Какова вероятность появления жизни на экзопланетах? Изображение: static.techno-science.net
Ученые давно спорят о том, случайно ли на нашей планете появилась жизнь, ведь если ее возникновение – неизбежность и вопрос времени, то на просторах Вселенной мы явно не одиноки. В научном сообществе, однако, преобладает гипотеза «трудных шагов», предложенная британским физиком Брэндоном Картером в 1983 году. Согласно ей, возникновение разумных существ на любой планете — событие крайне редкое, поскольку эволюция медлительна и требует много времени. Несмотря на уверенность большинства ученых в том, что жизнь на Земле появилась в результате ряда крайне маловероятных событий, авторы нового исследования усомнились в базовых предпосылках гипотезы «трудных шагов» и пришли к совершенно противоположному выводу.
Гипотеза «трудных шагов»
Возраст Земли составляет около 4,6 миллиарда лет назад, однако человек разумный (Homo Sapiens) появился на ней примерно 300 000 лет назад. По расчетам астрономов, оставшийся срок обитаемости нашей планеты также составляет порядка нескольких сотен миллионов — максимум пары миллиардов лет. Если бы время, необходимое для появления сложной жизни, было заведомо короче существования Солнца, можно было бы ожидать, что разум появится гораздо раньше.
Именно это поразительное «совпадение» времен заметил Картер, изложил свою точку зрения в гипотезе «трудных шагов». Но поскольку мы возникли настолько «поздно» и уже близки к периоду, когда земная биосфера начнет деградировать, Картер заключил, что для эволюции разумных существ требуется цепочка труднопреодолимых этапов. Чем больше таких «шагов» и чем они маловероятнее, тем ближе к «концу» планетарной обитаемости должна была возникнуть разумная жизнь.
Гипотеза «трудных шагов» преобладает в научном сообществе, хотя и регулярно подвергается критике. Изображение: bigthink.com
Позже многие ученые развили эту идею, пытаясь выделить конкретные «сложные» этапы: возникновение жизни (абиогенез), появление клетки эукариотического типа, освоение фотосинтеза с выделением кислорода, формирование многоклеточных животных, возникновение человека и т. д.
Читайте также: Ученые узнали, с какого расстояния в космосе «видно» жизнь на Земле
С каждым таким «трудным шагом» связана гипотеза об уникальности перехода: если он уникальный, то вряд ли может повториться где-то еще. Согласно этой точке зрения, разум подобный человеческому должен быть огромной редкостью во всей Галактике (и, следовательно во Вселенной). Если подвести некий итог гипотезе Картера, можно сказать, что нам с вами просто повезло пройти такие промежуточные этапы как появление ДНК и отделение предков человека от приматов.
Критика
Авторы нового исследования, опубликованного в журнале Science Advances, поставили под сомнение базовые предпосылки этой идеи, предложив иную концепцию, способную объяснить «задержку» появления человека (без привлечения гипотезы о том, что эволюционные достижения сами по себе невероятно маловероятны).Для этого ученые посмотрели на проблему со стороны геобиологии — науки о совместной эволюции жизни и планеты.
Картер (и многие последователи гипотезы «трудных шагов») фактически считал Землю постоянным «фоном» для эволюции, не зависящим от нее напрямую. На деле же химический и физический облик нашей планеты сильно менялся со временем — во многом благодаря самой жизни.
Человек разумный появился в результате миллиардов лет эволюции. Изображение: www.shortform.com
Если условия на Земле в первые миллиарды лет действительно были неподходящими для появления некоторых ключевых групп (например, животных, нуждающихся в высоких уровнях кислорода), то неудивительно, что эволюция «задержалась» на пути к человеку, – написали авторы научной работы.
Представим, что атмосфера ранней Земли (примерно до 2,4 миллиарда лет назад) была практически лишена кислорода. Логично предположить, что появление аэробного дыхания, крупных многоклеточных животных и, в конечном итоге, технологий, подобных нашим, стало возможным лишь после того, как в ходе фотосинтеза в биосфере накопилось достаточное количество кислорода.
Изменения в земной атмосфере повлияли на ход эволюции. Изображение: www.science.org
Но и этот процесс занял сотни миллионов лет, а затем еще значительный промежуток времени ушел на стабилизацию уровня кислорода и прочих факторов, необходимых для появления сложных крупных организмов и пищевых цепочек. Выходит, те важные «шаги», которые кажутся «редкими и трудными», можно объяснить простым отсутствием необходимых условий на юной Земле.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш канал в Telegram – так вы точно не пропустите ничего интересного!
Повторы и вероятности
Еще один аргумент в пользу «особенности» ключевых эволюционных событий — это их «уникальность». Тот факт, что, например, эукариотическая клетка возникла всего раз, свидетельствует о ее сложности и исключительности. При этом ученым ничего не известно о об аналогах эукариотных клеток, которые могли возникнуть в других линиях и сохраниться до наших дней.
То есть малочисленные или узкоспециализированные ветви могли исчезнуть с лица Земли, не оставив никаких следов: ни ископаемых, ни генетических. Выходит, «лидерующая» клетка (первая линия), заняла новую эволюционную нишу и «не пустила» туда конкурентов, воспользовавшись преимуществом «первопроходца».
Наши суждения о возникновении жизни могли исказить понимание ее возникновения на других планетах. Изображение: grow.cals.wisc.edu
Таким образом, наблюдаемая нами уникальность и «трудный шаг» не всегда свидетельствует о реально малой вероятности возникновения клеток (и, следовательно, самой жизни). Возможно, были и другие попытки, канувшие в небытие из-за неконкурентоспособности или уничтожения благоприятных для повторного появления условий.
Это интересно: Почему инопланетяне скорее всего не спят?
Эволюция «под диктовку»
С учетом описанных геобиологических факторов, авторы нового исследования предположили, что окружающая среда постепенно открывала «окна возможностей» для последующих инноваций: сначала сформировалась поверхность Земли с океаном, пригодным для жизни и только потом (около 3,9 – 4,0 миллирада лет назад) возникла первая клеточная жизнь.
Затем последовали эры постепенного накапливания кислорода, изменения светимости Солнца, химического состава океанов, континентального выветривания и целого ряда других процессов. На каждом этапе условия планеты становились все более разнообразными и «пригодными» для появления организмов с более сложными потребностями: кислород в биосфере создавал новый простор для аэробных форм, менял круговорот углерода и питательных веществ.
Эволюция планеты напрямую связана с возникновением на ней жизни. Изображение: i.ytimg.com
Значит, если бы наша планета эволюционировала быстрее (например, тектонически), сложные формы жизни могли появиться на ней раньше. Но если все идет своим чередом, то высокоразвитые существа развиваются «к концу» планетарной обитаемости не потому, что это «маловероятное чудо», а потому, что ключевые условия для них созревают только с течением времени (геологического).
Не пропустите: В Млечном пути живут опасные инопланетяне. Правда ли это?
Кто прав?
Ученые связывают свою гипотезу с будущими исследованиями экзопланет – миров, что обращаются вокруг других звезд. Их, как мы ранее рассказывали, открыто более 5000, причем кандидатов в экзопланеты еще больше. Поскольку астрономические инструменты становятся лучше, изучение этих далеких планет позволит провести какую-никакую проверку.
Например, если для появления жизни ей нужно преодолеть много «трудных шагов» таких, как абиогенез или выход на фотосинтез, то количество обитаемых миров будет стремиться к нулю. Все, чем будут довольствоваться астрономы – это преимущественно «примитивные» экосистемы без долгой истории.
Атмосферы экзопланет помогают ученым выявить следы, свидетельствующие о наличии/отсутствии жизнедеятельности. Изображение: i.ytimg.com
Но если гипотеза «трудных шагов» неверна и для появления, к примеру, кислородной атмосферы нужно лишь время и подходящие химические условия, то среди старых звезд может оказаться немало планет с «продвинутыми» биосферами.
Вам будет интересно: Правда ли, что астрономы поймали радиосигнал от экзопланеты?
Более того, разумная жизнь и даже технологическая цивилизация могут оказаться совсем не редкостью — вопрос лишь в том, чтобы у планеты хватило времени развить подходящие условия. Новые спектральные наблюдения, способные различать биосигнатуры или техносигнатуры, помогут проверить, какая из гипотез ближе к реальности.
Правда, есть еще один интересный момент – предположение о том, что человеческий интеллект уникален сам по себе. Несмотря на то, что в научном сообществе до сих пор не могут дать единого определения интеллекту, авторы нового исследования напоминают, что многие признаки «интеллекта» (включая создание орудий, социальное обучение и коммуникацию) наблюдаются у разных животных.
Недавно в африканской саванне обнаружили окаменелые отпечатки, которые предположительно принадлежат двум разным видам гоминин (парантропу Бойса и человеку прямоходящему) Изображение: Kevin Hatala/Chatham University
С эволюционной точки зрения это может означать, что возникновение когнитивных способностей — не единичный случай, а комбинация ряда факторов, которые могут складываться у других видов и на других планетах. В конечном итоге даже на Земле, как показали результаты недавнего исследования, одновременно жили два разных вида гоминин – парантроп Бойса (Paranthropus boisei) и человек прямоходящий (Homo erectus).
А вы знали, почему из всех видов человека выжили только Homo sapiens? Ответ здесь!
Мы не уникальны
Таким образом, новая работа предлагает своеобразный «переворот» в представлениях о том, почему жизнь на нашей планете так долго «двигалась» к человеку. В традиционной гипотезе «трудных шагов» это объяснялось колоссальной редкостью ключевых эволюционных достижений, однако теперь ученые указали постоянно меняющиеся геологические условия, которые необходимо учитывать, когда речь заходит о возникновении жизни.
Грубо говоря, без общепланеторной «подготовки» среды никакие эволюционные «прорывы» попросту невозможны: эволюция «медлила» не сама по себе, а ждала, пока Земля станет достаточно «гостеприимной» для более сложных форм жизни.
Для сложных организмов нужны определенные условия окружающей среды – своеобразный драйвер эволюции. Изображение: bigthink.com
Если новая гипотеза верна, то мы не обязаны считать наше появление случайным стечением обстоятельств. Напротив, эволюционный путь от простейших клеток к Homo sapiens (или к схожим по разуму созданиям на других мирах) может быть более «естественным» и даже в чем-то предсказуемым, учитывая длительную «подготовку» самой планеты.
Читайте также: Жизнь на Земле могла появиться благодаря супервспышкам на Солнце
Разумеется, этот взгляд не сводит к нулю роль случайностей в эволюции: биологические инновации требуют генетических и экологических предпосылок. Но глобальные процессы, такие как накопление кислорода, тектоника плит и фотосинтетическое преобразование атмосферы, могли играть решающую роль в открытии «окна возможностей» для будущих форм жизни.
Изучение атмосферных сигнатур далеких планет также позволить узнать, одиноки ли мы на просторах Вселенной. Изображение: news.asu.edu
Таким образом, результаты нового исследования стали важным вызовом устоявшейся гипотезы «трудных шагов», а его авторы призывают коллег уделить внимание историческому и планетарнму контексту эволюции. Ведь чем лучше мы поймем геобиологическую историю Земли, тем скорее узнаем, насколько «штучным» или «закономерным» было рождение нашей цивилизации.
