Лучшее казино в мире

Формируя будущее космической науки: следующие 50 лет (2010)

Глава:Возможность жизни в другом месте Вселенной - Кристофер Ф. Чиба

Возможность жизни где-нибудь во Вселенной

Кристофер Ф. Чиба

Отделение астрофизических наук

Одной из характерных черт научных исследований, проведенных в рамках Международного геофизического года (МГГ) в 1957–1958 гг., Был упор на глобальные измерения. Например, для исследований ионосферы Земли, имеющих решающее значение для теории коротковолновой радиосвязи, требовались данные со всего мира. Скоординированные международные исследования, безусловно, задолго до МГГ, но использование глобализированного сбора данных для поддержки улучшений всемирной коммуникационной технологии было предвестником сегодняшней «глобализации», термин, который теперь, 50 лет спустя, стал почти клише.

Но МГГ требовал еще большего контекста. Исследования верхних слоев атмосферы также требовали понимания взаимодействия Земли с Солнцем. Чтобы понять Землю, нужно было поместить Землю в контекст ее солнечной системы. В этом смысле МГГ также можно рассматривать как предвестник того, что сейчас называется «астробиологией». В 1974 году, вскоре после высадки на Луну, Карл Саган утверждал, что мы впервые можем попытаться понять жизнь на Земле в ее космическом контексте. Космические путешествия показали, что это не просто метафора, а буквально истина: мы могли только надеяться понять происхождение и эволюцию жизни на Земле, поместив Землю в контекст ее солнечной системы и галактического окружения. Более того, наше понимание перспектив жизни в других местах, в свою очередь, сильно зависит от наших расширяющихся знаний о жизни на Земле.

ЖИЗНЬ, которую мы знаем

Поэтому обсуждение жизни в других местах естественно начинается с обзора некоторых ключевых аспектов биосферы здесь, на Земле. На поверхности Земли содержится около тысячи триллионов килограммов углерода в живых существах, которые мы легко видим невооруженным глазом, - в растениях, животных и грибах. Большая часть этой «биомассы» находится в деревьях. Но за последние пару десятилетий мы также узнали, что, похоже, существует аналогичная биомасса микроскопических организмов, живущих в океанах, и другая сопоставимая биомасса - это выяснено в ходе проектов глубокого бурения Земли - микроскопических организмов, живущих под землей, внизу. на глубину не менее нескольких километров. Похоже, что по крайней мере небольшая часть этой подповерхностной биосферы не зависит от состояния поверхности, то естьсегодня под землей живут микроорганизмы, которые, вероятно, продолжали бы процветать, даже если бы Солнце погасло и фотосинтез прекратился бы завтра. Это неверно для большей части подземной жизни, большая часть которой прямо или косвенно зависит от энергии, полученной от солнечного света на поверхности Земли - например, потому что она зависит от органических молекул, образующихся при фотосинтезе, или от окисленных молекул, образующихся в результате кислород, высвобождаемый при фотосинтезе. Но похоже, что некоторые микроорганизмы - например, те, которые зарабатывают на жизнь соединением водорода (образуемого из подземных вод, выветривающих горные породы) с растворенным углекислым газом - действительно могут представлять собой экосистемы, независимые от поверхности.Пока жидкая вода будет сохраняться внутри Земли - а это будет так до тех пор, пока существует достаточно внутреннего геотермального нагрева, чтобы поддерживать некоторый слой в горных породах Земли, где существует жидкая вода, - кажется вероятным, что будет существовать подповерхностная биосфера.

Выяснение подземной биосферы Земли меняет наши представления о перспективах жизни.

в другом месте. Если глубокие биосферы возможны, даже перед лицом суровых условий на поверхности, тогда перспективы подповерхностной жизни на Марсе, Европе или в других местах кажутся большими. Но мы должны помнить, что требования к обитаемости не обязательно совпадают с требованиями к происхождению жизни. На Марсе, по крайней мере, возможно, что жизнь зародилась на поверхности, где она могла бы воспользоваться огромной доступной энергией Солнца, а затем мигрировала под поверхность, поскольку поверхность превратилась в лиофилизированную пустыню. В случае спутника Юпитера Европы, который, вероятно, имеет подземный океан жидкой воды, кажется маловероятным, что благоприятные условия на поверхности существовали более чем на мгновение, если так, в начале истории Солнечной системы. Чтобы в океане Европы была жизнь,скорее всего, он должен был образоваться из недр. Мы недостаточно хорошо понимаем происхождение жизни, чтобы оценить правдоподобность этого сценария.

В обоих случаях - на Марсе и в Европе - жизнь кажется возможной, по крайней мере, из-за вероятности присутствия подземной жидкой воды. Справедливо спросить: должна ли жизнь зависеть от жидкой воды? Сколько, казалось бы, универсальных характеристик жизни на Земле необходимо для жизни повсюду? Жизнь на Земле основана на углероде; это общее требование или просто одна из многих возможных альтернатив?

Конечно, мы не можем ответить на этот вопрос с уверенностью, пока не узнаем больше и не исследуем дальше. Но мы уже получаем некоторые подсказки к ответу. Рассмотрите альтернативы углю. Спекуляции часто сосредотачивались на жизни на основе кремния как альтернативе жизни на основе углерода, которую мы знаем. Теоретическую причину этого можно увидеть, взглянув на периодическую таблицу элементов; В этой таблице кремний расположен непосредственно под углеродом, что позволяет коротко сказать, что его химические свойства схожи. Поскольку кремний, как и углерод, также является распространенным элементом во Вселенной, он может показаться хорошей альтернативой. Но на самом деле химический состав кремния более ограничен; за исключением необычных лабораторных условий, атомы кремния не образуют двойных связей между собой, как это делают атомы углерода,поэтому химия кремния значительно более ограничена, чем химия углерода. Это следствие того факта, что атомы кремния просто больше, чем атомы углерода, что значительно затрудняет двойные связи.

Помимо этого теоретического предостережения, есть эмпирическое открытие, которое было сделано в результате радиоволновых исследований пространства между звездами, так называемой межзвездной среды (ISM). Исследование ISM на радиочастотах показывает, что по всей нашей галактике существует богатый химический состав углерода; на сегодняшний день в ISM наблюдается около сотни молекул на основе углерода. Сравнимого набора молекул на основе кремния не видно. Итак, ISM не исследовался в первую очередь для проверки гипотезы жизни на основе кремния. Скорее, ученые просто хотели узнать, что там происходило - это была в основном исследовательская наука, а не наука проверки гипотез. Но в результате исследований кажется более вероятным, что углерод станет основой химической жизни где-нибудь во Вселенной, если таковая будет. Конечно, это в лучшем случае подтекст,не сильный вывод.

ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ?

Вся известная нам жизнь на Земле основана на углероде, но у нее есть много общего. Его основная биохимия-

РИСУНОК 5.1Галактика Андромеды, M31. ИСТОЧНИК: Изображение Роберта Гендлера. Авторские права Роберт Гендлер, 2005, www.robgendlerastropics.com.

То же самое: жизнь на Земле хранит свою генетическую информацию в виде дезоксирибонуклеиновой кислоты, ДНК и использует белки для выполнения большей части работы по метаболизму, подвижности и другим задачам. Молекула, тесно связанная с ДНК, называемая рибонуклеиновой кислотой или РНК, используется как посредник между генетической информацией в ДНК и построением белков в соответствии с генетическими планами (рис. 5.2). Есть определенные вирусы, которые хранят свою генетическую информацию в РНК, но для воспроизводства эта РНК должна быть преобразована в ДНК в клетке-хозяине, и необходимо задействовать репродуктивный механизм ДНК-белка этой клетки. Возможно - хотя пока нет убедительных доказательств этого - что на Земле есть одноклеточные организмы, которые не похожи на известную нам ДНК-белковую жизнь и остаются необнаруженными. Конечно, такая жизнь была бы невидима для ДНК-зондов.Но в отсутствие каких-либо доказательств трудно строить дальнейшие предположения в этом направлении. Пока что известная нам жизнь на Земле - это ДНК-белковая жизнь.

Жизнь на Земле строит свои белки, связывая вместе, как товарные вагоны в поезде, различные последовательности аминокислот из 20, которые закодированы в генетической последовательности ДНК. Иногда также используется небольшое количество других аминокислот. Но из большого списка возможных аминокислот, которые могли существовать - около 70 различных типов были обнаружены, например, в определенных метеоритах - жизнь на Земле использует лишь небольшое подмножество.

Наиболее впечатляющим является то, что сходство ДНК можно использовать для построения «филогенетического дерева» - дерева эволюционных взаимоотношений - для всей известной жизни на Земле (рис. 5.3). Эти деревья дают понять, что вся известная жизнь на Земле связана и, по сути, восходит к «последнему общему предку». Точная природа этого последнего общего предка обсуждается, но родство земной жизни - нет. На Земле существует только одна известная форма жизни, имеющая общее происхождение.

Некоторые лаборатории приближаются к созданию форм жизни (по некоторым определениям «жизни»), отличных от ДНК-белковой жизни, и, конечно, возможно, что в целом

РИСУНОК 5.2Рибонуклеиновая кислота (РНК) является посредником между дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК) и белками.

РИСУНОК 5.3Филогенетическое древо жизни на основе сравнительного секвенирования ssrRNA. ИСТОЧНИК: Предоставлено Институтом астробиологии НАСА.

различные формы жизни могут быть обнаружены где-нибудь в Солнечной системе или за ее пределами. Можно представить, что было бы удобно иметь общее определение того, что такое жизнь, помимо каких-либо конкретных деталей жизни на Земле. По крайней мере, со времен Аристотеля предпринимались попытки определить, что такое жизнь, или предоставить списки ее основных характеристик. Было предложено много определений. Их одна общая черта - все они терпят неудачу.

Например, были определения метаболизма , которые пытаются определить жизнь как нечто, что потребляет энергию, использует ее для выполнения работы, а затем выделяет отходы. Но огонь, который многие не хотели бы называть «живым», похоже, тоже делает эти вещи. Фактически, химическая реакция, приводящая в действие огонь, по сути такая же, как и та, которую мы сами используем. Термодинамические определения утверждают, что жизнь характеризуется использованием энергии для создания местного порядка, но минеральные кристаллы делают то же самое, и большинство ученых не хотят, чтобы они считали кристаллы «жизнью». Это обычная проблема: предлагаемые определения либо включают вещи, которые кажутся неживыми, либо исключают то, что мы действительно считаем живыми. Даже популярные генетические или дарвиновские определения жизни, кажется, исключают определенные сущности, которые однозначно живы, но не способны к дарвиновской эволюции.

Философ Кэрол Клеланд и я утверждали, что эта общая проблема не должна нас удивлять. Мы сравнили нынешнюю ситуацию с той, с которой столкнулся Леонардо да Винчи, когда пять веков назад он боролся с тем, что такое «вода». В его Кодексе Арундела есть страница, на которой он перечисляет противоречивые характеристики воды - он рассматривает только жидкую воду - отмечая, что иногда она желтая, иногда зеленая, иногда мутная; иногда горький, иногда

сладкое и так далее. Леонардо очень сложно сказать, в чем заключается основная природа воды. Оглядываясь назад, это не должно нас удивлять. Леонардо пытался понять «воду» еще до появления какой-либо теории атомов и молекул. Если такая теория существует, легко сказать, что такое вода - вода - это H 2 O - точка, конец истории. Эта ясность исходит не из «определения» воды, а, скорее, из теоретического утверждения идентичности. В контексте молекулярной теории воду можно точно идентифицировать, и здесь нет двусмысленности. Вода H 2О, и это говорит нам, что мы имеем в виду, даже если есть примеси, которые делают жидкий раствор сладким или зеленым, и даже если вода заморожена в виде твердого вещества или превращена в пар. Но такая точность возможна только в контексте соответствующей теории.

Но в настоящее время у нас нет ничего похожего на молекулярную теорию в наших попытках понять жизнь. Мы даже не знаем, возможна ли такая общая теория жизни. В его отсутствие трудно понять, как определение жизни ответит для нас на какие-либо научные вопросы. Определения не отвечают на научные вопросы о мире. С другой стороны, может быть невозможно разработать общую теорию без перспективы, которая возникнет в результате открытия других форм жизни - если другие формы действительно существуют, и если мы сможем их распознать.

ИЗУЧЕНИЕ ЖИЗНИ ВО ВСЕЛЕННОЙ

Изучение жизни на Земле за пределами того, что мы знаем, получило известное название «экзобиология» в новаторской статье, опубликованной в журнале Science в 1960 году под названием «Экзобиология: подходы к жизни за пределами Земли», написанной лауреатом Нобелевской премии биологом Джошуа Ледербергом. В 1964 году другой биолог, Джордж Гейлорд Симпсон, опубликовал что-то вроде ответной статьи в Science.под названием «Непредставленность гуманоидов», в котором он, как известно, презирал экзобиологию как науку, предмет которой может и не существовать. На первый взгляд это риторически мощно, но на самом деле сбивает с толку с точки зрения астрофизика: на самом деле, многие передовые работы в астрофизике, физике и даже в таких областях, как материаловедение, касаются сущностей или явлений, которые не могут существовать. Бозон Хиггса, более высокие измерения пространства-времени, сверхпроводники при комнатной температуре - все могло оказаться не существующим. Странный взгляд на науку, что это означает, что их исследование в чем-то смешно.

После знаменательной статьи Ледерберга были предложены другие слова, означающие охват этой области. «Космобиология» - биология космоса - мне особенно нравится, но используется редко. Также используется термин «биоастрономия», но наиболее распространенным термином в настоящее время в Соединенных Штатах является «астробиология», означающая изучение жизни во Вселенной. В этом определении нет искусственного - и неразумного с научной точки зрения - разделения между изучением жизни на Земле и изучением возможной жизни в другом месте.

АСТРОБИОЛОГИЯ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ

Последние полвека исследований Солнечной системы подтвердили урок о том, что нельзя проводить произвольное разделение между жизнью на Земле и астробиологией. Рассмотрим, что было известно о Луне Земли. Возможно, это правда, что основные движущие силы для исследования Луны были политическими, а не научными, но научная отдача от лунных образцов, возвращенных на Землю - в первую очередь миссий Аполлона, но также и советских роботизированных миссий Луны - была огромной. Многое из того, что мы сейчас понимаем о ранней истории Солнечной системы и, следовательно, о ранней истории Земли, начинается с миссий на Луну. Это потому, что поверхность Земли молода, хотя Земля - ​​нет. Земле 4,6 миллиарда лет,

РИСУНОК 5.4Луна. ИСТОЧНИК: Предоставлено P.-M. Хеден из Валлентуны, Швеция.

но на его поверхности почти не осталось горных пород - из-за разрушения тектоникой плит и эрозии - чтобы рассказать историю ранних условий на нашей собственной планете. Тем не менее, древние осадочные породы, которые у нас есть, намекают на то, что жизнь зародилась очень рано, вероятно, 3,5 миллиарда лет назад и, возможно, 3,8 миллиарда лет назад. Однако Луна геологически умерла миллиарды лет назад, поэтому большая часть ее летописей сохранилась с этих ранних дат. Эта история, основанная на датировке лунных образцов, коррелированных с подсчетом кратеров на поверхности Луны, показывает, что Луна когда-то подвергалась интенсивной бомбардировке комет и астероидов - бомбардировке экспоненциально выше, чем 3,8 миллиарда лет назад, чем сегодня. .Сравнение данных о лунных кратерах с данными о Меркурии и древнем Марсе позволяет предположить, что вся внутренняя солнечная система подверглась такой же бомбардировке. Следовательно, зарождение жизни на Земле должно было происходить в разгар этой бомбардировки, что имело важные последствия как для разрушения, так и для доставки углеродсодержащих (так называемых органических) молекул, используемых для происхождения жизни. Чтобы узнать об условиях ранней жизни на Земле, нам пришлось посетить Луну и планеты.

Если смотреть дальше от Солнца, планета Марс является одним из самых интересных мест для древней или даже существующей жизни в Солнечной системе. Среди таких мест он также наиболее легко доступен с Земли, поскольку время полета космических кораблей составляет менее одного года. Облет космических кораблей, орбитальные аппараты, спускаемые аппараты и марсоходы ясно показали, что когда-то на поверхности древнего Марса было много жидкой воды, и есть веские доказательства того, что в определенных местах в определенное время сегодня или в недавнем геологическом прошлом жидкая вода все еще достигает и течет на поверхности (рис. 5.5). Сама поверхность теперь представляет собой высушенную замораживанием пустыню, где жидкая вода должна либо замерзнуть, либо испариться. Но учитывая то, что мы узнали о глубокой биосфере на Земле,Возможность того, что жизнь на Марсе существует в подземных жидких водных средах - средах, которые иногда могут достигать поверхности - должна приниматься всерьез. Из-за своей близости Марс и Земля могут обмениваться метеоритами, которые образуются в виде выбросов в результате сильных столкновений, и не исключено, что на какой бы планете сначала зародилась жизнь, чем на другой. Только открытие и изучение возможной марсианской жизни может дать достоверный ответ на этот вопрос.Только открытие и изучение возможной марсианской жизни может дать достоверный ответ на этот вопрос.Только открытие и изучение возможной марсианской жизни может дать достоверный ответ на этот вопрос.

За Марсом, на орбите вокруг планеты Юпитер,

РИСУНОК 5.5Свидетельства недавней жидкой воды на Марсе - обращенные на юг стены долины Ниргал. ИСТОЧНИК: NASA / JPL / Malin Space Science Systems. MGS MOC, выпуск № MOC2-240.

находится Луна Европа, лишь немного меньше по размеру, чем Луна Земли. В настоящее время есть веские доказательства того, что Европа скрывает океан жидкой воды под своим чрезвычайно холодным внешним слоем льда (рис. 5.6). Объем этого океана примерно вдвое больше, чем океанов Земли. На дне океана Европы, как и на Земле, жидкая вода контактирует с горными породами, что повышает вероятность важных водно-минеральных взаимодействий в присутствии гидротермальной энергии. Данные магнитометра на Galileoкосмический корабль не только подтверждает существование океана, но и предполагает, что он очень соленый и что покрывающий его лед может быть всего 10 километров или даже тоньше. Может ли быть жизнь в этом океане? Спекулятивные исследования предполагают, что должны присутствовать источники энергии, необходимые для поддержания жизни. Но мог ли зарождение жизни происходить в океане, который находился под километрами льда - столь вероятно отрезанном от солнечного света - остается открытым вопросом. Земле и Европе намного труднее успешно обмениваться микроорганизмами через метеориты, чем в случае Земли и Марса, поэтому, если на Европе есть жизнь, это, вероятно, связано с отдельным происхождением от жизни на Земле.

РИСУНОК 5.6Схема поперечного сечения слоя H 2 O в Европе толщиной 80–150 км, предполагающая наличие металлического ядра, окруженного каменной мантией: промежуточная подземная слякоть также остается возможной. ИСТОЧНИК: Предоставлено НАСА / Лаборатория реактивного движения. Доступно на http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA01669.

Земля. Но из-за океана с жидкой водой Европа может быть самым интересным местом для внеземной жизни в нашей солнечной системе. Похоже, что спутники Юпитера размером с Меркурий, Ганимед и Каллисто, также имеют более глубокие подповерхностные океаны с жидкой водой.

Еще дальше от Солнца на планете Сатурн есть по крайней мере два интригующих мира. Кассиникосмический корабль показал, что крошечный Энцелад имеет активные гейзеры из кристаллов льда, которые могут возникать в подземном море жидкой воды, хотя точный механизм гейзеров и достаточно ли энергии для поддержания жидкой воды в недрах Энцелада, еще предстоит убедительно аргументировать. Дальше от Сатурна находится Титан размером с Меркурий с его плотной атмосферой из азота и метана. Есть некоторые свидетельства того, что на Титане тоже может находиться подземный океан с жидкой водой. Все эти миры нуждаются в гораздо большем исследовании и получат его в этом столетии. Миссии во внешние области Солнечной системы требуют времени (время полета до Юпитера составляет 3 года от Земли) и стоят дорого. Но сбалансированная программа исследования Солнечной системы, особенно та, которая делает упор на астробиологию,должны систематически исследовать системы Юпитера и Сатурна, а также Марс.

ПЛАНЕТАРНАЯ ЗАЩИТА

Важным вопросом в исследовании планет является защита планет. Именно Ледерберг во время МГГ в 1957 году написал президенту Национальной академии наук, чтобы поднять этот вопрос, и Академия работала с Международным советом научных союзов над созданием международной исследовательской группы по этому вопросу. Договор по космосу, который вступил в силу в 1967 году и наиболее известен тем, что запрещает размещение «оружия массового уничтожения» в космическом пространстве, требует от космических держав избегать «вредного заражения» других небесных тел. Таким образом, в течение десяти лет личные интересы Ледерберга уступили место требованиям международного договора.

Обеспокоенность научно обоснована. Исследования с использованием средств длительного воздействия НАСА (LDEF) и Европейского извлекаемого носителя (EURECA) показывают, что определенные микроорганизмы выживают в космосе 6 лет на уровне 1 процента, то есть один из ста Bacillus subtilisспоры выживают так долго, тогда как 25 процентов выживают в космосе в течение года. В обоих случаях для выживания необходимо, чтобы организмы были защищены от ультрафиолетового света Солнца, но любой организм внутри космического корабля им будет. Организмы замораживают или лиофилизируются в холодном вакууме, но при попадании в жидкую воду они оживают. Большинство космических аппаратов NASA Mars построены в чистых помещениях класса 100 000, что означает, что на квадратном метре поверхности космического корабля присутствуют тысячи жизнеспособных спорообразующих бактерий и, вероятно, в десять или более раз больше, чем других типов бактерий. Поскольку добраться до Марса нужно меньше года, это означает, что марсианские космические корабли несут с собой жизнеспособную биологическую нагрузку микроорганизмов на Красную планету. Таким образом, первый вопрос становится следующим:Могут ли какие-либо из этих организмов найти свой путь с поверхности Марса в обитаемые ниши с жидкой водой под поверхностью, и если да, то смогут ли они расти в этой новой среде. Шансы велики, но не исключены. Секунда

РИСУНОК 5.7Общий вид сбоку установки для длительного воздействия, захваченной системой дистанционного манипулятора во время извлечения STS-32. ИСТОЧНИК: Исследовательский центр НАСА в Лэнгли. Изображение № EL-1994-00078.

Вопрос в том, какой уровень дополнительных мер по снижению биологической нагрузки космического корабля «Марс» следует предпринять при постройке космического корабля. В недавнем отчете, который я возглавлял в Национальном исследовательском совете (NRC), Предотвращение прямого загрязнения Марса , были рассмотрены эти вопросы и сделан вывод о том, что НАСА необходимо лучше понимать количество и типы микроорганизмов, которые в настоящее время летают на его космических кораблях, и принимать более строгие меры. меры по снижению биологической нагрузки космических аппаратов.

Нынешняя международная интерпретация требования Договора по космосу заключается в том, что микроорганизмам, перенесенным на другие планеты, нельзя позволять захватить этот мир таким образом, чтобы было бы трудно или невозможно определить, может ли присутствовать действительно инопланетная биосфера. То есть планетарная защита в ее нынешнем виде на самом деле предназначена для «защиты науки» от загрязнения, а не для защиты любой возможной инопланетной биосферы от потенциального экологического нападения. В нашем отчете NRC содержится призыв к тому, что настало время для международной встречи, чтобы пересмотреть вопрос о том, следует ли переосмыслить планетарную защиту как «защиту планеты», а не просто «защиту науки».

ЧЕТЫРЕ СПОСОБА ИЩИТЬ ЖИЗНЬ

До сих пор мы обсуждали исследования Солнечной системы на месте, когда космические корабли приземляются на другие тела и проводят эксперименты на поверхности в поисках жизни. С этим тесно связано биологическое исследование в земных лабораториях образцов из других миров. Эти образцы могут прибыть на Землю неконтролируемым образом, через метеориты, которые возникли как обломки, унесенные сильным ударом из другого мира, или контролируемым образом, как образцы, доставленные специальным космическим кораблем. Но оба случая связаны с практическими исследованиями наличия жизни в Солнечной системе.

Третий способ поиска жизни - изучение света, исходящего из атмосфер других миров, т. Е. Спектроскопия, для определения химического состава атмосфер этих миров в надежде обнаружить химические признаки другой биосферы. Это делалось для Марса и других планет в нашей солнечной системе в течение десятилетий и только что стало возможным для некоторых гигантских экзопланет - планет, вращающихся вокруг звезды, отличной от нашего Солнца.

РИСУНОК 5.9. Первая миссия НАСА, способная обнаруживать планеты размером с Землю и меньшие по размеру. ИСТОЧНИК: Предоставлено НАСА.

Благодаря миссии «Кеплер», которая будет запущена в ближайшие несколько лет, мы скоро узнаем статистику присутствия планет размером с Землю вокруг других звезд. [Рисунок 5.9] Кеплер позволит нам определить орбиты этих планет (при условии, что они есть) и, следовательно, их расстояния от их звезд. Обладая знаниями о звездах, мы будем знать, какие из этих миров находятся в правильном диапазоне расстояний, чтобы жидкие водные океаны могли находиться на их поверхности. Через несколько лет мы перейдем от почти полного отсутствия информации о существовании других планет, похожих на Землю, к знанию их статистики и потенциальной обитаемости на поверхности. Это необычный момент. Люди тысячелетиями размышляли о том, могут ли существовать другие планеты, подобные нашей - например, Аристотель задал (и ответил теоретически) на этот вопрос в своей книгеНа небесах . Через несколько лет нам больше не придется строить догадки. Мы не должны позволить человеческой цивилизации пройти через этот замечательный переход в наших знаниях о нашем месте во Вселенной.

Через несколько десятилетий мы сможем наблюдать за этими планетами с специальных спутников в космосе и определять состав их атмосфер. Есть надежда, что мы сможем обнаружить комбинацию газов в некоторых атмосферах, которые, казалось бы, запрещены в равновесной химии, но которые биология может просто генерировать. Это может означать, что на этих мирах есть биосферы.

А может и нет. Доказательства будут косвенными, и как только такие данные будут представлены, ученые будут справедливо и консервативно искать небиологические объяснения. В самом деле, мы видели это уже на Марсе: теперь ясно, что марсианская атмосфера, сильно окисляющая атмосфера, залитая ультрафиолетовым светом, который не должен позволять органике существовать долгое время, содержит участки простой органической молекулы метана - примерно в 10 раз. частей на миллиард уровня. Метан должен производиться из локализованных источников на поверхности; он не находится в равновесии с существующей атмосферой. Это может быть продукт марсианской версии метаногенных бактерий, известных нам на Земле. Но уже были опубликованы статьи, предлагающие объяснения с точки зрения марсианской геохимии.Химический состав атмосферы, согласующийся с биологическими источниками, может дать намек на жизнь, но, очевидно, сам по себе не дает решающих аргументов в пользу существования жизни.

SETI 1

Помимо трех рассмотренных до сих пор методов поиска внеземной жизни - исследований на месте, изучения образцов, доставленных на Землю, и дистанционного зондирования планетных атмосфер - существует еще один.

* Этот и следующие три раздела основаны на более технической дискуссии Кристофера Ф. Чибы и Кевина П. Хэнда, «Астробиология: исследование живой Вселенной», Annual Review of Astronomy and Astrophysics , vol. 43 (2005), стр. 31-74.

подход к поиску жизни, который сейчас ведется человеческой цивилизацией. Это поиск внеземного разума (а точнее, технологий), или SETI. SETI не нужно делать никаких предположений о биохимическом или ином составе внеземной жизни. С другой стороны, он должен полагаться на существование технологий, способных общаться на межзвездных расстояниях.

Самым мощным целевым поиском на сегодняшний день стал проект Phoenix института SETI, который наблюдал примерно тысячу ближайших звезд, подобных Солнцу, для радиопередач. Phoenix завершила поиск на радиотелескопе Аресибо в Пуэрто-Рико, самом большом в мире и, следовательно, самом чувствительном радиоприемнике (рис. 5.10). Радиочастоты являются естественной частотой для межзвездной связи из-за так называемого микроволнового окна, в котором галактический фоновый шум самый низкий. Для каждой целевой звезды проект «Феникс» исследовал миллиарды частот. Алгоритмы предполагали, что частота будет дрейфовать, поскольку реальная передача обязательно будет из-за движения источника передачи относительно Земли. Чтобы быть надежным обнаружением, любой полученный сигнал должен был выдержать несколько тестов,включая проверку всех известных мешающих сигналов (например, от спутников на околоземной орбите или межпланетных зондов), требование о том, чтобы частота была настолько хорошо определена (т. е. чтобы ширина полосы была узкой), чтобы это было возможно только искусственно, и демонстрация того, что источник был обнаружен не только в Аресибо, но и на последующем радиотелескопе в Великобритании. Ни один источник никогда не проходил через все эти фильтры.

Иногда говорят, что человечество смотрело, искало и искало внеземные радиопередачи, но не нашло их, так что, должно быть, мы одни. На первый взгляд может показаться, что это следует из того факта, что поиски по радио SETI проводились с тех пор, как Фрэнк Дрейк провел первый поиск почти 50 лет назад. Но на самом деле даже «Проект Феникс» лишь поверхностный. Почти 1000 звезд, которые он искал, составляют лишь десятимиллионную часть звезд в нашей галактике. Институт SETI и Калифорнийский университет в настоящее время строят массив телескопов Аллена (ATA) в северной Калифорнии, используя почти полностью частные средства (рис. 5.11). Этот массив будет

РИСУНОК 5.10Тарелка высотой 1000 футов (305 метров) в Аресибо, Пуэрто-Рико, является самым чувствительным радиотелескопом в мире. Его использовали Projects Phoenix и SERENDIP, и в настоящее время он передает огромные объемы данных в SETI @ home. ИСТОЧНИК: Обсерватория NAIC Arecibo, объект Национального научного фонда.

РИСУНОК 5.11Художественный рендеринг завершенного ATA-350. ИСТОЧНИК: Предоставлено Исааком Гэри.

выполнять поиск SETI весь день каждый день (а не несколько недель в году, которые были возможны в Аресибо), используя новейшие технологии. После завершения ATA должен исследовать около миллиона звезд за десятилетие наблюдений. Но даже это будет всего лишь стотысячная часть звезд в нашей галактике. Если технические цивилизации, излучающие сигналы на межзвездные расстояния, будут более редкими, чем одна из ста тысяч звезд, даже ATA не будет успешной в ближайшее время. Но в отсутствие какой-либо зрелой теории о преобладании разумной жизни и технологий поиск - лучшее, что мы можем сделать.

Тем не менее, были выдвинуты аргументы относительно вероятности внеземного разума. Возможно, наиболее распространенным и интуитивно понятным является простой комментарий о том, что с таким количеством звезд - сотнями миллиардов в одной только нашей галактике - просто не может быть, что мы единственная цивилизация. На первый взгляд, это утверждение также кажется совместимым с принципом Коперника, идеей о том, что Земля не имеет уникального статуса во Вселенной. Но на самом деле это рассуждение не работает. Причина в том, что мы не знаем вероятность возникновения жизни, а затем разума, а затем и технологий в мире, подобном Земле. Если бы эта вероятность была чрезвычайно мала - скажем, менее одной из ста миллиардов - тогда Земля могла бы быть единственной планетой в галактике, на которой обитает разумная цивилизация. Еще может быть сотня миллионов других земных миров,но только один сорвал бы джекпот. Это все равно, что бросить шесть одинаковых игральных костей, а только один выпадет шесть. В этом конкретном кубике нет ничего особенного; любой из них мог бы выбросить шестерку, но статистически большинство из них этого не сделали. Принцип Коперника не нарушен, но Земля все же может быть уникальной.

Уравнение Дрейка резюмирует этот взгляд на проблему. Фрэнк Дрейк записал свое уравнение в повестку дня семинара по SETI в 1961 году. Уравнение Дрейка гласит: N = R * f p n e f l f i f c L, где N - количество технически коммуникативных цивилизаций в нашей галактика, R * - скорость звездообразования в галактике, f p - доля тех звезд, вокруг которых образуются планеты, n e - количество планет в таких системах, подходящих для происхождения жизни, f l - доля этих планет на которой зарождается жизнь, f i- доля тех, на которых жизнь развивает разум, f c - доля тех разумных видов, которые становятся коммуникативными на межзвездных расстояниях, а L - средняя продолжительность жизни коммуникативной цивилизации.

Очевидно, что это уравнение не является уравнением, аналогичным, скажем, уравнению закона идеального газа. Закон идеального газа предполагает связь между давлением, объемом и температурой газов в лаборатории, поэтому он подлежит эмпирической проверке. Уравнение Дрейка не предлагает такой проверяемой гипотезы. Скорее это

своего рода «проблема Ферми», пример некоего скрытого мышления, прославившегося Энрико Ферми на его выпускных экзаменах, когда он задавал вопросы типа «Сколько настройщиков пианино в городе Чикаго?» На первый взгляд, вы либо знаете ответ на этот вопрос, либо нет, а если вы не знаете, нет простого способа разобраться. Но на самом деле, если разбить расчет на произведение чисел, которые можно оценить (например, численность населения Чикаго, количество людей в семье, доля семей, владеющих пианино, частота настройки пианино и т. Д.) и т. д.) можно сделать разумную оценку правильного ответа.

Но этого нельзя сделать с помощью уравнения Дрейка. В то время как трем факторам R * , f p и n e можно присвоить достоверные оценки на основе того, что мы уже знаем, об остальных факторах можно только догадываться. L, в частности, переносит нас в область внеземной социологии и политологии, которые остаются менее развитыми областями. В его верхнем конце мы могли бы представить, что L может быть такого же возраста, как возраст галактики,

10 10 лет. На нижнем уровне он может быть таким коротким, как промежуток, скажем, между изобретением радио и массовым производством термоядерного оружия; исходя из нашего опыта, этот интервал может составлять всего несколько десятилетий. Среднее значение L в галактике вполне может быть где угодно в этом интервале, хотя даже небольшое количество очень долгоживущих цивилизаций может действительно сделать среднее значение довольно длинным. Перед лицом неопределенностей, которые раскрывает уравнение Дрейка, аргумент больших чисел не может разрешить вопросы о повторяемости цивилизаций в нашей галактике.

РАЗУМ НА ЗЕМЛЕ

Еще один способ оценить перспективы другой разумной жизни - это экстраполировать данные из истории жизни на Земле. Есть ряд аргументов, относящихся к этому вопросу, которые репетировали на протяжении целого столетия, начиная с 1904 года Альфредом Расселом Уоллесом, одним из первооткрывателей теории эволюции, и с тех пор периодически возобновлялись рядом авторов. Пессимисты в этом аргументе подчеркивают случайность эволюции, например, как если бы кто-то должен был воспроизвести эволюцию животных, результаты, вероятно, были бы совсем другими, и, в частности, «шанс становится исчезающе малым, что что-то вроде человеческого интеллекта украсит воспроизведение. », Как писал Стивен Дж. Гулд в 1989 году. В конце концов, эволюция человеческого интеллекта зависела от ряда случайных факторов,включая столкновение крупного астероида с Землей 65 миллионов лет назад. Контраргументы одинаково знакомы: конвергенция часто наблюдается в истории эволюции, а природа много раз развивала сложные явления, такие как зрение и полет, так что даже если любая данная эволюционная линия может быть весьма условной, большое количество параллельных путей может привести к тот же функциональный результат. На это делается ответ, что технический интеллект развился на Земле только один раз, поэтому очевидно, что в данном конкретном случае конвергенция не действовала. Но все не так однозначно; как подчеркивается в работе морского биолога Лори Марино, некоторые виды морских млекопитающих развили уровень интеллекта, который по количественным показателям выше, чем у шимпанзе, и немного выше, чем у шимпанзе.Контраргументы в равной степени знакомы: конвергенция часто наблюдается в истории эволюции, а природа много раз развивала сложные явления, такие как зрение и полет, так что даже если любая данная эволюционная линия может быть весьма условной, большое количество параллельных путей может привести к тот же функциональный результат. На это делается ответ, что технический интеллект развился на Земле только один раз, поэтому очевидно, что в данном конкретном случае конвергенция не действовала. Но не все так однозначно; как подчеркивается в работе морского биолога Лори Марино, некоторые виды морских млекопитающих развили уровень интеллекта, который по количественным показателям выше, чем у шимпанзе, и немного выше, чем у шимпанзе.Контраргументы в равной степени знакомы: конвергенция часто наблюдается в истории эволюции, а природа много раз развивала сложные явления, такие как зрение и полет, так что даже если любая данная эволюционная линия может быть весьма условной, большое количество параллельных путей может привести к тот же функциональный результат. На это делается ответ, что технический интеллект развился на Земле только один раз, поэтому очевидно, что в данном конкретном случае конвергенция не действовала. Но все не так однозначно; как подчеркивается в работе морского биолога Лори Марино, некоторые виды морских млекопитающих развили уровень интеллекта, который по количественным показателям выше, чем у шимпанзе, и немного выше, чем у шимпанзе.и природа много раз развивала сложные явления, такие как зрение и полет, так что даже при том, что любая данная эволюционная линия может быть весьма условной, большое количество параллельных путей может привести к одному и тому же функциональному результату. На это делается ответ, что технический интеллект развился на Земле только один раз, поэтому очевидно, что в данном конкретном случае конвергенция не действовала. Но все не так однозначно; как подчеркивается в работе морского биолога Лори Марино, некоторые виды морских млекопитающих развили уровень интеллекта, который по количественным показателям выше, чем у шимпанзе, и немного выше, чем у шимпанзе.и природа много раз развивала сложные явления, такие как зрение и полет, так что даже при том, что любая данная эволюционная линия может быть весьма условной, большое количество параллельных путей может привести к одному и тому же функциональному результату. На это делается ответ, что технический интеллект развился на Земле только один раз, поэтому очевидно, что в данном конкретном случае конвергенция не действовала. Но все не так однозначно; как подчеркивается в работе морского биолога Лори Марино, некоторые виды морских млекопитающих развили уровень интеллекта, который по количественным показателям выше, чем у шимпанзе, и немного выше, чем у шимпанзе.На это делается ответ, что технический интеллект развился на Земле только один раз, поэтому очевидно, что в данном конкретном случае конвергенция не действовала. Но все не так однозначно; как подчеркивается в работе морского биолога Лори Марино, некоторые виды морских млекопитающих развили уровень интеллекта, который по количественным показателям выше, чем у шимпанзе, и немного выше, чем у шимпанзе.На это делается ответ, что технический интеллект развился на Земле только один раз, поэтому очевидно, что в данном конкретном случае конвергенция не действовала. Но не все так однозначно; как подчеркивается в работе морского биолога Лори Марино, некоторые виды морских млекопитающих развили уровень интеллекта, который по количественным показателям выше, чем у шимпанзе, и немного выше, чем у шимпанзе.homo habilis , один из предков современного человека, использующего орудия труда.

Марино и ее коллеги начинают с воспроизводимого измерения, которое коррелирует с тем, что подразумевается под интеллектом, и которое может быть использовано с летописью окаменелостей, а также с современными организмами. Есть как минимум одна такая мера - энцефализация. Энцефализация обычно выражается как коэффициент (следовательно, коэффициент энцефализации или EQ), который количественно определяет, насколько меньше или больше мозг конкретного животного по сравнению с ожидаемым (посредством регрессии по многим животным) размером мозга для животного такого размера. Животные с EQ выше 1 умнее среднего; те, у кого значение EQ ниже 1, менее умны, чем ожидалось для их размера тела. Существуют убедительные доказательства того, что EQ у приматов коррелирует со способностью к инновациям, социальным обучением и использованием инструментов; у птиц это коррелирует с гибкостью поведения. Таким образом, кажется,чтобы обеспечить хороший измеримый показатель "интеллекта". У современных людей самый высокий EQ на Земле - 7,1, а это означает, что наш EQ более чем в 7 раз превышает ожидаемый для животного с нашим весом.

В хорошо контролируемых исследованиях было показано, что дельфины обладают способностью к зеркальному распознаванию себя, и эту способность продемонстрировали лишь несколько других животных, помимо человека (рис. 5.12). Наивысшие значения EQ на Земле после современных людей имеют четыре вида дельфинов, причем самый высокий из четырех видов составляет около 4,5. У человекообразных обезьян EQ ниже, в среднем около 1,9. Это примерно то же самое, что и у предка человека

РИСУНОК 5.12ИСТОЧНИК: Предоставлено Л. Марино.

Австралопитек . Среди наших более поздних предков, пользователи инструментов Homo erectus и более ранние Homo habilis имели значения EQ около 5,3 и 4,3 соответственно.

Эти результаты предполагают, что эволюция человеческого разума на Земле не является полностью исключительным явлением. Имея достаточно большую базу данных измерений EQ для ископаемых видов китов, можно пойти дальше и начать проверку других давних утверждений об интеллекте, таких как утверждение о том, что рост энцефализации должен быть повсеместным из-за избирательного преимущества, которое дает большие мозги. Марино и ее коллеги провели этот анализ, применив статистические тесты к данным по современным и ископаемым китам за 50 миллионов лет. Они показывают, что, хотя общая тенденция к энцефализации возрастала, в любом конкретном случае видообразования у последующих видов статистически более вероятно был более низкий EQ, чем более высокий. То есть энцефализация не принесла всеобщего преимущества;Увеличение интеллекта на высшем уровне энцефализации кажется лучше моделировать как случайное блуждание, а не как повсеместное давление отбора, благоприятствующее большему мозгу. Но следует подчеркнуть, что размер набора данных здесь пока очень мал, и почти нет финансирования для такого рода работы.

Эти результаты являются результатами только зарождающейся исследовательской программы, но они подчеркивают, что существуют воспроизводимые количественные методы, которые можно применить, чтобы начать рассмотрение некоторых давних утверждений о вероятности эволюции разума во Вселенной.

Подобно тому, как исследования микроскопической жизни на Земле информируют о перспективах развития микроорганизмов в других местах, тщательное изучение эволюции интеллекта на Земле может информировать наше мышление о перспективах развития разума в других местах. Рассмотрение «интеллекта» как свойства биологической вселенной, которое можно исследовать количественно, должно позволить нам выйти за рамки полемики и начать раздвигать границы нашего невежества с помощью данных.

АСТРОБИОЛОГИЯ И ЧЕЛОВЕЧЕСКОЕ БУДУЩЕЕ

Ферми задал свой знаменитый вопрос: «Вы никогда не задумывались, где все?» трем коллегам из Лос-Аламосской национальной лаборатории в 1950 году. В своей современной версии «парадокс Ферми» утверждает, что если в галактике Млечный Путь существуют другие цивилизации, некоторые должны быть намного старше, возможно, на миллиарды лет старше нашей; что у таких цивилизаций давно бы развились межзвездные путешествия; что они тогда бы исследовали или колонизировали галактику в кратчайшие сроки по сравнению с продолжительностью жизни галактики; и поэтому они будут здесь. Но поскольку их здесь нет, они не должны существовать! Парадокс, очевидно, не соблюдается в строгом логическом смысле, поскольку каждое из его утверждений в лучшем случае является утверждением о вероятности, но это мощная сила в размышлениях о перспективах внеземного разума.

Ставки на легальный теннис

Хотя теннис уже давно считается профессиональным видом спорта в Соединенных Штатах, это спящий гигант, когда дело доходит до ставок на спорт.

Частые цветы объединяются: почему ваши месячные появлялись дважды в этом месяце

Когда у вас начинается покалывание во время месячных (то есть у вас очень сильные судороги), вы знаете, что в ваших нижних регионах это скоро станет ужасным.

Торговые ценные бумаги

Торговые ценные бумаги - это ценные бумаги, которые были приобретены компанией с целью получения краткосрочной прибыли.

Одновременная идентификация нескольких путей развития рака

Отличить соматические мутации, вызывающие рак ( драйверные мутации), от случайных, пассажирских мутаций - ключевая задача в геномике рака.

Выборы Цинциннати Бенгалс против Питтсбурга Стилерс, прогнозы: Кто выиграет игру 10-й недели НФЛ?

«Цинциннати Бенгалс» (2-5-1) и «Питтсбург Стилерс» (8-0) встретятся в воскресенье в матче 10-й недели НФЛ.

Больше новостей
3-37

Ставки на матч Oh Well - TokyoAnime

9-36

Ставки Potato Rotations - Drama Squad

1-19

Ставки на игру Team Italy - ex-North

7-39

Сделать ставку Yolo Knight - shestsemshest

5-4

Ставка mousesports - Adeks e-Sports

8-3

Ставки на матч QuackPack - UNNAMED

Больше ставок