Чтение онлайн

Например, представьте себе озеро где-то на еще молодой Земле. Предположим, что в этом озере было всего 10 различных аминокислот, способных образовывать пептиды; и предположим, что пептид длиной 20 аминокислот проявлял некоторую каталитическую функцию, делающую его предпочтительным для естественного отбора. Тогда Природе нужно было перепробовать всего 1020 комбинаций, чтобы наткнуться на этот пептид — все еще огромное число, но число, которое вполне могло уместиться в доступные временные рамки. Как только пептид был создан, естественный отбор обеспечил бы увеличение количества пептида в озере. Предположим, что в озере было создано 1000 различных «полезных» пептидов, каждый длиной 20 аминокислот. Если бы два таких пептида могли соединиться, образовав единую цепь, то могло бы образоваться 1 миллион различных пептидов длиной 40 аминокислот. Опять же, у Природы было бы достаточно времени, чтобы перепробовать все комбинации. Таким же образом могли быть синтезированы пептиды, содержащие 60 аминокислот, и 80, и 100… короче говоря, было время для возникновения белков в том древнем озере. И на ранней Земле были многие миллионы озер. (Конкретные возникшие белки, безусловно, были бы исторической случайностью. Перемотайте пленку истории назад, и белки, которые мы используем, могли бы быть совсем другими.)

Подобные аргументы, включающие пребиотическую молекулярную эволюцию, можно использовать для опровержения утверждения о том, что «ДНК генезиса» была чудесной случайностью. Однако такие аргументы могут быть излишними. Кажется правдоподобным, что исходной самореплицирующейся молекулой была не ДНК, а одна из разновидностей гораздо более простой молекулы РНК. Более того, РНК дает ответ на парадокс «курицы и яйца». В начале 1980-х годов Сидни Альтман и Томас Чех продемонстрировали, что некоторые типы молекул РНК также могут действовать как катализаторы; они могли играть роль ферментов. Эти РНК-ферменты — или рибозимы — привели к идее «мира РНК» — времени в ранней истории жизни, когда каталитическая РНК обеспечивала все химические реакции, необходимые для примитивных клеточных структур. В некотором смысле, ни курица, ни яйцо не появились первыми: каталитическая РНК действовала и как генетический материал, и как ферменты.[353]

Кажется, нет фундаментальной причины предполагать, что основные молекулы жизни не могли возникнуть в результате естественных процессов, имевших разумные шансы произойти. (Хотя, честно говоря, приходится признать, что химические пути, ведущие к первым молекулам РНК, все еще туманны. Последующая эволюция клеточных структур до LUCA столь же неясна. Существует несколько конкурирующих сценариев, каждый со своими преимуществами и недостатками. Кроме того, несколько вопросов — например, почему жизнь использует только левовращающую форму аминокислот, и является ли генетический код неизбежным или просто одним из множества возможных кодов — остаются нерешенными. Но прогресс в этих областях стремителен,[354] и можно ожидать, что картина станет более ясной в течение нескольких лет. Даже если окажется, что жизнь имеет совершенно иное происхождение, чем описанное выше, — а существует несколько других конкурирующих гипотез — нас еще не принуждают к гипотезе о том, что жизнь была какой-то странной случайностью.) Однако есть еще один последний аргумент, который следует рассмотреть относительно вероятности того, что ранняя Земля была местом зарождения жизни: парадоксально, но жизнь, похоже, возникла здесь слишком легко!

Когда на Земле возникла жизнь?

Рис. 5.23 Строматолитовая формация на Багамах. Строматолиты, подобные изображенному здесь, являются древнейшими известными окаменелостями. Самые старые из них, найденные в Западной Австралии, имеют возраст 3,5 миллиарда лет. (Автор: Винсент Пуарье)

Похоже, жизнь без особых проблем возникла на Земле. Мы знаем, что наша планета сформировалась около 4,55 миллиарда лет назад. Максимум через 700 миллионов лет после образования Земли — 3,85 миллиарда лет назад — похоже, что жизнь уже эволюционировала. Мы считаем, что это так, потому что некоторые осадочные породы в Исуа, Гренландия — породы, которые являются одними из старейших на этой планете — содержат изотопы углерода в соотношении, которое является признаком биологических процессов. Интерпретация этих измерений не лишена противоречий. Возможно, что небиологические процессы могут генерировать аналогичное изотопное соотношение углерода. Тем не менее, многие биологи признают, что жизнь существовала в это время.[355] Самые ранние окаменелости не намного моложе пород Исуа; строматолиты — холмы, сложенные слоями цианобактерий и захваченного осадка — сохранились в виде окаменелостей в Западной Австралии. Этим строматолитам 3,5 миллиарда лет.

Поспешность, с которой возникла жизнь, почти слишком быстра для комфорта. Временной интервал, упомянутый выше для возникновения жизни, а именно 700 миллионов лет, является верхним пределом: этот временной интервал сжимается с обеих сторон. С одной стороны, предположительно существовал некоторый эволюционный процесс, приведший к формам жизни, которые могли существовать в тех древних гренландских породах; безусловно, цианобактерии древней Западной Австралии обладали биохимией столь же сложной, как и более поздние формы жизни, и эта сложность должна была развиваться со временем. (Другими словами, если бы было возможно найти еще более древние породы, то мы вполне могли бы найти свидетельства жизни в этих породах — возможно, более простые формы жизни, но тем не менее жизнь. Жизнь могла возникнуть до того, как Земле исполнилось 700 миллионов лет.) С другой стороны, жизнь, предположительно, не могла выжить в условиях, которые существовали на самой ранней Земле. Начальный период после образования Земли, примерно от 4,55 до 3,9 миллиарда лет назад, называется Гадейской эрой. Недавние исследования предполагают, что земная кора сформировалась[356] всего через 160 миллионов лет после образования самой Солнечной системы. Однако, хотя существование коры, предположительно, означает, что условия на Земле не были слишком суровыми, ранняя часть Гадейской эры видела нашу планету усеянной большими быстро движущимися камнями, и некоторые из этих ударов имели бы огромную силу. Трудно осознать насилие буквально разрушившего Землю удара, который выбил материал, ставший нашей Луной. Конечно, удар должен был стерилизовать Гадейскую Землю — если какая-либо форма жизни существовала до удара, трудно представить, как она могла выжить. Таким образом, период в 700 миллионов лет, постулированный для возникновения жизни, является верхним пределом: фактический период, вероятно, был намного меньше этого.

Хотя несколько сотен миллионов лет могут показаться достаточным временем для эволюции жизни, стоит помнить, что разрыв между жизнью и нежизнью огромен, и что эволюция может быть медленным процессом. Как знаменито выразилась биолог Линн Маргулис: «Разрыв между нежизнью и бактерией намного больше, чем разрыв между бактерией и человеком». И все же этот разрыв был преодолен относительно быстро. Некоторым ученым трудно смириться с тем, что жизнь могла зародиться так рано на Земле без посторонней помощи, и они прибегли к гипотезе панспермии (см. Решение 6). Если жизнь пришла на Землю из глубин межзвездного пространства, то, предположительно, бесчисленное количество планет в Галактике было бы засеяно аналогичным образом; жизнь была бы повсюду, и парадокс Ферми остается таким же сильным, как и прежде. Однако если жизнь пришла на Землю с Марса, то это может указывать на то, что жизнь редка: эта возможность обсуждается далее в Решении 66.

Поиск жизни на других мирах

Конечно, есть прямой способ определить, может ли жизнь возникнуть в естественных условиях: мы могли бы попытаться найти ее на других планетах. Деятельность SETI — один из способов сделать это, но современная дисциплина астробиологии[357] подчеркивает другую возможность: мы могли бы искать примитивную жизнь в других местах Солнечной системы или попытаться наблюдать биосигнатуры — молекулы или явления, указывающие на прошлое или настоящее присутствие жизни — на далеких экзопланетах. Если бы мы нашли жизнь где-нибудь еще, даже простейшего микроба, то мы, по крайней мере, знали бы, что жизнь не уникальна для Земли. Обнаружение жизни всего лишь на одном другом мире почти наверняка рассказало бы нам что-то о том, как она возникла на этом. Это также сказало бы нам что-то о вероятном распространении жизни в Галактике.

Рис. 5.24 Если под льдом Европы есть океан, то для его исследования, вероятно, будет использоваться гидробот, подобный этому художественному изображению. Ученые НАСА в настоящее время изучают детали того, как отправить гидробот на Европу, заставить его проникнуть сквозь лед и достичь океана, не внося загрязнений, а затем заставить его отправить информацию обратно на Землю. (Автор: НАСА)

Ключевым ингредиентом жизни, по-видимому, является вода: найдите воду, и есть шанс найти жизнь. Мы знаем, что в прошлом Марс почти наверняка обладал водой; так что есть шанс — каким бы отдаленным он ни был — найти ископаемые остатки прошлой марсианской жизни. Энцелад, шестой по величине спутник Сатурна, наблюдался космическим аппаратом НАСА «Кассини» как обладающий большим подповерхностным океаном[358] жидкой воды — и луна, вероятно, также обладает источником энергии и питательными веществами. Это хорошее место для поиска жизни. Титан, самый большой спутник Сатурна, также может обладать подповерхностным океаном аммиачно-водного раствора. И два спутника Юпитера — Европа и Каллисто — потенциально могут обладать жидкой водой. Эти тела далеки от тепла Солнца, конечно, и на поверхности этих лун находятся толстые ледяные щиты, но геотермального и приливного нагрева может быть достаточно для поддержания жидкой воды глубоко под поверхностью. Эти четыре тела, возможно — просто возможно — являются домом для инопланетной жизни. Это не была бы жизнь, с которой мы могли бы общаться, но если бы мы знали, что жизнь возникла независимо в нашей Солнечной системе более одного раза, то как мы могли бы разумно утверждать, что жизнь редка во всей Галактике? Конечно, тогда миссия по исследованию этих лун — и особенно Энцелада — должна быть приоритетной. Астрономы, тем временем, настаивают на строительстве телескопов, которые могут искать биосигнатуры на планетах далеко за пределами нашей Солнечной системы. Если зарождение жизни является обычным явлением, то однажды, возможно, в не столь отдаленном будущем, наука найдет пример инопланетной жизни.

Решение 65: Возникновение жизни редко (еще раз)

Законы вероятности, такие верные в общем, такие ошибочные в частности… Эдвард Гиббон, Воспоминания о моей жизни и сочинениях

Лучший способ узнать, изобилует ли жизнь во Вселенной, — это выйти и посмотреть. Если бы мы обнаружили инопланетные формы жизни на множестве экзопланет, то мы могли бы быть достаточно уверены, что абиогенез — развитие жизни из пребиотических сред — является обычным явлением. Распространенность разумных форм жизни осталась бы неизвестной, но, по крайней мере, мы бы знали, что парадокс Ферми не может быть разрешен утверждением о редкости абиогенеза. Однако трудно провести соответствующие наблюдения, и неясно, как быстро астробиологи добьются прогресса в этом отношении. Учитывая трудности наблюдения, не можем ли мы попробовать теоретический подход? К сожалению для теоретиков, нам не хватает критически важной информации: мы не знаем скорости абиогенеза в единицу времени и в единицу объема как функции пребиотических химических и физических условий. В отсутствие этой информации один из способов продолжить — использовать наши знания о том, что жизнь возникла по крайней мере один раз на ранней Земле, и использовать эти знания, чтобы попытаться оценить вероятность абиогенеза на землеподобной планете.

Если абиогенез маловероятен, то — по определению — пройдет много времени между тем, как планета достигнет условий, подходящих для жизни, и тем, как жизнь действительно разовьется. Однако на нашей планете прошел относительно короткий период времени между остыванием Земли и появлением жизни. Указывает ли поспешность, с которой клетки появились на Земле, на то, что зарождение жизни из неживой материи — это простой процесс? Можем ли мы заключить из примера Земли, что вероятность абиогенеза вряд ли мала[359] — и, следовательно, что жизнь, вероятно, распространена во Вселенной? Я должен признать, что долгое время я считал, что это почти наверняка так, но является ли это разумной точкой зрения, учитывая имеющиеся у нас доказательства?

Если мы собираемся обсуждать вероятность абиогенеза, концепцию, о которой у нас крайне мало информации, то мы должны использовать правильный подход к вероятности. Существуют две системы взглядов на вероятность.

Первая — интерпретировать вероятность как частоту, с которой результат происходит при многократном повторении эксперимента. Если вы подбросите идеальную честную монету миллиард раз, то, плюс-минус несколько бросков, монета выпадет орлом полмиллиарда раз. Таким образом, вероятность выпадения орла равна 0,5. С этим все могут согласиться. Проблема этого подхода в том, что в большинстве ситуаций вы не можете повторить эксперимент. Если вас просят выступить в качестве присяжного заседателя и вы должны решить вопрос о виновности подсудимого вне всяких разумных сомнений, то вероятность становится вопросом «степени уверенности», а не частоты возникновения. Этот второй подход к вероятности — степень уверенности в исходе, а не частота, с которой исход происходит, — имеет дело с запутанными реалиями мира, в котором мы живем. Он количественно определяет степень уверенности, которую вы должны иметь в гипотезе при наличии некоторых доказательств; по мере изменения доказательств должна меняться и степень уверенности. (Знаменитого экономиста Джона Мейнарда Кейнса однажды упрекнули за то, что он изменил свое мнение по ключевым вопросам. Он вполне резонно ответил: «Когда моя информация меняется, я меняю свои выводы. А что делаете вы, сэр?»)