Вернуться к содержанию номера: «Горизонт», № 10(48), 2023.

О возможности появления жизни на других планетах в фантастике всегда говорить легче, чем в науке: ведь ученые-то знают, насколько тёмен вопрос о происхождении жизни на нашей собственной планете… Тем не менее те, кто стремится «лишить» жизнь шанса на естественное возникновение (в последнее время их много развелось!), в ниспровергательском азарте обычно пользуются сильно завышенными числами. А вдобавок забывают, что «изначальные организмы» были куда более простыми, чем нынешние даже самые простейшие, так что им не было нужды иметь столь сложные белки и пр., как у современных нам.

Тем не менее выслушаем некоторые из самых распространенных «опровержений»:

— В современном мире создать идеальные условия в лаборатории для синтеза сложных органических веществ намного легче, чем в первозданном мировом океане. Но, несмотря на все старания ученых, направленного синтеза «новой жизни» так не получилось до сих пор.

На самом деле — это большой вопрос… Учитывая, что вообще-то даже не ясно точно, что эти «идеальные» условия должны собой представлять. Мнения об этом тоже менялись…

Гипотеза самозарождения тоже на месте не стоит, она развивается. Скажем, если первоначально полагали, что первыми должны были появиться белки, то сейчас считают, что первыми были РНК (не ДНК) — и, соответственно, тех предполагаемых древнейших жизненных форм, основанных на РНК, давно нет: РНК-содержащие вирусы — несколько не то. Впрочем, вироиды, возможно, действительно сродни «живым ископаемым» из гипотетического доклеточного РНК-мира… но ведь заниматься вироидами наука начала совсем недавно, а эволюционная биология по-настоящему обратила на них внимание менее десяти лет назад…

И, конечно, стоит учесть, что если взять объём мирового океана вместо объёма колбы и миллиарды лет вместо нескольких часов (пусть дней, даже месяцев — все равно ничтожно мало) — то вероятность именно случайного образования какого-там-надо сочетания естественным образом возрастает. Кроме того, ещё ведь есть вопрос катализаторов….

— Ну не хочет неорганика или даже органика самоорганизовываться в клеточную оболочку, ядро, митохондрии, хлоропласты и в прочие органеллы! Не хочет!

Она и не должна. Как выглядели предполагаемые первейшие живые организмы, никому не известно, однако точно они были гораздо более примитивными, чем современные органеллы, которые стали такими, какими мы их сейчас видим, в результате сотен миллионов лет эволюции.

Кроме того, такие рубежи существуют и в других областях знания. Пока не удалось составить полную картину того, как из законов физики вытекают законы химии, а из законов химии, в свою очередь, законы биологии. Вот не сходится где-то что-то, хотя считается, что законы химии несомненно основаны на законах физики… а законы биологии — на законах химии.

Так что мы отнюдь не достигли конца исследований, который даст абсолютно полную картину мира вокруг нас. И не достигнем: наука — не креационизм…

Теперь всё же поговорим о ксенобиологии: не обязательно о разумной жизни на иных планетах, но о жизни доклеточной, клеточной, многоклеточной — и вообще любой.

Происхождение

Вероятность появления жизни НЕ на углероде ещё меньше, чем на углероде, поскольку другие элементы дают куда меньше возможностей. Кроме того, CNO-элементы — углерод, азот, кислород — являются довольно распространенными во Вселенной. Кремния, серы, фосфора и хлора — гораздо меньше, хотя тоже заметное количество. Аргона, калия и железа — еще меньше. А фтора и вовсе мало.

У CNO-элементов больше возможных соединений, чем у любых других элементов. Поэтому считается, что вероятность найти во вселенной именно углеродную жизнь наиболее высока.

Далее: всякой жизни нужен для функционирования какой-то жидкий растворитель. Наиболее удачным из них считается жидкая вода. Ну, про нее мы знаем достаточно. Но есть и некоторые другие кандидаты.

Перспективными в этом плане считаются жидкий аммиак, нашатырный спирт (раствор аммиака в воде), углеводороды и серная кислота. В каждой из этих жидкостей есть определенные наборы сложных структур, которые в ней устойчивы.

Для воды это белки, жиры, углеводы. Для серной кислоты это силиконы — совместные полимеры кремния и кислорода, на Земле известные как герметики и смазки; такая жизнь будет комфортно существовать при жарких температурах от 100 до 300 градусов Цельсия. Для аммиака и нашатырного спирта это более азотосодержащие аналоги хорошо знакомых нам белков, жиров и углеводов, с аминными группами вместо гидроксильных и иминными вместо карбоксильных. Для такой жизни комфортной температурой будет порядка −50 градусов Цельсия. Для углеводородов это разная нестабильная при привычных нам температурах органика, состоящая из углеводородных цепей, полииминов, эфиров и нитрилов и использующая водородные связи. Такая жизнь будет процветать при криогенных температурах, порядка –150—170 градусов Цельсия.

Следует иметь в виду, что не все эти растворители могут образоваться на планетах в количестве, достаточном для образования гидросферы. В частности, аммиак из всей большой тройки распространенных льдов — самый неустойчивый к излучению и под его действием легко разлагается на азот и водород. Соответственно, у ярких звезд, чей спектр залезает в ультрафиолет, не будет планет, богатых аммиаком: искать их надо у тусклых красных карликов.

Дыхание

Какая атмосфера может быть пригодна для инопланетной жизни столь разных типов?

В принципе, дышать воздухом ей (жизни) вовсе не обязательно. Её энергетический цикл может быть никак не связан с атмосферой. Такое встречается и на Земле: к примеру, у глубоководных вулканических фумарол существуют формы жизни, берущие энергию из выбрасываемых в воду соединений серы. Такая экзотика, конечно, интересна ученым, но вряд ли заинтересует фантастов: вероятность её развития в разумных инопланетян крайне мала.

Допустим, они дышат воздухом. Тогда нужно определиться, какой газ для дыхания им нужен: восстановитель или окислитель?

Окислитель — во многих отношениях более выгодный выбор. Реакции органики с окислителями высокоэнергетические (энергия на порядок выше восстановительных), потому что органика сама по себе обычно проявляет восстановительные свойства. Дыша окислителем, существо получает огромные резервы энергии, которые может использовать, чтобы быстро передвигаться, пожирать других существ, расти, размножаться, отращивать мозги и осваивать абстрактное мышление. В качестве окислителя на Земле выступает кислород, и есть основания считать, что и на других планетах практически всегда будет он же: это очень распространённый элемент из CNO-категории.

Но есть еще бурый газ и веселящий газ — соединения азота и кислорода, которые тоже являются окислителями и состоят из тех же широко распространённых элементов. Есть хлор — он по распространению во Вселенной лежит на ранг ниже, но все равно довольно обычен.

В качестве окислителей теоретически могут выступать все перечисленные газы. Но они сначала должны откуда-то взяться.

Окислительная атмосфера сама по себе, без участия жизни, может сформироваться только в результате постоянного радиолиза льдов интенсивным облучением — что достаточно редкая ситуация. Во всех остальных случаях придется её создавать самим живым организмам — что и случилось на Земле во время так называемой кислородной революции, примерно 2,5 миллиарда лет назад.

Тем не менее возможны и формы жизни, которые дышат восстановителями. При углеводородной биохимии другого выбора и нет: появление окислителя в атмосфере углеводородной планеты привело бы к воспламенению морей и океанов.

Энергия при дыхании восстановителями (водородом, этаном, ацетиленом) образуется за счёт того, что углерод восстанавливается в метан. Но такой способ получения энергии куда менее эффективен, чем окисление, да и сами эти ксеносы могут жить при низких температурах, в результате получается неспешная, низкоэнергетическая, очень медленно развивающаяся биота. Однако у восстановительной атмосферы есть преимущество, которым не обладает окислительная: ее широчайшее распространение во Вселенной. Это атмосфера, которая естественным образом образуется у новосформированных планет. Её не надо создавать средствами самой жизни.

Не в меньшей степени, чем восстановительная, распространена инертная атмосфера, основными составляющими которой являются азот и углекислый газ. Но такая атмосфера совершенно не подходит для дыхания: эти газы не могут участвовать в реакциях, в результате которых выделяется энергия. Жизнь, которая образуется на таких планетах, должна получать энергию каким-то иным путём. Например, древнейшие бактерии Земли, зародившиеся в раннеархейскую эру (когда атмосфера у Земли была инертной, вернее слабовосстановительной: 90+ % углекислого газа, по несколько процентов азота и водорода и в следовых количествах остальное: свободного кислорода практически не было), получали энергию, окисляя железо и серу. Другие древние микроорганизмы, археи-метаногены, дышали водородом, который в архейскую эру был вполне обычен в атмосфере; эти микроорганизмы сохранились и до нашего времени в узких экологических нишах, и именно благодаря им мы знаем, что водородное дыхание возможно. А появившиеся тогда же цианобактерии научились питаться исключительно солнечным светом, и… побочным продуктом их жизнедеятельности был кислород. В конце концов они так много его «надышали», что преобразили атмосферу и поверхность Земли.

Отныне на поверхности могли существовать лишь горные породы и минералы, устойчивые к кислороду и не растворяющиеся в воде. Безудержно размножаясь, примитивная жизнь поглотила и связала в своих телах и в продуктах своего обмена веществ почти весь свободный углерод и водород в меле, известняке и воде. В конце концов кислорода в атмосфере стало так много, что на границе атмосферы образовался озоновый слой.

Напоминаем, что изначальная земная жизнь возникла в нейтральной атмосфере и кислород был для неё смертельным ядом. Но всего за какой-то несчастный миллиард лет комки неразумной белковой слизи изменили атмосферу и геологию целой планеты!

Хорошо, а что с подводной (или поджидкостной) жизнью? А она все равно использует для дыхания или какой-то газ, растворённый в жидкости, или какие-то растворённые твёрдые соединения (как те же железобактерии и жители подводных фумарол).

Проблемы колонизации

Но представим, что инопланетная жизнь использует все те же реакции, что и наша: она тоже дышит кислородом, состоит из белков, жиров и углеводов, в качестве растворителя использует воду. Можно радоваться, вторгаться к ним, отбирать у них их еду и охотиться на их зверей?

Не спешите.

Жизнь на Земле построена на специфическом наборе соединений. Из тех же родных нам элементов могут быть сформированы и другие аналогичные соединения, которые породят биохимию, очень похожую на нашу, но с нашей всё равно несовместимую. Другие аминокислоты и другие азотистые основания в геноме.

Белок при пищеварении мы разлагаем именно на аминокислоты. И если инопланетные аминокислоты окажутся непохожи на наши, их биохимия будет несовместима с нашей. Наши аминокислоты — лево-энантиомерные. Такие же аминокислоты, но зеркально отражённые (декстро-энантиомерные) по свойствам не отличаются от наших, могут быть основой аналогичных белков, но с нашими «не бьются». А сахара нам нужны, напротив, декстро-энантиомерные: попытка откушать «левого» сахара приведёт только к тому, что едока прошибёт понос.

Атмосфера у чужой планеты с развитой жизнью, даже если она кислородная, тоже может подкинуть сюрпризов. Например, местная жизнь прекрасно себя чувствует при парциальном давлении азота в 5 атмосфер — а вот человеку такое уже сильно неполезно вдыхать: будет азотный наркоз. Зато если высокое давление создаёт какой-то лёгкий инертный газ, например гелий, а парциальное давление азота и кислорода близко к земному, то для человека такая атмосфера будет безвредна.

Собственно, человеку с его тонкой настройкой именно на условия земной атмосферы много где может поплохеть: допустим, в атмосфере другой планеты давление — одна земная атмосфера, кислорода столько же, сколько на Земле, но углекислого газа практически нет, и он замещён азотом и инертными газами… Так вот, там есть риск хлопнуться в обморок и даже умереть: дыхательный центр в мозге, реагирующий на углекислый газ, не среагирует и не отдаст команду на автоматический вдох. В таких случаях для колонистов может понадобиться «изобрести дыхание» — то есть сделать рефлекторный навык контролируемым или носить специальную маску, которая улавливает выдыхаемую углекислоту и часть её направляет назад на вдох.

Повышенное содержание кислорода в атмосфере тоже вредно — при его содержании даже в 25—35 % в атмосфере или при повышенном давлении всего на 15—20 % будет просто «отравление кислородом» из-за чрезмерного насыщения им крови, что приводит к связыванию клеток гемоглобина кислородом и их недостатку для удаления углекислого газа, доля которого будет расти. Исходом станет обморок, нарушение клеточного обмена и последующая смерть. Также даже самые незначительные раны будут приводить к страшнейшим воспалительным процессам.

Поиск

На каких планетах возможно существование жизни всех перечисленных категорий? Начнем с жизни, подобной земной, как наиболее хорошо известной науке. У неё много преимуществ: она использует только широко распространенные CNO-элементы в качестве основных. Она по большей части основана на высокоэффективном дыхании кислородом. Она использует воду — один из широко распространенных во Вселенной льдов. Поэтому высоки шансы, что большая часть инопланетян разовьется на аналогичной биохимии, а всякой экзотики мы встретим существенно меньше.

Как ищут потенциальные места обитания такой жизни? Ключевым фактором является жидкая вода. Везде, где есть жидкая вода, может быть и жизнь, подобная земной. Кислород вторичен: древнейшая земная жизнь развивалась без него, в инертной атмосфере. А вода первична: без неё белковой жизни нет. Итак, где учёные ищут воду?

В так называемой «Зоне Златовласки» вокруг звёзд. Это тот диапазон орбит, на которых планета, подобная Земле, будет иметь температуру, подобную Земле. При обнаружении экзопланеты, входящей в эту зону, астрономы очень радуются, хотя это само по себе ещё не гарантия: планета может быть углеродной, безводной, лишенной твердой поверхности и даже океанского дна, да мало ли что ещё?

В водно-ледяных лунах. Спутники газовых гигантов, подобные Европе и Энцеладу, могут иметь тёплые подлёдные озёра или даже целые океаны тёплой воды за счёт приливного разогрева и вулканизма. О существовании таких озёр на Энцеладе известно достоверно: спутники наблюдали выбросы воды через трещины во льду (есть мнение, что в этой воде высокое содержание щёлочи, но даже на Земле есть живые организмы, которые не боятся щёлочи). О подлёдном океане Европы известно почти достоверно: все косвенные свидетельства указывают на его существование, но состав его неизвестен, выбросов воды оттуда ученые не наблюдали. Поскольку с кислородом там, скорее всего, всё грустно (а с солнечным светом и продуцентами-фотосинтетиками всё грустно без сомнений), на таких лунах могут обнаружиться только формы жизни, использующие экзотические источники энергии вроде тех же серы или железа.

Не следует забывать и о том, что в Солнечной системе есть одна «планета», похожая на Землю, но с углеводородами вместо воды и восстанавливающей атмосферой. Речь, конечно, о Титане, спутнике Сатурна. Это ещё одно место, где учёные надеются обнаружить жизнь совсем рядом, причём это будет не хорошо знакомая белково-водная жизнь, а интереснейшая экзотика, состоящая из малоизвестных углеводородных соединений и дышащая восстановителями вроде ацетилена, угарного газа или цианистого водорода. Однако содержание газов-восстановителей в титанской атмосфере весьма невелико, так что жизнь там если и есть, то только начинает зарождаться и колонизировать этот холодный мир.

Ксеноанатомия

Самая гадательная область ксенологии, но, прежде чем вводить разумных «тараканов», «ящериц», «лягушек», старайтесь держать в уме анатомию именно земных их аналогов. Разум требует развитого мозга, а он в свою очередь требует очень много энергии. При этом игнорируемый многими факт: двуногость дает огромную энергетическую выгоду. Дневные энергетические потребности взрослого мужчины, занимающегося тяжелым физическим трудом, составляют 4000—5500 ккал — 55—75 ккал на кг веса тела. Для сравнения: домашней собаке нужно 120—200 ккал/кг, а кошачьим — 100—200 ккал/кг (у домашней кошки, спящей по 12—14 часов в день, и то 50—75 ккал/кг!). То есть собаке с весом человека нужно вдвое больше еды. Поэтому появление каких-то многоногих ксеносов должно быть обосновано необычайно питательной и богатой средой обитания, но тогда ещё придется обосновывать, какие факторы естественного отбора вообще могли привести к появлению разума… и вот тут появляется повод думать о его искусственном происхождении.

Разумные тараканы — при размерах тела, близких к людским, дыхание и обмен веществ диффузионным способом уже невозможны, а значит, требуется либо система нагнетания и газового, и жидкостного трактов, из-за чего тараканы уже перестают быть тараканами, либо огромная плотность атмосферы, в десятки раз выше земной. Не помешает и обоснование, как возникла там жизнь в условиях парникового эффекта.

Фторная жизнь

Возможна теоретически, но крайне маловероятна из-за редкости фтора как элемента. Представить себе условия, в которых этот рассеянный по Вселенной элемент соберётся где-то в таком количестве, чтобы получилась целая планета его соединений, крайне трудно.

Жизнь из расплавленного кремния

Длинных молекул, способных продолжительное время существовать и участвовать в сложных реакциях при температуре вулканической лавы, науке не известно. Самая «жаркая» ксеножизнь из предполагаемых в реальности — на основе силиконов и серной кислоты, её верхний предел +300 градусов Цельсия. То есть на Венере у поверхности уже смертельно жарко даже для них.

Собственно, и с кремниевоорганической жизнью (примерный аналог нашей углеродной, но с кремнием вместо углерода) тоже будут большие проблемы. В земных условиях оксид углерода — газ, а оксид кремния (кремнезём) — твёрдое вещество с температурой плавления 1600 градусов по Цельсию. Выделять при дыхании газ куда проще, чем порошок.

Так что вторжение на Землю кремнийорганических монстров или создание суперсолдат с твёрдой непробиваемой кожей нам точно не грозит.