Парадокс: За да се появи животът са нужни 9 млрд. години, а Земята е само на 4.5

Какво е животът? Кога, къде и как е възникнал? Сами ли сме във Вселената? Защо не виждаме други разумни цивилизации?

Това са съкровенни въпроси, които си задава човечеството вероятно, откакто се е осъзнало. Това е обширна, фундаментална тема, затова и на Софийския фестивал на науката 2019 бе представена от един авторитетен наш учен в тази област -  член-кореспондент проф. Николай Денков, чиито физикохимични изследвания са публикувани в престижни списания като Nature.

Какво е животът?

„Ще ви разочаровам”, започна проф. Денков, но този на пръв поглед лесен въпрос вълнува хората вече 5000 години, но "едва ли ще открием скоро отговора му".

Индийските Веди, древните религии и философи твърдят, че животът се различава от неживата материя по това, че има „душа”, която след смъртта отива в рая, ада или се преражда в друго същество.

”Но идва Просвещението, Нютоновият подход към науката и учени като Декарт казват, че няма такива неща, вие сте си ги измислили, няма Бог, няма Рай, това, което има са едни много сложни процеси, които те наричат механизми и това, което наричаме живи същества, са тези механизми,  организирани по много сложен начин”, продължава проф. Денков.

След десетилетие философи като Кант доразвиват тази идея, като казват, че тези механизми са по-особени с това, че могат сами да се организират - започват от една клетка и се превръщат в нещо голямо и сложно.

„Затова се наричат и организми, защото те по някакъв начин успяват да се организират”, пояснява лекторът.

Но след 200 години физиците откриват на базата на термодинамиката и квантовата механика, че това е организация, която е малко особена - от  хаоса организмите създават порядък. Но и това определение не е достатъчно - процеси на спонтанно подреждане се срещат и в неживата природа.

Учените се нуждаят от точни дефиниции.

Какво е определението на биологията?

"Организмите са такива структури които проявяват няколко свойства метаболизъм, тоест вземаме едни вещества от средата, обработваме ги използваме ги за за жизнените си функции, живите организми растат, размножават се и се адаптират към външната среда и тази адаптация към външната среда е основния принцип на живота", отбелязва професорът. 

Това е ясна дефиниция, изчистена, но и тя създава проблеми. Например биолозите все още спорят вирусите живи същества ли са или не са, защото нямат метаболизъм, не растат, размножават се, но използват за това гостоприемника си. Има и още по-странни примери - например мулето - то не се размножава, не се адаптира, но всички знаят, че то е живо. Оказва се че и тази дефиниция не обхваща всички примери на живот.

Затова учените през последните години търсят и други дефиниции на живот. 

Един от най-известните опити е представянето на живота като набор от информация, информация, която може да се възпроизвежда и адаптира към околната среда. В най-чист вид тази представа е дефинирана от известният учен Ричард Докинс, който казва следното: "Животът е единствено информацията, закодирана в ДНК молекулите - всичко друго няма значение, всичко друго съществува само като обвивка, която има за цел да запази и прехвърли информацията.

Идеята на Ричард Докинс се състои в това, че човекът и всички други същества представляват машини, създадени от гени. И в природата не липсват примери, подвърждаващи тезата му. (вж "Ричард Докинс: Ние сме само обвивка на егоистичните си гени", "Докинс: Генът е основна единица за егоизъм")

Но тогава, ако вземем ДНК и я поставим в подходяща среда, така можем да създадем изкуствен живот, нали? И наистина генетиците синтезират фрагменти от наследствена информация и я поставят в изпразнена от своята ДНК клетка и така създават изкуствен организъм, който не е съществувал досега.

Но и тази дефиниция дава неочаквани резултати, разширявайки се до културните меми, също информация, но не в гените, а в главите ни, която се разпространява, развива и адаптира подобно на еволюиращ организъм. Компютърните вируси и роботите като че ли също се вписват в определението на Докинс.

Защо не можем да намерим отговор на този въпрос? Може би защото животът е съвкупност от сложни процеси и може би защото не искаме да ограничаваме дефиницията, защото тя трябва да важи и за живота преди милиарди години и за да бъде вярна след милиарди години, както и за живота, който се надяваме да срещнем някъде в космоса.

И може би отново несъвършено, но достатъчно широко определение за живот, към което можем да се придържаме, дава Американската космическа агенция: самоподдържаща се химична система, която се адаптира към околната среда.

В някое топло езерце

Според теорията на Дарвин организмите се развиват като получават много случайни варианти или мутации, някои от които са положителни и помагат на организмите да оцелеят и в края на краищата оцеляват тези, които най-добре са се адаптирали към промените в околната среда и тези мутации се предават на поколенията. Дарвин обяснява как се развиват организмите, но не казва как са възникнали освен в краткото изречение „може би в някое топло тихо езерце се е развил животът”.

Въпреки това благодарение на последните изследвания можем да кажем нещо по въпроса за произхода на живота.

Да започнем с това - всички знаят че ние, хората, не произхождаме от маймуните, а имаме с маймуните един общ предшественик, живял преди 27 милиона години, дори може да се изчислят колко поколения е имало оттогава на базата на генетичните изследвания.

Можем да продължим нататък и да кажем, че имаме общ предшественик заедно с бозайниците, динозаврите и птиците, който е живял преди 325 милиона години, можем още да се върнем назад и така да обединим всички живи организми, които в момента живеят на Земята.

Най-интересното е че ако продължим назад във времето и свържем всички известни същества водорасли, бактерии, археи, резултатът от анализа ще бъде, че всички живи организми са имали един общ предшественик, живял преди приблизително 4 милиарда години.

И тук се появява въпросът кога и къде е възникнал Животът. Първите документирани форми са цианобактериите и са датирани на 3,7 милиарди години, тоест скоро след първият организъм, наречен Лука (LUCA - Last universal common ancestor или Последен универсален общ предшественик).

И сега можем да разгледаме кога са се появили цианобактериите и Лука спрямо възникването и оформянето на Земята.

Земята се е образувала от консолидирането на скали и прах заради силата на гравитационното привличане преди около четири и половина милиарда години. От многобройните удари на отломки тази протоземя се нажежава и преди 4.1 милиарда години вече изстива и образува кора. След още 200 милиона години се охлажда достатъчно, за да не се изпарява и да остане течна водата на повърхността ѝ и така са се образували първите океани.

И изведнъж се оказа, че почти веднага, в рамките на само 100 милиона години, в тези океани вече е имало живот, в смисъл клетки с ДНК молекули. Но още два милиарда години са били необходими, за да се появи многоклетъчен живот, нещо, което изглежда много по-просто - да се съберат и диференцират по функции няколко клетки ( макар че и това не е толкова просто).

Как е възможно да се случи това?

Това е въпрос който вълнува учените през последните 50-100 години.

Много учени се опитват да възпроизведат този процес като най-известен е опитът на Стенли Милър и Харолд Юрей, които получават органични молекули в лабораторни условия, моделиращи тези, които са били на ранната Земя.

Те пускат електрически разряди с напрежение до 60000V (имитиращ мълниите, които се предполага, че е имало тогава) през смес от CO₂,H₂O, CH₄, NH₃, H₂ под налягане, съответстващи на ранната Земя и температура 80°С и получават прости мастни киселини, пикочна, винена, мравчена киселина и няколко аминокиселини – вещества, от които се изграждат молекулите белтъци, а също и прости захари и нуклеинови киселини.

Има изключително много статии, които показват че с времето може да се натрупват все по-сложни молекули -  нуклеинови киселини, протеини, липиди.

"До тук добре, можем да получим много сложни биологични  молекули, но това все още не е Животът, това е само първата стъпка, нужни са още няколко стъпки, а за тях няма досега експерименти и няма обяснение как точно става това", отбелязва проф. Денков.

Една от следващите стъпки е намирането на т.нар. протобионти (или протоклетки) - оградени комплекси с мембрана, която отделя вътрешната от външната среда. Обикновено те се представят като липидни мембрани, те позволяват да има разлики в концентрациите, в PH и други разлики, които позволяват да се развие биохимията на процесите. Дълго се смяташе, че те напомнят клетъчните мембрани. Но напоследък се появи нова хипотеза, че те биха могли да представляват по-прости структури, малки капчици хидрофобни вещества, липиди, които могат по повърхността си да съберат химичните реакции, след което да се образуват и вътрешни капчици и тези пробионти да се превърнат постепенно във везикули, които познаваме в съвременни структури.

^{Схема на мицела (от латински mica, което означава "частица"), спонтанно образувана от фосфолипиди във воден разтвор. Кредит: Wikimedia Commons}

Тези капчици, получени в лабораториите, могат да заемат форми, които са характерни за живите организми, например те приличат на кремъчните водорасли. Нещо повече, тези капчици могат да се движат, да се делят, да обменят вещества с околната среда и по този начин да имат някои от компонентите на живите организми, обяснява проф. Денков. „Разбира се, те не са живи, нямат наследствена информация, нямат други характеристики”, които имат живите същества.

Макар да е лесно да се сбъркат (те имат камшичета, с които се движат и наподобяват едноклетъчни организми), това са най-обикновени капчици от алкална вода при температура от 18°.

^{Кредит: Prof. Nikolay Denkov}

Освен тези две стъпки, има още две и всяка от тях е доста сложна. Едната от тях е да се синтезират полимерни молекули, които не само могат да пренасят информацията, но и да я кодират, така че да се прехвърлят инструкциите какво да бъде следващото поколение. И не на последно място е механизмът за делене на клетките, който да прехвърли информацията към дъщерните клетки.

„Тези процеси са много слабо разбрани и дори нямаме представа какви са били молекулите, които са ги осигурявали по това време”, признава професорът.

Стъпките са ясни, но къде би могло да се случи това на Земята?

Първата идея е на Дарвин, който говори за „малки плитки езерца” - езерца, защото в тях би могла да се получи необходимата концентрация на реагентите, за да се случат реакциите. Това не може да стане в открития океан.

Сравнително наскоро, преди около 30 години, бе представена нова хипотеза от д-р Майкъл Ръсел, който работи в НАСА. Според нея това не е станало на повърхността на земята, а дълбоко в океаните, където една естествена циркулация води до така наречените хидротермални отвори. Тук има всички подходящи условия за появата на живота, висока концентрация на реагентите и необходимата температура.

^{Докато изследва близо до островите Галапагос, екипът на E/V Nautilus открива огромен хидротермален отвор или "черен пушач" (Black smoker), висок повече от 10 метра, който издига облак от тъмна прегрята течност и изобилства от странен живот. Обикновено тези подводни хидротермални извори са на средна дълбочина 2100 метра на дъното на Атлантически и Тихи океан. Нагрята от подземната магма през цепнатини в земната кора, горещата минерална вода се издига на черни облаци и затопля леденостудената вода, образувайки комин от кристализиралите, разтворени в нея минерали, предимно сулфиди. Водата, извираща от черните димящи дупки, е 400° C, но не кипи заради високото налягане, което е над 250 атм (черни комини има и в Марианската падина). Тя е също извънредно кисела, често има pH под 2.8 (pH приблизително на оцета). Въпреки това “черните гейзери” са станали центрове на цели екосистеми. Идеята, че животът се е появил именно около такива места, привлича все повече привърженици.}

Но да се върнем към Лука, първият ни общ предшественик. Според генетичния анализ той е живял в геотермална активна среда, тоест възможно е това да са били хидротермалните отвори, бил е активен при по-висока температура от сегашните, живял е без наличието на кислород и е използвал водорода като гориво и т.н. Но той трябва да е имал над 350 активни гена. С други думи той трябва да е бил изключително развит микроорганизъм, това е доста сложна, ако не и невъзможна задача - да се сглоби от най-елементарните съединения, които могат да се образуват за този кратък период от време от появата на Земята.

Животът преди Земята

Тази идея, че нещо не е наред, че твърде малко е времето, за да се появи този наш общ предшественик, придоби в последните години популярност. 

Алексей Шаров (Alexei A. Sharov) от Лабораторията по генетика на National Institute on Aging в Балтимор и Ричард Гордън (Richard Gordon) теоретичен биолог от Океанската лаборатория във Флорида прилагат компютърния закон на Мур (вж заб.1) върху еволюцията на биологичните видове. Името на лекцията „Животът преди и след Земята” е взаимствано от тяхната статия, наречена „Животът преди Земята”, публикувана в и достъпна на портала arXiv.

Ако развитието на сложността или размера на генома на организмите се нанесе на логаритмична скала спрямо линеен мащаб на времето, ще се получи следната графика:

^{На тази полулогаритмична графика сложността на организмите, измерена чрез дължината на функционалната неизлишна ДНК за геном, изразена от броя на нуклеотидните базови двойки (bp), нараства линейно с времето (Sharov, 2012). Времето се брои назад в милиарди години преди настоящето (време 0). Life Before Earth, Alexei A. Sharov, Richard Gordon}

И ако екстраполираме назад във времето, се получава, че за да се развие животът в цялата му сложност, която познаваме сега, са нужни поне 9 млрд. години. Земята е само на 4.5 милиарда години. Това означава, че градивните елементи на живота са започнали да се изграждат преди да се формира Земята.  (вж заб. 2)

Тази идея набира скорост и космическите агенции вече търсят живота извън Земята.

Астрофизиците установиха прецизно, че Вселената е на повече от 13.5 милиарда години. Първите 100-200 милиона години не е имало звезди, всичко е било под формата на плазма, после 550-800 милиона години след Големия взрив във Вселената се запалват първите водородни звезди, те синтезират хелиеви ядра, а когато свърши водородното гориво температурата, налягането и плътността вътре в ядрото от хелий стават достатъчно високи, че хелиевите атоми започват синтез на въглерод, после на по-тежки елементи, като свърши и това гориво, избухват в свръхнови, разпръсквайки това, което е било в тях. И така след няколко поколения звезди се образуват всички химически елементи, необходими за живота.

През последните години се правят усилени изследвания в търсене на органични молекули в космоса и резултатът бе изненадващ - навсякъде бяха намерени органични молекули, някои от които много сложни, дори с по 60 атома.

^{Схематичен изглед на развитието на Вселената след Големия взрив, на който е допълнена оценката за произхода на живота преди 9,7 ± 2,5 милиарда години. . Life Before Earth, Alexei A. Sharov, Richard Gordon}

Последните открития възродиха една идея, позната от античността, идеята за панспермията - че животът винаги е съществувал навсякъде и само се пренася от една планета в друга.

Сега въпросът става технически. Възможно ли е астероид да удари планета, на която има живот, да отдели парчета от нея, които да от прелетят през космоса и да попаднат на друга планета, пренасяйки, ако не живи организми, то поне някаква материя с наследствена информация?

Отговорът е „да”. Организмите се оказаха по-издържливи, отколкото се предполагаше. Има организми които издържат 400 пъти по-голямо ускорение от земното. Симпатичната бавноходка оцелява при изключително ниски температури, близки до абсолютната нула, а също и при високи -  до 100-150 градуса  по Целзий, изпадайки в състояние на хибернация, което може да продължи дълги години. Има и други организми, едноклетъчни и многоклетъчни, които могат да оцелеят в открития космос. Така наречените екстремофили, не само издържат, те „обичат” неблагоприятните за други организми условия - безкислородна, силно киселинна или алкална среда.

^{Йелоустоун - на лов за Sulfolobus. Температурата е 75-80°C, pH 2-3. Снимка: Dr. Ken Stedman}

Но съществува още едно опасно препятствие пред организмите, пресичащи космоса. Това са гама лъчите, космическата радиация, която може да разруши важните органични молекули като нуклеиновите киселини. Но се намериха организми, т.нар. ендолити, които обитават скалите, дълбоко под повърхността на Земята, там, където никога не сме очаквали да намерим живот. Скрити в скалните късове, те могат да бъдат пренасяни в космоса, защитени от ултравиолетовите и гама лъчите. Те са най-сериозните кандидати за пренос от една планета на друга.

Къде може да съществува живот извън Земята? 

Материал може да бъде пренасян не само между планетите в Слънчевата система, но и от други звездни системи. Това бе доказано директно от един космически обект, наречен 'Оумуамуа, който премина през нашата Слънчева система миналата година и излезе бързо от нея. За него имаше дори спекулации, че е междузвезден космически кораб. Според някои изчисления такива тела преминават всяка година около 15-20 хиляди, но ние не ги забелязваме, защото са много малки.

С огромна вероятност предполагаме, че Живот съществува и на други места. Каква е вероятността той да е наблизо до нас?

„Слънчевата система е около една хилядна от светлинната година, цялата галактика е от порядъка на 30 хиляди светлинни години, с други думи, ние сме действително една прашинка в нашата галактика”, подчертава проф. Денков.

Благодарение на телескопа Хъбъл сега знаем, че нашата галактика има около 300 милиарда звезди, а между 100 и 200 милиарда галактики има във Вселената, която виждаме и поне още толкова в тази, която не виждаме. 

И дори само малка част от тези звезди да имат планети това пак ще са огромен брой планети.

През 1961 г. Дрейк предлага начин да се изчисли вероятността да открием развити цивилизации във Вселената. Дори и най-песимистичният вариант на уравнението на Дрейк показва, че хората не са сами.

Днес можем да направим по-добри оценки за количества като:

• Броя на звездите във всяка галактика.
• Броя на галактиките във Вселената.
• Частта от звездите, които са като нашето Слънце.
• Частта от слънцеподобните звезди с потенциално обитаеми планети от земен тип.

И все още има няколко огромни неизвестни.

По-конкретно, има няколко стъпки, които не знаем колко често се случват. Ясно е, че са се появили тук, на Земята, но все още не сме ги открили другаде във Вселената. Това са стъпките, които ни отвеждат от неживите молекули до сложните, диференцирани, интелигентни видове като нас.

Това се равнява на две неизвестни (в уравнението на Дрейк), които са абсолютно необходими за постигане на крайната цел - интелигентните извънземни:

- вероятността да се създаде живот от нежива природа в подобен на Земята свят;

- вероятността този живот да се превърне в интелигентен, комуникативен и вероятно междузвезден вид.

Всъщност нямаме никаква представа колко вероятни или малко вероятни са тези събития.

_{Уравнението на Дрейк, математическата формула, която изчислява вероятността да открием развити цивилизации във Вселената. University of Rochester}

Телескопът Кеплер само за 15 години намери 4000 екзопланети, а някои от тях се намират в т.нар. „обитаема зона”, там, където може да има течна вода. Но това все още не значи, че там има живот. 

Как можем да проверим дали на една планета има живот?

Един от начините да се търси такава комбинация от молекули, която няма как да се появи от биохимични процеси, а евентуално от нещо живо, например метан и въглероден диоксид. 

Неочаквано местата с най-подходящи условия за търсене на живот се оказаха спътниците на Юпитер и Сатурн - Европа и Енцелад. Тези тела са покрити с гладка ледена обвивка, под която обаче има течни океани, подгрявани от геофизични процеси, а апаратът Касини засне гейзери, в които бяха открити сложни органични молекули.

^{Гейзерите на Елцелад. Снимка: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute}

Така че ако обобщим, ние знаем, че може естествено да се синтезират много сложни органични молекули, знаем и че животът е разпространен повсеместно в най-разнообразни екстремни условия на земята, знаем как еволюцията може да направи от най-простите организми все по-сложни до така наречения „венец на природата”, разумният човек.

Това, което не знаем, са детайлите на механизма на образуване на живите организми, тези четири стъпки, за които говорихме по-рано. И най-големият въпрос - ако Животът е толкова разпространен, тогава къде е разумът, защо не го виждаме?

Защо не виждаме признаците на разумен живот?

Има три хипотези. Първата е, че те не искат да разговарят с нас. Толкова са напреднали, толкова са различни, че не желаят да общуват с нас, не сме им интересни.

Втората хипотеза е много тривиална - те са много далече от нас.

Третата хипотеза е, че просто ние сме големи късметлии, за разлика например от динозаврите, които преди 65 милиона години, са имали голямо разнообразие, големи възможности за еволюция, но няколко поредни катаклизма са ги унищожили.

Такива събития са се случвали в миналото и то неведнъж, в края на пермския период са загинали 95% от всички живи същества на Земята. Въпросът е не дали, а кога ще ни удари следващият голям астероид. И честотата на падането на астероидите не намалява, а по-скоро се увеличава, за което говорят наблюденията на появата на кратери на лунната повърхност. Има и други заплахи за живота на Земята - избухвания на супервулкани, смяна на магнитните полюси, което ще отслаби защитата на Земята срещу космическите лъчи и други.

_{Кадър от филма "Прометей"}

Но разумът си има и свои собствени демони

В своята поредица „Фондацията” писателят фантасти професор по биохимия Айзък Азимов подробно анализира каква може да бъде мотивацията за развитието на една цивилизация, която е постигнала технологично съвършенство. Както знаем от египетската, древноримската и други цивилизации, когато постигнат някакво ниво на разцвет, те губят мотивация за развитие и тогава се появяват варварите, образно казано. Азимов анализира какви биха могли да бъдат пътищата за развитие на човешката цивилизация, но от книгите му се разбира, че той не е голям оптимист. Той казва, че трябва да търсим някакво разнообразие, защото това, което имаме на земята не е много устойчиво.

Първото, за което се сещаме, са екзопланетите, но проблемът тук е, че те са много далече като най-близките са от порядъка на няколко милиона светлинни години. Това означава, че с технологиите, които разполагаме сега и в близко бъдеще, ще са ни нужни милиони години, за да стигнем до тях.

Има и други идеи разбира се, като например да направим Марс отново обитаем. Някога цветуща планета с обширни океани, днес Марс е пустиня с бушуващи бури, почти без вода и със силна радиация. Но въпреки че има идеи за тераформиране на Червената планета, засега нямаме подходящи технологии да го извършим.

Друга идея са междузвездните станции по подобие на Стартрек. Напоследък обаче астробиолозите установиха, че всяко отделяне от човешката популация на групи от няколко хиляди човека в космическите условия, ще доведе до промени в техните гени и в края на краищата може да се окаже, че те вече няма да са хора, такива, каквито са тръгнали от Земята.

Имайки предвид, че възходът на генното инженерство доведе до това, че сега можем да редактираме гените на бебетата преди да се родят, вече ще можем да променяме хода на еволюцията.

Не можем да подминем и прогреса в областта на изкуствения интелект, който накара някои учени да предположат, че пред човечеството стоят две възможности или да загине, или да се хибридизира с машините, да се превърнем в киборги, защото няма как да се конкурираме с тях.

„Останаха още открити научни въпроси: Какво е животът? Каква е неговата универсална дефиниция? Как са се появили първите живи организми, защо не виждаме признаците на съществуването на разумни извънземни цивилизации? 

Остават и две технологични задачи: Как да спасим разума на Земята и как да се откъснем от Земята като планета”, завърши проф. Денков.

Това бе последната лекция от отминалия Софийски фестивал на науката 2019. Очакваме с нетърпение следващия.

______

Забележки: 

1. Законът на Мур казва, че сложността на компютрите нараства експоненциално със скорост от около два пъти на всеки две години.

2. Двамата изследователи Шаров и Гордън, автори на хипотезата, че животът е започнал някъде другаде, а не на Земята, признават, че техните идеи са по-скоро „мисловно упражнение”, отколкото предложение за теория, и признават, че разбира се съществуват и други възможности да се обясни какво се е случило. Например, животът може да е еволюирал, следвайки закона на Мур, само през определени периоди, но не и винаги, студът през периода, известен като „Земя - снежна топка“ (Snowball Earth) може временно да спре промените в сложността или катастрофални събития биха могли периодично да убиват по-напредналите форми на живот. Тогава съществува съвсем реална възможност началото и еволюцията на живота изобщо да не съответстват на закона на Мур.

Авторите на хипотезата не предвиждат сценарий като от филма „Прометей“, в който строителните блокове на живота се доставят от проточовешки вид от друга планета. Ето какво пишат учените:

Тази космическа времева скала за еволюцията на живота има важни последствия: за живота са нужни около 5 милиарда години, за да достигне сложността на бактериите; средата, в която животът е възникнал и еволюирал до прокариотния етап, може да е била доста различна от тази на Земята; В нашата Вселена няма интелигентен живот преди появата му на Земята, така че Земята не може да бъде съзнателно засята с живот от интелигентни извънземни.

Още по темата

28/06/2018

Космос

Сложни органични молекули са открити на Енцелад, спътника на Сатурн

21/04/2018

Космос

Как ще колонизираме галактиката

06/12/2017

Космос

Космическите бактерии от МКС са почти същите като земните

03/01/2017

Човекът

Науката за Стар Трек: Защо вулканците (и другите извънземни) си приличат с хората (видео)