الحياة في عوالم أخرى - إن وجدت - قد تكون غريبة جدًا بحيث يتعذر التعرف عليها. ليس هناك ما يضمن أن البيولوجيا الفضائية ستستخدم نفس المواد الكيميائية الموجودة على الأرض ، مع اللبنات الأساسية المألوفة مثل الحمض النووي والبروتينات. قد يكتشف العلماء أيضًا بصمات مثل هذه الأشكال من الحياة دون أن يعرفوا أنها من عمل علم الأحياء.

هذه المشكلة بعيدة كل البعد عن كونها افتراضية. في أبريل ، انطلقت المركبة الفضائية Juice التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية من غيانا الفرنسية في مسار إلى كوكب المشتري وأقماره. أحد هذه الأقمار ، يوروبا ، لديه محيط عميق ومليء تحت قشرته المتجمدة وهو من بين أكثر الأماكن الواعدة في النظام الشمسي للبحث عن حياة فضائية. في العام المقبل ، ستطلق مركبة الفضاء يوروبا كليبر التابعة لناسا ، وتستهدف أيضًا أوروبا. تحتوي كلتا المركبتين الفضائيتين على أدوات على متنها ستبحث عن بصمات الجزيئات العضوية المعقدة - وهي إشارة محتملة للحياة تحت الجليد. وفي عام 2027 ، تخطط ناسا لإطلاق طائرة هليكوبتر تشبه الدرون تسمى دراجونفلاي لتحلق فوق سطح قمر زحل تيتان ، وهو عالم ضبابي غني بالكربون مع بحيرات هيدروكربونية سائلة قد تكون مناسبة تمامًا لاستضافة الحياة - ولكن ليس كما نعرفها.

ستواجه هذه البعثات وغيرها في الأفق نفس العقبة التي ابتليت بها العلماء منذ محاولتهم لأول مرة البحث عن علامات بيولوجيا المريخ مع مركبات هبوط الفايكنج في السبعينيات: لا يوجد توقيع نهائي للحياة.

قد يكون هذا على وشك التغيير. في عام 2021 ، قاد فريق لي كرونين من جامعة جلاسكو في اسكتلندا و سارة ووكر من جامعة ولاية أريزونا اقترح طريقة عامة جدا لتحديد الجزيئات التي تصنعها الأنظمة الحية - حتى تلك التي تستخدم كيمياء غير مألوفة. وقالوا إن طريقتهم تفترض ببساطة أن أشكال الحياة الفضائية ستنتج جزيئات ذات تعقيد كيميائي مشابه لتعقيد الحياة على الأرض.

تسمى نظرية التجميع ، الفكرة التي تقوم عليها استراتيجية الزوج لها أهداف أكبر. على النحو المنصوص عليه في أ الأخيرة سلسلة of المنشورات، تحاول شرح سبب وجود أشياء غير محتملة على ما يبدو ، مثلك ومثلي على الإطلاق. وهي تسعى إلى هذا التفسير ليس ، بالطريقة المعتادة للفيزياء ، في قوانين فيزيائية خالدة ، ولكن في عملية تشبع الأشياء بتاريخ وذكريات لما جاء قبلها. بل إنه يسعى للإجابة على سؤال حير العلماء والفلاسفة لآلاف السنين: ما هي الحياة ، على أي حال؟

ليس من المستغرب أن يثير مثل هذا المشروع الطموح الشكوك. لم يوضح مؤيدوها بعد كيف يمكن اختبارها في المختبر. ويتساءل بعض العلماء عما إذا كان بإمكان نظرية التجميع أن تفي بوعودها الأكثر تواضعًا لتمييز الحياة عن غير الحياة ، والتفكير في التعقيد بطريقة جديدة.

لكن يشعر آخرون أن هذه الأيام لا تزال مبكرة لنظرية التجميع ، وهناك فرصة حقيقية أنها قد تجلب منظورًا جديدًا لمسألة كيفية نشوء التعقيد وتطوره. قال المنظر التطوري: "من الممتع التعامل معه" ديفيد كراكوررئيس معهد سانتا في. قال إن نظرية التجميع تقدم طريقة لاكتشاف التواريخ الطارئة للأشياء - وهي قضية تتجاهلها معظم نظريات التعقيد ، والتي تميل إلى التركيز على الطريقة التي تكون عليها الأشياء ولكن ليس كيف يجب أن تكون على هذا النحو. بول ديفيز، عالم فيزياء في ولاية أريزونا يوافقه ، واصفا إياه بأنه "فكرة جديدة مع إمكانية تغيير الطريقة التي نفكر بها بشأن التعقيد."

على ترتيب الأشياء

بدأت نظرية التجميع عندما سأل كرونين لماذا ، بالنظر إلى العدد الفلكي للطرق لدمج الذرات المختلفة ، تصنع الطبيعة بعض الجزيئات دون غيرها. إنه أمر واحد أن نقول إن الشيء ممكن وفقًا لقوانين الفيزياء ؛ إنه أمر آخر أن نقول أن هناك مسارًا فعليًا لصنعه من الأجزاء المكونة له. قال كرونين: "تم تطوير نظرية التجميع لالتقاط حدسي بأن الجزيئات المعقدة لا يمكن أن تظهر إلى الوجود فقط لأن الفضاء الاندماجي واسع للغاية".

في غضون ذلك ، كان والكر يتصارع مع مسألة أصل الحياة - وهي قضية مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بتكوين جزيئات معقدة ، لأن تلك الموجودة في الكائنات الحية معقدة للغاية بحيث لا يمكن تجميعها عن طريق الصدفة. فكر والكر في أن شيئًا ما يجب أن يوجه هذه العملية حتى قبل أن يتولى الاختيار الدارويني.

انضم كرونين ووكر إلى قواهما بعد حضور ورشة عمل ناسا في علم الأحياء الفلكية في عام 2012. يتذكر كرونين قائلاً: "كنت أنا وسارة نناقش نظرية المعلومات والحياة والحد الأدنى من الطرق لبناء آلات التكرار الذاتي". "وأصبح من الواضح جدًا بالنسبة لي أننا كنا نتقارب بشأن حقيقة أنه كانت هناك" قوة دافعة "مفقودة قبل علم الأحياء."

الآن ، كما يقول الزوجان ، توفر نظرية التجميع وصفًا متسقًا ودقيقًا من الناحية الحسابية للاحتمال التاريخي الظاهري لكيفية صنع الأشياء - لماذا ، على سبيل المثال ، لا يمكنك تطوير الصواريخ حتى يكون لديك أولاً حياة متعددة الخلايا ، ثم البشر ، ثم الحضارة والعلوم. هناك ترتيب معين يمكن أن تظهر به الكائنات.

قال والكر: "نحن نعيش في كون منظم بشكل متكرر". "يجب أن تُبنى معظم الهياكل على ذاكرة الماضي. تتراكم المعلومات بمرور الوقت ".

قد يبدو هذا بديهيًا بشكل بديهي ، ولكن يصعب الإجابة على بعض الأسئلة المتعلقة بترتيب الأشياء. هل يجب على الديناصورات أن تسبق الطيور؟ هل كان على موتسارت أن يسبق جون كولتراين؟ هل يمكننا تحديد الجزيئات التي سبقت بالضرورة الحمض النووي والبروتينات؟

قياس التعقيد

تجعل نظرية التجميع الافتراض الذي يبدو غير مثير للجدل بأن الكائنات المعقدة تنشأ من الجمع بين العديد من الكائنات الأبسط. تقول النظرية أنه من الممكن قياس مدى تعقيد الكائن بشكل موضوعي من خلال النظر في كيفية صنعه. يتم ذلك عن طريق حساب الحد الأدنى لعدد الخطوات اللازمة لصنع الكائن من مكوناته ، والذي يتم قياسه كمؤشر التجميع (AI).

بالإضافة إلى ذلك ، لكي يكون الكائن المعقد مثيرًا للاهتمام علميًا ، يجب أن يكون هناك الكثير منه. يمكن أن تنشأ أشياء معقدة للغاية من عمليات التجميع العشوائية - على سبيل المثال ، يمكنك صنع جزيئات تشبه البروتين عن طريق ربط أي أحماض أمينية قديمة في سلاسل. بشكل عام ، ومع ذلك ، فإن هذه الجزيئات العشوائية لن تفعل أي شيء مهم ، مثل التصرف مثل الإنزيم. وفرص الحصول على جزيئين متطابقين بهذه الطريقة ضئيلة للغاية.

ومع ذلك ، يتم تصنيع الإنزيمات الوظيفية بشكل موثوق به مرارًا وتكرارًا في علم الأحياء ، لأنها لا يتم تجميعها بشكل عشوائي ولكن من التعليمات الجينية الموروثة عبر الأجيال. لذلك ، أثناء العثور على جزيء واحد شديد التعقيد لا يخبرك بأي شيء عن كيفية صنعه ، فإن العثور على العديد من الجزيئات المعقدة المتطابقة أمر غير محتمل إلا إذا كانت هناك عملية منسقة - ربما الحياة - تعمل.

اكتشف كرونين ووكر أنه إذا كان الجزيء وفيرًا بما يكفي ليكون قابلاً للاكتشاف على الإطلاق ، يمكن لمؤشر التجميع الخاص به أن يشير إلى ما إذا كان قد تم إنتاجه بواسطة عملية منظمة ونابضة بالحياة. تكمن جاذبية هذا النهج في أنه لا يفترض أي شيء عن الكيمياء التفصيلية للجزيء نفسه ، أو تلك الخاصة بالكيان النابض بالحياة الذي صنعه. إنه محايد كيميائيا. وهذا يجعلها ذات قيمة خاصة عندما نبحث عن أشكال حياة قد لا تتوافق مع الكيمياء الحيوية الأرضية جوناثان لونين، عالم الكواكب في جامعة كورنيل والباحث الرئيسي في مهمة مقترحة للبحث عن الحياة على القمر الجليدي إنسيلادوس لكوكب زحل.

قال لونين: "يجب أن تكون هناك تقنية واحدة على الأقل حيادية نسبيًا على متن بعثات الكشف عن الحياة".

وأضاف أنه من الممكن إجراء القياسات التي تتطلبها نظرية التجميع باستخدام التقنيات المستخدمة بالفعل لدراسة الكيمياء على أسطح الكواكب. وقال: "إن تنفيذ القياسات التي تسمح باستخدام نظرية التجميع في تفسير البيانات أمر ممكن التحقيق".

مقياس لعمل الحياة

ما نحتاجه هو طريقة تجريبية سريعة وسهلة لتحديد الذكاء الاصطناعي لجزيئات معينة. باستخدام قاعدة بيانات للتراكيب الكيميائية ، ابتكر كرونين ووكر وزملاؤهم طريقة لحساب الحد الأدنى من الخطوات اللازمة لصنع هياكل جزيئية مختلفة. أظهرت نتائجهم أنه بالنسبة للجزيئات الصغيرة نسبيًا ، يتناسب مؤشر التجميع تقريبًا مع الوزن الجزيئي. لكن بالنسبة للجزيئات الأكبر (أي شيء أكبر من الببتيدات الصغيرة ، على سبيل المثال) تنهار هذه العلاقة.

في تلك الحالات ، وجد الباحثون أنهم يستطيعون تقدير الذكاء الاصطناعي باستخدام مقياس الطيف الكتلي - وهي تقنية مستخدمة بالفعل من قبل المركبة الفضائية كيوريوسيتي التابعة لناسا لتحديد المركبات الكيميائية على سطح المريخ ، ومركبة كاسيني الفضائية التابعة لناسا لدراسة الجزيئات المنبعثة من إنسيلادوس.

يكسر مقياس الطيف الكتلي الجزيئات الكبيرة إلى شظايا. وجد كرونين ووكر وزملاؤه أنه خلال هذه العملية ، تتكسر الجزيئات الكبيرة ذات الذكاء الاصطناعي العالي إلى خليط أكثر تعقيدًا من الأجزاء من تلك التي تحتوي على أنظمة ذكاء اصطناعي منخفضة (مثل البوليمرات البسيطة المتكررة). بهذه الطريقة يمكن للباحثين تحديد الذكاء الاصطناعي بشكل موثوق بناءً على مدى تعقيد الطيف الكتلي للجزيء.

عندما اختبر الباحثون هذه التقنية بعد ذلك ، وجدوا أن خليطًا معقدًا من الجزيئات مصنوع بواسطة أنظمة حية - ثقافة E. كولاي البكتيريا ، والمنتجات الطبيعية مثل التاكسول (مستقلب لشجرة الطقسوس في المحيط الهادئ مع خصائص مضادة للسرطان) ، والبيرة ، وخلايا الخميرة - عادةً ما يكون متوسط ​​مستويات الذكاء الاصطناعي أعلى بكثير من المعادن أو المواد العضوية البسيطة.

التحليل عرضة للسلبيات الكاذبة - فبعض منتجات الأنظمة الحية ، مثل سكوتش الشعير الفردي Ardbeg ، لديها أنظمة ذكاء اصطناعي تشير إلى أصل غير حي. لكن ربما الأهم من ذلك ، أن التجربة لم تسفر عن أي إيجابيات خاطئة: لا تستطيع الأنظمة اللاأحيائية حشد أنظمة ذكاء اصطناعي عالية بما يكفي لتقليد علم الأحياء. لذلك خلص الباحثون إلى أنه إذا تم قياس عينة ذات ذكاء اصطناعي جزيئي عالي في عالم آخر ، فمن المحتمل أن تكون قد تم إنشاؤها بواسطة كيان يمكننا تسميته حي.

لن يعمل قياس الطيف الكتلي إلا في عمليات البحث الفلكية البيولوجية التي لديها إمكانية الوصول إلى العينات الفيزيائية - أي بعثات الهبوط أو بعض المدارات مثل Europa Clipper التي يمكنها التقاط وتحليل الجزيئات المقذوفة من سطح العالم. لكن كرونين وزملائه أظهرت الآن أنهم يستطيعون قياس أنظمة الذكاء الاصطناعي الجزيئية باستخدام طريقتين أخريين توفران نتائج متسقة. يمكن استخدام أحدها ، وهو التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ، بواسطة أدوات مثل تلك الموجودة على تلسكوب جيمس ويب الفضائي الذي يمسح عن بُعد التركيب الكيميائي لعوالم بعيدة.

هذا لا يعني أن طرق الكشف الجزيئي هذه توفر عصا قياس نظيفة تتراوح من الصخور إلى الزواحف. هيكتور زينيلأشار عالم الكمبيوتر والتقانة الحيوية بجامعة كامبريدج ، إلى أن المادة التي تحتوي على أعلى ذكاء اصطناعي واحد من بين جميع العينات التي اختبرتها مجموعة غلاسكو - وهي مادة يمكن اعتبارها بهذا المقياس الأكثر "بيولوجية" - لم تكن بكتيريا .

كانت بيرة.

فك قيود الحتمية

تتنبأ نظرية التجميع بأن كائنات مثلنا لا يمكن أن تنشأ بمعزل عن غيرها - أن بعض الأشياء المعقدة لا يمكن أن تحدث إلا بالاقتران مع غيرها. هذا منطقي الحدسي. لا يمكن للكون أن ينتج إنسانًا واحدًا فقط. لجعل أي إنسان على الإطلاق ، كان عليه أن يصنع مجموعة كاملة منا.

عند حساب كيانات فعلية محددة مثل البشر بشكل عام (وأنت وأنا على وجه الخصوص) ، فإن الفيزياء التقليدية ذات فائدة كبيرة فقط. يوفر قوانين الطبيعة ، ويفترض أن النتائج المحددة هي نتيجة ظروف أولية محددة. من وجهة النظر هذه ، يجب أن نكون قد تم تشفيرنا بطريقة ما في اللحظات الأولى من الكون. لكنه يتطلب بالتأكيد شروطًا أولية دقيقة للغاية الإنسان العاقل (ناهيك عنك) أمر لا مفر منه.

يقول مؤيدوها إن نظرية التجميع تهرب من هذا النوع من الصورة المفرطة التحديد. هنا ، لا تهم الشروط الأولية كثيرًا. بدلاً من ذلك ، فإن المعلومات اللازمة لصنع أشياء معينة مثلنا لم تكن موجودة في البداية ولكنها تتراكم في عملية الكشف عن التطور الكوني - إنها تحررنا من الاضطرار إلى وضع كل هذه المسؤولية على عاتق الانفجار العظيم الذي تم ضبطه بدقة. قال والكر إن المعلومات "في الطريق" ، "وليست الشروط الأولية".

ليس كرونين ووكر العلماء الوحيدين الذين يحاولون شرح كيف أن مفاتيح الواقع المرصود قد لا تكمن في القوانين العالمية ولكن في طرق تجميع بعض الأشياء أو تحويلها إلى أشياء أخرى. عالم الفيزياء النظرية كيارا مارليتو من جامعة أكسفورد يطور فكرة مماثلة مع الفيزيائي ديفيد دويتش. نهجهم الذي يسمونه نظرية المنشئ والذي يعتبره مارليتو "قريبًا من الروح" من نظرية التجميع ، يأخذ بعين الاعتبار أنواع التحولات الممكنة وغير الممكنة.

قال كرونين: "تتحدث نظرية المُنشئ عن كون المهام القادرة على إجراء تحولات معينة". "يمكن اعتباره ملزمًا بما يمكن أن يحدث ضمن قوانين الفيزياء." ويقول إن نظرية التجميع تضيف الوقت والتاريخ إلى تلك المعادلة.

لشرح سبب صنع بعض الكائنات ولكن البعض الآخر لا يصنعها ، تحدد نظرية التجميع تسلسلاً هرميًا متداخلًا لأربعة "أكوان" متميزة.

في الكون التجميعي ، يُسمح بجميع التغييرات في اللبنات الأساسية. في التجمع الممكن ، تقيد قوانين الفيزياء هذه التوليفات ، لذا فإن بعض الأشياء فقط هي المجدية. تقوم وحدة التجميع بعد ذلك بتقليم مجموعة واسعة من الكائنات المسموح بها ماديًا عن طريق اختيار تلك التي يمكن تجميعها بالفعل على طول المسارات الممكنة. الكون الرابع هو Assembly Observed ، والذي يتضمن فقط عمليات التجميع التي أنتجت الكائنات المحددة التي نراها بالفعل.

تستكشف نظرية التجميع بنية كل هذه الأكوان ، باستخدام الأفكار المأخوذة من الدراسة الرياضية للرسوم البيانية، أو شبكات العقد المترابطة. قال والكر إنها "نظرية الأشياء أولاً" ، حيث "الأشياء [في النظرية] هي الأشياء التي تم صنعها بالفعل ، وليس مكوناتها."

لفهم كيفية عمل عمليات التجميع ضمن هذه الأكوان النظرية ، فكر في مشكلة التطور الدارويني. تقليديًا ، التطور هو شيء "حدث للتو" بمجرد ظهور الجزيئات بالصدفة - وجهة نظر تخاطر بكونها حشوًا ، لأنه يبدو أنها تقول أن التطور بدأ بمجرد وجود الجزيئات القابلة للتطور. وبدلاً من ذلك ، يسعى المدافعون عن نظرية التجميع والمنشئ إلى "فهم كمي للتطور متجذر في الفيزياء" ، على حد قول مارليتو.

حسب نظرية التجميع، قبل أن يتمكن التطور الدارويني من المضي قدمًا ، يجب أن يختار شيء ما لنسخ متعددة من كائنات عالية الذكاء الاصطناعي من التجميع الممكن. قال كرونين إن الكيمياء وحدها قد تكون قادرة على ذلك - عن طريق تضييق الجزيئات المعقدة نسبيًا إلى مجموعة فرعية صغيرة. التفاعلات الكيميائية العادية بالفعل "تختار" منتجات معينة من بين جميع التباديل الممكنة لأن لها معدلات تفاعل أسرع.

يمكن أن تكون الظروف المحددة في بيئة البريبايوتك ، مثل درجة الحرارة أو الأسطح المعدنية التحفيزية ، قد بدأت في غربلة مجموعة السلائف الجزيئية للحياة من بين تلك الموجودة في التجمع الممكن. وفقًا لنظرية التجميع ، سيتم "تذكر" تفضيلات البريبايوتك هذه في الجزيئات البيولوجية الحالية: فهي ترمز تاريخها الخاص. بمجرد أن تولى الاختيار الدارويني زمام الأمور ، فضل تلك الأشياء التي كانت قادرة بشكل أفضل على تكرار نفسها. في هذه العملية ، أصبح ترميز التاريخ هذا أقوى. لهذا السبب بالتحديد يمكن للعلماء استخدام الهياكل الجزيئية للبروتينات والحمض النووي لعمل استنتاجات حول العلاقات التطورية للكائنات الحية.

وهكذا ، فإن نظرية التجميع "توفر إطارًا لتوحيد أوصاف الاختيار عبر الفيزياء والبيولوجيا" ، كرونين ، ووكر وزملاؤهم كتب. "كلما كان الكائن" أكثر تجميعًا "، كلما تطلب الأمر مزيدًا من الاختيار حتى يظهر إلى حيز الوجود."

قال كرونين: "نحاول صنع نظرية تشرح كيف تنشأ الحياة من الكيمياء ، ونفعل ذلك بطريقة صارمة ويمكن التحقق منها تجريبيًا."

مقياس واحد للحكم عليهم جميعا؟

يشعر Krakauer أن كلاً من نظرية التجميع ونظرية المنشئ تقدم طرقًا جديدة محفزة للتفكير في كيفية ظهور الأشياء المعقدة. قال "هذه النظريات تشبه التلسكوبات أكثر من كونها مختبرات الكيمياء". "إنهم يسمحون لنا برؤية الأشياء ، وليس صنع الأشياء. هذا ليس بالأمر السيئ على الإطلاق ويمكن أن يكون قويا للغاية ".

لكنه يحذر من أنه "مثل كل العلوم ، سيكون الدليل في الحلوى."

في هذه الأثناء ، يعتقد زينيل أنه بالنظر إلى قائمة كبيرة بالفعل من مقاييس التعقيد مثل تعقيد كولموغوروف ، فإن نظرية التجميع هي مجرد إعادة اختراع العجلة. مارليتو لا توافق. وقالت: "هناك عدة مقاييس للتعقيد ، كل منها يلتقط فكرة مختلفة عن التعقيد". لكنها قالت إن معظم هذه التدابير لا تتعلق بعمليات العالم الحقيقي. على سبيل المثال ، يفترض تعقيد Kolmogorov نوعًا من الأجهزة يمكنه تجميع أي شيء تسمح به قوانين الفيزياء. وقالت مارليتو إنه إجراء مناسب للجمعية "ممكن" ، لكن ليس بالضرورة أن تكون الجمعية ملحوظة. في المقابل ، تعتبر نظرية التجميع "نهجًا واعدًا لأنها تركز على الخصائص الفيزيائية المحددة عمليًا" ، كما قالت ، "بدلاً من المفاهيم المجردة للتعقيد".

قال كرونين إن الشيء المفقود في مثل هذه الإجراءات السابقة للتعقيد هو أي إحساس بتاريخ الكائن المعقد - لا تميز القياسات بين الإنزيم وعديد الببتيد العشوائي.

يأمل كرونين ووكر في أن تعالج نظرية التجميع في النهاية أسئلة واسعة جدًا في الفيزياء ، مثل طبيعة الوقت وأصل القانون الثاني للديناميكا الحرارية. لكن تلك الأهداف لا تزال بعيدة المنال. قالت مارليتو: "لا يزال برنامج نظرية التجميع في مهده". إنها تأمل أن ترى النظرية تمر بخطواتها في المختبر. ولكن قد يحدث ذلك في البرية أيضًا - في البحث عن عمليات واقعية تحدث في عوالم فضائية.