Джеймс Трефил
Воображаемая жизнь. Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных

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.

Молекулы чего?

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.

Что за жидкость?

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.

Что за атомы?

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, совершенно непохожей на нашу, нам придется распрощаться со всей нашей молекулярной химией раз и навсегда – химических «строительных кирпичиков» мы можем здесь не встретить вовсе. В главе 16, где мы обсуждаем концепцию электромагнитной жизни, мы говорим о том, что в устройстве и работе электрического и магнитного полей мы разбираемся в настоящий момент гораздо лучше, чем в молекулярной биохимии. Мы давно и хорошо знаем, что движущиеся электрические заряды порождают магнитные поля, а переменные магнитные поля создают поля электрические. Однако эти знания могут оказаться совершенно бесполезными для описания сложных живых систем, которые могли бы зародиться при электромагнитных взаимодействиях.

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.)

Простой тезис, лежащий в основе дарвиновской теории, состоит в следующем: некоторые гены обеспечивают особи характеристики, которые повышают вероятность того, что организм, обладающий ими, проживет достаточно долго, чтобы произвести потомство. Это, в свою очередь, означает, что эти гены с большей вероятностью, чем другие, будут переданы следующему поколению. На языке палеонтологов мы говорим, что эти гены отбираются. В конечном счете отобранные гены становятся доминантными, и, если это повторяется достаточное количество раз, появляются новые особи. И хотя Дарвин не знал о существовании генетики, когда придумывал название для своей книги, он говорил в ней именно о происхождении видов посредством передачи генов.

Сначала Дарвин не употреблял выражения «выживает сильнейший», но оно стало популярным кратким описанием эволюционного процесса. Дело в том, что категория «сильнейших» или «наиболее приспособленных» в дарвиновском смысле определяется средой, в которой оказывается организм. Если, например, кролик живет в среде, в которой обитают хищники, то гены, которые помогают ему бегать быстрее, с высокой вероятностью будут переданы по наследству. С другой стороны, если он живет в среде, где мало пищи, более важными могут стать другие признаки, например острый нюх. Иначе говоря, не существует единого определения приспособленности – она полностью зависит от того, какие признаки дают организму преимущество в конкретной среде.

Из неспешности и постепенности эволюционных изменений следует еще одна довольно важная вещь. Когда мы пытаемся представить себе процесс эволюции организма под влиянием окружающей среды, мы должны думать о постепенном пошаговом процессе, в котором каждый шаг – это развитие какой‐либо черты, дающей эволюционное преимущество. Нет смысла говорить, что свиньи бы выиграли, если бы у них были, к примеру, крылья. Вы должны подумать, как выглядел бы пошаговый процесс, который привел бы к появлению крыльев и в котором каждое изменение делало особь более приспособленной к окружающей среде. Шаги, приводящие нас к появлению крыльев, могли бы быть, например, такими: сначала выступы на боках у свиньи помогают ей регулировать температуру тела, затем – дают ей возможность парить в воздухе, и наконец превращаются в полноценные крылья. Необходимость обосновывать каждый шаг на пути развития вида будет очень важна для нас, когда мы будем говорить о вариантах возможной эволюции в причудливых условиях экзопланет.

Прежде чем мы закончим с доказательствами в пользу теории эволюции, мы должны обсудить еще один вопрос – о скорости, с которой происходит процесс эволюции. Здесь существует две крайности. Одна состоит в том, что крупные эволюционные сдвиги происходят вследствие накопления критической суммы малых изменений, – эта теория известна нам как градуализм. Вторая, противоположная ей – теория прерывистого равновесия. Согласно этой теории, большинство видов остаются практически неизменными на протяжении достаточно долгих отрезков времени, а затем за короткое время претерпевают стремительные изменения. Зная, что развитие и возникновение видов происходит из‐за изменений в молекуле ДНК, мы можем представить себе, как могла бы воплотиться в жизнь каждая из этих теорий. Мутация, которая затрагивает отдельный ген (и, следовательно, запускает конкретную химическую реакцию), чаще всего приводит лишь к незначительным изменениям в исходном организме. Однако, как нам известно, в числе прочего существуют такие участки ДНК, которые не кодируют белки, но действуют как некие переключатели для групп генов. Мутация в этих областях ДНК вполне могла бы запустить цепочку серьезных изменений – и этот тип изменений вполне похож на то, о чем говорит теория прерывистого равновесия. Как это часто случается в подобных ситуациях, правильным ответом на вопрос «Развивалась ли жизнь на Земле постепенно или резкими скачками?» будет «Да». Будет ли это утверждение корректным и для жизни на экзопланетах, зависит от конкретного механизма, посредством которого тамошние живые существа передают характеристики от поколения к поколению.

Существует много аргументов, выдвигаемых в качестве доказательств теории эволюции, но мы будем кратки и поговорим только о двух наиболее важных: палеонтологических данных и результатах секвенирования ДНК. Из множества видов окаменелостей, конечно же, наиболее впечатляющие – это отпечатавшиеся в камне скелеты и прочие окаменевшие останки давно умерших животных. Они позволяют нам представить полную картину развития жизни в прошлом; каждая открытая нами к этому дню разновидность вымерших животных представляет собой отдельную ветвь сложного древа жизни. Были обнаружены и другие виды окаменелостей, например отпечатки фрагментов растений, а за последние несколько десятилетий – даже останки одноклеточных организмов в очень старых камнях. Именно это открытие и позволило нам, как мы уже говорили выше, приблизительно вычислить время, за которое на ранней Земле развилась жизнь.

В ДНК содержится «слепок» того живого существа, которому эта ДНК принадлежит, и умение читать записанную в ней последовательность кодов дает нам еще один способ реконструкции истории развития жизни на Земле. Базовый принцип, лежащий в основе такой реконструкции, состоит в том, что чем больше различие в ДНК между двумя организмами, тем дальше от них в прошлое отстоит их общий предок. Оцените скорость, с которой происходят мутации (так называемые молекулярные часы), и вы можете использовать эту информацию, чтобы сконструировать еще одно генеалогическое древо, на котором отобразится развитие жизни на Земле.

С нашей точки зрения тот факт, что генеалогическое древо, построенное на основании изучения окаменелостей, и древо, построенное на базе результатов секвенирования ДНК, совпадают, – наиболее весомое свидетельство в пользу дарвиновской теории, которое можно было бы разыскать. Поэтому мы считаем, что дарвиновская эволюция должна стать частью списка принципов, описывающих устройство Вселенной, наравне с такими явлениями, как, например, гравитация.

Естественный отбор повсюду

Там, где существует процесс, посредством которого характеристики передаются из поколения в поколение, и способы изменения этих характеристик, вполне очевидно должен возникнуть и естественный отбор. Если мы говорим о жизни на основе химических соединений – углерода или какого‐нибудь другого элемента, – то в окружающей среде всегда обнаружатся факторы, способные вызывать то или иное подобие мутаций, – первыми в этом списке будут воздействие температуры, ультрафиолета и собственно химические реакции. Таким образом в популяции постоянно будут появляться особи, способные приспособиться к окружающей среде лучше других, – а этого вполне достаточно, чтобы запустить механизм естественного отбора. И здесь мы приходим к мысли о том, что, говоря о жизни на экзопланетах, вполне уместно начинать наши рассуждения с теории эволюции.

Следует подчеркнуть еще один важный момент: хотя естественный отбор всегда остается ключевым законом, управляющим развитием жизни на экзопланетах, варианты живых систем, к появлению которых этот закон нас приведет, в различных средах будут очень сильно отличаться. Если, например, мы говорим о жизни во внешней атмосфере газового гиганта, то способность управлять собственной плавучестью может стать серьезным преимуществом – она позволила бы организму перемещаться между слоями атмосферы в поисках пищи (вспомним еще раз нашего летающего дракона). С другой стороны, на планете с синхронным вращением (см. главу 10) способность противостоять свирепым ветрам, бушующим на поверхности планеты, могла бы обеспечить эволюционное преимущество низкорослым существам с обтекаемыми формами. В следующих главах мы поговорим об условиях на разных экзопланетах и посмотрим, как они повлияют на то направление, в котором будет вести нашу гипотетическую жизнь естественный отбор.

Но, честно говоря, следует признать, что гораздо интереснее поговорить о ситуациях, в которых естественный отбор может не действовать. Вот вам пара примеров подобных ситуаций.

Обойдемся без отдельных организмов

Естественный отбор требует конкуренции за ресурсы между особями. Но что, если форма жизни на экзопланете такова, что отдельных индивидов вообще не существует, а есть лишь единое целое?

Самое крупное живое существо на Земле – гриб Armillaria ostoye, обнаруженный в Орегоне. Это единый организм размером более 3 километров в поперечнике. Нетрудно представить себе, как подобный организм занимает планету целиком. В этом случае никаких индивидов, конкурирующих друг с другом, на планете бы не оказалось. Значит ли это, что на ней не могло было бы быть и естественного отбора?

Это сложный вопрос, и он требует тщательного анализа. Упомянутый гриб состоит из клеток, которые при росте организма делятся – и на этот процесс могут влиять вышеперечисленные факторы окружающей среды. В организме, занимающем планету целиком, процессы роста и деления клеток останутся такими же, как и в организмах поменьше. Таким образом, если бы в клетках этого гигантского организма происходили какие‐то мутации, у нас могла бы возникнуть ситуация, в которой клетки в разных частях организма по‐разному адаптировались к окружающей среде. Другими словами, вместо того чтобы действовать на отдельных особей одного вида, в этом случае естественный отбор действовал бы на различные части одной особи.

Единственный способ обойти этот аргумент – предположить, что сложный организм размером с планету появился спонтанно, уже полностью сформировавшимся. Однако эта возможность настолько маловероятна, что мы можем ее спокойно проигнорировать.

Планета Совершенство

Главный фактор, поддерживающий ход естественного отбора на Земле, – это постоянные изменения на поверхности планеты, вызываемые процессами в ее ядре. Поэтому земные организмы всегда находятся в движении, постоянно пытаясь приспособиться к новым окружающим условиям. Но что, если на каких‐то планетах дела обстоят иначе? Что, если на какой‐нибудь экзопланете все оставалось без изменений на протяжении миллиардов лет?

Если бы на такой планете – назовем ее планетой Совершенство – появилась жизнь, она бы развивалась в соответствии с законами естественного отбора до момента достижения равновесия. В этой точке эволюционное давление исчезло бы. Это не значило бы, что прекратились бы мутации – нет, они шли бы в своем обычном темпе. Просто ни одна мутация уже не могла бы сделать жизнь на планете Совершенство лучше. Поэтому мутации постепенно сошли бы на нет и жизнь окончательно вошла бы в состояние стагнации.

Похожую ситуацию иногда можно увидеть и на Земле. Каждая мутация на нашей планете порождает явление, которое немецкий генетик Ричард Гольдшмидт (1878–1958) назвал «счастливыми уродами». Мутации у большинства таких «уродов» никак не влияют на их шансы на выживание – поэтому такие мутации полностью исчезают за несколько поколений. Эту ситуацию нетрудно развить до того предела, за которым «счастливые уроды» рано или поздно полностью исчезнут – и именно так выглядела бы жизнь на планете Совершенство, если бы она существовала.

Смысл этих двух примеров – в том, чтобы мы вняли вот какому предостережению: когда мы отправимся на поиски жизни в Галактике, нам придется тщательно и многократно обдумывать почти все правила, которыми мы будем при этом пользоваться, и не спешить с выводами. Ничего не поделаешь. Так уж устроена Вселенная. Нам остается только принять этот факт и порадоваться ему.

5
В поисках жизни

Есть кто-нибудь?

В списке внеземных объектов, на которых, казалось бы, несложно разыскать свидетельства наличия живых организмов, первым, несомненно, идет Марс. За последние полстолетия к Красной планете отправилась целая армада космических аппаратов. Посадочные модули опускались на поверхность Марса в десятках разных мест. В ту самую минуту, когда мы пишем эти слова, марсоход Curiosity карабкается по склону заинтересовавшей геологов горы в районе марсианского экватора. И к настоящему моменту нам уж давно пора бы получить четкий ответ на вопрос: есть ли жизнь на Марсе? Была ли она здесь в прошлом?

Но не тут‐то было. С 1976 года, когда посадочные модули миссий Viking первыми из числа отправленных человеком космических аппаратов приземлились на поверхность Марса, в научном сообществе продолжаются вялые споры о доказательствах (или отсутствии доказательств) наличия жизни, добытых этими аппаратами. Значение этих споров трудно переоценить. Если только нам не удастся в ближайшем будущем изобрести что‐нибудь наподобие варп‐двигателя, как в сериале «Star Trek», мы вряд ли сможем исследовать какую‐нибудь еще планету так же тщательно, как мы исследовали Марс. Но если за полвека активного изучения Марса мы так и не можем сказать, есть ли – или хотя бы была ли – на нем жизнь, то как мы можем надеяться получить ответ на аналогичный вопрос о планете, расстояние до которой измеряется в световых годах?

Поиски жизни на Марсе можно без преувеличений назвать историей разочарований. Раз за разом мы обнаруживаем там явления, которые, казалось бы, однозначно свидетельствуют о наличии жизни, – и тут же оказывается, что с таким же успехом эти явления можно объяснить и обычными химическими реакциями. Мы всё пополняем и пополняем коллекцию зацепок и подсказок, но до сих пор не получили ни одного четкого ответа. Сплошные разочарования.