Считается что для зарождения жизни не подходят
Идеальная планета для зарождения жизни, какая она?
На данный момент человечеству известна только одна пригодная для жизни планета. Речь, конечно же, идет о нашей родной Земле. Ученые постоянно находятся в поиске космических объектов, которые хотя бы немного на нее похожи. Ведь если на планете такая же температура воздуха, давление и другие условия окружающей среды, значит, на ней может существовать жизнь. Но кто сказал, что земные условия являются идеальными для возникновения живых организмов? Ведь окружающая среда других планет может быть более пригодной для жизни. Ученые прекрасно об этом знают и поэтому ищут потенциально обитаемые планеты по заранее известным параметрам. Так какой же должна быть идеально пригодная для существования живых организмов планета?
Во Вселенной могут существовать планеты, идеальнее Земли
Лучшая планета для жизни
Есть вероятность того, что в ходе поиска жизни во Вселенной человечество допускает большую ошибку. На данный момент ученые находятся в поиске планет, окружающие условия которых максимально похожи на земные. Но наша планета является далеко не самой лучшей для жизни. По мнению ученых, чтобы все животные чувствовали себя комфортно, средняя температура планеты должна быть чуть выше нынешней. Также необходимо, чтобы на космическом объекте была вода. А возраст планеты не должен быть меньше трех миллиардов лет — чтобы на космическом объекте зародилась жизнь, нужно время. Ведь даже на нашей планете жизнь появилась не сразу.
Для создания жизни природе понадобилось около 3,7 миллиарда лет
Идеальная температура планеты
Большинство животных на Земле обитают в теплых и влажных тропических лесах. А в холодных регионах живых созданий очень мало. Если не верится, вспомните, как много животных живут в Австралии и насколько мало живых созданий обитает в Сибири. Средняя температура воздуха на Земле составляет около +14 градусов Цельсия. Это неплохо, но исследователи уверены, что при средней температуре +19 градусов Цельсия, живые создания чувствовали бы себя лучше. При всем этом на планете должно быть много воды, потому что она является источником жизни и участвует во многих химических процессах.
В тропических лесах обитает больше всего животных
Идеальный возраст планеты
Возраст Земли на данный момент составляет 4,5 миллиарда лет. Но жизнь на ней зародилась далеко не сразу, потому что ей не хватало одного важного компонента — кислорода. Для создания вырабатывающих кислород цианобактерий природе понадобилось около двух миллиардов лет. Вырабатываемый ими кислород накапливался в атмосфере примерно 1,7–1,9 миллиарда лет и только потом его концентрация достигла современного уровня. В целом, нашей планете потребовалось 3,7 миллиарда лет или 80% ее текущего возраста, чтобы на ней появились микробы. И только потом появились динозавры, первобытные люди и мы. Получается, что ученых должны интересовать планеты, у которых было достаточно времени для зарождения жизни. Молодые и слишком старые планеты не подойдут.
Идеальный размер планеты
Также для возникновения жизни необходимо наличие атмосферы и магнитного поля, которые защищают объект от космической радиации. Для этого планета должна быть достаточно большой, чтобы ее гравитация могла удерживать атмосферу на протяжении миллиардов лет. По расчетам исследователей космоса, масса идеальной для возникновения жизни планеты должна быть на 10% больше массы Земли. Ну и конечно же, рядом с ней должна присутствовать звезда наподобие Солнца — ведь именно их излучение является спусковым крючком для начала создающих жизнь химических процессов.
Без Солнца не существовало бы жизни
Потенциально обитаемые планеты
Получается, что работающим над поиском обитаемых планет ученым необходимо обращать внимание на их температуру, наличие воды, возраст, размеры и параметры находящейся поблизости звезды. На данный момент исследователям известно примерно 24 потенциально обитаемых планет, находящихся за пределами Солнечной системы. Все они входят в «Список объектов интереса миссии «Кеплер»» (Kepler Objects of Interest). Этот перечень космических объектов был создан для структуризации звезд, у которых телескоп «Кеплер» обнаружил планеты.
Из 24 обнаруженных планет только 16 имеют возраст в районе 5–8 миллиардов лет. И только на поверхности 5 из них температура воздуха колеблется в районе 9-19 градусов Цельсия. Всем вышеупомянутым критериям сразу более-менее соответствуют только три далеких объекта. Только вот чтобы убедиться во всем этом и дать неопровержимые доказательства, исследователям необходимо провести еще множество научных работ. Для проведения некоторых из них пока не существует достаточно мощного оборудования.
Если вам нравятся наши статьи, подпишитесь на нас в Google News! Так вам будет удобнее следить за новыми материалами.
Впрочем, жизнь может существовать и на достаточно близких к нам планетах. Недавно в облаках Венеры был обнаружен газ, который в больших количествах производится только бактериями. Поэтому на данный момент ученые осмеливаются предполагать, что в облаках второй от Солнца планеты могут жить микробы. Подробнее об этом открытии можно почитать в этом материале.
ВНЕЗЕМНАЯ ЖИЗНЬ
Обнаружение жизни за пределами Земли будет означать глобальный прорыв в науке и философии. Подобное открытие перевернет не только астрономию, но также биологию и биохимию. Если же внеземная жизнь окажется разумной, то сменится антропоцентризм всех гуманитарных и общественных наук, возможны радикальные технологические революции.
В то же время контакт может не только нести плюсы, но и представлять угрозу как для землян, так и для внешних форм жизни. Обмен бактериями и вирусами представляет значимую биологическую опасность, поскольку у развивающихся изолированно популяций может не оказаться иммунитета к новым заболеваниям.
В случае установления контакта с разумными существами значимые ментальные, цивилизационные и ценностные различия способны привести к конфликтам с непредсказуемыми последствиями.
Непрямой контакт (например, через обмен радиосигналами) маловероятен из-за длительного времени прохождения сигнала между звездными системами, насчитывающего многие десятки, сотни и тысячи лет. Сомнительна возможность столь длительного взаимодействия с гипотетической внеземной цивилизацией.
(?) Проведите социальный эксперимент-провокацию. Сообщите знакомым различных групп (родственники, друзья, соседи, прохожие, учителя и др.) о только что полученной «новости» об открытии бактерий на Марсе. Зафиксируйте эмоциональную реакцию, вопросы и реплики собеседников. Что результаты эксперимента могут рассказать о нашем обществе?
Но подобные соображения, безусловно, пока остаются теоретическими изысканиями. Пока не нашлось ни одного бесспорного доказательства жизни вне пределов Земли, хотя целенаправленные поиски ведутся уже несколько десятилетий.
Факторы жизни
Возникновение и поддержание жизни вероятно при совпадении ряда условий. Оговоримся, что наука сегодня пытается определить условия на основании земных форм жизни, хотя теоретически возможны и другие варианты.
Считается, что для поддержания органической жизни необходима вода в жидком состоянии. Наличие льдов выявлено в полярных областях Марса, на спутниках планет-гигантов Юпитера (Европа, Ганимед, Каллисто) и Сатурна (Титан, Энцилад). Высказывается также предположение, что в прошлом на Марсе вода играла намного более значимую роль.
Для существования жидкой воды нужна вполне определенная температура. Ученые обозначили термином зона обитаемости диапазон орбит, где могут находиться планеты с пригодными температурными условиями. Очевидно, что этот диапазон сильно отличается в зависимости от класса, возраста и иных параметров соответствующей звезды.
Между тем даже в случае нахождения космического объекта дальше зоны обитания ледяные шапки могут таять под влиянием интенсивной вулканической деятельности.
Резкие выплески нейтронного и иных излучений звезд губительны для всего живого. Землю от радиации Солнца защищает мощная магнитная сфера, но далеко не у всех космических объектов существует похожее на земное металлическое ядро.
Для долговременного существования жизни необходима стабильность орбитальной траектории космического объекта. Например, кометы в своих циклах проходят периоды экстремального нагрева и охлаждения, пережить которые организмы вряд ли смогли бы.
Много факторов связано с особенностями звезды — центра планетной системы. Так, если звезда холодная, у нее очень узкая обитаемая зона, но горячие звезды могут быть слишком непродолжительны для возникновения жизни. Звезды главной последовательности типа Солнца воспринимаются как оптимальные.
Звезда должна быть расположена в нужном участке галактики. Считается, что для зарождения жизни не подходят эллиптические галактики и окраины спиральных галактик — там слишком старые звезды, мало элементов-металлов. И наоборот, активный центр галактики (в спиральных галактиках — рукава) служит скоплением молодых активных звезд с губительным излучением. По предварительным расчетам, примерно 20 % Млечного Пути составляет зона, пригодная для возникновения жизни.
Маловероятна жизнь в сложных системах (двойные звезды) в связи с нестабильностью орбит планет. Стабильные системы могут возникать либо в случае крайней близости двух звезд (планета будет вращаться сразу вокруг двух светил), либо в случае значительной удаленности (у каждой звезды будет своя планетная система).
На развитие земной жизни крайне позитивное влияние оказал естественный спутник Луна. Ее стабилизирующее влияние на Мировой океан и атмосферу избавило Землю от угрозы постоянных ураганов и штормов катастрофической мощности. Пока планетологи не дали ответа, насколько уникально подобное взаимодействие планеты и спутника.
Важнейшим фактором считается наличие атмосферы со значительным содержанием кислорода и углекислого газа. Помимо значения для биохимических реакций, атмосфера необходима для сгорания метеоритов, в противном случае бомбардирующих поверхность космического объекта. Разреженная атмосфера Марса делает поиски жизни на этой планете крайне малообнадеживающими. Ничтожны шансы отыскать жизнь на Венере, где атмосфера состоит из крайне неблагоприятного сочетания газов.
Наконец, для поддержания жизни необходим объект сопоставимых с Землей массы и размера. Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран) с их сильнейшим гравитационным притяжением и значительным атмосферным давлением не способствуют развитию организмов. В то же время слишком маленькие объекты (скажем, астероиды) не имеют достаточной гравитации для удержания воды и атмосферы.
Как мы видим, к возникновению жизни на Земле привело уникальное сочетание факторов. Поступательное развитие астрономии и космических исследований покажет, насколько подобное сочетание исключительно в рамках многочисленных планетных систем нашей Галактики.
Ученые дискутируют насчет случайности подобного сочетания. Существует концепция антропного принципа, предполагающая, что наблюдатель (человек) мог появиться исключительно в конкретном сочетании факторов и физических параметров, и Вселенная устроена так, чтобы разумная жизнь могла стать возможна.
(?) Есть голубая звезда А и красная звезда Б. В какой системе зона обитаемости находится дальше от звезды и почему?
Происхождение жизни на Земле: доказанная теория или нераскрытая тайна
Валерий Спиридонов, первый кандидат на пересадку головы, для РИА Новости
Человечество на протяжении многих лет пытается разгадать истинную причину и историю появления жизни на нашей планете. Еще чуть более ста лет назад практически во всех странах люди даже не думали подвергать сомнению теорию божественного вмешательства и сотворения мира высшим духовным существом.
Ситуация изменилась после выхода в ноябре 1859 года величайшего труда Чарльза Дарвина, и сейчас вокруг этой темы существует немало споров. Число сторонников дарвиновской теории эволюции в Европе и Азии насчитывает больше 60-70%, приблизительно 20% в США и около 19% в России по данным конца прошлого десятилетия.
Во многих странах сегодня призывают исключить труд Дарвина из школьной программы или хотя бы изучать его наравне с другими вероятными теориями. Если не говорить о религиозной версии, к которой склоняется большая часть населения планеты, сегодня существует несколько основных теорий происхождения и эволюции жизни, описывающих ее развитие на самых разных этапах.
Панспермия
Сторонники идеи панспермии убеждены, что на Землю первые микроорганизмы были принесены из космоса. Так считал известный немецкий ученый-энциклопедист Герман Гельмгольц, английский физик Кельвин, российский ученый Владимир Вернадский и шведский химик Сванте Аррениус, считающийся сегодня родоначальником этой теории.
Научно подтвержден факт, что на Земле неоднократно были обнаружены метеориты с Марса и других планет, возможно с комет, которые могли прибыть даже из чужих звездных систем. В этом сегодня никто не сомневается, однако пока не понятно как жизнь могла возникнуть на других мирах. По сути, апологеты панспермии переносят «ответственность» за происходящее на инопланетные цивилизации.
Теория о первичном бульоне
Рождению этой гипотезы поспособствовали эксперименты Гарольда Юри и Стэнли Миллера, проведенные в 1950-е годы. Они смогли воссоздать почти те же условия, которые существовали на поверхности нашей планеты до зарождения жизни. Через смесь молекулярного водорода, угарного газа и метана пропустили небольшие электрические разряды и ультрафиолет.
Что такое Жизнь во Вселенной: четыре базовых принципа вместо трёх характерных функций
Данная статья мотивирована необходимостью построить более общую картину, что такое жизнь (и какой она может быть) по отношению к остальным явлениям во Вселенной.
(Является переводом довольно любопытной научной статьи от 16 апреля 2020 года).
Введение. Зачем нужно новое определение для жизни?
Попасть сложно из-за слишком маленькой целевой зоны
Это не самая выгодная зона для попадания (гораздо лучше целиться в 3х60)
Есть множество других довольно выгодных участков для прицеливания
Следовательно, при поиске внеземной жизни мы должны учитывать, что:
Жизнь, очень точно подходящая под признаки той, с которой мы знакомы, может быть очень редкой во Вселенной, однако более общий класс жизнеподобных феноменов может быть куда более распространённым.
Могут существовать системы, которые только предстоит открыть или хотя бы представить, и они будут более успешно удовлетворять критериям жизни, даже по сравнению с земной.
Ослабив наши ограничения в определении жизни, мы откроем весь спектр параметров физических и химических взаимодействий, которые могут создавать жизнь.
Так же нас мотивируют жаркие споры в области происхождения жизни, которые разделили исследователей на множество лагерей, в каждом из которых спорщики ищут свой, «единственно истинный» сценарий появления жизни. Мы утверждаем, что большая часть споров произошла из-за различий в предположении о том, что есть жизнь и, соответственно, каким было её начало.
Переопределяя сам термин «жизнь», мы надеемся, что это поможет более глубокому взаимопониманию и информационному обмену между сообществами исследователей.
Характерные функции жизни
Другой взгляд предполагает существование неких «законов сохранения», подобных тем, что играют важную роль в физике и инженерии. То есть какие-то материальные и функциональные ограничения, которые присущи для жизни с самого начала. Любая система, которая не соответствует этим ограничениям не может называться жизнью (в рамках этого подхода).
Одним из примеров такого подхода является «принцип сохранения химии», на который ссылаются в [3 ]. Их аргумент выглядит таким образом: «Химические свойства организмов более консервативны, чем изменяющаяся окружающая среда, и поэтому сохраняют информацию о древних условиях окружающей среды» [4 ]. В соответствии с этим принципом поиск контекста происхождения жизни, по сути, представляет собой поиск пребиотических сред, максимально приближенных к клеточным условиям.
Рисунок 1. Три распространённых примера характерных функций жизни в теориях её происхождения.
Примерами характерных функций являются репликация РНК по шаблонам, циклы реакций, формирующие ранние виды метаболизма и изоляция систем липидными мембранами от окружающего мира (рис. 1). Это приводит к возникновению различных «первичных» теорий возникновения жизни. Например, в так называемой «гипотезе мира РНК» считается, что «согласно теории эволюции Дарвина неживая материя должна самоорганизоваться до получения поведения, которое мы приписываем биологии»[5 ], а наступление дарвинизма произойдет с абиотическим образованием длинноцепочечных РНК-полимеров.
Лабораторные эксперименты показывают, что приповерхностные среды, подверженные УФ-излучению и (возможно, эпизодическому) взаимодействию с атмосферными условиями и/или снабжаемые подходящими молекулами из внешних источников, идеально подходят для синтеза РНК, например [12 ].
С другой стороны, глубоководные щелочные гидротермальные источники являются центрами фокусировки окислительно-восстановительных процессов и неравновесия рН, которые могут приводить к возникновению протометаболических циклов, например, [6 ].
Однако, геотермальные пузырьки благоприятны для спонтанной самосборки липидных везикул, что отчасти обусловлено низкими концентрациями двухвалентных катионов [13 ].
Каждая теория, пытающаяся объяснить какую-то характерную функцию, присущую земной биологии, содержит неявное предположение о том, что эта самая характерная функция присутствовала при появлении жизни и что она является основополагающей.
Однако, учитывая изначальное отсутствие ископаемых или геологических свидетельств, нет почти никаких доказательств того, что какая-либо из этих функций действительно присутствовала в начале жизни.
Горизонт событий исследований происхождения жизни
Существует «горизонт событий», как подходящий по смыслу термин из астрофизики, в исследованиях происхождения жизни (рис. 2).
Подходы «сверху-вниз», такие как молекулярная филогенетика, используют подсказки из сохранившейся жизни, чтобы проследить историю жизни в направлении ее происхождения. Такой подход может привести нас только до LUCA.
Подходы «снизу-вверх», направленные на моделирование синтеза пребиотических молекул и/или наступление протоживых структур и функций, могут в один прекрасный день привести к созданию абиогенеза. Однако такое «пробное происхождение» не будет являться LUCA.
Рисунок 3. Невозможность различия сценариев происхождения жизни при подходе «сверху-вниз».
Кроме того, нисходящие подходы ограничены в своем понимании происхождения жизни, поскольку дерево жизни, которое мы видим сегодня, может быть достигнуто самыми разными теоретическими сценариями (рис. 3). Эти сценарии могут включать в себя множество никогда не сходящихся генов, в результате чего образуются совершенно разные геномные ветви, которые либо уже вымерли, либо все ещё присутствуют в качестве «теневой биосферы» [15 ].
Исторический vs Синтетический vs Универсальный сценарии происхождения
Следовательно, различные сценарии, разработанные исследователями, затрагивают не один, а множество научных вопросов. Одним из них обычно является происхождение жизни на Земле, которое распространяется и на генезис земноподобной жизни на других мирах.
Однако существует совершенно отдельный вопрос о происхождении «жизнеподобных» систем, как земных, так и неземных, в инопланетных средах.
Ещё один вопрос заключается в том, как мы могли бы создать полностью искусственные структуры, но которые мы бы считали живыми.
Эти разрозненные цели и задачи могут привести к тому, что сообщество исследователей столкнётся с проблемой «лебедя, рака и щуки» (вместо взаимопомощи), излишних споров (вместо консенсусного обмена идеями) или апатии (вместо подлинного интереса к работам друг друга).
В этой статье вводится новый словарь и новое определение жизни в ответ на эти опасения.
Определение Y-жизни
Y-жизнь представляет собой любое гипотетическое явление во Вселенной, которое удовлетворяет фундаментальным принципам живого состояния, независимо от типов эксплуатируемых неравновесий либо компонентов. Y-жизнь представляет собой любое гипотетическое явление, которое поддерживает своё низкоэнтропийное состояние путём диссипации и конверсии термодинамических неравновесий, использует цепи автокаталитических реакций для достижения нелинейного роста и распространения, использует гомеостатические регулирующие механизмы для обеспечения стабильности и смягчения внешних возмущений, а так же собирает и обрабатывает функциональную информацию об окружающей среде.
Понятие «жизнь, какой мы ее не знаем» не ново. Тем не менее, традиционные определения жизни не позволяют строго разграничить понятия «жизнь, какой мы ее знаем» и «жизнью, какой мы ее не знаем». Их расплывчатость не позволит нам вынести какой-то определённый вердикт, если разница между двумя категориями велика.
Например, согласно определению жизни, данному НАСА (см. введение), следует ли считать самоподдерживающуюся химическую систему, которая развивается не по Дарвину, «жизнью, какой мы её не знаем» или вообще не стоит её считать жизнью?
Чтобы исправить это, мы и разработали наши критерии Y-жизни на основе четырех фундаментальных процессов.
Это и есть 4 базовых принципа из заголовка статьи и их подробное описание выглядит так:
Хотя эти четыре принципа Y-жизни являются производными от наблюдений за жизнью в том виде, в котором мы ее знаем, новое определение намного более расширяемое. Эти четыре принципа представляют собой необходимые и достаточные требования к Y-живому состоянию, оставаясь при этом отделёнными от конкретных компонентов, составляющих систему.
Это иллюстрируется тем фактом, что существует множество систем, которые выполняют те же самые принципы, но достаточно отличаются друг от друга по форме (обсуждается далее). Следовательно, универсальность термина Y-жизнь вытекает из разумного ожидания того, что он может быть применен к еще неизведанным (или не изобретенным) системам, существующим в бесчисленных масштабах по всей Вселенной.
Может даже существовать класс систем, еще не открытых и не описанных, которые соответствуют всем четырём принципам Y-жизни, и, в дополнение, соответствуют некоторому пятому. Такие системы могут считаться Y-сверхживыми. Хотя открытие Y-сверхжизни, безусловно, стало бы началом новой научной парадигмы, мы пока что сохраняем агностицизм в отношении его существования.
Мы хотим подчеркнуть, что наше определение Y-жизни применяется на системном уровне. Принципы, которые могут быть применены к некой системе, зависят, в частности, от границ, которыми мы обозначаем эту систему. Например, какие принципы выполняют вирусы? Один вирус по отдельности не соответствует ни одному из принципов.
Вирусы в системе, состоящей из вирусов, бактерий и питательных веществ, могут совершать автокатализ и, путём разрушения своих жертв, диссипировать.
Вирусы в биосфере в целом, могут совершать не только автокатализ и диссипацию, но и обучаться (в процессе эволюции).
В некоторых экосистемах вирусы могут даже придавать системе гомеостатические атрибуты, вводя клеткам-хостам вспомогательные метаболические гены и поглощая органическое вещество через лизис [45 ].
Мы также отмечаем, что важность и актуальность этих принципов отделены от той легкости, с которой мы можем измерить их присутствие.
Для примера, измерение автокаталитического свойства, скорее всего, будет нетривиальным, если только рассматриваемые организмы/системы не могут быть культивированы. В частности, получения биосигнатур с удаленных экзопланет, вероятно, будет недостаточно для выявления автокаталитических свойств, если только эти сигнатуры не собираются в течение очень длительных периодов времени.
Следовательно, для этого принципа существует разделение между значимостью (это свойство имеет основополагающее значение для определения Y-жизни) и легкостью измерения (его может быть нелегко оценить).
Однако иногда автокаталитическое свойство проявляется очень драматично. Пока мы пишем эту статью, мир переворачивается с ног на голову сущностью, которая одновременно считается неживой и состоит только из небольшого генома РНК и набора белков. Каждая диаграмма, которая отслеживала COVID-19, показывала экспоненциальный рост (автокатализ) в первой фазе, демонстрируя как крошечные биологические сущности могут показать экстремальные нелинейные динамические изменения в короткое время.
Y-субжизнь
Помимо предоставления простого «контрольного перечня» критериев для определения того, является ли динамическая система живой или нет, эти четыре принципа также позволяют нам рассмотреть Y-жизнь в контексте других явлений во Вселенной.
Мы определяем Y-жизнь как любую систему, которая выполняет все четыре столба, и Y-субжизнь как любую систему, которая выполняет некоторые, но не все эти функции (рис. 5).
Что касается гомеостаза в системах равновесия (область 2 на Рис. 5), то здесь есть некоторые тонкости. Наше утверждение о том, что гомеостаз происходит в изолированных системах, заключается просто в том, что они являются архетипами устойчивости (по определению). Однако этот вопрос может быть спорным. Можно утверждать, что в момент флуктуации происходит мгновенное создание свободной энергии. Однако, использование такого колебания потребовало бы измерений и обработки информации, и, как показано в [56 ], для этого в системе с ограниченным количеством памяти потребуется стирание, которое не может быть сделано бесплатно, а значит, свободной энергии, создаваемой колебаниями системы равновесия, на самом деле не существует.
В целом любое возмущение такой системы исчезнет за конечное время по мере уравновешивания системы, поэтому мы допускаем гомеостаз в системах равновесия (однако, биологические гомеостатические процессы, как правило, происходят за счет потребления свободной энергии).
Существует несколько примечательных макромолекулярных комплексов, которые являются как диссипативными, так и автокаталитическими, но не обязательно гомеостатическими (области 3 и 6 на рис. 5).
Например, интернет-мемы явно являются автокаталитическими и диссипативными (учитывая затраты на вычислительную энергию, связанные с их распространением и коммуникацией). Кроме того, система «участие в социальных медиа плюс мемы» учится коллективно, и тем самым оказывается в регионе 6 на рис. 5.
На наш взгляд, вероятно также, что относительно простые системы, способные к рудиментарной обработке информации, могут возникнуть изначально и что способность этих систем со временем оптимизировать свои диссипативные, автокаталитические и гомеостатические черты определит их конечную судьбу (см. также [66 ]).
Например, первая жизнь на Земле почти наверняка не использовала ДНК для хранения информации или какие-либо узнаваемые ферменты в своей метаболической сети. После бесчисленных колебаний между случайностью и необходимостью эволюция всё же породила знакомые нам макромолекулы, которые мы наблюдаем сегодня. Далее мы покажем, как понятие «Y-жизнь» может изменить наши подходы к исследованию истоков жизни.
Y-жизнь и исследования происхождения жизни
Идея о том, что эти три характерные функции определяют необходимые и достаточные условия жизни, была подробно теоретически исследована в области создания искусственной жизни и концепций аутопоэзис [67 ] и «Хемотон» [68 ].
Рисунок 6.
На рисунке 6 показан «куб», вершины которого представляют живые системы с различными комбинациями компонентов, выполняющих три характерные функции. На одной вершине жизнь выполняет эти характерные функции, используя механизмы РНК/ДНК, хемиосмоса и липидных мембран. Вы можете удалиться от земной жизни на 1, 2 или 3 шага по ребрам этого куба и получить самые различные комбинации.
Рисунок 7.
Рассмотрим сверхсовременный японский поезд Синкансэн (с «метаболизмом», основанном на сверхпроводящих магнитах, охлаждаемых жидким гелием, «компартментализацией» из композиционных материалов, таких как углеродное волокно, полимеры и сплавы, и «обработкой информации» с помощью системы компьютерного управления). Изучая Синкансэн и ничего больше не зная, можно ли определить, как выглядел первый локомотив («метаболизм», осуществляемый при сжигании ископаемого топлива, «компартментализация» из чугуна и древесины, и «обработка информации» в виде бортпроводника)?
По нашему мнению, истина, вероятно, наиболее близка к гибриду этих «веревочных» и «луковых» концепций. Появление жизни и ранние стадии, вероятно, хорошо представлены концепцией веревки, в которой различные волокна соединяются, вносят свой вклад и покидают веревку. Основываясь на аналогии с «длинной веревкой», мы предполагаем, что «поглощения» Кэрн-Смита могли быть скорее внезапными, чем постепенными.
Однако, как только эволюция наткнулась на волокно с превосходной эффективностью или стабильностью, эта особенность быстро интегрируется и становится центральной нитью веревки жизни, навсегда укореняясь в молекулярном ядре биосферы. Слои функций, накапливающиеся вокруг центральной нити веревки, предотвращали бы потерю основных компонентов из веревки. Это приводит к «луковичной» истории, которую можно разобрать на части с помощью современных методов, таких как молекулярная филогения и метаболомика.
Обратите внимание, что «фиксация» функциональности происходит во многих сложных системах, включая экономические, технологические и политические. Системные ядра, которые взаимодействуют со многими более высокоуровневыми подсистемами, становятся настолько функционально связанными с различными модулями, что любые изменения в ядре будут вредными или катастрофическими для согласованного целого.
Это может быть верно, даже если существуют более совершенные системы-кандидаты на создание ядра. Например, многие европейские города в течение долгого времени росли органически и теперь имеют несколько фрактальную организацию. Сравните это с гораздо более спланированными сетчатыми структурами американских городов. Изменение фундаментальной структуры европейских городов в настоящее время слишком дорогостоящее, поэтому они надолго застряли с их спонтанными планировками.
Также вполне вероятно, что современные компоненты основных биохимических систем изначально выполняли различные функции. Биосфера изобилует примерами такой экзаптации: смена функции или кооптация компонента для другого использования. Перья изначально давали тепло и сигнальные способности и только позже стали орудиями полета. Крылья, вероятно, использовались для увеличения скорости бега прежде чем стали использоваться для полета [74 ]. Водный окислительный комплекс, возникший в эпоху кислородного фотосинтеза, возможно, изначально использовался для окисления марганца [75 ]. Дальнейшие примеры экзаптации смотрите в работе [76 ].
Таким образом, мы должны быть осторожны в попытках объявления однозначной универсальности того или иного компонента в современной биосфере и его необходимости для появлении жизни.
Возможно, длинные нити нуклеотидов не были первой системой обработки информации. Возможно, полифосфатные цепи не были первой «энергетической валютой» жизни. Возможно, первые мембраны не состояли из органических углеводородов.
Сценарии происхождения жизни, которые ищут абиотические пути синтеза специфических «строительных блоков» жизни, основываются на предположении, что эти молекулы: (1) стояли у истоков жизни; (2) выполняли те же функции в истоках жизни, что и сегодня; (3) проявляли функциональность сразу после формирования, т.е. после синтеза и начала применения всех компонентов жизни их способность к сложной обработке информации просто взяла и появилась (некоторые даже описывали это третье предположение как форму современного «витализма» [77 ]). Этот узкий подход неизбежно слеп к сценариям, в которых жизнь могла бы начинаться с использования альтернативных компонентов, как это могло бы произойти не только на Земле, но и в других местах Вселенной.
Итак, исследуя возникновение жизни, что же мы ищем, если не конкретные биомолекулы? Определение Y-жизни дает ответ: мы ищем систему, которая демонстрирует диссипацию, автокатализ, гомеостаз и обучение. Основываясь на общих процессах, а не на конкретных компонентах, выполняющих конкретные задачи, мы открываем свой разум для исследования всех систем, которые отображают эти возникающие свойства, освобождая себя от ограничений точных химических рецептов, рецепты которых содержат предположения, которые могут ограничить наши исследования появления во вселенной поведения, похожего на жизнь.
Какой может быть Y-жизнь? Примеры альтернативных компонентов в гипотезах происхождения жизни
Сообщество исследователей происхождения жизни выдвигает множество гипотез, которые предполагают поэтапное возникновение через Y-жизнеподобные фазы. Используя нашу классификацию, эти возникающие системы можно было бы классифицировать как Y-живые или Y-субживые, потому что они используют радикально отличные от современной жизни компоненты для достижения одного или более из базовых принципов жизни. Данная глава описывает несколько важных примеров гипотез происхождения, которые используют альтернативные компоненты.
В гипотезах возникновения, затрагивающих гидротермальные системы, компартментализация достигается не за счет самопроизвольной компоновки липидных мембран, а за счет лабиринта неорганических поровых пространств минералов. Только после изобретения биосинтеза липидов и последующего изобретения биохимии клеточных стенок появились живые клетки, выходящие из гидротермальных границ [95 ]. Однако до того, как они стали свободноживущими прокариотами, сложные химические сети, размещённые внутри их минеральных оболочек, все еще можно было считать Y-живыми (или Y-субживыми до достижения всех четырех базовых принципов).
Y-Жизнь на Титане
Механотрофы
Рисунок 8.
Почему этот процесс не может быть обращен вспять для питания механотрофного организма? Представьте себе одноклеточный организм в проточной воде, прикрепленный к скале через тросоподобную нить. Предположим, что такой организм оснащен типом жгутиковых моторных белков, которые были изучены у плавающих бактерий или одноклеточных эукариот. Поток воды вызывает вращательное движение жгутиковых нитей, и это вращательное движение используется для синтеза АТФ (или, возможно, какого-либо другого эндергонического химического шага в более экзотической Y-жизни), как показано на рис. 8. Реально ли это, зависит от термодинамических и гидродинамических условий.
Обратите внимание, что такой механотрофный организм может иметь конструкцию, отличающуюся от той, которую архетипичная бактерия использует для плавания. Например, он может использовать жёсткий к скручиванию трос, прикрепленный к молекуле молекулярного генератора (жгутик приводится в движение), и вся клетка может вращаться вокруг комплекса трос-генератор. В этом случае жгутик фиксируется относительно тела ячейки (на противоположном конце тросо-генераторного комплекса) и вместе с ячейкой вращается.
Гидродинамические детали, эффективность и энергия такого организма будут детально изучены в будущей работе. Здесь мы просто хотим подчеркнуть возможность существования такого организма. Это был бы наглядный пример Y-жизненной формы, хотя не исключено, что такой организм существует на Земле, но до сих пор просто остался незамеченным.
Заключение (от переводчика)
Все источники вы можете увидеть в оригинальной статье. Я не стал полностью убирать ссылки на них в переводе, так как это затрудняло корректную передачу смысла. Авторы очень многословны, поэтому некоторые, незначительные для общего сюжета абзацы я не стал включать в текст.
Я перевёл эту статью, так как она может помочь взглянуть по новому на некоторые социально-экономические явления, а так же помочь исследователям в области машинного обучения (коим я сам являюсь) нащупать путь к созданию сильного искусственного интеллекта.