Пятничное в среду : Космологический принцип и загадка происхождения жизни

Аннотация
В этом топике обосновывается почему космологический принцип не применим в части распространенности жизни во Вселенной.
Рассматриваются предполагаемые механизмы зарождения жизни и на основании их рассмотрения делается вывод о чрезвычайной редкости жизни во Вселенной.

1. Космологический принцип

Современная космологическая теория базируется на следующем основном положении, называемом космологическим принципом: каждый наблюдатель в один и тот же момент времени, независимо от места и направления наблюдения обнаруживает во Вселенной одну и ту же картину. Независимость от места наблюдений, т.е. равноправие всех точек пространства, носит название однородности, независимость от направления, т.е. отсутствие выделенного направления в пространстве — изотропии Вселенной.

Уже непосредственно из космологического принципа следуют некоторые важные выводы относительно строения Вселенной. Например, Вселенная как целое не должна вращаться (поскольку ось вращения была бы выделенным направлением), у нее не должно быть центра и пространственной границы (иначе нарушалось бы условие однородности Вселенной). Вообще, главный вывод, вытекающий из космологического принципа, это безграничность Вселенной. Можно сказать, что это утверждение является определением самого понятия “Вселенная”. ( Источник )

Но данный принцип выполняется лишь приближенно. Галактики, звезды, планеты, наконец, живые существа являются отклонениями от однородности Вселенной, поскольку их существование означает, что физические условия в разных точках различны. ( см. там же )

Последнее, как правило, очень часто игнорируется и наши рассуждения при этом примерно следующие : "Вселенная изотропна и однородна и везде должны действовать одинаковые законы физики и химии. Мы здесь есть, и порождены этими законами (по крайней мере не противоречим им) следовательно мы вправе предположить, что раз там где-то такие  же законы там тоже жизнь есть и тоже и разумная." Таким образом этими рассуждениями мы одной неоднородности Вселенной приписываем свойство того, чем она не является - свойство однородности. Нас не удивляет, что нет абсолютно одинаковых Галактик - что мол взять с флуктуаций. Но интуитивно трудно отрешиться от мысли, что сам факт наличия жизни это разновидность флуктуации, которая не обязана присутствовать везде и всюду. Очень и очень трудно. Поэтому я и не надеюсь, что даже понимание того, что жизнь как раз есть не следствие космологического принципа, а наоборот отклонение от него кого-то сможет убедить, что она редкая. Нам это просто психологически не комфортно. Я бы представил этот психологический эффект, на уровне физического явления так, предположим, что какая-нибудь близкая Галактика (а может и наша), при тех же законах физики полностью, ну или на 90% состояла бы из желтых карликов, такая вот была бы аномалия. Нам тогда было бы очень трудно представить, что нигде больше нет таких Галактик, поскольку мы одну наблюдаем. А сейчас мы уверены, что таких Галактик быть не может и можем привести море доводов почему они невозможны. Такой вот психологический парадокс.

2. Пара аргументов за широкое распространение жизни и возражения на них 

2.1. Это мой собственный аргумент, когда я еще был сторонником широкого распространения жизни во Вселенной.

Я рассуждал примерно так : наблюдения история её существования показывает, что жизнь это очень устойчивая система. Она существует и в подледных океанах и в горячих источниках и в Марианской впадине и в термосфере, чуть ли не высоте 400 км. Она переживала шесть массовых вымираний, но сохранилась. Если верна гипотеза "Земли-снежка", то она пережила миллионы лет на полностью оледеневшей планете. В общем это система со сверхустойчивым равновесием, как не выпихивай её из "лунки существования" - она возвращается к исходному состоянию - "существование жизни". Стало быть, рассуждал я, раз это некая физико-химическая зона равновесия, то её появление есть просто естественный процесс скатывания физико-химических процессов в эту "лунку".
       И где-то я высказал это свой аргумент на просторах интернета. На, что мне было высказано возражение, которое я вынужден был принять, ввиду его справедливости. Возражение выглядело примерно так : "Да действительно, это жизнь устойчивая система, это некая "потенциальная яма" - попав в которую уже трудно выбраться из неё. Но "нежизнь" тоже устойчивая система и преодолеть "потенциальный барьер" между этими двумя устойчивыми состояниями очень и очень трудно". Это конечно не дословно, но смысл был такой.
Ситуация очень похожа на квантовомеханическое представление о "ложном" и "истинном" вакууме.
Только в роли "ложного вакуума" - устойчивая жизни, а "истинного" - "не жизнь".



2.2. Второй аргумент достаточно известен : "Как показывает палеонтологические исследования, жизнь на планете Земля появилась очень рано, практически сразу, как появились мало-мальские условия для этого. Первые признаки её существования это где-то 3,8 млрд. лет назад (графитовые отложения Исуа, Гренландия).
Ну и практически достоверно - строматолиты 3,5 млрд. лет назад. Что означает, фактически вероятность зарождения жизни, в соответствующих условиях близкую к единице."

На этот аргумент, сами того не ведая, возразили исследователи группы Сазерленда, доказавшие возможность абиогенного синтеза всего необходимого спектра "кирпичиков" для появления жизни :
Цианосульфидный протометаболизм — верный путь к земной жизни

Это процесс у них отнесен к эпохе поздней метеоритной бомбардировки :
 

Вот как это могло происходить.

При столкновениях углеродистое вещество метеоритов соединялось с атмосферным азотом, в результате этой высокотемпературной реакции синтезировался цианистый водород. Из метеоритного шрейберзита — железо-никелевого фосфида — при импактных высокоэнергетических событиях получались фосфаты. В присутствии воды (вот она — теплая лужа!) цианистый водород растворялся и соединялся с железом, образуя ферроцианид. Туда же смывались хлориды, растворимые соединения натрия, калия, кальция — всего того, что в достатке имела молодая Земля. Когда лужа испарялась, а она должна была испаряться из-за высокой температуры на поверхности планеты и метеоритной бомбардировки, ферроцианид нагревался и, взаимодействуя с калием, натрием, кальцием образовывал соответствующие цианиды, углерод и карбиды. Этот слой твердых солей исключительно перспективен, так как при их растворении и нагревании получается набор необходимых для «жизни» ингредиентов: цианистый водород, цианамид, ацетилен. Последний образуется при растворении карбида кальция в воде. Фосфаты и сероводород прилагаются.

Чтобы приготовлялся бульон, наша лужа должна была периодически высыхать и снова заполняться водой, периодически освещаться светом и временами погружаться в темноту. И тогда в ней сам собой мог пойти синтез сразу всех необходимых биологических молекул: нуклеотидов, аминокислот, липидов. Ученые предложили взаимосвязанную сеть реакций, и уж если старт дан, то на выходе получится весь набор. И нет нужды гадать, что было раньше — аминокислоты и белки или сахара с рибонуклеотидами. Всё было сразу. Теплая лужа — это горячий и пересыхающий водоем, заполненный синильной кислотой и сероводородом, освещенный жестким ультрафиолетом: добро пожаловать, жизнь!

   
Т.е. у жизни был только короткий период, когда она могла появиться. Тогда или никогда. Иначе "кирпичики жизни" просто рассыпались бы. А раз мы здесь, то какая бы малая вероятность появления у жизни не была, она появилась в единственно возможный для её появления момент.

3. Дьявол прячется в деталях

Есть такая особенность у нашего мышления - наша способность обобщать. Рассматривать все с высоты птичьего полёта. Оно хорошо для выдвижения научных гипотез, создания художественных образов, интуитивного постижения предметов. Но у этого способы мышления есть недостаток, такое мышление "туманное", "размытое" и в данном случае, в вопросе зарождения жизни, этот способ мышления (смыслы без подробностей) приводит к заблуждению. Мы знаем, что происхождение жизни это некий физико-химический вопрос, и предполагаем, упрощенно рассуждая, что раз жизнь появилась в результате естественных физико-химических процессов, а это так есть, то данный процесс должен воспроизводится "здесь и везде". А вот последнее как раз заблуждение. И вот почему.

То, что "кирпичики" здания жизни появляются вполне закономерно, я описывал выше (исследования группы Сазерленда). Даже более того, известны некаталитические процессы при которых могут "собираться" длинные цепочки ДНК/РНК полимеров : Тепловой поток через открытую пору способствует непрерывной репликации нуклеиновых кислот и отбору более длинных цепочек .
Но вот тут-то и начинаются особенности, которые не видны при обобщенном "размытом" мышлении, но меняют всю картину кардинально в подробностях.  А дело вот в чем - абиогенный процесс полимеризации нуклеотидов совершенно случаен. В каком порядке подгоняются к концу цепочки строящегося ДНК/РНК нуклеотиды - это результат броуновского хаотичного процесса. 
А для того, чтобы запустился процесс молекулярной эволюции, не подходит любой полимер ДНК/РНК. Нужен определенный ДНК/РНК о определенной последовательностью нуклеотидов, с "исходным кодом жизни". Какой именно не важно, это зависит от конкретной гипотезы происхождения жизни, суть в том, что не любой. Вариантов таких "нужных" последовательностей гораздо меньше, чем все генеральная совокупность вариантов сочетаний последовательности кода нуклеотидов. Эта случайность сборки и и дает низкую вероятность зарождения жизни от ~10^-20 до 10^-1000 . Для мультиверса  размером 10^1000000000000 планковских величин это, конечно много раз сбывающееся событие. А для нашей Вселенной, размером 14*10^9, это если попадет на нас, то пожалуй очень редкий, если не единственный случай на Вселенную.


4. Пути отступления от логики неизбежного одиночества.

Я как-то взялся оценить, какова вероятность зарождения жизни, в зависимости от количества попыток у Земли, и возможной доли рибозим (каталитических активных РНК) в общей генеральной совокупности всех возможных вариантов сочетаний нуклеотидов и у меня получилось, что чисто теоретически возможна вероятность зарождения жизни близкая к единице:
 


Если, например, в последовательность из 200 нуклеотидов, окажется 10^80 вариантов "дающих жизнь" рибозим.

Но здравый смысл подсказывает, что вряд ли такое возможно. А исследований в этой области (пусть компьютерным моделированием) никем не проводилось. Не говоря уже об экспериментах.

В этой теме всё.