Вселенская удача: почему мы выиграли главный приз космической лотереи

Фото: NASA

Мы все – обладатели выигрышного билета, что Вселенная начала печатать около 14 млрд лет назад – сразу после своего возникновения. Жизнь – результат тысяч невероятных совпадений. Шанс на победу был исчезающе мал, но вот мы здесь, держа в руках главный приз — собственное сознание. Насколько нам повезло? Давайте заглянем в космический «архив тиражей» и проверим номера на нашем выигрышном билете, а заодно попытаемся рассчитать вероятность каждого события, которое должно было случиться для возникновения сознательной жизни. Опираться мы будем на гипотезу уникальной Земли, начало которой положила одноимённая книга Питера Уорда и Дональда Браунли.

Галактический фильтр: правильные место и время

Фото: NASA

Жизнь, подобная земной, не может зародиться где угодно в галактике. Ей нужна «зона обитаемости» – особый регион, где соблюдается уникальный баланс благоприятно сложившихся условий.

Препятствия, между которыми приходится лавировать:

• Смертельная радиация. Слишком близко к центру галактики – частые взрывы сверхновых и активность чёрной дыры «стерилизуют» планетные системы.

• Недостаток «строительных материалов». Слишком далеко на окраинах – мало тяжёлых элементов (металлов), необходимых для формирования каменистых планет.

• Спокойная орбита. Орбита звезды, в системе которой может появиться жизнь, должна быть почти круговой, чтобы она не «ныряла» в опасные внутренние области галактики.

Фото: NASA

Солнечная система находится в уникальном регионе: между двумя основными спиральными рукавами нашей галактики – Персея и Стрельца. А спиральные рукава – это космические «фабрики», где царят силы, несовместимые с жизнью.

Здесь идёт активное звёздообразование: рождаются десятки тысяч новых, нестабильных звёзд; происходят частые взрывы сверхновых; бушуют молодые звёзды-гипергиганты, чья жизнь коротка и заканчивается колоссальным взрывом.

Кроме них – плотные звёздные скопления, где гравитационные взаимодействия могут разрывать планетные системы на части. И наконец высокая концентрация межзвёздного газа и пыли, которые не только поглощают свет, но и являются источником мощного жёсткого излучения.

Мы же находимся в рукаве Ориона, в таком локальном ответвлении. Если проводить аналогию, то можно сказать, что мы на спокойной сельской дороге между двумя крупными магистралями. Хотя по последним данным вполне вероятно, что через спиральные рукава мы проходили, и даже есть предположение, что наша система в них и зародилась, но так или иначе текущее положение исключительно выгодно.

Вероятность. По некоторым оценкам, только 1% звёзд галактики находятся в условиях, благоприятных для появления жизни, подобной земной. Если взять консервативную оценку, то вероятность для случайной звезды оказаться в безопасном галактическом «пригороде» составляет примерно 1 к 100.

Звёздный фильтр: идеальная система

Фото: NASA

Даже в «хорошем районе» галактики нужна правильная «семья» – планетная система с уникальным набором характеристик.

Благоприятные условия для возникновения жизни на этом этапе:

• Правильная звезда. Не слишком массивная (чтобы не сгореть быстро), не слишком тусклая (чтобы зона обитаемости была стабильной), спокойная по характеру (без смертельных вспышек). Звёзды класса G, подобные Солнцу, составляют около 7% звёзд Млечного Пути.

• Планета в «зоне Златовласки». Расстояние, где вода может существовать в жидком виде. Для Солнца это узкий коридор, в котором и находится Земля. Вероятность найти планету в такой зоне у солнцеподобной звезды относительно высока — около 20%.

• Великий защитник – Юпитер. Массивная планета на дальней орбите действует как гравитационный щит, перехватывая и отклоняя множество комет и астероидов, которые в противном случае бомбардировали бы внутренние планеты. Без такой защиты сложная жизнь не получила бы многомиллиардного «спокойного окна» для эволюции.

• Стабилизатор оси – Луна. Наша необычно крупная Луна стабилизирует наклон оси вращения Земли, предотвращая катастрофические колебания климата. Такая Луна, согласно ведущей теории, образовалась в результате редчайшего события — столкновения молодой Земли с телом размером с Марс. Опираясь на компьютерные модели, авторы книги «Уникальная Земля: почему высокоразвитая жизнь не является распространённым явлением во Вселенной» считают, что вероятность подобного удачного столкновения для планет земного типа в обитаемой зоне составляет менее 1%.

• Доставка воды. Вода, возможно, была занесена на молодую, ещё горячую Землю ледяными кометами и астероидами из внешней части системы – это сложный и не до конца понятный процесс. Хотя вода – распространённое вещество в космосе, такой сценарий требует удачного расположения ледяных тел и специфической динамики системы. Грубо оценим вероятность реализации такого сценария как 0,5 (50%). Заметим также, что существуют и иные теории возникновения воды на Земле.

Вероятность получить такую систему у звезды в галактике составляет 0,07 * 0,2 * 0,1 * 0,01 * 0,5 = 0,000007, или приблизительно 1 к 143 000.

Планетарный фильтр: от химии к биологии

Фото: Wikimedia Commons

Самый загадочный этап – зарождение жизни. Мы не знаем точного рецепта, но понимаем ключевые ингредиенты: жидкая вода, источник энергии (вулканизм, УФ-излучение), наличие ключевых химических элементов и, возможно, минеральные катализаторы (глины, сульфиды).

Важно разделять условия для возникновения жизни и для её существования. Например, термоацидофильные археи могут жить при температурах от умеренно высоких (50-60 °C) до экстремальных (выше 80 °C), что для других организмов смертельно, но зародиться в таких условиях они не могли.

Гипотеза «мира РНК»

Согласно трудам Евгения Кунина (например, книга «Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции»), жизнь, вероятно, началась с молекул РНК, способных и хранить информацию, и катализировать реакции. Лабораторные эксперименты по направленной эволюции РНК (метод SELEX) показывают, что вероятность случайного появления простейшей рибозимной активности в пуле случайных последовательностей составляет около 1 к 10¹⁵ (одна активная молекула на квадриллион).

Но если оценить триллионы литров «первичного бульона» или «первичной пиццы» в геотермальных водоёмах на протяжении десятков миллионов лет, то оценочное число химических попыток на ранней Земле могло превышать 10⁴⁰. На этом фоне квадриллион – не такое уж большое число.

Фото: NASA

Вероятность. Кунин и его школа подчёркивают, что при таких масштабах и времени событие перестаёт быть статистически невозможным. Если грубо экстраполировать полученные ими данные на условия Земли, то вероятность зарождения жизни на подходящей планете за приемлемое время составляет от 1 к 1 000 000 (оптимистично) до 1 к 10¹⁵ (пессимистично). Возьмём среднее: приблизительно 1 к 1 000 000 000 (один к миллиарду).

Энергетический фильтр: Великая кислородная революция

Фото: NASA

Даже если жизнь зародилась, ей нужно было совершить энергетический прорыв. Этим прорывом на Земле стало появление кислородного фотосинтеза – процесса, при котором цианобактерии научились преобразовывать энергию Солнца в химическую энергию, создавая органические вещества (сахара) из углекислого газа и воды, при этом выделяя кислород как побочный продукт.

Для всей анаэробной жизни того времени кислород был страшным ядом, разрушающим клетки, что привело к медленной трансформации планеты, или «великому окислению», которое произошло около 2,4 млрд лет назад. Это был первый в истории глобальный экологический кризис, вызвавший массовое вымирание живых организмов и навсегда изменивший химию океанов и атмосферы.

Однако этот процесс создал предпосылки для усложнения жизни: 

• начал формирование озоновый слой, который защитил организмы от смертельного ультрафиолета и позволил им выйти на сушу,
• кислородное дыхание даёт примерно в 16 раз больше энергии (в виде молекул АТФ) из одной молекулы глюкозы, чем бескислородное. Только такой мощный источник энергии мог впоследствии «прокормить» сложные многоклеточные организмы с большим мозгом.

Фото: NASA

Вероятность. Появление именно кислородного фотосинтеза – не тривиальный шаг эволюции. Это сложнейший молекулярный механизм, который появился на Земле лишь после сотен миллионов лет. Если за основу редкости взять долгий срок его «изобретения» и уникальность биохимического переворота, который он вызвал, то, по аналогии, его шансы можно очень грубо оценить как 1 к 1 000 000 (один к миллиону).

Эволюционный фильтр: cкачок сложности

Фото: Sinhyu Photographer / Shutterstock

Даже если жизнь зародилась в виде простых бактерий (прокариот), для появления сложных организмов нужен качественный скачок – возникновение эукариотической клетки (с ядром и органеллами).

Прокариоты (доядерные) и эукариоты (ядерные) — это фундаментальное разделение всего живого по типу клеточной организации. К первым относятся бактерии и археи – одноклеточные организмы без сложных внутренних отсеков. Ко вторым – организмы, чьи клетки имеют ядро, где хранится ДНК, и множество мембранных органелл, таких как митохондрии, что обеспечивает более сложную организацию. Клетки эукариотов крупнее бактериальных по длине примерно в 10 раз и в 1000 — по объёму.

Согласно основной теории, переход к эукариотам произошёл, когда одна клетка поглотила, но не переварила другую, и они начали сосуществовать. Поглощённая бактерия стала митохондрией — «энергетической станцией» клетки. Без этого энергетического прорыва сложная жизнь невозможна.

Все эукариоты на Земле — потомки одного-единственного события — слияния, которое произошло через примерно 2 млрд лет после появления прокариот. Это говорит о его чудовищной редкости.

Вероятность. Оценить почти невозможно. Но если за основу взять фактор времени (уникальное событие за ~2 млрд лет эволюции на идеальной планете), то можно предположить оценку, равную не менее чем 1 к 10 000 000 (один к десяти миллионам), а может быть, и ещё меньше. Британский биохимик Ник Лэйн и вовсе оценивает вероятность появления эукариот как исчезающе малую. По его мнению, это может означать, что вероятность рождения сложной разумной жизни на других планетах стремится к нулю.

Финальный, биологический фильтр: парадокс кембрия – взрыв, который изменил всё

Фото: StockMediaSeller / Shutterstock

Даже после миллиардов лет эволюции, появления эукариот и кислорода Земля оставалась планетой микробов и причудливых мягкотелых существ (эдиакарская биота). Чтобы родился знакомый нам мир животных, потребовался «кембрийский взрыв» (~540-485 млн лет назад) – «большой взрыв» эволюции, не имеющий аналогов.

За 20-25 млн лет произошло следующее:

Внезапное появление скелетов

Возникают организмы с раковинами, панцирями, зубами и внутренним стержнем (хордой). Кремний, фосфат кальция и карбонат кальция стали строительными материалами для «брони».

Изобретение почти всех типов строения

Появились предки всех современных животных: членистоногие (трилобиты, будущие насекомые и раки), моллюски (будущие улитки и кальмары), иглокожие (морские лилии), хордовые (наши далёкие предки) и десятки других, ныне вымерших, причудливых форм.

«Гонка вооружений»

С появлением первых активных хищников эволюция перешла в режим жёсткой конкуренции. Это привело к взрывному развитию:

• сложных органов: глаза, жаберные щели, кишечник, нервная система,
• активного поведения: плавание, рытьё нор, фильтрация воды, охота,
• экологических ниш: жизнь освоила всю толщу воды и дно, разделившись на хищников, фильтраторов, падальщиков.

Почему это «взрыв» и почему он маловероятен?

Фото: Danny Ye / Shutterstock

Парадокс скорости

До кембрия эволюция «медлила» миллиарды лет. Почему вдруг, за какие-то 20-25 млн лет, появилось такое фантастическое разнообразие сложных форм? Это противоречит классическим представлениям о постепенной эволюции.

Загадка триггера

Что запустило процесс? Была ли это генетическая революция, или некий экологический триггер, как, например, появление суперхищника, запустившее цепную реакцию адаптаций, или изменение химии океанов (накопление кальция), сделавшее строительство скелетов возможным – мы до сих пор не понимаем.

Уникальность события

За последние 540 млн лет ничего подобного по масштабу и скорости не повторялось. Были массовые вымирания и появления новых видов, но никогда – одновременного изобретения с нуля десятков принципиально новых конструкций тела.

Мир мог бы остаться планетой «вечных микробов», где эволюция продолжается, но так и не изобретает ни мозга, ни глаза, ни позвоночника. Не было бы ни динозавров, ни птиц, ни млекопитающих.

Фото: NASA

Вероятность. «Кембрийский взрыв» – это сверхбыстрая диверсификация в сложные, скелетизированные, экологически активные формы. Если рассматривать его как уникальное пусковое событие для всей макрофауны, его вероятность крайне мала.

Учитывая его уникальность в истории Земли и сложный набор совпавших условий, шансы на «кембрийский взрыв» на планете, уже имеющей эукариот, можно очень грубо оценить как 1 к 100 000 000 (один к ста миллионам). Это не просто фильтр, это – революция, которая могла и не случиться.

Ценность и редкость хрупкого чуда

Фото: NASA

Давайте теперь перемножим наши консервативные оценки, чтобы увидеть общую картину вероятности появления сложной жизни в галактике:

• Галактический фильтр. Шанс оказаться в безопасном «пригороде» 1 к 100.
• Звёздный фильтр. Шанс получить идеальную систему 1 к 143 000.
• Планетарный фильтр. Шанс, что химия перейдёт в биологию 1 к 1 000 000 000. 
• Энергетический фильтр. Шанс на кислородную революцию 1 к 1 000 000. 
• Клеточный фильтр. Шанс на появление эукариотической клетки 1 к 10 000 000. 
• Биологический фильтр. Шанс на «кембрийский взрыв» 1 к 100 000 000.

Перемножение этих вероятностей даёт число, которое даже не имеет простого названия. Оно показывает, что путь от космической пыли к разумному наблюдателю – это не просто удача. Это последовательность таких маловероятных событий, что они перестают быть статистикой и становятся уникальным феноменом. Каждый из нас – наследник невероятной удачи, растянутой на миллиарды лет.


Чуть глубже погрузиться в вопросы возникновения жизни на Земле и во Вселенной можно, посмотрев, например, вот эти видео:

• «Жизнь на Землю прилетела из космоса? Семихатов, Сурдин, Никитин»
  
  

• «Семихатов, Сурдин и Штерн летят к звёздам»