Leven op andere werelden – als het bestaat – zou zo vreemd kunnen zijn dat het onherkenbaar is. Er is geen garantie dat buitenaardse biologie dezelfde chemie zou gebruiken als op aarde, met bekende bouwstenen zoals DNA en eiwitten. Wetenschappers kunnen zelfs de handtekeningen van dergelijke levensvormen herkennen zonder te weten dat ze het werk van de biologie zijn.

Dit probleem is verre van hypothetisch. In april schoot het Juice-ruimtevaartuig van de European Space Agency uit Frans-Guyana op koers naar Jupiter en zijn manen. Een van die manen, Europa, heeft een diepe, zilte oceaan onder zijn bevroren korst en is een van de meest veelbelovende plekken in het zonnestelsel om naar buitenaards leven te zoeken. Volgend jaar wordt NASA's Europa Clipper-ruimtevaartuig gelanceerd, ook gericht op Europa. Beide ruimtevaartuigen hebben instrumenten aan boord die zoeken naar de vingerafdrukken van complexe organische moleculen - een mogelijke hint van leven onder het ijs. En in 2027 is NASA van plan om een ​​drone-achtige helikopter genaamd Dragonfly te lanceren om over het oppervlak van de Saturnusmaan Titan te zoemen, een wazige, koolstofrijke wereld met vloeibare koolwaterstofmeren die misschien precies goed zijn voor het leven - maar niet zoals we die kennen.

Deze en andere missies aan de horizon zullen met hetzelfde obstakel worden geconfronteerd dat wetenschappers heeft geplaagd sinds ze in de jaren zeventig voor het eerst probeerden te zoeken naar tekenen van Mars-biologie met de Viking-landers: er is geen definitieve handtekening van leven.

Dat gaat misschien veranderen. In 2021 een team onder leiding van Le Cronin van de Universiteit van Glasgow in Schotland en Sara Walker van de Arizona State University stelde een zeer algemene manier voor om moleculen te identificeren die zijn gemaakt door levende systemen - zelfs degenen die onbekende chemieën gebruiken. Hun methode, zeiden ze, gaat er simpelweg van uit dat buitenaardse levensvormen moleculen zullen produceren met een chemische complexiteit die vergelijkbaar is met die van het leven op aarde.

Het idee dat aan de strategie van het paar ten grondslag ligt, wordt assemblagetheorie genoemd en heeft nog grotere doelen. Zoals uiteengezet in a recent serie of publicaties, probeert het uit te leggen waarom ogenschijnlijk onwaarschijnlijke dingen, zoals jij en ik, überhaupt bestaan. En het zoekt die verklaring niet, op de gebruikelijke manier van de natuurkunde, in tijdloze natuurkundige wetten, maar in een proces dat objecten doordrenkt met geschiedenissen en herinneringen aan wat hen voorafging. Het probeert zelfs een vraag te beantwoorden die wetenschappers en filosofen al duizenden jaren bezighoudt: wat is leven eigenlijk?

Het is dan ook niet verwonderlijk dat zo'n ambitieus project tot scepsis heeft geleid. De voorstanders hebben nog niet duidelijk gemaakt hoe het in het laboratorium kan worden getest. En sommige wetenschappers vragen zich af of de assemblagetheorie zelfs haar meer bescheiden beloften kan waarmaken om leven van niet-leven te onderscheiden en op een nieuwe manier over complexiteit na te denken.

Maar anderen zijn van mening dat dit nog in de kinderschoenen staat voor de assemblagetheorie, en de kans is reëel dat het een nieuw perspectief kan bieden op de vraag hoe complexiteit ontstaat en evolueert. "Het is leuk om mee om te gaan", zei de evolutietheoreticus David Krakauer, voorzitter van het Santa Fe Instituut. Assemblagetheorie, zei hij, biedt een manier om de toevallige geschiedenis van objecten te ontdekken - een kwestie die door de meeste complexiteitstheorieën wordt genegeerd, die de neiging hebben zich te concentreren op hoe de dingen zijn, maar niet hoe ze zo zijn geworden. Paul Davies, beaamt een natuurkundige van de staat Arizona en noemt het "een nieuw idee met het potentieel om de manier waarop we over complexiteit denken te veranderen."

Over de orde der dingen

Assemblagetheorie begon toen Cronin vroeg waarom, gezien het astronomische aantal manieren om verschillende atomen te combineren, de natuur sommige moleculen maakt en andere niet. Het is één ding om te zeggen dat een object mogelijk is volgens de wetten van de natuurkunde; het is iets anders om te zeggen dat er een echt pad is om het uit zijn samenstellende delen te maken. "De assemblagetheorie is ontwikkeld om mijn intuïtie vast te leggen dat complexe moleculen niet zomaar kunnen ontstaan ​​omdat de combinatorische ruimte te groot is," zei Cronin.

Walker had ondertussen geworsteld met de vraag naar de oorsprong van het leven - een kwestie die nauw verband houdt met het maken van complexe moleculen, omdat die in levende organismen veel te complex zijn om door toeval te zijn samengesteld. Iets, mijmerde Walker, moet dat proces hebben geleid nog voordat de darwinistische selectie het overnam.

Cronin en Walker bundelden hun krachten na het bijwonen van een NASA-workshop over astrobiologie in 2012. "Sara en ik bespraken informatietheorie en het leven en minimale routes om zelfreplicerende machines te bouwen", herinnert Cronin zich. "En het werd me heel duidelijk dat we het allebei eens waren over het feit dat er vóór de biologie een 'drijvende kracht' ontbrak."

Nu, zegt het paar, geeft de assemblagetheorie een consistent en wiskundig nauwkeurig verslag van de schijnbare historische contingentie van hoe dingen worden gemaakt - waarom je bijvoorbeeld geen raketten kunt ontwikkelen voordat je eerst meercellig leven hebt, dan mensen en dan beschaving en wetenschap. Er is een bepaalde volgorde waarin objecten kunnen verschijnen.

"We leven in een recursief gestructureerd universum," zei Walker. “De meeste structuren moeten worden gebouwd op de herinnering aan het verleden. De informatie is in de loop van de tijd opgebouwd.”

Dat lijkt misschien intuïtief voor de hand liggend, maar sommige vragen over de orde der dingen zijn moeilijker te beantwoorden. Moesten dinosaurussen vogels voorafgaan? Moest Mozart John Coltrane voorgaan? Kunnen we zeggen welke moleculen noodzakelijkerwijs voorafgingen aan DNA en eiwitten?

Complexiteit kwantificeren

Assemblagetheorie gaat uit van de ogenschijnlijk onomstreden veronderstelling dat complexe objecten ontstaan ​​door het combineren van veel eenvoudigere objecten. De theorie zegt dat het mogelijk is om de complexiteit van een object objectief te meten door na te gaan hoe het gemaakt is. Dat wordt gedaan door het minimale aantal stappen te berekenen dat nodig is om het object te maken van de ingrediënten, die wordt gekwantificeerd als de assemblage-index (AI).

Bovendien moet een complex object, om wetenschappelijk interessant te zijn, er veel van zijn. Zeer complexe dingen kunnen voortkomen uit willekeurige assemblageprocessen - je kunt bijvoorbeeld eiwitachtige moleculen maken door oude aminozuren in ketens te koppelen. Over het algemeen zullen deze willekeurige moleculen echter niets interessants doen, zoals zich gedragen als een enzym. En de kans om op deze manier twee identieke moleculen te krijgen is verwaarloosbaar klein.

Functionele enzymen worden in de biologie echter keer op keer op betrouwbare wijze gemaakt, omdat ze niet willekeurig worden samengesteld, maar uit genetische instructies die van generatie op generatie worden geërfd. Dus hoewel het vinden van een enkel, zeer complex molecuul niets zegt over hoe het is gemaakt, is het onwaarschijnlijk dat veel identieke complexe moleculen worden gevonden, tenzij er een georkestreerd proces - misschien leven - aan het werk is.

Cronin en Walker dachten dat als een molecuul overvloedig genoeg is om überhaupt te worden gedetecteerd, de assemblage-index ervan kan aangeven of het is geproduceerd door een georganiseerd, levensecht proces. De aantrekkingskracht van deze benadering is dat het niets veronderstelt over de gedetailleerde chemie van het molecuul zelf, of die van de levensechte entiteit die het heeft gemaakt. Het is chemisch agnostisch. En dat maakt het bijzonder waardevol wanneer we zoeken naar levensvormen die mogelijk niet voldoen aan de terrestrische biochemie, zei Jonathan Lunine, een planetaire wetenschapper aan de Cornell University en de hoofdonderzoeker van een voorgestelde missie om te zoeken naar leven op de ijzige maan Enceladus van Saturnus.

"Er moet ten minste één relatief agnostische techniek aan boord zijn van levensdetectiemissies", zei Lunine.

En, voegde hij eraan toe, het is mogelijk om de metingen uit te voeren die de assemblagetheorie vereist met technieken die al worden gebruikt om de chemie op planetaire oppervlakken te bestuderen. "Het implementeren van metingen die het gebruik van assemblagetheorie mogelijk maken bij het interpreteren van gegevens, is bij uitstek goed te doen", zei hij.

Een maatstaf voor levenswerk

Wat nodig is, is een snelle en gemakkelijke experimentele methode om de AI's van bepaalde moleculen te bepalen. Met behulp van een database van chemische structuren bedachten Cronin, Walker en hun collega's een manier om het minimale aantal stappen te berekenen dat nodig is om verschillende moleculaire structuren te maken. Hun resultaten toonden aan dat voor relatief kleine moleculen de assemblage-index ongeveer evenredig is met het molecuulgewicht. Maar voor grotere moleculen (alles groter dan bijvoorbeeld kleine peptiden) wordt deze relatie verbroken.

In die gevallen ontdekten de onderzoekers dat ze AI konden schatten met behulp van massaspectrometrie - een techniek die al door NASA's Curiosity rover wordt gebruikt om chemische verbindingen op het oppervlak van Mars te identificeren, en door NASA's Cassini-ruimtevaartuig om moleculen te bestuderen die uit Enceladus uitbarsten.

Massaspectrometrie breekt meestal grote moleculen in fragmenten. Cronin, Walker en collega's ontdekten dat tijdens dit proces grote moleculen met hoge AI's breken in complexere mengsels van fragmenten dan die met lage AI's (zoals eenvoudige, repetitieve polymeren). Op deze manier konden de onderzoekers op betrouwbare wijze een AI bepalen op basis van de complexiteit van het massaspectrum van het molecuul.

Toen de onderzoekers de techniek vervolgens testten, ontdekten ze dat complexe mengsels van moleculen gemaakt door levende systemen - een cultuur van E. coli bacteriën, natuurlijke producten zoals taxol (een metaboliet van de taxusboom uit de Stille Oceaan met eigenschappen tegen kanker), bier en gistcellen - hadden doorgaans significant hogere gemiddelde AI's dan mineralen of eenvoudige organische stoffen.

De analyse is gevoelig voor valse negatieven - sommige producten van levende systemen, zoals Ardbeg single malt scotch, hebben AI's die een niet-levende oorsprong suggereren. Maar misschien nog belangrijker is dat het experiment geen valse positieven opleverde: abiotische systemen kunnen niet voldoende hoge AI's verzamelen om de biologie na te bootsen. Dus de onderzoekers concludeerden dat als een monster met een hoogmoleculaire AI wordt gemeten op een andere wereld, het waarschijnlijk is gemaakt door een entiteit die we levend zouden kunnen noemen.

Massaspectrometrie zou alleen werken bij astrobiologische zoekopdrachten die toegang hebben tot fysieke monsters - dat wil zeggen, landermissies, of sommige orbiters zoals Europa Clipper die moleculen kunnen oppikken en analyseren die uit het oppervlak van een wereld worden geworpen. Maar Cronin en collega's heb nu laten zien dat ze moleculaire AI's kunnen meten met twee andere technieken die consistente resultaten opleveren. Een daarvan, infraroodspectroscopie, zou kunnen worden gebruikt door instrumenten zoals die van de James Webb Space Telescope die op afstand de chemische samenstelling van verre werelden onderzoeken.

Dat wil niet zeggen dat deze moleculaire detectiemethoden een schone meetlat bieden die varieert van steen tot reptiel. Hektor Zenil, een computerwetenschapper en biotechnoloog aan de Universiteit van Cambridge, wees erop dat de stof met de hoogste AI van alle monsters die de Glasgow-groep heeft getest - een stof die volgens deze maatstaf als de meest "biologische" kan worden beschouwd - geen bacterie was .

Het was bier.

De ketenen van het determinisme afwerpen

De assemblagetheorie voorspelt dat objecten zoals wij niet geïsoleerd kunnen ontstaan ​​- dat sommige complexe objecten alleen in combinatie met andere kunnen voorkomen. Dit is intuïtief logisch; het universum zou nooit slechts één mens kunnen voortbrengen. Om überhaupt mensen te maken, moest het een hele groep van ons maken.

Bij het verantwoorden van specifieke, feitelijke entiteiten zoals mensen in het algemeen (en jij en ik in het bijzonder), is traditionele natuurkunde maar zo nuttig. Het biedt de natuurwetten en gaat ervan uit dat specifieke uitkomsten het resultaat zijn van specifieke beginvoorwaarden. In deze visie moeten we op de een of andere manier gecodeerd zijn geweest in de eerste momenten van het universum. Maar het vereist zeker extreem verfijnde beginvoorwaarden om te maken Homo sapiens (laat staan ​​jij) onvermijdelijk.

Assemblagetheorie, zeggen haar voorstanders, ontsnapt aan dat soort overbepaalde beeld. Hier doen de beginvoorwaarden er niet zoveel toe. Integendeel, de informatie die nodig is om specifieke objecten zoals wij te maken, was er vanaf het begin niet, maar stapelt zich op in het zich ontvouwende proces van kosmische evolutie - het bevrijdt ons van al die verantwoordelijkheid bij een onmogelijk nauwkeurig afgestemde oerknal. De informatie "ligt op het pad", zei Walker, "niet de beginvoorwaarden."

Cronin en Walker zijn niet de enige wetenschappers die proberen uit te leggen hoe de sleutels tot de waargenomen werkelijkheid misschien niet in universele wetten liggen, maar in de manier waarop sommige objecten worden samengesteld of getransformeerd in andere. De theoretisch natuurkundige Chiara Marletto van de Universiteit van Oxford ontwikkelt een soortgelijk idee met de natuurkundige David Deutsch. Hun aanpak, die ze noemen constructor theorie en die Marletto beschouwt als "in de geest" van de assemblagetheorie, overweegt welke soorten transformaties wel en niet mogelijk zijn.

"Constructortheorie spreekt over het universum van taken die bepaalde transformaties kunnen maken", zei Cronin. "Het kan worden gezien als een begrenzing van wat er kan gebeuren binnen de wetten van de fysica." Assemblagetheorie, zegt hij, voegt tijd en geschiedenis toe aan die vergelijking.

Om uit te leggen waarom sommige objecten worden gemaakt en andere niet, identificeert de assemblagetheorie een geneste hiërarchie van vier verschillende 'universums'.

In de Assembly Universe zijn alle permutaties van de basisbouwstenen toegestaan. In de Assembly Possible beperken de wetten van de natuurkunde deze combinaties, dus slechts enkele objecten zijn haalbaar. Het Assembly Contingent snoeit vervolgens de enorme hoeveelheid fysiek toegestane objecten bij door de objecten uit te kiezen die daadwerkelijk langs mogelijke paden kunnen worden samengesteld. Het vierde universum is de Assembly Observed, die alleen die assemblageprocessen bevat die de specifieke objecten hebben gegenereerd die we daadwerkelijk zien.

Assemblagetheorie onderzoekt de structuur van al deze universums, met behulp van ideeën uit de wiskundige studie van grafiekenof netwerken van onderling verbonden knooppunten. Het is "een objecten-eerst-theorie", zei Walker, waarbij "de dingen [in de theorie] de objecten zijn die daadwerkelijk zijn gemaakt, niet hun componenten."

Om te begrijpen hoe assemblageprocessen binnen deze denkbeeldige universums werken, moeten we het probleem van de darwinistische evolutie beschouwen. Conventioneel is evolutie iets dat 'net is gebeurd' zodra replicerende moleculen bij toeval zijn ontstaan ​​- een opvatting die het risico loopt een tautologie te zijn, omdat het lijkt te zeggen dat evolutie begon zodra evolueerbare moleculen bestonden. In plaats daarvan zoeken voorstanders van zowel de assemblage- als de constructortheorie naar "een kwantitatief begrip van evolutie geworteld in de natuurkunde", zei Marletto.

Volgens de assemblagetheorie, voordat de darwinistische evolutie kan doorgaan, moet er iets worden geselecteerd voor meerdere kopieën van high-AI-objecten uit de Assembly Possible. Alleen de chemie, zei Cronin, zou daartoe in staat kunnen zijn - door relatief complexe moleculen te verkleinen tot een kleine subset. Gewone chemische reacties "selecteren" al bepaalde producten uit alle mogelijke permutaties omdat ze snellere reactiesnelheden hebben.

De specifieke omstandigheden in de prebiotische omgeving, zoals temperatuur of katalytische minerale oppervlakken, zouden dus kunnen zijn begonnen met het wannen van de poel van de moleculaire voorlopers van het leven uit die in de Assembly Possible. Volgens de assemblagetheorie zullen deze prebiotische voorkeuren worden "herinnerd" in de biologische moleculen van vandaag: ze coderen voor hun eigen geschiedenis. Toen de darwinistische selectie het eenmaal overnam, gaf het de voorkeur aan die objecten die zichzelf beter konden repliceren. Gaandeweg werd deze codering van de geschiedenis nog sterker. Dat is precies waarom wetenschappers de moleculaire structuren van eiwitten en DNA kunnen gebruiken om conclusies te trekken over de evolutionaire relaties van organismen.

Dus de assemblagetheorie "biedt een raamwerk om beschrijvingen van selectie in natuurkunde en biologie te verenigen", Cronin, Walker en collega's schreef. "Hoe 'meer samengesteld' een object is, hoe meer selectie er nodig is om het te laten ontstaan."

"We proberen een theorie te maken die verklaart hoe leven voortkomt uit chemie," zei Cronin, "en doen dat op een rigoureuze, empirisch verifieerbare manier."

Eén maatregel om ze allemaal te regeren?

Krakauer vindt dat zowel de assemblagetheorie als de constructortheorie stimulerende nieuwe manieren bieden om na te denken over hoe complexe objecten tot stand komen. "Deze theorieën lijken meer op telescopen dan op scheikundelabs," zei hij. “Ze stellen ons in staat om dingen te zien, niet om dingen te maken. Dat is helemaal niet erg en kan heel krachtig zijn.”

Maar hij waarschuwt dat "zoals alle wetenschap, het bewijs in de pudding zal zitten."

Zenil is ondertussen van mening dat, gegeven een toch al aanzienlijk aantal complexiteitsmetrieken zoals de Kolmogorov-complexiteit, de assemblagetheorie slechts het wiel opnieuw uitvinden. Marletto is het daar niet mee eens. "Er zijn verschillende maatstaven van complexiteit, die elk een ander begrip van complexiteit weergeven", zei ze. Maar de meeste van die maatregelen, zei ze, houden geen verband met processen in de echte wereld. Kolmogorov-complexiteit veronderstelt bijvoorbeeld een soort apparaat dat alles kan samenstellen wat de wetten van de natuurkunde toestaan. Het is een maatregel die past bij de Assembly Mogelijk, zei Marletto, maar niet noodzakelijkerwijs bij de Assembly Observed. De assemblagetheorie daarentegen is "een veelbelovende benadering omdat deze zich richt op operationeel gedefinieerde fysieke eigenschappen", zei ze, "in plaats van abstracte noties van complexiteit."

Wat ontbreekt aan dergelijke eerdere complexiteitsmetingen, zei Cronin, is enig idee van de geschiedenis van het complexe object - de metingen maken geen onderscheid tussen een enzym en een willekeurig polypeptide.

Cronin en Walker hopen dat de assemblagetheorie uiteindelijk zeer brede vragen in de natuurkunde zal behandelen, zoals de aard van tijd en de oorsprong van de tweede wet van de thermodynamica. Maar die doelen zijn nog ver weg. "Het assemblage-theorieprogramma staat nog in de kinderschoenen," zei Marletto. Ze hoopt de theorie in het laboratorium op de proef te stellen. Maar het kan ook in het wild gebeuren - tijdens de jacht op levensechte processen die plaatsvinden op buitenaardse werelden.