В 2023 году в журнале Nature вышла статья ‘Теория сборки объясняет отбор и эволюцию и дает им количественные оценки‘ (группы Ли Кронина и Сары Уокер). В 2024 году Сара Уокер выпустила книгу ‘Жизнь, какой ее никто не знает: Физика возникаемости жизни‘, в которой теория сборки излагается на научно-популярном уровне. В теории сборки вводится математическая функция, которая позволяет провести границу между живым и неживым, причем авторы придают своим построениям характер реального механизма. Именно последнее обстоятельство вызвало критику со стороны биологов, поскольку в теории сборки нет биологии как таковой.
Ниже я приведу выдержки из книги, которые передают главные идеи теории сборки, а затем приведу две статьи, в которых дается оценка предложенной теории.
‘Я уже намекала на путь построения: новая физика, необходимая для объяснения жизни, начинается с понимания того, что и почему существует. То есть, она начинается с выбора, что существует в виде физических объектов. Существование — это нечто особенное: у большинства объектов — по крайней мере, среди тех, которые мы можем себе вообразить, — никогда не будет шанса на существование. Возможно, что у еще большего количества объектов никогда не будет шанса быть воображенными.’
‘Ключевая гипотеза теории сборки заключается в том, что возможность наблюдения за сложными объектами подразумевает, что “информация” об этапах их построения должна существовать в других объектах — то есть это подразумевает физически реализованную память — или, если хотите, набор ограничений — для их построения, которое может произойти только посредством эволюции или обучения. В более общем плане используется термин отбора как объединяющей концептуальной парадигмы: если отбор в пространстве возможного происходит до появления жизни, то ограничения в пространстве возможностей могут привести к появлению того, что мы наблюдаем в жизни как эволюцию.’
‘В теории сборки мы не определяем объекты таким образом — как то, что мы не можем разобрать дальше. Вместо этого мы определяем объекты как всё, что может быть собрано из элементарных строительных блоков с использованием операций, которые возможны согласно физике нашей вселенной. Таким образом, объекты являются противоположностью того, чем они являются в физике: это вещи, которые можно создавать и разбирать на части. Это позволяет всему, что состоит из элементарных частей, быть объектами, обладающими причинно-следственной связью в теории сборки. Это одна из причин, по которой теория сборки естественным образом объясняет “возникающие” (emergent) свойства: она определяет как фундаментальные все вещи, которые в обычной физике назывались бы возникающими (emergent).’
‘Объекты формируются путем отбора. Предполагается, что заключительные свойства объекта связаны с механизмом возникновения — отбором. Объект может приобрести другие указанные свойства только в случае, если Вселенная ограничила пространство возможностей для создания этого конкретного объекта в определенной точке пространства и времени. Это также ограничивает локальность объектов — объекты могут появиться вместе с другими объектами только в том случае, если они имеют общую прошлую родословную: то есть объекты могут существовать в непосредственной близости друг от друга в пространстве и во времени только в том случае, если причинно-следственные цепочки, ведущие к их образованию, имеют общую историю; то есть они также должны иметь совместную локальность при построении в пространстве всех возможных объектов, которые могли бы существовать.’
‘Индекс сборки — это формальная величина, которая показывает насколько сложно для вселенной что-либо создать. Он вычисляется при разбиении объекта на части: он определяется наименьшим количеством физически возможных шагов, необходимых для создания объекта. Для данного объекта пространство сборки определяется как путь, посредством которого этот объект может быть собран из элементарных строительных блоков с использованием рекурсивных операций, использующих то, что уже было построено в прошлом. В случае кратчайшего пути пространство сборки занимает минимальный объем памяти с точки зрения минимального количества операций, необходимых для сборки наблюдаемого объекта, на основе объектов, которые могли существовать в прошлом. Важно отметить, что пространство для сборки ограничено законами физики: возможные этапы процесса сборки — это те, которые физически возможны.’
‘Таким образом, если объект материализуется по крайней мере в двух копиях, это указывает на то, что во Вселенной должен существовать надежный механизм для создания этого объекта. И если объект материализуется во множестве копий, это еще более веское доказательство того, что должен существовать надежный (выбранный) механизм, который также является материальным и включает в себя память о том, как создать этот объект. Таким образом, чтобы сложный объект существовал во многих копиях, должно быть много копий других объектов, которые могут его создать, и много копий объектов, которые создают эти объекты, и так далее, образуя цепочку объектов, которые могут привести к появлению других. Вы можете представить себе это как набор объектов, создающих другие объекты — каждый слой в этом наборе должен быть отобран сам по себе, прежде чем он сможет создавать следующие слои. В действительности именно так мы представляем всю эволюционную историю жизни на Земле в теории сборки.’
‘Теорию сборки можно рассматривать как новое объединение — материи и вычислений. … Стандартная физика рассматривает время просто как фон, на котором перемещаются объекты, в то время как в физике сборки объекты обладают размером во времени (количественно определяемый как индекс сборки).’
‘В теории сборки объекты описываются в виде пространства сборки, в котором есть пути для создания объектов. В теории сборки объекты создаются алгоритмически посредством конечной серии механических шагов. Рабочие шаги в таком алгоритме нельзя отождествлять с теми, которые можно было бы выполнить при моделировании на компьютере; это должны быть шаги, физически реализуемые в реальной вселенной. Таким образом, для создания молекул набор всех таких “вычислений” ограничен всеми операциями по созданию связей, соответствующим правилам химии. Индекс сборки объекта отражает минимальную историю физически возможных рекурсивных операций, которые должны быть выполнены для появления объекта во вселенной.’
В статье ‘Теория сборки: что она позволяет и что она не позволяет‘ Йоханнес Йегер в целом положительно относится к идее введения функции для проведения отличия между живым и неживым, но он считает, что эту идею следует отделить от разговоров про отбор и эволюцию. С его точки зрения название и резюме статьи в Nature является примером того, как не следует поступать при написании статьи (утрировано — надо быть скромнее):
‘Недавняя публикация в журнале Nature вызвала бурную дискуссию об эволюции и тенденции к увеличению разнообразия и сложности, а также о возможном статусе эволюции, выходящем за рамки известных законов фундаментальной физики. Аргумент, лежащий в основе этого спора, касается теории сборки, метода обнаружения и количественной оценки влияния возникающих причинно-следственных связей более высокого уровня в вычислительных мирах, состоящих из базовых объектов и их комбинаций. В этом небольшом эссе я кратко рассмотрю теорию, ее основные принципы и потенциальные приложения. Затем я перейду к критическому анализу утверждений ее авторов и выводу, что теория сборки имеет свои достоинства, но далеко не так нова или революционна, как утверждается. Она, безусловно, не дает никакого нового объяснения биологической эволюции или естественного отбора или нового обоснования биологии с точки зрения физики. В этом отношении презентация статьи сильно искажена рекламной шумихой, что отчасти объясняет вызванное ею возмущение.’
В статье с выразительным названием ‘Теория сборки — это аппроксимация алгоритмической сложности, основанной на сжатии LZ, которое не объясняет ни отбор, ни эволюцию‘ группа авторов разбирает другую претензию авторов теории сборки. В теории сборки предполагалось отличие вводимого индекса сборки от существующих методов в теории информации; в статье доказывается, что это не далеко не так:
‘Мы формально доказали эквивалентность теории сборки и энтропии Шеннона с использованием метода, основанного на принципах статистического сжатия, который относится к семейству популярных алгоритмов сжатия LZ. Доказано, что такие популярные алгоритмы сжатия без потерь, лежащие в основе форматов файлов ZIP и PNG, эмпирически воспроизводят результаты, которые теория сборки считает своим краеугольным камнем. Аналогичные результаты были получены ранее при успешном применении других методов измерения сложности в областях, охватываемых теорией сборки, таких как отделение органических молекул от неорганических, а также в контексте изучения селекции и эволюции. Мы показали, что индекс сборки эквивалентен размеру минимальной контекстно-свободной грамматики. … Мы приходим к выводу, что индекс сборки и номер сборки не приводят к объяснению или количественной оценке сдвигом в генеративных (физических или биологических) процессах, включая те, которые вызваны (абиотическим или биотическим) отбором и эволюцией, которые не могли бы быть получены с использованием энтропии Шеннона или которые еще не были получены ранее при использования классической теории информации или алгоритмической сложности.’
См. также:
Неподдающаяся проблема жизни: Описание статьей Сары Уокер и Пола Дэвиса ‘Неподдающаяся проблема жизни‘ и ‘Алгоритмическое происхождение жизни‘. Зависимость законов физики от состояния. Алгоритм как нисходящая причинность.
Информация
Sharma, A., Czégel, D., Lachmann, M., Kempes, C.P, Walker, S.I., Cronin L. Assembly theory explains and quantifies selection and evolution. Nature, 622, p. 321–328 (2023)
Sara Imari Walker, Life As No One Knows It: The Physics of Life’s Emergence, 2024.
Johannes Jaeger, Assembly theory: What it does and what it does not do. Journal of Molecular Evolution 92, no. 2 (2024): 87-92.
Felipe S. Abrahão, Santiago Hernández-Orozco, Narsis A. Kiani, Jesper Tegnér, and Hector Zenil. Assembly theory is an approximation to algorithmic complexity based on LZ compression that does not explain selection or evolution. PLOS Complex Systems 1, no. 1 (2024): e0000014.