Наша родная планета просто переполнена жизнью. За более чем 4 миллиарда лет непрерывной биологической активности на нашей планете жизнь укоренилась практически в каждой нише — от глубочайших океанских впадин до внутренностей вулканических кратеров, от почти кипящих кислотных геотермальных источников до самых высоких заснеженных горных вершин. Живые организмы есть буквально повсюду, они хорошо приспособлены к своим экологическим нишам и способны извлекать энергию и/или питательные вещества из окружающей среды, чтобы выживать, процветать и размножаться.

Несмотря на огромные различия между анаэробным одноклеточным организмом и человеком, их сходство поразительно. Все организмы опираются на одни и те же биохимические молекулы-предшественники, которые, в свою очередь, построены из одних и тех же атомов: прежде всего углерода, азота, кислорода, водорода и фосфора, а также ряда менее распространённых элементов, необходимых для жизненных процессов.

Учитывая, что всё во Вселенной возникло из одного и того же космического события — горячего Большого взрыва, — можно было подумать, что строительные блоки, необходимые для жизни, присутствовали в ней с самого начала. Может показаться, что жизнь просто обязана была возникнуть во время естественного хода вещей. Как сказал персонаж О. Ж. Грант из кинофильма «Трасса-60», «вероятность любого события — 100%, иначе оно бы не произошло».

На самом деле, нет. Большой взрыв, каким бы впечатляющим он ни был, не смог создать необходимые ингредиенты для возникновения жизни. Хотя тут речь и идёт о космических масштабах, на самом деле именно законы, управляющие субатомными частицами, — ядерная физика и физика частиц — не позволили Вселенной сформировать тяжёлые элементы, необходимые для жизни на ранних стадиях Большого взрыва.

Если бы эти правила были немного другими, например, дейтерий был более стабильным, протонов и нейтронов было намного больше или фотонов с высокой энергией было меньше, ядерный синтез мог бы создать большое количество тяжёлых элементов в первые несколько секунд существования Вселенной.

Но легко разрушаемая природа дейтерия в сочетании с огромным количеством фотонов, присутствующих в ранней Вселенной, не дали появиться необходимым сырьевым ингредиентам в самом начале.

Вместо этого во Вселенной с самого начала образовались только ядра водорода и гелия, которые через несколько сотен тысяч лет сформируют нейтральные атомы, а через десятки-сотни миллионов лет станут сырьём для первой звезды. Это ключевой шаг: нам нужно дождаться формирования звёзд, прежде чем мы накопим значительное количество более тяжёлых элементов, таких как углерод, кислород и другие элементы, необходимые для жизни. Большой взрыв был прекрасным началом нашей Вселенной, но он не мог сам по себе создать условия для жизни. Для этого нужно, чтобы поколения звёзд жили, умирали и обогащали межзвёздную среду более тяжёлыми элементами, которые необходимы для всех биохимических процессов. Когда речь идёт о вашем существовании, Большого взрыва, оказывается, совершенно недостаточно для того, чтобы вы появились на свет.

Необходимо сначала подождать 200-250 миллионов лет — за это время родятся, проживут и закончат свою жизнь несколько поколений звёзд, а самые ранние звёздные скопления вырастут в галактики. Благодаря этому появятся не только необходимые для жизни тяжёлые элементы, такие как углерод, азот и кислород, но и достаточное их количество для производства широкого разнообразия органических молекул.

Необходимо, чтобы эти молекулы стабильно существовали в местах, где они могут испытывать градиент энергии, например, на каменистой луне или планете вблизи звезды или при достаточной подводной гидротермальной активности для поддержания определённых химических реакций. Кроме того, эти места должны быть достаточно стабильными, чтобы зарождающиеся жизненные процессы могли самоподдерживаться.

Астрономы называют все элементы тяжелее водорода или гелия, «металлами». Изучая строение звезды, на основе наличия различных линий поглощения, температуры и ионизации можно вычислить её поэлементный состав, в том числе посчитать долю элементов, находящихся в ней, тяжелее водорода и гелия — это будет так называемая «металличность» звезды.

Металличность нашего Солнца находится где-то между 1 и 2%, но это, по-видимому, даже перебор для жизни. Звёзды, обладающие гораздо меньшей долей «металлов», чем у Солнца, всё же могут давать достаточно необходимых ингредиентов, чтобы сделать жизнь возможной.

За последние ~20 лет мы обнаружили более 5000 экзопланет. При этом только 10 из них вращаются вокруг звёзд, содержащих 10% или менее тяжёлых элементов, встречающихся в Солнце. 32 экзопланеты вращаются вокруг звёзд, содержащих от 10 до 16% тяжёлых элементов Солнца. 50 экзопланет вращаются вокруг звёзд, содержащих от 16 до 25% тяжёлых элементов Солнца.

Это означает, что из 5069 экзопланет, обнаруженных на начало 2023 года, только 92 — всего 1,8% от общего количества — вращаются вокруг звёзд, содержание тяжёлых элементов в которых не превышает четверти от такового у Солнца. Другими словами, если вы хотите создать каменистые планеты, на которых, как мы считаем, может существовать жизнь, вам достаточно обогатить межзвёздную среду, а на это требуется время.

Но, по меркам Вселенной, не такое уж и большое. Хотя большинство звёздных систем с каменистыми планетами вокруг них сформировались только через несколько миллиардов лет после Большого взрыва, первым из них, скорее всего, потребовался всего один миллиард лет: это были первые по-настоящему подходящие места для возникновения жизни.

Тогда возникает главный вопрос: «Как?» Как возникла жизнь? Каковы условия, способствующие её возникновению из нежизни, каковы конкретные механизмы, позволившие этому произойти, и в тех местах, где жизнь смогла поддерживать себя, то есть выживать, размножаться и процветать поколение за поколением, каковы были условия, которые позволили создать долгосрочную непрерывную цепь биологической активности? Несмотря на то, что мы не нашли ответа на эти вопросы в истории Земли, за последние годы мы добились определённого прогресса, особенно в том, что касается «механизма» возникновения жизни из нежизни.

Лучший способ понять, откуда взялись ингредиенты для жизни, — просто взглянуть на состав астероидов и комет, которые мы находим в космосе, а также на остатки метеоритов, которые пережили свой путь до Земли. Заглянув внутрь этих примитивных объектов, мы обнаружим следующее.

Они содержат 80 уникальных аминокислот (несмотря на то, что только 22 из них участвуют в жизненных процессах на Земле). Кстати, многие из них являются как левосторонними, так и правосторонними, хотя все те, которые участвуют в жизненных процессах на Земле, исключительно левосторонние.

В этих объектах также присутствуют органические молекулы на основе углерода, от простых (например, сахаров) до промежуточных и сложных. А совсем недавно мы обнаружили, что все пять нуклеобаз, которые являются «основаниями» в основе каждого нуклеотида в таких молекулах, как ДНК и РНК, кодирующих генетическую информацию на Земле, также присутствуют в метеоритах.

Хотя есть и те, кто утверждает, что эти ингредиенты, если смешать их все вместе в первобытном супе (то есть в водной среде с градиентом энергии), могли спонтанно породить самовоспроизводящуюся жизнь, это мнение далеко не большинства. Вместо этого почти все биологи отдают предпочтение идее о том, что первой возникла способность метаболизировать что-то, имеющее пищевую ценность.

Тогда встаёт вопрос — зародилась ли наша жизнь здесь же, на Земле? Ответ может показаться очевидным, поскольку легко предположить, что земная жизнь — поскольку она обнаружена только на Земле, а не где-либо ещё, куда мы когда-либо заглядывали, — уникальна для нашей планеты. Но это не обязательно так.

Кроме варианта зарождения жизни на Земле, однократного или многократного (в последнем случае все линии, кроме последней, вымерли раньше), есть ещё вариант зарождения жизни где-то в другом месте Вселенной — либо в межпланетном/межзвёздном пространстве, либо в совершенно другом мире. После этого жизнь могла прибыть на Землю с астероидами, и найдя тут подходящие для себя условия, выжить, развиться и процветать.

Проблема в том, что единственное доказательство наличия жизни, которое у нас есть, — это присутствие жизни на Земле, и отсутствие признаков жизни, связанной или независимой от земной жизни, в других местах нашей Солнечной системы и нашей Вселенной. Марс, Луна, Венера, а также такие луны, как Титан, Тритон, Ганимед, Европа, Энцелад, и карликовые планеты, такие как Эрис, Плутон и Церера, являются мирами-кандидатами на существование жизни в прошлом или настоящем, но до сих пор не было найдено убедительных, неопровержимых доказательств биологической активности ни на одном из миров — кроме Земли.

Гипотеза о зарождении жизни где-то ещё не такая уж невероятная. Раньше считалось, что условия Земли настолько уникальны благодаря всем её особенностям, что жизнь могла и не зародиться в другом месте, требовавшем стечения слишком многих обстоятельств. Теперь же необходимость наличия тех или иных характеристик у планеты уже не кажется учёным такой строгой.

Примерно через 50 миллионов лет после образования Земли в неё врезался крупный объект размером с Марс, названный Тейей. В результате столкновения Земля перегрелась и подняла в воздух огромное количество обломков, значительная часть которых и образовала Луну. Остальные либо покинули систему Земля-Луна, либо упали обратно на одно из двух тел. Большая масса Луны и её близость к Земле стабилизируют нашу ось вращения. Однако нестабильная ось вращения может и не быть препятствием для биологической активности на поверхности планеты.

Пока Земля — практически единственная планета, на которой существует подтверждённая тектоника литосферных плит. Тектонические процессы формируют и изменяют форму поверхности нашей планеты. Благодаря им происходит круговорот воды, углерода и азота, что создаёт среду, идеально подходящую для жизни. Они также привели к образованию многих месторождений нефти, газа и минералов, которые мы находим на Земле: всё благодаря давлению и запеканию горных пород до нужной степени. Вулканы, извергающие в атмосферу углекислый газ, и «ползающие» тектонические плиты вместе поддерживают климат, пригодный для жизни. Однако достаточно мощное приливное воздействие — деформация планеты из-за гравитационного воздействия её спутника или звёзды — также может высвобождать её внутреннюю энергию.

Когда-то считалось, что газовые гиганты типа Юпитера, находящиеся во внешней части планетной системы, оттягивают на себя астероиды, защищая внутренние планеты от смертоносных ударов. Однако в какой-то момент мнение астрономов склонилось в другую сторону — возможно, именно гравитационное воздействие Юпитера послужило причиной падения на Землю метеорита, приведшего к вымиранию динозавров.

Какое-то время существовало мнение, что нам очень повезло находиться на задворках нашей Галактики, Млечного Пути. Однако с тех пор оценки обширности обитаемой галактической зоны поменялись. Судя по всему, долговременные стабильные условия существуют практически везде, кроме самого центра.

В астробиологии и планетарной астрофизике галактическая обитаемая зона — это область галактики, в которой наиболее вероятно развитие жизни. Концепция галактической обитаемой зоны анализирует различные факторы, такие как металличность, а также скорость и плотность крупных катастроф, таких как сверхновые, и использует их для расчёта того, в каких регионах галактики с большей вероятностью образуются землеподобные планеты, развивается простая жизнь и создаются подходящие условия для эволюции и развития этой жизни. Согласно последним исследованиям, очень большие галактики могут благоприятствовать рождению и развитию пригодных для жизни планет в большей степени, чем галактики меньших размеров. В случае Млечного Пути галактическая зона пригодности для жизни, как принято считать, представляет собой кольцеобразную форму с внешним радиусом около 10 килопарсек и внутренним радиусом, близким к галактическому центру.

Ещё один вопрос, на который определённо нужно ответить в связи с изучением зарождения жизни: а что такое, собственно, жизнь?

Какая жизнь существует на Земле, мы знаем неплохо. И, судя по всему, она происходит из одного источника — об этом говорит фундаментальное биохимическое и генетическое сходство живых существ. Три основных полимера биологии — нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды — построены из 20 аминокислот, пяти нуклеотидных оснований и нескольких сахаров соответственно. Вместе с липидами и жирными кислотами они являются основными составляющими биомассы — так сказать, «аппаратного обеспечения» жизни.

«Программное обеспечение» жизни в виде ДНК и РНК также является общим. Но если на Земле есть только один пример жизни — неудивительно, что у нас нет фундаментального понимания того, что такое жизнь. Мы не знаем, какие черты земной жизни являются существенными, а какие — просто случайностью истории.

Недостаток данных отражается в наших попытках дать определение жизни. В одной из научных работ авторы перечислили семь признаков жизни: (1) программа (ДНК), (2) импровизация (реакция на окружающую среду), (3) компартментализация, (4) энергия, (5) регенерация, (6) адаптивность и (7) уединение (химический контроль и селективность).

Более простое определение гласит, что жизнь — это материальная система, которая подвергается размножению, мутации и естественному отбору. Так как понять, что то, что мы видим – живое?

Некоторые учёные уверены, что есть только два свойства, по которым можно определить, является ли объект живым: метаболизм и движение. (Под метаболизмом понимаются жизненные функции организма, увеличение биомассы и размножение). Все живые существа нуждаются в определённом уровне метаболизма, чтобы оставаться жизнеспособными в условиях энтропии. Движение (микроскопическое или макроскопическое) в ответ на раздражители или в присутствии пищи может быть убедительным признаком живого существа. Но и метаболизм (огонь), и движение (ветер) происходят в природе в отсутствие биологии.

Практический подход к поиску жизни заключается в том, чтобы определить, что нужно для жизни. Самый простой список, вероятно, таков: энергия, углерод, жидкая вода и несколько других элементов, таких как азот, сера и фосфор. Жизнь, как и любая самоорганизующаяся открытая система, нуждается в энергии для поддержания себя в условиях энтропии. Как сказал Эрвин Шрёдингер (1945), «она питается отрицательной энтропией».

На Земле подавляющее большинство форм жизни в конечном итоге получают энергию от солнечного света. Единственным известным источником первичной продуктивности является химическая энергия, и на сегодня известно только две экосистемы, обе основанные на метаногенах, которые полагаются исключительно на химическую энергию (то есть не используют солнечный свет или его продукт, кислород). Фотосинтезирующие организмы могут использовать даже такой тусклый солнечный свет, какой будет видно с орбиты Плутона, поэтому нижнего уровня ограничения энергии для жизни, судя по всему, нет.

Случайно ли возникла жизнь или её появление — некая Вселенская закономерность? Водород, гелий, звёзды, более тяжёлые элементы, взрывы сверхновых, каменистые планеты — может показаться, что антропный принцип (хотя бы какая-то из его версий) не такой уж и фантастичный.

И действительно, некоторые учёные считают, что жизнь — не просто не случайность, а прямо-таки закономерное следствие законов физики. Один из авторов этой концепции — доцент кафедры биофизики Массачусетского технологического института Джереми Ингленд.

По его мнению, благодаря второму закону термодинамики Вселенная движется к состоянию полного структурного беспорядка. Она движется к состоянию, в котором всё и везде по сути окажется одинаковым, независимо от того, как расположены её составные части. Это состояние известно как «максимальная энтропия».

Однако сейчас существуют очаги порядка, низкой энтропии — объекты и вещи, которые нельзя перестроить на атомарном уровне так, чтобы они не изменились. Это исключения из общей динамики растущего беспорядка во Вселенной (об этом писал ещё Шрёдингер в своём фундаментальном эссе 1944 года «Что такое жизнь?»).

Представьте себе бассейн с водой, в который капнули три разных краски. Сначала они остаются отдельными точками, расположенными далеко друг от друга, но со временем цвета растворяются, смешиваются, и в конце концов остаётся один-единственный цвет. Очаги непохожести со временем размываются и усредняются по всему доступному объёму.

Ингленд предположил, что биология возникает потому, что в определённых условиях — например, на планетах, — где энергетический баланс сильно нарушен, физика гарантирует, что атомы перестроятся, чтобы справиться с хаотичным потоком энергии. Эти атомные структуры как раз и превращаются в то, что мы называем «жизнью».

По его словам, «если мы начнём со случайного скопления атомов и будем светить на него достаточно долго, то не должно быть ничего удивительного в том, что вы итоге мы получим растение».

Правда, авторы работ использовали для подтверждения своих слов компьютерное моделирование. И всё же у них получилось показать спонтанное возникновение структур из обычных атомов (структур, не запрограммированных заранее). В другой работе они показали, что при воздействии внешнего источника энергии — в данном случае Солнца — эти атомы перестраиваются, чтобы более эффективно поглощать и излучать энергию. Что особенно примечательно, эти похожие на жизнь структуры начали копировать сами себя, чтобы лучше справляться с потоком энергии.

Просто используя законы физики, жизнь возникает и воспроизводится, не нуждаясь ни в чём, кроме нескольких основных химических веществ и Солнца.

Ингленд получил столько же похвал за свою изобретательность, сколько и критики за несерьёзное определение понятия «жизнь». И хотя у жизни нет чёткого определения, но критики всё-таки указывали на то, что похожие на жизнь механизмы, представленные в работах Ингленда, слишком абстрактны, чтобы правильно называть их «живыми».

Тем не менее, это убедительная гипотеза, которая наглядно демонстрирует локальные очаги порядка, возникающие в системе, неумолимо движущейся к полному беспорядку. Если она верна, то это будет самым значительным дополнением к теории эволюции со времён выхода в свет величайшего труда Чарльза Дарвина.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»