Чтение онлайн

Жизнь на Земле хорошо адаптировалась к изменениям климата в прошлом, но трудно представить, как могли бы процветать развитые наземные животные, если бы здесь повторилась марсианская схема изменений наклона оси вращения. Жизнь на Земле, безусловно, не развилась бы в те формы, которые мы видим сегодня.

В приведенном выше обсуждении много «если», «но» и «возможно». Мы не знаем, необходим ли большой спутник для того, чтобы планета стала подходящим домом для сложных форм жизни. Наш эгоцентричный взгляд неизбежно предвзят. Мы считаем, что Луна была полезна для развития жизни здесь, но мы не знаем, была ли бы жизнь невозможна без нее. Возможно, если бы мы жили на безлунном мире, мы были бы благодарны, глядя вверх и не видя огромного куска скалы, висящего в небе.

И все же это навязчивое подозрение остается. Возможно, двойные планеты, такие как наша система Земля-Луна, необходимы для жизни по ряду причин. И все же они, похоже, формируются в результате случайных событий. Возможно, уникальность нашего спутника объясняет, почему мы одиноки. Возможно, в этом и заключается трагедия Луны.

Решение 64: Возникновение жизни редко

Решение проблемы жизни видится в исчезновении проблемы. Людвиг Витгенштейн, Логико-философский трактат

Ответ Харта на вопрос Ферми (см. Решение 50) заключался в том, что зарождение жизни почти чудесным образом редко. С практической точки зрения, мы одни: Земля обладает единственной разумной жизнью — единственной жизнью — в видимой части бесконечной вселенной. Это чудо теряет часть своего блеска в бесконечной вселенной, поскольку в этом случае бесконечное число планет обладает разумными формами жизни. Однако довольно трудно принять идею бесконечной вселенной с бесконечным числом обитаемых планет, не в последнюю очередь потому, что существовало бы бесконечное число вас и меня, размышляющих над вопросом Ферми. Это трудно принять. Не можем ли мы вместо этого принять часть идеи Харта? Можем ли мы отказаться от астрономического понятия бесконечной вселенной и рассуждать исключительно с точки зрения биологии? Возможно, жизнь — это не чудо, но тем не менее возникает лишь редко. Возможно, вселенная кажется стерильной, потому что — за исключением земного острова жизни — она и есть стерильна.

Абиогенез — процесс, посредством которого неживая материя порождает жизнь — может быть редким; а может и нет. Ученые в настоящее время не знают, как возникла жизнь, и поэтому никто не может надежно оценить вероятность того, что материя сделает шаг от неодушевленного к одушевленному. Сама по себе невероятность абиогенеза может действительно разрешить парадокс Ферми; или может оказаться, что землеподобные миры почти всегда развивают жизнь. Биологи добились успехов в последние десятилетия в попытках понять происхождение жизни, поэтому, хотя остаются два диаметрально противоположных мнения (как это обычно бывает с любым аспектом парадокса Ферми), с одной группой, утверждающей, что Природе трудно создать жизнь, и другой группой, утверждающей, что жизнь почти наверняка появится, как только позволят планетарные условия, мы можем надеяться, что вопрос будет решен до того, как пройдет еще много десятилетий. Тем временем стоит рассмотреть достоинства обеих позиций, чтобы увидеть, какой свет это проливает на парадокс Ферми. Однако сначала нам нужно сделать длинное отступление и рассмотреть, что мы подразумеваем под «жизнью» и как жизнь на Земле могла возникнуть.

Что такое жизнь?

В школе мой учитель всегда мог найти лазейки в попытках нашего научного класса дать определение жизни. Он указывал, что, согласно некоторым из наших определений, огонь жив (поскольку он растет, воспроизводит себя и так далее). С другой стороны, согласно нашим определениям, мул не жив (поскольку он не может воспроизводить себя). Для целей этого раздела я попробую представить другое определение земной жизни. Мой старый учитель, вероятно, все еще мог бы найти несколько лазеек в определении, и в любом случае определение может быть неуместным в будущем. (Через десять лет, возможно, ученые разработают самосознающий компьютер. Будет ли компьютер жив? Или через столетие, возможно, исследователь миссии Альтаира обнаружит дурно пахнущий розовый кристалл, который каждое утро превращается в слизь, цепляясь за борта космического корабля и поедая металл. Жива ли эта слизь? В обоих случаях, согласно моему определению, ответ был бы «нет» — хотя, возможно, ответ должен быть «да». Однако нам нужно с чего-то начать, и приведенное ниже определение, по крайней мере, составляет основу для обсуждения.)

Я определяю нечто как живое, если оно обладает следующими четырьмя свойствами.

Во-первых, живой объект должен состоять из клеток. Каждое живое существо на Земле состоит либо из одной клетки, либо из совокупности клеток. Если бы мы знали, как возникли клетки, то мы вполне могли бы быть на пути к пониманию того, как возникла сама жизнь.

Существуют два совершенно разных типа клеток: прокариоты и эукариоты. Прокариотические клетки лишены центрального ядра. Они простые, маленькие и существуют в различных типах. Прокариотические организмы чрезвычайно успешны, в значительной степени потому, что их простота означает, что они могут быстро размножаться. Относительно недавнее и глубокое открытие заключается в том, что существуют два разных типа прокариот:[346] археи и эубактерии — или «настоящие» бактерии (или, как я буду писать для простоты, просто бактерии). Рисунок 5.17 иллюстрирует некоторые типичные археи. Два типа прокариотических клеток, по-видимому, не имеют значительно более тесной связи друг с другом, чем с эукариотическими клетками. Эукариотические клетки намного сложнее прокариотических; внутри внешней мембраны находится огромный набор биохимических механизмов и ядро, заключенное в собственные ядерные мембраны. Эта сложность требует, чтобы эукариотические клетки обычно имели в 10 000 раз больший объем, чем прокариотические клетки. Эукариоты способны собираться, образуя сложные многоклеточные организмы — растения, грибы и животных.

Таким образом, в живом мире существует три домена: археи, бактерии и эукарии. По этому определению вирусы и прионы неживые.

Рис. 5.17Четыре различных типа архей. Вверху слева: Nanoarcheum equitans. Этот организм был обнаружен в гидротермальном источнике у побережья Исландии и процветает при температурах 80°. Её клетки невероятно малы — всего 400 нм в диаметре. (Авторы: Р. Рэйчел и Х. Хубер) Вверху справа: Methanococcus maripaludis. Эта архея процветает в относительно умеренных условиях, но кислород для неё ядовит. (Авторы: С.И. Айзава и К. Учида) Внизу слева: Thermococcus gammatolerans. Это самый устойчивый к радиации организм, известный науке. Она процветает при температурах от 55 до 95°C. (Автор: А. Тапиас) Внизу справа: Haloquadratum walsbyi. Эта архея процветает в чрезвычайно соленых средах и уникальна тем, что имеет квадратную форму клетки. (Авторы: М.А.Ф. Нур, Р.С. Парнелл и Б.С. Грант)

Рис. 5.18 Сильно упрощенная схема древа жизни. Древо содержит три домена: археи, бактерии и эукариоты. Домен эукариот включает знакомые царства животных, растений и грибов. На такой диаграмме Homo sapiens выглядел бы как один листок среди бесчисленного множества других листьев. Диаграмму не следует воспринимать слишком буквально, но она показывает, что жизнь на Земле обладает огромным единством. (Автор: Мадлен Прайс Болл)

Во-вторых, живой объект должен обладать метаболизмом. Метаболизмом мы называем совокупность процессов, позволяющих клетке или совокупности клеток получать энергию и материалы, преобразовывать их для своих нужд и выделять продукты жизнедеятельности. Другими словами, все живые организмы нуждаются в каком-либо виде пищи, и все живые организмы производят отходы. (У огня есть метаболизм, как отметил бы мой старый учитель естествознания, но мы не должны считать огонь живым, так как он не соответствует другим критериям.) Метаболизм происходит благодаря каталитическому действию ферментов: без ферментов различные биохимические реакции, происходящие в клетках, просто не могли бы идти. В свою очередь, ферменты состоят из белков. Поэтому белки являются жизненно важным компонентом жизни, по крайней мере, здесь, на Земле. Как мы увидим позже, инструкции по созданию различных белков, необходимых для существования клетки, содержатся в ее дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК), в то время как биохимический аппарат синтеза белка основан на ее рибонуклеиновой кислоте (РНК). В краткой форме: ДНК создает РНК, РНК создает белки.

В-третьих, живой объект может размножаться или происходит от объектов, которые могли размножаться. Клетки могут размножаться либо поодиночке, либо половыми парами, и механизмом размножения является ДНК. Таким образом, очевидно, что ДНК играет центральную роль в живых организмах — насколько центральную, мы скоро выясним. Обратите внимание, что кристаллические структуры могут воспроизводиться; однако им не хватает вариативности, которая возникает при размножении живых организмов. Репликация, а не размножение, является лучшим термином для роста кристаллов, и, конечно, нам не нужно считать кристаллы живыми. С другой стороны, мулы и другие стерильные организмы произошли от существ, которые могли размножаться, и поэтому нам не нужно классифицировать мулов как неживых.

В-четвертых, жизнь эволюционирует. Дарвиновская эволюция — естественный отбор, действующий на наследственную изменчивость — является ключевым аспектом жизни.

Этих четырех свойств — клетки, метаболизм, размножение и эволюция — достаточно, чтобы на них основывать обсуждение жизни, даже если само определение можно было бы улучшить. Теперь мы можем задать вопрос: как зародилась жизнь?

Как зародилась жизнь?

Стоит сразу заявить, что никто не знает, как началась жизнь. Тем не менее, в последние годы был достигнут огромный прогресс в двух направлениях: с одной стороны, отслеживание родословной жизни как можно дальше в прошлое, а с другой — попытка понять химические пути, которые могли привести к самым ранним формам жизни. (Существуют и другие многообещающие подходы к проблеме абиогенеза, но недостаток места не позволяет нам их обсудить.)