Воображаемая жизнь

Одна из основных проблем, с которыми нам приходится сталкиваться на подступах к этой теме, — переосмысление того, что мы имеем в виду, когда говорим о жизни. В главе 3 мы видели, как чертовски трудно вывести определение этого слова. Два варианта, которые мы обсуждали в этой главе — определение через перечень свойств и определение с позиций естественного отбора — явно землецентричны и, вероятно, будут не особенно полезны для распознания жизни, совершенно не похожей на нас. Тогда нам придётся начать с термодинамического определения. Это, как вы помните, представление о том, что живые системы поддерживаются в высокоупорядоченном состоянии, далёком от равновесного, благодаря потоку энергии.

Мы можем выделить два сценария, по которым может развиваться жизнь, совершенно не похожая на нас. В одном из них законы природы самостоятельно создают термодинамически живую систему. В другой ситуации разумная жизнь — вероятно, на углеродной основе — возникает естественным путём, а затем создаёт машины, которые развиваются до такого состояния, что мы стали бы считать их живыми. Как мы увидим далее, последняя возможность ставит перед нами некоторые самые глубокие и сложные вопросы современной философии.

Наконец, мы отмечаем, что и научная фантастика, и спекулятивная научная литература полны идей странных и удивительных форм жизни — их слишком много, чтобы описать их в одной главе. Извиняясь перед теми, чьи идеи мы оставили без внимания, мы представляем здесь несколько наиболее правдоподобных кандидатов на жизнь, совершенно не похожую на нас.

Неорганическая жизнь

Для начала немного терминологии. В каждодневных разговорах термин «органический» относится к продуктам питания, которые были выращены без использования определённых химических соединений. С другой стороны, химики используют этот термин для описания вида атомов в определённого рода молекулах: общее определение, хотя оно лишь одно из многих, состоит в том, что органическая молекула содержит углерод и водород, независимо от того, входит ли эта молекула в состав живых организмов, или нет. Например, метан («природный газ») представляет собой молекулу, состоящую из одного атома углерода и четырёх атомов водорода. В соответствии с нашим определением, эта молекула считается органической, хотя она может быть получена в результате процессов, которые не имеют ничего общего с живыми системами. Аналогичным образом понятие «неорганическая жизнь» относится к любой живой системе, которая не зависит от молекул, содержащих углерод. Например, в предыдущей главе мы обсуждали неорганическую жизнь, когда говорили о жизни на основе кремния.

Мы начнём разговор с замечания о том, что изучение неорганической жизни, будь то в лаборатории или с помощью компьютерного моделирования, в настоящее время не является основной областью научных исследований. Она проводится лишь в относительно небольшом количестве исследовательских институтов по всему миру. В дальнейшем мы опишем некоторые из самых интересных идей, которые уже были выдвинуты, и порассуждаем о других, которые могут получить развитие в будущем. Мы подчёркиваем, что никто не создал ни одного неорганического организма, который можно было бы хотя бы отдалённо считать живым. В лучшем случае кандидаты на звание жизни, совершенно не похожей на нас, проявляют лишь немногие свойства, обычно присущие живым системам. Однако ни один из них не прошёл бы простой тест «Узнáю, когда увижу».

Вначале мы рассмотрим некоторые лабораторные эксперименты, которые предполагают возможность получения металлических (т.е. неорганических) аналогов клеток. Они зависят от химических реакций, но химические реакции настолько отличаются от того, что мы обычно ассоциируем с жизнью, что они заслуживают ярлыка «совершенно не похожих на нас». Затем мы обратимся к компьютерному моделированию, которое предполагает ещё более странную форму жизни, управляемую электромагнитными взаимодействиями, а за этим последуют некоторые наши собственные размышления на тему электромагнитной жизни. Наконец, мы рассмотрим идею, которая существует только в научной фантастике: о том, что «живой» может быть целая планета. Закончив с этим, мы обратимся ко второй категории, упомянутой выше: к жизни, созданной высокоразвитым разумом.

Химик Ли Кронин и его коллеги из Университета Глазго провели серию экспериментов, чтобы выяснить, может ли жизнь на основе металлов развиваться в направлении, аналогичном развитию жизни на основе углерода на Земле. Одна из его целей — найти неорганические процессы, которые могут привести к образованию эквивалента клеточной мембраны — структуры, отделяющей живое от неживого. Используя молекулы, называемые полиоксометалатами — сложные молекулы, содержащие сотни атомов, привязанных к таким металлам, как вольфрам, ванадий или молибден, — и стандартные химические методы, он может создавать полые металлические пузырьки или оболочки, которые могут служить клеточными мембранами. В зависимости от параметров эксперимента, эти оболочки могут даже нести отверстия, аналогичные каналам, по которым химические вещества поступают в живые клетки и покидают их. Кронин называет свои творения неорганическими химическими клетками (inorganic chemical cells) или iCHELL.

Одна из целей Кронина — создание металлической версии естественного отбора. Вот как он может работать: ячейка iCHELL будет заполнена несколькими крупными молекулами и молекулами меньшего размера, которые более крупные могли бы использовать для построения молекулярных структур. Конкуренция между более крупными молекулами за более мелкие была бы металлическим эквивалентом естественного отбора, и успешные молекулы, заключенные в металлическую оболочку, были бы аналогом первых на Земле клеток на углеродной основе. Это действительно амбициозный проект, и Кронин, безусловно, обладает научными знаниями, необходимыми для его реализации. Впрочем, авторы считают, что было бы разумно подождать, пока не будет достигнут дальнейший прогресс в данном подходе к неорганической жизни, прежде чем размышлять о том, как такой процесс может происходить на экзопланете.

Хотя подход с использованием iCHELL к созданию чего-то, что можно было бы назвать «живым», зависит от экзотического вида химии, другие учёные полностью отказались от химии в своих поисках жизни, совершенно не похожей на нас. Например, в 2009 году международная группа теоретиков под руководством физика В. Н. Цытовича из Российской академии наук создала компьютерную модель с интересными выводами в отношении природы жизни. Собственно, они начали с облака пылевых частиц, заключённого в плазму. Определение: плазма — это газ, в котором у части атомов были вырваны один или несколько электронов; созданные таким образом положительные ионы, а также электроны способны свободно перемещаться. Обычный способ образования плазмы в природе заключается в повышении температуры газа, что делает сильнее столкновения между атомами и в итоге выбивает из них слабее всего связанные электроны. Плазма довольно распространена во Вселенной — например, вещество на Солнце почти полностью состоит из плазмы — и её не так уж сложно создать: вы делаете это всякий раз, когда включаете флуоресцентную лампочку. Таким образом, природная среда, представленная в компьютерной модели, не является особо экзотической. В пылевой плазме некоторые электроны присоединяются к частицам пыли и тем самым создают отрицательно заряженные частицы, которые также могут свободно перемещаться.

Теоретики обнаружили, что при определённых условиях действие электрическиех и магнитных сил в системе плазма-пыль способствует сбору пыли в структуры, которые можно описать только как микроскопические спирали. Они сами несут электрический заряд и могут, например, расти и разделяться на две спирали, каждая из которых является копией исходного объекта. Возможно, мы захотели бы обозначить этот процесс как воспроизводство. Кроме того, некоторые из спиралей более стабильны, чем другие, что приводит к своего рода выживанию наиболее приспособленных, которое мы связываем с естественным отбором.

Таким образом, мы можем сказать, что самоорганизующиеся пылинки в плазменной среде проявляют некоторые формы поведения, которые мы ассоциируем с живыми системами. Кроме того, они соответствуют нашему определению термодинамической жизни, поскольку поддержание существования плазмы при высокой температуре требует затрат энергии, а спирали явно далеки от состояния равновесия. Однако, сказав это, мы должны подчеркнуть, что все эти модели поведения до сих пор существуют лишь в компьютерной модели, но не в лаборатории или в космосе. Такая форма жизни может быть возможной, но нам нужно будет увидеть физическое проявление этого прежде, чем хотя бы просто подумать, действительно ли то или иное пылевое облако является живым.

Вообще, когда физики вроде команды Цытовича думают о том, как создавать сложные немолекулярные системы, они обычно обращаются мыслями к электричеству и магнетизму. Как было показано в главе 2, эти явления регулируются группой законов, известной как уравнения Максвелла. Там, где они непосредственно относятся к нашему обсуждению, говорится, что

• электрические токи (т.е. движущиеся электрические заряды) создают магнитные поля и

• изменяющиеся магнитные поля создают электрические токи

Второе из этих утверждений как раз и объясняет, например, генерацию индуцированных электрических токов, о чём мы говорили в главе 13.

Электрические токи вроде тех, что текут по медным проводам в вашем доме, состоят из электронов. Когда эти электроны движутся, они передают часть своей энергии тяжёлым атомам меди, с которыми сталкиваются, и те после этого движутся чуть быстрее — это явление мы воспринимаем как выделение тепла, которое рассеивается в среде, окружающей провод. Мы говорим, что провод характеризуется наличием так называемого электрического сопротивления. Если мы не будем продолжать добавлять энергию, чтобы восполнить потерянное тепло, ток перестанет течь. Когда это произойдет, исчезнет также любое созданное им магнитное поле (см. первое правило выше).

В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес (1853-1926) сделал удивительное открытие: когда температура некоторых металлов, например, ниобия и олова, понижается до нескольких градусов выше абсолютного нуля (-460°F или -273°C), электрическое сопротивление исчезает. В этой ситуации электрические токи будут течь вечно, и связанные с ними магнитные поля также будут существовать вечно. Явление, которое обнаружил Камерлинг-Оннес, называется сверхпроводимостью. Теперь мы понимаем, что оно возникает из-за того, что при таких низких температурах все электроны в токе объединяются и обходят тяжёлые атомы металла, не передавая им никакой энергии. Весь смысл здесь в том, что, если сохранять электрические провода холодными, сверхпроводящие токи можно использовать для создания интенсивных (и постоянных) магнитных полей. Например, если вы когда-либо проходили магнитно-резонансное томографическое исследование, вас прощупывали магнитным полем, которое создаёт электрический ток в сверхпроводнике. Сверхпроводящие магниты имеют ключевое значение для проектирования крупнейших в мире ускорителей частиц — таких, как Большой адронный коллайдер в Швейцарии. Они также значатся в планах следующего поколения железнодорожных перевозок, поскольку являются неотъемлемой частью так называемых маглевов (от «магнитная левитация»), поездов на магнитной подвеске, которые разрабатываются во всем мире для междугородних поездок. Вообще, коммерческие поезда на магнитной подвеске уже работают в Китае. Как это часто бывает в науке, открытие этого малоизвестного явления привело к появлению отраслей промышленности, оборот которых составляет многие миллиарды долларов ежегодно.