Углеродная жизнь

Шведско-британский биохимик Томас Линдал в 2015 году разделил Нобелевскую премию по химии со своими американскими коллегами Азизом Санджаром и Полом Модричем «за исследование механизмов восстановления ДНК». Ученые открыли механизм, с помощью которого клетки находят ошибки в геноме и исправляют их, используя поврежденную цепь ДНК в качестве образца.

Регистрация

Не менее важный вопрос, которого коснется Линдал, — причины «поломки» молекул, вызывающие мутации клеток и связанные с этим онкологические заболевания. Результаты исследования ученого открыли новые перспективы в борьбе с ними.

Также Томас Линдал известен тем, что вошел в число нобелевских лауреатов, подписавших коллективное обращение к Greenpeace, ООН и правительствам всех стран мира с требованием отказаться от негативного отношения к генетически модифицированными продуктам.

Организатором визита профессора в Россию выступил Московский государственный университет (МГУ). Лекция проходит в рамках Всероссийского фестиваля науки NAUKA 0+ при поддержке Института высокомолекулярных соединений РАН (ИВС РАН) и Вавиловского общества генетиков и селекционеров (ВОГиС).

Нашу планету населяют разнообразные углеродные формы жизни. Называют их так потому, что состоят они из органических соединений, в которые в обязательном порядке входит углерод. На протяжении десятилетий учёные и особенно фантасты предполагали, что во вселенной могут существовать и другие формы жизни, например, кремниевые. Ведь кремний очень близок по многим свойствам к углероду. И вот, впервые в истории человеческой науки, учёные доказали, что живые клетки способны формировать углеродно-кремниевые связи.

В природе кремний в чистом виде не встречается. Это связано с тем, что элемент очень высокореактивен, поэтому быстро создаёт соединения с другими элементами. Чистый кремний существует лишь в лабораторных условиях. То же самое можно сказать и про кремниево-углеродные связи, известные в науке как «кремнийорганические». Подобные соединения производят в лабораторных условиях, а затем используют во множестве областей, включая медицину, электронику и другие. Кремний и углерод действительно очень похожи: оба элемента могут образовывать связи с четырьмя атомами одновременно, что делает их пригодными для формирования длинных цепочек молекул, таких как белки и ДНК.

Новое исследование, проведённое специалистами Калифорнийского технологического института под руководством знаменитой американской учёной Фрэнсис Арнольд, доказало, что живые клетки также способны создавать кремнийорганические связи. Исследователи использовали протеин под названием cytochrome c, выделенный из бактерии, найденной в горячих источниках Исландии, после чего внесли несколько изменений в его ДНК. Таким образом учёным удалось создать фермент, который избирательно создаёт кремний-углеродные связи. И этого впервые удалось добиться натуральным способом, без использования каких-либо химических катализаторов или других агрессивных веществ.

Что значит для науки это открытие? А значит оно, что природа способна адаптироваться и включать кремний в основу живых клеток. Таким образом, жизнь на нашей планете вполне могла возникнуть на основе кремния, а вовсе не углерода. Получается, что фантасты были правы и кремниевые формы жизни могут существовать. Если не на Земле, то на какой-то другой планете с подходящими для этого условиями. Открытие команды американских исследователей распахивает перед наукой дверь в совершенно новый мир. Теперь учёные смогут хотя бы отдалённо представить себе, какими могли бы стать кремниевые организмы, пойди эволюция на нашей планете совершенно другим путём.

— Кремнийорганический инопланетянин, худ. Lei Chen and Yan Liang (BeautyOfScience.com) / Caltech

— Вот пусть Сашка скажет, — предложил Корнеев. — Саша, бывает небелковая жизнь?
— Не знаю, — сказал я. — Не видел. А что?
— Что значит — не видел? М-поле ты тоже никогда не видел, а напряжённость его рассчитываешь.

Аркадий и Борис Стругацкие «Понедельник начинается в субботу».

К встрече с братьями по разуму люди начали готовиться задолго до наступления космической эры. Впервые вопрос о населённости других небесных тел встал в начале XVII века, когда Галилео Галилей рассмотрел на Луне горы. Мистический серебристый диск на небе обернулся миром, похожим на Землю! С этого момента населёнными стали считаться все планеты нашей системы, Солнце, а иногда и звёзды. Вывод о существовании инопланетян был сделан на основании логического умозаключения: если среди лунных гор никто не живёт, то зачем они там нужны?

Когда первые космические аппараты достигли Марса и передали на Землю фотографии планеты, мы увидели лишь ржавую пустыню без признаков жизни. Стало окончательно ясно, что условия, подходящие даже для самой неприхотливой бактерии, встречаются в космосе очень редко. Искать обитаемые миры придётся в других звёздных системах, а это — задача отдалённого будущего.

Но что, если в условиях, не похожих на земные, жизнь всё-таки существует — только другая, приспособленная именно к этим условиям? Почему бы и нет — ведь в 2010 году во вполне земном калифорнийском озере Моно удалось обнаружить бактерию, в ДНК которой фосфор заменён на мышьяк. Если после столь радикальной модификации двойная спираль продолжает выполнять свои функции, вполне уместно предположить, что космические тела, абсолютно, казалось бы, для жизни не пригодные, всё-таки населены. Небелковой жизнью.

Озеро Моно выглядит так, словно принадлежит другому миру. Как и его обитатели (фото: King of Hearts)

Химия жизни

Прежде чем фантазировать, какой может быть небелковая жизнь, следует разобраться с тем, что вообще считать живым. С точки зрения химии, «жизнь» — всего лишь реакция автокатализа сложных органических молекул. Катализатором называют вещество, которое ускоряет некоторые химические процессы, не участвуя в них. Например, в присутствии железа ускоряется синтез хлорофилла. Сам хлорофилл выступает в качестве катализатора при фотосинтезе углеводородов из воды и углекислого газа. Если же некая молекула, попав в раствор с нужными реагентами, провоцирует цепочку преобразований, конечным результатом которой станет появление ещё одной такой же молекулы, — это автокатализ.

Органические и неорганические вещества, обладающие автокаталитическими свойствами и способные в определённых обстоятельствах «размножаться», хорошо известны науке. Но считать молекулу по-настоящему «живой» можно лишь при ещё одном условии. Она должна быть достаточно сложной для того, чтобы при самокопировании случались ошибки. В этом случае возникает изменчивость и начинает действовать естественный отбор. Чем эффективнее самокопируется молекула, «научившаяся», например, использовать побочные или промежуточные продукты автокатализа для синтеза необходимых материалов, тем больше у неё будет копий, обладающих теми же полезными свойствами. А уж дальше процесс не остановить. Где конкуренция и отбор, там и прогресс.

Можно ли считать отдельную, способную к самовоспроизводству молекулу «живым существом» — вопрос сугубо философский. Ведь, по сути, весь организм — начиная от клеточной мембраны и заканчивая головным мозгом у высших позвоночных, — не более чем устройство, поддерживающее оптимальные условия для автокатализа ДНК.

Вирус — широко известный пример существа-молекулы. Все современные вирусы — паразиты. Их ДНК или РНК «самокопируется» только внутри живой клетки

Тайна происхождения жизни на Земле будет раскрыта ещё не скоро, потому что мы имеем дело с уравнением, в котором нет известных значений. Первая «живая» молекула принялась плодить себе подобных в условиях, ныне не существующих и с трудом поддающихся реконструкции. За четыре миллиарда лет наша планета изменилась до неузнаваемости, как, впрочем, и Солнце. Недаром такое значение придают исследованиям кометного вещества. Только лёд малых космических тел может хранить информацию о химическом составе земных океанов эпохи архея и катархея.

Интересны, однако, не столько проблемы происхождения белковой жизни, сколько основные этапы её развития. Например, не только «живые молекулы», но и даже первые бактерии ещё не производили органику сами и полностью зависели от поставок материалов из недр планеты. Благо океаны в ту пору были неглубокие (воды на планете было в 700 раз меньше, чем сейчас) и примерно на 1% состояли из углеводородов, благодаря чему именовались «первичным бульоном».

Крупные — с ладонь величиной — монстры докембрийской, «вендской» фауны могли существовать лишь в условиях сильного течения, приносящего пищу и кислород

Лишь 3,7 миллиарда лет назад, доев бульон, бактерии начали осваивать самостоятельный синтез. Сначала аноксигенный, для которого, помимо углекислоты, требовался сероводород или даже простой водород. Реакция протекала без выделения кислорода. Он начал накапливаться только миллиард лет спустя — после того, как дефицитный сероводород при осуществлении фотосинтеза был заменён самым трудным для переработки, но и самым доступным сырьём. Водой. Но если условия были бы иными, для жизни вполне сгодилось бы и другое вещество.

На основе кремния

Глубже всего учёные проработали концепцию внеземной жизни, основанной не на углероде, а на кремнии. Любили к ней обращаться и фантасты (среди отечественных книг — «Контакт на Ленжевене» Анатолия Константинова, «Глиняный бог» Анатолия Днепрова). Странно лишь, что литературные кремниевые пришельцы по неизвестным причинам всегда напоминают глиняные статуи или ожившие кристаллы, хотя с точки зрения науки внешние различия кремневодородных и белковых существ могут быть минимальными. Ведь кремний всего лишь должен заместить углерод в органических молекулах. А образующий плоть «силикоидов» силикон широко применяется ныне для имитации некоторых тканей человеческого тела.

Диоксид кремния нерастворим, но мельчайшие крупинки силикатов присутствуют в воде в качестве взвеси. Что и позволяет радиоляриям и некоторым губкам обзаводиться вычурными кремниевыми скелетами

На первой взгляд, у жизни на основе кремния есть несколько преимуществ. Кремний более распространён, чем углерод. Кроме того, силаны — полимерные цепочки из водорода и кремния — более устойчивы к высокой температуре, чем углеводороды. Но далее начинаются затруднения. Увы, но жизни на основе кремния попросту не из чего возникнуть.

Как отмечалось выше, на самом раннем этапе автокаталитическая молекула должна синтезировать свои копии из уже готовых материалов. Вот только «комплектующие» для углеродной жизни распространены повсеместно — аминокислоты, например, обнаружены даже в межгалактическом пространстве. Кремневодороды же слишком неустойчивы химически и в природе встречаются крайне редко. Трудно себе представить естественные условия, в которых они могли бы накопиться в достаточном количестве, чтобы образовать питательную среду для первого «существа-вещества».

Перейдя же к синтезу, кремниевая бактерия столкнётся с новыми проблемами. Место углекислого газа в её метаболизме должен занять диоксид кремния — вещество, составляющее основную массу коры у планет земного типа, но не летучее и не растворимое в воде. Устойчивость к высоким температурам, в принципе, позволит «силикоидам» плавать в магме, поглощая диоксид кремния в виде расплава. В жерлах вулканов нетрудно найти и второй необходимый для синтеза компонент — сероводород. Вот только сами озёра расплавленного камня встречаются нечасто и существуют недолго. А магма в мантии планеты будет слишком горяча.

Силикоиды в игре Master of Orion почему-то едят камень. Хотя в метаболизме живых организмов на основе кремния он соответствует углекислому газу и должен быть ядовитым для живых существ

Теоретически родным домом для силикоидов могли бы стать раскалённые миры, рассечённые реками лавы, текущими у подножия чёрных базальтовых скал. Но и на таких планетах кремнеорганическая жизнь не создаст великую цивилизацию, ибо сероводород редок, а переход к синтезу на основе воды будет невозможен. Вода не уживётся с магмой.

Остаются лишь труднопредставимые условия на поверхности силикатных ядер «горячих» планет-гигантов. Там расплавленный камень может соседствовать с богатой водородом атмосферой. В дефиците, однако, окажется энергия, необходимая для разложения весьма устойчивого диоксида кремния. Нужный для фотосинтеза свет не достигнет дна газового «океана». Для хемосинтеза же требуются химически активный окислитель. Нетрудно догадаться, что с ним случится в плотной атмосфере из раскалённого водорода.

Есть, впрочем, и ещё одно ограничение, делающее жизнь на основе кремния маловероятной. В любых, даже самых экзотических моделях живых существ биохимические реакции могут протекать лишь в жидкой среде. Более того, вещество, служащее основой силиконовой клетки, должно быть хорошим растворителем. Вода на горячих планетах превратится в пар. Альтернативный же растворитель — закипающая лишь при 200 градусах серная кислота — просто не настолько распространена в космосе, чтобы образовывать океаны.

Ледяная жизнь

В «Миллионе приключений» Булычёва Плутон населяют «снеговики». Они твёрдые, пока в тени, а выйдя на солнце, переходят в газообразную форму — и не поймаешь (рис. Е. Мигунова)

Интересные возможности открывает замена углерода комбинацией азота и фосфора. В этом случае для фотосинтеза растениям вместо воды и углекислоты понадобятся аммиак и фосфин (соединение фосфора и водорода). Жизнь на фосфор-азотной основе могла бы процветать в холодных мирах, подобных описанным в романе Пола Андерсона «Завоевать три мира» и рассказе Кира Булычёва «Снегурочка». Ведь аммиак замерзает лишь при температуре −78 градусов.

С точки зрения метаболизма «нитроиды» окажутся «существами навыворот». Земные растения синтезируют горючее — углеводороды, вырабатывая окислитель — кислород. При ледяном же синтезе лишним оказывается водород. Вдыхая это высокоэффективное горючее, нитрозвери должны будут извлекать из растительной пищи окислитель, возвращая растениям азот и фосфор.

Проблема здесь, собственно, в фосфине. В отличие от космически распространённых углекислоты, сероводорода, воды и аммиака, это вещество сравнительно редкое. Но в составе атмосфер на основе водорода фосфин вполне обычен. Для нитроидов подойдут лёгкие и холодные планеты-гиганты с твёрдым ядром и морями жидкого аммиака. А такие встречаются даже чаще планет земного типа.

Моря жидких газов некогда плескались, омывая скалистые берега из водяного льда, на Тритоне — спутнике планеты Нептун

Вот только органические вещества на основе азота и фосфора недостаточно стабильны. Но только в земных условиях. Надёжность химических связей увеличивается по мере падения температуры. А значит, «питательный бульон», необходимый для зарождения азотной жизни, вполне может накапливаться в аммиачных морях. После этого развитие «нитроидов» не встретит никаких серьёзных препятствий, помимо дефицита энергии. А энергии потребуется много, ведь холод затрудняет разборку фосфина и аммиака на необходимые для синтеза органики «детали». Вот только энергии в ледяном мире много не бывает, иначе он не был бы ледяным.

Свет для фотосинтеза азотные растения смогут найти лишь в верхних слоях атмосферы. Газообразная среда только кажется не слишком подходящей для жизни — даже на Земле бактерии в облаках процветают, довольствуясь капельной влагой. А значит, остаётся шанс обнаружить жизнь на основе азота даже в Солнечной системе. В газовой оболочке Юпитера, например, нет ничего такого, с чем микроорганизмы не смогли бы справиться. Планету окружает затянутый облаками водяного пара слой, в котором при давлении всего от трёх до семи атмосфер температура составляет +30 градусов Цельсия. Как и на молодой Земле, тут достаточно аммиака, метана, сероводорода и углекислоты. Присутствует и фосфин. «Комфортные» зоны есть также в тучах Сатурна, Урана и Нептуна.

Атмосфера Юпитера — не лучшее место для фотосинтеза. Солнечной энергии на единицу площади поступает в 30 раз меньше. Кроме того, свет почти не проникает сквозь верхний, состоящий из аммиачного льда слой облаков

Метаногенная жизнь

Из всех космических тел Солнечной системы больше всего на Землю похож спутник Сатурна Титан. По крайней мере, внешне. Не считая нашей планеты, только на Титане атмосфера состоит преимущественно из азота и только там плещутся незамерзающие моря. Правда, вместо воды в них жидкие газы — метан и этан.

Учёным не удалось пока придумать жизнь, способную существовать в столь суровых условиях. Да, этан вполне может заменить воду в качестве растворителя. Но слишком уж там холодно — замёрзнут даже азот-фосфорные существа, по жилам которых течёт жидкий аммиак. При такой температуре химические реакции крайне затруднены. И автокаталитическая молекула здесь будет не иметь с ДНК ничего общего.

Тем не менее именно на Титане обнаружены признаки жизни. Во всяком случае, на спутнике Сатурна протекают атмосферные процессы, объяснить которые может деятельность живых организмов. В нижних слоях атмосферы ледяного спутника обнаружился дефицит водорода и ацетилена, словно кто-то потребляет эти газы. Если гипотеза о биогенной природе недостачи водорода подтвердится, за обитающих на Титане бактерий останется лишь порадоваться. Ведь на Земле фотосинтезирующим организмам приходится разлагать исключительно стойкие вещества — углекислоту (для получения углерода) и воду (чтобы добыть водород). Жителям же этановых морей достаточно обогащать свободным водородом уже наличествующие углеводородные молекулы.

Так могла бы выглядеть посадка зонда «Гюйгенс» на Титан. Если бы её кто-нибудь наблюдал со спутника Сатурна

Кислота

В рассуждениях об альтернативных формах жизни учёным приходится отталкиваться от хорошо зарекомендовавшей себя на нашей планете ДНК. Может ли что-нибудь сложное и автокаталитическое существовать на принципиально иной основе? Исключить такой вариант нельзя.

ДНК состоит из нуклеотидов, в состав которых, в свою очередь, входят углерод, водород, азот, кислород и фосфор. Первые два элемента основные. Водород заменять нечем, да и незачем. Если же заместить углерод кремнием или же вовсе исключить этот химический элемент из состава молекулы, как в случае ледяными существами, неизвестно, сохранит ли двойная спираль автокаталитические свойства. В теории должна, но проверке эта гипотеза пока не поддаётся.

Чужой, кровь которого разъедает металл, может быть «сероуглеродным» существом. Правда, в таком случае люди для него были бы не просто несъедобны, но и смертельно ядовиты

Зато с азотом, кислородом и фосфором можно обходиться как вздумается — основные свойства молекулы не меняются. Но тут уже не приходится говорить о настоящей небелковой жизни. Ведь углеводородная основа сохранена. Тем не менее результат при таком небольшом изменении может оказаться крайне неожиданным.

Лучше всего реальным условиям соответствует «альтернативная» жизнь, в органике которой кислород заменили на серу. Вроде бы мелочь, но в таком случае синтез становится возможным только при замене воды, превращающейся в смертельный яд, на серную кислоту! А это означает, что подходящие условия для гипотетических «сероуглеродных» бактерий можно найти на соседней к нам планете.

Именно из серной кислоты состоят облака на безводной Венере. На дополнительные мысли наводит и тот факт, что в процессе аноксигенного фотосинтеза «сероуглеродные» бактерии должны вместо водяного пара выделять сероводород. Это нестойкое соединение, быстро разрушающееся космическими излучениями. Но в атмосфере Венеры сероводород почему-то присутствует. Его запасы не могут пополняться за счёт извержений, так как недра лишённой массивного спутника планеты остыли и вулканизм давно прекратился. Не живые ли существа производят этот газ?.. Хотя, конечно же, сероводород в венерианских облаках может иметь и менее экзотическое происхождение.

Атмосфера Венеры в сотню раз плотнее земной, и небольшой пузырь с водородом или метаном позволит растению парить на нужной высоте

Некросфера

Не все обитатели фантастических миров согласятся с тем, что жизнь — явление химическое. У классиков фантастики — например, Станислава Лема (рассказ «Правда») или Артура Кларка (роман «Из солнечного чрева») — упоминаются существа, состоящие даже из магнитных полей и раскалённой плазмы. В романе у того же Лема «Непобедимый» земляне попадают на планету, населённую одичавшими и деградировавшими машинами. Лем описывает и Солярис — мыслящий океан, ничего, насколько можно судить, не выделяющий и не потребляющий. В романе «Чёрное облако» Фреда Хойла признаки жизни начинает проявлять дрейфующее в космосе облако газа.

Общая черта всех «нехимических» чудовищ — их загадочное и, скорее всего, искусственное происхождение. Наделённое разумом существо не появится случайно. Сложное должно образоваться из простого. А единственный известный науке путь развития от простого к сложному — эволюция. Но непонятно, что будет носителем наследственности в сгустке плазмы и каким образом облако газа или океан могут быть подвержены мутациям и естественному отбору.

* * *

Как далеко может продвинуться эволюция «альтернативной» жизни? Разумеется, облака Венеры — куда худшее пристанище для растений, чем суша и океаны Земли. Но в капельках серной кислоты бактериям будет раздолье. Света достаточно, ведь Солнце в полтора раза ближе, чем на Земле. А сырьём для фотосинтеза служат сама кислота и углекислый газ, из которого атмосфера Венеры состоит почти целиком.

Другой вопрос, что основанный на сере метаболизм делает невозможным и ненужным фотосинтез с выделением кислорода. Анаэробное же дыхание не обеспечит достаточной энергии для движения. А значит, крупные и подвижные хищники вряд ли когда-либо атакуют земные зонды в атмосфере Венеры.

То же касается и атмосферы Юпитера, и этановых морей Титана. Фантасту, конечно, ничто не помешает населить бурые тучи планет-гигантов летающими китами. Но в реальности полёт в атмосфере Юпитера невозможен: гравитация слишком велика. Жизнь может зародиться в самых неожиданных местах, но ей предстоит пройти немало трудностей, чтобы породить что-то сложнее бактерий.

Что почитать?

• Пол Андерсон «Завоевать три мира»
• Кир Булычёв «Снегурочка»
• Алексей Днепров «Глиняный бог»
• Артур Конан Дойл «Когда Земля вскрикнула»
• Артур Кларк «Из солнечного чрева»
• Алексей Константинов «Контакт на Ленжевене»
• Станислав Лем «Непобедимый»
• Майкл Крайтон «Штамм «Андромеда»
• Алексей Толстой «Аэлита»
• Герберт Уэллс «Война миров»
• Фред Хойл «Чёрное облако»

В поисках внеземного разума ученые часто получают обвинения в «углеродном шовинизме», поскольку ожидают, что другие жизнеформы во Вселенной будут состоять из тех же биохимических строительных блоков, что и мы, соответствующим образом выстраивая свои поиски. Но жизнь вполне может быть другой — и люди об этом задумываются — поэтому давайте изучим десять возможных биологических и небиологических систем, которые расширяют определение «жизни».

Метаногены

В 2005 году Хизер Смит из Международного космического университета в Страсбурге и Крис Маккей из Исследовательского центра Эймса в NASA подготовили документ, рассматривающий возможность существования жизни на базе метана, так называемых метаногенов. Такие формы жизни могли бы потреблять водород, ацетилен и этан, выдыхая метан вместо углекислого газа.

Это могло бы сделать возможными зоны обитаемости жизни в холодных мирах вроде луны Сатурна Титан. Подобно Земле, атмосфера Титана представлена по большей части азотом, но смешанным с метаном. Титан также единственное место в нашей Солнечной системе, кроме Земли, где присутствуют большие жидкие водоемы — озера и реки из этано-метановой смеси. (Подземные водоемы также присутствуют на Титане, его сестринской луне Энцелад, а также на спутнике Юпитера Европе). Жидкость считается необходимой для молекулярных взаимодействий органической жизни и, конечно, основное внимание будет сосредоточено на воде, но этан и метан также позволяют таким взаимодействиям осуществляться.

Миссия NASA и ESA «Кассини-Гюйгенс» в 2004 году наблюдала грязный мир с температурой -179 градусов по Цельсию, где вода была твердой как камень, а метан плыл по речным долинам и бассейнам в полярные озера. В 2015 году команда инженеров-химиков и астрономов Корнелльского университета разработала теоретическую клеточную мембрану из небольших органических соединений азота, которые могли бы функционировать в жидком метане Титана. Они назвали свою теоретическую клетку «азотосомой», что в буквальном переводе означает «азотное тело», и она обладала такой же стабильностью и гибкостью, что и земная липосома. Самым интересным молекулярным соединением была акрилонитриловая азотосома. Акрилонитрил, бесцветная и ядовитая органическая молекула, используется для акриловых красок, резины и термопластмассы на Земле; также его нашли в атмосфере Титана.

Последствия этих экспериментов для поисков внеземной жизни сложно переоценить. Жизнь не только потенциально могла развиться на Титане, но ее еще и можно обнаружить по водородным, ацетиленовым и этановым следам на поверхности. Планеты и луны, в атмосферах которых преобладает метан, могут быть не только вокруг подобных Солнцу звезд, но и вокруг красных карликов в более широкой «зоне Златовласки». Если NASA запустит Titan Mare Explorer в 2016 году, уже в 2023 году мы получим подробную информацию о возможной жизни на азоте.

Жизнь на основе кремния

Жизнь на основе кремния — это, пожалуй, самая распространенная форма альтернативной биохимии, любимой популярной наукой и фантастикой — вспомните хорта из «Звездного пути». Эта идея далеко не нова, ее корни уходят еще в размышления Герберта Уэллса в 1894 году: «Какое фантастическое воображение могло бы разыграться из такого предположения: представим кремниево-алюминиевые организмы — или, может, сразу кремниево-алюминиевых людей? — которые путешествуют через атмосферу из газообразной серы, положим так, по морям из жидкого железа температурой в несколько тысяч градусов или вроде того, чуть выше температуры доменной печи».

Кремний остается популярным именно потому, что очень похож на углерод и может образовывать четыре связи, подобно углероду, что открывает возможность создания биохимической системы полностью зависимой от кремния. Это самый распространенный элемент в земной коре, если не считать кислород. На Земле есть водоросли, которые включают кремний в свой процесс роста. Кремний играет вторую после углерода роль, поскольку тот может образовывать более стабильные и разнообразные комплексные структуры, необходимые для жизни. Углеродные молекулы включают кислород и азот, которые образуют невероятно крепкие связи. Сложные молекулы на основе кремния, к сожалению, имеют тенденцию распадаться. Кроме того, углерод чрезвычайно распространен во Вселенной и существует миллиарды лет.

Едва ли жизнь на основе кремния появится в окружении, подобном земному, поскольку большая часть свободного кремния будет заперта в вулканических и магматических породах из силикатных материалов. Предполагают, что в высокотемпературном окружении все может быть по-другому, но никаких доказательств пока не нашли. Экстремальный мир вроде Титана мог бы поддерживать жизнь на основе кремния, возможно, вкупе с метаногенами, так как молекулы кремния вроде силанов и полисиланов могут имитировать органическую химию Земли. Тем не менее на поверхности Титана преобладает углерод, тогда как большая часть кремния находится глубоко под поверхностью.

Астрохимик NASA Макс Бернштейн предположил, что жизнь на основе кремния могла бы существовать на очень горячей планете, с атмосферой богатой водородом и бедной кислородом, позволяя случиться комплексной силановой химии с обратными кремниевыми связями с селеном или теллуром, но такое, по мнению Бернштейна, маловероятно. На Земле такие организмы размножались бы очень медленно, а наши биохимии никак бы не мешали друг другу. Они, впрочем, могли бы медленно поедать наши города, но «к ним можно было бы применить отбойный молоток».

Другие биохимические варианты

В принципе, было довольно много предложений касательно жизненных систем, основанных на чем-то другом, помимо углерода. Подобно углероду и кремнию, бор тоже имеет тенденцию образовывать прочные ковалентные молекулярные соединения, образуя разные структурные варианты гидрида, в которых атомы бора связаны водородными мостиками. Как и углерод, бор может связываться с азотом, образуя соединения, по химическим и физическим свойства подобным алканам, простейшим органическим соединения. Основная проблема с жизнью на основе бора связана с тем, что это довольно редкий элемент. Жизнь на основе бора будет наиболее целесообразна в среде, температура которой достаточно низка для жидкого аммиака, тогда химические реакции будут протекать более контролируемо.

Другая возможная форма жизни, которая привлекла определенное внимание, это жизнь на основе мышьяка. Вся жизнь на Земле состоит из углерода, водорода, кислорода, фосфора и серы, но в 2010 году NASA объявило, что нашло бактерию GFAJ-1, которая могла включать мышьяк вместо фосфора в клеточную структуру без всяких последствий для себя. GFAJ-1 живет в богатых мышьяков водах озера Моно в Калифорнии. Мышьяк ядовит для любого живого существа на планете, кроме нескольких микроорганизмов, которые нормально его переносят или дышат им. GFAJ-1 стала первым случаем включения организмом этого элемента в качестве биологического строительного блока. Независимые эксперты немного разбавили это заявление, когда не нашли никаких свидетельств включения мышьяка в ДНК или хотя бы каких-нибудь арсенатов. Тем не менее разгорелся интерес к возможной биохимии на основе мышьяка.

В качестве возможной альтернативы воде для строительства форм жизни выдвигался и аммиак. Ученые предположили существование биохимии на основе азотно-водородных соединений, которые используют аммиак в качестве растворителя; он мог бы использоваться для создания протеинов, нуклеиновых кислот и полипептидов. Любые формы жизни на основе аммиака должны существовать при низких температурах, при которых аммиак принимает жидкую форму. Твердый аммиак плотнее жидкого аммиака, поэтому нет никакого способа остановить его замерзание при похолодании. Для одноклеточных организмов это не составило бы проблемы, но вызвало бы хаос для многоклеточных. Тем не менее существует возможность существования одноклеточных аммиачных организмов на холодных планетах Солнечной системы, а также на газовых гигантах вроде Юпитера.

Сера, как полагают, послужила основой для начала метаболизма на Земле, и известные организмы, в метаболизм которых включена сера вместо кислорода, существуют в экстремальных условиях на Земле. Возможно, в другом мире формы жизни на основе серы могли бы получить эволюционное преимущество. Некоторые считают, что азот и фосфор могли бы также занять место углерода при довольно специфических условиях.

Меметическая жизнь

Ричард Докинз считает, что основной принцип жизни звучит так: «Вся жизнь развивается, благодаря механизмам выживания воспроизводящихся существ». Жизнь должна быть способна воспроизводиться (с некоторыми допущениями) и пребывать в среде, где будут возможны естественный отбор и эволюция. В своей книге «Эгоистичный ген» Докинз отметил, что понятия и идеи вырабатываются в мозгу и распространяются среди людей в процессе общения. Во многом это напоминает поведение и адаптацию генов, поэтому он называет их «мемами». Некоторые сравнивают песни, шутки и ритуалы человеческого общества с первыми стадиями органической жизни — свободными радикалами, плавающими в древних морях Земли. Творения разума воспроизводятся, эволюционируют и борются за выживание в царстве идей.

Подобные мемы существовали до человечества, в социальных призывах птиц и усвоенном поведении приматов. Когда человечество стало способно абстрактно мыслить, мемы получили дальнейшее развитие, управляя племенными отношениями и формируя основу для первых традиций, культуры и религии. Изобретение письма еще больше подтолкнуло развитие мемов, поскольку они смогли распространяться в пространстве и времени, передавая меметичную информацию подобно тому, как гены передают биологическую. Для некоторых это чистая аналогия, но другие считают, что мемы представляют уникальную, хотя немного рудиментарную и ограниченную форму жизни.

Некоторые пошли еще дальше. Георг ван Дрим разработал теорию «симбиосизма», которая подразумевает, что языки — это сами по себе формы жизни. Старые лингвистические теории считали язык чем-то вроде паразита, но ван Дрим полагает, что мы живем в сотрудничестве с меметическими сущностями, населяющими наш мозг. Мы живем в симбиотических отношениях с языковыми организмами: без нас они не могут существовать, а без них мы ничем не отличаемся от обезьян. Он считает, что иллюзия сознания и свободной воли вылилась из взаимодействия животных инстинктов, голода и похоти человека-носителя и лингвистического симбионта, воспроизводящегося с помощью идей и смыслов.

Синтетическая жизнь на основе XNA

Жизнь на Земле основана на двух переносящих информацию молекулах, ДНК и РНК, и долгое время ученые размышляли, можно ли создать другие похожие молекулы. Хотя любой полимер может хранить информацию, РНК и ДНК отображают наследственность, кодирование и передачу генетической информации и способны адаптироваться с течением времени в процессе эволюции. ДНК и РНК — это цепи молекул-нуклеотидов, состоящих из трех химических компонентов — фосфата, пятиуглеродной сахарной группы (дезоксирибоза в ДНК или рибоза в РНК) и одного из пяти стандартных оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин или урацил).

В 2012 году группа ученых из Англии, Бельгии и Дании первой в мире разработала ксенонуклеиновую кислоту (КНК, XNA), синтетические нуклеотиды, функционально и структурно напоминающие ДНК и РНК. Они были разработаны путем замены сахарных групп дезоксирибозы и рибозы различными субститутами. Такие молекулы делали и раньше, но впервые в истории они были способны воспроизводиться и эволюционировать. В ДНК и РНК репликация происходит с помощью молекул полимеразы, которые могут читать, транскибировать и обратно транскрибировать нормальные последовательности нуклеиновых кислот. Группа разработала синтетические полимеразы, которые создали шесть новых генетических систем: HNA, CeNA, LNA, ANA, FANA и TNA.

Одна из новых генетических систем, HNA, или гекситонуклеиновая кислота, была достаточно надежной, чтобы хранить нужное количество генетической информации, которая может послужить в качестве основы для биологических систем. Другая, треозонуклеиновая кислота, или TNA, оказалась потенциальным кандидатом на таинственную первичную биохимию, царившую на рассвете жизни.

Есть масса потенциальных применений этих достижений. Дальнейшие исследования могут помочь в разработке лучших моделей появления жизни на Земле и будут иметь последствия для биологических измышлений. XNA может получить терапевтическое применение, ведь можно создать нуклеиновые кислоты для лечения и связи с конкретными молекулярными целями, которые не будут портиться так быстро, как ДНК или РНК. Они даже могут лечь в основу молекулярных машин или вообще искусственной формы жизни.

Но прежде чем это станет возможно, должны быть разработаны другие энзимы, совместимые с одной из XNA. Некоторые из них уже разработали в Великобритании в конце 2014 года. Есть также возможность, что XNA может причинять вред РНК/ДНК-организмам, поэтому безопасность должна быть на первом месте.

Хромодинамика, слабое ядерное взаимодействие и гравитационная жизнь

В 1979 году ученый и нанотехнолог Роберт Фрейтас-младший предположил возможную небиологическую жизнь. Он заявил, что возможный метаболизм живых систем основан на четырех фундаментальных силах — электромагнетизме, сильном ядерном взаимодействии (или квантовой хромодинамике), слабом ядерном взаимодействии и гравитации. Электромагнитная жизнь — это стандартная биологическая жизнь, которую мы имеем на Земле.

Хромодинамическая жизнь могла бы быть основана на сильном ядерном взаимодействии, которое считается сильнейшим из фундаментальных сил, но только на чрезвычайно коротких расстояниях. Фрейтас предположил, что такая среда может быть возможна на нейтронной звезде, тяжелом вращающемся объекте 10-20 километров в диаметре с массой звезды. С невероятной плотностью, мощнейшим магнитным полем и гравитацией в 100 миллиардов раз сильнее, чем на Земле, у такой звезды было бы ядро с 3-километровой коркой кристаллического железа. Под ней было бы море с невероятно горячими нейтронами, различными ядерными частицами, протонами и ядрами атомов и возможные богатые нейтронами «макроядра». Эти макроядра в теории могли бы сформировать крупные сверхъядра, аналогичные органическим молекулам, нейтроны выступали бы эквивалентом воды в причудливой псевдобиологической системе.

Фрейтас видел формы жизни на базе слабого ядерного взаимодействия как маловероятные, поскольку слабые силы действуют лишь в субъядерном диапазоне и не особенно сильны. Как часто показывает бета-радиоактивный распад и свободный распад нейтронов, формы жизни слабого взаимодействия могли бы существовать при тщательном контроле слабых взаимодействий в своей среде. Фрейтас представил существ, состоящих из атомов с избыточными нейтронами, которые становятся радиоактивными, когда умирают. Он также предположил, что есть регионы Вселенной, где слабая ядерная сила сильнее, а, значит, шансы на появление такой жизни выше.

Гравитационные существа тоже могут существовать, поскольку гравитация является самой распространенной и эффективной фундаментальной силой во Вселенной. Такие существа могли бы получать энергию из самой гравитации, получая неограниченное питание из столкновений черных дыр, галактик, других небесных объектов; существа поменьше — из вращения планет; самые маленькие — из энергии водопадов, ветра, приливов и океанических течений, возможно, землетрясений.

Формы жизни из пыли и плазмы

Органическая жизнь на Земле основана на молекулах с соединениями углерода, и мы уже выяснили возможные соединения для альтернативных форм. Но в 2007 году международная группа ученых во главе с В. Н. Цытовичем из Института общей физики Российской академии наук документально подтвердила, что при нужных условиях частицы неорганической пыли могут собираться в спиральные структуры, которые затем будут взаимодействовать друг с другом в манере, присущей для органической химии. Это поведение также рождается в состоянии плазмы, четвертом состоянии вещества после твердого, жидкого и газообразного, когда электроны отрываются от атомов, оставляя массу заряженных частиц.

Группа Цытовича обнаружила, что когда электронные заряды отделяются и плазма поляризуется, частицы в плазме самоорганизуются в форму спиральных структур вроде штопора, электрически заряженных, и притягиваются друг к другу. Они также могут делиться, образуя копии оригинальных структур, подобно ДНК, и индуцировать заряды в своих соседях. По мнению Цытовича, «эти сложные, самоорганизующиеся плазменные структуры отвечают всем необходимым требованиям, чтобы считать их кандидатами в неорганическую живую материю. Они автономны, они воспроизводятся и они эволюционируют».

Некоторые скептики считают, что такие заявления являются больше попыткой привлечь внимание, нежели серьезными научными заявлениями. Хотя спиральные структуры в плазме могут напоминать ДНК, сходство в форме необязательно предполагает сходство в функциях. Более того, тот факт, что спирали воспроизводятся, не означает потенциал жизни; облака тоже так делают. Что еще больше удручает, большая часть исследований была проведена на компьютерных моделях.

Один из участников эксперимента также собщил, что хотя результаты действительно напоминали жизнь, в конце концов, они были «просто особой формой плазменного кристалла». И все же, если неорганические частицы в плазме могут перерасти в самовоспроизводящиеся, развивающиеся формы жизни, они могут быть наиболее распространенной формой жизни во Вселенной, благодаря вездесущей плазме и межзвездным облакам пыли по всему космосу.

Неорганические химические клетки

Профессор Ли Кронин, химик Колледжа науки и инженерии при Университете Глазго, мечтает создать живые клетки из металла. Он использует полиоксометаллаты, ряд атомов металла, связанных с кислородом и фосфором, чтобы создать похожие на клетки пузырьки, которые он называет «неорганическими химическими клетками», или iCHELLs (этот акроним можно перевести как «неохлетки»).

Группа Кронина начала с создания солей из отрицательно заряженных ионов крупных оксидов металла, связанных с небольшим положительно заряженным ионом вроде водорода или натрия. Раствор из этих солей затем впрыскивается в другой солевой раствор, полный больших положительно заряженных органических ионов, связанных с небольшими отрицательно заряженными. Две соли встречаются и обмениваются частями, так что крупные оксиды металла становятся партнерами с крупными органическими ионами, образуя что-то вроде пузыря, который непроницаем для воды. Изменяя костяк оксида металла, можно добиться того, что пузыри приобретут свойства биологических клеточных мембран, которые выборочно пропускают и выпускают химические вещества из клетки, что потенциально может позволить протеканию того же типа контролируемых химических реакций, который происходит в живых клетках.

Группа ученых также сделала пузыри в пузырях, имитируя внутренние структуры биологических клеток, и добилась прогресса в создании искусственной формы фотосинтеза, которая потенциально может быть использована для создания искусственных клеток растений. Другие синтетические биологи отмечают, что такие клетки могут никогда не стать живыми, пока не получат систему репликации и эволюции вроде ДНК. Кронин не теряет надежду на то, что дальнейшее развитие принесет свои плоды. Среди возможных применений этой технологии есть также разработка материалов для солнечных топливных устройств и, конечно, медицина.

По словам Кронина, «основная цель — это создать комплексные химические клетки с живыми свойствами, которые могут помочь нам понять развитие жизни и пойти этим же путем, чтобы привнести новые технологии на основе эволюции в материальный мир — своего рода неорганические живые технологии».

Зонды фон Неймана

Искусственная жизнь на основе машин — это довольно распространенная идея, чуть ли не банальная, поэтому давайте просто рассмотрим зонды фон Неймана, чтобы не обходить ее стороной. Впервые их придумал в середине 20 века венгерский математик и футуролог Джон фон Нейман, который считал, что для того, чтобы воспроизводить функции человеческого мозга, машина должна обладать механизмами самоуправления и самовосстановления. Так он пришел к идее создания самовоспроизводящихся машин, в основе которых работают наблюдения за возрастающей сложностью жизни в процессе воспроизводства. Он считал, что такие машины могут стать своего рода универсальным конструктором, который мог бы позволить не только создавать полные реплики себя самого, но и улучшать или изменять версии, тем самым осуществляя эволюцию и наращивая сложность со временем.

Другие футурологи вроде Фримена Дайсона и Эрика Дрекслера довольно быстро применили эти идеи к области космических исследований и создали зонд фон Неймана. Отправка самовоспроизводящегося робота в космос может быть самым эффективным способом колонизации галактики, ведь так можно захватить весь Млечный Путь меньше чем за один миллион лет, даже будучи ограниченными скоростью света.

Как объяснил Мичио Каку:

«Зонд фон Неймана — это робот, предназначенный для достижения далеких звездных систем и создания фабрик, которые будут строить копии самих себя тысячами. Мертвая луна, даже не планета, может стать идеальным пунктом назначения для зондов фон Неймана, поскольку там будет проще садиться и взлетать с этих лун, а также потому что на лунах нет эрозии. Зонды могли бы жить за счет земли, добывая железо, никель и другое сырье для строительства роботизированных фабрик. Они бы создали тысячи копий самих себя, которые затем разошлись бы в поисках других звездных систем».

За долгие годы были придуманы различные версии базовой идеи зонда фон Неймана, включая зонды освоения и разведки для тихого исследования и наблюдения внеземных цивилизаций; зондов связи, разбросанных по всему космосу, чтобы лучше улавливать радиосигналы инопланетян; рабочие зонды для строительства сверхмассивных космических структур; зонды-колонизаторы, которые будут покорять другие миры. Могут быть даже путеводные зонды, которые будут выводить юные цивилизации в космос. Увы, могут быть и зонды-берсеркеры, задачей которых будет уничтожение следов любой органики в космосе, за чем последует строительство полицейских зондов, которые будут эти атаки отражать. Учитывая то, что зонды фон Неймана могут стать своего рода космическим вирусом, нам стоит осторожно подходить к их разработке.

Гипотеза Геи

В 1975 году Джеймс Лавлок и Сидни Эптон совместно написали статью для New Scientist под названием «В поисках Геи». Придерживаясь традиционной точки зрения о том, что жизнь зародилась на Земле и процветала благодаря нужным материальным условиям, Лавлок и Эптон предположили, что жизнь таким образом взяла на себя активную роль в поддержании и определении условий для своего выживания. Они предположили, что вся живая материя на Земле, в воздухе, океанах и на поверхности является частью единой системы, ведущей себя подобно сверхорганизму, который способен настраивать температуру на поверхности и состав атмосферы нужным для выживания образом. Они назвали такую систему Геей, в честь греческой богини земли. Она существует, чтобы поддерживать гомеостаз, благодаря которому на земле может существовать биосфера.

Лавлок работал над гипотезой Геи с середине 60-х годов. Основная идея в том, что биосфера Земли имеет ряд природных циклов, и когда один идет наперекосяк, другие компенсируют его так, чтобы поддерживать жизненную способность. Это могло бы объяснить, почему атмосфера не состоит целиком из диоксида углерода или почему моря не слишком соленые. Хотя вулканические извержения сделали раннюю атмосферу состоящей преимущественно из диоксида углерода, появились вырабатывающие азот бактерии и растения, производящие кислород в процессе фотосинтеза. Спустя миллионы лет атмосфера изменилась в нашу пользу. Хотя реки переносят соль в океаны из пород, соленость океанов остается стабильной на 3,4%, поскольку соль просачивается через трещины в океаническом дне. Это не сознательные процессы, но результат обратной связи, которая удерживает планеты в пригодном для обитания равновесии.

Другие свидетельства включают то, что если бы не биотическая активность, метан и водород исчезли бы из атмосферы всего за несколько десятилетий. Кроме того, несмотря на увеличение температуры Солнца на 30% за последние 3,5 миллиарда лет, средняя глобальная температура пошатнулась всего на 5 градусов по Цельсию, благодаря регуляторному механизму, который удаляет диоксид углерода из атмосферы и запирает его в окаменелой органической материи.

Первоначально идеи Лавлока были встречены насмешками и обвинениями. Со временем, однако, гипотеза Геи повлияла на идеи о биосфере Земли, помогла сформировать цельное их восприятие в ученом мире. Сегодня гипотеза Геи скорее уважается, нежели принимается учеными. Она является скорее положительной культурной рамкой, в которой должны проводиться научные исследования на тему Земли как глобальной экосистемы.

Палеонтолог Питер Уорд разработал конкурентную гипотезу Медеи, названную в честь матери, которая убила своих детей, в греческой мифологии, основная идея которой сводится к тому, что жизнь по своей сути стремится к саморазрушению и самоубийству. Он указывает на то, что исторически большинство массовых вымираний были вызваны формами жизни, например, микроорганизмами или гоминидами в штанах, которые наносят тяжелые увечья атмосфере Земли.

По материалам listverse.com