Космологические и комбинаторные основания редкости жизни в наблюдаемой вселенной

[николай теллалов]

Если считать их организмом

палеотнолог Питер Уорд их таковыми считает

Peter Ward, Life as We Do Not Know It, 2006

[Rattus]

Как я понимаю в природе рнк организмов сейчас нет.

Вироиды.

Если считать их организмом.

Если считать организмом только имеющих все элементы цикла автономного воспроизводства, то не только вирусы, но и самцов животных таковыми считать уже нельзя. А если имеющих какой-то фенотип, то и у вироидов есть собственная рибозимная активность, по которой они различаются.

А с днк можно сделать?

Нельзя. ДНК сама по себе не обладает существенной каталитической активностью, а значит цикл воспроизводства с ней будет гораздо сложнее, ибо обязательно будет включать гены и РНК и белков.

Их же в природе пооным полно. Значии известно как устроено.

Известно как устроено до машинерии трансляции о 2 генах рибосомальной РНК, 22 генах транспортной РНК, соответствующих аминоацил-тРНК синтетаз и РНК-полимеразы. Это уже не пара сотен, а несколько ТЫСЯЧ нуклеотидов. Понятно, что и у них должен быть какой-то эволюционный порядок возникновения - и он уже прослежен вплоть до пептидилтрансферазного центра рРНК или отдельных тРНК. Но этих "первоначал" явно НЕДОСТАТОЧНО для запуска минимального гиперцикла самовоспроизводства. А каков тогда должен быть такой гиперцикл - каковы его недостающие элементы - в репликативной маширнерии современных клеток, равно как и у эксплуатирующих её вирусов не находится.

[Проходящий Кот]

А насколько отличаются транспортные РНК между собой? Может они все возникли от одной?

[Rattus]

Есть гипотеза происхождения рибосомальной РНК от транспортных, но многие считают её слишком спекулятивной, поскольку на таких коротких последовательностях (где, тем более, много высококонсервативных, функционально-критичных участков) гомологию (родство) от конвергенции (параллельного сходства) надёжно отличить уже не особо получается.
Ну и с отдельными тРНК поэтому дело обстоит ещё хуже: при её длине ~73-93 нуклеотидов, три из которых - антикодонные, дюжина - модифицированные и большинство остальных - консервативны (не только исходной функцией, но и нагруженными позднее взаимодействиями и регуляциями) - т.е. где какой-то вариабельности - считанные десятки нуклеотидов в лучшем случае - строить какой-то филогенез спустя четыре с половиной миллиарда лет, да ещё в отрыве от их непосредственной кодообразующей роли в синтезе белка - совершенно гиблое и неблагодарное дело. Даже не могу сходу накопать никаких статей на эту тему. А если вместе с их функцией в трансляции - это уже будет совсем другой вопрос - вопрос возникновения и эволюции генетического кода, где уже давно есть масса гипотез, ни одна из которых пока не обрела статуса полновесной теории.
Т.е. структура отдельных тРНК, как и набор биогенных аминокислот - в куда бОльшей степени предмет химии, чем эволюционной истории просто по причине очень небольшой комбинаторной вариабельности - вполне планетарного уровня.

[Rattus]

Буквально месяц тому назад были опубликованы две во многом по сути противоположные статьи, выводящие тему этой дискуссии на следующий этап:

Первая - с существенно детализированной астрономически и уточненной математически оценкой "комбинаторной невероятности" появления рибозима РНК-полимеразы:

https://www.nature.com/articles/s41598-020-58060-0

Отмечается, что молекула РНК не должна быть короче 40–100 нуклеотидов, но наблюдаемая Вселенная не настолько велика, чтобы создать такие условия.

Хотя все варианты 40-нуклеотидной РНК суммарно будут массой в сухом виде менее двухсот грамм и даже 50-нуклеотидной РНК - не более двухсот тонн, следует иметь ввиду, что случайный перебор - не последовательный - и требует существенно большего числа повторений чем одно, и по расчётам автора их не перебрать всем пригодным планетам в наблюдаемой вселенной даже за полмиллиарда лет каждой (вполне оптимистический срок, кстати).
Тем не менее, несмотря на куда более детальный подход чем в предыдущих оценках к астрономическим критериям, вплоть до суточного и годового цикла, сведенные в уравнение, подобное известному уравнению Дрейка, и рассуждения об ошибке наблюдателя, в работе нет ни одного упоминания имеющих самое непосредственное отношение к проблеме саморепликации понятий: доли консервативной (т.е. функционально критически важной) последовательности (которая определяет число других вариантов полных последовательностей, также обладающих способностью к саморепликации) и порога Эйгена - минимального уровня точности репликации, который и для белковых РНК-полимераз может быть всего 99%, а уж для рибозимов - всяко меньше. Но даже это не критично, поскольку в книге того же Кунина он был указан в одну ошибку на каждые 10 нуклеотидов (т.е. всего 90%) - и значит если в полимере длиной более десятка нуклеотидов все критичны для репликации, то зародившаяся "жизнь" вымрет сразу во втором поколении. И все эволюционные эксперименты с РНК, проведённые к данному моменту, хотя и не получили ещё полный репликазный цикл с единичных нуклеотидов, уже показывают, что это не так - функциональная консервативность получаемых рибозимов существенно менее 99%.
Кроме того - и пожалуй самое важное - авторы сознательно ограничились рассмотрением только полностью случайной сборки полинуклеотидной цепи:

It should be noted, however, that the case of a high abiogenesis rate (N_life ≳ 1 for N* = 1) cannot be excluded by this work, because we assumed that abiotic RNA polymerization occurs only by the random Poisson process of adding monomers. Potential roles of much more efficient processes on the origin of life, such as non-linear auto- or cross-catalytic reactions, have been studied theoretically

Тогда как химические свойства РНК (в отличие от ДНК) - и любые её каталитические функции очень зависят от первичной последовательности. Что в процессе абиогенного роста (весьма небыстрого, к слову) получающиеся цепи РНК никак не будут влиять на эффективность дальнейшего роста - поверить очень трудно. Если эти влияния только отрицательные - то оценки должны быть ещё на порядки более негативные. А если есть хоть какие-то положительные - то отбор запускается уже по сути с этого момента, как и указано в слайде лекции Александра Маркова.

Вторая - новая экспериментальная работа по созданию эффективного рибозима, синтезирующего своих предшественников:
https://nplus1.ru/news/2020/01/28/bravernaworld
Этот и предшествующие эксперименты по искусственной эволюции рибозимов сами по себе уже показывают, что отбору принципиально ничто не мешает по каким-то параметрам запускаться и раньше появления полноценного репликатора длинных последовательностей. Но автор-математик первой работы, хотя и ссылается на некоторые из них в ведении к своей статье,  тем не менее не принимает в расчёт данный факт (см. выше).

В заключении хотелось бы пожелать тем, кто хочет продолжить конструктивное обсуждение этой неисчерпаемой темы, опираться в дальнейшем на эти и прочие актуальные данные - используя их или наоборот предметно критикуя.

[Проходящий Кот]

40-нуклеотидная РНК ---- это появление жизни в каждой подходящей луже.

Космологические и комбинаторные основания редкости жизни в наблюдаемой вселенной
Рубикон Семенова 66 единиц.

[Rattus]

40-нуклеотидная РНК ---- это появление жизни в каждой подходящей луже.

Это если

считаем мы очень грубо

- т.е. полагаем, что при каждой сборке получается новая последовательность, а не случайная, для чего в природе нет никаких оснований. Тогда как если считать её строго случайным - т.е. пуассоновым процессом, имеющим место на минеральных поверхностях в качестве модели:

Here we consider a cycle of RNA polymerization by randomly adding activated monomers to an oligomer as a Poisson process, taking an experiment on clay surfaces as a model case.

То картина оказывается куда пессимистичнее и осетр рубикон астрономической невероятности жизни урезается более чем вдвое - а именно до 21, 27 и 32 нуклеотидов для одной системы, галактики и наблюдаемой вселенной соответственно:

minimum RNA length must be l_min = 21, 27 and 32 to expect one abiogenesis event for a survey of a single star (lgN* = 0), a galaxy (lgN* = 11), and the observable universe (lgN* = 22), respectively.

Тогда как более-менее каталитически-специфичные рибозимы начинаются примерно с 25 нуклеотидов, а "репликазу" можно надеяться найти только с 40-60:

RNA molecules shorter than 25 nucleotides (nt) do not show a specified function, but there is a reasonable hope to find a functioning replicase ribozyme longer than 40–60 nt.

Эта оценка уже почти сталкивает теоретиков с экспериментаторами и потому имеет надежду быть проверенной хотя бы отчасти уже в обозримое время.

Вот поэтому и предлагаю обратиться к этим новым уточнённым и более статистически-аккуратным данным.

[Проходящий Кот]

А тут возникает другой вопрос ---- первожизненная последовательность среди возникающих на минеральных поверхностях или вне их.

[Rattus]

Вне - не очень-то возникает.
1. Без минерального субстрата нет необходимых катализаторов.
2. Исключаются фотохимические реакции.
3. В объёмном растворе возникает проблема разбавления, или "первичный майонез" сразу требует протомембраны.

[Андрей Астрофизический]

https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,106292.msg4986059.html#msg4986059
Вот это - занятно...

[Проходящий Кот]

Древнейшие галактики имеют металичность всего в два раза меньше нынешних.

[Rattus]

Но не следует забывать, что металличность сама по себе не отражает количества тяжёлых элементов, получающихся в относительно редком r-процессе (в среднем одно слияние НЗ за десять тысяч лет на галактику размером с нашу) : начиная от трети молибдена и весь уран и торий, которые тоже могли играть не последнюю роль в появлении и эволюции жизни в архее...
А так не удивительно: период активного звездообразования галактики прошли 8-10 миллиардов лет назад - значит и обычных металлов также основное количество должно было наработаться уже тогда.

[Александр Овчар]

Согласно некоторым исследованиям для возникновения даже простейшей жизни требуется один гугол звезд - 10 в 100 степени.

1. Не в 100-й, а в ~1018-й. И не "некоторым исследованиям", а конкретно согласно концепции системного биолога Евгения Кунина, изложенной в последних главах его книги "Логика Случая", давным-давно прочитанной Вашим попкорным слугой, равно как и несколько горячих обсуждений её специалистами и неспециалистами самого разного уровня компетенции. Самая толковая выжимка этих дискуссий тут: https://trv-science.ru/2019/03/26/veroyatnost-zarozhdeniya-zhizni/ И на эту тему тут также есть специальная тема длиной в 133 страницы. К слову - с Евгением Куниным как-то Вашему покорному слуге самому довелось перекинуться парой сообщений в блоге Александра Маркова. Так что, что называется: "Спасибо, Майор Повторение!" Но это - ещё далеко не доказанная теория.

Последние открытия только подтверждают эту гипотезу.

Ничего они не подтверждают. Астрономия тут вообще на предпоследнем месте. На первом - химия. На втором - геология.

С Вашего позволения (спасибо за ссылки, очень полезно), позвольте просто спросить.

Мне кажется, что анализ биологов банально не учитывает кол-во физических тел  в окрестности планеты Земля. Я про возможную тонкую структуру физического вакуума. Например, про частицы Никола Фатио. Простая логика обсуждения возможной физической природы вакуума, пустоты и так далее -  может привести к мысли, что например, в объеме одной пробирки 1 см3 , содержится порядка 10¹⁰⁰⁰ частиц Фатио.  Я пока не знаю чем это полезно, я просто вижу недостаток теории биолога, что не учитывает физические свойства вакуума, космического пространства или просто - "эфира (термин как образ)".

Другими словами - жизнь рождается из первобытного прото бульона, но этот бульон плавает в тонкой структуре вакуума, как губка в воде.

Второй недостаток - люди видят вселенную в 4-х измерениях, есть мнения о большем кол-ве измерений. Тогда физика полимеризации в многомерной вселенной может быть а) сложнее б) проще.  Я выбираю вариант б) и сразу получаю  красивую вероятность синтеза жизни на планете Земля, в автоклаве=пробирке , что состоит из 10^{30 000} кол-ва тел. 

Вариант б) я подтверждаю обсуждением физики грозовых разрядов. Я вижу систему из 10^{30 000} физических тел , в среде которых возникает грозовая молния, но форма молнии и ее физика может может быть описана на крайне ограниченном наборе вариантов.

Короче, учет физической природы физического вакуума все изменяет. Более того, игнорирование этого автоматически делает любые теории ненаучными.

[Rattus]

Мне кажется, что анализ биологов банально не учитывает кол-во физических тел  в окрестности планеты Земля.

См. выше ссылку, где учитывается по самым последним данным.

Я про возможную тонкую структуру физического вакуума. Например, про частицы Никола Фатио.

Вы б ещё про теплород вспомнили!
1. В этом Разделе, согласно его локальному Правилу, обсуждению подлежат только темы, согласующиеся с установленными физическими данными и принятыми устоявшимися физическими теориями.
2. Исходя из п.1. весь корпус известных к настоящему моменту физических данных неуклонно поводит нас к пониманию, что жизнь (по её современному определению как явлений связанных с процессами копирования массивов информации, т.е. конечных последовательностей) в нашей вселенной возможна только в области химии, причём химии гетероатомных органических нерегулярных полимеров в полярных растворителях с ионами металлов в качестве активных центров катализаторов. И скорее всего это возможно только на основе полиамидов и полинуклеотидов. Всё остальное (например какая-нибудь пылевая плазма) тут не подходит просто по причине того, что даже близко не показывает возможности сколь-нибудь устойчивого существования сколь-нибудь длинных нерегулярных последовательностей. Всё это подробно разобрано в другой теме.

например, в объеме одной пробирки 1 см3 , содержится порядка 101000 частиц Фатио.  Я пока не знаю чем это полезно

Ничем не полезно ввиду указанных выше соображений. Даже все вполне конвенционные физические частицы с массой, но не принимающие участие в образовании стабильных сложных структур типа нейтрино тут на самом деле нипричём. Более того - даже самые обычные атомы, которые составляют до 99% барионного вещества современной вселенной - водород и гелий - тоже можно не принимать во внимание. И какой-то смысл в таких расчётах появляется только начиная с астрономических "металлов" - элементов после гелия, образующихся в процессе звёздной эволюции. Т.е. верхняя оценка "биокомбинаторики астрономического масштаба" сразу урезается как минимум на пять порядков - (с ~10⁸⁰ до ~10⁷⁵ частиц), но в этом нет необходимости, так как в любом случае даже самый малый совеременный функцональный белок-фермент и РНК комбинаторно больше и исходного числа - "всех вообще известных частиц наблюдаемой вселенной".

жизнь рождается из первобытного прото бульона

Нет. Это устаревшая концепция, имеющая массу нерешаемых проблем.

Второй недостаток - люди видят вселенную в 4-х измерениях, есть мнения о большем кол-ве измерений. Тогда физика полимеризации в многомерной вселенной может быть а) сложнее б) проще.  Я выбираю вариант б)

На каком таком основании? Все физики, которые более подробно углублялись в вопрос, получали вариант а - не только при изменении числа пространственных измерений, но и даже при сранвительно небольших изменениях фундаментальных констант физику перекашивает настолько, что дело не доходит даже до нуклеосинтеза атомов сложнее гелия (В лучшем случае! А если ещё чуть в сторону - даже до протонов не доходит).

Вариант б) я подтверждаю обсуждением физики грозовых разрядов. Я вижу систему из 1030 000 физических тел , в среде которых возникает грозовая молния, но форма молнии и ее физика может может быть описана на крайне ограниченном наборе вариантов.
Короче, учет физической природы физического вакуума все изменяет

Ничего не изменяет по указанным выше соображениям. Если претендуете на переворот в физике - добро пожаловать в раздел "Горизонты науки о Вселенной". И если там Вам дадут "добро" на соответствие Ваших гипотез реальной физике - тогда уже можете приходить с ним сюда. А до тех пор все эти измышления будут тут резаться как оффтоп и флуд согласно п.3.1.д Правил Форума.

Более того, игнорирование этого автоматически делает любые теории ненаучными.

Не делает. Как не делает ненаучной, например, клеточную теорию "игнорирование" вообще всей физики кроме той, на которой держится химия, а также физики поверхностного натяжения и осмотического давления. Есть такое понятие в науке как инвариант. Советую его изучить.

[Kaiserfrogling]

Вы б ещё про теплород вспомнили!
1. В этом Разделе, согласно его локальному Правилу, обсуждению подлежат только темы, согласующиеся с установленными физическими данными и принятыми устоявшимися физическими теориями.

Раттус, если вы настолько научно консервативны, что не признаете ни гипотез, ни косвенных данных - учтите, что существование инопланетян это лишь гипотеза, основанная на косвенных данных.
Поэтому многие консервативные ученые считают парадокс Ферми надуманным, дада тем самым "идолом площадей" Бэкона. И само существование этого раздела форума, посвященное парадоксу Ферми "и около", они наверняка посчитают бесперспективным.

[Rattus]

Доброго ВАм утра, Капитан Очевидность! Именно об этом данная и многие другие темы этого раздела.

многие консервативные ученые считают парадокс Ферми надуманным

И в общем правильно делают. Он был актуален по большей части до проведения наблюдений по программе SETI в прошлом веке и сейчас является парадоксом только для оптимистов-энтузиастов - либо поиска напланетян, либо постройки звездолётов, просто показывая принципиальную несовместимость картины мира одних и вторых.

учтите, что существование инопланетян это лишь гипотеза, основанная на косвенных данных.

Существование других биосфер и цивилизаций во вселенной прежде всего требует принцип неуникальности любых объективно наблюдаемых явлений. Другое дело что совокупность известных данных подводит нас к заключению, что цивилизации другие если и существуют в нашей вселенной (биосферы ещё под вопросом - до получения хоть какой-то статистики по биомаркерам землеподобных экзопланет), то скорее всего за пределом области, доступной нашему изучению.
Настоящей тематикой этого раздела форума и является конкретизация данного предела.

[Kaiserfrogling]

И вам Guten Morgen! 
Если уникальность Земли будет подтверждена,  то все тот же Капитан Очевидность подсказывает - три основных претендента на объяснение этой уникальности:
-теория скрытых параметров (порушит все измышления Чарльза Дарвина)
-антропный принцип (порушит еще больше)
-у этой уникальности есть Автор (без комментариев)

[sharp]

Если уникальность Земли будет подтверждена

А как она может быть подтверждена? Для этого требуется как минимум доказать отсутствие жизни на всех планетах в Галактике, а это далеко за пределами возможностей астрономии в обозримом будущем.

[Rattus]

антропный принцип (порушит еще больше)

Это единственный рациональный вариант. И ничего он не порушит также как ОТО не порушила законы Ньютона, а только лишь поставит пределы. За подробностями - в книгу Евгения Кунина "Логика Случая".

[Fall63]

и осетр рубикон астрономической невероятности жизни урезается более чем вдвое - а именно до 21, 27 и 32 нуклеотидов для одной системы, галактики и наблюдаемой вселенной соответственно

Тогда практического значения данное знание не имеет - все что за пределами галактики - за гранью достижимого для человеков.

Но не следует забывать, что металличность сама по себе не отражает количества тяжёлых элементов, получающихся в относительно редком r-процессе (в среднем одно слияние НЗ за десять тысяч лет на галактику размером с нашу) : начиная от трети молибдена и весь уран и торий, которые тоже могли играть не последнюю роль в появлении и эволюции жизни в архее...
А так не удивительно: период активного звездообразования галактики прошли 8-10 миллиардов лет назад - значит и обычных металлов также основное количество должно было наработаться уже тогда.

Что однако не исключает локального наличия данных элементов в количестве больше нормы - как-то давно попадалась статья, где оценивалось распределение элементов r-процесса - так вот там говорилось что в самых  маленьких галактиках (где велик фактор случайностей) "концентрации" сверхтяжелых элементов резко колеблятся от одной галактики к другой (одно-два слияния НЗ за всю историю галактики).