 | В. А. Мазур.
Инфляционная космология
и
гипотеза случайного
самозарождения жизни
Конспект доклада на заседание семинара НКЦ SETI,
состоявшегося в пятницу, 12 октября 2012 года
в 16 часов в конференц-зале ГАИШ.
(выполнил А. Семенов по аудиозаписи)
|
Самая простая и логичная гипотеза происхождения жизни - гипотеза самозарождения, которая гласит, что в результате случайного движения простейших молекул (броуновского движения) в "первичном бульоне" возникла некая сложная молекула, способная самореплицироваться, возникла совершенно случайным образом, а после этого появились ее копии, ошибки при копировании (мутации), естественный отбор, появилась жизнь, и началась эволюция.
Гипотеза существует давно. И никакой другой столь же простой, логичной и обоснованной пока не появилось. Хотя мысль о том, что жизнь зародилась ЗАКОНОМЕРНО, эстетически более привлекательна, но конкретного механизма, более-менее обоснованного пока нет. Гипотеза случайного самозарождения остается самой простой и ясная.
Согласно ей, сначала, в результате предбиологического синтеза в океане (в некой среде) возник набор "первичных кубиков". Например, аминокислот, нуклеотидов, оснований, лепидов и т.д. (
и мало кого эта стадия смущает, ибо эти элементы мы находим даже в межзвездной пыли - прим А.С Здесь и далее курсивом - добавления А.С). Далее, из этих кубиков самопроизвольно, совершенно случайно, "чудесным образом", сложилась способная к саморепликации молекула.
Что это за молекула? Уже лет 30 считается, что это должна быт молекула РНК, и в начале эволюции появился так называемый мир РНК, очень простая форма жизни без белков. Это была очень примитивная первичная жизнь, которая потом эволюционировала в нашу и исчезла, уступив место более сложной. Молекулы РНК выбраны как универсалы, которые могут сами играть и роль носителей наследственной информации и, например, катализаторов.
Молекула рибозима — РНК, способной катализировать химическую реакцию
на манер белковНо несмотря даже на простоту мира РНК (по сравнению с известным нам более сложным миром ДНК) вероятность случайного само-зарождение даже мира РНК остается ничтожно мала.
Классическая наглядная аналогия величины малости такой вероятности является пример бури, которая пронесется над свалкой запчастей и в результате сам собой там соберется автомобиль. А вероятность случайной самосборки такой молекулы, как утверждают критики концепции случайного самозарождения, много меньше!
Но давайте оценим эту вероятность количественно, тем более что расчет тривиален.
Ключевой параметр - число различных мономеров в полимере, заданной длины. Важные биологические молекулы (белки, ДКА, РНК) представляют собой линейный полимер, состоящий из блоков-мономеров небольшого числа типов.
Так, белки состоят из 20-и таких блоков (аминокислот), ДНК, РНК состоят из четырех таких блоков-нуклеотидов (
Аденин, Гуанин, Цитозин, Тимин):
Допустим, имеется
N различных видов блоков-мономеров встраиваемых в цепь молекулы (скажем,
4 для мира РНК) и рассмотрим молекулу длинной из
m таких блоков-мономеров. Тогда число
К, возможных вариантов таких молекул вычисляется просто:
}=10^q)
где
)
Поскольку
N небольшое число (допустим
4) и логарифм от него порядка единицы, то
q и
m - числа одного порядка.
Какое должно быть значение m для молекулы РНК, которая бы могла сама воспроизвести себя можно долго гадать. Число мономеров в типичной, существующей ныне РНК варьируется от нескольких десятков (транспортные РНК) до нескольких тысяч. Транспортные РНК не являются носителями кода и вряд ли способны к саморазмножению, поэтому надо брать
m от сотен до тысяч мономеров.
Примем оценку m порядка нескольких сотен.
q получается ~
1000. В итоге получаем фантастическое число возможных комбинаций:
К - невероятно большое число. Так, в практической физике оно нигде не встречается. И далее будем называть числа такого масштаба (
q порядка
1000) числами
КОМБИНАТОРНОГО типа.
Обратите внимание. Записанное нами число очень плохо определено по порядку. Это может быть
10 в тысячной, а может быть
10 в семисотой. То есть даже его логарифм тяжело оценить (только с точностью порядка величины). Но даже не смотря на очень большую неопределенность, вывод который далее следует из этой величины будут достаточно однозначный.
Представим себе область вселенной, где мы рассматриваем возможность возникновение жизни. Там происходят единичные попытки случайно создать данную молекулу. Вероятность того, что нужная нам молекула образуется в одной попытке (в предположении что способностью к саморепликации обладает только одна молекула из всех возможных
K комбинаций длины
m) будет:
Что бы оценить вероятность случайного зарождения жизни эту вероятность надо сопоставить с количеством всех попыток. Тут нужно иметь в виду не только Землю, но и весь доступный объем вселенной. Обычно говорят о видимой вселенной. То есть речь идет о количестве попыток произошедших в видимой вселенной с момента ее зарождения.
Расчет числа таких попыток - это тоже очень специфическая задача. Нам нужно оценить объем океанов всех планет, концентрацию мономеров, скорость их реакции и время, прошедшее с начала этих попыток (миллиарды лет) и т.д. и т.п. Но ничего этого делать не надо, потому что все эти оценки покрываются, "пересиливаются" простым соображением. А именно…
Введем такое понятие как число
АСТРАНОМИЧЕСКОГО типа и обозначим его как
A.
Например, это размер вселенной, выраженный в сантиметрах. От нас до горизонта событий, например
1028 см. Или число нуклонов в видимой вселенной ~
1080 и т.д. Условно, в качестве верхней границы чисел астрономического типа можно взять число гугол:
Все числа, которые встречаются в астрономии меньше этой величины. Даже если, скажем, радиус видимой вселенной мерить в Планковских длинах, то все равно получится число астрономического типа (L
p ~
10-35м или ~
10-33 см, тогда горизонт событий находится на дистанции ~
10 в степени
28+33=61 < 100).
Астрономическим является и произведение размеров вселенной на время существования видимой вселенной.
(
не важно, в каких величинах, 15 миллиардов лет это ~ 1017c. Даже в Планковских интервалах, 10-43c, это 43+17=60<100 ).
Граничные оценки числа попыток по самому минимуму (взяты заведомо малые величины) и по самому максимуму (все оценки заведомо больше) дали оценку от
1030 до
1070. То есть это число типа
А.
Видно, что число
А неизмеримо меньше
K, поэтому вероятность зарождения жизни в видимой части вселенной за все время ее существования у нас получается:
Так как порядок
А и
К нами установлен приблизительно, то глупо так точно считать порядки и можно записать наш расчет так:
То есть
1/К и
A/K - это одинаковые по своему классу величины. В знаменателе все равно остается число комбинаторного типа. Из этого ясно, что астрономическое число попыток просто никак не влияет на комбинаторн-малую вероятность самозарождения жизни. С практической точки зрения эта вероятность просто равна нулю.
На этом и основывается утверждение, что жизнь в нашей вселенной не могла зародиться случайно. Гипотеза случайного зарождения в итоге, считается неприемлемой и всерьез не рассматривается. Одно последнее замечание к этому промежуточному выводу.
Мы исходили из того что всего одна из
К возможных цепочек способна к саморепликации. Но ясно, что это скорей всего не так. И это можно было бы рассматривать как слабое место в рассуждениях выше. Скажем, если все
К молекул были бы способны к саморепликации (что наверняка не так), тогда вероятность самозарождения будет
1. Чтобы внести поправку на такую возможность, надо оценить число таких удачных молекул из
К. Это сделать сложно, но это число наверняка будет числом астрономического типа. Что все решает. На самом деле учет этого фактора мало что меняет. Число
К гораздо больше
А.
Однако…
Главный тезис доклада:
Надо учитывать, что вселенная согласно инфляционной теории совсем не ограничивается видимой вселенной, и ее размеры гораздо больше.
То, что реальная вселенная больше видимой, было ясно давно (например, еще из модели Фридмана) но инфляционная космология внесла в оценку этого "больше" очень существенную поправку. Согласно ей, видимая часть вселенной не просто некая часть всей вселенной, а ничтожно малая ее часть. Вселенная за нашим горизонтом событий настолько велика, что вероятность случайного возникновения той самой молекулы в ней не просто велика, а просто неотличима от единицы. Это - главный тезис данного доклада.Детали инфляционной космологииКонцепция инфляции возникла лет 30 назад и коренным образом изменила представление о глобальной структуре вселенной. Ее суть в том, что в самом начале вселенная испытала невероятно быстрое расширение, которое называется раздувание и которое связано с тем, что так называемый ложный вакуум обладал очень большой плотностью энергии, что привело к необычному эффекту: гравитация заменяется антигравитацией (и т.п.).
В итоге вселенная раздувалась экспоненциально до того момента, когда в результате некого фазового перехода и распада ложного вакуума она превратилась в нашу обычную вселенную, и это начальная фаза расширение происходило примерно следующим образом:
Началось оно примерно с Планковского масштаба L
p ~
10-33 см.
Характерным временем расширения являлось Планковское время T
p~
1043c
То есть, за такое время Вселенная расширялась в
e раз (экспоненциально).
И это расширение до момента фазового перехода по разным оценкам теоретиков закончилась через
10-35 c. Это очень короткий отрезок времени, но это много Планковских времен:
108.
В результате вселенная расширилась на величину (обозначим ее буквой
I ):
в
раз
Это так называемый масштабный фактор. Произошло кратковременное, но невероятно большое раздувание Вселенной. Важный факт. Поскольку расширение началось с Планковских масштабов (в причинно-связанной области), то в процессе раздувания свойства, которые были причинно-связанными, были перенесены на весь этот огромный домен. То есть во всем домене установились одни законы физики.
В итоге мы имеем домен, в котором после фазового перехода работает та же самая физика, что и в видимой нам части, и через 15 миллиардов лет во всех его частях существую такие же галактики, такие же звезды что и у нас здесь, в видимой части.
Размер всей вселенной можно оценить так:
Поэтому будем говорить, что размер вселенной равен
I. При этом, не указывая в каких единицах. Неопределенность этого числа настолько велика, что бессмысленно указывать единицу измерения.
Сразу видно, что размер домена
I много больше числа возможных комбинаций
Кпоэтому
Заметим, что число
I в показателе степени которого стоит
30 000 000, это одна из самых слабых версий инфляционной модели. В более сильных вариантах показатель степени оценивается в
1014 (поэтому будем считать значение показателя степени
I от
107 до
1014). И далее будем такие огромные числа называть числами
ИНФЛЯЦИОННОГО типии.
В итоге мы имеем числа трех типов:
Астрономического типа, A
Комбинаторного типа, K
Инфляционного типа, I
Соотношение между ними напоминают соотношения между кардинальными числами разной мощности в математики.
Если число попыток в видимой всеянной есть число астрономического типа, точно так же в домене, размер которого инфляционного типа, число попыток будет инфляционного типа. И ситуация теперь радикально меняется. Число попыток существенно больше числа вариантов.
I/К =I.
Можно точно высчитать вероятность случайного зарождения жизни в домене:
Но и без точного расчета интуитивно ясно что вероятность неотличима от
1.
Поэтому жизнь в домене должна была СЛУЧАЙНО зародится наверняка, на какой-нибудь планете. И Земля, та самая планета.
В итоге.
Даже не смотря на то, что вероятность самозарождения жизни невероятно мала, с учетом инфляционной модели вселенной, наш домен (с нашей физикой) настолько велик, что случайное зарождение жизни в нем было просто неизбежно.Это главный вывод, но не единственный.
Условно (без соблюдения масштаба) изобразим ситуацию так:
Наша Земля внутри горизонта событий,
который сам внутри домена - всей вселенной. Какова вероятность того, что внутри нашего горизонта событий найдется еще одна жизнь? То есть вероятность случайного зарождения жизни в видимой нам части вселенной (и вообще в любой части вселенной видимой из любой точки, даже если там нет наблюдателя). Ясно что это
A/К. Она неотличима от
0 (
~1/(101000)).
Это прекрасно объясняет парадокс Ферми. Если жизнь зародилась во вселенной случайно, то мы действительно одни в видимой нам части вселенной.
На каком расстоянии (красная пунктирная линия) от нас находится еще одна жизнь, каков размер этой сферы за пределами видимого нам горизонта событий? Ясно, что это должен быть сфера диаметром порядка комбинаторного
К. Тогда вероятность еще одного наблюдателя станет не
A/K~0, а
K/К~ 1.
Расстояния между двумя соседними очагами жизни в этом домене порядка К - комбинаторного типа (в ~
10100 раз больше чем видимая нам часть вселенной). Оно неизмерим о больше чем число астрономического типа
А (горизонт событий) но гораздо меньше чем число инфляционного типа
I - размера домена.
Это означает, что в домене в результате случайного самозарождения должно возникнуть множество очагов жизни. Поскольку расстояние между ними
К, а размер
I, то
I/K~ I, то есть их не просто много, их очень много. Порядка числа инфляционного типа
I~ 1030 000 000.
Такие большие числа можно было бы считать неким шарлатанством. Но все эти цифры вытекают из космологической теории, восторжествовавшей в астрофизике уже 30 лет и хорошо объясняющей наблюдаемую нами вселенную.
Инфляционная теория во-первых, хорошо согласуется с физикой. То, что вселенная должна была в начале раздуваться (энергия вакуума была велика, порядка Планковской энергии) - это вытекает из всех современных теорий элементарных частиц и теорй поля.
Во-вторых она хорошо объясняет ряд роковых вопросов космологии которые до нее казались просто философскими и всерьез считалось, что их никогда нельзя буде объяснить и даже не стоит пытаться обсуждать.
В каком-то смысле инфляционная теория от части уже и подтверждена наблюдениями. В процессе такого раздувания должны были возникать неоднородности, которые в итоге приобрели колоссальные размеры и характер этих неоднородностей хорошо совпадает с наблюдаемым спектром микроволнового реликтового излучения небесной сферы.
Ночной Горизонт над Чикаго мог бы выглядеть так, если бы наши глаза могли видеть
микроволновый фон космоса. Cчитается, что такая картина - следствие
инфляционного расширения вселенной в начальный момент ее зарождения.
Взято здесь В итоге, сейчас инфляционная теория настолько хорошо вписалась в космологический контекст, что ее ниспровержение разрушит всю современную космологию.
И как бы такие числа не выглядели для нас неправдоподобными, они по-видимому все же имею место быть истинными. А применительно к профилю данного доклада, можно было бы дополнительно и спросить: а зачем, собственно, вселенная такая большая? А может быть для того чтобы в ней могла зародится жизнь?
С точки зрения антропного принципа во всех вселенных, где размеры домена не такие большие, жизнь не зародилась и никто подобные вопросы не задает.
Еще тонкость.
Во многих работах по биологии звучит утверждение, что концепция дарвиновской эволюции не может объяснить очень сильные эволюционные скачки, которые называются ароморфозами. Например, возникновение из прокариот эвкариот или появление из неразума разума. Есть мнение, что эволюционный механизм может объяснять медленные изменения, небольшие адоптации, но не качественно-новые скачки в сторону усложнения организмов, притом очень быстрые по времени.
Предложенная концепция случайного зарождения может объяснить и это явление.
Допустим, во вселенной где-то совершенно случайно возникает жизнь в виде РНК-мира. Это происходит на очень большом числе планет, порядка
I. И на большинстве из них, эта жизнь так и остается в качественно таком же состоянии. И только небольшое число миров, за счет ничтожной маловероятной случайности (никакой причины, чистая случайность!) совершает скачек на новый уровень организации.
Пусть вероятность случайного зарождения жизни
1/К (и это можно считать нулевым ароморфозом). Следующий эволюционный скачек происходит с такой же ничтожно малой вероятностью, того же порядка
1/К1. Следующий скачек, с вероятностью
1/К2, того же порядка маловероятности. И т.д.
В итоге вероятность того, что где-то произойдет подряд
z ароморфозов:
То есть из всех планет, количество которых огромно, порядка
I, только на доле планет
I/К1 произошел первый эволюционный скачет,
I/(K1*K2) - произошло два скачка и т.д.
В итоге на подавляющем большинстве планет домена, где жизнь зародилась, она так и остановилась на каком-то шаге ароморфоза. Но первоначальное количество жизни в домене колоссально. Поэтому даже при очень большом числе
z вероятность того, что все эти события случаться где-то в домене случились, все равно неотличимо от
1.
Таким образом, эволюционные скачки действительно могут быть просто скачками с очень малой вероятностью и вполне возможно что
К1 того же масштаба что и
K или даже больше. И тем не менее, число попыток в домене настолько грандиозно велико, что достаточно длинную цепочку таких вот эволюционных скачков пройдет достаточно большое число планет. По крайней мере одна уже прошла.
Последний эволюционный скачек такого рода - возникновение разума. Что же будет этот разум наблюдать? Он смотрит на мертвый (стерильный!) космос вокруг, на историю жизни совей планеты и видит цепочку невероятных чудес, которую ничем иным как вмешательством бога он объяснить не может. И тем не менее, явление объясняется тем, что в истории именно этой планеты сложились невероятно редкие события, но самое главное, что это типичное событие в невидимой вселенной, невидимая ему вселенная не просто большая, она невообразимо огромна.
Последнее замечание, о панспермии
(
то что я смог из этого понять из достаточно рваного разъяснения. У меня сложилось впечатление, что о панспермии он общем и не хотел говорить, но раз где-то там вякнул, назвался груздем - полезай в лукошек).
Если принять последнее объяснение ароморфоза, то становится ясно, что эволюция не имеет механизмов целенаправленного движения верх (против сил энтропии) по пути развития от простого к сложному. Это местная, локальная иллюзия. И значит целенаправленно сеять примитивную жизнь, в надежде, что она через миллиарды лет разовьется во что-то более сложное - бессмысленно. Она ни во что не разовьется. Такой же результат будет и в случае случайной, ненаправленной панспермии.
Конец доклада
Из критики доклада Пановым
Инфляционная космология - не общепринятая, а доминирующая. У нее есть ряд сильных конкурентов и все они приводят к тем же наблюдениям. Поэтому нельзя утверждать, что инфляционная теория подтверждена на практике.
Кроме того, та динамика инфляции, что было описано в докладе (экспоненциально сильное раздувание вселенной в момент зарождения) справедливо не для всех инфляционных моделей, а для хаотического сценария Линде. В других инфляционных сценариях возникают другие масштабы и там может не возникать такой колоссальный инфляционный размер невидимой нам части мира. В итоге домен может иметь комбинаторную величину или даже меньше и этого достаточно, чтобы мы имели ту же наблюдаемую нам картину нашей реальности, что мы сейчас видим.
Сценарий случайной самосборки можно назвать сценарием термодинамического чуда. Да, она имеет право на существование, но и модели ЗАКОНОМЕРНОГО возникновения жизни тоже создаются и обсуждаются, хотя ни у одной из них прямого доказательства пока нет.
Самый сильный, на мой взгляд, контраргумент выдвинул Панов по поводу последнего вывода связанного с ароморфозами (хотя это частности, отрицание этого вывода никак не затрагивает вывод основной):
Если бы ароморфозы были случайными событиями, они и располагались во времени в случайном порядке, а они следуют неслучайно. Ароморфозы (по мнению Панова) от момента возникновения жизни до нашего времени идут с постоянным ускорением (сокращением интервалов) и этот темп хорошо ложится на гиперболу. Мы сейчас находимся как раз в точке сингулярности, где скорость возникновение ароморфозов формально стремится к бесконечности.
На этот аргумент докладчик ответил в том же духе что и ранее. В домене настолько много случайных событий-чудес, что и указанная Пановым гиперболическая закономерность может оказаться в нашем случае простым совпадением.
Но, я могу добавить, что критики Панова вообще уверяют, что его гиперболическая кривая - это аберрация "взгляда в прошлое" и никакой ускоряющейся закономерности объективно нет Как, может быть нет, и никаких ароморфозов (нет никакого направления в эволюции от простого к сложному).
О термодинамических чудесах (из зала прозвучал еще термин "чудо Джинса").
Сам Панов в русле логики Мазура привел пример Макса Тегмарка (см. например здесь). Тот утверждал, что вселенная за пределами горизонта событий действительно может быть настолько велика, что можно попытаться вычислить в ней расстояние, на котором существует вторая такая Земля-копия как у нас, с теми же событиями что случились здесь и тем же заседанием в ГАИШ что происходит тут сейчас. И что это расстояние, как не странно, хоть и невообразимо велико, но конечно.И С П Р А В Л Е Н И Я:
1 Добавил в качестве приложения оригинальную статью В.А. Мазура в ДАН, Т.431 (2010), No.2, С.183. "Инфляционная космология и гипотеза случайного самозарождения жизни". Огромное спасибо Аскету за эту статью!
2. Исправил формулу вероятности записанную "на слух" и убрал свой, ненужный теперь, комментарий к ней.
3. Исправил склонение фамилии автора здесь и везде в предисловии.
4. Исправил "Платковские" на "Планковские"
