다른 세계의 생명체는 존재한다면 인식할 수 없을 정도로 이질적일 수 있습니다. 외계인 생물학이 DNA와 단백질과 같은 친숙한 빌딩 블록을 사용하여 지구에서와 동일한 화학을 사용한다는 보장은 없습니다. 과학자들은 그것이 생물학의 작업이라는 것을 모른 채 그러한 생명체의 특징을 발견할 수도 있습니다.

이 문제는 가설과는 거리가 멀다. 2027월에 유럽 우주국의 주스 우주선은 프랑스령 기아나에서 목성과 위성으로 향하는 코스에서 발사되었습니다. 그 위성 중 하나인 유로파(Europa)는 얼어붙은 지각 아래 깊고 염분이 많은 바다를 가지고 있으며 태양계에서 외계 생명체를 찾기에 가장 유망한 장소 중 하나입니다. 내년에는 NASA의 유로파 클리퍼(Europa Clipper) 우주선도 유로파를 목표로 발사될 예정이다. 두 우주선 모두 복잡한 유기 분자의 지문, 즉 얼음 아래 생명체의 힌트를 찾을 온보드 장비를 갖추고 있습니다. 그리고 XNUMX년에 NASA는 Dragonfly라고 불리는 드론 같은 헬리콥터를 발사하여 생명체를 수용하기에 적합할 수 있는 액체 탄화수소 호수가 있는 흐릿하고 탄소가 풍부한 토성의 달 Titan의 표면을 윙윙거리게 할 계획입니다.

지평선에 있는 이들과 다른 임무는 1970년대에 바이킹 착륙선과 함께 화성 생물학의 징후를 처음 찾으려고 시도한 이래로 과학자들을 괴롭혀 온 것과 동일한 장애물에 직면하게 될 것입니다. 생명의 결정적인 서명은 없습니다.

곧 바뀔 수도 있습니다. 2021년에는 리 크로닌 스코틀랜드 글래스고 대학교와 사라 워커 애리조나주립대학교 매우 일반적인 방법을 제안 익숙하지 않은 화학 물질을 사용하는 분자를 포함하여 살아있는 시스템에 의해 만들어진 분자를 식별합니다. 그들의 방법은 외계 생명체가 지구 생명체와 유사한 화학적 복잡성을 가진 분자를 생산할 것이라고 단순히 가정한다고 그들은 말했습니다.

조립 이론이라고 불리는 쌍의 전략을 뒷받침하는 아이디어는 더 큰 목표를 가지고 있습니다. 에 제시된 바와 같이 최근 시리즈 of 출판물, 그것은 당신과 나 같은 명백히 있을 법하지 않은 일들이 왜 전혀 존재하지 않는지 설명하려고 시도합니다. 그리고 일반적인 물리학 방식이나 시간을 초월한 물리 법칙이 아니라 사물에 과거의 역사와 기억을 불어넣는 과정에서 그 설명을 찾습니다. 심지어 수천 년 동안 과학자와 철학자들을 당혹스럽게 했던 질문에 답하려고 합니다. 어쨌든 생명이란 무엇입니까?

당연히 그러한 야심찬 프로젝트가 회의론을 불러일으켰습니다. 지지자들은 아직 실험실에서 테스트할 수 있는 방법을 명확하게 밝히지 않았습니다. 그리고 일부 과학자들은 조립 이론이 생명체와 비생명체를 구별하고 복잡성에 대해 새로운 방식으로 생각하기 위해 좀 더 온건한 약속을 이행할 수 있을지 궁금해합니다.

그러나 다른 사람들은 지금이 조립 이론의 초기 단계이며 어떻게 복잡성이 발생하고 진화하는지에 대한 질문에 새로운 관점을 가져올 수 있는 실제 기회가 있다고 생각합니다. "함께 참여하는 것은 재미있다"고 진화 이론가는 말했습니다. 데이비드 크라카우어, 산타페 연구소 회장. 조립 이론은 객체의 우연한 역사를 발견하는 방법을 제공한다고 그는 말했습니다. 대부분의 복잡성 이론에서 무시되는 문제는 사물이 있는 방식에 초점을 맞추지만 사물이 어떻게 그렇게 되었는지는 아닙니다. 폴 데이비스, Arizona State의 물리학자는 "복잡성에 대한 우리의 사고 방식을 변화시킬 잠재력이 있는 참신한 아이디어"라고 말하며 이에 동의합니다.

사물의 질서

조립 이론은 Cronin이 서로 다른 원자를 결합하는 천문학적 방법의 수를 고려할 때 자연이 일부 분자를 만들고 다른 분자를 만들지 않는 이유를 물었을 때 시작되었습니다. 물체가 물리 법칙에 따라 가능하다고 말하는 것은 한 가지입니다. 구성 요소 부분에서 그것을 만들기 위한 실제 경로가 있다고 말하는 것은 또 다른 것입니다. "조립 이론은 조합 공간이 너무 방대하기 때문에 복잡한 분자가 존재하게 될 수 없다는 내 직관을 포착하기 위해 개발되었습니다."라고 Cronin은 말했습니다.

한편 워커는 복잡한 분자를 만드는 것과 밀접하게 관련된 문제인 생명의 기원에 대한 질문과 씨름해 왔습니다. 살아있는 유기체에 있는 분자는 우연히 조립되기에는 너무 복잡하기 때문입니다. Walker는 진화론적 선택이 시작되기 전에도 그 과정을 인도한 것이 틀림없다고 생각했습니다.

크로닌과 워커는 2012년 NASA 우주생물학 워크숍에 참석한 후 힘을 합쳤습니다. "그리고 우리 둘 다 생물학 이전에 빠진 '원동력'이 있다는 사실에 수렴하고 있다는 것이 매우 분명해졌습니다."

이제 조립 이론은 사물이 어떻게 만들어졌는지에 대한 명백한 역사적 우발성에 대한 일관되고 수학적으로 정확한 설명을 제공한다고 두 사람은 말합니다. 그리고 과학. 개체가 나타날 수 있는 특정 순서가 있습니다.

"우리는 재귀적으로 구조화된 우주에 살고 있습니다." 워커가 말했습니다. “대부분의 구조는 과거의 기억 위에 세워져야 합니다. 정보는 시간이 지남에 따라 축적됩니다.”

그것은 직관적으로 명백해 보일 수 있지만 사물의 순서에 대한 몇 가지 질문은 대답하기가 더 어렵습니다. 공룡이 새보다 먼저 나왔어야 했나? 모차르트가 존 콜트레인보다 앞서야 했습니까? 어떤 분자가 반드시 DNA와 단백질보다 선행했다고 말할 수 있습니까?

복잡성 정량화

조립 이론은 복잡한 물체가 많은 단순한 물체를 결합하여 발생한다는 겉보기에 논쟁의 여지가 없는 가정을 합니다. 이 이론은 물체가 어떻게 만들어졌는지를 고려함으로써 물체의 복잡성을 객관적으로 측정하는 것이 가능하다고 말합니다. 이는 조립 지수(AI)로 정량화되는 재료로부터 물체를 만드는 데 필요한 최소 단계 수를 계산하여 수행됩니다.

또한 복잡한 물체가 과학적으로 흥미로워지려면 물체가 많이 있어야 합니다. 무작위 조립 과정에서 매우 복잡한 일이 발생할 수 있습니다. 예를 들어 오래된 아미노산을 사슬로 연결하여 단백질과 같은 분자를 만들 수 있습니다. 그러나 일반적으로 이러한 임의의 분자는 효소처럼 행동하는 것과 같은 흥미로운 작업을 수행하지 않습니다. 그리고 이런 식으로 두 개의 동일한 분자를 얻을 가능성은 거의 없습니다.

그러나 기능적 효소는 무작위로 조립되는 것이 아니라 여러 세대에 걸쳐 유전되는 유전적 지시에 따라 조립되기 때문에 생물학에서 계속해서 안정적으로 만들어집니다. 따라서 하나의 매우 복잡한 분자를 찾는 것은 그것이 어떻게 만들어졌는지에 대해 아무 것도 알려주지 않지만, 일부 조정된 프로세스(아마도 생명)가 작동하지 않는 한 동일한 복잡한 분자를 많이 찾는 것은 불가능합니다.

Cronin과 Walker는 분자가 감지할 수 있을 만큼 충분히 풍부하면 조립 지수가 조직적이고 실제와 같은 과정에 의해 생산되었는지 여부를 나타낼 수 있다고 생각했습니다. 이 접근 방식의 매력은 분자 자체의 상세한 화학이나 분자를 만든 생명체와 같은 실체에 대해 아무 것도 가정하지 않는다는 것입니다. 그것은 화학적 불가지론자입니다. 그리고 그것은 우리가 지상의 생화학과 일치하지 않을 수도 있는 생명체를 찾을 때 특히 가치가 있다고 말했습니다. 조나단 루닌, 코넬 대학의 행성 과학자이자 토성의 얼음 위성 엔셀라두스에서 생명체를 찾기 위해 제안된 임무의 수석 조사관입니다.

Lunine은 "적어도 하나의 상대적으로 불가지론적인 기술이 생명 감지 임무에 탑재되어야 합니다."라고 말했습니다.

그리고 그는 행성 표면의 화학을 연구하는 데 이미 사용된 기술을 사용하여 조립 이론에서 요구하는 측정을 수행하는 것이 가능하다고 덧붙였습니다. "데이터 해석에 조립 이론을 사용할 수 있는 측정을 구현하는 것은 매우 가능합니다."라고 그는 말했습니다.

삶의 일의 척도

필요한 것은 특정 분자의 AI를 결정하기 위한 빠르고 쉬운 실험 방법입니다. Cronin, Walker 및 동료들은 화학 구조 데이터베이스를 사용하여 서로 다른 분자 구조를 만드는 데 필요한 최소 단계 수를 계산하는 방법을 고안했습니다. 그들의 결과는 상대적으로 작은 분자의 경우 조립 지수가 대략 분자량에 비례한다는 것을 보여주었습니다. 그러나 더 큰 분자(예를 들어 작은 펩타이드보다 더 큰 것)의 경우 이 관계가 무너집니다.

이 경우 연구원들은 질량 분석법을 사용하여 AI를 추정할 수 있음을 발견했습니다. 이 기술은 NASA의 Curiosity 로버가 화성 표면의 화합물을 식별하고 NASA의 Cassini 우주선이 Enceladus에서 분출하는 분자를 연구하기 위해 이미 사용하는 기술입니다.

질량 분석법은 일반적으로 큰 분자를 조각으로 분해합니다. Cronin, Walker 및 동료들은 이 과정에서 높은 AI를 가진 큰 분자가 낮은 AI를 가진 분자(예: 단순하고 반복적인 폴리머)보다 더 복잡한 조각 혼합물로 부서진다는 사실을 발견했습니다. 이러한 방식으로 연구원들은 분자의 질량 스펙트럼의 복잡성을 기반으로 AI를 안정적으로 결정할 수 있었습니다.

그런 다음 연구원들이 이 기술을 테스트했을 때 그들은 살아있는 시스템에 의해 만들어진 분자의 복잡한 혼합물을 발견했습니다. E. 대장균 박테리아, 탁솔(항암 특성이 있는 태평양 주목 나무의 대사 산물)과 같은 천연 제품, 맥주 및 효모 세포는 일반적으로 미네랄이나 단순 유기물보다 평균 AI가 훨씬 더 높았습니다.

분석은 위음성에 취약합니다. Ardbeg 싱글 몰트 스카치와 같은 살아있는 시스템의 일부 제품에는 무생물 기원을 제안하는 AI가 있습니다. 그러나 아마도 더 중요한 것은 실험이 오탐을 생성하지 않았다는 것입니다. 무생물 시스템은 생물학을 모방할 만큼 충분히 높은 AI를 소집할 수 없습니다. 그래서 연구자들은 다른 세계에서 고분자량 AI를 가진 샘플을 측정했다면 우리가 살아있는 존재라고 부를 수 있는 존재에 의해 만들어졌을 가능성이 높다고 결론지었습니다.

질량 분석법은 물리적 샘플에 접근할 수 있는 우주 생물학 검색, 즉 착륙선 임무 또는 세계 표면에서 방출된 분자를 포착하고 분석할 수 있는 Europa Clipper와 같은 일부 궤도선에서만 작동합니다. 그러나 크로닌과 동료들 이제 보여주었다 일관된 결과를 제공하는 두 가지 다른 기술을 사용하여 분자 AI를 측정할 수 있습니다. 그 중 하나인 적외선 분광법은 먼 세계의 화학 성분을 원격으로 조사하는 제임스 웹 우주 망원경과 같은 기기에서 사용할 수 있습니다.

이러한 분자 탐지 방법이 암석에서 파충류에 이르는 깨끗한 측정 막대를 제공한다는 것은 아닙니다. 헥터 제닐케임브리지 대학의 컴퓨터 과학자이자 생명공학자인 은 글래스고 그룹이 테스트한 모든 샘플 중 단일 AI가 가장 높은 물질(이 측정에 따르면 가장 "생물학적"인 것으로 간주될 수 있는 물질)은 박테리아가 아니라고 지적했습니다. .

맥주였다.

결정론의 족쇄를 벗어던지다

조립 이론은 우리와 같은 개체가 단독으로 발생할 수 없다고 예측합니다. 일부 복잡한 개체는 다른 개체와 함께만 발생할 수 있습니다. 이것은 직관적인 의미가 있습니다. 우주는 단 한 명의 인간도 낳을 수 없습니다. 인간을 만들려면 우리 전체를 만들어야 했습니다.

일반적으로 인간(그리고 특히 당신과 나)과 같은 구체적이고 실제적인 개체를 설명하는 데 있어 전통적인 물리학은 그만큼 유용합니다. 그것은 자연의 법칙을 제공하고 특정 결과가 특정 초기 조건의 결과라고 가정합니다. 이 관점에서 우리는 우주의 첫 순간에 어떤 식으로든 코드화되었을 것입니다. 그러나 확실히 매우 미세하게 조정된 초기 조건이 필요합니다. 사피엔스 호모 (당신은 고사하고) 불가피합니다.

조립 이론의 옹호자들은 그러한 종류의 과도하게 결정된 그림에서 벗어난다고 말합니다. 여기서 초기 조건은 그다지 중요하지 않습니다. 오히려 우리와 같은 특정 물체를 만드는 데 필요한 정보는 처음에는 없었지만 우주 진화의 전개 과정에서 축적됩니다. 그것은 우리가 불가능할 정도로 미세 조정된 빅뱅에 모든 책임을 두지 않아도 되도록 합니다. 정보는 "경로에 있습니다"라고 Walker는 말했습니다. "초기 조건이 아닙니다."

크로닌과 워커는 어떻게 관찰된 현실의 열쇠가 보편적인 법칙이 아니라 일부 물체가 조립되거나 다른 물체로 변형되는 방식에 있는지 설명하려는 유일한 과학자가 아닙니다. 이론 물리학자 치아라 말 레토 옥스퍼드 대학의 물리학자 David Deutsch와 유사한 아이디어를 개발하고 있습니다. 그들이 부르는 접근 방식 생성자 이론 그리고 Marletto가 어셈블리 이론에 "정신적으로 가깝다"고 생각하는 것은 어떤 유형의 변환이 가능하고 불가능한지를 고려합니다.

"구성자 이론은 특정 변환을 수행할 수 있는 작업의 우주에 대해 이야기합니다."라고 Cronin은 말했습니다. "물리 법칙 내에서 일어날 수 있는 일을 제한하는 것으로 생각할 수 있습니다." 조립 이론은 그 방정식에 시간과 역사를 추가한다고 그는 말합니다.

일부 물체는 만들어지고 다른 물체는 만들어지지 않는 이유를 설명하기 위해 조립 이론은 XNUMX개의 고유한 "우주"의 중첩된 계층 구조를 식별합니다.

Assembly Universe에서는 기본 빌딩 블록의 모든 순열이 허용됩니다. Assembly Possible에서 물리 법칙은 이러한 조합을 제한하므로 일부 개체만 실행 가능합니다. 그런 다음 Assembly Contingent는 가능한 경로를 따라 실제로 조립할 수 있는 개체를 선택하여 물리적으로 허용된 개체의 방대한 배열을 정리합니다. 네 번째 유니버스는 우리가 실제로 보는 특정 개체를 생성한 어셈블리 프로세스만 포함하는 관찰된 어셈블리입니다.

조립 이론은 다음에서 가져온 아이디어를 사용하여 이러한 모든 우주의 구조를 탐구합니다. 그래프의 수학적 연구, 또는 상호 연결된 노드의 네트워크. Walker는 "객체 우선 이론"이라고 말했습니다. 여기서 "[이론에 있는] 사물은 구성 요소가 아니라 실제로 만들어진 객체입니다."

조립 프로세스가 이러한 개념적 우주 내에서 작동하는 방식을 이해하려면 다윈의 진화 문제를 고려하십시오. 전통적으로 진화는 복제 분자가 우연히 발생했을 때 "방금 일어난" 것입니다. 진화 가능한 분자가 존재하면 진화가 시작되었다고 말하는 것처럼 보이기 때문에 동어반복이 될 위험이 있는 견해입니다. 대신 조립 이론과 구성 이론의 옹호자들은 "물리학에 뿌리를 둔 진화에 대한 정량적 이해"를 추구하고 있다고 Marletto는 말했습니다.

조립 이론에 따르면, Darwinian 진화가 진행되기 전에 Assembly Possible에서 높은 AI 개체의 여러 복사본을 선택해야 합니다. Cronin은 화학만으로도 비교적 복잡한 분자를 작은 하위 집합으로 좁힐 수 있다고 말했습니다. 일반적인 화학 반응은 반응 속도가 더 빠르기 때문에 가능한 모든 순열 중에서 이미 특정 제품을 "선택"합니다.

따라서 온도나 촉매 광물 표면과 같은 프리바이오틱 환경의 특정 조건은 Assembly Possible에 있는 분자 전구체 풀에서 생명의 분자 전구체 풀을 선별하기 시작할 수 있습니다. 조립 이론에 따르면, 이러한 프리바이오틱 선호는 오늘날의 생물학적 분자에서 "기억"될 것입니다. 그들은 자신의 역사를 암호화합니다. 일단 다윈의 선택이 이어지면 스스로를 더 잘 복제할 수 있는 개체를 선호하게 됩니다. 그 과정에서 이러한 역사의 부호화는 더욱 강해졌습니다. 이것이 바로 과학자들이 유기체의 진화적 관계를 추론하기 위해 단백질과 DNA의 분자 구조를 사용할 수 있는 이유입니다.

따라서 조립 이론은 "물리학과 생물학 전반에 걸쳐 선택에 대한 설명을 통합하는 틀을 제공합니다." 쓴. "물체가 '더 많이 조립'될수록 그것이 존재하기 위해서는 더 많은 선택이 필요합니다."

Cronin은 "우리는 생명이 화학에서 어떻게 발생하는지 설명하는 이론을 만들고 이를 엄격하고 경험적으로 검증할 수 있는 방식으로 수행하려고 노력하고 있습니다."라고 말했습니다.

그들 모두를 지배하는 하나의 조치?

Krakauer는 조립 이론과 생성자 이론 모두 복잡한 물체가 어떻게 생성되는지에 대해 생각하는 자극적인 새로운 방법을 제공한다고 생각합니다. "이러한 이론은 화학 실험실보다 망원경에 가깝습니다."라고 그는 말했습니다. “그들은 우리가 사물을 만드는 것이 아니라 사물을 볼 수 있게 해줍니다. 그것은 전혀 나쁜 것이 아니며 매우 강력할 수 있습니다.”

그러나 그는 "모든 과학과 마찬가지로 증거는 푸딩에 있을 것"이라고 경고합니다.

한편 Zenil은 Kolmogorov 복잡성과 같은 이미 상당한 복잡성 메트릭 목록을 고려할 때 조립 이론은 단순히 바퀴의 재발 명. Marletto는 동의하지 않습니다. 그녀는 "복잡성에 대한 여러 척도가 있으며, 각각은 복잡성에 대한 서로 다른 개념을 포착합니다."라고 말했습니다. 그러나 이러한 조치의 대부분은 실제 프로세스와 관련이 없다고 그녀는 말했습니다. 예를 들어 Kolmogorov 복잡성은 물리 법칙이 허용하는 모든 것을 결합할 수 있는 일종의 장치를 가정합니다. 이것은 Assembly Possible에 적절한 조치이지만 Observed Assembly에 반드시 필요한 것은 아니라고 Marletto는 말했습니다. 대조적으로 조립 이론은 "복잡성에 대한 추상적인 개념보다는 작동상 정의된 물리적 특성에 초점을 맞추기 때문에 유망한 접근법"이라고 그녀는 말했습니다.

이전의 복잡성 측정에서 빠진 것은 복잡한 개체의 역사에 대한 감각이라고 Cronin은 말했습니다. 측정은 효소와 임의의 폴리펩티드를 구별하지 않습니다.

Cronin과 Walker는 조립 이론이 궁극적으로 시간의 본질과 열역학 제XNUMX법칙의 기원과 같은 물리학의 매우 광범위한 문제를 해결할 수 있기를 희망합니다. 그러나 그 목표는 아직 멀었습니다. "조립 이론 프로그램은 아직 초기 단계입니다."라고 Marletto는 말했습니다. 그녀는 이론이 실험실에서 진행되는 것을 보기를 희망합니다. 그러나 그것은 야생에서도 일어날 수 있습니다. 외계 세계에서 일어나는 실제와 같은 과정을 찾는 것입니다.