삶의 건축

링크 표

초록 및 소개

1부. 생명의 정의

2부. 첫 번째 기적: 생명의 출현은 예상되는 상전이 - TAP와 RAF.

3부. 두 번째 기적: 생물권의 진화는 전파되고, 추론할 수 없는 구성이며, 수반된 추론이 아닙니다. 법칙은 없습니다. 진화는 항상 창조적입니다.

4부. 새로운 관찰과 실험: 우주에 생명이 있을까?

결론 및 감사의 말

그림 및 참고문헌

1부. 생명의 정의

우리는 삶에 대한 합의된 정의가 없습니다. 우리는 여기서 다음을 향해 나아갑니다. 삶은 비평형, 자체 재생산 화학 반응 시스템으로 다음을 달성합니다. i. 집단적 자기촉매, ii. 제약 폐쇄, iii. 공간 폐쇄; iv. 그 자체로 살아있는 존재는 칸트의 전체입니다. 우리는 아래에서 이러한 개념을 설명합니다.

집단적으로 자동 촉매 세트

집합적 자가촉매 세트인 CAS는 외인성 분자 및 에너지적 빌딩 블록을 공급받는 개방형 화학 반응 시스템으로, 세트의 각 분자를 형성하는 마지막 화학 반응 단계가 세트의 최소 한 분자 또는 식품 세트의 한 분자에 의해 촉매되는 특성을 가지고 있습니다. 그림 1a는 간단한 예를 보여줍니다(2). 그림 1b는 더 복잡한 예를 보여줍니다(3).

생명은 템플릿 복제 폴리뉴클레오타이드에 기반해야 한다는 개념은 약 50년 동안 생명 기원 분야를 지배해 왔습니다(4,5). 그러나 "누드 복제 RNA 유전자"의 복제는 아직 달성되지 않았습니다(6). 그럼에도 불구하고 이 목표는 달성될 수 있습니다.

익숙한 템플릿 복제 이중 가닥 RNA 서열 개념은 집단적 자가촉매 세트의 구체적인 예입니다. 각 가닥은 다른 가닥의 합성을 위한 템플릿 촉매입니다. 그러나 집단적 자가촉매의 개념은 훨씬 더 광범위합니다.

복제 RNA 시퀀스에 대한 희망과는 극명하게 대조적으로, DNA, RNA, 펩타이드의 집합적 자가촉매 세트가 구성되었습니다. 첫 번째인 DNA 집합적 자가촉매 세트는 G. von Kiedrowski(7)에 의해 구성되었습니다. RNA 집합적 자가촉매 세트는 N. Lehman과 동료들에 의해 달성되었습니다(8). 이 세트는 빌딩 블록이 주어지면 자발적으로 자체 조직화됩니다. G. Ashkenasy(9)에 의해 구성된 9개의 펩타이드의 집합적 자가촉매 세트가 그림 2에 나와 있습니다. 자가촉매 지질 세트도 고려되었습니다(10).

이러한 결과는 근본적으로 중요합니다. 자체 재생산 개방형 화학 반응 시스템을 만드는 것이 달성됩니다.

놀라운 증거는 이제 모든 6700개의 원핵생물에서 DNA, RNA 또는 펩타이드 중합체를 포함하지 않는 소분자 집합적 자가 촉매 세트가 존재한다는 것을 보여줍니다(그림 3, 11, 12). 이러한 소분자 자가 재생산 세트에는 수백 개에서 수천 개의 소분자와 그 사이의 반응이 포함됩니다. 이러한 자가 촉매 세트는 여러 아미노산과 ATP를 합성합니다. 세트는 계산을 통해 식별됩니다. 이들이 시험관 내에서 재생산된다는 것은 아직 밝혀지지 않았습니다.

6700개의 원핵생물 전체에 작은 분자 집합적 자가촉매 세트가 존재한다는 것은 우주에서 자체 재생산이 가능한 최초의 화학 시스템이 바로 그러한 세트였음을 강력히 시사합니다. 우리는 그러한 세트의 출현이 예상됨을 아래에서 보여줍니다.

소분자 자동 촉매 세트의 식별은 생명의 기원에서 템플릿 복제 폴리뉴클레오타이드의 필요성에 대한 지속적인 논쟁과 관련이 있습니다. 그러한 "누드 RNA 유전자"는 자체 구성 요소를 만들고 유지하기 위해 연결된 대사를 촉매하는 RNA 시퀀스를 진화시켜야 합니다. 그러나 그러한 연결된 대사 자체가 집단적으로 자동 촉매적일 이유는 전혀 없습니다. 이러한 고려 사항은 분자적 번식의 기원이 소분자 집단적으로 자동 촉매적 세트의 출현을 통해 이루어졌다는 확신을 높입니다.

삶: 칸트의 전체, 촉매적 폐쇄, 제약적 폐쇄, 공간적 폐쇄

칸트의 전체

1790년대에 철학자 임마누엘 칸트는 근본적인 개념을 도입했습니다. 조직된 존재는 부분이 전체를 위해 존재하고 전체를 통해 존재한다는 특성을 가지고 있습니다(13). 칸트의 통찰력은 230년 동안 잠복해 있었습니다. 모든 생명체는 칸트의 전체이며, 부분을 위해 존재하고 부분을 통해 존재합니다. 당신은 칸트의 전체입니다. 당신은 당신의 부분, 즉 심장, 간, 신장, 폐, 뇌를 통해 존재합니다. 당신의 부분은 전체인 당신을 통해 존재합니다. 당신은 번식하고, 당신의 아이들은 당신의 부분을 물려받습니다.

모든 살아있는 유기체는 칸트의 전체입니다. 여기에는 의심스러운 바이러스 종류가 포함됩니다. 세포 환경 내에서 바이러스는 번식하는 칸트의 전체입니다. 바이러스의 부분은 세포의 맥락에서 바이러스의 부분의 여러 사본을 생성하여 성숙한 바이러스 전체로 자체 조립합니다. 칸트의 전체에 대한 정의를 포함한 생명의 정의가 바이러스를 살아있는 것으로 분류한다는 것은 흥미롭습니다.

칸트의 전체는 동적 물리적 시스템의 특별한 종류입니다. 결정은 칸트의 전체가 아닙니다. 결정의 원자는 결정의 일부가 되지 않고도 존재할 수 있습니다. 벽돌은 칸트의 전체가 아닙니다. 세포는 칸트의 전체입니다.

촉매 폐쇄

그림 2의 9펩타이드 세트와 같은 집합적 자가촉매 세트는 촉매적 폐쇄를 달성합니다. 시스템의 각 반응은 시스템 내의 적어도 하나의 분자에 의해 촉매됩니다. 모든 살아있는 세포는 촉매적 폐쇄를 달성합니다. 살아있는 세포의 어떤 분자도 자신의 형성을 촉매하지 않습니다. 살아있는 세포의 세트 분자, 즉 전체는 세포가 재생산됨에 따라 촉매적 폐쇄를 달성합니다(14,15,16).

촉매적 폐쇄를 달성하는 시스템은 또한 칸트의 전체입니다. 그림 2의 9개 펩타이드 집합적으로 자동 촉매적 세트의 각 펩타이드는 9개 펩타이드의 전체 세트를 위해, 그리고 그 전체 세트를 통해 존재하는 부분이며, 그 상호 촉매 작용은 모든 부분이 존재할 수 있게 합니다.

제약 조건 폐쇄

모든 6700개의 원핵생물에서 발견되는 유형의 작은 분자 집합적 자가촉매 세트를 포함한 살아있는 세포는 새롭게 인식되고 심오한 속성인 제약 폐쇄(Constraint Closure)를 달성합니다(17). 열역학적 일은 에너지를 몇 개의 자유도로 제약하여 방출하는 것입니다(18). 한 가지 예는 바닥에 화약이 있고 화약 옆에 포탄이 놓여 있는 대포입니다. 힘이 폭발하면 경계 조건이자 제약 조건인 대포가 에너지 방출을 제약하여 대포의 구멍으로 포탄을 날립니다. 열역학적 일은 대포알에서 수행됩니다. 따라서 비평형 과정에서 에너지 방출에 대한 제약이 없으면 열역학적 일을 수행할 수 없습니다(19).

뉴턴은 경계 조건이 어디서 왔는지 말해주지 않습니다. 이 예에서 대포는 경계 조건입니다. 하지만 대포는 어디서 왔을까요? 중요한 답은 대포를 조립하는 데 열역학적 작업이 필요했다는 것입니다. 우리는 다음과 같이 결론 내릴 수 있습니다. 상수가 없으면 작업이 없습니다. 하지만 관련 제약 조건을 구성하는 데는 종종 작업이 필요합니다. 따라서 제약 조건 없음, 작업 없음. 작업 없음, 제약 조건 없음. 이 작업-제약 조건 사이클은 새로운 문제입니다(19).

Maël Montévil과 Matteo Mossio는 2015년에 처음으로 제약 조건 폐쇄(17)를 정의했습니다.

1, 2, 3의 세 가지 비평형 과정이 있는 시스템을 고려합니다. A, B, C의 세 가지 제약 조건을 고려합니다. A가 B를 구성하기 위해 과정 1에서 에너지 방출을 제약한다고 가정합니다. B가 C를 구성하기 위해 과정 2에서 에너지 방출을 제약한다고 가정합니다. C가 A를 구성하기 위해 과정 3에서 에너지 방출을 제약한다고 가정합니다(그림 1a, 1b 및 2 참조).

위의 시스템은 놀라운 속성인 제약 조건 폐쇄를 달성합니다. 제약 조건 세트(여기서는 A, B, C)는 프로세스 세트(여기서는 1, 2, 3)의 에너지 방출을 제한하여 열역학적 작업을 수행하므로 제약 조건 세트(A, B, C)를 구성하는 몇 가지 자유도로 제한합니다! 이 시스템은 문자 그대로 열역학적 작업을 수행하여 에너지 방출에 대한 자체 경계 조건 제약 조건을 구성하여 동일한 경계 조건을 구성합니다.

제약 폐쇄는 완전히 새로운 개념입니다. 우리는 자동차를 만듭니다. 자동차는 다른 부분에 영향을 미치는 부분의 에너지 방출을 제한하는 정교한 부품 배열입니다. 가스가 폭발하고, 피스톤이 움직이고, 바퀴가 돌아갑니다. 그러나 자동차는 에너지 방출에 대한 자체 경계 조건 제약을 구성하지 않습니다.

모든 집단적 자가촉매 분자 반응 시스템은 촉매적 폐쇄와 제약적 폐쇄를 모두 달성합니다. 모두 칸트의 전체입니다. 예를 들어, 그림 2의 9개 펩타이드 집단적 자가촉매 세트에서 각 펩타이드는 다음 펩타이드의 두 조각을 결합하여 리가제 역할을 합니다. 두 조각을 배향함으로써 리가제로서의 펩타이드는 두 조각을 연결하여 다음 펩타이드의 두 번째 사본을 만드는 활성화 장벽을 낮춥니다. 펩타이드 결합이 형성됨에 따라 다음 펩타이드를 구성하기 위해 열역학적 작업이 수행됩니다. 이는 이 집단적 자가촉매 펩타이드 시스템의 모든 반응에 해당하기 때문에 전체로서 시스템은 촉매적 폐쇄와 제약적 폐쇄를 모두 달성합니다. 시스템은 스스로를 구성합니다. 그리고 시스템은 또한 칸트의 전체입니다.

모든 살아있는 세포가 제약 폐쇄를 달성하는 것은 가장 중요한 일입니다. 세포는 에너지 방출에 대한 경계 조건을 구성하는데, 이는 바로 동일한 경계 조건을 구성합니다. 세포는 스스로를 구성합니다. 컴퓨터와 기관차는 스스로를 구성하지 않습니다.

재생산 세포는 근본적으로 폰 노이만의 자기 재생산 오토마타가 아니다(20). 이것들은 "범용 생성자"에 기반을 두고 있다. 특정한 것을 구성하기 위해, 범용 생성자는 특정한 "지침"을 필요로 한다. 이것들은 범용 생성자 내부에 배치된 물리적 시스템에 인코딩된다. 물리적으로 구체화된 지침은 이중의 역할을 한다. 이것들은 물리적 지침의 물리적 사본이 구성된 다음 삽입되는 범용 생성자의 사본을 구성하는 데 사용된다. 물리적 지침의 이중 역할은 소프트웨어와 하드웨어의 구별을 정확히 구성한다. 가장 극명하게 대조적으로, 살아있는 세포는 촉매적이고 제약적 폐쇄를 통해 구체적으로 자체를 구성한다. 세포는 별도의 지침이 필요한 범용 생성자가 아니다. 그림 2의 자기 재생산 9-펩타이드 세트는 형성을 인코딩하는 분리 가능한 "지침"이 없다. 여기서 소프트웨어와 하드웨어의 개념은 공허하다.

폴 데이비스(21)는 살아있는 세포의 맥락에서 유전자는 전사 및 번역 장치와 함께 실제로 모든 가능한 인코딩된 폴리펩타이드에 대한 보편적인 구성자라고 지적합니다. 유전자는 일련의 지침으로 간주될 수 있습니다. 그러나 유전자가 위치한 살아있는 세포 자체는 보편적인 구성자가 아닙니다. 그것은 구체적으로 자신을 구성합니다. 수천 개의 유전자 각각이 무작위 폴리펩타이드를 인코딩하는 무작위 DNA 시퀀스로 대체된다면 이러한 새로운 단백질을 합성하는 세포는 거의 확실히 죽을 것입니다.

살아있는 유기체는 중첩된 칸트 전체(Kantian Wholes)를 형성하도록 진화했습니다. 원핵생물은 1차 칸트 전체입니다. 미토콘드리아와 엽록체와 공생하는 진핵 세포(22, 23)는 1차 칸트 전체가 포함된 2차 칸트 전체입니다. 다세포 유기체는 2차와 1차 칸트 전체가 포함된 3차 칸트 전체입니다.