ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 431, № 2, с. 183-187
АСТРОНОМИЯ, АСТРОФИЗИКА, КОСМОЛОГИЯ
УДК 524.852: 573.554
ИНФЛЯЦИОННАЯ КОСМОЛОГИЯ И ГИПОТЕЗА СЛУЧАЙНОГО САМОЗАРОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ
© 2010 г. В. А. Мазур
Представлено академиком М.Я. Маровым 11.06.2009 г. Поступило 23.06.2009 г.
Главным аргументом против гипотезы возникновения жизни в результате спонтанного синтеза первичной биологической макромолекулы является тот факт, что вероятность такого синтеза ничтожно мала, причем не только в масштабах Земли, но и в масштабах всей видимой Вселенной за все время ее существования. Однако, согласно концепции инфляционной космологии, видимая часть Вселенной составляет очень малую часть домена, образовавшегося в первоначальную эпоху экспоненциально быстрого раздувания Вселенной. Чрезвычайно большие размеры домена приводят к тому, что вероятность указанного синтеза на одной из планет в масштабах всего его объема практически равна единице. Очевидно, Землю следует считать одной из тех планет, где это очень редкое событие произошло.
1. Наиболее ясной с физической точки зрения гипотезой происхождения жизни, несомненно, является гипотеза случайного возникновения (см., например, [1—3]). Суть этой гипотезы такова. В результате длительного предбиологического синтеза в первобытном океане возник достаточно концентрированный раствор малых органических молекул — моносахаридов, липидов, аминокислот и нуклеотидов. Хаотическое тепловое движение этих мономеров привело к случайному синтезу первичной биологической макромолекулы, обладавшей способностью к саморепликации (самокопированию). Способность к саморепликации, несомненно, является ключевым свойством жизни. Процесс саморепликации вместе с неизбежно сопутствующей ему изменчивостью запустил механизм естественного отбора, приведшего к биологической эволюции.
Считается, что наиболее вероятным кандидатом на роль первичной биологической макромолекулы является молекула РНК. В последние два десятилетия сформировалось мнение о возможности "мира РНК" — самодостаточного мира пер-
Институт солнечно-земной физики
Сибирского отделения Российской Академии наук,
Иркутск
вичных биологических макромолекул, способных к комплементарной саморепликации без участия белков в открытой среде "первичного бульона" [4, 5]. В настоящее время таких макромолекул не существует. Надо полагать, что после возникновения более эффективных клеточных механизмов копирования эти молекулы были элиминированы естественным отбором.
2. Несмотря на ясность и простоту эта гипотеза сталкивается с трудностью, которую многие считают непреодолимой — вероятность случайного образования первичной биологической макромолекулы ничтожно мала. К такому выводу приводят достаточно простые оценки (см., например, [6-9]).
Ключевую роль в этих оценках играет число различных модификаций макромолекулы, состоящей из заданного числа мономеров. Все важнейшие биологические макромолекулы являются линейными полимерами, состоящими из небольшого числа различных типов мономеров. Так, белки состоят из двадцати типов аминокислот, а ДНК и РНК — из четырех типов нуклеотидов. Число различных модификаций линейного полимера, состоящего из N мономеров равно К = шм= = 10е, где т — количество различных типов мономеров и 0 = N т . Для аминокислот т = 4, для белков т = 20.
По поводу длины цепи N, способной к саморепликации макромолекулы, можно высказывать только более или менее правдоподобные предположения. Существующие сейчас молекулы РНК имеют длину от многих десятков до многих тысяч нуклеотидов. Но далеко не все из них являются носителями генетической информации. Такую роль играют матричные РНК, РНК вироидов и РНК-содержащих вирусов [5]. Их типичная длина — несколько (много) сотен или даже тысячи мономеров. Логично предполагать, что способность к саморепликации требует дополнительной сложности, т.е. длины, макромолекулы. Поэтому представляется разумной оценка для числа N, а
следовательно, и для числа Q = 4 ~ 0.6 N от нескольких сотен до нескольких тысяч.
Соответствующие этим значениям числа К = = 10Q очень велики. Учитывая контекст, в котором они появились, числа такого масштаба можно называть числами комбинаторного типа. Подчеркнем, что фигурирующее у нас число комбинаторного типа К страдает большой неопределенностью — даже его логарифм Q = 1§ К можно указать только по порядку величины. Тем не менее приведенная оценка числа К позволяет сделать вполне определенные и однозначные выводы о вероятности возникновения первичной биологической макромолекулы.
Если при сборке полимерной цепи из N мономеров только один вариант дает макромолекулу, способную к саморепликации, то вероятность сборки именно этой молекулы в одной "попытке" равна —. Ее следует сопоставить с числом
"попыток" синтеза. Ясно, что при этом не следует ограничиваться числом таких "попыток" в земном океане, так как в обсуждаемом контексте под Землей следует понимать одну из тех планет, на которых такие "попытки" завершились успехом. Поэтому принято определять число "попыток" для всей видимой Вселенной за все время ее существования. Оценка этого числа (обозначим его А) включает в себя оценку числа пригодных для жизни планет в видимой Вселенной, среднего объема океана на них, концентрации первичного бульона и скоростей реакций в нем. Очевидно, что оценка числа А также страдает очень большой неопределенностью.
Однако для дальнейшего важно только то, что А относится к тому классу чисел, которые можно назвать числами астрономического типа. Числами такого типа выражаются различные астрономические величины, выраженные в "земных" единицах измерения. В качестве примера укажем возраст Вселенной Т = 5 • 1017 с, радиус ее видимой части (радиус горизонта) Я = сТ = 1028 см или число нуклонов внутри горизонта 1080. Условной верхней границей чисел астрономического типа будем считать число 10100. Тем самым числа астрономического типа неизмеримо меньше чисел комбинаторного типа.
Тот факт, что полное число "попыток" в видимой части Вселенной есть число астрономического типа, представляется вполне естественным. В конечном счете, этот факт обусловлен ее астрономическим размером. Разумные оценки для числа А лежат в пределах 1050—1070 [6—9]. На основе этого числа можно ввести понятие плотности числа "попыток" на единицу объема видимой ча-
сти Вселенной: р = А^~ 10 35—10 15 см 3.
Конечно, это понятие применимо только к достаточно большим областям видимой части Вселенной, в масштабах которых ее можно считать однородной (100-300 Мпк).
Для вероятности случайного образования одной первичной макромолекулы во всей видимой части Вселенной за все время ее существования
получаем значение А . Это очень малое число.
Обратное число К является числом комбинаторного типа. Собственно, различие между числами К
- и К гораздо меньше, чем неопределенность в А
значении числа К. Поэтому указанную вероятность с доступной точностью оценки можно считать равной —. Эта вероятность настолько мала,
что с любой разумной точки зрения соответствующее событие следует считать невозможным.
Необходимо подчеркнуть, что в силу огромного преобладания числа К над числом А этот вывод чрезвычайно устойчив к неопределенностям в оценках различных величин. На него также не может повлиять возможность того, что не одна, а многие комбинации из N мономеров могут давать макромолекулы, способные к саморепликации. Необходимо только предположить, что количество таких комбинаций есть число меньшего типа, чем само число К.
Из сказанного с неизбежностью следует вывод — видимая Вселенная слишком мала, чтобы в ней за время ее существования успела случайно образоваться первичная биологическая макромолекула.
3. Цель настоящей работы — обратить внимание на два обстоятельства:
согласно концепции инфляционной космологии [10, 11], видимая часть Вселенной составляет очень малую часть домена, физические условия в котором точно такие же, как и в видимой Вселенной;
при вычислении вероятности образования первичной биологической макромолекулы необходимо принимать во внимание весь объем домена, и это обстоятельство радикальным образом меняет приведенную выше оценку вероятности.
4. Возникшая более четверти века назад концепция инфляционной космологии коренным образом изменила наши взгляды на глобальную структуру Вселенной. Отсылая за полным ее изложением к указанным книгам основоположников теории [10, 11], приведем здесь только те
представления, которые необходимы для наших целей.
Согласно этой концепции, начало Большого Взрыва представляло собой эпоху экспоненциально быстрого расширения — раздувания. Это раздувание началось с области планковского масштаба 1Р = 10-33 см и увеличило ее размер в огромное число I раз. В различных сценариях инфля-
т щЮ5
ции это число заключено в пределах I = 10 —
1014
10 [11]. В результате возникла область чрезвычайно большого размера I ■ 1р, которую принято называть доменом. Его размер в огромной степени превосходит радиус горизонта Я. Это означает, что видимая часть Вселенной составляет очень малую часть домена. По окончании эпохи инфляции (примерно через 10-35 с после начала) расширение домена продолжалось уже в соответствии со стандартным сценарием горячей Вселенной.
Принципиально важно, что первоначальная область планковского масштаба была причинно связана, поэтому образовавшийся домен чрезвычайно однороден и во всем его объеме действует одна и та же физика элементарных частиц — та же, что и в видимой части Вселенной (Стандартная Модель). Во всем домене можно ввести единое время, измеряемое в каждой данной точке по часам, покоящимся в этой точке относительно расширяющейся материи. Нас интересует момент времени по этим часам, соответствующий сегодняшнему времени на Земле, т.е. примерно 15 миллиардов лет с момента возникновения домена. К этому моменту во всем домене существуют точно такие же галактики, звезды и планеты, как и в его видимой части, а следовательно, существуют такие же условия для возникновения биологических макромолекул.
Согласно наиболее популярному сейчас сценарию хаотической инфляции [11], домены постоянно порождаютс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.