Kitabı oku: «Воображаемая жизнь. Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных», sayfa 3
Принцип Коперника
Еще один глобальный принцип, который будет указывать нам путь в исследованиях внеземной жизни, тесно связан с именем польского клирика Николая Коперника (1473–1543), прославившегося созданием математической модели Солнечной системы с Солнцем, а не Землей в качестве центра. Это стало первым шагом на долгом пути к пониманию того очевидного для нас сейчас факта, что наша родная планета не представляет из собой ничего особенного и уникального. Это просто каменный шар, обращающийся вокруг совершенно обычной звезды в ничем не примечательной части такой же заурядной галактики – одной из миллиардов галактик в только наблюдаемой части Вселенной. Некоторых людей такой взгляд на Вселенную глубоко огорчает – по их мнению, он каким‐то образом принижает человечество. Мы предпочитаем смотреть на этот шаг на пути познания мира иначе: для нас в осознании заурядности нашей планеты таится драгоценный дар. Ведь из него следует, что законы природы, которые мы открываем сегодня и сейчас, действуют во всей Вселенной и остаются верными во все времена.
Древние греки, первопроходцы на пути человечества к современной науке, представляли себе Вселенную совершенно иначе. В их космологии Земля находилась в центре мироздания и занимала особое, отличное от всего остального мира положение. Вся материя на Земле состояла из четырех элементов: собственно земли, огня, воздуха и воды. В небесах, однако, существовал еще один, пятый, элемент, называемый эфиром или квинтэссенцией. Кроме того, на небесах все было идеальным – небесные сферы несли планеты и звезды по (более или менее) круговым маршрутам, и, в отличие от Земли, небесные тела не имели никакого изъяна. (Таким образом, обнаруженные Галилеем при помощи его телескопа лунные кратеры и пятна на Солнце не умещались в стройную картину аристотелевской космологии.) Другими словами, у древних греков было две системы законов природы – одна действовала на Земле, другая на небе.
Устранил это двузаконие наш старый друг Исаак Ньютон. Если верить народной истории, в том виде, в каком она дошла до нас много лет спустя, однажды, прогуливаясь в родительском саду, Ньютон увидел, как с ветки упало яблоко. Тут же, подняв глаза к небу, он разглядел в небе Луну. Он знал, что яблоки падают под действием притяжения Змли – силы, подробно изученной и описанной Галилеем и другими учеными. Однако кроме этого Ньютону было известно, что Луна движется не по прямой линии, а по круговой орбите вокруг Земли. Из своего первого закона движения (см. выше) Ньютон сделал вывод, что на Луну должна действовать сила для того, чтобы она оставалась на своей орбите, – иначе Луна тут же улетела бы в космическое пространство. И тогда Ньютон задал себе вопрос, который нам теперь кажется очевидным, но от того, кто задает его в первый раз, требует гениальности: не может ли быть так, что сила, которая заставляет яблоко падать вниз, и сила, которая удерживает и Луну на ее орбите, – это одна и та же сила?
Ответ на этот вопрос, конечно же, утвердительный. В наши дни мы отлично понимаем, что сила, описанная Ньютоном, и есть та самая сила, описываемая законом всемирного тяготения. Иначе говоря, между притяжением тел небесных и земных нет совершенно никакой разницы. Это открытие и стало первым доказательством, подтверждавшим принцип Коперника – что законы физики и химии, действующие здесь, на Земле, точно так же выполняются повсюду во всей Вселенной.
С XVII века было накоплено огромное количество данных, только подкрепляющих это утверждение. Мы можем сравнить свет, испускаемый определенным атомом в лаборатории на поверхности Земли, со светом, испускаемым таким же атомом в какой‐нибудь отдаленной области нашей Галактики (или даже в какой‐нибудь другой галактике), – и этот свет будет точно таким же. Мы можем пронаблюдать распад радиоактивных ядер, происходящий при вспышках сверхновых в галактиках на расстоянии миллиардов световых лет от нас, и сравнить его с распадом ядер тех же элементов в собственной лаборатории – и вновь получим совершенно одинаковые результаты. Все данные предельно четко свидетельствуют – Земля не представляет собой совершенно ничего особенного; физические законы, действующие на Земле, ничем не отличаются от тех, что действуют повсюду. Точка.
Кроме того, нельзя забывать, что когда мы смотрим на галактику в 1 000 000 000 световых лет от нас, мы видим свет, испущенный 1 000 000 000 лет назад и все это время добиравшийся до нас сквозь космос. Другими словами, мы смотрим в прошлое. Но тем не менее гора доказательств, с вершины которой мы можем теперь посмотреть на мир, свидетельствует: атом, испустивший свой свет миллиард лет назад в другой галактике, ничем не отличается от точно такого же атома, излучение которого мы сейчас регистрируем в нашей лаборатории. Законы физики и химии, действующие сегодня, действовали миллиарды лет назад, действовали всегда. Снова точка.
Итак, как говорилось в предыдущей главе, мы уже много знаем об условиях на экзопланетах. Мы знаем, что краткий список законов, перечисленных выше, работает на всевозможных экзопланетах точно так же, как и на Земле. Эта информация позволит нам, с одной стороны, сделать некоторые выводы о свойствах гипотетических форм жизни, возможных на этих экзопланетах, а с другой стороны, наложить некоторые ограничения на наше воображение. Скажем, придуманный нами летающий дракон, о котором мы уже говорили раньше, вполне может существовать – ведь он не противоречит ньютоновским законам движения, а уж насколько экзотически он выглядит, дело второстепенное. Иначе говоря, возможны будут только такие формы жизни, которые могут быть описаны известными нам законами. А теперь, вооружившись этим знанием и сохраняя его в памяти, поговорим о законах, управляющих живыми системами.
3
Жизнь – что это вообще такое?
Все мы уверены, что прекрасно знаем, что такое «жизнь», и даже не сомневаемся, что непременно распознаем ее, как только увидим, – но объяснить, что же это такое, всегда оказывается дьявольски трудно. Что именно определяет явление, которое мы называем жизнью? Главная проблема состоит, прежде всего, в том, что жизнь на Земле (единственная, о которой мы знаем) невероятно сложна и разнообразна. Вдобавок, между живым и неживым зияет пропасть – и для этой пропасти тоже должны найтись и описание, и объяснение в любом определении жизни.
Нетрудно догадаться, что размышления о том, что же такое жизнь и как это объяснить, имеют многовековую историю. Аристотель, например, утверждал, что все живое должно обладать как материальным телом, так и некоей нематериальной сущностью – «душой». Это представление позже развилось в идею о том, что живое отличается от неживого именно наличием этой нематериальной жизненной силы. Витализм – учение о том, что существование жизни требует присутствия некоей таинственной силы, – был развенчан и отвергнут только с появлением в XIX и XX столетиях клеточной и молекулярной биологии. Сейчас мы понимаем, что на молекулярном уровне живые системы функционируют в соответствии все с теми же законами химии, которые действуют во всей Вселенной, – просто в этом случае все обычно устроено намного сложнее.
Тем не менее огромное разнообразие форм жизни на Земле делает поиски простого определения для этого термина крайне сложными – и многие современные ученые считают, что простое определение жизни дать в принципе невозможно. Для наших целей нам в целом достаточно будет знания о том, что на сегодняшний день существует три основных подхода к решению этого вопроса: определения жизни, основанные на перечислении ее свойств; определения, основанные на описании жизни как процесса, и определения, сформулированные на основе законов термодинамики. Посмотрим же на каждую из этих групп определений по отдельности.
Определения на основе перечисления свойств жизни
Те, кто формулирует определения жизни в рамках этого подхода, составляют списки качеств, свойственных живым объектам, и затем все обладающее всеми этими свойствами (или хотя бы их большей частью) объявляют живым. И наоборот, все, что не имеет всех (или по крайней мере большей части) качеств живого объекта, живым быть не может. Такой список – его можно найти в любом типичном учебнике биологии – обычно гласит, что живая система должна обладать следующими свойствами и способностями:
1. Адаптивность: способность изменяться в ответ на долговременные изменения внешних условий.
2. Рост и развитие: способность изменяться и развиваться с течением времени.
3. Саморегуляция: способность сохранять устойчивое внутреннее состояние (например, температуру тела).
4. Обмен веществ: способность усваивать и перерабатывать внешние ресурсы (например, переваривать пищу).
5. Клеточное строение: структура, состоящая из одной или более клеток.
6. Самовоспроизводство: способность к воспроизведению себе подобных.
7. Раздражимость: способность реагировать на кратковременные изменения окружающих условий.
Конечно, при составлении таких списков всегда возникает одна и та же проблема: как только мы составляем исчерпывающий список необходимых свойств жизни, мы тут же находим тот или иной пример существа несомненно живого, но не обладающего одним или даже несколькими из этих качеств. Например, мул – помесь лошади и осла – несомненно, живое существо, но способностью к воспроизводству не обладает. Физик Дэниел Кошленд привел еще более забавный пример: один кролик неспособен к воспроизводству и, стало быть, согласно приведенному нами списку, живым не является, зато кролик с крольчихой вполне с этой задачей справляются, и значит, вместе они живые. Таким образом, с включением способности к воспроизводству в наш список еще предстоит разбираться.
Один из способов обойти эту трудность – принять тезис о том, что нечто является живым, если удовлетворяет большинству критериев списка, но может не соответствовать списку целиком, то есть, по сути, принять юридический стандарт «перевеса доказательств». Но в этом случае, конечно, вы тут же оказываетесь лицом к лицу с новой трудностью: вам придется решить, какими пунктами вашего списка можно пренебречь, а какими – ни в коем случае нельзя.
Ярким примером того, какие трудности могут ждать нас при применении принципа «перевеса доказательств», служат поиски жизни на Марсе. Когда посадочные модули миссии Viking в 1976 году опустились на поверхность Красной планеты, надежд на то, что они найдут там следы существования жизни, было очень много. Программы работы спускаемых аппаратов включали не менее четырех экспериментов, нацеленных на поиски в марсианской окружающей среде химических следов жизнедеятельности земного типа. Мы подробно поговорим об этих экспериментах чуть позже, а сейчас просто отметим, что базовая логика программы «Викингов» строилась на определении жизни в соответствии со «списком свойств», состоявшим из единственного элемента – обмена веществ земного типа. Как только начали поступать данные, многие ученые обнаружили, что запланированные эксперименты могут давать положительные результаты даже в тех случаях, когда анализу подвергаются заведомо неживые объекты – например, когда происходят определенные химические реакции в марсианской почве. Как утверждают многие ученые, растянувшиеся на несколько десятилетий споры вокруг результатов, полученных посадочными модулями «Викингов», были, по крайней мере отчасти, связаны именно с ограниченным определением жизни, использовавшимся при планировании экспериментов.
Ярко иллюстрирует недостатки «списочного» подхода к определению понятия жизни эпизод из сериала «Звездный путь: Следующее поколение», в котором робот‐андроид по имени Дэйта утверждает, что огонь вполне можно считать живым существом. В конце концов, почему бы и нет – огонь потребляет вещества из окружающей среды, перерабатывает их и производит отходы. Он способен расти, самовоспроизводиться и отвечать на изменения внешних условий. То есть огонь удовлетворяет большинству критериев нашего списка (за исключением, разве что, саморегуляции) – и все-таки мало кто готов признать его живым.
Недавно возникшая наука экология указывает нам иной способ применения списков для определения того, что такое жизнь. Вместо того чтобы рассматривать свойства отдельного организма, эколог обращает внимание на то, как этот организм включается в сложную сеть отношений, составляющих экосистему, частью которой данный организм является. Возможно, наиболее известный пример этой позиции – так называемая гипотеза Геи. Выдвинувший ее эколог Джеймс Лавлок рассматривает всю Землю в целом, включая равно и «живые», и «неживые» ее составляющие, как некий единый организм. На основе этой гипотезы обычно выдвигается предположение о том, что различные экосистемы Земли будут функционировать совместно во имя создания устойчивой среды, благоприятствующей развитию жизни. (Здесь стоит вспомнить, кто такая Гея в древнегреческой мифологии – богиня‐прародительница, древняя праматерь всего живого.)
Гипотезу Геи неоднократно критиковали – ведь реальная геологическая история Земли полнится катастрофами, которые вряд ли стыкуются с представлением о нашей планете как об итоге тщательного и планомерного создания экологического равновесия. В ее истории были, например, эпизоды, когда вся Земля представляла собой гигантский «снежок» – промерзшая поверхность планеты (включая океаны) была целиком покрыта снегом и льдом, которые растапливали только огромной мощности извержения вулканов. Так что, хотя мы и не можем отрицать, что все живые организмы на Земле входят в состав обширных экосистем, все, что экологический подход может нам дать в плане определения понятия жизни, – добавление еще одного пункта в наш список свойств живого: «чтобы считаться живым, надо быть частью обширной экосистемы». Однако, если для живых организмов на Земле это, возможно, и соответствует действительности, нет никаких причин считать это свойство обязательным для жизни на экзопланетах.
То же самое можно сказать и о тезисе, гласящем что живые системы должны состоять из клеток. Хотя жизнь, похожую на нашу, нам привычно представлять состоящей из клеток, нет никаких оснований полагать, что жизнь на экзопланетах должна быть похожа на нашу именно по этому параметру.
Проще говоря, большинство свойств из вышеприведенного списка несомненно присущи живым организмам Земли, но столь же несомненно, что внеземная жизнь совершенно не обязана ими обладать. Поэтому, когда мы наконец отправимся в путешествие по Галактике, мы можем на всякий случай захватить наш список с собой, но не будем слишком рассчитывать на то, что в наших поисках он нам пригодится.
Определения, основанные на описании жизни как процесса
В 1994, когда в NASA решили возвратиться к поискам жизни на просторах Галактики, была создана группа ученых‐экспертов, целью которой стала разработка критериев определения этого понятия. Следуя предложению, выдвинутому астрофизиком из Корнелльского университета Карлом Саганом, они определили жизнь как «самоподдерживающуюся химическую систему, способную к дарвиновской эволюции». Эта формулировка вошла в историю науки как «определение NASA», и, хотя она очевидно геоцентрична, мы, размышляя о возможных формах жизни на экзопланетах, увидим, что эта формулировка, несомненно, полезна.
Процесс дарвиновской эволюции называют также естественным отбором. Мы утверждаем, что, по всей вероятности, этот процесс должен действовать на подавляющем большинстве экзопланет.
Вот как он протекает на Земле. Каждый организм получает от своих родителей генетический материал, который влияет на свойства и качества этого организма. Эти свойства, в свою очередь, играют основную роль в определении того, проживет ли организм достаточно долго, чтобы передать генетический материал следующему поколению, – вам может быть знакома формулировка «выживает сильнейший» (или «наиболее приспособленный».) Постепенно в популяции будут накапливаться признаки, способствующие выживанию. Таким образом, с течением времени естественный отбор создаст организмы, хорошо приспособленные к окружающей их среде. Именно так и возникло то разнообразие форм жизни, которое мы видим на нашей планете.
Но хотя все живые организмы на Земле и являются продуктами естественного отбора, из этого не следует напрямую, что нечто, не являющееся продуктом естественного отбора, не может быть живым. Мы рассмотрим несколько вариантов таких ситуаций в главе 16, когда будем говорить о жизни, совершенно непохожей на нашу.
Фактически, определение NASA – лишь одна из множества попыток дать определение жизни в терминах процессов, в результате которых она появляется. Это определение, в сущности, говорит, что для того, чтобы узнать, является ли что‐то живым, мы должны узнать, как оно появилось. Если организм возник в результате естественного отбора, то, в соответствии с этим определением, он живой. Рассматриваемый под таким углом, естественный отбор становится способом определения живого.
Для определения жизни пытались использовать и другие процессы. Один из самых интересных примеров связан с теорией систем: речь идет о так называемом свойстве эмерджентности. В этом случае мы определяем жизнь как эмерджентное свойство химических систем.
Пример, на котором проще всего объяснить, что такое эмерджентность, – куча песчинок. Представьте себе, что вы собираете кучу, добавляя к ней по одной песчинке. По мере увеличения числа песчинок взаимодействие сил внутри кучи становится все более и более сложным, хотя эти силы возникают в результате контактов между песчинками и ничего больше. В конце концов – скажем, на миллионной песчинке – происходит нечто новое: мы добавляем эту песчинку, и вдруг с какой‐то стороны кучи сходит оползень. Этот оползень – эмерджентное свойство песчинок. Суть здесь в том, что одна песчинка не станет причиной миллионной доли оползня, но при этом для того, чтобы куча песка пришла в движение, вам потребуется сначала собрать 1 000 000 песчинок.
Таким образом, сторонники этого определения заявляют, что жизнь есть проявление некоей химической лавины. Усложните химическую систему в достаточной степени, и вы, по всей вероятности, получите жизнь.
Главная сложность этого типа определений состоит в том, что они требуют весьма подробного и четкого знания о том, как именно рассматриваемая система пришла к состоянию, в котором сейчас находится. В главе 5 мы обсудим более сложные проблемы, которые ожидают нас при поиске следов жизни на других планетах, не говоря уж о том, чтобы выяснить, как эта жизнь развивалась. Даже на Марсе, куда мы можем посылать спускаемые аппараты и зонды и проводить измерения in situ, отыскать достаточно убедительные доказательства того, что жизнь там существует (или существовала), оказалось крайне трудно. Представьте, насколько трудно было бы не только обнаружить жизнь, но и проследить за ее эволюцией на далекой экзопланете.
Определения, сформулированные на основании законов термодинамики
Когда физики рассматривают какую‐то проблему, например определение жизни, их ключевой подход состоит в том, чтобы докопаться до самых базовых законов природы, действующих в исследуемой ими системе, какой бы эта система ни была. Этот метод известен нам по крайней мере со времен Исаака Ньютона, который обнаружил, что движение любого объекта, где бы во Вселенной он ни находился, можно описать тремя открытыми им законами. Как мы уже говорили в предыдущей главе, можно сказать, что цель физики – свести законы бытия Вселенной к системе уравнений, которая поместилась бы на футболке. Таким образом, когда физик думает о жизни на Земле, он вспоминает прежде всего о двух ключевых параметрах: энергии и энтропии. Эти параметры – сфера изучения термодинамики, науки, которая возникла и получила свое развитие в XIX веке. В предыдущей главе мы уже говорили о первом и втором законах термодинамики (не забыли про футболку?), которые можно сформулировать так:
Первый закон: Энергия может принимать множество переходящих друг в друга форм, но не может быть создана или уничтожена. Второй закон: Мера беспорядка в замкнутой системе со временем остается неизменной или растет, но не уменьшается.
Второй закон часто формулируется в терминах энтропии – величины, которую можно определить как меру беспорядка в системе: высокая энтропия соответствует высокой степени беспорядка, низкая – высокой степени упорядоченности.
Типичная аналогия, иллюстрирующая законы термодинамики, – спальня подростка. С течением времени комната становится все более и более захламленной (т. е., степень беспорядка в ней повышается, или, что, по сути, то же самое, она переходит в состояние со все более высокой энтропией). Мы можем представить себе захламленность как естественное «равновесное» состояние этой системы. Единственный способ избежать этой захламленности и тем самым удерживать систему в состоянии, далеком от равновесия, – постоянно заниматься уборкой. Этот процесс требует затрат энергии, а энергия, скорее всего, будет получена из еды, которую подросток (или, что более вероятно, его родители) ест. Избыток этой энергии будет – после того как уборка в комнате закончится – рассеян в пространстве в виде тепла. Это следует из первого закона – энергия, полученная из еды, должна куда‐то деваться и не может просто исчезнуть. Следовательно, чтобы поддерживать состояние высокой упорядоченности (или низкой энтропии), нам необходимо иметь постоянный приток энергии, проходящей через систему. На языке физиков мы говорим, что приток энергии поддерживает систему в высокоупорядоченном состоянии, далеком от равновесия.
Живая система, такая, как человеческое тело, находится именно в таком высокоупорядоченном состоянии, напоминающем чисто убранную спальню. Будучи предоставленными сами себе, атомы вашего тела быстро превратились бы в груду неструктурированного материала, наподобие захламленной спальни. Приток энергии, попадающей в организм во время приема пищи, а в конечном счете – поступающей от Солнца, удерживает тело в состоянии, далеком от равновесия – то есть кучки неупорядоченных атомов. Резюмируя все вышесказанное, мы можем заключить, что живая система – это система, которую приток энергии удерживает в состоянии, далеком от равновесия.
Впрочем, это даст нам не столько определение жизни, сколько ключевое свойство живой системы, свойство, которое может говорить о возможности жизни как таковой. На языке логики это необходимое, но не достаточное условие жизни. Другими словами, все живые системы должны иметь приток энергии для поддержания состояния с высокой степенью организованности – но не все системы, обладающие таким свойством, будут живыми. Растущая снежинка, к примеру, – высокоупорядоченная система, задействующая для своего роста энергию тепла, но она не живая.
Концепция жизни, определенной в терминах термодинамики, очень пригодится нам, когда мы будем обсуждать возможность жизни, совершенно непохожей на нашу (глава 16).
