На главную книги, на страницу текущей главы

Источник: официальный сайт

ОБЪЕДИНЕННОГО ИНСТИТУТА ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объединенный Институт ядерных исследований (ОИЯИ)  - это международная межправительственная научно-исследовательская организация, созданная на основе соглашения, подписанного 26 марта 1956 г. одиннадцать государств-основателей и зарегистрированная ООН 1 февраля 1957 года. Он расположен в Дубне, недалеко от Москвы, в Российской Федерации. Дубна - город имеющий статус наукоград.

http://jinr.ru/section.asp?sd_id=39

По материалам газеты "Дубна: наука, содружество, прогресс" № 1-6, от 11.01.13-08.02.13

автор статьи Марчело Глайзер
Факультет физики и астрономии,
Дартмутский колледж, Ганновер, США
Дартмуский коллежд - университет разряда докторский (самый высокий разряд) один из старейших университетов США, входящий в элитную Лигу плюща. Несмотря на название, Дартмут — не только колледж, в нём учатся аспиранты и ведутся научные исследования. 

От зарождения Вселенной до появления разумной жизни
Четыре этапа развития астробиологии



СОДЕРЖАНИЕ
  • ВВЕДЕНИЕ
  • ФИЗИЧЕСКИЙ ЭТАП
  • ХИМИЧЕСКИЙ ЭТАП
  • БИОЛОГИЧЕСКИЙ ЭТАП
  • КОГНИТИВНЫЙ ЭТАП
  • Послесловие к публикации. Зачем возник разум?

История жизни на планете Земля, а также других планетарных систем, потенциально благоприятных для жизни, тесно связана с историей Вселенной. Так как все известные нам формы жизни базируются на химических элементах, образующихся в результате гибели звезд-гигантов, Вселенная должна иметь достаточно солидный возраст, чтобы эти звезды могли сформироваться и пройти весь путь своей эволюции. Современная космологическая теория утверждает, что возраст Вселенной составляет 13,7±0,13 миллиардов лет и первые звезды сформировались через сотни миллионов лет после Большого взрыва. Как минимум, некоторые звезды образовались со стабильными планетарными системами, где, по всей вероятности, могли бы произойти биохимические реакции, приводящие к возникновению жизни.

Автор статьи разделяет космологическую историю на четыре периода-этапа, начиная от момента Большого взрыва до появления форм разумной жизни. Физический этап описывает возникновение Вселенной и материи в ней, космический синтез ядер, образование первых звезд и галактик. Химический этап начался тогда, когда звезды-гиганты в результате внутризвездного синтеза ядер стали источником сырья для ингредиентов, необходимых для жизни. Таким образом более тяжелые химические элементы накапливались в зарождающихся планетах и лунах и послужили материалом для образования добиологических биомолекул. Биологический этап описывает возникновение ранних форм жизни, их эволюцию посредством дарвиновского естественного отбора и появление сложных многоклеточных форм жизни. И, наконец, во время когнитивного этапа сложные формы жизни эволюционировали в разумные формы, обладающие способностью самосознания и создания технологий с помощью целенаправленного преобразования энергии и материалов. В заключение автор пытается ответить на вопрос, является ли жизнь на Земле правилом или исключением.

ВВЕДЕНИЕ

За последние десятилетия благодаря беспрецедентному потоку новых данных в науках о Космосе произошла двойная революция.

Во-первых, благодаря космическим аппаратам COBE (Cosmic Background Explorer - "спутник-зонд для измерения космических фоновых излучений") и WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe - "аппарат для изучения реликтового излучения, названный в честь одного из руководителей проекта Д.Уилкинсона"), удалось чрезвычайно точно определить свойства космического микроволнового фонового излучения. Это позволило дать ответы на многовековые вопросы о Вселенной: каковы ее возраст, геометрия, из чего она состоит и когда появились первые звезды.

Эти наблюдения, объединенные с результатами исследования распределений галактик и их скоплений во Вселенной, полученные с помощью телескопов SDSS (Sloan Digital Sky Survey - Слоановский цифровой обзор неба) и 2dF (2dF Galaxy Redshift Survey - обзор галактического красного смещения), а также телескопа Хаббл (Hubble Space Telescope Key Project) и многих других исследований, легли в основу так называемой космологической модели космической "гармонии" (CDM-модели).

Согласно этой модели, возраст Вселенной составляет 13,7 миллиардов лет, она состоит на 4 процента из барионной материи, на 23 из темной материи и на 73 из темной энергии. Константа Хаббла, характеризующая космическое расширение, составляет 71 км/сек/Mpc, а плотность вещества во Вселенной практически совпадает с критическим значением для плоской Вселенной.

Во-вторых, с помощью анализа данных различных методик наблюдения космических объектов были открыты сотни экзопланет в соседних с нами галактиках. На 4 февраля 2012 года общее число таких планет составляло 758, а недавние исследования показывают, что у каждой 100-миллиардной звезды в галактике Млечный путь находится в среднем 1,6 планеты. Если это так, то можно предположить, что только в одной нашей галактике располагаются сотни миллиардов планет (не говоря об их возможных спутниках вроде нашей Луны).

Несмотря на то что большинство из перечисленных результатов были получены с помощью наземных телескопов с использованием эффекта Допплера, методики пролета и техники гравитационного микролинзирования, данные с двух спутников: Corot (запущенный в декабре 2006 года) и Kepler (запущенный в марте 2009 года), - позволили быстро увеличить статистику таких открытий. В частности, спутник Kepler был предназначен для поиска планет, похожих на Землю, в обитаемой зоне нашей галактики или рядом с ней. К декабрю 2011 года с помощью этого спутника было зарегистрировано 2326 кандидатов, 207 из которых имели массу, близкую к земной. Тогда же было подтверждено, что в созвездии Лиры (950 световых лет от Земли) два экзо-планетных кандидата размером с Землю вращаются вокруг звезды немного меньшей, чем Солнце (91 процент солнечной массы). К сожалению, обе эти планеты вращаются ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу, и соответственно, температуры на их поверхности значительно выше той, что могут перенести живые организмы. По оценкам команды Kepler, 5,4 процента всех звезд имеют планеты с такими же размерами, как Земля.

Суммируя вышесказанное, можно заключить, что космологические и экзопланетарные данные указывают на то, что в нашей галактике существует много планетарных систем, где потенциально может быть жизнь. Если считать, что во всей Вселенной работают одни и те же законы физики и химии, то это заключение можно распространить на сотни миллиардов других галактик, расположенных в пределах видимой части нашей Вселенной.

Таким образом, историю возникновения жизни во Вселенной можно представить как последовательные стадии самоорганизации материи во все более сложные структуры: от первых атомных ядер в звезды и планеты (физический этап), от тяжелых химических элементов в биомолекулы (химический этап), а также в живые организмы со все более сложной структурой (биологический этап), и, наконец, в мыслящие ансамбли биомолекул, способных к дальнейшему развитию (когнитивный этап). В этом смысле становится ясно, что история жизни во Вселенной - центральный вопрос астробиологии - начинается с возникновения самой Вселенной.

ФИЗИЧЕСКИЙ ЭТАП

Если исходить из варианта существования Мультивселенной, а в пользу этой точки зрения говорят как инфляционная космология, так и теория струн с неограниченным числом ее возможных реализаций, то можно утверждать, что наша Вселенная - это одна из многих (или даже бесконечно многих) космических сущностей, которые постоянно возникают из вневременной субстанции, "пузырятся", расширяются, эволюционируют...

Является ли наша Вселенная частью Мультивселенной или нет, она должна отвечать некоторым характеристикам и обеспечивать возможность эволюции материи от элементарных частиц до атомных ядер и легких атомов, а от них к первым звездам и звездообразующим системам. Эта эра космического возникновения и образования различных связанных состояний материи определяет физический этап астробиологии, который начался с Большого взрыва и продолжается по сей день.

Интересно отметить, что естественные процессы, определяющие каждый из обсуждаемых этапов, однажды начавшись и сегодня остаются в активном состоянии и, видимо, продолжатся в обозримом будущем. Если это действительно так, далекое будущее зависит от того, как темная энергия повлияет на окончательную судьбу Вселенной.

В рамках современной космологической теории, подкрепленной многочисленными наблюдениями, установлено, что нашей Вселенной необходимо иметь ненулевую вакуумную энергетическую плотность (темную энергию), ненулевую плотность темной материи, асимметрию "материя-антиматерия" и начальные возмущения плотности для образования крупномасштабной структуры, которые зародились во время раннего периода быстрого расширения, известного как инфляция.

К вышеперечисленным параметрам необходимо добавить константы связи четырех взаимодействий (гравитационных, электромагнитных, сильных и слабых ядерных сил) и массы кварков и лептонов так, чтобы адроны и затем легкие ядра могли формироваться после электрослабого нарушения симметрии. Как известно, ранняя Вселенная согласуется только с малой начальной энтропией, тогда как начальные состояния с большой энтропией не могут способствовать формированию каких-либо структур; следовательно, для того чтобы возникла сложная структура, должно быть достаточно свободной энергии.

Таким образом, физический этап включает всю раннюю историю Вселенной: от Большого взрыва до электрослабого нарушения симметрии, начального нуклеосинтеза и эпохи рекомбинации, длившихся примерно 400 тысяч лет. В это время сформировались первые атомы водорода и средний свободный пробег фотонов сравнялся с размером всей причинно-следственной области, то есть появился космический микроволновой фон. По всему расширяющемуся космическому объему существовали сверхплотные области, где оставшиеся от начальной инфляции флуктуации собрали вокруг себя достаточно темной материи, чтобы образовать протяженные сверхплотные слои и филаменты (разряженности). Более того в ряде таких областей возникали глубокие гравитационные потенциальные ямы, в которые "сваливалась" барионная материя, образуя большие облака, щедро наполненные водородом.

Спустя примерно 200 миллионов лет эти облака гравитационно сжались, собрали на себя путем аккреции (от лат. accretio, прирост, присоединение, - падение рассеянного вещества на поверхность космического тела - прим. ред.) достаточно материала для того, чтобы в их центре начался термоядерный процесс слияния ядер и родились первые сверхмассивные звезды-гиганты. Вскоре или даже одновременно с образованием сверхмассивных звезд появились первые галактики. Недавно были обнаружены галактики, уже существовавшие, когда Вселенной было всего лишь 480 миллионов лет.

В последующие несколько сотен миллионов лет уже полным ходом шла эволюция галактик и рождались новые галактики путем слияния уже существующих. Однако галактики, в которых возможна жизнь, должны удовлетворять некоторым ограничениям в своей морфологии, а также типу и возрасту входящих в них звезд. Например, для удержания тяжелых элементов галактики должны иметь массу выше некоторой определенной величины. Расчеты показывают, что галактики с массами M > 109 Mo способны удерживать более 30 процентов тяжелых элементов (Mo - масса Солнца - прим. ред.). Процессы слияния галактик и накопления вещества, ведущие к образованию галактических дисков, таких, например, как у Млечного пути (который имеет массу MMW ~1012 Mo), требуют для своего завершения длительного времени и маловероятны при красном смещении z  1 (т.е. на слишком ранней стадии).

Поэтому жизнь может возникать, видимо, только в галактиках с большой массой, а величину MMW можно считать некоторым определяющим значением. Звезды также подходят не все. Так зоны, пригодные для длительного проживания (иными словами, наличие на поверхности планет воды в течение продолжительных периодов) существуют только вокруг звезд в спектральных классах между F5 и К. Таких звезд насчитывается около 20 процентов от всех звезд Главной последовательности. Из них следует рассматривать только ту часть, которая обладает планетарными системами. По результатам недавних поисков экзопланет, эта часть может считаться вполне значительной. Возможно, это покажется неожиданным, но даже бинарные звездные системы могут внести свою лепту.

Итак, как только образовались звезды с высоким содержанием тяжелых металлов, а также планетарные диски, содержащие необходимые для жизни химические элементы, - начинается химический этап.

ХИМИЧЕСКИЙ ЭТАП

Поскольку тщательное изучение спектральных линий космического излучения позволило обнаружить богатое разнообразие неорганических и органических молекул в межзвездной среде, можно утверждать, что область применения химических законов не ограничивается только планетами и их атмосферой.

Один из ключевых вопросов в отношении происхождения жизни может быть сформулирован так: "Могли ли первые составляющие жизни быть доставлены на "молодую" Землю путем метеоритного дождя, или же просто за счет постоянного падения космического вещества на поверхность Земли, либо они были синтезированы на самой нашей планете? Действительно, с одной стороны аминокислоты были обнаружены в углеродистых хондритах (каменных метеоритах, состоящих из капелек силикатного вещества, застывшего в форме шариков, т.е. хондр - прим. ред.), а с другой, они были синтезированы в лаборатории из простых химических блоков в тех условиях, которые моделировали первичную атмосферу Земли. Реальность, похоже, такова, что для возникновения жизни на Земле понадобился как местный синтез, так и доставка необходимого материала извне.

Среди планет, астрономически расположенных в потенциально благоприятной для жизни зоне (оставим без четкого определения это понятие), только часть будет иметь подходящие предпосылки для ее возникновения. Это вода в виде жидкости и элементы С (углерод), О (кислород), H (водород), N (азот) и реже встречающиеся, но не менее необходимые P (фосфор), S (сера), Fe (железо), Ca (кальций), Na (натрий), Cl (хлор) и другие. Предполагается, что кроме воды должны присутствовать также простые молекулы типа метана CH4, углекислого газа CO2, аммиака NH3. Как показано в экспериментах по типу Миллера, чтобы получить аминокислоты в земных условиях, необходимо также иметь восстановительную (разряженную) среду. Планетарные системы, где есть вулканическая активность, имеют в этом смысле преимущество.

Если принять возраст Земли за 4,54 миллиардов лет и считать, что последняя тяжелая космическая бомбардировка обрушилась на Землю примерно 4,1-3,8 миллиардов лет назад, мало что можно сказать по поводу характера развития добиологической химии на протяжении первых 740 миллионов лет истории Земли.

Например, Дейвис и Лайнуивер высказывали предположение о нескольких опытах-попытках зарождения жизни, которые начинались заново из-за интенсивных потрясений окружающей среды. Принимая во внимание тот факт, что такие рассуждения в какой-то степени размывают границы между химическим и биологическим этапами, в качестве рабочей версии можно считать, что химический период характеризуется добиологическими химическими процессами, которые позволили провести первый успешный "эксперимент" возникновения жизни, независимо от того, когда это произошло.

Имеются достаточно серьезные доказательства того, что 3,5-3,4 миллиардов лет назад на Земле существовала жизнь в форме одноклеточных прокариотов (организмов, клетки которых не имеют оформленного, ограниченного мембраной ядра, буквально - "доядерные" - прим. ред.). Это значит, что уже тогда биологический этап начался в полном объеме. Таким образом, фундаментальный вопрос, который лежит на границе двух эпох, состоит в том, когда именно произошел абиогенез, т.е. переход от неживой материи к живой.

Если принять в качестве рабочей (и безусловно, слишком упрощенной) трактовки жизнь как самоподдерживающуюся последовательность химических реакций, способную обмениваться энергией с окружающей средой и обладающую дарвинистской репродукцией, то можно считать, что именно добиологическая химия ответственна за возникновение такой последовательности реакций.

В широком смысле, химия описывает стремление материи к образованию связанных систем с целью понижения степени асимметрии в распределении электрических зарядов атомов и молекул. Жизнь - это очень сложное проявление такого стремления, это своеобразная неустойчивость, которая воссоздает сама себя. Получается, что главное здесь не материя, а процесс, который с ней происходит. Несмотря на то, что все существовавшие до нашего времени организмы происходят от некоторого единого и универсального общего предка (a last universal common anceslor, LUCA), - мало что известно о тех абиотических (не относящихся к жизни) составляющих и добиологических химических превращениях, имевших место на ранней Земле, из которых "возник" LUCA.

Спектр возможных механизмов простирается от моделей типа "метаболизм сначала", например в виде гипотезы Вахтершаузера - о мире на базе сульфида железа и варианта "мембраны сначала" - для липидного мира, который изучал Димер и его коллеги, до моделей типа "пептиды сначала", предложенных Фоксом и другими, а также до популярных гипотез типа "генетика сначала", таких как РНК- и до-РНК сценарии мира. Все эти механизмы можно сгруппировать в виде двух школ или направлений. Первая - "метаболизм сначала", как предложил Опарин в своей основополагающей работе, и вторая - "сначала гены".

Происхождение гомохиральности также тесно связано с абиогенезом, или другими словами, с вопросом о том, почему биомолекулы демонстрируют почти полную пространственную асимметрию.

В своей книге "Происхождение жизни" в 1924 году Опарин указывал, что капли маслянистых жидкостей обычно не могут хорошо растворяться в воде. Вместо этого они образуют небольшие капли, похожие на пузырьки. Эти жирные капли, согласно Опарину, могли бы создать хорошую защитную среду, позволяя молекулам, случайно оказавшимся внутри них, взаимодействовать друг с другом в условиях ослабленного воздействия извне. Время от времени, в результате таких взаимодействий возможно образование новых химических соединений, в том числе и более сложных.

Начиная с некоторого критического момента, эти молекулы могут создавать все больше собственных копий с помощью самодостаточной (автокаталитической) последовательности реакции; в результате маленькие жирные шарики становятся первыми протоклетками.

В противоположность репродукции в более организованных генетических условиях, репродукция здесь первоначально происходила бы случайно, так как турбулентное внешнее воздействие вызывало бы разделение капель на части. В редких случаях продукты такого разделения будут содержать правильный состав химических веществ, что позволит продолжиться отмеченным выше автокаталитическим реакциям, в результате популяция этих протоклеток начнет развиваться.

Дорон Лансет и его коллеги в Институте Вайцмана провели компьютерное моделирование таких сценариев липидного мира, показав, что если родительская клетка способна произвести больше одной "самоактивирующейся" дочерней клетки, то может возникнуть цепная реакция, которая приведет к тому или иному варианту примитивной жизни. Генетика будет развиваться позже, поскольку репродуктивный процесс самосовершенствуется посредством бесчисленных поколений, управляемый невидимой рукой некоторой добиологической версии естественного отбора.

Можно ожидать, что протоклетки, содержащие молекулы, которые более эффективно воспроизводились и могли лучше извлекать и "метаболизировать" энергию из внешней среды, возобладали над другими и постепенно стали доминировать в популяции.

Противоположная точка зрения заключается в том, что вначале появилась генетика, т.е. дублирование предшествовало метаболизму. Самая распространенная идея здесь - это гипотеза о мире РНК, т.е. о двух переносчиках генетической информации, ДНК и РНК, где РНК способна "запустить с резкого старта" процесс самовоспроизведения.

В отличие от ДНК, она может функционировать как энзим (фермент), поэтому способна активизировать свою собственную полимеризацию (другими словами, выстраивать цепочку более мелких частей в более длинные молекулы, как бусинки в ожерелье), и самодублирование. Если мы предположим, вполне обоснованно, что жизнь началась с простых форм, то такой "самодостаточный повторитель" - это вполне подходящий вариант для ее объяснения.

Как отмечал Том Фенкель в книге "Происхождение и ранняя эволюция жизни", реальное преимущество сценария "РНК сначала" состоит в том, что он позволяет вести подробные лабораторные исследования. Серии весьма интересных экспериментов, проведенные, например, Манфредом Айгеном и Лесли Оргелем и позднее группой Джеральда Джойса в исследовательском институте Скриппса в Сан Диего, Калифорния, прояснили взаимосвязь между генетикой и естественным отбором на молекулярном уровне путем прямых манипуляций с РНК и ДНК, иллюстрируя при этом связь между химией и биологией. Однако с точки зрения происхождения жизни интересно знать, что именно на ранней Земле вызвало необходимое количество сложных процессов химического синтеза, прежде чем на ней появились РНК.

Возможно, как предположил Дайсон в "Происхождении жизни", оба сценария сработали вместе при создании первого чего-то такого, что можно было бы назвать живущим. Иными словами, в какой-то момент протоклетки с примитивным метаболизмом и простыми липидными границами ("клеточное оборудование") были захвачены или случайно поглощены предшественниками генетической репликации ("клеточное программное обеспечение") по образу того, как паразиты захватывают питающую их особь. Спустя целую вечность методом проб и ошибок происходит таки симбиотическое слияние этих двух сущностей, и образуется клетка с оптимальной способностью к самовоспроизводству.

В любом случае данное обсуждение показывает, что границы между химической и биологической эпохами достаточно размыты. Поэтому вполне разумно предположить, что в какой-то момент от 3,8 до 3,5 миллиардов лет назад появилась LUCA, и начался настоящий биологический период. Конечно, он мог начаться и гораздо раньше на иной планетарной системе в нашей или другой галактике. В любом случае, переход от неживой к живой материи произошел бы и там при условии, что жизнь не была туда доставлена в готовом виде из космоса. Однако если даже согласиться с этой гипотезой панспермии (автор данной работы, однако, считает ее очень надуманной), абиогенез должен был произойти по крайней мере один раз где-то во Вселенной. 

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ЭТАП

Как только появляется жизнь или даже несколько раньше, на биомолекулярном, добиологическом уровне начинает свою работу естественный отбор Дарвина. Простейшая автономная единица жизни - это клетка. Тем не менее нет объяснения тому, как произошел переход между простыми и уже достаточно сложными структурами: от коацерватов (в данном случае небиологические объекты) с некоторой способностью раздваиваться до простейших известных нам клеток, прокариот. Цианобактерии (blue-green algae) и многие другие бактерии представляют собой прокариоты, т.е. простейшие клетки, где ДНК связана в спираль без мембраны, отделяющей ее от остальной клетки. В эукариотах, т.е. более сложных клетках типа тех, что имеются в нашем теле, генетический материал располагается в изолированном ядре.

При рассмотрении истории жизни на Земле оказывается, что одноклеточные организмы были вне всяких сомнений самыми выносливыми обитателями на планете. Цифры впечатляют: примерно от 3,5 миллиардов лет и до 1 миллиарда лет назад жизнь на Земле оставалась одноклеточной. В течение около 2,5 миллиардов лет жизнь на Земле состояла только из одноклеточных организмов, хотя некоторые организовывались в колонии. Эукариоты появились ближе к концу этого периода из-за коллективных усилий цианобактерий, когда благодаря присущему им фотосинтезу значительно увеличилось количество кислорода в атмосфере.

Этот факт заставляет нас сделать паузу. Изучая происхождение жизни, мы можем забыть о многоклеточных организмах. Звезды - это прокариоты. Решающий переход от одноклеточных к многоклеточным организмам, от наших амебоподобных предков к губкам, произошел из-за ряда невероятных факторов. Самое важное - рост количества кислорода в атмосфере от 2,7 до 2,2 миллиардов лет назад. В результате произошло параллельное образование озона вследствие воздействия солнечного ультрафиолетового света на кислород. Этот озон в свою очередь создал защитный слой между организмами и тем же самым, но уже губительным ультрафиолетовым излучением от Солнца, что сделало возможным появление более сложных форм жизни. Без этого эффекта нас бы здесь не было.

Когда обсуждается возможность существования жизни где-то еще в космосе, именно эти факторы (и многие другие) - наиболее важны. Необходимо помнить такой ключевой момент, что история жизни на любой планете (или спутнике планеты) глубоко связана с геологической историей этой планеты. Другими словами, если бы мы смогли повернуть историю Земли назад и изменить несколько важных событий в ее геологической истории, жизнь зарождалась бы здесь совершенно по-другому.

Мутации происходят случайно, у них нет "скрытой программы" к возрастающему усложнению: все, что важно для жизни, заключается в способности к приспособлению. Если формы жизни хорошо приспособлены к окружающей среде, или, другими словами, если со стороны окружающей среды наблюдается лишь небольшое давление или оно вообще отсутствует, то вряд ли будет польза от мутаций. Поэтому различное влияние окружающей среды означает и различные требования к приспособлению и, таким образом, будет влиять на фенотип устойчивых форм жизни.

Исходя из перспектив астробиологии, изучение жизни на Земле от момента ее зарождения до сегодняшних экстремофилов (совокупное название для живых существ, способных жить и размножаться в экстремальных условиях окружающей среды - прим. ред.), так же как и возможность обнаружения признаков жизни на экзопланетах, находятся в центре особого внимания ученых. Это основа как для планирования исследовательских космических полетов, так и разработок новых телескопов. Ознакомиться с ключевыми вопросами, которые обсуждаются сегодня в этой сфере, можно, например, из книг, написанных Салливаном и Бароссом, Люнином.

В заключение этого приведем последовательность ключевых шагов в том направлении, как возрастала степень сложности организмов на Земле (время приблизительно):

   2 миллиарда лет назад - переход от прокариотических к эукариотическим клеткам (возможно, через эндосимбиоз);

1 миллиард лет назад - переход от эукариотических клеток к колониям и многоклеточным организмам;

600-550 миллионов лет назад - переход от многоклеточных организмов к простейшим, членистоногим и многоклеточным животным;

500-65 миллионов лет назад - диверсификация жизни (рыбы, амфибии, наземные растения, насекомые, рептилии, млекопитающие, птицы, цветы, до вымирания динозавров);

2,5 миллиона лет назад - появление вида Homo;

200 тысяч лет назад - появление анатомически современного человека.

По крайней мере на Земле приход многоклеточной жизни привел, в результате 500 миллионов лет эволюции, к появлению существ, способных к самосознанию и манипулированию окружающей их средой с целью создания орудий труда для улучшения качества жизни.

Хотя можно поспорить, что шимпанзе, дельфины и другие млекопитающие демонстрируют высокий уровень самосознания, эмоциональную глубину и примитивные способности пользоваться орудиями. И все же рассвет когнитивного этапа совпадает с появлением первых современных людей. Это единственный известный нам вид, способный придумывать и использовать сложные технологии, основанные на соединении и подборе различных материалов, а также произведения искусства, или другими словами, вид, который обладает и функциональными и эстетическими способностями и использует их для созидания выходящего за рамки только стремления к выживанию. 

КОГНИТИВНЫЙ ЭТАП

Один из животрепещущих вопросов, по крайней мере, в плане нашего места во Вселенной, - правило мы или исключение. С учетом колоссального количества миров и изобилия органических веществ в межзвездной и околозвездной среде (например, недавно обнаруженные полициклические ароматические углеводороды), а также исключительной жизнестойкости земных экстремофилов, трудно утверждать, что жизнь смогла возникнуть только на нашей планете. С другой стороны, размышляя о жизни во Вселенной, следует различать ее простую, одноклеточную форму и сложную, многоклеточную. И даже в этом случае нужно аккуратно разграничивать многоклеточную и разумную формы жизни.

Если брать Землю как единственный пример, получается, что жизнь существовала в одноклеточной форме примерно 3 миллиарда лет из 3,5 миллиардов. Разум в широком смысле как способность приспосабливать орудия для определенной цели, существует лишь последний миллион лет в виде Homo Abilis. Хотя изготовление сложных орудий труда, потребность хоронить умерших, а также возникновение искусства - три характеристики когнитивного этапа - появились, по-видимому, совсем недавно.

Здесь надо сделать одно важное замечание. Принимая во внимание зависимость жизни от окружающей среды - история возникновения жизни на планете является отражением истории жизни планеты - жизнь в той форме, в какой мы знаем ее на Земле, не может быть тиражирована. Однако вопрос, является ли разум воссоздаваемой чертой жизни, по-прежнему будоражит наше воображение. Иными словами, может ли еще где-нибудь жизнь быть разумной, способной творить искусство и создавать технологии. И, если это так, широко ли она распространена в космосе?

В своей бескомпромиссной книге "Планета Земля как большая редкость: почему сложные формы жизни не встречаются во Вселенной" Питер Уард и Дональд Бранли убедительно доказывают, что жизнь скорее всего есть где-то еще во Вселенной, но она, по-видимому, существует там только в своей простейшей форме: другие, похожие на Землю, планеты могут поддерживать чужеродные микроорганизмы, но не более того.

Даже если убрать все химические преграды, жизнь не может быть широко распространенной, поскольку слишком много планетарных факторов должны сойтись, чтобы обеспечить сложную многоклеточную форму жизни. Например, нужны достаточно большая луна для стабилизации наклона планетарной оси и, таким образом, обеспечения смены времен года, магнитное поле и атмосфера для защиты от радиации, тектоника платформ для смешивания химии поверхностей и океанов, помогающая регулировать уровни СО2, и т.д. и т.п.

Поскольку трудно представить, как разум - здесь или еще где-либо - смог возникнуть без эволюции многоклеточных существ, длившейся миллионы лет, обнаружение (на Земле) многоклеточных "пришельцев" придало бы дополнительный импульс идее о реальной возможности присутствия в космосе высокоразвитых существ. И даже если это так, важно помнить, что человеческий разум появился как результат достаточно случайных космических и эволюционных событий: разум вовсе не конечная цель эволюции, как показывают 150 миллионов лет существования динозавров.

Если мы серьезно относимся к возможности неземной разумной жизни, то задумаемся над несколькими вопросами. Самый очевидный сформулировал Энрико Ферми в 1950: "А где все?". Нашей галактике примерно 13,2 миллиардов лет, почти в 3 раза больше, чем Солнцу. Представим, что жизнь развивалась в другой звездной системе даже на несколько миллионов лет раньше, чем она появилась здесь, и что она достигла стадии своей эволюции, когда сложные существа стали разумными. Из этого следует, что какие-то из инопланетян имели достаточно много времени, чтобы достичь поразительно высокого уровня развития в области технологий. Приняв во внимание все то, что мы смогли изобрести только за четыре столетия современной науки, можно заключить, что их технологии вполне должны казаться нам чудесами и волшебством. В случае если они, так же как и мы, испытывают тягу к путешествиям, у них наверняка уже были бы такие средства передвижения и достаточно времени, чтобы много раз вдоль и поперек исследовать галактику. Заметим, что путешествие со скоростью 0,1 с через всю галактику займет один миллион лет. И тем не менее, все, что мы имеем по этому поводу, говорит нам о том, что они не колонизировали нашу галактику и даже не посещали нас на Земле. Итак, где же тогда все они? Этот вопрос иногда называют парадоксом Ферми. 50 возможных ответов, смешных и серьезных, можно найти в литературе.

Возможность того, что другие формы разумной жизни существуют и существовали до нас, конечно есть. Когнитивный этап начался тогда, когда в "некотором уголке" нашей причинно-связанной Вселенной появились первые признаки разума. Если они существуют в пределах наших галактических окрестностей, скажем, в нескольких сотнях световых лет, у нас есть шанс "послушать их радиопередачи", если таковые вообще имеют место. Именно эта задача стоит перед программой SETI, которая существует уже более полувека. Предпочтительная полоса радиочастот, называемая Microwave Window, простирается от 1 до 10 ГГц. Это тот диапазон, в котором сигналы проходят сквозь космический газ и пыль достаточно беспрепятственно. Здесь многие исследования сконцентрированы в интервале частот от 1420 МГц (21-см линия, водород) и 1720 МГц (наивысшая из четырех частот гидроксильной молекулы). Вода, как известно, образуется, когда водород соединяется с гидроксилом. Поскольку вода является фундаментальным ингредиентом для жизни, этот диапазон известен как "Водяное окно". Конечно, предполагается, что инопланетяне будут посылать сигналы внутри именно этого частотного диапазона, чтобы связаться с другими технологическими цивилизациями. И хотя шансы, что успешное открытие будет сделано именно здесь, очень малы, тем не менее положительный результат, несомненно, оправдал бы затраченные усилия. Джил Тартер, нынешний директор центра SETI, считает по этому поводу: "Если не искать, ничего не найдете".

В настоящее время миссия SETI ищет доказательства существования разума по нескольким направлениям, среди них есть как проекты планетарного масштаба, так и перепрофилирование имеющихся астрономических устройств. Конечно, в оправдание наших неудач на этом пути всегда можно сказать, что высокоразвитый разум давно научился скрывать свое присутствие, чтобы менее развитые виды не беспокоили.

Итак, резюмируя все изложенное, следует признать, что у нас нет доказательств существования жизни где-либо еще. Сегодня крепнут ожидания, что ситуация изменится в ближайшие десятилетия, поскольку благодаря спектроскопическим наблюдениям у ряда экзо-планет удалось обнаружить очень похожую на земную атмосферу, где вполне могут быть обнаружены озон или даже хлорофилл и другие красноречивые свидетельства жизни. Прямые исследования подледниковых океанических вод Европы или даже глубинных территорий Марса могут дать нам определенные доказательства прошлой или настоящей жизни в виде простейших форм. Но скорее всего, разумная жизнь - гораздо более редкая находка. Необходимость преодоления огромных расстояний во время межпланетных путешествий означает, что в обозримом будущем на этот вопрос ответ не будет найден. Однако, как любил говорить Карл Саган, "отсутствие доказательств еще не доказательство отсутствия".

Перевод с английского Ирины КРОНШТАДТОВОЙ под общей редакцией Вадима БЕДНЯКОВА Послесловие к публикации Зачем возник разум?

Обзор Марчело Глайзера (Ганновер, США) "От зарождения Вселенной для появления жизни", опубликованный в 1-4-м номерах нашей газеты, завершается сегодня послесловием-комментарием Вадима БЕДНЯКОВА, заместителя директора Лаборатории ядерных проблем имени В.П.Джелепова. Именно с его помощью эта публикация состоялась.

Почему этот обзор попал в "Дубну"? Можно сказать, по иронии судьбы и/или из-за сложности самого текста на английском языке. Тема, безусловно, актуальная и интересная, особенно в последнее время, когда астрофизические наблюдательные данные достигли беспрецедентной точности. Автор, как мне показалось при первом знакомстве с текстом, достаточно четко и ясно выделил и описал этапы, необходимые для возникновения жизни на Земле, что называется "от Большого взрыва до наших дней".

Однако английский слог его был очень тяжел, и я вынужден был обратиться к профессиональному переводчику Ирине Кронштадтовой, чтобы до конца понять - о чем это он пишет? А когда уже получил русский текст и начал с ним работать, понял, что коль уж он есть на русском, то будет вряд ли справедливо, если только я его прочитаю. Это и был первоначальный мотив передачи этого обзора в нашу "Дубну". Дальнейшее - дело редакции.

Ну а потом по просьбе той же редакции возник нижеследующий комментарий.

Начнем с наблюдения - все в окружающем нас мире стремится к самосохранению. Это просто, привычно и кажется совершенно очевидным, то есть не требует какого-то дополнительного доказательства. Мы с этим живем с самого раннего детства.

И тем не менее, почему мы в состоянии видеть, ощущать, различать или, по-научному, отражать в нашем сознании окружающие нас предметы? Да просто потому, что все они, грубо говоря, не успевают измениться за то время, что мы на них смотрим, ощущаем. Они остаются самими собой, они отделены друг от друга в пространстве (а порой и во времени). Все они стабильны. Одни очень стабильны (протоны и электроны, горы, моря и океаны, деревья), другие не очень и/или даже очень не стабильны, жизнь их коротка (топ-кварки, нейтроны, мотыльки и бабочки и т.п.). Но у них есть одно, а главное, совершенно общее свойство - сохранять (некоторое время) состояние самотождественности.

Именно благодаря этому свойству мы способны отличать их друг от друга. Именно благодаря этому свойству вообще что-либо возможно в этом мире. Если бы не это уникальное свойство, вокруг нас царил бы полный хаос - везде и всегда совсем ничего. Даже если в таком мире окажется внешний наблюдатель, то он ничего не сможет увидеть и ощутить, поскольку во всех направлениях вокруг него все совершенно одинаково и совершенно бесструктурно. Глазу этого несчастного не на чем было бы остановиться. Если бы даже какие-то структуры и успевали создаваться, они бы исчезали очень быстро и бесследно (что эквивалентно их отсутствию).

Итак, более или менее очевидно, что стремление к самосохранению присуще всем и всему. Каждый это делает по-своему. Камень прочный и твердый, а вода умеет все обтекать. Жизнь как явление тоже обладает этим свойством - раз возникнув на нашей планете, она стремится сохраниться как можно дольше во времени и пространстве.

Не будем обсуждать, зачем собственно нужна, для чего возникла эта жизнь. Зададимся другим вопросом: зачем возник разум, каковы возможные причины обсуждаемого автором статьи когнитивного этапа?

Как мы узнаем из этой статьи, а кто-то, вероятно, об этом догадывался и раньше, носители жизни на нашей планете - довольно хрупкие, построенные из молекул сущности, которые сами по себе очень даже недолговечны, и на первый взгляд, у них нет шансов на успешное и длительное выживание. Но, оказывается, что именно эта недолговечность как раз и обеспечивает уникальную стабильность самой жизни. Жизнь как бы использует смерть индивидов конструктивно - во благо самой жизни. Путем оптимальной подстройки под внешнее давление и угрозы окружающей среды. Все неразумные живые существа прекрасно справляются с задачей максимально эффективного выживания. Однако... лишь в очень тонком слое пространства-времени у поверхности планеты Земля. Они прекрасно приспособлены к этому слою, оптимально функционируют в нем, соревнуются друг с другом и хорошо умеют противостоять его причудам.

Но эти неразумные существа ничего не знают и знать не могут о существовании "третьего" измерения. В данном случае это Космос. Именно он способен в один миг совершенно лишить всякого смысла эту прекрасную приспособляемость неразумных живых организмов, мгновенно уничтожив все и вся. Скажем, с помощью астероида, кометы, вспышки гамма-излучения и тому подобных космических фокусов. В результате жизнь будет уничтожена полностью. Одна ли, или вместе с планетой Земля - это уже дело десятое.

Отсюда вытекает тривиальный вывод - чтобы этого не произошло или хотя бы свести вероятность такого исхода к минимуму, и нужен разум.

Действительно, только разум (у нас нет других примеров!) порождает такую форму человеческой деятельности, как наука - исследование Природы, окружающей мыслящих живых существ. Изучая Природу, человек узнает ее законы и начинает жить в соответствии с ними. Знание законов Природы позволяет уже в значительной мере предвидеть и предсказывать будущее. Не сразу и не все. Постепенно. Например, уже сегодня мы способны видеть еще пока очень далеко летящий прямо или почти на нас метеорит. И пока он летит, придумать, как избежать с ним столкновения.

Неразумные животные такой возможности лишены - если даже они что-то и предчувствуют, то избежать глобальных катастроф они никак не в состоянии. Только разум человеческий способен спасти мир.

Автор статьи приводит в пример динозавров, долгожительство которых, по его мнению, отрицает разум как цель эволюции живых существ. С моей точки зрения - наоборот! Аргумент донельзя прост - несмотря на свою долгую жизнь, динозавры таки вымерли, и, скорее всего, из-за глобальной катастрофы, которая вполне могла быть вызвана внешним космическим воздействием. Иными словами "опыт" с динозаврами как раз не удался, и Жизнь решила обратить свой взор в сторону разума.

Вадим БЕДНЯКОВ