Что изучает ксенобиология в астрономии

Астрогалактика

Ксенобиология. Ксеноархеология

Ксенобиология. Ксеноархеология

Бывают идеи, которые намного опережают свое время. Они посещают одиноких мыслителей и остаются непонятыми и не принятыми, пока не приходит их срок. Только тогда, вспоминая о тех, кто сказал первое слово, мы поражаемся их гениальной прозорливости. Но когда идея созрела, когда она «носится в воздухе», она обычно затрагивает сразу несколько умов. Так произошло и с идеей межзвездной связи. В то время как Коккони и Моррисон вырабатывали свои предложения по межзвездной связи и пытались привлечь внимание английских коллег к этой проблеме9 на их родине, в США, в Национальной радиоастрономической обсерватории (НРАО), уже велась подготовка к приему радиосигналов от внеземных цивилизаций на волне 21 см.
Одним из первых сотрудников НРАО был молодой радиоастроном Фрэнк Дрейк, только что закончивший аспирантуру Гарвардского университета. Когда он прибыл в Грин Бэнк в апреле 1958 г., обсерватория еще строилась. В марте 1959 г. было завершено сооружение 26-метрового радиотелескопа, предназначенного для исследования Галактики в линии водорода 21 см. Ф. Дрейк, с юности увлеченный идеей существования разумной жизни во Вселенной, задумался над тем, нельзя ли использовать этот радиотелескоп для приема сигналов от внеземных цивилизаций.
Как раз в это время были проведены первые попытки радиолокации Венеры. Дрейк рассуждал следующим образом. Предположим, передатчик внеземной цивилизации имеет те же характеристики, что и радар в Вестфорде, с помощью которого осуществлялась радиолокация Венеры. На каком расстоянии можно было бы принять эти сигналы с помощью 26-метрового радиотелескопа НРАО? Расчет показал, что прием возможен с расстояния 8,7 световых лет. Это равно расстоянию до Сириуса и вдвое превышает расстояние до ближайшей звезды Проксима Центавра. В сфере такого радиуса находятся 6 звезд. Если увеличить диаметр приемной антенны, соответственно увеличится и дальность приема. Так, с помощью 300 метровой антенны, которая сооружалась в то время на острове Пуэрто-Рико, можно было бы довести дальность обнаружения до 100 световых лет. В сфере такого радиуса содержится около 10000 звезд. Итак, связь на межзвездные расстояния вполне возможна. Каков должен быть характер сигнала?
При заданной мощности передатчика дальность радиопередачи тем больше, чем меньше (уже) полоса частот передаваемого сигнала. Следовательно, для обеспечения большей дальности сигнал должен быть узкополосным. Такой сигнал имеет еще одно преимущество: его легко отличить от космических радиоисточников естественного происхождения, поскольку они, как правило, излучают в широкой полосе частот. Далее, если передатчик расположен на планете, обращающейся вокруг звезды, то, вследствие эффекта Доплера, его частота должна периодически меняться. Это также поможет отличить сигнал внеземной цивилизации от космических шумов естественного происхождения (и от их земных помех). Наконец, если при передаче информации используется амплитудная модуляция, то мощность сигнала будет испытывать вариации со временем.
При выборе диапазона волн для межзвездной связи Дрейк уделил основное внимание анализу шумов. Он считал, что шумы аппаратуры можно не принимать во внимание, а точнее, их не следует принимать во внимание, так как с развитием радиотехники мы неизбежно придем к состоянию, когда они могут быть сделаны меньше шумов фона. Он назвал это «принципом технического совершенства». Под техническим совершенством Дрейк подразумевает такое состояние техники, когда пределы чувствительности аппаратуры определяются не ее недостатками (например, шумами приемника), а естественными ограничениями, над которыми человек не властен. При этом дальнейшее совершенствование аппаратуры не имеет смысла. Дрейк постулировал, что земная радиотехника достигнет этого состояния в течение ближайших 50 лет. (Сейчас, спустя 40 лет, можно констатировать, что его прогноз успешно сбывается.)
Таким образом, весь период от начала использования радиоволн до состояния совершенной радиотехники должен занять период порядка 100 лет. В истории становления нашей земной цивилизации то всего лишь короткий миг. Если это верно и для других цивилизаций, то значит они очень быстро, скачком переходят из состояния отсутствия радиотехники к состоянию совершенной радиотехники. Цивилизаций, подобных нашей, которые находятся в переходном состоянии, должно быть очень мало. Следовательно, те цивилизации, сигналы которых мы надеемся обнаружить, уже достигли технического совершенства в радиотехнике. Поэтому для них существенны лишь естественные, принципиально неустранимые ограничения. К таким ограничениям относятся шумы фона. Дрейк рассмотрел два источника фона — галактическое радиоизлучение и радиоизлучение атмосферы.
Галактический фон обусловлен суммарным излучением радио-источников, он определяет радиояркость неба за пределами атмосферы, подобно тому, как яркость фона ночного неба вне атмосферы определяется суммарным излучением звезд. И точно также, как яркость ночного неба ограничивает возможность наблюдения слабых оптических объектов — так и яркость радиофона ограничивает возможность обнаружения слабых радиосигналов. Если прием сигналов ведется с поверхности планеты, то вклад в наблюдаемую радиояркость неба будет давать также излучение атмосферы.

Из книги Л. М. Гиндилиса «Поиск Внеземного Разума».

Ксеноархеология — это гипотетическая форма археологии, имеющая дело с физическими останками прошлого инопланетных цивилизаций (но необязательно вымерших). Они могут быть найдены на планетах или спутниках, в космосе, астероидном поясе, орбитах планет или точках Лагранжа.

Ксеноархеологию иногда называют экзоархеологией, хотя существуют некоторые аргументы, что префикс экзо- более корректно применять для изучения человеческой деятельности в космосе. Планетарное SETI имеет дело с поиском внеземных структур на поверхности небесных тел в Солнечной системе.

Мотивация поисков
Возможно, что из-за огромного расстояния между звездами любое открытое нами свидетельство существования внеземного разума, будь то артефакт или электромагнитный сигнал, может происходить от давно исчезнувшей цивилизации. Поэтому весь проект SETI может быть формой археологии.

Вики Уэльшь предлагает использовать при поиске артефактов принцип заурядности и уравнение Дрейка. Она предполагает, что теоретические и умозрительные области археологии созданы для проверки необычных гипотез и пригодятся для времени, когда инопланетные артефакты будут доступны для исследования.

«Возможно создать абстрактную археологию, которая может быть протестирована на Земле и после этого за пределами нашей планеты.»

История
Следы происхождения этой области науки можно найти в ранних теориях конца XIX века о гипотетической марсианской цивилизации, основывающиеся на наблюдениях Марса. Эти теории были главным образом вдохновлены неправильным переводом высказывания Джованни Скиапарелли.

В 1997 году на конференции Группы Теоретической Археологии проводилось заседание «археология и научная фантастика».

В 2004 году на ежегодной встрече Американской Антропологической Ассоциации проводилось заседание «Антропология, Археология, Межзвездная Коммуникация».

Планетарное SETI
Планетарное SETI имеет дело с поиском внеземных структур на поверхности небесных тел в Солнечной системе. Общество Планетарного SETI — это свободная организация исследователей заинтересованных этой областью.

Re: Ксенобиология. Ксеноархеология

Проект SETI возобновляет работу по поиску внеземных цивилизаций
(19:04) 10.08.2011

Институт SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) сегодня анонсировал, что радиотелескопы Allen Telescope Array, занимающиеся анализом радиоизлучения во Вселенной, вновь заработали и научный процесс был возобновлен, после того, как научно-исследовательской заведение получило более 200 000 долларов от публичных инвесторов. Ранее SETI запустил кампанию по сбору денег от добровольцев. На сегодня SETI говорит о том, что проекту активно помогли более 2000 человек, пожелавших, чтобы поиск внеземных цивилизаций был продолжен.

Пирсон говорит, что 200 000 долларов достаточно для старта работ и непродолжительного их ведения, но для долговременного функционирования проекта необходимы новые источники финансирования, поэтому SETI ведет переговоры с ВВС США об участии в проекте анализа информации о космическом мусоре на околоземной орбите. За участие в этом проекте SETI будет получать деньги, необходимые для работы по основному направлению.

Созданный в 2007 году массив радиотелескопов расположен на севере Сан-Франциско. Он состоит из 42 тарелок, подключенных к 64 выделенным серверам, анализирующим поступающую информацию. Серверы были подарены проекту SETI компаниями Dell и Intel. При полной загрузке телескоп может производить до 200 терабайт информации для анализа. Изначально массив телескопов был создан на средства сооснователя Microsoft Пола Аллена.

Начало SETI датируется 1959 годом, когда в международном научном журнале Nature появилась статья астрономов Коккони и Морисона «Поиски межзвёздных сообщений». В этой статье было показано, что даже при тогдашнем уровне развития космической связи мы вполне можем рассчитывать на обнаружение внеземных цивилизаций примерно такого же, как земной, уровня, при условии, что они обитают не слишком далеко от нас на планетах у окрестных звёзд солнечного типа. Волна 21 см, как универсальная физическая величина (линия излучения нейтрального водорода в Галактике), предлагалась в качестве рабочей для поисков по программе SETI.

8 апреля 1960 года Франк Дрейк начал первые поиски по программе SETI, используя для этого 26-метровый радиотелескоп Национальной радиоастрономической обсерватории США в Западной Вирджинии. Проект получил название «ОЗМА», в качестве объектов поисков были выбраны две окрестные звезды солнечного типа — Тау Кита и Эпсилон Эридана.

Re: Ксенобиология. Ксеноархеология

Re: Ксенобиология. Ксеноархеология

Curiosity () (Mars Science Laboratory) — марсоход нового поколения, который будет представлять собой автономную химическую лабораторию в несколько раз больше и тяжелее прежних марсоходов Spirit и Opportunity. Аппарат должен будет за несколько месяцев пройти от 5 до 20 километров и провести полноценный анализ марсианских почв и компонентов атмосферы. Космический корабль доставки будет снабжен вспомогательными ракетными двигателями для контролируемого снижения при посадке, которые до этого при спуске марсоходов не использовались.
Запуск аппарата к Марсу планировался в октябре 2009 г., а прибытие на Марс летом 2010 г. Однако 4 декабря 2008 года НАСА объявило о переносе старта миссии на 2011 год.[1]
В разработке аппарата помимо NASA участвуют также другие космические агентства.
Место посадки Mars Science Laboratory ещё не определено. Подходящий участок будет выбран при помощи спутника Mars Reconnaissance Orbiter.
Название Curiosity было выбрано в 2009 году путем интернет-голосования среди вариантов, предложенных школьниками. Среди других вариантов были Adventure («Приключение»), Amelia, Journey («Путешествие»), Perception («Восприятие»), Pursuit («Стремление»), Sunrise («Восход»), Vision («Видение») и даже Wonder («Чудо»).

Задачи и цели миссии

MSL имеет четыре основных цели:
• Установить, существовала ли когда-либо жизнь на Марсе.
• Получить подробные сведения о климате Марса.
• Получить подробные сведения о геологии Марса.
• Провести подготовку к высадке человека на Марсе.
Для достижения этих целей перед MSL поставлено восемь основных задач:
• Обнаружить и установить природу марсианских органических углеродных соединений.
• Обнаружить вещества, необходимые для существования жизни : углерод,водород,азот,кислород,фосфор,серу.
• Обнаружить следы возможного проистекания биологических процессов.
• Определить химический состав марсианской поверхности.
• Установить процесс формирования марсинских камней и почвы.
• Оценить процесс эволюции марсианской атмосферы в долгосрочном периоде.
• Определить текущее состояние, распределение и круговорот воды и углекислого газа.
• Установить спектр радиоактивного излучения поверхности Марса.

Характеристики
Сравнение марсоходов Mars Science Laboratory, Spirit и Sojourner Колеса марсоходов в сравнении со автомобильным 14-дюймовым диском MSL имеет 3 метра в длину, 2,1 метра в высоту с разложенной камерой и 2,7 метра в ширину[2]. Диаметр колёс составляет примерно 51 сантиметр. Вес марсохода 900 килограмм (включая 80 килограмм исследовательского оборудования) [3]
На поверхности Марса MSL будет способен преодолевать препятствия до 75 сантиметров в высоту. Максимальная предполагаемая скорость на пересеченной местности будет составлять 90 метров в час при автоматической навигации. Средняя же скорость, предположительно, составит 30 метров в час. Ожидается, что за время двухлетней миссии MSL пройдет не менее 19 километров.[4]
Конструкция прибора подобна тем, что использовались ранее — платформа с научными приборами на шести колесах. При этом он будет втрое тяжелее прежних марсоходов и обойдется в 1,5 миллиарда долларов. Вместо солнечных батарей в качестве источника энергии будет использован РИТЭГ, избавляя от проблемы запыления панелей солнечных батарей и простоев аппарата в ночное время. Выбранный РИТЭГ нового поколения способен снабжать марсоход в течение 14 лет[5].
Космический аппарат будет состоять из трех модулей — перелетного, посадочного и ровера-марсохода. Масса космического аппарата — 3,4 т, ровера — 930 кг, масса научной аппаратуры, установленной на ровере — 80 кг.
Посадочный модуль отделится от перелетного модуля перед входом в атмосферу. Для торможения посадочного модуля сначала будет использоваться сопротивление воздуха, затем парашют, и наконец, тормозные двигатели. Сам посадочный модуль не сразу коснется поверхности планеты — на определенной высоте ровер опустится на тросах, которые затем отстрелятся, а посадочный модуль отлетит в сторону, чтобы не загрязнять реактивными выхлопами место посадки ровера.

В передней части марсохода имеется «рука» длиной примерно 1,8 метра. Она достаточно сильна, чтобы выдержать человека, повисшего на её конце. Она во многом похожа на руку человека: есть подобия плеча, локтя и кисти, благодаря чему она может вытягиваться и сгибаться подобно руке человека.
На конце манипулятора будет установлено несколько научных инструментов: небольшой бур, лопатка для сбора образцов грунта и пыли и другие. Таким образом он сможет собирать образцы пород грунта, камней и пыли и доставлять их во внутреннюю часть марсохода для подробного химического анализа.

Исследовательские приборы
Еще в 2004 году НАСА сделало запрос о предложениях научных инструментов, которые должна будет принести MSL на поверхность Марса. Было внесено большое количество предложений и НАСА выбрало 8 самых актуальных. В ходе переговоров с другими странами НАСА заключило соглашение с Испанией и Россией о создании дополнительных инструментов. Давайте рассмотрим каждый из инструментов, которые получили билет на Марс.

Набор SAM (Sample Analysis at Mars, что переводится как анализ образцов на Марсе) должен обеспечить изучение образцов, которые будут добыты манипулятором Curiosity. Что входит в SAM? Это хроматограф газового типа, масс-спектрометр, а также спектрометр с настраиваемым лазером. Данное оборудование способно определить большое количество вариантов соединений органического типа, а также выявить соотношения различных изотопов основных элементов. Соотношение изотопных соединений может дать ответ на вопрос эволюции водной среды на Марсе, а также изучить его атмосферу. Главный исследователь данной программы – Пол Махаффи, ученый из Центра космических полётов имени Годарда.

Оборудование Sample Analysis at Mars

Установка CheMin instrument

Для фотосъемки горной породы будет применяться аппарат MAHLI (Mars Hand Lens Imager), который выполнит снимки крупным планом. Данное оборудование будет расположено в руке-манипуляторе и способно производить четкие снимки породы, на которой будут видны трещины величиной с человеческий волос. Аппарат может фокусироваться на труднодоступных объектах, которые расположены вне зоны досягаемости руки-манипулятора. Главный исследователь – Кеннет Эджетт.

Аппарат Mars Hand Lens Imager

В руке-манипуляторе расположится аппарат APXS (Alpha Particle X-ray Spectrometer), который предназначается для спектрального анализа образцов грунта и пород с поверхности Марса. Это позволит определить относительное содержание различных микроэлементов. В разработке аппарата принимало участие Канадское космическое агентство. Ведущий ученый Ральф Геллерт из Университета Гуэлфа.

Инструмент Alpha Particle X-ray Spectrometer

На высоте человеческого роста будет расположена мачтовая камера Mast Camera, которая позволит визуально оценивать обстановку в цветном режиме. Камера имеет высокое разрешение и способна сохранять видеоряд без потери качества изображения. Камера позволит осматривать собранные или обработанные рукой-манипулятором образцы. Ведущий исследователь – Майкл Малин.

Мачтовая камера Mast Camera

Прибор ChemCam позволит при помощи лазерных импульсом испарять слои материалов пород на глубину до 9 метров от поверхности Марса. Прибор имеет телескоп, который будет осуществлять захват изображения освещённого пучком лазера, а также спектрометр, который будет определять структуру атомов вещества, затронутого лазером. Это оборудование разместится на мачте марсохода. Главный исследователь – Роджер Винс, ученый из Лос-Аламосской национальной лаборатории.

Для измерения радиационного фона на поверхности марса будет использоваться прибор RAD (Radiation Assessment Detector). Данная информация будет полезна для формирования миссии на Марс с участием человека. А также данный прибор поможет понять, пригоден ли Марс для заселения. Главный исследователь – Дональд Хасслер, ученый из Юго-Западного исследовательского института.

Прибор Radiation Assessment Detector

Перед посадкой на поверхность Марса аппарат произведет цветную видеосъемку участка, для дальнейшего составления плана последующей работы. Для этого будет использоваться камера Mardi (Mars Descent Imager). Главный исследователь – Майкл Малин.

Камера Mardi (Mars Descent Imager)

Для получения данных об атмосферном давлении, температуре, влажности, скорости ветра и уровня ультрафиолетового излучения будет использоваться прибор REMS (Rover Environmental Monitoring Station). Прибор был разработан Министерством образования и науки Испании. Главный исследователь – Хавьер Гомес-Эльвира, ученый из Мадридского Центра Астробиологии.

Оборудование REMS (Rover Environmental Monitoring Station)

Наши отечественные ученые из Федерального космического агентства России также создали прибор DAN (Dynamic Albedo of Neutrons), который измерять уровень водорода на поверхности Марса, а также на глубине до 1 метра. Водород может указать на наличие льда на поверхности Марса или наличия водных компонентов в различных минералах. Главный исследователь – Игорь Митрофанов, ученый из Института космических исследований РАН.

Анимация входа в атмосферу, примарсения и работы Mars Science Laboratory (MSL) Curiosity на You Tube:
http://www.youtube.com/watch?v=vTPu4LYbqvM&feature=player_detailpage#t=6s

Подробнее о российском приборе DAN (Dynamic Albedo of Neutrons instrument)
(Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН). Руководитель проекта – д. ф.-м.н. И.Г. Митрофанов)

В создании прибора DAN принимали участие:

-ФГУП Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова (г. Москва)
Создание блока нейтронного генератора для прибора ДАН

-Институт Машиноведения РАН им. А.А. Благонравова (г. Москва)
Создание математической модели механической конструкции прибора; участие в создании испытательной базы для прибора ДАН в соответствии с требованиями НАСА; в подготовке методик проведения механических испытаний образцов и сопровождение испытаний образцов прибора.

-Объединенный Институт Ядерных Исследований (г. Дубна, Московская обл.)
Математическое моделирование счетных характеристик прибора ДАН; участие в разработке физической схемы прибора ДАН, подготовка и проведение калибровок образцов прибора на естественных и искусственных источниках нейтронов и на модельном стенде

-Институт Геохимии и Аналитической Химии им. В.И. Вернадского РАН (г. Москва)
Моделирование геологической обстановки на трассе марсохода для оптимизации конструкции ДАН и обработки научных данных

-Лаборатория реактивного движения НАСА (JPL, USA)
Испытания инструмента в составе КА, обработка данных совместно с данными других экспериментов

-Университет Аризоны (UofA, USA)
Управление прибором в полете и подготовка данных

Наземный комплекс для обеспечения ядерно-физических научных космических экспериментов
Год:
2010
Автор:
Малахов, Алексей Владимирович
Тема диссертации :
Наземный комплекс для обеспечения ядерно-физических научных космических экспериментов
Ученая cтепень:
кандидат физико-математических наук
Место защиты диссертации:
Москва
Код cпециальности ВАК:
01.04.01
Специальность:
Приборы и методы экспериментальной физики

Источник

Что изучает ксенобиология в астрономии

Когда наш мир на треть был меньше,
На треть синей и горячей,
Погасших звёзд алмазный пепел
Расцвёл в тепле чужих лучей.

Виктор Аргонов, техноопера «Русалочка»

Теперь, когда с помощью орбитального телескопа Кеплер открыто уже более двух тысяч планет за пределами Солнечной системы, а в следующем десятилетии ожидается прорыв в изучении состава атмосфер наиболее близких из них при помощи строящихся наземных экстремально больших телескопов: прежде всего Гигантского Магелланового и орбитального телескопа им. Дж.Вебба, который должен придти на смену телескопу им. Хаббла, вновь обостряется вопрос о жизни за пределами Земли.
Но, как и полвека назад, всякий, собирающийся написать книгу, сценарий или же разрабатывающий сюжет к игре в жанре строгой научной фантастики и при этом имеющий намерение описать «экзотические» формы жизни, т.е. организмы, фундаментально отличающиеся по своей химической архитектуре, либо вообще основанные на каких-то иных формах материи или даже самих принципах организации сложных систем, встает перед пугающей бездной почти полной неопределенности: ведь жизнь известна нам пока только в одной форме, а по одной точке адекватный график построить невозможно. В то же время хорошо известные общие свойства нашей Вселенной, уже давно открытые как естественными термодинамикой, ядерной физикой и химией, так и «сверхъестественной» математикой, да и просто ключевые закономерности развития известной нам жизни, налагают очень серьезные ограничения на многие наши фантазии. И по этим ограничениям теперь вполне можно хотя бы в самых общих чертах построить коридор «поканезапрещенных вариантов». Тогда на него могли бы ориентироваться те, кто в своем творчестве не хотел совершенно отрываться от физической реальности. Этим академически-честным творцам прежде всего и предназначается наша работа.

Если составить перечень самых фундаментальных вопросов, стоящих перед человеческой цивилизацией, то проблема происхождения и единственности или, наоборот, неединственности жизни в нашей вселенной всегда будет в числе первых трёх, которые обозначил в заглавии своей известнейшей книги ещё И.Шкловский — «Вселенная, жизнь, разум». Значение того, каким будет ответ на вопрос «Одиноки ли мы во вселенной?» в истории цивилизации исчерпывающе передано, например, А. и Б. Стругацкими в самом начале «Сталкера»:

«Сам факт Посещения является наиболее важным открытием не только за истекшие тринадцать лет, но и за все время существования человечества. Не так уж важно, кто были эти пришельцы. Неважно, откуда они прибыли, зачем прибыли, почему так недолго пробыли и куда девались потом. Важно то, что теперь человечество твердо знает: оно не одиноко во Вселенной. Боюсь, что институту внеземных культур уже никогда больше не повезет сделать более фундаментальное открытие.«

Разумеется, обнаружение жизни разумной (о которой идет речь и в приведенной цитате) будет иметь ничуть не меньшее значение, но какой вопрос бы мы ни поставили: возможен ли (и насколько) во вселенной иной разум или иная жизнь, сразу за ним встает другой: а что именно мы понимаем под этими словами? При ближайшем рассмотрении практически любого природного явления оно неизбежно распадается на более простые элементы и нам придется решать: какие из них мы должны считать ключевыми?
Рассматриваемых явлений, как наиболее сложных из известных нам, это касается в наибольшей степени. Особенно плохо обстоит дело с «разумом», где разнообразие «ключевых свойств» простирается от способностей к решению логических задач и созданию орудий до уровня социальных взаимодействий и языка. А по мере того, как стараниями этологов расширились наши знания о мыслительных способностях братьев наших меньших, ближайших и не только, круг свойств этих изрядно сузился, а сами они стали во многом количественными и сейчас из объективных поводов для «видовой гордости» навскидку можно вспомнить разве что число регистров рабочей памяти более четырёх, что в сочетании с высокими социальными способностями дало число Данбара более нескольких десятков, да язык со сложной грамматикой. Поскольку интеллект в широком ссысле — как способность к опережающей регуляции в виде увеличения числа степеней свободы для себя в будущем (что ещё С.Лем в Сумме Технологии назвал «гомеостатом второго рода») и выраженной теперь математически подобно уравнению энтропии Больцмана Висснер-Гроссом можно наблюдать даже на примере эволюции генофонда популяции бактерий (что, кстати, тоже было предсказано С.Лемом в псевдопредисловии Эрунтика сборника «Мнимая Величина»).

Задача же определения критериев «жизни вообще», о которой только и пойдет речь далее, кажется куда более простой. В целом это, конечно, так и есть, но распада нашего интуитивного понятия при его формализации на составляющие избежать не удается и здесь. Более того: при погружении в биологию уже чуть глубже среднешкольного уровня становится ясно — насколько разным по уровню сложности бывает то, что мы можем называть живым. Кроме того: даже однажды появившись, вовсе не факт, что жизнь будет способна эволюционировать до той сложной формы (эукариотических клеток), что мы повсюду наблюдаем на нашей планете половину её истории (около двух миллиардов лет). И даже если запустить её заново в тех же начальных условиях — также совсем не обязательно, что возникнут и будут развиваться именно те же линии многоклеточных растений и животных, которые известны в последние полмиллиарда лет.

Таким образом, надо всегда помнить, что вполне возможна такая ситуация: неспециалист, узнав подробности об однажды и даже неоднократно открытых, но очень просто устроенных внеземных организмах, может воскликнуть: «Да разве-ж это жизнь?!»,- несмотря на то, что по всем нашим фундаментальным критериям мы должны будем признать их живыми.

Со времен наиболее известных первопроходцев тут — Шредингера и Шкловского, Опарина и Холдейна — утекло немало жидкостей, и в этой части картины мира многое обрело существенно иной вид. Поэтому нам придется посмотреть на то, как феномен жизни выглядит теперь в свете новейших достижений самых разных отраслей естественных наук.

Более популярных, но столь же широких, подробных и современных работ по этой теме на русском языке исчезающе мало: это главным образом популярные статьи Александра Маркова и Михаила Никитина, а также изданная в 2000 году и переиздающаяся поныне книга Кирилла Еськова История Земли и жизни на ней, на которых по большей части и основана эта работа.

Итак, если мы собираемся заниматься ксенобиологией, т.е. искать жизнь-какой-бы-она-ни-была, то нам прежде всего нужно определить — что же собственно такое в нашем понимании «жизнь». Причём, по возможности, максимально формализованно. Уже традиционно любое погружения в аксиоматику биологии начинается с известнейшего высказывания одного из основателей синтетической теории эволюции — Феодочия Добжанского: «Ничто в биологии не имеет смысла кроме как в свете эволюции». Причём эволюции в основе своей дарвиновской. Что это значит? Это значит дифференциальное выживание наиболее приспособленных (к конкретным условиям) вариантов.

Совершенно очевидно, что количество информации в живой системе должно быть больше чем один или даже несколько бит — только в этом случае она может стать объектом изучения информатики или биологии, а не только физики или химии. Раздел между этими науками лежит именно в комбинаторной сложности исследуемых ими явлений: в ряду теорфизики, физики элементарных частиц, ядерной физики, неорганической химии, органической химии, биохимии, микробиологии, ботаники и зоологии по меткому выражению Э.Резерфорда уменьшается количество собственно «физики»(разнообразие фундаментальных взаимодействий) и увеличивается «коллекционирование марок»(число возможных сочетаний элементов сходной природы), которое уже в случае гетероорганических (т.е. содержащих любые другие элементы кроме углерода и водорода) соединений и гетерополимеров на многие порядки превышает число элементарных частиц в наблюдаемой Вселенной (и поэтому не может быть перебрано за все время ее существования).
Поскольку любые системы хранения информации, которые способна разработать природа(как минимум) в нашей Вселенной никак не могут обеспечивать пассивное хранение информации дольше двух-трех сотен миллионов лет, то информация, претендующая сохраняться дольший срок, обязана прибегать к резервному копированию.

Хотя активная работа по поддержанию сложной структуры требует потребления свободной энергии из среды, «пассивные хранители» в этой среде будут весьма доступным источником и энергии и стройматериалов. Отсюда сразу возникает конкуренция, ещё более усложняющая судьбу «хранителей», а если ещё и учесть их неспособность к эволюции, то очевидным становится факт, что в основе любых долгоиграющих хотя бы миллиард лет и хоть сколь-нибудь сложных структур, т.е. того что мы и зовем жизнью (а не кристаллами или иридиевыми DVD-дисками) всегда лежит процесс активного самокопирования.
И только отчасти, живые системы прибегают к стратегии длительного пассивного сохранения, и то — только когда уже имеют весьма непросто устроенные и довольно энергетически затратные системы для этого (например — способность бактерий к спорообразованию). И даже в основе частичной регенерации тоже будет лежать всё тот же принцип самокопирования, но под контролем организма. И этот способ сам по себе таит риск (в случае многоклеточных — опухоли): «No system is safe» — принцип копирайта внутренне противоречив.

Разумеется, что точность копирования должна быть достаточной для принципиально неограниченной серии размножения (т.е. живой организм должен быть полноценным автоматом фон Неймана), однако оно должно быть не совершенно точным — иначе при любом серьезном изменении условий среды (смене направления отбора) не будет ресурса для приспособления. Как следствие — система исходно должна иметь некий, причём не особо малый «запас свободы» вариантов себя. Эта граница между хаосом и порядком, между вырождением и бессмертием известна под названием порога Эйгена.

Давно известен тот факт, что надежная передача информации возможна только на базе дискретных систем — неслучайно почти все современные информационные системы цифровые, хотя на заре вычислительной техники на аналоговые вычислители возлагались очень большие надежды. Поэтому и архитектуры живых организмов, которые способны першагивать порог Эйгена миллиарды лет, должны содержать информацию о своей структуре обязательно в дискретном виде (см. стр. 33-36).
Справедливости ради следует упомянуть известный (и все еще спорный) казус с эволюцией прионов. Однако и количество пространственных конформаций белков — также конечно и дискретно, а в случае автокаталитической «репликации» прионов — весьма ограничено в диапазоне вариантов и возможно только на базе уже существующих живых систем, которые эти белки производят — этот пример наглядно демонстрирует «потенциал» аналоговой архитектуры в качестве основы для жизни и тем, кого не убеждает вышеприведенный строгий математический обзор Сергея Вакуленко: как говорится, sapienti sat.

Что из этого следует для ксенобиологии? А вот что: если мы абстрагируемся от материальной природы живой системы и от того, будет ли она проявлять свою активность когда мы её изучаем, то мы должны искать любые высоконерегулярные последовательности (массивы) конечного числа элементарных блоков, но встречающиеся хотя бы в нескольких копиях и вариантах. Топология этого массива будет скорее всего одномерной — как классическая Машина Тьюринга и подобно нашим белкам и нуклеиновым кислотам; в самом оптимистическом варианте — двухмерной (как QR-код), поскольку только в этих случаях возможно его считывание путём непосредственного пространственного контакта. Тогда как информация из сплошного объемного блока может быть считана только при использовании алгоритмов томографии, нередуцируемая сложность материального воплощения которых (нужен сразу уже готовый и очень сложный вычислитель) не оставляет никакого реального шанса на самовозникновение в наблюдаемой Вселенной, не говоря уже о том, что неразрушающее считывание такого массива надмолекулярных масштабов может быть осуществлено только с помощью источника хорошо сфокусированного света (если объем прозрачен) либо ядерного магнитного резонанса. Ни то ни другое химическим репликаторам недоступно прежде всего ввиду энергетических и размерных ограничений.

Таким образом совершенно однозначно получается, что настоящие живые организмы могут существовать только в виде конечных автоматов и, похоже, только Тьюринг-полных. И размножающихся по принципу матричного самокопирования.

В любом случае при поиске жизни неизвестной природы следует придерживаться общего подхода, прямо следующего из положений предыдущей части: если будут обнаружены нерегулярные последовательности элементов/состояний в метастабильных структурах и при этом они будут слишком маловероятными для одномоментного самовозникновения, но будут выявлены хотя бы в нескольких копиях, причем более одной точной разновидности — то только в таких системах можно подозревать жизнь.

150°C.
Середина этого диапазона приходится на 50-60°C и, судя по свойствам наиболее древних ферментов и температур плавления водородных связей самих нуклеиновых кислот, вполне вероятно, что наша жизнь возникла как раз при этих условиях. Расширить же этот диапазон получится не более чем в два раза: прибавив ещё по 70-75 градусов с каждой стороны, мы получим 175K (

-100°C) — температуру замерзания водно-аммиачной эвтектической смеси и большинства самых холодостойких полярных органических растворителей (почему именно их — см. конец главы «Химия биологии»), кроме этанола и н-пропанола; и 470K (

200°C) — предел термостойкости для большинства полимеров-пластиков, кроме ароматических полиамидов и некоторых силиконов. И не следует думать, что эти «взятые с потолка» пределы можно превзойти, поскольку даже они — уже крайне оптимистическая оценка, по причине того, что в основе жизни лежат сложные постоянные структуры, для которых условия существования — заведомо уже.

Ровно то же самое, кстати, касается и чаемых многими футурологами молекулярных машин-наноассемблеров, работа которых по принципу так называемого механосинтеза (если он вообще пригоден для получения активных механизмов) скорее всего будет абсолютно ограничена сверху, а подобного живым клеткам «синтеза в растворе» — снизу, температурой в районе 145K (-128°C) в области «вменяемых» давлений (до 10 ГПа), за девять градусов до которой сегодня заканчивается мир чистых квантовых явлений в виде рекорда выскотемпературной сверхпроводимости (138К) и начинается мир тотального броуновского движения в виде точки плавления самого холодостойкого полярного растворителя — н-пропанола (147K). Верхний же предел всякой активной сложности на молекулярном уровне обозначает температура, при которой начинают распадаться ароматические полиамиды и силиконы — порядка 570K (

300°C) — достижимая уже на хорошей электрической или газовой плитке.

Хотя очень многие простые организмы очень хорошо сохраняются в замороженном или высушенном виде не теряя жизнеспособности, тем не менее, сохранение их дольше четверти миллиарда лет вряд ли возможно — прежде всего в результате воздействия практически неустранимой в природных условиях фоновой радиации, в отношении которой рекорд выносливости современной активной земной жизни составляет 30 тысяч Грей для простых организмов и 6 тысяч Грей для сложных.

С другой стороны, жизнь, не смотря на некоторую ограниченность доступных ей элементов и отставание на многие порядки по отдельным показателям от больших и узкоспециализированных агрегатов, порожденных цивилизацией, добилась очень впечатляющих успехов в области эффективности манипуляций на молекулярном уровне, вплотную подойдя к термодинамическому пределу возможного: так, делящаяся каждые

20 минут кишечная палочка всего в 6 раз менее эффективна, чем это возможно теоретически, причем существуют и более быстрые бактерии, рекорд скорости деления которых в свежей оптимальной среде составил чуть менее 7 минут.
Кроме того, известно как минимум восемь широко распространенных каталитически-совершенных ферментов (в основном занимающихся «выключением» опаснейших форм кислорода, распространенного антибиотика и основного нейромедиатора), каждый пространственный контакт которых с молекулой исходного вещества катализирует соответствующую реакцию. А менее совершенные ферменты стало получаться превосходить только совсем недавно, причем, что характерно — при помощи одного из самых редких и трудных в обработке элементов — иридия.

С учетом только вышеизложенных фактов, очень скептичным становится взгляд не только на попытки найти более совершенные формы жизни в природе, но и на опасение превзойти её на порядки с помощью наноинженерии, известное под термином «серая слизь».
По всей видимости, превзойти известные живые организмы сразу по множеству параметров и с помощью столь же универсальных молекулярных автоматов если и удастся, то только в те же полтора-два раза, но никак не на порядок.
Постоянная Больцмана и энергия химических связей — это не те вещи, которыми можно пренебрегать как при построении моделей возникновения и развития жизни, так и для предсказания возможностей любой машинерии: хоть молекулярного, хоть астрономического масштаба.

Таким образом, вся известная нам физика ограничивает существование достаточно сложных для возникновения жизни структур только областью низких энергий, где существуют химические соединения. И прежде всего нас будет интересовать аналог самокопирования в химии — автокаталитические (цепные) реакции. Реакции эти довольно распространены и аналоги их можно подобрать и в ядерной физике, но к жизни они не имеют отношения до тех пор, пока при автокатализе не происходит образование структур такой сложности, одномоментное самовозникновение которых в данной среде исчезающе маловероятно (т.е. содержать массив информации). Но следует заметить, что возникновение жизни вообще все таки может быть не столь уж пессимистично-маловероятным в принципе, особенно в свете того, что эволюционный потенциал переходного — предбиологического — этапа нам пока еще очень мало понятен. Тут вполне могут быть полезными, например, давно известные свойства палиндромных последовательностей.

Что же касается альтернативной биохимии, то тут, несмотря на видимое разнообразие таблицы химических элементов Д.И.Менделеева, прочие описанные там «экзотические» комбинации либо невозможны в чистом виде, либо уже и так задействованы в известной нам жизни. И даже в случае возникновения такой «экзотики» скорее всего их эволюционный потенциал и вероятность возникновения существенно меньше, чем у нашей. А накладываемые химией ограничения и минимальные прямые аналогии позволяют нам представить хотя бы общие очертания этих возможностей.

Почти все теоретики согласны с тем, что главных химических «ингридиентов» жизни должно быть как минимум два сорта:
— те, из которых строятся сами биомолекулы
— и те, которые образуют среду для этого строительства.
Первые должны быть способны образовывать большие, сложные и в то же время достаточно стойкие молекулы, а вторые — обеспечивать их хорошее перемешивание (диффузию) в равномерных условиях, что возможно только в жидкостях. Кристаллические формы жизни невозможны по очень простой причине: без движения невозможно физическое самокопирование, а запись в виде состояний ячеек памяти (как в чипах) никогда не выйдет за пределы доступной памяти (как те же прионы из первой главы) и не сможет предотвратить их разрушение. Механическое же движение исходно очень сложно и затратно по сравнению со статистическими, но «дармовыми» температурными броуновскими колебаниями в жидкости. С другой стороны газовая среда обеспечивает слишком малую вероятность химических взаимодействий и не способна удерживать «на плаву» сколь-нибудь крупные структуры.

Итак, что касается биомолекул: сложные, нерегулярные и в то же время высокостабильные структуры получаются только с помощью элементов, способных связываться между собой прочными ковалентными связями в длинные ветвящиеся цепочки. На эту роль подходят только неметаллы с валентностью больше двух (для ветвления цепей): бор, углерод, азот, кремний и фосфор. Но бора при термоядерном синтезе в естественных условиях образуется очень мало, азот способен к полимеризации только при сверхвысоких давлениях глубоко в недрах планет-гигантов, до которых вряд ли когда-либо удастся добраться, а элементы третьего периода — кремний и фосфор — формируют стабильные цепи только при чередовании с кислородом, причём гораздо более массивные и склонные к образованию однообразных сетчатых (двухмерных) полимеров. Кроме того, эти элементы в цепи не обладают способностью образовывать кратные пи-связи, совершенно необходимые для сборки плоских структур, поэтому «чисто-силоксановая» жизнь невозможна — совсем без углерода обойтись не удастся и максимум возможного здесь — примесь кремния в гетероорганических молекулах: органосилоксанах и, возможно, органосилатранах.
А фосфор и так уже запользован нашей жизнью для связи нуклеотидов в нуклеиновых кислотах и одновременно как оперативное хранилище химической энергии в виде свободных нуклеотдов АТФ и ГТФ.
Более того: если мы обратимся к составляющим основу и нашей жизни — якобы «строго-углеродным» главным деталям — азотистым осонованиям нуклеиновых кислот и пептидам — то там мы увидим, что в их скелете (центральной цепи атомов) практически на каждые два атома углерода приходится один атом азота:

Рис.1. Природные нуклеотиды ДНК (вид с торца) (A) и фрагмент пептидной цепи (B).
Зеленый цвет — атомы углерода, синий — азота, красный — кислорода

Так что с этой точки зрения куда правильнее было бы называть нашу жизнь «углерод-азотной». Кроме того не следует забывать про большое количество кислорода в углеводах и серу, хотя бы пара атомов которой есть практически в любой более-менее сложной белковой молекуле. Еще одно ограничение, накладываемое на кремниевую жизнь состоит в том, что синтезу кремний-органики довольно сильно препятствует наличие воды, а это в целом — гораздо более распространенное соединение во Вселенной, чем серная кислота и даже оксид кремния(песок и камень), не говоря уже о фторводороде — почти столь же редком, как и соединения бора.

Все это находится в полном соответствии с приведенным выше «математическим» определением жизни — согласно ему в основе жизни должны лежать довольно стабильные и достаточно точно копирующиеся нерегулярные последовательности конечного числа блоков, а вот скелет цепи этих блоков должны составлять уже регулярные чередования разных атомов: хотя достаточно длинные однородные, «гомоатомные» цепи и могут существовать (пример — нонаконтатриктан), операции с ними (синтез, обратимое разделение и сшивка) «подручными средствами» (без широкого изменения физических параметров среды) крайне затруднены.
Для упрощения понимания можно провести такую аналогию: наши методы химического синтеза работают подобно заводским пресс-формам или как минимум 3D-принтеру — довольно большому и сложному механизму, производящему монолитные вещи, тогда как биополимеры гораздо более напоминают LEGO-конструктор: если у вас есть только один тип блоков — вы многого сделать не сможете, а чтобы блоки можно было легко перекомбинировать, сами они должны иметь неоднородность, но повторяющуюся (паз-выступ). Регулярные цепи из разных элементов — это и есть полимеры.

Аналогию с LEGO можно даже углубить: всякий, кто пытался собрать что-то действительно сложное из такого конструктора, знает как ценны в наборе детали, имеющие боковые выступы (так называемые SNOT-элементы).
Совершенно очевидно каждому: как повышает разнообразие конструкций «свобода маневра» в трех измерениях. Элементарные детали обоих наших биополимеров — нуклеиновых кислот и белков — нуклеотиды и аминокислоты — устроены именно как SNOT-элементы LEGO, хотя их боковые цепи не позволяют ветвить скелет (впрочем, и в обычных конструкторах эти связи прочностью обычно не отличаются, чему в макромире виной гравитация):

Рис.3. Свернутая в трехмерном пространстве(третичная) и «расплющенная» на плоскости(вторичная) структуры молекулы транспортной РНК.

Таким образом «завораживающую спиральность ДНК» можно рассматривать просто как наследие (рудимент) РНК-мира.

Механизмы «очистки» исходной смеси изомеров теперь понемногу проясняются, но первопричина и вероятность выбора жизнью той или иной формы — пока остаются не до конца ясными. Можно сказать, что тут существует три подхода:
0) «Нулевая гипотеза» — первая молекула РНК-репликатор должна иметь либо правую, либо левую хиральность, но произошло это чисто случайно (как подброшенная монета не упадет на ребро) — а дальше заработала биологическая эволюция по принципу «кто первый встал — того и тапки».
1) Влияние космического циркулярно-поляризованого ЭМ-излучения.
2) Гипотеза Вестера–Ульбрихта, согласно которой гомохиральность жизни является следствием фундаментальной пространственной несимметричности слабого взаимодействия элементарных частиц — значительно менее популярная среди специалистов версия.

Кроме того, не так давно была опубликована работа, которая хотя и не пытается решить «в лоб», а очень изящно ставит эту «проблему» не в начало абиогенеза, а в его середину и на службу куда более важной задаче — созданию первой самореплицирующейся молекулы РНК: рибозимы-полимеразы гораздо эффективнее копируют зеркальные варианты друг друга, чем свои собственные! Вряд ли можно представить более наглядную иллюстрацию этого, лежащего в самой основе жизни процесса, чем знаменитая литограмма М.К.Эшера «Рисующие руки», изображенная в самом начале статьи, где Художник совершенно верно изобразил разные руки: видно, что для нижней руки, развернутой кнаружи, этот процесс затруднен — а значит она не сможет нарушать процесс копирования верхней, поскольку одна и та же молекула не может быть одновременно и матрицей и копирующей машиной.

Что ещё интересно в вышеуказанной статье о рибозмах-репликазах: длина цепи нужной молекулы РНК оказывается более чем в два раза короче, чем в случае всех предыдущих подходов — около 83 нуклеотидов (практически как у вышепоказанной транспортной РНК), тогда как в «Логике Случая» в качестве ориентировочного максимального предела «неуменьшаемой (нередуцируемой) сложности», который может быть собран в нашей Вселенной просто случайным перебором нуклеотидов с вероятностью, не превышающей количество имеющихся ресурсов и времени Е.Куниным была установлена длина уникальной последовательности в 102 нуклеотида, причем в случае рассматриваемой работы указано, что полученный там — не единственный и даже не самый эффективный вариант работающей последовательности!
Более того: околотопологические подходы к проблемам хиральности, узлов, фракталов и пр. в применении к задаче построения самокопирующихся молекулярных машин вообще оказываются неожиданно продуктивными.

Таким образом сложная химическая жизнь возможна только на базе нерегулярных хиральных гетерополимеров.
Ясно, что сложные машины из конструктора с правильным набором деталей подручными средствами или даже путем случайных перемешиваний сделать гораздо проще, чем из большого количества простых, даже высококачественных, но никак не обработанных материалов. Известная метафора креационистов о невозможности урагана на свалке собрать из мусора Боинг-747 неадекватна еще и по этой причине. Чтобы приблизить её к реальности лучше говорить о торнадо, переворачивающем склад SNOT-элементов фабрики LEGO, причем на регулярной основе — а в этом случае результат уже не так однозначен. Особенно если эти SNOT-блоки снабдить сильными магнитами.

И в определенном смысле роль таких «магнитов» — участников и посредников полярных взаимодействий в организмах выполняют ионы. В основном — ионы металлов. Причем не следует думать, что все они — микроэлементы. Прежде всего это касается калия. А вот более распространенный в океанах (причем не только на Земле) натрий — содержится внутри клетки в куда меньших количествах (рис. 4), что является одним из нагляднейших свидетельств в пользу зарождения жизни не в океане, а в геотермальных полях. Однако в следующей своей статье те же авторы совершенно ясно показали первичность натриевой энергетики перед протонной (жизнь нередко довольно «диалектично» устроена).

Рис.4. Эссенциальные (необходимые) элементы, используемые земной биотой.

Как видно из таблицы, известная нам жизнь уже задействовала целую треть всех стабильных и более-менее распространенных элементов (24 из 72): практически все сколь-нибудь широкораспространенные неметаллы, и ряд металлов вплоть до весьма редкого молибдена, без которого эффективный механизм фиксации вышеупомянутого азота из атмосферы для постройки своего тела эволюция так и не смогла создать (более распространенный ванадий или даже просто железо тоже позволяют фиксировать азот, но гораздо хуже).

Другой часто описываемый вариант альтернативной биохимии — замена биорастворителя — воды.
Сейчас некоторые исследователи возлагают определенные надежды на холодные планеты с углеводородными океанами, как на Титане, что встречает очень серьезное препятствие: углеводороды — практически неполярные молекулы — то есть электронная плотность в них распределена довольно равномерно: «более отрицательно» или «более положительно» заряженных мест в них не выделяется.
Неполярные же молекулы хорошо растворяются только в таких же неполярных растворителях, но практически нерастворимы в полярных (и наоборот). И на этих взаимодействиях и с учетом их построены все структуры в клетках — на этом сочетании базируется почти вся молекулярная самоорганизация. И, хотя химическое моделирование допускает существование инвертированных клеточных мембран, например, из акрилонитрила — этот факт доказывает только то, что найти основу для мембраны — далеко не самая сложная задача для образующейся жизни.

Хотя само наличие гибкой полупроницаемой оболочки, все же необходимо для появления любых хоть сколь-нибудь сложных организмов (сложнее вирусов), иначе мы снова встаём перед проблемой нередуцируемой сложности как в случае с кристаллами, когда жесткая оболочка потребует сразу слишком большое число транспортных систем для обмена всеми нужными разновидностями веществ со внешней средой.
Причем те автономные организмы, которые некогда пошли по пути образования малопроницаемых оболочек, хотя и существенно повышают устойчивость во внешней среде, в то же время на несколько порядков теряют в скорости роста и размножения и в результате имеют довольно примитивное строение. Наглядный пример: наши микобактерии (в их числе — возбудители туберкулеза и лепры).

Теперь, сконцентрировавшись на полярных растворителях, первое на что обращается внимание — это аммиак. Этот вариант ограничен не только и не столько более узкой «зоной жизни» для гипотетических планет с аммиачными океанами вследствие того, что жидкий аммиак (NH3) существует при меньшем диапазоне температур (при стандартном давлении — вдвое по сравнению с водой), и даже не тем фактом, что ультрафиолетовому расщеплению (фотолизу) NH3 подвергается гораздо легче чем H2O — если планета достаточно крупная (суперземля), то водород не будет быстро улетучиваться из атмосферы и процесс станет обратимым.
Главная проблема аммиака как растворителя в том, что образующий его азот — менее электроотрицательный и при этом на порядок менее распространенный элемент по сравнению с кислородом, а значит он будет проигрывать последнему конкуренцию за нещелочные металлы, которые присутствуют на планетах главным образом в виде практически нерастворимых в нём оксидов и комплексных солей оксикислот — как кислота аммиак в десять порядков слабее воды.
Это не говоря о том, что само существование жидкого океана аммиака без существенных примесей воды вообще довольно маловероятно по причине того, что физические свойства этих веществ очень сходны.

В то же время достаточно концентрированный раствор аммиака в воде не только может быть, но скорее всего и был исходной средой для биогенеза известной нам жизни: дело в том, что размер ионов калия K+ — самого распространенного металла в клетках (доли калия и серы там практически равны) очень близко совпадает с размером ионов аммония NH4+, образующихся при растворении аммиака в воде (особенно подкисленной). А сортировку ионов одного заряда через мембрану клетки могут осуществлять только по их размеру. Таким образом транспортные системы клеток практически не различают ионы калия и аммония.
Более того: было показано, что ионы аммония способны не только полностью заменять ионы калия в бактериальных клетках (при сохранении кислотно-основного баланса — pH) без потери их жизнеспособности, но и показывают бОльшую эффективность в синтезе белка!
А тот факт, что эвтектические смеси аммиака с водой имеют существенно меньшие температуры плавления — вплоть до 175K (-100°C) при соотношении 2:1 («дигидрат аммония») ещё и заметно расширяет зону жизни.

Недавно был предложен ещё один вариант альтернативного биорастворителя — сверхкритический или жидкий диоксид углерода: показано, что даже в безводном сверхкритическом CO2 белки-ферменты сохраняют свою каталитическую активность. Причём дольше, чем в водном растворе той же температуры. С другой стороны — их части становились менее подвижными. Поэтому такая среда кажется подходящим биорастоворителем для высокотемпературных сред.
Это кажется довольно странным: ведь CO2 — неполярная молекула. Однако она способна в некоторых пределах поляризоваться под высоким давлением. Но даже в этом случае scCO2 способен растворять только довольно малополярные молекулы и для повышения растворимости полярной органики в него добавляют модификаторы — обычно простые спирты — метиловый или этиловый.
На первый взгляд и это не такой уж критичный момент — многие вспомнят неоднократно мелькавшие новости про обнаружение «гигантских облаков спирта в космосе», и действительно — указанные соединения в межзвездном пространстве не редки. Но не известно — способны ли они пережить образование планет. И снова, как и в случае с аммиаком, можно вспомнить о ещё более вездесущей и стабильной воде. И здесь мы также видим замечательное сродство этих веществ: углекислый газ весьма неплохо растворяется в воде, где он, вступая с ней в обратимую реакцию образует очень даже полярную молекулу угольной кислоты. А её ион — гидрокарбонат HСO3- — самый распространенный отрицательно заряженный ион (анион) в известных нам живых клетках. А вовсе не хлорид-ион Cl-, избыток которого, например, как знает всякий агроном, не менее вреден чем и избыток ионов натрия Na+ для тех организмов, которые не могут сами сменить среду обитания — прежде всего для растений (засаливание почвы).
Более того — если рассмотреть роль хлора в одноклеточных организмах (особенно прокариот), то ничего специфически важного и незаменимого кроме компенсации pH в присутствии сильных катионов щелочных металлов — калия и натрия (с чем не может справиться в одиночку более слабый гидрокарбонат-ион) он не делает!

Теперь же, если мы вернемся к иону аммония, то увидим, что он тоже образует гораздо более слабое основание чем ион калия: pH насыщенного раствора «гидроксида аммония» никогда не превышает 12 единиц, которые способны переживать (хотя и с трудом) современные экстремальные алкалофильные прокариоты-рекордсмены.
Что полностью снимает необходимость в компенсации pH сильным хлорид-анионом — достаточно, чтобы над раствором было достаточно углекислого газа, из которого почти только и состоят атмосферы всех известных нам землеподобных планет — Венеры, Марса и, конечно, самой древней Земли.
(Причем, что интересно: их соединение — соль гидрокарбонат аммония в сухом виде достаточно стабильное твердое вещество, распадающееся при нагревании до. 42°C — при этой температуре также начинают денатурировать некоторые белки высших организмов.)

Завершая тему растворителей, следует отметить ещё одну важную вещь: все три рассмотренных вещества: аммиак, диоксид углерода и вода для многих современных организмов являются единственными и довольно легкоусвояемыми источниками азота, углерода и кислорода соответственно для построения всей своей органики. Также все три вещества являются полярными или поляризуемыми растворителями, жидкими в сходном диапазоне температур и очень широко распространенными во Вселенной. Поэтому, принимая во внимание ранее описанный «модульный принцип» построения биополимеров следует заключить: нет никакой «водной», «аммиачной», «углекислотной» жизни, потому что для возникновения очень сложной органики из которой только и может появиться жизнь, нужно присутствие всех трех указанных веществ в сравнимых количествах или их производных — таких как формамид и цианиды.

Коснемся теперь такого процесса как катаболизм — т.е. окисление и восстановление различных веществ с целью извлечения энергии. Использование в качестве окислителя (акцептора электронов) молекулярного кислорода (O2) всей сложной (эукариотической) жизнью также не случайно: по все той же причине его исключительно высокой электроотрицательности, соединения, содержащие в своем составе соседей по таблице элементов — азот и серу — обладают более низким окислительным потенциалом. Хотя и этот вариант обмена веществ земной жизнью тоже очень давно освоен и активно используется в бескислородных средах. Причем сера является там как продуктом бескислородного фотосинтеза, так и окислителем для анаэробного дыхания.
Оксиды азота тоже издревле используются бактериями и как акцептор и как донор электронов (а высшими организмами — и как сигнальная молекула). Но его широкому распространению, кроме меньшей эффективности по сравнению с кислородом, вероятно, помешал ещё и тот факт, что азот очень трудно добыть из его атмосферного простого вещества (N2), а прочие источники его на нашей планете давным-давно были фактически исчерпаны (последние ускользнувшие от биосферы ископаемые остатки селитры были добыты человеком в первой половине прошлого века). Поэтому практически весь фиксируемый организмами азот идет на синтез биополимеров, составляющих их тела.

Подводя итог главе, следует заключить: появлению альтернативной биохимии препятствуют два фактора: редкость элемента, либо неэффективность его в качестве замены (а часто — и то и другое сразу): с кислородом в качестве окислителя может конкурировать только фтор, но для этого его слишком мало как на нашей планете, так и во всей известной вселенной в целом, хотя достаточно для минеральной основы зубной эмали. Хлор же, не смотря на то, что он гораздо более распространен и составляет почти 1/50 массы морской воды, имеет меньшую электроотрицательность по сравнению с кислородом и, вероятно, не очень удобен для биохимии из-за способности образовывать всего одну стабильную связь. Тем не менее, некоторые морские организмы оказались способны синтезировать разнообразные хлорорганические соединения и другие органогалогены, ранее считавшиеся «ксенобиотиками» — веществами, совершенно чуждыми биосфере и опасными для большинства организмов.
Приблизительно ту же картину мы видим и в случае второго (после кислорода) по распространенности элемента земной коры — кремния: не смотря на чрезвычайную распространенность, живые организмы не спешат включать его в свои тела: в небольших количествах его, наряду с бором, используют растения для образования межклеточных связей, строят панцирь одноклеточные эукариоты: диатомовые водоросли и радиолярии, и образуют скелет некоторые губки.
Т.е. жизнь не только была способна использовать большинство доступных элементов когда-либо за свою историю, но и успешно демонстрирует эту способность по сей день, однако — в очень ограниченном масштабе.
Этот факт даже самому упрямому энтузиасту биохимической экзотики должен наглядно показать справедливость поговорки: не все то золото, что в одной с ним подгруппе.

«Строительные материалы жизни», о которых шла речь в предыдущем разделе, чтобы обеспечить её распространение и, тем самым, — длительное существование и развитие — должны быть доступны в планетарном масштабе. И такую доступность, с учетом того, что жизнь зарождается не в излишне соленом океане, а в теплых прудах Дарвина — геотермальных источниках, можно обеспечить только через атмосферу (которая также служит и дополнительным, практически неисчерпаемым буфером для реакционной среды) — т.е. в газообразной форме, каковую на нашей планете прекрасно демонстрируют и поныне все три вышеуказанных очень полярных материала-растворителя, а вторую половину её истории — ещё и сильнейший из доступных окислитель (молекулярный кислород).

Отдав должное гидросфере и атмосфере, ни в коем случае нельзя забыть и о роли литосферы: синтез ключевых органических соединений-предшественников биомолекул не мог происходить без целого ряда разнообразных катализаторов, среди которых подавляющее большинство — и тогда и сейчас, и в живых клетках и в промышленном синтезе — составляют многовалентные металлы: железо, марганец, цинк, кобальт и др. Эти металлы на заре жизни работали не только и столько в виде растворённых ионов (большинство их солей вообще малорастворимы), сколько в виде твердых пористых пород двухвалентных оксидов и сульфидов, которые стали, по сути, минеральной матрицей для фиксации и сборки как молекул-предшественников, так и целых биополимеров.
Эти конкретно-химические аргументы в пользу зарождения жизни в дарвиновском «теплом пруду» на суше и против океанической гипотезы подкрепляются еще и вескими более общими соображениями:
1) В большом водоеме происходит слишком сильное разбавление молекул, чтобы они могли эффективно взаимодействовать друг с другом.
2) Единственная молекула-саморепликатор может быть очень эффективна, но из-за полной самодостаточности будет иметь и очень малый потенциал для эволюции, а комплексы-гиперциклы взаимодополняющих молекул уязвимы к эгоистам-паразитам, от чего можно избавиться путем пространственной изоляции разных наборов молекул в «микрореакторы», которыми могут служить поры минеральных пород (запустив тем самым групповой отбор).
3) Чем меньше объем «реакционных камер» — тем больше площадь соприкосновения катализатора с реакционной смесью.

Поэтому зарождение жизни в океане если и возможно, то гораздо скорее это произойдет в приповерхностной толще донных пород.
Причем пристрастие её к границам раздела фаз замечательно прослеживается и поныне: от бактерий, демонстрирующих свое самое сложное поведение в виде колоний на плотной среде, а также в виде биопленок, которые являются самой распространенной формой их существования «в дикой природе» (а вовсе не взвеси планктонных клеток!) и настоящих бактериальных матов — первого полностью достоверного наиболее древнего свидетельства жизни (и скорее всего — самой массовой её формы в ту эру) до планетарного распределения биомассы, океанская часть которой не только по суммарному количеству, но и по видовому разнообразию меньше чем на суше, причем почти вся океанская биота обитает в узкой прибрежной и приполярной зоне на мелководье.

Раз уж в возникновении жизни приняли непосредственное участие «вода», «воздух» и «земля», то должно бы найтись место и «огню» в соответствии с учением Парацельса о «квинтэссенции», где наблюдатель возникает как «вытяжка» сложности всех первоэлементов целого мира. И действительно: «огонь» в форме ультрафиолетового излучения Солнца вполне годится на место как одного из ключевых источников химического разнообразия, так и фактора отбора азотистых оснований для наших нуклеотидов.

Таким образом, хотя зарождение жизни и происходит только в жидкой полярной многокомпонентной среде, но только в теснейшем взаимодействии с газообразной атмосферой и твердыми минеральными матрицами.

Что же касается требований к основному источнику энергии на планете — центральному светилу системы (или нескольким светилам — если звезд в ней несколько), то оно хорошо известно: это стабильность на протяжении хотя бы нескольких миллиардов лет. У самых долгоживущих звезд — красных карликов — расположение зоны жизни (области жидкого состояния полярных растворителей) находится внутри области приливной синхронизации вращения, и всякая пригодная для жизни планета будет всегда повернута к своему светилу одной стороной — подобно Меркурию к Солнцу и Луне к Земле. В то же время модели показывают, что планеты с достаточной плотностью атмосферы, а также объемом и площадью гидросферы, вполне способны обеспечить выравнивание температур на освещенной и теневой сторонах для существования жидких полярных растворителей. Способность удержать атмосферу особенно важна с учетом мощных и частых вспышек этих звезд. Поэтому наиболее подходящим типом планеты для жизни в такой системе должны стать «суперземли», большинство из которых, вероятно, целиком покрыты глубоким океаном. Но сильно глубокий океан наработке биомассы и биоразнообразия не способствует, как нам показывает пример нашей собственной планеты. Либо же на дне должна существовать весьма бурная тектоническая активность литосферы для обеспечения хемосинтетических биоценозов, аналогичных нашим «черным курильщикам». Если же океан будет слишком глубоким — более сотни километров — кора может быть практически полностью заблокирована экзотическим льдом VII и VI высокого давления, что сделает полностью невозможным ни существование хемосинтетиков, ни само зарождение жизни в таких условиях. Но даже если планета будет иметь сушу, выход на нее жизни возможен только в области терминатора, с более-менее комфортными температурными условиями, но при этом — постоянными и очень сильными ветрами, что не позволит развиться ничему крупнее лишайников. Кроме того, взятие проб с такой планеты станет очень непростым делом: спускаемый аппарат должен сразу приводняться и потом стартовать с воды же. В то же время для спутников планет-гигантов, вращающихся в этой зоне, проблема синхронизации вращения не существует, что может сделать их значительно более подходящими кандидатами для экзобиологических исследований при соблюдении прочих условий.
Поэтому поиск жизнепригодных планет в обозримой перспективе имеет смысл ограничить только карликами Главной последовательности (классов G, K, M), причем расположенных не ближе нескольких десятков световых лет от остатка сверхновых (в зависимости от мощности взрыва) — нейтронных звезд или черных дыр.

Кроме подробного разбора вопросов планетарного возникновения жизни, необходимо также сказать пару слов и о гипотезе внепланетного возникновения жизни — панспермии. Хотя сегодня уже довольно трудно представить себе условия, которые бы благоприятстовали возникновению бурной биохимии в условиях открытого космоса, ряд недавних работ все еще не позволяет окончательно отвергнуть предположения о том, что хотя бы некоторые этапы ранней эволюции протекали во внепланетарных условиях. Что же касается переноса уже вполне сформировавшейся жизни между телами в пределах одной звездной системы, то проведенное моделирование показало весьма высокую вероятность данного сценария. Однако эта модель не отвергает возможность зарождения жизни на планете, а только ещё более осложняет задачу поиска источника жизни, попросту разнося её по всей звездной системе: так, например, мы не можем сейчас полностью и окончательно исключить возможность зарождения нашей жизни где-нибудь на древнем Марсе или даже на Венере (если на ней вообще когда-то существовала вода, что сомнительно) и уже вторичный её заброс на Землю (хотя это все же значительно менее вероятно, чем земной геотермальный сценарий). В то же время, высокая вероятность «рассева» жизни по звездной системе автоматически подразумевает заселение всех крупных объектов в пределах зоны обитаемости, и отсутствие каких бы то ни было признаков жизни на Марсе показывает, что потенциал адаптации у неё хотя и весьма широк, но отнюдь не безграничен.

Если доступные нам методы всё ещё не позволяют полностью рассеять тьму неопределенности химических основ живых организмов, то на что же мы должны рассчитывать при поиске «под фонарем» — у структурно близких аналогов жизни земного типа?

Следует отметить: хотя земная жизнь и совершенно ничтожна в пространстве Вселенной, она существует уже целую треть времени, прошедшего от момента Большого Взрыва! (Поэтому поэтические строки, вынесенные в эпиграф — совершенно точны с космологической точки зрения.)
А теперь давайте повнимательнее рассмотрим временную шкалу с этого момента:

Прежде всего интересен тот факт, что известная нам жизнь в виде уже практически современных прокариотических (бактериальных и архейных) сообществ обнаруживается на Земле очень скоро после её образования (более 4,1 млрд. лет назад), а по факту — в самых древних доступных осадочных (с достоверными следами воды) породах (более 3,8 млрд. лет назад) — т.е. весь абиогенез, если он происходил здесь, — полностью завершился не более чем за полмиллиарда лет.

Но не следует думать, будто прокариотическая клетка — самодостаточная форма жизни: ни одна линия организмов не сможет существовать миллионы и миллиарды лет, если не будет достаточно часто обмениваться генами с другими линиями. У прокариот же полового размножения нет, а половой процесс (коньюгация), как отмечает Евгений Кунин в «Логике случая»(с.160), известен только у очень ограниченного числа бактерий и вовсе не обнаружен у архей. Другой способ переноса генов — поглощение свободноплавающего генетического материала из окружающей среды (трансформация), не смотря на чрезвычайно широкое применение в биоинженерии, даже в лаборатории происходит с невысокой вероятностью: даже в идеальных и очень кратковременных условиях трансформируется только одна клетка из нескольких тысяч (этот известный факт проверил собственноручно даже автор этих строк).
В итоге остается только один способ генетической рекомбинации — «принудительный» — при помощи вирусных частиц. В свете того, что вирусы бактерий (бактериофаги) оказались самыми многочисленными и чрезвычайно разнообразными формами жизни в океане, это тем более не удивительно.
Таким образом, не только вирусы не могут без клеток, но и простые, прокариотические клетки не способны не только развиваться, но и просто сохраниться в конкурентной среде достаточно длительный срок без обеспечиваемого вирусами горизонтального переноса генов.
В целом можно даже сказать, что вирусы бактерий, биологическая роль которых — распространение генов, являются аналогом. самцов многоклеточных эукариот.

Вирусы возникли одновременно с клетками, сопровождая их становление и развитие всю историю живого мира, особенно на самом раннем, протоклеточном этапе, когда «полуклетки» были неразрывно связаны с минеральной матрицей-катализатором и тем более были неспособны к самостоятельному обмену генами, когда он был особенно важен. На счету вирусов — длинный ряд важнейших инноваций — от самой ДНК до плаценты высших млекопитающих.
Вместе с тем, вирусы всегда составляли отдельный «мир»: гены вирусного происхождения как правило очень хорошо отличимы от клеточных генов. То же касается и их вирусных продуктов и прежде всего — белков оболочки (капсида). В отличие от клеточной мембраны, оболочка вирусной частицы (вириона) представляет собой совершенно жесткий каркас, состоящий только из белка и играющий роль конверта или посылки для наследственного материала, выполняя только три функции: сохранение содержимого («упаковка»), распознавание и прилипание(адгезия) к подходящей клетке («адрес на упаковке») и внедрение содержимого («лезвие в комплекте»).
Таким образом, если мы снова обратимся к рассуждениям из главы про химию о требованиях к оболочке простейшего организма, то снова увидим — как в случае с аммиаком, углекислотой и кристаллическими матрицами — что природа и здесь тоже уже задействовала и такое решение как жесткая оболочка — настолько, насколько это вообще может быть применимо в живой системе естественного происхождения.
Совокупность этих фактов подводит нас к мысли о том, что «архитектурная» основа земной жизни — не частный случай вселенского многообразия, но одно из очень и очень немногих решений комбинаторной головоломки космического масштаба.

Следующий очень важный этап развития жизни: появление эукариот — клеток современного типа с куда более сложной организацией:
1) С разделением внутриклеточного пространства на изолированные камеры с помощью мембран — таких же как поверхностная, но не сязанных с ней («компартментализация«), среди которых самая сложная и большая — это ядро, всегда содержащее несколько очень плотно и сложно упакованных молекул ДНК — хромосом.
2) Очень развитым белковым цитоскелетом, связывающим цитоплазму настолько, что она даже не вытекает при небольшом проколе мембраны (т.е. это уже по сути не раствор, а гель, пронизанный множеством молекулярных транспортных систем).
3) Содержащих в себе остатки симбиотических бактерий — митохондрии, которые обеспечивают в 18 раз более эффективное получение энергии за счет молекулярного кислорода, что мы называем дыханием.
4) И просто на два-три порядка более крупным размером.

Все четыре признака по отдельности, конечно, можно встретить и у отдельных прокариот:
— внутриклеточные мембранные тилакоиды цианобактерий или несколько линейных молекул хромосомной ДНК у бореллий;
— цитоскелет под мембраной у всех палочковидных и спиралевидных бактерий;
— тесный симбиоз (в форме паразитизма) у наноархей и бделловибрионов на других, более крупных археях и бактериях соответственно;
— огромные размеры у морской бактерии тиомаргариты.
Но в несравненно более простом виде, тогда как все известные эукариоты имеют все перечисленные признаки в совершенно равной и полноценной форме (за исключением разве что глубокопаразитических примитивнейших грибов-микроспоридий, у которых митохондрии сильно деградировали за ненадобностью).
Кстати ближайшие ныне живущие родственники самих митохондрий — это пелагибактерии (вероятно, самые распространенные в океане и на Земле прокариоты с самым маленьким геномом, позволяющим самостоятельно жить в «дикой» среде) и риккетсии (возбудители сыпного тифа).

Самые древние следы эукариот (причем уже колониальных водорослей!) обнаруживаются пока не ранее 2,1 млрд. лет назад. Т.е. более чем через

1,75 млрд. лет после первых следов на Земле жизни вообще.

Такая «непрогрессивная задержка» может стать довольно досадным фактом для апологетов (сторонников) универсального самоускоряющегося прогресса, стремящихся экстраполировать (продлить) наблюдения типа «закона Мура» за область их непосредственного применения.

Следующий же этап усложнения органического мира — возникновение многоклеточности — датируется всего 0,85–0,64 млрд. лет назад. Т.е. не позже чем через 1,2 млрд. лет после эукариотизации. Причем, в отличие от последней, у растений она произошла независимо от животных и далеко неоднократно. И здесь линия ускоряющегося прогресса как будто бы начинает выравниваться.

Источник