Когда возникла жизнь на Земле или закончилась ли наша эволюция?

Из архивов «Континента»

Хорошо известно, что наша Вселенная образовалась около 14 миллиардов лет тому назад в результате гигантского взрыва, известного в науке как Big Bang. Возникновение Вселенной “из ничего” не противоречит известным законам физики: положительная энергия вещества, образовавшегося после взрыва, в точности равна отрицательной энергии гравитации, так что полная энергия такого процесса равна нулю. В последнее время ученые обсуждают также возможность образования и других вселенных – “пузырей”. Мир, согласно этим теориям, состоит из бесконечного числа вселенных, о которых мы пока еще ничего не знаем. Интересно, что в момент взрыва образовалось не только трехмерное пространство, но, и что очень важно, и время, связанное с пространством. Время – причина всех тех изменений, которые произошли во Вселенной после Big Bang. Эти изменения происходили последовательно, шаг за шагом по мере возрастания стрелы времени, и включают в себя образование огромного числа галактик (порядка 100 млрд.), звезд (число галактик умноженное на 100 млрд.), планетных систем и в конечном счете самой жизни, включая разумную жизнь. Чтобы представить себе, как много звезд во Вселенной, астрономы приводят такое любопытное сравнение: число звезд в нашей Вселенной сравнимо с числом песчинок на всех пляжах Земли, включая моря, реки и океаны. Вселенная, замороженная во времени, была бы неизменной и мало интересной и в ней не было бы никакого развития, т.е. всех тех изменений, которые произошли потом и в конечном счете привели к существующей картине мира.

Возраст нашей Галактики 12.4 миллиардов лет, а нашей солнечной системы 4.6 млрд. лет. Возраст метеоритов и самых старых камней на Земле немного меньше 3.8-4.4 млрд. лет. Первые одноклеточные организмы, лишенные ядер прокариоты и зелено-голубые бактерии, появились 3.0-3.5 млрд. лет тому назад. Это простейшие биологические системы, способные образовывать протеины, цепи аминокислот, состоящие из основных элементов жизни С, Н, О, N, S, и ведущие независимый образ жизни. Простые зелено-голубые “аlgае”, т.е. водяные растения без сосудистых тканей и “archaebacteria” или старые бактерии (используемые для приготовления лекарственных препаратов) и сегодня важная часть нашей биосферы. Эти бактерии – первое успешное приспособление жизни на Земле. Интересно, что зелено-голубые бактерии и другие прокариоты почти не изменились в течение млрд. лет, в то же время исчезнувшие динозавры и другие виды уже никогда не могут возродиться снова, т.к. условия на Земле сильно изменились, и они уже не могут пройти через все те этапы развития, которые они прошли в те далекие годы. Если по тем или иным причинам жизнь на Земле прекратится (из-за столкновения с гигантским метеоритом, в результате взрыва соседней к солнечной системе суперновой или нашего собственного самоуничтожения), она не может начаться вновь в том же виде, ибо теперешние условия в корне отличаются от тех, которые были около четырех млрд. лет тому назад (например, наличие свободного кислорода в атмосфере, а также изменение фауны Земли). Эволюция, уникальная по своей сути, уже не может повториться в том же виде и пройти все те этапы, через которые она прошла за минувшие миллиарды лет. Доктор Пайсон из Лос-Аламосской Национальной Лаборатории США высказал весьма любопытную мысль о роли эволюции в организации системы живых структур: “Жизнь – это последовательность молекулярных взаимодействий. Если мы откроем в биологии принцип иной, чем эволюция, мы научимся создавать живые системы лабораторным путем и таким образом понять механизм образования жизни”. Причина, почему мы не можем лабораторным путем осуществить превращение видов (например, мухи дрозофилы в какой-нибудь другой вид), состоит в том, что в естественных условиях на это понадобились миллионы лет, и мы сегодня не знаем другого принципа, как вызвать такое превращение.

По мере увеличения количества прокариотов они “изобрели” явление фотосинтеза, т.е. сложную цепь химических реакций, в которых энергия солнечного света вместе с углекислым газом и водой преобразуется в кислород и глюкозу. В растениях фотосинтез осуществляется в хлоропластах, которые содержатся в их листьях, приводя к атмосферному кислороду. Атмосфера, насыщенная кислородом, появилась 2-2.5 млрд. тому назад. Эукариоты, многоклеточные клетки, содержащие ядро с генетической информацией, а также органеллы, образовались 1-2 млрд. лет тому назад. Органеллы содержатся в клетках прокариотов, а также в клетках животных и растений. ДНК – это генетический материал любой живой клетки, в которой содержится наследственная информация. Наследственные гены расположены в хромосомах, которые содержат протеины, связанные с ДНК. Все организмы – бактерии, растительный и животный миры – несмотря на гигантское разнообразие видов, имеют общее происхождение, т.е. имеют общего предка (common ancestor). Дерево жизни состоит из трех основных ветвей – Bacteria, Archaea, Eukaria. В последнюю группу входит весь растительный и животный мир. Все известные живые организмы образуют протеины, используя лишь 20 основных аминокислот (хотя общее количество аминокислот в природе равно 70), а также используют одну и то же молекулу энергии АТФ для запаса энергии в клетках. Они также используют молекулы ДНК для передачи генов из одного поколения другому. Ген – это фундаментальная единица наследственности, часть ДНК, который содержит информацию, необходимую для синтеза протеина. Различные организмы имеют сходные гены, которые могут подвергаться мутации или улучшаться в течение длительной эволюции. От бактерий до амеб и от амеб до человека) гены ответственны за характеристики организмов и улучшение видов, тогда как протеины поддерживают жизнь. Все живые организмы используют ДНК, чтобы передать свои гены другому поколению. Генетическая информация передается от ДНК протеину путем сложной цепочки превращений посредством РНК, которая подобна ДНК, но отличается от нее своей структурой. В цепочке превращений химия®биология®жизнь синтезируется органическая молекула. Биологам хорошо известны все эти превращения. Самое удивительное из них – расшифровка генетического кода (The Human Genome Project), которая поражает воображение как сложностью, так и совершенством. Генетический код универсален для всех трех ветвей дерева жизни.

Самый интересный вопрос, некоторый человечество ищет ответ в течение всей своей истории, это как возникла первая жизнь и, в частности, зародилась ли она на Земле или же была привнесена из межзвездной среды с помощью метеоритов. Все основные молекулы жизни, включая аминокислоты и ДНК, найдены и в метеоритах. Теория направленной пансмермии (panspermia) предполагает, что жизнь возникла в межзвездном пространстве (интересно, откуда?), мигрирует через огромное пространство, однако эта теория не может объяснить, как жизнь может сохраниться в суровых условиях космоса (опасная радиация, низкие температуры, отсутствие атмосферы и т.д.). Ученые придерживаются теории, согласно которой естественные, хотя и примитивные условия на Земле привели к образованию простых органических молекул, а также к развитию форм различной химической активности, которые, в конечном счете, запустили дерево жизни. В очень интересном эксперименте Miller and Urey, выполненном в 1953 году, они доказали образование сложных органических молекул (альдегидов, карбоксилов и аминокислот) путем пропускания мощного электрического разряда – аналога молнии в естественных условиях – через смесь газов CН4, NH3, H2O, H2, которые имелись в первичной атмосфере Земли. Этот эксперимент продемонстрировал, что основные химические компоненты жизни, т.е. биологические молекулы, могут быть естественным путем сформированы путем симуляции примитивных условий на Земле. Однако, никакие формы жизни, включая полимеризацию молекул ДНК, не были обнаружены которые, по-видимому, могли возникнуть только в результате длительной эволюции.

Тем временем стали появляться более сложные структуры, огромные клетки – органы и большие живые образования, состоящие из млн. и млрд. клеток (например, человек состоит из десяти триллионов клеток). Сложность системы зависела от прошедшего времени и глубины естественного отбора, который сохранял виды, наиболее приспособленные к новым условиям жизни. Хотя все простые эукариоты воспроизводились путем деления, более сложные системы образовывались половым путем. В последнем случае каждая новая клетка берет половину генов от одного родителя и вторую половину от другого.

Жизнь в течение очень длительного периода ее истории (почти 90%) существовала в микроскопических и невидимых формах. Примерно 540 млн. лет тому назад начался совершенно новый революционный период, известный в науке как Cambrian era. Это период бурного возникновения огромного количества многоклеточных видов с твердой оболочкой, скелетом и мощным панцирем. Появились первые рыбы и позвоночные, растения из океанов начали мигрировать по всей Земле. Первые насекомые и их потомки способствовали распространению по Земле и животного мира. Последовательно стали появляться насекомые с крыльями, амфибии, первые деревья, пресмыкающиеся, динозавры и мамонты, первые птицы и первые цветы (динозавры исчезли 65 млн. лет тому назад, по-видимому, вследствие гигантского столкновения Земли с массивным метеоритом). Затем наступил период дельфинов, китов, акул и приматов, прародителей обезьян. Примерно 3 млн. лет тому назад появились существа с необычайно большим и сильно развитым мозгом, hominids (первые предки людей). Появление первого человека (homo sapiens) датируется 200,000 лет тому назад. Согласно некоторым теориям, появление первого человека, который качественно отличается от всех других видов животного мира, возможно, является результатом сильной мутации hominids, которое явилось источником образования новой аллели (allele) – измененной формы одного из генов. Появление современного человека датируется примерно 100,000 лет – тому назад, исторические и культурные свидетельства нашей истории не превышают 3000-7 4000 лет, однако технологически – развитой цивилизацией мы стали совсем недавно, всего лишь 200 лет назад!

Жизнь на Земле – это продукт биологической эволюции, насчитывающей примерно 3.5 млрд. лет. Появление жизни на Земле – это результат большого числа благоприятных условий – астрономических, геологических, химических и биологических. Все живые организмы от бактерий до человека имеют общего предка и состоят из нескольких основных молекул, присущих всем объектам нашей Вселенной. Главные свойства живых организмов – они имеют реакцию, растут, размножаются и передают информацию от одного поколения другому. Мы, земная цивилизация, несмотря на свой юношеский возраст, многого достигли: освоили атомную энергию, расшифровали генетический код человека, создали сложные технологии, стали экспериментировать в области генной инженерии (синтетической жизни), занимаемся клонированием, работаем над увеличением продолжительности нашей жизни (уже сегодня ученые обсуждают возможность увеличения продолжительности жизни до 800 и более лет), начали летать в космос, изобрели компьютеры и даже пытаемся вступить в контакт с внеземной цивилизацией (программа SETI, Search for Extraterrestrial Intelligence). Т.к. другая цивилизация пройдет совершенно другой путь развития, она полностью будет отличаться от нашей. В этом смысле каждая цивилизация по-своему уникальна – возможно, – это одна из причин, почему программа SETI оказалась безуспешной. Мы стали вмешиваться в святая святых, т.е. в процессы, которые в естественной среде занимали бы миллионы и миллионы лет.

Чтобы лучше понять, как мы молоды, предположим, что полная история Земли равна одному году и что наша история началась 1 января. В этой шкале уже 1 июня появились прокариоты и зелено-голубые бактерии, которые вскоре привели к насыщенной кислородом атмосфере. Cambrion эра началась 13 ноября. Динозавры жили на Земле с 13 по 26 декабря, а первые hominids появились днем 31 декабря. К Новому году мы, уже современные люди, послали первое послание в космос – в другую часть нашей Галактики. Только примерно через 100,000 лет (или по нашей шкале через 15 минут) наше послание (не прочитанное еще никем) покинет нашу Галактику и устремится к другим галактикам. Будет ли оно прочитано когда-нибудь? Мы этого не узнаем. Вероятнее всего нет.

Для возникновения в другой части Вселенной цивилизации, подобной нашей, не только потребуются миллиарды лет. Важно, чтобы такая цивилизация имела достаточно времени для своего развития и превращения в технологическую, а главное не уничтожила себя (это другая причина, почему мы не можем найти другую цивилизацию, хотя мы ее ищем более 50 лет: она, возможно, погибает раньше, чем успевает стать технологической). Наша технология может оказать пагубное влияние на атмосферу. Уже сегодня мы озабочены появлением озоновых дыр в нашей атмосфере, которые сильно увеличились за последние 50 лет (озон – трехатомная молекула кислорода, которая, в общем, является ядом). Это – результат нашей технологической активности. Озоновая оболочка предохраняет нас от опасного ультрафиолетового излучения Солнца. Такое излучение, при наличии озоновых дыр, приведет к повышению земной температуры и как результат – к глобальному потеплению (global warming). Поверхность Марса сегодня стерильна из-за отсутствия озонового слоя. За последние 20 лет озоновая дыра в атмосфере Земли возросла до размеров большого континента. Увеличение температуры даже на 2 градуса приведет к таянию льдов, возрастанию уровня океанов, а также к их испарению и опасному увеличению углекислого газа в атмосфере. Затем произойдет новое потепление атмосферы, и этот процесс будет продолжаться, пока не испаряться все моря и океаны (ученые называют это явление runaway greenhouse effect). После испарения океанов количество углекислого газа в атмосфере увеличится примерно в 100,000 раз и составит около 100%, что приведет к полному и необратимому уничтожению не только озонового слоя земной атмосферы, но и всего живого на Земле. Такое развитие событий уже имело место в истории нашей солнечной системы на Венере. 4 млрд. лет тому назад условия на Венере были близки к земным и, возможно, даже там была жизнь, т.к. Солнце в те далекие времена светило не так ярко (известно, что интенсивность излучения Солнца постепенно увеличивается). Возможно, что жизнь с Венеры мигрировала на Землю, а с Земли, по мере возрастания солнечного излучения, мигрирует на Марс, хотя, по-видимому, такое развитие событий маловероятно из-за проблем миграции живой клетки через космос. Количество углекислого газа в атмосфере Венеры сегодня равно 98%, а атмосферное давление почти в сто раз превышает земное. Возможно, это результат глобального потепления и испарения венерианских океанов. Венера и Марс преподают нам важный урок, т.е. мы знаем сегодня, что может произойти и с нашей планетой, если не предпринимать никаких мер. Другая проблема связана с возрастанием излучения Солнца, которое, в конечном счете, обусловит runaway greenhouse effect на Земле с известным результатом.

Наше развитие идет по экспоненте, с ускорением. Население Земли удваивается каждые 40 лет и возросло примерно с 200 тысяч до 6 млрд. за последние 2000 лет. Однако, не содержатся ли в таком бурном развитии семена опасности нашему существованию? Не погубим ли мы свою цивилизацию? Успеем ли мы стать высокоразвитой цивилизацией и понять нашу историю? Сумеем ли мы летать глубоко в космос и найти другую цивилизацию, подобную нашей? Согласно Эйнштейну, самое удивительное в мире состоит в том, что мир познаваем. Пожалуй, эта одна из самых интригующих особенностей человеческой цивилизации – умение раскрывать тайны мира. Мы можем понять мир, в котором живем, и понять законы, управляющие им. Однако, почему эти законы существуют? Почему скорость света, например, равна 300,000 км/сек или почему хорошо известное в математике число я (отношение длины окружности к его диаметру) равно именно 3.14159…? Американский физик А. Майкельсон получил Нобелевскую премию за измерения скорости света с невиданной точностью (напомню, что это гигантская величина: двигаясь с такой скоростью мы бы оказались на Луне через примерно одну секунду, на Солнце через 8 минут, а в центре Галактики через 28,000 лет). Другой пример – расшифровка генетического кода, состоящего из 30 млн. кусочков, каждый длиной в 500-600 букв, потребовала 15 лет работы с использованием сложных программ и компьютеров. Оказалось, что длина всего кода равна длине 100 млн. писем. Это открытие было сделано на рубеже двух тысячелетий и показало, что, возможно, мы научимся лечить болезни любой сложности путем исправления ошибок соответствующего участка поврежденного гена. Математики с помощью быстрых компьютеров рассчитали число я с немыслимой точностью до триллиона знаков после запятой, чтобы знать точное его значение и описать это число с помощью какой-нибудь простой формулы. Кто придумал эти числа и почему они именно такие? Как генетический код мог оказаться столь совершенным? Как физические постоянные связаны с нашим мирозданием? Разумеется, они отражают геометрическую структуру нашей Вселенной и, по-видимому, имеют разное значение для разных вселенных. Мы не знаем этого сегодня, как, впрочем, много другого. Но мы стремимся найти общие законы нашего мира или даже единый закон, из которого могли бы получить все другие законы в частном случае, а также, что очень важно, понять смысл мировых постоянных. Мы также не знаем, связано ли наше существование с выполнением какой-то миссии.

Но вернемся к нашей истории и нашей эволюции. Закончилась ли она и в чем ее смысл? Что произойдет с нами через миллионы лет, если, конечно, мы сумеем решить намят технологические проблемы и не уничтожим себя? В чем смысл появления в нашей истории таких гениальных личностей, как Эйнштейн, Шекспир или Моцарт? Возможна ли новая мутация и создание другого более совершенного вида, чем человек? Может ли этот новый вид решить проблемы мироздания и понять смысл нашей истории? Мы открыли законы и измерили с захватывающей дух точностью мировые постоянные, но мы не понимаем, почему они такие и какова их роль во Вселенной. Если совсем немного изменить те постоянные, то вся наша история выглядела бы по-другому. Несмотря на всю сложность и загадочность генетического кода, загадки самой Вселенной выглядят бесконечными. В чем суть этих загадок и удастся ли нам расшифровать их? Безусловно, мы изменимся. Но как? Являемся ли мы высшим и последним звеном в длительной истории нашего развития? Является ли наша история результатом какого-то остроумного плана или же оно просто результат сотен и тысяч благоприятных условий, которые стали возможными благодаря времени и длительной эволюции? Вне сомнения, что нашему развитию нет предела и оно также бесконечно, как бесконечен мир, состоящий из миллионов и миллионов вселенных, которые постоянно и разрушаются и образуются вновь.

Илья Гулькаров, Профессор, доктор физико-математических наук, Чикаго
June 18, 2005