Voorwoord door Boris Stern
We zijn al lang van plan om een discussie te houden over de eeuwige vraag naar de plaats van de mens in het universum. Dit gaat natuurlijk over buitenaards leven en planeten van andere sterren. Op dit moment zijn er iets minder dan 6000 exoplaneten bekend, waarvan er meer dan tweeduizend in afwachting zijn van onafhankelijke bevestiging. Maar voor statistisch onderzoek kun je alle 6 duizend gebruiken.
Er zijn maar heel weinig planeten onder hen die zogenaamd geschikt zijn voor leven. Dit is natuurlijk, omdat ze het moeilijkst te vinden zijn: een zeer krachtig selectie-effect werkt tegen aardachtige planeten. Ze zijn te licht om te worden opgevangen door de radiale snelheidsmethode van een ster, en hun jaar is te lang om hun transits betrouwbaar te kunnen opgraven in de gegevens van de Kepler-ruimtetelescoop. De uitzondering zijn de planeten in de bewoonbare zone van rode dwergen, die onder onze neus open zijn, het is veel gemakkelijker om ze te vinden. Er zijn veel van dergelijke planeten, maar helaas zijn rode dwergen erg lastig voor het leven ernaast. De extrapolatie van de gegevens van Kepler voor de "hete landen" van sterren zoals de zon geeft echter een zeer optimistisch resultaat: tenminste 15% van deze sterren heeft planeten in hun bewoonbare zone. Deze schatting is onafhankelijk verkregen door veel auteurs,en na verloop van tijd wordt het steeds optimistischer: 20% en zelfs een kwart van de zonnen heeft land. Dit betekent dat de ster van klasse G of K die het dichtst bij ons ligt met de aarde in een baan om de aarde binnen het bewoonbare bereik, binnen 15 lichtjaar ligt. Er zijn maar weinig van dergelijke sterren, en er zijn al kandidaten in opkomst, bijvoorbeeld Tau Ceti. En er zijn veel van dergelijke planeten binnen een straal van bijvoorbeeld 30 lichtjaar.
Observatiemethoden vorderen geleidelijk. Met het verbeterde HARPS-instrument zullen nieuwe nabije aardachtige planeten worden ontdekt. In het volgende decennium zullen we het een en ander leren over de atmosfeer van sommige aardachtige planeten met behulp van instrumenten zoals de gigantische Extremely Large Telescope (ELT) en de James Webb Space Telescope. En het is mogelijk dat zuurstof verschijnt in het absorptiespectrum van de atmosfeer van een doorvoerplaneet (die door de schijf van een ster gaat). Als de ster niet overdreven actief en oud genoeg is, kan zuurstof alleen biogeen zijn. Dit is hoe buitenaards leven kan worden gedetecteerd.
Is het echt? Als het leven in een uithoek ontstaat zodra de omstandigheden ervoor ontstaan - waarom niet? Maar is het zo? Er wordt vaak beweerd dat het leven op aarde heel snel verscheen, wat betekent dat dit het geval is - een paar honderd miljoen jaar is genoeg om het in een soort soep te laten verschijnen. Maar er is ook een tegenargument - een geschikte "soep" kan alleen bestaan op een jonge planeet - het leven ontstaat snel of nooit.
En natuurlijk is er het tegenovergestelde standpunt: het leven is een zeldzaam fenomeen dat berust op een volstrekt ongelooflijk toeval. Het meest gedetailleerde standpunt over deze kwestie, professioneel en met kwantitatieve schattingen, werd verwoord door Evgeny Kunin. Het leven is gebaseerd op het kopiëren van lange moleculen, oorspronkelijk waren het RNA-moleculen. Kopiëren wordt gedaan door een bepaald apparaat dat een "replicase" wordt genoemd (deze regels zijn geschreven door een fysicus, daarom is de terminologie vanuit het standpunt van een bioloog enigszins onhandig). Replicase komt nergens vandaan als het niet is geprogrammeerd in hetzelfde RNA dat wordt gekopieerd.
Volgens Kunin, wil de zelfreproductie van RNA beginnen, en daarmee de evolutie, “op zijn minst is de spontane verschijning van de volgende noodzakelijk.
- Twee rRNA's met een totale grootte van minimaal 1000 nucleotiden.
- Ongeveer 10 primitieve adapters van elk 30 nucleotiden, voor een totaal van ongeveer 300 nucleotiden.
- Ten minste één voor RNA coderend replicase is ongeveer 500 nucleotiden groot (onderste score). In het geaccepteerde model, n = 1800, en als resultaat, E <10 - 1081 ".
In het gegeven fragment bedoelen we een vierletterige codering, het aantal mogelijke combinaties is 41800 = 101081, als er maar een paar van hen het evolutieproces starten, dan is de waarschijnlijkheid van de vereiste montage per "poging" van spontane montage ~ 10-1081.
Promotie video:
Er is geen tegenstrijdigheid in het feit dat het resultaat voor onze ogen ligt, er is geen: volgens de theorie van inflatie is het heelal enorm, tientallen ordes van grootte groter dan het zichtbare deel ervan, en als we het universum als een gesloten ruimte beschouwen, dan zijn er universums met hetzelfde vacuüm als het onze, een gigantische verzameling … De kleinste kans wordt ergens gerealiseerd, waardoor een verbaasde toeschouwer ontstaat.
Deze twee uitersten betekenen veel in termen van onze plaats in het universum. We zijn in ieder geval alleen. Maar als het leven tientallen lichtjaren van ons verwijderd is, is dit technologische eenzaamheid die wordt overwonnen door ontwikkeling en duizendjarig geduld. Als Kunins inschatting juist is, is dit een fundamentele eenzaamheid die door niets kan worden overwonnen. Dan zijn wij en het aardse leven een uniek fenomeen in het causaal verbonden volume van het heelal. De enige en meest waardevolle. Dit is belangrijk voor de toekomstige strategie van de mensheid. In het eerste geval is de basis van de strategie zoeken. In het tweede geval - zaaien (er is zelfs zo'n term "gerichte panspermie"), die ook het zoeken naar een geschikte grond omvat.
Dit alles verdient een discussie. Zijn er mazen in het argument van Kunin? Zijn er mechanismen die kunnen worden onderscheiden die de "onherleidbare complexiteit" van de RNA-replicator omzeilen? Is het echt zo onvergeeflijk? Enzovoort.
We hebben verschillende biologen om hun mening gevraagd.
Alexander Markov, Ph. D. biol. wetenschappen, geleid. wetenschappelijk. sotr. Paleontologisch Instituut RAS, hoofd. Afdeling Biologische Evolutie, Biologische Faculteit, Staatsuniversiteit van Moskou:
De beoordeling van Evgeny Kunin, die impliceert dat we hopeloos alleen zijn in het universum, is gebaseerd op één belangrijke veronderstelling. Kunin geloofde dat om het proces van RNA-replicatie op gang te brengen (en daarmee de darwinistische evolutie; het is logisch om dit moment te beschouwen als het moment van het ontstaan van het leven), het noodzakelijk was dat puur toevallig - als resultaat van een willekeurige combinatie van polymerisatie (bijvoorbeeld op minerale matrices) ribonucleotiden - er verscheen een ribozym met RNA-polymerase-activiteit, dat wil zeggen een lang RNA-molecuul dat een volledig bepaalde (en niet zomaar een) nucleotidesequentie heeft en daardoor in staat is om RNA-replicatie effectief te katalyseren.
Als er geen andere manier is, een andere 'toegang' tot de wereld van de levenden vanuit de wereld van levenloze materie, dan heeft Kunin gelijk, en moeten we de hoop opgeven om enig leven in het heelal te vinden behalve aards. Aangenomen kan worden dat het niet allemaal begon met een enkele zeer efficiënte polymerase, maar bijvoorbeeld met een bepaalde gemeenschap van kleine, ineffectieve polymerases en ligases (ribozymen die in staat zijn om korte RNA-moleculen in langere te hechten): misschien maakt dit de beoordeling wat optimistischer., maar zal de situatie niet fundamenteel veranderen. Omdat de eerste replicator nog steeds erg complex was, en hij had moeten verschijnen zonder de hulp van darwinistische evolutie - in feite per ongeluk.
Een haalbaar alternatief is niet-enzymatische RNA-replicatie (NR RNA): een proces waarbij RNA-moleculen worden gerepliceerd zonder de hulp van complexe ribozymen of proteïne-enzymen. Zo'n proces bestaat, het wordt gekatalyseerd door Mg2 + -ionen, maar het verloopt te langzaam en onnauwkeurig - tenminste onder de omstandigheden die de onderzoekers hadden om het te proberen.
Er is echter hoop dat het desalniettemin mogelijk zal zijn om enkele plausibele omstandigheden te vinden (die in principe op sommige planeten zouden kunnen bestaan), wanneer het NR-RNA snel genoeg en nauwkeurig gaat. Misschien vereist dit een soort relatief eenvoudige katalysator die op een abiogene manier kan worden gesynthetiseerd. Het is mogelijk dat eenvoudige abiogene peptiden met verschillende negatief geladen asparaginezuurresiduen die magnesiumionen vasthouden, als dergelijke katalysatoren kunnen werken: proteïne-RNA-polymerasen hebben vergelijkbare actieve centra, en deze mogelijkheid wordt nu onderzocht.
De vraag naar de mogelijkheid van een effectief NR-RNA is van fundamenteel belang voor het beoordelen van de waarschijnlijkheid van het ontstaan van leven. Als NR RNA mogelijk is, dan kunnen er nogal wat levende planeten in het waarneembare heelal zijn. De fundamentele verschillen tussen de twee scenario's - met mogelijke en onmogelijke NR RNA - worden weergegeven in de tabel. Als NR mogelijk is, zou de darwinistische evolutie bijna onmiddellijk kunnen beginnen na het verschijnen van de eerste korte RNA-moleculen. Het selectieve voordeel had moeten worden verkregen door die RNA-moleculen die efficiënter vermenigvuldigden door middel van HP. Dit kunnen bijvoorbeeld moleculen zijn met palindrome herhalingen, die zelf zouden kunnen dienen als primers - "zaden" voor replicatie; palindromen kunnen zich vouwen tot driedimensionale structuren - "haarspeldbochten", waardoor de kans op het verschijnen van katalytische eigenschappen in het RNA-molecuul groter wordt. Hoe dan ook, daarnaToen de darwinistische evolutie begon, werd de verdere ontwikkeling van het leven niet alleen bepaald door het toeval, maar ook door de wet.
Schattingen van de waarschijnlijkheid (frequentie) van het ontstaan van leven onder deze twee scenario's zouden met een groot aantal orden moeten verschillen (hoewel niemand natuurlijk exacte cijfers zal geven). Het is ook belangrijk op te merken dat als het leven is ontstaan 'volgens Kunin', dat wil zeggen als gevolg van de willekeurige assemblage van een effectief ribozym-polymerase, het complementariteitsbeginsel (specifieke koppeling van nucleotiden), waarop het vermogen van RNA om te reproduceren en te evolueren, een soort 'piano in de struiken' blijkt te zijn.”, Wat niets te maken had met het feit dat er zo veel RNA-moleculen zich op de planeten hadden opgehoopt dat een effectief ribozym met RNA-polymerase-activiteit per ongeluk op een van de planeten verscheen. Als er leven is ontstaan "volgens Shostak" (Nobelprijswinnaar Jack Shostak bestudeert nu actief NR RNA en gelooft dat dit proces de sleutel is tot het mysterie van de oorsprong van het leven),complementariteit was toen geen "piano in the bush", maar werkte vanaf het allereerste begin. Dit maakt het hele scenario van de oorsprong van het leven een stuk dwingender en logischer. Ik zou op Shostak wedden.
Dus nu hangt alles af van het succes van specialisten op het gebied van prebiotische chemie. Als ze realistische omstandigheden vinden waarin NR RNA goed gaat, dan hebben we een kans om leven op andere planeten te vinden. En zo niet, dan … we moeten verder kijken.
Armen Mulkidzhanyan, Dr. biol. Sci., Universiteit van Osnabrück (Duitsland), geleid. wetenschappelijk. sotr. MSU:
Het is moeilijk te betwisten dat het leven lang geleden en op de jonge aarde is ontstaan. De aarde is samengesteld uit chondritische rotsen, zoals meteorieten. De verwarming van deze rotsen tijdens de vorming van de aarde veroorzaakte het smelten van het water dat met chondrieten werd meegebracht. De interactie van water met een verwarmd, gereduceerd gesteente had moeten leiden tot het vrijkomen van elektronen, de vorming van waterstof en de reductie van kooldioxide (CO2) tot verschillende organische verbindingen. Soortgelijke processen vinden nog steeds plaats in gebieden met geothermische activiteit, bijvoorbeeld in geothermische velden, maar met een lage intensiteit. De vorming van organisch materiaal in grote hoeveelheden kan dus worden verwacht op de jonge planeten van andere sterren. De waarschijnlijkheid dat in dit geval leven kan ontstaan, kan worden ingeschat door de evolutie van het aardse leven te beschouwen.
Gedurende de eerste twee miljard jaar leefden alleen microben op aarde. Het zou zo zijn doorgegaan, maar ongeveer 2,5 miljard jaar geleden leerden fotosynthetische bacteriën de energie van licht te gebruiken om water af te breken. Fotosynthese is oorspronkelijk ontstaan als vervanging voor de gedempte geochemische processen van het "dumpen" van overtollige elektronen. Bij fotosynthese wordt de energie van licht gebruikt om verschillende verbindingen te oxideren, dat wil zeggen om elektronen ervan te "wegnemen", om deze elektronen te fotoactiveren en uiteindelijk door hen CO2 te reduceren tot organische verbindingen. Het waterafbraaksysteem is ontstaan als gevolg van de geleidelijke evolutie van eenvoudigere fotosynthetische enzymen die in sommige bacteriën worden bewaard. Er zijn verschillende zeer plausibele scenario's voor hoe dergelijke enzymen, met behulp van licht en chlorofyl, eerst geoxideerd waterstofsulfide (en zelfs nu nog doen sommige mensen het), en vervolgens,aangezien het waterstofsulfide in het medium was uitgeput, werden elektronen uit ferro-ijzerionen en vervolgens uit mangaanionen gehaald. Als gevolg hiervan leerden ze op de een of andere manier water te ontbinden. In dit geval gingen de elektronen die uit het water werden gehaald, naar de synthese van organische stof en kwam zuurstof vrij als bijproduct. Zuurstof is een zeer sterk oxidatiemiddel. Ik moest mezelf tegen hem verdedigen. Het ontstaan van meercellig, warmbloedigheid en uiteindelijk intelligentie zijn allemaal verschillende stadia van bescherming tegen oxidatie door zuurstof uit de lucht.warmbloedigheid en, uiteindelijk, rede - dit zijn allemaal verschillende stadia van bescherming tegen oxidatie door zuurstof uit de lucht.warmbloedigheid en, uiteindelijk, rede - dit zijn allemaal verschillende stadia van bescherming tegen oxidatie door zuurstof uit de lucht.
Waterafbraak vindt plaats in een uniek katalytisch centrum dat een cluster van vier mangaanatomen en één calciumatoom bevat. Bij deze reactie, waarvoor vier lichtquanta nodig zijn, worden twee watermoleculen (2 H2O) tegelijk afgebroken tot één zuurstofmolecuul (O2). Dit vereist de energie van vier lichtquanta. Op de mangaanatomen worden, als reactie op de absorptie van drie lichtquanta, drie elektronenvacatures ("gaten") opeenvolgend verzameld, en pas wanneer het vierde lichtquantum wordt geabsorbeerd, worden beide watermoleculen geoxideerd, worden de gaten gevuld met elektronen en wordt een zuurstofmolecuul gevormd. Hoewel de structuur van de mangaancluster recentelijk met hoge precisie is bepaald, wordt niet volledig begrepen hoe dit viertaktapparaat werkt. Het is ook onduidelijk hoe en waarom in het katalytische centrum, waar in primitieve fotosynthetische bacteriën blijkbaarmangaanionen werden geoxideerd, vier van zijn atomen gecombineerd met een calciumatoom tot een cluster dat water kon ontbinden. De thermodynamica van de deelname van chlorofyl aan wateroxidatie is ook mysterieus. Theoretisch kan chlorofyl onder belichting waterstofsulfide, ijzer en mangaan oxideren, maar geen water. Het oxideert echter. Over het algemeen is het als over een hommel: "Volgens de wetten van de aerodynamica kan een hommel niet vliegen, maar hij weet er niets van en vliegt alleen om deze reden."
Het is erg moeilijk om de waarschijnlijkheid van een waterafbraaksysteem in te schatten. Maar deze kans is erg klein, want in 4,5 miljard jaar is zo'n systeem maar één keer ontstaan. Er was geen specifieke behoefte aan, en zonder dat zouden microben gedijen op aarde, omdat ze deel uitmaken van geochemische cycli. Bovendien zou na het verschijnen van zuurstof in de atmosfeer het grootste deel van de microbiële biosfeer vergaan of, preciezer gezegd, verbrand moeten zijn - de interactie van organisch materiaal met zuurstof is verbranding. Alleen microben hebben het overleefd, nadat ze hadden leren ademen, dat wil zeggen, om snel zuurstof terug te brengen naar water rechtstreeks op hun buitenste schil, waardoor het van binnenuit werd voorkomen, evenals de bewoners van de weinige resterende zuurstofvrije ecologische niches.
Dit verhaal kan dienen als voorbeeld van een relatief recente (zo'n 2,5 miljard jaar geleden) en relatief begrijpelijke gebeurtenis die leidde tot een sterke toename van de complexiteit van levende systemen. Het begon allemaal met geleidelijke veranderingen in fotosynthetische enzymen. Toen was er een eenmalige en zeer niet-triviale evolutionaire uitvinding (mangaan-calciumcluster), die misschien niet zo was. Daaropvolgende enorme veranderingen waren een reactie op het verschijnen van ‘giftige’ zuurstof in de atmosfeer: de darwinistische selectie ging op volle kracht aan, ik moest leren diep te ademen en mijn hersenen te bewegen.
In totaal hebben we een proces dat plaatsvindt in drie fasen: (1) geleidelijke veranderingen - (2) een eenmalige onwaarschijnlijke gebeurtenis - (3) verdere evolutie, maar op een ander niveau of in verschillende omstandigheden. Dit schema kan worden beschouwd als een moleculair analoog van Severtsovs klassieke schema van aromorfosen.
Als je naar post-zuurstofevolutie kijkt, kun je nog meer van dergelijke onwaarschijnlijke eenmalige gebeurtenissen identificeren die de loop van de evolutie hebben veranderd. Dit is de "verzameling" van een complexe eukaryote cel, en de opkomst van vaatplanten, en verschillende "doorbraken" in de evolutie van dieren, waarover Severtsov in feite schreef.
De opkomst van leven, dat in het kader van de RNA-wereldhypothese wordt opgevat als de opkomst van zelfreproductie-ensembles van RNA-moleculen (replicatoren), kan ook worden weergegeven als een proces in drie fasen.
1) Voorbereidende fase: RNA-vormende ribonucleotiden kunnen spontaan "assembleren" uit eenvoudige moleculen zoals cyanide of formamide onder invloed van ultraviolet (UV) licht. Hij was in overvloed op de jonge aarde; er was nog geen ultraviolet-absorberende ozon in de atmosfeer, aangezien er geen zuurstof was, zie hierboven. Zoals Pouner en Saderland (Universiteit van Manchester) hebben aangetoond, worden nucleotiden in een speciale, "geactiveerde" cyclische vorm "geselecteerd" in UV-licht; dergelijke nucleotiden kunnen spontaan RNA-ketens vormen. Bovendien zijn dubbele, Watson-Crick RNA-ketens significant beter bestand tegen UV-straling dan enkele - dit resultaat werd beschreven door Evgeny Kunin in zijn allereerste gepubliceerde werk in 1980. Dat wil zeggen, op de jonge aarde zou door de stroom van "extra" elektronen een verscheidenheid aan organische moleculen kunnen worden gevormd,maar onder invloed van harde zonnestraling waren het vooral RNA-achtige moleculen, bij voorkeur opgerold tot spiraalvormige structuren, die het overleefden.
2) Een eenmalige, onwaarschijnlijke gebeurtenis: een ensemble van verschillende RNA-achtige moleculen begon zichzelf te kopiëren (miljarden jaren later werden vergelijkbare zelfkopiërende RNA-ensembles verkregen door RNA-selectie in laboratoriumomstandigheden).
3) Latere evolutie: RNA-replicators begonnen met elkaar te concurreren om middelen, evolueerden, verenigden zich in grotere gemeenschappen, enz.
Het nadeel van dit hypothetische schema is dat noch de moleculaire details van de oorsprong van RNA-replicatoren, noch de natuurlijke factoren die bijdragen aan hun selectie bekend zijn. Hoop wordt gegeven door het feit dat in het geval van de volgende belangrijkste (en op zijn beurt) evolutionaire gebeurtenis, namelijk de opkomst van ribosomen, machines voor eiwitsynthese, moleculaire details zijn gereconstrueerd. Dit werd op verschillende manieren gedaan in vier laboratoria; de resultaten van de reconstructies lijken erg op elkaar. Kortom, de voorouder van moderne zeer complexe ribosomen was een constructie van twee RNA-lussen van elk 50-60 ribonucleotiden, die in staat waren om twee aminozuren te combineren met een peptidebinding. De tussenstadia op het pad van deze structuur met twee lussen naar moderne ribosomen werden in detail gevolgd door Konstantin Bokov en Sergey Stadler (Universiteit van Montreal),Nobelprijswinnaar Ada Yonath en collega's (Weizmann Institute), George Fox en collega's (Universiteit van Houston) en Anton Petrov en collega's (Universiteit van Georgia).
Het ribosoom, dat aanvankelijk één katalytische RNA-subeenheid had, groeide geleidelijk in complexiteit en omvang, terwijl het al die tijd eiwitsequenties synthetiseerde uit een willekeurige reeks aminozuren. Pas in de laatste stadia van zijn evolutie fuseerde het met een ander RNA-molecuul, dat een kleine subeenheid van het ribosoom werd, en de gecodeerde eiwitsynthese begon. De opkomst van de genetische code is dus een onwaarschijnlijke evolutionaire gebeurtenis die los staat van de opkomst van ribosomale eiwitsynthese.
Hoogstwaarschijnlijk zal verder onderzoek het mogelijk maken om zowel de opkomst van replicatoren als andere onwaarschijnlijke gebeurtenissen te reconstrueren, bijvoorbeeld gebeurtenissen die verband houden met de opkomst van de eerste cellen, de uitwisseling van genen tussen de eerste cellen en virussen, enz.
Terugkomend op de gestelde vragen over waarschijnlijkheden: onze gedetailleerde beschouwing toont aan dat de evolutie van het aardse leven niet één "absoluut ongelooflijk toeval" is, maar veel opeenvolgende uiterst onwaarschijnlijke gebeurtenissen.
Een krachtige generatie van organisch materiaal vond hoogstwaarschijnlijk plaats op andere jonge planeten. Maar dit leidde niet noodzakelijk tot het ontstaan van leven. Als het zelfreplicerende RNA-ensemble zich niet op aarde had verzameld, zou er geen leven zijn geweest. De productie van organisch materiaal zou geleidelijk aan vervagen en de aarde zou op Mars of Venus gaan lijken.
Maar zelfs in het geval van het ontstaan van leven op andere planeten, kon dit leven in elk beginstadium 'vastlopen', en de kans om voor altijd op een primitief ontwikkelingsniveau te blijven was onvergelijkbaar groter dan de kans om de volgende stap te beklimmen en verder te gaan.
Daarom is de kans om wijze aliens op een andere planeet te ontmoeten onmetelijk lager dan de kans om daar in een eenvoudig maar levend slijm terecht te komen (en dit is als je heel veel geluk hebt). De kans dat er ergens zuurstofleven is, is ook onmetelijk klein: de ontleding van water tot zuurstof is een zeer niet-triviale vier-elektronenreactie.
Dus het bouwen van een strategie in de hoop een buitenaardse intelligentie te vinden, is gewoon niet erg slim. Het feit dat er (voorlopig) intelligente wezens op aarde zijn, is een groot succes. Daarom is het veel logischer om te investeren in het creëren van "alternatieve vliegvelden" voor het reeds bestaande intelligente leven voor het geval de natuur faalt of de dragers van de geest zelf falen. Dit betekent dat we een reserve-aarde nodig hebben, of nog beter een paar.
Evgeny Kunin, geleid. wetenschappelijk. sotr. National Center for Biotechnology Information, lid van de Amerikaanse National Academy of Sciences:
Ik kan me beperken tot zeer korte opmerkingen, aangezien ik het volledig eens ben met alles wat Alexander Markov heeft gezegd … behalve natuurlijk de conclusies. In feite is de beperkende fase in het ontstaan van leven de spontane vorming van een populatie van ribozym-polymerasemoleculen met een voldoende hoge snelheid en nauwkeurigheid van zelfkopie. De kans op een dergelijke gebeurtenis is onbeduidend klein. Om het aanzienlijk te verhogen, is een proces nodig dat de mogelijkheid van evolutie creëert zonder de deelname van dergelijke ribozymen, in een veel eenvoudiger systeem. De door Alexander besproken niet-enzymatische replicatie is een goede kandidaat voor een dergelijk proces. Het enige probleem is dat, op basis van alles wat ik weet van chemie en thermodynamica, er geen kans is om deze reacties op het niveau te brengen van voldoende nauwkeurige replicatie van lange moleculen. Replicatie van zeer korte oligonucleotiden zou zeer interessant zijn als mogelijke tussenstap, maar zal de waarschijnlijkheid niet significant vergroten. Mijn conclusie blijft dus dezelfde: het ontstaan van leven vereist buitengewoon onwaarschijnlijke gebeurtenissen, en daarom zijn we alleen in ons universum (de kwestie van meerdere universums hoeft hier niet te worden besproken). We zijn niet alleen intelligente wezens, maar meer in het algemeen levende wezens in het algemeen.
Het is belangrijk om het volgende op te merken: de extreem lage kans dat er leven plaatsvindt, betekent op geen enkele manier dat het allemaal door een wonder is gebeurd. Integendeel, ze zijn allemaal een reeks normale chemische reacties, met alleen fasen met een zeer lage waarschijnlijkheid. Bijgevolg is het bestuderen van de mechanismen die op de een of andere manier het ontstaan van leven vergemakkelijken, niet alleen zinloos, maar ook buitengewoon belangrijk en interessant. Het is gewoon (nog) niet zichtbaar dat dit de kans aanzienlijk zou kunnen vergroten, maar het creëren van een scenario van gebeurtenissen kan wel eens helpen.
Nou, ik zal eindigen met een quasi-filosofische, maar naar mijn mening relevante overweging. De extreem lage kans op het ontstaan van leven is in strijd met het middelmatigheidsprincipe: de gebeurtenissen die op onze planeet hebben plaatsgevonden zijn uitzonderlijk, zelfs uniek in het heelal. Het middelmatigheidsprincipe verliest in dit geval van het antropische principe: hoe ongelooflijk de opkomst van leven a priori ook was, ONDER de VOORWAARDE van het bestaan van intelligente wezens, en alleen cellen, is de waarschijnlijkheid precies gelijk aan 1.
Mikhail Nikitin, onderzoeker sotr. Afdeling Evolutionaire Biochemie, Onderzoeksinstituut voor Fysicochemische Biologie. A. N. Belozersky Moscow State University:
Het lijkt mij dat het leven van een bacterieel niveau van complexiteit wijdverspreid is in het universum, maar ontwikkeling tot meercellige dieren en potentieel intelligente wezens is veel minder waarschijnlijk.
Waarom denk ik dat het leven van bacteriën zeer waarschijnlijk is?
Kunins redenering is gebaseerd op experimenten met de kunstmatige selectie van ribozymen-replicasen, die RNA-moleculen kopiëren en mogelijk zichzelf kunnen kopiëren. Al deze ribozymen zijn in de orde van 200 nucleotiden lang, en de kans om ze te verkrijgen door willekeurige zelfassemblage is in de orde van 4-200. Bij deze experimenten werd echter geen rekening gehouden met veel belangrijke factoren die ten eerste konden zorgen voor replicatie met behulp van kortere en eenvoudigere ribozymen, en ten tweede, vóór de start van elke replicatie, directe zelfassemblage naar gestructureerde RNA's die als ribozymen kunnen werken. Sommige van deze factoren zijn al genoemd door andere auteurs: Shostak's niet-enzymatische replicatie, selectie voor zelfaanzuiging in Markovs 'wereld van palindromen', selectie voor UV-resistentie, die RNA-zelfassemblage leidt naar haarspeldstructuren voorgesteld door Mulkidzhanyan). Ik zal aan deze lijst minerale substraten en "heat traps" (smalle poriën met temperatuurgradiënt) toevoegen die het kopiëren van RNA erg gemakkelijk maken. Verder, aangezien we een eenvoudig zelfreplicerend genetisch systeem hebben, zal darwinistische evolutie met een hoge waarschijnlijkheid snel op basis daarvan een bacteriële cel of iets dergelijks creëren - met een celmembraan dat een constante zoutsamenstelling in de cel handhaaft.
Waarom denk ik dat de evolutie van het leven van eenvoudige cellen naar meercellige dieren zeer onwaarschijnlijk is? Er zijn hier twee overwegingen, een meer geologische, de andere puur biologisch. Laten we beginnen met de eerste.
In de paleontologie is betrouwbaar vastgesteld dat de evolutie van organismen erg ongelijk is. Crisissen en revoluties worden afgewisseld met periodes van stasis, soms erg lang. De langste periode van stilstand werd de "saaie miljard" genoemd en duurde het grootste deel van het proterozoïcum - van ongeveer 2 tot 0,8 miljard jaar geleden. Het werd voorafgegaan door het verschijnen van zuurstof in de atmosfeer, de opkomst van eukaryote cellen en de wereldwijde ijstijd van de Huron, en het eindigde met de grootste Sturt-ijstijd in de geschiedenis van de aarde, een toename van het zuurstofgehalte tot bijna moderne waarden en het verschijnen van meercellige dieren. De evolutie was ook relatief traag in de Archeïsche aion tussen 3,5 en 2,5 miljard jaar geleden in vergelijking met zowel de vorige Catarchiaanse aion (de tijd van het verschijnen van leven en het late meteorietbombardement), en met de daaropvolgende zuurstofrevolutie. De redenen voor deze ongelijkheid worden niet volledig begrepen. Het lijkt mij persoonlijk overtuigend dat de "zuurstofrevolutie" (de massale verspreiding van zuurstofproducerende cyanobacteriën) verband hield met de uitputting van de reserves aan gereduceerd (ferro) ijzer in oceaanwater. Zolang er voldoende ijzer in de oceaan was, gedijen microben daar met behulp van eenvoudigere en veiligere ijzeroxiderende fotosynthese. Het geeft geen zuurstof vrij, maar verbindingen van ijzeroxide - magnetieten en hematiet, die door het Archean op de zeebodem werden afgezet. De toevoer van nieuw ijzer aan de zee (voornamelijk uit hydrothermische bronnen op de bodem) nam af naarmate de geologische activiteit van de planeet afnam, en ten slotte dwong de hulpbronnencrisis de fotosynthetische microben om over te schakelen op een meer complexe "technologie" van zuurstoffotosynthese. Evenzode oorzaak van het ‘saaie miljard’ zou het constante zuurstofverbruik kunnen zijn voor de oxidatie van verschillende mineralen op het land, waardoor het zuurstofgehalte niet boven de 1 à 2% kan komen. In proterozoïsche zeesedimenten zijn er veel sporen van onshore oxidatie van sulfide-ertsen, waardoor rivieren sulfaten, arseen, antimoon, koper, chroom, molybdeen, uranium en andere elementen in de oceaan voerden die bijna afwezig waren in de Archeïsche oceaan. De late proterozoïsche crisis met wereldwijde ijstijden, een snelle toename van het zuurstofgehalte en de opkomst van meercellige dieren kan zijn veroorzaakt door de uitputting van gemakkelijk geoxideerde mineralen op het land.waardoor de rivieren sulfaten, arseen, antimoon, koper, chroom, molybdeen, uranium en andere elementen in de oceaan droegen die bijna afwezig waren in de Archeïsche oceaan. De late proterozoïsche crisis met wereldwijde ijstijden, een snelle toename van het zuurstofgehalte en de opkomst van meercellige dieren kan zijn veroorzaakt door de uitputting van gemakkelijk geoxideerde mineralen op het land.waardoor de rivieren sulfaten, arseen, antimoon, koper, chroom, molybdeen, uranium en andere elementen in de oceaan droegen die bijna afwezig waren in de Archeïsche oceaan. De late proterozoïsche crisis met wereldwijde ijstijden, een snelle toename van het zuurstofgehalte en de opkomst van meercellige dieren kan zijn veroorzaakt door de uitputting van gemakkelijk geoxideerde mineralen op het land.
De timing van het begin van twee belangrijke revoluties (zuurstoffotosynthese en meercellige dieren) werd dus waarschijnlijk bepaald door de balans tussen biologische (fotosynthese) en geologische processen (afgifte van ferro-ijzer en andere oxideerbare stoffen door hydrothermale openingen en grondvulkanen). Het is heel goed mogelijk dat deze revoluties op andere planeten veel later komen. Een zwaardere planeet (superaarde) zal bijvoorbeeld langzamer geologische activiteit verliezen, ijzer langer in de oceaan afgeven en de zuurstofrevolutie met miljarden jaren vertragen. Planeten in de bewoonbare zone van rode dwergen zullen weinig zichtbaar licht ontvangen dat geschikt is voor fotosynthese, en hun biosferen lopen ook het risico vast te zitten in een zuurstofvrij stadium. De hoeveelheid water op de planeet is ook belangrijk. Als de hele planeet bedekt is door een diepe oceaan, dan zal er een tekort aan fosfor zijn,voornamelijk afkomstig van landvulkanen, en als er weinig water is, dan zal het oceaangebied dat beschikbaar is voor fotosynthetische microben ook klein zijn (vóór de verschijning van meercellige planten was de productiviteit van terrestrische ecosystemen verwaarloosbaar in vergelijking met de zeeën). Dat wil zeggen, er zijn tal van redenen waarom de biosfeer vast kan komen te zitten in een zuurstofvrij microbieel stadium en niet kan uitgroeien tot dieren. De tijd voor ontwikkeling is trouwens beperkt: de helderheid van sterren neemt toe met de tijd, en de aarde zal in 1,5-2 miljard jaar onomkeerbaar opwarmen, de oceanen zullen verdampen en het groeiende broeikaseffect zal haar in de tweede Venus veranderen. Bij rode dwergen groeit de helderheid langzamer, maar hun planeten kunnen onbewoonbaar worden door het verdwijnen van het magnetische veld en het daaropvolgende verlies van water in de ruimte, zoals gebeurde op Mars.het oppervlak van de oceaan dat beschikbaar is voor fotosynthetische microben zal ook klein zijn (vóór de opkomst van meercellige planten was de productiviteit van terrestrische ecosystemen verwaarloosbaar in vergelijking met de zeeën). Dat wil zeggen, er zijn tal van redenen waarom de biosfeer vast kan komen te zitten in een zuurstofvrij microbieel stadium en niet kan uitgroeien tot dieren. De tijd voor ontwikkeling is trouwens beperkt: de helderheid van sterren neemt toe met de tijd, en de aarde zal in 1,5-2 miljard jaar onomkeerbaar opwarmen, de oceanen zullen verdampen en het groeiende broeikaseffect zal haar in de tweede Venus veranderen. Bij rode dwergen groeit de helderheid langzamer, maar hun planeten kunnen onbewoonbaar worden door het verdwijnen van het magnetische veld en het daaropvolgende verlies van water in de ruimte, zoals gebeurde op Mars.het oppervlak van de oceaan dat beschikbaar is voor fotosynthetische microben zal ook klein zijn (vóór de opkomst van meercellige planten was de productiviteit van terrestrische ecosystemen verwaarloosbaar in vergelijking met de zeeën). Dat wil zeggen, er zijn tal van redenen waarom de biosfeer vast kan komen te zitten in een zuurstofvrij microbieel stadium en niet kan uitgroeien tot dieren. De tijd voor ontwikkeling is trouwens beperkt: de helderheid van sterren neemt toe met de tijd, en de aarde zal in 1,5-2 miljard jaar onomkeerbaar opwarmen, de oceanen zullen verdampen en het groeiende broeikaseffect zal haar in de tweede Venus veranderen. Bij rode dwergen groeit de helderheid langzamer, maar hun planeten kunnen onbewoonbaar worden door het verdwijnen van het magnetische veld en het daaropvolgende verlies van water in de ruimte, zoals gebeurde op Mars.toegankelijk voor fotosynthetische microben (vóór het verschijnen van meercellige planten was de productiviteit van terrestrische ecosystemen verwaarloosbaar in vergelijking met de zeeën). Dat wil zeggen, er zijn tal van redenen waarom de biosfeer vast kan komen te zitten in een zuurstofvrij microbieel stadium en niet kan uitgroeien tot dieren. De tijd voor ontwikkeling is trouwens beperkt: de helderheid van sterren neemt toe met de tijd, en de aarde zal in 1,5-2 miljard jaar onomkeerbaar opwarmen, haar oceanen zullen verdampen en het groeiende broeikaseffect zal haar in de tweede Venus veranderen. Bij rode dwergen groeit de helderheid langzamer, maar hun planeten kunnen onbewoonbaar worden door het verdwijnen van het magnetische veld en het daaropvolgende verlies van water in de ruimte, zoals gebeurde op Mars.toegankelijk voor fotosynthetische microben (vóór het verschijnen van meercellige planten was de productiviteit van terrestrische ecosystemen verwaarloosbaar in vergelijking met de zeeën). Dat wil zeggen, er zijn tal van redenen waarom de biosfeer vast kan komen te zitten in een zuurstofvrij microbieel stadium en niet kan uitgroeien tot dieren. De tijd voor ontwikkeling is trouwens beperkt: de helderheid van sterren neemt met de tijd toe, en de aarde zal over 1,5-2 miljard jaar onomkeerbaar beginnen op te warmen, de oceanen zullen verdampen en het groeiende broeikaseffect zal haar in een tweede Venus veranderen. Bij rode dwergen groeit de helderheid langzamer, maar hun planeten kunnen onbewoonbaar worden door het verdwijnen van het magnetische veld en het daaropvolgende verlies van water in de ruimte, zoals gebeurde op Mars. De tijd voor ontwikkeling is trouwens beperkt: de helderheid van sterren neemt toe met de tijd, en de aarde zal in 1,5-2 miljard jaar onomkeerbaar opwarmen, de oceanen zullen verdampen en het groeiende broeikaseffect zal haar in de tweede Venus veranderen. Bij rode dwergen groeit de helderheid langzamer, maar hun planeten kunnen onbewoonbaar worden door het verdwijnen van het magnetische veld en het daaropvolgende verlies van water in de ruimte, zoals gebeurde op Mars. De tijd voor ontwikkeling is trouwens beperkt: de helderheid van sterren neemt toe met de tijd, en de aarde zal in 1,5-2 miljard jaar onomkeerbaar opwarmen, de oceanen zullen verdampen en het groeiende broeikaseffect zal haar in de tweede Venus veranderen. Bij rode dwergen groeit de helderheid langzamer, maar hun planeten kunnen onbewoonbaar worden door het verdwijnen van het magnetische veld en het daaropvolgende verlies van water in de ruimte, zoals gebeurde op Mars.
De tweede overweging betreft het ontstaan van eukaryoten - cellen met een kern. Eukaryote cellen zijn veel groter en complexer dan die van bacteriën en archaea en verschenen later, hoogstwaarschijnlijk tijdens de "zuurstofrevolutie". De eukaryote cel verscheen als een hersenschim van een archaeale cel, een symbiotische bacterie die zich erin nestelde en mogelijk een virus dat hen (of zelfs meer dan één) infecteerde. De structuur van het genoom van eukaryoten laat ondubbelzinnig zien dat hun vroege evolutie niet plaatsvond door natuurlijke selectie, maar in veel opzichten ondanks. In kleine populaties is selectie niet erg efficiënt, en enigszins schadelijke eigenschappen kunnen verankerd raken als gevolg van genafwijking en andere puur willekeurige processen. Dit wordt gedetailleerd beschreven in het overeenkomstige hoofdstuk van Kunin's Logic of Chance en suggereertdat de opkomst van eukaryoten zeer onwaarschijnlijk kan zijn, zelfs in een geschikte omgeving (bacteriële biosfeer die de zuurstofrevolutie binnendringt). Gevallen van intracellulaire symbiose tussen bacteriën en archaea zijn op zijn minst praktisch onbekend - hoewel bacteriën zich gemakkelijk nestelen in eukaryote cellen.
Samenvattend: ik denk dat de combinatie van de beschreven factoren ertoe moet leiden dat er in onze Melkweg miljoenen planeten zullen zijn met bacterieel leven en veel minder (mogelijk slechts een paar) - met een leven van een eukaryoot en meercellig niveau van complexiteit.
Het naschrift van Boris Stern
Een paar woorden om de discussie te beëindigen. Het is heel goed mogelijk dat Evgeny Kunin de waarschijnlijkheid van het ontstaan van leven onder geschikte omstandigheden sterk heeft onderschat. En toch moet deze beoordeling serieus worden genomen. Als hij zich met 900 ordes van grootte heeft vergist, verandert dat niets: we zijn allemaal hetzelfde alleen binnen de horizon van het heelal, waar slechts ongeveer 1020-1021 geschikte planeten zijn. Zelfs als de rest van de deelnemers aan de discussie gelijk hebben en allerlei trucs van de natuur, zoals niet-enzymatische replicatie, de oorsprong van leven min of meer waarschijnlijk kunnen maken, dan zal het een zeer primitief leven zijn, in de overgrote meerderheid van de gevallen, niet in staat om naar een hoger ontwikkelingsniveau te springen. Twee panelleden schreven hierover in zwart-wit. Dat is de hele Fermi-paradox.
Daarom volgen er ten minste twee belangrijke organisatorische conclusies. Ten eerste: ontwikkeld leven is het zeldzaamste en meest waardevolle fenomeen in het universum. Zie daarom de laatste alinea van de opmerking van Armen Mulkidzhanyan: de mensheid heeft een nobel totaal doel: de verspreiding van dit fenomeen. We zullen apart praten over de mogelijkheden en methoden om dit doel te bereiken.
De tweede organisatorische conclusie: de vernietiging van dit leven zal een onherstelbaar verlies van galactische of zelfs kosmologische schaal zijn. Hiermee moet rekening worden gehouden bij hun eigen beoordeling van "haviken" en politici die bereid zijn hun toevlucht te nemen tot nucleaire chantage om hun eigen "grootsheid" op te blazen. Hetzelfde geldt voor een beschaving van ongebreidelde consumptie.
Auteurs: Boris Stern, Alexander Markov, Armen Mulkidzhanyan, Evgeny Kunin, Mikhail Nikitin
