Источник:

Журнал «Analog Science Fiction/Science Fact», том 101, 30 марта 1981, стр. 30-41

В данной статье находится материал, изначально размещённый
в книге Роберта А. Фрейтаса-младшего «Ксенология» (1979).

Ксенобиология

Роберт А. Фрейтас-младший

Ксенология – это изучение всех аспектов жизни, разума и цивилизации, присущих условиям, отличным от земных. За последние три десятилетия ксенология показала быстрый прогресс по многим направлениям. Биохимики изучали происхождение жизни на этой планете, зная, что если они смогут воспроизвести основные ранние этапы «абиогенеза» в лаборатории, то окажется, что эволюция инопланетной жизни – это очень вероятное, а возможно, и неизбежное событие. Биологи из НАСА потратили много времени на разработку сложных приборов для обнаружения жизни вроде миниатюрных биохимических автоматизированных испытательных лабораторий, доставленных на Марс «Викингом» в 1976 году. Растёт интерес к SETI (the Search for Extraterrestrial Intelligence), поиску внеземного разума, в рамках которого учёные, изучающие радиосигналы, ищут мощные передачи или утечки излучения от развитых внеземных сверхцивилизаций. (Совсем недавно мы ещё с несколькими людьми расширили поиск, включив в него возможное наблюдение инопланетных межзвёздных зондов и артефактов здесь, в Солнечной системе.) Астрономы также ищут прямые доказательства существования планет, вращающихся вокруг ближайших звёзд, и эта задача станет значительно проще, как только на околоземную орбиту уже в 1983 году будет запущен космический телескоп.

Ксенобиология, изучение инопланетных форм жизни, является основной дисциплиной в рамках ксенологических наук. Её предметом является совокупность всех возможных систем жизни во Вселенной, а не только биология какого-то одного мира. Распространённое утверждение о том, что ксенобиология – это «наука в поисках предмета», потому что до сих пор не найдено ни одного инопланетянина, игнорирует долгую эволюционную историю нашей планеты. С космической точки зрения Земля – инопланетный мир, такой же экзотический, как и любой другой мир в Галактике.

Биологический шовинизм

Термин «шовинизм» происходит от имени Николя Шовена, патриотически настроенного солдата, родившегося в Рошфоре в конце 18 века. В 1815 году Шовен приобрёл дурную славу своей упрямой, воинственной приверженностью безнадёжному делу разваливающейся империи Наполеона. С тех пор это слово стало ассоциироваться с любой абсурдной, неразумной, непереубеждаемой преданностью собственной расе, национальности, полу, религиозным убеждениям, или, в более общем плане, собственной особой точке зрения. Шовинизм обычно ассоциируется с невежеством – и в свете отсутствия у нас точных знаний о формах жизни в других частях Вселенной, шовинизм предсказуемо распространён в ксенобиологии.
Например, ранее существовало мнение о том, что кислород (O₂) абсолютно необходим для высокоорганизованной жизни. В настоящее время многие ксенобиологи категорически отвергают это предположение. На протяжении первых нескольких миллиардов лет эволюции на Земле кислород большей частью отсутствовал, и в наше время множество организмов по-прежнему не нуждается в этом элементе для выживания. Эксперименты показали, что растения лучше растут в воздухе, содержащем лишь около половины нормального количества кислорода, а присутствие O₂ в области ядра современных живых клеток обычно приводит к летальному исходу. Люди, ныряющие с аквалангом, получают отравление газом при давлении больше нескольких атмосфер. В любом мире крупным существам для снабжения их тел энергией может потребоваться какой-нибудь сильный окислитель, но это не обязательно должен быть кислород.
Другим ранним примером биологического шовинизма было утверждение о том, что жизнь – это особенно хрупкое явление, ограниченное очень узким диапазоном сред обитания. В 1960-е годы учёные исследовали экстремальные случаи земной жизни и обнаружили, что флора и фауна Земли (особенно микроорганизмы и другие простые формы жизни) сопротивляются смерти даже в таких условиях, которые быстро убили бы человека.
Например, микробы Thiobacillus процветают в некоторых самых сильных кислотах, известных человеку, тогда как сине-зелёные водоросли Plectonema nostocorum благоденствуют в самых сильных щелочах. Выносливая тихоходка может пережить периоды полного обезвоживания, её можно заморозить почти до абсолютного нуля или нагреть до температуры более 120°C, и она не погибнет. Биологический рост и размножение были продемонстрированы в лаборатории при температурах от -243°C до 104°C, а глубоководные бактерии и другие формы жизни животных выживают при воздействии давления, превышающего 8000 атм (норма для Земли на уровне моря составляет 1 атм). Micrococcus radiodurans и несколько видов водорослей благополучно растут в воде активной зоны атомных электростанций, выдерживая радиацию, которая убила бы человека почти мгновенно. Когда астронавты «Аполлона» сняли телекамеру с американского лунного зонда «Сервейер-3», внутри объектива была обнаружена колония бактерий Streptococcus mitis. Видно, что эти выносливые микробы пережили три года в условиях жёсткого вакуума, без пищи и воды, при воздействии космических лучей и температур, варьирующих от значительно превышающих точку кипения воды днём до -160°C ночью.
Космические аппараты, отправленные в последнее десятилетие к другим планетам, передали огромное количество информации о наших ближайших соседях в космосе. В настоящее время есть мнение, что атмосфера Юпитера, долгое время считавшегося слишком холодным для жизни, богата органическими соединениями, а температура облаков достаточно высокая, чтобы позволить существовать жидкой воде. На спутнике Юпитера Европе может существовать океан воды глубиной с земные моря, запертый под его замёрзшей поверхностью (и в нём может существовать жизнь), а Ио, другой спутник Юпитера, как полагают, обладает огромными подземными бассейнами расплавленной серы и разреженной атмосферой из двуокиси серы, выделяемой из недр действующими вулканами. Титан, крупнейший спутник Сатурна, обладает плотной атмосферой, возможно, содержащей углеводороды и другие органические вещества, а присутствие аммиака может вызвать потепление, «парниковый эффект», который может повысить температуру поверхности до уровня, подходящего для земной биологии. Миссия «Викингов» на Марс не обнаружила однозначных свидетельств существования жизни, хотя некоторые из них, возможно, сохранились с более ранней, более влажной эпохи, но ускользнули от обнаружения, впав в спячку в полярных районах Марса или глубоко под землёй. Наконец, космический аппарат «Пионер-Венера» обнаружил в атмосфере Венеры водяной пар в концентрации до 0,5% прямо под основным слоем облаков. По земным меркам здесь несколько суховато, но всё равно достаточно влажно, чтобы биология, если она существует, могла сохранить шаткую точку опоры. Поиски жизни в нашей Солнечной системе только начинаются.

Водно-углеродные формы жизни

Все живые существа, которые нам известны, состоят из сложных соединений углерода, погружённых в жидкую воду. Возможно, что эту форму должна принимать вся жизнь во Вселенной. У земной биологии есть два основных компонента: ДНК (цепочка нуклеиновых кислот), носитель генетической информации и схема наследования, и белок (цепочка аминокислот) – сырьё и инструмент, с помощью которых создаются живые существа. Если мы ограничимся формами жизни, использующими ДНК и белок в водно-углеродной биохимии, то существуют ли какие-либо приемлемые альтернативы в рамках базового земного формата?
В течение многих лет предполагалось, что генетический код универсален для всей земной жизни. Считалось, что этот код, используемый для записи инструкций (называемых «кодонами») в хромосомной ДНК для производства белка клетками, является общим для растений, людей и бактерий. В конце 1979 года учёные Совета по медицинским исследованиям в Кембридже, Англия, и исследователи Колумбийского университета в Нью-Йорке сделали поистине удивительное открытие: код не универсален! Некоторые из кодонов, используемых в митохондриях (основных источниках метаболической энергии в клетках), явно имеют иное значение, чем было бы у тех же самых кодонов в окружающей, более «нормальной» клеточной цитоплазме.

Это исследование поднимает ряд интригующих вопросов. Насколько допустимы вариации в схемах генетического кодирования? Могли ли примитивные формы жизни на более ранних стадиях земной эволюции обладать совершенно иной системой? Возможны ли альтернативные коды наследственности, когда гены записаны на непротиворечивом языке, непереводимом человеческими клетками? Могли ли появиться в какой-то инопланетной генетической системе нуклеиновые кислоты, отличные от пяти из нашей биохимии?
Доктор Александр Рич, известный биохимик Массачусетского технологического института, считает, что функции земных нуклеиновых кислот не уникальны. Он предположил, что в органических цепочках, называемых полимерами, которые могут использоваться в качестве носителей информации во внеземных живых системах, могут использоваться другие молекулы. На конференции по происхождению жизни, проходившей в Принстоне в мае 1967 года, доктор Рич прокомментировал, что «было бы забавно создать химическую систему комплементарных полимеров на основе мономеров, которые не являются производными нуклеиновых кислот, просто для того, чтобы продемонстрировать, что это возможно. Думаю, примерно через десять лет у нас будет хорошо развитая сфера синтетических полимерных носителей информации, которая даст нам хорошее представление о нашей собственной земной системе. Тот факт, что иная система возможна, может иметь отношение к биологии если не на этой планете, то, возможно, на другой».

В декабре 1979 года доктор Рич и его коллеги из Массачусетского технологического института объявили об открытии новой формы синтетического ДНК-полимера. Обычный генетический материал, называемый В-ДНК, имеет знакомую структуру двойной спирали с закручиванием в правую сторону. Новая ДНК, синтезированная для группы учёных МТИ в Нидерландах, не только закручивается в левую сторону, но и заметно отличаюется от формы В структурой поверхности молекулы. Рич называет её Z-ДНК, из-за зигзагообразного расположения фосфатных групп, которые служат молекулярной основой ДНК (см. рисунок ниже). Поскольку Z-ДНК была синтезирована с нуля, никто пока не знает, встречается ли эта необычная форма генетического материала в живых клетках естественным образом. Команда доктора Рича начала серию экспериментов, чтобы выяснить это. Если исследователи смогут выявить белки, которые связываются с синтетической структурой, то вполне вероятно, что Z-ДНК может быть обнаружена где-то в природе. Это ставит ещё более интересный вопрос перед ксенобиологами. Земные хромосомы построены (насколько нам известно) полностью из B-ДНК, но могут ли существовать внеземные биохимические системы, которые передают генетическую информацию в основном с использованием Z-ДНК? Доктор. Рич считает, что могут существовать белки, которые связываются преимущественно с левозакрученной, а не с правозакрученной ДНК. Эти белки могут даже состоять из аминокислот, которые обычно не играют никакой роли в системах жизни на Земле. Инопланетные существа, в основе которых лежит код Z-ДНК, несомненно, сочли бы наши продукты, напитки, лекарства, клетки и жидкости тела совершенно несовместимыми. Существует небольшая опасность того, что такие посетители нашей планеты при первом контакте могут передать смертельный патоген и вызвать на Земле эпидемию.

Z-ДНК против B-ДНК (любезно предоставлено Александром Ричем)

А как насчёт альтернативных белков в водно-углеродной биохимии? Химикам давно известны буквально сотни аминокислот в дополнение к обычным 20, которые составляют все белковые молекулы, кодируемые ДНК в биологии человека. Никто точно не знает, почему для этой работы эволюцией были выбраны именно эти 20. Похоже, что ничто не мешает каждому из вариантов внеземной водно-углеродной химии на основе ДНК и белка иметь свой собственный уникальный набор аминокислотных строительных блоков. Простой комбинаторный расчёт показывает степень этой уникальности: существует более чем 10²⁷ способов выбрать случайным образом набор из 20 аминокислот для использования в инопланетном белке из общего количества, скажем, 200 возможных аминокислот, или около миллиона совершенно разных белковых систем, теоретически доступных на каждой из планет у каждой из звёзд во вселенной.
Как и в случае с Z-ДНК, альтернативные белковые структуры легко можно представить. Чтобы понять, как это возможно, мы должны вернуться к экспериментам по синтезу пребиотиков, которые провели в 1950-е гг. доктор Стэнли Миллер и другие. Чтобы воспроизвести состав атмосферы Земли до зарождения жизни, доктор Миллер (ныне работающий в Калифорнийском университете в Сан-Диего) смешал метан, водород, аммиак и воду в закрытом сосуде, из которого был удален весь кислород. Газы циркулировали в области, сквозь которую пропускался искровой электрический разряд для имитации действия молнии. Через неделю Миллер извлек содержимое для анализа и обнаружил поразительное разнообразие органических соединений, важных для земной жизни, в том числе аминокислоты.
Основная форма аминокислоты – это короткая цепочка атомов углерода прикреплённой в одном месте небольшой аминогруппой (-NH₂). Существуют две распространённые формы аминокислот, называемые альфа и бета. Большинство земных белков относятся к альфа-форме, где аминогруппа находится вблизи хвостового конца молекулы аминокислоты. Бета-формы, в которых аминогруппа смещена ближе к передней части цепочки, практически не встречаются.*

По словам доктора Питера М. Молтона, бывшего сотрудника Лаборатории химической эволюции Мэрилендского университета, объяснение такого отбора может заключаться исключительно в том порядке, в котором на ранних стадиях пребиотической эволюции появляется вода. Эксперименты типа проведённого Миллером показывают, что если в первичном «бульоне» изначально присутствует вода, образуются только альфа-аминокислоты, и жизнь развивается с альфа-белками. Но если ранние продукты химической эволюции сталкиваются с водой гораздо позже, то в этом случае преобладают бета-аминокислоты. Если это произойдёт в другом мире, то получившиеся внеземные формы жизни могут содержать бета-, а не альфа-белки и, вероятно, окажутся несъедобными для людей. Они могут быть даже ядовитыми, что имеет большое значение для будущих межзвёздных колонистов, туристов и солдат.

Биология без воды

Реакции земной биохимии протекают в воде – удивительном веществе с целым набором свойств, идеально подходящих для нашего варианта жизни. На протяжении многих лет одним из самых стойких и, казалось бы, самых разумных видов биологического шовинизма было утверждение, что вода является единственным хорошим биохимическим растворителем, но это мнение постепенно меняется.
В настоящее время ксенобиологи рассматривают аммиак (NH₃) как основную альтернативу воде для гипотетических вариантов химического состава инопланетной жизни. Известно, что аммиак присутствует в атмосферах всех газовых гигантов Солнечной системы, и считается, что в течение первого миллиарда лет существования нашей планеты он встречался на Земле в изобилии. Единственным растворителем, ещё более распространенным во Вселенной, является вода, и при давлении ниже примерно 10 атм вода замерзает в виде твёрдого льда во всём диапазоне температур, в котором аммиак является жидкостью. Мы легко можем представить себе аммиачные озёра или моря на других планетах, хотя они могут и не быть необходимыми для возникновения аммиачной жизни. Густого тумана, сконцентрированного в каком-то стабильном слое в спокойной атмосфере газового гиганта, похожей на атмосферу Сатурна, могло бы быть достаточно.
Чтобы быть полезным для биологии, растворитель должен сохранять жидкое состояние. Некоторые учёные утверждают, что диапазон температур, в котором аммиак сохраняет жидкое состояние, слишком узок, чтобы он мог заменить воду в какой-то альтернативной биохимической системе. Диапазон температур, в котором сохраняет текучесть вода, при нормальном давлении составляет ровно 100°C (от 0°C до 100°C) по сравнению всего с 44,3°C (от -77,7°C до -33,4°C) для аммиака. Но действительно ли это различие заслуживает внимания? Практически все формы жизни на Земле обитают в среде с температурой от 0 до 44°C, и для пребиотической химической эволюции, как её понимают в настоящее время, не требуется, чтобы показатели среды значительно выходили за рамки этого температурного диапазона. Кроме того, пределы температурного диапазона, в котором аммиак сохраняет жидкое состояние, можно расширить за счёт повышения давления. При давлении всего 60 атм, что значительно меньше давления, наблюдаемого вблизи поверхности Венеры или в плотных облаках Юпитера и Сатурна, аммиак кипит при температуре 98°C, а не -33,4 °C. (Аммиачная жизнь не обязательно будет низкотемпературной.) Таким образом, при повышенном давлении аммиак оказывается выгоднее, чем вода.
Многое часто говорится о практически уникальном свойстве воды расширяться при замерзании. Лёд менее плотный, чем жидкость, поэтому он плавает на поверхности и защищает существ, плавающих под поверхностью. Аммиачные моря промёрзли бы снизу доверху, потому что твёрдая фаза более плотная и тонет, вызывая промерзание всего местообитания в периоды экстремальных холодов и приводя к гибели каких-то организмов, живущих в этом месте. Следовательно, аммиак – это растворитель худшего качества.
Но при этом игнорируется тот факт, что замерзание воды внутри клеток живой ткани открывает дорогу новой опасности, также уникальной для воды, – механическому повреждению в результате расширения. Аммиак при замерзании сжимается, поэтому повреждение клеток будет гораздо менее вероятным. То самое свойство, которое может привести к обширному замерзанию океана, должно также позволить формам жизни на аммиачной основе гораздо успешнее находиться в анабиозе в замороженной среде.
Кислотно-щелочная химия жидкого аммиака массово изучалась на протяжении всего этого столетия, и оказалось, что по богатству и сложности она не уступает системе на водной основе. Аммиак растворяет большинство органических соединений так же хорошо, как вода, или даже лучше, и обладает беспрецедентной способностью переводить в раствор напрямую многие металлы, в том числе натрий, магний, алюминий и некоторые другие. Йод, сера, фосфор и селен также немного растворимы, вступая в реакцию по минимуму, и каждый из этих элементов важен для химии земной жизни или предбиологического синтеза. Не стоит считать, что в роли химического растворителя для жизни аммиак хуже воды.
Предприимчивые ксенобиологи разработали несколько серий аналогов макромолекул для жизни земного типа на основе аммиака, в том числе заменители спиртов, аминокислот, жирных кислот, белков и углеводов. Но мы не знаем, будет ли аммиачная жизнь принимать те же химические формы, что и земная биохимия. Несомненно, аммиачно-углеродная биология таит в себе столько же различных возможностей, сколько и водно-углеродная. Одно из предположений Питера Молтона состоит в том, что аммониевая жизнь может использовать для регулирования электрического потенциала клеточных мембран хлориды цезия и рубидия. Эти соли лучше растворимы в жидком аммиаке, чем соли калия и натрия, необходимые для земной жизни на водной основе.
Время от времени предлагалось много вариантов иных систем биологических растворителей, таких как, например, диоксид серы, фтороводород, метан, гидразин, хлор и сера. Сжиженный диоксид углерода (CO₂) является ещё одной вероятной альтернативой, хотя химия его растворов практически неизвестна. При нормальном давлении CO₂ существует только в газообразном или твёрдом состоянии («сухой лёд»), но при давлении выше 5,2 атм можно добиться его перехода и в жидкое состояние. Если бы планета Венера (воздух которой содержит 96% чистого CO₂ при давлении 90 атм.) внезапно переместилась на орбиту куда-нибудь в окрестности пояса астероидов, большая часть атмосферы могла бы сконденсироваться и выпасть в виде дождя, создав на планете океаны жидкого углекислого газа глубиной около километра.

Биология без углерода

Большинству биохимиков сложно представить себе биологию, основанную на каком-либо ином элементе, помимо углерода. Атомы углерода легко связываются друг с другом, образуя длинные полимерные цепи, и могут объединяться с большим количеством других элементов, образуя ошеломляющее разнообразие различных молекул с множеством полезных биохимических свойств. Но уникален ли он в этом отношении? Как минимум, с начала этого столетия некоторые исследователи размышляли о возможности замены углерода кремнием в живых системах. Это предположение возникает главным образом благодаря тому, что в периодической таблице элементов (систематическая группировка элементов в соответствии с их свойствами) кремний находится прямо под углеродом и как таковой является ближайшим химическим соседом углерода.
Традиционно идея кремниевой жизни холодно воспринималась научным сообществом в целом. Одна из распространённых претензий состоит в том, что атомов углерода во Вселенной примерно в десять раз больше, чем атомов кремния: при прочих равных условиях предпочтение всегда следует отдавать углероду. Но большая часть биохимической эволюции, вероятно, протекает на поверхности планет. Мы знаем, что кремний составляет примерно 25-30% от общего состава поверхности всех земных миров, почва которых была изучена непосредственно. В земной коре атомов кремния в сто раз больше, чем атомов углерода. На Луне углерод встречается ещё реже, а в марсианской коре его не наблюдается вплоть до уровня, измеряемого отдельными частями на миллиард.
Часто приходится слышать, что химия углерода значительно разнообразнее, чем химия кремния, и потому больше подходит для сложных живых систем. На сегодняшний день известно более двух миллионов соединений углерода по сравнению с ничтожными 20 000 веществ на основе кремния. Но на изучение углерода было затрачено гораздо больше исследовательских усилий – из-за его очевидной биологической и медицинской важности. Серьёзный интерес к химии кремния возник всего лишь несколько десятилетий назад и с тех пор развивался относительно медленными темпами. Наблюдаемую скудность соединений кремния можно большей частью объяснить отсутствием интереса к этой теме среди химиков.
Обычным «ударом милосердия» углеродных шовинистов является утверждение о неспособности атомов кремния легко соединяться в длинные полимерные цепочки. Утверждается, что отсутствие цепочек означает отсутствие биохимической сложности, а потому и отсутствие жизни. Будет ли этот вывод обоснованным?
Многие полагают, что нет. Совершенно верно, что атомы кремния с трудом соединяются, образуя стабильные некристаллические структуры, но это мало что говорит о возможности Si-жизни. Земные белки, углеводы и нуклеиновые кислоты – три самых важных полимерных вещества в земной биохимии – редко содержат больше немногих последовательно соединённых атомов углерода. Органические боковые цепочки могут содержать до восьми атомов углерода, а некоторые жиры и витамины – значительно больше, но базовая молекулярная основа жизни обходится лишь несколькими. Например, многие из белков состоят из повторяющейся последовательности всего из двух атомов углерода и одного – азота в форме -C-C-N-C-C-N-. Жизни нужны стабильные макромолекулы, а не просто длинные цепочки одинаковых каркасных атомов.
Жизнь на основе кремния действительно возможна. В сочетании с кислородом, азотом и несколькими другими элементами кремний (Si) обеспечивает устойчивость различных полимеров кольцевой формы и в виде прямых цепочек к интенсивным потокам ультрафиолетового излучения и очень низким температурам. Силан (SiH₄), кремниевый аналог метана (CH₄), может служить растворителем для холодной кремниевой биохимии в безводных восстановительных условиях. В присутствии воды или аммиака связи Si-Si склонны к разрушению. К счастью, температурный диапазон текучести силана (от -185°C до -112°C) значительно ниже температуры плавления любого из этих более распространённых растворителей, поэтому и вода, и аммиак должны быть заморожены в «минеральной» форме. Скопления жидкого силана многим могут показаться чем-то невероятным, и даже смешным. Но мы должны помнить, что естественные озёра расплавленной серы тоже считались полным абсурдом – до тех пор, пока учёные не обнаружили их на Земле под вулканическим кратером вулкана Поас в Коста-Рике в 1977 году, и на спутнике Юпитера Ио, когда мимо него пролетал «Вояджер» в 1979 году.

В последние годы химики открыли множество классов неорганических полимеров, основанных на различных необычных элементах. Например, силиконы – это полимеры с чередующимися атомами кремния и кислорода, устойчивые к очень высоким температурам. Длинные углеродные цепи легко присоединяются к силиконовой основе, открывая интересную возможность гибридной углеродно-кремниевой биохимии. В настоящее время также известно, что элемент бор образует крупные стабильные молекулярные структуры, некоторыми качествами превосходящие даже углерод. Бор является удивительно универсальным элементом – недавно были синтезированы буквально тысячи соединений (многие из которых устойчивы к экстремально высоким температурам), и в уникальную архитектуру молекулярной «клетки» бора успешно включалось более 40 элементов – почти половина Периодической таблицы. Соединения бора и азота, которые специалисты в этой области часто называют «псевдоуглеродами», представляют собой целый ряд замечательных прямых аналогов органических веществ на углеродной основе.

Общая ксенобиология

На данном этапе полезно спросить, какое именно отношение имеет биохимическая биология к нашему изучению инопланетных существ. Ксенолог, который говорит о «формах жизни», чаще всего имеет в виду сущность или материальную систему, которая усваивает как материю-энергию, так и информацию. (Метаболизм – это любой механизм, который принимает совокупность исходных ресурсов, после чего обрабатывает их и производит определённую совокупность выходных продуктов.) Некоторые могут также потребовать, чтобы каждый из типов метаболизма был ориентирован на выживание или нацелен на размножение, но ясно, что понятие формы жизни значительно шире традиционных представлений, отталкивающихся от земной жизни. Ксенобиологи могли бы возразить, что, хотя все биохимические биологические объекты должны представлять собой формы жизни, не все формы жизни обязательно должны быть биохимическими по своей форме.
Для жизни требуется обмен веществ – систематическое оперирование веществом-энергией и информацией. Но осуществить оперирование можно только путём приложения силы. Физики говорят нам, что в природе существует всего четыре фундаментальных силы. Самой мощной является ядерная или «хромодинамическая» сила, ответственная за связывание протонов и нейтронов в атомных ядрах, а также за удержание субъядерных «кварков» вместе внутри отдельных протонов, нейтронов и других частиц. Менее сильным является электромагнитное взаимодействие, которое лежит в основе притяжения или отталкивания заряженных объектов и преобладает в химических реакциях земной биохимии. Слабое взаимодействие опосредует многие процессы радиоактивного распада. Наконец, существует гравитация – безусловно, самая слабая сила, которая проявляется во всеобщем тяготении всей материи-энергии. Мы можем представить себе четыре широких класса метаболических сущностей – хромодинамические или ядерные формы жизни, электромагнитные формы жизни (например, вся земная жизнь, включая людей), формы жизни на слабых взаимодействиях и гравитационные формы жизни. Вероятнее всего, каждый из них будет развиваться в тех условиях, где силы, от которых он зависит больше всего, преобладают над всеми остальными.

Например, гравитационные формы жизни, если они существуют, выживают, используя самую распространённую форму энергии во Вселенной. Гравитация также наиболее эффективна – вот почему гидроэлектростанция, которая преобразует энергию падающей воды в электричество (по сути, контролируемое гравитационное сжатие Земли), может показывать КПД, близкий к 100%. Теоретически, гравитационные существа могут быть самыми рациональными существами во Вселенной. Он могут получить энергию для себя путём организации событий столкновения между чёрными дырами, галактиками или другими небесными объектами, или путём тщательного регулирования сжатия различных объектов типа звёзд или планет. Эти существа не обязательно должны обладать астрономическими размерами. Источниками гравитационной энергии могут служить вращательные и орбитальные движения планетарных тел. Сравнительно небольшие формы жизни могли бы выжить, используя энергию водопадов, ветров, приливов и океанских течений или даже сейсмических возмущений.
Хромодинамические существа могут эволюционировать в среде, где преобладают ядерные взаимодействия. Хотя хромодинамическое взаимодействие является самым сильным в природе, оно эффективно только на расстояниях около 10^-15 метров, поэтому для существования такой жизни могут потребоваться совершенно особые условия. Такие условия, возможно, можно было бы найти внутри нейтронной звезды.

Нейтронные звёзды – это тяжёлые, быстро вращающиеся объекты диаметром 10-20 километров и массой примерно со звезду. Они обладают плотностью, как у ядерного вещества, сильнейшими магнитными полями, поверхностной гравитацией, превышающей 100 миллиардов земных g, и считаются источником энергии для пульсаров. Нейтронные звезды обладают атмосферой толщиной в полсантиметра и горами высотой не более одного сантиметра. Под трёхкилометровой корой кристаллических ядер железа циркулирует море нейтронов с температурой в сотни миллионов градусов. В этом море плавают различные ядерные частицы, в том числе протоны и атомные ядра. Учёные полагают, что в нейтронном море могут быть растворены богатые нейтронами «супер-ядра» или «макроядра». Эти макроядра могут содержать тысячи нуклонов (по сравнению всего с парой сотен в обычной материи), которые могли бы объединяться, образуя ещё более крупные супер-ядра, аналогичные макромолекулам, из которых состоит земная жизнь. Нейтронное море может быть эквивалентом воды в первобытных океанах Земли, а макроядра служат эквивалентами аминокислот, углеводов и нуклеотидов в пребиотическом процессе происхождении жизни. Можно представить себе жизнь, эволюционирующую в нейтронных звёздах почти так же, как это происходило на нашей собственной планете почти пять миллиардов лет назад, но заменяющую атомы, молекулы и воду атомными ядрами, супер-ядрами и нейтронами.
Формы жизни на основе слабых взаимодействий были бы существами, не похожими ни на что из того, что мы можем себе легко представить. Считается, что слабые взаимодействия действуют только на субъядерных расстояниях, менее 10^-17 метров. Они настолько слабы, что, в отличие от других сил, они, похоже, не играют никакой роли в том, чтобы действительно удерживать что-либо вместе. Они возникают при определённого рода ядерных столкновениях или процессах распада, которые по какой-либо причине не могут быть опосредованы сильными, электромагнитными или гравитационными взаимодействиями. Во всех этих процессах, таких как радиоактивный бета-распад и распад свободных нейтронов, принимают участие нейтрино.
Форма жизни на основе слабых взаимодействий может быть настоящим алхимиком. Тщательно контролируя слабые взаимодействия в своей среде, такое существо может заставить своё окружение измениться из состояния относительно высокого «слабого потенциала» в состояние низкого «слабого потенциала», а разницу впитать в себя. Состояние высокого «слабого потенциала» может характеризоваться крайней нестабильностью по отношению к бета-распаду – возможно, эти существа состоят из атомов, в избытке наполненных нейтронами, и становятся радиоактивными лишь тогда, когда умирают.
В нашей нынешней Вселенной такие формы жизни кажутся невозможными, но, возможно, не всё потеряно. Современные космологи считают, что в начале времён слабое и электромагнитное взаимодействия были принципиально одинаковыми – они оба подчинялись одному и тому же закону обратных квадратов и оба были примерно одинаковой силы. Предполагается, что во время Большого взрыва, когда Вселенная остыла до температуры ниже 3 х 10¹⁵°К, произошёл своего рода «фазовый переход». Подобно тому, как внезапно замерзает вода, слабое взаимодействие внезапно порвало с электромагнетизмом и стало тем, чем оно является сегодня – слабым и действующим на чрезвычайно коротком расстоянии. Недавно физик-лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг предположил, что во Вселенной могут существовать области, где слабые взаимодействия всё ещё относительно сильны. В своей книге «Первые три минуты» Вайнберг говорит: «Когда вода замерзает, она обычно образует не идеальный кристалл льда, а нечто гораздо более сложное; огромное количество кристаллических областей, разделённых участками кристаллической неупорядоченности различных типов. Не могла ли Вселенная также разделиться на области? Может, мы живём в одной из таких областей, где симметрия между слабым и электромагнитным взаимодействиями была определённым образом нарушена? Откроем ли мы со временем другие области?»

Электромагнитные формы жизни также могут принимать множество различных обличий. К этому классу относится любое существо, которое использует электромагнитные атомные связи, потоки электронов или электрические и магнитные поля. Вся биохимическая жизнь на Земле или на любой другой планете соответствует этому критерию, но может существовать множество других видов инопланетных живых систем, которые также соответствуют требованиям. Например, прогрессирующие интеллектуальные способности и универсальность электронных компьютеров позволяют предположить, что может быть правдоподобной некая твердотельная «машинная жизнь». Такие сущности могли бы выживать, манипулируя электронными потоками и полями для обработки материи-энергии и информационных моделей.

Другой неожиданной возможностью является предположение Жана Шнайдера из астрофизической группы Мёдонской обсерватории во Франции о том, что теоретически возможна кристаллическая нехимическая форма жизни с использованием порядка расположения кристаллических дислокаций. Шнайдер описывает примитивный процесс памяти, который обеспечивает прекрасную стабильную систему хранения информации с использованием того, что он называет «петлями дислокации», которые способны реагировать и сцепляться друг с другом, и могут распространяться в окружающую среду в когерентной форме. Такие формы кристаллической физиологии возможно обнаружить в одном из четырёх различных мест: (1) в горных породах Земли и других планет; (2) в крупицах межпланетной или межзвёздной пыли; (3) в плотном веществе звёзд белых карликов; и (4) в коре или ядре нейтронных звёзд.
Продвигаясь ещё дальше, однажды мы можем встретить электромагнитных существ наподобие тех, что описаны в книге астронома Фреда Хойла «Чёрное облако». В этой классике научной фантастики огромное облако ионизированного газа приближается к нашей Солнечной системе и поглощает Солнце, перекрывая его свет и тепло. В конце концов, учёные выясняют, что Облако – это гигантское живое существо, работающее на принципах физики плазмы, а не обычной молекулярной биохимии. Память и разум хранятся на электропроводящей подложке из различных твёрдых материалов. Потоки ионизированных газов, управляемые исключительно с помощью электромагнитных сил, переносят «питательные вещества» туда, где они необходимы внутри Облака.
Очень вероятно, что наша химия жизни – всего лишь один из многих возможных вариантов, и что вся биохимическая жизнь – это лишь один из многих способов ксенобиологического существования. Но все формы жизни, вне зависимости от того, какой облик они принимают, достойны нашего любопытства и уважения как проявления тех же фундаментального единства и космического порядка, которые дали начало жизни на Земле миллионы лет назад.

Для дальнейшего чтения

• Andrew H. J. Wang et al, “Molecular Structure of a Left-Handed Double Helical DNA Fragment at Atomic Resolution”, Nature 282 (13 December 1979): 680-686 (Сводка по Z-ДНК)
• V. A. Firsoff, Life Beyond the Earth, Basic Books, New York, 1963. (Альтернативная низкотемпературная и высокотемпературная биохимия.) Русское издание: В. Фирсов «Жизнь вне Земли», М., «Мир», 1966 г.
• Peter Molton, “Non-Aqueous Biosystems. The Case for Liquid Ammonia as a Solvent.” Journal of the British Interplanetary Society 27 (April 1974):243-262. (Хорошая, но техническая обзорная статья.)
• Robert L. Forward, Dragon’s Egg, Del Rey Books, 1980. (Вымышленное сообщение с техническим приложением о жизни на нейтронных звёздах.) Есть перевод на русский язык от Vouyal: Роберт Л. Форвард «Яйцо Дракона», 2021 г.
• Jean Schneider, “A Model for a Non-Chemical Form of Life: Crystalline Physiology,” Origins of Life 8 (1977); 33-38. (Формы жизни на основе кристаллических дислокаций.)

Оригинал на сайте Роберта А. Фрейтаса-мл.: http://www.xenology.info/Papers/Xenobiology.htm
Авторское право: Robert A. Freitas-jr., переведено с разрешения автора.

Перевод: Павел Волков, 2023-2024 гг.