Является ли Вселенная про-жизнью?

Когнитивный нейробиолог, Университет Джорджа Мейсона

Старый и глубокий экзистенциальный вопрос получает новый интерес со стороны научного сообщества: было ли появление жизни во Вселенной невероятным событием,или наоборот неизбежное один? Другими словами, Была ли жизнь результатом случайности и случайности, или же она была неизбежным и предсказуемым следствием естественного закона?

Ответ на этот вопрос сказал бы нам, является ли биологическая жизнь случайностью или закономерностью. Первый ответ предполагает, что мы одни во Вселенной-статистическая аномалия. Последнее предполагает, что явление не является редкостью в космосе, вероятно, происходя на других планетах с достаточно земными условиями.

Хотя на этот вопрос может показаться невозможным ответить из—за строго ограниченного размера выборки-Земля является единственной известной нам планетой, на которой есть жизнь,—новое понимание механизмов, лежащих в основе происхождения жизни, оживляет понятие био-дружественной Вселенной.

Но прежде чем перейти к этим механизмам, некоторый исторический контекст может помочь поставить вопрос в перспективе.

Невероятные и неизбежные дебаты

Основное научное мировоззрение предполагает, что жизнь на Земле была маловероятным событием, которое произошло вопреки всем ожиданиям. Эта «замороженная авария», ставшая результатом невероятного молекулярного столкновения в первичном бульоне, вероятно, не повторилась бы, если бы мы могли перемотать пленку Вселенной и воспроизвести ее с малейшим изменением.

Это предположение основывается на идее, что дарвиновская эволюция является исключительным средством физической адаптации в природе; что все разнообразие и сложность, которые мы видим в нас и вокруг нас, в широком смысле могут быть объяснены давлением окружающей среды, действующим на случайную генетическую мутацию. Согласно этой парадигме, поскольку адаптивные изменения требуют генов, возникновение самой жизни должно было быть результатом случайности, а не эволюционного процесса.

Лауреат Нобелевской премии французский биолог Жак моно-убежденный скептик и атеист — придерживался страстной и бескомпромиссной веры в то, что » Вселенная не беременна жизнью.»Он поэтически подытожил это мировоззрение в своей влиятельной книге Случайность и необходимость, опубликованный в 1970 году:

«Древний Завет разорван на части; человек знает наконец, что он один в бесчувственной необъятности Вселенной, из которой он вышел только случайно. Его судьба нигде не прописана, как и его долг.»

Но существует альтернативное мировоззрение, которое набирает обороты и которое в равной степени научно и, возможно, лучше подтверждается эмпирическими данными: если бы физические и химические условия на Земле около 4 миллиардов лет назад созрели для биологической жизни, то это послужило бы доказательством того, что жизнь во Вселенной-это не космическая случайность, а космический императив.

Философская школа «неизбежной жизни» основана на идее, что существуют термодинамические факторы, которые ограничивают случайное движение атомов и молекул таким образом, что по существу гарантируют, что биологические системы возникнут там, где позволяют условия. В качестве «аттрактора «—состояния, к которому стремится эволюционировать динамическая система, — можно сказать, что жизнь была записана в «космический код».»

Эта точка зрения была впервые сформулирована другой Лауреат Нобелевской премии французский биолог 20-го века Кристиан де Дюв. В своей исключительно убедительной книге Жизненная Пыль, он утверждал, что утверждение моно о том, что Вселенная не беременна жизнью, было не просто неверным, но доказуемо неправильный.

Спустя десятилетия после того, как его книга была опубликована, физики, изучающие происхождение жизни из Института Санта-Фе и Массачусетского технологического института, утверждают, что позиция де Дюва должна быть господствующей. Эти исследователи утверждают, что появление биологических систем было событием, которое можно было предсказать, и их рассуждения основаны на фундаментальном физическом принципе, известном как второй закон термодинамики.

Второй закон гласит, что количество энтропии во Вселенной увеличивается с течением времени. Но существует довольно много путаницы по поводу того, что именно подразумевается под термином «энтропия», поскольку существует множество определений, используемых в разных контекстах. Поскольку он применим ко вселенной, второй закон просто утверждает, что конечное количество энергии во Вселенной естественным образом стремится распространиться. При этом количество «свободной энергии» во Вселенной, то есть энергии, доступной для выполнения физической работы, неизбежно уменьшается с течением времени. Энтропия — это просто мера количества энергии, которая больше не доступна для выполнения работы.

Именно новое понимание этого старого и фундаментального закона физики, особенно в том, как он связан с возникновением сложности, меняет наше представление о вероятности жизни во Вселенной.

Диссипативная адаптация: как потоки энергии создают порядок

Согласно теории неизбежной жизни, биологические системы возникают спонтанно, потому что они более эффективно рассеивают или «рассеивают» энергию, увеличивая тем самым энтропию окружающей среды. Другими словами, жизнь термодинамически благоприятна.

Как следствие этого факта происходит нечто, что кажется почти волшебным, но в этом нет ничего сверхъестественного. Когда неодушевленная система частиц, например группа атомов, подвергается бомбардировке текущей энергией (например, концентрированными токами электричества или тепла), эта система часто самоорганизуется в более сложную конфигурацию-в частности, такую, которая позволяет системе более эффективно рассеивать поступающую энергию, преобразуя ее в энтропию.

Этот основной процесс был описан почти столетие назад бельгийским химиком Ильей Пригожиным, и он назвал возникающую систему «диссипативной структурой».»Основным примером диссипативной структуры является крошечный водоворот, который появляется, когда вы снимаете пробку с полной раковины или ванны. Возникающий вихрь лучше рассеивает кинетическую энергию от текущей воды по сравнению с тем, когда вода течет непосредственно.

Хотя у Пригожина была некоторая математика, разработанная для описания этого процесса самоорганизации, только в этом десятилетии был достигнут реальный прогресс в формализации этого явления количественно. В серии статей, опубликованных в течение многих лет в различных академических журналах,

молодой физик из Массачусетского технологического института по имени Джереми Ингленд описал основной эволюционный процесс, который он называет «диссипативной адаптацией», вдохновленный фундаментальной работой Пригожина.

В двух недавно опубликованных исследованиях компьютерного моделирования, одно из которых было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, а другое-в Physical Review Letters, команда Англии показала, как простая система безжизненных молекул, подобных тем, что существовали на Земле до появления жизни, может реорганизоваться в единую структуру, которая ведет себя как живой организм, когда ее достаточно долго поражают непрерывным источником энергии. Это происходит потому, что система должна рассеять всю эту энергию, и биологические системы, которые должны метаболизировать энергию, чтобы функционировать через химические реакции, обеспечивают способ сделать именно это. Имитационные исследования наглядно показывают, как такая сложная система может возникнуть из простых молекул, когда энергия течет через эту материю, подобно водовороту, который неизбежно возникает в сливной раковине. Организация возникает из потребности рассеять энергию. В то время как абстрактное цифровое представление процесса в Англии не может быть совершенно точным описанием того, как реальные химические сети самоорганизуются, поскольку моделирование является упрощением реальных систем, другие эксперименты, которые фактически использовали физические материалы, продемонстрировали тот же самый фундаментальный процесс.

В эксперименте 2013 года, опубликованном в журнале Scientific Reports, группа исследователей из Японии показала, что простое излучение света (непрерывного источника энергии) на группу наночастиц серебра заставляет их собираться в более упорядоченную структуру—в частности, со способностью захватывать и рассеивать больше энергии от света. Аналогичным образом, исследование 2015 года, опубликованное в журнале Physical Review E, продемонстрировало диссипативную адаптацию в макроскопическом мире. Когда шарики проводимости помещались в масло и ударялись напряжением от электрода, шарики образовывали сложные коллективные структуры с «червеобразным движением», которые сохранялись до тех пор, пока энергия текла через систему. Авторы отметили, что система » проявляет свойства, аналогичные тем, которые мы наблюдаем в живых организмах.- Другими словами, при правильных условиях попадание энергии в неупорядоченную систему приведет к тому, что она самоорганизуется и приобретет свойства, которые мы ассоциируем с жизнью.

Хотя диссипативная адаптация происходит до того, как система имеет гены, основная химическая система все еще может развиваться через своего рода примитивный процесс естественного отбора, который легко концептуализировать. Когда молекулярная система подвергается естественным колебаниям, в результате которых ее коллективная форма случайным образом просеивается через ряд последовательных структурных состояний, те механизмы, которые позволяют системе более эффективно извлекать энергию из окружающей среды—требование выживания—будут сохраняться, в то время как те механизмы, которые не уходят на второй план. По-видимому, именно так неживая сеть становится биохимической сетью, такой как клеточная.

В то время как исследования Англии в области моделирования и аналогичные физические эксперименты ясно показывают, что существует тип термодинамической эволюции, которая происходит до того, как дарвиновская эволюция может вступить в силу, точные эволюционные стадии между этими типами возникающих сложных структур и живых клеток с генетическим материалом все еще неизвестны, как и точные условия на Земле, которые создают почву для диссипативной адаптации. Однако ученые из Института Санта-Фе, Мекки сложных исследований, имеют довольно хорошее представление о том, как это могло произойти.

Возникновение жизни на Земле

Хотя английская модель диссипативной адаптации описывает механизм, посредством которого сложность может спонтанно возникнуть в результате протекания энергии через безжизненные молекулы, она не рассматривает, как и почему такой процесс произошел на Земле. Какая земная среда позволяла потокам энергии создавать порядок из молекулярного хаоса?

В книге Происхождение и природа жизни на Земле физик Эрик Смит и биохимик Гарольд Моровиц, опубликованные в 2016 году издательством Cambridge University Press, теоретизируют, что жизнь на Земле впервые возникла из-за неодушевленной материи, приводимой в движение энергетическими потоками, производимыми геотермальной активностью планеты, подобно тому, что происходит в вулканах и внутри ядра Земли. По их мнению, жизнь была неизбежным следствием накопления свободной энергии, предположительно в горячих областях, таких как гидротермальные источники на дне океана. Именно в этих типах регионов энергетические потоки концентрируются достаточно для создания прочного химического порядка.

Согласно этому объяснению, жизнь сформировалась как своего рода канал для облегчения энергетического дисбаланса посредством более эффективного рассеивания и была «столь же неизбежна, как вода, текущая вниз по склону.» И точно так же, как вода, текущая вниз по склону, прокладывает канал в склоне холма, который со временем становится все глубже,потоки энергии усиливают и укрепляют химические каналы, которые мы называем метаболическими путями. Живые существа — это просто лучший способ для природы рассеять энергию и увеличить энтропию Вселенной.

Однако, согласно Смиту и Моровицу, самоорганизующийся процесс, который привел к жизни, не происходил в один шаг, а вместо этого включал серию того, что физики называют «фазовыми переходами».»Фазовый переход-это причудливый термин для описания целостного изменения общей структуры системы и, в свою очередь, ее функции. Большинство людей знакомы с основными фазовыми переходами, которые преподаются в средней школе химии, например, как жидкая вода замерзает в лед при низких температурах. Во время этого фазового перехода H2 Молекулы O превращаются в более стабильную конфигурацию, из жидкой фазы в твердую.

Это происходит не только на молекулярном уровне. Более сложный пример — когда стаи птиц летают в унисон, образуя изменяющие форму геометрические узоры, которые, кажется, ограничивают и частично направляют стаю, явление, которое потрясающе наблюдать. Мы можем даже думать о возникновении человеческой цивилизации как о фазовом переходе, при котором хаос рухнул в порядок. По существу, фазовые переходы-это то, как внезапно возникают новые уровни возникновения.

Серия фазовых переходов, приведших к жизни, состояла из многократных скачков к более сложным (и, следовательно, стабильным) схемам, в частности к тем системным конфигурациям, которые лучше справлялись с высвобождением свободной энергии, накопленной за счет большей диссипации. Подобно Англии, Смит и Моровиц-которые, к сожалению, скончались незадолго до публикации своего опуса-описывают процесс естественного отбора, в котором те фазы, которые лучше всего стабилизируют систему, являются теми, которые выдерживают.

Эта перспектива помогает объяснить, почему жизнь так прочна и устойчива к разрушению. По мере того как неодушевленные агрегаты частиц эволюционировали в химические сети, а химические сети-в простые информационные сети, сложная адаптивная система становилась все более эластичной и разобщенной. С рождением информационных систем-клеток с генетическим материалом и белками, способных строить структуры, определенные чертежами,-появились самовоспроизводящиеся единицы, или «репликаторы», и биологическая эволюция стала возможной. Именно через этот каскад фазовых переходов возникла жизнь.

Дома во Вселенной

Принимая диссипативную адаптацию как спонтанный физический процесс, мы также принимаем новую космическую картину—ту, в которой биология является фундаментальной. Законы физики и динамики природы не только допускают существование жизни, но и требуют ее. Второй закон термодинамики не просто порождает беспорядок; он также является двигателем сложности, поскольку сложные адаптивные системы эффективно рассеивают свободную энергию, тем самым увеличивая энтропию Вселенной.

Несмотря на эти теоретические достижения, мы все еще мало знаем о том, как жизнь впервые появилась на Земле. Но мы знаем, что она возникла относительно быстро (по крайней мере, в космическом масштабе времени—менее чем через полмиллиарда лет после образования планеты), и что она поддерживала свое существование непрерывно в течение почти 4 миллиардов лет, несмотря на чрезвычайную турбулентность природы. Если жизнь неизбежно возникает в результате энергетических потоков, уводящих химические системы от теплового равновесия и приводящих их во все более сложные структуры, это будет иметь важные последствия для возможности существования жизни в других частях Вселенной.

Например, любые расчеты, касающиеся вероятности существования инопланетной жизни, должны были бы учитывать диссипативную адаптацию, чтобы быть точными. Это, безусловно, увеличило бы вероятность жизни на планетах со свободными энергетическими резервуарами и условиями, достаточно похожими на земные. Хотя на первый взгляд это может показаться еще более запутанным парадоксом Ферми, возможно, он может помочь объяснить его. Если жизнь неумолимо возникает как следствие термодинамики, то можно ожидать, что биосферы будут возникать и развиваться в сходных временных масштабах. Если это так, то разумная жизнь, зародившаяся на других планетах, просто не успела с нами взаимодействовать. Кроме того, диссипативная адаптация говорит только о возникновении биологической жизни, а не умный жизнь, так что она почти ничего не говорит о вероятности появления технологически продвинутых инопланетян.

Шон Кэрролл, физик-теоретик Калифорнийского технологического института и автор Большая Картина, говорит, что вопрос «разве жизнь неправдоподобна?» можно трактовать по-разному, усложняя вопрос. С одной стороны, это может быть вопрос о том, является ли естественным возникновение жизни во Вселенной, как мы ее знаем, что, по-видимому, имеет место, учитывая описанные механизмы. Это также может быть вопрос о том, должны ли физические параметры нашей Вселенной быть точно настроены, чтобы позволить жизнь. Другими словами, имеет ли наша Вселенная какой-то особый статус среди всех возможных вселенных? «По крайней мере, можно предположить, что жизнь была бы гораздо менее вероятной, если бы законы физики были немного другими», — сказал Кэрролл кварцу.

В то время как вердикт по этому вопросу еще не вынесен, в контексте вселенной, в которой мы находимся, людям больше не нужно думать о себе как о «космической катастрофе».»Если биологические системы-это закономерность, то мы на самом деле «дома во Вселенной», как выразился исследователь сложности и автор Стюарт Кауфман. И это мысль, в которой даже атеист может найти духовное удовлетворение.

https://qz.com/1539551/is-the-universe-pro-life-the-fermi-paradox-can-help-explain/

Ссылка на основную публикацию