [Todas las instrucciones anteriores] + [Instrucción4]>

Como resultado de la ejecución de dicho programa, obtendremos una copia mutada del mismo, que será diferente del original debido a la mezcla de instrucciones aleatorias en las instrucciones originales y luego también creará su propia copia modificada, etc. Si las mutaciones no tienen éxito y se produce un error durante su ejecución, el programa no llegará a la etapa de copia, por lo que no se pasará a la próxima generación.

Es suficiente colocar dicho programa en un entorno adecuado para su funcionamiento, y dejarlo a usted mismo, y después de unos pocos miles de millones de años, recibirá toda la variedad de evolución de especies, sin costos de desarrollo adicionales.


El original

El concepto mismo de los programas autorreplicadores se propuso en 1951. - Von Neumann es un brillante matemático y físico, un hombre cuya contribución a la ciencia del siglo XX difícilmente puede ser sobreestimada, el padre de la teoría de juegos, el lenguaje matemático de la mecánica cuántica y, además, la tecnología informática moderna, a saber La arquitectura que lleva su nombre ahora produce la mayoría de las computadoras. (Más sobre la teoría de la autorreplicación en un artículo de PostNauki y también en el artículo original de Von Neumann ).

La vida

Ya hemos visto que los sistemas vivos se complican y organizan continuamente debido a la capacidad de acumular, modificar y copiar su propia información genética. Para comprender mejor cómo funcionan estas funciones y ponerlas en un sistema lógico, intentemos, como experimento mental, simular el origen de la vida y escribir un programa replicador desde cero, imaginando que solo tenemos lo que la naturaleza tenía a la mano: las leyes de la física, un montón de átomos diferentes y varios miles de millones de años de tiempo libre.

De acuerdo, ¿por dónde comenzamos después de quedarnos atrapados en las redes sociales y ver todas las series que hemos filmado? En primer lugar, para escribir algo necesitamos letras, no produciremos entidades innecesarias y tomaremos para empezar el alfabeto mínimo necesario, suficiente para codificar cualquier información: estos son solo dos caracteres: 0 y 1. Digamos que si conectamos algunos o dos átomos, entonces la molécula resultante se llamará "cero", y si conectamos algunos otros dos átomos, obtenemos otra molécula, que llamaremos - "unidad" y, para empezar, los presentaremos con dicho esquema:



Para que el texto escrito que utiliza dichas letras sea un programa, se deben cumplir los siguientes requisitos mínimos necesarios:

1. Integridad Para esto, es importante que nuestro cero molecular y uno puedan conectarse firmemente entre sí, formando una línea continua, porque en las condiciones de escritura molecular no podemos permitirnos espacios, porque otras moléculas y átomos y nuestro molecular están deambulando constantemente y al azar. el código con espacios volará inmediatamente a los componentes de las colisiones con ellos.
2. Secuencia. Cualquier programa, por definición, debe tener una secuencia de comandos, por lo que, en nuestro ejemplo de código de autorreplicación, la secuencia se observó debido al hecho de que, de manera predeterminada, leemos el texto en una sola dirección: de izquierda a derecha, de arriba a abajo. Entonces, la segunda condición necesaria será establecer de manera única la dirección de nuestro texto molecular.

Para cumplir con el primer requisito, es suficiente unir nuestras moléculas de tal manera que tengan dos compuestos a la izquierda y a la derecha, para que puedan adherirse entre sí, formando una cadena continua. Y para que siempre se respete una dirección de la cadena, será suficiente para que los ganchos de las letras puedan conectar solo la izquierda a la derecha, este principio se puede representar fácilmente con el ejemplo de una cadena de personas que se toman de las manos, cada persona sostiene su mano derecha con la mano izquierda, de modo que todos se enfrentan en una dirección Unidos por este principio, cada una de las letras de las moléculas también puede estar en una cadena en una sola dirección. Esquemáticamente imagínelo así:



Genial, ahora tenemos nuestro alfabeto mínimo de 2 letras-moléculas que se pueden combinar en cadenas estables con una dirección. Comencemos a escribir código.

Porque Si estamos escribiendo un autorreplicador, antes que nada debe pensar en un mecanismo simple y confiable para copiar nuestro programa. ¿Cómo debería funcionar? Aquí nuevamente, uno no puede prescindir de dos requisitos mínimos:

1. El mecanismo debe estar contenido en el código del programa.
2. El mecanismo debería, como resultado de su trabajo, crear una copia del código del programa.

Porque no podemos hacer espacios, entonces nuestro código debe consistir completamente en una línea, pero nadie nos limita en el número de caracteres, por lo que esto no debería ser un problema. Además, suponga que es posible seleccionar una secuencia de moléculas de elementos para que solo a través de las interacciones entre los átomos realice las siguientes funciones: por un lado, interactúa en orden con un elemento de código (cero o uno), luego, después de la interacción, se recoge de otros átomos el mismo elemento (copiado el elemento), después de lo cual repetiría esta acción con el siguiente elemento de la cadena, también conectándolos juntos. Llamemos a esta secuencia un mecanismo de copia y añádala al código, que se puede representar esquemáticamente de la siguiente manera:

0> 1> 0 ... (cualquier número de caracteres)> (código de mecanismo de copia) ... 0> 1>


Bueno, ahora simularemos cómo funcionará nuestro mecanismo. Al estar en un extremo de la cadena, comienza a copiar el programa desde el lado opuesto, por lo que nuestra línea de código se colapsa como una serpiente en el juego del mismo nombre, y el mecanismo avanza, recibe la entrada y copia elementos de la secuencia uno por uno, completa la copia de la sección "... (cualquier número de caracteres) > "Y luego tropieza con el problema de la recursividad, porque para leer la información de sus propios elementos, el mecanismo necesitará tener una copia de sí mismo, y para crear una copia de sí mismo, debe leer la información de elementos esenciales

Salgamos de alguna manera y para esto consideraremos otra forma de copiar algo, no directamente, recreando cada elemento, sino de acuerdo con el principio de un elenco. Entonces, por ejemplo, hacen moldes para fundir estatuas de bronce: crean un prototipo, luego hacen una impresión de prototipo en arcilla, rellenándola con metal fundido, puede obtener una copia del prototipo. Suena bien, intentemos aplicar este principio en nuestro código molecular. Para implementar dicho esquema de copia, tendremos que volver al principio y realizar pequeños cambios en nuestro alfabeto. A saber: agregue dos caracteres más a nuestro cero y uno: "2" y "3" y haga que cada personaje sea un elenco para su par, cero para un dos, uno para un tres y viceversa, deje el resto sin cambios : todas las letras tendrán los mismos ganchos laterales y la misma dirección, y para que la impresión y el original siempre se correspondan exactamente entre sí, adjuntaremos un par de impresiones a cada letra usando nuevos ganchos que funcionarían según el principio del rompecabezas, de modo que solo podían aparearse cada uno con su par 0 s 2 y 1 s 3. Nuevo s mayales también organizar todas las letras de la misma la misma - con el borde inferior. Y así obtenemos un alfabeto de 4 caracteres: 0,1,2,3 cada uno de los cuales tiene tres conexiones de ganchos: izquierda, derecha e inferior, los ganchos izquierdos se conectarán solo a la derecha de cualquier carácter, y las conexiones inferiores solo pueden conectar un carácter - : . :



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La cuestión de exactamente qué condiciones hicieron posible la separación de isómeros en el caldo primario y creó la posibilidad del origen de la vida sigue siendo objeto de muchos estudios y, a pesar de que ya tiene más de 100 años, aún no se ha recibido una respuesta clara. (puede leer sobre los éxitos en esta dirección aquí: elementy.ru/novosti_nauki/432316 ).

Fuente de vida asimétrica

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Conclusión

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