Что считать жизнью? (Выпуск 1)

Глава 1. Что вообще считать жизнью? Почему определить это не так просто

Суть главы: Формулирование научного критерия живой материи и сложности универсального определения жизни.

Основные темы: Классические признаки жизни, такие как движение, размножение и обмен веществ, имеют исключения в неживой природе. С активизацией космических исследований НАСА потребовалось четкое определение для поиска внеземных организмов. Ученые пришли к формулировке жизни как химической системы, способной к дарвиновской эволюции, которая требует цифрового кодирования информации.

В научной фантастике вы конечно много раз встречали изображение жизни которая отличается от нашей земной по химической основе. Больше всего фантасты конечно любят жизнь на основе кремния. Имеем ли мы шанс найти жизнь основанную на другой химии где-то за пределами Земли, на других объектах Солнечной системы или на планетах у других звезд?

И начать надо с вопроса, а что мы будем вообще считать жизнью? На Земле мы более-менее привыкли, что живое, а что не живое, и как-то его отличаем. Но если мы встретим на другой планете что-то совсем странное, как мы будем решать, живое оно или не живое. По каким признакам отличать. Обычно называют обмен веществ, движение, размножение, дыхание как часть обмена веществ, реакцию на окружающую среду. Действительно эти признаки помогают отличить живое от неживого, но из любого из них есть исключения.  

Например берем крепкий рассол, выращиваем в нем большой кристалл соли, достаем, разбиваем молотком, осколки кладем в другие банки с рассолом, где из них опять растут большие кристаллы. Размножение. Кристалл соли живой. Очевидно, что кристалл соли не считается живым, несмотря на способность к росту. Кристалл соли живым считать не будем, хотя он в принципе может размножаться.  

Дальше обмен веществ. Очень многие объекты неживой природы, например минералы, тоже меняют со временем свой химический состав, обмениваются отдельными молекулами с внешней средой. Особенно если их подогреть в условиях горячих источников или вулканов. Выветривание, метаморфизм, все это примеры обмена веществ в неживой природе.  

Движение. Ветер и морские течения живые? Они могут создавать довольно сложные движущиеся структуры, например смерчи. Любой признак тут к сожалению не абсолютный.  

По совокупности всех этих признаков многие люди считают, что вирусы например неживые, потому что у них нет обмена веществ. Допустим, четыре признака из пяти выполнено, значит считаем живым. 

Примерно в таком состоянии были споры об определении живого большую часть истории науки.  

Дело изменилось, когда к этому вопросу примешались большие деньги. Это время наступило примерно в 80е годы, когда НАСА всерьез занялась астробиологией, собственно поиском жизни на других планетах. Организаторы космических исследований довольно быстро осознали, что если где-то их зонд встретит странную жизнь, не похожую на земную, и не сможет ее познать как жизнь, то во-первых это будет очень обидно, во-вторых, они сильно рискуют, что на них наедут конгрессмены за бездарно потраченные миллиарды долларов. И вот чтобы такого с ними не случилось, они пригласили много ведущих ученых, биологов, химиков, геологов и других специальностей, с тем чтобы как-то постараться этого избежать, чтобы понять, что мы можем ожидать от любой жизни, не только земного типа.  

Определение, которое они в итоге родили к началу двухтысячных годов, звучит очень коротко и просто. Жизнь это химическая система, способная к дарвиновской эволюции. Химическая, то есть состоит из веществ, и там происходят химические реакции между этими веществами. Способная к дарвиновской эволюции, это что такое, как это увидеть.  

Для того чтобы какая-то система могла эволюционировать по Дарвину, необходимо и достаточно четыре условия. Во-первых размножение, система должна создавать свои копии. Во-вторых мутации, часть копий должны иметь отличия от оригинала, копирование не должно быть совсем точным. В-третьих должна быть наследственность, эти ошибки копирования должны передаваться следующим поколениям. Здесь опять вернусь к примеру с кристаллом соли. При росте кристаллов из раствора в нем могут возникать дефекты, отклонения в структуре кристаллической решетки, но следующим поколениям кристаллов они передаваться не будут. Структура кристалла определяется его химическим составом в первую очередь, а не теми дефектами, которые были в затравке, из которой он вырос. То есть в случае кристалла соли мы видим размножение и мутации, но мы не видим наследственности. И четвертое условие, для того чтобы эволюция по Дарвину пошла, это отбор. Разные копии с разными ошибками должны иметь разную вероятность копироваться дальше, кто-то будет копироваться лучше, кто-то хуже. Этих четырех условий необходимо и достаточно.  

Можно устроить такую дарвиновскую эволюцию у себя на компьютере. Существуют среды эволюционного программирования, где вы задаете критерии отбора, и из случайной последовательности букв через много тысяч поколений получится программа, которая будет выполнять ту задачу, которую вы ей в критерии отбора поставили. Не для всех задач это работает одинаково хорошо, но эволюционным программированием вообще в индустрии пользуются, например для систем распознавания изображений или для системы управления спутником на орбите. Конечно операционную систему таким способом не напишешь, но вот для частных приложений эволюционное программирование вполне работает. Там идет ровно тот же дарвиновский естественный отбор и мутации, как и в биологии. Но жизнью мы это не считаем, потому что в компьютере нет химических реакций, программы, которые эволюционируют в этой среде, не имеют никакого отношения к химии.  

Значит условий два: химическая основа и способность к дарвиновской эволюции, которая дальше включает в себя еще четыре условия. Из этого все остальное, что перечисляют, уже вырастает. Отсюда будет вырастать обмен веществ, отсюда у эволюционно продвинутых форм жизни будет вырастать движение. Далеко не все организмы двигаются, растения как правило не двигаются, как вы знаете. Отсюда же будет вырастать раздражимость, которой обладают практически все живые организмы на нашей планете. Все остальное из этого определения дальше следует.  

Условие, чтобы была эволюция по Дарвину, дает нам уже некоторые ограничения того, как организм должен быть устроен. Можно доказать, что наследственная информация должна быть записана в цифровой форме, то есть чтобы ее можно было представить конечной последовательностью цифр или букв, чтобы мутации возможны были только скачками, чтобы бесконечно малых мутаций не было. В этом случае генетический материал имеет некоторый запас прочности. Если генетическую информацию записывать в какой-то аналоговой форме, например концентрациями разных веществ, то любой, даже самый минимальный шум, вызываемый тепловым движением молекул, от которого уйти никуда нельзя, будет эту генетическую информацию разрушать.  

Приведу такой пример. Вы знаете, какая доза радиации смертельна для человека? (Разбирал тему влияния радиации на живые организмы в занимательной радиции) Написано, что десять грей. Что такое грей? Один джоуль поглощенной энергии на килограмм. То есть для человека массой семьдесят килограмм это получается всего лишь семьсот джоулей энергии. Это очень-очень мало по всем нашим энергетическим масштабам. Когда вы выпиваете стакан горячего чая, вы получаете тепловой энергии гораздо больше этих семисот джоулей, во много раз. 

Но от горячего чая от одного стакана почему-то никто не умирает, а от семисот джоулей радиации умирают практически всегда. Дело тут в том, что тепловая энергия, сколько бы ее ни было, она распределена маленькими порциями, каждая из которых не превышает предел прочности молекулы ДНК, а также не превышает предел прочности белковых молекул и других веществ, из которых состоят наши клетки. 

А в случае радиации энергия маленькая, но она упакована в большие порции, и каждая порция заведомо превышает все эти пределы прочности и разрывает любую молекулу, в которую попадает. И в случае если это разрыв в молекуле ДНК, то он имеет довольно тяжелые последствия. Несколько разрывов на клетку еще можно починить, но когда их сразу сотни или тысячи, это уже смертельно. Если бы геном был аналоговым, мы бы от любого внешнего воздействия, от любой температуры выше абсолютного нуля погибали бы так же, как от радиации. К счастью такого нет, то есть генетическую информацию надо записывать в цифровой форме. 

В следующем выпуске "Почему жизнь на Земле основана именно на углероде"

А как вы думаете: если мы все-таки встретим инопланетную жизнь, на что она будет больше похожа: на привычные нам белковые организмы или на что-то совсем экзотическое, о чем мы пока даже не догадываемся?

Где лично для вас проходит граница между живым и неживым? Считаете ли вы вирусы или кристаллы в рассоле хотя бы частично "живыми"?

Как вы считаете, справедливо ли определение НАСА, что жизнь - это обязательно химическая система? Можно ли считать жизнью, например, самообучающийся ИИ или сложные информационные структуры, если они смогут эволюционировать по Дарвину?