caenogenesis (caenogenesis) wrote,
caenogenesis
caenogenesis

Category:

Инфляционная космология и возникновение жизни

Несколько месяцев назад я написал короткий пост об идеях иркутского астрофизика Виталия Мазура (к великому сожалению, ныне уже покойного). Оценить эти идеи толком я не могу, потому что совершенно не разбираюсь в современной физике, но они показались мне занимательными. В Сети есть, во-первых, статья Мазура, и во-вторых, страница Астрофорума, где выложены дополнительные материалы, например аудиозапись доклада в ГАИШе; там же можно найти подробное (и местами весьма эмоциональное) обсуждение.
Сейчас я решил получше разобраться в том, что сказал Мазур, и выкладываю тут конспект основной части его доклада, сделанный исключительно для себя: вдруг кому-нибудь еще пригодится? Формулировать старался просто, все избыточное или непонятное выбрасывал. К сколько-нибудь квалифицированному обсуждению этой темы я по понятным причинам не готов и на вопросы по существу отвечать не обещаю (разве что на чисто биологические, да и то я в нужных здесь областях не спец). Но если кто-нибудь скажет что-нибудь интересное, буду рад. По-моему, это покруче любой научной фантастики: последняя с такими уровнями реальности работать пока еще не научилась.



Рассмотрим простейшую возможную гипотезу возникновения жизни — гипотезу, согласно которой в некоем первичном растворе (например, в планетном океане) совершенно случайно, в результате броуновского движения небольших молекул, однажды сложилась крупная молекула, способная к самовоспроизведению.
Что это была за молекула? Вероятнее всего, молекула РНК. Последние лет тридцать в науке популярна теория о том, что возможен самодостаточный «мир РНК», в котором молекулы РНК будут размножаться без белков. Сами белки такой самодостаточностью не обладают. В любом случае, и РНК, и белки — это линейные полимеры, состоящие из не очень большого числа различных простых блоков (мономеров). Для РНК число возможных мономеров равно 4, для белков 20.
Пусть у нас есть N типов мономеров (для «мира РНК» N=4). Рассмотрим состоящую из таких мономеров молекулу длиной m. Число возможных вариантов такой молекулы равно числу N, умноженному на себя столько раз, сколько в молекуле мономеров, то есть N в степени m. Запишем это в виде формулы:

K=Nm

Здесь K — число возможных вариантов полимерной молекулы. Если молекула — РНК, то N=4, а если молекула — белок, то N=20. Оба эти числа не слишком сильно отличаются от 10. Перепишем оценку числа K в виде степени десятки:

K=Nm=10q

Поскольку N в любом случае не слишком сильно отличается от 10, то m и q — числа одного порядка. Для простоты можно вообразить полимер (несуществующий), состоящий из 10 типов мономеров (N=10), и перенести расчет на него. Получится нечто среднее между РНК и белком. В принятых нами рамках такое предположение достаточно реалистично.
Чему должно быть равно m для молекулы РНК, способной воспроизводить себя? Число мономеров в цепях реальных РНК варьирует от нескольких десятков (транспортные РНК) до нескольких тысяч (информационные РНК). Поскольку предполагается, что первичная самовоспроизводящаяся молекула должна быть хотя бы в каком-то смысле носителем генетического кода, можно ожидать, что она будет ближе по свойствам к информационной РНК. Вполне разумно принять для такой молекулы оценку q≈1000. Тогда число возможных вариантов этой молекулы равно

K=101000

Это — фантастически большое число. В сколько-нибудь практической физике подобные числа не встречаются нигде. Числа такого масштаба (с показателем степени порядка 1000) мы будем называть числами комбинаторного типа.
Вернемся к теме происхождения жизни. Если к самовоспроизведению способен один-единственный вариант полимерной молекулы, то вероятность синтеза такой молекулы за одну попытку равна

P=1/K=1/101000

Как оценить, сколько попыток такого синтеза сможет осуществиться? Если, например, речь идет о молекулах, которые растворены в океане, то здесь следовало бы включить в расчет суммарный объем океанов на всех планетах в видимой части Вселенной, концентрации молекул, способных служить мономерами, в воде этих океанов, скорости химических реакций, происходящих при случайных столкновениях этих молекул, время существования океанов на планетах за все время жизни Вселенной и т. п. Но такие расчеты, скорее всего, будут бесполезны, потому что все их возможные результаты перекрываются одним простым соображением.
Введем такое понятие, как число астрономического типа (обозначается буквой A). Это — любое число, сравнимое с любыми физическими величинами, касающимися наблюдаемой части Вселенной и поддающимися хоть какой-то реалистичной оценке. Например, радиус видимой части Вселенной в сантиметрах приблизительно равен 1028. Суммарное число протонов и нейтронов в той же видимой части Вселенной приблизительно равно 1080. За верхнюю границу чисел астрономического типа можно условно принять так называемое число гугол, равное 10100 (этому числу никакие реальные физические константы уже не соответствуют):

A≤10100

Все числа, которые реально можно встретить в астрономии, будут меньше этой величины. Даже если мерить радиус Вселенной не в сантиметрах, а в планковских длинах (планковская длина Lp≈10–33 см), результат все равно окажется числом астрономического типа — он будет приблизительно равен «всего лишь» 1061. Время существования Вселенной, измеренное в секундах, составит только 1017, а в планковских интервалах времени (планковское время tp≈10–43 секунды) — только 1060. Легко видеть, что все эти числа значительно меньше 10100.
Итак, если числа комбинаторного типа — это числа с показателем степени порядка 1000, то числа астрономического типа — это числа с показателем степени порядка нескольких десятков.
Вернемся к теме происхождения жизни. Можно уверенно сделать следующее утверждение: число попыток синтеза самовоспроизводящейся полимерной молекулы, пусть даже во всей наблюдаемой части Вселенной за все время ее существования, может быть только числом астрономического типа. Все мыслимые оценки приводят к числам от 1030 до 1070, то есть к числам типа A.
Чему же равна вероятность самопроизвольного зарождения жизни в видимой части Вселенной? Например, если бы возможных вариантов полимерных молекул было всего 1000, а попыток было 100, вероятность синтеза «удачной» полимерной молекулы за одну попытку была бы равна 100/1000=0,1≡10–1. В нашем случае число возможных вариантов равно K, а число попыток равно А, поэтому максимальная оценка вероятности

P=A/K≈10100/101000=1/10900≡10–900

Очевидно, что с любой практической точки зрения такая вероятность просто равна нулю.
Важно отметить вот что. Наши оценки очень (на много порядков) неточны, но полученный результат устойчив к этой неточности. Например, полимерная молекула данной длины, способная к саморепликации, в действительности наверняка не одна. Обозначим число таких молекул (состоящих из N мономеров и при длине цепочки m) через Z. Если Z≠1, то оценка вероятности синтеза самовоспроизводящейся молекулы превратится в следующее:

P=AZ/K

Но даже если Z будет числом астрономического типа, то после всех сокращений в знаменателе выражения для P все равно останется число комбинаторного типа. Никакие разумные величины Z этого результата не изменят. Практической разницы, например, между P=10–900 и P=10–800 все равно нет.
Таким образом, случайное зарождение жизни в видимой части Вселенной невозможно.
Однако согласно инфляционной космологии наша Вселенная вовсе не ограничивается так называемой «видимой Вселенной». Ее размеры гораздо больше.
То, что Вселенная гораздо больше своей видимой для человека части, следовало уже из разработанной в 1920-х годах модели Фридмана. Но инфляционная космология внесла в это существенную поправку: видимая Вселенная — не просто не вся Вселенная, а ее ничтожно малая часть. Потому что Вселенная в некоторый период расширялась с огромным ускорением (это и есть отличие от стандартной теории, по которой выходило, что она должна расширяться с замедлением).
Концепция инфляционной космологии возникла лет тридцать назад и коренным образом изменила наше представление о глобальной структуре Вселенной. Суть этой концепции следующая. В самом начале Вселенная испытала невероятно быстрое расширение («раздувание»). Оно началось с примерно планковского масштаба (Lp≈10–33 см) и происходило таким образом, что характерным временем расширения являлось планковское время (tp≈10–43 секунды). За такое время Вселенная расширялась в e раз (e≈2,7). По оценкам теоретиков, фаза «раздувания» продлилась всего 10–35 секунды. Это короткий отрезок времени, но это 108 планковских времен.
Во сколько же раз увеличилась Вселенная? Это число (обозначим его I) равно e в степени 108 раз. Если пересчитать его в степень десятки, то показатель этой степени будет равен примерно 3∙107. Иначе говоря, кратность увеличения Вселенной в процессе «раздувания» составляет 10 в степени тридцать миллионов:

I≈1030 000 000

Это уже не число комбинаторного типа. Сравнив его с последним, видим:

I≈1030 000 000>>K≈101000

Причем показатель степени 30 000 000 отражает одну из самых слабых версий инфляционной теории. В более сильных версиях на месте 7-й степени (десятки миллионов) стоит 14-я (сотни триллионов). Такие числа, как I, назовем числами инфляционного типа.
Важно, что во всей области Вселенной, возникшей в результате «раздувания» (она называется доменом), сохраняются причинно-следственные связи и действуют одни и те же физические законы. Для простоты будем считать, что этот домен и есть наша Вселенная (другие домены в принципе могут существовать, но мы не знаем, какие там законы физики, и не включаем их в расчет). Размер такой Вселенной равен планковской длине, умноженной на I:

L=LpI

Фактически это означает умножение числа с показателем степени 30 миллионов (восьмизначным) на число с показателем степени –33 (двузначным). По правилам математики показатель степени у числа, которое получится в результате, будет равен (30 000 000–33), что практически равно тем же 30 миллионам — разницу нельзя будет зафиксировать никакими наблюдениями или расчетами. Таким образом:

L≈I

Число I — это и есть характерный размер Вселенной. В данном случае неважно, в каких единицах длины: их бессмысленно указывать, потому что разницы, например, между миллиметрами и миллионами километров в таком масштабе и при такой неопределенности просто нет. Даже разница между планковской длиной и радиусом наблюдаемой части Вселенной тут будет незаметна. При этом из очень общих физических соображений следует, что во всем домене, имеющем размер I, через 15 миллиардов лет после Большого взрыва существуют такие же галактики, звезды и прочие структуры, как и в ничтожно малой по сравнению с ним видимой части Вселенной.
После окончания периода «раздувания» Вселенная продолжала расширяться (еще примерно в 104 раз), но по сравнению с величиной I это уж точно пренебрежимо мало.
Теперь поставим вопрос: во сколько раз, примерно, вся Вселенная превосходит размером ее видимую часть? Ответ: в I раз. Действительно, эта величина должна быть приблизительно равна I/A, где А — размер видимой части Вселенной. Последний при любой единице измерения является числом астрономического типа. А в сравнении с числом инфляционного типа любое число астрономического типа настолько мало, что практически I/A=I.
В итоге у нас есть числа трех типов: астрономического типа, комбинаторного типа и инфляционного типа. Когда мы определяем вероятность случайного возникновения жизни в видимой части Вселенной, в знаменателе оказывается число комбинаторного типа, и это означает, что вероятность пренебрежимо мала. Но если «эксперимент» со случайной сборкой самовоспроизводящейся молекулы повторен I раз (а это должно быть так, учитывая, что во всем домене одни физические законы), ситуация радикально меняется. Вероятность, выглядящая пренебрежимо малой на уровне астрономических или комбинаторных чисел, при сложении I попыток все равно даст практически единицу.
Это можно точно рассчитать по формулам теории вероятностей, но можно прикинуть и «на пальцах». Например, если вероятность какого-то события составляет одну тысячную, то при наличии в нашем распоряжении одной-двух попыток не стоит всерьез рассчитывать, что это событие произойдет, а вот при наличии ста миллиардов попыток — уже можно. В задаче с возникновением жизни действует тот же принцип, только умноженный на много порядков раз.
В итоге, даже если допустить возникновение жизни путем случайной химической сборки, без всяких ускоряющих этот процесс факторов, получается, что жизнь где-нибудь во Вселенной должна была зародиться наверняка (раз это в принципе разрешено законами физики и химии). Вот Земля и есть точка, где это произошло.
Дополнительно можно спросить: а зачем, собственно, Вселенная такая большая? Может быть, как раз затем, чтобы в ней могла зародиться жизнь.
Tags: происхождение жизни
Subscribe

  • ГЛ

    – Которого из них вы имеете в виду? – Не понимаю. Того, естественно, который попал в капкан. – Их было четверо. Один попал в капкан, другого вы…

  • Ковалевский

    Сегодня про птиц не будет, хочу вместо этого выложить всякие попутные мелочи - например, байки из жизни нигилистов. Мне тут пришлось обратиться к…

  • Птицы-2

    Надо сказать, что с открытием археоптерикса биологам очень повезло. В 1859 году вышла книга "Происхождение видов путем естественного отбора",…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

  • 89 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →

  • ГЛ

    – Которого из них вы имеете в виду? – Не понимаю. Того, естественно, который попал в капкан. – Их было четверо. Один попал в капкан, другого вы…

  • Ковалевский

    Сегодня про птиц не будет, хочу вместо этого выложить всякие попутные мелочи - например, байки из жизни нигилистов. Мне тут пришлось обратиться к…

  • Птицы-2

    Надо сказать, что с открытием археоптерикса биологам очень повезло. В 1859 году вышла книга "Происхождение видов путем естественного отбора",…