Один из наиболее сложных вопросов, связанных с астробиологией — поиск жизни в космосе — касается природы самой жизни. Уже более века биологи знают, что жизнь на Земле сводится к основным строительным блокам ДНК, РНК и аминокислот. Более того, исследования летописи окаменелостей показали, что жизнь прошла множество эволюционных путей, ведущих к появлению разнообразных организмов. В то же время существует множество свидетельств того, что конвергенция и ограничения играют важную роль в ограничении типов эволюционных областей, которых может достичь жизнь.
У астробиологов это, естественно, поднимает вопросы о внеземной жизни, которая в настоящее время ограничена нашей ограниченной системой взглядов. Например, могут ли ученые предсказать, какой может быть жизнь на других планетах, основываясь на том, что известно о жизни здесь, на Земле? Международная группа во главе с исследователями из Института Санта-Фе (SFI) ответила на эти и другие вопросы в недавней статье. Рассмотрев тематические исследования в различных областях, они пришли к выводу, что определенные фундаментальные ограничения препятствуют существованию некоторых форм жизни.
Исследовательскую группу возглавил Рикар Соле, руководитель лаборатории сложных систем ICREA Университета Помпеу Фабра и внештатный профессор Института Санта-Фе (SFI). К нему присоединились многочисленные коллеги и исследователи SFI из Института биологии Университета Граца, Лаборатории сложных многослойных сетей, Падуанского центра сетевой медицины (PCNM), Университета Умео, Массачусетского технологического института (MIT), Университета Джорджии. Технологический институт, Токийский технологический институт и Европейский центр живых технологий (ECLT).
Команда рассмотрела, что мог бы обнаружить межзвездный зонд, если бы он приземлился на экзопланете, и начала искать признаки жизни. Как такая миссия могла бы распознать жизнь, которая развилась в биосфере, отличной от той, которая существует здесь, на Земле? Если предположить, что для возникновения жизни необходимы физические и химические предпосылки, шансы, вероятно, будут намного выше. Однако проблема становится гораздо более сложной, если выйти за рамки эволюционной биологии и астробиологии и рассмотреть синтетическую биологию и биоинженерию.
По мнению Соле и его команды, все эти соображения (в совокупности) сводятся к одному вопросу: могут ли ученые предсказать, какие возможные живые формы организации существуют за пределами того, что мы знаем из биосферы Земли? По словам Соле, между незнанием того, что искать, и проблемами синтетической биологии, это представляет собой серьезную проблему для астробиологов:
«Большая проблема — обнаружение биосигнатур. Обнаружение атмосфер экзопланет с надлежащим разрешением становится реальностью и будет улучшаться в течение следующих десятилетий. Но как определить надежный критерий, позволяющий сказать, что измеренный химический состав связан с жизнью?
«[Synthetic biology] будет параллельной нитью в этом приключении. Синтетическая жизнь может дать глубокие подсказки о том, чего ожидать и насколько вероятно это в данных условиях. Для нас синтетическая биология — мощный способ задать природе вопросы о возможном».
Чтобы исследовать эти фундаментальные вопросы, команда рассмотрела тематические исследования из термодинамики, вычислений, генетики, клеточного развития, науки о мозге, экологии и эволюции. Они также учитывают предыдущие исследования, пытающиеся смоделировать эволюцию на основе конвергентной эволюции (разные виды независимо развивают схожие черты или поведение), естественного отбора и ограничений, налагаемых биосферой. Исходя из этого, по словам Соле, они определили определенные требования, предъявляемые ко всем формам жизни:
«Мы рассмотрели самый фундаментальный уровень: логику жизни в сфере продаж, учитывая несколько информационных, физических и химических границ, которые кажутся неизбежными. Например, клетки как фундаментальные единицы кажутся ожидаемым аттрактором с точки зрения структуры: везикулы и мицеллы образуются автоматически и позволяют возникать дискретным единицам».
Авторы также указывают на исторические примеры, когда люди предсказывали некоторые сложные особенности жизни, которые позже подтвердили биологи. Ярким примером является книга Эрвина Шредингера 1944 года. Что такое Жизнь? в котором он предсказал, что генетический материал представляет собой апериодический кристалл — неповторяющуюся структуру, которая все еще имеет точное расположение, — который кодирует информацию, направляющую развитие организма. Это предложение вдохновило Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика на проведение исследования, которое привело бы их к открытию структуры ДНК в 1953 году.
Однако, по словам Соле, существует также работа Джона фон Неймана, которая на годы опередила революцию в молекулярной биологии. Он и его команда ссылаются на концепцию «универсального конструктора» фон Неймана, модель самовоспроизводящейся машины, основанную на логике клеточной жизни и размножения. «В принципе, жизнь может принимать очень разнообразные конфигурации, но мы утверждаем, что все формы жизни будут иметь некоторые общие черты, такие как линейные информационные полимеры или наличие паразитов», — резюмировал Соле.
Тем временем, добавил он, многое еще предстоит сделать, прежде чем астробиология сможет с уверенностью предсказать, какие формы жизнь может принять в нашей Вселенной:
«Мы предлагаем набор тематических исследований, которые охватывают широкий спектр свойств сложности жизни. Это обеспечивает четко определенный план развития основ. В некоторых случаях, таких как неизбежность появления паразитов, наблюдение чрезвычайно убедительно, и у нас есть некоторые догадки о том, почему это происходит, но пока нет универсального теоретического аргумента. Развитие и доказательство этих идей потребуют новых связей между различными областями, от вычислений и синтетической биологии до экологии и эволюции».
Статья группы «Фундаментальные ограничения логики живых систем» появилась в Фокус на интерфейсе (публикация Королевского общества).
Дополнительная литература: Институт Санта-Фе, Фокус интерфейса
