Forord av Boris Stern
Vi har lenge planlagt å holde en diskusjon knyttet til det evige spørsmålet om menneskets sted i universet. Dette handler selvfølgelig om utenomjordisk liv og planeter fra andre stjerner. For øyeblikket er litt under 6 tusen eksoplaneter kjent, hvorav mer enn to tusen venter på uavhengig bekreftelse. Men for statistisk forskning kan du bruke alle 6000.
Det er veldig få planeter blant dem som visstnok er egnet for livet. Dette er naturlig, fordi de er vanskeligst å finne: en veldig kraftig seleksjonseffekt virker mot jordlignende planeter. De er for lette til å bli fanget av en stjerners radielle hastighetsmetode, og året deres er for langt til transittene deres kan avdekkes med sikkerhet i Kepler romteleskopdata. Unntaket er planetene i den beboelige sonen til røde dverger, som er åpne under nesene våre, det er mye lettere å finne dem. Det er mange slike planeter, men akk, røde dverger er veldig upraktiske for livet ved siden av dem. Ekstrapolasjonen av Keplers data for "hete land" av stjerner som sola gir imidlertid et veldig optimistisk resultat: minst 15% av disse stjernene har planeter i sin beboelige sone. Dette estimatet ble oppnådd uavhengig av mange forfattere,og over tid blir det mer og mer optimistisk: 20% og til og med en fjerdedel av solene har land. Dette betyr at den nærmeste klasse G eller K-stjernen til oss med Jorden i bane i det beboelige området er innen 15 lysår. Det er få slike stjerner, og kandidater dukker allerede opp, for eksempel Tau Ceti. Og det er mange slike planeter innenfor en radius av, for eksempel, 30 lysår.
Observasjonsmetodene utvikler seg gradvis. Nye, jordlignende planeter i nærheten vil bli oppdaget ved hjelp av det forbedrede HARPS-instrumentet. I løpet av det neste tiåret vil vi lære en ting eller to om atmosfærene til noen jordlignende planeter ved å bruke instrumenter som det gigantiske ekstremt store teleskopet (ELT) og James Webb romteleskopet. Og det er mulig at oksygen vil vises i absorpsjonsspekteret i atmosfæren til en eller annen transittplanet (som går gjennom en stjernes skive). Hvis stjernen ikke er altfor aktiv og gammel nok, kan oksygen bare være biogen. Slik kan utenomjordisk liv oppdages.
Er det ekte? Hvis livet oppstår i et hjørne så snart forholdene oppstår for det - hvorfor ikke? Men er det? Argumentet fremmes ofte om at livet på jorden dukket opp veldig raskt, noe som betyr at dette er tilfelle - noen hundre millioner år er nok til at det dukker opp i en slags suppe. Men det finnes også et motargument - en passende "suppe" kan bare eksistere på en ung planet - livet oppstår enten raskt eller aldri.
Og selvfølgelig er det motsatt synspunkt: livet er det sjeldneste fenomenet, basert på et helt utrolig tilfeldigheter. Det mest detaljerte synspunktet om denne saken, profesjonelt og med kvantitative estimater, ble uttrykt av Evgeny Kunin. Livet er basert på å kopiere lange molekyler, opprinnelig var de RNA-molekyler. Kopiering gjøres av en enhet som kalles en "replikase" (disse linjene ble skrevet av en fysiker, derfor er terminologien fra en biologs synspunkt noe vanskelig). Replikase vil ikke komme hvor som helst hvis den ikke er programmert i samme RNA som blir kopiert.
I følge Kunin, for at selvreproduksjonen av RNA skal starte, og med den evolusjonen, “er i det minste det spontane utseendet til den neste nødvendig.
- To rRNA med en total størrelse på minst 1000 nukleotider.
- Omtrent 10 primitive adaptere på 30 nukleotider hver, for totalt rundt 300 nukleotider.
- Minst en RNA-kodende replikase er omtrent 500 nukleotider i størrelse (bunnscore). I den aksepterte modellen, n = 1800, og som et resultat, E <10 - 1081 ".
I det gitte fragmentet, mener vi en koding med fire bokstaver, antall mulige kombinasjoner er 41800 = 101081, hvis bare noen få av dem starter utviklingsprosessen, er sannsynligheten for den nødvendige samlingen per ett "forsøk" med spontan montering ~ 10-1081.
Salgsfremmende video:
Det er ingen motsetning i det faktum at resultatet er foran øynene våre, det er ingen: i følge inflasjonsteorien er universet enormt, titalls størrelsesordrer større enn dets synlige del, og hvis vi forstår universet som et lukket rom, så er det universer med samme vakuum som vårt, et gigantisk sett … Den minste sannsynligheten blir realisert et sted, noe som gir opphav til en overrasket betrakter.
Disse to ytterpunktene betyr mye for vår plass i universet. I alle fall er vi alene. Men hvis livet finnes flere titalls lysår borte fra oss, er dette teknologisk ensomhet overvunnet av utvikling og tusenårs tålmodighet. Hvis Kunins vurdering er riktig, er dette en grunnleggende ensomhet som ikke kan overvinnes av noe. Da er vi og det jordiske livet et unikt fenomen i det årsakssammenhengte volumet av universet. Det eneste og mest verdifulle. Dette er viktig for menneskehetens fremtidige strategi. I det første tilfellet er grunnlaget for strategien søk. I det andre tilfellet - såing (det er til og med et slikt begrep "rettet panspermia"), som også inkluderer søken etter en passende jord.
Alt dette fortjener en diskusjon. Er det smutthull gjennom Kunins argument? Er det noen mekanismer som kan skilles ved å omgå den "uforlignelige kompleksiteten" til RNA-replikatoren? Er det virkelig så utilgivelig? Etc.
Vi ba flere biologer om deres meninger.
Alexander Markov, Ph. D. Biol. vitenskaper, ledet. vitenskapelig. sotr. Paleontological Institute RAS, leder. Institutt for biologisk utvikling, Biologisk fakultet, Moscow State University:
Evgeny Kunins vurdering, som innebærer at vi er håpløst alene i universet, er basert på en sentral forutsetning. Kunin mente at for å starte prosessen med RNA-replikasjon (og med den darwinistiske evolusjonen; det er logisk å betrakte dette øyeblikket som øyeblikket av livets opprinnelse), var det nødvendig at rent ved en tilfeldighet - som et resultat av tilfeldig kombinasjon av polymerisering (for eksempel på mineralmatriser) ribonukleotider - et ribozym med RNA-polymeraseaktivitet dukket opp, det vil si et langt RNA-molekyl som har en helt klar (og ikke bare hvilken som helst) nukleotidsekvens og på grunn av dette er i stand til effektivt å katalysere RNA-replikasjon.
Hvis det ikke er noen annen vei, en annen "inngang" til den levende verden fra den livløse materie, har Kunin rett, og vi bør gi opp håpet om å finne noe liv i universet bortsett fra det jordiske. Det kan antas at det hele startet ikke med en eneste svært effektiv polymerase, men for eksempel med et visst fellesskap av små, ineffektive polymeraser og ligaser (ribozymer som kan krysse sammen korte RNA-molekyler til lengre): kanskje dette vil gjøre vurderingen litt mer optimistisk, men vil ikke endre situasjonen fundamentalt. Fordi den første replikatoren fremdeles var veldig sammensatt, og den burde ha dukket opp uten hjelp fra darwinsk evolusjon - faktisk ved en tilfeldighet.
Et levedyktig alternativ er ikke-enzymatisk RNA-replikasjon (NR RNA): en prosess der RNA-molekyler blir replikert uten hjelp av komplekse ribozymer eller protein-enzymer. En slik prosess eksisterer, den katalyseres av Mg2 + -ioner, men den går for sakte og unøyaktig - i det minste under de forholdene som forskerne hadde tid til å prøve.
Imidlertid er det et håp om at det likevel vil være mulig å finne noen sannsynlige forhold (som i prinsippet kan eksistere på noen planeter), når NR RNA går raskt nok og nøyaktig. Kanskje dette krever en slags relativt enkel katalysator som kan syntetiseres på en abiogen måte. Det er mulig at enkle abiogene peptider med flere negativt ladede rester av asparaginsyre som beholder magnesiumioner kan fungere som slike katalysatorer: protein-RNA-polymeraser har lignende aktive sentre, og denne muligheten blir nå undersøkt.
Spørsmålet om muligheten for et effektivt NR RNA er av grunnleggende betydning for å vurdere sannsynligheten for livets opprinnelse. Hvis NR RNA er mulig, kan det være ganske mange levende planeter i det observerbare universet. De grunnleggende forskjellene mellom de to scenariene - med mulig og umulig NR RNA - er vist i tabellen. Hvis NR er mulig, kan Darwin-evolusjonen begynne nesten umiddelbart etter utseendet til de første korte RNA-molekylene. Den selektive fordelen burde vært oppnådd av de RNA-molekyler som multipliserte seg mer effektivt ved hjelp av HP. Dette kan for eksempel være molekyler med palindromiske gjentagelser, som selv kunne tjene som primere - "frø" for replikasjon; palindromes kan brettes inn i tredimensjonale strukturer - "hårnåler", noe som øker sannsynligheten for utseendet på katalytiske egenskaper i RNA-molekylet. Uansett, etterDa darwinsk evolusjon begynte, ble den videre utviklingen av livet bestemt ikke bare ved en tilfeldighet, men også av loven.
Estimater for sannsynligheten (frekvensen) for livets opprinnelse under disse to scenariene bør avvike med et stort antall ordrer (selv om ingen selvfølgelig vil gi nøyaktige tall). Det er også viktig å merke seg at hvis livet oppsto "i henhold til Kunin", det vil si på grunn av tilfeldig montering av en effektiv ribozym-polymerase, viser prinsippet om komplementaritet (spesifikk sammenkobling av nukleotider), som evnen til RNA å reprodusere og utvikle seg, et slags "piano i buskene”, Noe som ikke hadde noe å gjøre med det faktum at en så enorm mengde RNA-molekyler hadde samlet seg på planetene at et effektivt ribozym med RNA-polymeraseaktivitet tilfeldigvis dukket opp på en av planetene. Hvis livet oppsto "ifølge Shostak" (nobelprisvinneren Jack Shostak studerer nå aktivt NR RNA og mener at denne prosessen er nøkkelen til mysteriet om livets opprinnelse),da var ikke komplementaritet et "piano i bushen", men fungerte helt fra begynnelsen. Dette gjør hele livssynsscenariet mye mer overbevisende og logisk. Jeg vil satse på Shostak.
Nå avhenger alt av suksessen til spesialister innen prebiotisk kjemi. Hvis de finner realistiske forhold der NR RNA går bra, har vi en sjanse til å finne liv på andre planeter. Og hvis ikke, så … må vi se nærmere.
Armen Mulkidzhanyan, Dr. Biol. Sci., Universitetet i Osnabrück (Tyskland), ledet. vitenskapelig. sotr. MSU:
Det er vanskelig å krangle med det faktum at livet oppstod for lenge siden og på den unge jorden. Jorden er sammensatt av kondritiske bergarter, som meteoritter. Oppvarmingen av disse bergartene under dannelsen av jorden forårsaket smelting av vannet brakt med kondrit. Samspillet mellom vann og et oppvarmet, redusert bergart skal ha ført til frigjøring av elektroner, dannelse av hydrogen og reduksjon av karbondioksid (CO2) til forskjellige organiske forbindelser. Lignende prosesser foregår fremdeles i områder med geotermisk aktivitet, for eksempel i geotermiske felt, men med lav intensitet. Så dannelse av organisk materiale i store mengder kan forventes på de unge planetene til andre stjerner. Sannsynligheten for at liv kan oppstå i dette tilfellet kan estimeres ved å vurdere utviklingen av det jordiske livet.
De første to milliarder årene bodde det bare mikrober på jorden. Det ville ha fortsatt på denne måten, men for rundt 2,5 milliarder år siden lærte fotosyntetiske bakterier å bruke lysets energi til å bryte ned vann. Fotosyntese oppstod opprinnelig som en erstatning for de dempede geokjemiske prosessene med å "dumpe" overflødig elektroner. I fotosyntesen blir lysets energi brukt til å oksidere forskjellige forbindelser, det vil si for å "fjerne" elektroner fra dem, for å fotoaktivere disse elektronene og til slutt redusere CO2 til organiske forbindelser av dem. Vannnedbrytningssystemet har oppstått som et resultat av den gradvise utviklingen av enklere fotosyntetiske enzymer som er bevart i noen bakterier. Det er flere veldig plausible scenarier for hvordan slike enzymer, ved bruk av lys og klorofyll, først oksiderte hydrogensulfid (og til og med nå gjør noen mennesker det), da,mens hydrogensulfidet i mediet var oppbrukt, ble det hentet elektroner fra jernholdige joner og deretter fra manganioner. Som et resultat lærte de på en måte å spalte vann. I dette tilfellet gikk elektronene som ble tatt bort fra vannet til syntese av organisk materiale, og oksygen ble frigjort som et biprodukt. Oksygen er et veldig sterkt oksidasjonsmiddel. Jeg måtte forsvare meg mot ham. Fremveksten av flercellularitet, varmblodhet og til slutt intelligens er alle forskjellige stadier av beskyttelse mot oksidasjon av atmosfærisk oksygen.varmblodighet og til slutt fornuft - dette er alle forskjellige stadier av beskyttelse mot oksidasjon av atmosfærisk oksygen.varmblodighet og til slutt fornuft - dette er alle forskjellige stadier av beskyttelse mot oksidasjon av atmosfærisk oksygen.
Vannnedbrytning skjer i et unikt katalytisk senter som inneholder en klynge av fire manganatomer og ett kalsiumatom. I denne reaksjonen, som krever fire kvanta lys, spaltes to vannmolekyler (2 H20) samtidig for å danne ett oksygenmolekyl (O2). Dette krever energi fra fire kvanta lys. Som svar på absorpsjonen av tre lyskvanta akkumuleres tre elektroniske ledige stillinger ("hull") sekvensielt på manganatomene, og først når det fjerde lyskvantet blir absorbert, blir begge vannmolekylene oksidert, hullene fylt med elektroner og et oksygenmolekyl dannes. Selv om strukturen i manganklyngen nylig er blitt bestemt med høy presisjon, forstås ikke hvordan denne firetaktsanordningen fungerer. Det er også uklart hvordan og hvorfor i det katalytiske senteret, hvor primitive fotosyntetiske bakterier, tilsynelatende,manganioner ble oksidert, fire av dets atomer kombinert med et kalsiumatom til en klynge som var i stand til å nedbryte vann. Termodynamikken i klorofylldeltakelse i vannoksidasjon er også mystisk. Teoretisk kan klorofyll under belysning oksidere hydrogensulfid, jern og mangan, men ikke vann. Imidlertid oksiderer det. Generelt er det som om en humla: "I henhold til lovene om aerodynamikk kan en humla ikke fly, men han vet ikke om det og flyr bare av denne grunn."
Det er veldig vanskelig å vurdere sannsynligheten for et vannnedbrytningssystem. Men denne sannsynligheten er veldig liten, siden i løpet av 4,5 milliarder år oppstod et slikt system bare en gang. Det var ikke noe særlig behov for det, og uten det ville mikrober trives på jorden, inkludert i geokjemiske sykluser. Etter at oksygen hadde oppstått i atmosfæren, burde dessuten det meste av den mikrobielle biosfæren ha dødd, eller mer presist, brent opp - samspillet mellom organisk materiale og oksygen er forbrenning. Bare mikrober overlevde, etter å ha lært å puste, det vil si å raskt gjenopprette oksygen tilbake til vann direkte på deres ytre skall, og forhindret det fra innsiden, så vel som innbyggerne i de få gjenværende oksygenfrie økologiske nisjene.
Denne historien kan tjene som et eksempel på en relativt nylig (for rundt 2,5 milliarder år siden) og relativt forståelig hendelse som førte til en kraftig økning i kompleksiteten i levende systemer. Det hele startet med gradvise endringer i fotosyntetiske enzymer. Da var det en engangs og veldig ikke-intrivial evolusjonær oppfinnelse (mangan-kalsiumklynge), som kanskje ikke hadde vært det. Etterfølgende enorme forandringer var en reaksjon på utseendet til "giftig" oksygen i atmosfæren: Darwinsk utvalg ble slått på med full kraft, jeg måtte lære å puste dypt og bevege hjernen.
Totalt har vi en prosess som foregår i tre stadier: (1) gradvise endringer - (2) en engangs usannsynlig hendelse - (3) videreutvikling, men på et annet nivå eller under forskjellige forhold. Dette opplegget kan betraktes som en molekylær analog av Severtsovs klassiske aromorfoseskjema.
Hvis du ser på evolusjonen etter oksygen, kan du identifisere flere flere slike usannsynlige engangshendelser som endret evolusjonsforløpet. Dette er "montering" av en kompleks eukaryot celle, og fremveksten av karplanter, og forskjellige "gjennombrudd" i utviklingen av dyr, som Severtsov faktisk skrev om.
Livets fremvekst, som innenfor rammen av RNA-verdenshypotesen forstås som fremveksten av selvreproduserende ensembler av RNA-molekyler (replikatorer), kan også representeres som en tretrinnsprosess.
1) Forberedende stadium: RNA-dannende ribonukleotider er i stand til spontant å "samle" seg fra enkle molekyler som cyanid eller formamid under påvirkning av ultrafiolett (UV) lys. Han var i overflod på den unge jorden; det var ingen ultrafiolettabsorberende ozon i atmosfæren ennå, siden det ikke var oksygen, se ovenfor. Som Pouner og Saderland (University of Manchester) har vist, er nukleotider i en spesiell, "aktivert" syklisk form "valgt" i UV-lys; slike nukleotider er i stand til spontant å danne RNA-kjeder. Dessuten er doble, Watson-Crick RNA-kjeder betydelig mer motstandsdyktige mot UV-stråling enn enkle - dette resultatet ble beskrevet av Evgeny Kunin i hans aller første publiserte arbeid tilbake i 1980. Det vil si at på den unge jorden, på grunn av strømmen av "ekstra" elektroner, kan det dannes en rekke organiske molekyler,men under påvirkning av hard solstråling var det først og fremst RNA-lignende molekyler, fortrinnsvis kveilet inn i spiralformede strukturer, som overlevde.
2) En engangs, usannsynlig hendelse: et ensemble av flere RNA-lignende molekyler begynte å kopiere seg selv (milliarder av år senere, lignende selvkopierende RNA-ensembler ble oppnådd ved RNA-seleksjon under laboratorieforhold).
3) Påfølgende evolusjon: RNA-replikatorer begynte å konkurrere med hverandre om ressurser, utvikle seg, forene seg til større samfunn, etc.
Ulempen med dette hypotetiske skjemaet er at verken de molekylære detaljene om opprinnelsen til RNA-replikatorer eller de naturlige faktorene som bidrar til deres seleksjon er kjent. Håp gis ved at i tilfelle av den neste viktigste (og i sin tur) evolusjonshendelsen, nemlig fremveksten av ribosomer, maskiner for proteinsyntese, ble molekylære detaljer rekonstruert. Dette ble gjort ved forskjellige metoder i fire laboratorier; resultatene av rekonstruksjonene er veldig like. I korte trekk var forfaren til moderne veldig komplekse ribosomer en konstruksjon av to RNA-løkker på 50-60 ribonukleotider hver, i stand til å kombinere to aminosyrer med en peptidbinding. Mellomtrinnene på banen fra denne to-loop-strukturen til moderne ribosomer ble sporet i detalj av Konstantin Bokov og Sergey Stadler (University of Montreal),Nobelprisvinner Ada Yonath og kolleger (Weizmann Institute), George Fox og kolleger (University of Houston) og Anton Petrov og kolleger (University of Georgia).
Ribosomet, som til å begynne med hadde en katalytisk RNA-underenhet, ble gradvis mer sammensatt og økte i størrelse, og hele denne tiden syntetiserte proteinsekvenser fra et tilfeldig sett med aminosyrer. Først i de siste stadiene av dens utvikling slo den sammen med et annet RNA-molekyl, som ble en liten underenhet av ribosomet, og den kodede proteinsyntesen begynte. Dermed er fremveksten av den genetiske koden en usannsynlig evolusjonær hendelse atskilt fra fremveksten av ribosomal proteinsyntese.
Mer sannsynlig vil videre forskning gjøre det mulig å rekonstruere både fremveksten av replikatorer og andre usannsynlige hendelser, for eksempel de som er assosiert med fremveksten av de første cellene, utvekslingen av gener mellom de første celler og virus, etc.
Tilbake til spørsmålene som stilles om sannsynligheter: vår detaljerte vurdering viser at utviklingen av det jordiske livet ikke er et "helt utrolig tilfeldighet", men mange påfølgende ekstremt usannsynlige hendelser.
Kraftig generasjon organisk materiale foregikk mest på andre unge planeter. Men dette førte ikke nødvendigvis til livets oppkomst. Hvis det selvreplikerende RNA-ensemblet ikke hadde samlet seg på Jorden, ville det ikke vært noe liv. Produksjonen av organisk materiale ville gradvis visne, og Jorden ville bli lik Mars eller Venus.
Men selv i tilfelle livets fremvekst på andre planeter, kunne dette livet "sette seg fast" på et hvilket som helst innledende stadium, og sannsynligheten for å forbli på et primitivt utviklingsnivå var uten tvil høyere enn sannsynligheten for å klatre på neste trinn og komme videre.
Derfor er sannsynligheten for å møte kloke romvesener på en annen planet enormt lavere enn sjansen for å komme i en enkel, men levende slim der (og dette er hvis du er veldig heldig). Sannsynligheten for at det er oksygenliv et sted, er også ufattelig liten: nedbrytningen av vann for å danne oksygen er en veldig ikke -rivial fire-elektron-reaksjon.
Så å bygge enhver strategi i håp om å finne en fremmed intelligens er bare ikke veldig smart. At det er (foreløpig) intelligente vesener på jorden, er en veldig stor suksess. Derfor er det mye mer fornuftig å investere i opprettelsen av "alternative flyplasser" for det allerede intelligente livet i tilfelle naturen svikter eller sjelens bærere svikter. Dette betyr at vi trenger en ekstra jord, eller enda bedre noen få.
Evgeny Kunin, ledet. vitenskapelig. sotr. National Center for Biotechnology Information, medlem av US National Academy of Sciences:
Jeg kan begrense meg til veldig korte kommentarer, siden jeg er helt enig i alt som er sagt av Alexander Markov … bortsett fra, selvfølgelig, konklusjonene. Faktisk er det begrensende stadiet i fremveksten av livet den spontane dannelsen av en populasjon av ribozym-polymerasemolekyler med en tilstrekkelig høy hastighet og nøyaktighet for selvkopiering. Sannsynligheten for en slik hendelse er forsvinnende liten. For å øke den betydelig, er det nødvendig med en prosess som skaper muligheten for evolusjon uten deltagelse av slike ribozymer, i et mye enklere system. Den ikke-enzymatiske replikasjonen diskutert av Alexander er en god kandidat for en slik prosess. Det eneste problemet er at basert på alt jeg vet fra kjemi og termodynamikk, er det ingen sjanse for å bringe disse reaksjonene til nivået med tilstrekkelig nøyaktig replikasjon av lange molekyler. Replikering av veldig korte oligonukleotider ville være veldig interessant som et mulig mellomtrinn, men vil ikke øke sannsynligheten betydelig. Dermed forblir min konklusjon den samme: fremveksten av liv krever ekstremt usannsynlige hendelser, og derfor er vi alene i universet vårt (spørsmålet om flere universer trenger ikke å bli diskutert her). Ikke bare vi er intelligente vesener, men mer vidtgående, levende vesener generelt.
Det er viktig å merke seg følgende: den ekstremt lave sannsynligheten for forekomst av liv betyr ikke på noen måte at det hele skjedde ved et mirakel. Tvert imot, de er alle en serie med normale kjemiske reaksjoner, bare inkludert stadier med svært liten sannsynlighet. Følgelig er det ikke bare meningsløst å studere mekanismene som på en eller annen måte forenkler tilværelsen av livet, men ekstremt viktig og interessant. Det er bare ikke synlig (ennå) at dette kan øke sannsynligheten betydelig, men det kan godt hjelpe å skape et scenario med hendelser.
Vel, jeg vil avslutte med en kvasifilosofisk, men etter min mening relevant vurdering. Den ekstremt lave sannsynligheten for fremvekst av liv bryter middelmådighetsprinsippet: hendelsene som har skjedd på planeten vår er eksepsjonelle, til og med unike i universet. Middelmidlingsprinsippet i dette tilfellet taper for det antropiske prinsippet: uansett hvor utrolig livets fremvekst var a priori, UNDER BETINGELSEN om eksistensen av intelligente vesener, og bare celler, er sannsynligheten nøyaktig lik 1.
Mikhail Nikitin, forsker sotr. Institutt for evolusjonær biokjemi, Research Institute of Physicochemical Biology. A. N. Belozersky Moscow State University:
Det synes for meg at livet med et bakteriellt kompleksitetsnivå er utbredt i universet, men utvikling til flercellede dyr og potensielt intelligente vesener er mye mindre sannsynlig.
Hvorfor tror jeg bakterielivet er veldig sannsynlig?
Kunins resonnement er basert på eksperimenter på kunstig utvalg av ribozymes-replikaser, som kopierer RNA-molekyler og potensielt kan kopiere seg selv. Alle disse ribozymene er i størrelsesorden 200 nukleotider i lengde, og sannsynligheten for å oppnå dem ved tilfeldig selvsamling er i størrelsesorden 4-200. Imidlertid tok ikke disse eksperimentene hensyn til mange viktige faktorer som for det første kunne sikre replikering ved bruk av kortere og enklere ribozymer, og for det andre, før starten av noen replikasjon, direkte selvsamling mot strukturerte RNAer som var i stand til å fungere som ribozymer. Noen av disse faktorene har allerede blitt navngitt av andre forfattere: Shostaks ikke-enzymatiske replikasjoner, seleksjon for selvprimering i Markovs “verden av palindromer,” valg for UV-motstand, som leder RNA-selvsamling mot hårnålstrukturer foreslått av Mulkidzhanyan). Jeg vil legge til denne listen mineralske underlag og "varmefeller" (smale porer med en temperaturgradient) som gjør RNA-kopiering veldig enkel. Siden vi har et enkelt, selvrepliserende genetisk system, vil darwinsk evolusjon med stor sannsynlighet raskt på sin basis skape en bakteriecelle eller noe lignende - med en cellemembran som opprettholder en konstant saltsammensetning inne i cellen.
Hvorfor tror jeg at utviklingen av liv fra enkle celler til flercellede dyr kan være veldig usannsynlig? Det er to betraktninger her, en mer geologisk, den andre rent biologisk. La oss starte med den første.
I paleontologi er det pålitelig slått fast at utviklingen av organismer er veldig ujevn. Kriser og revolusjoner veksler med perioder med stase, noen ganger veldig lange. Den lengste periode med stasis ble kalt den "kjedelige milliarden" og varte mesteparten av Proterozoic - fra omtrent 2 til 0,8 milliarder år siden. Det ble forutført utseendet av oksygen i atmosfæren, fremveksten av eukaryote celler og den globale Huron-glaciationen, og det endte med den største Sturt-glaciationen i jordens historie, en økning i oksygeninnhold til nesten moderne verdier og utseendet til flercellede dyr. Evolusjonen gikk også relativt langsomt i det arkeiske eonet for mellom 3,5 og 2,5 milliarder år siden, sammenlignet med både den forrige katarkiske eon (tiden for livets oppkomst og det sene meteorittbombardementet) og den påfølgende oksygenrevolusjonen. Årsakene til denne ujevnheten er ikke helt forstått. Det virker personlig som å overbevise meg om at "oksygenrevolusjonen" (den enorme spredningen av oksygenproduserende cyanobakterier) var assosiert med uttømming av reserver av redusert (jernholdig) jern i havvann. Så lenge det var nok jern i havet, trivdes mikrober der ved å bruke enklere og sikrere jernoksiderende fotosyntese. Det er ikke oksygen som frigjøres i det, men forbindelser av jernoksid - magnetitter og hematitter, som ble avsatt på havbunnen i hele Archean. Tilførselen av nytt jern til sjøen (hovedsakelig fra hydrotermiske kilder i bunnen) reduserte etter hvert som den geologiske aktiviteten til planeten avtok, og til slutt tvang ressurskrisen fotosyntetiske mikrober til å bytte til en mer kompleks "teknologi" med oksygenfotosyntese. På samme måte,årsaken til den "kjedelige milliarden" kan være det konstante oksygenforbruket for oksidasjon av forskjellige mineraler på land, som ikke tillater å øke oksygeninnholdet over 1-2%. I proterozoiske marine sedimenter er det mange spor etter oksidasjon på land av sulfidmalmer, på grunn av at elvene bar sulfater, arsen, antimon, kobber, krom, molybden, uran og andre elementer i havet som nesten var fraværende i det arkeiske havet. Den sen proterozoiske krisen med globale isdannelser, en rask økning i oksygeninnhold og fremveksten av flercellede dyr kan ha vært forårsaket av uttømming av lett oksiderte mineraler på land.som elvene bar sulfater, arsen, antimon, kobber, krom, molybden, uran og andre elementer ut i havet som nesten var fraværende i det arkeiske havet. Den sen proterozoiske krisen med globale isdannelser, en rask økning i oksygeninnhold og fremveksten av flercellede dyr kan ha vært forårsaket av uttømming av lett oksiderte mineraler på land.som elvene bar sulfater, arsen, antimon, kobber, krom, molybden, uran og andre elementer ut i havet som nesten var fraværende i det arkeiske havet. Den sen proterozoiske krisen med globale isdannelser, en rask økning i oksygeninnhold og fremveksten av flercellede dyr kan ha vært forårsaket av uttømming av lett oksiderte mineraler på land.
Tidspunktet for begynnelsen av to viktige revolusjoner (oksygenfotosyntese og flercellede dyr) ble antagelig bestemt av balansen mellom biologiske (fotosyntesen) og geologiske (frigjøring av jernholdig jern og andre oksiderbare stoffer med hydrotermiske ventilasjonsåpninger og bakkede vulkaner). Det er godt mulig at på andre planeter kommer disse revolusjonene mye senere. For eksempel vil en mer massiv planet (superjord) miste geologisk aktivitet saktere, slippe jern i havet lenger og kunne forsinke oksygenrevolusjonen med milliarder av år. Planeter i den beboelige sonen for røde dverger vil motta lite synlig lys egnet for fotosyntesen, og deres biosfærer risikerer også å sitte fast i et oksygenfritt stadium. Mengden vann på planeten er også viktig. Hvis hele planeten er dekket av et dypt hav, vil den være mangelfull med fosfor,hovedsakelig fra vulkaner fra land, og hvis det er lite vann, vil havområdet som er tilgjengelig for fotosyntetiske mikrober, også være lite (før utseendet til flercellede planter var produktiviteten til terrestriske økosystemer ubetydelig sammenlignet med havene). Det vil si at det er mange grunner til at biosfæren kan sette seg fast i et oksygenfritt mikrobielt stadium og ikke utvikle seg til dyr. For tiden er utvikling for øvrig begrenset: stjerners lysstyrke øker med tiden, og Jorden om 1,5-2 milliarder år vil uopprettelig varme opp, verdenshavene vil fordampe, og den voksende drivhuseffekten vil gjøre den til den andre Venus. Hos røde dverger vokser lysstyrken saktere, men planetene deres kan bli ubeboelige på grunn av magnetfeltets forsvinning og det påfølgende tapet av vann i verdensrommet, som skjedde på Mars.området til havs som er tilgjengelig for fotosyntetiske mikrober, vil også være lite (før fremkomsten av flercellede planter var produktiviteten til terrestriske økosystemer ubetydelig sammenlignet med havene). Det vil si at det er mange grunner til at biosfæren kan sette seg fast i et oksygenfritt mikrobielt stadium og ikke utvikle seg til dyr. For tiden er utvikling for øvrig begrenset: stjerners lysstyrke øker med tiden, og Jorden om 1,5-2 milliarder år vil uopprettelig varme opp, verdenshavene vil fordampe, og den voksende drivhuseffekten vil gjøre den til den andre Venus. Hos røde dverger vokser lysstyrken saktere, men planetene deres kan bli ubeboelige på grunn av magnetfeltets forsvinning og det påfølgende tapet av vann i verdensrommet, som skjedde på Mars.det havområdet som er tilgjengelig for fotosyntetiske mikrober, vil også være lite (før bruk av flercellede planter var produktiviteten til terrestriske økosystemer ubetydelig sammenlignet med havene). Det vil si at det er mange grunner til at biosfæren kan sette seg fast i et oksygenfritt mikrobielt stadium og ikke utvikle seg til dyr. For tiden er utvikling for øvrig begrenset: stjerners lysstyrke øker med tiden, og Jorden om 1,5-2 milliarder år vil uopprettelig varme opp, verdenshavene vil fordampe, og den voksende drivhuseffekten vil gjøre den til den andre Venus. Hos røde dverger vokser lysstyrken saktere, men planetene deres kan bli ubeboelige på grunn av magnetfeltets forsvinning og det påfølgende tapet av vann i verdensrommet, som skjedde på Mars.tilgjengelig for fotosyntetiske mikrober (før utseendet til flercellede planter var produktiviteten til terrestriske økosystemer ubetydelig sammenlignet med havene). Det vil si at det er mange grunner til at biosfæren kan sette seg fast i et oksygenfritt mikrobielt stadium og ikke utvikle seg til dyr. For tiden er utvikling for øvrig begrenset: stjerners lysstyrke øker med tiden, og Jorden om 1,5-2 milliarder år vil uopprettelig varme opp, verdenshavene vil fordampe, og den voksende drivhuseffekten vil gjøre den til den andre Venus. Hos røde dverger vokser lysstyrken saktere, men planetene deres kan bli ubeboelige på grunn av magnetfeltets forsvinning og det påfølgende tapet av vann i verdensrommet, som skjedde på Mars.tilgjengelig for fotosyntetiske mikrober (før utseendet til flercellede planter var produktiviteten til terrestriske økosystemer ubetydelig sammenlignet med havene). Det vil si at det er mange grunner til at biosfæren kan sette seg fast i et oksygenfritt mikrobielt stadium og ikke utvikle seg til dyr. For tiden er utvikling for øvrig begrenset: stjerners lysstyrke øker med tiden, og Jorden om 1,5-2 milliarder år vil uopprettelig varme opp, verdenshavene vil fordampe, og den voksende drivhuseffekten vil gjøre den til den andre Venus. Hos røde dverger vokser lysstyrken saktere, men planetene deres kan bli ubeboelige på grunn av magnetfeltets forsvinning og det påfølgende tapet av vann i verdensrommet, som skjedde på Mars. For tiden er utvikling for øvrig begrenset: stjerners lysstyrke øker med tiden, og Jorden om 1,5-2 milliarder år vil uopprettelig varme opp, verdenshavene vil fordampe, og den voksende drivhuseffekten vil gjøre den til den andre Venus. Hos røde dverger vokser lysstyrken saktere, men planetene deres kan bli ubeboelige på grunn av magnetfeltets forsvinning og det påfølgende tapet av vann i verdensrommet, som skjedde på Mars. For tiden er utvikling for øvrig begrenset: stjerners lysstyrke vokser med tiden, og Jorden om 1,5-2 milliarder år vil begynne å varme opp irreversibelt, verdenshavene vil fordampe, og den voksende drivhuseffekten vil gjøre den til den andre Venus. Hos røde dverger vokser lysstyrken saktere, men planetene deres kan bli ubeboelige på grunn av magnetfeltets forsvinning og det påfølgende tapet av vann i verdensrommet, som skjedde på Mars.
Den andre betraktningen vedrører fremveksten av eukaryoter - celler med en kjerne. Eukaryote celler er mye større og mer komplekse enn bakterier og archaea og dukket opp senere, mest sannsynlig under "oksygenrevolusjonen". Den eukaryote cellen dukket opp som en chimera fra en archaeal celle, en symbiotiske bakterier som slo seg ned i den og muligens et virus som infiserte dem (eller til og med mer enn en). Strukturen til genomet til eukaryoter viser entydig at deres tidlige utvikling ikke skjedde på grunn av naturlig seleksjon, men i mange henseender til tross. I små populasjoner er seleksjonen ikke særlig effektiv, og litt skadelige egenskaper kan forankres på grunn av gendrift og andre rent tilfeldige prosesser. Dette er detaljert i det tilsvarende kapittelet i Kunins Logic of Chance og antyderat fremveksten av eukaryoter kan være svært usannsynlig selv i et passende miljø (bakteriell biosfære som kommer inn i oksygenrevolusjonen). I det minste er tilfeller av intracellulær symbiose mellom bakterier og archaea praktisk talt ukjent - selv om bakterier legger seg lett inne i eukaryote celler.
Oppsummering: Jeg tror at kombinasjonen av de beskrevne faktorene bør føre til det faktum at i vår Galaxy vil det være millioner av planeter med bakterieliv og mye mindre (muligens bare noen få) - med livet til et eukaryotisk og flercellert kompleksitetsnivå.
Boris Stterns postscript
Noen få ord for å avslutte diskusjonen. Det er ganske mulig at Evgeny Kunin i stor grad undervurderte sannsynligheten for livets opprinnelse under passende forhold. Og allikevel, denne vurderingen må tas på alvor. Hvis han tok feil av 900 størrelsesordrer, endrer det ikke noe: vi er alle de samme helt alene innenfor horisonten til universet, hvor det bare er rundt 1020-1021 egnede planeter. Selv om resten av deltakerne i diskusjonen har rett og alle slags triks av naturen som ikke-enzymatisk replikasjon kan gjøre livets opprinnelse mer eller mindre sannsynlig, vil det være et veldig primitivt liv, i det overveldende flertallet av tilfeller, ikke i stand til å hoppe til et høyere utviklingsnivå. To paneldeltakere skrev om dette i svart-hvitt. Det er hele Fermi-paradokset.
Derfor følger minst to viktige organisatoriske konklusjoner. For det første: Utviklet liv er det sjeldneste og mest verdifulle fenomenet i universet. Se derfor det siste avsnittet i Armen Mulkidzhanyans merknad: menneskeheten har et edelt totalmål - spredningen av dette fenomenet. Vi vil snakke separat om mulighetene og metodene for å nå dette målet.
Den andre organisatoriske konklusjonen: ødeleggelsen av dette livet vil være et uopprettelig tap av en galaktisk eller til og med kosmologisk skala. Dette bør tas i betraktning i deres egen vurdering av "hauker" og politikere som er klare til å ty til kjerneompressing for å blåse opp sin egen "storhet." Det samme gjelder en sivilisasjon med uhemmet forbruk.
Forfattere: Boris Stern, Alexander Markov, Armen Mulkidzhanyan, Evgeny Kunin, Mikhail Nikitin
