Предисловие Бориса Штерна
Мы давно планировали провести дискуссию, связанную с вечным вопросом о месте человека во Вселенной. Это, конечно, про внеземную жизнь и планеты у других звезд. В настоящий момент известно чуть меньше 6 тыс. экзопланет, из которых две с лишним тысячи ждут независимого подтверждения. Но для статистических исследований можно использовать все 6 тысяч.
Среди них очень мало планет, предположительно пригодных для жизни. Это естественно, потому что их труднее всего искать: против землеподобных планет работает очень мощный эффект селекции. Они слишком легкие, чтобы их можно было вылавливать методом лучевой скорости звезды, а год у них слишком длинный, чтобы их транзиты можно было бы уверенно раскопать в данных космического телескопа «Кеплер»1. Исключение — планеты в зоне обитаемости красных карликов, которые открыты у нас под самым носом, их искать гораздо легче. Таких планет очень много, но, увы, красные карлики очень неудобны для жизни рядом с ними. Однако экстраполяция данных «Кеплера» по «горячим землям» у звезд типа Солнца дает весьма оптимистический результат: по крайней мере 15% таких звезд имеют планеты в своей зоне обитаемости. Эта оценка получена независимо многими авторами, и со временем она становится всё более оптимистичной: 20% и даже четверть солнц обладают землями. Это значит, что ближайшая к нам звезда класса G или К с землей на орбите в области обитаемости находится в пределах 15 световых лет. Таких звезд немного, и уже появляются кандидаты, например Тау Кита. А в радиусе, скажем, 30 световых лет таких планет множество.
Методы наблюдений постепенно прогрессируют. С помощью усовершенствованного инструмента HARPS будут обнаружены новые близкие землеподобные планеты. В следующем десятилетии с помощью таких инструментов, как исполинский Чрезвычайно большой телескоп (ELT) и космический телескоп «Джеймс Вебб», мы узнаем кое-что об атмосферах некоторых планет земного типа. И не исключено, что в спектре поглощения атмосферы какой-то транзитной планеты (проходящей по диску звезды) проявится кислород. Если звезда не чрезмерно активна и достаточно стара, кислород может быть только биогенным. Так может быть обнаружена внеземная жизнь.
Реально ли это? Если жизнь возникает в любом углу как только для нее появляются условия — почему бы и нет? Но так ли это? Часто приводится аргумент, что жизнь на Земле появилась очень быстро, значит, дело обстоит именно так — достаточно немногих сотен миллионов лет, чтобы она появилась в каком-нибудь бульоне. Но есть и контраргумент — подходящий «бульон» может существовать только на молодой планете — жизнь возникает либо быстро, либо никогда.
И, конечно, есть противоположная точка зрения: жизнь — редчайший феномен, основанный на совершенно невероятном совпадении. Наиболее обстоятельная точка зрения на этот счет, профессиональная и с количественными оценками высказана Евгением Куниным. Жизнь основана на копировании длинных молекул, изначально это были молекулы РНК. Копирование производится неким устройством, называемом «репликазой» (эти строки написаны физиком, потому терминология с точки зрения биолога несколько неуклюжая). Репликаза ниоткуда не возьмется, если она не запрограммирована в той же копируемой РНК.
По оценке Кунина, для того, чтобы стартовало самовоспроизведение РНК, а с ним и эволюция, «как минимум, необходимо спонтанное появление следующего.
- Две рРНК с общим размером не менее 1000 нуклеотидов.
- Примерно 10 примитивных адаптеров по 30 нуклеотидов каждый, в целом около 300 нуклеотидов.
- По менышей мере одна РНК, кодирующая репликазу, размером примерно 500 нуклеотидов (оценка снизу). В принятой модели n = 1800, и в результате Е < 10–1081».
В приведенном фрагменте имеется в виду четырехбуквенная кодировка, число возможных комбинаций 41800 = 101081, если лишь немногие из них запускают процесс эволюции, то вероятность нужной сборки на одну «попытку» спонтанной сборки ~ 10–1081.
Никакого противоречия в том, что результат у нас перед глазами, нет: согласно теории инфляции Вселенная огромна, на десятки порядков больше ее видимой части, и если понимать под вселенной замкнутое пространство, то и вселенных с таким же, как у нас вакуумом, гигантское множество. Самая ничтожная вероятность где-то реализуется, породив удивленного созерцателя.
Эти две крайности много значат с точки зрения нашего места во Вселенной. В любом случае мы одиноки. Но если жизнь существует в десятках световых лет от нас — это технологическое одиночество, преодолеваемое развитием и тысячелетним терпением. Если справедлива оценка Кунина — это фундаментальное одиночество, не преодолеваемое ничем. Тогда мы и земная жизнь — единственный в своем роде феномен в причинно-связанном объеме Вселенной. Единственный и ценнейший. Это важно для будущей стратегии человечества. В первом случае основа стратегии — поиск. Во втором случае — посев (есть даже такой термин «направленная панспермия»), который тоже включает в себя поиск подходящей почвы.
Всё это заслуживает дискуссии. Нет ли лазеек сквозь аргументацию Кунина? Не просматриваются ли какие-либо механизмы в обход «неупрощаемой сложности» репликатора РНК? Правда ли она такая уж неупрощаемая? И т. д.
Мы обратились к нескольким биологам с просьбой высказать свое мнение.
Александр Марков, докт. биол. наук, вед. науч. сотр. Палеонтологического института РАН, зав. кафедрой биологической эволюции биофака МГУ:
Оценка Евгения Кунина, из которой следует, что мы безнадежно одиноки во Вселенной, основана на одном ключевом допущении. Кунин полагал, что для того, чтобы стартовал процесс репликации РНК (а с ним и дарвиновская эволюция; этот момент логично считать собственно моментом зарождения жизни), было необходимо, чтобы чисто случайно — в результате случайного комбинирования полимеризующихся (например, на минеральных матрицах) рибонуклеотидов — появился рибозим с РНК-полимеразной активностью, т. е. длинная молекула РНК, обладающая вполне определенной (а не какой попало) последовательностью нуклеотидов и благодаря этому способная эффективно катализировать репликацию РНК.
Если другого пути, другого «входа» в мир живых из мира неживой материи не существует, то Кунин прав, и нам следует оставить надежду найти во Вселенной какую-либо жизнь, кроме земной. Можно предполагать, что всё начиналось не с одной-единственной высокоэффективной полимеразы, а, например, с некого содружества небольших, малоэффективных полимераз и лигаз (рибозимов, умеющих сшивать короткие молекулы РНК в более длинные): возможно, это сделает оценку чуть-чуть более оптимистичной, но принципиально ситуацию не изменит. Потому что всё равно первый репликатор был весьма сложным, а появиться он должен был без помощи дарвиновской эволюции — по сути случайно.
Реальной альтернативой является неферментативная репликация РНК (НР РНК): процесс, в ходе которого молекулы РНК реплицируются без помощи сложных рибозимов или белковых ферментов. Такой процесс существует, его катализируют ионы Mg2+, но идет он слишком медленно и неточно — по крайней мере в тех условиях, которые успели перепробовать исследователи.
Однако есть надежда, что все-таки удастся найти некие правдоподобные условия (которые в принципе могли бы существовать на каких-то планетах), когда НР РНК идет достаточно быстро и точно. Может быть, для этого нужен какой-то относительно простой катализатор, способный синтезироваться абиогенным путем. Возможно, в роли таких катализаторов могут выступать простые абиогенные пептиды с несколькими отрицательно заряженными остатками аспарагиновой кислоты, удерживавшие ионы магния: похожие активные центры есть у белковых РНК-полимераз, и такая возможность сейчас прорабатывается.
Вопрос о возможности эффективной НР РНК имеет принципиальное значение для оценки вероятности зарождения жизни. Если НР РНК возможна, то живых планет в обозримой Вселенной может оказаться не так уж мало. Принципиальные различия между двумя сценариями — с возможной и невозможной НР РНК — отражены в таблице. Если НР возможна, то дарвиновская эволюция могла начаться практически сразу после появления первых коротких молекул РНК. Селективное преимущество должны были получить те молекулы РНК, которые эффективнее размножались посредством НР. Это могли быть, например, молекулы с палиндромными повторами, которые могли сами себе служить праймерами — «затравками» для репликации; палиндромы могут сворачиваться в трехмерные структуры — «шпильки», что повышает вероятность появления у молекулы РНК каталитических свойств. Так или иначе, после того, как дарвиновская эволюция стартовала, дальнейшее развитие жизни определялось уже не только случайностью, но и закономерностью.
Оценки вероятности (частоты) зарождения жизни при этих двух сценариях должны различаться на огромное число порядков (хотя точные цифры, конечно, никто не назовет). Важно еще отметить, что если жизнь зародилась «по Кунину», т. е. благодаря случайной сборке эффективного рибозима-полимеразы, то принцип комплементарности (специфического спаривания нуклеотидов), на котором основана способность РНК к размножению и эволюции, оказывается неким «роялем в кустах», не имевшим никакого отношения к тому факту, что на планетах накопилось настолько огромное количество молекул РНК, что на одной из планет случайно появился эффективный рибозим с РНК-полимеразной активностью. Если же жизнь зародилась «по Шостаку» (нобелевский лауреат Джек Шостак сейчас активно изучает НР РНК и верит, что именно этот процесс является ключом к тайне происхождения жизни), то комплементарность не была «роялем в кустах», а работала с самого начала. Это делает весь сценарий происхождения жизни намного более убедительным и логичным. Я бы поставил на Шостака.
Таким образом, сейчас всё зависит от успехов специалистов в области пребиотической химии. Если они найдут реалистичные условия, в которых хорошо идет НР РНК, то у нас есть шанс обнаружить жизнь на других планетах. А если нет, то… надо искать дальше.
Армен Мулкиджанян, докт. биол. наук, Оснабрюкский университет (Германия), вед. науч. сотр. МГУ:
Трудно спорить с тем, что жизнь возникла давно и на молодой Земле. Земля сложена из хондритных пород, как и метеориты. Разогрев этих пород при образовании Земли вызывал таяние принесенной с хондритами воды. Взаимодействие воды с разогретой, восстановленной породой должно было приводить к высвобождению электронов, образованию водорода и восстановлению двуокиси углерода (СО2) до различных органических соединений. Подобные процессы всё еще идут в зонах геотермальной активности, например на геотермальных полях, однако с малой интенсивностью. Так что образование органики в больших количествах можно ожидать и на молодых планетах других звезд. Вероятность того, что при этом может возникать жизнь, можно оценить, рассмотрев эволюцию земной жизни.
Первые два миллиарда лет на Земле жили только микробы. Так продолжалась бы и дальше, но где-то 2,5 млрд лет назад фотосинтезирующие бактерии научились использовать энергию света для разложения воды. Фотосинтез исходно возник как замена затухавшим геохимическим процессам «сброса» избыточных электронов. При фотосинтезе энергия света используется для окисления различных соединений, т. е. для «отбирания» у них электронов, фотоактивации этих электронов и восстановления ими в конечном счете СО2 до органических соединений. Система разложения воды возникла в результате постепенной эволюции более простых фотосинтетических ферментов, сохранившихся у некоторых бактерий. Есть несколько весьма правдоподобных сценариев того, как такие ферменты, используя свет и хлорофилл, сперва окисляли сероводород (да и сейчас у кое-кого окисляют), потом, по мере исчерпания сероводорода в среде, стали отбирать электроны у ионов двухвалентного железа, потом — у ионов марганца. В итоге они как-то научились разлагать воду. При этом отбиравшиеся у воды электроны шли на синтез органики, а как побочный продукт высвобождался кислород. Кислород — очень сильный окислитель. Пришлось от него защищаться. Возникновение многоклеточности, теплокровности и в конце концов разума — это всё разные этапы защиты от окисления атмосферным кислородом.
Разложение воды осуществляется в уникальном каталитическом центре, содержащем кластер из четырех атомов марганца и одного атома кальция. В этой реакции, требующей четырех квантов света, разлагается сразу две молекулы воды (2 H2O) с образованием одной молекулы кислорода (О2). Для этого нужна энергия четырех квантов света. На атомах марганца в ответ на поглощение трех квантов света последовательно накапливаются три электронные вакансии («дырки»), и только при поглощении четвертого кванта света обе молекулы воды окисляются, дырки заполняются электронами и образуется молекула кислорода. Хотя структуру марганцевого кластера недавно определили с высокой точностью, как работает это четырехтактное устройство до конца не понятно. Неясно также, как и почему в каталитическом центре, где у первобытных фотосинтезирующих бактерий, по-видимому, окислялись ионы марганца, четыре его атома объединились с атомом кальция в кластер, способный разлагать воду. Термодинамика участия хлорофилла в окислении воды тоже загадочна. Теоретически, хлорофилл при освещении может окислять и сероводород, и железо, и марганец, но только не воду. Однако окисляет. В общем, это как про шмеля: «По законам аэродинамики шмель летать не может, но он об этом не знает и летает только поэтому».
Оценить вероятность возникновения системы разложения воды очень сложно. Но эта вероятность весьма мала, так как за 4,5 млрд лет такая система возникла лишь однажды. Никакой особой нужды в ней не было, и без нее микробы процветали бы на Земле, будучи включенными в геохимические циклы. Более того, после появления кислорода в атмосфере бóльшая часть микробной биосферы должна была погибнуть или, точнее, сгореть — взаимодействие органики с кислородом и есть горение. Выжили только микробы, научившиеся дышать, т. е. быстро восстанавливать кислород обратно до воды прямо на своей внешней оболочке, не допуская его внутрь, а также обитатели немногих оставшихся бескислородных экологических ниш.
Эта история может служить примером относительно недавнего (каких-то 2,5 млрд лет назад) и относительно понятного события, приведшего к резкому увеличению сложности живых систем. При этом всё началось с постепенных изменений фотосинтетических ферментов. Потом имело место разовое и очень нетривиальное эволюционное изобретение (марганцево-кальциевый кластер), которого могло бы и не быть. Последующие грандиозные изменения были реакцией на появление в атмосфере «ядовитого» кислорода: на полную мощность включился дарвиновский отбор, пришлось учиться дышать глубже и шевелить мозгами.
Итого имеем процесс, проходящий в три стадии: (1) постепенные изменения — (2) разовое маловероятное событие — (3) дальнейшая эволюция, но уже на другом уровне или в других условиях. Можно рассматривать эту схему как молекулярный аналог классической схемы ароморфозов Северцова.
Если посмотреть на посткислородную эволюцию, можно идентифицировать еще несколько таких маловероятных разовых событий, менявших ход эволюции. Это и «сборка» сложной эукариотической клетки, и появление сосудистых растений, и разнообразные «прорывы» в эволюции животных, о которых, собственно, Северцов и писал.
Возникновение жизни, которое в рамках гипотезы «мира РНК» понимается как появление самовоспроизводящихся ансамблей молекул РНК (репликаторов), также можно представить как трехстадийный процесс.
1) Подготовительная стадия: Рибонуклеотиды, образующие РНК, умеют спонтанно «собираться» из простых молекул вроде цианида или формамида под действием ультрафиолетового (УФ) света. Его на молодой Земле было в достатке; поглощающего ультрафиолет озона в атмосфере еще не было, так как не было кислорода, см. выше. Как показали Поунер и Садерланд (Манчестерский университет), на УФ-свету «отбираются» нуклеотиды в особой, «активированной», циклической форме, такие нуклеотиды способны спонтанно образовывать цепочки РНК. Причем двойные, уотсон-криковские цепочки РНК существенно устойчивее к УФ-излучению, чем одиночные, — этот результат описан Евгением Куниным в его самой первой опубликованной работе в далеком 1980 году. То есть на молодой Земле за счет потока «лишних» электронов могли образовываться самые разные органические молекулы, но под действием жесткого солнечного излучения «выживали» в первую очередь РНК-подобные молекулы, предпочтительно свернутые в спиральные структуры.
2) Разовое, маловероятное событие: ансамбль из нескольких РНК-подобных молекул начал сам себя копировать (миллиарды лет спустя подобные самокопирующиеся РНК-ансамбли удалось получить РНК-селекцией в лабораторных условиях).
3) Последующая эволюция: РНК-репликаторы стали конкурировать между собой за ресурсы, эволюционировать, объединяться в бóльшие сообщества и т. д.
Недостаток этой гипотетической схемы в том, что не известны ни молекулярные детали возникновения РНК-репликаторов, ни природные факторы, способствовашие их отбору. Надежду дает то, что в случае следующего по значимости (и по очереди) эволюционного события, а именно возникновения рибосом, машин для синтеза белка, молекулярные детали реконструировать удалось. Это было сделано различными методами в четырех лабораториях; результаты реконструкций очень похожи. Говоря кратко, предком современных очень сложных рибосом был конструкт из двух петель РНК по 50–60 рибонуклеотидов каждая, способный объединять две аминокислоты пептидной связью. Промежуточные стадии на пути от этой двухпетлевой структуры до современных рибосом детально отслежены Константином Боковым и Сергеем Стадлером (Университет Монреаля), нобелевским лауреатом Адой Йонат и коллегами (Вейцмановский институт), Джорджем Фоксом и коллегами (Университет Хьюстона) и Антоном Петровым с коллегами (Университет Джорджии).
Рибосома, имевшая сперва одну каталитическую РНК-субъединицу, постепенно усложнялась и увеличивалась в размерах, всё это время синтезируя белковые последовательности из случайного набора аминокислот. Только на последних стадиях ее эволюции произошло объединение с другой молекулой РНК, ставшей малой субъединицей рибосомы, и начался кодируемый синтез белка. Таким образом, возникновение генетического кода — это отдельное от возникновения рибосомального синтеза белка маловероятное эволюционное событие.
Скорее всего, дальнейшие исследования позволят реконструировать и возникновение репликаторов, и другие маловероятные события, например, связанные с возникновением первых клеток, обменом генами между первыми клетками и вирусами и т. д.
Возвращаясь к поставленным вопросам о вероятностях: наше детальное рассмотрение показывает, что эволюция земной жизни — это не одно «совершенно невероятное совпадение», а много последовательных чрезвычайно маловероятных событий.
Мощная генерация органики шла, скорее всего, и на других молодых планетах. Но это не обязательно могло приводить к возникновению жизни. Если бы самовоспроизводящийся РНК-ансамбль не собрался бы на Земле, никакой жизни и не было бы. Производство органики постепенно бы затухло, и стала бы Земля похожа на Марс или Венеру.
Но даже в случае возникновения жизни на других планетах эта жизнь могла «застрять» на любой начальной стадии, причем вероятность навсегда остаться на примитивном уровне развития была несравненно выше вероятности вскарабкаться на следующую ступеньку и продвинуться дальше.
Поэтому вероятность встретить на другой планете мудрых инопланетян неизмеримо ниже шанса вляпаться там в немудреную, но живую слизь (и это если очень повезет). Вероятность того, что где-то есть кислородная жизнь, тоже неизмеримо мала: разложение воды с образованием кислорода — это очень нетривиальная четырехэлектронная реакция.
Так что строить какую-либо стратегию в надежде найти инопланетный разум как раз не очень разумно. То, что на Земле есть (пока) разумные существа, — это очень большая удача. Поэтому гораздо осмысленнее инвестировать в создание «запасных аэродромов» для уже имеющейся разумной жизни на тот случай, если подведет природа или сами носители разума. Значит, нужна запасная Земля, а еще лучше несколько.
Евгений Кунин, вед. науч. сотр. Национального центра биотехнологической информации, член Национальной академии наук США:
Я могу ограничиться очень краткими замечаниями, поскольку вполне согласен со всем, сказанным Александром Марковым… кроме, конечно, выводов. Действительно, лимитирующая стадия в возникновении жизни — спонтанное образование популяции молекул рибозима-полимеразы с достаточно высокой скоростью и точностью самокопирования. Вероятность такого события исчезающе мала. Чтобы ее существенно повысить, нужен некий процесс, создающий возможность эволюции без участия таких рибозимов, в гораздо более простой системе. Неферментативная репликация, обсуждаемая Александром, — хороший кандидат на роль такого процесса. Беда только в том, что на основе всего, что мне известно из химии и термодинамики, нет никаких шансов довести эти реакции до уровня достаточно точной репликации длинных молекул. Репликация совсем коротких олигонуклеотидов была бы очень интересна как возможная промежуточная стадия, но вероятности существенно не повысит. Таким образом, мой вывод остается прежним: возникновение жизни требует исключительно маловероятных событий, и, следовательно, мы одни в нашей Вселенной (вопрос о множественных вселенных здесь обсуждать необязательно). Не только мы — разумные существа, но шире — живые существа вообще.
Тут важно заметить следующее: исключительно низкая вероятность возникновения жизни никак не означает, что это всё произошло чудом. Напротив, всё это серии нормальных химических реакций, только включающие стадии с очень низкой вероятностью. Следовательно, изучать механизмы, которые как-то облегчают возникновение жизни, не только не бессмысленное, а исключительно важное и интересное дело. Просто не видно (пока), чтобы это могло существенно повысить вероятность, но созданию сценария событий вполне может помочь.
Ну, и закончу квазифилософским, но, по-моему, имеющим отношение к делу соображением. Сверхнизкая вероятность возникновения жизни нарушает принцип посредственности (mediocrity principle): события, произошедшие на нашей планете, исключительны, даже уникальны во Вселенной. Принцип посредственности в данном случае проигрывает антропному принципу: как бы невероятно возникновение жизни ни было a priori, ПРИ УСЛОВИИ существования разумных существ, да и просто клеток его вероятность в точности равна 1.
Михаил Никитин, науч. сотр. отдела эволюционной биохимии НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ:
Мне кажется, что жизнь бактериального уровня сложности широко распространена во Вселенной, а вот развитие до многоклеточных животных и потенциально разумных существ гораздо менее вероятно.
Почему я считаю, что возникновение бактериальной жизни высоко вероятно?
Аргументация Кунина основана на экспериментах по искусственному отбору рибозимов-репликаз, которые копируют молекулы РНК и потенциально могут скопировать самих себя. Все эти рибозимы имеют длину порядка 200 нуклеотидов, и вероятность получения их путем случайной самосборки — порядка 4–200. Однако эти эксперименты не учитывали много важных факторов, которые могли, во-первых, обеспечить репликацию при помощи более коротких и простых рибозимов, а во-вторых, до начала всякой репликации направить самосборку в сторону структурированных РНК, способных работать рибозимами. Часть этих факторов уже была названа другими авторами: неферментативная репликация Шостака, отбор на самопрайминг в «мире палиндромов» Маркова, отбор на устойчивость к ультрафиолету, направляющий самосборку РНК в сторону структур со шпильками, предложенный Мулкиджаняном). Я добавлю к этому списку минеральные подложки и «тепловые ловушки» (узкие поры с температурным градиентом), которые очень облегчают копирование РНК. Дальше, коль скоро у нас есть простая самореплицирующаяся генетическая система, дарвиновская эволюция с высокой вероятностью быстро создаст на ее основе бактериальную клетку или что-то аналогичное — с клеточной мембраной, поддерживающей постоянный солевой состав внутри клетки.
Почему я считаю, что эволюция жизни от простых клеток к многоклеточным животным может быть очень маловероятной? Здесь есть два соображения, одно скорее геологическое, другое — чисто биологическое. Начнем с первого.
В палеонтологии надежно установлено, что эволюция организмов происходит очень неравномерно. Кризисы и революции чередуются с периодами стазиса, иногда очень долгими. Самый долгий период стазиса получил название «скучный миллиард» и продолжался бо́льшую часть протерозоя — примерно с 2 до 0,8 млрд лет назад. Ему предшествовало появление кислорода в атмосфере, возникновение эукариотных клеток и глобальное Гуронское оледенение, а закончился он крупнейшим в истории Земли Стертским оледенением, ростом содержания кислорода до почти современных значений и появлением многоклеточных животных. Так же относительно медленно шла эволюция в архейском эоне между 3,5 и 2,5 млрд лет назад по сравнению как с предшествующим катархейским эоном (временем появления жизни и поздней метеоритной бомбардировки), так и с последующей кислородной революцией. Причины такой неравномерности до конца неизвестны. Мне лично кажется убедительным, что «кислородная революция» (массовое распространение выделяющих кислород цианобактерий) была связана с исчерпанием запасов восстановленного (закисного) железа в океанской воде. Пока железа в океане хватало, там процветали микробы, использующие более простой и безопасный железо-окисляющий фотосинтез. В нем выделяется не кислород, а соединения окисного железа — магнетиты и гематиты, которые на протяжении всего архея откладывались на морском дне. Поступление нового железа в море (в основном из гидротермальных источников на дне) снижалось по мере затухания геологической активности планеты, и наконец ресурсный кризис вынудил фотосинтезирующих микробов перейти на более сложную «технологию» кислородного фотосинтеза. Аналогично, причиной «скучного миллиарда» могло быть постоянное потребление кислорода на окисление различных минералов на суше, не позволяющее поднять содержание кислорода выше 1–2%. В протерозойских морских осадках есть много следов шедшего на суше окисления сульфидных руд, из-за которого реки несли в океан сульфаты, мышьяк, сурьму, медь, хром, молибден, уран и другие элементы, которых почти не было в архейском океане. Позднепротерозойский кризис с глобальными оледенениями, быстрым ростом содержания кислорода и появлением многоклеточных животных, возможно, был вызван исчерпанием на суше легкоокисляемых минералов.
Таким образом, время наступления двух ключевых революций (кислородный фотосинтез и многоклеточные животные), вероятно, определялось балансом биологических (фотосинтез) и геологических (выделение закисного железа и других окисляемых веществ гидротермами и наземными вулканами) процессов. Вполне возможно, что на других планетах эти революции наступают гораздо позже. Например, более массивная планета (суперземля) будет медленнее терять геологическую активность, дольше выделять железо в океан и может оттянуть кислородную революцию на миллиарды лет. Планеты в зоне обитаемости красных карликов будут получать мало видимого света, пригодного для фотосинтеза, и их биосферы тоже рискуют застрять на бескислородной стадии. Количество воды на планете тоже важно. Если вся планета покрыта глубоким океаном, то в нем будет дефицит фосфора, поступающего в основном из сухопутных вулканов, а если воды мало, то мала будет и площадь океана, доступная фотосинтезирующим микробам (до появления многоклеточных растений продуктивность наземных экосистем была пренебрежимо малой по сравнению с морями). То есть полно причин, по которым биосфера может застрять на бескислородной микробной стадии и не развиться до животных. Время на развитие, кстати, ограничено: светимость звезд со временем растет, и Земля через 1,5–2 млрд лет станет необратимо разогреваться, ее океаны — испаряться, и нарастающий парниковый эффект превратит ее во вторую Венеру. У красных карликов светимость растет медленнее, но их планеты могут стать непригодными для жизни из-за исчезновения магнитного поля и последующей потери воды в космос, как это произошло на Марсе.
Второе соображение относится к появлению эукариот — клеток с ядром. Эукариотные клетки намного крупнее и сложнее клеток бактерий и архей и появились позже, скорее всего, во времена «кислородной революции». Эукариотная клетка появилась как химера из архейной клетки, поселившейся внутри нее симбиотической бактерии и, возможно, заразившего их вируса (а то и не одного). Устройство генома эукариот однозначно показывает, что их ранняя эволюция происходила не благодаря естественному отбору, а во многом вопреки. В малочисленных популяциях отбор не очень эффективен, и слегка вредные признаки могут закрепляться благодаря генному дрейфу и другим чисто случайным процессам. Это подробно изложено в соответствующей главе «Логики случая» Кунина и наводит на мысль, что появление эукариот может быть очень маловероятно даже в подходящей обстановке (бактериальная биосфера, вступающая в кислородную революцию). Как минимум, случаи внутриклеточного симбиоза между бактериями и археями практически неизвестны — хотя внутри эукариотных клеток бактерии селятся легко.
Подводя итоги: я думаю, что сочетание описанных факторов должно приводить к тому, что в нашей Галактике будут миллионы планет с бактериальной жизнью и намного меньше (возможно, единицы) — с жизнью эукариотного и многоклеточного уровня сложности.
Постскриптум Бориса Штерна
Пару слов в завершение дискуссии. Вполне возможно, что Евгений Кунин сильно занизил вероятность происхождения жизни в подходящих условиях. И всё равно к этой оценке надо отнестись со всей серьезностью. Если он ошибся на 900 порядков величины — это ничего не меняет: мы всё равно одни-одинешеньки в пределах горизонта Вселенной, где всего лишь порядка 1020–1021 подходящих планет. Даже если правы остальные участники дискуссии и всякие уловки Природы вроде неферментативной репликации могут сделать зарождение жизни более-менее вероятным, то это будет очень примитивная жизнь, в подавляющем большинстве случаев не способная перескочить на более высокий уровень развития. Об этом черным по белому написали два участника дискуссии. Вот вам и весь парадокс Ферми.
Отсюда следуют, по крайней мере, два важных оргвывода. Первый: Развитая жизнь — редчайший и ценнейший феномен во Вселенной. Поэтому см. последний абзац заметки Армена Мулкиджаняна: у человечества есть благородная тотальная цель — распространение этого феномена. О возможностях и методах достижения этой цели поговорим отдельно.
Второй оргвывод: уничтожение этой жизни станет невосполнимой потерей галактического или даже космологического масштаба. Это следует учитывать в собственной оценке «ястребов» и политиков, готовых прибегнуть к ядерному шантажу ради надувания собственного «величия». То же самое относится к цивилизации безудержного потребления.
1 trv-science.ru/2016/06/28/blizhajshie-prigodnye-dlya-zhizni-exoplanety/
Насчёт парадокса Ферми: клетка кожи на правой пятке Бориса Штерна может встретиться с родственной клеткой на левой пятке только, если он почему-то захочет почесать пятку о пятку. Можно конечно допустить, что клетка заставит его каким-то образом пожелать почесаться, но в любом варианте – это внешняя причина по отношению и к клетке и к БШ. Готов биться об заклад – сам он, как и любой из нас, не почешется. Только если, например, стало голодно, холодно, наконец — скучно. Как тут узнать вероятность? способов, как минимум 3: первый – угадать, второй – попытаться увидеть желаемое в контексте чего-то большего, и третий — самим повлиять на вероятность в желаемую сторону, обычно из шкурных интересов. В дискуссии я вижу только 2-ой. Например, логика эволюционного фотосинтеза Армена Мулкиджаняна – это уровень звездной, солнечной системы. Масштаб логики Михаила Никитина побольше – это уровень галактики, сезонные события галактического года — он, разумеется, включает логику АМ. Ну а наши попытки выбраться с Земли – это, похоже, 3-ий, неизбежный, а там как повезёт в эстафете на выживание. И ещё – мы почему-то боимся заразить Марс земной нано- и микрожизнью, хотя по логике наших долговременных интересов это следовало бы делать в первую очередь. :)
Почему боимся? Наши аппараты МАРС, которые разбились о поверхность, давно занесли на Марс земные бактерии . Сколько времени они там протянули? Оставили после себя потомство? Нет (пока) ответа.
Огромное спасибо за статью!
Немного не понял с вероятностью. Цитата «..то вероятность нужной сборки на одну «попытку» спонтанной сборки ~ 10-1081.»
Как часто происходят эти попытки? Эти попытки происходят в каком-то обьеме «бульона» каково количество этих попыток на одной землеподобной планете? Может если все перемножить и еще учесть что возможная вероятность 10-200 степени, то вероятность зарождения жизни во вселенной не так уж и мала? Поясните пожалуйста.
«…согласно теории инфляции Вселенная огромна, на десятки порядков больше ее видимой части, и если понимать под вселенной замкнутое пространство, то и вселенных с таким же, как у нас вакуумом, гигантское множество. Самая ничтожная вероятность где-то реализуется, породив удивленного созерцателя.»
В некотором смысле это обесценивает всё дальнейшее обсуждение в статье и все приведенные оценки вероятностей. Ведь любой вариант может реализоваться, а потому не всё ли равно, какова вероятность? Может быть, даже так совпало, что именно наша Вселенная просто кишит жизнью и пришельцы вокруг нас :)
Больцман говорил о «гигантской флуктуации» за 100 лет до»теории инфляции Вселенной». Гут, Линде и др. просто заменили бесконечное евклидово пространство на «гигантское множество вселенных с таким же, как у нас вакуумом».
Где об этом конкретно говорил именно Больцман?
Я там не присутствовал, но гугл дает много ссылок.
На что?
Название «Вероятность зарождения жизни» априори предполагает случайность зарождения. А если зарождение детерминированный процесс? Каковы доли случайности и детерминированности в зарождении жизни? Для последовательности актов самоорганизации, приведших к земной жизни, скорее всего, ответа в современном естествознании нет.
Относительно оценок Кунина для «самовоспроизведения РНК». Если применить эти оценки к синтезу сложного полимера, к примеру, полиэтилена высокого давления, получим тоже невысокие вероятности. Однако этот полимер синтезируется миллионами тонн, как и многие другие полимеры, правда в меньших количествах. Нашему синтезу в реакторах полимеров подобные оценки не мешают. Оценки Кунина сделаны для определенной математической задачи. Придавать им какое-то абсолютное значение, скорее всего, не имеет смысла. Отношение этой задачи к моделям зарождения жизни требует серьезного обоснования.
«Самовоспроизведение РНК». РНК — это один из автокатализаторов в цепочке других автокатализаторов. Для РНК из 1000 нуклеотидов число звеньев (пока неизвестных автокатализаторов) в цепочке синтезов — не более 10, а может и меньше. (Одно из возможных звеньев обсуждает Армен Мулкиджанян.) Отметим, что даже синтез очень «простой» молекулы — этилена — в газовой фазе из этана, уже автокаталитический процесс.
Отметим, что древнейшее доступное вещество на Земле — метеориты углистых хондритов. В них обнаружены микрофоссилии («мумии», «скелеты» …) бактерий возраста Солнечной системы (можно посмотреть статьи ПИН РАН, где работает Марков А.). Это означает, что жизнь зародилась ранее формирования планет и других тел Солнечной системы, ранее формирования Земли. Наиболее подходящее место и время зарождения жизни — ранние стадии протопланетного околосолнечного диска.
Откуда такая странная идея, что жизнь возникла на Земле. Думаю ей инфицирована вся вселенная, а в подходящих условиях она прорастает.
Какие конкретно объекты во вселенной Вы предлагаете изучить на предмет «инфицированности» жизнью?
ну, принципиального вопроса это не снимает — как тогда «жизнь» появилась на других телах? точнее, как появилась РНК
Вот интересная ссылка, выше приведена Борисовым — https://www.svoboda.org/a/440523.html
Площадка ТрВН – удобное место для интеллектуальных упражнений без риска потерять работу или репутацию по месту жительства. :)
Мне интересен творческий аспект темы – допустим, мы созданы по образу и подобию неких Творцов и сами продолжаем эту цепь – создаем интеллектуальных роботов, все более приближающихся к самовоспроизводящимся автоматам, о которых неотступно думал фон Нейман, немало сделавший для их зарождения. Удивительная личность — научный работник и инженер по призванию высочайшего уровня и, к тому же умевший, когда хотел, анекдотом рассмешить любую аудиторию. Одно только название его лекции в Калтехе в январе 1952г заставляет вибрировать позвоночник – «Вероятностная логика и синтез надёжных организмов из ненадежных компонент». Айзек Азимов изобразил его в изумительном рассказе «Остряк», Isaac Asimov «Jokester». http://lib.ru/FOUNDATION/r_ostryak.txt
Сергей Попов, замечательно резонирующий на Мир в вселенском масштабе, дал осторожный эскизный набросок такого Будущего, оптимистично представив его коэволюцией, сосуществованием с небелковой формой жизни – «Маглы в мире андроидов».
https://trv-science.ru/2018/08/28/muggly-v-mire-androidov/
Мне сейчас интересна обратная задача – допустим мы ничего не знаем о себе – это, похоже, недалеко от истины – и попробуем составить свой портрет по нашим небелковым детищам. Допустим, получится узнаваемо, тогда почему бы по такому же алгоритму не реконструировать портрет и цели наших творческих предшественников. :)
Свои легкомысленные соображения я уже излагал на площадке ТрВН в комментариях к замечательной статье Максима Борисова – «Где искать жизнь?» Добавлю ещё такое соображение – размерность квадрата скорости коммуникации – это максимальная удельная энергия, доступная форме жизни, владеющей коммуникацией на этой скорости. Два примера: (скорость звука)^2=(343 m/s)^2=1.176*10^5 J/kg – энергия химических реакций и (скорость света)^2=8.988*10^16 J/kg – энергия термоядерных реакций — теоретически допустимо продолжение последовательности. :)
И в заключение вопрос для любителей логических задач: допустим, нам удалось синтезировать белковую жизнь из атомов вне организма, типа, как Вёлеру мочевину. Вопрос – это абиогенез или деторождение нетрадиционным способом? Мне лично импонирует ответ в соответствии с эмпирическим принципом – «всё живое из живого». :)
IMHO оценка Кунина сильно упрощена. Процессы в таких системах нелинейные и далеки от равновесия. Тут нужна новая математика нелинейных систем со свойствами самоорганизации. И потом единственны ли мы физически. Ведь мы недалеки от момента, когда вычислительные системы с обучением научатся воспроизводить себе подобных да еще и с развитием. Терминатор не за горами ))
Бесконечно далеки. Нет в природе других столь же надёжных аритектур репликаторов кроме как на белково-нуклеиновой архитектуре даже близко.
Производственная инфраструктура воспроизводства макромашин чрезвычайно громоздка и хрупка и без живых организмов не сможет функционировать сколь-нибудь долго.
Дело не в «интеллекте», а в совокупности ограничений химии и термодинамики, преодолеть которые не сможет ни один интеллект, какой бы он ни был «семи пядей во лбу».
Rattus: «Нет в природе других столь же надёжных аритектур репликаторов кроме как на белково-нуклеиновой архитектуре даже близко.»
А хоть какие-то есть? Хотелось бы узнать ваше мнение, хотя бы в виде интуитивных соображений, не подкрепленных «_конретными_расчётами_».
По мне, само слово «архитектура» подразумевает иерархичность, контекстность в пространстве и времени – неужели мы, белковая форма – единственный самовоспроизводящийся, самодостаточный венец творения в нашей вселенной? Ощущение исключительности трудно назвать неприятным, некоторые даже полагают — оно помогает в борьбе за выживание, убирает инстинктивные и социальные тормоза – в этом смысле ваши убеждения способствуют сознательному космологическому распространению нашей белковой формы как разновидности черного тела с максимумом теплового излучения на длине 9.378 мкм. :)
>А хоть какие-то есть?
Вот такие и есть из которых мы и состоим.
>По мне, само слово «архитектура» подразумевает иерархичность, контекстность в пространстве и времени — неужели мы, белковая форма — единственный самовоспроизводящийся, самодостаточный венец творения в нашей вселенной?
Весь корпус химических знаний склоняет именно к такому выводу. И чем дальше — тем больше.
>сознательному космологическому распространению нашей белковой формы как разновидности черного тела с максимумом теплового излучения на длине 9.378 мкм.
Это вообще какая-то шизофазия не имеющая никакого отношения к физической реальности.
Rattus: Извините, пожалуйста, меня за мой неуклюжий пост. По строю вашей фразы, я подумал, что вы допускаете и другие «архитектуры репликаторов», пусть даже не столь же надежные.
Язык вашего текста незаурядный, для меня не из самых лёгких – например, конструкцию «корпус химических знаний» я увидел впервые.
Я допускаю – каждой форме жизни соответствует свой гомеостатический диапазон энергий, скоростей и температур. Белковой форме в виде человека – энергия химических реакций, скорость звука и температура 37 С. По закону смещения Вина этой температуре соответствует тепловое, инфракрасное излучение с максимумом при длине 9.378 мкм. Каждый из нас – живой теплогенератор, который удобно описывать в рамках модели черного тела Планка.
Нет принципиального запрета на звёздную форму жизни – для нее гомеостатический диапазон — это энергия термоядерных реакций, скорость света и температура тысячи градусов. Однако, вряд ли можно надеяться на разумный контакт с ней. Репликация, размножение однотипных дискретностей – делением, слиянием, присутствует на всех известных уровнях материи — от ядер атомов до галактик.
>Я допускаю — каждой форме жизни соответствует свой гомеостатический диапазон энергий, скоростей и температур. Белковой форме в виде человека — энергия химических реакций, скорость звука и температура 37 С.
В том-то и дело, что не только человека и даже не только белковой. Человек здесь вообще ни при чём почти. Диапазон температур известной активной жизни — от -18 до +122°С. Этот диапазон, доступный белкам — полиамидам — далеко не самым хилым полимерам среди всех по термостабильности (а по механической прочности — так вообще ведущим), при ближайшем рассмотрении также будет охватывать и бОльшую часть диапазона любого другого мыслимого нерегулярного гетерополимера.
Если же мы посмотрим на другие структуры — неполимерной природы — то сразу же видим их удручающе малое разнообразие, которое не позволит им быть носителями наследственной информации и функциональную пассивность, которая не позволит быть основой молекулярных машин, как, например, обстоит дело с кристаллами и прочей неорганикой. Или же ещё и чрезвычайную нестабильность, не позволяющую хоть сколь-нибудь долго хранить хоть сколь-нибудь заметный объём наследственной информации — как в случае метастабильных образований пылевой плазмы.
Только по одним простейшим информатическим критериям среди всей известной нам природы нужная сложность обеспечивается только в среде органических гетерополимеров, растворенных в ионизирующем растворителе с ионами различных металлов (т.е. водных растворах).
Наше Солнце это второе поколение и возле него появилась жизнь .И таких звёзд огромное количество . Очень сложно искать признаки жизни далеко от нашей системы . Намного проще , изучить свою солнечную систему.Ведь вероятность найти её , на Европе или Энцеладе намного больше .И возможно , многие вопросы отпадут сами собой . И микробы попали на МИР , теперь снаружи МКС найдены .Вероятно некоторые с Вояджерами уже вылетели за пределы солнечной системы . Человек уже начал распространять споры жизни .
Те, что улетели с Вояджерами, стерилизуются космическими лучами. Надо побыстрей и в магнитной защите.
Весьма огульное утверждение. Например, бактерия Deinococcus radiodurans преспокойно живет в ядерных реакторах, и обладает механизмом, восстанавливающим ДНК даже после миллиона повреждений, вызываемых излучением. А от ультрафиолета можно защититься кусочком бумаги.
Повреждения бывают разные. Миллион одноцепочечных далеко не только дейнококк пережить способен в принципе — для них есть стандартные механизмы репарации в любой клетке. И теперь известны и более радиостойкие микроорганизмы — например Thermococcus gammatolerans. Но в любом случае предел их радиостойкости — порядка 10^4 Грей. И ещё не следует забывать, что эти — далеко не самые вездесущие микроорганизмы — ещё вообще-то должны попасть в аппарат и далеко не в единичном экземпляре. А потом — попасть в благоприятную для жизни среду (голыми астероидами они ВНЕЗАПНО питаться не станут!)
Во вселенной вероятность появления жизни равна 1, то есть ее появление было неизбежным. Но вот ее появление в локальных частях вселенной было вероятным. Просто надо понимать, что вселенная развивается по динамическому закону, а ее части по стозастическрму. Вообще стохастический законы низшего уровня являются способом реализации динамического закона высшего уровня.
Кстати да, тоже давно это знал, только не мог выразить: вселенная как целое развивается детерминистически но ее локальные части развиваются стохастически поэтому так как части зависят от целого стохастические законы низшего уровня являются способом (механизмом) реализации динамического закона высшего уровня и именно поэтому вероятность появления жизни во вселенной равна 1 но в ее локальных частях она больше 0 но меньше 1.
Это как в квантовой физике: жизнь изначально существует в состоянии суперпозиции.
Думаю, условный «мир РНК» появился в результате постепеной эволюции «мира коферментов». В этом случае многие «непонятки» естественным образом снимаются.
1. Собственно, оценки вероятностей, даваемые Е. Куниным, известны еще с 60-х годов 20-го века. Но если это так, то жизнь в принципе невозможна. Однако это, как мы сами видим, совсем не так.
2. Мы можем обсуждать различные возможные частные механизмы, типа предлагаемых Шостаком, или другие. Но вопрос лучше рассматривать системно, в контексте всей планетарной эволюции. Еще более последовательно — в контексте эволюции всей Вселенной, в которой по мере течения времени появляются все более и более сложные формы организации вещества. Например, если рассматривать планетарную эволюцию, а феномен жизни — только ее подсистему, то вполне может оказаться, что в неравновесных потоках вещества — химических молекул, создаваемых поступающей в систему энергией развивался синергетический процесс с наличием ряда химических/биохимических циклов, в которых и начали синтезироваться и реплицироваться РНК/ДНК. То есть в такой системе вероятность перехода химической эволюции в биологическую могла быть близка к единице. Возникает же, например, когерентный лазерный луч при хаотической энергетической накачке атомов рабочего тела. И какова вероятность появления такого луча, если считать по классическим законам термодинамики? Вероятно Р=10-1000000….. Или ячеек Бенара в подогреваемом масле? Другое дело, как воспроизвести такую систему. Когда-то я предлагал знакомым химикам организовать подобный процесс, но как всегда — нашлись более актуальные и приземленные работы для отчетов. В таких синергетических системах при самоорганизации резко сужается поле вариантов, а все остальные не выживают. Это еще додарвиновский естественный отбор устойчивых молекул и их химических циклов, «выживающих» в интенсивном потоке притекающей энергии.
Отсюда необходимость репликации (например на глинах и др.) возникает просто как следствие оптимизации поддержания стабильности и сложившейся сравнительно целостной системы химических циклов, особенно в условиях избыточного притока энергии — когда системе надо или «погибнуть», или разделиться, чтобы новая часть приняла на себя избыточный поток энергии, поступающей в систему, или перестроиться в новый режим. Это можно рассматривать и как некое проявление принципа Ле Шателье. То есть феномен репликации возникает под воздействием внешних условий и реакции системы, стремящейся с стабилизации (гомеостазу). Разумеется, если для этого у рассматриваемой химической системы есть соответствующие ресурсы и условия — нужные молекулы (нуклеотиды), и др. Возможно целостность системы обеспечивали протомембраны , над которыми работал еще Опарин. Для биологов приведу им более понятный пример: глаз близкой конструкции независимо возникал в ходе эволюции и у головоногих, и у позвоночных (различие только в наличии слепого пятна). То есть для выживания — или поддержания гомеостаза конкретной живой формы — понадобились глаза. И они возникли у разных организмов на базе имевшихся клеточных ресурсов.
3. Но и сама Вселенная эволюционирует: именно она задает возможность создания сложных форм. Проблема заключается в том, что физика сильно неравновесных состояний весьма отлична от равновесной термодинамики и здесь имеется фундаментальное недопонимание и феномена жизни, и биосферы, и развития Вселенной в целом, к которым подходят с мерками равновесной термодинамики. И ее II законом, справедливым только для замкнутых систем. Между тем еще Анри Пуанкаре заметил, что динамика системы несовместима с равновесной термодинамикой. По поводу взглядов А. Пуанкаре см. работы С. Д. Хайтуна («Механика и необратимость», и др.).