Помоги проекту - поделись книгой:
Новые науки
Иногда можно услышать утверждение о том, что основные достижения физики 20-го века — теория относительности и квантовая механика — показали, будто бы ньютоновское мировоззрение совершенно неверно. Позволим себе не согласиться с этим. Ньютоновская вселенная основана на результатах экспериментов по поведению объектов, которые, как мы уже говорили, можно примерно охарактеризовать как объекты нормального размера, движущиеся с нормальной скоростью. Что делают новые науки, так это расширяют научное мировоззрение за пределы этого диапазона. Например, теория относительности имеет дело с объектами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, или имеющими большую массу, тогда как квантовая механика имеет дело с объектами атомного или субатомного масштаба. Если применить законы любой из них к объектам нормального размера, движущимся с нормальной скоростью, то они сведутся к знакомой ньютоновской вселенной, описанной выше. Вот почему мы до сих пор обучаем ньютоновской механике инженеров, проектирующих автомобильные мосты, по которым вы проезжаете.
В лучшем случае эти новые области науки добавляют ещё пару законов к «первой девятке», описанной выше. Теория относительности, например, построена на одном принципе: законы природы одинаковы во всех системах отсчёта. В дальнейшем нам мало что понадобится из этой теории, но она действительно играет определённую роль в поиске планет, одиноко блуждающих в межзвёздном пространстве, — тех, которые мы называем планетами-сиротами (см. главу 11).
Квантовая механика сильно отличается от теории относительности. Внутриатомные явления работают не так, как в нашем повседневном опыте. В квантовом мире нет ничего ровного и непрерывного. Всё, что там есть, поступает порциями. И хотя общий научный консенсус относительно того, как интерпретировать результаты, которые мы получаем, вторгаясь в это странное место, ещё не достигнут, многие из научных формулировок обращаются лишь к немногим общим принципам, которые мы можем добавить в наш список.
Самые важные для наших целей следствия квантовой механики вытекают из её объяснения того, как атомы излучают и поглощают свет. В отличие от планет, вращающихся вокруг звезды, электроны не могут занимать какую-либо случайную орбиту у атомного ядра, вокруг которого они вращаются. Вместо этого их орбиты строго определены. Когда электрон переходит с орбиты, расположенной дальше от ядра, на орбиту, расположенную ближе, атомы испускают электромагнитное излучение (в том числе видимый свет), Точно так же атом поглощает излучение, когда электрон перемещается с внутренней орбиты на внешнюю. Частота испускаемого или поглощаемого излучения, которая в случае видимого света соответствует его цвету, зависит от разницы в энергии между исходной и конечной орбитами. Поскольку расположение допустимых орбит у атомов разных химических элементов обычно различается, спектр излучения, испускаемого или поглощаемого атомом, работает как своего рода отпечаток пальца, позволяющий нам идентифицировать этот атом. Это — основа для области науки под названием спектроскопия; мы обсуждаем её в главе 5. В этой главе мы утверждаем, что данное следствие квантовой механики является нашим лучшим инструментом, позволяющим делать заключения относительно наличия жизни вокруг других звёзд.
Таким образом, понимание вселенной сводится к отысканию немногих универсальных законов вроде тех, что обсуждались выше. Огромное упрощение, начавшееся с Ньютона, позволяет нам надеяться, что такое же упрощение сработает и в будущем, когда мы обратимся к новым областям науки. Это ещё и движущая сила, стоящая за попытками современной физики найти то, что лишь с долей шутки называют «теорией всего». Это было бы единое уравнение, из которого можно было бы вывести все вышеперечисленные принципы, а также те, которые ещё только предстоит открыть. Она, как следует из её названия, объясняла бы всё.
Конечно, сейчас мы ещё даже не приблизились к тому, чтобы найти эту теорию всего, и многие серьёзные учёные сомневаются в том, что она вообще существует. Для того, чтобы начать поиски жизни в иных местах Вселенной, она нам не нужна, но было забавно представить себе, как могла бы выглядеть передовая технология, основанная на теории всего.
Принцип Коперника
Второй великий принцип, которым мы будем руководствоваться в нашем исследовании жизни на экзопланетах, обычно ассоциируется с польским священнослужителем Николаем Коперником (1473-1543), который известен тем, что создал математическую модель Солнечной системы, где в центре находится не Земля, а Солнце. Это был первый шаг на пути к нашему нынешнему пониманию того, что в нашей родной планете нет ничего особенного. Наш мир — это всего лишь один каменный шар, вращающийся вокруг обычной звезды в неинтересной части обычной галактики — одной из миллиардов в видимой части вселенной. Некоторые люди выражали глубокое сожаление по поводу такого взгляда на Вселенную, как будто он каким-то образом унижал человеческую расу. Мы предпочитаем рассматривать этот шаг вперёд с иной точки зрения, потому что для нас наша планетарная заурядность — это драгоценный дар. Она означает, что законы природы, которые мы открываем здесь и сейчас, действуют по всей Вселенной, и что так было всегда.
Древние греки, люди, поставившие нас на путь, ведущий к современной науке, разработали совершенно иную теорию устройства Вселенной. В их космологии Земля находилась в центре творения, отличаясь от всего остального — особенная. На Земле было четыре стихии, которые составляли всю материю: знакомые земля, огонь, воздух и вода. На небесах, однако, существовала иная стихия, называемая эфиром или квинтэссенцией. Более того, на небесах всё было идеально — небесные сферы несли планеты и звёзды по своим круговым (более или менее) путям, и, в отличие от Земли, сами небесные тела были безупречны. (Кстати, открытие Галилеем при помощи телескопа кратеров на Луне и пятен на Солнце противоречило этой важной заповеди аристотелевской космологии.) Иными словами, для древних греков существовало два свода естественных законов, один из которых действовал на Земле, а другой — на небесах.
И именно наш старый друг Исаак Ньютон залечил этот разрыв. По его рассказу, написанному много лет спустя, однажды он гулял в саду своих родителей и увидел, как яблоко упало с дерева, и в то же самое время увидел Луну в небе. Он знал, что падение яблока объясняется «земной» гравитацией — силой, которая, помимо всего прочего, была тщательно изучена Галилеем. Однако он также знал, что Луна движется не по прямой, а по круговой орбите вокруг Земли. Из своего первого закона движения (см. выше) он понял, что на Луну, чтобы удерживать её на орбите, должна воздействовать сила — иначе она просто улетит в космос. Он задался вопросом, который кажется нам очевидным, однако нужно быть гением, чтобы задать его в первый раз: может ли быть так, что сила, заставляющая яблоко падать, — это та же самая сила, что удерживает Луну на орбите?
Ответ, конечно же, «да», и сегодня мы понимаем, что сила, которую он описал, воплощена в законе всемирного тяготения. Иными словами, между земной и небесной гравитацией нет никакой разницы. Это осознание стало первым доказательством, подтверждающим принцип Коперника — законы физики и химии, действующие здесь, на Земле, — это те же самые законы, которые действуют повсюду во Вселенной.
С 17 века накопилось огромное количество данных, подкрепляющих это утверждение. Мы можем посмотреть на свет, который излучает тот или иной атом в земной лаборатории, и сравнить его со светом, излучаемым таким же атомом в отдалённой части нашей галактики (или, если уж на то пошло, в другой галактике). Свет тот же самый. Мы можем посмотреть на распад радиоактивных ядер, образующихся при вспышках сверхновых в галактиках на расстоянии миллиарда световых лет, и сравнить его с распадом тех же ядер прямо здесь. Опять же, в обоих случаях они одни и те же. Данные очень определённые — на Земле нет ничего особенного, и те законы, которые действуют здесь, действуют везде. Точка.
Кроме того, нам следует понимать, что, когда мы смотрим на галактику в миллиарде световых лет от нас, мы видим тот свет, который был испущен миллиард лет назад и с тех пор находился в пути. Иными словами, мы смотрим в прошлое. Та же гора доказательств, описанная выше, показывает, что атом в той далёкой галактике, когда он появился в прошлом, ничем не отличается от атома в нашей лаборатории, который мы измеряем в настоящее время. Законы физики и химии, которые действуют сейчас, действовали всегда. Ещё раз точка.
Таким образом, как мы говорили в предыдущей главе, нам уже многое известно о природной среде, существующей на экзопланетах. Мы знаем, что горстка законов, описанная выше, будет действовать на этих экзопланетах ровно так же, как на Земле. Это позволит нам определить свойства форм жизни на этих экзопланетах, но одновременно ограничит наше воображение. Например, вымышленный летающий дракон, о котором мы говорили выше, всё равно должен работать в соответствии с законами движения Ньютона, как бы экзотично он ни выглядел. Иными словами, будет разрешено существование только тех форм жизни, которые соответствуют известным законам. Давайте же, держа это в голове, обратимся к вопросу о законах, управляющих живыми системами.
3
ЖИЗНЬ
ЧТО ЖЕ ЭТО ТАКОЕ?
Все мы практически уверены, что знаем, что такое «жизнь», и практически уверены, что узнаем её, когда увидим, но дать определение этому понятию всегда было чертовски трудно. Что именно характеризует то, что мы называем жизнью? Главная проблема заключается в том, что жизнь на Земле (единственная жизнь, о которой мы знаем) чрезвычайно сложна и разнообразна. Кроме того, между живым и неживым, как представляется, разверзлась зияющая пропасть — пропасть, которую следует описать и учитывать в любом из определений жизни.
Как и следовало ожидать, история размышлений на тему точного определения жизни очень долгая. Например, Аристотель утверждал, что для того, чтобы быть живым, нечто должно иметь как материальное тело, так и нематериальную «форму», причём эта форма является его душой. Позже это утверждение переросло в представление о том, что живое от неживого отличает некая нематериальная жизненная сила. Представление о том, что присутствие жизни требует таинственной нематериальной силы, названное витализмом, исчезло под натиском клеточной и молекулярной биологии в 19 и 20 веках. Сегодня мы признаём, что на молекулярном уровне живые системы действуют в соответствии с теми же законами химии, что и всё остальное, — просто они, как правило, оказываются более сложными.
Тем не менее, огромное разнообразие жизни на Земле делает поиск простого определения для этого слова чрезвычайно трудным — и действительно, многие учёные в наши дни утверждают, что простое определение невозможно. Для наших целей полезно будет знать три основных современных пути решения людьми этой проблемы: определения жизни, основанные на перечне свойств, определения, основанные на процессе, и определения, основанные на науке термодинамике. Давайте рассмотрим эти категории по отдельности.
Определения по перечню свойств
Люди, которые используют первый из классов определений жизни, составляют список свойств, приписываемых живым системам, и далее утверждают, что всё, обладающее всеми этими свойствами (или, может быть, большей их частью), является живым. И напротив, всё, что лишено всех или многих из этих свойств, не может быть живым. Список, который вы найдёте в типичном учебнике биологии, потребует, чтобы живая система обладала следующими характеристиками и способностями:
Конечно, проблема с такого рода перечнями заключается в том, что, как только вы составили один такой список, появляется некто, чтобы продемонстрировать пример объекта, явно живого, но не обладающего всеми перечисленными признаками. Например, мул — помесь лошади и осла — вполне очевидно является живым, но не может размножаться. Физик Дэниел Кошланд указал на ещё более забавный контрпример, когда заметил, что, если кролик не способен размножаться в одиночку и, следовательно, не является живым в соответствии с этим списком, два кролика вместе способны к размножению и, следовательно, являются живыми. Очевидно, что включение в список возможности воспроизводства сопряжено с проблемами.
Одним из способов обойти эту трудность будет утверждать, что нечто является живым, если соответствует многим, но не обязательно всем критериям из перечня — по сути, принимать то, что специалисты в области права называют стандартом «перевеса доказательств». Но тогда, конечно же, вы сразу сталкиваетесь с проблемой принятия решения о том, что можно исключить из списка.
Яркий пример проблем, связанных со стандартом перевеса доказательств, иллюстрируется поиском жизни на Марсе. Когда в 1976 году туда прибыли спускаемые аппараты «Викинг», существовали большие надежды на то, что они обнаружат свидетельства жизни на Красной планете. На этих аппаратах было проведено не менее четырёх экспериментов, каждый из которых был разработан для поиска различных химических следов метаболизма земного типа в марсианской среде. Мы подробно поговорим об этих экспериментах дальше, но на данный момент просто отметим, что основная логика программы «Викинга» заключалась в том, чтобы определить жизнь при помощи «списка», который содержал только один пункт: обмен веществ земного типа. Как только начали поступать данные, люди быстро предложили способы, посредством которых эксперименты могли бы дать положительные результаты из-за влияния
Одна из ярких иллюстраций проблем со «списочным» подходом к определению жизни показана в эпизоде телесериала «Звёздный путь: Следующее поколение», где робот-андроид по имени Дейта утверждал, что огонь можно считать живым. Как-никак огонь потребляет материалы из окружающей среды, перерабатывает их и производит отходы. Он растёт, размножается и реагирует на окружающую среду. Таким образом, огонь удовлетворяет большинству пунктов списка (отсутствует только требование гомеостаза), но мало кто из нас захотел бы утверждать, что он живой.
Новая наука экология позволяет нам подойти с иной стороны к использованию списка признаков для формулировки определения жизни. Вместо того чтобы рассматривать свойства отдельного организма, эколог смотрит на то, как этот организм вписывается в сложную сеть взаимосвязей, составляющих экосистему, частью которой он является. Пожалуй, самым известным проявлением этой точки зрения является так называемая гипотеза Гайи. Эта точка зрения, которую представил эколог Джеймс Лавлок, предлагает нам рассматривать всю Землю, и одушевлённую, и неодушевлённую её части, как нечто похожее на единый живой организм. Эта гипотеза обычно используется для предсказания того, что различные системы на Земле будут функционировать вместе для создания стабильной среды, в которой сможет процветать жизнь. (Следует отметить, что в древнегреческой мифологии Гея была изначальным божеством, прародительницей всего живого.)
Гипотеза Гайи подверглась критике, потому что настоящая геологическая история Земли полна экстремальных событий, которые мешают рассматривать планету как продукт хрупкого экологического баланса. Например, имели место события так называемой «Земли-снежка», когда вся поверхность планеты (включая океаны) полностью замерзала лишь для того, чтобы оттаять в результате массовых извержений вулканов. И хотя мы вряд ли можем не согласиться с мнением о том, что живые существа на Земле являются частями расширенных экосистем, всё, чем экологическая точка зрения поможет нам в формулировке определения жизни — она просто добавит ещё один пункт в приведённый выше список: для того, чтобы нечто считалось живым, оно должно быть частью расширенной экосистемы. Но, даже если это может быть верным для живых существ на Земле, нет никаких причин, по которым это должно быть верно для жизни на экзопланетах.
То же самое можно сказать и в отношении требования о том, чтобы живые системы были организованы в виде клеток. Хотя жизнь, похожая на нас, однозначно связана с клетками, нет никаких причин, по которым жизнь на экзопланетах также должна обладать этим признаком.
Фактически, многие из свойств, указанные в приведённом выше списке, совершенно очевидно применимы к жизни на Земле, однако столь же очевидно, что они не обязательно применимы к жизни на экзопланетах. Поэтому, хоть мы и будем помнить об этом перечне признаков во время движения вглубь галактики, нам также следует помнить о том, что зацикливаться на его полезности не следует.
Определения, основанные на процессе
В 1994 году, только-только приступив к поиску жизни в других частях галактики, НАСА созвало группу учёных, чтобы решить вопрос о том, какое определение ей дать. Следуя предложению астрофизика из Корнелла Карла Сагана, они определили жизнь как «самоподдерживающуюся химическую систему, способную к дарвиновской эволюции» — это определение стало известно как «определение НАСА». Хотя оно явно ориентировано на Землю, мы находим его полезным для рассуждений о возможных формах жизни на экзопланетах. Процесс, называемый «дарвиновской эволюцией», также называется естественным отбором, и мы утверждаем, что он с достаточной степенью вероятности будет обнаружен на подавляющем большинстве экзопланет.
Вот, как она работает на Земле: каждый организм получает генетический материал от своих родителей, и этот генетический материал влияет на свойства, которые проявляются у организма. Данные свойства, в свою очередь, играют важную роль в определении возможности организма прожить достаточно долго для передачи этого генетического материала другому поколению — такой процесс часто называют выживанием наиболее приспособленных. Признаки, которые позволяют это сделать, будут накапливаться в популяции. Таким образом, со временем естественный отбор создаёт организмы, приспособленные к окружающей среде, и это привело к появлению того разнообразия форм жизни, которое мы наблюдаем на нашей планете.
Но если утверждение о том, что каждый живой организм на Земле представляет собой продукт естественного отбора, является верным, из этого не обязательно следует, что нечто, не являющееся продуктом естественного отбора, не может быть живым. Мы рассмотрим некоторые примеры этого в главе 16, когда будем говорить о жизни,
Фактически, определение от НАСА — это всего лишь один из примеров попыток дать определение жизни, отталкиваясь от процессов, связанных с её образованием. По сути, в нём говорится, что узнать, является ли нечто живым, можно, выяснив, как оно появилось. Если оно возникло путём естественного отбора, то в соответствии с данным определением оно является живым. С данной точки зрения мерилом для определения жизни становится естественный отбор.
Для определения жизни были предложены и другие процессы. Один из самых интересных берёт начало в новой науке о сложности, и называется свойством эмерджентности. В данном случае мы определяем жизнь как эмерджентное свойство химических систем.
Стандартной аналогией, используемой для объяснения понятия эмерджентности, является куча песчинок. Представьте себе, что вы создаёте кучу, добавляя по одной песчинке за раз. По мере накопления песчинок сеть сил, действующих внутри кучи, становится всё более и более сложной, хотя сами эти силы генерируются просто контактом между песчинками. В конце концов — скажем, на миллионной песчинке — происходит нечто иное. Мы добавляем эту песчинку, и внезапно вниз по склону кучи движется оползень. Оползень — это эмерджентное свойство песчинок. Суть в том, что от одной песчинки одну миллионную долю оползня вы не получите — чтобы получить эффект, у вас должен быть миллион песчинок.
Точно так же утверждалось, что жизнь — это проявление своего рода химического оползня. Сделайте химическую систему достаточно сложной, говорится далее, и вы, скорее всего, создадите жизнь.
Основная проблема такого рода определений процессов заключается в том, что они требуют достаточно подробного знания о том, как обсуждаемая система стала такой, какая она есть. В главе 5 мы обсудим серьёзные проблемы, связанные с поиском свидетельств существования жизни на других планетах — речь даже не идёт о том, чтобы выяснять, как эта жизнь развивалась. Даже на Марсе, куда мы реально можем отправлять спускаемые аппараты и зонды для проведения измерений на месте, найти убедительные доказательства того, что жизнь есть (или была), оказалось чрезвычайно сложно. Представьте себе, как трудно было бы определить эволюционную историю жизни на далёкой экзопланете.
Определения, основанные на термодинамике
Когда такую проблему, как определение жизни, рассматривают физики, их подход в целом заключается в том, чтобы докопаться до самых основных законов природы, действующих в любой системе, которую они исследуют. Этот приём восходит, как минимум, к Исааку Ньютону, который показал, что движение любого объекта в любой точке Вселенной можно объяснить в рамках трёх законов. Можно сказать, что цель физики — свести вселенную к набору уравнений, которые поместились бы на футболке, как мы уже увидели в предыдущей главе.
Следовательно, когда физик смотрит на жизнь на Земле, он думает о двух фундаментальных свойствах: энергии и энтропии, или порядке. Понимание этих свойств находится в ведении области науки, известной как термодинамика, которая разработана в 19 веке. В предыдущей главе мы описали первый и второй законы термодинамики (вспомните футболку), которые можно сформулировать так:
Первый закон: энергия существует во многих формах, взаимно переходящих друг в друга, но не может быть создана или уничтожена.
Второй закон: с течением времени неупорядоченность в замкнутой системе будет возрастать или оставаться неизменной.
Второй закон часто формулируется через величину, называемую энтропией, которую мы можем рассматривать как меру упорядоченности системы — высокая энтропия приравнивается к большой степени беспорядка, низкая энтропия — к высокой степени порядка.
Стандартная аналогия, которая используется для иллюстрации законов термодинамики — это спальня подростка. С течением времени комната будет становиться всё более и более захламлённой (т. е. становиться менее упорядоченной или, что эквивалентно, переходить в состояние более высокой энтропии). Мы можем считать беспорядок естественным «равновесным» состоянием системы. Единственный способ избежать такого исхода и удерживать систему дальше от состояния равновесия — постоянно исправлять ситуацию, а этот процесс требует использования энергии. Эта энергия, скорее всего, поступит из пищи, которую съест подросток (или, что более вероятно, его или её родители), и после того, как комната будет убрана, рассеется в виде отработанного тепла, излучаемого в космос. Это следует из первого закона — энергия, заключённая в пище, должна куда-то уходить и не может просто исчезнуть. Таким образом, для поддержания состояния высокой упорядоченности (или низкой энтропии) нам необходим постоянный поток энергии, протекающий через систему. На жаргоне физиков мы говорим, что поток энергии поддерживает систему в высокоупорядоченном состоянии, далёком от равновесия.
Живая система вроде человеческого тела находится именно в таком высокоупорядоченном состоянии, по аналогии с прибранной спальней. Атомы в вашем теле, будучи предоставленными самим себе, превратились бы в беспорядочную мешанину недифференцированного материала — это аналог спальни, в которой царит беспорядок. Поток энергии, доставляемый приёмом пищи, но в конечном счёте исходящий от Солнца, удерживает тело подальше от его равновесного состояния, которое было бы той самой кучей неупорядоченных атомов. Мы можем обобщить эту мысль, сказав, что живая система — это система, которую поток энергии поддерживает в состоянии, далёком от равновесия.
Вероятно, вместо того, чтобы искать определение жизни, лучше считать этот процесс свойством живой системы — свойством, которое может работать как сигнал, предупреждающий нас о возможном наличии жизни. На жаргоне логиков это необходимое, но недостаточное условие для жизни. Иными словами, в каждой живой системе должен существовать поток энергии, поддерживающий состояние высокой упорядоченности, но не каждая система с таким свойством является живой. Растущая снежинка, например, представляет собой высокоупорядоченную систему, приводимую в движение тепловой энергией, но живой она не является.
Концепция термодинамической жизни будет особенно полезной, когда мы приступим к рассмотрению возможности существования жизни,
Несколько слов о технологии
В 1960 году палеонтологи Луис и Мэри Лики, работавшие в Олдувайском ущелье в Танзании, обнаружили ископаемые останки гоминида в окружении свидетельств наличия каменных орудий труда. Гоминид, позже получивший название Homo habilis («Человек умелый»), был первым из наших предков, который использовал материалы из окружающей среды для изготовления орудий труда — в данном случае заострённых каменных отщепов. Обладая мозгом примерно вдвое меньшего размера, чем у современных людей, хабилис вывел нас на путь, ведущий к технологическому обществу, которым мы сейчас наслаждаемся.
Ранее считалось, что изготовление орудий труда, как и язык, было одной из тех особенностей, которые отличали людей от других животных. В настоящее время мы понимаем, что границы такого рода гораздо менее резкие, чем мы когда-то считали. Мы видим, как другие животные используют некоторые примитивные орудия труда — например, шимпанзе засовывают прутик в гнездо термитов, чтобы вытащить насекомых наружу, где их можно съесть. Однако утверждать, что палка и, например, «Боинг-747» в некотором смысле равнозначны — это значит осознанно проявлять тупость. Подобно иным отличиям между человечеством и всей остальной природой, отличия в способности изготавливать орудия труда проявляются скорее в глубине навыка, чем в том, что это за орудия.
Очевидно, что способность использовать материалы из окружающей среды для изготовления орудий труда является необходимым условием для развития технологического общества. Этот факт, однако, ставит интересный вопрос, когда мы размышляем об экзопланетах. На Земле повсеместная доступность горных пород и камней позволила нашим предкам разрабатывать всё более сложный набор орудий труда. То же самое можно сказать и о легко обрабатываемых металлах на поверхности Земли или непосредственно под ней. Без этих металлов мы бы всё ещё жили в каменном веке.
Но наличие легкодоступных материалов для изготовления инструментов не обязательно должно быть всеобщей особенностью экзопланет. В мире, покрытом водой, который мы обсуждаем в главе 8, камни и металлы легко могут оказаться в дефиците, и развитие чего-то такого, что мы признали бы технологической цивилизацией, может оказаться в лучшем случае проблематичным. Таким образом, наше внимание будет приковано не только к наличию жизни на экзопланете, но и к наличию природных материалов, которые могут поддерживать производство орудий труда и, в конечном счёте, технологическую цивилизацию.
4
ПРАВИЛА ИГРЫ
КАК ДОЛЖНА РАБОТАТЬ КАЖДАЯ ЖИВАЯ СИСТЕМА
Как ни парадоксально, но, хотя формулировка определения жизни может быть трудной или, возможно, даже невозможной задачей, определение свойств жизни на отдалённых планетах не является такой уж большой проблемой. Причина этого заключается в том, что у нас есть достаточно хорошее представление о том, как развивается и функционирует жизнь по отношению к окружающей среде, в которой она находится — по крайней мере, в отношении жизни, похожей на нас. Кроме того, далее по тексту мы утверждаем, что «правила игры», которые управляют жизнью на Земле, следует применять практически к любому виду жизни, а не только к жизни, основанной на химических свойствах углерода. Таким образом, мы можем выявить правила, которые управляют развитием жизни любого вида в любой точке галактики, когда выясним, что это за правила, прямо здесь, на Земле. Учитывая это представление — и ещё тот факт, что возникновение жизни на Земле является единственным процессом, создающим жизнь, о котором мы знаем — ниже мы вначале изложим то, что знаем о развитии жизни на нашей собственной планете, а затем попытаемся представить, как подобные процессы будут протекать в экзотических условиях экзопланет.
Каждый из двух основных вопросов, которые мы можем задать о том, как жизнь на нашей планете стала такой, какая она есть, требует знаний из иных областей науки. Первый вопрос заключается в том, каким образом нечто живое возникло из материалов, которые определённо не были живыми — он известен как проблема происхождения жизни. Второй вопрос таков: как после появления живого существа развились те разнообразие и сложность жизни, которые мы наблюдаем вокруг себя в настоящее время? Из двух вопросов этот окажется более актуальным для обсуждения жизни на экзопланетах, поэтому нам повезло, что у нас есть довольно чёткое представление о том, как этот процесс происходил на Земле. Наше нынешнее понимание обращается к естественному отбору (или, что равнозначно, к дарвиновской эволюции), который мы обсуждали в предыдущей главе, коснувшись определения жизни от НАСА.
Происхождение жизни на Земле
Прежде чем мы перейдём к подробному описанию происхождения жизни, нам следует сделать важный вывод. Живые системы на Земле в наше время представляют собой чрезвычайно сложные объекты, продукт миллиардов лет эволюции. Первое живое существо на планете — то, которое мы можем назвать универсальным общим предком, — было бы совсем не похоже на тех живых существ, которых мы видим сегодня. Оно было бы чрезвычайно примитивным и, вероятно, обладало бы лишь немногими особенностями, присущими современным клеткам. Мы увидим, что сложность современных живых существ возникла из этого примитивного начала позже, в процессе естественного отбора.
На заре своей истории наша планета была расплавленным шаром, плавающим в космосе — на ней не было той атмосферы, которую мы могли бы узнать, не было океанов и, конечно же, не было жизни. Вращаясь по своей орбите, ранняя Земля постоянно подвергалась бомбардировке космическим мусором — собственно, именно эти столкновения и давали достаточно тепла, чтобы расплавить планету. Проще говоря, проблема происхождения жизни заключается в следующем: как Земля осуществила переход из этого исходного состояния к планете, на которой есть хотя бы один живой организм? По сути, мы ожидаем, что многие из экзопланет земного типа (то есть, маленькие и каменистые планеты) находились в схожем исходном состоянии, поэтому наши размышления о происхождении жизни на этих планетах будут происходить в свете земного опыта.
Мы считаем, что формирование газовых гигантов вроде Юпитера и Сатурна шло по другому пути, когда водород и гелий быстро накапливались вокруг небольшого твёрдого ядра. Мы рассмотрим вопрос о том, означает ли это, что происхождение жизни на таких планетах может идти по иному пути, нежели на Земле. Однако вполне ожидаемо, что внутренние структуры обнаруженных там клеток будут отличаться от структур у клеток на Земле — например, некоторые из этих структур могут контролировать плавучесть.
Первое, что случилось с Землёй, когда она вышла из своей горячей ранней стадии — это её остывание; её внешний слой затвердел, превратившись в камень. Вода, отчасти вышедшая из недр планеты, отчасти принесённая кометами и астероидами, наполнила океанские бассейны, подготовив сцену для появления жизни. Благодаря воде, заключённой в минералах, известных как кристаллы циркона, у нас есть свидетельство того, что жидкая вода была обычным явлением уже 4,2 миллиарда лет назад. Из летописи окаменелостей мы знаем, что жизнь появилась на Земле вскоре после прекращения её бомбардировки крупными астероидами, не позднее 3,8 миллиарда лет назад. Таким образом, гость нашей планеты 3,8 миллиарда лет назад обнаружил бы, что в её океанах полным-полно цианобактерий (вспомните зелёную прудовую тину). Таким образом, мы можем сказать, что жизнь на Земле появилась быстро, как только она смогла выживать.
Этот факт поднимает интересный вопрос. Во время великой бомбардировки ранней Земли, вероятно, были времена — возможно, длившиеся миллионы лет, — когда сильных ударов небесных тел не было. Если бы жизнь развилась в один из таких периодов покоя, она была бы уничтожена при следующем столкновении с крупным астероидом. Например, небесное тело размером со штат Огайо выделило бы достаточно энергии, чтобы на протяжении 1000 лет кипятить океаны Земли, превращая атмосферу в горячий пар. Мы не ожидали бы, что какие-то примитивные формы жизни переживут такого рода события, и, насколько мы можем судить, такие сценарии могли неоднократно повторяться на ранней Земле. Иными словами, возможно, что наши микробные предки были не первыми формами жизни на нашей планете — возможно, они просто были первыми, кто возник после последнего крупного удара небесного тела. Разумеется, жизнь могла зарождаться на ранней Земле десятки раз, хотя в настоящее время у нас есть свидетельства наличия только той формы жизни, которая пережила последний из стерилизующих ударов астероида.
Первый шаг в зарождении жизни включал накопление сложных молекул, содержащих атомы углерода. Ранее считалось, что собрать сложные углеродные цепочки, встречающиеся в живых системах, было сложной задачей — на самом же деле, до середины 20-го века учёные, как правило, избегали работать в этой области исследований. Общее ощущение, видимо, заключалось в том, что вопрос о происхождении жизни в целом был слишком сложным (и, возможно, слишком философским), чтобы стать частью основной науки.
Можно сказать, что исследование происхождения жизни подстегнул один эксперимент, проведённый в подвале химического корпуса Чикагского университета в 1952 году. Это была попытка воссоздать условия, которые могли существовать на ранней Земле, предпринятая лауреатом Нобелевской премии химиком Гарольдом Юри (1893-1981) и его тогдашним аспирантом Стэнли Миллером (1930-2007). Устройство было простым: в нём была колба с водой (для имитации океана), источник тепла (для имитации воздействия Солнца), электрическая искра (для имитации молнии) и смесь водяного пара, метана, водорода и аммиака (это было самой лучшей догадкой Миллера и Юри в отношении состава ранней атмосферы Земли). Были включены нагрев и подача искры, и аппарат оставили в покое на несколько недель. По истечении этого времени вода стала мутно-бордово-коричневой, а анализ показал, что в смеси присутствуют молекулы, называемые аминокислотами.
Небольшое пояснение: одной из самых важных групп молекул, встречающихся в живых системах, являются белки — именно эти молекулы управляют химическими реакциями в каждом живом существе на Земле. Белки состоят из аминокислот. В принципе, вы можете представить себе белок как цепочку, каждое звено которой представляет собой одну аминокислоту. Таким образом, Миллер и Юри доказали, что естественные процессы могут создавать основные строительные блоки живых систем, работая с материалами, которые совершенно очевидно не являются живыми, но, как считается, были в изобилии представлены на ранней Земле.
Этот результат оказал большое влияние на проблему происхождения жизни уже хотя бы потому, что перенес её из области философии в область науки. С тех пор эксперименты вроде проведённого Миллером и Юри позволили создать практически все важные молекулы, встречающиеся в живых системах, включая участки ДНК и сложные белки. И что удивительно, даже несмотря на то, что сегодня все сходятся во мнении, что состав атмосферы в эксперименте у Миллера и Юри был неправильным, это просто не имеет значения. Эксперименты с различными составами атмосферы и различными источниками энергии дали одинаковые по своей сути результаты, хотя и с разным выходом, в зависимости от предполагаемого состава атмосферы. Кроме того, сложные органические молекулы (включая аминокислоты) были обнаружены в метеоритах, в облаках межзвёздной пыли, и даже в дисках космического мусора, что окружают звёзды, и в которых формируются экзопланеты. Иными словами, вопреки всем ожиданиям, основные молекулярные строительные блоки жизни весьма обычны — фактически, они есть повсюду.
Таким образом, проблема происхождения жизни сводится к вопросу о том, каким образом эти основные строительные блоки собираются во что-то такое, что мы могли бы признать живым. Хотя уже выдвинуто множество теорий о том, как это произошло, ни одна из них не получила всеобщего признания. В любом случае, как мы уже увидели, единственное, что мы знаем, это то, что, каким бы образом ни происходила эта сборка, она произошла очень быстро.
Первичный бульон
После эксперимента Миллера-Юри были выдвинуты теории первого типа, которые утверждали, что процессы Миллера-Юри в ранней атмосфере Земли могли бы вызвать дождь органических молекул, превратив океаны планеты в насыщенный органический бульон, который стали называть первичным бульоном[1]. Расчёты показывали, что это могло произойти в течение нескольких сотен тысяч лет — всего лишь одно мгновение в масштабах геологического времени. После этого, говорится далее, случайные взаимодействия между органическими молекулами в конечном счёте приведут к образованию набора химических веществ, способного поглощать материал из окружающей среды и воспроизводиться — универсального общего предка. Теории утверждали, что при наличии достаточно продолжительного времени должно было произойти нечто подобное. Кстати, Смитсоновский институт зашёл настолько далеко, что снял фильм о телевизионном шеф-поваре Джулии Чайлд, которая смешивает первичный бульон у себя на кухне.
Существовало несколько вариантов сценария «первичного бульона»; все они были разработаны для того, чтобы пролить свет на процесс, посредством которого появился универсальный общий предок. Чарльз Дарвин, например, предположил, что жизнь могла зародиться в «маленьком тёплом водоёме». Следуя его примеру, некоторые учёные утверждали, что при каждом приливе вода, богатая органическими молекулами, попадала в замкнутый водоём. Затем вода могла бы испариться, оставив после себя органические молекулы. В итоге увеличение концентрации молекул в водоёме привело бы к появлению случайной комбинации, породившей первое живое существо.
Не заставили себя ждать и другие теоретические сценарии, которые разрабатывались, чтобы осуществить переход от существования строительных блоков к воспроизведению клеток. Например, было высказано предположение, что электрические заряды на поверхности глин, возможно, сыграли роль катализатора, запустившего первые химические реакции, необходимые для жизни. По мнению других теоретиков, каждый пузырёк океанской пены (или, в качестве альтернативы, каждую каплю жира в первичном бульоне) можно рассматривать как отдельный химический эксперимент, потому что разные капли содержат разный набор молекул. Согласно ещё одному сценарию, жизнь зародилась в небольшой полости в скале рядом с глубоководным океаническим горячим источником. (Преимущество этой схемы состоит в том, что первому общему предку не требовалось создавать клеточную мембрану или клеточную стенку, чтобы отделить живое от неживого, поскольку сама полость будет работать как своего рода клеточная мембрана.)
Все эти идеи о происхождении жизни можно классифицировать как теории «зафиксированной случайности». Основная идея заключается в том, что случайные расположения молекул продолжали появляться до тех пор, пока одна из них, чисто случайно, не оказалась способной к размножению. Как только это произошло, жизнь сменила тему, и на первый план вышел процесс естественного отбора. Взаиморасположение молекул, которое начало работать первым, было «зафиксировано», а конкуренты и опоздавшие остались глотать пыль.
Вы жили с зафиксированной случайностью на протяжении большей части своей жизни, хотя, возможно, и не осознавали этого. Посмотрите на клавиатуру вашего компьютера. Вы видите, что верхний ряд начинается с букв QWERTY? Эта так называемая QWERTY-клавиатура была разработана для замедления скорости набора текста, чтобы облегчить работу машин 19-го века. По сути, комбинация QWERTY оказалась зафиксированной, и хотя сегодня вместо кусочков металла мы перемещаем электроны, мы сохраняем оригинальную клавиатуру, потому что поменять всё, что с ней связано, было бы слишком сложно. Точно так же, как намекают эти теории, первая успешно размножающаяся клетка стала шаблоном для всей жизни — не потому, что этот дизайн был лучшим, а потому, что он был первым.
Мы могли бы продолжить перечислять теории «зафиксированной случайности», но думаем, что вы поняли саму идею. Эксперимент Миллера-Юри запустил настоящую лавину творчества в области идей о происхождении жизни. Но по мере того, как учёные узнавали всё больше и больше об основах химии жизни, в этой области начали доминировать два общих подхода — мы будем называть их «Мир РНК» и «Вначале был метаболизм».
Мир РНК
Современные клетки работают особым образом. Для запуска химических реакций, необходимых для поддержания жизни на Земле, требуется молекула под названием фермент. Ферменты в живых системах на Земле — это белки, и этот факт объясняет, почему эксперимент Миллера-Юри привлек так много внимания после публикации его результатов. В наших клетках информация, необходимая для сборки цепочек аминокислот, составляющих наши белки, закодирована в сложной молекуле, которую мы называем ДНК, и эта информация переводится в белки другим набором сложных молекул, называемых РНК. Первый шаг в этом процессе включает считывание кода ДНК, а для этого требуются белки. Таким образом, у нас получается классическая дилемма курицы и яйца. Для расшифровки кода ДНК нам нужны белки, но мы не можем получить белки, пока не будет расшифрован код ДНК.
Возможный способ обхода этой трудности появился в начале 1980-х годов, когда было обнаружено, что некоторые виды молекул РНК в дополнение к своей обычной роли в декодировании ДНК могут выступать в роли ферментов (специальный термин для этого вида РНК —
Ключевым моментом здесь является то, что, как только появится прото-РНК, примитивная клетка сможет использовать её для выживания и размножения. Следовательно, эта клетка стала бы универсальным общим предком. Затем на протяжении последующих миллиардов лет естественного отбора должна была развиться вся сложность современной клетки.
Вначале был метаболизм
Конкурирующая точка зрения сводит на нет всю идею «застывшей случайности». Мы можем назвать её «Вначале был метаболизм». Согласно этому сценарию, первая живая система (или протоклетка) вообще не содержала ДНК или РНК, но запускала ряд простых химических реакций без помощи сложных ферментов за счёт каталитического действия малых молекул. Химия современной клетки развилась значительно позже благодаря стандартным процессам, связанным с естественным отбором.
Вот аналогия, которая может помочь наглядно представить себе, как работает эта концепция. Взглянем на Систему межштатных автомагистралей США. Она чрезвычайно сложна, требует наличия сети дорог, развитой отрасли, занимающейся поставками бензина, развитой отрасли, занимающейся автомобилестроением, и так далее. Если бы мы хотели объяснить, каким образом сформировалась система автодорог между штатами, существующая в наши дни, мы бы не начинали с существующих дорог и не пытались выяснить, каким образом они могли бы породить автомобили. Вместо этого мы углубились бы в прошлое, в доколумбову Америку, и взглянули на самую примитивную транспортную сеть, какой были пешеходные тропы коренных американцев. Мы поговорили бы о том, как они превратились в грунтовые дороги для фургонов, как появились первые примитивные автомобили, за которыми последовали асфальтовое покрытие и заправочные станции, и так далее. Следуя этой эволюционной линии аргументации, мы в конечном итоге дошли бы до современной системы во всей её сложности, не прибегая к помощи крайне маловероятных случайных событий.
Что из этого — «мир РНК» или «Вначале был метаболизм» — проявилось на ранней Земле раньше (если вообще проявлялось), нам ещё только предстоит выяснить. На данный момент всё, что мы можем сказать — это то, что в отношении пути возникновения жизни на нашей планете ясны лишь две вещи: (1) существовал обильный запас основных молекулярных строительных блоков, необходимых для создания живых систем, и (2) каким бы образом ни было собрано первое живое существо, оно было собрано быстро.
Иные корни, иная жизнь
Способ зарождения жизни на Земле — будь то сценарий «мир РНК», или «вначале был метаболизм», или нечто совершенно иное, — не обязательно должен быть единственным способом возникновения жизни в иных местах Вселенной. Даже в мирах с океанами жидкой воды вполне могут существовать десятки, сотни или, возможно, даже миллионы способов зарождения жизни. В этих мирах могут существовать иные молекулы, несущие иной генетический код, и иные белки, управляющие химическими реакциями. В дальнейшем нам придётся постоянно оставаться начеку, чтобы избежать того, что мы можем назвать «земным шовинизмом» — представления о том, что жизнь в иных местах должна быть чем-то похожей на жизнь на Земле. Давайте рассмотрим некоторые из способов проявления таких различий.
Какие молекулы?
Даже жизнь, «похожая на нас», то есть, основанная на химических реакциях с участием соединений углерода, происходящих в среде из жидкой воды, не обязательно должна быть такой же, как жизнь, которая нам знакома. Чтобы привести всего лишь один пример, рассмотрим структуру белков — молекул, которые действуют как ферменты, управляющие химическими реакциями в земных живых системах. Эти молекулы, как мы уже говорили, можно рассматривать как аналог цепочки, в которой каждое звено представляет собой молекулу меньшего размера, называемую аминокислотой. Существует большое количество аминокислот, которые можно получить в лаборатории, и это открывает активно развивающуюся область для исследований белков, содержащих так называемые неприродные аминокислоты, которые можно использовать для чего угодно — от новых фармацевтических препаратов до биоразлагаемых контейнеров. Однако всё дело в том, что в земных живых системах присутствует лишь небольшое количество аминокислот (20 или 22, в зависимости от того, как вы хотите посчитать).
Почему? Может ли это быть результатом ещё одной «застывшей случайности» в начале нашей истории? Если это так, то мы могли бы ожидать, что живые организмы в других местах Вселенной будут использовать белки, составленные из аминокислот, отличных от наших собственных, и, следовательно, будут иметь совершенно иной химический состав. Но если бы существовала какая-то (пока ещё не открытая) причина, по которой именно тот набор аминокислот, который использует жизнь на Земле, давал бы огромное эволюционное преимущество, то мы ожидали бы, что вся жизнь на основе углерода в иных местах Вселенной будет работать с тем же генетическим кодом, что и у нас. Подобные вопросы можно задать в отношении практически любой особенности химического состава земной жизни.
Какая жидкость?
Вода — обычное вещество во Вселенной, но необходима ли она для жизни на основе углерода? Юпитер оказывается самым засушливым местом в нашей солнечной системе — настоящей пустыней Сахара планетарного масштаба. (И действительно, данные космического аппарата «Галилео» показывают, что процент водяного пара в атмосфере Юпитера сопоставим с таковым в Сахаре.) Тем не менее, мы знаем, что в атмосфере Юпитера в результате взаимодействия, вызванного ультрафиолетовым излучением Солнца, образуются довольно сложные органические молекулы — такие, как бензол. Это означает, что сложные молекулы могут создаваться в средах, где не так много воды. Может ли такой процесс привести к реакциям типа Миллера-Юри и к появлению жизни?
Мы склонны обращать больше внимания на жизнь на основе воды, потому что это то, что мы знаем, и потому что вода — очень хорошая среда, в которой могут происходить химические реакции. В конце концов, если предполагается, что молекулы должны взаимодействовать, у них должна быть возможность перемещаться и собираться вместе, а это вне всяких сомнений возможно в жидкой среде. Но вода — не единственная жидкость вокруг нас. Например, на спутнике Сатурна Титане существуют океаны из жидкого этана и метана. Конечно же, химические реакции в ультрахолодных средах такого рода протекали бы очень медленно, но нет никаких оснований полагать, что земные временные рамки — это единственные, в которых может существовать жизнь. На другом конце диапазона возможных температур мы можем представить планеты, достаточно горячие, чтобы иметь океаны жидкой магмы (то есть, лавы). Знакомые нам молекулы не смогли бы выжить в такой жаре, но незнакомые смогли бы. Как всегда, когда мы думаем о жизни вне Земли, мы задаём больше вопросов, чем даём на них ответов.
Какие атомы?
Когда мы переходим к жизни, не похожей на нас, то есть к жизни, основанной на химии атомов, отличных от углерода, вопросы становятся более фундаментальными. Мы обладаем достаточным объёмом знаний о том, как могли возникнуть основные строительные блоки жизни на основе углерода, но проводилось очень мало исследований в отношении того, как другие виды молекул могут быть основой для жизни. Однако нетрудно представить себе, как какой-нибудь учёный, собственная химия которого основана на кремнии (или, что вероятнее, на соединениях кремния), проводит аналог эксперимента Миллера-Юри, чтобы выяснить, как возник его/её тип жизни.
А если дело дойдёт до жизни, совершенно не похожей на нас, нам придется полностью отказаться от своего пристрастия к молекулярной химии — химические базовые строительные блоки здесь могут вообще не применяться. В главе 16, где обсуждается концепция электромагнитной жизни, мы отмечаем, что наши базовые представления о том, как работают электрические и магнитные поля, гораздо лучше, чем наше понимание молекулярной биохимии. Мы знаем, что движущиеся электрические заряды создают магнитные поля, а изменяющиеся магнитные поля создают электрические поля. Однако эти базовые знания могут не особенно сильно помочь нам в объяснении какой-то сложной живой системы, которая может быть связана с такой картиной явлений электромагнитных взаимодействий.
Эволюция путём естественного отбора
Как только проблема происхождения жизни в данном мире окажется решённой, как только будет собрана одна воспроизводящаяся сущность, в игру вступает совершенно новый набор механизмов. Представьте себе, что жизнь как бы «переключает передачи». Мы уже упоминали об этом факте в предыдущей главе, где говорили об определении жизни от НАСА и знакомили с концепцией, называемой дарвиновской эволюцией. В этом разделе мы объясним, как этот процесс сформировал земную жизнь, опишем убедительные доказательства этого и докажем, что он должен быть основным процессом, определяющим развитие жизни на любой экзопланете.
Аргумент в пользу существования естественного отбора обращается к двум простым (и довольно очевидным) фактам:
• Отдельные представители вида обладают отличающимися друг от друга характеристиками, и эти характеристики могут передаваться из поколения в поколение (с возможностью изменений наподобие мутаций в земной ДНК).
• Представители вида будут конкурировать за любые ресурсы, имеющиеся в окружающей среде.
В этом-то всё и дело. На Земле, например, представители одного вида явно будут обладать разными характеристиками. Некоторые кролики смогут бегать быстрее других; форма клюва некоторых птиц позволит им более успешно добывать пищу; некоторые самцы баранов смогут спариваться чаще, чем другие. Когда Дарвин впервые предложил свою теорию эволюции, он не понимал, почему это так, и не понимал, как черты передаются от одного поколения к другому, но он знал, что разные особи различаются, и что эти различия могут передаваться по наследству. Вообще, одно из самых больших удовольствий при чтении книги «Происхождение видов…» — это следить за его подробным обсуждением разведения голубей и представлять, как он зависает в местном пабе, обсуждая что-то с другими голубеводами-любителями. (Дарвин и сам разводил голубей.)
Поделиться книгой: