Один из самых сложных вопросов, связанных с астробиологией, — поиск жизни в космосе, — касается природы самой жизни. Уже более века биологи знают, что жизнь на Земле состоит из основных строительных блоков: ДНК, РНК и аминокислот. Более того, изучение окаменелостей показало, что жизнь прошла множество эволюционных путей, приведших к появлению разнообразных организмов. В то же время существует множество доказательств того, что конвергенция и ограничения играют важную роль в ограничении типов эволюционных доменов, которых может достичь жизнь.

Для астробиологов это естественным образом порождает вопросы о внеземной жизни, познания о которой в настоящее время ограничены нашими узкими рамками наших возможностей. Например, могут ли учёные предсказать, какой может быть жизнь на других планетах, основываясь на том, что известно о жизни на Земле? Международная группа под руководством исследователей из Института Санта-Фе (SFI) рассмотрела эти и другие вопросы в своей недавней работе. Рассмотрев конкретные примеры из разных областей, они пришли к выводу, что некоторые фундаментальные ограничения не позволят существовать некоторым формам жизни.

Исследовательскую группу возглавлял Рикард Соле, руководитель лаборатории ICREA-Complex Systems Lab в Университете Помпеу Фабра и внешний профессор Института Санта-Фе (SFI). К нему присоединились многочисленные коллеги из SFI и исследователи из Института биологии Университета Граца, Лаборатории сложных многослойных сетей, Центра сетевой медицины Падуи (PCNM), Университета Умео, Массачусетского технологического института (MIT), Технологического института Джорджии, Токийского технологического института и Европейского центра живых технологий (ECLT).

Команда размышляла над тем, что может обнаружить межзвёздный зонд, если он приземлится на экзопланету и начнёт искать признаки жизни. Как такая миссия могла бы распознать жизнь, которая развивалась в биосфере, отличной от той, что существует на Земле? Если предположить, что для возникновения жизни необходимы определённые физические и химические предпосылки, то шансы, скорее всего, будут гораздо выше. Однако вопрос становится гораздо сложнее, если выйти за рамки эволюционной биологии и астробиологии и рассмотреть синтетическую биологию и биоинженерию.

По мнению Соле и его команды, все эти соображения (вместе взятые) сводятся к одному вопросу: могут ли учёные предсказать, какие возможные формы живой организации материи существуют за пределами того, что нам известно из биосферы Земли? По словам Соле, это представляет собой серьёзную проблему для астробиологов, поскольку они не знают, что искать, и сталкиваются с проблемами синтетической биологии:

«Большой проблемой является обнаружение биосигнатур. Обнаружение атмосфер экзопланет с надлежащим разрешением становится реальностью и будет улучшаться в течение следующих десятилетий. Но как определить надёжный критерий, позволяющий утверждать, что измеренный химический состав связан с жизнью?

«[Синтетическая биология] будет параллельной историей в этом приключении. Синтетическая жизнь может дать значимые подсказки о том, чего можно ожидать и насколько это вероятно в данных условиях. Для нас синтетическая биология — это способ допросить природу с пристрастием на предмет в принципе возможного».

Чтобы изучить эти фундаментальные вопросы, команда рассмотрела примеры из термодинамики, вычислений, генетики, клеточного развития, науки о мозге, экологии и эволюции. Учёные также рассмотрели предыдущие исследования, пытавшиеся смоделировать эволюцию на основе конвергентной эволюции (когда разные виды независимо развивают схожие черты или поведение), естественного отбора и ограничений, накладываемых биосферой. Из этого, по словам Соле, они вывели определённые требования, которым отвечают все формы жизни:

«Мы рассмотрели самый фундаментальный уровень: логику жизни во всех её проявлениях, учитывая несколько информационных, физических и химических границ, которые кажутся неизбежными. Клетки как фундаментальные единицы, например, кажутся ожидаемой точкой притяжения путей развития жизни с точки зрения структуры: везикулы и мицеллы формируются автоматически и позволяют возникать дискретным единицам».

Авторы также указывают на исторические примеры, когда люди предсказывали некоторые сложные особенности жизни, которые впоследствии подтвердили биологи. Одним из главных примеров является книга Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь?», написанная в 1944 году, в которой он предсказал, что генетический материал представляет собой апериодический кристалл — неповторяющуюся структуру, которая, тем не менее, имеет точное расположение и кодирует информацию, направляющую развитие организма. Это предложение вдохновило Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика на проведение исследований, которые привели их к открытию структуры ДНК в 1953 году.

Однако, говорит Соле, есть ещё работа Джона фон Неймана, которая на много лет опередила революцию в молекулярной биологии. Он и его команда ссылаются на концепцию «универсального конструктора» фон Неймана — модель самовоспроизводящейся машины, основанной на логике клеточной жизни и воспроизводства. «В принципе, жизнь может принимать самые разнообразные конфигурации, но мы утверждаем, что все формы жизни будут иметь некоторые неизбежные черты, такие как линейные информационные полимеры или наличие паразитов», — резюмирует Соле.

Тем временем, добавил он, предстоит ещё многое сделать, прежде чем астробиология сможет с уверенностью предсказать, какие формы может принимать жизнь в нашей Вселенной:

«Мы предлагаем набор специальных исследований, охватывающих широкий спектр свойств жизни. Это обеспечивает чётко определённую схему разработки фундаментальных основ. В некоторых случаях, таких как неизбежность появления паразитов, наблюдения чрезвычайно убедительны, и у нас есть некоторые интуитивные представления о том, почему так происходит, но пока нет универсального теоретического аргумента. Для доказательства этих идей придётся найти новые точки объединения различных областями знаний, от вычислений и синтетической биологии до экологии и эволюции».