Помоги проекту - поделись книгой:
Самые важные для наших целей открытия квантовой механики состоят в том, как она объясняет излучение и поглощение света атомами. В отличие от планет, обращающихся по орбитам вокруг звезд, электроны неспособны занимать любую произвольную орбиту вокруг ядра атома. Их выбор ограничен строго определенными вариантами. Атом испускает электромагнитное излучение (в том числе – видимый свет), когда электрон перемещается с более далекой от ядра орбиты на более близкую. Верно и обратное: атом поглощает излучение, когда электрон перемещается с внутренней орбиты на внешнюю. Частота этого излучения, испускаемого или поглощаемого, – для видимого света она соответствует цвету лучей – зависит от разности энергий на исходной и конечной орбитах. Так возможные положения орбит у атомов одного химического элемента отличаются от их положений у атомов другого, спектр испускаемого или поглощаемого атомом излучения выступает в роли своеобразного «отпечатка пальца», помогая нам распознать присутствие тех или иных атомов. На этом базируется целая область науки, называемая спектроскопией, – мы поговорим о ней в главе 5. Там мы расскажем, о том, как данное частное следствие квантовой механики дает нам прекрасный инструмент для определения возможности жизни возле других звезд.
Итак, представление об устройстве Вселенной сводится к поиску немногочисленных универсальных законов наподобие тех, о которых мы уже говорили выше. Громадное упрощение картины мира, начавшееся с законов Ньютона, дает нам надежду на то, что упрощение того же типа произойдет и в будущем, когда мы лучше разберемся в новых областях физики. Эта надежда ведет современных физиков в их попытках создать то, что (отчасти в шутку) называют «теорией всего». Этот идеал – единое уравнение, из которого можно было бы вывести как все уже перечисленные принципы, так и те, что еще только предстоит открыть. Такая теория, как следует из самого ее названия, объяснила бы все.
Конечно, пока очень далеко от создания подобной теории, а многие серьезные ученые вообще сомневаются в том, что она может существовать. Кроме того, в наших поисках внеземной жизни эта теория нам совершенно не нужна. Но согласитесь, интересно пофантазировать, как может выглядеть техника будущего, основанная на достижениях «теории всего».
Принцип Коперника
Еще один глобальный принцип, который будет указывать нам путь в исследованиях внеземной жизни, тесно связан с именем польского клирика Николая Коперника (1473–1543), прославившегося созданием математической модели Солнечной системы с Солнцем, а не Землей в качестве центра. Это стало первым шагом на долгом пути к пониманию того очевидного для нас сейчас факта, что наша родная планета не представляет из собой ничего особенного и уникального. Это просто каменный шар, обращающийся вокруг совершенно обычной звезды в ничем не примечательной части такой же заурядной галактики – одной из миллиардов галактик в только наблюдаемой части Вселенной. Некоторых людей такой взгляд на Вселенную глубоко огорчает – по их мнению, он каким‐то образом принижает человечество. Мы предпочитаем смотреть на этот шаг на пути познания мира иначе: для нас в осознании заурядности нашей планеты таится драгоценный дар. Ведь из него следует, что законы природы, которые мы открываем сегодня и сейчас, действуют во всей Вселенной и остаются верными во все времена.
Древние греки, первопроходцы на пути человечества к современной науке, представляли себе Вселенную совершенно иначе. В их космологии Земля находилась в центре мироздания и занимала особое, отличное от всего остального мира положение. Вся материя на Земле состояла из четырех элементов: собственно земли, огня, воздуха и воды. В небесах, однако, существовал еще один, пятый, элемент, называемый эфиром или квинтэссенцией. Кроме того, на небесах все было идеальным – небесные сферы несли планеты и звезды по (более или менее) круговым маршрутам, и, в отличие от Земли, небесные тела не имели никакого изъяна. (Таким образом, обнаруженные Галилеем при помощи его телескопа лунные кратеры и пятна на Солнце не умещались в стройную картину аристотелевской космологии.) Другими словами, у древних греков было две системы законов природы – одна действовала на Земле, другая на небе.
Устранил это двузаконие наш старый друг Исаак Ньютон. Если верить народной истории, в том виде, в каком она дошла до нас много лет спустя, однажды, прогуливаясь в родительском саду, Ньютон увидел, как с ветки упало яблоко. Тут же, подняв глаза к небу, он разглядел в небе Луну. Он знал, что яблоки падают под действием притяжения Змли – силы, подробно изученной и описанной Галилеем и другими учеными. Однако кроме этого Ньютону было известно, что Луна движется не по прямой линии, а по круговой орбите вокруг Земли. Из своего первого закона движения (см. выше) Ньютон сделал вывод, что на Луну должна действовать сила для того, чтобы она оставалась на своей орбите, – иначе Луна тут же улетела бы в космическое пространство. И тогда Ньютон задал себе вопрос, который нам теперь кажется очевидным, но от того, кто задает его в первый раз, требует гениальности: не может ли быть так, что сила, которая заставляет яблоко падать вниз, и сила, которая удерживает и Луну на ее орбите, – это одна и та же сила?
Ответ на этот вопрос, конечно же, утвердительный. В наши дни мы отлично понимаем, что сила, описанная Ньютоном, и есть та самая сила, описываемая законом всемирного тяготения. Иначе говоря, между притяжением тел небесных и земных нет совершенно никакой разницы. Это открытие и стало первым доказательством, подтверждавшим принцип Коперника – что законы физики и химии, действующие здесь, на Земле, точно так же выполняются повсюду во всей Вселенной.
С XVII века было накоплено огромное количество данных, только подкрепляющих это утверждение. Мы можем сравнить свет, испускаемый определенным атомом в лаборатории на поверхности Земли, со светом, испускаемым таким же атомом в какой‐нибудь отдаленной области нашей Галактики (или даже в какой‐нибудь другой галактике), – и этот свет будет точно таким же. Мы можем пронаблюдать распад радиоактивных ядер, происходящий при вспышках сверхновых в галактиках на расстоянии миллиардов световых лет от нас, и сравнить его с распадом ядер тех же элементов в собственной лаборатории – и вновь получим совершенно одинаковые результаты. Все данные предельно четко свидетельствуют – Земля не представляет собой совершенно ничего особенного; физические законы, действующие на Земле, ничем не отличаются от тех, что действуют повсюду. Точка.
Кроме того, нельзя забывать, что когда мы смотрим на галактику в 1 000 000 000 световых лет от нас, мы видим свет, испущенный 1 000 000 000 лет назад и все это время добиравшийся до нас сквозь космос. Другими словами, мы смотрим в прошлое. Но тем не менее гора доказательств, с вершины которой мы можем теперь посмотреть на мир, свидетельствует: атом, испустивший свой свет миллиард лет назад в другой галактике, ничем не отличается от точно такого же атома, излучение которого мы сейчас регистрируем в нашей лаборатории. Законы физики и химии, действующие сегодня, действовали миллиарды лет назад, действовали всегда. Снова точка.
Итак, как говорилось в предыдущей главе, мы уже много знаем об условиях на экзопланетах. Мы знаем, что краткий список законов, перечисленных выше, работает на всевозможных экзопланетах точно так же, как и на Земле. Эта информация позволит нам, с одной стороны, сделать некоторые выводы о свойствах гипотетических форм жизни, возможных на этих экзопланетах, а с другой стороны, наложить некоторые ограничения на наше воображение. Скажем, придуманный нами летающий дракон, о котором мы уже говорили раньше, вполне может существовать – ведь он не противоречит ньютоновским законам движения, а уж насколько экзотически он выглядит, дело второстепенное. Иначе говоря, возможны будут только такие формы жизни, которые могут быть описаны известными нам законами. А теперь, вооружившись этим знанием и сохраняя его в памяти, поговорим о законах, управляющих живыми системами.
3
Жизнь – что это вообще такое?
Все мы уверены, что прекрасно знаем, что такое «жизнь», и даже не сомневаемся, что непременно распознаем ее, как только увидим, – но объяснить, что же это такое, всегда оказывается дьявольски трудно. Что именно определяет явление, которое мы называем жизнью? Главная проблема состоит, прежде всего, в том, что жизнь на Земле (единственная, о которой мы знаем) невероятно сложна и разнообразна. Вдобавок, между живым и неживым зияет пропасть – и для этой пропасти тоже должны найтись и описание, и объяснение в любом определении жизни.
Нетрудно догадаться, что размышления о том, что же такое жизнь и как это объяснить, имеют многовековую историю. Аристотель, например, утверждал, что все живое должно обладать как материальным телом, так и некоей нематериальной сущностью – «душой». Это представление позже развилось в идею о том, что живое отличается от неживого именно наличием этой нематериальной жизненной силы. Витализм – учение о том, что существование жизни требует присутствия некоей таинственной силы, – был развенчан и отвергнут только с появлением в XIX и XX столетиях клеточной и молекулярной биологии. Сейчас мы понимаем, что на молекулярном уровне живые системы функционируют в соответствии все с теми же законами химии, которые действуют во всей Вселенной, – просто в этом случае все обычно устроено намного сложнее.
Тем не менее огромное разнообразие форм жизни на Земле делает поиски простого определения для этого термина крайне сложными – и многие современные ученые считают, что простое определение жизни дать в принципе невозможно. Для наших целей нам в целом достаточно будет знания о том, что на сегодняшний день существует три основных подхода к решению этого вопроса: определения жизни, основанные на перечислении ее свойств; определения, основанные на описании жизни как процесса, и определения, сформулированные на основе законов термодинамики. Посмотрим же на каждую из этих групп определений по отдельности.
Определения на основе перечисления свойств жизни
Те, кто формулирует определения жизни в рамках этого подхода, составляют списки качеств, свойственных живым объектам, и затем все обладающее всеми этими свойствами (или хотя бы их большей частью) объявляют живым. И наоборот, все, что не имеет всех (или по крайней мере большей части) качеств живого объекта, живым быть не может. Такой список – его можно найти в любом типичном учебнике биологии – обычно гласит, что живая система должна обладать следующими свойствами и способностями:
Конечно, при составлении таких списков всегда возникает одна и та же проблема: как только мы составляем исчерпывающий список необходимых свойств жизни, мы тут же находим тот или иной пример существа несомненно живого, но не обладающего одним или даже несколькими из этих качеств. Например, мул – помесь лошади и осла – несомненно, живое существо, но способностью к воспроизводству не обладает. Физик Дэниел Кошленд привел еще более забавный пример: один кролик неспособен к воспроизводству и, стало быть, согласно приведенному нами списку, живым не является, зато кролик с крольчихой вполне с этой задачей справляются, и значит, вместе они живые. Таким образом, с включением способности к воспроизводству в наш список еще предстоит разбираться.
Один из способов обойти эту трудность – принять тезис о том, что нечто является живым, если удовлетворяет большинству критериев списка, но может не соответствовать списку целиком, то есть, по сути, принять юридический стандарт «перевеса доказательств». Но в этом случае, конечно, вы тут же оказываетесь лицом к лицу с новой трудностью: вам придется решить, какими пунктами вашего списка можно пренебречь, а какими – ни в коем случае нельзя.
Ярким примером того, какие трудности могут ждать нас при применении принципа «перевеса доказательств», служат поиски жизни на Марсе. Когда посадочные модули миссии Viking в 1976 году опустились на поверхность Красной планеты, надежд на то, что они найдут там следы существования жизни, было очень много. Программы работы спускаемых аппаратов включали не менее четырех экспериментов, нацеленных на поиски в марсианской окружающей среде химических следов жизнедеятельности земного типа. Мы подробно поговорим об этих экспериментах чуть позже, а сейчас просто отметим, что базовая логика программы «Викингов» строилась на определении жизни в соответствии со «списком свойств», состоявшим из единственного элемента – обмена веществ земного типа. Как только начали поступать данные, многие ученые обнаружили, что запланированные эксперименты могут давать положительные результаты даже в тех случаях, когда анализу подвергаются заведомо
Ярко иллюстрирует недостатки «списочного» подхода к определению понятия жизни эпизод из сериала «Звездный путь: Следующее поколение», в котором робот‐андроид по имени Дэйта утверждает, что огонь вполне можно считать живым существом. В конце концов, почему бы и нет – огонь потребляет вещества из окружающей среды, перерабатывает их и производит отходы. Он способен расти, самовоспроизводиться и отвечать на изменения внешних условий. То есть огонь удовлетворяет большинству критериев нашего списка (за исключением, разве что, саморегуляции) – и все-таки мало кто готов признать его живым.
Недавно возникшая наука экология указывает нам иной способ применения списков для определения того, что такое жизнь. Вместо того чтобы рассматривать свойства отдельного организма, эколог обращает внимание на то, как этот организм включается в сложную сеть отношений, составляющих экосистему, частью которой данный организм является. Возможно, наиболее известный пример этой позиции – так называемая гипотеза Геи. Выдвинувший ее эколог Джеймс Лавлок рассматривает всю Землю в целом, включая равно и «живые», и «неживые» ее составляющие, как некий единый организм. На основе этой гипотезы обычно выдвигается предположение о том, что различные экосистемы Земли будут функционировать совместно во имя создания устойчивой среды, благоприятствующей развитию жизни. (Здесь стоит вспомнить, кто такая Гея в древнегреческой мифологии – богиня‐прародительница, древняя праматерь всего живого.)
Гипотезу Геи неоднократно критиковали – ведь реальная геологическая история Земли полнится катастрофами, которые вряд ли стыкуются с представлением о нашей планете как об итоге тщательного и планомерного создания экологического равновесия. В ее истории были, например, эпизоды, когда вся Земля представляла собой гигантский «снежок» – промерзшая поверхность планеты (включая океаны) была целиком покрыта снегом и льдом, которые растапливали только огромной мощности извержения вулканов. Так что, хотя мы и не можем отрицать, что все живые организмы на Земле входят в состав обширных экосистем, все, что экологический подход может нам дать в плане определения понятия жизни, – добавление еще одного пункта в наш список свойств живого: «чтобы считаться живым, надо быть частью обширной экосистемы». Однако, если для живых организмов на Земле это, возможно, и соответствует действительности, нет никаких причин считать это свойство обязательным для жизни на экзопланетах.
То же самое можно сказать и о тезисе, гласящем что живые системы должны состоять из клеток. Хотя жизнь, похожую на нашу, нам привычно представлять состоящей из клеток, нет никаких оснований полагать, что жизнь на экзопланетах должна быть похожа на нашу именно по этому параметру.
Проще говоря, большинство свойств из вышеприведенного списка несомненно присущи живым организмам Земли, но столь же несомненно, что внеземная жизнь совершенно не обязана ими обладать. Поэтому, когда мы наконец отправимся в путешествие по Галактике, мы можем на всякий случай захватить наш список с собой, но не будем слишком рассчитывать на то, что в наших поисках он нам пригодится.
Определения, основанные на описании жизни как процесса
В 1994, когда в NASA решили возвратиться к поискам жизни на просторах Галактики, была создана группа ученых‐экспертов, целью которой стала разработка критериев определения этого понятия. Следуя предложению, выдвинутому астрофизиком из Корнелльского университета Карлом Саганом, они определили жизнь как «самоподдерживающуюся химическую систему, способную к дарвиновской эволюции». Эта формулировка вошла в историю науки как «определение NASA», и, хотя она очевидно геоцентрична, мы, размышляя о возможных формах жизни на экзопланетах, увидим, что эта формулировка, несомненно, полезна.
Процесс дарвиновской эволюции называют также естественным отбором. Мы утверждаем, что, по всей вероятности, этот процесс должен действовать на подавляющем большинстве экзопланет.
Вот как он протекает на Земле. Каждый организм получает от своих родителей генетический материал, который влияет на свойства и качества этого организма. Эти свойства, в свою очередь, играют основную роль в определении того, проживет ли организм достаточно долго, чтобы передать генетический материал следующему поколению, – вам может быть знакома формулировка «выживает сильнейший» (или «наиболее приспособленный».) Постепенно в популяции будут накапливаться признаки, способствующие выживанию. Таким образом, с течением времени естественный отбор создаст организмы, хорошо приспособленные к окружающей их среде. Именно так и возникло то разнообразие форм жизни, которое мы видим на нашей планете.
Но хотя все живые организмы на Земле и являются продуктами естественного отбора, из этого не следует напрямую, что нечто, не являющееся продуктом естественного отбора, не может быть живым. Мы рассмотрим несколько вариантов таких ситуаций в главе 16, когда будем говорить о жизни,
Фактически, определение NASA – лишь одна из множества попыток дать определение жизни в терминах процессов, в результате которых она появляется. Это определение, в сущности, говорит, что для того, чтобы узнать, является ли что‐то живым, мы должны узнать, как оно появилось. Если организм возник в результате естественного отбора, то, в соответствии с этим определением, он живой. Рассматриваемый под таким углом, естественный отбор становится способом определения живого.
Для определения жизни пытались использовать и другие процессы. Один из самых интересных примеров связан с теорией систем: речь идет о так называемом свойстве эмерджентности. В этом случае мы определяем жизнь как эмерджентное свойство химических систем.
Пример, на котором проще всего объяснить, что такое эмерджентность, – куча песчинок. Представьте себе, что вы собираете кучу, добавляя к ней по одной песчинке. По мере увеличения числа песчинок взаимодействие сил внутри кучи становится все более и более сложным, хотя эти силы возникают в результате контактов между песчинками и ничего больше. В конце концов – скажем, на миллионной песчинке – происходит нечто новое: мы добавляем эту песчинку, и вдруг с какой‐то стороны кучи сходит оползень. Этот оползень – эмерджентное свойство песчинок. Суть здесь в том, что одна песчинка не станет причиной миллионной доли оползня, но при этом для того, чтобы куча песка пришла в движение, вам потребуется сначала собрать 1 000 000 песчинок.
Таким образом, сторонники этого определения заявляют, что жизнь есть проявление некоей химической лавины. Усложните химическую систему в достаточной степени, и вы, по всей вероятности, получите жизнь.
Главная сложность этого типа определений состоит в том, что они требуют весьма подробного и четкого знания о том, как именно рассматриваемая система пришла к состоянию, в котором сейчас находится. В главе 5 мы обсудим более сложные проблемы, которые ожидают нас при поиске следов жизни на других планетах, не говоря уж о том, чтобы выяснить, как эта жизнь развивалась. Даже на Марсе, куда мы можем посылать спускаемые аппараты и зонды и проводить измерения in situ, отыскать достаточно убедительные доказательства того, что жизнь там существует (или существовала), оказалось крайне трудно. Представьте, насколько трудно было бы не только обнаружить жизнь, но и проследить за ее эволюцией на далекой экзопланете.
Определения, сформулированные на основании законов термодинамики
Когда физики рассматривают какую‐то проблему, например определение жизни, их ключевой подход состоит в том, чтобы докопаться до самых базовых законов природы, действующих в исследуемой ими системе, какой бы эта система ни была. Этот метод известен нам по крайней мере со времен Исаака Ньютона, который обнаружил, что движение любого объекта, где бы во Вселенной он ни находился, можно описать тремя открытыми им законами. Как мы уже говорили в предыдущей главе, можно сказать, что цель физики – свести законы бытия Вселенной к системе уравнений, которая поместилась бы на футболке. Таким образом, когда физик думает о жизни на Земле, он вспоминает прежде всего о двух ключевых параметрах: энергии и энтропии. Эти параметры – сфера изучения термодинамики, науки, которая возникла и получила свое развитие в XIX веке. В предыдущей главе мы уже говорили о первом и втором законах термодинамики (не забыли про футболку?), которые можно сформулировать так:
Первый закон: Энергия может принимать множество переходящих друг в друга форм, но не может быть создана или уничтожена. Второй закон: Мера беспорядка в замкнутой системе со временем остается неизменной или растет, но не уменьшается.
Второй закон часто формулируется в терминах энтропии – величины, которую можно определить как меру беспорядка в системе: высокая энтропия соответствует высокой степени беспорядка, низкая – высокой степени упорядоченности.
Типичная аналогия, иллюстрирующая законы термодинамики, – спальня подростка. С течением времени комната становится все более и более захламленной (т. е., степень беспорядка в ней повышается, или, что, по сути, то же самое, она переходит в состояние со все более высокой энтропией). Мы можем представить себе захламленность как естественное «равновесное» состояние этой системы. Единственный способ избежать этой захламленности и тем самым удерживать систему в состоянии, далеком от равновесия, – постоянно заниматься уборкой. Этот процесс требует затрат энергии, а энергия, скорее всего, будет получена из еды, которую подросток (или, что более вероятно, его родители) ест. Избыток этой энергии будет – после того как уборка в комнате закончится – рассеян в пространстве в виде тепла. Это следует из первого закона – энергия, полученная из еды, должна куда‐то деваться и не может просто исчезнуть. Следовательно, чтобы поддерживать состояние высокой упорядоченности (или низкой энтропии), нам необходимо иметь постоянный приток энергии, проходящей через систему. На языке физиков мы говорим, что приток энергии поддерживает систему в высокоупорядоченном состоянии, далеком от равновесия.
Живая система, такая, как человеческое тело, находится именно в таком высокоупорядоченном состоянии, напоминающем чисто убранную спальню. Будучи предоставленными сами себе, атомы вашего тела быстро превратились бы в груду неструктурированного материала, наподобие захламленной спальни. Приток энергии, попадающей в организм во время приема пищи, а в конечном счете – поступающей от Солнца, удерживает тело в состоянии, далеком от равновесия – то есть кучки неупорядоченных атомов. Резюмируя все вышесказанное, мы можем заключить, что живая система – это система, которую приток энергии удерживает в состоянии, далеком от равновесия.
Впрочем, это даст нам не столько определение жизни, сколько ключевое свойство живой системы, свойство, которое может говорить о возможности жизни как таковой. На языке логики это необходимое, но не достаточное условие жизни. Другими словами, все живые системы должны иметь приток энергии для поддержания состояния с высокой степенью организованности – но не все системы, обладающие таким свойством, будут живыми. Растущая снежинка, к примеру, – высокоупорядоченная система, задействующая для своего роста энергию тепла, но она не живая.
Концепция жизни, определенной в терминах термодинамики, очень пригодится нам, когда мы будем обсуждать возможность жизни,
Немного о технике
В 1960 году палеонтологи Луис и Мэри Лики, во время раскопок в Олдувайском ущелье в Танзании, обнаружили ископаемые останки гоминида в окружении обломков каменных инструментов. Гоминид, позже названный
Когда‐то считалось, что изготовление орудий – одна из тех характеристик, которые, наравне с языком, отличают человека от других животных. Сегодня мы понимаем, что границы такого рода размыты гораздо сильнее, чем мы думали раньше. Мы можем наблюдать, как животные пользуются примитивными инструментами – шимпанзе, например, чтобы выманить термитов наружу и съесть их, втыкают палку в термитник. Однако утверждать, что эта палка и, скажем, «Боинг-747» в каком‐то смысле одно и то же, не слишком разумно. Как и с множеством других признаков, отличающих человека от остальных живых существ, в изготовлении орудий главное – степень проявления этого отличия, а не само отличие как таковое.
Вполне очевидно, что способность применять материалы окружающей среды для изготовления орудий – необходимое условие для возникновения технологического общества. Однако, когда мы задумываемся о жизни на экзопланетах, в этой связи возникает интересный вопрос. На Земле возможность изготавливать всё более сложные инструменты нашим предкам дала повсеместная доступность самых разных видов камня. То же самое относится и к работе с легкоплавкими металлами, в большом количестве присутствующими прямо на поверхности Земли или на достаточно небольшой глубине. Не будь этих металлов, мы бы все еще жили в каменном веке.
Но ведь наличие легкодоступных материалов для изготовления орудий не обязательно должно быть особенностью, присущей всем экзопланетам. В мире, покрытом водой, о котором мы поговорим в главе 8, камни и металлы вполне могут оказаться в дефиците, и развитие того, что мы могли бы назвать технологической цивилизацией, может стать по меньшей мере затруднительным. Таким образом, мы должны обращать внимание не только на присутствие жизни на экзопланетах, но и на наличие встречающихся там материалов, из которых местные формы жизни могли бы изготовить орудия труда и, таким образом, в конечном итоге создать технологическую цивилизацию.
4
Правила игры
Как должна работать каждая живая система
Как ни странно, несмотря на то, что определить, что такое жизнь, очень трудно, если вообще возможно, сформулировать свойства, которыми должна обладать жизнь на далеких планетах, – гораздо более простая задача. Дело в том, что мы довольно хорошо понимаем, как развивается и функционирует жизнь – по крайней мере, похожая на нашу – в том окружении, в котором она оказывается. К тому же, как мы расскажем ниже, «правила игры», которые управляют жизнью на Земле, должны быть верными для большинства видов жизни – и не только основанной на соединениях углерода. Таким образом, мы можем сформулировать правила, управляющие любым гипотетическим видом жизни в любой точке Галактики, если сможем понять, каковы эти правила здесь, на Земле. На основе этого понимания – и того, что зарождение жизни на Земле пока что остается единственным известным нам процессом ее возникновения, – в этой главе мы сначала поговорим о том, что нам известно о развитии жизни на нашей собственной планете, а затем попытаемся представить себе, как подобные процессы могли бы происходить в экзотических условиях экзопланет.
Таким образом, чтобы понять, как жизнь на нашей планете стала такой, какой она есть, нам потребуются ответы на два глобальных вопроса, а уже для того, чтобы получить она них ответы, пригодятся знания из самых разных областей науки. Первый из наших вопросов таков: как что‐то живое появилось из заведомо неживых составляющих, и известен нам как вопрос о происхождении жизни. Второй вопрос звучит следующим образом: уже после того, как возникли первые живые существа, каким образом развивались те разнообразие и сложность видов жизни, которые мы сейчас видим? Второй из этих вопросов несколько ближе к теме нашего разговора о гипотетической жизни на экзопланетах – и, к счастью, мы довольно неплохо понимаем, как этот процесс происходил на Земле. Наши современные представления о развитии жизни основаны на теории естественного отбора (или, что то же самое, дарвиновской теории эволюции), которую мы обсуждали в предыдущей главе в связи с определением жизни, данным NASA.
Происхождение жизни на Земле
Прежде чем мы приступим к подробному изучению происхождения жизни, следует сказать одну очень важную вещь. Живые системы на Земле в наши дни невероятно сложно устроены: они являются результатом миллиардов лет эволюции. Первое живое существо на нашей планете – мы можем назвать его универсальным общим предком – нисколько не было похоже на тех живых существ, которых мы видим вокруг себя сегодня. Оно должно было быть крайне примитивным и, вероятно, обладало лишь малой частью свойств современных клеток. Мы обнаружим, что всю сложность современных живых существ эти примитивные первоорганизмы обрели позже, в процессе естественного отбора.
В самом начале своей истории наша планета была дрейфующим в космическом пространстве расплавленным шаром – на ней не было ни внятной атмосферы, ни океанов, ни, тем более, какой бы то ни было жизни. Обращаясь вокруг Солнца по своей орбите, молодая Земля подвергалась постоянной бомбардировке космическими обломками – по сути, именно эти столкновения и давали ей количество тепла, достаточное для поддержания ее поверхности в расплавленном состоянии. Собственно, интересующий нас вопрос о происхождении жизни проще всего сформулировать следующим образом: как Земля пришла из этого состояния к появлению на ней хотя бы одного живого организма? При этом мы предполагаем, что большинство экзопланет земного типа (то есть небольших планет, на значительную часть состоящих из камня) имели схожие начальные условия – так, что наши рассуждения о происхождении жизни на этих планетах будут опираться на прошлое Земли.
Мы считаем, что образование газовых гигантов, наподобие Юпитера или Сатурна, шло другим путем: у них вокруг относительно небольшого твердого ядра быстро накапливались водород и гелий. Мы еще обсудим, значит ли это, что жизнь на подобных планетах могла возникнуть способом, отличным от того, как она появилась на Земле. Мы, однако, считаем, что внутренние структуры клеток обитателей газового гиганта будут отличаться от клеток существ, населяющих Землю, – некоторые из таких структур, например, могут напрямую управлять плавучестью.
Итак, первое, что произошло с Землей, когда она вышла из своего первичного расплавленного состояния, – она остыла, и ее наружный слой отвердел, превратившись в камень. Вода – частью из недр планеты, частью принесенная кометами и астероидами в виде льда – заполнила океанические впадины, подготовив тем самым почву для появления жизни. Некоторые геологические находки, например циркониевые кристаллы, внутри которых содержится вода, свидетельствуют о том, что 4,2 миллиарда лет назад жидкая вода на Земле уже была распространена повсеместно. Палеонтологические данные говорят, что жизнь появилась на Земле вскоре после того, как завершилась бомбардировка планеты крупными астероидами – самое позднее 3,8 миллиарда лет назад. Таким образом, тот, кто оказался бы на нашей планете 3,8 миллиарда лет назад, увидел бы океаны, кишащие цианобактериями (плотными сине‐зелеными водорослями). То есть можно сказать, что на Земле жизнь появилась очень быстро – буквально при первой возможности.
Это приводит нас к любопытной мысли. В эпоху «великой бомбардировки» ранней Земли были, вероятно, периоды – возможно даже, протяженностью в миллионы лет, – когда крупных столкновений с астероидами не происходило. И, если бы на протяжении одного из этих спокойных периодов на Земле развилась жизнь, она была бы затем уничтожена очередным ударом крупного астероида. Небесное тело размером всего лишь со штат Огайо, например, уже принесло бы с собой достаточное количество энергии, чтобы вскипятить все океаны Земли и на 1000 лет превратить ее атмосферу в сплошной раскаленный пар. Ни одна из форм примитивной жизни не пережила бы такого столкновения. А, насколько мы можем судить, подобные сценарии могли проигрываться в ранней истории Земли больше одного раза. Другими словами, наши микробиологические предки, вполне вероятно, не были первой формой жизни на нашей планете – они просто оказались первыми, кто сумел выжить и продолжить развиваться после последней крупной космической катастрофы. На протяжении ранней истории Земли жизнь могла возникать и исчезать десятки раз, но у нас сохранились свидетельства развития только той ее формы, которая уцелела после последнего из стерилизовавших планету астероидных ударов.
Первый шаг на пути зарождения жизни представлял собой процесс возникновения сложных молекул, содержащих атомы углерода. Раньше считалось, что сборка сложных углеродных цепочек, которые мы можем наблюдать в составе живых систем, была крайне сложным процессом – по сути, до середины XX века ученые старались просто обходить эту область исследований. По‐видимому, наиболее распространенным в научной среде оставалось мнение, что тема происхождения жизни в целом слишком запутанна (и, возможно, является скорее предметом интереса философии), чтобы стать частью научного мейнстрима.
Можно сказать, что изучение происхождения жизни сдвинул с мертвой точки один‐единственный эксперимент, проведенный в подвале здания химического факультета Чикагского университета в 1952 году. Нобелевский лауреат, химик Гарольд Юри (1893–1981) и его тогдашний аспирант Стенли Миллер (1930–2007) предприняли попытку воссоздать условия, которые могли существовать на юной Земле. Их установка была довольно несложной: она состояла из фляжки с водой (в роли океана), источника тепла (изображавшего воздействие Солнца), электрического разрядника (моделировавшего удары молний) и смеси водяного пара, метана, водорода и аммиака (что, по мнению Миллера и Юри, приблизительно соответствовало составу первичной атмосферы Земли). Экспериментаторы включили источник тепла и разрядник и оставили установку в таком виде на несколько недель. По прошествии этого времени вода превратилась в мутную темно‐бордовую смесь, и анализ показал присутствие в ней молекул аминокислот.
Здесь следует кое‐что пояснить. Одним из наиболее важных видов молекул, существующих в живых системах, являются белки – именно они управляют химическими реакциями во всех живых организмах на Земле. Белки состоят из аминокислот. По сути, молекулу белка можно представить в виде цепочки, каждое звено которой – какая‐либо аминокислота. Таким образом, Миллер и Юри доказали, что естественные процессы могут привести к возникновению основных «строительных кирпичиков» живых систем из материалов, совершенно очевидным образом не живых, но, по всеобщему мнению, в изобилии присутствовавших на ранней Земле.
Этот результат имел огромное влияние на изучение проблемы происхождения жизни – уже хотя бы потому, что перевел эту проблему из области философии в сферу науки. В проведенных вслед за экспериментом Миллера – Юри сериях аналогичных опытов были последовательно получены практически все важные молекулы, присутствующие в живых системах, включая участки цепочек ДНК и сложные белки. Как ни удивительно, но то, что, по мнению современных ученых, в своем эксперименте Миллер и Юри исходили из неверных представлений о составе первичной земной атмосферы, не имеет значения. Опыты с различными составами атмосферы и источниками энергии давали в целом сходные результаты, хотя и отличающиеся количественно, в соответствии с выбранным количественным составом атмосферы. Более того, сложные органические молекулы (в том числе аминокислоты) были обнаружены в метеоритах, межзвездных пылевых облаках и даже в состоящих из обломков околозвездных дисках, в которых образуются экзопланеты. То есть оказалось, что против всех ожиданий основные молекулярные «строительные кирпичики» жизни – довольно рядовой элемент Вселенной; по сути, они встречаются повсюду.
Таким образом, проблема происхождения жизни свелась к вопросу, как именно эти «строительные кирпичики» собираются в нечто, что мы однозначно воспринимаем как жизнь. Уже разработано множество теорий того, как это происходит, но ни одна из них до сих пор не получила всеобщего одобрения. Во всяком случае, опираясь на пример Земли, мы уверенно можем заключить одно: как бы конкретно эта сборка неживого в живое ни происходила, она происходила очень быстро.
В теориях, которые стали появляться после эксперимента Миллера – Юри, утверждалось, что в результате смоделированных Миллером и Юри процессов в атмосфере первичной Земли должны были возникнуть дожди из органических молекул, превративших океаны планеты в густую органическую среду – ее стали называть первичным бульоном. Вычисления показали, что это должно было произойти за несколько сотен тысяч лет – по геологической шкале времени практически за мгновение ока. Затем, утверждали теоретики, случайные взаимодействия между органическими молекулами должны были рано или поздно породить химическую конструкцию, способную к поглощению вещества из окружающей среды и к самовоспроизводству, – того самого универсального общего предка. За достаточно долгое время, заключали теории, что‐то вроде этого просто не могло не произойти. Дошло доже до того, что Смитсоновский институт спродюсировал фильм, в котором популярная ведущая кулинарных телепрограмм Джулия Чайльд смешивала первичный бульон у себя на кухне.
Увидело свет сразу несколько вариантов сценария с первичным бульоном: все они рассматривали те или иные варианты появления универсального общего предка. Чарльз Дарвин, например, когда‐то предполагал, что жизнь могла зародиться в «маленьком теплом пруду». Развивая эту идею, некоторые ученые утверждали, что при каждом высоком приливе богатая органическими молекулами вода должна была переливаться в прибрежные лужи. Из них вода постепенно испарялась, оставляя на дне лужи слой органических молекул. Таким образом, именно постепенно растущая концентрация молекул в луже и должна была привести к образованию случайной комбинации молекул – первому живому существу.
Довольно быстро возникли и другие теории. Каждая из них пыталась описать некое условие, облегчающее переход от «строительных кирпичиков» к самовоспроизводящимся клеткам. Была, например, высказана идея, что роль катализатора, запустившего первые необходимые для жизни химические реакции, могли играть электрические заряды на поверхности глинистых отложений. Другие теоретики полагали, что каждый пузырек океанской пены (или, в другой версии, каждую капельку жира в первичном бульоне) можно представить себе как самостоятельный химический эксперимент – ведь каждая такая капелька содержала внутри себя некое уникальное сочетание молекул. Согласно еще одному сценарию, жизнь зародилась внутри полости в камне вблизи глубоководной океанской впадины. (Преимущество этой схемы в том, что в ней нет необходимости в наличии первого общего предка как обладателя клеточной мембраны или клеточной стенки и, таким образом, необходимости в клеточном устройстве живого организма – ведь функционал клеточной мембраны выполняло бы само расположение полости внутри камня.)
Все эти модели происхождения жизни можно классифицировать как варианты теории «замороженной случайности». Их основное содержание состоит в том, что произвольные сочетания молекул продолжали появляться до тех пор, пока одно из них совершенно случайно не оказалось способным к самовоспроизводству. Как только это случилось, колесо жизни завертелось и процесс естественного отбора начался. Первое сочетание молекул, с которого все это началось, оказалось «заморожено», а все возможные конкуренты и опоздавшие остались ни с чем.
Вы можете всю жизнь жить рядом с «замороженной случайностью», даже не догадываясь об этом. Взгляните на клавиатуру вашего компьютера. Видите сочетание букв QWERTY в верхнем ряду клавишей? Эти так называемые QWERTY-клавиатуры были введены в употребление в XIX веке, чтобы уменьшить зацепление рычагов пишущих машинок друг за друга. По сути, эта раскладка оказалась той самой «замороженной случайностью» – хотя клавишами уже давно управляет электроника, а не механические рычаги, мы сохраняем первоначальную раскладку: слишком хлопотно было бы ее менять. Точно так же, если верить этим теориям, первая успешно воспроизводящаяся клетка стала основой всей последующей жизни – не потому, что она была лучшим вариантом из возможных, а потому, что оказалась первой.
Можно было бы продолжать рассказывать о других теориях «замороженной случайности», но вы, наверно, уже уловили главную мысль. Опыт Миллера – Юри породил настоящую лавину идей и гипотез в области происхождения жизни. Но по мере того, как ученые все больше узнавали об основах химии жизни, в этой области стали доминировать два крупных теоретических подхода. Мы назовем их «Мир РНК» и «Сначала обмен веществ».
Современные клетки функционируют достаточно своеобразно. Для того, чтобы в них могли идти химические реакции, поддерживающие в клетках жизнь, требуются особые молекулы, называемые ферментами или энзимами. В живых системах на Земле ферментами служат белки – это объясняет, почему публикация результатов опыта Миллера – Юри вызвала такой ажиотаж. В клетках информация, необходимая для сборки цепочек аминокислот, из которых состоят белки, закодирована в сложной молекуле, называемой ДНК; эта информация передается белкам еще одной системой сложных молекул – РНК. Но при этом первый шаг в процессе передачи данных представляет собой чтение кода ДНК, а для чтения кода опять‐таки требуются белки. Таким образом, перед нами классическая дилемма курицы и яйца. Чтобы декодировать ДНК, нам нужны белки, но мы не можем получить белки, пока не декодируем ДНК.
Возможный способ решения этой проблемы был обнаружен в начале 1980‐х, когда ученые открыли, что некоторые виды молекул РНК, помимо своей обычной роли в раскодировании ДНК, могут выступать также в роли ферментов (такие разновидности РНК называются
Ключевым для этой гипотезы является предположение о том, что как только появилась прото-РНК, первая примитивная клетка смогла использовать ее для выживания и для воспроизводства. Эта клетка и стала, таким образом, универсальным общим предком. Сложность же современной клетки – результат миллиардов лет последовавшего за этим событием естественного отбора.
Противоположная точка зрения – ее можно назвать «Сначала обмен веществ» – полностью отрицает идею «замороженной случайности». Согласно этой теории, первая живая система (или протоклетка) вообще не содержала ни ДНК, ни РНК. Она прошла через ряд простых химических реакций без участия сложных ферментов, исключительно посредством каталитического действия малых молекул. И лишь гораздо позже, в ходе естественного отбора, развилась химия современной клетки.
Вот простой пример, позволяющий представить, как это должно работать. Рассмотрим сеть федеральных скоростных автомагистралей в Америке. Невероятно сложная система, включающая огромную сеть дорог, гигантскую индустрию, обеспечивающую снабжение автомобилей горючим, собственно автомобильную промышленность и так далее. Если бы нам потребовалось объяснить, что представляет собой эта система сегодня, мы начали бы не с нанесения на карту уже существующей сети магистралей и попыток распределить по ним потоки автомобилей. Вместо этого мы бы вернулись в доколумбову Америку и изучили бы самую примитивную транспортную сеть, вроде сети пешеходных индейских троп. Потом поговорили бы о том, как эти тропы сменились немощеными дорогами, по которым ходили первые фургоны, как по ним поехали первые автомобили, как затем дороги стали мостить, строить на них заправочные станции, и так далее. Таким образом, шаг за шагом, мы бы в конце концов добрались и до нынешней системы во всей ее сложности, причем нам не понадобилось бы обращаться ни к каким маловероятным случайным событиям.
Какой из этих двух сценариев – «Мир РНК» или «Сначала обмен веществ» – реализовался на самом деле в ранней истории Земли, нам еще предстоит выяснить. Может быть, на самом деле обе этих гипотезы ошибочны? Все, что мы сейчас можем твердо сказать о том, как на нашей планете появилась жизнь, сводится к двум тезисам: 1) на Земле были богатые запасы основных молекулярных «строительных кирпичиков», необходимых для появления полноценных живых систем, и (2) как бы конкретно ни происходила «сборка» первого живого существа, она произошла быстро.
Другое происхождение, другая жизнь
Как бы ни зарождалась жизнь на Земле – по одному из упомянутых нами сценариев или как‐то совершенно иначе, – это не значит, что во всех остальных уголках Галактики жизнь может появиться таким и только таким путем. Даже в мирах, где существуют океаны жидкой воды, вполне возможны быть десятки, сотни, а может, и миллионы способов возникновения жизни. В этих мирах могут существовать различные молекулы, несущие разный генетический код и различные белки, управляющие химическими реакциями. И в нашем дальнейшем повествовании мы должны по возможности избегать того, что можно назвать «земным шовинизмом» – представления, что повсюду во Вселенной жизнь должна так или иначе походить на жизнь на Земле. Давайте посмотрим на некоторые возможные проявления таких различий.
Даже жизнь «как у нас» – то есть жизнь, основанная на химических реакциях, задействующих соединения углерода и происходящих в жидкой водной среде, – не обязательно должна быть точно такой же, как та, к которой мы привыкли на Земле. Взять хотя бы один пример – структуру белков, молекул, действующих как ферменты и управляющих химическими реакциями в земных живых системах.
Эти молекулы, как мы уже говорили, можно рассматривать как цепочки, звенья которых – молекулы меньшего размера, называемые аминокислотами. В лаборатории можно создать множество аминокислот – и это крупная и постоянно развивающаяся область исследований. Создаваемые таким способом белки, в которые входят не встречающиеся в природе аминокислоты, можно использовать для самых разных целей, от создания новых лекарств до производства биоразлагаемых контейнеров. Однако при этом в земных живых системах встречается довольно небольшое количество аминокислот (по разным версиям подсчетов, всего 20 или 22). Почему так? Может быть, это результат еще одной «замороженной случайности» в ранней истории Земли? Если это действительно так, то стоит ожидать, что живые организмы на других планетах состоят из белков на основе других аминокислот, не тех, что у нас, а значит, имеющих совершенно иную химию. Но если все же имела место какая‐то (пока неизвестная) причина, по которой конкретный набор аминокислот, на основе которого развилась жизнь на Земле, приобрел огромное эволюционное преимущество, тогда нам следует ожидать, что вся углеродная жизнь имеет генетический код, сходный с нашим. Подобные вопросы можно задавать почти о любом химическом свойстве земной жизни.
Вода широко распространена во Вселенной. Но нужна ли она для успешного существования углеродной жизни? Посмотрим на Юпитер: оказывается, это самое сухое место в нашей Солнечной системе – этакая пустыня Сахара планетарного масштаба. (Это сравнение вполне корректно: данные космической миссии Galileo показывают, что процентное содержание водяного пара в атмосфере Юпитера сопоставимо с его содержанием в Сахаре.) Однако мы знаем, что довольно сложные органические молекулы, вроде бензола, спокойно образуются в атмосфере Юпитера вследствие реакций, протекающих под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца. Это значит, что сложные молекулы могут образовываться и в средах, бедных водой. Мог ли процесс такого типа привести к реакциям, аналогичным опыту Миллера – Юри и в конечном счете – к появлению жизни?
Мы склонны считать, что в основе жизни должна лежать вода, потому что мы привыкли к этому на Земле и потому что вода – среда, крайне благоприятная для химических реакций. В конце концов, чтобы молекулы взаимодействовали, они должны иметь возможность двигаться и сталкиваться, а это, конечно, намного проще в жидкой среде. Но вода – не единственная жидкость в мире. На спутнике Сатурна, Титане, например, есть океаны, состоящие из жидкого этана и метана. Химические реакции в таких ультрахолодных средах должны, конечно, идти очень медленно, но нет никаких поводов предполагать, что жизнь обязательно должна быть ограничена такими же временны́ми рамками, как на Земле. На другом же конце интервала возможных температур мы можем представить себе планеты, раскаленные достаточно сильно, чтобы там могли существовать океаны жидкой магмы (лавы). Известные нам молекулы не могли уцелеть в таком аду, зато неизвестные, может, и могли бы. Как всегда, когда мы думаем о жизни вне Земли, мы встречаем больше вопросов, чем ответов.
Когда мы обращаемся к разговору о жизни, непохожей на нашу, – то есть жизни, основанной на химии атомов, отличных от углерода, – вопросы становятся более сложными. Мы довольно много знаем о том, как возникали или теоретически могли бы возникнуть основные «строительные кирпичики» углеродной жизни. Но вопрос о возникновении и развитии жизни на основе других видов молекул исследован очень мало. Нетрудно, однако, представить себе, что где‐то живет инопланетный ученый, организм которого состоит из кремния (или, скорее, из соединений кремния), и что он ставит опыт, эквивалентный эксперименту Миллера – Юри, чтобы понять, как возникла его разновидность жизни.
А если уж говорить о жизни,
Естественный отбор как инструмент эволюции
Коль скоро вопрос о происхождении жизни в данном конкретном мире решен и сборка самовоспроизводящейся единицы произошла, на сцену выходит совершенно новая группа механизмов. Представьте себе, что темп развития жизни резко переключился на другую скорость. Мы уже упоминали этот момент в предыдущей главе, когда говорили об определении жизни, данном NASA, и знакомились с дарвиновской теорией эволюции. В этом разделе мы расскажем, как этот процесс сформировал жизнь на Земле, приведем убедительные доказательства этой теории и аргументы в пользу того, что именно эволюционный процесс должен быть главным фактором, задающим вектор развития жизни на любой экзопланете.
Доводы в пользу существования естественного отбора базируются на двух довольно простых (и настолько же очевидных) фактах:
• Отдельные особи какого‐либо вида имеют различные характеристики, и эти характеристики могут передаваться от одного поколения к следующему (включая возможные случайные изменения, вроде мутаций земной ДНК).
• Особи каждого конкретного вида будут конкурировать за все ресурсы, доступные в окружающей их среде.
Собственно, все настолько просто. На Земле, например, разные особи какого‐либо вида несомненно имеют разные характеристики. Одни кролики способны бегать быстрее других; форма клюва одних птиц позволяет им добывать пищу лучше, чем другим; часть баранов способна спариваться чаще, чем другие. Когда Дарвин выдвинул свою теорию эволюции, он не имел никакого представления ни о том, почему все происходит именно так, ни о том, как именно признаки передаются от одного поколения к следующему. Но он знал, что индивиды отличаются друг от друга и что эти отличия могут наследоваться. Один из поводов испытать от чтения книги Дарвина «О происхождении видов» огромное наслаждение – внимательно следить за тем, как подробно автор обсуждает подробности разведения голубей, и представлять себе, как он часами сидит в местном пабе, разговаривая об этом с другими голубятниками. (Дарвин и в самом деле разводил голубей.)
Поделиться книгой: