Kiến trúc của cuộc sống

Bảng liên kết

Tóm tắt và Giới thiệu

Phần I. Định nghĩa về cuộc sống

Phần II. Phép lạ đầu tiên: Sự xuất hiện của sự sống là một giai đoạn chuyển tiếp được mong đợi – TAP và RAF.

Phần III. Phép lạ thứ hai: Sự tiến hóa của sinh quyển là một cấu trúc lan truyền, không thể suy diễn, không phải là một suy diễn có tính suy diễn. Không có Luật nào cả. Sự tiến hóa luôn sáng tạo

Phần IV. Quan sát và thí nghiệm mới: Có sự sống trong vũ trụ không?

Kết luận và Lời cảm ơn

Hình ảnh và Tài liệu tham khảo

Phần I. Định nghĩa về cuộc sống

Chúng tôi không có định nghĩa thống nhất về sự sống. Ở đây chúng tôi xây dựng theo hướng sau: Sự sống là một hệ thống phản ứng hóa học không cân bằng, tự tái tạo đạt được: i. Tự xúc tác tập thể, ii. Đóng chặt ràng buộc, iii. Đóng chặt không gian; iv. như vậy, các thực thể sống là Tổng thể Kant. Chúng tôi giải thích các khái niệm này bên dưới.

Bộ tự xúc tác tập thể

Một bộ tự xúc tác tập thể, CAS, là một hệ thống phản ứng hóa học mở được cung cấp các khối xây dựng năng lượng và phân tử ngoại sinh, có đặc tính là bước phản ứng hóa học cuối cùng hình thành nên mỗi phân tử trong bộ được xúc tác bởi ít nhất một phân tử trong bộ hoặc bởi một phân tử trong bộ thực phẩm. Hình 1a cho thấy một ví dụ đơn giản, (2). Hình 1b cho thấy một ví dụ phức tạp hơn (3).

Khái niệm rằng sự sống phải dựa trên các polynucleotide sao chép khuôn mẫu đã thống trị lĩnh vực nguồn gốc sự sống trong khoảng 50 năm, (4,5). Tuy nhiên, sự sao chép của "gen RNA sao chép trần trụi" vẫn chưa đạt được, (6). Tuy nhiên, mục tiêu này có thể đạt được.

Khái niệm quen thuộc về chuỗi RNA sợi đôi sao chép khuôn mẫu là một ví dụ cụ thể về một bộ tự xúc tác tập thể. Mỗi sợi là một chất xúc tác khuôn mẫu cho quá trình tổng hợp sợi kia. Tuy nhiên, khái niệm tự xúc tác tập thể rộng hơn nhiều.

Ngược hẳn với hy vọng về một trình tự RNA sao chép, các bộ tự xúc tác tập thể của DNA, RNA và peptide đã được xây dựng. Đầu tiên, một bộ tự xúc tác tập thể của DNA, được xây dựng bởi G. von Kiedrowski, (7). Một bộ tự xúc tác tập thể của RNA đã được tạo ra bởi N. Lehman và các đồng nghiệp, (8). Bộ này tự tổ chức một cách tự phát dựa trên các khối xây dựng của nó. Một bộ tự xúc tác tập thể gồm chín peptide được xây dựng bởi G. Ashkenasy, (9), được thể hiện trong Hình 2. Các bộ lipid tự xúc tác cũng đã được xem xét, (10).

Những kết quả này có tầm quan trọng cơ bản. Việc tạo ra các hệ thống phản ứng hóa học mở tự tái tạo đã đạt được.

Bằng chứng đáng kinh ngạc hiện nay chứng minh sự hiện diện của các bộ tự xúc tác phân tử nhỏ tập thể không chứa DNA, RNA hoặc polyme peptide, trong tất cả 6700 sinh vật nhân sơ, Hình 3, (11,12). Các bộ tự sinh sản phân tử nhỏ này chứa từ hàng trăm đến vài nghìn phân tử nhỏ và các phản ứng giữa chúng. Các bộ tự xúc tác này tổng hợp một số axit amin và ATP. Các bộ được xác định bằng tính toán. Vẫn phải chứng minh rằng chúng sinh sản trong ống nghiệm.

Sự hiện diện của các bộ tự xúc tác phân tử nhỏ tập thể trong tất cả 6700 sinh vật nhân sơ cho thấy mạnh mẽ rằng các hệ thống hóa học đầu tiên có khả năng tự sinh sản trong vũ trụ chính xác là các bộ như vậy. Chúng tôi trình bày bên dưới rằng sự xuất hiện của các bộ như vậy là điều được mong đợi.

Việc xác định các bộ tự xúc tác phân tử nhỏ liên quan đến cuộc tranh luận đang diễn ra về sự cần thiết của các polynucleotide sao chép khuôn mẫu trong nguồn gốc của sự sống. Một "gen RNA trần" như vậy sẽ phải tiến hóa các chuỗi RNA để xúc tác một quá trình trao đổi chất được kết nối để tạo ra và duy trì các khối xây dựng của riêng nó. Tuy nhiên, không có lý do gì mà một quá trình trao đổi chất được kết nối như vậy tự nó cũng có thể tự xúc tác tập thể. Sự cân nhắc này làm tăng thêm sự tin tưởng rằng nguồn gốc của sự sinh sản phân tử là thông qua sự xuất hiện của các bộ tự xúc tác tập thể phân tử nhỏ.

Cuộc sống: Tổng thể Kant, Đóng cửa xúc tác, Đóng cửa ràng buộc, Đóng cửa không gian

Toàn thể Kant

Vào những năm 1790, triết gia Immanuel Kant đã đưa ra một khái niệm cơ bản: Một thực thể có tổ chức có đặc tính là các Bộ phận tồn tại vì và thông qua Toàn thể, (13). Nhận thức sâu sắc của Kant đã nằm im trong 230 năm. Tất cả các sinh vật sống đều là Toàn thể Kant tồn tại vì và thông qua các Bộ phận của chúng. Bạn là một Toàn thể Kant. Bạn tồn tại thông qua các Bộ phận của mình – tim, gan, thận, phổi, não. Các Bộ phận của bạn tồn tại thông qua bạn, Toàn thể. Bạn sinh sản, và con cái của bạn thừa hưởng các Bộ phận của bạn.

Tất cả các sinh vật sống đều là Toàn thể Kant. Điều này bao gồm cả lớp virus bị nghi ngờ. Bên trong môi trường của tế bào, virus là Toàn thể Kant sinh sản. Các Bộ phận của virus, trong bối cảnh của tế bào, tạo ra nhiều bản sao của các Bộ phận của virus tự lắp ráp thành Toàn thể virus trưởng thành. Điều đáng chú ý là một định nghĩa về sự sống bao gồm cả định nghĩa về Toàn thể Kant lại phân loại virus là sống.

Toàn thể Kant là một lớp đặc biệt của hệ thống vật lý động lực. Một tinh thể không phải là một toàn thể Kant. Các nguyên tử của tinh thể có thể tồn tại mà không phải là một phần của tinh thể. Một viên gạch không phải là một Toàn thể Kant. Một tế bào là một Toàn thể Kant.

Đóng cửa xúc tác

Một tập hợp tự xúc tác tập thể, chẳng hạn như tập hợp 9-peptide trong Hình 2, đạt được Đóng xúc tác. Mỗi phản ứng trong hệ thống được xúc tác bởi ít nhất một phân tử trong hệ thống. Tất cả các tế bào sống đều đạt được đóng xúc tác. Không có phân tử nào trong tế bào sống xúc tác cho sự hình thành của chính nó. Các phân tử tập hợp trong một tế bào sống, một Toàn thể, đạt được đóng xúc tác khi tế bào sinh sản, (14,15,16).

Các hệ thống đạt được sự đóng xúc tác cũng là Toàn thể Kant. Mỗi peptit trong tập hợp tự xúc tác gồm 9 peptit trong Hình 2 là một Phần tồn tại cho và thông qua Toàn thể gồm chín peptit có sự xúc tác lẫn nhau cho phép tất cả các Phần tồn tại.

Đóng ràng buộc

Các tế bào sống, bao gồm một tập hợp phân tử nhỏ tự xúc tác tập thể thuộc loại được tìm thấy trong tất cả 6700 sinh vật nhân sơ, đạt được một tính chất mới được công nhận và sâu sắc: Đóng ràng buộc, (17). Công nhiệt động lực học là sự giải phóng năng lượng bị ràng buộc thành một vài bậc tự do, (18). Một ví dụ là một khẩu pháo có thuốc súng ở đế và một viên đạn pháo nằm cạnh thuốc súng. Khi năng lượng phát nổ, khẩu pháo, vừa là điều kiện biên vừa là ràng buộc, ràng buộc việc giải phóng năng lượng để bắn viên đạn pháo vào nòng pháo. Công nhiệt động lực học được thực hiện trên viên đạn pháo. Do đó, khi không có ràng buộc về việc giải phóng năng lượng trong một quá trình không cân bằng, thì không thể thực hiện được công nhiệt động lực học, (19).

Newton không cho chúng ta biết các điều kiện biên đến từ đâu. Khẩu pháo trong ví dụ là điều kiện biên. Nhưng khẩu pháo đến từ đâu? Câu trả lời quan trọng là công nhiệt động lực học là cần thiết để lắp ráp khẩu pháo. Chúng ta có thể kết luận: Không có hằng số, không có công. Nhưng thường phải mất công để xây dựng ràng buộc có liên quan. Do đó: Không có ràng buộc, không có công. Không có công, không có ràng buộc. Chu trình Công-Ràng buộc này là một vấn đề mới, (19).

Maël Montévil và Matteo Mossio lần đầu tiên định nghĩa Constraint Closure vào năm 2015, (17):

Xét một hệ thống có ba quá trình không cân bằng, 1, 2 và 3. Xét ba ràng buộc, A, B và C. Giả sử A ràng buộc việc giải phóng năng lượng trong quá trình 1 để xây dựng B. Giả sử B ràng buộc việc giải phóng năng lượng trong quá trình 2 để xây dựng C. Giả sử C ràng buộc việc giải phóng năng lượng trong quá trình 3 để xây dựng A (xem Hình 1a, 1b và 2).

Hệ thống trên đạt được một tính chất đáng chú ý: Đóng ràng buộc. Tập hợp các ràng buộc, ở đây là A, B và C, ràng buộc việc giải phóng năng lượng của một tập hợp các quá trình, ở đây là 1, 2 và 3, thành một vài bậc tự do do đó thực hiện công nhiệt động lực học xây dựng cùng một tập hợp các ràng buộc, A, B và C! Hệ thống này thực sự thực hiện công nhiệt động lực học để xây dựng chính nó bằng cách xây dựng các ràng buộc điều kiện biên của riêng nó đối với việc giải phóng năng lượng xây dựng cùng các điều kiện biên.

Constraint closure là một khái niệm hoàn toàn mới. Chúng ta chế tạo ô tô. Một chiếc ô tô là một sự sắp xếp phức tạp các bộ phận hạn chế việc giải phóng năng lượng của các bộ phận tác động lên các bộ phận khác. Khí nổ, piston di chuyển, bánh xe quay. Nhưng ô tô không xây dựng các ràng buộc điều kiện biên riêng của chúng đối với việc giải phóng năng lượng.

Tất cả các hệ thống phản ứng phân tử tự xúc tác tập thể đều đạt được cả đóng xúc tác và đóng ràng buộc. Tất cả đều là Toàn thể Kant. Ví dụ, trong bộ tự xúc tác tập thể gồm 9 peptide trong hình 2, mỗi peptide hoạt động như một ligase bằng cách liên kết hai đoạn của peptide tiếp theo. Bằng cách định hướng hai đoạn, peptide như một ligase hạ thấp rào cản hoạt hóa đối với quá trình liên kết của hai đoạn để tạo ra bản sao thứ hai của peptide tiếp theo. Công việc nhiệt động lực học được thực hiện để xây dựng peptide tiếp theo khi liên kết peptide được hình thành. Vì điều này đúng với tất cả các phản ứng trong hệ thống peptide tự xúc tác tập thể này, nên hệ thống - như một Toàn thể - đạt được cả Đóng xúc tác và Đóng ràng buộc. Hệ thống tự xây dựng chính nó. Và hệ thống cũng là Toàn thể Kant.

Điều quan trọng nhất là tất cả các tế bào sống đều đạt được sự đóng chặt ràng buộc. Các tế bào xây dựng chính các điều kiện biên giới khi giải phóng năng lượng, xây dựng chính các điều kiện biên giới đó. Các tế bào tự xây dựng chính mình. Máy tính và đầu máy xe lửa không tự xây dựng chính mình.

Các tế bào sinh sản về cơ bản không phải là các automata tự sinh sản của von Neumann, (20). Chúng dựa trên một “Bộ xây dựng phổ quát”. Để xây dựng bất kỳ thứ gì cụ thể, Bộ xây dựng phổ quát yêu cầu các “Hướng dẫn” cụ thể. Chúng được mã hóa trong một hệ thống vật lý được đặt bên trong Bộ xây dựng phổ quát. Các hướng dẫn được thể hiện vật lý đóng vai trò kép: Chúng được sử dụng để xây dựng một bản sao của Bộ xây dựng phổ quát mà bản sao vật lý của các Hướng dẫn vật lý được xây dựng vào đó và sau đó được chèn vào. Vai trò kép của các Hướng dẫn vật lý tạo nên sự khác biệt chính xác giữa phần mềm và phần cứng. Ngược lại hoàn toàn, một tế bào sống, thông qua sự đóng chặt xúc tác và ràng buộc, xây dựng chính nó một cách cụ thể. Một tế bào không phải là một bộ xây dựng phổ quát yêu cầu các Hướng dẫn riêng biệt. Bộ 9 peptide tự sinh sản trong hình 2 không có “Hướng dẫn” tách biệt nào mã hóa sự hình thành của nó. Các khái niệm về phần mềm và phần cứng ở đây là vô hiệu.

Paul Davies, (21), chỉ ra rằng, trong bối cảnh của một tế bào sống, các gen cùng với bộ máy phiên mã và dịch mã thực tế là một cấu trúc phổ quát cho tất cả các chuỗi polypeptide được mã hóa có thể. Các gen có thể được coi là một tập hợp các hướng dẫn. Tuy nhiên, bản thân tế bào sống mà các gen nằm trong đó không phải là một cấu trúc phổ quát. Nó tự xây dựng chính nó một cách cụ thể. Nếu mỗi gen trong số hàng nghìn gen của nó được thay thế bằng một chuỗi DNA ngẫu nhiên mã hóa một chuỗi polypeptide ngẫu nhiên nào đó, thì tế bào tổng hợp các protein mới này chắc chắn sẽ bị diệt vong.

Các sinh vật sống đã tiến hóa để hình thành nên các Toàn thể Kantian lồng nhau. Một sinh vật nhân sơ là một Toàn thể Kantian bậc một. Một tế bào nhân chuẩn, một sinh vật cộng sinh với ty thể và lục lạp, (22, 23), là một Toàn thể Kantian bậc hai chứa các Toàn thể Kantian bậc một. Một sinh vật đa bào là một Toàn thể Kantian bậc ba chứa các Toàn thể Kantian bậc hai và bậc một.