Ученые считают, что жизнь на Земле возникла в результате случайной перетасовки неживой материи, которая в конечном итоге привела к образованию строительных блоков жизни.
Недавно исследователи проявили творческий подход к выяснению вероятности самопроизвольного возникновения жизни из неорганического вещества - процесса, называемого абиогенезом.
В этом исследовании Томонори Тотани, профессор астрофизики из Токийского университета, смоделировал микроскопический мир молекул через шкалу всей Вселенной, чтобы увидеть, является ли абиогенез вероятным кандидатом для возникновения жизни. По сути, он смотрел на то, было ли во Вселенной достаточно звезд с пригодными для жизни планетами, чтобы могла возникнуть жизнь. Его результаты, опубликованные 3 февраля в журнале «Nature», показывают, что шансы для возникновения жизни таким образом не очень велики, по крайней мере, для наблюдаемой Вселенной.
«Я надеялся найти хотя бы один реалистичный путь абиогенеза», - сказал Тотани в интервью Live Science. «Иногда люди утверждают, что вероятность абиогенеза невероятно мала и что наука не может понять происхождение жизни. Я, как ученый, мечтал найти научное объяснение того, почему мы здесь».
Исследование Тотани рассматривает ведущую гипотезу абиогенеза, что жизнь, какой мы ее знаем, началась в том, что исследователи называют миром РНК. Эта гипотеза предполагает, что до эволюции белков и двухцепочечной генетической молекулы, называемой ДНК, или дезоксирибонуклеиновой кислоты, которая сегодня основой жизни на Земле, в мире доминировали похожие, но менее эффективные молекулы, называемые РНК или рибонуклеиновой кислотой.
В этом мире РНК была первой молекулой, способной копировать и хранить информацию, а также запускать и ускорять химические реакции - две основные характеристики жизни на Земле. Этот мир был бы более примитивным молекулярным миром для химии на основе ДНК-белка, которая определяет жизнь сегодня.
Несмотря на примитивность, РНК состоит из многих химических веществ, называемых мономерами, которые соединяются вместе, образуя полимер. В частности, РНК состоит из цепочки молекул на основе азота, называемых нуклеотидами. Исследователи считают, что для того, чтобы РНК выполняла свою важную функцию самокопирования, она должна состоять из цепочки нуклеотидов длиной более 40–60 нуклеотидов.
Итак, как бы эти молекулы РНК, состоящие как минимум из 40–60 нуклеотидов, появились самостоятельно? Экспериментально показано, что нуклеотиды случайным образом организуются в РНК при достаточном количестве времени и в правильных условиях. Но эти эксперименты показывают, что изобилие РНК быстро уменьшается с длиной их цепей, и ни один из экспериментов не может последовательно производить нити длиннее 10 мономеров.
«Экспериментально подтверждено, что полимеризация РНК может происходить путем простого случайного процесса», - сказал Тотани. «В некоторых экспериментах утверждалось, что было получено более 50 (длинная мономерная) РНК, но они не воспроизводимы».
Модель Тотани использует наиболее консервативный метод полимеризации РНК, где каждый мономер случайно присоединяется один за другим, пока не образуется цепочка мономеров. Ученые предположили, что полимеры (каждый из которых состоит из нескольких мономеров) могут присоединяться друг к другу, чтобы ускорить процесс, но Тотани сказал, что такой процесс «очень спекулятивный и гипотетический».
Жизнь, как она есть
Ученые считают, что жизнь появилась на Земле примерно через 500 миллионов лет после образования планеты. Учитывая, что в наблюдаемой Вселенной приблизительно 10 секстиллионов (10 ^ 22) звезд, может показаться, что шансы жизни во Вселенной должны быть хорошими. Но исследователи обнаружили, что случайное образование РНК длиной более 40 невероятно маловероятно, учитывая количество звезд в нашем космическом соседстве. В наблюдаемой Вселенной слишком мало звезд с обитаемыми планетами, чтобы абиогенез мог произойти в течение времени жизни, возникающей на Земле.
«Однако во Вселенной есть нечто большее, чем то, что мы наблюдаем», - говорится в заявлении Тотани. «В современной космологии считается, что Вселенная пережила период быстрой инфляции, создавая обширную область расширения за горизонтом того, что мы можем наблюдать непосредственно. Фактор этого большего объема (звезд с обитаемыми планетами) в модели абиогенеза чрезвычайно увеличивает шансы на жизнь».
После того, как наша Вселенная возникла 13,8 миллиардов лет назад во время Большого взрыва, она пережила период быстрого расширения, который продолжается и сегодня. Если мы рассматриваем Вселенную как буханку хлеба, выпекаемую в духовке, наша наблюдаемая Вселенная подобна пузырьку воздуха, захваченному в тесте, где стенки пузыря - самое дальнее расстояние, которое свет может пройти после Большого взрыва. По мере того, как буханка поднимается, наш пузырь растет, в то время как другие участки воздуха внутри хлеба уходят все дальше. Наш наблюдаемый пузырь воздуха - это все, что мы можем видеть, хотя остальная часть буханки там.
Предполагается, что вся Вселенная может содержать более 10 ^ 100 звезд. Когда Тотани учел это новое изобилие звезд, он обнаружил, что появление жизни уже не было невероятным.
Это может быть хорошей новостью для гипотезы мира РНК, хотя это также может означать, что поиск жизни во Вселенной - безнадежное занятие.
Если жизнь впервые зародилась в РНК, «жизнь на Земле была создана с очень редким шансом получения длинного полимера РНК», - сказал Тотани. «Скорее всего, Земля - единственная планета, несущая жизнь в наблюдаемой Вселенной. Я предсказываю, что будущие наблюдения или исследования внеземной жизни не дадут никаких положительных результатов».
Если случайно, жизнь обнаружится в другом месте в нашем космическом соседстве, Тотани полагает, что она, вероятно, того же происхождения, что и жизнь на Земле. Жизнь, возможно, была связана с кометами и астероидами в межпланетном или межзвездном пространстве, засеивая локальную Вселенную жизнью из одного источника.
Работа Тотани далека от ответа на один из самых экзистенциальных вопросов науки, но она может направлять дальнейшие исследования о происхождении жизни. Будем ли мы одни во Вселенной, до сих пор остается без ответа, но если цифры Тотани говорят нам что-нибудь, вы не должны делать ставку на это.
