С момента выхода книги Шрёдингера «Что такое жизнь?» биологию принято понимать через взаимодействие материи, энергии и информации. Позднейшие работы Гольденфельда и Вёзе, Фрэнка и Ингланда связали наследственность, эволюцию и термодинамику в единую неравновесную картину. Наша работа стоит рядом с исследованиями, которые рассматривают жизнь как коллективное неравновесное явление, где информация накапливается и адаптируется под действием естественного отбора. Вокруг уже есть попытки описать биологическое узнавание, эволюционные ландшафты и экосистемные ритмы, но целостного набора минимальных физических принципов для адаптируемой жизни пока не предложено.
Автор не проводил экспериментов и не строил математических моделей. Вместо этого он постулировал шесть принципов, которые, по его мнению, необходимы для адаптируемой жизни: наличие источника энтропии, долговечность информации, быстрый отклик на изменения среды, повторяемость операций, энергетическая эффективность и наличие сетей из множества взаимодействующих переключателей. Затем он проверил, насколько следствия этих принципов согласуются с известными биологическими фактами: от стабильности ДНК и быстродействия белковых конформаций до цикличности клеточного деления и распределённых вычислений в нейронных сетях.
Шесть принципов действительно прослеживаются на всех уровнях биологической организации. Источник энтропии проявляется в фотосинтезе и хемосинтезе, где организмы используют внешние градиенты. Долговечность информации видна в иерархии метастабильных состояний: от ДНК с памятью на поколения до синаптической пластичности с памятью на десятилетия. Быстрый отклик обеспечивается белковыми конформациями и посттрансляционными модификациями, которые работают за миллисекунды и минуты, в отличие от медленной регуляции генов. Повторяемость реализуется через циклы АТФаз, ГТФаз, ионных каналов и клеточного деления. Эффективность проявляется в работе ферментов и нейронных кодов, которые оптимизируют соотношение точности и энергозатрат. Наконец, множественные переключатели образуют сети: от генных регуляторных контуров до нейронных ансамблей и экосистем. Все эти мотивы повторяются на разных масштабах, что указывает на их универсальность.
Работа идёт в общем русле с соседними исследованиями, которые связывают биологию с неравновесной физикой и теорией информации. Отличие в том, что здесь предложен не анализ отдельного явления, а целостный список минимальных принципов, претендующий на полноту для адаптируемой жизни. Это скорее синтез, чем новое открытие: автор собрал разрозненные наблюдения в единую рамку и показал, что одни и те же организационные мотивы повторяются от молекулярного до экосистемного уровня. Такой подход может помочь увидеть общие физические ограничения там, где раньше видели лишь биологическую специфику.
Следующий шаг — перевести качественные принципы в количественные. Для каждого из шести постулатов нужно найти измеримые ограничения: предельное время жизни информации, компромисс между скоростью переключения и энергетической стоимостью, границы сложности сетей, связь между диссипацией и адаптивной производительностью. Если это удастся, рамка превратится из классификации в предсказательную теорию, которую можно проверять экспериментально.
Рамка может быть полезна в синтетической биологии при проектировании искусственных регуляторных сетей, а также в нейробиологии и экологии как общий язык для описания обработки информации в живых системах.
Ближайшая задача — сформулировать каждый принцип в виде математического неравенства или оптимизационной задачи и проверить, выполняются ли эти ограничения в реальных биологических системах.
В биологии остаётся открытым вопрос о том, какие именно физические ограничения делают возможной адаптацию. Предложенные шесть принципов напрямую связаны с нерешённой проблемой происхождения жизни и с поиском универсальных закономерностей эволюции, которые не зависят от конкретного субстрата.
Шрёдингер в 1943 году назвал предполагаемый носитель наследственности «апериодическим кристаллом» за десять лет до открытия двойной спирали ДНК. Его догадка оказалась точной: информация в ДНК действительно записана нерегулярной последовательностью нуклеотидов, а не периодической решёткой.