Przedmowa Borisa Sterna
Od dawna planowaliśmy przeprowadzić dyskusję dotyczącą odwiecznej kwestii miejsca człowieka we Wszechświecie. To oczywiście dotyczy życia pozaziemskiego i planet z innych gwiazd. Obecnie znanych jest nieco mniej niż 6 tysięcy egzoplanet, z czego ponad dwa tysiące czeka na niezależne potwierdzenie. Ale do badań statystycznych możesz wykorzystać wszystkie 6 tys.
Wśród nich jest bardzo niewiele planet, które podobno nadają się do życia. Jest to naturalne, ponieważ najtrudniej je znaleźć: bardzo silny efekt selekcji działa przeciwko planetom podobnym do Ziemi. Są zbyt lekkie, aby mogły zostać uchwycone przez prędkość radialną gwiazdy, a ich rok jest zbyt długi, aby ich tranzyty mogły być niezawodnie odkryte z teleskopu kosmicznego Keplera 1. Wyjątkiem są planety w ekosferze czerwonych karłów, które są otwarte pod naszymi nosami, znacznie łatwiej je znaleźć. Takich planet jest wiele, ale niestety czerwone karły są bardzo niewygodne dla życia obok nich. Jednak ekstrapolacja danych Keplera dla „gorących lądów” gwiazd takich jak Słońce daje bardzo optymistyczny wynik: co najmniej 15% tych gwiazd ma planety w ich ekosferze. Szacunek ten został uzyskany niezależnie przez wielu autorów,z czasem staje się coraz bardziej optymistyczny: 20%, a nawet jedna czwarta słońc ma ziemie. Oznacza to, że najbliższa nam gwiazda klasy G lub K z Ziemią na orbicie w zasięgu nadającym się do zamieszkania znajduje się w odległości 15 lat świetlnych. Takich gwiazd jest niewiele, a kandydaci już się pojawiają, na przykład Tau Ceti. I jest wiele takich planet w promieniu, powiedzmy, 30 lat świetlnych.
Metody obserwacji stopniowo się rozwijają. Nowe pobliskie planety podobne do Ziemi zostaną odkryte za pomocą ulepszonego instrumentu HARPS. W ciągu następnej dekady dowiemy się co nieco o atmosferach niektórych planet podobnych do Ziemi przy użyciu takich instrumentów, jak gigantyczny Extremely Large Telescope (ELT) i James Webb Space Telescope. I jest możliwe, że tlen pojawi się w widmie absorpcyjnym atmosfery jakiejś planety tranzytowej (przechodząc przez dysk gwiazdy). Jeśli gwiazda nie jest zbyt aktywna i wystarczająco stara, tlen może być tylko biogenny. W ten sposób można wykryć życie pozaziemskie.
Czy jest to prawdziwe? Jeśli życie pojawia się w jakimkolwiek zakątku, gdy tylko powstają ku temu warunki - dlaczego nie? Ale czy tak jest? Często argumentuje się, że życie na Ziemi pojawiło się bardzo szybko, co oznacza, że tak jest - wystarczy kilkaset milionów lat, aby pojawiło się w jakiejś zupie. Ale jest też kontrargument - odpowiednia „zupa” może istnieć tylko na młodej planecie - życie powstaje albo szybko, albo nigdy.
I oczywiście jest odwrotny punkt widzenia: życie jest rzadkim zjawiskiem opartym na całkowicie niewiarygodnym zbiegu okoliczności. Najbardziej szczegółowy punkt widzenia w tej sprawie, profesjonalny i ilościowy, wyraził Jewgienij Kunin. Życie opiera się na kopiowaniu długich cząsteczek, pierwotnie były to cząsteczki RNA. Kopiowanie odbywa się za pomocą jakiegoś urządzenia zwanego „replikazą” (te wiersze zostały napisane przez fizyka, stąd terminologia z punktu widzenia biologa jest nieco niezręczna). Replikaza nie pojawi się skądkolwiek, jeśli nie zostanie zaprogramowana w tym samym kopiowanym RNA.
Według Kunina, aby rozpocząć autoreprodukcję RNA, a wraz z nią ewolucję, „konieczne jest przynajmniej spontaniczne pojawienie się następnego.
- Dwa rRNA o łącznej wielkości co najmniej 1000 nukleotydów.
- Około 10 prymitywnych adapterów po 30 nukleotydów każdy, w sumie około 300 nukleotydów.
- Co najmniej jeden RNA kodujący replikazę ma rozmiar około 500 nukleotydów (dolny wynik). W przyjętym modelu n = 1800, aw rezultacie E <10 - 1081 ".
W podanym fragmencie mamy na myśli kodowanie czteroliterowe, liczba możliwych kombinacji to 41800 = 101081, jeśli tylko kilka z nich rozpoczyna proces ewolucji, to prawdopodobieństwo wymaganego montażu na jedną „próbę” spontanicznego montażu wynosi ~ 10-1081.
Film promocyjny:
Nie ma sprzeczności w tym, że wynik jest na naszych oczach, nie ma: zgodnie z teorią inflacji Wszechświat jest ogromny, dziesiątki rzędów wielkości większy niż jego widoczna część, a jeśli rozumiemy wszechświat jako przestrzeń zamkniętą, to są wszechświaty z taką samą próżnią jak nasza, gigantyczny zbiór … Najmniejsze prawdopodobieństwo gdzieś się urzeczywistnia, powodując zaskoczenie.
Te dwie skrajności wiele znaczą, jeśli chodzi o nasze miejsce we wszechświecie. W każdym razie jesteśmy sami. Ale jeśli życie istnieje dziesiątki lat świetlnych od nas, jest to technologiczna samotność przezwyciężona rozwojem i tysiącletnią cierpliwością. Jeśli ocena Kunina jest słuszna, jest to fundamentalna samotność, której nic nie może pokonać. Zatem my i życie ziemskie jesteśmy wyjątkowym zjawiskiem w związanej przyczynowo objętości Wszechświata. Jedyny i najcenniejszy. Jest to ważne dla przyszłej strategii ludzkości. W pierwszym przypadku podstawą strategii są poszukiwania. W drugim przypadku - siew (istnieje nawet takie określenie „panspermia ukierunkowana”), który obejmuje również poszukiwanie odpowiedniej gleby.
Wszystko to zasługuje na dyskusję. Czy w argumentacji Kunina są jakieś luki? Czy są jakieś mechanizmy, które można dostrzec, omijając „nieredukowalną złożoność” replikatora RNA? Czy to naprawdę niewybaczalne? Itp.
Poprosiliśmy kilku biologów o ich opinie.
Dr Alexander Markov biol. nauki, prowadził. naukowy. sotr. Instytut Paleontologii RAS, kierownik. Katedra Ewolucji Biologicznej, Wydział Biologiczny, Moskiewski Uniwersytet Państwowy:
Ocena Jewgienija Kunina, która sugeruje, że jesteśmy beznadziejnie sami we wszechświecie, opiera się na jednym kluczowym założeniu. Kunin uważał, że aby rozpocząć proces replikacji RNA (a wraz z nią ewolucji darwinowskiej; logiczne jest uznanie tego momentu za moment powstania życia), konieczne było, by zupełnie przypadkowo - w wyniku przypadkowej kombinacji polimeryzujących (np. Na matrycach mineralnych) rybonukleotydów - pojawił się rybozym o aktywności polimerazy RNA, czyli długa cząsteczka RNA, która ma bardzo określoną (a nie byle jaka) sekwencję nukleotydową i dzięki temu jest w stanie skutecznie katalizować replikację RNA.
Jeśli nie ma innej drogi, kolejnego „wejścia” do świata żywych ze świata materii nieożywionej, to Kunin ma rację i powinniśmy porzucić nadzieję na znalezienie jakiegokolwiek życia we Wszechświecie poza ziemskim. Można przypuszczać, że wszystko zaczęło się nie od pojedynczej wysoce wydajnej polimerazy, ale na przykład od pewnej społeczności małych, nieefektywnych polimeraz i ligaz (rybozymów, które są w stanie połączyć krótkie cząsteczki RNA w dłuższe): być może dzięki temu ocena będzie nieco bardziej optymistyczna, ale nie zmieni zasadniczo sytuacji. Ponieważ pierwszy replikator był nadal bardzo złożony i powinien był pojawić się bez pomocy ewolucji darwinowskiej - w rzeczywistości przez przypadek.
Istotną alternatywą jest nieenzymatyczna replikacja RNA (NR RNA): proces, w którym cząsteczki RNA są replikowane bez pomocy złożonych rybozymów lub enzymów białkowych. Taki proces istnieje, jest katalizowany przez jony Mg2 +, ale przebiega on zbyt wolno i niedokładnie - przynajmniej w warunkach, które badacze mieli czas spróbować.
Istnieje jednak nadzieja, że mimo wszystko możliwe będzie znalezienie pewnych prawdopodobnych warunków (które w zasadzie mogą istnieć na niektórych planetach), gdy NR RNA będzie działać wystarczająco szybko i dokładnie. Być może wymaga to jakiegoś stosunkowo prostego katalizatora, który można zsyntetyzować w sposób abiogeniczny. Jest możliwe, że proste peptydy abiogenne z kilkoma ujemnie naładowanymi resztami kwasu asparaginowego, które zatrzymują jony magnezu, mogą działać jako takie katalizatory: białkowe polimerazy RNA mają podobne centra aktywne i możliwość ta jest obecnie badana.
Kwestia możliwości skutecznego NR RNA ma fundamentalne znaczenie dla oceny prawdopodobieństwa powstania życia. Jeśli NR RNA jest możliwy, to w obserwowalnym Wszechświecie może istnieć sporo żywych planet. Podstawowe różnice między tymi dwoma scenariuszami - z możliwym i niemożliwym NR RNA - przedstawiono w tabeli. Jeśli NR jest możliwy, to ewolucja darwinowska mogłaby rozpocząć się niemal natychmiast po pojawieniu się pierwszych krótkich cząsteczek RNA. Selektywną przewagę powinny uzyskać te cząsteczki RNA, które namnażały się wydajniej za pomocą HP. Mogą to być na przykład cząsteczki z powtórzeniami palindromicznymi, które same mogłyby służyć jako startery - „nasiona” replikacji; palindromy mogą składać się w trójwymiarowe struktury - „spinki do włosów”, co zwiększa prawdopodobieństwo pojawienia się właściwości katalitycznych w cząsteczce RNA. W każdym razie poGdy rozpoczęła się ewolucja darwinowska, dalszy rozwój życia został zdeterminowany nie tylko przez przypadek, ale także przez prawo.
Oszacowania prawdopodobieństwa (częstotliwości) powstania życia w tych dwóch scenariuszach powinny różnić się ogromną liczbą zamówień (choć oczywiście nikt nie poda dokładnych liczb). Należy również zauważyć, że jeśli życie powstało „według Kunina”, to znaczy w wyniku przypadkowego zestawienia skutecznej polimerazy rybozymu, to zasada komplementarności (specyficzne parowanie nukleotydów), na której zdolność RNA do reprodukcji i ewolucji okazuje się być rodzajem „fortepianu w krzakach”, Co nie miało nic wspólnego z faktem, że na planetach zgromadziła się tak duża ilość cząsteczek RNA, że na jednej z planet przypadkowo pojawił się skuteczny rybozym o aktywności polimerazy RNA. Jeśli życie powstało „według Shostaka” (laureat nagrody Nobla Jack Shostak obecnie aktywnie studiuje NR RNA i uważa, że ten proces jest kluczem do tajemnicy pochodzenia życia),wtedy komplementarność nie była „fortepianem w buszu”, ale działała od samego początku. To sprawia, że cały scenariusz powstania życia jest o wiele bardziej przekonujący i logiczny. Postawiłbym na Shostaka.
Zatem teraz wszystko zależy od sukcesu specjalistów w dziedzinie chemii prebiotycznej. Jeśli znajdą realistyczne warunki, w których NR RNA dobrze sobie radzi, to mamy szansę odnaleźć życie na innych planetach. A jeśli nie, to … musimy szukać dalej.
Armen Mulkidzhanyan, Dr. biol. Sci., University of Osnabrück (Niemcy), kierował. naukowy. sotr. MSU:
Trudno polemizować z faktem, że życie powstało dawno temu i na młodej Ziemi. Ziemia składa się z chondrytycznych skał, podobnie jak meteoryty. Ogrzewanie tych skał podczas formowania się Ziemi spowodowało stopienie wody przyniesionej z chondrytami. Interakcja wody z rozgrzaną, zredukowaną skałą powinna była doprowadzić do uwolnienia elektronów, powstania wodoru i redukcji dwutlenku węgla (CO2) do różnych związków organicznych. Podobne procesy nadal zachodzą na obszarach działalności geotermalnej, na przykład na polach geotermalnych, ale o małej intensywności. Tak więc na młodych planetach innych gwiazd można się spodziewać powstawania dużych ilości materii organicznej. Prawdopodobieństwo powstania życia w tym przypadku można oszacować, biorąc pod uwagę ewolucję życia ziemskiego.
Przez pierwsze dwa miliardy lat na Ziemi żyły tylko mikroby. Mógłby tak dalej wyglądać, ale około 2,5 miliarda lat temu bakterie fotosyntetyczne nauczyły się wykorzystywać energię światła do rozkładania wody. Fotosynteza pierwotnie powstała jako zamiennik tłumionych procesów geochemicznych „zrzucania” nadmiarowych elektronów. W fotosyntezie energia światła jest wykorzystywana do utleniania różnych związków, to znaczy do „odbierania” im elektronów, do fotoaktywacji tych elektronów i ostatecznie redukcji CO2 do związków organicznych. System rozkładu wody powstał w wyniku stopniowej ewolucji prostszych enzymów fotosyntetyzujących zachowanych w niektórych bakteriach. Istnieje kilka bardzo prawdopodobnych scenariuszy, jak takie enzymy, używając światła i chlorofilu, najpierw utlenionego siarkowodoru (a nawet teraz niektórzy to robią), a następnie:W miarę wyczerpywania się siarkowodoru w ośrodku elektrony pobierano z jonów żelazawych, a następnie z jonów manganu. W rezultacie w jakiś sposób nauczyli się rozkładać wodę. W tym przypadku elektrony wyjęte z wody przeszły do syntezy materii organicznej, a jako produkt uboczny uwolniony został tlen. Tlen jest bardzo silnym utleniaczem. Musiałem się przed nim bronić. Pojawienie się wielokomórkowości, stałocieplności i ostatecznie inteligencji to różne stopnie ochrony przed utlenianiem atmosferycznym tlenem.ciepłokrwistość i ostatecznie rozum - to różne stopnie ochrony przed utlenianiem przez tlen atmosferyczny.ciepłokrwistość i ostatecznie rozum - to różne stopnie ochrony przed utlenianiem przez tlen atmosferyczny.
Rozkład wody zachodzi w unikalnym ośrodku katalitycznym zawierającym skupisko czterech atomów manganu i jednego atomu wapnia. W tej reakcji, która wymaga czterech kwantów światła, dwie cząsteczki wody (2 H2O) rozkładają się jednocześnie, tworząc jedną cząsteczkę tlenu (O2). Wymaga to energii czterech kwantów światła. Na atomach manganu, w odpowiedzi na absorpcję trzech kwantów światła, po kolei gromadzą się trzy pustki elektronowe („dziury”) i dopiero po zaabsorbowaniu czwartego kwantu światła obie cząsteczki wody zostają utlenione, dziury są wypełnione elektronami i powstaje cząsteczka tlenu. Chociaż struktura skupiska manganu została niedawno określona z dużą precyzją, nie do końca wiadomo, jak działa to czterosuwowe urządzenie. Nie jest również jasne, jak i dlaczego w centrum katalitycznym, gdzie u prymitywnych bakterii fotosyntetycznych najwyraźniejjony manganu uległy utlenieniu, cztery jego atomy połączono z atomem wapnia w klaster zdolny do rozkładu wody. Tajemnicza jest również termodynamika udziału chlorofilu w utlenianiu wody. Teoretycznie chlorofil pod wpływem światła może utleniać siarkowodór, żelazo i mangan, ale nie wodę. Jednak utlenia się. Ogólnie rzecz biorąc, jest to jak z trzmielem: „Zgodnie z prawami aerodynamiki trzmiel nie może latać, ale o tym nie wie i lata tylko z tego powodu”.
Bardzo trudno jest ocenić prawdopodobieństwo wystąpienia systemu rozkładu wody. Ale to prawdopodobieństwo jest bardzo małe, ponieważ w ciągu 4,5 miliarda lat taki system pojawił się tylko raz. Nie było takiej potrzeby, a bez niej drobnoustroje rozwijałyby się na Ziemi, wchodząc w cykle geochemiczne. Co więcej, po pojawieniu się tlenu w atmosferze większość biosfery drobnoustrojów powinna zginąć, a dokładniej spłonąć - interakcja materii organicznej z tlenem to spalanie. Przetrwały tylko drobnoustroje, które nauczyły się oddychać, czyli szybko przywracać tlen z powrotem do wody bezpośrednio na ich zewnętrznej skorupie, zapobiegając jej przedostawaniu się do środka, a także mieszkańcy kilku pozostałych beztlenowych nisz ekologicznych.
Ta historia może służyć jako przykład stosunkowo niedawnego (około 2,5 miliarda lat temu) i stosunkowo zrozumiałego wydarzenia, które doprowadziło do gwałtownego wzrostu złożoności systemów żywych. Wszystko zaczęło się od stopniowych zmian enzymów fotosyntetyzujących. Potem był jednorazowy i bardzo nietrywialny wynalazek ewolucyjny (klaster manganowo-wapniowy), którego być może nie było. Późniejsze ogromne zmiany były reakcją na pojawienie się „toksycznego” tlenu w atmosferze: selekcja darwinowska włączała się z pełną mocą, musiałem nauczyć się oddychać głęboko i poruszać mózgiem.
W sumie mamy proces, który przebiega w trzech etapach: (1) stopniowe zmiany - (2) jednorazowe mało prawdopodobne wydarzenie - (3) dalsza ewolucja, ale na innym poziomie lub w innych warunkach. Schemat ten można uznać za molekularny analog klasycznego schematu aromorfoz Severtsova.
Jeśli spojrzysz na ewolucję potlenową, możesz zidentyfikować kilka innych takich mało prawdopodobnych jednorazowych wydarzeń, które zmieniły bieg ewolucji. Jest to „złożenie” złożonej komórki eukariotycznej i pojawienie się roślin naczyniowych oraz różne „przełomy” w ewolucji zwierząt, o których w rzeczywistości pisał Severtsov.
Pojawienie się życia, które w ramach hipotezy świata RNA rozumiane jest jako pojawienie się samoodtwarzających się zespołów cząsteczek RNA (replikatorów), można również przedstawić jako proces trzystopniowy.
1) Etap przygotowawczy: rybonukleotydy tworzące RNA są w stanie spontanicznie „składać się” z prostych cząsteczek, takich jak cyjanek lub formamid, pod wpływem światła ultrafioletowego (UV). Na młodej Ziemi było go pod dostatkiem; w atmosferze nie było jeszcze ozonu pochłaniającego promieniowanie ultrafioletowe, ponieważ nie było tlenu, patrz wyżej. Jak wykazali Pouner i Saderland (University of Manchester), nukleotydy w specjalnej, „aktywowanej” postaci cyklicznej są „selekcjonowane” w świetle UV, które są zdolne do samorzutnego tworzenia łańcuchów RNA. Co więcej, podwójne łańcuchy RNA Watsona-Cricka są znacznie bardziej odporne na promieniowanie UV niż pojedyncze - wynik ten opisał Evgeny Kunin w swojej pierwszej opublikowanej pracy z 1980 roku. Oznacza to, że na młodej Ziemi, w wyniku przepływu „dodatkowych” elektronów, mogą powstawać różne cząsteczki organiczne,ale pod wpływem twardego promieniowania słonecznego przetrwały głównie cząsteczki podobne do RNA, najlepiej zwinięte w spiralne struktury.
2) Jednorazowe, mało prawdopodobne zdarzenie: zespół kilku cząsteczek podobnych do RNA zaczął się kopiować (miliardy lat później podobne samokopiujące zestawy RNA uzyskano przez selekcję RNA w warunkach laboratoryjnych).
3) Późniejsza ewolucja: replikatory RNA zaczęły ze sobą konkurować o zasoby, ewoluować, łączyć się w większe społeczności itp.
Wadą tego hipotetycznego schematu jest to, że ani szczegóły molekularne pochodzenia replikatorów RNA, ani naturalne czynniki przyczyniające się do ich selekcji nie są znane. Nadzieję daje fakt, że w przypadku kolejnego najważniejszego (i zarazem) wydarzenia ewolucyjnego, czyli pojawienia się rybosomów, maszyn do syntezy białek, zrekonstruowano szczegóły molekularne. Dokonano tego różnymi metodami w czterech laboratoriach; wyniki rekonstrukcji są bardzo podobne. Krótko mówiąc, przodkiem współczesnych, bardzo złożonych rybosomów był konstrukt dwóch pętli RNA po 50-60 rybonukleotydów każda, zdolnych do łączenia dwóch aminokwasów wiązaniem peptydowym. Etapy pośrednie na drodze od tej dwupętlowej struktury do nowoczesnych rybosomów szczegółowo prześledzili Konstantin Bokov i Sergey Stadler (Uniwersytet w Montrealu),Laureatka Nagrody Nobla Ada Yonath i współpracownicy (Weizmann Institute), George Fox i współpracownicy (University of Houston) oraz Anton Petrov i współpracownicy (University of Georgia).
Rybosom, który początkowo miał jedną katalityczną podjednostkę RNA, stopniowo rósł pod względem złożoności i rozmiaru, przez cały czas syntetyzując sekwencje białek z losowego zestawu aminokwasów. Dopiero na ostatnich etapach swojej ewolucji połączył się z inną cząsteczką RNA, która stała się małą podjednostką rybosomu i rozpoczęła się synteza kodowanego białka. Zatem pojawienie się kodu genetycznego jest mało prawdopodobnym wydarzeniem ewolucyjnym odrębnym od pojawienia się syntezy białek rybosomalnych.
Najprawdopodobniej dalsze badania pozwolą zrekonstruować zarówno pojawienie się replikatorów, jak i inne mało prawdopodobne zdarzenia, na przykład te związane z pojawieniem się pierwszych komórek, wymianą genów między pierwszymi komórkami i wirusami itp.
Wracając do postawionych pytań o prawdopodobieństwa: nasze szczegółowe rozważania pokazują, że ewolucja życia ziemskiego nie jest jednym „absolutnie niewiarygodnym zbiegiem okoliczności”, ale wieloma następującymi po sobie niezwykle nieprawdopodobnymi wydarzeniami.
Na innych młodych planetach najprawdopodobniej zachodziło potężne wytwarzanie materii organicznej. Ale to niekoniecznie prowadziło do powstania życia. Gdyby samoreplikujący się zespół RNA nie zebrał się na Ziemi, nie byłoby życia. Produkcja materii organicznej stopniowo zanikała, a Ziemia upodabniała się do Marsa lub Wenus.
Ale nawet w przypadku pojawienia się życia na innych planetach, życie to mogło „utknąć” na dowolnym początkowym etapie, a prawdopodobieństwo pozostania na zawsze na prymitywnym poziomie rozwoju było nieporównywalnie większe niż prawdopodobieństwo wspięcia się na następny stopień i pójścia dalej.
Dlatego prawdopodobieństwo spotkania mądrych kosmitów na innej planecie jest niezmiernie niższe niż szansa na dostanie się tam do prostego, ale żywego szlamu (i to jest, jeśli masz duże szczęście). Prawdopodobieństwo, że gdzieś istnieje życie tlenowe, jest również niezmiernie małe: rozkład wody do tlenu jest bardzo nietrywialną reakcją czteroelektronową.
Tak więc budowanie jakiejkolwiek strategii w nadziei na znalezienie obcej inteligencji nie jest po prostu zbyt inteligentne. Fakt, że na Ziemi są (na razie) inteligentne istoty, jest bardzo dużym sukcesem. Dlatego o wiele bardziej sensowne jest inwestowanie w tworzenie „alternatywnych lotnisk” dla już istniejącego inteligentnego życia na wypadek, gdyby zawiodła natura lub zawodzą nosiciele umysłu. Oznacza to, że potrzebujemy zapasowej Ziemi, a nawet lepiej kilku.
Evgeny Kunin, prowadził. naukowy. sotr. National Center for Biotechnology Information, członek Amerykańskiej Narodowej Akademii Nauk:
Mogę ograniczyć się do bardzo krótkich uwag, ponieważ w pełni zgadzam się ze wszystkim, co powiedział Aleksander Markov … oprócz, oczywiście, wniosków. Rzeczywiście, ograniczającym etapem pojawiania się życia jest spontaniczne tworzenie się populacji cząsteczek rybozymu-polimerazy z dostatecznie dużą szybkością i dokładnością samokopiowania. Prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest znikomo małe. Aby go znacznie zwiększyć, potrzebny jest proces, który stwarza możliwość ewolucji bez udziału takich rybozymów, w znacznie prostszym systemie. Nieenzymatyczna replikacja omówiona przez Aleksandra jest dobrym kandydatem do takiego procesu. Jedyny problem w tym, że bazując na wszystkim, co wiem z chemii i termodynamiki, nie ma szans na doprowadzenie tych reakcji do poziomu wystarczająco dokładnej replikacji długich cząsteczek. Replikacja bardzo krótkich oligonukleotydów byłaby bardzo interesująca jako możliwy etap pośredni, ale nie zwiększy znacząco prawdopodobieństwa. Zatem mój wniosek pozostaje ten sam: pojawienie się życia wymaga niezwykle nieprawdopodobnych wydarzeń, a zatem jesteśmy sami w naszym Wszechświecie (kwestia wielu wszechświatów nie jest tu konieczna). Nie tylko jesteśmy istotami inteligentnymi, ale ogólnie rzecz biorąc istotami żywymi.
Należy zwrócić uwagę na następujące kwestie: wyjątkowo niskie prawdopodobieństwo wystąpienia życia nie oznacza w żaden sposób, że stało się to cudem. Wręcz przeciwnie, wszystkie są serią normalnych reakcji chemicznych, obejmujących tylko etapy o bardzo niskim prawdopodobieństwie. W konsekwencji badanie mechanizmów, które w jakiś sposób ułatwiają powstanie życia, jest nie tylko bezsensowne, ale niezwykle ważne i interesujące. Po prostu nie widać (jeszcze), że mogłoby to znacznie zwiększyć prawdopodobieństwo, ale stworzenie scenariusza wydarzeń może równie dobrze pomóc.
Cóż, zakończę quasi-filozoficznym, ale moim zdaniem istotnym rozważaniem. Niezwykle niskie prawdopodobieństwo pojawienia się życia narusza zasadę przeciętności: wydarzenia, które miały miejsce na naszej planecie, są wyjątkowe, wręcz unikalne we Wszechświecie. Zasada bylejakości przegrywa w tym przypadku z zasadą antropiczną: bez względu na to, jak niewiarygodne było pojawienie się życia a priori, W WARUNKACH istnienia istot inteligentnych i sprawiedliwych, jego prawdopodobieństwo jest dokładnie równe 1.
Michaił Nikitin, badacz sotr. Zakład Biochemii Ewolucyjnej, Instytut Biologii Fizykochemicznej. Moskiewski Uniwersytet Państwowy im. A. N. Belozerskiego:
Wydaje mi się, że życie na bakteryjnym poziomie złożoności jest szeroko rozpowszechnione we Wszechświecie, ale rozwój zwierząt wielokomórkowych i potencjalnie inteligentnych istot jest znacznie mniej prawdopodobny.
Dlaczego uważam, że życie bakteryjne jest wysoce prawdopodobne?
Rozumowanie Kunina opiera się na eksperymentach dotyczących sztucznej selekcji replikaz rybozymów, które kopiują cząsteczki RNA i mogą potencjalnie same się kopiować. Wszystkie te rybozymy mają długość rzędu 200 nukleotydów, a prawdopodobieństwo ich uzyskania w drodze samoorganizacji jest rzędu 4-200. Jednak w tych eksperymentach nie uwzględniono wielu ważnych czynników, które po pierwsze mogłyby zapewnić replikację przy użyciu krótszych i prostszych rybozymów, a po drugie, przed rozpoczęciem jakiejkolwiek replikacji, skierować samoorganizację w kierunku ustrukturyzowanych RNA zdolnych do pracy jako rybozymy. Niektóre z tych czynników zostały już nazwane przez innych autorów: nieenzymatyczna replikacja Shostaka, selekcja pod kątem samozasilania w „świecie palindromów” Markowa, selekcja pod kątem odporności na promieniowanie UV, która kieruje samoorganizację RNA w kierunku struktur spinki do włosów zaproponowanych przez Mulkidzhanyana). Dodam do tej listy podłoża mineralne i „pułapki cieplne” (wąskie pory z gradientem temperatury), które bardzo ułatwiają kopiowanie RNA. Ponadto, ponieważ mamy prosty samoreplikujący się system genetyczny, ewolucja darwinowska z dużym prawdopodobieństwem szybko stworzy na jej podstawie komórkę bakteryjną lub coś podobnego - z błoną komórkową, która utrzymuje stały skład soli wewnątrz komórki.
Dlaczego uważam, że ewolucja życia od prostych komórek do zwierząt wielokomórkowych może być bardzo nieprawdopodobna? Są tu dwa względy, jeden bardziej geologiczny, drugi czysto biologiczny. Zacznijmy od pierwszego.
W paleontologii niezawodnie ustalono, że ewolucja organizmów jest bardzo nierównomierna. Kryzysy i rewolucje przeplatają się z okresami zastoju, czasami bardzo długimi. Najdłuższy okres zastoju nazwano „nudnym miliardem” i trwał większość proterozoiku - od około 2 do 0,8 miliarda lat temu. Poprzedziło ją pojawienie się tlenu w atmosferze, pojawienie się komórek eukariotycznych i globalne zlodowacenie Huron, a zakończyło się największym zlodowaceniem Sturt w historii Ziemi, wzrostem zawartości tlenu do wartości niemal współczesnych oraz pojawieniem się zwierząt wielokomórkowych. Ewolucja była również stosunkowo powolna w eonie archeańskim, między 3,5 a 2,5 miliarda lat temu, w porównaniu zarówno z poprzednim eonem katarchicznym (czas powstania życia i późnym bombardowaniem meteorytów), jak i późniejszą rewolucją tlenową. Przyczyny tej nierówności nie są w pełni zrozumiałe. Wydaje mi się osobiście przekonujące, że „rewolucja tlenowa” (masowa proliferacja cyjanobakterii produkujących tlen) była związana z wyczerpywaniem się rezerw zredukowanego żelaza (żelazawego) w wodzie oceanicznej. Dopóki w oceanie było dostatecznie dużo żelaza, mikroby rozwijały się tam dzięki prostszej i bezpieczniejszej fotosyntezie utleniającej żelazo. Uwalnia się w nim nie tlen, ale związki tlenku żelaza - magnetytów i hematytów, które osadzały się na dnie morskim w całym Archeanie. Podaż nowego żelaza do morza (głównie ze źródeł hydrotermalnych na dnie) zmniejszyła się wraz ze spadkiem aktywności geologicznej planety, a ostatecznie kryzys zasobów zmusił mikroorganizmy fotosyntetyczne do przejścia na bardziej złożoną „technologię” fotosyntezy tlenowej. Podobnie,Przyczyną „nudnego miliarda” może być stałe zużycie tlenu do utleniania różnych minerałów na lądzie, co nie pozwala na podniesienie zawartości tlenu powyżej 1–2%. W morskich osadach proterozoicznych istnieje wiele śladów utleniania rud siarczkowych na lądzie, w wyniku których rzeki niosły do oceanu siarczany, arsen, antymon, miedź, chrom, molibden, uran i inne pierwiastki, których w oceanie archeańskim prawie nie było. Kryzys późnego proterozoiku z globalnymi zlodowaceniami, gwałtownym wzrostem zawartości tlenu i pojawieniem się zwierząt wielokomórkowych mógł być spowodowany wyczerpywaniem się łatwo utleniających się minerałów na lądzie.dzięki czemu rzeki niosły do oceanu siarczany, arsen, antymon, miedź, chrom, molibden, uran i inne pierwiastki, których prawie nie było w oceanie Archeańskim. Kryzys późnego proterozoiku z globalnymi zlodowaceniami, gwałtownym wzrostem zawartości tlenu i pojawieniem się zwierząt wielokomórkowych mógł być spowodowany wyczerpaniem się łatwo utleniających się minerałów na lądzie.dzięki czemu rzeki niosły do oceanu siarczany, arsen, antymon, miedź, chrom, molibden, uran i inne pierwiastki, których prawie nie było w oceanie Archeańskim. Kryzys późnego proterozoiku z globalnymi zlodowaceniami, gwałtownym wzrostem zawartości tlenu i pojawieniem się zwierząt wielokomórkowych mógł być spowodowany wyczerpywaniem się łatwo utleniających się minerałów na lądzie.
Zatem moment rozpoczęcia dwóch kluczowych rewolucji (fotosynteza tlenu i zwierzęta wielokomórkowe) został prawdopodobnie określony przez równowagę procesów biologicznych (fotosynteza) i geologicznych (uwalnianie żelaza żelazawego i innych substancji ulegających utlenieniu przez otwory hydrotermalne i wulkany naziemne). Jest całkiem możliwe, że na innych planetach te rewolucje nastąpią znacznie później. Na przykład bardziej masywna planeta (super-ziemia) będzie wolniej tracić aktywność geologiczną, dłużej uwalniać żelazo do oceanu i może opóźnić rewolucję tlenową o miliardy lat. Planety w ekosferze czerwonych karłów otrzymają niewiele widzialnego światła odpowiedniego do fotosyntezy, a ich biosfery również mogą utknąć w fazie beztlenowej. Ważna jest również ilość wody na planecie. Jeśli cała planeta pokryta jest głębokim oceanem, będzie brakować fosforu,pochodzących głównie z wulkanów lądowych, a przy niewielkiej ilości wody obszar oceanu dostępny dla mikroorganizmów fotosyntetycznych również będzie niewielki (przed pojawieniem się roślin wielokomórkowych produktywność ekosystemów lądowych była znikoma w porównaniu z morzami). Oznacza to, że istnieje wiele powodów, dla których biosfera może utknąć w beztlenowym etapie mikrobiologicznym i nie przekształcić się w zwierzęta. Nawiasem mówiąc, czas na rozwój jest ograniczony: jasność gwiazd rośnie z czasem, a Ziemia za 1,5-2 miliardy lat nieodwracalnie się nagrzeje, jej oceany wyparują, a narastający efekt cieplarniany zamieni ją w drugą Wenus. U czerwonych karłów jasność rośnie wolniej, ale ich planety mogą stać się niezdatne do zamieszkania z powodu zaniku pola magnetycznego i późniejszej utraty wody w kosmos, jak to miało miejsce na Marsie.obszar oceanu dostępny dla mikroorganizmów fotosyntetycznych będzie również niewielki (przed pojawieniem się roślin wielokomórkowych produktywność ekosystemów lądowych była znikoma w porównaniu z morzami). Oznacza to, że istnieje wiele powodów, dla których biosfera może utknąć w beztlenowym etapie mikrobiologicznym i nie przekształcić się w zwierzęta. Nawiasem mówiąc, czas na rozwój jest ograniczony: jasność gwiazd rośnie z czasem, a Ziemia za 1,5-2 miliardy lat nieodwracalnie się nagrzeje, jej oceany wyparują, a narastający efekt cieplarniany zamieni ją w drugą Wenus. U czerwonych karłów jasność rośnie wolniej, ale ich planety mogą stać się niezdatne do zamieszkania z powodu zaniku pola magnetycznego i późniejszej utraty wody w kosmos, jak to miało miejsce na Marsie.obszar oceanu dostępny dla mikroorganizmów fotosyntetycznych będzie również niewielki (przed pojawieniem się roślin wielokomórkowych produktywność ekosystemów lądowych była znikoma w porównaniu z morzami). Oznacza to, że istnieje wiele powodów, dla których biosfera może utknąć w beztlenowym etapie mikrobiologicznym i nie przekształcić się w zwierzęta. Nawiasem mówiąc, czas na rozwój jest ograniczony: jasność gwiazd rośnie z czasem, a Ziemia za 1,5-2 miliardy lat nieodwracalnie się nagrzeje, jej oceany wyparują, a narastający efekt cieplarniany zamieni ją w drugą Wenus. U czerwonych karłów jasność rośnie wolniej, ale ich planety mogą stać się niezdatne do zamieszkania z powodu zaniku pola magnetycznego i późniejszej utraty wody w kosmos, jak to miało miejsce na Marsie.dostępne dla mikroorganizmów fotosyntetycznych (przed pojawieniem się roślin wielokomórkowych produktywność ekosystemów lądowych była znikoma w porównaniu z morzami). Oznacza to, że istnieje wiele powodów, dla których biosfera może utknąć w beztlenowym etapie mikrobiologicznym i nie przekształcić się w zwierzęta. Nawiasem mówiąc, czas na rozwój jest ograniczony: jasność gwiazd rośnie z czasem, a Ziemia za 1,5-2 miliardy lat zacznie się nieodwracalnie nagrzewać, jej oceany wyparują, a rosnący efekt cieplarniany zamieni ją w drugą Wenus. U czerwonych karłów jasność rośnie wolniej, ale ich planety mogą stać się niezdatne do zamieszkania z powodu zaniku pola magnetycznego i późniejszej utraty wody w kosmos, jak to miało miejsce na Marsie.dostępne dla mikroorganizmów fotosyntetycznych (przed pojawieniem się roślin wielokomórkowych produktywność ekosystemów lądowych była znikoma w porównaniu z morzami). Oznacza to, że istnieje wiele powodów, dla których biosfera może utknąć w beztlenowym etapie mikrobiologicznym i nie przekształcić się w zwierzęta. Nawiasem mówiąc, czas na rozwój jest ograniczony: jasność gwiazd rośnie z czasem, a Ziemia za 1,5-2 miliardy lat zacznie się nieodwracalnie nagrzewać, jej oceany wyparują, a narastający efekt cieplarniany zamieni ją w drugą Wenus. U czerwonych karłów jasność rośnie wolniej, ale ich planety mogą stać się niezdatne do zamieszkania z powodu zaniku pola magnetycznego i późniejszej utraty wody w kosmos, jak to miało miejsce na Marsie. Nawiasem mówiąc, czas na rozwój jest ograniczony: jasność gwiazd rośnie z czasem, a Ziemia za 1,5-2 miliardy lat zacznie się nieodwracalnie nagrzewać, jej oceany wyparują, a narastający efekt cieplarniany zamieni ją w drugą Wenus. U czerwonych karłów jasność rośnie wolniej, ale ich planety mogą stać się niezdatne do zamieszkania z powodu zaniku pola magnetycznego i późniejszej utraty wody w kosmos, jak to miało miejsce na Marsie. Nawiasem mówiąc, czas na rozwój jest ograniczony: jasność gwiazd rośnie z czasem, a Ziemia za 1,5-2 miliardy lat nieodwracalnie się nagrzeje, jej oceany wyparują, a narastający efekt cieplarniany zamieni ją w drugą Wenus. U czerwonych karłów jasność rośnie wolniej, ale ich planety mogą stać się niezdatne do zamieszkania z powodu zaniku pola magnetycznego i późniejszej utraty wody w kosmos, tak jak to miało miejsce na Marsie.
Druga uwaga dotyczy pojawienia się eukariontów - komórek z jądrem. Komórki eukariotyczne są znacznie większe i bardziej złożone niż komórki bakterii i archeonów i pojawiły się później, najprawdopodobniej podczas „rewolucji tlenowej”. Komórka eukariotyczna pojawiła się jako chimera z komórki archeonowej, symbiotycznej bakterii, która się w niej osiedliła i, być może, wirusa, który ją zainfekował (lub nawet więcej niż jeden). Struktura genomu eukariontów jednoznacznie wskazuje, że ich wczesna ewolucja nastąpiła nie w wyniku doboru naturalnego, ale pod wieloma względami mimo wszystko. W małych populacjach selekcja nie jest zbyt wydajna, a nieco szkodliwe cechy mogą się zakorzenić w wyniku dryfu genów i innych czysto losowych procesów. Jest to szczegółowo opisane w odpowiednim rozdziale Logiki przypadku Kunina i sugerujeże pojawienie się eukariontów może być bardzo mało prawdopodobne nawet w odpowiednim środowisku (biosfera bakteryjna wchodząca w rewolucję tlenową). Przynajmniej przypadki symbiozy wewnątrzkomórkowej między bakteriami i archeonami są praktycznie nieznane - chociaż bakterie łatwo osadzają się w komórkach eukariotycznych.
Podsumowując: myślę, że połączenie opisanych czynników powinno doprowadzić do tego, że w naszej Galaktyce będą miliony planet z życiem bakteryjnym, a znacznie mniej (być może tylko kilka) - z życiem na poziomie złożoności eukariotycznej i wielokomórkowej.
Postcriptum Borisa Sterna
Kilka słów na zakończenie dyskusji. Jest całkiem możliwe, że Evgeny Kunin znacznie nie docenił prawdopodobieństwa powstania życia w odpowiednich warunkach. A jednak tę ocenę należy potraktować poważnie. Jeśli pomylił się o 900 rzędów wielkości, to niczego nie zmienia: wszyscy jesteśmy sami w horyzoncie Wszechświata, gdzie jest tylko około 1020-1021 odpowiednich planet. Nawet jeśli reszta uczestników dyskusji ma rację i wszelkiego rodzaju sztuczki Natury, takie jak nieenzymatyczna replikacja, mogą uczynić powstanie życia mniej lub bardziej prawdopodobnym, to będzie to bardzo prymitywne życie, w przytłaczającej większości przypadków, niezdolne do przeskoczenia na wyższy poziom rozwoju. Dwóch panelistów napisało o tym czarno na białym. To cały paradoks Fermiego.
Stąd co najmniej dwa ważne wnioski organizacyjne. Po pierwsze: rozwinięte życie jest najrzadszym i najcenniejszym zjawiskiem we wszechświecie. Dlatego patrz ostatni akapit notatki Armena Mulkidzhanyana: ludzkość ma szlachetny cel totalny - rozprzestrzenianie się tego zjawiska. O możliwościach i sposobach osiągnięcia tego celu porozmawiamy osobno.
Drugi wniosek organizacyjny: zniszczenie tego życia będzie nieodwracalną utratą skali galaktycznej, a nawet kosmologicznej. Należy to uwzględnić w ich własnej ocenie „jastrzębi” i polityków, którzy są gotowi uciec się do szantażu nuklearnego w celu nadymania własnej „wielkości”. To samo dotyczy cywilizacji nieokiełznanej konsumpcji.
Autorzy: Boris Stern, Alexander Markov, Armen Mulkidzhanyan, Evgeny Kunin, Mikhail Nikitin