Воображаемая жизнь

Для определения жизни были предложены и другие процессы. Один из самых интересных берёт начало в новой науке о сложности, и называется свойством эмерджентности. В данном случае мы определяем жизнь как эмерджентное свойство химических систем.

Стандартной аналогией, используемой для объяснения понятия эмерджентности, является куча песчинок. Представьте себе, что вы создаёте кучу, добавляя по одной песчинке за раз. По мере накопления песчинок сеть сил, действующих внутри кучи, становится всё более и более сложной, хотя сами эти силы генерируются просто контактом между песчинками. В конце концов — скажем, на миллионной песчинке — происходит нечто иное. Мы добавляем эту песчинку, и внезапно вниз по склону кучи движется оползень. Оползень — это эмерджентное свойство песчинок. Суть в том, что от одной песчинки одну миллионную долю оползня вы не получите — чтобы получить эффект, у вас должен быть миллион песчинок.

Точно так же утверждалось, что жизнь — это проявление своего рода химического оползня. Сделайте химическую систему достаточно сложной, говорится далее, и вы, скорее всего, создадите жизнь.

Основная проблема такого рода определений процессов заключается в том, что они требуют достаточно подробного знания о том, как обсуждаемая система стала такой, какая она есть. В главе 5 мы обсудим серьёзные проблемы, связанные с поиском свидетельств существования жизни на других планетах — речь даже не идёт о том, чтобы выяснять, как эта жизнь развивалась. Даже на Марсе, куда мы реально можем отправлять спускаемые аппараты и зонды для проведения измерений на месте, найти убедительные доказательства того, что жизнь есть (или была), оказалось чрезвычайно сложно. Представьте себе, как трудно было бы определить эволюционную историю жизни на далёкой экзопланете.

Определения, основанные на термодинамике

Когда такую проблему, как определение жизни, рассматривают физики, их подход в целом заключается в том, чтобы докопаться до самых основных законов природы, действующих в любой системе, которую они исследуют. Этот приём восходит, как минимум, к Исааку Ньютону, который показал, что движение любого объекта в любой точке Вселенной можно объяснить в рамках трёх законов. Можно сказать, что цель физики — свести вселенную к набору уравнений, которые поместились бы на футболке, как мы уже увидели в предыдущей главе.

Следовательно, когда физик смотрит на жизнь на Земле, он думает о двух фундаментальных свойствах: энергии и энтропии, или порядке. Понимание этих свойств находится в ведении области науки, известной как термодинамика, которая разработана в 19 веке. В предыдущей главе мы описали первый и второй законы термодинамики (вспомните футболку), которые можно сформулировать так:

Первый закон: энергия существует во многих формах, взаимно переходящих друг в друга, но не может быть создана или уничтожена.

Второй закон: с течением времени неупорядоченность в замкнутой системе будет возрастать или оставаться неизменной.

Второй закон часто формулируется через величину, называемую энтропией, которую мы можем рассматривать как меру упорядоченности системы — высокая энтропия приравнивается к большой степени беспорядка, низкая энтропия — к высокой степени порядка.

Стандартная аналогия, которая используется для иллюстрации законов термодинамики — это спальня подростка. С течением времени комната будет становиться всё более и более захламлённой (т. е. становиться менее упорядоченной или, что эквивалентно, переходить в состояние более высокой энтропии). Мы можем считать беспорядок естественным «равновесным» состоянием системы. Единственный способ избежать такого исхода и удерживать систему дальше от состояния равновесия — постоянно исправлять ситуацию, а этот процесс требует использования энергии. Эта энергия, скорее всего, поступит из пищи, которую съест подросток (или, что более вероятно, его или её родители), и после того, как комната будет убрана, рассеется в виде отработанного тепла, излучаемого в космос. Это следует из первого закона — энергия, заключённая в пище, должна куда-то уходить и не может просто исчезнуть. Таким образом, для поддержания состояния высокой упорядоченности (или низкой энтропии) нам необходим постоянный поток энергии, протекающий через систему. На жаргоне физиков мы говорим, что поток энергии поддерживает систему в высокоупорядоченном состоянии, далёком от равновесия.

Живая система вроде человеческого тела находится именно в таком высокоупорядоченном состоянии, по аналогии с прибранной спальней. Атомы в вашем теле, будучи предоставленными самим себе, превратились бы в беспорядочную мешанину недифференцированного материала — это аналог спальни, в которой царит беспорядок. Поток энергии, доставляемый приёмом пищи, но в конечном счёте исходящий от Солнца, удерживает тело подальше от его равновесного состояния, которое было бы той самой кучей неупорядоченных атомов. Мы можем обобщить эту мысль, сказав, что живая система — это система, которую поток энергии поддерживает в состоянии, далёком от равновесия.

Вероятно, вместо того, чтобы искать определение жизни, лучше считать этот процесс свойством живой системы — свойством, которое может работать как сигнал, предупреждающий нас о возможном наличии жизни. На жаргоне логиков это необходимое, но недостаточное условие для жизни. Иными словами, в каждой живой системе должен существовать поток энергии, поддерживающий состояние высокой упорядоченности, но не каждая система с таким свойством является живой. Растущая снежинка, например, представляет собой высокоупорядоченную систему, приводимую в движение тепловой энергией, но живой она не является.

Концепция термодинамической жизни будет особенно полезной, когда мы приступим к рассмотрению возможности существования жизни, совершенно не похожей на нас, в главе 16.

Несколько слов о технологии

В 1960 году палеонтологи Луис и Мэри Лики, работавшие в Олдувайском ущелье в Танзании, обнаружили ископаемые останки гоминида в окружении свидетельств наличия каменных орудий труда. Гоминид, позже получивший название Homo habilis («Человек умелый»), был первым из наших предков, который использовал материалы из окружающей среды для изготовления орудий труда — в данном случае заострённых каменных отщепов. Обладая мозгом примерно вдвое меньшего размера, чем у современных людей, хабилис вывел нас на путь, ведущий к технологическому обществу, которым мы сейчас наслаждаемся.

Ранее считалось, что изготовление орудий труда, как и язык, было одной из тех особенностей, которые отличали людей от других животных. В настоящее время мы понимаем, что границы такого рода гораздо менее резкие, чем мы когда-то считали. Мы видим, как другие животные используют некоторые примитивные орудия труда — например, шимпанзе засовывают прутик в гнездо термитов, чтобы вытащить насекомых наружу, где их можно съесть. Однако утверждать, что палка и, например, «Боинг-747» в некотором смысле равнозначны — это значит осознанно проявлять тупость. Подобно иным отличиям между человечеством и всей остальной природой, отличия в способности изготавливать орудия труда проявляются скорее в глубине навыка, чем в том, что это за орудия.

Очевидно, что способность использовать материалы из окружающей среды для изготовления орудий труда является необходимым условием для развития технологического общества. Этот факт, однако, ставит интересный вопрос, когда мы размышляем об экзопланетах. На Земле повсеместная доступность горных пород и камней позволила нашим предкам разрабатывать всё более сложный набор орудий труда. То же самое можно сказать и о легко обрабатываемых металлах на поверхности Земли или непосредственно под ней. Без этих металлов мы бы всё ещё жили в каменном веке.

Но наличие легкодоступных материалов для изготовления инструментов не обязательно должно быть всеобщей особенностью экзопланет. В мире, покрытом водой, который мы обсуждаем в главе 8, камни и металлы легко могут оказаться в дефиците, и развитие чего-то такого, что мы признали бы технологической цивилизацией, может оказаться в лучшем случае проблематичным. Таким образом, наше внимание будет приковано не только к наличию жизни на экзопланете, но и к наличию природных материалов, которые могут поддерживать производство орудий труда и, в конечном счёте, технологическую цивилизацию.

4

ПРАВИЛА ИГРЫ

КАК ДОЛЖНА РАБОТАТЬ КАЖДАЯ ЖИВАЯ СИСТЕМА

Как ни парадоксально, но, хотя формулировка определения жизни может быть трудной или, возможно, даже невозможной задачей, определение свойств жизни на отдалённых планетах не является такой уж большой проблемой. Причина этого заключается в том, что у нас есть достаточно хорошее представление о том, как развивается и функционирует жизнь по отношению к окружающей среде, в которой она находится — по крайней мере, в отношении жизни, похожей на нас. Кроме того, далее по тексту мы утверждаем, что «правила игры», которые управляют жизнью на Земле, следует применять практически к любому виду жизни, а не только к жизни, основанной на химических свойствах углерода. Таким образом, мы можем выявить правила, которые управляют развитием жизни любого вида в любой точке галактики, когда выясним, что это за правила, прямо здесь, на Земле. Учитывая это представление — и ещё тот факт, что возникновение жизни на Земле является единственным процессом, создающим жизнь, о котором мы знаем — ниже мы вначале изложим то, что знаем о развитии жизни на нашей собственной планете, а затем попытаемся представить, как подобные процессы будут протекать в экзотических условиях экзопланет.

Каждый из двух основных вопросов, которые мы можем задать о том, как жизнь на нашей планете стала такой, какая она есть, требует знаний из иных областей науки. Первый вопрос заключается в том, каким образом нечто живое возникло из материалов, которые определённо не были живыми — он известен как проблема происхождения жизни. Второй вопрос таков: как после появления живого существа развились те разнообразие и сложность жизни, которые мы наблюдаем вокруг себя в настоящее время? Из двух вопросов этот окажется более актуальным для обсуждения жизни на экзопланетах, поэтому нам повезло, что у нас есть довольно чёткое представление о том, как этот процесс происходил на Земле. Наше нынешнее понимание обращается к естественному отбору (или, что равнозначно, к дарвиновской эволюции), который мы обсуждали в предыдущей главе, коснувшись определения жизни от НАСА.

Происхождение жизни на Земле

Прежде чем мы перейдём к подробному описанию происхождения жизни, нам следует сделать важный вывод. Живые системы на Земле в наше время представляют собой чрезвычайно сложные объекты, продукт миллиардов лет эволюции. Первое живое существо на планете — то, которое мы можем назвать универсальным общим предком, — было бы совсем не похоже на тех живых существ, которых мы видим сегодня. Оно было бы чрезвычайно примитивным и, вероятно, обладало бы лишь немногими особенностями, присущими современным клеткам. Мы увидим, что сложность современных живых существ возникла из этого примитивного начала позже, в процессе естественного отбора.