"«Если», 1993 № 09" - читать интересную книгу автора (Желязны Роджер, Силкин Борис, Старджон...)

Лев Гиндилис, физико-математических наук ЖИЗНЬ В КОСМОСЕ

Нам известна лишь одна форма жизни — существующая на Земле. Она проявляется в богатом многообразии самых различных видов. Но все они — от простейших бактерий до человека — построены на одной основе. Все состоят из одних и тех же органических соединений, используют в качестве внутренней среды (растворителя) одно и то же вещество — воду, имеют одинаковый генетический код. Означает ли это, что в Космосе мы непременно должны столкнуться стой же формой жизни? Особенности земной жизни определяются условиями ее возникновения и развития. Но условия в Космосе весьма разнообразны. Значит, можно ожидать, что и жизнь в Космосе проявляется в самых разнообразных формах.

В фантастике и научно-популярной литературе можно встретить две крайние точки зрения. Согласно одной из них, разумные существа на любой планете должны быть непременно похожи на человека. Согласно другой точке зрения. Природа допускает полный произвол в создании жизни. Истина, по-видимому, находится где-то посередине: общие основы построения жизни проявляются в неисчислимом многообразии форм. «Со всех точек зрения формы и условия жизни на дальних мирах, — пишет алтайский мыслитель Николай Александрович Уранов. — должны отличаться от земных, иначе смысл эволюции был бы нарушен. Но в то же время основы жизни на. всех мирах едины. Людям особенно трудно сочетать единство и многообразие».

Вопрос о возможных формах жизни в Космосе имеет две стороны: физические основы и химические формы жизни. На Земле жизнь построена на молекулярной основе. Можно думать, что и за ее пределами, по крайней мере, определенный тип внеземной жизни также имеет молекулярную природу. При этом химический состав и строение молекул, лежащих в основе чужой жизни, вообще говоря, может отличаться от земных. Таким образом, можно говорить о различных формах молекулярной жизни, о различной химии жизни.

Живые существа на Земле на 95 % состоят из водорода, кислорода, углерода и азота. Но это (не считая гелия) как раз самые распространенные элементы во Вселенной. Любопытно, что по своему химическому составу живое вещество на Земле больше напоминает состав звезд и межзвездной среды, чем планеты, на которой мы живем. Учитывая распространенность упомянутых химических элементов, можно предположить, что они входят и в состав внеземных организмов. Если это так, то именно углерод составит основу внеземной жизни. Благодаря своим химическим свойствам (наличию четырех сильных ковалентных связей), углерод способен образовывать длинные молекулярные цепи, создавая практически неисчислимое множество сложных и вместе с тем стабильных молекул. Более того, поскольку ковалентные связи имеют пространственную ориентацию, углеродные цепи формируются в гигантские трехмерные структуры, которые характерны для активной формы жизненно важных молекул. Атомы углерода образуют «несущий каркас» этих пространственных конструкций.

В пользу заключения о распространенности «углеродной жизни» говорит и обилие органических соединений в межзвездной среде, в том числе достаточно сложных. Можно думать, что в определенных условиях, на определенном этапе в Космосе действительно возникает жизнь, основанная на углеродных соединениях. Но, конечно, это не означает, что живая материя всюду состоит из точно таких же молекул, как и на Земле. Прежде всего для построения внеземных белков могут использоваться другие аминокислоты, отличные от тех двадцати, которые входят в состав земных организмов. Генетические системы внеземной жизни также не обязательно должны быть химически идентичны нашим. Возможно, что в состав внеземных организмов не входят известные нам белки, ДНК и РНК. Но в таком случае там должны быть молекулы, выполняющие аналогичные функции.

Следующий вопрос связан с природой растворителя. На Земле это вода, что сразу определяет температурный режим жизни: от 0 до 100 градусов Цельсия при нормальном давлении. Возможны ли другие типы растворителя? Надо сказать, что вода — это уникальное вещество, обладающее очень ценными свойствами. Прежде всего она прекрасно растворяет разнообразные органические соединения. Вода обладает высокой теплоемкостью и высокой теплотой парообразования. Это позволяет, с одной стороны, сглаживать резкие изменения внешней температуры окружающей среды, а с другой — регулировать внутреннюю температуру организма путем отвода тепла, выделяемого внутри клетки, за счет испарения. Имеет значение и высокое поверхностное натяжение воды: в живой клетке оно способствует концентрации твердых веществ вблизи мембраны. Этим уникальные свойства воды не исчерпываются. Тем не менее она не является единственно возможным растворителем.

Хорошо растворяет органические вещества аммиак, который и по другим свойствам приближается к воде. Но растворимые в аммиаке органические соединения отличаются по составу от привычных нам водно-углеродных. Чтобы установить соответствие между ними, надо заменить в обычных органических соединениях кислород на аминовую группу NH, а гидроксильную группу заменить на амин NH₂. Таким образом можно построить аналоги обычных аминокислот и состоящих из них белковых соединений. Так могут быть получены и аналоги ДНК и РНК с их кодом наследственности.

Если подобные организмы существуют, то они пьют аммиак и дышат азотом. При нормальном давлении аммиак находится в жидком состоянии в интервале температур от -70 до -33 градусов. Стало быть, аммиачная жизнь возможна только при низкой температуре. В Солнечной системе подобные условия существуют в атмосферах планет-гигантов, где имеется и достаточное количество аммиака. Хотя сейчас нет никаких научных данных о существовании аммиачной жизни, принципиально такая возможность не исключена.

Из других растворителей рассматривались метиловый спирт, фтористоводородная кислота и цианистый водород. Впрочем, большинство исследователей приходят в выводу, что это маловероятно, хотя и возможно.

До сих пор речь шла о различных формах углеродной жизни. Но нельзя ли еще больше расширить ее возможности и диапазон условий существования за счет перехода к неуглеродным формам? Существуют ли другие элементы, способные, как и углерод, служить каркасом внеземной жизни? Ближайший к углероду четырехвалентный элемент — кремний. В периодической системе элементов Менделеева он расположен в одной группе с углеродом, непосредственно под ним. Распространенность кремния во Вселенной меньше, чем углерода, но все же она достаточно высока. Но можно ли на основе кремния построить длинные молекулярные цепи? Связь между атомами кремния примерно вдвое слабее, чем между атомами углерода. Но главное в том. что связь кремний-кремний много слабее связи кремний-кислород или кремний-водород. Поэтому длинные цепочки, основанные на структуре — Si — Si — Si — создать сложно.

Однако эта трудность не является непреодолимой. Оказалось, что можно создать кремниевые полимеры на основе кремний-кислородных связей: — Si — О — Si — О — Такие полимеры стабильны и могли бы послужить основой «кремнийорганической» жизни.

На поверхности планет жизнь на основе кремния невозможна — этот элемент при темпертуре до 1000 градусов Кельвина чрезвычайно активно соединяется с кислородом «предпочитая» ему все другие. Остаются условия высоких температур, которые существуют в атмосферах звезд или в недрах планет (может быть, не так уж неправы были те ученые; которые допускали возможность существования жизни на Солнце). Конечно, с нашей точки зрения, это совершенно экзотические формы жизни.

Большинство специалистов все же скептически относятся к возможности существования жизни на кремниевой основе, полагая, что жизнь может быть построена только на основе углеродных соединений. Выступая на советско-американской конференции SETI в 1971 году, К.Саган назвал эту точку зрения «углеродным шовинизмом». «Основанием» для такой позиции, по мнению Сагана, служит лишь то. что ее приверженцы сами состоят из углерода. Саган призвал к свободному от антропоморфизма непредубежденному обсуждению проблемы. Надо признать, что психологически это довольно трудно, ибо мы склонны абсолютизировать известные нам вещи. Имеющиеся на сегодня данные позволяют заключить, что водно-углеродная жизнь, к который мы принадлежим, по-видимому, является достаточно типичной и должна возникать при условиях, близких к тем, которые были на первобытной Земле. В других условиях возможны иные формы углеродной жизни, с иными веществами в качестве растворителей. И, наконец, нельзя исключить вероятность существования неуглеродной жизни, хотя бесконечного разнообразия возможностей здесь, по-видимому, нет. Впрочем, и в рамках углеродной жизни можно встретиться с совершенно необычными формами. На одну такую возможность, связанную со сверхпроводимостью, указал ВЛ.Гинзбург. Высокотемпературная сверхпроводимость наиболее легко достигается для слоистых и нитевидных соединений. Но именно такие структуры и лежат в основании живых систем. Поэтому можно допустить, что на каких-то других планетах в состав живых организмов входят сверхпроводящие вещества, созданные в процессе эволюции. Можно представить, какими необычайными свойствами обладала бы такая жизнь!

Обратимся теперь к физическим основам жизни. Является ли молекулярная основа единственной возможностью? Известный английский астрофизик Ф.Хойл в своем замечательном романе «Черное Облако» описал смешанный тип жизни, в котором используются как химические, так и электромагнитные процессы. Несомненно, Хойл использовал форму фантастического произведения, чтобы выразить свои мысли о возможных формах внеземной жизни. В романе много остроумных и поучительных соображений. Отметим, что такие гипотетические системы позволяют преодолеть так называемый «планетный шовинизм» в представлениях о внеземной жизни, то есть убеждение, что жизнь во Вселенной может развиваться только на планетах. Одновременно преодолевается и стереотип жизни, для которой необходима жидкая внутренняя среда.

Химические процессы основаны на электромагнитных взаимодействиях. С этой точки зрения системы типа Черного Облака, как и чисто химические системы, относятся к одному и тому же типу взаимодействий. Более радикальные отличия связаны с переходом к типам жизни, основанным на других видах взаимодействий: сильных и гравитационных. Разумеется, все соображения в этой области относятся к чисто умозрительной сфере, но они представляют интерес, так как позволяют очертить круг проблем, с которыми мы можем встретиться при изучении внеземной жизни.

Идея о возможности существования жизни на уровне элементарных частиц была высказана американским физиком Дж. Коккони — одним из тех ученых, кто стоял у истоков проблемы SETI. Оценивая ее, академик В.Л.Гинзбург отмечал: «Вряд ли такую идею можно счесть абсурдной, поскольку известно около двух сотен сортов таких частиц. Это значительно больше, чем основных «кирпичиков», из которых построено обычное вещество. Поэтому в принципе не исключена возможность появления или создания достаточно сложной и даже «живой» системы из элементарных частиц. Разумеется, это пока лишь чистая спекуляция, фантазия, но не лженаука».

В каких условиях может возникнуть подобная форма жизни? Известный американский радиоастроном Ф.Дрейк, впервые осуществивший поиск радиосигналов от внеземных цивилизаций, отметил, что подходящим местом могли бы быть внешние слои нейтронной звезды. В 1975 году французский астрофизик Ж.Шнейдер проанализировал возможность «ядерной жизни» на нейтронных звездах. Этот вопрос обсуждается также в книге Д.Голдсмита и Т.Оуэна «Поиски жизни во Вселенной».

Температура на поверхности нейтронной звезды составляет 10⁶ градусов по Кельвину, а сила тяжести в 10¹² раз превышает силу тяжести на поверхности Земли. При таких условиях не может существовать ни одна молекула, ни один атом. Это мир элементарных частиц, которые мчатся со скоростями порядка 1000 км/сек, сталкиваясь и взаимодействуя друг с другом. При таких взаимодействиях могут возникать ядра, насчитывающие десятки тысяч элементарных частиц, которые по сложности можно рассматривать как аналоги живой клетки или, по крайней мере, макромолекул, лежащих в основании химической жизни. Время жизни подобных ядер порядка 10^-1Sсекунды. По земным меркам, это время ничтожно мало, но надо иметь в виду, что временной масштаб ядерной жизни совершенно несоизмерим с нашим. В основе земной жизни лежат химические реакции, характерная длительность которых составляет порядка 10^-3 секунд. Характерное время элементарных процессов «ядерной жизни» 10^-21 секунды. Отношение характерных времен составляет 10^-18.Это и есть тот масштабно-временной фактор, который отличает процессы «ядерной жизни» от нашей молекулярной. Таким образом, времени существования «живых ядер» 10^-15 секунды соответствует 10³ сек для молекулярной жизни. А это как раз равно по порядку величины минимальной длительности поколений для земных организмов. Далее, длительность биологической эволюции на Земле составляет 10¹⁷ секунд, соответствующее время эволюции «ядерной жизни» 10^-1 секунд. Аналогично если принять характерное время жизни земной цивилизации 10⁴ лет, то соответствующее время для цивилизации на нейтронной звезде составит 3 -10¹⁷ секунд.

Если мы хотим установить контакт с подобной цивилизацией, мы должны быть готовы зарегистрировать некий (возможно, очень большой) объем информации в течение ничтожных долей наносекунды. Справившись с этой задачей, люди спокойно смогут расшифровывать полученную информацию в привычном темпе, но никогда не смогут ответить, даже в том случае, если бы сами находились на поверхности нейтронной звезды, ибо прежде чем нами был бы осознан первый бит полученной информации, эфемерная цивилизация, пославшая ее, перестала бы существовать.

«Ядерная жизнь» основана на сильных взаимодействиях между элементарными частицами, образующими «живое ядро». Другой крайний, с нашей точки зрения, случай могла бы представлять жизнь, основанная на гравитационном взаимодействии. Возможно ли это? Чтобы сила гравитации преобладала над сильным и электромагнитным взаимодействиями, характерная структурная единица «гравитационной жизни» должна быть сопоставима с размерами звезд. Если это так, если отдельные звезды в системах «гравитационной жизни» играют такую же роль, как атомы и молекулы в химической жизни, то аналогом живой клетки могли бы быть галактики. Но, поскольку характерное время взаимодействия между звездами в галактиках (многие миллионы лет) очень велико по сравнению с длительностью химических реакций, то миллиарды лет существования галактик во временном масштабе «гравитационной жизни» соответствуют лишь первым секундам эволюции нашей химической жизни. Значит, гравитационная жизнь — если о ней вообще можно говорить — еще не успела возникнуть.

Пытаясь размышлять о «ядерной» или «гравитационной» жизни, мы испытываем большие психологические затруднения в виду необычности самих форм жизни и совершенно непривычных для нас пространственно-временных рамок. И все же, хотя это с трудом поддается нашему воображению, логически исключить вероятность существования такой жизни нельзя. Наши представления о ней неизбежно грубы, заведомо не совсем правильны, но, думая в этом направлении, мы подготавливаем наше сознание к принятию существующей Реальности во всем ее многообразии.

Впрочем, обязательно ли нехимические формы жизни должны быть ядерными» или «гравитационными»? Ведь в беспредельном Космосе, неисчерпаемом как вширь, так и вглубь — возможно, в иных пространственных измерениях, — могут существовать неизвестные нам более тонкие виды материи, подчиняющиеся другим закономерностям, другим типам взаимодействий. С ними могут быть связаны какие-то неведомые нам формы жизни. Недавно академик В.П.Казначеев выдвинул гипотезу о сосуществовании на Земле двух форм жизни: белково-нуклеиновой и «полевой» (энерго-информационной). Основываясь на экспериментах по передаче информации от клетки к клетке, проведенных в Институте клинической и экспериментальной медицины Сибирского отделения РАМН, Казначеев пришел к выводу, что земные существа представляют собой симбиоз различных форм живого «вещества» (живой материи), включая «полевые» формы, причем белково-нуклеиновые тела клеток являются только «носителями» информационных полей, которые простираются безгранично. Не является ли в таком случае «полевая» форма внутренней сущностью белково-нуклеиновой жизни, той внутренней стороной жизни, о которой говорил Тейяр де Шарден? Казначеев ничего не говорит о природе «полевой» составляющей, но, судя по всему, она не сводится к известным физическим полям. Отметим, что, согласно Казначееву, «полевая» жизнь существует в Космосе изначально, вечно перерабатывая потоки энергии, создавая те или иные материальные структуры. Можно принять такую концепцию, если допустить, что «полевая» составляющая жизни принадлежит более тонким мирам, находящимся «за пределами» физического вакуума, и потому может свободно проходить через сверхплотное сингулярное состояние вселенных, рождающихся из вакуумной пены. Это могло бы обеспечить передачу информации от одного цикла Вселенной к другому, включая программу развития нового цикла со всем богатством развивающихся в нем форм жизни и разума.

К представлениям о «полевой» жизни тесно примыкают идеи К.Э. Циолковского о существовании «тонких» форм жизни, «неизвестных разумных сил», построенных на основе «несравненно более разреженной материи». Циолковский считал, что в перспективе изменится и физическая основа человечества, которое из «вещественного» превратится в «лучистое».

Гипотеза о полевой форме жизни позволяет по-иному взглянуть на теорию панспермии (переноса жизни). Жизнь, как отмечает автор книги «Исповедимый путь» А.В.Мартынов, могла быть привнесена на Землю не в виде спор и бактерий, а в форме постоянно действующих во Вселенной «биологических» энерго-информационных полей, под действием которых формируются биологические макромолекулы и состоящие из них живые системы.

Но если жизнь адаптируется к самым разнообразным условиям на планетах, то почему она не может приспособиться к условиям межпланетной или даже межзвездной среды?

Фримен Дайсон, один из крупнейших современных физиков-теоретиков, вполне допускает такую возможность. Более того, он считает, что межзвездная среда создает даже лучшие условия для жизни. Эти идеи Дайсон развивает в статье «Будущее воли и будущее судьбы».

Чтобы адаптироваться к жизни в космическом пространстве, утверждает Дайсон, живые организмы должны приспособиться к существованию при трех нулях: нулевой гравитации, нулевой температуре и нулевом давлении. Дайсон считает, что это вполне возможно. Более того, он полагает, что, в связи с успехами генной инженерии, можно подумать о соответствующей «переделке» земных существ так, чтобы они могли выжить в космическом пространстве. Что касается вопроса о том, каким образом могут быть устроены подобные организмы, Дайсон ссылается на работу К.Э.Циолковского «Грезы о земле и небе». В ней описаны гипотетические разумные существа, представляющие собой симбиоз растительных и животных организмов, которые обитают в межпланетном пространстве.

Дайсон развил теорию жизни во Вселенной (космическую экологию, как он ее называет). В количественной форме, с уравнениями и численными оценками, она опубликована в журнале «Review of Modern Physics», основные идеи ее изложены в упомянутой статье «Будущее воли и будущее судьбы». Дайсон исходит из двух гипотез: гипотезы абстрактности и гипотезы адаптивности, которые в его теории играют ту же роль, что первое и второе начало в термодинамике. Первая утверждает, что сущность жизни связана с организацией, а не с субстанцией. Поэтому конкретная субстанция жизни (водно-углеродная жизнь или иная) имеет второстепенное, частное значение. Можно представить себе, например, жизнь, независимую от плоти и крови и воплощенную в системах сверхпроводящих контуров или в системах межзвездных пылевых облаков. Гипотеза адаптивности утверждает, что при наличии достаточного времени жизнь может приспособиться к любой окружающей среде. Это принимается в качестве постулатов. Главная теорема космической экологии Дайсона гласит, что скорость метаболизма в живом организме и, следовательно, расход энергии изменяется пропорционально квадрату температуры окружающей среды. Отсюда следует, что более холодная среда благоприятнее для жизни, чем горячая. Это связано с тем, что жизнь в конечном итоге есть упорядоченная форма вещества, а низкая температура способствует упорядоченности. Поскольку жизнь связана с функционированием управляющих систем, она зависит не столько от количества получаемой энергии, сколько от выделения полезной информации, то есть от отношения сигнал/шум. Чем холоднее среда, тем ниже уровень шума, тем экономнее жизнь расходует свою энергию. В этом смысле межзвездная среда наиболее благоприятна для жизни.

В расширяющейся Вселенной температура окружающей среды непрерывно падает, и, соответственно, пропорционально Т² уменьшается скорость энергетического обмена. При этом условия для упорядоченности будут улучшаться. Конечно, по мере падения температуры, пульс жизни будет биться все медленнее, но он никогда не остановится. Не означает ли замедление пульса постепенного прекращения жизни?

«Конечно, с нашей сегодняшней точки зрения, — пишет один из ведущих российских космологов И.Д.НО- виков, — все процессы в будущем будут чрезвычайно замедленны. Но это с нашей точки зрения! Ведь и пространственные масштабы тогда будут несравненно грандиознее современных». Напомнив, что в самом начале расширения во Вселенной текли бурные реакции, продолжительность ко

Дайсон обращает внимание на то, что развитие Вселенной с момента ее зарождения выглядит как непрерывная последовательность нарушения симметрии. В момент возникновения в грандиозном взрыве Вселенная абсолютно симметрична и однородна, но по мере остывания в ней нарушается одна симметрия за другой, и возникает все большее и большее разнообразие структур. Феномен жизни естественно вписывается в эту картину, ибо жизнь — это тоже нарушение симметрии. Нарушение симметрии приводит к росту многообразия. Развитие самой жизни сопровождается дальнейшей дифференциацией и ростом многообразия. «Я думаю, — пишет Дайсон, — и нашей Вселенной, и жизни присуще то, что процесс увеличения многообразия не имеет конца».

Но это справедливо лишь для так называемой открытой модели Все- ленной. Если средняя плотность вещества во Вселенной больше критической, то расширение на определенном этапе сменяется сжатием. На смену дифференциации приходит процесс интеграции, возвращение утраченной симметрии. Когда Вселенная сожмется в сингулярное состояние, она вновь обретет абсолютную симметрию и однородность. Никакие упорядоченные физические структуры в таком состоянии невозможны. Это будет означать огненную смерть для любой формы жизни, построенной из физической материи. И лишь более тонкие формы, лежащие «за пределами» физического вакуума, смогут пережить эту катастрофу, аккумулируя накопленный опыт для нового цикла манифестации Вселенной.