Математики представили свою версию происхождения жизни на Земле

Вопрос о том, как появилась жизнь на Земле, остается одной из сложнейших проблем науки. Речь идет не только о биологии или химии — в нее все чаще включается и математика. Именно с этой точки зрения подошел к проблеме Варун Варанаси, тогда студент Йельского университета.

Его интерес возник во время курса по сложным системам, который вел геофизик Джун Коренага. Эта студенческая идея позже превратилась в диссертацию, а затем стала основой исследования, опубликованного в Physical Review. Соавтором был сам Э. Коренага, профессор наук о Земле и планетах в Йельском университете.

Как могла возникнуть «химия жизни»?

Ученые рассматривают раннюю Землю как своего рода «первичный суп» — смесь молекул, которые постепенно взаимодействовали друг с другом. Главный вопрос: как из хаотических реакций могла возникнуть система, способная поддерживать и воспроизводить себя?

Идея «первичного супа» не ограничивается Землей — подобные модели рассматриваются и в космической химии. Однако при объяснении происхождения жизни на нашей планете эта концепция уточняется с учетом местных условий, где ключевую роль играют автокаталитические процессы и замкнутые химические циклы – механизмы, в которых продукты реакции ускоряют собственное образование и поддерживают цепочки взаимодействий.

По данным Варанаси:

«Наша работа предлагает прямой способ связать основную химию пребиотической среды со спонтанным возникновением структур, подобных живым организмам».

«Переключатель», запустивший сложные сети

В рамках модели исследователи описывают возможный сценарий, в котором самоподдерживающиеся химические сети не формируются постепенно, а возникают внезапно — как будто система «переключается».

По их мнению, вероятность появления подобных структур в определенный момент может резко возрасти практически от нуля до чрезвычайно высокой.

Коренага объясняет это так:

«Используя математическую модель, основанную на сетях Кауфмана, в статье делается явный прогноз того, когда вероятность появления этих жизнеподобных структур станет чрезвычайно высокой».

Сети Кауфмана и логика сложных систем.

Работа основана на так называемых сетях Кауфмана, или случайных булевых сетях. Это математические модели, которые описывают, как большое количество элементов может самоорганизовываться в стабильные структуры.

Изначально они использовались в биологии для изучения генетических сетей, но позже нашли применение и в других областях — от экономики до теории сложных систем.

Исследователи считают, что такие модели помогают связать абстрактную математику с реальными процессами, происходящими в природе.

Почему эта работа важна

Авторы подчеркивают, что их подход объединяет разные научные области - химию, биофизику и математику. Это также помогает по-новому взглянуть на переход от неживой материи к живым системам.

Варанаси отмечает, что ключевую роль сыграл образовательный опыт:

«Я был поражен тем, насколько сложный реальный мир можно описать с помощью нескольких элегантных уравнений… К концу исследования я почувствовал, что освоил новый способ мышления о мире».

Сейчас Варанаси продолжает свои исследования в Гарварде в области биофизики, разрабатывая подходы к изучению происхождения жизни с помощью математических моделей.