Кто такие углеродные шовинисты и может ли существовать Пандора из «Аватара»
Профессора физики и астрономии Джеймс Трефил и Майкл Саммерс в очередной раз пытаются ответить на вопрос: «Одиноки ли мы во Вселенной?». Хотя нам сейчас известна единственная форма жизни — та, которая существует на Земле, мы не знаем, было ли ее появление закономерным или является статистическим исключением и ошибкой природы, отмечают они.
В книге «Воображаемая жизнь. Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных» (выходит в апреле в издательстве «Бомбора») они исследуют разные возможные варианты инопланетной жизни — похожей на нашу, непохожей на нашу и абсолютно непохожей вообще ни на что, что мы можем себе представить. Ученые, опираясь на современные научные данные, рассматривают вероятность существования жизни на планете, полностью покрытой водой, на планете со сверхнизкими температурами и повышенной силой тяжести, на планете, постоянно повернутой одной своей стороной к звезде, или даже на планете, вообще лишенной собственной звезды.
Они с разумной долей фантастических допущений описывают, при каких условиях там могла бы появиться жизнь и какие формы жизни могли бы возникнуть на множестве экзопланет, которых с каждым днем обнаруживается все больше и больше. Forbes публикует отрывок из книги.
Жизнь совсем не как у нас
Поверхность этой планеты абсолютно твердая — возможно, цельнометаллическая. Сенсоры вашего дельта-флаера говорят вам, что температура за бортом всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Еще они сообщают, что эта металлическая поверхность обладает сверхпроводимостью. Протекающие через нее токи порождают магнитные поля, которые, в свою очередь, создают токи, а те снова порождают магнитные поля, и так далее — образуя структуры невероятной сложности. Крохотные кусочки сверхпроводящего вещества носятся вокруг, следуя невидимым линиям сложно переплетенных полей. Вы глядите на эту картину из иллюминатора вашей кабины, и вам приходит странная мысль: а вдруг все это живое?
Что бы мы ни рассчитывали найти, отправившись в путешествие по Галактике, мы все равно будем поражены тем, что нам в действительности откроется. К примеру, мы, как углеродные шовинисты, полагаем, что жизнь должна быть основана на химии углеродосодержащих молекул. Никто из нас, тем не менее, не рискнет со 100%-ной вероятностью утверждать, что этот тип жизни — единственный возможный во Вселенной. Аналогично мы как химические шовинисты убеждены, что, если мы даже и встретимся с не основанной на углероде жизнью, она все равно будет существовать за счет химических реакций между молекулами. И все же, исходя из того тезиса, что Вселенная всегда найдет, чем нас удивить, мы не исключаем возможности наткнуться на что-то, что мы однозначно признаем живым, но что в то же время не будет задействовать в процессе своего существования никакие химические реакции. Вот это и будет тем, что мы называем «жизнью, совсем непохожей на нашу», — и курсив здесь совершенно уместен.
Рассуждая на эту тему, мы неизбежно приходим к поискам ответа на главный вопрос: что именно мы называем жизнью? Две из опций — определение через список свойств и определение в терминах естественного отбора — отчетливо геоцентричны и, вероятно, ничем нам не помогут при поисках жизни совершенно не такой, как наша. Поэтому нам придется начать с термодинамического определения. Если вы помните, оно сводится к тому, что существование живых систем поддерживается притоком энергии извне для сохранения высокоорганизованного состояния, далекого от термодинамического равновесия. Мы можем выделить два варианта возможного развития жизни, совершенно непохожей на нашу. Согласно одному из них, системы, живые в термодинамическом смысле, будут созданы самими законами природы. В другом же варианте разумная жизнь — вероятно, основанная на углероде — возникает естественным путем, а затем создает машины, которые развиваются до такой степени, что мы могли бы счесть их живыми. Как мы вскоре поймем, этот вариант развития событий приводит нас к одной из самых глубоких и острых проблем в современной философии.
Отметим, наконец, что как научная фантастика, так и абстрактное научно-философское теоретизирование полнятся теориями о возможности существования странных и чудесных форм жизни. Этих гипотез слишком много, чтобы их можно было кратко описать. Принеся наши извинения тем, чьи идеи нам пришлось оставить без рассмотрения, мы обсудим несколько наиболее более правдоподобных сценариев развития и существования жизни, совершенно непохожей на нашу.
Неорганическая жизнь
Начнем с терминологии. В повседневном языке под словом «органический» мы понимаем пищевые продукты, выращенные без применения химикатов. Химики называют этим термином определенные виды молекул: согласно общепринятому, хотя и далеко не единственному определению, органическая молекула содержит углерод и водород, независимо от того, входит ли эта молекула в состав живого организма. Например, молекула метана (природного газа) состоит из одного атома углерода и четырех — водорода. Согласно нашему определению, эта молекула является органической, хотя она может возникнуть и в ходе процессов, не имеющих никакого отношения к живым системам. Соответственно, термин неорганическая жизнь будет относиться к любой живой системе, не основанной на содержащих углерод молекулах. Например, когда в предыдущей главе мы говорили о жизни на основе кремния, это и была неорганическая жизнь.
Здесь следует сказать, что изучение неорганической жизни, в лабораторных ли условиях или путем компьютерного моделирования, сейчас не относится к числу главных направлений научных исследований. Им занимаются лишь в относительно небольшом числе научно-исследовательских институтов мира. Ниже мы опишем некоторые из наиболее интересных гипотез, выдвинутых в этой области, и пофантазируем о тех, что могли бы появиться в будущем. Подчеркнем: никому пока не удалось создать ни одного неорганического объекта, который хоть в какой-то степени можно было бы характеризовать как живой. В лучшем случае кандидаты в образцы «жизни, совершенно непохожей на нашу», обладают несколькими отдельными свойствами, обычно характерными для живых систем. Но ни один из этих объектов не проходит простого теста, основанного на принципе «узнаю, когда вижу».
Сначала мы расскажем о некоторых лабораторных экспериментах, в которых предполагается возможность создания металлических (т.е. неорганических) аналогов клетки. Эти эксперименты построены на химических реакциях, но реакциях настолько отличных от всего, что мы обычно соотносим с жизнью, что они, безусловно, заслуживают характеристики «совершенно непохожих на нас». Затем обратимся к компьютерным симуляциям, в которых моделируются еще более странные формы жизни, порождаемые электромагнитными взаимодействиями, а после этого поделимся некоторыми собственными соображениями на тему гипотетической электромагнитной жизни. И, наконец, рассмотрим идею, целиком принадлежащую к области научной фантастики: что «живой» может быть целая планета. Рассмотрев все эти варианты, мы перейдем ко второму набору сценариев, упомянутому нами выше: жизни, созданной высокоразвитым разумом.
Химик Ли Кронин и его коллеги из Университета Глазго провели серию экспериментов, целью которых было выяснить, могла бы жизнь на основе металлов развиться путем, аналогичным развитию углеродной жизни на Земле, или нет. Одной из поставленных исследователями задач были поиски неорганических процессов, создающих эквивалент клеточной мембраны — структуры, отделяющей живое от неживого. Используя так называемые полиоксометалаты — сложные молекулы, состоящие из сотен атомов, группирующихся вокруг таких металлов, как вольфрам, ванадий или молибден, — и стандартные химические методы, Кронин получил полые металлические пузыри или оболочки, способные служить клеточными мембранами. Меняя параметры эксперимента, в этих оболочках удалось даже создать проходы, аналогичные каналам, по которым химические соединения поступают в живые клетки и покидают их. Кронин назвал созданные им структуры неорганическими химическими клетками (iCHELL).
Одной из целей Кронина была разработка металлической версии естественного отбора. Это могло бы работать так: клетка iCHELL наполнялась бы некими большими и малыми молекулами, и большие строили бы из малых молекулярные структуры. Тогда металлическим эквивалентом естественного отбора стала бы конкуренция между большими молекулами за обладание малыми. «Успешные» молекулы, заключенные в металлической клетке iCHELL, были бы, таким образом, аналогами первых основанных на углероде живых клеток на Земле. Это очень амбициозный проект, и Кронин, конечно, обладает достаточной научной квалификацией, чтобы довести его до успешного результата. Авторам, однако, кажется, что прежде, чем предаваться абстрактным рассуждениям о том, как подобный процесс мог бы происходить на какой-нибудь экзопланете, разумно было бы подождать дальнейших результатов этих исследований.
Клетки iCHELL и весь подход Кронина к созданию объектов, которые в каком-то смысле можно было бы назвать «живыми», основан на экзотическом, но все-таки виде химических реакций. Тем временем другие ученые в своих поисках «жизни совсем не как у нас» отказались от химии полностью. Например, в 2009 году международная группа теоретиков во главе с физиком В.Н. Цытовичем из Российской академии наук построила компьютерную модель, из которой можно сделать интересные выводы о природе жизни. Начали они с рассмотрения облака пылевых частиц, погруженного в плазму. Напомним определение: плазма — это газ, в котором из оболочек части атомов вырван один или больше электронов. В результате в таком газе содержатся положительные ионы и свободные электроны. Обычный путь образования плазмы в природе — рост температуры газа; при этом столкновения между атомами становятся гораздо более интенсивными и в результате высвобождаются все слабо связанные с ядрами электроны. Во Вселенной плазма — довольно обычная вещь; например, Солнце почти полностью состоит из нее. Создать ее тоже несложно: вы делаете это каждый раз, когда включаете лампу дневного света. Таким образом, среду, моделируемую компьютером, нельзя назвать слишком уж экзотической. В плазме, смешанной с пылью, часть электронов прикрепляется к пылевым частицам и образует так же свободно движущиеся отрицательно заряженные частицы.
Что же выяснили теоретики? Оказалось, что при определенных условиях электрические и магнитные силы в системе «плазма-пыль» собирают пыль в то, что можно описать как микроскопические «штопоры». Эти образования тоже обладают электрическим зарядом и могут, например, расти и расщепляться на два «штопора», каждый из которых представляет собой копию исходного. Мы можем при желании назвать этот процесс процессом воспроизводства. К тому же некоторые «штопоры» устойчивее других, и это приводит в некотором смысле к «выживанию сильнейшего» — в чем-то это похоже на естественный отбор. Таким образом, мы можем сказать, что самоорганизующиеся пылевые зерна в плазменной среде демонстрируют некоторые черты поведения, которое мы привыкли считать свойственными в первую очередь живыми системам. К тому же они удовлетворяют нашему термодинамическому определению жизни, так как поддержание высокой температуры плазмы требует энергии, а «штопоры» явно далеки от равновесия. С другой стороны, мы должны подчеркнуть, что пока все эти особенности поведения частиц существуют только в рамках компьютерной модели и не были пока ни воспроизведены в лаборатории, ни обнаружены в природе. Такую форму жизни, может быть, и можно себе представить теоретически, но прежде, чем задаваться вопросом, можно ли подобное пылевое облако считать живым, нам не помешало бы увидеть какие-то реальные проявления его особенностей.
По правде говоря, когда физики — такие как группа Цытовича — пытаются построить сложную немолекулярную систему, они обычно обращаются к электричеству и магнетизму. Эти явления управляются комплексом законов, известных как уравнения Максвелла. Та часть этих законов, которая имеет отношение к интересующим нас вопросам, говорит нам, что:
- электрические токи (т.е. движущиеся электрические заряды) создают магнитные поля, и
- переменные магнитные поля производят электрические токи.
Второе из этих правил объясняет, например, возникновение индуцированных электрических токов. Электрические токи, вроде тех, что бегут по медным проводам у вас дома, состоят из электронов. Когда электроны движутся, они сталкиваются с тяжелыми атомами меди и отдают им некоторую часть своей энергии. Из-за этого атомы начинают двигаться немного быстрее. При этом выделяется тепло, которое рассеивается в окружающей провода среде: провод обладает электрическим сопротивлением. Если мы не будем постоянно добавлять энергию, компенсируя потерянное тепло, ток перестанет течь. А когда это произойдет, порождаемое током магнитное поле (см. первое правило, упомянутое выше) тоже исчезнет.
В 1911 году голландский физик Хайке Камерлинг-Оннес (1853–1926) сделал удивительное открытие: когда температура определенных металлов, а именно ниобия и олова, понижается до нескольких градусов выше абсолютного нуля (−273 °C), электрическое сопротивление исчезает. В этой ситуации электрические токи будут течь вечно; вечными будут и связанные с ними магнитные поля. Явление, открытое Камерлинг-Оннесом, называется сверхпроводимостью. Теперь мы знаем: оно возникает потому, что при таких низких температурах все электроны сцепляются друг с другом и движутся мимо тяжелых атомов металла, не отдавая им энергии. Токи в сверхпроводниках можно использовать, чтобы получать мощные (и постоянные) магнитные поля; главное при этом — поддерживать достаточно низкую температуру электрических проводов.
Если, например, вам доводилось когда-нибудь проходить МРТ-обследование, на вас действовало магнитное поле, порожденное электрическим током в сверхпроводнике. Сверхпроводящие магниты — важнейшая часть крупнейших в мире ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер в Швейцарии. На их основе также создаются проекты следующего поколения скоростных поездов, которые должны будут функционировать на основе так называемой магнитной левитации. Подобные разработки ведутся по всему миру, а в Китае подобные поезда уже даже введены в строй. Как часто случается в науке, открытие малопонятного явления сверхпроводимости привело к появлению отраслей промышленности, ежегодно приносящих многомиллиардные доходы.
Мы можем представить себе миры настолько холодные, что металл на их поверхности или в недрах был бы сверхпроводящим. Токи, текущие в такой сверхпроводящей структуре, получить было бы достаточно просто — их породило бы движение планеты между крупномасштабными переменными магнитными полями в межзвездном пространстве. Появившийся в результате ток изменял бы магнитные поля в недрах самой планеты и в пространстве вокруг нее, что порождало бы новую волну электрических токов; они, в свою очередь, производили бы магнитные поля, и так далее. Таким образом мы можем наблюдать, как система взаимодействующих друг с другом токов и полей могла бы приобрести сложность, сопоставимую со сложностью живых существ. Была бы такая система живой или нет — вопрос открытый. И все же перед нами еще один пример того, как могла бы выглядеть неорганическая жизнь.
Могло бы на сверхпроводящей планете появиться что-то вроде естественного отбора? Можно представить себе малые самоподдерживающиеся электромагнитные «пакеты», движущиеся в недрах такой планеты. Те из них, которые были бы наиболее «крепкими» — то есть, например, те, чьи магнитные поля обеспечивали бы более прочный барьер между содержимым «пакета» и окружающей средой, — существовали бы дольше. Они бы с большей вероятностью постепенно росли за счет электрических или магнитных полей в окружающей среде. Если бы эти пакеты развились до момента, в который они способны поделиться, у них, таким образом, появилось бы средство передать характеристики, делавшие их более крепкими, своим «отпрыскам». И это могло бы стать началом некоторого естественного отбора, в котором выживает сильнейший.
Наконец, обратимся к еще одной гипотетической форме жизни, которая существует только в научной фантастике. В своем романе «Академия на краю гибели» Айзек Азимов рассказывает о планете, все составные части которой образуют взаимосвязанную систему. Планета такого же типа — Пандора — появляется также в фильме «Аватар», где ее целостность и взаимосвязанность обеспечивается посредством некоей нейросети. По сути, такая планета как целое является живым организмом, хотя отдельные ее части живыми могут быть, а могут и не быть. Здесь следует учесть, что изучение любого отдельного фрагмента такой планеты — скажем, дерева или камня — не сказало бы вам примерно ничего о громадном объеме единой живой структуры, частью которой этот фрагмент является. С тем же успехом вы могли бы изучать поведение отдельного транзистора, полностью забыв о том, что он — лишь крохотный элемент суперкомпьютера. Как мы уже говорили, нет никаких научных предпосылок для того, чтобы заключить, что такая сверхвзаимосвязанная система могла бы существовать в реальности. С другой стороны, если бы она действительно существовала, подозреваем, что людям-исследователям такую форму жизни было бы труднее распознать и понять, чем какую бы то ни было еще.