Borisa Šterna priekšvārds
Mēs jau sen esam plānojuši rīkot diskusiju, kas saistīta ar mūžīgo jautājumu par cilvēka vietu Visumā. Tas, protams, ir par ārpuszemes dzīvi un planētām no citām zvaigznēm. Pašlaik ir zināmi nedaudz mazāk par 6 tūkstošiem eksoplanetu, no kuriem vairāk nekā divi tūkstoši gaida neatkarīgu apstiprinājumu. Bet statistikas pētījumiem jūs varat izmantot visus 6 tūkstošus.
Starp tām ir ļoti maz planētu, kuras it kā ir piemērotas dzīvei. Tas ir dabiski, jo tos ir visgrūtāk atrast: ļoti spēcīgs atlases efekts darbojas pret zemei līdzīgām planētām. Tie ir pārāk gaiši, lai tos uztvertu zvaigznes radiālais ātrums, un to gads ir pārāk ilgs, lai to tranzīti būtu ticami parādīti no Keplera kosmosa teleskopa 1. Izņēmums ir planētas sarkano punduru apdzīvojamā zonā, kas ir atvērtas zem mūsu deguniem, tos ir daudz vieglāk atrast. Šādu planētu ir ļoti daudz, bet, diemžēl, sarkanie punduri ir ļoti neērti dzīvībai blakus tām. Tomēr Keplera datu ekstrapolācija tādām zvaigznēm kā Saule "karstajām zemēm" dod ļoti optimistisku rezultātu: vismaz 15% no šīm zvaigznēm apdzīvojamā zonā ir planētas. Šo aplēsi neatkarīgi ieguva daudzi autori,un laika gaitā tas kļūst arvien optimistiskāks: 20% un pat ceturtdaļai saules ir zemes. Tas nozīmē, ka tuvākā G vai K klases zvaigzne mums ar Zemi orbītā apdzīvojamā diapazonā atrodas 15 gaismas gadu laikā. Šādu zvaigžņu ir maz, un kandidāti jau parādās, piemēram, Tau Ceti. Un, piemēram, 30 gaismas gadu rādiusā ir daudz šādu planētu.
Novērošanas metodes pakāpeniski progresē. Izmantojot uzlaboto HARPS instrumentu, tiks atklātas jaunas tuvumā esošās Zemei līdzīgās planētas. Nākamajā desmitgadē mēs uzzināsim kaut ko vai divas par dažām Zemei līdzīgu planētu atmosfērām, izmantojot tādus instrumentus kā milzu ārkārtīgi lielais teleskops (ELT) un Džeimsa Veba kosmiskais teleskops. Un ir iespējams, ka skābeklis parādīsies kādas tranzīta planētas atmosfēras absorbcijas spektrā (caur zvaigznītes disku). Ja zvaigzne nav pārāk aktīva un pietiekami veca, skābeklis var būt tikai biogēns. Šādi var atklāt ārpuszemes dzīvi.
Vai tas ir reāli? Ja dzīve rodas jebkurā stūrī, tiklīdz rodas apstākļi tam - kāpēc gan ne? Bet vai tā ir? Bieži tiek izvirzīts arguments, ka dzīvība uz Zemes parādījās ļoti ātri, kas nozīmē, ka tas tā ir - pietiek ar dažiem simtiem miljonu gadu, lai tā parādītos kaut kādā zupā. Bet ir arī pretarguments - piemērota “zupa” var pastāvēt tikai uz jaunas planētas - dzīve rodas ātri vai nekad.
Un, protams, ir pretējs viedoklis: dzīve ir reta parādība, kuras pamatā ir pilnīgi neticami sagadīšanās. Visdetalizētāko viedokli šajā jautājumā, profesionāli un ar kvantitatīvām aplēsēm, izteica Jevgeņijs Kunins. Dzīves pamatā ir garu molekulu kopēšana, sākotnēji tās bija RNS molekulas. Kopēšanu veic noteikta ierīce, ko sauc par "replicase" (šīs rindiņas ir rakstījis fiziķis, tāpēc terminoloģija no biologa viedokļa ir nedaudz neērta). Replicase netiks nodrošināta no jebkuras vietas, ja tā nav ieprogrammēta tajā pašā kopējamā RNS.
Pēc Kunina teiktā, lai sāktu RNS pašreprodukciju un līdz ar to arī evolūciju, “vismaz ir nepieciešams nākamā spontāns parādīšanās.
- Divas rRNS, kuru kopējais izmērs ir vismaz 1000 nukleotīdu.
- Aptuveni 10 primitīvi adapteri ar 30 nukleotīdiem katrā, kopumā apmēram 300 nukleotīdu.
- Vismaz vienai RNS kodējošai replikāzei ir aptuveni 500 nukleotīdu (apakšējais punktu skaits). Pieņemtajā modelī n = 1800, un rezultātā E <10 - 1081 ".
Dotajā fragmentā mēs domājam četru burtu kodējumu, iespējamo kombināciju skaits ir 41800 = 101081, ja evolūcijas procesu sāk tikai dažas no tām, tad nepieciešamās montāžas varbūtība vienam spontānas montāžas “mēģinājumam” ir ~ 10-1081.
Reklāmas video:
Nav nekādu pretrunu ar to, ka rezultāts ir mūsu acu priekšā, nav: saskaņā ar inflācijas teoriju Visums ir milzīgs, desmitiem pēc kārtas lielāks nekā tā redzamā daļa, un, ja mēs saprotam Visumu kā slēgtu telpu, tad ir Visumi ar tādu pašu vakuumu kā mūsējie, gigantisks komplekts … Mazākā varbūtība kaut kur tiek realizēta, izraisot pārsteigumu.
Šīs divas galējības nozīmē ļoti daudz, ņemot vērā mūsu vietu Visumā. Jebkurā gadījumā mēs esam vieni. Bet, ja dzīve atrodas desmitiem gaismas gadu attālumā no mums, šī ir tehnoloģiskā vientulība, kuru pārvar attīstība un tūkstošgadu pacietība. Ja Kunina vērtējums ir pareizs, tā ir fundamentāla vientulība, kuru nevar pārvarēt nekas. Tad mēs un zemes dzīve esam unikāla parādība cēloņsakarībā saistītajā Visuma tilpumā. Vienīgais un visvērtīgākais. Tas ir svarīgi cilvēces nākotnes stratēģijai. Pirmajā gadījumā stratēģijas pamatā ir meklēšana. Otrajā gadījumā - sēšana (ir pat šāds termins "vērsta panspermija"), kas ietver arī piemērotas augsnes meklēšanu.
Tas viss ir pelnījis diskusiju. Vai Kunina argumentācijā ir nepilnības? Vai ir kādi mehānismi, kurus var pamanīt, apejot RNS replikatora "nesamazināmo sarežģītību"? Vai tas tiešām ir nepiedodams? Utt
Mēs jautājām vairākiem biologiem viņu viedokli.
Aleksandrs Markovs, Ph. D. biol. zinātnes, vadīja. zinātniskais. sotr. REL Paleontoloģijas institūts, vadītāja. Maskavas Valsts universitātes Bioloģiskās fakultātes Bioloģiskās evolūcijas katedra:
Jevgeņija Kunina vērtējums, kas nozīmē, ka mēs Visumā bezcerīgi esam vieni, balstās uz vienu galveno pieņēmumu. Kunins uzskatīja, ka, lai sāktu RNS replikācijas procesu (un līdz ar to arī darviniešu evolūciju; ir loģiski šo brīdi uzskatīt par dzīvības izcelšanās brīdi), tas bija nepieciešams tīri nejauši - ribonukleotīdu polimerizācijas (piemēram, uz minerālu matricām) nejaušas kombinācijas rezultātā. - parādījās ribozīms ar RNS polimerāzes aktivitāti, tas ir, garu RNS molekulu, kurai ir pilnīgi noteikta (un ne tikai jebkura) nukleotīdu secība un kuras dēļ tā spēj efektīvi katalizēt RNS replikāciju.
Ja nav cita ceļa, kārtējās “ieejas” dzīvajā pasaulē no nedzīvās matērijas pasaules, tad Kuninam ir taisnība, un mums jāatsakās no cerības atrast Visumā jebkuru dzīvību, izņemot zemes. Var pieņemt, ka tas viss sākās nevis ar vienu ļoti efektīvu polimerāzi, bet, piemēram, ar noteiktu kopumu mazu, neefektīvu polimerāžu un līģu (ribozīmi, kas īsās RNS molekulas spēj sašūt garākās): iespējams, tas padarīs novērtējumu nedaudz optimistiskāku, bet situāciju principiāli nemainīs. Tā kā pirmais replikētājs joprojām bija ļoti sarežģīts, un tam vajadzēja parādīties bez Darvinijas evolūcijas palīdzības - faktiski nejauši.
Dzīvotspējīga alternatīva ir neenzimātiska RNS replikācija (NR RNS): process, kurā RNS molekulas tiek replicētas bez sarežģītu ribozīmu vai olbaltumvielu enzīmu palīdzības. Šāds process pastāv, to katalizē Mg2 + joni, bet tas notiek pārāk lēni un neprecīzi - vismaz apstākļos, kurus pētniekiem bija laiks izmēģināt.
Tomēr ir cerība, ka tomēr NR RNS iet pietiekami ātri un precīzi, ja tomēr būs iespējams atrast dažus ticamus apstākļus (kas principā varētu pastāvēt uz dažām planētām). Varbūt tam ir vajadzīgs kaut kāds samērā vienkāršs katalizators, ko var sintezēt abiogēnā veidā. Iespējams, ka vienkāršie abiogēnie peptīdi ar vairākām negatīvi lādētām asparagīnskābes atliekām, kas saglabā magnija jonus, var darboties kā šādi katalizatori: olbaltumvielu RNS polimerāzēm ir līdzīgi aktīvi centri, un šī iespēja tagad tiek pētīta.
Jautājumam par efektīvas NR RNS iespējamību ir būtiska nozīme, lai novērtētu dzīvības izcelsmes varbūtību. Ja ir iespējama NR RNS, tad novērojamajā Visumā var būt diezgan daudz dzīvo planētu. Būtiskās atšķirības starp diviem scenārijiem - ar iespējamu un neiespējamu NR RNS - ir parādītas tabulā. Ja ir iespējama NR, Darvinijas evolūcija varētu sākties gandrīz tūlīt pēc pirmo īso RNS molekulu parādīšanās. Selektīvās priekšrocības vajadzēja iegūt tām RNS molekulām, kuras ar HP palīdzību daudzkāršojās efektīvāk. Tās varētu būt, piemēram, molekulas ar palindromiskiem atkārtojumiem, kas pašas par sevi varētu kalpot par grunti - "sēklas" replikācijai; palindromi var salocīt trīsdimensiju struktūras - "matadatas", kas palielina RNS molekulas katalītisko īpašību iespējamību. Jebkurā gadījumā pēcSākoties darviniešu evolūcijai, dzīves tālāku attīstību noteica ne tikai nejaušība, bet arī likumi.
Dzīvības izcelsmes varbūtības (biežuma) aplēsēm šajos divos scenārijos vajadzētu atšķirties ar milzīgu pasūtījumu skaitu (lai gan, protams, neviens nesniegs precīzus skaitļus). Ir arī svarīgi atzīmēt, ka, ja dzīves cēlonis bija "saskaņā ar Kuninu", tas ir, efektīvas ribozīma-polimerāzes nejaušas montāžas dēļ, tad komplementaritātes princips (specifisks nukleotīdu savienojums pārī), kurā RNS spēja reproducēt un attīstīties, izrādās, ir sava veida "klavieres krūmos"”, Kam nebija nekā kopīga ar faktu, ka uz planētām bija sakrājies tik milzīgs daudzums RNS molekulu, ka uz vienas no planētām nejauši parādījās efektīvs ribozīms ar RNS polimerāzes aktivitāti. Ja dzīve radās "saskaņā ar Šostaku" (Nobela prēmijas laureāts Džeks Šostaks tagad aktīvi pēta NR RNS un uzskata, ka šis process ir dzīvības izcelsmes noslēpuma atslēga),tad papildināmība nebija "klavieres krūmā", bet strādāja no paša sākuma. Tas visu dzīves sākuma scenāriju padara daudz pārliecinošāku un loģiskāku. Es derētu uz Šostaku.
Tādējādi tagad viss ir atkarīgs no speciālistu panākumiem prebiotiskās ķīmijas jomā. Ja viņi atrod reālus apstākļus, kādos NR RNS iet labi, tad mums ir iespēja atrast dzīvi uz citām planētām. Un ja nē, tad … mums ir jāskatās tālāk.
Armēns Mulkidzhanjans, Dr. biol. Sci., Osnabrika universitāte (Vācija), vad. zinātniskais. sotr. MSU:
Grūti apgalvot, ka dzīvība radusies jau sen un uz jaunās Zemes. Zemi veido hondrīta ieži, piemēram, meteorīti. Šo iežu karsēšana Zemes veidošanās laikā izraisīja hondrītu ievestā ūdens kušanu. Ūdens mijiedarbībai ar apsildāmu, reducētu iežu vajadzēja izraisīt elektronu izdalīšanos, ūdeņraža veidošanos un oglekļa dioksīda (CO2) samazinājumu dažādiem organiskiem savienojumiem. Līdzīgi procesi joprojām notiek ģeotermiskās aktivitātes zonās, piemēram, ģeotermiskajos laukos, bet ar nelielu intensitāti. Tātad uz citu zvaigžņu jaunajām planētām var sagaidīt organisko vielu veidošanos lielos daudzumos. Dzīvības rašanās varbūtību šajā gadījumā var novērtēt, ņemot vērā zemes dzīvības attīstību.
Pirmos divus miljardus gadu uz Zemes dzīvoja tikai mikrobi. Tas būtu turpinājies šādā veidā, bet pirms aptuveni 2,5 miljardiem gadu fotosintēzes baktērijas iemācījās izmantot gaismas enerģiju ūdens sadalīšanai. Fotosintēze sākotnēji radās kā aizvietoto slāpēto ģeoķīmisko procesu aizstāšana, pārmērīgi elektronu "nogremdējot". Fotosintēzē gaismas enerģija tiek izmantota dažādu savienojumu oksidēšanai, tas ir, lai "atņemtu" no tiem elektronus, fotoaktivizētu šos elektronus un galu galā no tiem samazinātu CO2 līdz organiskiem savienojumiem. Ūdens sadalīšanās sistēma ir radusies, pakāpeniski attīstoties dažās baktērijās saglabātajiem fotosintētiskajiem fermentiem. Pastāv vairāki ļoti ticami scenāriji, kā šādi fermenti, izmantojot gaismu un hlorofilu, vispirms oksidē sērūdeņradi (un pat tagad to dara daži cilvēki),tā kā vidē esošais sērūdeņradis bija izsmelts, elektroni tika ņemti no melnā dzelzs joniem, pēc tam no mangāna joniem. Tā rezultātā viņi kaut kā iemācījās sadalīt ūdeni. Šajā gadījumā no ūdens izņemtie elektroni devās uz organisko vielu sintēzi, un skābeklis izdalījās kā blakusprodukts. Skābeklis ir ļoti spēcīgs oksidētājs. Man vajadzēja sevi aizstāvēt pret viņu. Daudzšūnu, siltasiņu un, visbeidzot, intelekta rašanās ir visi dažādi aizsardzības posmi pret atmosfēras skābekļa oksidēšanu.siltasinība un, visbeidzot, iemesls - tie visi ir dažādi aizsardzības posmi pret atmosfēras skābekļa oksidēšanu.siltasinība un galu galā iemesls - tie visi ir dažādi aizsardzības posmi pret atmosfēras skābekļa oksidēšanu.
Ūdens sadalīšanās notiek unikālā katalītiskā centrā, kas satur četru mangāna atomu un viena kalcija atoma kopu. Šajā reakcijā, kurai nepieciešami četri gaismas kvanti, divas ūdens molekulas (2 H2O) sadalās uzreiz, veidojot vienu skābekļa molekulu (O2). Tam nepieciešama četru gaismas kvantu enerģija. Reaģējot uz trīs gaismas kvantu absorbciju, uz mangāna atomiem uzkrājas trīs elektronu vakances ("caurumi"), un tikai tad, kad tiek absorbēts ceturtais gaismas kvants, abas ūdens molekulas tiek oksidētas, caurumus piepilda ar elektroniem un veidojas skābekļa molekula. Lai arī mangāna kopas struktūra nesen tika noteikta ļoti precīzi, šīs četrtaktu ierīces darbība nav pilnībā izprotama. Nav arī skaidrs, kā un kāpēc katalītiskajā centrā, kur primitīvās fotosintēzes baktērijās acīmredzotmangāna joni tika oksidēti, četri tā atomi apvienoti ar kalcija atomu klasterī, kas spēj sadalīt ūdeni. Noslēpumaina ir arī hlorofila līdzdalības termodinamika ūdens oksidācijā. Teorētiski hlorofils apgaismojumā var oksidēt sērūdeņradi, dzelzi un mangānu, bet ne ūdeni. Tomēr tas oksidējas. Kopumā tas ir tāpat kā ar kameni: "Saskaņā ar aerodinamikas likumiem kamene nevar lidot, bet viņš par to nezina un lido tikai šī iemesla dēļ."
Ir ļoti grūti novērtēt ūdens sadalīšanās sistēmas iespējamību. Bet šī varbūtība ir ļoti maza, jo 4,5 miljardu gadu laikā šāda sistēma parādījās tikai vienu reizi. Tam nebija īpašas vajadzības, un bez tā mikrobi zemei zelt, iekļaujoties ģeoķīmiskajos ciklos. Turklāt pēc skābekļa parādīšanās atmosfērā lielākajai daļai mikrobu biosfēras vajadzētu būt mirušai vai, precīzāk sakot, sadedzināt - organisko vielu mijiedarbība ar skābekli ir sadegšana. Izdzīvoja tikai mikrobi, iemācījušies elpot, tas ir, ātri atjaunot skābekli atpakaļ ūdenī tieši uz to ārējā apvalka, novēršot to no iekšpuses, kā arī dažu atlikušo ekoloģisko nišu, kas nesatur skābekli, iedzīvotāji.
Šis stāsts var kalpot kā piemērs salīdzinoši nesenam (pirms aptuveni 2,5 miljardiem gadu) un samērā saprotamam notikumam, kura rezultātā strauji palielinājās dzīves sistēmu sarežģītība. Viss sākās ar pakāpeniskām fotosintētisko enzīmu izmaiņām. Tad radās vienreizējs un ļoti netriviāls evolūcijas izgudrojums (mangāna-kalcija klasteris), kas varbūt nebija. Turpmākās milzīgās izmaiņas bija reakcija uz "toksiska" skābekļa parādīšanos atmosfērā: darviniešu atlase ieslēdzās ar pilnu jaudu, man bija jāiemācās dziļi elpot un kustināt smadzenes.
Kopumā mums ir process, kas notiek trīs posmos: (1) pakāpeniskas izmaiņas - (2) vienreizējs maz ticams notikums - (3) turpmāka attīstība, bet citā līmenī vai dažādos apstākļos. Šo shēmu var uzskatīt par Severtsova klasiskās aromorfozu shēmas molekulāro analogu.
Ja paskatās uz evolūciju pēc skābekļa, jūs varat identificēt vēl vairākus šādus maz ticamus vienreizējus notikumus, kas mainīja evolūcijas gaitu. Tas ir sarežģītas eikariotu šūnas "montāža", kā arī asinsvadu augu parādīšanās un dažādi "izrāvieni" dzīvnieku evolūcijā, par ko patiesībā rakstīja Severtsovs.
Dzīves parādīšanos, kas RNS pasaules hipotēzes ietvaros tiek saprasta kā RNS molekulu (replikatoru) pašreproducējošu ansambļu parādīšanās, var attēlot arī kā trīspakāpju procesu.
1) Sagatavošanas posms: RNS veidojošie ribonukleotīdi ultravioletās (UV) gaismas ietekmē spēj spontāni "samontēties" no vienkāršām molekulām, piemēram, cianīda vai formamīda. Viņš bija pārpilnībā uz jauno Zemi; atmosfērā vēl nebija ultravioleto staru absorbējošā ozona, jo nebija skābekļa, skatīt iepriekš. Kā parādīja Pouners un Salanders (Mančestras universitāte), nukleotīdi īpašā, “aktivizētā” cikliskajā formā tiek “atlasīti” ultravioletā gaismā; šādi nukleotīdi spēj spontāni veidot RNS virknes. Turklāt divkāršās Vatsona-Krika RNS ķēdes ir ievērojami izturīgākas pret UV starojumu nekā atsevišķas - šo rezultātu aprakstīja Jevgeņijs Kunins savā pirmajā publicētajā darbā 1980. gadā. Tas ir, uz jaunās Zemes "ekstra" elektronu plūsmas dēļ varētu veidoties dažādas organiskas molekulas,bet cieta saules starojuma ietekmē tās izdzīvoja galvenokārt RNS līdzīgas molekulas, vēlams, kas saietas spirālveida struktūrās.
2) vienreizējs, maz ticams notikums: vairāku RNS līdzīgu molekulu ansamblis sāka sevi kopēt (miljardiem gadu vēlāk, veicot RNS atlasi laboratorijas apstākļos, tika iegūti līdzīgi paškopējošie RNS ansambļi).
3) turpmākā evolūcija: RNS replikatori sāka konkurēt savā starpā par resursiem, attīstīties, apvienoties lielākās kopienās utt.
Šīs hipotētiskās shēmas trūkums ir tāds, ka nav zināmi ne RNS replikatoru izcelsmes molekulārie dati, ne arī dabiskie faktori, kas veicina to izvēli. Cerību dod tas, ka nākamā svarīgākā (un savukārt) evolūcijas notikuma, proti, ribosomu parādīšanās, olbaltumvielu sintēzes iekārtas, molekulārās detaļas ir rekonstruētas. Tas tika veikts ar dažādām metodēm četrās laboratorijās; rekonstrukciju rezultāti ir ļoti līdzīgi. Īsāk sakot, mūsdienu ļoti sarežģīto ribosomu sencis bija konstrukcija no divām RNS cilpām ar 50–60 ribonukleotīdiem katrā, kas spēj apvienot divas aminoskābes ar peptīdu saiti. Starpposmus ceļā no šīs divu cilpu struktūras līdz mūsdienu ribosomām detalizēti izsekoja Konstantīns Bokovs un Sergejs Stadlers (Monreālas Universitāte),Nobela prēmijas laureāts Ada Yonath un kolēģi (Veizmana institūts), Džordžs Fokss un kolēģi (Hjūstonas universitāte) un Antons Petrovs un kolēģi (Džordžijas universitāte).
Ribosoma, kurai sākumā bija viena katalītiskā RNS apakšvienība, pakāpeniski kļuva sarežģītāka un palielinājās pēc izmēra, visu šo laiku sintezējot olbaltumvielu secības no nejaušas aminoskābju kopas. Tikai pēdējos tās attīstības posmos tā saplūda ar citu RNS molekulu, kas kļuva par nelielu ribosomas apakšvienību, un sākās kodētā olbaltumvielu sintēze. Tādējādi ģenētiskā koda parādīšanās ir maz ticams evolūcijas notikums, kas ir atšķirīgs no ribosomu olbaltumvielu sintēzes rašanās.
Visticamāk, turpmāki pētījumi ļaus rekonstruēt gan replikatoru parādīšanos, gan citus maz ticamus notikumus, piemēram, tos, kas saistīti ar pirmo šūnu parādīšanos, gēnu apmaiņu starp pirmajām šūnām un vīrusiem utt.
Atgriežoties pie uzdotajiem jautājumiem par varbūtībām: mūsu detalizētais apsvērums parāda, ka zemes dzīves evolūcija nav viena “absolūti neticami sakritība”, bet gan daudzi secīgi ārkārtīgi maz ticami notikumi.
Spēcīga organisko vielu ģenerēšana, visticamāk, notika uz citām jaunām planētām. Bet tas ne vienmēr izraisīja dzīves parādīšanos. Ja pašreplicējošais RNS ansamblis nebūtu sapulcējies uz Zemes, dzīvības nebūtu bijis. Organisko vielu ražošana pakāpeniski izbalinātos, un Zeme kļūtu līdzīga Marsam vai Venērai.
Bet pat dzīvības parādīšanās gadījumā uz citām planētām šī dzīve varēja "iestrēgt" jebkurā sākotnējā posmā, un varbūtība, ka mūžīgi paliksit primitīvā attīstības līmenī, bija nesalīdzināmi augstāka nekā varbūtība kāpt nākamajā solī un pārvietoties tālāk.
Tāpēc varbūtība satikt gudrus citplanētiešus uz citas planētas ir neizmērojami mazāka nekā iespēja tur nokļūt vienkāršā, bet dzīvā gļotā (un tas ir, ja jums ir ļoti paveicies). Varbūtība, ka kaut kur dzīvo skābeklis, arī ir neizmērojami maza: ūdens sadalīšanās, veidojot skābekli, ir ļoti triviāla četru elektronu reakcija.
Tātad jebkuras stratēģijas veidošana cerībā atrast svešu izlūkdatu vienkārši nav ļoti gudra. Tas, ka uz Zemes ir (pagaidām) saprātīgas būtnes, ir ļoti liels panākums. Tāpēc daudz saprātīgāk ir ieguldīt "alternatīvu lidlauku" izveidē jau esošajai viedajai dzīvei, ja daba sabojājas vai paši prāta nesēji sabojājas. Tas nozīmē, ka mums ir nepieciešama rezerves Zeme vai vēl labāk - dažas.
Jevgeņijs Kunins, vadīts. zinātniskais. sotr. Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs, ASV Nacionālās zinātņu akadēmijas loceklis:
Es varu aprobežoties ar ļoti īsām piezīmēm, jo es pilnībā piekrītu visam, ko teica Aleksandrs Markovs … izņemot, protams, secinājumus. Patiešām, dzīves rašanās ierobežojošais posms ir ribozīma-polimerāzes molekulu populācijas spontāna veidošanās ar pietiekami augstu paškopēšanas ātrumu un precizitāti. Šāda notikuma varbūtība ir izzūdoši maza. Lai to ievērojami palielinātu, ir nepieciešams process, kas daudz vienkāršākā sistēmā rada evolūcijas iespēju, nepiedaloties šādiem ribozimiem. Aleksandra apspriestā ne-fermentatīvā replikācija ir labs kandidāts šādam procesam. Vienīgā problēma ir tā, ka, balstoties uz visu, ko es zinu no ķīmijas un termodinamikas, nav nekādu izredžu panākt šīs reakcijas pietiekami precīzu garo molekulu replikācijas līmenī. Ļoti īss oligonukleotīdu replikācija būtu ļoti interesants kā iespējamais starpposms, bet tas nepalielinās varbūtību. Tādējādi mans secinājums paliek tāds pats: dzīvības rašanās prasa ārkārtīgi maz ticamus notikumus, un tāpēc mēs savā Visumā esam vieni (daudzu Visumu jautājums šeit nav jāapspriež). Mēs ne tikai esam saprātīgas būtnes, bet, plašākā nozīmē, dzīvās būtnes kopumā.
Ir svarīgi atzīmēt sekojošo: ārkārtīgi zemā dzīves iestāšanās varbūtība nenozīmē, ka tas viss notika ar brīnumu. Gluži pretēji, tās visas ir normālu ķīmisku reakciju sērijas, ieskaitot tikai posmus ar ļoti mazu varbūtību. Līdz ar to to mehānismu izpēte, kas kaut kādā veidā veicina dzīves rašanos, ir ne tikai bezjēdzīga, bet arī ārkārtīgi svarīga un interesanta. Tas vienkārši nav redzams (pagaidām), ka tas varētu ievērojami palielināt varbūtību, taču notikumu scenārija izveidošana var arī palīdzēt.
Es nobeigšu ar kvazifilosofisku, bet, manuprāt, būtisku apsvērumu. Īpaši zemā dzīves rašanās varbūtība pārkāpj viduvējības principu: notikumi, kas notikuši uz mūsu planētas, ir ārkārtēji, pat unikāli Visumā. Vidējības princips šajā gadījumā zaudē antropiskajam principam: lai cik neticami dzīvības parādīšanās būtu notikusi a priori, SASKAŅĀ ar inteliģentu būtņu un tikai šūnu eksistences nosacījumu, tās varbūtība ir precīzi vienāda ar 1.
Mihails Ņikitins, pētnieks sotr. Fizikāli ķīmiskās bioloģijas pētniecības institūta Evolūcijas bioķīmijas nodaļa. A. N. Belozersky Maskavas Valsts universitāte:
Man šķiet, ka baktēriju dzīves sarežģītības pakāpe ir plaši izplatīta Visumā, bet daudzšūnu dzīvnieku un potenciāli inteliģentu būtņu attīstība ir daudz mazāka.
Kāpēc es domāju, ka baktēriju dzīvība ir ļoti iespējama?
Kunina argumentācija ir balstīta uz eksperimentiem par ribozīmu-replikāžu mākslīgu atlasi, kas kopē RNS molekulas un potenciāli var sevi kopēt. Visi šie ribozīmi ir apmēram 200 nukleotīdu garumā, un varbūtība, ka tos iegūsit pēc nejaušas pašapkopošanas, ir aptuveni 4200. Tomēr šajos eksperimentos netika ņemti vērā daudzi svarīgi faktori, kas, pirmkārt, varēja nodrošināt replikāciju, izmantojot īsākus un vienkāršākus ribozīmus, un, otrkārt, pirms jebkādas replikācijas sākuma tieša montāža uz strukturētām RNS, kas spēj darboties kā ribozīmi. Daži no šiem faktoriem jau ir nosaukuši citi autori: Šostaka ne-enzimātiskā replikācija, atlase pašmasēšanai Markova “palindromu pasaulē”, UV izturības atlase, kas RNS pašsavienošanos virza uz Mulkidzhanjana ierosinātajām matadatu struktūrām). Šim sarakstam es pievienošu minerālu substrātus un "siltuma slazdus" (šauras poras ar temperatūras gradientu), kas padara RNS kopēšanu ļoti vieglu. Turklāt, tā kā mums ir vienkārša pašreplicējoša ģenētiskā sistēma, Darvina evolūcija ar lielu varbūtību uz tās pamata ātri izveidos baktēriju šūnu vai kaut ko līdzīgu - ar šūnas membrānu, kas šūnas iekšienē uztur nemainīgu sāls sastāvu.
Kāpēc es uzskatu, ka dzīves evolūcija no vienkāršām šūnām līdz daudzšūnu dzīvniekiem var būt ļoti maz ticama? Šeit ir divi apsvērumi, viens ir vairāk ģeoloģisks, otrs - tikai bioloģisks. Sāksim ar pirmo.
Paleontoloģijā ir ticami noteikts, ka organismu evolūcija ir ļoti nevienmērīga. Krīzes un revolūcijas mijas ar stāvēšanas periodiem, dažreiz pat ļoti ilgiem. Visilgākais stāzes periods tika saukts par "garlaicīgo miljardu", un tas ilga lielāko daļu Proterozoic - no apmēram 2 līdz 0,8 miljardiem gadu atpakaļ. Pirms tam parādījās skābekļa parādīšanās atmosfērā, eikariotu šūnu parādīšanās un globālais Hurona apledojums, un tas beidzās ar lielāko Sturta apledojumu Zemes vēsturē, skābekļa satura palielināšanos līdz gandrīz mūsdienu vērtībām un daudzšūnu dzīvnieku parādīšanos. Arī Arhejas eonijā pirms 3,5 līdz 2,5 miljardiem gadu evolūcija bija samērā lēna, salīdzinot gan ar iepriekšējo Katarhijas eonu (dzīvības rašanās laiks un vēlīnā meteorītu bombardēšana), gan ar sekojošo skābekļa revolūciju. Šīs nevienmērības iemesli nav pilnībā izprotami. Man personīgi šķiet pārliecinoši, ka "skābekļa revolūcija" (masveida skābekli ražojošo zilaļģu izplatība) bija saistīta ar samazināta (melnā) dzelzs rezervju izsīkšanu okeāna ūdenī. Kamēr okeānā bija pietiekami daudz dzelzs, mikrobi tur zelēja, izmantojot vienkāršāku un drošāku dzelzi oksidējošu fotosintēzi. Tajā izdalās nevis skābeklis, bet gan dzelzs oksīda savienojumi - magnetīti un hematīti, kas atradās jūras dzelmē visā Arhejas reģionā. Jaunā dzelzs piegāde jūrai (galvenokārt no hidrotermiskiem avotiem apakšā) samazinājās, planētas ģeoloģiskajai aktivitātei mazinoties, un visbeidzot resursu krīze lika fotosintētiskajiem mikrobiem pāriet uz sarežģītāku skābekļa fotosintēzes “tehnoloģiju”. Līdzīgi“garlaicīgā miljarda” cēlonis varētu būt pastāvīgs skābekļa patēriņš dažādu minerālu oksidēšanai uz zemes, kas neļauj paaugstināt skābekļa saturu virs 1–2%. Proterozoikas jūras nogulumos ir daudz pēdu sulfīdu rūdu sauszemes oksidācijā, kuru dēļ upes okeānā aiznesa sulfātus, arsēnu, antimonu, varu, hromu, molibdēnu, urānu un citus elementus, kas Arhejas okeānā gandrīz nebija. Vēlu proterozoiskā krīze ar globālajām glaciācijām, strauju skābekļa satura palielināšanos un daudzšūnu dzīvnieku parādīšanos, iespējams, ir izraisījusi viegli oksidētu minerālu izsīkšana uz sauszemes.kuru dēļ upes okeānā aiznesa sulfātus, arsēnu, antimonu, varu, hromu, molibdēnu, urānu un citus elementus, kuru Arhejas okeānā gandrīz nebija. Vēlu proterozoiskā krīze ar globālajām glaciācijām, strauju skābekļa satura palielināšanos un daudzšūnu dzīvnieku parādīšanos, iespējams, ir izraisījusi viegli oksidētu minerālu izsīkšana uz sauszemes.kuru dēļ upes okeānā aiznesa sulfātus, arsēnu, antimonu, varu, hromu, molibdēnu, urānu un citus elementus, kuru Arhejas okeānā gandrīz nebija. Vēlu proterozoiskā krīze ar globālajām glaciācijām, strauju skābekļa satura palielināšanos un daudzšūnu dzīvnieku parādīšanos, iespējams, ir izraisījusi viegli oksidētu minerālu izsīkšana uz sauszemes.
Tādējādi divu galveno apgriezienu (skābekļa fotosintēzes un daudzšūnu dzīvnieku) sākšanās laiku droši vien noteica bioloģisko (fotosintēzes) un ģeoloģisko (melnā dzelzs un citu oksidējamo vielu izdalīšanās hidrotermiskās ventilācijas atverēs un grunts vulkānos) līdzsvars. Pilnīgi iespējams, ka uz citām planētām šīs revolūcijas nāk daudz vēlāk. Piemēram, masīvāka planēta (superzeme) lēnāk zaudēs ģeoloģisko aktivitāti, ilgāk atbrīvos dzelzi okeānā un varētu atlikt skābekļa revolūciju par miljardiem gadu. Planētas sarkano punduru apdzīvojamā zonā saņems maz redzamas gaismas, kas piemērota fotosintēzei, un to biosfēras arī var iestrēgt stadijā, kurā nav skābekļa. Svarīgs ir arī ūdens daudzums uz planētas. Ja visu planētu sedz dziļš okeāns, tad tai trūkst fosfora,kas nāk galvenokārt no sauszemes vulkāniem, un, ja ūdens ir maz, tad arī fotosintētiskajiem mikrobiem pieejamā okeāna teritorija būs maza (pirms daudzšūnu augu parādīšanās sauszemes ekosistēmu produktivitāte bija niecīga salīdzinājumā ar jūrām). Tas ir, ir daudz iemeslu, kāpēc biosfēra var iestrēgt bez skābekļa mikrobu stadijā un neattīstīties par dzīvniekiem. Attīstības laiks, starp citu, ir ierobežots: zvaigžņu spožums ar laiku pieaug, un Zeme 1,5–2 miljardu gadu laikā sāks neatgriezeniski sakarst, tās okeāni iztvaikos, un pieaugošais siltumnīcas efekts pārvērtīs to par otro Venēru. Sarkanajos punduros spožums aug lēnāk, bet to planētas var kļūt neapdzīvojamas magnētiskā lauka pazušanas un sekojošā ūdens zuduma dēļ kosmosā, kā tas notika uz Marsa.arī fotosintētiskajiem mikrobiem pieejamais okeāna laukums būs mazs (pirms daudzšūnu augu parādīšanās sauszemes ekosistēmu produktivitāte bija niecīga salīdzinājumā ar jūrām). Tas ir, ir daudz iemeslu, kāpēc biosfēra var iestrēgt bez skābekļa mikrobu stadijā un neattīstīties par dzīvniekiem. Attīstības laiks, starp citu, ir ierobežots: zvaigžņu spožums ar laiku pieaug, un Zeme 1,5–2 miljardu gadu laikā sāks neatgriezeniski sakarst, tās okeāni iztvaikos, un pieaugošais siltumnīcas efekts pārvērtīs to par otro Venēru. Sarkanajos punduros spožums aug lēnāk, bet to planētas var kļūt neapdzīvojamas magnētiskā lauka pazušanas un sekojošā ūdens zuduma dēļ kosmosā, kā tas notika uz Marsa.arī fotosintētiskajiem mikrobiem pieejamais okeāna laukums būs mazs (pirms daudzšūnu augu parādīšanās sauszemes ekosistēmu produktivitāte bija niecīga salīdzinājumā ar jūrām). Tas ir, ir daudz iemeslu, kāpēc biosfēra var iestrēgt bez skābekļa mikrobu stadijā un neattīstīties par dzīvniekiem. Starp citu, attīstības laiks ir ierobežots: zvaigžņu spožums ar laiku palielinās, un Zeme 1,5–2 miljardu gadu laikā neatgriezeniski sakarst, tās okeāni iztvaiko, un pieaugošais siltumnīcas efekts pārvērtīs to par otro Venēru. Sarkanajos punduros spožums aug lēnāk, bet to planētas var kļūt neapdzīvojamas magnētiskā lauka pazušanas un sekojošā ūdens zuduma dēļ kosmosā, kā tas notika uz Marsa.pieejami fotosintētiskajiem mikrobiem (pirms daudzšūnu augu parādīšanās sauszemes ekosistēmu produktivitāte bija niecīga salīdzinājumā ar jūrām). Tas ir, ir daudz iemeslu, kāpēc biosfēra var iestrēgt bez skābekļa mikrobu stadijā un neattīstīties par dzīvniekiem. Starp citu, attīstības laiks ir ierobežots: zvaigžņu spožums ar laiku palielinās, un Zeme 1,5–2 miljardu gadu laikā neatgriezeniski sakarst, tās okeāni iztvaiko, un pieaugošais siltumnīcas efekts pārvērtīs to par otro Venēru. Sarkanajos punduros spožums aug lēnāk, bet to planētas var kļūt neapdzīvojamas magnētiskā lauka pazušanas un sekojošā ūdens zuduma dēļ kosmosā, kā tas notika uz Marsa.pieejami fotosintētiskajiem mikrobiem (pirms daudzšūnu augu parādīšanās sauszemes ekosistēmu produktivitāte bija niecīga salīdzinājumā ar jūrām). Tas ir, ir daudz iemeslu, kāpēc biosfēra var iestrēgt bez skābekļa mikrobu stadijā un neattīstīties par dzīvniekiem. Starp citu, attīstības laiks ir ierobežots: zvaigžņu spožums ar laiku palielinās, un Zeme 1,5–2 miljardu gadu laikā neatgriezeniski sakarst, tās okeāni iztvaiko, un pieaugošais siltumnīcas efekts pārvērtīs to par otro Venēru. Sarkanajos punduros spožums aug lēnāk, bet to planētas var kļūt neapdzīvojamas magnētiskā lauka pazušanas un sekojošā ūdens zuduma dēļ kosmosā, kā tas notika uz Marsa. Starp citu, attīstības laiks ir ierobežots: zvaigžņu spožums ar laiku palielinās, un Zeme 1,5–2 miljardu gadu laikā neatgriezeniski sakarst, tās okeāni iztvaiko, un pieaugošais siltumnīcas efekts pārvērtīs to par otro Venēru. Sarkanajos punduros spožums aug lēnāk, bet to planētas var kļūt neapdzīvojamas magnētiskā lauka pazušanas un sekojošā ūdens zuduma dēļ kosmosā, kā tas notika uz Marsa. Starp citu, attīstības laiks ir ierobežots: zvaigžņu spožums ar laiku palielinās, un Zeme 1,5–2 miljardu gadu laikā neatgriezeniski sakarst, tās okeāni iztvaiko, un pieaugošais siltumnīcas efekts pārvērtīs to par otro Venēru. Sarkanajos punduros spožums aug lēnāk, bet to planētas var kļūt neapdzīvojamas magnētiskā lauka pazušanas un sekojošā ūdens zuduma dēļ kosmosā, kā tas notika uz Marsa.
Otrais apsvērums attiecas uz eikariotu parādīšanos - šūnām ar kodolu. Eikariotu šūnas ir daudz lielākas un sarežģītākas nekā baktērijas un arhaea, un tās parādījās vēlāk, visticamāk, "skābekļa revolūcijas" laikā. Eikariotu šūna parādījās kā himēra no arheālās šūnas, simbiotiskas baktērijas, kas apmetās tās iekšienē, un, iespējams, vīruss, kas viņus inficēja (vai pat vairāk nekā vienu). Eikariotu genoma struktūra nepārprotami parāda, ka to agrīnā evolūcija notika nevis dabiskās atlases dēļ, bet daudzos aspektos, neskatoties uz to. Nelielās populācijās atlase nav ļoti efektīva, un nedaudz kaitīgas iezīmes var nostiprināties gēnu dreifēšanas un citu tīri nejaušu procesu dēļ. Tas ir detalizēti aprakstīts attiecīgajā Kunina izredžu loģikas nodaļā un liek domātka eukariotu rašanās var būt ļoti maz ticama pat piemērotā vidē (baktēriju biosfērā, nonākot skābekļa revolūcijā). Vismaz intracelulāras simbiozes gadījumi starp baktērijām un arhaea ir praktiski nezināmi - lai arī baktērijas viegli apmetas eikariotu šūnās.
Rezumējums: es domāju, ka aprakstīto faktoru kombinācijai vajadzētu novest pie tā, ka mūsu Galaktikā būs miljoniem planētu ar baktēriju dzīvi un daudz mazāk (iespējams, tikai dažas) - ar dzīvi, kurā ir eikariotu un daudzšūnu sarežģītības pakāpe.
Borisa Šterna postskripts
Daži vārdi diskusijas beigām. Pilnīgi iespējams, ka Jevgeņijs Kunins pārāk zemu novērtēja dzīvības izcelsmes iespējamību piemērotos apstākļos. Un tas pats, šis vērtējums ir jāuztver nopietni. Ja viņš kļūdījās par 900 lieluma kārtām, tas neko nemaina: mēs visi esam vienādi Visuma horizontā, kur ir tikai apmēram 1020-1021 piemērotu planētu. Pat ja pārējiem diskusijas dalībniekiem ir taisnība un visa veida Dabas triki, piemēram, ne-enzimātiska replikācija, dzīves izcelsmi var padarīt vairāk vai mazāk iespējamu, tā būs ļoti primitīva dzīve, pārsvarā vairumā gadījumu nespējot pārlēkt uz augstāku attīstības līmeni. Divi paneļisti par to rakstīja melnbaltā krāsā. Tas ir viss Fermi paradokss.
Līdz ar to seko vismaz divi svarīgi organizatoriski secinājumi. Pirmais: attīstītā dzīve ir visretāk sastopamā un visvērtīgākā parādība Visumā. Tāpēc skatiet Armēna Mulkidzhanjana piezīmes pēdējo rindkopu: cilvēcei ir cēls kopējais mērķis - šīs parādības izplatība. Par šī mērķa sasniegšanas iespējām un metodēm mēs runāsim atsevišķi.
Otrais organizatoriskais secinājums: šīs dzīves iznīcināšana būs neatgriezenisks galaktikas vai pat kosmoloģiska mēroga zaudējums. Tas būtu jāņem vērā, novērtējot viņu pašu "vanagus" un politiķus, kuri ir gatavi ķerties pie kodolā šantāžas, lai uzpūstu viņu pašu "diženumu". Tas pats attiecas uz nevaldāma patēriņa civilizāciju.
Autori: Boriss Šterns, Aleksandrs Markovs, Armens Mulkidzhanjans, Jevgeņijs Kunins, Mihails Ņikitins