177. Происхождение жизни. Лекция №6 по астрономии

Оглавление

1. Введение: факторы для размышлений о жизни
2. Что такое жизнь: определения и парадоксы
3. Жизнь как молекулярные механизмы
4. Вирусы и граница между живым и неживым
5. История звёзд и возникновение планет
6. Возраст Земли и появление жизни
7. Теория панспермии и происхождение жизни
8. Химическая эволюция органических молекул

---

Введение: факторы для размышлений о жизни

Сегодня мы поговорим о зарождении жизни во Вселенной. У нас для этого в наличии два фактора, определяющих характер наших будущих размышлений. Один плохой и один хороший.

Плохой фактор заключается в том, что никаких данных о существовании жизни помимо Земли у нас нет. Вообще нет. Есть ли жизнь на Марсе? Науке неизвестно. С Марсом вроде разобрались, но тоже не совсем — жизни нет, но какие-то сомнения ещё остаются. А дальше просто какая-то темень.

Хороший фактор заключается в том, что мы достаточно хорошо изучили жизнь на нашей планете и более-менее отчётливо представляем основные этапы её эволюции. Проблем и белых пятен ещё много, но информации для рассуждений вполне достаточно. Кроме того, последние успехи астрономии наглядно доказали наличие массивных планетарных систем почти у всех звёзд. Экзотикой является скорее не наличие планет, а их отсутствие. Разнообразие и сортность планет практически безграничны.

Таким образом, наиболее естественный и единственный способ продуктивных рассуждений на заявленную тему — это посмотреть на эволюцию жизни на нашей планете, а затем примерить её масштабы и характер к окружающему космосу.

---

Что такое жизнь: определения и парадоксы

Сотни определений и их противоречия

Существуют сотни определений жизни. Все они не очень удачны. Или они слишком расплывчатые, или они слишком схематичны.

Сильным определением схематичного типа является утверждение, что жизнь — это процесс, понижающий энтропию во Вселенной. Это верно, но только в общем. Если разобраться, то любой локальный процесс может быть антиэнтропийным, особенно если учесть, что само понятие энтропии достаточно расплывчато. Есть энтропия как термин термодинамики, а есть энтропия как бытовое и философское понятие, означающее естественное нарастание хаоса и естественную деградацию любого процесса.

С точки зрения термодинамики, например, процесс образования звезд из облаков разреженного газа есть процесс увеличения энтропии. Но с точки зрения метафизики это процесс не деградации, а усложнения структурной организации материи — то есть выходит проявление жизни. Что ближе к хаосу: бесформенное облако газа и пыли или планетная система? Само слово «система» отвечает на этот вопрос.

Информация как ключевой признак жизни

Другое сильное схематическое определение жизни: жизнь — это процесс, создающий, накапливающий и воспроизводящий информацию. Понятие информации само по себе достаточно мутно. Существуют отдельные значения этого термина, в том числе юридические. Тем не менее информация как накопление и передача данных остаётся ключевым признаком живого.

---

Жизнь как молекулярные механизмы

Определение жизни через механизмы и нанороботы

Мы можем дать своё определение жизни. Оно не лучше и не хуже других. Жизнь — это молекулярные механизмы, или иначе нанороботы. А что такое механизм? Механизм прежде всего это объект, который не может появиться естественным путём. Молоток не может появиться сам по себе, его кто-то должен сделать. Любой объект, который кто-то сделал, называется вещью.

То есть жизнь — это вещь, созданная естественным путём, что звучит парадоксально. Но имеется в виду, что жизнь возникла в результате естественных процессов, а не была создана сознательно, однако по своей структуре и организации является артефактом, механизмом.

Фундаментальный парадокс биологии

Фундаментальный принцип живой материи заключается в том, что она отделена от мертвой материи непреодолимой стеной. Самозарождение жизни невероятно и невозможно, так же как невозможно самозарождение, например, часового механизма. Это постулат биологии. И этот постулат подрубает сук, на котором сидят биологи. Потому что другим постулатом биологии является постулат самозарождения жизни. И вот здесь получается логическое противоречие.

Единство генетического кода как доказательство редкости жизни

То, что жизнь — чрезвычайно редкое событие, доказывает структура дезоксирибонуклеиновой кислоты, ДНК. Там встречаются четыре типа азотистых оснований, в которых закодирована вся генетическая информация: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Иногда вместо тимина бывает похожий на него урацил в небольшом числе случаев. Все это произвольные комбинации, и на месте этого могли быть совсем другие азотистые основания. Но их нет. У всех живых организмов Земли этот набор одинаков.

То же самое касается набора аминокислот. В генетическом коде их используется 20, а в природе существует этих аминокислот более 500. С точки зрения программирования генетический код написан не только одним и тем же языком, но одним и тем же алфавитом. А это доказывает, что живой организм образовался только один раз. То есть все произошло из единственного организма, которого называют последний универсальный общий предок, или по сокращённой латинской аббревиатуре лука. Он появился около 4 миллиардов лет назад.

Может быть, какое-то время с ним жили одновременно другие организмы с другой кодировкой, с другим генетическим алфавитом. Но это совершенно гадательно. Лука — вот он, мы все его потомки.

---

Вирусы и граница между живым и неживым

Вирусы как типичные нанороботы

Биологи очень сильно ерзают по поводу нанороботов. Вирус по своему строению — это типичный наноробот. Вирус в среднем в 100 раз меньше самой маленькой бактерии, то есть самого маленького одноклеточного организма. Он по размеру сопоставим с мелкими субклеточными структурами и даже большими молекулами белка.

Главное, у вируса может быть всего только 4 гена, а у бактерии не менее 3000, а у человека 25 тысяч генов. И выглядит вирус как механизм. Пока вирус не внедрился в клетку, он не проявляет никаких признаков живого организма и фактически является конгломератом органических кристаллов.

Вирусы не могут размножаться без клеточных организмов, они перепрограммируют их молекулярные фабрики и заставляют выпускать свои копии. Так что непонятно, как они появились. Паразит не может находиться на первой ступени эволюционной лестницы.

Открытие мимивирусов

На самом деле граница между вирусами и клеточными формами жизни размыта. В 1992 году была открыта бактерия, которая не поддавалась стандартному тестовому анализу и никак не выращивалась в питательной среде. Зверушку заморозили и положили на полку. Через 11 лет её достаточно случайно оттуда извлекли. Кому-то пришло в голову ещё раз взглянуть на не совсем понятный, не атрибутированный артефакт.

Оказалось, что это вовсе никакая не бактерия, а огромный вирус с очень большим набором генов, сравнимым по количеству с бактериями. По размерам этот вирус был примерно равен маленькой бактерии. Вирус назвали мимивирус (мимикрирующий под микроб). За последнее время было открыто ещё несколько видов таких супервирусов. Кроме того, обнаружили маленькие вирусы, которые на этих крупных вирусах паразитируют — точнее, паразитируют на клетках, которые ими уже заражены. Но они могут паразитировать только в том случае, если их заразил мимивирус.

По сложности строения мимивирусы уже не так кардинально отличаются от бактерий. Поэтому стало непонятно, зачем вирусов выгнали из мира живых организмов. Можно считать, что вирусы — это не роботы, а вовсе даже живая природа.

Вироиды как предел упрощения

Изучая вирусы, в один прекрасный момент биологи обнаружили вироиды. Вироид, в отличие от вируса, не имеет оболочки, фактически это молекула РНК (рибонуклеиновой кислоты). Генетическая информация вирусов, в отличие от клеточных организмов, хранится не в ДНК, а в РНК. Хотя есть вирусы, у которых есть ДНК.

РНК гораздо более примитивная молекула, но сама по себе очень сложная. РНК хранится у вирусов в специальной капсуле, которая называется капсид. Капсид предохраняет РНК от повреждений и впрыскивает РНК в поражаемую клетку. Фактически капсид — это тело вируса, а РНК — это его душа.

У вироидов капсидов нет, и душа у них маленькая. Самый маленький геном вируса состоит из примерно 2000 нуклеотидов, а у вироидов их менее 500. Зафиксирован вироид, у которого всего 246 нуклеотидов.

Парадокс живой молекулы

Это живой организм? Это ведь просто одна большая молекула. В чём её отличие от других молекул, существующих вне живого организма или хотя бы вирус? В этом самом изделии она не могла появиться сама собой. Во-первых, это, как и обычные вирусы, паразит, например, вызывающий перерождение клубней картофеля. Во-вторых, эта молекула работает с чудовищной предумышленностью. И для её разработки, не говоря уже о её воплощении, нужна в 2021 году работа огромного научно-исследовательского института примерно лет в 20 — я имею в виду разработку с нуля, а не локальную модификацию.

Таким образом, жизнь — это искусственно созданные молекулы-нанороботы. Сейчас с огромным трудом учёные подходят к теоретическим разработкам, как сконструировать из молекул шестерёнку или самый примитивный двигатель. А вироид не просто крутится и вертится, а себя воспроизводит, внедряясь в структуру клетки. Это технология середины XXI века, а может быть, и более позднего периода.

Жизнь — не нечто естественное, а нечто в высшей степени неестественное. Живой организм — это прежде всего вещь.

---

История звёзд и возникновение планет

Разнообразие звёзд и их продолжительность жизни

Когда зародилась жизнь во Вселенной? По всей видимости, идеальное место для появления жизни — это поверхность планеты земного типа, вращающаяся вокруг звезды.

Время жизни звёзд сильно колеблется в зависимости от их массы и состава — невероятно сильно колеблется, от одного миллиона до многих триллионов лет. Поэтому всяческие рассуждения по поводу тепловой смерти Вселенной сильно преувеличены. Четырнадцать миллиардов лет жизни нашей метагалактики — это только начало процесса.

Чем больше звезда, тем быстрее она выгорает. Звезда класса Солнца, называется «жёлтый карлик» и живёт около десяти миллиардов лет. Затем она выгорает, расширяется и взрывается.

Наименование таких звёзд «жёлтыми карликами» вдвойне ошибочно. Во-первых, Солнце не жёлтого, а белого цвета; жёлтизна появляется из-за аберрации атмосферы Земли. А во-вторых, никакое Солнце не карлик. Большинство звёзд в галактике гораздо меньшего размера. Это одно из проявлений мегаломании астрономов.

Солнце как типичная звезда

Из пятидесяти ближайших звёзд Солнце является четвёртой по яркости. Существенно его превосходит по всем параметрам только одна звезда — Сириус. Солнце является стандартной типичной звездой.

По расчётам астрономов оно возникло четыре с половиной миллиарда лет назад и просуществует в стабильном состоянии ещё столько же. После этого размер Солнца резко увеличится, произойдёт несколько взрывов, и оно дальше будет ещё очень долго существовать, но уже как звезда другого класса.

Судьба Земли и угроза перегрева

Судьба Земли при таком сценарии неопределённая. Она может быть распалена, а может сохраниться, так как из-за скачкообразного уменьшения солнечной массы перейдёт на более высокую орбиту. В любом случае от земной поверхности мало что останется. Шанс уцелеть есть, потому что масса Солнца слишком мала, чтобы в конце его эволюции произошла вспышка сверхновой. После такой вспышки от Земли ничего не осталось бы.

Жизнь на нашей планете станет неприемлемой примерно через один миллиард лет. Дело в том, что при всей своей стабильности Солнце очень медленно, но постоянно разогревается. Через миллиард лет его излучение увеличится на 10%. Это запустит процессы, резко увеличивающие парниковый эффект. Из-за увеличения температуры и давления жизнь сохранится, если вообще сохранится, только на глубине морей и океанов. Но в течение ближайших 500 миллионов лет по поводу глобального потепления можно не волноваться.

Земная орбита и сезонные колебания

Земля вращается вокруг Солнца по не совсем круговой орбите. За год видимый диаметр Солнца изменяется на 3%, а количество тепла, получаемое нашей планетой, меняется на 7%. Но это не особо сказывается, потому что на максимальное расстояние от нас Солнце удаляется в июле. Это даёт минус несколько градусов нам и прибавляет несколько градусов жителям Австралии. А через полгода, естественно, всё наоборот происходит. Это почти незаметно, потому что зима в лето, а лето в зиму не превращается.

Проблема холодного Солнца

Если Солнце через один миллиард лет будет горячее, то миллиард лет назад оно было гораздо холоднее. Как же это обеспечивало стабильность земного климата? Это действительно проблема, она так и называется — проблема холодного Солнца.

На первый взгляд эта проблема легко решается, потому что излучение Солнца естественно вызывает сокращение массы, а следовательно притяжение слабеет и расстояние между Землей и Солнцем увеличивается. Но на самом деле всё не так просто. Действительно, в результате непрерывной термоядерной реакции Солнце каждый день теряет огромную массу и уменьшается в размерах. Но масса самого Солнца настолько колоссальна, а там сосредоточено 99,99% общей массы Солнечной системы, что эти потери пренебрежительно малы.

За все время своего стандартного цикла светимости Солнце потеряло сильно менее 1% массы. Земля удаляется от Солнца на расстояние в 1,5 сантиметра в год. То есть за все время существования Солнечной системы Земля из-за потери массы Солнца удалилась на расстояние менее 100 тысяч километров. Напомню, что общее расстояние между Землей и Солнцем 150 миллионов километров. Таким образом, с холодным Солнцем это действительно проблема, и серьёзная.

Парадоксы звёздной эволюции

Еще один пример парадокса бытового сознания. С такого парадокса началась и вообще астрономия нового времени, потому что шарообразность нашей планеты и её вращение вокруг Солнца — это с точки зрения простого наблюдателя земли абсурд.

Ещё одним бытовым парадоксом является соотношение продолжительности жизни звёзд и их массы. Вроде бы понятно, что чем больше звезда, тем она дольше горит. Но в реальности всё абсолютно наоборот. Крупная масса звезды делает её эфемеридой, и её можно найти только в массивных звёздных скоплениях как исключение, а в массовом порядке только в районе молодой газовой туманности, из которой только-только начали формироваться звёзды. Такие звёзды быстро гибнут.

Коричневые карлики как долгоживущие звёзды

Самыми долгоиграющими звёздами являются коричневые карлики — недозвёзды, находящиеся в пограничии между настоящими звёздами и планетами-гигантами вроде Юпитера. По размеру они в среднем примерно равны Юпитеру, а по массе раз в 10 больше. То есть их масса — это примерно 1% от массы нашего Солнца. Такие объекты излучают триллионы лет. Причём значительная доля энергии там выделяется не за счёт термоядерных реакций, а просто за счёт гравитационного сжатия.

Светят они очень тускло, поэтому их трудно обнаружить. Но несколько таких карликов обнаружили в ближайших окрестностях Солнца. Считается, что в Млечном пути их может содержаться до 100 миллиардов, а может быть, даже больше. При этом они не добавляются к обычным звёздам Млечного пути, а идут в качестве отдельной статьи. Предполагается, что их гораздо больше, потому что у астрономов есть болезнь зорких глаз — они считают то, что видят, но не все объекты достаточно хорошо видны на большом расстоянии. При условии этого недостатка такое свойство охотнику помогает, а человеку-астроному мешает.

Поколения звёзд и состав Солнца

Солнце считается звездой третьего поколения. Она образовалась из материала взорвавшихся звёзд первого и второго поколений.

Почему астрономы так считают? Дело в том, что в процессе термоядерного синтеза последовательно образуются всё более тяжёлые элементы. Этот процесс энергетически выгоден до стадии железа, а более тяжёлые элементы образуются в результате взрывов и последующей гибели звёзд. Поэтому по составу звезды, а он легко определяется спектральным анализом, видно, из чего она появилась — из первичного водородно-гелиевого облака или из облака со всё большей примесью тяжёлых элементов.

Спектральный анализ Солнца показывает, что оно на 73 процента состоит из водорода, на 25 процентов из гелия. Там также присутствуют некоторые другие элементы в небольших количествах. Неожиданно на третьем месте кислород — чуть менее 1 процента. То есть, учитывая соотношение масс, почти весь кислород Солнечной системы находится на Солнце. Далее углерод — 0,3 процента, железо — 0,15 процента. И дальше включены даже тяжёлые элементы, например, золото и уран.

Кстати, астрономы называют на своём сленге металлами все элементы тяжелее гелия. Поэтому термин «металлическая звезда» может означать звезду с большим содержанием азота или углерода.

Первые и вторые поколения звёзд

Практически все звёзды первого поколения просуществовали недолго, так как были чисто водородно-гелиевые, а без примеси углерода такие звёзды быстро выгорают. Вероятно, в этот период были отдельные звёзды-аномалии, среди звёзд их довольно много. Эти аномалии жили дольше и, вероятно, могли где-то сохраниться до нашего времени. В Млечном пути таких звёзд не обнаружено.

Там довольно много звёзд второго поколения, они концентрируются в шаровых скоплениях по краям галактики. Млечный путь состоит из звёзд третьего поколения. Средний возраст этих звёзд примерно соответствует солнечному в своём классе желтых карликов. Большие и огромные звёзды живут недолго. Возраст всего Млечного пути оценивается в 10 миллиардов лет.

Звёздообразование и газ в галактике

Звёздообразование в галактиках зависит от наличия газа. Чем газа больше, тем интенсивнее образование новых звёзд. Постепенно количество газа уменьшается и процесс звёздообразования начинает затухать. Однако по всей видимости галактики подпитываются межгалактическим газом. Это объясняет интенсивное звёздообразование в старых галактиках. Это также объясняет отсутствие звёзд четвёртого и последующего поколения. Потому что распылившиеся звёзды третьего поколения разбавляются межгалактическим газом, и их состав не становится более металлическим. Степень металличности звёзд стабилизируется.

---

Возраст Земли и появление жизни

Формирование планет и возраст Земли

Вероятно, звёзды первого поколения в своей массе не имели планет земного типа, потому что Земля состоит в основном из железа и кислорода по 30 процентов, и также из кремния и магния по 15 процентов.

Считается, что первые галактики появились примерно 12 миллиардов лет назад, поэтому наша галактика довольно старая. А Солнце среднее по возрасту, и легко найти звёзды этого класса старше, например, на миллиард лет. Это важная информация, и её следует запомнить. Не будет ничего особенного, если нам встретится инопланетная жизнь, которая на миллиард лет возникла раньше земной.

Двойник Солнца, тау-кета, находится на расстоянии 12 световых лет. Эта звезда старше Солнца на полтора миллиарда лет. Возраст звёзд определяется по скорости вращения их диска — со временем он замедляется по общей закономерности. Внешняя оболочка Солнца сейчас вращается со скоростью примерно один оборот в месяц.

Считается, что планеты возникают почти одновременно со звездой, вокруг которой вращаются. Таким образом, возраст нашей планеты 4,5 миллиарда лет. Это согласуется с данными геологии. Это означает, что земная жизнь не могла появиться ранее 4,5 миллиарда лет, просто потому, что ей появиться было не на чем.

Ранняя история Земли и быстрое появление жизни

Когда же жизнь возникла, по данным современной науки? Оказывается, что примерно тогда и возникла.

Первый геологический период на Земле длился около 400 миллионов лет. Тогда Земля была раскалённым шаром, окружённым плотной атмосферой из углекислого газа, напоминающей современную атмосферу Венеры. Постепенно в результате геохимических реакций атмосфера во всех отношениях разрядилась, поверхность остыла и климат на Земле стал более-менее напоминать современный. В этот момент там зародилась жизнь — как только, так сразу.

Вроде бы нашли осадочные породы с органическими вкраплениями возрастом в 4 миллиарда 100 миллионов лет, и с гораздо большей вероятностью породы возрастом 3,7 миллиарда лет. В любом случае это говорит о том, что подавляющую часть своего существования наша планета была обитаемой.

Парадокс быстрого возникновения жизни

Это находится в разительном противоречии с идеей самопроизвольного зарождения жизни. Если это событие произошло, но в дальнейшем, что очевидно, в сколько-нибудь заметных масштабах не наблюдалось, то оно должно быть исключительно неправдоподобно редким. А тут планетку только испекли, из печи вынули, и она сразу покрылась пушистой плесенью. Как-то не сходится.

---

Теория панспермии и происхождение жизни

Панспермия как частичное решение парадокса

Эту проблему частично решает теория панспермии, согласно которой плесень земного кровова занесла извне. В этом нет ничего невозможного. Микроорганизмы вполне могут в виде спор существовать в открытом космосе длительное время. Это возможно даже для многоклеточных организмов, например, тихоходок.

Панспермия не снимает проблему, потому что жизнь должна была где-то появиться в первый раз. Но, по крайней мере, это несколько смягчает парадокс, потому что первоначально жизнь могла эволюционировать гораздо медленнее и в совсем других условиях.

Проблемы теории панспермии

С теорией панспермии действительно много проблем. При кишении жизни её споры нашли бы и на Луне, и на Марсе, а также внутри метеоритов.

Периодически появляются сообщения об обнаружении сложных органических молекул в метеоритах. Особенно эти сообщения появляются перед финансированием очередных космических экспедиций. Но при этом обычно забывают добавить, что они не гомохиральны.

Гомохиральность как признак жизни

Есть такой термин: гомохиральность. Дело в том, что многие молекулы зеркально не совпадают, будучи химически идентичными. То есть существуют в виде левосторонних и правосторонних пространственных конфигураций. В естественных условиях их соотношение должно быть 50 на 50. При синтезе таких молекул живыми организмами они бывают или только правосторонними, или только левосторонними.

Поскольку многие молекулярные структуры в организме заточены именно на одну модификацию, то реакция организма на них может быть резко избирательной. Вещество с правосторонней симметрией оказывается лекарством, а то же самое вещество с левосторонней симметрией организмом просто не замечается, на него не реагирует. Это как два одинаковых ключа, но у одного бороздка с левой стороны, а у другого с правой. Понятно, что с точки зрения чисто химической свойства левых и правых молекул одинаковые, а вот с точки зрения механики нет.

Если речь идёт о следах жизни в метеоритах, то там должна наблюдаться гомохиральность молекул, а её нет. Правая и левая симметрия всегда поровну. Поэтому магистральным направлением в современной палеобиологии является концепция сложной поэтапной эволюции, когда из более простых молекул появляются более сложные.

---

Химическая эволюция органических молекул

Углеводороды как основа жизни

А что касается сложности, то тут в силу естественных причин вне конкуренции соединения углерода. Поэтому вся химия делится на неорганическую и органическую. Разнообразие углеводородных молекул феноменально и намного превосходит разнообразие всех других молекул вместе взятых. Потому что они похожи на лего. Из них можно создавать самые причудливые комбинации.

При этом достаточно сложные углеводороды появляются естественным путём и обнаружены, например, в составе межзвёздного газа. То есть даже не нужно придумывать цепочки синтеза углеводородов. Первичный материал, точнее полуфабрикат, буквально сыпался на землю с неба в результате акреции — процесса приращения массы небесного тела за счет притягивания других тел.

Первичная Земля как химическая фабрика

Акреция на раннем этапе геологической истории Земли была очень существенной. Земля вращалась внутри газопылевого и метеоритного пропланетного диска, напоминающего диски четырёх газовых гигантов. Причём даже видимые из Земли кольца Сатурна не идут ни в какое сравнение с масштабами диска вокруг Солнца.

Ситуация на поверхности Земли четыре миллиарда лет назад была естественной химической фабрикой для дальнейшего усложнения органических молекул. Этому способствовало ещё наличие жидкой воды и мощных электрических разрядов, которые и сейчас на Земле заметны, а при тогдашней атмосфере всё было на порядок сильнее.

Парадокс происхождения жизни

Но если отбросить болтовню, вся эта углеводородная мишура только маскирует проблему. Мы спрашиваем, как из ничего получились часы, а нам показывают ведёрко с деталями, винтиками, пружинками и стрелками. Трясите это ведёрко хоть квинтиллион лет, из него часы никогда не соберутся.

В лучшем случае тряской можно отсеять совсем негодные детали — слишком мелкие и слишком крупные. Поэтому дальше у космобиологов начинается словесная эквилибристика, о чём мы поговорим в следующий раз.

---

Заключение

По традиции напоследок надо поднять тост. Давайте выпьем за великую загадку жизни, о которой мы ещё поговорим с вами в следующий раз.

На этом разрешите закончить. Спасибо вам за внимание. Не знаю, насколько эта лекция была перенасыщена фактами, а в какой степени она была интересной и логичной. Пишите, задавайте вопросы, критикуйте. Оставайтесь всегда с нами.

До новых встреч!