Eu sou um químico e estou construindo um robô universal para criar vida e encontrar alienígenas
O surgimento da vida no universo é tão certo quanto o surgimento da matéria, da gravidade e das estrelas. A vida é o universo desenvolvendo uma memória, e nosso sistema de detecção química pode encontrá-la.
- A vida é um processo que dirige a montagem de sistemas complexos reunindo “memórias”.
- Esta é a visão fundamental por trás de nossa busca pela origem da vida e da vida em outros planetas - apenas organismos vivos podem produzir moléculas complexas em grande abundância.
- Nosso laboratório está construindo computadores com desempenho químico ('químicos') para sintetizar qualquer molécula de código de computador. Este é o primeiro passo para resolver o mistério de como a vida surgiu da matéria inorgânica.
O que é a vida? Os cientistas ainda não podem concordar com uma resposta. Muitos sugerem que a vida requer um metabolismo, material genético e a capacidade de auto-replicação, mas aí termina a possibilidade de um amplo acordo. Os vírus estão vivos? Que tal uma tempestade ou uma chama? Pior ainda, a força motriz que leva ao surgimento da vida ainda nos escapa.
Desde a época de Darwin, os cientistas lutam para conciliar a evolução das formas biológicas em um universo determinado por leis fixas. Essas leis sustentam a origem da vida, evolução, cultura humana e tecnologia, conforme estabelecido pelas condições de fronteira do universo. No entanto, essas leis não podem prever o surgimento dessas coisas.
A teoria da evolução funciona na direção oposta, indicando como a seleção pode explicar por que algumas coisas existem e outras não. Para entender como formas abertas podem emergir em um processo de avanço da física que não inclui seu design, é necessária uma nova abordagem para entender a transição do não biológico para o biológico.
Uma propriedade única dos sistemas vivos é a existência de arquiteturas complexas que não podem se formar por acaso. Essas arquiteturas podem existir ao longo de bilhões de anos, resistindo à degradação ambiental. Como isso é alcançado? A seleção é a resposta: é a força que cria a vida no universo através do surgimento de sistemas evolutivos. A seleção veio antes da evolução .
Imagine que você é um alpinista escalando uma rocha vertical com uma escada, construindo um degrau de cada vez. A matéria-prima para as peças da escada está sendo “produzida” aleatoriamente e jogada em você. Se os materiais chegarem muito rápido, você não poderá pegá-los e acabará morrendo. Se os materiais chegarem muito devagar, você não conseguirá chegar ao topo e mais uma vez morrerá. Se os materiais estiverem chegando no ritmo certo, porém, o tempo de “produção” e o tempo de “descoberta” das peças serão equilibrados para que a seleção possa acontecer.
Inscreva-se para receber um e-mail semanal com ideias que inspiram uma vida bem vivida.A formação dessas escadas deve acontecer no nível molecular para que a seleção ocorra, mas a causação não é aceita pela física como um processo que ocorre fundamentalmente. Em vez disso, a causação surge em sistemas complexos. Mas de onde vêm esses sistemas complexos para ajudar o surgimento da causação?
“Teoria da Montagem” e a marca da vida
Há alguns anos, percebemos que era possível diferenciar moléculas complexas de moléculas simples pelo número de etapas necessárias para construir a molécula a partir de uma linhagem de partes. Quanto maior o número de partes necessárias, mais complexa é a molécula. Chamamos o caminho mais curto para montar uma molécula de “índice de montagem”. O índice de montagem literalmente nos diz a quantidade mínima de memória que o universo deve ter para lembrar como criar esse objeto da maneira mais rápida e simples possível.
Percebemos então que essa observação levou a uma estrutura muito mais profunda que chamamos de “Teoria da Montagem”, que, simplesmente, ajuda a explicar por que qualquer coisa existe. Isso ocorre porque o índice de montagem permite a ordenação no tempo, o que por sua vez explica porque alguns objetos existem antes de outros: é devido a restrições no caminho que leva ao objeto em questão. Em outras palavras, se A é mais simples que B e B é mais simples que C, tanto A quanto B precisam existir antes que C exista.
Como isso se traduz em uma ideia firme de como encontrar a vida? A Teoria da Montagem nos permite identificar objetos que são complexos (ou seja, com um alto índice de montagem) e se formam em uma abundância tão alta que só poderiam ser formados pela vida. Quanto maior a abundância de objetos com alto índice de montagem, mais improvável é que os objetos possam ser produzidos sem um processo altamente direcionado exigindo evolução. Portanto, a Teoria da Montagem explica o mecanismo ou estrutura subjacente a partir da qual a seleção impulsiona o surgimento da própria vida.
Detector de vida universal
A busca para descobrir a origem precisa da vida na Terra tem sido um grande desafio por vários motivos. Uma é que não é possível mapear os processos exatos que deram origem à vida no nível de átomos e moléculas. Outra é que o surgimento da vida específica que encontramos na Terra parece ser inteiramente dependente da história da Terra , que não pode ser reproduzido integralmente em laboratório.
No entanto, isso não significa que a busca escapará para sempre da ciência. Estou otimista de que seremos capazes de detectar a origem da vida em experimentos em laboratório na Terra, bem como encontrar vida em outras partes do universo. Esperamos que a infinidade de exoplanetas por aí signifique que a vida sempre estará emergindo em algum lugar do universo – da mesma forma que as estrelas estão constantemente morrendo e nascendo.
Se pudermos mudar nosso pensamento para procurar coleções de objetos produtores de seleção (como moléculas análogas ao alpinista que constrói a escada) com altos índices de montagem como o claro precursor da vida, então nossa abordagem para encontrar vida no universo se expande enormemente. O objetivo agora é encontrar objetos complexos com uma história causal compartilhada. Chamamos isso de “espaço de montagem compartilhado” e ajudará a mapear as interações em todo o universo.
Outra maneira de procurar vida no universo é projetar experimentos que nos permitam procurar o surgimento de vida em laboratório. Como podemos fazer isso? Se a vida surgisse ao longo de 100 milhões de anos usando o planeta inteiro como um tubo de ensaio ou um pequeno lago quente, então como poderíamos recriar um experimento tão grande e como saberíamos se tivéssemos sucesso? Devemos começar com o detector de vida universal (ULD). O ULD detectará objetos, sistemas e trajetórias que possuem altos índices de montagem e, portanto, são produtos da seleção.
“Chemputation” e busca do espaço químico
Responder a grandes questões na ciência requer fazer as perguntas certas. Há muito tempo penso que a questão da origem da vida deveria ser enquadrada como um problema de busca no “espaço químico”. Isso significa que um grande número de reações químicas, a partir de um conjunto simples de substâncias químicas de entrada, precisa ser explorado ao longo de muitos ciclos e ambientes de reação para que o processo de seleção e causalidade surja ao longo do tempo.
Por exemplo, se uma molécula é gerada em uma sopa aleatória e essa molécula pode catalisar ou causar sua própria formação, a sopa será transformada de uma coleção de moléculas aleatórias em uma coleção altamente específica de moléculas com várias cópias de cada molécula. No nível molecular, o surgimento da molécula auto-replicante pode ser visto como o exemplo mais simples do surgimento do “poder causal” e é um dos mecanismos que permitem que a seleção ocorra no universo.
Como podemos pesquisar o espaço químico de uma maneira que vá muito além do que as simulações de computador podem realizar? Para fazer isso, precisamos construir uma série de robôs modulares que entendam e possam realizar química. (Um desafio chave é que a arquitetura física para fazer isso ainda não existe, e a maioria dos químicos pensa que o controle programável da síntese e reações químicas é impossível. No entanto, acho que é possível. Mas propor essa ideia é como sugerir que a internet antes dos computadores existirem.)
Há cerca de uma década, perguntamos se era possível construir um robô químico universal que pudesse fazer qualquer molécula. Isso parecia um problema insuperável, já que a química é muito confusa e complexa, e as instruções usadas para fazer moléculas são muitas vezes ambíguas ou incompletas. Como analogia, compare isso com a abstração generalizada da computação, na qual a máquina de Turing pode ser usada para executar qualquer programa de computador. Poderia ser construída uma abstração universal para a química – um tipo de máquina de Turing química?
Para conseguir isso, devemos considerar a arquitetura mínima de “quimputação” necessária para fazer qualquer molécula. Esta é a abstração chave que permitiu que o conceito de quimputação – o processo de fazer qualquer molécula a partir do código em um chemputer – nascesse. E o primeiro chemputer programável e funcional foi construído em 2018. Inicialmente, os chemputers foram usados para fazer moléculas conhecidas, desenvolver melhores rotas de síntese e descobrir novas moléculas.
O chemputer-malha
Nosso objetivo é projetar e construir redes de chemputers, ou um “chemputer-mesh”, dedicado à busca da origem da vida em meu laboratório e em todo o mundo. Todos os chemputers na malha usarão a mesma linguagem de programação química universal e procurarão no espaço químico evidências de seleção de moléculas muito simples. Ao projetar um 'detector de montagem', usando os mesmos princípios do ULD, mas sob medida para o laboratório, nosso objetivo é capturar a força motriz responsável pela origem da vida no ato.
Compare isso com os vastos detectores do Grande Colisor de Hádrons construídos para encontrar o bóson de Higgs em altas energias. Nosso detector de montagem procurará moléculas complexas que tenham um alto índice de montagem e sejam produzidas em grande número a partir de uma sopa de moléculas simples. O próximo passo será configurar o chemputer-mesh para pesquisar o universo químico para encontrar as condições das quais a vida pode emergir. Se isso for bem-sucedido e pudermos demonstrar como essas condições podem surgir de maneira simples na Terra, poderemos acompanhar como a evolução pode começar a partir do mundo inorgânico – não apenas em nosso planeta, mas em todos os exoplanetas do universo.
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