Распространненость жизни и уникальность разума?

Мосевицкий. Распространенность жизни и уникальность разума? – Гатчина Ленинградской обл.: Издательство ПИЯФ РАН, 2008. – 236 с.

Мосевицкий Марк Исаакович – главный научный сотрудник Отделения молекулярной и радиационной биофизики Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН, доктор биологических наук, профессор. В настоящее время основная область научных интересов – молекулярные механизмы обучения и памяти.

M.I. Mosevitsky. Wide spreading of life and uniqueness of mind?

Publishing division of Petersburg Nuclear Physics Institute, Russian Academy of Sciences.

Traces of cellular forms of life were found in the earliest sediments (3.85 billion years of age). Therefore, life on the Earth arose soon after the environment became compatible with its existence. It means that precellular evolution was performed in a very short time (10–50 million years). Another possibility – accomplishment of precellular evolution elsewhere, and arrival of viable cell to ready for its multiplication Earth (panspermia). In any case, the Earth’s experience shows that the probability of life appearance on other planets of our system and in other worlds was rather high. However, the paleontological chronicles evidence numerous crisises (extinctions), which caused tight bends of evolution process. The main causes of the crisises were collisions with asteroids (impacts), global glaciations, long-term lava outflows, changes of gas balance in the oceans and atmosphere. Mutations and horizontal genetic exchanges also exert countless influences on the evolution. Due to superposition of different accidental events all evolution processes are uncial. After almost 4 billion years of life development on the Earth, the evolution process produced a single branch of hominins (the bipedal successors of chimpanzee) leading to the intellectual beings. After many crisis situations, only one sprout representing the contemporary mankind remains on this branch. The apparent absence of any signs of artificial signals in the available for contacts outer space confirms an impression that evolution version resulting in intellectual civilization is highly unlikely. Knowledge of character of the crisises that occurred on the Earth in past is necessary for prevention of such events or mitigation of their consequences in future. The main material of this book is available to all interested readers. The author supposed also to make the book useful for specialists. For this purpose, many recent papers published in scientific journals are cited.

С незапамятных времен человек задумывался над собственным происхождением и возникновением жизни вообще. Библия донесла до нас ответы на эти вопросы, предложенные 2500 лет тому назад. Во многом сходными были воззрения шумеров, населявших Мессапотамию более 3000 лет тому назад. Главным в этих воззрениях было представление о едином акте творения: все живые существа, в том числе человек, были созданы такими, какими остаются и поныне. В течение тысячелетий эти воззрения принимались как нечто само собою разумеющееся, хотя человек издавна владел умением создавать новые породы животных и сорта растений, сильно отличающиеся от исходных. Переломным стал конец XVIII века. Французский натуралист Жорж Кювье часто совершал прогулки вдоль обрывистых берегов рек в окрестностях Парижа. Когда-то там было море. Взбираясь вверх и спускаясь вниз по крутому склону, Кювье собирал коллекцию раковин ископаемых моллюсков, костей животных, семян и листьев растений. При этом он отмечал глубину слоя (отложения), в котором обнаружил тот или иной предмет. Систематизируя свою коллекцию, Кювье неожиданно для себя обнаружил, что окаменелости, казалось бы, принадлежащие одним и тем же животным и растениям, но взятые из разных слоев, на самом деле отличаются. Некоторые окаменелости, в изобилии находившиеся в определенном слое, не обнаруживались ни ниже, ни выше этого слоя. Таким образом, виды в разное время появлялись и затем исчезали. Кювье был на пороге открытия эволюции. Однако его мысли были заняты другим: как совместить сделанное открытие с библейской догмой, утверждавшей неизменность всего живого. Компромисс был найден в созданной Кювье теории катастроф. Согласно этой теории, на Земле периодически происходили катастрофы, охватывавшие значительные пространства, но не всю планету. В зоне катастрофы все или многие обитавшие там виды вымирали. Со временем, когда благоприятные для жизни условия восстанавливались, опустевшее пространство занимали животные и растения, мигрировавшие из других областей Земли. А они могли отличаться от животных и растений, обитавших на этом пространстве ранее, хотя все они возникли одновременно. Для того, чтобы сгладить некоторые углы, Кювье расширил интервал времени от сотворения мира до 75 тысяч лет. Он предположил также, что новые виды животных могли появляться в результате нескольких последовательных актов творения, разделенных значительными промежутками времени.

Теория катастроф немедленно вступила в конфликт с первой эволюционной теорией современника Кювье Ламарка. По Ламарку живой мир после его создания не оставался неизменным. Животные приспосабливались к переменам в среде обитания, приобретая на протяжении жизни новые признаки. И эти признаки передавались по наследству. Классическая иллюстрация теории Ламарка – превращение антилопы, вынужденной тянуть шею к высоко растущим побегам, в жирафа. Сказка Редьярда Киплинга о любопытном слоненке, которому крокодил вытянул нос, превратив его в хобот, также вполне в духе классической эволюционной теории Ламарка.

Ставшая основой современной генетики эволюционная теория Чарльза Дарвина создавалась в полемике как со сторонниками катастрофизма по Кювье, так и с эволюционистами по Ламарку.

В этой теории, сформулированной Дарвиным в вышедшем в 1859 г. труде “Происхождение видов путем естественного отбора” (Дарвин, 1937), главными являются два положения:

1. У особи могут проявиться наследуемые признаки (мутации), отсутствовавшие у родителей. Эти признаки являются случайными как в отношении свойств, которые они непосредственно характеризуют, так и в отношении направления, в котором эти свойства изменяются из-за происшедшей мутации. По Дарвину новые признаки могут оказаться в конкретных условиях обитания как полезными, так и ненужными и даже вредными. Если мутация оказалась полезной, то несущая ее линия потомства приобрела некоторые преимущества, и у нее больше шансов оставить потомство. И так в каждом поколении.

2. Полезность или вредность для продолжения рода той или иной мутации выявляется во взаимодействии организма со средой обитания. Это и есть знаменитый естественный отбор по Дарвину: случайные изменения отбираются по критерию лучшего соответствия условиям среды. В частности, если условия среды изменились, то все преимущества получает та линия, которая несет мутации, оказавшиеся полезными в новых условиях.

В настоящее время хорошо известна молекулярная природа случайных изменений признаков у живых организмов: они отражают на уровне физиологии изменения в составе азотистых оснований дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), являющейся носителем генетической (т. е. наследуемой) информации. Эти изменения (а их тоже называют мутациями), если не брать во внимание разные варианты перераспределения материала ДНК в потомстве (генетические рекомбинации), являются, как правило, точечными. Они происходят, главным образом, как случайные ошибки при синтезе (репликации) ДНК. Возможны также случаи, когда химические изменения азотистых оснований являются следствием воздействия внешних факторов, главным образом радиации, а также некоторых химических веществ. В таких случаях репликация ДНК только фиксирует уже происшедшее изменение. Если мутация произошла в ДНК половых клеток, то она имеет шанс проявиться в потомстве. Сейчас все эти истины известны (или должны быть известны) старшекласснику. Их установление – результат прогресса науки после открытия Эвери с сотрудниками в 1944 г. значения ДНК как материала наследственности и расшифровки молекулярной структуры Криком и Уотсоном десять лет спустя. Дарвин ничего этого знать не мог, как и многого другого касательно состава клетки и происходящих в ней процессов. Эволюцию он изучал на организменном уровне, начиная с клетки. Однако из этого отнюдь не следует, что Дарвин не задумывался над вопросом, откуда взялась сама клетка. Более того, судя по некоторым его высказываниям, Дарвин понимал, что клетка является плодом эволюции, т. е. что у нее были доклеточные предшественники. Полемизируя с современными ему виталистами, Дарвин писал: если бы сейчас из солей аммония и фосфора под воздействием света, тепла, электричества химически образовался белок, способный к все более сложным превращениям, то этот белок был бы немедленно разрушен или поглощен (съеден), что было бы невозможно в период до возникновения живых существ (для точной цитаты см. Bernstein, 2006). Из этого высказывания следует, что Дарвин, рассматривая клетку в качестве элементарного носителя жизни, понимал, что сама она является плодом эволюции, а в доклеточной эволюции признавал необходимость чисто химического этапа. Очевидно, Дарвин не включил в свою теорию представление о доклеточной эволюции лишь потому, что сознавал недостаточность накопленных современной ему наукой данных для аргументированных выводов [1] .

После опубликования Дарвином его эволюционной теории потребовалось еще полвека интенсивного накапливания сведений по геохимии и космохимии, данных по механизмам синтеза органических веществ и по жизнедеятельности самой клетки, прежде чем могла быть сделана попытка дать достаточно аргументированное научное описание доклеточной эволюции. Эту попытку осуществил А.И. Опарин, книга которого о происхождении жизни была впервые опубликована в 1924 году в Москве (Опарин, 1975). Стержнем теории Опарина была уже достаточно конкретная концепция химической эволюции, протекавшей первоначально в земной атмосфере, где преобладали метан, аммиак, сероводород, цианистый водород, а также присутствовали углекислота и вода, но практически не было свободного кислорода. В такой обладающей восстановительными свойствами атмосфере под воздействием электрических разрядов, ультрафиолетовых лучей, ионизирующего излучения, а также тепла могли довольно эффективно протекать все усложнявшиеся реакции органического синтеза. Одним из ранних продуктов мог быть формальдегид. Последовательно формировались все более сложные соединения: аминокислоты, сахара, липиды, гетероциклы. Все эти вещества накапливались в океане, образуя “первичный бульон”. По Опарину в “первичном бульоне” осуществлялся синтез белков и формировались “коацерватные капли” – предшественники клеток. Формирующиеся клетки черпали из бульона строительный материал и питание (энергетически богатые соединения). К моменту исчерпания “первичного бульона” клетки приобрели способность автономно синтезировать необходимые для поддержания жизнедеятельности вещества. Хотя описание перехода от коацерватных капель к живой клетке было лишено конкретики, представления Опарина о химическом этапе эволюции поддавались экспериментальной проверке. Такие исследования (т. н. “модельные” эксперименты) были проведены как самим Опариным и его сотрудниками, так и Г. Юри, С. Миллером, Л. Оргелом, С. Фоксом и другими. В этих экспериментах герметично закрываемый сосуд заполняли смесью таких газов, которые могли присутствовать в ранней атмосфере Земли. На эту смесь воздействовали разного рода агентами: пропускали электрический разряд, действовали ультрафиолетовым и другими видами излучений, нагревали до ста и более градусов по Цельсию. Анализ продуктов реакций, в целом, подтверждал предсказания (см. Раздел 2.3). Впоследствии, когда была открыта роль нуклеиновых кислот в жизнедеятельности клетки, присутствие их элементов азотистых оснований было также отмечено среди продуктов реакций. Удалось получить и небольшие белки (пептиды), но только в случае нагрева аминокислот до 200 °C при отсутствии воды. Несмотря на изменившиеся за последние годы представления о составе ранней атмосферы и о соотношении скоростей тех или иных реакций, значение этих экспериментов, некоторые из которых были осуществлены более 70 лет назад, сохранилось. С учетом новых представлений и задач подобные эксперименты продолжаются. Более подробно современную ситуацию в далеко еще не решенной проблеме химической, а также предклеточной и раннеклеточной эволюции мы рассмотрим в последующих главах.

Однако пора обозначить основную задачу, которую ставит перед собою автор. Для этого кратко коснемся еще одного “наболевшего” вопроса: есть ли жизнь вообще, и разумная жизнь в частности, в других уголках космоса. Мы не случайно разграничиваем эти два понятия. Если развитие разума возможно лишь на базе уже существующей жизни, то жизнь вполне может существовать и развиваться в отсутствие разума.

Как известно, первая попытка обнаружить жизнь или ее следы на Марсе с помощью анализа марсианского грунта пока не принесла успеха. Не дало четкого ответа и исследование “марсианских” метеоритов (Разд. 4.2). Очевидно, вопрос, есть ли в настоящее время или существовала ли ранее жизнь на Марсе, будет решаться предстоящей экспедицией на эту планету. Можно назвать еще несколько перспективных объектов в нашей Солнечной системе для поиска жизни или ее следов. Это спутник Юпитера Европа, на котором под коркой льда может скрываться водный океан, спутник Сатурна Титан, наконец, Венера, где, правда, нет водных массивов, но присутствует очень плотная атмосфера, в которой могли пройти, по крайней мере, ранние этапы становления жизни. Действительно ли на какой-то из этих планет присутствуют хотя бы простейшие формы жизни – этот вопрос может перестать быть тайной уже в XXI веке. Однако в настоящее время вопрос о присутствии жизни в Солнечной системе вне Земли остается открытым. Недавние открытия на Земле подсказывают перспективное направление поиска жизни на планетах, где есть водные массивы и вулканизм, но жизнь на поверхности невозможна из-за крайне низкой температуры. Речь идет о глубоководной придонной фауне, локализованной вблизи выходов лавы, газов, донных гейзеров. Первичными источниками энергии в этих изолированных мирках являются сероводород и метан, подвергающиеся анаэробному окислению в микроорганизмах. За их счет существуют черви, крабы, рыбы. Эти сообщества, использующие исключительно внутреннюю энергию Земли, практически не зависят от температуры и других условий на поверхности планеты. Так что будущей экспедиции на Европу придется взять с собою глубоководный аппарат.

Перенося взгляд на ближайшие звезды, необходимо прежде всего отметить, что практически все они обзавелись планетами. Об их присутствии судят по возмущениям в движении звезды и по некоторым другим признакам. Особое внимание привлекли карликовые M звезды как потенциально обитаемые системы (Scalo et al., 2007; Lammer et al., 2007; Tarter et al., 2007). До недавнего времени в других звездных системах удавалось зарегистрировать только планеты-гиганты – не меньшие, чем Юпитер. При этом существовала убежденность в существовании также планет, соизмеримых с Землей, как непосредственно обращающихся вокруг звезды, так и являющихся спутниками гигантов (von Bloh, 2003). Такая планета, масса которой только в 5 раз больше массы Земли, обнаружена на расстоянии 22.5 световых лет в созвездии Весы (Udry et al., 2007). Она обращается вокруг небольшой потухающей звезды (красного карлика) Gliese 581, находясь от нее на расстоянии около 10 млн км. Период ее обращения вокруг звезды – 13 земных суток. Благодаря тому, что звезда излучает относительно мало тепла, температура на планете 0 – +40 °C, т. е. вода, если она там есть, находится в жидком состоянии. А это означает, что на планете может быть жизнь.

Определенно судить о существовании жизни на этой и других похожих на нее планетах, о которых станет известно, можно будет только при непосредственном их наблюдении. Особые надежды возлагают на спектральный анализ планет в других звездных системах, который, как полагают, скоро станет возможным благодаря усовершенствованию спектрографов и установке их на спутниках. Цветовая характеристика и анализ состава атмосферы предоставят необходимые данные для надежных выводов.

Однако обнаружение развитых (технологических) цивилизаций возможно уже теперь (Шкловский, 1976). Проявления деятельности такой цивилизации очевидны. Это, прежде всего, тепловой фон и фон электромагнитных волн, в том числе упорядоченные сигналы. Некоторые из этих сигналов, направленные для связи с космическими кораблями, с колониями на других планетах, а возможно, и с другими звездными системами, должны быть достаточно сильны, чтобы быть зарегистрированными на Земле. Здесь мы отнюдь не отдаем дань фантастике. Проба сил была проведена с помощью аппаратуры, установленной на космическом аппарате Галилей (Galileo). Были исследованы 50 тел, в том числе планеты Венера, Марс, Луна, кометы и, наконец, Земля (Sagan et al., 1993; Geissler et al., 1995). С каждым телом Галилей сближался на расстояние около 100000 км и осуществлял одну и ту же серию измерений. Прежде всего было установлено, что только на Земле атмосфера находится в термодинамически неравновесном состоянии: будучи весьма окислительной благодаря высокому содержанию свободного кислорода, она содержит полностью восстановленное соединение углерода (метан) в количестве, на многие порядки превышающем равновесное. Такая ситуация возможна, когда неравновесные концентрации веществ поддерживаются процессами жизнедеятельности: земные растения выделяют кислород, а некоторые микроорганизмы – метан. Было показано также, что на Земле присутствует цивилизация, достигшая технологической стадии. Главным доводом явился анализ спектра электромагнитного излучения. Оно оказалось разбитым на диапазоны и модулированным по амплитуде, что указывало на использование этого излучения для передачи сигналов. Очевидно, что такие же подходы, но с применением многократно более совершенной аппаратуры, можно будет применить для поиска жизни и цивилизаций в других звездных системах. Многие исследователи полагают, что прямое наблюдение планет, похожих на Землю, в других звездных системах – дело ближайших десятилетий. Тогда же будет создана аппаратура, необходимая для поиска на них признаков жизни и цивилизаций.