PNAS Nexus: минералы эволюционируют под давлением так же, как и жизнь

Фото из открытых источников

В прошлом году ученые предположили, что все сложные системы во вселенной развиваются подобно жизни — включая звезды, планеты и технологии. Теперь исследователи утверждают, что нашли доказательства этого объединяющего закона в минералах. 

Новое исследование является доказательством концепции недавно предложенного «отсутствующего закона», который объясняет, почему так много сложных систем, по-видимому, становятся более сложными с течением времени. Этот закон увеличения функциональной информации, представленный в октябре 2023 года, расширил теорию эволюции Чарльза Дарвина путем естественного отбора, включив в нее неживые системы.   

Исследователи, стоящие за новым исследованием, продемонстрировали, что, как и жизнь, минералы со временем последовательно становятся более сложными, когда подвергаются давлению отбора. Они опубликовали свои выводы в журнале PNAS Nexus.

«В конечном итоге мы надеемся, что эта работа будет способствовать разработке теории, которая унифицирует то, как все сложные системы, как живые, так и неживые, развиваются с течением времени», — сказал соавтор исследования Майкл Вонг из научно-исследовательского института Carnegie Science в Вашингтоне, округ Колумбия. «Результат, который, по нашему мнению, станет преобразующим для науки».

Закон увеличения функциональной информации гласит, что «функциональная информация системы будет увеличиваться (т.е. система будет развиваться), если множество различных конфигураций системы подвергнутся отбору для одной или нескольких функций».  

Если предложенный закон верен, то минералы и другие сложные системы должны становиться более сложными и демонстрировать увеличение функциональной информации под постоянным давлением отбора. Согласно исследованию, эта функциональная информация представляет собой количество конфигураций в системе, которые могут выполнять определенную функцию. В этом случае конфигурации представляют собой минералы, а функция — это стабильность с течением времени или статическая устойчивость, поэтому сложность измеряется количеством стабильных минералов.

Чтобы проверить этот закон, исследователи использовали компьютерную модель для измерения сложности минералов на девяти предполагаемых стадиях эволюции минералов и оценки доли всех возможных химических формул, наблюдаемых в этих минералах от одной стадии к другой.   

Согласно исследованию, за период более 4,6 млрд лет, начиная с самых ранних известных минералов, образовавшихся до появления Земли около 4,54 млрд лет назад, и заканчивая всеми минералами на нашей планете сегодня, количество типов минералов увеличилось с 27 до примерно 9000. Это увеличение сложности минералов Земли также происходило на каждой стадии эволюции минералов — первой стадией было образование самых ранних минералов, а последней стадией — современная Земля, где создание минералов облегчается жизнью. 

«Каждая стадия основывается на том, что было до этого», — рассказал ведущий автор исследования Роберт Хазен, ученый, изучающий роль минералов в возникновении жизни в Carnegie Science. «У вас есть эта ступенька, на которой вы должны добраться до одной стадии эволюции минералов, прежде чем вы сможете перейти к следующей». 

Эта предложенная эволюция минералов в целом похожа на эволюцию жизни, которая началась с простых одноклеточных организмов, которые эволюционировали в многоклеточные сложные формы жизни. Однако исследователи отметили, что, по-видимому, существует предел разнообразия минералов из-за конечного числа химических комбинаций — и, согласно их модели, минералы Земли приближаются к этому пределу. 

Согласно исследованию, это ограничение сделало бы эволюцию минералов «ограниченной», в то время как эволюция живых организмов «неограниченной», не имея пределов тому, насколько сложной может стать жизнь. 

Хейзен и Вонг заявили, что продолжат работу над законом, ища общие темы между сложными системами, которые могут включать даже язык, музыку и другие виды человеческой деятельности. 

«В нашей собственной жизни мы ощущаем это увеличение функциональности», — сказал Вонг. «Это то, что мы пытаемся поместить в научный контекст». 

Вонг указал на растущую сложность телефонов, которые начинались как простые устройства для совершения звонков и стали мощными, многофункциональными смартфонами, которые мы используем сегодня. Между тем, Хазен считает, что разработка этого закона — это возможность ответить на один из самых больших вопросов человечества.   

«Я думаю, что все мы, каждый человек, задаемся вопросом: «Почему в космосе есть что-то, а не ничего?» — сказал Хазен. — Мы считаем, что это должен быть законный процесс».