ВЛАДИМИР ГУБАЙЛОВСКИЙ: НАУКА БУДУЩЕГО
sub В поисках жизни /sub
Еще сравнительно недавно все было понятно — есть неживая (неодушевленная) природа, есть живая (одушевленная) и есть разумная. Границы между этими мирами представлялись вполне отчетливыми и не подвергались особым сомнениям. И определение Энгельса, данное им в «Диалектике природы»: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему
существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел» [24] — представлялось вполне соответствующем действительности.
Сегодня определений жизни существует достаточно много, и практически все они подвергаются критике.
Проблема в том, что граница между живым и неживым — не четкая, она размыта и не проявлена. Такая ситуация характерна не только для понимания жизни, но и, например, для понимая того, чтбо такое сознание или разум. Границы неощутимы. Это не стены, а степи.
Как показывают исследования последних лет, жизнь существует практически везде, в условиях, казалось бы, для нее совершенно неприемлемых.
Ученые из Университета Принстона обнаружили бактерии, живущие на глубине st1:metricconverter productid="2,8 километра" w:st="on" 2,8 километра /st1:metricconverter под землей. До недавнего времени они были совершенно изолированы от поверхности и, как оказалось, полагались на урановые руды в качестве источника энергии для жизни. Кора Земли фактически не изведана на глубинах более полукилометра. Найденные организмы живут в другом, полностью отличном от нашего мире. Ученые исследовали заполнившийся водой разлом на одном из золотых рудников около Йоханнесбурга, ЮАР. Они взяли пробы воды, просачивавшейся в шахту с большой глубины. Анализ ДНК показал присутствие в пробах воды нескольких видов бактерий, среди которых доминировал новый вид бактерий Firmicutes. В замкнутой подземной среде бактерии Firmicutes играют ту же роль, что на поверхности играют фотосинтезирующие организмы. Эти бактерии усваивают первичную энергию, чтобы передать ее всем членам сообщества. На поверхности первоисточником энергии для всего живого является энергия Солнца. А вот под землей таким источником энергии служит радиация урановых руд. Именно она приводит к выделению свободного водорода при расщеплении воды. Найденный вид Firmicutes использует для своего питания энергию, выделяющуюся при реакции водорода и сульфатов, а отходы жизнедеятельности этой бактерии могут служить источником пищи для других микроорганизмов, живущих глубоко под землей. Анализ возраста разлома и генетический анализ бактерий показали, что от своих наземных сородичей они были полностью изолированы не менее 3 миллионов лет назад.
При бурении океанского дна тоже были найдены микроорганизмы. Оказалось, что на глубинах в 400 — st1:metricconverter productid="800 метров" w:st="on" 800 метров /st1:metricconverter под океанским дном, в толще древних отложений живут миллиарды бактерий. Джон Паркес и его коллеги из британского университета Кардиффа полагают, что источником энергии для обнаруженных ими бактерий является водород, выделяющийся при геохимических процессах, а сами бактерии вырабатывают метан. По некоторым оценкам, эта бактериальная биосфера, расположенная под морским дном, очень велика и по массе превосходит все бактерии, живущие на суше. Поэтому она оказывает заметное влияние и на геологические процессы, и на баланс диоксида углерода. Возможно, без таких подземных бактерий у нас не было бы нефти и газа.
Российские и французские ученые при глубинном бурении на антарктической станции Восток во льду, поднятом с многокилометровой глубины, обнаружили следы бактерий, до сих пор встречавшихся лишь в некоторых горячих источниках. Бурение остановлено за несколько десятков метров от крупнейшего подледного озера Восток, но в поднятых образцах льда уже есть следы воды из озера, которые попали в верхний слой льда в результате перемешивания или землетрясения. Образцы льда содержат полосы темного осадка. В этом осадке и были найдены генетические следы бактерий, которые обычно живут при температуре 50 — 60 градусов Цельсия. Возможно, это связано с тем, что озеро Восток имеет гидротермальную систему, которая подогревает воду. Жизнь в озере Восток может быть близким аналогом жизни, которая, вполне вероятно, существует подо льдом некоторых спутников планет-гигантов, в частности на спутнике Сатурна Энцеладе.
Профессор Университета Аризоны Пол Дэвис заметил: «Для того чтобы найти форму жизни, отличную от той, к которой мы привыкли, вовсе не надо отправляться на Марс или к звездам. Я думаю, что вполне достаточно отправить миссию на Землю. Может быть, другая жизнь есть прямо у нас под носом или даже в носу». Профессор считает, что мы слишком сосредоточены на поисках тех форм жизни, к которым привыкли, и ниоткуда не следует, что других форм жизни нет.
На вопрос, где искать другую жизнь, профессор Дэвис отвечает: «Нужно искать иную жизнь там, где мы ее никогда не искали, например в озерах, богатых мышьяком. Мы считаем эти озера отравленными, но может быть, как раз там и развивается другая жизнь». Дэвис иронически замечает: «Когда я говорю о другой жизни, все без исключения думают о той форме жизнедеятельности, которая вместо углерода использует кремний, потому что все смотрели „Star Track”. Но я думаю, что кремний тут ни при чем. Если традиционная форма жизни строится на углероде, кислороде, водороде, азоте и фосфоре, то у другой жизни фосфор может заменить именно мышьяк». Профессор Дэвис считает, что одним из тех мест, где мы можем найти принципиально другую жизнь, может оказаться озеро Mono Lake, расположенное в Калифорнии. Вода имеет высокую концентрацию мышьяка. Пол Дэвис убежден, что жизнь на Земле рождалась не однажды, что она рождается постоянно, но мы слишком сосредоточены на той ее форме, которую знаем. Пора посмотреть вокруг.
И вот астробиологи из NASA сообщили, что, вполне вероятно, жизнь, основанная на метане и ацетилене, существует на спутнике Сатурна Титане. На Титане довольно холодно по земным меркам, и там метан находится в жидком состоянии. Причем его на Титане очень много — он разлит по поверхности. Как утверждают планетологи, там есть целые озера и реки из метана. Титан — единственное небесное тело в Солнечной системе (кроме Земли), где на поверхности есть жидкая среда. Когда в 2005 году были открыты озера на Титане, сразу было высказано предположение, что на этом спутнике Сатурна возможна жизнь. И микроорганизмы, живущие там, дышат водородом и питаются ацетиленом. Если это так, то распределение водорода в атмосфере Титана должно быть специфичным: в частности, в нижних слоях атмосферы водорода практически не будет — он будет поглощаться микроорганизмами в процессе дыхания. Когда спутник «Cassini» провел исследование атмосферы Титана, распределение водорода оказалось в точности таким, каким его предполагали увидеть сторонники жизни на Титане. Конечно, это еще не доказывает, что на Титане действительно есть жизнь, но то, что теория блестяще подтвердилась, заставляет все с большим интересом присматриваться к этому удивительному небесному телу.
Поиски жизни заводят ученых куда глубже в пространстве, чем пределы Солнечной системы, и куда дальше во времени, чем возраст Земли. В последние
годы все более популярной среди серьезных исследователей становится гипотеза
панспермии, согласно которой преджизнь возникла не на Земле, скорее всего в межгалактических пылевых облаках 10 миллиардов лет назад. Согласно этой гипотезе, жизнь существует повсюду во Вселенной.
У этой гипотезы есть серьезные оппоненты, которые говорят, что панспермия ничего не объясняет, поскольку всего лишь сдвигает решение вопроса о происхождении жизни во времени и пространстве. На что адепты панспермии возражают, что само по себе увеличение времени эволюции многое объясняет, поскольку тогда очень медленные и крайне маловероятные процессы зарождения жизни получают достаточно хорошие шансы на реализацию, чего никак нельзя сказать в том случае, если процесс предбиологической эволюции происходил только на Земле. То есть если посадить за пишущую машинку обезьяну, вероятность того, что она напечатает «Гамлета», исчезающе мала, но если мы посадим миллиард обезьян и у них будет 10 миллиардов лет, вероятность того, что одна из них напечатает шедевр, резко повышается. А как утверждают сторонники панспермии, именно удачный экземпляр получает резкое конкурентное преимущество в дальнейшей эволюции и достаточно быстро «заражает» преджизнью (или даже жизнью) окрестные звезды.
Еще одно направление в поисках жизни — ее синтез. Можно, конечно, спорить, является ли вирус живым или нет, но собрать его из подручных материалов мы можем, и довольно давно. Первый искусственно синтезированный вирус — вирус полиомиелита — был собран в 2002 году. Если быть более точным, был собран его геном — РНК, состоящая из 7500 нуклеотидов. Собранную молекулу РНК вводили в экстракт белков, полученных из разрушенных клеток, и в этом белковом экстракте под влиянием искусственно полученной РНК был зарегистрирован синтез новых полноценных частиц вируса полиомиелита. Более того, «новый» вирус при введении в мозг мышей оказался способным вызывать паралитические заболевания, сходные с полиомиелитом человека. (Это, кстати, пример небелковой формы жизни — вирус развивается из одной РНК без участия белков. Так что Энгельса биохимики уточнили.)
На сегодня известны геномы более чем 2 тысяч вирусов. И в принципе многие из них могут быть синтезированы. Более того, ничему не противоречит создание полностью искусственных вирусов, которые не имеют природных аналогов. Правда, для этого нужно научиться понимать, что значит в геноме каждый нуклеотид.
Но профессор Стивен Беннер из Университета Флориды полагает, что жизнь вполне можно вырастить в пробирке. В исследовании, которое было опубликовано в 2009 году, сообщается, что группа, которую возглавляет Беннер, работает над созданием специальной молекулы, которая очень похожа на нормальную ДНК, но только ее код строится не из 4-буквенного алфавита (как у традиционных форм жизни на Земле), а из 6-буквенного. Тем не менее Беннер уверен: «Мы создали первый пример искусственно синтезированных химических систем, способных к дарвиновской эволюции». Пока эта система нуждается во внешней помощи —
ее необходимо подкармливать. Профессор Беннер считает, что наше представление о «жизни» является весьма приближенным и будет уточняться и расширяться.
Есть и другое направление поиска жизни — это компьютерные вирусы и другие программы, способные к самостоятельному существованию в глобальных сетях: в принципе у них уже есть все признаки живого существа — они способны размножаться, мутировать, приспосабливаться к изменениям среды (например, к новым версиям антивирусных программ).
С начала 2000-х группа ученых из Калифорнийского технологического института и Мичиганского университета работает над проектом «Avida» [25] . Главный рабочий инструмент авторов проекта — компьютерная программа под названием «Avida». Это — генетический симулятор, создающий в памяти компьютера подобие живой природы.
Эта природная среда представляет собой виртуальный процессор, который является обычной программой, стартующей на реальном процессоре. Виртуальный процессор много проще и яснее — он заточен под обработку только одного вида программ, а эти программы представляют собой не что иное, как знакомые всем пользователям персональных компьютеров компьютерные вирусы.
Каждый живой организм в «Avida» представляет собой простую программу, инструкции к которой имитируют генетический код. Единственная задача каждой такой программы — воспроизводство себя самой. Но вследствие мутаций (случайных изменений, вносимых в код виртуальной средой) они могут получить и другие возможности.
Функция цели или функция полезности, которая и направляет эволюцию цифровых созданий, не сводится только к максимальному уровню воспроизводства. Создателям «Avida» удалось научить свои цифровые творения выполнять серию логических операций. Конечно, эти создания научились столь сложным вещам не в результате некоей одной мутации или одного решающего скрещивания, но, получая поощрение в виде дополнительной возможности оставить потомство за небольшой прогресс в нужном направлении (к примеру, за умение выполнить какую-либо логическую операцию), за 15 тысяч поколений они решили поставленную перед ними достаточно сложную задачу.
Варьируя норму мутаций — то есть вероятность случайного изменения программы, исследователи пришли к довольно неожиданным выводам. Оказалось, что сама по себе способность к очень быстрому воспроизводству хорошо работает только при довольно низком уровне мутаций. При высокой вероятности мутации очень быстрое воспроизводство может привести к тому, что большое количество особей оказывается нежизнеспособно, стремительно деградирует и вымирает.
Гораздо более устойчивыми оказываются особи с меньшим уровнем воспроизводства себе подобных — в этих случаях образуется «облако», или квазиособь, как называет это явление один из основных разработчиков Крис Адами. Квазиособь содержит множество вариантов очень близкого генетического кода — то есть это множество близких родственников, и некоторые из них оказываются жизнеспособны. И на длинных отрезках эволюции побеждают более устойчивые к мутации особи, а не те, которые наиболее быстро размножаются. Крис Адами высказал предположение, что биологические вирусы ведут себя именно как квазиособи — то есть как многовариантные генетические образования. И именно это позволяет им выживать и приспосабливаться. В то время как любой конкретный генотип оказывается неспособным противостоять губительной мутации, в «облаке» организмов обязательно найдутся некоторые особи, генотипы которых смогут приспособиться и выжить.
Крис Адами настаивает на том, что его цифровые особи — это живые организмы: «Мы моделируем мир, но мы не моделируем организмы, живущие в этом мире. Они живут и борются, чтобы выжить. Информация, которая является генетической последовательностью этих цифровых организмов, закодирована в физическом виде в памяти компьютера. И они настолько физически существуют, насколько физически существует информация, закодированная в последовательности ДНК».
Исследования Криса Адами и его коллег представляют безусловный интерес. Хотя и не следует преувеличивать достигнутое. Ученые определили целевую функцию не так, как требует этого классический дарвинизм: цель — не максимальное воспроизводство особей, а умение выполнять набор логических операций. Само по себе такое умение не помогает воспроизводству цифровых вирусов, выигрыш происходит только потому, что так устроена внешняя среда. То есть фактически система говорит своим обитателям: заниматься нужно математикой, тогда и с воспроизводством все будет нормально. Вы получите высокую норму воспроизводства в качестве награды. В случае Криса Адами размножение цифровых вирусов напрямую зависит не от того, как они учатся размножаться, а от того, как они умеют «познавать».
Итак, можно ли сказать, куда идет развитие науки в познании того, что такое жизнь? Будут открываться все новые и новые формы жизни, существующие в природе, вероятно, не только на Земле. Скорее всего, какие-то формы жизни (возможно, не встречающиеся в природе) будут синтезированы.
Станет ли нам понятнее, что такое жизнь? Сможем ли мы сформулировать такое же четкое определение, как однажды сформулировал Энгельс? Очень маловероятно.
Впрочем, и сам Энгельс добавлял: «Наша дефиниция жизни, разумеется, весьма недостаточна, поскольку она далека от того, чтобы охватить все явления жизни, а, напротив, ограничивается самыми общими и самыми простыми среди них. <...> Чтобы получить действительно исчерпывающее представление о жизни, нам пришлось бы проследить все формы ее проявления, от самой низшей до наивысшей» [26] .