Космологические и комбинаторные основания редкости жизни в наблюдаемой вселенной

[vika vorobyeva]

Переход на личности удалила (в том числе и свой пост).
Возвращаемся к теме абиогенеза.

[dzver]

даже если учеть химический отбор, то число попыток все равно будет примерно R^m. Вы ничего не выкрутите из шаманства вокруг химизма и "внешней среды". Пока нет копирования, нет никакого выигрыша от химического отбора.
И термодинамика вам не поможет.

Я никогда не был сторонником "голого РНК-репликатора" в сферическом вакууме. Т.е. это должен быть комплекс (и в этом смысле - граница м/у "репликатора" и "среды" нечетка) - а не некая "волшебная" РНК-цепочка, сама по себе, вне всяких внешних условий.

Возьмем клетку -  или ее малую часть внутри - на малом временном интервале - намного малом, чем периода деления клетки как репликатора.
Ни одна из белковых, рнк и пр. цепочек на данном уровне и масштабе - вроде, не является "репликатором сама по себе" (как по меньшей мере, это определяется большинством из присутствующих).
Тем не менее, органически-химический состав клетки более-менее постоянен, включительно для длинных цепочек - например энзимов порядка 400-700 баз.
Если в метаболизме вдруг "недостает" неких цепочек длиной m, то они практически сразу будут синтезированы.
И это - не магия, а чисто химические органические реакции - обратные связи из-каскадов катализов - ингибиторов/активаторов и пр. Конечно, тут принимают участие непосредственно или опосредствовано некие "части" РНК-ДНК отлитые от секций ДНК как таковой - но ведь "часть ДНК репликатора" не является "репликатором" сама по себе.
.. Или является?

Как бы оно не было - но если на это было нужно R^m попыток как вы говорите - то вселенная сколлапсировала бы (ну, клетка в точности умерла бы), прежде чем эти цепочки будут синтезированы "хаотическим образом".

[Patsak]

Патсак! Ну вы хоть тень на плетень не наводите!
Совесть имейте!

Я как бэ формулу Мазура критикую, а не вывод из нее.
Мы можем быть абсолютно одиноки (в любом смысле  слова), но логическое обоснование Мазура никуда не годится.

alex_semenov
Я понял что МЫ застряли.
И я с вами не согласен.
Я не вижу нужды городить еще какие-то функции распределения.
Они ничего нового не внесут.
Вы, к сожалению, идете тем же путем что и все остальные. Все мои попытки увидеть процесс просто и ясно, пытаетесь запутать, затуманить, а не ПРОЯСНИТЬ. Да, как говорил Ильичь, один дурак может задать столько вопросов, что 100 умных не ответят.
Если вам нужны сложности - вы их всегда можете ВЫКОВЫРЯТЬ.
Достаточно неприглядная стратегия всех защитников "направленного абиогенеза" тут вырисовывается четко и ясно. "Затоптать" рассуждения Мазура, всякими нюансами, любой ценой показать, что формула R^m  "слишком примитивна".
Да. Она слишком примитивна. Если начинать ее уточнять, считать САМЫЕ значимые нюансы (что я дурак и попробовал делать у вас на глазах) то число попыток … только возрасте!  Правда не намного (в смысле не так комбинаторно много).
Но  господам изобретателям направленного абиогинеза, мои потуги, ЯСНОСТЬ в числе комбинаций, не нужна.
Им нужен туман. Я их понимаю!

Давайте еще раз, по порядку.

alex_semenov
цепочки из R букв длиной m нам нужно проверить R^m вариантов цепочек.

С этим никто не спорит  N=R^m – все возможные последовательности (в которых важен порядок следования элементов). Например, последовательность (a,b,c) и (c,b,a) считаются разными, хотя благодаря пространственным симметриям они эквивалентны, кажется Stalk.er об этом упоминал. Ну и ладно, будем считать, что они разные.

alex_semenov
число ЭЛЕМЕНТАРНЫХ актов соединения мономеров в полимеры:
W1= m*R^m
Каждая цепочка требует m элементарных операций сборки и всего таких цепочек R^m.

Нужно яснее.
Начнем с того, что последовательностей из одного элемента (n=1) будет R^1, из двух будет R^2, из трех R^3, из n будет R^n.

Множество всех возможных последовательностей всех возможных длин будет N=R^1+R^2+… + R^n.
Доля (она же вероятность) выбрать последовательность длинной n в общем числе всех возможных последовательностей P(n) = (R^n) / N.

alex_semenov
(случай разрыва цепочки на половинки и соединения из таких половинок одной- частный случай одиночного присоединения-отрыва. Учет этих случаев ничего не меняет)
То есть, в этом случае число элементарных попыток найти цепочку m будет:
W2= m^2*R^m

Это уже мне совсем не понятно. Совесть мешает.

Нужно определить, функцию распределения молекул по длине в супе.
Вы предложили броуновское распределение (я то сначала подумал, что это функция присоединения молекул) молекул по длине.
Это означает, что из всего множества всех возможных молекул всех возможных длин N=R^1+R^2+…  R^n, в конкретном реальном супе молекулы будут распределяться по длине так:  коротких больше, чем средних, средних больше чем длинных, а уж совсем длинных и вовсе раз-два и обчелся.
Если изобразить это графиком, где по оси Y будет длинна молекулы, а по оси X - число молекул такой длинны в супе, то получится гипербола M(n)=M(1) * 1/(n^2), где n – длинна молекулы, M(n) – число молекул длинны n в супе, M(1) – число молекул длинны 1 в супе (единичных простейших мономеров).

Нужно иметь в виду, что в супе молекул (любой длинны) может быть больше, чем всех возможных последовательностей всех возможных длин (одинаковые могут повторяться). Но может быть и меньше, если суп – "крохотная лужица".

Таким образом, следует различать число N – всех возможных молекул всех возможных длин от 1 до n, и число K – число всех молекул в супе К = M(1)+M(2) + … M(n), где M(1) – число молекул единичной длинны, М(2) – длинны два и т.д.

Еще раз, число различных последовательностей длинной m в N растет с длинной m, экспоненционально, в то время, как число молекул длинной m в K падает гиперболично.
 
Предположим, "заветная" последовательность – это молекула длинны m.

Доля молекул длинны m в супе, или что тоже самое, вероятность случайно выбрать из супа молекулу длинной m, при "броуновском" распределении по длине, равна P(M)=M(m)/K.

Среди всего этого количества M(m) молекул длинны m в супе, все они могут быть одинаковыми, или все разными или совпадать с определенной частотой. Т.е. опять нужна функция распределения молекул (различных последовательностей) равной длинны, которой нет.

Предположим оно стандартно, как для броска m монет. Это крайне сомнительное допущение при "броуновском" распределении молекул по длине. Но все же. 
Т.к. каждая "монета" имеет R граней, а вероятность выпадения каждой грани в каждом элементе последовательности длинной m бросков одинакова и равна 1/R, то вероятность "выпадения" "заветной" молекулы длины m, равна P(m)=1/(R^m).

Вероятность, что именно эта последовательность окажется среди всех M(m) молекул длинны m в супе растет пропорционально числу M(m) (всех молекул длинны m в супе)
Т.е. P=M(M)*P(m) = M(1) * 1/(m^2) * 1/(R^m) =M(1) / (m^2) (R^m)

Практически, как Ваша W2= m^2*R^m.
Но это не число элементарных попыток
Обращаю Ваше внимание, что эта вероятность P = M(1) / (m^2) (R^m) – вероятность того, что в супе с броуновским распределением молекул по длине и нормальным распределением по порядку элементов в последовательностях(молекулах) есть "заветная" последовательность.

Что касается актов сборки/разборки.
Молекула длинной m может собраться мгновенно, сразу, представьте, что нужные основания встретились в одной точке в одно время, раз и готово.
Она же может собираться долго и нудно - по одному мономеру за раз, может по 10 за раз, ее части аналогично, могут по очереди, могут по 5 за раз и т.д. Тоже самое с разборкой.
 
Как это конкретно делается – опять нужна своя функция распределения, т.к. броуновское распределение молекул по длине в супе, может сохраняются при любом варианте сборки, в любой момент времени неограниченно долго.

Об этом Вы ничего пока не сказали.

Далее, как именно последовательности меняются в каждый момент времени (не их длина, а именно порядок оснований в каждой), Вы тоже не определили, нужна еще одна функция распределения.
В общем, эти две функции распределения будут связаны, как именно, Вы не определили.

Итак,
R – "алфавит" – количество разных молекул единичной длинны (мономеров).
M(1) – число мономеров в супе.
M(n)=M(1) * 1/(n^2) – число молекул длинны n в супе.
m – длинна "заветной" молекулы.
P = M(1) / (m^2) (R^m) – вероятность нахождения "заветной" молекулы в супе.

Недостатки:
1) не учтена динамика супа по времени, в любой момент времени предполагается броуновское распределение молекул по длине, хотя реально суп не стационарен, движется по аттрактору, отчего непрерывно меняются функции распределения молекул по длине и последовательностей по элементам, вероятность нахождения в супе "заветной" молекулы постоянно скачет;
2) броуновское распределение молекул по длине взято с потолка (нужны экспериментальные данные с учетом разных супов);
3) распределение элементов в последовательностях (оснований в молекуле) принято нормальным, что практически нереально для среды с броуновском распределении молекул по длине (будет корреляция);
4) функции распределения для сборки и распада молекул по времени (и по длине в единый акт) не определены (в реальности они будут коррелировать с функциями распределения молекул по длине)

P.S. Александр, дружеский совет, пишите исходные посылки "логического доказательства уникальности Земной жизни" и математические расчеты, поподробней, чуть беспристрастней. Продираться сквозь мешанину эмоций в вперемешку с формулами требует такого количества времени, которого на это тратить жаль.

[LUKA]

Я никогда не был сторонником "голого РНК-репликатора" в сферическом вакууме. Т.е. это должен быть комплекс (и в этом смысле - граница м/у "репликатора" и "среды" нечетка) - а не некая "волшебная" РНК-цепочка, сама по себе, вне всяких внешних условий.

Полностью согласен. Более чем странны допущения Алекса о "репликаторах"-полимерах. Скорее - это следствие опять же постоянного цитирования неких физиков-математиков, сконцентрировавшихся на "репликаторах" и "аттракторах", но плохо разбирающихся в химии в сущности центрального метаболизма, в его особенностях, в довлении РНК-мономеров и РНК-димеров как основных кофакторых промежуточного метаболизма. Можете посмотреть мои статьи на эту тему - о первичности метаболизма и возникновении наследственной памяти не в полимеризации а олигоРНК-метаболизме (исходную роль играли мономеры, димеры, олигомеры, сохранившиеся в виде родимых пятен во всём промежуточном метаболизме всех живых организмов).
Ну а как введение - просто процитирую из  http://galicarnax.livejournal.com/31518.html
"Показательно, что некоторые авторы моделей "снизу вверх" впадают в крепкий научный догматизм. Стэнли Миллер, прославившийся абиогенным синтезом аминокислот в ставшем классическом эксперименте Миллера-Юри, не стеснялся резких высказываний в адрес других моделей. Особенно в адрес гидротермальных источников. А то! ..."

"Вообще, РНК-мир - далеко не единственная модель. Но она особенно популярна среди молекулярных биологов. Многие химики, например, придерживаются другой точки зрения: первой реплицирующейся системой была не молекула типа РНК или ПАУ, а метаболический цикл реакций, типа цикла Кребса - центральной части метаболизма аэробных организмов". Ваш покорный слуга, кстати, тоже.
Попахивает шизофренией допущение появления неких полимерных РНК-репликаторов у истоков жизни. Ну не использует природа рибозимных РНК-полимераз, и даже в относительно комфортных условиях, когда есть ещё и белки, ну никак РНК-вирусы не могут вытянуть свой сверхкарликовый геном больше нескольких генов. Потому что катастрофа ошибок. Потому что рибозимы очень ограниченны по своим свойствам.
Авторитет Опарина с его "первичным бульоном" ещё довлеет, но скорее по инерции.

А рекликаторы математикам и физикам кажутся единственными источниками наследственной информации, хотя автокатализ очень и очень далеко не исчерпывается этой ипостасью.

Чтобы лучше понять неадекватность сведения к полимерам, приведу параллель.
Человек перешёл к оцифровке техники относительно недавно. А до этого прекрасно обходился автокаталитическими производственными циклами с закономерной научно-технической эволюцией.

Поэтому я в принципе не приемлю зарождение жизни через полимерные репликаторы. В случае, как с научно-технической эволюцией человека речь идёт исходно о зарождении и эволюции этих автокаталитических производств с "конформационной" памятью.
Простейшие абиогенные автотрофные сети описаны, например, в горячих источниках. И что очень и очень примечательно - металло-серные кристаллы, катализирующие в них эти реакции (в частности, фиксацию углерода) удивительно похожи на активные центры современных металло-серных белковых ферментов, осуществляющих аналогичные реакции, как, например, фиксацию углекислоты.
А в лабораторных условиях удалось уже получить (предказанные в начале 90-х годов) такие реакции на металло-серных кристаллах, которые миметируют существенные части современного промежуточного метаболизма.
Как следствие - ацетил-коэнзимный путь фиксации углерода и восстановительный цикл Кребса - по-видимому дальние потомки первых живых организмов, сохранившие однако многие родимые пятна архаичного метаболизма.
Подобно тому, как рибосомы  и тРНК - дальние и видоизменившиеся потомки РНК-пептидного мира, также сохранившие многие родимые пятна архаичных живых систем. Однако даже в РНК-пептидном мире, хотя и были тРНК-подобные молекулы, и очень короткие РНК (проторибосомы), способные образовывать пептидную связь (они - предки небольшого куска РНК в большой субъединице рибосомы) оцифровка генома (переход ключевого объёма информации на полимерный носитель) была ещё незначительна. Она стала возможно только с появлением устойчивых к мутациям молекулам ДНК.
Но на данной стадии ересь Алекса уже неактуальна.

[Проходящий Кот]

Так что, нужна лишь специфическая глина?
Или возможны РАЗНЫЕ типы первичного биосинтеза?

[Combinator]

Чтобы лучше понять неадекватность сведения к полимерам, приведу параллель.
Человек перешёл к оцифровке техники относительно недавно. А до этого прекрасно обходился автокаталитичекими производственными циклами с закономерной научно-технической эволюцией.

Тут всё же есть одна тонкость о которой, на мой взгляд, всегда нужно помнить. Указанные "автокаталитичекие производственные циклы" всё равно использовали ДИСКРЕТНУЮ систему хранения и передачи информации (письменность). Это принципиальный момент. Вы можете переписать любой труд Аристотеля 1000 раз, и он от этого не изменится (а если один переписчик ошибётся, но оригинал параллельно переписывают несколько переписчиков, то ошибку всегда можно исправить). Если же для передачи информации используется аналоговый способ (например, аудиоверсию оригинала раз за разом переписывают с помощью кассетного магнитофона), то быстрая деградация информации оригинала становится неизбежной.
Другими словами, что бы всерьёз рассматривать гипотезу зарождения жизни в результате эволюции неких предбиологических физико-химических циклов, на мой взгляд, нужно показать, что данные циклы могут обладать "конформационной" памятью, устойчивой к внешним возмущениям, и передаваемой "от поколения к поколению". Я лично пока таких работ не встречал...
 

[gans2]

Указанные "автокаталитичекие производственные циклы" всё равно использовали ДИСКРЕТНУЮ систему хранения и передачи информации (письменность).

А безписьменные культуры неолита например? Вполне себе индустрия, с логистикой и валютой - каури. Гипотеза, что писменность возникла из записи долгов, например.

[LUKA]

Указанные "автокаталитичекие производственные циклы" всё равно использовали ДИСКРЕТНУЮ систему хранения и передачи информации (письменность).

А как был ДО зарождения письменности? СтОит ли отрицать факт наличия памяти другими способами? Достаточно вспомнить, что распространение письменности - удел последних 400 лет. Одна из первых форм оцифровки (при этом технологии всё равно полностью не цифруются - иначе не нужны были бы школы, учителя и т.д. Равно как и оцифровка речью тоже действует далеко не до конца - просто её роль возрастала от начала палеолита).
Звук всё равно может воспроизводиться на виниловых пластинках. А первый каменный инструмент сотворить новые каменные инструменты.

[LUKA]

Если же для передачи информации используется аналоговый способ (например, аудиоверсию оригинала раз за разом переписывают с помощью кассетного магнитофона), то быстрая деградация информации оригинала становится неизбежной.

Не согласен. Если ДНК копировать много раз, то быстрое накопление шума неизбежна. Та же логика, не учитывающая фактор отбора.

[Patsak]

Тут всё же есть одна тонкость о которой, на мой взгляд, всегда нужно помнить. Указанные "автокаталитичекие производственные циклы" всё равно использовали ДИСКРЕТНУЮ систему хранения и передачи информации (письменность). Это принципиальный момент.

Вот и я говорю, чтобы провести четкую грань между жизнью и просто квазистационарным процессом, нужно, что аттрактор и траектория всего супа отображалась в последовательность оснований в полимерной молекуле, а не запоминались на уровне концентрации и пространственной конфигурации веществ в супе. Нужна ДИСКРЕТНОСТЬ памяти, которую и реализует физическая/химическая устойчивость полимерных молекул по сравнению с простыми (нестабильными и не дискретными) конформациями неравновесной среды.
Хотя первичность "метаболизма", т.е. квазистационарной среды это не отменяет, просто таких сред много, но не все из них порождают жизнь.

[LUKA]

отя первичность "метаболизма", т.е. квазистационарной среды это не отменяет, просто таких сред много, но не все из них порождают жизнь.

Здесь фишка в другом, можно сказать в ключевом аспекте. Первичность метаболизма важна именно как способ для начала дарвиновской эволюции благодаря наличию наследственной памяти.
Подобно тому, как троглодит показывал как изготовлять инструменты, а шимпанзе научила других языку жестов. А уж потом накрутка на эту затравку всех иерархии оцифровок памяти - речь, рисунки, письменность; метаболизм, олигоРНК-метаболим, РНК-пептидный мир с актуальностью конформационной памяти - оцифровка на ДНК.
В случае с РНК - не нужно сразу каких-то невообразимых полимеров-репликаторов. Достаточно мономеров, димеров и т.д.
Как результат - рассуждения Алекса здесь неприемлемы.
Что примечательно, разные иерархии памяти сосуществуют. И в социальной эволюции, и в биологической.
Даже сейчас невозможно свести всё к одной цифре в клетке. Равно как и к письменности, интернету, компьютерам. Разные уровни сосуществуют. Древние и современные. Обучение "Смотри и делай как я" вместе с технологиями на компакт-дисках. Промежуточный метаболизм с РНК-кофакторами вместе с ДНК-геномом. Вместе с эпигенами.

[Patsak]

А безписьменные культуры неолита например? Вполне себе индустрия, с логистикой и валютой - каури. Гипотеза, что писменность возникла из записи долгов, например.

В данном случае речь идет о языке, т.е. дискретной системе (символьный алфавит, не равновероятное распределение букв в словах, слов в предложениях, предложений в текстах, т.е. несущей информацию). Письменный или устный не важно.

Здесь фишка в другом, можно сказать в ключевом аспекте. Первичность метаболизма важна именно как способ для начала дарвиновской эволюции благодаря наличию наследственной памяти.

Согласен, но и с обратной стороны, без наличия стабильной, устойчивой, компактной, памяти (молекула куда стабильней, устойчивей и компактней конформаций среды) эволюционные механизмы (отбор, изменчивость, наследование) не могут прийти в действие.

Что примечательно, разные иерархии памяти сосуществуют. И в социальной эволюции, и в биологической.

Согласен, думаю на уровне социума или психологии, память сейчас пребывает в режиме звуков "Му". Непрерывный "поток сознания" вроде конформаций неравновесной среды. До дискретности, четкости и ясности памяти на этом уровне еще далеко.

[vika vorobyeva]

Еще одна хорошая популярная статья по теме.
Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов:
http://elementy.ru/news/430749

[LUKA]

Согласен, но и с обратной стороны, без наличия стабильной, устойчивой, компактной, памяти (молекула куда стабильней, устойчивей и компактней конформаций среды) эволюционные механизмы (отбор, изменчивость, наследование) не могут прийти в действие.

Геохимические сети стабильно существуют миллиарды лет - это тоже конформационный геном. Просто жизнь выщепилась из небольшого куска этой геохимической сети - вероятно из сетей, присутствующих (или -вавших) в уловиях, подобных горячим источникам. А может и в других.
Как невозможно культивировать 99 процентов штаммов бактерий. Так и невозможно в лабораторных условиях воссоздать все мыслимые условия (даже горячие истоники).
Ещё раз, память - это автокатализ. Автокатализ не сводится к полимерным молекулам.
"Дыхание водородом" из недр земли - плюс конформационная память каталитических систем (минералов, минералов плюс органические продукты катализа, минералов плюс усложняющиеся органические продукты катализа и т.д.) - это движущаяся сила. Со стабильной памятью. То, на что опирались и опираются оцифрованные надстройки. Раньше организмы обходились счётами, теперь калькуляторы подавай, а завтра компьютеры. Но даже устный счёт оказывается актуальным.

[Patsak]

Согласен, но и с обратной стороны, без наличия стабильной, устойчивой, компактной, памяти (молекула куда стабильней, устойчивей и компактней конформаций среды) эволюционные механизмы (отбор, изменчивость, наследование) не могут прийти в действие.

Геохимические сети стабильно существуют миллиарды лет - это тоже конформационный геном. Просто жизнь выщепилась из небольшого куска этой геохимической сети - вероятно из сетей, присутствующих (или -вавших) в уловиях, подобных горячим источникам. А может и в других.
Как невозможно культивировать 99 процентов штаммов бактерий. Так и невозможно в лабораторных условиях воссоздать все мыслимые условия (даже горячие истоники).
Ещё раз, память - это автокатализ. Автокатализ не сводится к полимерным молекулам.

Так и я о том же, заметьте выражение "жизнь вырвалась" не я применил  Не всякий автокатализ порождает полимерную память, и жизнь.   
Хотя отбор, изменчивость и наследование, наверно и на этом уровне действуют, но на этом уровне они какие-то не дискретные, размытые, нестабильные, как и сама такая среда.

[vika vorobyeva]

Еще одна статья в ту же кучу
Химикам удалось стабилизировать абиогенный синтез сахаров:
http://elementy.ru/news/431261

Почтенным кабальеро LUKA, Patsak, Nucleosome, Combinator, dzver и др. (простите, если кого забыла) это не нужно, но остальным, кто захочет прояснить для себя ситуацию с абиогенезом, они могут быть полезны

[Patsak]

"Дыхание водородом" из недр земли - плюс конформационная память каталитических систем (минералов, минералов плюс органические продукты катализа, минералов плюс усложняющиеся органические продукты катализа и т.д.) - это движущаяся сила. Со стабильной памятью. То, на что опирались и опираются оцифрованные надстройки.

Без сомнения, опираются, но с образованием генов контроль перешел от конформационной памяти к генетической. Организмы меняют окружающую среду, разрушают конформации, служившие памятью их предкам, но продолжают существовать, создавая новые конформации уже не на уровне клеток (конформаций супа перешедших внутрь клетки), но на макроуровне.

[LUKA]

нестабильные,

Нестабильность - точно не отличительная черта (полимеры могут быть и более нестабильными). Если в горячих источниках фиксируется углекислота, порождающая в конечном счете лиганды, то эти  лиганды (например, цитрат-ионы) - уже дают новые ферментные системы, замыкающие петлю. И существуют такие системы со времен, когда Земля остыла.
А всякие завихрения от этих сетей и породили память более совершенную.

[LUKA]

Без сомнения, опираются, но с образованием генов контроль перешел от конформационной памяти к генетической.

Думаю, что на стадии РНК-мира (собственно РНК-пептидного мира) к которой "как бы" и применяются рассуждения Алекса максимальный объём оцифрованного генома не позволит контролировать бОльшую часть промежуточного метаболизма. Только с переходом к ДНК.

[Patsak]

Нестабильность - точно не отличительная черта (полимеры могут быть и более нестабильными). Если в горячих источниках фиксируется углекислота, порождающая в конечном счете лиганды, то эти  лиганды (например, цитрат-ионы) - уже дают новые ферментные системы, замыкающие петлю. И существуют такие системы со времен, когда Земля остыла.
А всякие завихрения от этих сетей и породили память более совершенную.

Поддерживаю.

Думаю, что на стадии РНК-мира (собственно РНК-пептидного мира) к которой "как бы" и применяются рассуждения Алекса максимальный объём оцифрованного генома не позволит контролировать бОльшую часть промежуточного метаболизма. Только с переходом к ДНК.

Возможно, на уровне первичных РНК, они только чуть-чуть стабилизируют конформационную память, притираются друг к другу, входят в синхронный ритм. Дальше Вам, как биологу виднее.