Последним из великих столпов классической науки является термодинамика. Название происходит от сочетания слов «термо» (тепло) и «динамика» (наука о движении) — таким образом, это наука, которая описывает движение (т. е. передачу) тепла (и, следовательно, других форм энергии). Как и механику, электричество и магнетизм, эту область науки тоже можно свести к небольшому числу законов — к двум в обычном изложении. Они называются первым и вторым законами термодинамики: • Различные формы энергии могут переходить одна в другую, но общая энергия замкнутой системы с течением времени должна оставаться неизменной (сохраняться). • Общая неупорядоченность (энтропия) замкнутой системы не может уменьшаться с течением времени. Первый закон — это, возможно, одна из важнейших составляющих нашего понимания Вселенной; он просто говорит нам, что энергия не может быть создана из ничего или уничтожена бесследно, но она может переходить из одной формы в другую. Таким образом, нам следует представлять энергию, которая поддерживает жизнь на Земле (и на любой из экзопланет), в виде своего рода потока. Она приходит извне (в случае Земли — от Солнца), проходит через биосферу и в конечном итоге направляется обратно в космос в виде инфракрасного излучения. В каждом из примеров жизни на экзопланете, который мы рассматриваем, одним из первых упражнений, которое мы выполним, будет исследование доступных источников энергии. В некоторых ситуациях эта энергия может поступать от звезды, но в других — нет. Мы знаем, что на Земле существуют экосистемы, которые не зависят от Солнца — они расположены на дне океана в глубоководных горячих источниках — источниках, которые выносят из глубин земных недр тепловую и химическую энергию. Подобные же источники, несомненно, существуют на экзопланетах, и они будут занимать значимое место в нашем обсуждении многих из миров, которые мы будем рассматривать. Второй закон термодинамики будет фигурировать в нашем обсуждении определения жизни (глава 3), а также в обсуждении жизни, совершенно не похожей на нас (глава 16). Причина этого в том, что каждая живая система, независимо от её состава, должна быть высокоупорядоченной, и к концепции упорядоченности имеет отношение именно второй закон. Основное правило, иллюстрирующее этот закон, состоит в том, что если вы создаёте упорядоченную систему — каковой является жизнь — в одном месте, то вам придется за это заплатить, создав беспорядок где-то в другом месте. Вот так и обстоят дела. В классическом ньютоновском представлении вселенная действует в соответствии с девятью законами природы: тремя — механики, четырьмя — электричества и магнетизма и двумя — термодинамики. Всё, что происходит где-либо во вселенной, в итоге можно объяснить при помощи набора уравнений, который легко поместился бы на футболке. Тем не менее, это прекрасный, убедительный, хотя и упрощённый до крайности взгляд на вселенную. Новые науки Иногда можно услышать утверждение о том, что основные достижения физики 20-го века — теория относительности и квантовая механика — показали, будто бы ньютоновское мировоззрение совершенно неверно. Позволим себе не согласиться с этим. Ньютоновская вселенная основана на результатах экспериментов по поведению объектов, которые, как мы уже говорили, можно примерно охарактеризовать как объекты нормального размера, движущиеся с нормальной скоростью. Что делают новые науки, так это расширяют научное мировоззрение за пределы этого диапазона. Например, теория относительности имеет дело с объектами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, или имеющими большую массу, тогда как квантовая механика имеет дело с объектами атомного или субатомного масштаба. Если применить законы любой из них к объектам нормального размера, движущимся с нормальной скоростью, то они сведутся к знакомой ньютоновской вселенной, описанной выше. Вот почему мы до сих пор обучаем ньютоновской механике инженеров, проектирующих автомобильные мосты, по которым вы проезжаете. В лучшем случае эти новые области науки добавляют ещё пару законов к «первой девятке», описанной выше. Теория относительности, например, построена на одном принципе: законы природы одинаковы во всех системах отсчёта. В дальнейшем нам мало что понадобится из этой теории, но она действительно играет определённую роль в поиске планет, одиноко блуждающих в межзвёздном пространстве, — тех, которые мы называем планетами-сиротами (см. главу 11). Квантовая механика сильно отличается от теории относительности. Внутриатомные явления работают не так, как в нашем повседневном опыте. В квантовом мире нет ничего ровного и непрерывного. Всё, что там есть, поступает порциями. И хотя общий научный консенсус относительно того, как интерпретировать результаты, которые мы получаем, вторгаясь в это странное место, ещё не достигнут, многие из научных формулировок обращаются лишь к немногим общим принципам, которые мы можем добавить в наш список. Самые важные для наших целей следствия квантовой механики вытекают из её объяснения того, как атомы излучают и поглощают свет. В отличие от планет, вращающихся вокруг звезды, электроны не могут занимать какую-либо случайную орбиту у атомного ядра, вокруг которого они вращаются. Вместо этого их орбиты строго определены. Когда электрон переходит с орбиты, расположенной дальше от ядра, на орбиту, расположенную ближе, атомы испускают электромагнитное излучение (в том числе видимый свет), Точно так же атом поглощает излучение, когда электрон перемещается с внутренней орбиты на внешнюю. Частота испускаемого или поглощаемого излучения, которая в случае видимого света соответствует его цвету, зависит от разницы в энергии между исходной и конечной орбитами. Поскольку расположение допустимых орбит у атомов разных химических элементов обычно различается, спектр излучения, испускаемого или поглощаемого атомом, работает как своего рода отпечаток пальца, позволяющий нам идентифицировать этот атом. Это — основа для области науки под названием спектроскопия; мы обсуждаем её в главе 5. В этой главе мы утверждаем, что данное следствие квантовой механики является нашим лучшим инструментом, позволяющим делать заключения относительно наличия жизни вокруг других звёзд. Таким образом, понимание вселенной сводится к отысканию немногих универсальных законов вроде тех, что обсуждались выше. Огромное упрощение, начавшееся с Ньютона, позволяет нам надеяться, что такое же упрощение сработает и в будущем, когда мы обратимся к новым областям науки. Это ещё и движущая сила, стоящая за попытками современной физики найти то, что лишь с долей шутки называют «теорией всего». Это было бы единое уравнение, из которого можно было бы вывести все вышеперечисленные принципы, а также те, которые ещё только предстоит открыть. Она, как следует из её названия, объясняла бы всё. Конечно, сейчас мы ещё даже не приблизились к тому, чтобы найти эту теорию всего, и многие серьёзные учёные сомневаются в том, что она вообще существует. Для того, чтобы начать поиски жизни в иных местах Вселенной, она нам не нужна, но было забавно представить себе, как могла бы выглядеть передовая технология, основанная на теории всего. Принцип Коперника Второй великий принцип, которым мы будем руководствоваться в нашем исследовании жизни на экзопланетах, обычно ассоциируется с польским священнослужителем Николаем Коперником (1473-1543), который известен тем, что создал математическую модель Солнечной системы, где в центре находится не Земля, а Солнце. Это был первый шаг на пути к нашему нынешнему пониманию того, что в нашей родной планете нет ничего особенного. Наш мир — это всего лишь один каменный шар, вращающийся вокруг обычной звезды в неинтересной части обычной галактики — одной из миллиардов в видимой части вселенной. Некоторые люди выражали глубокое сожаление по поводу такого взгляда на Вселенную, как будто он каким-то образом унижал человеческую расу. Мы предпочитаем рассматривать этот шаг вперёд с иной точки зрения, потому что для нас наша планетарная заурядность — это драгоценный дар. Она означает, что законы природы, которые мы открываем здесь и сейчас, действуют по всей Вселенной, и что так было всегда. Древние греки, люди, поставившие нас на путь, ведущий к современной науке, разработали совершенно иную теорию устройства Вселенной. В их космологии Земля находилась в центре творения, отличаясь от всего остального — особенная. На Земле было четыре стихии, которые составляли всю материю: знакомые земля, огонь, воздух и вода. На небесах, однако, существовала иная стихия, называемая эфиром или квинтэссенцией. Более того, на небесах всё было идеально — небесные сферы несли планеты и звёзды по своим круговым (более или менее) путям, и, в отличие от Земли, сами небесные тела были безупречны. (Кстати, открытие Галилеем при помощи телескопа кратеров на Луне и пятен на Солнце противоречило этой важной заповеди аристотелевской космологии.) Иными словами, для древних греков существовало два свода естественных законов, один из которых действовал на Земле, а другой — на небесах. И именно наш старый друг Исаак Ньютон залечил этот разрыв. По его рассказу, написанному много лет спустя, однажды он гулял в саду своих родителей и увидел, как яблоко упало с дерева, и в то же самое время увидел Луну в небе. Он знал, что падение яблока объясняется «земной» гравитацией — силой, которая, помимо всего прочего, была тщательно изучена Галилеем. Однако он также знал, что Луна движется не по прямой, а по круговой орбите вокруг Земли. Из своего первого закона движения (см. выше) он понял, что на Луну, чтобы удерживать её на орбите, должна воздействовать сила — иначе она просто улетит в космос. Он задался вопросом, который кажется нам очевидным, однако нужно быть гением, чтобы задать его в первый раз: может ли быть так, что сила, заставляющая яблоко падать, — это та же самая сила, что удерживает Луну на орбите? Ответ, конечно же, «да», и сегодня мы понимаем, что сила, которую он описал, воплощена в законе всемирного тяготения. Иными словами, между земной и небесной гравитацией нет никакой разницы. Это осознание стало первым доказательством, подтверждающим принцип Коперника — законы физики и химии, действующие здесь, на Земле, — это те же самые законы, которые действуют повсюду во Вселенной. С 17 века накопилось огромное количество данных, подкрепляющих это утверждение. Мы можем посмотреть на свет, который излучает тот или иной атом в земной лаборатории, и сравнить его со светом, излучаемым таким же атомом в отдалённой части нашей галактики (или, если уж на то пошло, в другой галактике). Свет тот же самый. Мы можем посмотреть на распад радиоактивных ядер, образующихся при вспышках сверхновых в галактиках на расстоянии миллиарда световых лет, и сравнить его с распадом тех же ядер прямо здесь. Опять же, в обоих случаях они одни и те же. Данные очень определённые — на Земле нет ничего особенного, и те законы, которые действуют здесь, действуют везде. Точка. Кроме того, нам следует понимать, что, когда мы смотрим на галактику в миллиарде световых лет от нас, мы видим тот свет, который был испущен миллиард лет назад и с тех пор находился в пути. Иными словами, мы смотрим в прошлое. Та же гора доказательств, описанная выше, показывает, что атом в той далёкой галактике, когда он появился в прошлом, ничем не отличается от атома в нашей лаборатории, который мы измеряем в настоящее время. Законы физики и химии, которые действуют сейчас, действовали всегда. Ещё раз точка. Таким образом, как мы говорили в предыдущей главе, нам уже многое известно о природной среде, существующей на экзопланетах. Мы знаем, что горстка законов, описанная выше, будет действовать на этих экзопланетах ровно так же, как на Земле. Это позволит нам определить свойства форм жизни на этих экзопланетах, но одновременно ограничит наше воображение. Например, вымышленный летающий дракон, о котором мы говорили выше, всё равно должен работать в соответствии с законами движения Ньютона, как бы экзотично он ни выглядел. Иными словами, будет разрешено существование только тех форм жизни, которые соответствуют известным законам. Давайте же, держа это в голове, обратимся к вопросу о законах, управляющих живыми системами. 3 ЖИЗНЬ ЧТО ЖЕ ЭТО ТАКОЕ? Все мы практически уверены, что знаем, что такое «жизнь», и практически уверены, что узнаем её, когда увидим, но дать определение этому понятию всегда было чертовски трудно. Что именно характеризует то, что мы называем жизнью? Главная проблема заключается в том, что жизнь на Земле (единственная жизнь, о которой мы знаем) чрезвычайно сложна и разнообразна. Кроме того, между живым и неживым, как представляется, разверзлась зияющая пропасть — пропасть, которую следует описать и учитывать в любом из определений жизни. Как и следовало ожидать, история размышлений на тему точного определения жизни очень долгая. Например, Аристотель утверждал, что для того, чтобы быть живым, нечто должно иметь как материальное тело, так и нематериальную «форму», причём эта форма является его душой. Позже это утверждение переросло в представление о том, что живое от неживого отличает некая нематериальная жизненная сила. Представление о том, что присутствие жизни требует таинственной нематериальной силы, названное витализмом, исчезло под натиском клеточной и молекулярной биологии в 19 и 20 веках. Сегодня мы признаём, что на молекулярном уровне живые системы действуют в соответствии с теми же законами химии, что и всё остальное, — просто они, как правило, оказываются более сложными. Тем не менее, огромное разнообразие жизни на Земле делает поиск простого определения для этого слова чрезвычайно трудным — и действительно, многие учёные в наши дни утверждают, что простое определение невозможно. Для наших целей полезно будет знать три основных современных пути решения людьми этой проблемы: определения жизни, основанные на перечне свойств, определения, основанные на процессе, и определения, основанные на науке термодинамике. Давайте рассмотрим эти категории по отдельности. Определения по перечню свойств Люди, которые используют первый из классов определений жизни, составляют список свойств, приписываемых живым системам, и далее утверждают, что всё, обладающее всеми этими свойствами (или, может быть, большей их частью), является живым. И напротив, всё, что лишено всех или многих из этих свойств, не может быть живым. Список, который вы найдёте в типичном учебнике биологии, потребует, чтобы живая система обладала следующими характеристиками и способностями: Адаптация: способность меняться в ответ на долгосрочные изменения в окружающей среде Рост: способность меняться и развиваться с течением времени Гомеостаз: способность поддерживать стабильное внутреннее состояние (например, температуру человеческого тела) Обмен веществ: способность перерабатывать внешние ресурсы (как люди поступают с пищей) Организация: состоит из одной или большего числа клеток Размножение: обладание способностью к воспроизводству Реактивность: способность реагировать на краткосрочные изменения в окружающей среде Конечно, проблема с такого рода перечнями заключается в том, что, как только вы составили один такой список, появляется некто, чтобы продемонстрировать пример объекта, явно живого, но не обладающего всеми перечисленными признаками. Например, мул — помесь лошади и осла — вполне очевидно является живым, но не может размножаться. Физик Дэниел Кошланд указал на ещё более забавный контрпример, когда заметил, что, если кролик не способен размножаться в одиночку и, следовательно, не является живым в соответствии с этим списком, два кролика вместе способны к размножению и, следовательно, являются живыми. Очевидно, что включение в список возможности воспроизводства сопряжено с проблемами. Одним из способов обойти эту трудность будет утверждать, что нечто является живым, если соответствует многим, но не обязательно всем критериям из перечня — по сути, принимать то, что специалисты в области права называют стандартом «перевеса доказательств». Но тогда, конечно же, вы сразу сталкиваетесь с проблемой принятия решения о том, что можно исключить из списка. Яркий пример проблем, связанных со стандартом перевеса доказательств, иллюстрируется поиском жизни на Марсе. Когда в 1976 году туда прибыли спускаемые аппараты «Викинг», существовали большие надежды на то, что они обнаружат свидетельства жизни на Красной планете. На этих аппаратах было проведено не менее четырёх экспериментов, каждый из которых был разработан для поиска различных химических следов метаболизма земного типа в марсианской среде. Мы подробно поговорим об этих экспериментах дальше, но на данный момент просто отметим, что основная логика программы «Викинга» заключалась в том, чтобы определить жизнь при помощи «списка», который содержал только один пункт: обмен веществ земного типа. Как только начали поступать данные, люди быстро предложили способы, посредством которых эксперименты могли бы дать положительные результаты из-за влияния неживых источников — в данном случае химических реакций в марсианской почве. Многие учёные утверждают, что десятилетия споров, последовавшие за посадкой «Викингов», были, как минимум, отчасти вызваны ограниченностью определения жизни, заложенного в схему эксперимента. Одна из ярких иллюстраций проблем со «списочным» подходом к определению жизни показана в эпизоде телесериала «Звёздный путь: Следующее поколение», где робот-андроид по имени Дейта утверждал, что огонь можно считать живым. Как-никак огонь потребляет материалы из окружающей среды, перерабатывает их и производит отходы. Он растёт, размножается и реагирует на окружающую среду. Таким образом, огонь удовлетворяет большинству пунктов списка (отсутствует только требование гомеостаза), но мало кто из нас захотел бы утверждать, что он живой. Новая наука экология позволяет нам подойти с иной стороны к использованию списка признаков для формулировки определения жизни. Вместо того чтобы рассматривать свойства отдельного организма, эколог смотрит на то, как этот организм вписывается в сложную сеть взаимосвязей, составляющих экосистему, частью которой он является. Пожалуй, самым известным проявлением этой точки зрения является так называемая гипотеза Гайи. Эта точка зрения, которую представил эколог Джеймс Лавлок, предлагает нам рассматривать всю Землю, и одушевлённую, и неодушевлённую её части, как нечто похожее на единый живой организм. Эта гипотеза обычно используется для предсказания того, что различные системы на Земле будут функционировать вместе для создания стабильной среды, в которой сможет процветать жизнь. (Следует отметить, что в древнегреческой мифологии Гея была изначальным божеством, прародительницей всего живого.) Гипотеза Гайи подверглась критике, потому что настоящая геологическая история Земли полна экстремальных событий, которые мешают рассматривать планету как продукт хрупкого экологического баланса. Например, имели место события так называемой «Земли-снежка», когда вся поверхность планеты (включая океаны) полностью замерзала лишь для того, чтобы оттаять в результате массовых извержений вулканов. И хотя мы вряд ли можем не согласиться с мнением о том, что живые существа на Земле являются частями расширенных экосистем, всё, чем экологическая точка зрения поможет нам в формулировке определения жизни — она просто добавит ещё один пункт в приведённый выше список: для того, чтобы нечто считалось живым, оно должно быть частью расширенной экосистемы. Но, даже если это может быть верным для живых существ на Земле, нет никаких причин, по которым это должно быть верно для жизни на экзопланетах. То же самое можно сказать и в отношении требования о том, чтобы живые системы были организованы в виде клеток. Хотя жизнь, похожая на нас, однозначно связана с клетками, нет никаких причин, по которым жизнь на экзопланетах также должна обладать этим признаком. Фактически, многие из свойств, указанные в приведённом выше списке, совершенно очевидно применимы к жизни на Земле, однако столь же очевидно, что они не обязательно применимы к жизни на экзопланетах. Поэтому, хоть мы и будем помнить об этом перечне признаков во время движения вглубь галактики, нам также следует помнить о том, что зацикливаться на его полезности не следует. Определения, основанные на процессе В 1994 году, только-только приступив к поиску жизни в других частях галактики, НАСА созвало группу учёных, чтобы решить вопрос о том, какое определение ей дать. Следуя предложению астрофизика из Корнелла Карла Сагана, они определили жизнь как «самоподдерживающуюся химическую систему, способную к дарвиновской эволюции» — это определение стало известно как «определение НАСА». Хотя оно явно ориентировано на Землю, мы находим его полезным для рассуждений о возможных формах жизни на экзопланетах. Процесс, называемый «дарвиновской эволюцией», также называется естественным отбором, и мы утверждаем, что он с достаточной степенью вероятности будет обнаружен на подавляющем большинстве экзопланет. Вот, как она работает на Земле: каждый организм получает генетический материал от своих родителей, и этот генетический материал влияет на свойства, которые проявляются у организма. Данные свойства, в свою очередь, играют важную роль в определении возможности организма прожить достаточно долго для передачи этого генетического материала другому поколению — такой процесс часто называют выживанием наиболее приспособленных. Признаки, которые позволяют это сделать, будут накапливаться в популяции. Таким образом, со временем естественный отбор создаёт организмы, приспособленные к окружающей среде, и это привело к появлению того разнообразия форм жизни, которое мы наблюдаем на нашей планете. Но если утверждение о том, что каждый живой организм на Земле представляет собой продукт естественного отбора, является верным, из этого не обязательно следует, что нечто, не являющееся продуктом естественного отбора, не может быть живым. Мы рассмотрим некоторые примеры этого в главе 16, когда будем говорить о жизни, совершенно не похожей на нас.