прежде всего о двух ключевых параметрах: энергии и энтропии. Эти параметры – сфера изучения термодинамики, науки, которая возникла и получила свое развитие в XIX веке. В предыдущей главе мы уже говорили о первом и втором законах термодинамики (не забыли про футболку?), которые можно сформулировать так:
Первый закон: Энергия может принимать множество переходящих друг в друга форм, но не может быть создана или уничтожена. Второй закон: Мера беспорядка в замкнутой системе со временем остается неизменной или растет, но не уменьшается.
Второй закон часто формулируется в терминах энтропии – величины, которую можно определить как меру беспорядка в системе: высокая энтропия соответствует высокой степени беспорядка, низкая – высокой степени упорядоченности.
Типичная аналогия, иллюстрирующая законы термодинамики, – спальня подростка. С течением времени комната становится все более и более захламленной (т. е., степень беспорядка в ней повышается, или, что, по сути, то же самое, она переходит в состояние со все более высокой энтропией). Мы можем представить себе захламленность как естественное «равновесное» состояние этой системы. Единственный способ избежать этой захламленности и тем самым удерживать систему в состоянии, далеком от равновесия, – постоянно заниматься уборкой. Этот процесс требует затрат энергии, а энергия, скорее всего, будет получена из еды, которую подросток (или, что более вероятно, его родители) ест. Избыток этой энергии будет – после того как уборка в комнате закончится – рассеян в пространстве в виде тепла. Это следует из первого закона – энергия, полученная из еды, должна куда‐то деваться и не может просто исчезнуть. Следовательно, чтобы поддерживать состояние высокой упорядоченности (или низкой энтропии), нам необходимо иметь постоянный приток энергии, проходящей через систему. На языке физиков мы говорим, что приток энергии поддерживает систему в высокоупорядоченном состоянии, далеком от равновесия.
Живая система, такая, как человеческое тело, находится именно в таком высокоупорядоченном состоянии, напоминающем чисто убранную спальню. Будучи предоставленными сами себе, атомы вашего тела быстро превратились бы в груду неструктурированного материала, наподобие захламленной спальни. Приток энергии, попадающей в организм во время приема пищи, а в конечном счете – поступающей от Солнца, удерживает тело в состоянии, далеком от равновесия – то есть кучки неупорядоченных атомов. Резюмируя все вышесказанное, мы можем заключить, что живая система – это система, которую приток энергии удерживает в состоянии, далеком от равновесия.
Впрочем, это даст нам не столько определение жизни, сколько ключевое свойство живой системы, свойство, которое может говорить о возможности жизни как таковой. На языке логики это необходимое, но не достаточное условие жизни. Другими словами, все живые системы должны иметь приток энергии для поддержания состояния с высокой степенью организованности – но не все системы, обладающие таким свойством, будут живыми. Растущая снежинка, к примеру, – высокоупорядоченная система, задействующая для своего роста энергию тепла, но она не живая.
Концепция жизни, определенной в терминах термодинамики, очень пригодится нам, когда мы будем обсуждать возможность жизни, совершенно непохожей на нашу (глава 16).
Немного о технике
В 1960 году палеонтологи Луис и Мэри Лики, во время раскопок в Олдувайском ущелье в Танзании, обнаружили ископаемые останки гоминида в окружении обломков каменных инструментов. Гоминид, позже названный Homo habilis («человек умелый»), был первым из наших далеких предков, кто использовал окружающие его предметы и материалы для изготовления орудий – в данном случае для того, чтобы заострить осколки камней. Homo habilis, мозг которого был примерно вдвое меньше, чем у современного человека, первым ступил на путь технологического развития, ведущий к современному высокоразвитому обществу.
Когда‐то считалось, что изготовление орудий – одна из тех характеристик, которые, наравне с языком, отличают человека от других животных. Сегодня мы понимаем, что границы такого рода размыты гораздо сильнее, чем мы думали раньше. Мы можем наблюдать, как животные пользуются примитивными инструментами – шимпанзе, например, чтобы выманить термитов наружу и съесть их, втыкают палку в термитник. Однако утверждать, что эта палка и, скажем, «Боинг-747» в каком‐то смысле одно и то же, не слишком разумно. Как и с множеством других признаков, отличающих человека от остальных живых существ, в изготовлении орудий главное – степень проявления этого отличия, а не само отличие как таковое.
Вполне очевидно, что способность применять материалы окружающей среды для изготовления орудий – необходимое условие для возникновения технологического общества. Однако, когда мы задумываемся о жизни на экзопланетах, в этой связи возникает интересный вопрос. На Земле возможность изготавливать всё более сложные инструменты нашим предкам дала повсеместная доступность самых разных видов камня. То же самое относится и к работе с легкоплавкими металлами, в большом количестве присутствующими прямо на поверхности Земли или на достаточно небольшой глубине. Не будь этих металлов, мы бы все еще жили в каменном веке.
Но ведь наличие легкодоступных материалов для изготовления орудий не обязательно должно быть особенностью, присущей всем экзопланетам. В мире, покрытом водой, о котором мы поговорим в главе 8, камни и металлы вполне могут оказаться в дефиците, и развитие того, что мы могли бы назвать технологической цивилизацией, может стать по меньшей мере затруднительным. Таким образом, мы должны обращать внимание не только на присутствие жизни на экзопланетах, но и на наличие встречающихся там материалов, из которых местные формы жизни могли бы изготовить орудия труда и, таким образом, в конечном итоге создать технологическую цивилизацию.
4
Правила игры
Как должна работать каждая живая система
Как ни странно, несмотря на то, что определить, что такое жизнь, очень трудно, если вообще возможно, сформулировать свойства, которыми должна обладать жизнь на далеких планетах, – гораздо более простая задача. Дело в том, что мы довольно хорошо понимаем, как развивается и функционирует жизнь – по крайней мере, похожая на нашу – в том окружении, в котором она оказывается. К тому же, как мы расскажем ниже, «правила игры», которые управляют жизнью на Земле, должны быть верными для большинства видов жизни – и не только основанной на соединениях углерода. Таким образом, мы можем сформулировать правила, управляющие любым гипотетическим видом жизни в любой точке Галактики, если сможем понять, каковы эти правила здесь, на Земле. На основе этого понимания – и того, что зарождение жизни на Земле пока что остается единственным известным нам процессом ее возникновения, – в этой главе мы сначала поговорим о том, что нам известно о развитии жизни на нашей собственной планете, а затем попытаемся представить себе, как подобные процессы могли бы происходить в экзотических условиях экзопланет.
Таким образом, чтобы понять, как жизнь на нашей планете стала такой, какой она есть, нам потребуются ответы на два глобальных вопроса, а уже для того, чтобы получить она них ответы, пригодятся знания из самых разных областей науки.
