생명을 모으는 방법에 대한 새로운 아이디어
우리 자신과 같은 복잡한 구성을 이해하려면 조립 이론에 따르면 그러한 개체가 어떻게 탄생했는지에 대한 전체 역사를 설명해야 합니다.
조립 이론은 겉으로는 무한해 보이는 조합 가능성을 고려할 때 우리가 우주에서 물체의 특정 하위 집합만 관찰하는 이유를 설명합니다.
사무엘 벨라스코/Quanta 매거진
소개
다른 세계의 생명체가 존재한다면, 너무 이질적이어서 알아볼 수 없을 수도 있습니다. 외계 생물학이 DNA와 단백질과 같은 친숙한 구성 요소를 사용하여 지구에서와 동일한 화학 물질을 사용한다는 보장은 없습니다. 과학자들은 그것이 생물학의 산물이라는 사실을 모른 채 그러한 생명체의 특징을 발견할 수도 있습니다.
이 문제는 가설과는 거리가 멀다. 지난 4월, 유럽우주국(European Space Agency)의 Juice 우주선이 프랑스령 기아나에서 목성과 위성을 향해 발사되었습니다. 그 위성 중 하나인 유로파(Europa)는 얼어붙은 지각 아래에 깊고 염분이 많은 바다를 가지고 있으며 태양계에서 외계 생명체를 찾을 수 있는 가장 유망한 장소 중 하나입니다. 내년에는 NASA의 유로파 클리퍼 우주선도 유로파를 목표로 발사될 예정이다. 두 우주선 모두 복잡한 유기 분자의 지문을 찾는 장비를 탑재하고 있습니다. 이는 얼음 아래 생명체의 힌트일 수 있습니다. 그리고 2027년에 NASA는 드래곤플라이(Dragonfly)라고 불리는 드론 같은 헬리콥터를 발사하여 토성의 달인 타이탄(Titan)의 표면 위를 비행할 계획입니다. 타이탄은 생명체를 수용하기에 적합할 수 있는 액체 탄화수소 호수가 있고 탄소가 풍부한 흐릿한 세계입니다. 하지만 우리가 알고 있는 것과는 다릅니다.
이러한 임무와 앞으로 다가올 임무는 과학자들이 1970년대 바이킹 착륙선을 이용해 처음으로 화성 생물학의 징후를 찾으려고 시도한 이후 과학자들을 괴롭혔던 동일한 장애물에 직면하게 될 것입니다. 바로 생명의 확실한 흔적이 없다는 것입니다.
곧 바뀔 수도 있습니다. 2021년 스코틀랜드 글래스고 대학교의 리 크로닌(Lee Cronin)과 애리조나 주립대학교의 사라 워커(Sara Walker)가 이끄는 팀은 생체 시스템에서 만들어진 분자, 심지어 익숙하지 않은 화학 물질을 사용하는 분자를 식별하는 매우 일반적인 방법을 제안했습니다. 그들의 방법은 외계 생명체가 지구상의 생명체와 유사한 화학적 복잡성을 지닌 분자를 생성할 것이라고 단순히 가정하고 있다고 그들은 말했습니다.
조립 이론이라고 불리는 두 사람의 전략을 뒷받침하는 아이디어는 훨씬 더 원대한 목표를 가지고 있습니다. 최근 일련의 간행물에 제시된 바와 같이, 이 책은 당신과 나처럼 겉보기에 있을 법하지 않은 것들이 왜 존재하는지 설명하려고 시도합니다. 그리고 그것은 일반적인 물리학 방식이나 시간을 초월한 물리적 법칙이 아닌, 사물에 이전에 있었던 일에 대한 역사와 기억을 부여하는 과정을 통해 그 설명을 추구합니다. 심지어 수천 년 동안 과학자와 철학자들을 당황하게 했던 질문, 즉 생명이란 무엇인가?
당연히 그러한 야심찬 프로젝트가 회의론을 불러일으켰습니다. 지지자들은 아직 실험실에서 어떻게 테스트할 수 있는지 명확하게 밝히지 않았습니다. 그리고 일부 과학자들은 조립 이론이 생명체와 무생물을 구별하고 복잡성을 새로운 방식으로 생각하는 데 있어 보다 온건한 약속을 이행할 수 있을지 궁금해합니다.
조립 이론은 부분적으로 "복잡한 분자는 조합 공간이 너무 넓기 때문에 존재할 수 없다"는 Lee Cronin의 의심을 포착하기 위해 발전했습니다.
리 크로닌 제공
그러나 다른 사람들은 아직 조립 이론의 초기 단계이며 복잡성이 어떻게 발생하고 진화하는지에 대한 질문에 새로운 관점을 가져올 수 있는 실질적인 기회가 있다고 생각합니다. 산타페 연구소의 진화론자 데이비드 크라카우어 소장은 “함께 참여하는 것은 재미있다”고 말했다. 조립 이론은 사물의 우연한 역사를 발견하는 방법을 제공한다고 그는 말했습니다. 이는 사물의 존재 방식에 초점을 맞추지만 사물이 어떻게 그렇게 되었는지에 대해서는 관심을 두지 않는 대부분의 복잡성 이론에서 무시되는 문제입니다. 애리조나 주립대의 물리학자인 폴 데이비스(Paul Davies)는 이를 "복잡성에 대한 우리의 사고 방식을 변화시킬 수 있는 잠재력을 지닌 참신한 아이디어"라고 부르며 이에 동의합니다.
사물의 질서에 대하여
조립 이론은 Cronin이 서로 다른 원자를 결합하는 천문학적인 방법을 고려할 때 자연이 일부 분자를 만들고 다른 분자는 만들지 않는 이유를 물었을 때 시작되었습니다. 물리학 법칙에 따라 물체가 가능하다고 말하는 것은 한 가지입니다. 구성 요소로부터 그것을 만드는 실제 경로가 있다고 말하는 것은 또 다른 것입니다. "조립 이론은 조합 공간이 너무 넓기 때문에 복잡한 분자가 그냥 존재할 수 없다는 직관을 포착하기 위해 개발되었습니다."라고 Cronin은 말했습니다.
한편 워커는 생명의 기원, 즉 생명체의 분자가 우연히 조립되기에는 너무 복잡하기 때문에 복잡한 분자를 만드는 것과 밀접하게 관련된 문제인 생명의 기원에 대한 질문과 씨름하고 있었습니다. 워커는 다윈주의 선택이 시작되기 전에도 그 과정을 인도한 것이 틀림없다고 생각했습니다.
Cronin과 Walker는 2012년 NASA 우주생물학 워크숍에 참석한 후 힘을 합쳤습니다. “Sara와 저는 정보 이론과 생명, 자기 복제 기계를 만들기 위한 최소 경로에 대해 논의하고 있었습니다.”라고 Cronin은 회상했습니다. "그리고 우리 둘 다 생물학 이전에는 '추진력'이 빠졌다는 사실에 수렴하고 있다는 것이 나에게 매우 분명해졌습니다."
이제 두 사람은 조립 이론이 사물이 어떻게 만들어지는지에 대한 명백한 역사적 우발성에 대해 일관되고 수학적으로 정확한 설명을 제공한다고 말합니다. 예를 들어 먼저 다세포 생명체가 생기고 그 다음에는 인간, 그 다음에는 문명과 과학이 생길 때까지 로켓을 개발할 수 없는 이유입니다. 개체가 나타날 수 있는 특정 순서가 있습니다.
워커는 “우리는 재귀적으로 구조화된 우주에 살고 있다”고 말했다. "대부분의 구조는 과거에 대한 기억을 바탕으로 구축되어야 합니다. 정보는 시간이 지남에 따라 축적됩니다."
이는 직관적으로 명백해 보일 수 있지만, 사물의 순서에 관한 일부 질문에는 대답하기가 더 어렵습니다. 공룡이 새보다 먼저 존재해야 했나요? 모차르트가 존 콜트레인보다 앞서야 했나요? 어떤 분자가 반드시 DNA와 단백질보다 먼저 선행한다고 말할 수 있나요?
복잡성 정량화
조립 이론은 복잡한 물체가 여러 개의 단순한 물체를 결합하여 발생한다는 겉보기에는 논란의 여지가 없는 가정을 만듭니다. 물체가 어떻게 만들어졌는지를 고려함으로써 물체의 복잡성을 객관적으로 측정하는 것이 가능하다는 이론입니다. 이는 재료로 물건을 만드는 데 필요한 최소 단계 수를 계산하여 이루어지며, 이는 조립 지수(AI)로 정량화됩니다.
또한, 복잡한 물체가 과학적으로 흥미롭기 위해서는 그 물체가 많아야 합니다. 무작위 조립 과정에서 매우 복잡한 일이 발생할 수 있습니다. 예를 들어 오래된 아미노산을 사슬로 연결하여 단백질 같은 분자를 만들 수 있습니다. 그러나 일반적으로 이러한 무작위 분자는 효소처럼 행동하는 등 흥미로운 작업을 수행하지 않습니다. 그리고 이런 방식으로 두 개의 동일한 분자를 얻을 가능성은 거의 없습니다.
그러나 기능성 효소는 무작위로 조립되는 것이 아니라 여러 세대에 걸쳐 유전되는 유전적 지시에 따라 조립되기 때문에 생물학에서 계속해서 안정적으로 만들어집니다. 따라서 매우 복잡한 단일 분자를 찾는 것은 그것이 어떻게 만들어졌는지에 대해 아무 것도 알려주지 않지만, 일부 조정된 과정(아마도 생명체)이 작동하지 않는 한 동일한 복잡한 분자를 많이 찾는 것은 불가능합니다.
Cronin과 Walker는 분자가 검출될 만큼 풍부하다면 그 조립 지수가 그것이 조직적이고 실제와 같은 과정에 의해 생산되었는지 여부를 나타낼 수 있다는 것을 알아냈습니다. 이 접근법의 매력은 분자 자체나 분자를 만든 실물과 같은 실체의 상세한 화학에 대해 어떤 것도 가정하지 않는다는 것입니다. 화학적으로 불가지론적입니다. 토성의 얼음 위성 엔셀라두스에서 생명체를 찾는 제안된 임무의 수석 조사관이자 코넬 대학의 행성 과학자인 조나단 루닌은 이것이 우리가 지상의 생화학을 따르지 않을 수 있는 생명체를 찾을 때 특히 유용하다고 말했습니다.
“인명 탐지 임무에는 상대적으로 불가지론적인 기술 중 적어도 하나가 탑재되어야 합니다.”라고 Lunine은 말했습니다.
그리고 그는 행성 표면의 화학을 연구하는 데 이미 사용된 기술을 사용하여 조립 이론에서 요구하는 측정을 수행하는 것이 가능하다고 덧붙였습니다. "데이터 해석에 조립 이론을 사용할 수 있는 측정을 구현하는 것은 매우 가능합니다."라고 그는 말했습니다.
인생의 일의 척도
필요한 것은 특정 분자의 AI를 결정하기 위한 빠르고 쉬운 실험 방법입니다. Cronin, Walker 및 동료들은 화학 구조 데이터베이스를 사용하여 다양한 분자 구조를 만드는 데 필요한 최소 단계 수를 계산하는 방법을 고안했습니다. 그들의 결과는 상대적으로 작은 분자의 경우 조립 지수가 대략 분자량에 비례한다는 것을 보여주었습니다. 그러나 더 큰 분자(예:작은 펩타이드보다 큰 것)의 경우 이러한 관계가 무너집니다.
이러한 경우 연구자들은 NASA의 큐리오시티 탐사선이 화성 표면의 화학 화합물을 식별하기 위해 이미 사용하고 NASA의 카시니 우주선이 엔셀라두스에서 분출하는 분자를 연구하기 위해 이미 사용하고 있는 기술인 질량 분석법을 사용하여 AI를 추정할 수 있음을 발견했습니다.
질량 분석법은 일반적으로 큰 분자를 조각으로 분해합니다. Cronin, Walker 및 동료들은 이 과정에서 높은 AI를 가진 큰 분자가 낮은 AI를 가진 것(예:단순하고 반복적인 폴리머)보다 더 복잡한 조각 혼합물로 부서진다는 것을 발견했습니다. 이러한 방식으로 연구자들은 분자 질량 스펙트럼의 복잡성을 기반으로 AI를 안정적으로 결정할 수 있었습니다.
연구자들이 이 기술을 테스트했을 때 살아있는 시스템, 즉 E의 배양물에 의해 만들어진 복잡한 분자 혼합물이 있음을 발견했습니다. 대장균 박테리아, 탁솔(항암 특성이 있는 태평양 주목의 대사물질)과 같은 천연 제품, 맥주, 효모 세포 등은 일반적으로 미네랄이나 단순 유기물보다 평균 AI가 훨씬 더 높았습니다.
분석은 위음성에 취약합니다. Ardbeg 싱글 몰트 스카치와 같은 일부 생명체 제품에는 무생물 기원을 암시하는 AI가 있습니다. 그러나 아마도 더 중요한 것은 실험에서 거짓 긍정이 나오지 않았다는 것입니다. 즉, 무생물 시스템은 생물학을 모방할 만큼 충분히 높은 AI를 소집할 수 없습니다. 그래서 연구자들은 고분자 AI가 포함된 샘플을 다른 세계에서 측정하면 생명체라고 부를 수 있는 존재에 의해 만들어졌을 가능성이 높다는 결론을 내렸습니다.
Merrill Sherman/Quanta 매거진; 출처:https://doi.org/10.1038/s41467-021-23258-x
질량 분석법은 물리적 샘플에 접근할 수 있는 우주생물학 검색, 즉 착륙선 임무나 세계 표면에서 방출된 분자를 포착하고 분석할 수 있는 유로파 클리퍼와 같은 일부 궤도선에서만 작동합니다. 그러나 Cronin과 동료들은 이제 일관된 결과를 제공하는 두 가지 다른 기술을 사용하여 분자 AI를 측정할 수 있음을 보여주었습니다. 그 중 하나인 적외선 분광법은 멀리 떨어진 세계의 화학적 구성을 원격으로 조사하는 제임스 웹 우주 망원경과 같은 장비에 의해 사용될 수 있습니다.
그렇다고 이러한 분자 검출 방법이 암석부터 파충류까지 깨끗한 측정 기준을 제공한다는 말은 아닙니다. 케임브리지 대학의 컴퓨터 과학자이자 생명공학자인 헥터 제닐(Hector Zenil)은 글래스고 그룹이 테스트한 모든 샘플 중 AI가 가장 높은 물질(이 기준에 따르면 가장 "생물학적"이라고 간주될 수 있는 물질)은 박테리아가 아니라고 지적했습니다.
맥주였어요.
결정론의 족쇄 풀기
조립 이론은 우리와 같은 개체는 단독으로 발생할 수 없으며 일부 복잡한 개체는 다른 개체와 결합해서만 발생할 수 있다고 예측합니다. 이는 직관적으로 이해됩니다. 우주는 결코 단 한 명의 인간도 생산할 수 없습니다. 인간을 만들려면 우리 전체를 만들어야 했습니다.
일반적으로 인간(그리고 특히 당신과 나)과 같은 구체적이고 실제적인 실체를 설명할 때 전통적인 물리학은 그다지 유용하지 않습니다. 이는 자연 법칙을 제공하고 특정 결과가 특정 초기 조건의 결과라고 가정합니다. 이런 관점에서 볼 때 우리는 우주의 첫 순간에 어떻게든 암호화되어 있었음이 틀림없습니다. 하지만 호모 사피엔스를 만들려면 극도로 미세 조정된 초기 조건이 필요합니다. (당신은 말할 것도 없고) 불가피합니다.
조립 이론을 옹호하는 사람들은 조립 이론이 그런 종류의 과잉 결정된 그림에서 벗어난다고 말합니다. 여기서 초기조건은 크게 중요하지 않습니다. 오히려 우리와 같은 특정 물체를 만드는 데 필요한 정보는 처음에는 없었지만 우주 진화의 전개 과정에서 축적됩니다. 이를 통해 우리는 불가능할 정도로 미세 조정된 빅뱅에 모든 책임을 전가할 필요가 없습니다. 워커는 "정보는 초기 조건이 아닌 경로에 있다"고 말했습니다.
관찰된 현실의 열쇠가 어떻게 보편적인 법칙이 아니라 일부 물체가 다른 물체로 조립되거나 변형되는 방식에 있는지 설명하려는 과학자는 크로닌과 워커뿐만이 아닙니다. 옥스퍼드 대학교의 이론물리학자 키아라 말레토(Chiara Marletto)는 물리학자 데이비드 도이치(David Deutsch)와 비슷한 아이디어를 개발하고 있습니다. 그들이 생성자 이론이라고 부르고 Marletto가 조립 이론에 "정신적으로 가깝다"고 생각하는 그들의 접근 방식은 어떤 유형의 변형이 가능하고 가능하지 않은지 고려합니다.
"구성자 이론은 특정 변형을 만들 수 있는 작업의 세계에 대해 이야기합니다."라고 Cronin은 말했습니다. "물리 법칙 내에서 일어날 수 있는 일의 경계를 정하는 것으로 생각할 수 있습니다." 그는 조립 이론이 그 방정식에 시간과 역사를 추가한다고 말합니다.
어떤 물체는 만들어지고 다른 물체는 만들어지지 않는 이유를 설명하기 위해 조립 이론에서는 서로 다른 4개의 "우주"의 중첩된 계층 구조를 식별합니다.
Assembly Universe에서는 기본 빌딩 블록의 모든 순열이 허용됩니다. 조립 가능에서는 물리 법칙이 이러한 조합을 제한하므로 일부 개체만 가능합니다. 그런 다음 Assembly Contingent는 가능한 경로를 따라 실제로 조립할 수 있는 개체를 선택하여 물리적으로 허용된 광범위한 개체 배열을 정리합니다. 네 번째 우주는 관찰된 조립 우주로, 우리가 실제로 보는 특정 물체를 생성하는 조립 과정만 포함합니다.
Merrill Sherman/Quanta 매거진; 출처:https://doi.org/10.48550/arXiv.2206.02279
조립 이론은 그래프 또는 상호 연결된 노드의 네트워크에 대한 수학적 연구에서 얻은 아이디어를 사용하여 이러한 모든 우주의 구조를 탐구합니다. 워커는 "[이론에서] 사물은 구성 요소가 아니라 실제로 만들어진 대상"이라는 "객체 우선 이론"이라고 말했습니다.
이러한 개념적 우주 내에서 조립 과정이 어떻게 작동하는지 이해하려면 다윈의 진화 문제를 고려하십시오. 전통적으로 진화란 복제된 분자가 우연히 생겨났을 때 "방금 일어난" 일입니다. 이 견해는 진화 가능한 분자가 존재하면 진화가 시작되었다고 말하는 것처럼 보이기 때문에 동어반복이 될 위험이 있습니다. 대신 조립 이론과 구성 이론을 옹호하는 사람들은 "물리학에 뿌리를 둔 진화에 대한 정량적 이해"를 추구하고 있다고 Marletto는 말했습니다.
조립 이론에 따르면 다윈의 진화가 진행되기 전에 조립 가능에서 AI가 높은 개체의 여러 복사본을 선택해야 합니다. 상대적으로 복잡한 분자를 작은 하위 집합으로 좁혀 화학만으로도 그렇게 할 수 있다고 Cronin은 말했습니다. 일반적인 화학 반응은 반응 속도가 더 빠르기 때문에 이미 가능한 모든 순열 중에서 특정 생성물을 "선택"합니다.
따라서 온도나 촉매 광물 표면과 같은 생물 이전 환경의 특정 조건은 조립 가능에서 생명의 분자 전구체 풀을 선별하기 시작했을 수 있습니다. 조립 이론에 따르면, 이러한 프리바이오틱스 선호는 오늘날의 생물학적 분자에서 "기억"될 것입니다. 그들은 자신의 역사를 암호화합니다. 다윈주의 선택이 이어지자, 스스로 복제할 수 있는 개체가 더 선호되었습니다. 그 과정에서 이러한 역사의 부호화는 더욱 강력해졌습니다. 이것이 바로 과학자들이 단백질과 DNA의 분자 구조를 사용하여 유기체의 진화 관계에 대해 추론할 수 있는 이유입니다.
따라서 조립 이론은 "물리학과 생물학 전반에 걸쳐 선택에 대한 설명을 통합하는 틀을 제공합니다"라고 Cronin, Walker 및 동료들은 썼습니다. "물체가 '더 많이 조립'될수록 그것이 존재하기 위해서는 더 많은 선택이 필요합니다."
크로닌은 "우리는 생명이 어떻게 화학에서 발생하는지 설명하는 이론을 만들고 이를 엄격하고 경험적으로 검증 가능한 방식으로 설명하려고 노력하고 있습니다"라고 말했습니다.
모두를 지배하는 하나의 방법?
Krakauer는 조립 이론과 생성자 이론 모두 복잡한 객체가 어떻게 생성되는지에 대해 생각하는 새로운 방법을 자극한다고 생각합니다. “이러한 이론은 화학 실험실이라기보다는 망원경에 더 가깝습니다.”라고 그는 말했습니다. "그것은 우리가 물건을 만드는 것이 아니라 볼 수 있게 해줍니다. 그것은 전혀 나쁜 것이 아니며 매우 강력할 수 있습니다."
그러나 그는 "모든 과학과 마찬가지로 푸딩에 증거가 있을 것"이라고 경고했습니다.
한편 Zenil은 Kolmogorov 복잡성과 같은 이미 상당한 복잡성 측정 항목 목록을 고려할 때 조립 이론은 단지 바퀴를 재발명하는 것에 불과하다고 믿습니다. 말레토는 이에 동의하지 않습니다. “복잡성을 측정하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 각각은 복잡성에 대한 서로 다른 개념을 포착합니다.”라고 그녀는 말했습니다. 그러나 이러한 조치의 대부분은 실제 프로세스와 관련이 없다고 그녀는 말했습니다. 예를 들어, Kolmogorov 복잡성은 물리학 법칙이 허용하는 모든 것을 조합할 수 있는 일종의 장치를 가정합니다. Marletto는 이는 가능한 의회에 적절한 조치이지만 관찰된 의회에는 반드시 필요한 것은 아니라고 말했습니다. 이와 대조적으로 조립 이론은 "복잡성에 대한 추상적인 개념보다는 조작적으로 정의된 물리적 특성에 초점을 맞추기 때문에 유망한 접근 방식"이라고 그녀는 말했습니다.
이러한 이전 복잡성 측정에서 누락된 것은 복잡한 개체의 역사에 대한 감각이라고 Cronin은 말했습니다. 이 측정은 효소와 무작위 폴리펩티드를 구별하지 않습니다.
Cronin과 Walker는 조립 이론이 궁극적으로 시간의 본질과 열역학 제2법칙의 기원과 같은 물리학의 매우 광범위한 문제를 해결할 수 있기를 바라고 있습니다. 하지만 그 목표는 아직 멀었다. “조립 이론 프로그램은 아직 초기 단계에 있습니다.”라고 Marletto는 말했습니다. 그녀는 이론이 실험실에서 진행되는 것을 보고 싶어합니다. 하지만 외계 세계에서 일어나는 실제와 같은 과정을 찾는 야생에서도 이런 일이 일어날 수 있습니다.
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