Asymétrie de vie

Salut Je ne sais pas pour vous, mais j'ai toujours voulu non seulement savoir quelque chose, mais aussi comprendre ce que je sais. Les connaissances présentées par le système éducatif, sous la forme d'un ensemble incohérent de faits sur le monde, ont toujours exigé de grands efforts pour les garder dans la tête, mais il suffisait de comprendre le principe logique ou la régularité qui correspond à l'apparition de ces faits et il était possible de s'en débarrasser avec une conscience claire, laissant dans la tête, seule la règle elle-même et, si nécessaire, déduit le fait nécessaire de ce principe.

Et les sciences avec les faits les plus bourrés sans explications logiques pour moi ont toujours été celles liées à la vie organique et à sa structure, pour en être sûr, ouvrez le manuel de biologie, par exemple, dans la section ADN, il y aura une description détaillée de la structure et des fonctions de l'ADN, mais pas des mots pour expliquer pourquoi tout cela devrait fonctionner comme ça et pas d'autre moyen. C'est probablement pourquoi ma connaissance de ces sujets a toujours été un gros échec. Cet article vise à combler les lacunes et à apporter des faits sur la vie organique dans un système cohérent qui ne répondrait pas seulement à la question «comment?» mais cela pourrait aussi donner une direction générale dans laquelle il faut se déplacer pour répondre à la question «pourquoi?». Alors allons-y!

"Des éléments de symétrie peuvent être présents dans divers phénomènes, mais ils ne sont pas nécessaires; pour l'existence de phénomènes, seule l'absence de certains éléments de symétrie est nécessaire." Pierre Curie

"La connaissance de quelques principes dispense de la connaissance de nombreux faits." René Descartes

Contenu:

1. "Symétrie du chaos" - considérer la relation de symétrie, d'énergie et d'information;
2. «Systèmes vivants qui violent le trouble» - nous étudions les différences entre la nature vivante et la non-vie en termes d'entropie informationnelle;
3. "Auto-réplication-raisonnable" - considérer l'évolution biologique dans le cadre de la théorie de l'auto-réplication;
4. «Life ++» - nous montrerons comment les principes logiques nécessaires au fonctionnement de l'auto-réplicateur sont cohérents avec la structure de base des nucléotides et de l'ADN;
5. «Une cuillère de goudron chiral» - nous nous familiariserons avec le phénomène de pureté chirale des molécules organiques;
6. «Source de vie asymétrique», nous considérons comment la violation de la symétrie des molécules organiques est utilisée par les systèmes vivants;
7. Conclusion

Symétrie du chaos

Quel est le plus symétrique que vous puissiez imaginer? Beaucoup avec cette question imaginent une balle, et en effet chaque point sur la surface de la balle est à une distance égale du centre, mais si vous prenez un autre point en profondeur, alors la symétrie est déjà brisée. Certes, un état de symétrie idéal approximatif peut être considéré comme un espace infini composé d'un vide physique absolu ne contenant ni champs ni particules, sans centre de frontières, chaque point d'un tel espace sera équivalent à un autre, pour décrire un tel espace, vous avez besoin d'un minimum d'informations, car essentiellement rien à décrire.

Heureusement, l'état de symétrie absolue n'est pas disponible dans notre monde physique. L'état de symétrie maximal possible à cet égard est l'espace interstellaire, il n'y a pratiquement pas de matière et, apparemment, il est infini, mais contrairement à un véritable vide, il est pénétré par des champs qui oscillent constamment et de manière aléatoire, fluctuent à une vitesse de l'ordre d'un million de milliards de milliards (10 sur 24 degrés) une fois par seconde sur une échelle comparable à des millionièmes de milliardième (10 à moins 15 degrés) de millimètre. Nous pouvons percevoir les vibrations les plus grandes et les plus stables comme des particules séparées, cela peut être comparé à la façon dont l'onde de tsunami peut être considérée comme un objet séparé, mais ce n'est rien de plus qu'une variation pompée des ondulations à la surface de l'eau. Grâce aux fluctuations constantes des champs, nous avons des dizaines de cerveaux intelligents amusants et brisés, comme le principe de l'incertitude et de l'énergie sombre. Il est possible de lire plus en détail dans un article de synthèse sur Habré , et également de regarder une vidéo décrivant visuellement:

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

Visualisation des fluctuations du champ des gluons

Donc, nous voyons que notre état réel de symétrie maximale est assez différent de l'idéal et, en revanche, il a une incertitude maximale, c'est-à-dire nécessite un maximum d'informations pour décrire ou a une entropie maximale ( https://ru.wikipedia.org/wiki/Information_entropy ) pour en être sûr, regardons un exemple simple:

Imaginez une plaque remplie d'eau sur les bords, de sorte que la tension superficielle forme une surface convexe, symétrique par rapport aux bords du récipient, placez doucement sur cette surface, par exemple, une balle de ping-pong, exactement au centre, au point le plus élevé. Il existe un grand nombre d'options, dans quelle direction la balle se déplacera le long de la surface de l'eau, sa direction dépendra du résultat de milliards de collisions aléatoires avec des molécules d'eau résultant du mouvement thermique, et pour calculer ce résultat, vous devez connaître la vitesse et la direction de toutes ces molécules, vous pouvez certainement dire qu'il s'agit d'une très grande quantité d'informations et que l'imprévisibilité (entropie) de ce système est également très importante (Fig. 1). Mais que se passe-t-il si vous brisez la symétrie du système? Par exemple, en soulevant un bord de la plaque par rapport à l'autre, les forces de la nature commenceront immédiatement leur travail pour restaurer cette terrible injustice, l'eau s'écoulera du navire en nivelant le niveau, l'eau en versant entraînera la balle et son mouvement peut déjà être décrit simplement en connaissant la vitesse et la direction du débit d'eau (Fig. .2) Mais le flux ne se créera pas lui-même, pour créer le flux, vous devrez briser la symétrie, c'est-à-dire pour apporter de l'énergie dans le système de l'extérieur.



On peut en déduire ce qui suit:

1. un système avec une plus grande symétrie a une entropie plus grande - une incertitude ou une mesure de la quantité d'informations nécessaires pour le décrire, et en même temps moins d'énergie;
2. la rupture de symétrie réduit l'entropie et démarre le processus;
3. la nature aime la symétrie, tous les systèmes tendent vers un état d'équilibre et une énergie minimale;
4. tout processus peut être considéré comme une tentative du système de revenir à un état de symétrie ou d'énergie minimale.

«Encore une fois, nous soulignons: le concept d'entropie maximale implique l'état le plus chaotique, et donc le plus symétrique du système. Tous les processus spontanés dans la nature vont vers une entropie croissante. » ( http://cyclowiki.org/wiki/Mixing Paradox )
En effet, nous pouvons affirmer avec certitude que tous les processus que nous observons sont des échos de la symétrie autrefois bien brisée, qui heureusement ne s'est pas encore complètement rétablie, mais vous ne pouvez pas vibrer contre l'entropie et tôt ou tard tous les systèmes s'équilibreront et les pendules de toutes les heures s'arrêteront, ou des exceptions?

Systèmes de perturbation du vivant

Si nous considérons les organismes vivants du point de vue de l'entropie, nous pouvons voir que, contrairement à tous les systèmes non vivants environnants, qui à chaque occasion sombrent dans le chaos, les systèmes vivants finissent par produire des structures de plus en plus complexes et ordonnées, de simples molécules auto-réplicables à du cerveau humain, démontrant le mouvement inverse - réduisant l'entropie.

Pour mieux comprendre cette affirmation, essayons très grossièrement de comparer l'entropie d'un organisme biologique, par exemple une personne pesant 70 kg., Avec l'entropie d'un système composé du même nombre d'atomes.



Entropie d'un système composé de 70 kg. d'atomes désordonnés, la magnitude est très grande et proportionnelle à leur nombre, c'est-à-dire pour définir ce système, nous devrons décrire l'état d'environ 6,7 * 10 au 27e degré (6,7 milliards de milliards de milliards) d'atomes. Et un organisme vivant? Toutes les informations nécessaires à l'assemblage du système humain sont stockées dans son ADN, une longue séquence de plusieurs types de molécules identiques, c'est-à-dire dans le cas d'un système vivant, il nous suffit de connaître uniquement la configuration de la chaîne d'ADN qui ne comprend que 6 milliards de molécules, chacune composée d'environ 30 atomes, et cela fait 18 * 10 à la 10e puissance c'est-à-dire total 180 milliards d'atomes. Ensuite, par une relation simple, on peut estimer la différence dans l'ordre d'entropie de ces systèmes:

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

Au total, selon les estimations les plus approximatives, l'entropie du système vivant "Homme" avec la même masse de matière est inférieure à celle d'un amas d'atomes non vivants de 16 ordres de grandeur soit des dizaines de millions de milliards de fois! (Plus d'informations sur l'entropie des systèmes peuvent être trouvées ici: studfiles.net/preview/953337/page : 31 /, sernam.ru/book_tp.php?id=104 ). Il semble que les systèmes vivants aient bien essuyé le nez de l'entropie. Mais grâce à quelle qualité réussissent-ils dans un tour si unique?

Auto-réplicateur-raisonnable

Depuis que nous avons décidé de parler de la vie, cela vaut également la peine de se tourner vers la théorie de l'évolution. en la matière, elle est une autorité absolue. Si nous rejetons tout ce qui est superflu, fondamentalement, cette théorie prétend que le développement de toute la diversité de la faune sauvage que nous observons est obligé de transmettre et de modifier constamment les informations héréditaires entre les générations d'organismes. Les modifications réussies contribuent à une reproduction plus efficace (auto-copie) de leur support, créant une relation positive inverse et échouant à l'inverse. Ainsi, accumulant des modifications réussies, les organismes acquièrent des formes de plus en plus complexes et ordonnées, brisant de plus en plus la symétrie primaire.

Sur la base de cette différence clé entre les systèmes vivants et non vivants, dans la considération la plus générale, il est possible d'imaginer tous les organismes vivants comme des programmes d'ADN simplement auto-reproductibles et auto-changeants avec un code comme:

Instruction1: <créer: [instructions aléatoires]>
Instruction2: <exécuter: [instructions initiales] + [instructions aléatoires]>
Instruction3: <écrire: [Instructions originales] = ([Instructions originales] + [Instructions aléatoires])>
Instruction4: <copie: [Toutes les instructions ci-dessus] + [Instruction4]>

À la suite de l'exécution d'un tel programme, nous en obtiendrons une copie mutée, qui sera différente de l'original en raison du mélange d'instructions aléatoires dans les instructions originales, puis il créera également sa propre copie modifiée, etc. Si les mutations s'avèrent infructueuses et qu'une erreur se produit lors de leur exécution, le programme n'atteindra pas l'étape de copie et ne sera donc pas transmis à la génération suivante.

Il suffit de placer un tel programme dans un environnement propice au fonctionnement, et de le laisser à vous-même, et après seulement quelques milliards d'années, vous recevrez toute la variété de l'évolution des espèces, sans frais de développement supplémentaires.


L'original

Le concept même de programmes d'auto-réplication a été proposé en 1951. - Von Neumann est un brillant mathématicien et physicien, un homme dont la contribution à la science du 20e siècle ne peut guère être surestimée, le père de la théorie des jeux, le langage mathématique de la mécanique quantique, et en plus la technologie informatique moderne, à savoir l'architecture qui porte son nom produit désormais la plupart des ordinateurs. (plus sur la théorie de l'auto-réplication dans un article de PostNauki et aussi dans l' article original de Von Neumann ).

Life ++

Nous avons déjà vu que les systèmes vivants se compliquent et s'organisent en permanence en raison de la capacité à accumuler, modifier et copier leurs propres informations génétiques. Afin de mieux comprendre comment ces fonctions fonctionnent et de les mettre dans un système logique, essayons de simuler l'origine de la vie et d'écrire un programme de réplication à partir de zéro, en imaginant que nous n'avons que ce que la nature a à portée de main: les lois de la physique, un tas d'atomes différents et plusieurs milliards d'années de temps libre.

D'accord, où commençons-nous après nous être coincés sur les réseaux sociaux et regarder toutes les séries que nous ayons jamais tournées? Tout d'abord, pour écrire quelque chose dont nous avons besoin de lettres, nous ne produirons pas d'entités inutiles et prendrons pour commencer l'alphabet minimum nécessaire, suffisant pour encoder n'importe quelle information - ce ne sont que deux caractères: 0 et 1. Disons que si nous connectons certains ou deux atomes, alors la molécule résultante sera appelée "zéro", et si nous connectons deux autres atomes, nous obtenons une autre molécule, que nous appellerons - "unité" et pour commencer nous leur présenterons un tel schéma:



Pour que le texte écrit utilisant ces lettres soit un programme, les conditions minimales nécessaires suivantes doivent être remplies:

1. Intégrité Pour cela, il est important que notre zéro moléculaire et l'un puissent se connecter fermement les uns aux autres, formant une ligne continue, car dans les conditions de l'écriture moléculaire, nous ne pouvons pas nous permettre des espaces, car d'autres molécules et atomes et notre moléculaire errent constamment et de manière aléatoire. le code avec des espaces volera immédiatement dans les composants suite à des collisions avec eux.
2. Séquence. Tout programme, par définition, doit avoir une séquence de commandes, donc, dans notre exemple d'un exemple de code auto-réplicateur, la séquence a été observée car, par défaut, nous lisons le texte dans une seule direction: de gauche à droite, de haut en bas. Ainsi, la deuxième condition nécessaire sera de définir uniquement l'orientation de notre texte moléculaire.

Pour répondre à la première exigence, il suffit de faire correspondre nos molécules de telle sorte qu'elles aient deux composés à gauche et à droite, puis elles peuvent adhérer l'une à l'autre, formant une chaîne continue. Et pour qu'une direction de la chaîne soit toujours respectée, il suffira que les crochets sur les lettres ne relient que la gauche à la droite, ce principe peut être facilement représenté par l'exemple d'une chaîne de personnes qui se tiennent par la main, chaque personne tient sa main droite avec sa main gauche, donc tout le monde fait face dans une direction. Unis par ce principe, chacune des lettres moléculaires peut également se tenir dans une chaîne dans une seule direction. Imaginez-le schématiquement comme ceci:



Génial, nous avons maintenant notre alphabet minimum de 2 lettres-molécules qui peuvent être combinées en chaînes stables avec une direction. Commençons à écrire du code.

Parce que Si nous écrivons un auto-réplicateur, vous devez d'abord penser à un mécanisme simple et fiable pour auto-copier notre programme. Comment cela devrait-il fonctionner? Là encore, on ne peut se passer de deux exigences minimales:

1. Le mécanisme doit être contenu dans le code du programme.
2. Le mécanisme devrait, à la suite de son travail, créer une copie du code du programme.

Parce que nous ne pouvons pas faire d'espaces, alors notre code devrait être entièrement composé d'une seule ligne, mais personne ne nous a limité dans le nombre de caractères, donc cela ne devrait pas être un problème. Supposons en outre qu'il soit possible de sélectionner une séquence de molécules d'éléments de sorte que ce n'est que par les interactions entre les atomes qu'il remplisse les fonctions suivantes: d'une part, il interagit dans l'ordre avec un élément de code (zéro ou un), puis, après l'interaction, il recueille à partir d'autres atomes le même élément (copié l'élément), après quoi je répéterais cette action avec l'élément suivant de la chaîne, en les connectant également ensemble. appelons cette séquence un mécanisme de copie et l'ajoutons au code, qui peut être schématiquement représenté comme suit:

0> 1> 0 ... (n'importe quel nombre de caractères)> (code de mécanisme de copie) ... 0> 1>


Eh bien, nous allons maintenant simuler le fonctionnement de notre mécanisme. Étant à une extrémité de la chaîne, il commence à copier le programme de l'opposé, donc notre ligne de code s'effondre comme un serpent dans le jeu du même nom, et le mécanisme avance, reçoit les entrées et copie les éléments de la séquence un par un, termine la copie de la section «... (n'importe quel nombre de caractères) > "Et puis tombe sur le problème de la récursivité, parce que pour lire des informations à partir de ses propres éléments, le mécanisme devra avoir une copie de lui-même, et pour créer une copie de lui-même, vous devez lire les informations de éléments essentiels.

Sortons en quelque sorte et pour cela, nous allons envisager une autre façon de copier quelque chose, non pas directement, en recréant chaque élément, mais selon le principe d'une distribution. Ainsi, par exemple, ils fabriquent des moules pour couler des statues en bronze: créez un prototype, puis faites une empreinte de prototype en argile, en la remplissant de métal fondu, vous pouvez obtenir une copie du prototype. Cela semble bien, essayons d'appliquer ce principe dans notre code moléculaire. Pour mettre en œuvre un tel schéma de copie, nous devrons revenir au tout début et apporter de petites modifications à notre alphabet. À savoir: ajouter deux autres caractères à notre zéro et un: «2» et «3» et faire de chaque personnage un casting pour sa paire, zéro pour un deux, un pour un trois, et vice versa, laisser le reste inchangé : toutes les lettres auront les mêmes crochets latéraux et la même direction, et pour que l'impression et l'original correspondent toujours exactement l'un à l'autre, nous attacherons une paire d'impressions à chaque lettre en utilisant de nouveaux crochets qui fonctionneraient sur le principe du puzzle, de sorte que ils ne pouvaient s'accoupler que chacun avec sa paire 0 s 2, et 1 s 3. Nouveau s arrangent aussi toutes les fléaux les lettres dans le même même - avec le bord inférieur. Et nous obtenons donc un alphabet de 4 caractères: 0,1,2,3 dont chacun a trois crochets-connexions: gauche, droite et bas, les crochets gauches se connecteront uniquement à droite de tous les caractères, et les connexions inférieures ne peuvent connecter qu'un seul caractère avec son second: zéro avec un deux et une unité avec un trois. :



4- , , . , - , . , , : 0 -2, 1 -3. , , « », :

0>1>2>3 … ( )…………..>0>1>2>3
1 <0 <3 <2 ... (moulage du mécanisme de moulage) .... <1 <0 <3 <2


Un lecteur attentif aura probablement une question: pourquoi la direction de la ligne du bas est-elle opposée? Cela est dû au fait que toutes les lettres ont un crochet interligne uniquement à partir du bas et une direction, respectivement, pour se connecter avec les caractères supérieurs inférieurs, tournez à 180 degrés - "tenez-vous sur la tête", tandis que leur direction change.

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2. , , « » 3' 5' . ( : www.youtube.com/watch?v=pzYE3WL_n2I&t=320s )
3. — «0 2, 1 3»- «». , , — « -», ( 2- , 3-), , 4 , .
4. , , « » () , . ( www.xumuk.ru/biochem/90.html )

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Dans une section spéciale de la chimie étudiant les propriétés de symétrie de divers composés - stéréochimie - un tel mélange uniforme de molécules gauche et droite est appelé racémate, et les molécules gauche et droite sont appelées isomères, et très souvent lors de la synthèse de composés organiques, par exemple des médicaments, il s'avère que les propriétés des isomères droit et gauche sont différentes Fondamentalement, le cas le plus célèbre et le plus tragique qui y soit lié est probablement le scandale qui a éclaté après l'utilisation d'un médicament appelé Thaliomide dans les années 60 du siècle dernier, au cours de la synthèse duquel Le deuxième isomère, qui a eu un effet inattendu lorsqu'il a été pris par des femmes enceintes, n'a pas été retiré, ce qui a entraîné la naissance d'environ 12 000 nouveau-nés atteints de malformations physiques. ( en.wikipedia.org/wiki/Thalidomide )

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La question de savoir exactement quelles conditions ont permis la séparation des isomères dans le bouillon primaire et créé la possibilité de l'origine de la vie fait encore l'objet de nombreuses études et malgré le fait qu'il ait déjà plus de 100 ans, une réponse claire n'a pas encore été reçue. (vous pouvez lire sur les succès dans cette direction ici: elementy.ru/novosti_nauki/432316 ).

Source de vie asymétrique

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Cet effet sous - tend le processus de superenroulement , qui est très important pour les fonctions d'ADN , c'est-à-dire emballage étanche sous une forme pratique pour le stockage et la copie. Dans ce processus, la chaîne d'ADN, ayant initialement une longueur totale d'environ 2 mètres, est tordue plusieurs fois, changeant la direction de la spiralisation et devenant des dizaines de milliers de fois plus compactes pour s'adapter sous la forme de chromosomes dans le noyau cellulaire, si petites (6 microns) que sur la tête d'allumette un millier de ces noyaux peuvent facilement être logés.

Conclusion

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