Một Ý Tưởng Mới về Cách Tổ Chức Cuộc Sống

Phiên bản gốc của câu chuyện này xuất hiện trên Tạp chí Quanta.

Cuộc sống trên các hành tinh khác—nếu có thì có thể quá lạc lõng đến nỗi khó nhận biết. Không có đảm bảo rằng sinh học ngoài hành tinh sẽ sử dụng các hóa chất giống như trên Trái Đất, với những khối xây dựng quen thuộc như DNA và protein. Có khả năng nhà khoa học có thể nhận diện các dấu vết của các hình thức sống như vậy mà không biết chúng là sản phẩm của sinh học.

Vấn đề này không hề là học thuật. Vào tháng 4, tàu vũ trụ Juice của Cơ quan Vũ trụ châu Âu đã phóng lên từ Guiana Pháp trên đường đi đến Sao Mộc và các mặt trăng của nó. Một trong những mặt trăng đó, Europa, có một đại dương sâu, mặn dưới lớp vỏ đóng băng và là một trong những nơi triển vọng nhất trong hệ mặt trời để tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh. Vào năm sau, tàu vũ trụ Europa Clipper của NASA sẽ được phóng, cũng nhắm vào Europa. Cả hai tàu vũ trụ đều có các thiết bị trên bảng mà sẽ tìm kiếm dấu vết của các phân tử hữu cơ phức tạp—một gợi ý có thể về sự sống dưới lớp băng. Và vào năm 2027, NASA dự định phóng một chiếc trực thăng giống như máy bay không người lái có tên là Dragonfly để bay trên bề mặt mặt trăng Titan của Sao Thổ, một thế giới đầy khói, giàu carbon với những hồ hydrocarbon lỏng có thể là nơi lý tưởng để chứa đựng sự sống—nhưng không giống như chúng ta biết.

Những nhiệm vụ này và những nhiệm vụ khác trong tương lai sẽ đối mặt với cùng một trở ngại đã làm phiền nhà khoa học từ khi họ đầu tiên cố gắng tìm kiếm dấu hiệu của sinh học Sao Hỏa với các tàu đổ bộ Viking vào những năm 1970: Không có chữ ký rõ ràng của sự sống.

Điều đó có thể sắp thay đổi. Trong năm 2021, một nhóm do Lee Cronin của Đại học Glasgow ở Scotland và Sara Walker của Đại học Arizona dẫn đầu đã đề xuất một cách rất tổng quát để xác định các phân tử được tạo ra bởi các hệ thống sống—thậm chí cả những hệ thống sử dụng hóa chất không quen thuộc. Phương pháp của họ, họ nói, đơn giản là giả định rằng các hình thức sống ngoài hành tinh sẽ tạo ra các phân tử có độ phức tạp hóa học tương tự như sự sống trên Trái Đất.

Được gọi là lý thuyết tổ chức, ý tưởng làm nền cho chiến lược của đôi này có mục tiêu lớn hơn. Như mô tả trong một loạt các xuất bản gần đây, nó cố gắng giải thích tại sao những điều dường như khó tin, như bạn và tôi, thậm chí tồn tại. Và nó tìm kiếm giải thích đó không phải, theo cách thông thường của vật lý, trong các định luật vật lý vĩnh cửu, mà trong một quá trình truyền đạt đối tượng với lịch sử và ký ức về những gì đã xảy ra trước đó. Nó thậm chí cố gắng trả lời một câu hỏi đã làm phiền nhà khoa học và nhà triết học hàng ngàn năm nay: Cuộc sống là gì, thực sự?

Không có gì ngạc nhiên khi một dự án đầy tham vọng như vậy đã gây nghi ngờ. Những người ủng hộ nó chưa rõ làm thế nào nó có thể được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Và một số nhà khoa học tự hỏi liệu lý thuyết tổ chức có thể thực sự đáp ứng được những hứa hẹn nhỏ hơn của nó, như phân biệt sự sống và phi sự sống, và nghĩ về sự phức tạp một cách mới.

Tuy nhiên, một số người cảm thấy rằng đây vẫn là những ngày đầu tiên của lý thuyết tổ chức, và có khả năng thực sự mang đến cái nhìn mới về câu hỏi về cách sự phức tạp xuất hiện và phát triển. “Nó thú vị khi tham gia,” nhà lý thuyết tiến hóa David Krakauer, chủ tịch Viện Santa Fe nói. Lý thuyết tổ chức, ông nói, cung cấp một cách để khám phá lịch sử tùy thuộc của các đối tượng—một vấn đề bị bỏ qua bởi hầu hết các lý thuyết về sự phức tạp, thường tập trung vào cách mọi thứ là nhưng không phải cách chúng đã trở thành như vậy. Paul Davies, một nhà vật lý tại Đại học Arizona, đồng tình, gọi đó là “một ý tưởng mới với tiềm năng biến đổi cách chúng ta nghĩ về sự phức tạp.”

Về Thứ Tự Của Mọi Sự Vật

Lý thuyết tổ chức bắt đầu khi Cronin đặt câu hỏi tại sao, với số lượng vô cùng của cách kết hợp các nguyên tử khác nhau, tự nhiên lại tạo ra một số phân tử và không phải là những cái khác. Nói rằng một đối tượng có thể tồn tại theo luật vật lý là một điều; nói rằng có một con đường thực sự để tạo ra nó từ các thành phần của nó là một điều khác. “Lý thuyết tổ chức được phát triển để thu thập trực giác của tôi rằng các phân tử phức tạp không thể chỉ xuất hiện mà không cần đến vì không gian tổ hợp quá rộng lớn,” Cronin nói.

Trong khi đó, Walker đã đối mặt với vấn đề về nguồn gốc của sự sống—một vấn đề liên quan chặt chẽ đến việc tạo ra các phân tử phức tạp, vì những phân tử trong các sinh vật sống quá phức tạp để có thể được tạo ra ngẫu nhiên. Cái gì đó, Walker nghĩ đến, phải đã hướng dẫn quá trình đó ngay cả trước khi sự chọn lọc theo kiểu Darwin có thể xảy ra.

Cronin và Walker hợp tác sau khi tham gia hội thảo về vi sinh vật học của NASA vào năm 2012. “Sara và tôi đang thảo luận về lý thuyết thông tin và cuộc sống và các con đường tối thiểu để xây dựng các máy tự sao chép,” Cronin nhớ lại. “Và nó trở nên rất rõ ràng với tôi rằng chúng tôi đều hội tụ vào việc có một 'lực đẩy' thiếu sót trước sinh học.”

Bây giờ, đôi bên nói, lý thuyết tổ chức cung cấp một bản ký chính và toán học chính xác về sự tình cờ lịch sử rõ ràng về cách mọi thứ được tạo ra—tại sao, ví dụ, bạn không thể phát triển tên lửa cho đến khi bạn có sự sống đa tế bào trước tiên, sau đó là con người, và sau đó là nền văn minh và khoa học. Có một trình tự cụ thể mà các đối tượng có thể xuất hiện.

“Chúng ta sống trong một vũ trụ có cấu trúc đệ quy,” Walker nói. “Hầu hết cấu trúc phải được xây dựng trên ký ức về quá khứ. Thông tin được tích tụ theo thời gian.”

Điều đó có vẻ rõ ràng theo cách tự nhiên, nhưng một số câu hỏi về thứ tự của mọi sự vật khó trả lời hơn. Liệu khủng long có phải là điều kiện tiên quyết trước khi có chim? Mozart có phải đến trước John Coltrane không? Chúng ta có thể nói rằng các phân tử nào cần phải đến trước DNA và protein không?

Đo Lường Sự Phức Tạp

Lý thuyết tổ chức đưa ra giả định dường như không tranh cãi rằng các đối tượng phức tạp xuất phát từ sự kết hợp của nhiều đối tượng đơn giản. Lý thuyết nói rằng có thể đo lường một cách khách quan sự phức tạp của một đối tượng bằng cách xem xét cách nó được tạo ra. Điều đó được thực hiện bằng cách tính toán số bước tối thiểu cần thiết để tạo ra đối tượng từ thành phần của nó, được đo lường dưới dạng chỉ số tổ chức (AI).

Ngoài ra, để một đối tượng phức tạp trở nên khoa học thú vị, phải có rất nhiều nó. Những thứ rất phức tạp có thể xuất hiện từ các quy trình tổ chức ngẫu nhiên—ví dụ, bạn có thể tạo ra các phân tử giống protein bằng cách liên kết bất kỳ axit amin cũ thành chuỗi. Tuy nhiên, nói chung, những phân tử ngẫu nhiên này sẽ không làm bất cứ điều gì thú vị, như hành vi như một enzym. Và khả năng có được hai phân tử giống nhau theo cách này là rất nhỏ.

Tuy nhiên, enzym chức năng lại được tạo ra đều đặn lặp lại trong sinh học, vì chúng được tổ chức không phải ngẫu nhiên mà từ hướng dẫn di truyền được thừa kế qua các thế hệ. Vì vậy, trong khi việc tìm thấy một phân tử phức tạp, duy nhất không nói lên điều gì về cách nó được tạo ra, việc tìm thấy nhiều phân tử phức tạp giống nhau là không thể trừ khi một quy trình được tổ chức—có thể là sự sống—is at work.

Cronin và Walker nghĩ rằng nếu một phân tử đủ phổ biến để có thể phát hiện được, chỉ số tổ chức của nó có thể chỉ ra liệu nó có được sản xuất bởi một quy trình tổ chức, giống như quá trình sống. Ưu điểm của phương pháp này là nó không giả định bất cứ điều gì về hóa học chi tiết của chính phân tử đó, hoặc về tồn tại của thực thể giống như sự sống đã tạo ra nó. Nó là một phương pháp hóa học không đa dạng. Điều này làm cho nó đặc biệt có giá trị khi chúng ta đang tìm kiếm các hình thức sống có thể không tuân thủ hóa học sinh vật Trái Đất, theo Jonathan Lunine, một nhà khoa học hành tinh tại Đại học Cornell và người điều tra chính của một nhiệm vụ đề xuất để tìm kiếm sự sống trên mặt trăng đáng lạnh của Sao Thổ Enceladus.

“Ít nhất một phương pháp tương đối đa dạng cần phải có trong các nhiệm vụ phát hiện sự sống,” Lunine nói.

Và, ông thêm vào, có thể thực hiện được việc đo lường theo yêu cầu của lý thuyết tổ chức bằng các kỹ thuật đã được sử dụng để nghiên cứu hóa học trên bề mặt các hành tinh. “Việc triển khai các phương pháp đo lường cho phép sử dụng lý thuyết tổ chức trong việc giải mã dữ liệu là điều có thể thực hiện được,” ông nói.

Một Đánh Giá Công Việc Của Sự Sống

Cần một phương pháp thử nghiệm nhanh chóng và dễ dàng để xác định chỉ số tổ chức của các phân tử cụ thể. Sử dụng một cơ sở dữ liệu các cấu trúc hóa học, Cronin, Walker và đồng nghiệp của họ tạo ra một cách tính số bước tối thiểu cần thiết để tạo ra các cấu trúc phân tử khác nhau. Kết quả của họ cho thấy rằng, đối với các phân tử tương đối nhỏ, chỉ số tổ chức có tỉ lệ gần đúng với trọng lượng phân tử. Nhưng đối với các phân tử lớn hơn (bất cứ thứ gì lớn hơn một số polypeptit nhỏ, ví dụ), mối quan hệ này sẽ bị phá vỡ.

Trong những trường hợp đó, các nghiên cứu viên phát hiện họ có thể ước tính chỉ số tổ chức bằng cách sử dụng phổ khối—a kỹ thuật đã được rover Curiosity của NASA sử dụng để xác định các hợp chất hóa học trên bề mặt sao Hỏa, và bởi tàu vũ trụ Cassini của NASA để nghiên cứu các phân tử phun trào từ Enceladus.

Phổ khối thường phá vỡ các phân tử lớn thành các đoạn. Cronin, Walker và đồng nghiệp phát hiện rằng trong quá trình này, các phân tử lớn với chỉ số tổ chức cao chia thành các hỗn hợp đoạn phức tạp hơn so với những phân tử có chỉ số tổ chức thấp (như polyme đơn giản, lặp lại). Như vậy, các nhà nghiên cứu có thể xác định một chỉ số tổ chức một cách đáng tin cậy dựa trên sự phức tạp của phổ khối của phân tử.

Khi các nhà nghiên cứu thử nghiệm kỹ thuật này, họ phát hiện rằng các hỗn hợp phức tạp của các phân tử được tạo ra bởi hệ thống sống—một nền văn hóa của vi khuẩn E. coli, các sản phẩm tự nhiên như taxol (một chất chuyển hóa của cây thông Thái Bình Dương có tính chống ung thư), bia và tế bào men—thường có chỉ số tổ chức trung bình đáng kể cao hơn so với khoáng sản hoặc hợp chất hữu cơ đơn giản.

Phân tích này có thể bị âm tính giả—một số sản phẩm của hệ thống sống, như rượu single malt Ardbeg, có chỉ số tổ chức cho thấy nguồn gốc không sống. Nhưng có lẽ quan trọng hơn, thí nghiệm không tạo ra dương tính giả mạo nào: Hệ thống phi sinh học không thể tạo ra chỉ số tổ chức đủ cao để bắt chước sinh học. Vì vậy, các nhà nghiên cứu kết luận rằng nếu một mẫu có chỉ số tổ chức phân tử cao được đo trên một hành tinh khác, có khả năng nó đã được tạo ra bởi một thực thể mà chúng ta có thể gọi là sống.

Phổ khối chỉ sẽ hoạt động trong các nghiên cứu sinh học thiên văn có khả năng truy cập vào mẫu vật vật lý—nghĩa là, các nhiệm vụ hạ cánh, hoặc một số vệ tinh như Europa Clipper có thể nhặt lên và phân tích phân tử bắn ra từ bề mặt của một hành tinh. Nhưng Cronin và đồng nghiệp đã chỉ ra rằng họ có thể đo lường chỉ số tổ chức phân tử bằng hai kỹ thuật khác nhau khác nhau mang lại kết quả nhất quán. Một trong số chúng, phổ hồng ngoại, có thể được sử dụng bởi các thiết bị như những cái trên Kính viễn vọng Không gian James Webb để theo dõi từ xa thành phần hóa học của các hành tinh xa xôi.

Điều này không có nghĩa là những phương pháp phát hiện phân tử này cung cấp một que đo sạch sẽ từ đá đến loài bò sát. Hector Zenil, một nhà khoa học máy tính và kỹ thuật sinh học tại Đại học Cambridge, chỉ ra rằng chất có chỉ số tổ chức đơn giản nhất của tất cả các mẫu mà nhóm nghiên cứu Glasgow thử nghiệm—một chất mà theo đánh giá này có thể được coi là “sinh học” nhất—không phải là vi khuẩn.

Mà là bia.

Vứt bỏ Những Ràng Buộc của Số Phận

Lý thuyết tổ chức dự đoán rằng những đối tượng như chúng ta không thể nảy sinh độc lập—một số đối tượng phức tạp chỉ có thể xuất hiện khi kết hợp với nhau. Điều này làm cho lý thuyết tổ chức hợp lý; vũ trụ không thể bao giờ tạo ra chỉ một con người. Để tạo ra bất kỳ con người nào, nó phải tạo ra một đám đông chúng ta.

Trong việc giải thích về các thực thể cụ thể như con người nói chung (và bạn và tôi nói riêng), vật lý cổ điển chỉ có ích đến một mức độ nào đó. Nó cung cấp các luật của tự nhiên, và nó giả định rằng các kết quả cụ thể là kết quả của điều kiện ban đầu cụ thể. Trong quan điểm này, chúng ta phải đã được mã hóa nào đó trong những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ. Nhưng chắc chắn là nó đòi hỏi điều kiện ban đầu rất tinh tế để tạo ra Homo sapiens (chưa kể bạn) là điều không thể tránh khỏi.

Lý thuyết tổ chức, theo những người ủng hộ, thoát khỏi kiểu hình vô cùng đã quá định đó. Ở đây, các điều kiện ban đầu không quan trọng lắm. Thay vào đó, thông tin cần thiết để tạo ra các đối tượng cụ thể như chúng ta không xuất hiện từ đầu mà tích tụ trong quá trình tiến hóa vũ trụ—nó giải phóng chúng ta khỏi việc đặt toàn bộ trách nhiệm đó vào một Cuộc nổ lớn không thể tinh tế. Thông tin “nằm trong con đường,” Walker nói, “không phải là ở điều kiện ban đầu.”

Cronin và Walker không phải là những nhà khoa học duy nhất cố gắng giải thích làm thế nào chìa khóa của hiện thực quan sát có thể không nằm trong các luật phổ quát mà là trong cách mà một số đối tượng được lắp ráp hoặc biến đổi thành các đối tượng khác. Nhà vật lý lý thuyết Chiara Marletto của Đại học Oxford đang phát triển một ý tưởng tương tự với nhà vật lý David Deutsch. Phương pháp của họ, mà họ gọi là lý thuyết người xây dựng và Marletto coi đó là “gần gũi với tinh thần” của lý thuyết tổ chức, xem xét loại biến đổi nào là có thể và không thể.

“Lý thuyết người xây dựng nói về vũ trụ của các nhiệm vụ có khả năng thực hiện một số biến đổi nhất định,” Cronin nói. “Nó có thể được coi là giới hạn những gì có thể xảy ra trong các luật của vật lý.” Lý thuyết tổ chức, ông nói, thêm vào đó thời gian và lịch sử trong phương trình đó.

Để giải thích tại sao một số đối tượng được tạo ra nhưng những đối tượng khác không, lý thuyết tổ chức xác định một thang bậc lồng nhau của bốn “vũ trụ” khác nhau.

Trong Vũ trụ Tổ Hợp, mọi biến thể của các khối cơ bản đều được phép. Trong Vũ trụ Có Thể, các luật của vật lý hạn chế những sự kết hợp này, nên chỉ có một số đối tượng là khả thi. Vũ trụ Tùy thuộc sau đó cắt bớt loạt các đối tượng được phép vật lý bằng cách chọn ra những đối tượng thực sự có thể được lắp ráp theo các con đường có thể. Vũ trụ thứ tư là Vũ trụ Quan sát, bao gồm chỉ những quy trình lắp ráp đã tạo ra những đối tượng cụ thể chúng ta thực sự thấy.

Lý thuyết tổ chức khám phá cấu trúc của tất cả những vũ trụ này, sử dụng các ý tưởng được lấy từ nghiên cứu toán học về đồ thị, hoặc các mạng nút liên kết. Nó là một 'lý thuyết đối tượng trước' ,” Walker nói, nơi 'các thứ [trong lý thuyết] là các đối tượng thực sự được tạo ra, không phải là các thành phần của chúng.'

Để hiểu cách các quy trình lắp ráp hoạt động trong những vũ trụ khả tưởng này, hãy xem xét vấn đề của sự tiến hóa Darwin. Theo truyền thống, tiến hóa là điều gì đó 'đã xảy ra' ngay sau khi các phân tử nhân bản xuất hiện ngẫu nhiên—một quan điểm có rủi ro trở thành một hồi quy vì nó dường như nói rằng tiến hóa bắt đầu khi các phân tử có thể tiến hóa tồn tại. Thay vào đó, những người ủng hộ cả lý thuyết lắp ráp và người xây dựng lý thuyết đều đang tìm kiếm 'một hiểu biết lượng tử về tiến hóa có căn cứ trong vật lý,' Marletto nói.

Theo lý thuyết tổ hợp, trước khi tiến hóa Darwin có thể tiến triển, phải có một cái gì đó chọn lựa cho nhiều bản sao của các đối tượng AI cao từ Vũ trụ Có Thể. Theo Cronin, hóa học một mình có thể làm được điều đó—bằng cách thu hẹp các phân tử tương đối phức tạp thành một tập con nhỏ. Các phản ứng hóa học thông thường đã 'lựa chọn' một số sản phẩm cụ thể từ tất cả các biến thể có thể có vì chúng có tốc độ phản ứng nhanh hơn.

Các điều kiện cụ thể trong môi trường tiền sinh học, như nhiệt độ hoặc bề mặt khoáng chất xúc tác, có thể đã bắt đầu làm sàng lọc bể tiền sinh học từ trong Vũ trụ Có Thể. Theo lý thuyết lắp ráp, những sở thích tiền sinh học này sẽ được 'nhớ' trong các phân tử sinh học ngày nay: chúng mã hóa lịch sử của chúng. Khi sự chọn lọc Darwinian tiếp tục, nó ưu tiên cho những đối tượng có khả năng nhân bản tốt hơn. Trong quá trình này, việc mã hóa lịch sử này trở nên mạnh mẽ hơn. Đó chính xác là lý do tại sao các nhà khoa học có thể sử dụng cấu trúc phân tử của protein và DNA để đưa ra những suy luận về mối quan hệ tiến hóa của các sinh vật.

Do đó, lý thuyết lắp ráp “cung cấp một khung để thống nhất mô tả về sự lựa chọn trong vật lý và sinh học,” Cronin, Walker và đồng nghiệp viết. “Một đối tượng 'được lắp ráp' càng nhiều, càng cần có nhiều lựa chọn để nó tồn tại.”

“Chúng tôi đang cố gắng tạo ra một lý thuyết giải thích cách cuộc sống nảy sinh từ hóa học,” Cronin nói, “và làm điều đó một cách chặt chẽ, có thể xác minh thực nghiệm.”

Một Thước Đo Để Kiểm Soát Mọi Thứ?

Krakauer cảm thấy cả lý thuyết lắp ráp và lý thuyết xây dựng đều mang lại cách mới hứng thú để nghĩ về cách các đối tượng phức tạp ra đời. “Những lý thuyết này giống như những chiếc kính thiên văn hơn là phòng thí nghiệm hóa học,” ông nói. “Chúng cho phép chúng ta nhìn thấy điều gì đó, không phải tạo ra điều gì đó. Điều đó hoàn toàn không tồi và có thể rất mạnh mẽ.”

Nhưng ông cảnh báo rằng “giống như tất cả các lĩnh vực khoa học khác, bằng chứng sẽ nằm ở thành quả cuối cùng.”

Zenil, trong khi đó, tin rằng, với một danh sách đáng kể về các phương pháp đo phức tạp như phức tạp Kolmogorov, lý thuyết lắp ráp chỉ là việc làm lại bánh xe. Marletto không đồng ý. “Có nhiều phương pháp đo phức tạp, mỗi phương pháp đo đều nắm bắt một khía cạnh khác nhau của phức tạp,” bà nói. Nhưng hầu hết những phương pháp đo đó, bà nói, không liên quan đến các quy trình thực tế trong thế giới thực. Ví dụ, phức tạp Kolmogorov giả định một loại thiết bị có thể tạo ra bất cứ thứ gì mà luật vật lý cho phép. Đó là một phương pháp đo phù hợp với thế giới có thể lắp ráp, Marletto nói, nhưng không nhất thiết là với thế giới đã được quan sát. Ngược lại, lý thuyết lắp ráp là “một phương pháp tiếp cận hứa hẹn vì nó tập trung vào các tính chất vận hành được định nghĩa, vật lý,” bà nói, “thay vì khái niệm trừu tượng về phức tạp.”

Điều thiếu sót từ các phương pháp đo phức tạp trước đó, Cronin nói, là thiếu sự hiểu biết về lịch sử của đối tượng phức tạp - các phương pháp đo không phân biệt giữa một enzym và một polypeptide ngẫu nhiên.

Cronin và Walker hy vọng rằng lý thuyết lắp ráp cuối cùng sẽ giải quyết những câu hỏi rất rộng trong vật lý, như bản chất của thời gian và nguồn gốc của định luật nhiệt động thứ hai. Nhưng những mục tiêu đó vẫn còn xa. “Chương trình lý thuyết lắp ráp vẫn còn ở giai đoạn đầu,” Marletto nói. Bà hy vọng thấy lý thuyết này được thử nghiệm một cách chặt chẽ trong phòng thí nghiệm. Nhưng nó cũng có thể xảy ra ngoài tự nhiên - trong việc săn lùng các quy trình giống như đời sống trên các hành tinh ngoại hành.

Truyện gốc được tái bản với sự cho phép từ Quanta Magazine, một tờ báo độc lập biên tập của Simons Foundation có nhiệm vụ là tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách đưa ra các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học, các khoa học tự nhiên và khoa học về đời sống.