Джеймс Трефил и Майкл Саммерс

Воображаемая жизнь

Мысленное путешествие по экзопланетам в поисках разумных инопланетян,
ледяных существ и животных из миров со сверхвысокой гравитацией

Smithsonian books
Washington, DC

Перевод: Павел Волков
2022-2023 гг.

Все права защищены. Ни одна часть этой публикации не может быть воспроизведена или передана в любой форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая копирование, запись или систему хранения или поиска информации, без письменного разрешения издателя.

Эту книгу можно приобрести для образовательных, деловых или рекламных целей. Для получения информации, пожалуйста, пишите по адресу: Special Markets Department, Smithsonian Books, P.O. Box 37012, MRC 513, Washington, DC 20013

Опубликовано издательством Smithsonian Books

Директор: Кэролин Глисон
Креативный директор: Джоди Биллерт
Главный редактор: Кристина Вигинтон
Редактор: Лора Харгер
Помощник редактора: Хайме Швендер
Редакция: Джулиана Фроггатт
Дизайн электронной книги адаптирован по дизайну печатной книги Джоди Биллерт
Данные библиографической записи Библиотеки Конгресса США
Имена: Трефил, Джеймс, 1938 – автор. | Саммерс, Майкл Э., автор.
Название: Воображаемая жизнь: мысленное научное путешествие по экзопланетам в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и животных из миров со сверхвысокой гравитацией / Джеймс Трефил и Майкл Саммерс.
Описание: Washington, DC : Smithsonian Books, [2019] | Включает указатель. Идентификаторы: LCCN 2018047097 | ISBN 9781588346643 (твердый переплет: щелоч. бумага) | ISBN 9781588346735 (электронная книга)
Темы: LCSH: Жизнь на других планетах. | Внеземные живые существа. | Экзопланеты. | Обитаемые планеты.
Классификация: LCC QB54.T74 2019 | DDC 576.8/39—dc23 2019 / DDC 576.8/39-dc23
Запись в каталоге Библиотеки конгресса доступна по адресу https://lccn.loc.gov/2018047097
Электронная книга ISBN 9781588346735
Для получения разрешения на воспроизведение иллюстраций, представленных в этой книге, пожалуйста, свяжитесь напрямую с владельцами работ, которые указаны в подписях к ним. Smithsonian Books не сохраняет за собой права на воспроизведение этих изображений по отдельности и не ведет списков адресов источников.
Изображения на первых разворотах глав взяты из иллюстраций НАСА и Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института.

Посвящаем эту книгу всем, кто страдает рассеянным склерозом или болезнью Паркинсона.
Не сдавайтесь.

Содержание

Обложка
Титульный лист
Авторские права
Посвящение
Предисловие
1. Неожиданная Галактика
2. Возможности и ограничения: Вселенная законов
3. Жизнь: что это такое?
4. Правила игры: как должна работать каждая живая система
5. В поисках жизни: правда ли, что она где-то есть?
6. Айсхейм: жизнь в глубокой заморозке
7. Новая Европа: океан подо льдом
8. Нептуния: вода, вода, кругом вода
9. Мир Златовласки: совсем как мы
10. Гало: жизнь на терминаторе
11. Одиночка: сам за себя
12. Здоровяк: самый тяжёлый
13. TRAPPIST-1: когда на орбите тесновато
14. Если взглянуть поближе: всё становится ещё более странным
15. Жизнь, не похожая на нас. Что, если мы – не единственный вариант?
16. Жизнь, совершенно не похожая на нас. Она может выглядеть довольно странно
17. Вопросы без ответов
Послесловие
Вкладка с иллюстрациями

• Физическая вселенная управляется относительно небольшим количеством общих правил.

• Законы, действующие в настоящее время на Земле, применимы к любому месту во Вселенной в любое время.

Эти идеи анимают центральное место в мышлении любого из учёных – они изначально были частью образования авторов книги. Собственно, они являются примерами того, что антропологи называют глубинными убеждениями. Это убеждения, настолько важные для племени или другой группы людей, что о них даже вслух говорят редко. Они просто считаются чем-то само собой разумеющимся и принимаются всеми без вопросов.
Однако авторы пришли к осознанию того, что эти два глубинных убеждения не относятся к широко известным или принимаемым широкой общественностью принципам. Дело здесь даже не в том, что многие люди считают эти принципы неправильными – просто эти правила не сразу приходят на ум, когда они задумываются о таких предметах научного интереса, как внеземная жизнь. Поэтому есть смысл уделить немного времени обсуждению этих принципов, в чём и заключается цель данной главы. Далее мы кратко изложим основные законы физики и химии, которые будут направлять наше путешествие по возможностям экзо-жизни на протяжении всей остальной книги.

Общие правила

Мы можем начать с тех аспектов науки, которые относятся к нашему повседневному миру, или к тому, что мы называем «объектами нормального размера, движущимися с нормальной скоростью». Законы, управляющие нашей повседневной жизнью, также часто называют классической физикой. Вы можете считать эти законы тремя великими столпами знания. Давайте же рассмотрим их, прежде чем окунуться в более эзотерические области.

Механика

Первую подборку законов, управляющих нашей повседневной жизнью, лучше всего объяснил английский учёный Исаак Ньютон (1643-1727). Они относятся к движению материальных объектов – к области науки, известной как механика. Это, пожалуй, один из старейших предметов физических исследований. Со времён древних греков мыслители пытались разобраться с движением понятным способом, но без особого успеха. Ньютон разработал раздел математики, который мы сейчас называем дифференциальным и интегральным исчислением, и эти новые инструменты позволили ему установить правила, регулирующие такие вещи, как движение брошенных тел (то есть объектов, которые брошены или запущены в воздух иным образом). Его правила легко сформулировать, и они известны как законы движения Ньютона:

• В отсутствие внешних силовых воздействий тело будет продолжать равномерно двигаться по прямой.

• Ускорение движущегося тела пропорционально сумме приложенных к нему сил и обратно пропорционально его массе.

• Всякому действию сопоставлено равное по силе и обратное по направлению противодействие.

Эти законы применимы к любому объекту, движущемуся в любой точке Вселенной – к этому моменту мы вскоре вернёмся. По сути, первый закон говорит нам, как узнать, когда на объект воздействует сила, а второй говорит нам, что происходит, когда эта сила действительно воздействует. Однако в своей нынешней формулировке законы ничего не говорят о том, какие силы могут существовать в природе; они лишь описывают, как силы влияют на движение объектов. Поэтому далее мы рассмотрим тот тип силы, который управляет поведением планет.
Среди многих научных открытий, сделанных Ньютоном, пожалуй, нет более известного, чем закон всемирного тяготения. Этот закон гласит, что между любыми двумя объектами во Вселенной возникает сила притяжения (мы называем её гравитацией), которая пропорциональна массам двух объектов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. (Иными словами, удвойте массу одного объекта – и вы удвоите силу взаимодействия между ними обоими. Удвойте расстояние между ними – и вы уменьшите эту силу до четверти её первоначального значения.)
Вот так. Ньютон даже не подозревал, что в этих простых законах скрыты инструменты, которые позволяют нам определять массы планет, вращающихся вокруг звёзд за много триллионов миль от Земли. Например, в главе 5 мы увидим, что одним из самых действенных способов обнаружения экзопланет является наблюдение за небольшим потускнением света звезды, когда экзопланета движется перед ней, совершая то, что мы называем прохождением. Проследив за временем между последовательными прохождениями, мы можем использовать эти законы, чтобы рассчитать, насколько далеко от звезды находится планета. Соедините это со знанием о температуре поверхности звезды (поддающейся измерению), и вы сможете начать давать ответы на такие вопросы, как «Может ли эта планета обладать жидкой водой на своей поверхности?» И, конечно же, именно такие ответы являются ключевыми в наших рассуждениях о возможности жизни в других мирах.
Однако, отметив эту мысль, мы должны подчеркнуть, что важность ньютоновской картины Вселенной выходит далеко за рамки её применения к экзопланетам – применения, которое в любом случае было бы в значительной степени непонятным современникам Ньютона. На самом деле можно утверждать, что развитие ньютоновской механики положило начало современной науке, которая определяет рамки для теоретических предсказаний эффектов, которые ещё только предстоит измерить, и далее для проверки этих предсказаний не прощающим ошибок миром природы. В каком-то смысле все преимущества нашей современной технологической цивилизации являются прямым следствием ньютоновского подхода к миру.
Мы можем пойти ещё дальше. Ньютоновскую картину Солнечной системы можно уподобить часам. Движение планет можно сравнить с движением стрелок этих часов, тогда как законы движения соответствуют зубчатым колёсам, которые заставляют всё это работать. Применённый ко всей вселенной, этот образ мышления даёт картину порядка, равномерности и предсказуемости – того, что мы называем часовым механизмом Вселенной. В ньютоновском мире нет никаких сюрпризов, никаких неожиданных витков или поворотов. Например, летающие драконы, о которых мы упомянули в предыдущей главе, могли бы подняться в воздух только в том случае, если выталкивающая сила, связанная с их модифицированными плавательными пузырями, будет больше, чем сила тяжести, направленная вниз. Их способность маневрировать будет зависеть как от силы, прикладываемой к их крыльям при взмахах, так и от их массы. Законам Ньютона подчиняются даже детские сказки!
Этот взгляд на мир как на систему с часовым механизмом распространился далеко за пределы науки. Некоторые учёные даже утверждают, что Конституция Соединённых Штатов в долгу перед Исааком Ньютоном. Они утверждают, что отцы-основатели верили, будто они смогли бы открыть, как построить совершенное общество – точно так же, как Ньютон открыл, как устроить совершенную вселенную.
Увы, как мы вскоре увидим, эта картина порядка и предсказуемости не пережила 20-й век. Однако до того момента часовой механизм вселенной послужил фундаментом для развития ещё двух областей науки – ещё двух столпов, на которых будет основываться наше обсуждение жизни на экзопланетах.

Электричество и магнетизм

И статическое электричество (сила, которая заставляет вязаный носок прилипать к полотенцу, когда вы вытаскиваете его из сушилки для белья), и магнетизм (сила, которая позволяет вам прикреплять памятки к холодильнику) известны с древности. Электричество как диковинку изучали ещё древние греки, которые поняли, что оно бывает двух видов – это то, что мы сегодня называем положительным и отрицательным зарядами, – и что разноимённые заряды притягиваются друг к другу, тогда как одноимённые отталкиваются. Однако до 18 века это было практически почти всё, что о нём знали, поскольку считалось, что от этого явления было мало пользы.
Однако магнетизм – это нечто другое. Во-первых, магниты встречаются в природе – это минерал железа, называемый магнитным железняком. Существует множество легенд о его открытии: одна история гласит, что древнегреческий (или, возможно, македонский) пастух по имени Магнес заметил мелкие осколки камней, прилипшие к гвоздям на его обуви. (Предполагается, что именно отсюда и родился термин «магнетизм».) Другая легенда гласила, что где-то в Эгейском море есть остров, сделанный из магнитного камня, и корабли, которые отваживались подойти слишком близко к его берегам, рисковали потерять все железные гвозди, которыми скреплялись их доски.
Однако если оставить в стороне эти россказни, природные магниты обладают одним чрезвычайно важным свойством. Они всегда ориентируются в направлении север-юг, поэтому их можно использовать в качестве компасов. Компас был полезным инструментом, потому что позволял людям определять направление, даже когда у них в поле зрения не оказывалось знакомых ориентиров. Для моряков на борту кораблей в открытом океане или для путешественников в пустынях, где нет дорог, работающий компас был находкой. Китайцы использовали примитивные компасы, изготовленные из магнитного железняка, ещё в 4 веке до нашей эры. Позже, в 9-м и 10-м веках нашей эры, когда викинги вышли из Скандинавии, занимаясь набегами и грабежами по всей Европе, они двигались в открытом море и сквозь густой туман, также пользуясь магнитным железняком.
Дальнейшие исследования электричества и магнетизма выявили два ключевых аспекта их природы. Родившийся примерно за столетие до Ньютона английский учёный Уильям Гилберт (1544-1603), бывший также врачом королевы Елизаветы I, открыл закон, определяющий основные свойства магнитов. Магнитные полюса не могут существовать сами по себе, по отдельности, поэтому у каждого магнита есть, как минимум, одна пара полюсов (сейчас мы называем их северным и южным). Затем французский учёный Шарль Огюстен де Кулон (1736-1806), родившийся почти через десять лет после смерти Ньютона, тщательно исследовал силу, возникающую между электрическими зарядами, и обнаружил, что её можно описать простым уравнением, аналогичным по форме закону тяготения Ньютона. (Мы не будем брать на себя труд приводить это уравнение здесь, потому что в дальнейшем оно нам не понадобится.)
Вот так обстояли дела на заре индустриальной эпохи. У нас было базовое представление о статическом электричестве и постоянных магнитах, но казалось, что никакой связи между ними не было. Затем, как это часто бывает в науке, новая технология открыла путь к значительному прогрессу в понимании взаимосвязи между этими совершенно разными составляющими мира природы. Итальянский учёный Алессандро Вольта (1745-1837) изобрёл устройство, которое он назвал электрическим столбом, но мы бы назвали его батареей. Это устройство производит движущиеся электрические заряды – иными словами, электрический ток. Это была ранее неизвестная форма электричества, и эксперименты с использованием таких электрических токов привели к пониманию природы электричества и магнетизма.
Древняя стена между электричеством и магнетизмом начала рушиться в аудитории для лекций по физике в Копенгагене. Лектором был датский физик по имени Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851). Он демонстрировал новое устройство Вольты и заметил, что всякий раз, когда от батареи шёл ток, лежащий рядом магнит подёргивался. Иными словами, движущиеся электрические заряды явно могли вызывать магнитные эффекты. Между электричеством и магнетизмом была установлена связь! Но для того, чтобы определить точную природу этой связи, потребовалось гораздо больше времени.
Вполне вероятно, что вы, сами того не осознавая, уже десятки раз за сегодняшний день воспользовались технологическими результатами открытия Эрстеда, поскольку дело в том, что оно напрямую привело к созданию электродвигателя. Когда вы нажимаете кнопку, чтобы поднять стекло в автомобиле, или нажимаете другую кнопку, чтобы измельчить в пюре несколько помидоров на ужин, вы пользуетесь открытием Эрстеда, независимо от того, знаете вы об этом или нет.
Десять лет спустя английский физик Майкл Фарадей (1791-1867) уложил в мозаику последний кусочек. Он показал, что, если вы измените магнитное поле в области вблизи провода (например, помашете магнитом над петлёй из медного провода), в проводе потечёт электрический ток, даже если к проводу не подключён источник питания.
Мы можем подвести итог этой беседы об электричестве следующими четырьмя утверждениями:

• Разноимённые электрические заряды притягиваются; одноимённые заряды отталкиваются (закон Кулона).

• Магнитные полюса не существуют поодиночке.

• Движущиеся электрические заряды создают магнитные поля.

• Изменяющиеся магнитные поля создают электрические токи.

Эти четыре утверждения, обычно написанные на языке математики, играют для электричества и магнетизма ту же роль, что законы Ньютона для механики. Они обобщают всё, что можно знать в этой теме. Мы в очередной раз пришли к ситуации, когда сложный набор природных явлений сводится к немногим очень общим законам.
В нашем анализе жизни на экзопланетах мы не раз будем обращаться к этим положениям, касающимся электричества и магнетизма. Например, в главе 13 мы поговорим о том, как события, которые называются «корональные выбросы массы» – вылетающие из Солнца массивные сгустки ионизированного газа, формирование и движение которых подчиняются этим законам, – могут оказать влияние на среду обитания планеты и в считанные часы уничтожить развитую технологическую цивилизацию на этой планете. Мы также обсудим тот факт, что такая планета, как Марс, в отличие от Земли, лишена магнитного поля, и это позволяет солнечному излучению достигать её поверхности и, возможно, уничтожать там любую имеющуюся жизнь. Эти законы окажутся особенно полезными, когда мы начнём обсуждать развитие жизни, совершенно не похожей на нас, потому что взаимодействие электрического и магнитного полей даёт нам один из способов достичь такого уровня сложности, которую мы наблюдаем у жизни, основанной на химии. Но истинная важность этих утверждений заключается в том, что они дают нам самый полезный из предметов в том наборе инструментов, который направляет наш поиск жизни в иных местах Вселенной и помогает понять естественные ограничения для эволюции жизни на различных экзопланетах.
Вышеприведённые законы обычно называют уравнениями Максвелла в честь шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла (1831-79). Хотя он и не открыл ни одного из них, он был первым, кто понял, что они представляют собой всеобъемлющую математическую систему, объединяющую электричество и магнетизм. В своё время Максвелл был ведущим специалистом на переднем крае математики – в тех областях, которые мы сегодня называем дифференциальными уравнениями в частных производных и векторным исчислением. Когда он применил эти инструменты к математическим формам четырёх утверждений, результат оказался поразительным. Уравнения предсказывают, что при ускорении электрических зарядов они должны излучать своего рода волну. Эта волна включала бы колеблющиеся электрические и магнитные поля и распространялась бы в космосе со скоростью, взаимосвязанной с силами, возникающими при взаимодействии между электрическими зарядами и магнитными полюсами – со скоростью, которую возможно было бы рассчитать, потому что эти силы были известны.
Должно быть, Максвелл пребывал в состоянии шока, когда рассчитал эту скорость, потому что она составляет около 186 000 миль в секунду (300 000 км/сек): это скорость света. Фактически свет – это форма того, что мы в настоящее время называем электромагнитным излучением. Таким образом, носок, прицепляющийся к полотенцу, и магниты, удерживающие записки-памятки на дверце вашего холодильника, связаны с тем фактом, что вы можете прочитать эти слова, потому что свет движется от страницы в ваш глаз.
И это ещё не всё. Видимый свет состоит из волн, длина которых варьирует от 4000 до 8000 атомов. Уравнения предсказывают, что должны существовать и другие формы электромагнитного излучения, соответствующие другим длинам волн. Начиная с конца 19 века, эти волны были открыты – если начать с радиоволн и двигаться по электромагнитному спектру, то с одной стороны будут более длинные микроволны и инфракрасное излучение, а с другой – ультрафиолетовое излучение с более короткой длиной волны, рентгеновское излучение и, наконец, гамма-лучи. По мере того как длина волны уменьшается, переносимая волной энергия возрастает. Иными словами, возьмите волну видимого света и растяните её – и вы получите радиоволны. Сожмите её – и у вас будут рентгеновские лучи.
Эти волны несут большую часть информации, которую мы когда-либо сможем получить от экзопланеты. Эти волны движутся к нам со скоростью света. Каждый из типов излучения даёт нам представление о своём виде явлений – например, рентгеновские лучи говорят нам о бурных событиях большой энергии, тогда как инфракрасное излучение рассказывает о событиях, которые происходят при относительно низких температурах. Однако эти волны, за исключением радиоволн и видимого света, как правило, поглощаются атмосферой Земли. Это объясняет тот факт, что именно спутники на орбите вокруг Земли, а не наземные телескопы собирают так много данных, которыми мы воспользуемся далее. Таким образом, электромагнитное излучение, существование которого было впервые описано уравнениями Максвелла, является нашим основным инструментом для исследования условий экзопланет и (как мы увидим в главе 5) нашим основным инструментом для поиска жизни вне Земли.

Термодинамика

Последним из великих столпов классической науки является термодинамика. Название происходит от сочетания слов «термо» (тепло) и «динамика» (наука о движении) – таким образом, это наука, которая описывает движение (т. е. передачу) тепла (и, следовательно, других форм энергии). Как и механику, электричество и магнетизм, эту область науки тоже можно свести к небольшому числу законов – к двум в обычном изложении. Они называются первым и вторым законами термодинамики:

• Различные формы энергии могут переходить одна в другую, но общая энергия замкнутой системы с течением времени должна оставаться неизменной (сохраняться).

• Общая неупорядоченность (энтропия) замкнутой системы не может уменьшаться с течением времени.

Первый закон – это, возможно, одна из важнейших составляющих нашего понимания Вселенной; он просто говорит нам, что энергия не может быть создана из ничего или уничтожена бесследно, но она может переходить из одной формы в другую. Таким образом, нам следует представлять энергию, которая поддерживает жизнь на Земле (и на любой из экзопланет), в виде своего рода потока. Она приходит извне (в случае Земли – от Солнца), проходит через биосферу и в конечном итоге направляется обратно в космос в виде инфракрасного излучения. В каждом из примеров жизни на экзопланете, который мы рассматриваем, одним из первых упражнений, которое мы выполним, будет исследование доступных источников энергии. В некоторых ситуациях эта энергия может поступать от звезды, но в других – нет. Мы знаем, что на Земле существуют экосистемы, которые не зависят от Солнца – они расположены на дне океана в глубоководных горячих источниках – источниках, которые выносят из глубин земных недр тепловую и химическую энергию. Подобные же источники, несомненно, существуют на экзопланетах, и они будут занимать значимое место в нашем обсуждении многих из миров, которые мы будем рассматривать.
Второй закон термодинамики будет фигурировать в нашем обсуждении определения жизни (глава 3), а также в обсуждении жизни, совершенно не похожей на нас (глава 16). Причина этого в том, что каждая живая система, независимо от её состава, должна быть высокоупорядоченной, и к концепции упорядоченности имеет отношение именно второй закон. Основное правило, иллюстрирующее этот закон, состоит в том, что если вы создаёте упорядоченную систему – каковой является жизнь – в одном месте, то вам придется за это заплатить, создав беспорядок где-то в другом месте.
Вот так и обстоят дела. В классическом ньютоновском представлении вселенная действует в соответствии с девятью законами природы: тремя – механики, четырьмя – электричества и магнетизма и двумя – термодинамики. Всё, что происходит где-либо во вселенной, в итоге можно объяснить при помощи набора уравнений, который легко поместился бы на футболке. Тем не менее, это прекрасный, убедительный, хотя и упрощённый до крайности взгляд на вселенную.

Новые науки

Иногда можно услышать утверждение о том, что основные достижения физики 20-го века – теория относительности и квантовая механика – показали, будто бы ньютоновское мировоззрение совершенно неверно. Позволим себе не согласиться с этим. Ньютоновская вселенная основана на результатах экспериментов по поведению объектов, которые, как мы уже говорили, можно примерно охарактеризовать как объекты нормального размера, движущиеся с нормальной скоростью. Что делают новые науки, так это расширяют научное мировоззрение за пределы этого диапазона. Например, теория относительности имеет дело с объектами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, или имеющими большую массу, тогда как квантовая механика имеет дело с объектами атомного или субатомного масштаба. Если применить законы любой из них к объектам нормального размера, движущимся с нормальной скоростью, то они сведутся к знакомой ньютоновской вселенной, описанной выше. Вот почему мы до сих пор обучаем ньютоновской механике инженеров, проектирующих автомобильные мосты, по которым вы проезжаете.
В лучшем случае эти новые области науки добавляют ещё пару законов к «первой девятке», описанной выше. Теория относительности, например, построена на одном принципе: законы природы одинаковы во всех системах отсчёта. В дальнейшем нам мало что понадобится из этой теории, но она действительно играет определённую роль в поиске планет, одиноко блуждающих в межзвёздном пространстве, – тех, которые мы называем планетами-сиротами (см. главу 11).
Квантовая механика сильно отличается от теории относительности. Внутриатомные явления работают не так, как в нашем повседневном опыте. В квантовом мире нет ничего ровного и непрерывного. Всё, что там есть, поступает порциями. И хотя общий научный консенсус относительно того, как интерпретировать результаты, которые мы получаем, вторгаясь в это странное место, ещё не достигнут, многие из научных формулировок обращаются лишь к немногим общим принципам, которые мы можем добавить в наш список.
Самые важные для наших целей следствия квантовой механики вытекают из её объяснения того, как атомы излучают и поглощают свет. В отличие от планет, вращающихся вокруг звезды, электроны не могут занимать какую-либо случайную орбиту у атомного ядра, вокруг которого они вращаются. Вместо этого их орбиты строго определены. Когда электрон переходит с орбиты, расположенной дальше от ядра, на орбиту, расположенную ближе, атомы испускают электромагнитное излучение (в том числе видимый свет), Точно так же атом поглощает излучение, когда электрон перемещается с внутренней орбиты на внешнюю. Частота испускаемого или поглощаемого излучения, которая в случае видимого света соответствует его цвету, зависит от разницы в энергии между исходной и конечной орбитами. Поскольку расположение допустимых орбит у атомов разных химических элементов обычно различается, спектр излучения, испускаемого или поглощаемого атомом, работает как своего рода отпечаток пальца, позволяющий нам идентифицировать этот атом. Это – основа для области науки под названием спектроскопия; мы обсуждаем её в главе 5. В этой главе мы утверждаем, что данное следствие квантовой механики является нашим лучшим инструментом, позволяющим делать заключения относительно наличия жизни вокруг других звёзд.
Таким образом, понимание вселенной сводится к отысканию немногих универсальных законов вроде тех, что обсуждались выше. Огромное упрощение, начавшееся с Ньютона, позволяет нам надеяться, что такое же упрощение сработает и в будущем, когда мы обратимся к новым областям науки. Это ещё и движущая сила, стоящая за попытками современной физики найти то, что лишь с долей шутки называют «теорией всего». Это было бы единое уравнение, из которого можно было бы вывести все вышеперечисленные принципы, а также те, которые ещё только предстоит открыть. Она, как следует из её названия, объясняла бы всё.
Конечно, сейчас мы ещё даже не приблизились к тому, чтобы найти эту теорию всего, и многие серьёзные учёные сомневаются в том, что она вообще существует. Для того, чтобы начать поиски жизни в иных местах Вселенной, она нам не нужна, но было забавно представить себе, как могла бы выглядеть передовая технология, основанная на теории всего.

Принцип Коперника

Второй великий принцип, которым мы будем руководствоваться в нашем исследовании жизни на экзопланетах, обычно ассоциируется с польским священнослужителем Николаем Коперником (1473-1543), который известен тем, что создал математическую модель Солнечной системы, где в центре находится не Земля, а Солнце. Это был первый шаг на пути к нашему нынешнему пониманию того, что в нашей родной планете нет ничего особенного. Наш мир – это всего лишь один каменный шар, вращающийся вокруг обычной звезды в неинтересной части обычной галактики – одной из миллиардов в видимой части вселенной. Некоторые люди выражали глубокое сожаление по поводу такого взгляда на Вселенную, как будто он каким-то образом унижал человеческую расу. Мы предпочитаем рассматривать этот шаг вперёд с иной точки зрения, потому что для нас наша планетарная заурядность – это драгоценный дар. Она означает, что законы природы, которые мы открываем здесь и сейчас, действуют по всей Вселенной, и что так было всегда.
Древние греки, люди, поставившие нас на путь, ведущий к современной науке, разработали совершенно иную теорию устройства Вселенной. В их космологии Земля находилась в центре творения, отличаясь от всего остального – особенная. На Земле было четыре стихии, которые составляли всю материю: знакомые земля, огонь, воздух и вода. На небесах, однако, существовала иная стихия, называемая эфиром или квинтэссенцией. Более того, на небесах всё было идеально – небесные сферы несли планеты и звёзды по своим круговым (более или менее) путям, и, в отличие от Земли, сами небесные тела были безупречны. (Кстати, открытие Галилеем при помощи телескопа кратеров на Луне и пятен на Солнце противоречило этой важной заповеди аристотелевской космологии.) Иными словами, для древних греков существовало два свода естественных законов, один из которых действовал на Земле, а другой – на небесах.
И именно наш старый друг Исаак Ньютон залечил этот разрыв. По его рассказу, написанному много лет спустя, однажды он гулял в саду своих родителей и увидел, как яблоко упало с дерева, и в то же самое время увидел Луну в небе. Он знал, что падение яблока объясняется «земной» гравитацией – силой, которая, помимо всего прочего, была тщательно изучена Галилеем. Однако он также знал, что Луна движется не по прямой, а по круговой орбите вокруг Земли. Из своего первого закона движения (см. выше) он понял, что на Луну, чтобы удерживать её на орбите, должна воздействовать сила – иначе она просто улетит в космос. Он задался вопросом, который кажется нам очевидным, однако нужно быть гением, чтобы задать его в первый раз: может ли быть так, что сила, заставляющая яблоко падать, – это та же самая сила, что удерживает Луну на орбите?
Ответ, конечно же, «да», и сегодня мы понимаем, что сила, которую он описал, воплощена в законе всемирного тяготения. Иными словами, между земной и небесной гравитацией нет никакой разницы. Это осознание стало первым доказательством, подтверждающим принцип Коперника – законы физики и химии, действующие здесь, на Земле, – это те же самые законы, которые действуют повсюду во Вселенной.
С 17 века накопилось огромное количество данных, подкрепляющих это утверждение. Мы можем посмотреть на свет, который излучает тот или иной атом в земной лаборатории, и сравнить его со светом, излучаемым таким же атомом в отдалённой части нашей галактики (или, если уж на то пошло, в другой галактике). Свет тот же самый. Мы можем посмотреть на распад радиоактивных ядер, образующихся при вспышках сверхновых в галактиках на расстоянии миллиарда световых лет, и сравнить его с распадом тех же ядер прямо здесь. Опять же, в обоих случаях они одни и те же. Данные очень определённые – на Земле нет ничего особенного, и те законы, которые действуют здесь, действуют везде. Точка.
Кроме того, нам следует понимать, что, когда мы смотрим на галактику в миллиарде световых лет от нас, мы видим тот свет, который был испущен миллиард лет назад и с тех пор находился в пути. Иными словами, мы смотрим в прошлое. Та же гора доказательств, описанная выше, показывает, что атом в той далёкой галактике, когда он появился в прошлом, ничем не отличается от атома в нашей лаборатории, который мы измеряем в настоящее время. Законы физики и химии, которые действуют сейчас, действовали всегда. Ещё раз точка.
Таким образом, как мы говорили в предыдущей главе, нам уже многое известно о природной среде, существующей на экзопланетах. Мы знаем, что горстка законов, описанная выше, будет действовать на этих экзопланетах ровно так же, как на Земле. Это позволит нам определить свойства форм жизни на этих экзопланетах, но одновременно ограничит наше воображение. Например, вымышленный летающий дракон, о котором мы говорили выше, всё равно должен работать в соответствии с законами движения Ньютона, как бы экзотично он ни выглядел. Иными словами, будет разрешено существование только тех форм жизни, которые соответствуют известным законам. Давайте же, держа это в голове, обратимся к вопросу о законах, управляющих живыми системами.

3

ЖИЗНЬ

ЧТО ЖЕ ЭТО ТАКОЕ?

Все мы практически уверены, что знаем, что такое «жизнь», и практически уверены, что узнаем её, когда увидим, но дать определение этому понятию всегда было чертовски трудно. Что именно характеризует то, что мы называем жизнью? Главная проблема заключается в том, что жизнь на Земле (единственная жизнь, о которой мы знаем) чрезвычайно сложна и разнообразна. Кроме того, между живым и неживым, как представляется, разверзлась зияющая пропасть – пропасть, которую следует описать и учитывать в любом из определений жизни.
Как и следовало ожидать, история размышлений на тему точного определения жизни очень долгая. Например, Аристотель утверждал, что для того, чтобы быть живым, нечто должно иметь как материальное тело, так и нематериальную «форму», причём эта форма является его душой. Позже это утверждение переросло в представление о том, что живое от неживого отличает некая нематериальная жизненная сила. Представление о том, что присутствие жизни требует таинственной нематериальной силы, названное витализмом, исчезло под натиском клеточной и молекулярной биологии в 19 и 20 веках. Сегодня мы признаём, что на молекулярном уровне живые системы действуют в соответствии с теми же законами химии, что и всё остальное, – просто они, как правило, оказываются более сложными.
Тем не менее, огромное разнообразие жизни на Земле делает поиск простого определения для этого слова чрезвычайно трудным – и действительно, многие учёные в наши дни утверждают, что простое определение невозможно. Для наших целей полезно будет знать три основных современных пути решения людьми этой проблемы: определения жизни, основанные на перечне свойств, определения, основанные на процессе, и определения, основанные на науке термодинамике. Давайте рассмотрим эти категории по отдельности.

Определения по перечню свойств

Люди, которые используют первый из классов определений жизни, составляют список свойств, приписываемых живым системам, и далее утверждают, что всё, обладающее всеми этими свойствами (или, может быть, большей их частью), является живым. И напротив, всё, что лишено всех или многих из этих свойств, не может быть живым. Список, который вы найдёте в типичном учебнике биологии, потребует, чтобы живая система обладала следующими характеристиками и способностями:

Адаптация: способность меняться в ответ на долгосрочные изменения в окружающей среде

Рост: способность меняться и развиваться с течением времени

Гомеостаз: способность поддерживать стабильное внутреннее состояние (например, температуру человеческого тела)

Обмен веществ: способность перерабатывать внешние ресурсы (как люди поступают с пищей)

Организация: состоит из одной или большего числа клеток

Размножение: обладание способностью к воспроизводству

Реактивность: способность реагировать на краткосрочные изменения в окружающей среде

Конечно, проблема с такого рода перечнями заключается в том, что, как только вы составили один такой список, появляется некто, чтобы продемонстрировать пример объекта, явно живого, но не обладающего всеми перечисленными признаками. Например, мул – помесь лошади и осла – вполне очевидно является живым, но не может размножаться. Физик Дэниел Кошланд указал на ещё более забавный контрпример, когда заметил, что, если кролик не способен размножаться в одиночку и, следовательно, не является живым в соответствии с этим списком, два кролика вместе способны к размножению и, следовательно, являются живыми. Очевидно, что включение в список возможности воспроизводства сопряжено с проблемами.
Одним из способов обойти эту трудность будет утверждать, что нечто является живым, если соответствует многим, но не обязательно всем критериям из перечня – по сути, принимать то, что специалисты в области права называют стандартом «перевеса доказательств». Но тогда, конечно же, вы сразу сталкиваетесь с проблемой принятия решения о том, что можно исключить из списка.
Яркий пример проблем, связанных со стандартом перевеса доказательств, иллюстрируется поиском жизни на Марсе. Когда в 1976 году туда прибыли спускаемые аппараты «Викинг», существовали большие надежды на то, что они обнаружат свидетельства жизни на Красной планете. На этих аппаратах было проведено не менее четырёх экспериментов, каждый из которых был разработан для поиска различных химических следов метаболизма земного типа в марсианской среде. Мы подробно поговорим об этих экспериментах дальше, но на данный момент просто отметим, что основная логика программы «Викинга» заключалась в том, чтобы определить жизнь при помощи «списка», который содержал только один пункт: обмен веществ земного типа. Как только начали поступать данные, люди быстро предложили способы, посредством которых эксперименты могли бы дать положительные результаты из-за влияния неживых источников – в данном случае химических реакций в марсианской почве. Многие учёные утверждают, что десятилетия споров, последовавшие за посадкой «Викингов», были, как минимум, отчасти вызваны ограниченностью определения жизни, заложенного в схему эксперимента.
Одна из ярких иллюстраций проблем со «списочным» подходом к определению жизни показана в эпизоде телесериала «Звёздный путь: Следующее поколение», где робот-андроид по имени Дейта утверждал, что огонь можно считать живым. Как-никак огонь потребляет материалы из окружающей среды, перерабатывает их и производит отходы. Он растёт, размножается и реагирует на окружающую среду. Таким образом, огонь удовлетворяет большинству пунктов списка (отсутствует только требование гомеостаза), но мало кто из нас захотел бы утверждать, что он живой.
Новая наука экология позволяет нам подойти с иной стороны к использованию списка признаков для формулировки определения жизни. Вместо того чтобы рассматривать свойства отдельного организма, эколог смотрит на то, как этот организм вписывается в сложную сеть взаимосвязей, составляющих экосистему, частью которой он является. Пожалуй, самым известным проявлением этой точки зрения является так называемая гипотеза Гайи. Эта точка зрения, которую представил эколог Джеймс Лавлок, предлагает нам рассматривать всю Землю, и одушевлённую, и неодушевлённую её части, как нечто похожее на единый живой организм. Эта гипотеза обычно используется для предсказания того, что различные системы на Земле будут функционировать вместе для создания стабильной среды, в которой сможет процветать жизнь. (Следует отметить, что в древнегреческой мифологии Гея была изначальным божеством, прародительницей всего живого.)
Гипотеза Гайи подверглась критике, потому что настоящая геологическая история Земли полна экстремальных событий, которые мешают рассматривать планету как продукт хрупкого экологического баланса. Например, имели место события так называемой «Земли-снежка», когда вся поверхность планеты (включая океаны) полностью замерзала лишь для того, чтобы оттаять в результате массовых извержений вулканов. И хотя мы вряд ли можем не согласиться с мнением о том, что живые существа на Земле являются частями расширенных экосистем, всё, чем экологическая точка зрения поможет нам в формулировке определения жизни – она просто добавит ещё один пункт в приведённый выше список: для того, чтобы нечто считалось живым, оно должно быть частью расширенной экосистемы. Но, даже если это может быть верным для живых существ на Земле, нет никаких причин, по которым это должно быть верно для жизни на экзопланетах.
То же самое можно сказать и в отношении требования о том, чтобы живые системы были организованы в виде клеток. Хотя жизнь, похожая на нас, однозначно связана с клетками, нет никаких причин, по которым жизнь на экзопланетах также должна обладать этим признаком.
Фактически, многие из свойств, указанные в приведённом выше списке, совершенно очевидно применимы к жизни на Земле, однако столь же очевидно, что они не обязательно применимы к жизни на экзопланетах. Поэтому, хоть мы и будем помнить об этом перечне признаков во время движения вглубь галактики, нам также следует помнить о том, что зацикливаться на его полезности не следует.

Определения, основанные на процессе

В 1994 году, только-только приступив к поиску жизни в других частях галактики, НАСА созвало группу учёных, чтобы решить вопрос о том, какое определение ей дать. Следуя предложению астрофизика из Корнелла Карла Сагана, они определили жизнь как «самоподдерживающуюся химическую систему, способную к дарвиновской эволюции» – это определение стало известно как «определение НАСА». Хотя оно явно ориентировано на Землю, мы находим его полезным для рассуждений о возможных формах жизни на экзопланетах. Процесс, называемый «дарвиновской эволюцией», также называется естественным отбором, и мы утверждаем, что он с достаточной степенью вероятности будет обнаружен на подавляющем большинстве экзопланет.
Вот, как она работает на Земле: каждый организм получает генетический материал от своих родителей, и этот генетический материал влияет на свойства, которые проявляются у организма. Данные свойства, в свою очередь, играют важную роль в определении возможности организма прожить достаточно долго для передачи этого генетического материала другому поколению – такой процесс часто называют выживанием наиболее приспособленных. Признаки, которые позволяют это сделать, будут накапливаться в популяции. Таким образом, со временем естественный отбор создаёт организмы, приспособленные к окружающей среде, и это привело к появлению того разнообразия форм жизни, которое мы наблюдаем на нашей планете.
Но если утверждение о том, что каждый живой организм на Земле представляет собой продукт естественного отбора, является верным, из этого не обязательно следует, что нечто, не являющееся продуктом естественного отбора, не может быть живым. Мы рассмотрим некоторые примеры этого в главе 16, когда будем говорить о жизни, совершенно не похожей на нас.
Фактически, определение от НАСА – это всего лишь один из примеров попыток дать определение жизни, отталкиваясь от процессов, связанных с её образованием. По сути, в нём говорится, что узнать, является ли нечто живым, можно, выяснив, как оно появилось. Если оно возникло путём естественного отбора, то в соответствии с данным определением оно является живым. С данной точки зрения мерилом для определения жизни становится естественный отбор.
Для определения жизни были предложены и другие процессы. Один из самых интересных берёт начало в новой науке о сложности, и называется свойством эмерджентности. В данном случае мы определяем жизнь как эмерджентное свойство химических систем.
Стандартной аналогией, используемой для объяснения понятия эмерджентности, является куча песчинок. Представьте себе, что вы создаёте кучу, добавляя по одной песчинке за раз. По мере накопления песчинок сеть сил, действующих внутри кучи, становится всё более и более сложной, хотя сами эти силы генерируются просто контактом между песчинками. В конце концов – скажем, на миллионной песчинке – происходит нечто иное. Мы добавляем эту песчинку, и внезапно вниз по склону кучи движется оползень. Оползень – это эмерджентное свойство песчинок. Суть в том, что от одной песчинки одну миллионную долю оползня вы не получите – чтобы получить эффект, у вас должен быть миллион песчинок.
Точно так же утверждалось, что жизнь – это проявление своего рода химического оползня. Сделайте химическую систему достаточно сложной, говорится далее, и вы, скорее всего, создадите жизнь.
Основная проблема такого рода определений процессов заключается в том, что они требуют достаточно подробного знания о том, как обсуждаемая система стала такой, какая она есть. В главе 5 мы обсудим серьёзные проблемы, связанные с поиском свидетельств существования жизни на других планетах – речь даже не идёт о том, чтобы выяснять, как эта жизнь развивалась. Даже на Марсе, куда мы реально можем отправлять спускаемые аппараты и зонды для проведения измерений на месте, найти убедительные доказательства того, что жизнь есть (или была), оказалось чрезвычайно сложно. Представьте себе, как трудно было бы определить эволюционную историю жизни на далёкой экзопланете.

Определения, основанные на термодинамике

Когда такую проблему, как определение жизни, рассматривают физики, их подход в целом заключается в том, чтобы докопаться до самых основных законов природы, действующих в любой системе, которую они исследуют. Этот приём восходит, как минимум, к Исааку Ньютону, который показал, что движение любого объекта в любой точке Вселенной можно объяснить в рамках трёх законов. Можно сказать, что цель физики – свести вселенную к набору уравнений, которые поместились бы на футболке, как мы уже увидели в предыдущей главе.
Следовательно, когда физик смотрит на жизнь на Земле, он думает о двух фундаментальных свойствах: энергии и энтропии, или порядке. Понимание этих свойств находится в ведении области науки, известной как термодинамика, которая разработана в 19 веке. В предыдущей главе мы описали первый и второй законы термодинамики (вспомните футболку), которые можно сформулировать так:

Первый закон: энергия существует во многих формах, взаимно переходящих друг в друга, но не может быть создана или уничтожена.

Второй закон: с течением времени неупорядоченность в замкнутой системе будет возрастать или оставаться неизменной.

Второй закон часто формулируется через величину, называемую энтропией, которую мы можем рассматривать как меру упорядоченности системы – высокая энтропия приравнивается к большой степени беспорядка, низкая энтропия – к высокой степени порядка.
Стандартная аналогия, которая используется для иллюстрации законов термодинамики – это спальня подростка. С течением времени комната будет становиться всё более и более захламлённой (т. е. становиться менее упорядоченной или, что эквивалентно, переходить в состояние более высокой энтропии). Мы можем считать беспорядок естественным «равновесным» состоянием системы. Единственный способ избежать такого исхода и удерживать систему дальше от состояния равновесия – постоянно исправлять ситуацию, а этот процесс требует использования энергии. Эта энергия, скорее всего, поступит из пищи, которую съест подросток (или, что более вероятно, его или её родители), и после того, как комната будет убрана, рассеется в виде отработанного тепла, излучаемого в космос. Это следует из первого закона – энергия, заключённая в пище, должна куда-то уходить и не может просто исчезнуть. Таким образом, для поддержания состояния высокой упорядоченности (или низкой энтропии) нам необходим постоянный поток энергии, протекающий через систему. На жаргоне физиков мы говорим, что поток энергии поддерживает систему в высокоупорядоченном состоянии, далёком от равновесия.
Живая система вроде человеческого тела находится именно в таком высокоупорядоченном состоянии, по аналогии с прибранной спальней. Атомы в вашем теле, будучи предоставленными самим себе, превратились бы в беспорядочную мешанину недифференцированного материала – это аналог спальни, в которой царит беспорядок. Поток энергии, доставляемый приёмом пищи, но в конечном счёте исходящий от Солнца, удерживает тело подальше от его равновесного состояния, которое было бы той самой кучей неупорядоченных атомов. Мы можем обобщить эту мысль, сказав, что живая система – это система, которую поток энергии поддерживает в состоянии, далёком от равновесия.
Вероятно, вместо того, чтобы искать определение жизни, лучше считать этот процесс свойством живой системы – свойством, которое может работать как сигнал, предупреждающий нас о возможном наличии жизни. На жаргоне логиков это необходимое, но недостаточное условие для жизни. Иными словами, в каждой живой системе должен существовать поток энергии, поддерживающий состояние высокой упорядоченности, но не каждая система с таким свойством является живой. Растущая снежинка, например, представляет собой высокоупорядоченную систему, приводимую в движение тепловой энергией, но живой она не является.
Концепция термодинамической жизни будет особенно полезной, когда мы приступим к рассмотрению возможности существования жизни, совершенно не похожей на нас, в главе 16.

Несколько слов о технологии

В 1960 году палеонтологи Луис и Мэри Лики, работавшие в Олдувайском ущелье в Танзании, обнаружили ископаемые останки гоминида в окружении свидетельств наличия каменных орудий труда. Гоминид, позже получивший название Homo habilis («Человек умелый»), был первым из наших предков, который использовал материалы из окружающей среды для изготовления орудий труда – в данном случае заострённых каменных отщепов. Обладая мозгом примерно вдвое меньшего размера, чем у современных людей, хабилис вывел нас на путь, ведущий к технологическому обществу, которым мы сейчас наслаждаемся.
Ранее считалось, что изготовление орудий труда, как и язык, было одной из тех особенностей, которые отличали людей от других животных. В настоящее время мы понимаем, что границы такого рода гораздо менее резкие, чем мы когда-то считали. Мы видим, как другие животные используют некоторые примитивные орудия труда – например, шимпанзе засовывают прутик в гнездо термитов, чтобы вытащить насекомых наружу, где их можно съесть. Однако утверждать, что палка и, например, «Боинг-747» в некотором смысле равнозначны – это значит осознанно проявлять тупость. Подобно иным отличиям между человечеством и всей остальной природой, отличия в способности изготавливать орудия труда проявляются скорее в глубине навыка, чем в том, что это за орудия.
Очевидно, что способность использовать материалы из окружающей среды для изготовления орудий труда является необходимым условием для развития технологического общества. Этот факт, однако, ставит интересный вопрос, когда мы размышляем об экзопланетах. На Земле повсеместная доступность горных пород и камней позволила нашим предкам разрабатывать всё более сложный набор орудий труда. То же самое можно сказать и о легко обрабатываемых металлах на поверхности Земли или непосредственно под ней. Без этих металлов мы бы всё ещё жили в каменном веке.
Но наличие легкодоступных материалов для изготовления инструментов не обязательно должно быть всеобщей особенностью экзопланет. В мире, покрытом водой, который мы обсуждаем в главе 8, камни и металлы легко могут оказаться в дефиците, и развитие чего-то такого, что мы признали бы технологической цивилизацией, может оказаться в лучшем случае проблематичным. Таким образом, наше внимание будет приковано не только к наличию жизни на экзопланете, но и к наличию природных материалов, которые могут поддерживать производство орудий труда и, в конечном счёте, технологическую цивилизацию.

4

ПРАВИЛА ИГРЫ

КАК ДОЛЖНА РАБОТАТЬ КАЖДАЯ ЖИВАЯ СИСТЕМА

Как ни парадоксально, но, хотя формулировка определения жизни может быть трудной или, возможно, даже невозможной задачей, определение свойств жизни на отдалённых планетах не является такой уж большой проблемой. Причина этого заключается в том, что у нас есть достаточно хорошее представление о том, как развивается и функционирует жизнь по отношению к окружающей среде, в которой она находится – по крайней мере, в отношении жизни, похожей на нас. Кроме того, далее по тексту мы утверждаем, что «правила игры», которые управляют жизнью на Земле, следует применять практически к любому виду жизни, а не только к жизни, основанной на химических свойствах углерода. Таким образом, мы можем выявить правила, которые управляют развитием жизни любого вида в любой точке галактики, когда выясним, что это за правила, прямо здесь, на Земле. Учитывая это представление – и ещё тот факт, что возникновение жизни на Земле является единственным процессом, создающим жизнь, о котором мы знаем – ниже мы вначале изложим то, что знаем о развитии жизни на нашей собственной планете, а затем попытаемся представить, как подобные процессы будут протекать в экзотических условиях экзопланет.
Каждый из двух основных вопросов, которые мы можем задать о том, как жизнь на нашей планете стала такой, какая она есть, требует знаний из иных областей науки. Первый вопрос заключается в том, каким образом нечто живое возникло из материалов, которые определённо не были живыми – он известен как проблема происхождения жизни. Второй вопрос таков: как после появления живого существа развились те разнообразие и сложность жизни, которые мы наблюдаем вокруг себя в настоящее время? Из двух вопросов этот окажется более актуальным для обсуждения жизни на экзопланетах, поэтому нам повезло, что у нас есть довольно чёткое представление о том, как этот процесс происходил на Земле. Наше нынешнее понимание обращается к естественному отбору (или, что равнозначно, к дарвиновской эволюции), который мы обсуждали в предыдущей главе, коснувшись определения жизни от НАСА.

Происхождение жизни на Земле

Прежде чем мы перейдём к подробному описанию происхождения жизни, нам следует сделать важный вывод. Живые системы на Земле в наше время представляют собой чрезвычайно сложные объекты, продукт миллиардов лет эволюции. Первое живое существо на планете – то, которое мы можем назвать универсальным общим предком, – было бы совсем не похоже на тех живых существ, которых мы видим сегодня. Оно было бы чрезвычайно примитивным и, вероятно, обладало бы лишь немногими особенностями, присущими современным клеткам. Мы увидим, что сложность современных живых существ возникла из этого примитивного начала позже, в процессе естественного отбора.
На заре своей истории наша планета была расплавленным шаром, плавающим в космосе – на ней не было той атмосферы, которую мы могли бы узнать, не было океанов и, конечно же, не было жизни. Вращаясь по своей орбите, ранняя Земля постоянно подвергалась бомбардировке космическим мусором – собственно, именно эти столкновения и давали достаточно тепла, чтобы расплавить планету. Проще говоря, проблема происхождения жизни заключается в следующем: как Земля осуществила переход из этого исходного состояния к планете, на которой есть хотя бы один живой организм? По сути, мы ожидаем, что многие из экзопланет земного типа (то есть, маленькие и каменистые планеты) находились в схожем исходном состоянии, поэтому наши размышления о происхождении жизни на этих планетах будут происходить в свете земного опыта.
Мы считаем, что формирование газовых гигантов вроде Юпитера и Сатурна шло по другому пути, когда водород и гелий быстро накапливались вокруг небольшого твёрдого ядра. Мы рассмотрим вопрос о том, означает ли это, что происхождение жизни на таких планетах может идти по иному пути, нежели на Земле. Однако вполне ожидаемо, что внутренние структуры обнаруженных там клеток будут отличаться от структур у клеток на Земле – например, некоторые из этих структур могут контролировать плавучесть.
Первое, что случилось с Землёй, когда она вышла из своей горячей ранней стадии – это её остывание; её внешний слой затвердел, превратившись в камень. Вода, отчасти вышедшая из недр планеты, отчасти принесённая кометами и астероидами, наполнила океанские бассейны, подготовив сцену для появления жизни. Благодаря воде, заключённой в минералах, известных как кристаллы циркона, у нас есть свидетельство того, что жидкая вода была обычным явлением уже 4,2 миллиарда лет назад. Из летописи окаменелостей мы знаем, что жизнь появилась на Земле вскоре после прекращения её бомбардировки крупными астероидами, не позднее 3,8 миллиарда лет назад. Таким образом, гость нашей планеты 3,8 миллиарда лет назад обнаружил бы, что в её океанах полным-полно цианобактерий (вспомните зелёную прудовую тину). Таким образом, мы можем сказать, что жизнь на Земле появилась быстро, как только она смогла выживать.
Этот факт поднимает интересный вопрос. Во время великой бомбардировки ранней Земли, вероятно, были времена – возможно, длившиеся миллионы лет, – когда сильных ударов небесных тел не было. Если бы жизнь развилась в один из таких периодов покоя, она была бы уничтожена при следующем столкновении с крупным астероидом. Например, небесное тело размером со штат Огайо выделило бы достаточно энергии, чтобы на протяжении 1000 лет кипятить океаны Земли, превращая атмосферу в горячий пар. Мы не ожидали бы, что какие-то примитивные формы жизни переживут такого рода события, и, насколько мы можем судить, такие сценарии могли неоднократно повторяться на ранней Земле. Иными словами, возможно, что наши микробные предки были не первыми формами жизни на нашей планете – возможно, они просто были первыми, кто возник после последнего крупного удара небесного тела. Разумеется, жизнь могла зарождаться на ранней Земле десятки раз, хотя в настоящее время у нас есть свидетельства наличия только той формы жизни, которая пережила последний из стерилизующих ударов астероида.
Первый шаг в зарождении жизни включал накопление сложных молекул, содержащих атомы углерода. Ранее считалось, что собрать сложные углеродные цепочки, встречающиеся в живых системах, было сложной задачей – на самом же деле, до середины 20-го века учёные, как правило, избегали работать в этой области исследований. Общее ощущение, видимо, заключалось в том, что вопрос о происхождении жизни в целом был слишком сложным (и, возможно, слишком философским), чтобы стать частью основной науки.
Можно сказать, что исследование происхождения жизни подстегнул один эксперимент, проведённый в подвале химического корпуса Чикагского университета в 1952 году. Это была попытка воссоздать условия, которые могли существовать на ранней Земле, предпринятая лауреатом Нобелевской премии химиком Гарольдом Юри (1893-1981) и его тогдашним аспирантом Стэнли Миллером (1930-2007). Устройство было простым: в нём была колба с водой (для имитации океана), источник тепла (для имитации воздействия Солнца), электрическая искра (для имитации молнии) и смесь водяного пара, метана, водорода и аммиака (это было самой лучшей догадкой Миллера и Юри в отношении состава ранней атмосферы Земли). Были включены нагрев и подача искры, и аппарат оставили в покое на несколько недель. По истечении этого времени вода стала мутно-бордово-коричневой, а анализ показал, что в смеси присутствуют молекулы, называемые аминокислотами.
Небольшое пояснение: одной из самых важных групп молекул, встречающихся в живых системах, являются белки – именно эти молекулы управляют химическими реакциями в каждом живом существе на Земле. Белки состоят из аминокислот. В принципе, вы можете представить себе белок как цепочку, каждое звено которой представляет собой одну аминокислоту. Таким образом, Миллер и Юри доказали, что естественные процессы могут создавать основные строительные блоки живых систем, работая с материалами, которые совершенно очевидно не являются живыми, но, как считается, были в изобилии представлены на ранней Земле.
Этот результат оказал большое влияние на проблему происхождения жизни уже хотя бы потому, что перенес её из области философии в область науки. С тех пор эксперименты вроде проведённого Миллером и Юри позволили создать практически все важные молекулы, встречающиеся в живых системах, включая участки ДНК и сложные белки. И что удивительно, даже несмотря на то, что сегодня все сходятся во мнении, что состав атмосферы в эксперименте у Миллера и Юри был неправильным, это просто не имеет значения. Эксперименты с различными составами атмосферы и различными источниками энергии дали одинаковые по своей сути результаты, хотя и с разным выходом, в зависимости от предполагаемого состава атмосферы. Кроме того, сложные органические молекулы (включая аминокислоты) были обнаружены в метеоритах, в облаках межзвёздной пыли, и даже в дисках космического мусора, что окружают звёзды, и в которых формируются экзопланеты. Иными словами, вопреки всем ожиданиям, основные молекулярные строительные блоки жизни весьма обычны – фактически, они есть повсюду.
Таким образом, проблема происхождения жизни сводится к вопросу о том, каким образом эти основные строительные блоки собираются во что-то такое, что мы могли бы признать живым. Хотя уже выдвинуто множество теорий о том, как это произошло, ни одна из них не получила всеобщего признания. В любом случае, как мы уже увидели, единственное, что мы знаем, это то, что, каким бы образом ни происходила эта сборка, она произошла очень быстро.

Первичный бульон

После эксперимента Миллера-Юри были выдвинуты теории первого типа, которые утверждали, что процессы Миллера-Юри в ранней атмосфере Земли могли бы вызвать дождь органических молекул, превратив океаны планеты в насыщенный органический бульон, который стали называть первичным бульоном*. Расчёты показывали, что это могло произойти в течение нескольких сотен тысяч лет – всего лишь одно мгновение в масштабах геологического времени. После этого, говорится далее, случайные взаимодействия между органическими молекулами в конечном счёте приведут к образованию набора химических веществ, способного поглощать материал из окружающей среды и воспроизводиться – универсального общего предка. Теории утверждали, что при наличии достаточно продолжительного времени должно было произойти нечто подобное. Кстати, Смитсоновский институт зашёл настолько далеко, что снял фильм о телевизионном шеф-поваре Джулии Чайлд, которая смешивает первичный бульон у себя на кухне.

Существовало несколько вариантов сценария «первичного бульона»; все они были разработаны для того, чтобы пролить свет на процесс, посредством которого появился универсальный общий предок. Чарльз Дарвин, например, предположил, что жизнь могла зародиться в «маленьком тёплом водоёме». Следуя его примеру, некоторые учёные утверждали, что при каждом приливе вода, богатая органическими молекулами, попадала в замкнутый водоём. Затем вода могла бы испариться, оставив после себя органические молекулы. В итоге увеличение концентрации молекул в водоёме привело бы к появлению случайной комбинации, породившей первое живое существо.
Не заставили себя ждать и другие теоретические сценарии, которые разрабатывались, чтобы осуществить переход от существования строительных блоков к воспроизведению клеток. Например, было высказано предположение, что электрические заряды на поверхности глин, возможно, сыграли роль катализатора, запустившего первые химические реакции, необходимые для жизни. По мнению других теоретиков, каждый пузырёк океанской пены (или, в качестве альтернативы, каждую каплю жира в первичном бульоне) можно рассматривать как отдельный химический эксперимент, потому что разные капли содержат разный набор молекул. Согласно ещё одному сценарию, жизнь зародилась в небольшой полости в скале рядом с глубоководным океаническим горячим источником. (Преимущество этой схемы состоит в том, что первому общему предку не требовалось создавать клеточную мембрану или клеточную стенку, чтобы отделить живое от неживого, поскольку сама полость будет работать как своего рода клеточная мембрана.)
Все эти идеи о происхождении жизни можно классифицировать как теории «зафиксированной случайности». Основная идея заключается в том, что случайные расположения молекул продолжали появляться до тех пор, пока одна из них, чисто случайно, не оказалась способной к размножению. Как только это произошло, жизнь сменила тему, и на первый план вышел процесс естественного отбора. Взаиморасположение молекул, которое начало работать первым, было «зафиксировано», а конкуренты и опоздавшие остались глотать пыль.
Вы жили с зафиксированной случайностью на протяжении большей части своей жизни, хотя, возможно, и не осознавали этого. Посмотрите на клавиатуру вашего компьютера. Вы видите, что верхний ряд начинается с букв QWERTY? Эта так называемая QWERTY-клавиатура была разработана для замедления скорости набора текста, чтобы облегчить работу машин 19-го века. По сути, комбинация QWERTY оказалась зафиксированной, и хотя сегодня вместо кусочков металла мы перемещаем электроны, мы сохраняем оригинальную клавиатуру, потому что поменять всё, что с ней связано, было бы слишком сложно. Точно так же, как намекают эти теории, первая успешно размножающаяся клетка стала шаблоном для всей жизни – не потому, что этот дизайн был лучшим, а потому, что он был первым.
Мы могли бы продолжить перечислять теории «зафиксированной случайности», но думаем, что вы поняли саму идею. Эксперимент Миллера-Юри запустил настоящую лавину творчества в области идей о происхождении жизни. Но по мере того, как учёные узнавали всё больше и больше об основах химии жизни, в этой области начали доминировать два общих подхода – мы будем называть их «Мир РНК» и «Вначале был метаболизм».

Мир РНК

Современные клетки работают особым образом. Для запуска химических реакций, необходимых для поддержания жизни на Земле, требуется молекула под названием фермент. Ферменты в живых системах на Земле – это белки, и этот факт объясняет, почему эксперимент Миллера-Юри привлек так много внимания после публикации его результатов. В наших клетках информация, необходимая для сборки цепочек аминокислот, составляющих наши белки, закодирована в сложной молекуле, которую мы называем ДНК, и эта информация переводится в белки другим набором сложных молекул, называемых РНК. Первый шаг в этом процессе включает считывание кода ДНК, а для этого требуются белки. Таким образом, у нас получается классическая дилемма курицы и яйца. Для расшифровки кода ДНК нам нужны белки, но мы не можем получить белки, пока не будет расшифрован код ДНК.
Возможный способ обхода этой трудности появился в начале 1980-х годов, когда было обнаружено, что некоторые виды молекул РНК в дополнение к своей обычной роли в декодировании ДНК могут выступать в роли ферментов (специальный термин для этого вида РНК – рибозим). Это привело к появлению новой версии теории «застывшей случайности», где некое подобие РНК собралось случайно, а затем начало действовать и как фермент, и как шестерёнка в цепочке синтеза белка у первых форм жизни. Эта теория, получившая название «Мир РНК», вероятно, является самой распространённой теорией происхождения жизни среди современных учёных.
Ключевым моментом здесь является то, что, как только появится прото-РНК, примитивная клетка сможет использовать её для выживания и размножения. Следовательно, эта клетка стала бы универсальным общим предком. Затем на протяжении последующих миллиардов лет естественного отбора должна была развиться вся сложность современной клетки.

Вначале был метаболизм

Конкурирующая точка зрения сводит на нет всю идею «застывшей случайности». Мы можем назвать её «Вначале был метаболизм». Согласно этому сценарию, первая живая система (или протоклетка) вообще не содержала ДНК или РНК, но запускала ряд простых химических реакций без помощи сложных ферментов за счёт каталитического действия малых молекул. Химия современной клетки развилась значительно позже благодаря стандартным процессам, связанным с естественным отбором.
Вот аналогия, которая может помочь наглядно представить себе, как работает эта концепция. Взглянем на Систему межштатных автомагистралей США. Она чрезвычайно сложна, требует наличия сети дорог, развитой отрасли, занимающейся поставками бензина, развитой отрасли, занимающейся автомобилестроением, и так далее. Если бы мы хотели объяснить, каким образом сформировалась система автодорог между штатами, существующая в наши дни, мы бы не начинали с существующих дорог и не пытались выяснить, каким образом они могли бы породить автомобили. Вместо этого мы углубились бы в прошлое, в доколумбову Америку, и взглянули на самую примитивную транспортную сеть, какой были пешеходные тропы коренных американцев. Мы поговорили бы о том, как они превратились в грунтовые дороги для фургонов, как появились первые примитивные автомобили, за которыми последовали асфальтовое покрытие и заправочные станции, и так далее. Следуя этой эволюционной линии аргументации, мы в конечном итоге дошли бы до современной системы во всей её сложности, не прибегая к помощи крайне маловероятных случайных событий.
Что из этого – «мир РНК» или «Вначале был метаболизм» – проявилось на ранней Земле раньше (если вообще проявлялось), нам ещё только предстоит выяснить. На данный момент всё, что мы можем сказать – это то, что в отношении пути возникновения жизни на нашей планете ясны лишь две вещи: (1) существовал обильный запас основных молекулярных строительных блоков, необходимых для создания живых систем, и (2) каким бы образом ни было собрано первое живое существо, оно было собрано быстро.

Иные корни, иная жизнь

Способ зарождения жизни на Земле – будь то сценарий «мир РНК», или «вначале был метаболизм», или нечто совершенно иное, – не обязательно должен быть единственным способом возникновения жизни в иных местах Вселенной. Даже в мирах с океанами жидкой воды вполне могут существовать десятки, сотни или, возможно, даже миллионы способов зарождения жизни. В этих мирах могут существовать иные молекулы, несущие иной генетический код, и иные белки, управляющие химическими реакциями. В дальнейшем нам придётся постоянно оставаться начеку, чтобы избежать того, что мы можем назвать «земным шовинизмом» – представления о том, что жизнь в иных местах должна быть чем-то похожей на жизнь на Земле. Давайте рассмотрим некоторые из способов проявления таких различий.

Какие молекулы?

Даже жизнь, «похожая на нас», то есть, основанная на химических реакциях с участием соединений углерода, происходящих в среде из жидкой воды, не обязательно должна быть такой же, как жизнь, которая нам знакома. Чтобы привести всего лишь один пример, рассмотрим структуру белков – молекул, которые действуют как ферменты, управляющие химическими реакциями в земных живых системах. Эти молекулы, как мы уже говорили, можно рассматривать как аналог цепочки, в которой каждое звено представляет собой молекулу меньшего размера, называемую аминокислотой. Существует большое количество аминокислот, которые можно получить в лаборатории, и это открывает активно развивающуюся область для исследований белков, содержащих так называемые неприродные аминокислоты, которые можно использовать для чего угодно – от новых фармацевтических препаратов до биоразлагаемых контейнеров. Однако всё дело в том, что в земных живых системах присутствует лишь небольшое количество аминокислот (20 или 22, в зависимости от того, как вы хотите посчитать).
Почему? Может ли это быть результатом ещё одной «застывшей случайности» в начале нашей истории? Если это так, то мы могли бы ожидать, что живые организмы в других местах Вселенной будут использовать белки, составленные из аминокислот, отличных от наших собственных, и, следовательно, будут иметь совершенно иной химический состав. Но если бы существовала какая-то (пока ещё не открытая) причина, по которой именно тот набор аминокислот, который использует жизнь на Земле, давал бы огромное эволюционное преимущество, то мы ожидали бы, что вся жизнь на основе углерода в иных местах Вселенной будет работать с тем же генетическим кодом, что и у нас. Подобные вопросы можно задать в отношении практически любой особенности химического состава земной жизни.

Какая жидкость?

Вода – обычное вещество во Вселенной, но необходима ли она для жизни на основе углерода? Юпитер оказывается самым засушливым местом в нашей солнечной системе – настоящей пустыней Сахара планетарного масштаба. (И действительно, данные космического аппарата «Галилео» показывают, что процент водяного пара в атмосфере Юпитера сопоставим с таковым в Сахаре.) Тем не менее, мы знаем, что в атмосфере Юпитера в результате взаимодействия, вызванного ультрафиолетовым излучением Солнца, образуются довольно сложные органические молекулы – такие, как бензол. Это означает, что сложные молекулы могут создаваться в средах, где не так много воды. Может ли такой процесс привести к реакциям типа Миллера-Юри и к появлению жизни?
Мы склонны обращать больше внимания на жизнь на основе воды, потому что это то, что мы знаем, и потому что вода – очень хорошая среда, в которой могут происходить химические реакции. В конце концов, если предполагается, что молекулы должны взаимодействовать, у них должна быть возможность перемещаться и собираться вместе, а это вне всяких сомнений возможно в жидкой среде. Но вода – не единственная жидкость вокруг нас. Например, на спутнике Сатурна Титане существуют океаны из жидкого этана и метана. Конечно же, химические реакции в ультрахолодных средах такого рода протекали бы очень медленно, но нет никаких оснований полагать, что земные временные рамки – это единственные, в которых может существовать жизнь. На другом конце диапазона возможных температур мы можем представить планеты, достаточно горячие, чтобы иметь океаны жидкой магмы (то есть, лавы). Знакомые нам молекулы не смогли бы выжить в такой жаре, но незнакомые смогли бы. Как всегда, когда мы думаем о жизни вне Земли, мы задаём больше вопросов, чем даём на них ответов.

Какие атомы?

Когда мы переходим к жизни, не похожей на нас, то есть к жизни, основанной на химии атомов, отличных от углерода, вопросы становятся более фундаментальными. Мы обладаем достаточным объёмом знаний о том, как могли возникнуть основные строительные блоки жизни на основе углерода, но проводилось очень мало исследований в отношении того, как другие виды молекул могут быть основой для жизни. Однако нетрудно представить себе, как какой-нибудь учёный, собственная химия которого основана на кремнии (или, что вероятнее, на соединениях кремния), проводит аналог эксперимента Миллера-Юри, чтобы выяснить, как возник его/её тип жизни.
А если дело дойдёт до жизни, совершенно не похожей на нас, нам придется полностью отказаться от своего пристрастия к молекулярной химии – химические базовые строительные блоки здесь могут вообще не применяться. В главе 16, где обсуждается концепция электромагнитной жизни, мы отмечаем, что наши базовые представления о том, как работают электрические и магнитные поля, гораздо лучше, чем наше понимание молекулярной биохимии. Мы знаем, что движущиеся электрические заряды создают магнитные поля, а изменяющиеся магнитные поля создают электрические поля. Однако эти базовые знания могут не особенно сильно помочь нам в объяснении какой-то сложной живой системы, которая может быть связана с такой картиной явлений электромагнитных взаимодействий.

Эволюция путём естественного отбора

Как только проблема происхождения жизни в данном мире окажется решённой, как только будет собрана одна воспроизводящаяся сущность, в игру вступает совершенно новый набор механизмов. Представьте себе, что жизнь как бы «переключает передачи». Мы уже упоминали об этом факте в предыдущей главе, где говорили об определении жизни от НАСА и знакомили с концепцией, называемой дарвиновской эволюцией. В этом разделе мы объясним, как этот процесс сформировал земную жизнь, опишем убедительные доказательства этого и докажем, что он должен быть основным процессом, определяющим развитие жизни на любой экзопланете.
Аргумент в пользу существования естественного отбора обращается к двум простым (и довольно очевидным) фактам:

• Отдельные представители вида обладают отличающимися друг от друга характеристиками, и эти характеристики могут передаваться из поколения в поколение (с возможностью изменений наподобие мутаций в земной ДНК).

• Представители вида будут конкурировать за любые ресурсы, имеющиеся в окружающей среде.

В этом-то всё и дело. На Земле, например, представители одного вида явно будут обладать разными характеристиками. Некоторые кролики смогут бегать быстрее других; форма клюва некоторых птиц позволит им более успешно добывать пищу; некоторые самцы баранов смогут спариваться чаще, чем другие. Когда Дарвин впервые предложил свою теорию эволюции, он не понимал, почему это так, и не понимал, как черты передаются от одного поколения к другому, но он знал, что разные особи различаются, и что эти различия могут передаваться по наследству. Вообще, одно из самых больших удовольствий при чтении книги «Происхождение видов…» – это следить за его подробным обсуждением разведения голубей и представлять, как он зависает в местном пабе, обсуждая что-то с другими голубеводами-любителями. (Дарвин и сам разводил голубей.)
Простой факт, лежащий в основе дарвиновской эволюции, состоит в том, что некоторые гены создают признаки, которые повышают вероятность того, что организм, частью которого они являются, будет выживать достаточно долго, чтобы размножаться. Это, в свою очередь, означает, что данные гены будут переданы следующему поколению с большей вероятностью, чем другие. На жаргоне палеонтологов мы говорим, что эти гены отбираются. В конце концов, отобранные гены начинают преобладать, и если это случится достаточное количество раз, возникнет новый вид. Хотя Дарвин не и осознавал этого, когда обдумывал название для своей книги, он говорил о происхождении видов посредством передачи генов.
Вначале Дарвин не использовал этот термин, но фраза «выживание наиболее приспособленных» стала популярным способом описания эволюционного процесса. Дело в том, что «приспособленность» в дарвиновском смысле определяет та среда, в которой находится организм. Например, если кролик живет в среде, частью которой являются хищники, могут отбираться гены, позволяющие ему быстро бегать. С другой стороны, если он живёт в условиях нехватки пищи, важнее могут быть другие признаки – такие, как острое обоняние. Иными словами, общего определения приспособленности не существует – она полностью зависит от того, какие признаки дадут организму преимущество в конкретной среде обитания.
Одним из важных следствий постепенного характера эволюционных изменений является то, что при построении сценария развития организма в ответ на давление окружающей среды у нас должен получиться пошаговый процесс, в котором каждый шаг дает эволюционное преимущество. Говорить о том, что свиньям было бы лучше, если бы у них, например, были крылья* – это пустое занятие. Вы должны представить пошаговый процесс, который может привести к созданию крыльев, причём каждый шаг делает обладателя нового признака более приспособленным к условиям среды. Например, в таком сюжете могут фигурировать этапы, на которых выросты на боках свиньи помогают ей регулировать температуру тела, затем по мере развития позволяют ей планирующий полёт, и, наконец, превращаются в полноценные крылья. Необходимость обосновывать каждый шаг эволюции в понятиях теории Дарвина приобретёт особую важность, когда мы попытаемся построить эволюционные сценарии жизни в странных условиях экзопланет.

Прежде чем мы обобщим доказательства, подтверждающие теорию эволюции, нам нужно коснуться ещё одного вопроса, а именно скорости, с которой происходит эволюция. Здесь существуют две крайности. Одна из них заключается в том, что крупные изменения являются результатом накопления небольших изменений – это теория, известная как градуализм. Другая крайность носит название «прерывистое равновесие», и это означает, что в большинстве своём виды остаются практически неизменными на протяжении длительных периодов времени, а затем в течение короткого промежутка времени претерпевают быстрые изменения. Зная, что развитие происходит из-за изменений в молекуле ДНК, мы можем увидеть, как может реализоваться любой из этих вариантов. Мутация, которая влияет на один ген (и, следовательно, на специфическую химическую реакцию), скорее всего приведёт лишь к небольшим изменениям в организме. Однако мы также знаем, что существуют участки ДНК, которые не кодируют белки, а работают своего рода переключателями управления для целых серий генов. Мутация в этих областях вполне может привести к значительным изменениям – это тип изменений, востребованный концепцией прерывистого равновесия. Как это часто бывает в подобных ситуациях, правильным ответом на вопрос «Как развивалась жизнь на Земле – постепенно или посредством прерывистых процессов?» будет «да». Справедливо ли то же самое для жизни на экзопланетах, будет зависеть от конкретного механизма, посредством которого живые существа на них передают признаки от одного поколения другому.
Существует множество доказательств в поддержку теории эволюции, но давайте вкратце обратимся к двум важнейшим из них: это летопись окаменелостей и секвенирование ДНК. Среди множества видов окаменелостей самыми впечатляющими, несомненно, являются каменные копии скелетов и других твёрдых частей животных, умерших давным-давно. Они дают нам чёткое представление о том, как развивалась жизнь в прошлом, причём каждая форма жизни, которую мы видим сегодня, представляется ветвью на сложном древе жизни. Ещё мы нашли окаменелости иного рода – вроде отпечатков частей растений, и даже, в последние несколько десятилетий, останки одноклеточных организмов в очень древних породах. Именно открытие последних позволяет нам оценить время, которое было необходимо жизни для её развития на ранней Земле, что мы и сделали выше.
ДНК содержит «чертёж» живого существа, в котором она находится, и способность считывать последовательность, записанную в ней, даёт нам возможность реконструировать историю жизни на Земле ещё одним способом. Основная идея заключается в том, что чем больше разница в ДНК между двумя организмами, тем дальше во времени у них был общий предок. Добавьте сюда оценку скорости, с которой происходят мутации (так называемые молекулярные часы), и вы сможете использовать такого рода информацию для построения ещё одного родословного древа, отображающего развитие жизни на Земле.
С нашей точки зрения, тот факт, что генеалогическое древо, построенное на основе летописи окаменелостей, и генеалогическое древо, построенное на основе секвенирования ДНК, представляют собой одно и то же*, является самым убедительным доказательством, подтверждающим идею эволюции путем естественного отбора, которое можно было найти. Далее по тексту мы позволим дарвиновской эволюции занять своё место рядом с такими вещами, как гравитация, в качестве основной информации о том, как работает Вселенная.

Естественный отбор не на Земле

Пока существуют процесс, посредством которого признаки передаются от одного поколения другому, и механизм, позволяющий эти признаки изменять, совершенно очевидно, что мы можем ожидать действия естественного отбора. Если жизнь основана на химии углерода или иного элемента, в окружающей среде всегда будут существовать агенты, способные создавать аналог мутаций – на ум приходят тепло, ультрафиолетовое излучение и химические реакции. При таком положении дел всегда будут существовать какие-то представители популяции, которые способны использовать окружающую среду лучше, чем остальные, и это всё, что необходимо для запуска процесса естественного отбора. Таким образом, наше предположение о жизни на экзопланетах по умолчанию состоит в том, что анализ, включающий дарвиновскую эволюцию – это как раз то место, с которого нужно начинать.
Важно подчеркнуть, что, хотя основным законом, управляющим развитием жизни на экзопланетах, будет естественный отбор, виды живых систем, создаваемых в соответствии с этим законом, будут сильно различаться в разных окружающих средах. Например, если бы жизнь развивалась во внешних слоях атмосферы газового гиганта, способность управлять парением могла бы дать преимущество, поскольку это позволило бы организму менять высоту полёта в поисках пищи (вспомните о нашем летающем драконе). С другой стороны, в мире, находящемся в приливном захвате (см. главу 10), способность противостоять интенсивным поверхностным ветрам может сделать выбор в пользу низкого роста и обтекаемого телосложения. В дальнейшем мы проанализируем окружающую среду на каждой из посещаемых нами экзопланет, и воспользуемся этим для определения направления, в котором с наибольшей степенью вероятности пойдёт естественный отбор.
Однако, сказав это, мы также должны признать, что гораздо интереснее будет представить себе ситуации, в которых дарвиновская эволюция может не сработать. Вот пара вариантов, до которых мы додумались.

Не существует отдельных организмов

Естественный отбор требует конкуренции между особями за ресурсы. А что, если форма жизни на экзопланете не состоит из отдельных индивидуумов, а представляет собой единое целое?
Самым крупным живым существом на Земле является гриб Armillaria ostoye, находящийся в Орегоне. Это единый организм, размеры которого превышают 2 мили (3 км) в поперечнике. Нетрудно представить такой организм, охватывающий целую планету. В этом случае попросту не было бы отдельных особей, которые могли бы конкурировать друг с другом. Означает ли это, что естественного отбора может не быть?
Это хитрый вопрос, и он требует хитрого анализа. Упомянутый выше гриб состоит из клеток, которые делятся по мере роста организма – это процесс, на который могут повлиять упомянутые выше факторы окружающей среды. Аналогичный процесс должен был бы происходить в некоем организме, выросшем до всепланетного размера. Если бы существовал также какой-то аналог мутации, возникшей в процессе клеточного деления, у нас могла бы возникнуть ситуация, при которой клетки в разных областях организма обладали бы разными способностями к использованию окружающей среды. Иными словами, вместо того, чтобы воздействовать на разных особей, в том мире естественный отбор будет воздействовать на разные части одной и той же особи.
Единственный способ обойти этот аргумент – это предположить, что сложный организм, охватывающий всю планету спонтанно возник полностью сформировавшимся. Однако такая возможность настолько маловероятна, что мы не побоимся просто проигнорировать её.

Планета Совершенство

Главное обстоятельство, поддерживающее естественный отбор на Земле, – это тот факт, что поверхность планеты постоянно меняется под воздействием бурного движения вещества в мантии. Таким образом, земные живые системы всё время играют в догонялки, постоянно пытаясь приспособиться к новой среде. Но что, если бы существовала планета, в которой эта ситуация не действует? Что, если бы была такая экзопланета, где всё оставалось неизменным на протяжении миллиардов лет?
Как только жизнь зародится в таком месте, как это – давайте назовём его «планета Совершенство», – она будет эволюционировать в соответствии с законами естественного отбора до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, после чего эволюционное давление исчезнет. Дело не в том, что мутации перестали бы появляться – они продолжали бы возникать в своём обычном темпе. Просто ни одна мутация не смогла бы улучшить ситуацию для жизни на планете Совершенство, поэтому они бы угасали, а жизнь оказалась бы в состоянии застоя.
Это не так уж сильно отличается от ситуации на Земле. Каждая мутация на нашей планете порождает то, что немецкий генетик Ричард Гольдшмидт (1878-1958) назвал «обнадёживающим монстром». Многие из таких «монстров» обладают мутациями, которые не повышают их шансы на выживание, поэтому через несколько поколений мутации исчезают. Нетрудно экстраполировать эту ситуацию на ту, при которой исчезают все обнадёживающие монстры, и это то, что мы открыли бы на планете Совершенство, если предположить, что она существует.
Смысл этих двух примеров состоит в том, чтобы просто проиллюстрировать тот факт, что, когда мы отправляемся в галактику для исследования жизни, мы должны непредвзято относиться почти ко всем правилам, которыми будем пользоваться. Да будет так. Так уж устроена вселенная. Так что давайте сначала воздадим ей должное, а уже потом будем ею наслаждаться.

5

В ПОИСКАХ ЖИЗНИ:

ПРАВДА ЛИ, ЧТО ОНА ГДЕ-ТО ЕСТЬ?

Среди всех внеземных мест, где должно быть легко найти свидетельства существования живых организмов, Марс, несомненно, возглавляет список. Пожалуй, за последние полвека на Красную планету прилетела настоящая армада космических кораблей. Спускаемые аппараты совершили посадки во многих местах на поверхности Марса, и в то время, когда мы пишем эти строки, марсоход «Кьюриосити» поднимается на интересную в геологическом отношении гору близ экватора планеты. Несомненно, к настоящему времени мы должны были бы получить окончательный ответ на вопрос о том, существует ли жизнь на этой планете сейчас или существовала ли она там в прошлом.
Не будем торопиться с выводами. Дело в том, что с 1976 года, когда спускаемый аппарат «Викинг» стал первым космическим кораблём человечества, посетившим поверхность Марса, в научном сообществе ведутся вялотекущие дебаты относительно доказательств существования жизни, обнаруженных этими машинами (или же их отсутствия). Важность этого вывода трудно переоценить. Если не будет разработано что-то вроде фантастического варп-двигателя из «Звёздного пути», мы никогда не сможем исследовать ни одну экзопланету так, как мы исследовали Марс. Если после полувека интенсивных исследований мы всё ещё не можем решить, есть (или была) ли там жизнь, есть ли у нас надежда ответить на этот вопрос применительно к планете, удалённой от нас на целые световые годы?
Поиск жизни на Марсе можно описать как упражнение в разочаровании. Раз за разом мы обнаруживали там вещи, которые можно было бы объяснить присутствием жизни, но лишь для того, чтобы понять, что их с таким же успехом могли бы объяснить обычные химические реакции. У нас на руках остаётся множество подсказок, но окончательных ответов на наши вопросы нет. Как мы уже сказали, это печально.

Марсианские хроники

Два спускаемых аппарата «Викинг» в 1976 году были успешно приведены в действие в разных местах на поверхности Марса. В каждый спускаемый аппарат были заложены четыре эксперимента, целью которых было обнаружение признаков жизни:

• анализ с использованием прибора под названием газовый хроматограф–масс-спектрометр, который предназначен для обнаружения и идентификации различных видов молекул

• эксперимент по газообмену, в ходе которого в марсианскую почву добавляли воду и питательные вещества, а затем проверяли её на наличие признаков биологической активности

• эксперимент с пиролитическим высвобождением, в ходе которого марсианская почва подвергалась воздействию газов, содержащих углерод, а затем нагревалась для поиска доказательств наличия фотосинтеза

• эксперимент с маркированным выбросом, который мы подробно обсудим далее

Результаты первых трёх экспериментов были однозначными: они не выявили никаких признаков биологической активности, и фактически вообще не обнаружили никаких признаков органических молекул. Однако эти эксперименты были разработаны исходя из предположения, что жизнь на Марсе будет иметь обмен веществ, аналогичный таковому у жизни на Земле – а это предположение, которое может быть верным или неверным, как мы уже указывали в главе 3. Они также были предназначены для отбора проб только из самых верхних слоёв марсианской почвы, не глубже примерно одного дюйма (2,5 см).
Однако результаты экспериментов с маркированным выбросом привлекли наибольшее внимание и вызвали дебаты, длившиеся полвека. Вот как осуществлялись эти эксперименты: образец почвы, собранный с поверхности, помещали в камеру и добавляли смесь воды и молекул питательных веществ. Эти молекулы были синтезированы так, чтобы в них содержалось большое количество атомов углерода-14. (Углерод-14 является более тяжёлым родственником более распространённого углерода-12.) Углерод-14 вступает в те же химические реакции, что и обычный углерод-12, но он радиоактивен. Следовательно, его присутствие в любом образце легко обнаружить. Логика эксперимента была проста. Если бы в марсианской почве были микробы, они усваивали бы питательные вещества и выделяли углекислый газ (радиоактивный), который появлялся бы в газе над образцом почвы. И вот, о чудо, оба спускаемых аппарата сообщили о присутствии газа с «меченым» углекислым газом.
К сожалению, эйфория, последовавшая за этим объявлением, оказалась недолгой. Когда во второй и третьей повторностях в камеру было добавлено больше питательных веществ, радиоактивного углекислого газа больше не наблюдалось. Если бы первоначальный сигнал исходил от микробов, утверждали учёные, то их популяция должна была бы расти и выделять больше газа всякий раз, когда добавлялся питательный раствор. Однако если бы этот сигнал был вызван небиологической химической реакцией в марсианской почве, реагирующие химические вещества израсходовались бы при первом впрыске, и никаких последующих взаимодействий не случилось бы. Конечно, это именно то, что увидели учёные, и общим мнением, как тогда, так и сейчас, является то, что спускаемые аппараты «Викинг» не обнаружили явных доказательств существования жизни на Марсе. Кроме того, последующие эксперименты выявили способы, посредством которых обычные химические реакции в марсианской почве могли привести к образованию обнаруженного углекислого газа.
Однако это ещё не конец истории. С 1976 года небольшая, но активная группа учёных утверждает, что данные «Викинга», будучи правильно интерпретированными, действительно установили наличие микробной жизни на Красной планете. Например, на крупной конференции НАСА по внеземной жизни в 2016 году почти всё время для вопросов и ответов после одной презентации было занято оживлённым (а иногда и жарким) обсуждением результатов, полученных «Викингом».
Но надежды на марсианскую жизнь поддерживали не только результаты экспериментов «Викинга». Ещё в 1971 году космический корабль «Маринер-9», находившийся на орбите Марса, прислал фотографии его поверхности, которые для всего мира выглядели как земные речные сети. С тех пор орбитальные и посадочные аппараты предоставили неопровержимые доказательства того, что по поверхности планеты когда-то текла жидкая вода, и что в начале истории Марса его северное полушарие несло на себе океан. Поскольку это происходило бы в то же время, когда развивалась жизнь на Земле, идея о том, что на раннем Марсе могла появиться жизнь, получила широкое распространение. Даже если эта жизнь вымерла, когда планета потеряла свои океаны и атмосферу, говорилось далее, мы должны суметь отыскать ископаемые доказательства этого.
У марсианской поверхности есть одна особенность, которая заставляет учёных скептически относиться к мысли о том, что свидетельства прошлой жизни в виде органических молекул могут сохраняться и сегодня. Поскольку у Марса нет магнитного поля, он постоянно подвергается интенсивной бомбардировке солнечным излучением. Это создает высокие концентрации перекиси водорода (H₂O₂), мощного дезинфицирующего средства. В результате учёные полагали, что поверхность Марса, по сути, будет продезинфицирована, что уничтожит любые органические молекулы, созданные живыми организмами в прошлом.
Однако в 2018 году марсоход «Кьюриосити» обнаружил органические молекулы в горных породах, которые образовались, когда на Красной планете ещё существовали океаны на поверхности. И хотя эти молекулы, вероятно, не были созданы живыми организмами, их присутствие даёт нам надежду на то, что молекулы, которые в прошлом были частью живых систем, могли сохраниться до настоящего времени.
А как насчёт жизни, существующей на Марсе прямо сейчас? Мы взяли пробы только с верхнего уровня поверхности планеты, опустившись не более чем на несколько дюймов. Может ли скрываться нечто важное на больших глубинах? Пока марсоход «Кьюриосити» медленно торил себе путь по марсианскому ландшафту, аппарат «Mars Reconnaissance Orbiter» обнаружил на поверхности следы потоков, которые темнеют в зависимости от времени года. Эти следы могут образовываться в результате случайных извержений солёной воды из недр Марса, хотя некоторые учёные недавно предположили, что причиной их появления являются потоки песка, а не воды. Кроме того, в 2018 году учёные, анализируя данные с орбитального аппарата «Марс Экспресс», предположили, что под южным полюсом Марса находится озеро жидкой воды. И если сегодня под поверхностью имеется жидкая вода, разумно спросить: а не существует ли там ещё и микробная жизнь? Это ещё одна возможность, которую мы должны изучить.
А ещё есть метан. Метан – это простая молекула, состоящая из одного атома углерода, связанного с четырьмя атомами водорода. Мы знаем его как природный газ и используем для обогрева наших домов и выработки электроэнергии. Это второстепенный компонент атмосферы Земли, составляющий чуть более 1800 частей на миллиард по объему (т.е. около 0,00018 процента земной атмосферы). Примерно 95 процентов земного метана образуется в результате микробиологических процессов, но существуют и небиологические процессы, в ходе которых он также может выделяться: например, когда грунтовые воды взаимодействуют с магмой вблизи вулканических горячих источников, или, что гораздо медленнее, когда обычные химические реакции в окружающей среде превращают оксид железа (ржавчину) в некоторые другие типы минералов.
В 2003 году астрономы на Земле, наблюдая в телескопы, обнаружили присутствие метана в атмосфере Марса с помощью метода, называемого спектроскопией, который мы опишем ниже. Его было немного – всего около 10 частей на миллиард по объему, намного меньше, чем концентрация на Земле, – но он там определённо был. Затем, когда марсоход «Кьюриосити» двигался по поверхности Марса в конце 2013 и начале 2014 года, произошло нечто странное: количество метана внезапно возросло, превысив в 10 раз порога обнаружения, а затем снова упало через пару месяцев.
Что же могло вызвать это странное событие, которое учёные сейчас называют выбросом метана? Это мог быть выброс в атмосферу пузыря метана, образовавшегося в результате обычных небиологических реакций. С таким же успехом это мог быть и результат резкого роста популяции подземных микробов. Хотя существование метана само по себе наводит на размышления, это определённо не доказательство существования жизни под землёй на Марсе. Еще один намёк, ещё одно расстройство.

Странная история ALH84001

Горы Алан Хиллс – это богом забытый уголок Антарктиды, расположенный примерно в 130 милях (200 км) к югу от основной американской базы в проливе Мак-Мердо. Любой, кто посетит этот район, увидит лишь обширные ледяные равнины с ледниками, медленно надвигающимися на линию невысоких холмов. Реакция большинства людей на это место проста: за каким чёртом кто-то захотел бы туда поехать? Ответ оказывается очень простым: за метеоритами.
Для начала, позвольте сказать пару слов для объяснения. Когда метеорит падает где-нибудь в ледниках вокруг Алан Хиллс, он вмерзает в лёд. Когда ледник течёт, он уносит метеорит с собой. Когда ледник поднимается на невысокие холмы, лёд стирается ветром (технический термин для этого – абляция), оставляя после себя метеорит. Таким образом, вы можете считать ледяные поля своего рода конвейерной лентой, которая ловит метеориты и доставляет их на вершину хребта.
В 1984 году учёные, катавшиеся на снегоходах по ледникам, подобрали метеорит. Он не выглядел впечатляюще – размером с грейпфрут, весил около 4 фунтов (1,8 кг) и был покрыт почерневшим слоем, который появляется на метеоритах, когда они проносятся сквозь атмосферу Земли. Он получил название ALH84001: ALH от Алан Хиллс и 84001, потому что это был первый метеорит, найденный в 1984 году. Потом его положили куда-то в ящик стола и забыли на десять лет.
Однако, когда его, наконец, проанализировали в середине 1990-х годов, оказалось, что ALH84001 – редкая находка. Во-первых, газ, заключённый во внутренних пузырьках, соответствовал химическому составу атмосферы Марса, показывая, что метеорит происходит с этой планеты. Само по себе это не так уж необычно – мы обнаружили более 100 кусков породы, которые были выбиты с поверхности Марса астероидами и оказались на Земле. А вот возрастные характеристики ALH84001 действительно привлекали внимание. Радиометрическое датирование установило, что порода образовалась около 4 миллиардов лет назад, когда на Марсе было много жидкой воды. Метеорит был выброшен с Марса около 17 миллионов лет назад в результате падения метеорита, блуждал по орбите вокруг Солнца, и в итоге упал в Антарктиде около 13 000 лет назад. Другими словами, ALH84001 сформировался в то время, когда на Марсе могла развиться жизнь. Это молчаливый памятник тому периоду, когда сосед нашей планеты был очень похож на Землю.
В 1996 году группа учёных НАСА во главе с астрономом Дэвидом Маккеем (1936-2013) сделала удивительное заявление. После изучения ALH84001 они утверждали, что метеорит содержал окаменелости живых существ, которые обитали на Марсе. В основе их утверждения лежали четыре открытия:

• наличие в метеорите органических молекул, называемых полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ)

• физическое сходство минеральных структур метеорита с окаменелостями земных микробов

• сходство комбинаций минералов в метеорите с теми, которые образуют земные бактерии

• наличие в метеорите цепочек кристаллов магнетита, подобных тем, которые встречаются в некоторых земных микробах

Трудно переоценить то влияние, которое оказало это утверждение на учёных и общественность. Оно даже стало причиной заявления президента Билла Клинтона в Белом доме, и, возможно, повлияло на создание нынешней программы НАСА в области астробиологии. Но шло время, и начали всплывать неизбежные контраргументы.
Например, отмечалось, что молекулы ПАУ встречаются во Вселенной повсеместно и обнаруживаются во многих местах – таких, как кометы и даже межзвёздное пространство, где жизни нет. Что касается физического сходства «окаменелостей», то было отмечено, что формы некоторых известных небиологических минеральных образований на Земле имитируют формы клеток. Кроме того, образования из метеорита, объявленные биологическими, были примерно в 100 раз меньше, чем те, что обнаруживаются в любых известных клетках на Земле. На самом деле они должны были бы быть примерами нового класса жизни, известного как нанобактерии – это нечто теоретически возможное, но так никогда и не обнаруженное. Наконец, было высказано предположение, что некоторые из помянутых учёными комбинаций минералов были результатом процедур, используемых при подготовке образцов для исследования в электронных микроскопах.
Некоторое время самым сильным аргументом в пользу утверждения о марсианских окаменелостях оставались цепочки магнетита. Земные бактерии используют подобные цепочки, чтобы различать «верх» и «низ» в мутной воде пруда, следуя линиям магнитного поля. Поскольку у Марса в начале его жизни, возможно, было магнитное поле (сейчас его нет), такая адаптация имела бы смысл на Красной планете. Однако учёные показали, что кристаллы магнетита того типа, который был обнаружен в ALH84001, могли появиться в результате небиологических процессов, связанных с прохождением метеорита сквозь атмосферу Земли до его столкновения с поверхностью.
Итак, мы снова сталкиваемся с неоднозначными доказательствами, вызывающими лишь разочарование. Структуры в ALH84001 могли быть марсианскими окаменелостями, но они также могли быть результатом небиологических процессов. И мы опять не можем сделать определённый вывод о текущем или былом присутствии жизни на внеземной планете, которую мы исследовали тщательнее всего. Как же тогда мы будем искать жизнь на всех известных нам экзопланетах?

Спектроскопия как последний довод

В самом начале 19 века французский философ Огюст Конт (1798-1857), выделивший область науки, которую он назвал социальной физикой, а мы называем социологией, составил список научных проблем, которые никогда не будут решены. Примечательным дополнением этого списка был химический состав звезд.
Рассуждения Конта были просты. В его время единственным способом определения химического состава какого-либо материала было подвергнуть его анализу в лаборатории. Поскольку мы никогда не сможем положить кусок «звёздного вещества» на лабораторный стол, рассуждал Конт, мы никогда не сможем узнать, из чего сделана звезда. Можно даже представить себе, как он говорит, что мы никогда не сможем узнать химический состав экзопланеты, поскольку не можем отправиться туда.
Однако в 1859 году два немецких учёных, каждый из которых был известен главным образом своими прочими достижениями, встретились в лаборатории в Гейдельберге и изменили наш подход к анализу Вселенной. Густав Кирхгоф (1824-77) хорошо известен студентам-физикам как автор свода законов, позволяющих анализировать сложные электрические цепи, а Роберт Бунзен (1811-99) изобрел бунзеновскую горелку, которая есть в любой самой простой химической лаборатории. Они ввели в употребление процесс, в ходе которого свет от нагретого образца чистого материала пропускался через стеклянную призму для разделения цветов. Вместо того, чтобы получить ожидаемый непрерывный спектр (как радуга) они обнаружили, что каждый химический элемент даёт характерный, уникальный и хорошо распознаваемый набор определённых цветов. Эта совокупность называется спектром излучения, и поглощению фотонов определённых энергий соответствует определённый спектр. Раздел науки, посвященный изучению этих спектров, называется спектроскопией.
На самом деле тот факт, что химические элементы излучают свет определённого цвета, вам знаком. Вы когда-нибудь замечали, что некоторые уличные фонари излучают желтоватый свет? Такие натриевые лампы часто используются в районах, где часто бывают туманы, потому что их цвет обеспечивает наилучшую видимость в таких условиях.
Поскольку каждый химический элемент излучает свет с характерным набором цветов, если мы увидим этот оптический «отпечаток» в свете от какого-то источника, то мы можем быть уверенными, что источник содержит соответствующий химический элемент. Смысл этого так называемого спектроскопического анализа заключается в том, что неважно, насколько удалён источник света от детектора. Это может быть несколько дюймов или же несколько миллиардов световых лет. Как только спектроскопический «отпечаток» сформируется, он останется в луче света навсегда.
Здесь есть один забавный побочный эффект: в наше время сложный спектроскоп может поставляться с собственным встроенным компьютером и стоить много тысяч (и даже сотен тысяч) долларов. Кирхгоф и Бунзен построили первый спектроскоп из пары старых подзорных труб и (хотите – верьте, хотите – нет) коробки из-под сигар.
Лишь в начале 20-го века учёные, создавшие дисциплину под названием квантовая механика, выяснили, наконец, каким образом атомы образуют спектры. Вот упрощённая картина атома, которую они разработали: в отличие от планет в солнечной системе, электроны в атоме не могут иметь орбиты в произвольных местах. Их можно найти только на определённых расстояниях от ядра – на так называемых энергетических уровнях. Каждый из них обладает определённой энергией, поэтому, когда электрон перемещается между ними, атом будет излучать или поглощать определённое количество излучения, соответствующее разнице. Он испускает излучение, если электрон приближается к ядру, и поглощает излучение, если электрон удаляется от ядра. Поскольку атомы разных химических элементов обладают уникальным расположением энергетических уровней, каждый химический элемент поглощает и испускает излучение с уникальным набором частот – вот, что создаёт спектр.
Однако спектры излучают не только атомы. Любая система, в которой могут присутствовать разные энергетические уровни, может генерировать характерный «отпечаток». Например, сложные молекулы могут вибрировать, вращаться и изменять свою геометрическую конфигурацию. Каждый из этих режимов порождает характерный спектр. Поэтому можно подумать, что наука спектроскопия даёт нам идеальный способ поиска молекул, производимых живыми системами на далёких экзопланетах. Достаточно просто найти характерные следы биологических молекул в спектрах экзопланет, и мы получим неопровержимые доказательства существования жизни.
Давайте же взглянем на Землю: на химический состав её атмосферы оказало сильное влияние присутствие жизни. Вообще, среди всех многих сотен известных атмосферных газов лишь очень немногие не подвержены влиянию присутствия живых существ. Гелий, например, образовался в результате Большого взрыва и составляет около 1 процента атмосферы. Аргон присутствует в ещё меньших количествах; он образуется в результате радиоактивного распада калия глубоко в недрах Земли. Но в остальном живая природа образует, разрушает или видоизменяет практически каждый из газов атмосферы.
Кислород, которым мы дышим, образовался в результате фотосинтеза, в ходе которого растения используют солнечный свет для преобразования воды и углекислого газа в углеводы. Ультрафиолетовый свет Солнца расщепляет биологический молекулярный кислород – два атома кислорода, тесно связанных друг с другом, – на отдельные атомы кислорода. Затем они вступают в реакцию с молекулярным кислородом с образованием озона (O3). При дыхании и разложении организмов образуется углекислый газ – в противоположность процессу фотосинтеза. Другие газы, вроде сероводорода, выделяют сине-зелёные водоросли. А некоторые виды бактерий, как уже говорилось выше, выделяют метан. Жизнь «проявляет» себя в составе земной атмосферы. Мы называем эти произведённые биологическим путём химические вещества биомаркерами или биосигнатурами жизни на Земле.
Можно подумать, что было бы легко просто найти такие химические вещества в атмосферах экзопланет с использованием техники спектроскопии, чтобы установить, есть ли там жизнь. Но при таком подходе мы сталкиваемся с тремя сложностями.
Первая сложность заключается в том, что экзопланеты светят чрезвычайно слабо для нашего зрения. Мы замечаем их по свету, который они отражают от центральных звёзд своих систем. На расстояниях, огромных даже в случае ближайших к Земле звёзд, обнаружить свет, отражённый планетой, невероятно сложно. Однако в последние несколько лет астрономы пользовались высокочувствительными детекторами, а также кое-какими довольно хитроумными стратегиями, для изучения света, отражаемого множеством экзопланет. Самая успешная стратегия состоит в том, чтобы исследовать свет звезды, когда планета находится позади неё, а затем исследовать их смешанный свет, когда экзопланета находится перед звездой. Вычитание первого из второго даёт совокупность частот излучения экзопланеты, которую мы называем её спектром.
Вторая сложность заключается в определении характерных следов конкретных молекул, которые находятся в спектре экзопланеты. Как отмечалось выше, каждый химический элемент и молекула обладают уникальным световым «отпечатком». Но чаще всего уникальная характеристика света, которая идентифицирует биомаркер, составляет лишь очень небольшую часть общего спектра экзопланеты. Это означает, что нам нужно собрать много света от экзопланеты, для чего обычно требуются большие телескопы.
Третья сложность – самая значительная. Как нам решить, какие биомаркеры действительно доказывают наличие жизни на экзопланете? Как уже обсуждалось выше, жизнь производит или изменяет большинство газов в атмосфере Земли, поэтому поиск таких же газов в атмосферах планет вокруг далеких звёзд, чтобы определить, какие из них демонстрируют наличие жизни, показался бы простым делом. Но, как обычно, всё не так просто.
Проблема состоит в том, что небиологические процессы могут привести к образованию практически любой молекулы, которую мы считаем биомаркером в атмосфере Земли. Возьмём, например, кислород. Ультрафиолетовый свет Солнца разрушает молекулы воды в атмосфере, высвобождая атомы кислорода, которые могут рекомбинировать, образуя молекулярный кислород. Таким образом, хотя значительная часть молекулярного кислорода образуется в результате фотосинтеза, не весь он образуется таким способом. Или взглянем на метан. Как мы уже отмечали выше, его можно получить различными способами, и многие из них не связаны с биологией. То же самое можно сказать и о сероводороде (который обладает характерным запахом тухлого яйца), который вырабатывается серовосстанавливающими бактериями, процветающими в экстремальных условиях на Земле – но также в результате вулканических процессов. Мы могли бы продолжить, но суть ясна: практически для каждой молекулы, которую мы могли бы идентифицировать как потенциальный биомаркер жизни на экзопланете, существует небиологический механизм формирования.
Некоторые учёные подумывают об использовании комбинаций молекул, полученных биологическим путём, для установления присутствия жизни. Возьмём в качестве примера кислород и метан. На Земле концентрация метана нестабильна, потому что он окисляется (сгорает) в атмосфере. И всё же он явно присутствует, потому что биология быстро производит его параллельно кислороду. Если бы мы отключили всю биологию на Земле, наша атмосфера потеряла бы свой метан всего за несколько десятков лет. Кислород сохранялся бы примерно несколько тысяч лет, если бы вся жизнь прекратилась, но он тоже в конечном итоге исчез бы, поскольку включился бы в состав минералов. Таким образом, присутствие и кислорода, и метана вместе может служить биомаркером, даже если присутствие любого из этих газов, взятого отдельно, таковым не будет.
Поиск биомаркеров на экзопланетах, безусловно, значительно сложнее, чем просто поиск газов, образующихся в результате биологических процессов на Земле. В настоящее время это область исследований и дискуссий в сообществе учёных, изучающих экзопланеты. На данный момент суть проблемы, по-видимому, заключается в том, что мы не в состоянии выдвинуть неоспоримое утверждение об обнаружении жизни, взглянув на спектры отдельных атомов и молекул – по крайней мере, тех атомов и молекул, которые мы можем наблюдать в спектрах экзопланет. По-видимому, поиск комбинаций газов, имеющих биологическое происхождение, является наилучшим способом достижения успеха в решении этого вопроса.

Следующий шаг

На данный момент мы установили, что естественный отбор (дарвиновская эволюция) должен действовать, придавая облик жизни практически на любой из открытых нами экзопланет, и мы увидели, как трудно будет найти неопровержимые доказательства того, что такая жизнь действительно присутствует там. Однако давайте пока отложим эту проблему в сторону и сосредоточимся на том, как законы естественного отбора могут работать в невероятном разнообразии природных условий, которые, как мы уже знаем, существуют на экзопланетах. Это то, что мы называем исследованием воображаемой жизни.
В дальнейшем мы представляем каждый новый мир при помощи короткого выдуманного очерка, где описывается, как человек, должным образом защищённый и оснащённый сенсорным оборудованием, может воспринимать окружающую среду, с которой он сталкивается. Мы выбрали этот способ представления планет по одной простой причине: как мы уже неоднократно подчёркивали, земная жизнь – это единственный вид жизни, о котором мы знаем. Таким образом, именно её составной частью являются единственные живые организмы, о реакции которых на новую окружающую среду мы можем догадываться с определённой надеждой на успех.
Держа это в памяти, давайте взглянем на мир, который мы назовём Айсхейм.

Содержание

Обложка
Титульный лист
Авторские права
Посвящение
Предисловие
1. Неожиданная Галактика
2. Возможности и ограничения: Вселенная законов
3. Жизнь: что это такое?
4. Правила игры: как должна работать каждая живая система
5. В поисках жизни: правда ли, что она где-то есть?
6. Айсхейм: жизнь в глубокой заморозке
7. Новая Европа: океан подо льдом
8. Нептуния: вода, вода, кругом вода
9. Мир Златовласки: совсем как мы
10. Гало: жизнь на терминаторе
11. Одиночка: сам за себя
12. Здоровяк: самый тяжёлый
13. TRAPPIST-1: когда на орбите тесновато
14. Если взглянуть поближе: всё становится ещё более странным
15. Жизнь, не похожая на нас. Что, если мы – не единственный вариант?
16. Жизнь, совершенно не похожая на нас. Она может выглядеть довольно странно
17. Вопросы без ответов
Послесловие
Вкладка с иллюстрациями