Asimetri kehidupan

Hai Saya tidak tahu tentang Anda, tetapi saya selalu ingin tidak hanya mengetahui sesuatu, tetapi juga memahami apa yang saya ketahui. Pengetahuan yang disajikan oleh sistem pendidikan, dalam bentuk serangkaian fakta yang tidak koheren tentang dunia di sekitar kita, selalu membutuhkan upaya besar untuk mengingatnya, tetapi itu sudah cukup untuk memahami prinsip atau pola logis yang sesuai dengan penampilan fakta-fakta ini dan mungkin untuk menyingkirkannya dengan hati nurani yang jelas, meninggalkan di kepala, hanya aturan itu sendiri dan, jika perlu, menyimpulkan fakta yang diperlukan dari prinsip ini.

Dan ilmu-ilmu dengan fakta-fakta yang paling penuh tanpa penjelasan logis bagi saya selalu terkait dengan kehidupan organik dan strukturnya, untuk memastikan hal ini, buka buku pelajaran biologi, misalnya, pada bagian DNA, akan ada deskripsi rinci tentang struktur dan fungsi DNA, tetapi tidak kata-kata tentang mengapa semua ini harus bekerja begitu saja dan tidak ada cara lain. Ini mungkin mengapa pengetahuan saya tentang mata pelajaran ini selalu gagal besar. Artikel ini adalah tentang mencoba mengisi celah dan membawa fakta tentang kehidupan organik ke dalam sistem yang koheren yang tidak hanya akan menjawab pertanyaan "bagaimana?" tetapi bisa juga memberikan arahan umum di mana seseorang perlu bergerak untuk menjawab pertanyaan "mengapa?". Jadi ayo pergi!

"Unsur-unsur simetri dapat hadir dalam berbagai fenomena, tetapi mereka tidak diperlukan; karena keberadaan fenomena, hanya tidak adanya elemen simetri tertentu yang diperlukan." Pierre Curie

"Pengetahuan tentang beberapa prinsip dikecualikan dari pengetahuan tentang banyak fakta." Rene Descartes

Konten:

1. "Simetri kekacauan" - pertimbangkan hubungan simetri, energi, dan informasi;
2. "Sistem kehidupan yang melanggar gangguan" - kami menyelidiki perbedaan antara sifat hidup dan tidak hidup dalam hal entropi informasi;
3. "Cukup mereplikasi-diri" - pertimbangkan evolusi biologis dalam kerangka teori replikasi-diri;
4. "Life ++" - kami akan menunjukkan bagaimana prinsip-prinsip logis yang diperlukan untuk memfungsikan replikator diri konsisten dengan struktur dasar nukleotida dan DNA;
5. "Sendok tar kiral" - kita akan berkenalan dengan fenomena kemurnian kiral molekul organik;
6. "Sumber kehidupan asimetris" kami mempertimbangkan bagaimana pelanggaran terhadap simetri molekul organik digunakan oleh sistem kehidupan;
7. Kesimpulan

Simetri kekacauan

Apa yang paling simetris yang bisa Anda bayangkan? Banyak orang dengan pertanyaan ini membayangkan bola, dan memang setiap titik di permukaan bola berada pada jarak yang sama dari pusat, tetapi jika Anda mengambil titik lain secara mendalam, maka simetri sudah rusak. Tentunya, perkiraan kondisi simetri ideal dapat dianggap sebagai ruang tak terbatas yang terdiri dari ruang hampa fisik absolut yang tidak mengandung bidang atau partikel, tanpa pusat batas, setiap titik ruang seperti itu akan setara dengan yang lain, untuk menggambarkan ruang seperti itu Anda memerlukan informasi minimum, karena pada dasarnya tidak ada yang perlu dijelaskan.

Untungnya, keadaan simetri absolut tidak tersedia di dunia fisik kita. Keadaan simetri maksimum yang mungkin dalam hal ini adalah ruang antarbintang, praktis tidak ada masalah di dalamnya dan, tampaknya, itu tak terbatas, tetapi tidak seperti ruang hampa sejati, ia ditembus oleh bidang yang secara konstan dan berosilasi acak, berfluktuasi pada kecepatan urutan sejuta miliar miliar (10 dalam 24 derajat) satu detik dalam skala yang sebanding dengan sepersejuta milyar (10 hingga minus 15 derajat) milimeter. Kita dapat merasakan getaran terbesar dan paling stabil sebagai partikel terpisah, ini dapat dibandingkan dengan bagaimana gelombang tsunami dapat dianggap sebagai objek yang terpisah, tetapi ini tidak lebih dari variasi yang dipompa dari riak-riak di permukaan air. Berkat fluktuasi terus-menerus di ladang, kami bersenang-senang dan merusak lusinan hal cerdas seperti prinsip ketidakpastian dan energi gelap. Dimungkinkan untuk membaca lebih detail dalam artikel ulasan tentang Habré , dan juga untuk melihat video yang menggambarkan secara visual:

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

Visualisasi fluktuasi bidang gluon

Jadi, kita melihat bahwa keadaan nyata kita dari simetri maksimum sangat berbeda dari yang ideal, dan, sebaliknya, ia memiliki ketidakpastian maksimum yaitu. memerlukan informasi maksimum untuk menggambarkan atau memiliki entropi maksimum ( https://ru.wikipedia.org/wiki/Information_entropy ) untuk memastikan hal ini, mari kita lihat satu contoh sederhana:

Bayangkan sebuah piring berisi air ke tepinya, sehingga tegangan permukaan membentuk permukaan yang cembung, simetris sehubungan dengan tepi kapal, dengan lembut tempatkan pada permukaan ini, misalnya, bola ping-pong, tepatnya di tengah, di titik tertinggi. Ada sejumlah besar opsi, di mana arah bola akan bergerak di sepanjang permukaan air, arahnya akan tergantung pada hasil miliaran tabrakan acak dengan molekul air sebagai hasil dari gerakan termal, dan untuk menghitung hasil ini Anda perlu mengetahui kecepatan dan arah semua molekul ini, Anda tentu bisa mengatakan bahwa ini adalah jumlah informasi yang sangat besar dan ketidakpastian (entropi) sistem ini juga sangat besar (Gbr. 1). Tetapi bagaimana jika Anda memecahkan simetri sistem? Misalnya, menaikkan satu sisi pelat relatif terhadap yang lain, kekuatan alam akan segera memulai pekerjaan mereka untuk memulihkan ketidakadilan yang mengerikan ini, air akan mengalir keluar dari kapal yang meratakan level, air yang mengalir akan memasuki bola dan pergerakannya sudah dapat digambarkan hanya dengan mengetahui kecepatan dan arah aliran air (Gbr. .2) Tetapi stream tidak akan membuatnya sendiri, untuk membuat stream Anda harus memecah simetri yaitu. untuk membawa energi ke dalam sistem dari luar.



Dari sini kita dapat memperoleh yang berikut:

1. sistem dengan simetri yang lebih besar memiliki entropi yang lebih besar - ketidakpastian atau ukuran jumlah informasi yang diperlukan untuk menggambarkannya, dan pada saat yang sama lebih sedikit energi;
2. pemecahan simetri mengurangi entropi dan memulai proses;
3. alam mencintai simetri, semua sistem cenderung ke keadaan keseimbangan dan energi minimal;
4. setiap proses dapat dianggap sebagai upaya oleh sistem untuk kembali ke keadaan simetri atau energi minimum.

“Sekali lagi kami tekankan: konsep entropi maksimum menyiratkan yang paling kacau, dan karenanya keadaan sistem yang paling simetris. Semua proses spontan di alam menuju peningkatan entropi. ” ( http://cyclowiki.org/wiki/Mixing Paradox )
Memang, kita dapat mengatakan dengan pasti bahwa semua proses yang kita amati adalah gema dari simetri yang pernah rusak, yang untungnya belum sepenuhnya pulih, tetapi Anda tidak dapat mengoceh melawan entropi dan cepat atau lambat semua sistem akan mencapai keseimbangan dan pendulum semua jam akan berhenti, atau ada pengecualian?

Sistem gangguan hidup

Jika kita mempertimbangkan organisme hidup dari sudut pandang entropi, kita dapat melihat bahwa, berbeda dengan semua sistem yang tidak hidup di sekitarnya, yang pada setiap kesempatan tergelincir ke dalam kekacauan, sistem kehidupan pada akhirnya menghasilkan struktur yang lebih kompleks dan teratur, dari molekul sederhana yang mereplikasi diri hingga otak manusia, menunjukkan gerakan sebaliknya - mengurangi entropi.

Untuk lebih memahami pernyataan ini, mari kita coba dengan sangat kasar untuk membandingkan entropi organisme biologis, misalnya seseorang dengan berat 70 kg., Dengan entropi sistem yang terdiri dari jumlah atom yang sama.



Entropi dari suatu sistem yang terdiri dari 70 kg. atom yang tidak teratur, besarnya sangat besar dan sebanding dengan jumlah mereka, yaitu untuk mendefinisikan sistem ini, kita perlu menggambarkan keadaan sekitar 6,7 * 10 hingga tingkat 27 (6,7 miliar miliar) atom. Bagaimana dengan organisme hidup? Semua informasi yang diperlukan untuk merakit sistem Manusia disimpan dalam DNA-nya, suatu urutan panjang dari beberapa jenis molekul yang identik, yaitu dalam hal sistem kehidupan, cukup bagi kita untuk mengetahui hanya konfigurasi rantai DNA yang hanya terdiri dari 6 miliar molekul, yang masing-masing terdiri dari sekitar 30 atom, dan ini adalah 18 * 10 pangkat ke 10 yaitu. total 180 miliar atom. Kemudian, dengan hubungan sederhana, kita dapat memperkirakan perbedaan dalam urutan entropi sistem ini:

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

Secara total, menurut perkiraan paling kasar, entropi sistem kehidupan "Manusia" dengan massa materi yang sama kurang dari gugus atom yang tidak hidup dengan 16 orde magnitudo mis. puluhan juta miliar kali! (Informasi lebih lanjut tentang entropi sistem dapat ditemukan di sini: studfiles.net/preview/953337/page : 31 /, sernam.ru/book_tp.php?id=104 ). Tampaknya sistem kehidupan telah menyeka hidung entropi dengan baik. Tetapi berkat kualitas apa mereka berhasil dalam trik unik?

Replikator diri masuk akal

Karena kami memutuskan untuk berbicara tentang kehidupan, ada baiknya kita beralih ke Teori Evolusi juga. dalam hal ini, dia adalah otoritas mutlak. Jika kita membuang semua yang berlebihan, pada dasarnya, teori ini mengklaim bahwa pengembangan semua keanekaragaman satwa liar yang kita amati wajib untuk transmisi konstan dan modifikasi informasi herediter antara generasi organisme. Modifikasi yang berhasil berkontribusi pada reproduksi yang lebih efisien (penyalinan sendiri) dari operator mereka, menciptakan hubungan positif terbalik, dan tidak berhasil sebaliknya. Dengan demikian, akumulasi modifikasi yang berhasil, organisme memperoleh bentuk yang lebih kompleks dan teratur, semakin melanggar simetri primer.

Berdasarkan pada perbedaan utama antara sistem kehidupan dan yang tidak hidup, dalam pertimbangan paling umum adalah mungkin untuk membayangkan semua organisme hidup hanya sebagai program DNA yang mereplikasi dan mengubah diri sendiri dengan kode seperti:

Instruction1: <create: [Instruksi acak]>
Instruksi2: <jalankan: [Instruksi awal] + [Instruksi acak]>
Instruction3: <tulis: [Instruksi asli] = ([Instruksi asli] + [Instruksi acak])>
Instruction4: <copy: [Semua instruksi di atas] + [Instruction4]>

Sebagai hasil dari pelaksanaan program semacam itu, kita akan mendapatkan salinannya yang bermutasi, yang akan berbeda dari yang asli karena menggabungkan instruksi acak ke dalam instruksi asli dan kemudian juga akan membuat salinannya sendiri yang dimodifikasi, dll. Jika mutasi ternyata tidak berhasil dan terjadi kesalahan selama eksekusi, program tidak akan mencapai tahap penyalinan, sehingga mereka tidak akan diteruskan ke generasi berikutnya.

Cukup menempatkan program seperti itu di lingkungan yang sesuai untuk berfungsi, dan membiarkannya sendiri, dan setelah beberapa miliar tahun, Anda akan menerima semua variasi spesies, tanpa biaya pengembangan tambahan.


Asli

Konsep program replikator diri diusulkan kembali pada tahun 1951. - Von Neumann adalah ahli matematika dan fisikawan yang brilian, seorang pria yang kontribusinya bagi ilmu abad ke-20 sulit ditaksir terlalu tinggi, bapak teori permainan, bahasa matematika mekanika kuantum, dan juga teknologi komputer modern, yaitu arsitektur yang dinamai menurut namanya sekarang menghasilkan sebagian besar komputer. (lebih lanjut tentang teori replikasi diri dalam artikel dari PostNauki dan juga dalam artikel asli oleh Von Neumann ).

Hidup ++

Kita telah melihat bahwa sistem kehidupan terus menerus menyulitkan dan mengatur diri sendiri karena kemampuan untuk mengakumulasi, memodifikasi, dan menyalin informasi genetik mereka sendiri. Untuk lebih memahami bagaimana fungsi-fungsi ini bekerja dan menempatkannya ke dalam sistem logis, mari kita, sebagai eksperimen pemikiran, mencoba mensimulasikan asal usul kehidupan dan menulis program replikator dari awal, membayangkan bahwa kita hanya memiliki apa yang dimiliki oleh alam: hukum fisika, sekelompok atom yang berbeda dan beberapa miliar tahun waktu luang.

Oke, di mana kita mulai setelah kita terjebak di jejaring sosial dan menonton semua seri yang pernah kita ambil? Pertama-tama, untuk menulis sesuatu yang kita butuhkan surat, kita tidak akan menghasilkan entitas yang tidak perlu dan memulai alfabet minimum yang diperlukan, cukup untuk menyandikan informasi apa pun - ini hanya dua karakter: 0 dan 1. Katakanlah jika kita menghubungkan beberapa atau dua atom, maka molekul yang dihasilkan akan disebut "nol", dan jika kita menghubungkan dua atom lainnya, kita mendapatkan molekul lain, yang akan kita sebut - "unit" dan untuk permulaan kita akan mempresentasikannya dengan skema seperti itu:



Agar teks tertulis menggunakan surat-surat tersebut menjadi program, persyaratan minimum yang diperlukan berikut harus dipenuhi:

1. Integritas Untuk ini, penting bahwa molekul nol kita dan satu dapat dengan kuat terhubung satu sama lain, membentuk satu garis kontinu, karena dalam kondisi penulisan molekuler kita tidak dapat membeli ruang, karena molekul dan atom lain dan molekul kita terus-menerus dan acak berkeliaran. kode dengan spasi akan segera terbang ke komponen dari tabrakan dengannya.
2. Urutan Setiap program, menurut definisi, harus memiliki urutan perintah, jadi, dalam contoh contoh kode replikator diri kami, urutan diamati karena fakta bahwa secara default kami membaca teks hanya dalam satu arah: dari kiri ke kanan, dari atas ke bawah. Jadi, syarat yang diperlukan kedua adalah secara unik mengatur arah untuk teks molekuler kami.

Untuk memenuhi persyaratan pertama, cukup dengan mencocokkan molekul-molekul kita sedemikian rupa sehingga mereka memiliki dua senyawa di sebelah kiri dan di sebelah kanan, kemudian mereka dapat saling menempel, membentuk rantai kontinu. Dan agar satu arah rantai selalu dihormati, itu akan cukup sehingga kait pada huruf hanya dapat menghubungkan kiri ke kanan, prinsip ini dapat dengan mudah diwakili oleh contoh rantai orang yang memegang tangan, setiap orang memegang tangan kanannya dengan tangan kiri, sehingga semua orang menghadap dalam satu arah. Disatukan oleh prinsip ini, masing-masing huruf molekul juga dapat berdiri dalam satu rantai hanya dalam satu arah. Bayangkan secara skematis seperti ini:



Hebat, sekarang kita memiliki alfabet minimum 2 molekul-huruf yang dapat digabungkan menjadi rantai yang stabil dengan arah. Mari kita mulai menulis kode.

Karena Jika kami menulis replikator diri, maka pertama-tama Anda perlu memikirkan mekanisme sederhana dan andal untuk menyalin sendiri program kami. Bagaimana cara kerjanya? Di sini sekali lagi, seseorang tidak dapat melakukannya tanpa dua persyaratan minimum:

1. Mekanisme harus dimuat dalam kode program.
2. Mekanisme tersebut harus, sebagai hasil dari kerjanya, membuat salinan kode program.

Karena kita tidak dapat membuat spasi, maka kode kita harus terdiri dari satu baris, tetapi tidak ada yang membatasi kita dalam jumlah karakter, jadi ini seharusnya tidak menjadi masalah. Lebih jauh, anggaplah bahwa dimungkinkan untuk memilih urutan molekul unsur sehingga hanya melalui interaksi antara atom melakukan fungsi berikut: di satu sisi, ia berinteraksi dalam rangka dengan elemen kode (nol atau satu), kemudian, setelah interaksi, ia mengumpulkan dari atom lain elemen yang sama (menyalin elemen), setelah itu saya akan mengulangi tindakan ini dengan elemen rantai berikutnya, juga menghubungkan mereka bersama. mari kita sebut urutan ini sebagai mekanisme penyalinan dan menambahkannya ke kode, yang secara skematis dapat direpresentasikan sebagai berikut:

0> 1> 0 ... (sejumlah karakter)> (salin kode mekanisme) ... 0> 1>


Nah, sekarang kita akan mensimulasikan bagaimana mekanisme kita akan bekerja. Berada di salah satu ujung rantai, ia mulai menyalin program dari kebalikannya, sehingga baris kode kami runtuh seperti ular dalam permainan dengan nama yang sama, dan mekanisme bergerak maju, menerima input dan menyalin elemen dari urutan satu per satu, menyelesaikan penyalinan bagian “... (sejumlah karakter) > "Dan kemudian menemukan masalah rekursi, karena untuk dapat membaca informasi dari elemen-elemennya sendiri, mekanismenya perlu memiliki salinannya sendiri, dan untuk membuat salinannya sendiri, Anda perlu membaca informasi dari elemen penting.

Mari kita keluar entah bagaimana dan untuk ini kita akan mempertimbangkan cara lain untuk menyalin sesuatu, tidak secara langsung, menciptakan kembali setiap elemen, tetapi sesuai dengan prinsip pemeran. Jadi, misalnya, mereka membuat cetakan untuk membuat patung perunggu: membuat prototipe, lalu membuat cetakan prototipe di tanah liat, mengisinya dengan logam cair, Anda bisa mendapatkan salinan prototipe. Kedengarannya bagus, mari kita coba menerapkan prinsip ini dalam kode molekul kita. Untuk menerapkan skema penyalinan seperti itu, kita harus kembali ke awal dan membuat perubahan kecil pada alfabet kita. Yaitu: tambahkan dua karakter lagi ke nol dan satu kami: "2" dan "3" dan buat setiap karakter menjadi pemeran untuk pasangannya, nol untuk dua, satu untuk tiga, dan sebaliknya, biarkan sisanya tidak berubah : semua huruf akan memiliki kait sisi yang sama dan arah yang sama, dan agar kesan dan aslinya selalu bersesuaian satu sama lain, kami akan melampirkan sepasang tayangan ke setiap huruf menggunakan kait baru yang akan bekerja berdasarkan prinsip teka-teki, sehingga mereka hanya bisa kawin dengan pasangannya 0 s 2, dan 1 s 3. Baru flails juga mengatur semua huruf di sama sama - dengan tepi bawah. Jadi kita mendapatkan alfabet 4 karakter: masing-masing 0,1,2,3 yang memiliki tiga kaitan: kiri, kanan dan bawah, kait kiri hanya akan terhubung ke kanan karakter apa pun, dan koneksi bawah hanya dapat menghubungkan satu karakter saja. - : . :



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

0>1>2>3 … ( )…………..>0>1>2>3
1<0<3<2…( )….<1<0<3<2


: ? , - , , , 180 - « », .

- . , - «» «» , «», , - . , , -, .

, , . , , , « »- , , .

, . , , , :

1. – 4 4 : 0 -; 1- ; 2- ; 3-, .
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 )

, , , , (Leading strand) (Lagging strand) , () .. (), , , , .

.

, , . , - , , , , , , - , .. , -, --, --. , , , 11.

- , - , - , , , - 60- , , , , 12 000 . ( ru.wikipedia.org/wiki/ )

, 50% 50% . , , , --, , , , , - , , . , , 50/50 , .



, , 100 , . ( : elementy.ru/novosti_nauki/432316 ).

, , , , : , - hardware software.

, , , — , , — , , . :

« .»

, , , , , , .. . «» — , — , , .

, , , — , . , . . , - , , - , .


, .. . 2- , , , , (6 ), .

Kesimpulan

, 3,7 , . , , . — , « » , , . , : « - ?».