Жизнь — это космическая случайность или биологический закон?

Старый и глубокий экзистенциальный вопрос вызывает новый интерес со стороны научного сообщества: было ли появление жизни во вселенной невероятным событием или, наоборот, неизбежным?

Другими словами, возникла ли жизнь в результате случайности, или это было неизбежным и предсказуемым следствием естественного права?

Ответ на этот вопрос скажет нам, является ли биологическая жизнь случайностью или закономерностью.

Первый ответ предполагает, что мы одиноки во вселенной, статистическая аномалия. Второй говорит о том, что это явление не редкость в космосе, вероятно, происходит на других планетах с достаточно похожими на Землю условиями.

Хотя ответить на этот вопрос может показаться невозможным из-за крайне ограниченного размера выборки (Земля — единственная из известных нам планет с жизнью), новое понимание механизмов, лежащих в основе происхождения жизни, укрепляет представление о биологически дружественной вселенной.

Но прежде чем войти в эти механизмы, некоторый исторический контекст может помочь поставить вопрос в перспективе.

Невероятное против неизбежного

Основное научное мировоззрение предполагает, что жизнь на Земле была маловероятным событием, которое произошло вопреки всему. Эта «замороженная авария», которая произошла в результате невероятного молекулярного столкновения в первозданном супе, скорее всего, больше не повторится, если мы сможем перемотать ленту вселенной и воспроизвести ее даже с малейшим изменением.

Это предположение основывается на идее, что дарвиновская эволюция является исключительным средством физической адаптации в природе. Что все разнообразие и сложность, которые мы видим внутри и вокруг нас, в широком понимании, могут быть объяснены давлением окружающей среды, действующим на случайную генетическую мутацию. Согласно этой парадигме, поскольку адаптивные изменения требуют генов, возникновение самой жизни должно было быть результатом случайности, а не эволюционного процесса.

Лауреат Нобелевской премии французский биолог Жак Моно, убежденный скептик и атеист, придерживался страстной и бескомпромиссной веры в то, что «Вселенная не была беременна жизнью». Он поэтически подытожил это мировоззрение в своей влиятельной книге «Шанс и необходимость», опубликованной в 1970 году:

«Древний завет разбит на куски; человек, наконец, знает, что он одинок в бескрайней необъятности вселенной, из которой он вышел лишь случайно. Его судьба нигде не прописана, равно как и его долг.»

Но есть альтернативное мировоззрение, набирающее силу, которое в равной степени научно и, возможно, лучше подтверждается эмпирическими данными: если бы физические и химические условия на Земле около 4 миллиардов лет назад созрели для биологической жизни, то это послужило бы тому, чтобы показать, что жизнь во вселенной это не космическая случайность, а космический закон.

Неизбежная жизнь основана на идее, что существуют термодинамические факторы, которые ограничивают случайное движение атомов и молекул таким образом, что, по существу, гарантирует, что биологические системы возникнут там, где позволят условия. Как «аттрактор» – состояние, к которому стремительно развивается динамическая система, – можно сказать, что жизнь была записана в «космический код».

Эта точка зрения была впервые сформулирована еще одним французским биологом, лауреатом Нобелевской премии 20-го века, Кристианом де Дювом. В своей исключительно убедительной книге «Жизненная пыль» он утверждал, что утверждение Монода о том, что вселенная не была беременна жизнью, было не просто неправильным, но доказуемо неверным.

Спустя десятилетия после того, как его книга была опубликована, физики, изучающие происхождение жизни из Массачусетского технологического института, утверждают, что позиция де Дюва должна быть правящей. Эти исследователи утверждают, что появление биологических систем было событием, которое можно было предсказать, и их обоснование основано на фундаментальном физическом принципе, известном как второй закон термодинамики.

Второй закон гласит, что количество энтропии во вселенной увеличивается со временем. Но существует определенная путаница в том, что именно подразумевается под термином «энтропия», поскольку в разных контекстах используются многочисленные определения. так как это относится ко вселенной, второй закон просто утверждает, что конечное количество энергии во вселенной естественно имеет тенденцию распространяться. При этом количество «свободной энергии» во вселенной, то есть энергии, доступной для физической работы, со временем неизбежно уменьшается. Энтропия – это просто мера количества энергии, больше не доступной для работы.

Это новое понимание старого и фундаментального закона физики, особенно в том, как оно связано с возникновением сложности, которое меняет наше представление о вероятности жизни во вселенной.

Как потоки энергии создают порядок

Согласно неизбежной теории жизни, биологические системы возникают самопроизвольно, потому что они более эффективно рассеивают энергию, тем самым увеличивая энтропию окружающей среды. Другими словами, жизнь термодинамически благоприятна.

Как следствие этого, происходит нечто, что кажется почти волшебным, но в этом нет ничего сверхъестественного. Когда неодушевленная система частиц, такая как группа атомов, бомбардируется текущей энергией (такой как концентрированные токи электричества или тепла), эта система часто самоорганизуется в более сложную конфигурацию – в частности, в систему, которая более эффективно рассеивает поступающую энергию, превращая ее в энтропию.

Этот базовый процесс был описан почти сто лет назад бельгийским химиком Ильей Пригожиным, и он назвал возникающую систему «диссипативной структурой». Базовым примером диссипативной структуры является крошечный водоворот, который появляется, когда вы снимаете пробку с полной раковины или ванны. Возникающий вихрь лучше рассеивает кинетическую энергию из текущей воды по сравнению с тем, когда вода течет напрямую.

Хотя Пригожин разработал некоторую математику для описания этого процесса самоорганизации, только в этом десятилетии был достигнут реальный прогресс в количественном оформлении этого явления. В серии работ, опубликованных за эти годы в различных научных журналах,
молодой физик из Массачусетского технологического института по имени Джереми Инглэнд изложил базовый эволюционный процесс, который он называет «диссипативной адаптацией», вдохновленный фундаментальной работой Пригожина.

В двух недавно опубликованных исследованиях по компьютерному моделированию, один в журнале «Известия Национальной академии наук», а другой — в «Physical Review Letters», команда Англии показала, как простая система безжизненных молекул, подобных тем, которые существовали на Земле до появления жизни, может реорганизоваться в единую структуру, которая ведет себя как живой организм, если в течение достаточно долгого времени подвергается воздействию непрерывного источника энергии. Это происходит потому, что система должна рассеивать всю эту энергию, и биологические системы, которые должны метаболизировать энергию, чтобы функционировать посредством химических реакций, предоставляют способ сделать это. Симуляционные исследования наглядно показывают, как такая сложная система может возникать из простых молекул, когда энергия течет через это вещество, подобно водовороту, который неизбежно возникает в осушающем потоке. Организация является результатом необходимости рассеивать энергию.

В эксперименте 2013 года, опубликованном в журнале Scientific Reports, группа исследователей из Японии показала, что простое освещение (непрерывный источник энергии) группы наночастиц серебра заставляло их собираться в более упорядоченную структуру — в частности, со способностью захватывать и рассеивать больше энергии от света. Аналогичным образом, исследование 2015 года опубликовано в журнале Physical Review E продемонстрировала диссипативную адаптацию в макроскопическом мире. Когда шарики проводимости помещали в масло и ударяли по напряжению от электрода, шарики образовывали сложные коллективные структуры с «червеобразным движением», которые сохранялись до тех пор, пока энергия протекала через систему. Авторы отмечают, что система «демонстрирует свойства, аналогичные тем, которые мы наблюдаем в живых организмах». Другими словами, при правильных условиях попадание в неупорядоченную систему с энергией заставит эту систему самоорганизоваться и приобрести свойства, которые мы связываем с жизнью.

Хотя диссипативная адаптация происходит до того, как система имеет гены, базовая химическая система все еще может развиваться через своего рода примитивный процесс естественного отбора, который легко осмыслить. Когда молекулярная система подвергается естественным колебаниям, в результате чего ее коллективная форма случайным образом просеивается через ряд последовательных структурных состояний, те механизмы, которые позволяют системе более эффективно извлекать энергию из окружающей среды — требование выживания — будут сохраняться. Вероятно, именно так неодушевленная сеть становится биохимической сетью, такой как сеть клетки.

Хотя исследования по моделированию в Англии и аналогичные физические эксперименты ясно показывают, что существует тип термодинамической эволюции, которая происходит до того, как эволюция Дарвина может начаться, точные стадии эволюции между этими типами возникающих сложных структур и живых клеток с генетическим материалом до сих пор неизвестны, так как точные условия на Земле, которые создают основу для диссипативной адаптации. Тем не менее, ученые из Института Санта-Фе, Мекка исследований сложности, имеют довольно хорошее представление о том, как это могло произойти.

Появление жизни на Земле

Хотя английская модель диссипативной адаптации описывает механизм, благодаря которому сложность может возникать самопроизвольно в результате прохождения энергии через безжизненные молекулы, в ней не рассматривается, как и почему такой процесс произошел на Земле. Какая земная среда позволяла потокам энергии создавать порядок из молекулярного хаоса?

В книге «Происхождение и природа жизни на Земле» , опубликованной в 2016 году издательством Cambridge University Press, физик Эрик Смит и биохимик Гарольд Моровиц теоретизируют, что жизнь на Земле впервые возникла из-за неживой материи, движимой энергетическими потоками, создаваемыми геотермальной активностью планеты, как то, что происходит в вулканах и внутри ядра Земли. По их мнению, жизнь была неизбежным следствием накопления свободной энергии, предположительно в жарких областях, таких как гидротермальные жерла на дне океана. Именно в этих типах регионов энергетические потоки сконцентрированы достаточно, чтобы произвести длительный химический порядок.

Согласно этому объяснению, жизнь сформировалась как своего рода канал для снятия энергетического дисбаланса за счет более эффективного рассеяния и была «такой же неизбежной, как вода, спускающаяся с горы». И точно так же, как вода, спускающаяся с горы, вырывает канал в склоне холма, который со временем становится все более глубоким потоки энергии усиливали и укрепляли химические каналы, которые мы называем метаболическими путями. Живые существа — просто лучший способ для природы рассеивать энергию и увеличивать энтропию вселенной.

Однако, по словам Смита и Моровица, самоорганизующийся процесс, который привел к жизни, происходил не за один шаг, а вместо этого включал в себя серию того, что физики называют «фазовыми переходами». Фазовый переход — это причудливый термин для описания целостного изменения общего устройства структуры системы и, в свою очередь, ее функции. Большинство людей знакомы с основными фазовыми переходами, которые преподаются в химии средней школы, такими как то, как жидкая вода замерзает в лед при низких температурах. Во время этого фазового перехода молекулы H 2 O превращаются в более стабильную конфигурацию из жидкой фазы в твердую.

Это происходит не только на молекулярном уровне. Более сложный пример — стая птиц, летящих в унисон, образуя геометрические узоры, изменяющие форму, которые, кажется, ограничивают и частично направляют стаю, — феномен, который потрясающе наблюдать. Мы можем даже думать о появлении человеческой цивилизации как о фазовом переходе, в котором хаос рухнул в порядок. По сути, фазовые переходы — это то, как внезапно появляются новые уровни возникновения.

Последовательность фазовых переходов, которые привели к жизни, состояла из нескольких переходов к более сложным (и, следовательно, стабильным) схемам, в частности к тем системным конфигурациям, которые были лучше при сбрасывании накопления свободной энергии за счет большего рассеивания. Смит и Моровиц, которые, к сожалению, скончались незадолго до публикации своего опуса, описывают процесс естественного отбора, при котором те фазы, которые лучше всего стабилизируют систему, — это те, которые переносятся.

Эта перспектива помогает объяснить, почему жизнь так крепка и устойчива к поломкам. По мере того как неодушевленные скопления частиц превращались в химические сети, а химические сети превращались в простые информационные сети, сложная адаптивная система становилась все более устойчивой и разобщенной. С рождением информационных систем — ячеек с генетическим материалом и белками, способных конструировать структуры, указанные в чертежах, — появились самореплицирующиеся единицы или «репликаторы», и стала возможной биологическая эволюция. Именно через этот каскад фазовых переходов возникла жизнь.

Дом во вселенной

Принимая диссипативную адаптацию как спонтанный физический процесс, мы также принимаем новую космическую картину, в которой биология является фундаментальной. Законы физики и динамики природы не только учитывают жизнь, но и требуют ее. Второй закон термодинамики не просто создает беспорядок; это также двигатель для сложности, потому что сложные адаптивные системы эффективно рассеивают свободную энергию, таким образом увеличивая энтропию вселенной.

Несмотря на эти теоретические достижения, мы все еще мало знаем о том, как жизнь впервые возникла на Земле. Но мы знаем, что она возникла относительно быстро (по крайней мере, в космическом масштабе времени — менее чем через полмиллиарда лет после образования планеты) и что она сохраняет свое существование непрерывно в течение почти 4 миллиардов лет, несмотря на крайнюю турбулентность природы. Если жизнь неизбежно возникает в результате потоков энергии, отталкивающих химические системы от теплового равновесия и во все более сложных схемах, это будет иметь важные последствия для возможности жизни в других местах вселенной.

Например, любые расчеты, касающиеся вероятности инопланетной жизни, должны учитывать диссипативную адаптацию, чтобы быть точными. Это, безусловно, увеличит вероятность жизни на планетах со свободными резервуарами энергии и условиями, достаточно похожими на те, что существуют на Земле. Хотя на первый взгляд может показаться, что парадокс Ферми еще более озадачивает, возможно, он поможет объяснить это. Если жизнь неизбежно возникает как следствие термодинамики, мы можем ожидать, что биосферы будут возникать и развиваться в одинаковых временных масштабах. Если это так, то разумная жизнь, возникающая на других планетах, может просто не успеть с нами взаимодействовать. Кроме того, диссипативная адаптация говорит только о появлении биологической жизни, а не разумной жизни, так что она мало говорит о вероятности технологически продвинутых инопланетян.

Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института и автор книги «Большая картина» , говорит, что вопрос «Невероятна ли жизнь?» Можно интерпретировать по-разному, что усложняет проблему. С одной стороны, это может быть вопрос о том, является ли естественным возникновение жизни во вселенной в том виде, в каком мы ее знаем, что, по-видимому, имеет место с учетом описанных механизмов. Это также может быть вопрос о том, нужно ли физически настраивать физические параметры нашей вселенной, чтобы учесть жизнь. Другими словами, имеет ли наша вселенная какой-то особый статус среди всех возможных вселенных? «По крайней мере можно себе представить, что жизнь была бы гораздо менее вероятной, если бы законы физики были немного другими», — сказал Кэрролл Квартц.

Хотя вердикт по этому вопросу еще не вынесен, в контексте вселенной, в которой мы находимся, людям больше не нужно думать о себе как о «космической аварии». Если биологические системы являются регулярностью, то мы на самом деле «в доме во вселенной», как выразился ученый и писатель Стюарт Кауфман. И это мысль, в которой даже атеист может найти духовное удовлетворение.