Воображаемая жизнь

Все мы практически уверены, что знаем, что такое «жизнь», и практически уверены, что узнаем её, когда увидим, но дать определение этому понятию всегда было чертовски трудно. Что именно характеризует то, что мы называем жизнью? Главная проблема заключается в том, что жизнь на Земле (единственная жизнь, о которой мы знаем) чрезвычайно сложна и разнообразна. Кроме того, между живым и неживым, как представляется, разверзлась зияющая пропасть — пропасть, которую следует описать и учитывать в любом из определений жизни.

Как и следовало ожидать, история размышлений на тему точного определения жизни очень долгая. Например, Аристотель утверждал, что для того, чтобы быть живым, нечто должно иметь как материальное тело, так и нематериальную «форму», причём эта форма является его душой. Позже это утверждение переросло в представление о том, что живое от неживого отличает некая нематериальная жизненная сила. Представление о том, что присутствие жизни требует таинственной нематериальной силы, названное витализмом, исчезло под натиском клеточной и молекулярной биологии в 19 и 20 веках. Сегодня мы признаём, что на молекулярном уровне живые системы действуют в соответствии с теми же законами химии, что и всё остальное, — просто они, как правило, оказываются более сложными.

Тем не менее, огромное разнообразие жизни на Земле делает поиск простого определения для этого слова чрезвычайно трудным — и действительно, многие учёные в наши дни утверждают, что простое определение невозможно. Для наших целей полезно будет знать три основных современных пути решения людьми этой проблемы: определения жизни, основанные на перечне свойств, определения, основанные на процессе, и определения, основанные на науке термодинамике. Давайте рассмотрим эти категории по отдельности.

Определения по перечню свойств

Люди, которые используют первый из классов определений жизни, составляют список свойств, приписываемых живым системам, и далее утверждают, что всё, обладающее всеми этими свойствами (или, может быть, большей их частью), является живым. И напротив, всё, что лишено всех или многих из этих свойств, не может быть живым. Список, который вы найдёте в типичном учебнике биологии, потребует, чтобы живая система обладала следующими характеристиками и способностями:

Конечно, проблема с такого рода перечнями заключается в том, что, как только вы составили один такой список, появляется некто, чтобы продемонстрировать пример объекта, явно живого, но не обладающего всеми перечисленными признаками. Например, мул — помесь лошади и осла — вполне очевидно является живым, но не может размножаться. Физик Дэниел Кошланд указал на ещё более забавный контрпример, когда заметил, что, если кролик не способен размножаться в одиночку и, следовательно, не является живым в соответствии с этим списком, два кролика вместе способны к размножению и, следовательно, являются живыми. Очевидно, что включение в список возможности воспроизводства сопряжено с проблемами.

Одним из способов обойти эту трудность будет утверждать, что нечто является живым, если соответствует многим, но не обязательно всем критериям из перечня — по сути, принимать то, что специалисты в области права называют стандартом «перевеса доказательств». Но тогда, конечно же, вы сразу сталкиваетесь с проблемой принятия решения о том, что можно исключить из списка.

Яркий пример проблем, связанных со стандартом перевеса доказательств, иллюстрируется поиском жизни на Марсе. Когда в 1976 году туда прибыли спускаемые аппараты «Викинг», существовали большие надежды на то, что они обнаружат свидетельства жизни на Красной планете. На этих аппаратах было проведено не менее четырёх экспериментов, каждый из которых был разработан для поиска различных химических следов метаболизма земного типа в марсианской среде. Мы подробно поговорим об этих экспериментах дальше, но на данный момент просто отметим, что основная логика программы «Викинга» заключалась в том, чтобы определить жизнь при помощи «списка», который содержал только один пункт: обмен веществ земного типа. Как только начали поступать данные, люди быстро предложили способы, посредством которых эксперименты могли бы дать положительные результаты из-за влияния неживых источников — в данном случае химических реакций в марсианской почве. Многие учёные утверждают, что десятилетия споров, последовавшие за посадкой «Викингов», были, как минимум, отчасти вызваны ограниченностью определения жизни, заложенного в схему эксперимента.

Одна из ярких иллюстраций проблем со «списочным» подходом к определению жизни показана в эпизоде телесериала «Звёздный путь: Следующее поколение», где робот-андроид по имени Дейта утверждал, что огонь можно считать живым. Как-никак огонь потребляет материалы из окружающей среды, перерабатывает их и производит отходы. Он растёт, размножается и реагирует на окружающую среду. Таким образом, огонь удовлетворяет большинству пунктов списка (отсутствует только требование гомеостаза), но мало кто из нас захотел бы утверждать, что он живой.

Новая наука экология позволяет нам подойти с иной стороны к использованию списка признаков для формулировки определения жизни. Вместо того чтобы рассматривать свойства отдельного организма, эколог смотрит на то, как этот организм вписывается в сложную сеть взаимосвязей, составляющих экосистему, частью которой он является. Пожалуй, самым известным проявлением этой точки зрения является так называемая гипотеза Гайи. Эта точка зрения, которую представил эколог Джеймс Лавлок, предлагает нам рассматривать всю Землю, и одушевлённую, и неодушевлённую её части, как нечто похожее на единый живой организм. Эта гипотеза обычно используется для предсказания того, что различные системы на Земле будут функционировать вместе для создания стабильной среды, в которой сможет процветать жизнь. (Следует отметить, что в древнегреческой мифологии Гея была изначальным божеством, прародительницей всего живого.)

Гипотеза Гайи подверглась критике, потому что настоящая геологическая история Земли полна экстремальных событий, которые мешают рассматривать планету как продукт хрупкого экологического баланса. Например, имели место события так называемой «Земли-снежка», когда вся поверхность планеты (включая океаны) полностью замерзала лишь для того, чтобы оттаять в результате массовых извержений вулканов. И хотя мы вряд ли можем не согласиться с мнением о том, что живые существа на Земле являются частями расширенных экосистем, всё, чем экологическая точка зрения поможет нам в формулировке определения жизни — она просто добавит ещё один пункт в приведённый выше список: для того, чтобы нечто считалось живым, оно должно быть частью расширенной экосистемы. Но, даже если это может быть верным для живых существ на Земле, нет никаких причин, по которым это должно быть верно для жизни на экзопланетах.

То же самое можно сказать и в отношении требования о том, чтобы живые системы были организованы в виде клеток. Хотя жизнь, похожая на нас, однозначно связана с клетками, нет никаких причин, по которым жизнь на экзопланетах также должна обладать этим признаком.

Фактически, многие из свойств, указанные в приведённом выше списке, совершенно очевидно применимы к жизни на Земле, однако столь же очевидно, что они не обязательно применимы к жизни на экзопланетах. Поэтому, хоть мы и будем помнить об этом перечне признаков во время движения вглубь галактики, нам также следует помнить о том, что зацикливаться на его полезности не следует.

Определения, основанные на процессе

В 1994 году, только-только приступив к поиску жизни в других частях галактики, НАСА созвало группу учёных, чтобы решить вопрос о том, какое определение ей дать. Следуя предложению астрофизика из Корнелла Карла Сагана, они определили жизнь как «самоподдерживающуюся химическую систему, способную к дарвиновской эволюции» — это определение стало известно как «определение НАСА». Хотя оно явно ориентировано на Землю, мы находим его полезным для рассуждений о возможных формах жизни на экзопланетах. Процесс, называемый «дарвиновской эволюцией», также называется естественным отбором, и мы утверждаем, что он с достаточной степенью вероятности будет обнаружен на подавляющем большинстве экзопланет.

Вот, как она работает на Земле: каждый организм получает генетический материал от своих родителей, и этот генетический материал влияет на свойства, которые проявляются у организма. Данные свойства, в свою очередь, играют важную роль в определении возможности организма прожить достаточно долго для передачи этого генетического материала другому поколению — такой процесс часто называют выживанием наиболее приспособленных. Признаки, которые позволяют это сделать, будут накапливаться в популяции. Таким образом, со временем естественный отбор создаёт организмы, приспособленные к окружающей среде, и это привело к появлению того разнообразия форм жизни, которое мы наблюдаем на нашей планете.

Но если утверждение о том, что каждый живой организм на Земле представляет собой продукт естественного отбора, является верным, из этого не обязательно следует, что нечто, не являющееся продуктом естественного отбора, не может быть живым. Мы рассмотрим некоторые примеры этого в главе 16, когда будем говорить о жизни, совершенно не похожей на нас.

Фактически, определение от НАСА — это всего лишь один из примеров попыток дать определение жизни, отталкиваясь от процессов, связанных с её образованием. По сути, в нём говорится, что узнать, является ли нечто живым, можно, выяснив, как оно появилось. Если оно возникло путём естественного отбора, то в соответствии с данным определением оно является живым. С данной точки зрения мерилом для определения жизни становится естественный отбор.

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:

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.