Белые пятна науки

На протяжении большей части истории человеческой цивилизации вопрос о происхождении жизни решался просто: все объяснялось действием сверхъестественных сил. Правда, еще в Античности, у Аристотеля, появилась концепция самозарождения жизни из некоего присутствующего в неживых субстанциях начала. Эта концепция пережила века, и окончательно ее опровергли лишь опыты Пастера в середине XIX века. Наивные представления о том, что мыши могут сами возникнуть из нестираных рубашек, сменились в современную эпоху пониманием того факта, что и живое, и неживое имеет одну и ту же материальную основу. Атомы те же, молекулы те же, химия та же, но сделать из неживого живое пока не удалось никому. Но, если оставить в стороне религиозно-мистические версии, приходится признать, что однажды при невыясненных обстоятельствах случилось невероятное — неживое стало живым, то есть жизнь все-таки самозародилась путем абиогенеза.

Главные признаки жизни — это метаболизм (то есть переработка с помощью химических реакций поглощенных питательных веществ и вывод наружу отходов, а также другие формы обмена веществ, например дыхание), движение, рост, размножение и, что очень важно, поддержка постоянства параметров внутренней среды организма. Проблема в том, что для обеспечения этих и других функций требуется одновременная кооперация сложнейших органических молекул. Центральной для теории абиогенеза является проблема исторической последовательности формирования липидов, белков, РНК, ДНК и других «строительных блоков» живого — реакции синтеза этих веществ в живой клетке так тесно связаны между собой, что формирование их порознь и самосборка в функционирующие цепи представляются маловероятными.

Одну из самых известных гипотез, связанных с абиогенезом, высказал 90 лет назад советский биолог Александр Опарин. В своих размышлениях он делал акцент на механизм обособления протожизни от неживой природы. Опарин предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могли самопроизвольно образовываться зоны уплотнения — так называемые коацерватные капли. Внутри этих капель однажды сформировался некий цикл химических реакций, который мог поддерживать обмен веществ с внешней средой. Иной подход обозначен в гипотезе американского микробиолога Карла Вёзе. Его концепция «мира РНК», высказанная в конце 1960-х, ставит в центр молекулу РНК, которая и стала первым «кирпичиком жизни». Первоначально она могла существовать полностью автономно, катализируя протометаболические реакции, например синтеза новых рибонуклеотидов, что привело к самокопированию. Мутации и естественный отбор дали возможность «умелой» молекуле синтезировать все больше и больше разных белков, и в конце концов возникла цепочка ДНК-РНК-белки, в которой сама РНК теперь выполняет посредническую функцию. Однако, при всем многообразии абиогенетических гипотез, в большинстве из них упускается из виду энергетическое обеспечение абиогенеза.

Происхождение эукариотической клетки от прокариотической можно по праву считать загадкой № 2 в биологии после загадки самой жизни — тайны обособления живого от неживого. Между двумя типами клеток огромные конструктивные различия. Если ДНК прокариот располагается непосредственно в цитоплазме, то основная часть ДНК эукариотических клеток содержится в специальном компартменте — ядре.

Помимо ядра клетки эукариот характеризует присутствие различных органелл: митохондрий, пластид, вакуолей, лизосом. Все они представляют собой отдельные участки клетки, ограниченные однослойной (вакуоли) или двухслойной (митохондрии и хлоропласты) мембраной. Возникновение эукариотической клетки стало настоящей революцией, но это случилось так давно (порядка 2,5 млрд лет назад), что никаких палеонтологических свидетельств процесса происхождения эукариот не осталось. Есть только гипотезы.

Происхождение эукариотической клетки стало примером невероятного нарастания сложности в строении живых организмов и имело далекоидущие последствия. Обособление клеточного ядра, с одной стороны, дало возможность защитить ДНК от слишком частых мутаций, с другой — создало мощный адаптивный механизм, который в итоге привел к возникновению многоклеточных организмов: в них один и тот же геном мог порождать функционально различные клетки.

И если вопрос «зачем» имеет очевидные ответы, то с вопросом «как» все далеко не так ясно. Антиэволюционисты, в частности креационисты, склонны считать возникновение эукариот «ахиллесовой пятой» современной теории эволюции. Появиться «случайно», говорят они, эукариотическая клетка никак не могла. Наука отвечает им, что рождение эукариотической клетки хоть и случилось, очевидно, только раз в биологической истории, являло собой не одномоментное событие, а сложный процесс, связанный с определенным этапом в развитии Земли.

Доминирующей на сегодняшний день теорией, объясняющей происхождение эукариотической клетки, является теория симбиогенеза. Согласно этой теории сложная структура клетки объясняется включением в нее некогда самостоятельных организмов-бактерий. Правда, на сегодняшний день наиболее убедительными выглядят лишь доказательства симбиотического происхождения митохондрий и пластид (в растительных клетках).

Эти органеллы имеют собственную ДНК и не синтезируются заново, а размножаются вместе с «хозяйской клеткой». Однако происхождение других органелл, цитоплазмы и ядра — остродискуссионный вопрос. Существует, к примеру, инвагинационная теория, объясняющая происхождение органелл метаморфозами клеточной оболочки, от которой могли отслаиваться будущие оболочки ядра, митохондрий и проч.

Тот факт, что кроме современных человеку животных и растений, есть существа, давным-давно исчезнувшие как вид, привлек внимание науки несколько веков назад. О судьбе вымерших видов много размышлял родившийся в один год с Наполеоном знаменитый французский биолог Жорж Кювье. Именно ему принадлежит мысль о том, что история живого на Земле есть череда катастроф, раз за разом уничтожавших биоты огромных областей планеты.

Идеи Кювье были раскритикованы последующими поколениями ученых-эволюционистов (в том числе Дарвином) и надолго забыты. Однако разительное отличие в составе живых организмов, которое существует между отдельными геологическими эпохами, все же требовало объяснения, и примерно с 1950—1960-х годов тема массовых вымираний (предположительно, в результате неких катастрофических изменений условий обитания) стала активно разрабатываться в мировой науке.

Если кто-то представляет себе вымирание как некое одномоментное событие, после которого вся планета или ее часть сплошь покрыта трупами животных, то надо сказать, что такая картина весьма далека от научных представлений. Длительность разных вымираний оценивается периодами от нескольких тысяч до нескольких миллионов лет. Суть вымираний не в скоропостижной гибели масс живых организмов, а в скачкообразном сокращении количества видов и семейств в течение непродолжительного (по геологическим меркам) периода. За последние полмиллиарда лет зафиксировано пять крупномасштабных массовых вымираний. Существует также мнение о том, что мы живем в эпоху Великого голоценового вымирания, когда под угрозой находится существование до 30% видов. Ключевой фактор этого вымирания — деятельность человека.

Слишком большой временной масштаб не позволяет сделать однозначный вывод относительно природы и причин вымираний. Зато существует бесчисленное количество разнообразных гипотез разной степени достоверности. Вымирания связывают как с чисто земными факторами (понижение уровня Мирового океана, колоссальные по площади излияния магмы (траппы), выбросы метана), так и с космическими (падение астероида, прохождение Солнечной системы через рукава Галактики).

Однако большинство таких гипотез имеют свои слабые места. В науке также существует мнение о том, что на самом деле нужно говорить не о вымираниях, а о неких торможениях эволюционного процесса: природа как бы брала творческую передышку, расставалась со старым багажом, а затем открывала двери новой волне биоразнообразия.

В 1933 году известный американский астроном швейцарского происхождения Фриц Цвикки, наблюдая за шестью сотнями галактик в скоплении Кома, расположенном в 300 млн световых лет от Млечного Пути в направлении созвездия Волосы Вероники (Coma Berenices), обнаружил, что масса этого скопления, определенная исходя из скорости движения галактик (так называемая динамическая), сильно отличается от массы, вычисленной с помощью оценки светимости звезд.

Оказалось, что звездная масса в 50 раз меньше динамической массы скопления! Такие расхождения были слишком велики, чтобы объяснить их неточностью расчетов, и Цвикки назвал избыток массы темной материей. Позднее другим ученым удалось подтвердить и уточнить его выводы. Сейчас принято считать, что барионная материя составляет всего около 1/7 части от «материальной» Вселенной, остальные 6/7 — как раз темная материя. За последние четверть века гипотеза скрытой массы получила ряд подтверждений.

Поскольку темная материя своим притяжением отклоняет световые лучи, с начала 1990-х годов ее ищут и находят с помощью гравитационного линзирования. Еще одно доказательство реальности ее существования было получено недавно с помощью спектрального анализа космического реликтового излучения. Так что сейчас уже никто не сомневается в том, что темная материя существует. Однако что она собой представляет — пока неизвестно.

Темная энергия — понятие гораздо более современное. Еще в 1930-е годы ученые пришли к выводу, что наша Вселенная расширяется. Однако до начала 1990-х годов считалось, что это расширение в настоящее время замедляется. А в 1990-х астрономы из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Астрофизического центра Гарвардского университета и Смитсоновского института, наблюдая ряд очень отдаленных сверхновых типа Ia, которые считаются «стандартными» по пиковой светимости, установили, что Вселенная расширяется с ускорением! За это открытие Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс получили в 2011 году Нобелевскую премию по физике.

Для механизма космической антигравитации, «расталкивающей» галактики с ускорением, астрофизик из Чикагского университета Майкл Тернер придумал название «темная энергия». Более поздние исследования с помощью изучения реликтового микроволнового излучения позволили очень точно подтвердить существование темной энергии и определить ее плотность. Но, хотя доля темной энергии в общей массе Вселенной составляет почти 75%, природа этого таинственного явления пока по-прежнему остается неясной.

В крупных (астрономических) масштабах гравитация прекрасно описывается классической теорией — ОТО. Однако в микромире классические теории не работают — там действуют законы квантовой механики. Существуют квантовые теории всех фундаментальных взаимодействий (электромагнитного, слабого и сильного), а вот с квантовой гравитацией пока наблюдаются большие проблемы. В ноябре 2015 года физики будут отмечать столетний юбилей теории тяготения Эйнштейна, более известной как ОТО (общая теория относительности). Она с самого начала никак не пересекалась с зарождавшейся в те же годы квантовой механикой и остается классической по сей день.

Физики начала XX века ожидали совсем иного. Эйнштейн уже в 1916 году предсказал появление квантовой теории гравитации. В 1929 году Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули опубликовали квантовую теорию свободного электромагнитного поля. В своей статье они выразили уверенность, что на основе тех же принципов можно будет без больших проблем проквантовать и гравитационное поле. Сейчас их оптимизм может вызвать улыбку, но тогда он казался естественным. И только в 1935 году советский физик Матвей Бронштейн первым осознал, что любое объединение гравитации с квантами потребует очень глубокого пересмотра основных физических понятий.

Серьезные попытки объединения классической гравитации и квантовой теории начались во второй половине XX века и с тех пор ведутся весьма интенсивно. Однако квантовой теории гравитации все еще нет до сих пор (и в ближайшее время не ожидается). И это при том, что прочие фундаментальные взаимодействия, сильное, электромагнитное и слабое, уже давно удалось понять и описать на основе квантовой физики и специальной теории относительности, что привело к созданию Стандартной модели элементарных частиц, которую многие считают самой успешной фундаментальной теорией за всю историю физики.

Знаменитый американский физик Фримен Дайсон несколько лет назад даже высказал гипотезу, что гравитационное поле классично по своей природе и вообще не допускает квантового описания. Другие теоретики полагают, что на очень малых расстояниях квантовые эффекты исчезают, и физические процессы вновь обретают классический характер.

Эти сложности не случайны. Квантовая механика и квантовая теория поля принципиально отличаются от ОТО. Процессы, которыми они занимаются (например, превращения элементарных частиц), протекают в плоском пространстве-времени, которое существует само по себе, независимо от своего материального наполнения в виде тех же частиц и полей, квантами которых эти частицы являются. А вот искривленное пространство-время ОТО неразрывно связано с материей и энергией, которые меняют его геометрию и в результате изменяются сами.

Привести эти две картины мира к одному знаменателю пока не удалось. Эта фундаментальная проблема проявляется во многих обличьях. Возьмем, скажем, гравитационные волны, которые, согласно ОТО, непременно должны существовать. Они еще не обнаружены напрямую, но их существование имеет много косвенных подтверждений (например, обращающиеся вокруг друг друга нейтронные звезды испускают эти волны, теряют энергию и сближаются в точном соответствии с предсказаниями ОТО).

Слабые гравитационные волны не так уж сложно проквантовать, и это давно сделано. Из этих вычислений следует, что должны существовать кванты тяготения, гравитоны, электрически нейтральные безмассовые частицы, спин которых вдвое больше спина световых квантов. Они должны быть сгустками энергии, только не электромагнитной, как фотоны, а гравитационной. Однако в ОТО само понятие энергии куда сложней, нежели в квантовой электродинамике, и попытки построить теорию взаимодействия гравитонов до сих пор успеха не принесли.

Ситуация осложняется тем, что индивидуальные гравитоны, как их описывает теория, настолько слабо взаимодействуют с веществом, что их невозможно детектировать с помощью любых экспериментов, мыслимых не только сейчас, но и в ближайшем будущем.

Стандартная модель элементарных частиц оперирует двумя фундаментальными константами — скоростью света и постоянной Планка. Учет гравитации добавляет к ним ньютоновскую постоянную тяготения. Из этой тройки можно скомпоновать, как первым сделал Макс Планк, три новые постоянные с размерностью времени, длины и энергии (или, что то же самое, массы). В сферу планковского радиуса нельзя упрятать больше одной планковской единицы массы — возникнет черная дыра. Скорее всего, планковские единицы определяют естественные границы применимости современной физики, за которыми начинается область неизвестного.