Текст книги "Далекое будущее Вселенной Эсхатология в космической перспективе"

Автор книги: Джордж Эллис

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 34 страниц)

6.9. Земля в космической перспективе

Иконой 1960–х годов стала первая фотография из космоса, запечатлевшая нашу родную планету с ее сушей, океанами и облаками: хрупкая красота, резко контрастирующая с застывшим и стерильным лунным пейзажем, на котором оставили свои следы космонавты. Теперь мы знаем, что другие звезды – не просто «источники света»: многие из них имеют свиту из вращающихся планет. Через каких‑нибудь двадцать лет мы сможем украсить стену другой, еще более впечатляющей фотографией – видом в телескоп на иную землю, вращающуюся вокруг какой‑нибудь далекой звезды.

Но будет ли у этой планеты биосфера? Если будет – сможет ли на ней развиться сложная, разумная жизнь? Возможно, эволюция разума требует столь невероятной цепи событий, что из триллионов звезд, видимых в наши телескопы, нет ни одной, вблизи которой он мог возникнуть. В таком случае наша крохотная Земля получает еще более глубокое значение – она важна не только тем, что представляет собой сейчас, но и своим космическим потенциалом.

На 13–м миллиарде лет от рождения наша вселенная только начинает жить. Наши действия в этом столетии могут инициировать распространение жизни за пределами солнечной системы по всей галактике, а со временем и дальше. Или, если жизнь и вправду существует лишь на земле, они могут изменить будущее всего космоса. Гибель высокоорганизованной жизни, пока она ограничена нашей Землей, может оборвать творческий потенциал целого космоса на миллиарды лет вперед: это будет не «просто» земное, но космическое бедствие.

Технология XXI века сталкивает нас лицом к лицу со многими смертельными угрозами. Мы можем столкнуться с глобальной экологической катастрофой. Выше я оцениваю угрозу гибели от искусственно выведенного и размножающегося в воздухе смертельного вируса, передающегося воздушно–капельным путем, или зловредных катастрофически самовоспроизводящихся наномашин. С ростом наших технических достижений возрастает и риск. Существует до ужаса много способов, с помощью которых маленькие группы террористов или случайные происшествия в небольших лабораториях могут вызвать глобальную катастрофу. Любая из этих катастроф может свершиться по злому умыслу или, что пугает еще сильнее, просто из‑за технического несчастного случая. (Катастрофу, спровоцированную ускорителем, которую мы упоминали выше, тоже не стоит полностью сбрасывать со счета, но в моем личном «списке рисков» она стоит гораздо ниже, чем катастрофы, связанные с био– или нанотехнологиями.)

Из соображений осторожности правительства должны притормозить исследования в рискованных областях генетической инженерии и нанотехнологий. Такую же предусмотрительность должны проявить и физики. Если эксперимент способен уничтожить мир, даже один шанс из миллиарда – недопустимо высокий риск. На этом уровне нельзя успокаивать себя теоретическими аргументами: они никогда не будут тверже предположений, на которых они основаны, и лишь безответственно самонадеянные теретики будут делать ставки в триллион к одному за истинность своих предположений. Нельзя спать абсолютно спокойно, пока мы не уверимся, что абсолютно такие же события, например равные по мощности энергетические столкновения частиц космических лучей, уже происходили естественным путем и не повлекли за собой никаких бедствий. Превалировать должен принцип «крайней предосторожности».

Но даже если все государства жестко ограничат потенциально опасные эксперименты, пользы от этих запретов будет не больше, чем от законов, касающихся наркотиков. А поскольку даже одно–единственное нарушение запрета способно повлечь за собой глобальную катастрофу, единственной рациональной позицией мне представляется глубокий пессимизм.

Хотя это слабое утешение для жителей Земли, для которых сохраняется риск 50 на 50, но можно гарантировать, что долгосрочный космический потенциал жизни не уничтожен. Когда разумная жизнь в реальной или закодированной форме распространена и за пределами земли, никакая земная катастрофа не может уничтожить после этого ее космический потенциал – жизнь «проложила тоннель» через эру максимального риска.

Некую гарантию может дать создание «космических поселений», вполне возможно, еще до конца XXI столетия. Основав автономные сообщества вне земли, на Луне, на Марсе или свободно летающие в космосе, наш вид будет неуязвим для любой глобальной катастрофы на Земле, и ничто не сможет его уничтожить, какой бы потенциал он ни имел для последующих пяти миллиардов лет. Возможно, это единственная причина, по которой следует отдавать приоритет программам пилотируемых космических полетов. (Это не обязательно подразумевает предприятие в стиле «Аполло»: полеты могут финансироваться частным образом, может быть, действительно став уделом богатых искателей приключений, готовых рисковать, чтобы смело разведывать дальние рубежи.)

Новые технологии могут предложить и другую возможность: загрузить наши «чертежи» в неорганические носители памяти и запустить их в космос (быть может, с возможностью самовоспроизведения). Эти идеи поднимают глубокий вопрос об ограничениях на хранение информации, а также философскую проблему идентичности.

Возможно, наша Земля имеет космическое значение как единственное место, из которого по вселенной может распространиться жизнь. Понимание этого поднимает ставки от Земли до целого космоса. Может быть, эта мысль не поражает воображение так, как «непосредственный» риск для тех, кто уже живет на Земле; но для меня, а возможно, и других (особенно для неверующих) этот космический контекст усиливает императив беречь жизнь на Земле.

Новое столетие, наступающее на этой планете, может стать определяющим моментом для космоса. Возможно, во всей области, исследуемой космологами, – десять миллиардов лет времени, десять миллиардов световых лет пространства – самая важная пространственно–временная точка (не считая самого Большого взрыва) – это здесь и сейчас. Благодаря злому умыслу или несчастному случаю технология XXI века может уничтожить наш вид и тем закрыть возможности нашей биофилической вселенной, эволюция которой еще только начинается. И напротив, благодаря предусмотрительности и экспансии за пределы земли мы могли бы гарантировать достаточное разнообразие, чтобы сохранить потенциал жизни для бесконечного будущего в космосе, который гро–маднее и разнообразнее того, что мы прежде представляли себе.

Литература

1. Barrow, J., and Tipler, E., The Anthropic Cosmological Principle(Oxford University Press, Oxford, 1988).

2. Dyson, F. J., "Time without End: Physics and Biology in an Open Universe", Rev. Mod. Phys., 51,447460 (1979).

3. Fahri, E. H., and Guth, A. H., "An Obstacle to Creating a Universe in a Laboratory", Phys. Lett., В 183,149 (1987).

4. Garriga, J., and Vilenkin, A., "Many Worlds in One", Phys. Rev., D 64,043511 (2001); gr‑qc/0102010.

5. Guth, A. H., The Inflationary Universe(Addison‑Wesley, 1996), especially 245–52; astro‑ph/0101507.

6. Harrison, E. R., "The Natural Selection of Universes Containing Intelligent Life", QJ. Roy Ast. Soc, 36,193 (1995).

7. Linde, A., "The Self‑Reproducing Inflationary Universe", Sci. Amer., 5,32–39 (1994).

8. Polkinghorne, J., Quarks, Chaos, and Christianity(SPCK Triangle Press, London, 1994).

9. Randall, L., and Sundrum, R., "An Alternative to Compactification", Phys. Lett., 83,4690 (1999).

10. Rees, M., "The Collapse of the Universe: An Eschatological Study", Observatory, 89,193 (1969).

11. Rees, M., Just Six Numbers(Basic Books, New York, 1999).

12. Rees, M., Our Cosmic Habitat(Princeton University Press, Princeton, 2001).

13. Smolin, L., The Life of the Cosmos(Oxford University Press, New York, 1996).

14. Stapledon, O., Star Maker(Penguin, New York, 1972; first published Methuen, London, 1937), 251.

15. Weinberg, S. W., Conference Summary in "Relativistic Astrophysics", ed. J. C. Wheeler and H. Martin (AIP Publications, New York), 893–910; astro‑ph/0104482.

Часть Третья. Биология

7. Экзотические генетические материалы и распространенность жизни во Вселенной

Э. Грэхем Кэрнс–Смит

7.1. Введение

Тот факт, что все живое на Земле обладает очень схожей биохимией, сообщает нам кое–какие сведения об истории жизни на Земле, но не о том, как в принципе должна быть устроена жизнь. Даже на Земле жизнь могла начаться с экзотических генетических материалов – я имею в виду материалы, структурно весьма отличающиеся от нашей ДНК, хотя и имеющие ту же суть и назначение, то есть способные хранить воспроизводимую информацию и влиять на окружающую среду таким образом, чтобы способствовать собственному выживанию и распространению и, следовательно, эволюционировать путем естественного отбора. По–видимому, наиболееприспособлены для поддержания такой эволюции вовсе не органические материалы, а неорганические кристаллы; и вполне возможно, что эволюция на Земле началась именно с эволюции информации, заключенной в подобных материалах (минералах) [3]. Исследование экзотических генетических материалов способно принести большую пользу при создании искусственных форм жизни [4]; кроме того, они могут представлять интерес для размышлений о распространенности жизни во вселенной – внеземной жизни, существующей сейчас или могущей существовать в далеком будущем.

Многие конкретные черты жизни на Земле кажутся универсальными, таково, например, повсеместное присутствие определенных аминокислот и нуклеотидов, универсальность белкового кода и многое другое. Однако нет основательных причин предполагать, что так называемые «молекулы жизни» являются какой‑то биологической необходимостью. Существует более основательное и достаточное объяснение наблюдаемого нами единства биохимии: вся жизнь, существующая сейчас на Земле, произошла от общего предка, у которого эти черты присутствовали и были уже зафиксированы,запечатлены намертво, скорее всего, благодаря их взаимозависимости [3]. Но, если этот общий предок сам появился на свет в результате дарвиновской эволюции, значит, было время, когда эти его компоненты еще не были зафиксированы. Как такое может быть?

С помощью наивной аналогии мы можем вообразить себе ситуацию, при которой пошаговый дарвиновский процесс приводит к фиксированной взаимозависимости компонентов. Представим себе арку из камней, построенную без помощи цемента:

Рис. 7.1

Это грубая модель любой системы, состоящей из взаимозависимых компонентов. Мы можем спросить, как возможно построить такую арку шаг за шагом, то есть трогая лишь один камень в каждый момент. Вот один из возможных ответов: сначала нужно навалить груду камней —

Рис. 7.2

А затем извлекать нижние камни один за другим так, чтобы образовалась арка. На мой взгляд, жесткая взаимозависимость компонентов в современной биохимии сама по себе свидетельствует о том, что в более ранних биохимических системах компоненты были не столь жестко связаны друг с другом, что создавало своего рода «леса», позволявшие возводить шаг за шагом более сложные системы, после чего эти «леса» оказались излишними и исчезли [3].

Таким образом, мы имеем картину ранней, «текучей» стадии биохимической эволюции, за которой последовало «замораживание» жизни на земле в виде одной–единственной системы с высокой степенью взаимозависимости. Мы не знаем точно, какие материалы использовались в этой «текучей» эпохе, особенно на самых первых ее стадиях. Однако, к счастью, у нас есть возможность сделать кое–какие предположения об эволюционирующих системах вообще, а также о химических закономерностях, ограничивающих их возможности.

7.2. Потоки и гены: генетический взгляд на жизнь

Живые существа – это открытые системы, действующие внутри открытых систем, нуждающиеся в постоянном пополнении энергии и запасов материи, а также в методах избавления от продуктов разложения. Шеррингтон однажды уподобил живых существ водоворотам в потоке энергии [18]. Однако это хорошо контролируемые «водовороты», и наиболее характерный аспект такого контроля заключен в стабильных структурах, которые мы называем генами. Среда, окружающая организм, динамична, весьма динамичен может быть и он сам, но гены представляют собой некую статическую сердцевину, хранящую неизменность не только на малых и средних временных отрезках, но даже и в течение жизни многих поколений – почти невероятное постоянство, о котором столь живо писал Шредингер [15]. Чтобы подчеркнуть контраст между динамичной активностью и статичной генетической стабильностью живого существа, можно продолжить аналогию с водоворотом, уподобив живой организм системе турбулентности, возникающей вокруг камня, брошенного в поток. Форма этого камня – это унаследованная организмом генетическая информация. Форма потоков вокруг него – фенотип организма. Таким образом, фенотип можно рассматривать как часть окружающей среды, находящуюся под генетическим контролем; между фенотипом и прочей окружающей средой нет непреодолимой границы [2].

Рис. 7.3.Метафорическое изображение отношений между генетической информацией, фенотипом и окружающей средой.

Генетический взгляд на жизнь помещает в центр нашего существования генетическую память, противостоящую более динамическим, наблюдаемым аспектам нашего существования. Да, организмы – это открытые системы, способные к самоорганизации самыми различными, порой очень интересными путями [41]41
  Упомяну спонтанное возникновение в простых открытых системах интересных сложных структур, например, при равномерном нагревании жидкости, в которую погружены клетки, они поднимаются на поверхность предсказуемым образом. Можно сказать, что живые существа довольно часто «самоорганизуются» в этом же смысле. См. [3] (гл. 3) и [2] (гл. 5) о значении термина «организация» и связанных с ним двусмысленностях.


[Закрыть]. Это один из путей развития жизни. Однако открытость системы не может служить определением жизни – это слишком распространенная черта нашей вселенной. Открытые системы не просто широко распространены – в нашем мире они имеют универсальный характер. По большому счету все, с чем мы имеем дело, является открытой системой, действующей внутри открытой системы. Однако нельзя сказать, что все вокруг «живое». Отличительная характеристика живых существ – наличие у них набора средств, позволяющих успешно выживать и воспроизводить себя, долгосрочная память, переживающая процесс эволюции путем естественного отбора. В этом долгом процессе методы выживания, разумеется, меняются, но прежде всего они должны запоминаться. Вот почему им необходимо стабильное существование и возможность воспроизводить себя в копиях для следующих поколений.

Размышляя о возможной распространенности жизни во вселенной, мы должны принимать в расчет и «потоки», и «гены». Возможно, нам кажется, что единственное подходящее место для жизни во вселенной – планета типа Земли, находящаяся в непосредственной близости от своей звезды и обильно снабжаемая фотонами. Но даже для жизни на Земле важен отнюдь не только этот энергетический поток. Сама земля представляет собой ядерный реактор. Радиоактивное тепло движет земной геологией, постоянно обновляет минеральные ресурсы земной поверхности, необходимые для жизни, которую мы знаем, не говоря уж о создании активных открытых систем, например глубоководных теплых течений. Так что жизнь вполне может существовать и на планетах, отдаленных от звезд.

В дискуссии после заседания симпозиума Джон Бэрроу предположил существование еще одного источника энергии, не имеющего отношения к звездам: он напомнил о том, что, по–видимому, произошло в Окло (Республика Габон в Западной Африке), где геологические процессы в прошлом создали нечто вроде естественного ядерного реактора, расщепляющего уран-235 [13]. Это означает, что и небольшие небесные тела, гораздо меньше Земли, могут, по крайней мере иногда, предоставлять условия, приемлемые для существования жизни.

В вопросе «генов» мы также порой склонны мыслить слишком узко. Возможно, мы полагаем, что гены всегда должны представлять собой молекулы типа ДНК (или РНК). Пока никому не удалось создать иной органический полимер, способный воспроизводить более или менее значимый объем информации. Очевидно, это трудная задача. Однако органические молекулы – не единственные возможные хранилища воспроизводимой информации, которые могут существовать в природе.

7.3. Экзотические генетические материалы и генетический захват

Если мы попытаемся заглянуть в эпоху, предшествующую самому первому общему предку, и увидеть начало биоэволюционного процесса, происходившего на земле, едва ли носитель самой первой наследственной информации будет сильно напоминать ДНК. Маловероятно, чтобы молекулы ДНК или РНК возникали на земле, где еще не существовало жизни [42]42
  См. [3], с. 56–59. См. также Роберт Шапиро [16, 17].


[Закрыть]. Их нуклеотиды чересчур сложны, а сами нуклеиновые кислоты слишком хрупки и зависимы от вспомогательных систем: они могут быть только продуктамидолгой эволюции путем естественного отбора. Но как это возможно, если генетический материал – необходимое предварительноеусловие эволюции?

Возможно, найти решение этой проблемы поможет нам аналогия с аркой. Говоря точнее, нам поможет понятие «генетического захвата». Это теоретическая схема ранней эволюции – эволюции самого центрального контролирующего механизма. В качестве простейшей его формы вообразим первый генетический материал, например минерал, способный существовать в неэволюционирующей окружающей среде. Далее он заменяется другим, более эффективным материалом (например, РНК). Этот следующий материал слишком сложен, чтобы начинать существование на примитивной земле «с чистого листа»: он становится возможен лишь в эволюционировавшей микро–среде (фенотипе), сформированной изначальными генами. Затем этот второй генетический материал постепенно вытесняет первый.

Генетический захват можно в определенной степени сравнить с тем, как в цивилизации одна технология вытесняет другую: например, для письма начинает использоваться не авторучка, а текст–процессор, лошадь заменяется двигателем внутреннего сгорания – таких примеров можно подобрать множество. Подобные замены могут быть постепенными: имеющаяся технология постепенно развивается, пока наконец не становится возможным внедрение какой‑то новой, «высокотехнологичной» системы. Совершенство новой системы, делающее ненужной старую, тоже может достигаться постепенно. Однако это вовсе не значит, что новая технология всегда представляет собой развитие и усовершенствование старой. По меньшей мере столь же часто случается, что старую вещь заменяет собой совершенно новая, работающая на абсолютно других принципах. (Например, компьютерный текст–процессор возник вовсе не в результате постепенного усовершенствования авторучек.) Вполне возможно, что новая технология принесет с собой и новые материалы.

В своей простейшей форме идея генетического захвата может быть представлена в виде накладывающихся друг на друга прямых:

Первая линия – это организмы, обладающие первым (примитивным) генетическим материалом, g ₁, – линия, представляющая долговременную передачу от поколения к поколению информации, запечатленной в этом материале. Затем в окружающей среде, созданной эволюционировавшими фенотипами жизненной формы g ₁возникает новый репродуцирующий материал – на свет появляются организмы с двумя типами генов, контролирующих различные аспекты деятельности, направленной на их выживание и распространение. Новый генетический материал не обязательно должен быть «совместим» со старым. Напротив, скорее наоборот – возможно, его преимущество состоит в том, что он несет информацию нового типа и воспроизводится новым путем. Взаимное дополнение хорошо объясняет, почему гены старого и нового типа существуют бок о бок.

Наконец, в соответствии с простейшей формой генетического захвата, «высокотехнологичные» подсистемы, основанные на материале g ₂, развиваются настолько, что старые, «низкотехнологичные» системы оказываются организму больше не нужны.

В дальнейшем я коротко сформулирую несколько конкретных предположений относительно g ₁. Но сначала мне хотелось бы развить общую идею и предположить, что на самых ранних стадиях эволюции жизни на Земле сменило друг друга множество, возможно десятки, генетических материалов, и нуклеиновые кислоты стали результатом продолжительного процесса «проб и ошибок» – эволюции генетического материала. Возможно, ближе к истине будет такая схема:

Первый шаг можно представить в виде g ₁– единственной и простой воспроизводящейся характеристики, повышающей выживание и распространение вида, некоей чрезвычайно простой «функции», f ₁:

[g ₁—>f ₁]

Пожалуй, примером таких живых существ могут служить глины, образующие ил на дне морей. Эти глины представляют собой крошечные гибкие планки в несколько микронов шириной и несколько нанометров толщиной. Планки, в свою очередь, представляют собой пачки, состоящие, вероятно, из трех или четырех слоев, структура которых напоминает слюду. Как правило, эти планки крепятся к песчинкам (в том числе к зернам нефтеносных песчаников) на дне моря [14]. По–видимому, кристаллики ила растут благодаря расширению планок исключительно за счет атомов, прикрепляющихся к их краям. Таким образом, планки сохраняют постоянную толщину. Как правило, имеется три или четыре слюдоподобных слоя. Таким образом, толщина планки является воспроизводимой чертой, хотя она может и варьировать благодаря случайностям роста. Можно спросить: имеет ли толщина в три–четыре слоя какое‑то селективное преимущество? Возможно. Ил растет благодаря «питательным» растворам, циркулирующим в порах песчаника. Слишком разросшиеся кристаллы могут загородить собой поры и снизить или остановить приток питательных веществ. Они не смогут расти и распространяться дальше. Слишком тонкие и хрупкие кристаллы легко сломать или оторвать от песчинок, к которым они прикрепляются: в этом случае они тоже закупорят поры, расположенные ниже по течению. (Именно это случается иногда, когда при добыче нефти из слоя песчаника прилагается слишком большое давление.) Возможно, толщина в три–четыре слоя идеальна для сохранения притока питательных веществ!

Разумеется, речь идет о крохотномобъеме информации, да и мое объяснение в данном случае может быть неверным. Но заметим, что даже в этом случае можно говорить на биологическом языке: не только о термодинамической стабильности, доступности катионов, легкости формирования и так далее, но также о том, насколько та или иная структурная характеристика приспособлена для своего собственного выживания и распространения. Эволюция путем естественного отбора может начинаться и на самом низком уровне – были бы подходящие материалы. Их уже можно называть генетическими материалами, хотя и очень скромными.

Следующим шагом может стать сосуществование и сотрудничество различных материалов, воспроизводящих различные полезные для выживания черты («функции»):

[g1 —> f ₁; g ₂—> f ₂; g ₃—> f ₃; и так далее]

Я не буду пытаться описать различные ранние функции (подробное рассмотрение этого вопроса можно найти в [3]), отмечу только, что для генов минеральных кристаллов эти функции могли включать в себя манипуляции с локально возникающими органическими молекулами. Сейчас существует значительная литература по активности глины и других подобных минералов в адсорбировании органических молекул определенным образом – расположении их между слоями минерала или по его краям, а также в катализации органических химических реакций [43]43
  Обзор по этому вопросу см. в [5]. См. также многие статьи журнала «Происхождение жизни и эволюция биосферы», с сообщениями об исследованиях по возможной роли глины и других подобных минералов в возникновении жизни.


[Закрыть]. Есть причины считать, что эти действия функциональны в описанном выше смысле – способствуют выживанию и распространению: «гену глины» разумно окружить себя органическими молекулами, которые будут способствовать его росту или же тем или иным способом защитят его, если внешние условия (например, рН) изменятся к худшему. Известно, что органические кислоты, например лимонная кислота, активно способствуют кристаллизации глинистых минералов, перенося нерастворимые иными путями катионы, например алюминия [19].

Следующим шагом эволюции могут стать многофункциональные генетические материалы:

[…G _x—>f _n, f _n+1и т. д.]

Со временем синтез органических молекул в хорошо организованном минерально–генетическом ансамбле мог принять постоянный характер, что сделало возможным воспроизведение органических полимеров. Так появился на свет новый многофункциональный генетический материал – РНК–подобный полимер, способный воспроизводить сложную и дифференцированную информацию.

Так мы переходим к истории «мира РНК» [10, 9]. G ^x(РНК) начинает действовать косвенно, контролируя синтез других молекул, неспособных воспроизводиться самостоятельно, но создающих микромеханизмы (Y = белок):

Так возникает многофункциональная, косвенно действующая генетическая система (G _x= ДНК), после чего отбрасываются ненужные минеральные «леса».

Это «жизнь, какой мы ее знаем». Структурные и каталитические функции f _n, f _п+1и т. д. выполняются РНК напрямую: f _p, f _p+1и бесчисленное множество других функций выполняется тысячами видов белков, каждый со своей особой структурой и уникальной последовательностью аминокислот, в свою очередь, контролируемой последовательностью ДНК, из которой он произошел. Это удивительно сложная система, но с точки зрения теории эволюции вполне объяснимая.