Альтернативная жизнь

Прочитав книгу «Космос» Карла Сагана, о которой я много писал на полях, в очередной раз задумался о том, какие могут быть инопланетяне.

В фантастических книгах и, особенно, фильмах они зачастую гуманойды, то есть очень похожи на человека по строению. Хотя, наверное, ещё чаще они нереалистичные, за исключением тех случаев, когда это просто люди в гриме и с накладными роговыми образованиями (тут, конечно же, вспоминается сериал «Вавилон-5»).

Если же брать реальный мир, то какой может быть жизнь, кроме как та, что на Земле? Может ли возникнуть не белковая жизнь, не на основе углерода, без ДНК и РНК?

Мы имеем только один пример жизни, а потому сложно делать какие-то предположения. Нам не с чем сравнить, потому даже определения понятия «жизнь» у нас слабые, неточные. Однако, зная кое-что из того, что требуется для появления жизни, мы можем сделать ряд предположений, которые я и хочу рассмотреть в этой статье. Начну с самых простых, но фундаментальных ограничений, который задаёт жизнь для своего появления.

Не углеродная жизнь

Может ли быть жизнь какой-нибудь, кроме углеродной? Для этого давайте рассмотрим почему у мы состоит из углерода, случайно ли это получилось.

Для появления хоть сколько-нибудь сложной жизни нужно иметь большое разнообразие молекул, желательно чтобы часть из них была активна, вступала в специализованные реакции с другими веществами, у нас это называется ферментативная активность. Из каких атомов можно сделать много разных молекул? Углерод отлично формирует длинные и, что важно, разветвлённые цепочки с разными видами связи (одинарные, двойные, реже тройные). Как мы знаем углерод, с участием водорода, кислорода и азота, дал огромное разнообразие белков, липидов, сахаров, нуклеиновых кислот. Разнообразие белков больше, чем всех известных нам минералов.

Кроме углерода хоть какие-то цепочки образует кремний, потому в фантастике популярны силикоиды — разумная жизнь на основе кремния. Как тут не вспомнить игры из серии Master of Orion, там тоже были вулканоподобные силикоиды. Однако, в привычных для нас условиях кремний не даёт такого разнообразия как углерод. Возможно, можно создать атмосферу, в которой кремний даст разнообразие, но сможет ли там развиться жить неизвестно.

Все остальные химические элементы, видимо, не дают такого разнообразия соединений, во всяком случае, мы пока не встречали и не получали ничего такого в теории. К тому же углерод — один из самых распространённых атомов во Вселенной. Вся наша жизнь строится на распространённых элементах, что тоже повышает вероятность появления именно такой жизни.

Из всего сказанного можно сделать вывод, что шансов найти углеродную жизни значительно больше, чем какую-то иную, эти вторые шансы вообще можно не рассматривать, пока мы хотя бы теоретически не найдём разнообразие соединений других атомов. Если, конечно, речь идёт о материальной жизни, на основе химических элементов.

Не водная жизнь

Уже упомянутые силикоиды из игры Marter of Orion напоминают вулканы и не требуют водной среды для жизни. Мы же почти полностью состоим из воды и без неё наша земная жизнь не могла бы зародиться. Может ли появиться жизнь не в водной среде?

Во-первых, вода — одно из самых распространённых соединений во Вселенной, даже в нашей скромной Солнечной системе несколько водных и ледяных миров. Во-вторых, вода удачный полярный растворитель. Другие жидкие, то есть плотные, но подвижные, растворите встречаются, но, насколько я знаю, неполярные, вроде жидкого метана. Для энергетических же процессов важна возможность создавать ионы, так наша жизнь использует электроны и градиент протонов (ионы водорода) для всей энергетики клетки, все остальные энергетические системы, начиная с АТФ, являются производными этой ионной системы. Возможно можно создать и без ионную энергетическую систему, но мне сложно представить как получать энергию от света без ионизации.

Даже одно то, что воды во Вселенной много приводит к увеличению вероятности появления жизни именно в ней. Если же учесть, что углеродная жизнь отлично сочетается с водой, так как состоит из одних и тех же элементов (вода полностью входит в состав органики, угольная кислота (СО2) хорошо растворяется в воде). При добавлении третьего фактора — полярного растворителя, остаётся мало шансов для какой-то иной жизни.

Не РНКовая жизнь

Мы разобрались с тем, что если и встретим инопланетную жизнь, то высока вероятность, что она будет углеродная и в воде. Но будет ли она похожа на нашу? Грубо говоря, будет ли она съедобна (или сможет ли она переварить нас?), то есть будет ли состоять из тех же строительных блоков, что и наша?

Жизнь состоит из нескольких основных компонентов, часто говорят про белки, жиры, углеводы, забывая про нуклеиновые кислоты. Давайте с них и начнём.

Может ли существовать углеродная жизнь не на ДНК и РНК?

Нуклеиновые кислоты, нуклеотиды — одни из тех органических веществ, что образуются абиотически, то есть без участия живых организмов. Сейчас весь комплект абиотического синтеза, приведшего к появлению жизни, называют химической эволюцией. Эволюцией называют потому, что случайным образом возникало много разных соединений, но не все оказались устойчивыми, а ещё меньше количество смогло начать себя копировать и победить в естественном отборе молекул.

Могли ли в химической эволюции победить не нуклеиновые кислоты? Тут сложно дать ответ, но я не знаю других устойчивых маленьких элементов, которые можно соединить в цепочку для хранения информации. Возможно, появление мира РНК, с которого как считается, началась наша жизнь, было случайным, но, вероятнее, это оказались самые многочисленные мономеры, которые смогли случайно и самостоятельно собраться в короткие цепочки. Более того эти цепочки не только могли нести информацию, это функция появилась позже, они могли катализировать синтез других цепочек РНК. Если они это делают эффективнее всех других цепочек не из нуклеиновых кислот, то с высокой вероятностью инопланетная жизнь тоже начнётся с РНК.

Разнообразие рибонуклеотидов не ограничивается четырьмя, встречающимися в РНК живых организмов, дезоксирибонуклеотидов тоже много. Почему же у нас информация кодируется именно теми, которыми кодируется? Тут тоже виновата не одна случайность. Оказывается, наши нуклеотиды устойчивее при воздействии ионизирующего излучения, то есть нужна большая доза, чтобы нарушить структуру молекулы, это особенно важно для ДНК, в которой информация хранится длительное время (в РНК она передаётся и молекулы РНК живут совсем немного, если сравнивать с ДНК). Такая устойчивость была очень актуальна в те времена, когда на планете ещё не было озонового слоя и жёсткий ультрафиолет доходил по поверхности Земли.

Ещё один этап формирования жизни оказывается не совсем случайным, или даже совсем не случайным, что повышает вероятность того, что инопланетные формы жизни и строением похожи на нас.

Не универсальность генетического кода

Вся наша жизнь строится на одном генетическом коде с небольшими вариациями. Стандартные 20 аминокислот кодируются триплетами нуклеотидов. На самом деле, всё сложнее, есть исключения и отклонения, так что можно предполагать, что инопланетная жизнь не обязательно возникнет именно с нашим типом кодирования, однако… Случайным образом ли образом закодированы аминокислоты?

Оказывается, нет. Не случайным, а самым оптимальным. Вариантов триплетов, кодирующих аминокислоты, 64, а самих аминокислот всего 20, то есть несколько разных триплетов кодируют одну и ту же аминокислоту, но набор триплетов, кодирующих одну и ту же аминокислоту, не случаен. Так при замене последнего нуклеотида в триплете очень часто ничего не меняется, например, аланин кодируется вот такими триплетами: GCU, GCC, GCA, GCG. Как вы видите изменении последней буквы триплета незаметна с точки зрения синтеза белка.

Замена второй буквы приводит к изменению аминокислоты, но на аминокислоту с тем же зарядом. Заряд же крайне важен для сворачивания белка в правильную структуру, то есть такая замена может не сказаться на функционирование белка. Ещё один уровень защиты от мутаций.

Возможны другие способы кодирования, но они, скорее всего, проигрывают в устойчивости к мутациям, оптимальности связывания с транспортными РНК и так далее.

Не белковая жизнь

ДНК и РНК кодирует информацию, которая чаще всего выливается в аминокислотную последовательность. Говорить про то, могут ли быть другие аминокислоты, не готов, но, скорее всего, они тоже не случайно возникли, а имеют большие преимущества, например, нужный заряд, важный для формирования третичной структуры. И мы помним, что есть аминокислоты со схожим зарядом, что важно при мутациях в кодонах.

Белки инопланетной жизни, конечно же, могут быть иными, чем у нас, но и у земной жизни можно найти огромное разнообразие белков, выполняющих одну и ту же функцию. И это не влияет на усвояемость пищи, так как при переваривании белки разваливаются до аминокислот.

Всё остальное прочее

В составе жизни есть ещё много мелочей, которые теоретически могут варьировать, например, липидный и углеводный состав, но это менее критичные составляющие и, мне кажется, более зависимые от всего остального. Тут моих знаний не хватает для полноценного анализа, но, подозреваю, что тоже далеко не всё закрепилось случайным образом.

Выводы

При анализе на каждом шагу мы сталкивались с тем, что случайностей мало, почти все характеристики жизни вынужденные распространённостью элементов, устойчивостью молекул, защитой от мутаций. То есть возникновение жизни очень сильно ограничено, что, с одной стороны, приводит к тому, что инопланетная жизнь с высокой вероятностью будет похожа на нашу, похожа до уровня смешения, до эффективного поглощения одной жизнью другой.

С другой стороны, как это ни печально, приводит к тому, что шансы встретить инопланетную жизнь катастрофически падает: нужен весьма узкий спектр условий, чтобы зародилась жизнь, никакие иные условия, существенно отличающиеся от земных точно не годятся для зарождения жизни, так как жизнь может быть только такой как у нас. При этом следует помнить, что земная жизнь возникла в довольно уникальных условиях. Так на ранней стадии развития Земля потеряла всю атмосферу при столкновении с Теей, от которого возникла Луна, что могло существенно повлиять на дальнейшее развитие на планете. И это уже не говоря о том, что спутник такого размера редкое явление, что тоже могла быть важно.

Карлу Сагану очень хотелось найти инопланетную жизнь, но дальнейшее развитие как биологии, так и астрономии, показывает, что шансов критически мало.

Добавить комментарий

Войти с помощью: