Математики представили свою версию зарождения жизни на Земле

Вопрос о том, как на Земле появилась жизнь, остается одной из самых сложных задач науки. Речь идет не только о биологии или химии — к нему все чаще подключается и математика. Именно с этой точки зрения к проблеме подошел Варун Варанаси, тогда еще студент Йельского университета.

Его интерес возник во время курса по сложным системам, который читал геофизик Джун Коренага. Позже эта студенческая идея превратилась в дипломную работу, а затем легла в основу исследования, опубликованного в Physical Review E. Соавтором выступил сам Коренага, профессор наук о Земле и планетах Йеля.

Как могла возникнуть «химия жизни»

Ученые рассматривают раннюю Землю как своеобразный «первичный бульон» — смесь молекул, которые постепенно взаимодействовали между собой. Главный вопрос: как из хаотичных реакций могла возникнуть система, способная сама себя поддерживать и воспроизводить?

Идея «первичного бульона» не ограничивается Землей — похожие 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, при которых продукты реакций ускоряют собственное образование и поддерживают цепочки взаимодействий.

По словам Варанаси:

«Наша работа предлагает прямой способ связать лежащую в основе химию пребиотических сред со спонтанным возникновением структур, подобных живым организмам».

«Переключатель», который запустил сложные сети

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

По их словам, вероятность появления таких структур в определенный момент может резко вырасти от почти нулевой до крайне высокой.

Коренага объясняет это так:

«Используя математическую модель, основанную на сетях Кауфмана, в статье выводится явное предсказание того, когда вероятность появления этих похожих на живые организмы структур станет чрезвычайно высокой».

Сети Кауфмана и логика сложных систем

В основе работы лежат так называемые сети Кауфмана, или случайные булевы сети. Это математические модели, которые описывают, как большое количество элементов может самоорганизовываться в устойчивые структуры.

Изначально их применяли в биологии для изучения генетических сетей, но позже они 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. Он также помогает по-новому взглянуть на переход от неживой материи к живым системам.

Варанаси отмечает, что ключевую роль сыграл образовательный опыт:

«Меня поразило, как много сложностей реального мира можно описать с помощью нескольких изящных уравнений… К концу исследования у меня возникло ощущение, что я освоил новый способ мышления о мире».

Варанаси сейчас продолжает исследования в Гарварде в области биофизики, развивая подходы к изучению происхождения жизни через математические модели.