Панспермия (от древнегреческого πᾶν (pan) «все» и σπέρμα (sperma) «семя») — гипотеза о том, что жизнь существует во всей Вселенной , распространяясь посредством космической пыли , [1] метеороидов , [2] астероидов , комет , [3] и планетоидов , [4], а также космических аппаратов, несущих непреднамеренное загрязнение микроорганизмами , [5] [6] [7], известное как направленная панспермия . Теория утверждает , что жизнь не возникла на Земле, а вместо этого эволюционировала где-то в другом месте и засеяла жизнь, какой мы ее знаем.
Панспермия существует во многих формах, таких как радиопанспермия, литопанспермия и направленная панспермия . Независимо от формы, теории обычно предполагают, что микробы, способные выживать в открытом космосе (например, определенные типы бактерий или споры растений [8] ), могут оказаться в ловушке мусора, выброшенного в космос после столкновений планет и небольших тел солнечной системы , в которых есть жизнь. [9] Этот мусор, содержащий формы жизни, затем переносится метеорами между телами в солнечной системе или даже через солнечные системы в пределах галактики. Таким образом, исследования панспермии концентрируются не на том, как зародилась жизнь, а на методах, которые могут распространять ее во Вселенной. [10] [11] [12] Этот момент часто используется в качестве критики теории.
Панспермия — это маргинальная теория , не имеющая большой поддержки среди основных ученых. [13] Критики утверждают, что она не отвечает на вопрос о происхождении жизни , а просто помещает ее на другое небесное тело. Ее также критикуют, потому что ее нельзя проверить экспериментально. Исторически споры о достоинствах этой теории были сосредоточены на том, является ли жизнь повсеместной или возникшей во всей Вселенной. [14] Благодаря своей долгой истории теория сохраняет поддержку и сегодня, и ведется некоторая работа по разработке математических методов того, как жизнь может естественным образом мигрировать по всей Вселенной. [15] [16] Ее долгая история также дает почву для обширных спекуляций и мистификаций, которые возникли из-за метеоритных событий.
Панспермия имеет долгую историю, восходящую к V веку до н. э. и натурфилософу Анаксагору . [17] Классики пришли к согласию, что Анаксагор утверждал, что Вселенная (или Космос) была полна жизни, и что жизнь на Земле началась с падения этих внеземных семян. [18] Панспермия, как она известна сегодня, однако, не идентична этой первоначальной теории. Название, применительно к этой теории, было впервые придумано только в 1908 году Сванте Аррениусом , шведским ученым. [14] [19] До этого, примерно с 1860-х годов, многие выдающиеся ученые стали интересоваться этой теорией, например, сэр Фред Хойл и Чандра Викрамасингхе . [20] [21]
В 1860-х годах произошло три научных события, которые начали привлекать внимание научного сообщества к проблеме происхождения жизни. [14] Во-первых, теория Канта-Лапласа о небулярности солнечной системы и образовании планет набирала популярность и подразумевала, что когда Земля впервые образовалась, условия на ее поверхности были неблагоприятны для жизни, какой мы ее знаем. Это означало, что жизнь не могла развиваться параллельно с Землей и должна была развиться позднее, без биологических предшественников. Во-вторых, знаменитая теория эволюции Чарльза Дарвина подразумевала некое неуловимое происхождение, потому что для того, чтобы что-то эволюционировало, оно должно было где-то начаться. В своем « Происхождении видов » Дарвин не смог или не захотел затронуть этот вопрос. [22] В-третьих, и наконец, Луи Пастер и Джон Тиндаль экспериментально опровергли (ныне устаревшую) теорию самозарождения , которая предполагала, что жизнь постоянно эволюционировала из неживой материи и не имела общего предка, как предполагала теория эволюции Дарвина.
В целом, эти три события в науке представили широкому научному сообществу, казалось бы, парадоксальную ситуацию относительно происхождения жизни: жизнь должна была развиться из небиологических предшественников после того, как образовалась Земля, и, тем не менее, теория самозарождения была экспериментально опровергнута. Отсюда и разветвилось изучение происхождения жизни. Те, кто принял отрицание Пастера самозарождения, начали разрабатывать теорию о том, что в (неизвестных) условиях на примитивной Земле жизнь должна была постепенно развиться из органического материала. Эта теория стала известна как абиогенез и является общепринятой в настоящее время. С другой стороны, это те ученые того времени, которые отвергли результаты Пастера и вместо этого поддержали идею о том, что жизнь на Земле произошла от существующей жизни. Это обязательно требует, чтобы жизнь всегда существовала где-то на какой-то планете и чтобы у нее был механизм передачи между планетами. Таким образом, современное лечение панспермии началось всерьез.
Лорд Кельвин в своей презентации Британской ассоциации содействия развитию науки в 1871 году выдвинул идею о том, что подобно тому, как семена могут переноситься по воздуху ветром, так и жизнь может быть занесена на Землю падением метеорита, несущего жизнь. [14] Он также выдвинул идею о том, что жизнь может возникнуть только из жизни, и что этот принцип инвариантен при философском униформизме , подобно тому, как материя не может быть ни создана, ни уничтожена . [23] Этот аргумент подвергся резкой критике из-за его смелости, а также из-за технических возражений со стороны более широкого сообщества. В частности, Иоганн Цёльнер из Германии выступил против Кельвина, заявив, что организмы, переносимые метеоритами на Землю, не выживут при спуске через атмосферу из-за нагрева от трения. [14] [24]
Аргументы менялись до тех пор, пока Сванте Аррениус не дал теории ее современную трактовку и обозначение. Аррениус выступал против абиогенеза на том основании, что в то время у него не было экспериментального обоснования, и считал, что жизнь всегда существовала где-то во Вселенной. [19] Он сосредоточил свои усилия на разработке механизма(ов), с помощью которых эта всепроникающая жизнь может передаваться по Вселенной. В это время было недавно обнаружено, что солнечное излучение может оказывать давление, и, таким образом, силу, на материю. Таким образом, Аррениус пришел к выводу, что возможно, что очень маленькие организмы, такие как бактериальные споры, могут перемещаться из-за этого давления излучения . [19]
На этом этапе панспермия как теория уже имела потенциально жизнеспособный транспортный механизм, а также средство для переноса жизни с планеты на планету. Теория все еще подвергалась критике, в основном из-за сомнений относительно того, как долго споры фактически выживут в условиях их транспортировки с одной планеты через космос на другую. [25] Несмотря на все усилия, направленные на установление научной легитимности этой теории, ей все еще не хватало проверяемости; это было и остается серьезной проблемой, которую теории еще предстоит преодолеть.
Однако поддержка теории сохранилась, и Фред Хойл и Чандра Викрамасингхе использовали две причины, по которым внеземное происхождение жизни может быть предпочтительным. Во-первых, требуемые условия для возникновения жизни могли быть более благоприятными где-то за пределами Земли, а во-вторых, жизнь на Земле проявляет свойства, которые не объясняются предположением об эндогенном происхождении. [14] [20] Хойл изучил спектры межзвездной пыли и пришел к выводу, что космос содержит большое количество органики, которая, по его мнению, является строительным материалом для более сложных химических структур. [26] Что важно, Хойл утверждал, что эта химическая эволюция вряд ли могла иметь место на пребиотической Земле, и вместо этого наиболее вероятным кандидатом является комета. [14] Кроме того, Хойл и Викрамасингхе пришли к выводу, что эволюция жизни требует значительного увеличения генетической информации и разнообразия, что могло быть результатом притока вирусного материала из космоса через кометы. [20] Хойл сообщил (в лекции в Оксфорде 16 января 1978 года) о закономерности совпадения между возникновением крупных эпидемий и случаями близких сближений с кометами, что привело Хойла к предположению [27] , что эпидемии были прямым результатом выпадения материала с этих комет. [14] Это утверждение, в частности, подверглось критике со стороны биологов.
Начиная с 1970-х годов, новая эра планетарных исследований означала, что данные могут быть использованы для проверки панспермии и потенциального превращения ее из предположения в проверяемую теорию. Хотя это еще предстоит проверить, панспермия все еще изучается сегодня в некоторых математических обработках, [28] [16] [15] и, как показывает ее долгая история, привлекательность теории выдержала испытание временем.
Для панспермии необходимо:
Создание и распространение органических молекул из космоса теперь не вызывает сомнений; это известно как псевдопанспермия . Однако переход от органических материалов к жизни, возникшей из космоса, является гипотетическим и в настоящее время непроверяемым.
Бактериальные споры и семена растений являются двумя распространенными предполагаемыми сосудами для панспермии. Согласно теории, они могли быть заключены в метеорит и перенесены на другую планету с их происхождения, затем спуститься через атмосферу и заселить поверхность жизнью (см. литопанспермию ниже). Это, естественно, требует, чтобы эти споры и семена образовались где-то еще, возможно, даже в космосе, в случае того, как панспермия имеет дело с бактериями. Понимание теории формирования планет и метеоритов привело к идее, что некоторые каменистые тела, происходящие из недифференцированных родительских тел, могли бы создавать локальные условия, благоприятные для жизни. [15] Гипотетически, внутреннее нагревание от радиогенных изотопов могло бы растопить лед, чтобы обеспечить воду, а также энергию. Фактически, было обнаружено, что некоторые метеориты демонстрируют признаки водного изменения, которые могут указывать на то, что этот процесс имел место. [15] Учитывая, что в Солнечной системе обнаружено такое большое количество этих тел, можно утверждать, что каждое из них представляет собой потенциальное место для развития жизни. Столкновение в поясе астероидов может изменить орбиту одного из таких объектов и в конечном итоге привести его к Земле.
Семена растений могут быть альтернативным транспортным средством. Некоторые растения производят семена, устойчивые к условиям космоса, [8] которые, как было показано, находятся в состоянии покоя при экстремальном холоде, вакууме и устойчивы к коротковолновому УФ-излучению. [8] Обычно предполагается, что они возникли не в космосе, а на другой планете. Теоретически, даже если растение частично повреждено во время своего путешествия в космосе, его части все равно могут дать семена жизни в стерильной среде. [8] Стерильность среды важна, поскольку неясно, сможет ли новое растение превзойти существующие формы жизни. Эта идея основана на предыдущих доказательствах, показывающих, что клеточная реконструкция может происходить из цитоплазмы, высвобождаемой поврежденными водорослями. [8] Кроме того, растительные клетки содержат облигатные эндосимбионты , которые могут быть выпущены в новую среду.
Хотя семена растений и споры бактерий были предложены в качестве потенциально жизнеспособных транспортных средств, их способность не только выживать в космосе в течение необходимого времени, но и выдерживать вход в атмосферу является предметом споров.
Космические зонды могут быть жизнеспособным транспортным механизмом для межпланетного перекрестного опыления в пределах Солнечной системы. Космические агентства внедрили процедуры планетарной защиты , чтобы снизить риск планетарного загрязнения, [29] [30] но микроорганизмы, такие как Tersicoccus phoenicis, могут быть устойчивы к очистке сборки космического корабля . [5] [6]
Панспермия обычно подразделяется на два класса: либо перенос происходит между планетами одной системы (межпланетный), либо между звездными системами (межзвездный). Дальнейшие классификации основаны на различных предлагаемых механизмах переноса, как указано ниже.
В 1903 году Сванте Аррениус предложил радиопанспермию — теорию, согласно которой отдельные микроскопические формы жизни могут распространяться в космосе под действием давления излучения звезд. [31] Это механизм, посредством которого свет может оказывать воздействие на материю. Аррениус утверждал, что частицы критического размера ниже 1,5 мкм будут двигаться с высокой скоростью под действием давления излучения звезды. [19] Однако, поскольку его эффективность уменьшается с увеличением размера частицы, этот механизм применим только к очень маленьким частицам, таким как отдельные бактериальные споры .
Основная критика радиопанспермии исходила от Иосифа Шкловского и Карла Сагана , которые привели доказательства летального действия космической радиации ( УФ- и рентгеновских лучей ) в космосе. [32] Если достаточное количество этих микроорганизмов будет выброшено в космос, некоторые из них могут выпасть на планету в новой звездной системе после 10 6 лет блуждания в межзвездном пространстве. [ требуется цитата ] Из-за радиации и в целом враждебных условий космоса будет наблюдаться огромная смертность организмов, но, тем не менее, эта теория некоторыми считается потенциально жизнеспособной. [ требуется цитата ]
Данные, собранные в ходе орбитальных экспериментов ERA , BIOPAN , EXOSTACK и EXPOSE, показали, что изолированные споры, включая споры B. subtilis , быстро погибали, если подвергались воздействию полной космической среды всего в течение нескольких секунд, но если их экранировать от солнечного УФ-излучения , споры были способны выживать в космосе до шести лет, будучи залитыми глиной или метеоритным порошком (искусственными метеоритами). [33] Поэтому споры должны быть надежно защищены от УФ-излучения: воздействие солнечного УФ-излучения и космической ионизирующей радиации на незащищенную ДНК расщепит ее на составляющие ее основания. [34] Для эффективной защиты устойчивых микроорганизмов, таких как бактериальные споры, от галактического космического излучения требуются камни диаметром не менее 1 метра . [35] Кроме того, воздействие сверхвысокого вакуума космоса само по себе достаточно, чтобы вызвать повреждение ДНК , поэтому транспортировка незащищенной ДНК или РНК во время межпланетных полетов, приводимых в движение исключительно давлением света , крайне маловероятна. [36]
Возможность других средств транспортировки более массивных экранированных спор во внешнюю часть Солнечной системы, например, посредством гравитационного захвата кометами, неизвестна. Существует мало доказательств в поддержку гипотезы радиопанспермии.
Этот транспортный механизм, как правило, возник после открытия экзопланет и внезапного появления данных после роста планетарной науки. [18] Литопанспермия — это предполагаемый перенос организмов в горных породах с одной планеты на другую через планетарные объекты, такие как кометы или астероиды , и остается спекулятивным. Вариантом может быть перемещение организмов между звездными системами на кочевых экзопланетах или экзолунах. [37]
Хотя нет никаких конкретных доказательств того, что литопанспермия имела место в Солнечной системе, различные ее стадии стали поддаваться экспериментальной проверке. [38]
Литопанспермия, описанная вышеприведенным механизмом, может существовать как межпланетная, так и межзвездная. Можно количественно оценить модели панспермии и рассматривать их как жизнеспособные математические теории. Например, недавнее исследование планет планетной системы Trappist-1 представляет собой модель для оценки вероятности межпланетной панспермии, похожую на исследования, проведенные в прошлом в отношении панспермии Земля-Марс. [16] Это исследование показало, что литопанспермия «на порядки более вероятна» [16] в системе Trappist-1, в отличие от сценария Земля-Марс. Согласно их анализу, увеличение вероятности литопанспермии связано с увеличением вероятности абиогенеза среди планет Trappist-1. В некотором смысле эти современные методы лечения пытаются сохранить панспермию как фактор, способствующий абиогенезу, в отличие от теории, которая прямо ей противоречит. В соответствии с этим предполагается, что если биосигнатуры могут быть обнаружены на двух (или более) соседних планетах, это предоставит доказательства того, что панспермия является потенциально необходимым механизмом для абиогенеза. Пока что такое открытие не было сделано.
Литопанспермия также была выдвинута гипотезой о том, что она действует между звездными системами. Один математический анализ, оценивающий общее количество каменистых или ледяных объектов, которые потенциально могут быть захвачены планетными системами в пределах Млечного Пути , пришел к выводу, что литопанспермия не обязательно связана с одной звездной системой. [28] Это не только требует, чтобы эти объекты изначально имели жизнь, но и чтобы она пережила путешествие. Таким образом, внутригалактическая литопанспермия сильно зависит от продолжительности жизни организмов, а также от скорости транспортера. Опять же, нет никаких доказательств того, что такой процесс произошел или может произойти.
Сложная природа требований для литопанспермии, а также доказательства против долголетия бактерий, способных выживать в этих условиях, [25] делают литопанспермию сложной теорией для поддержки. При этом, события соударения действительно происходили много раз на ранних стадиях формирования солнечной системы, и все еще происходят в определенной степени сегодня в поясе астероидов. [46]
Впервые предложенная в 1972 году лауреатом Нобелевской премии Фрэнсисом Криком вместе с Лесли Оргелом , направленная панспермия — это теория о том, что жизнь была преднамеренно занесена на Землю высшим разумным существом с другой планеты. [47] В свете имеющихся на тот момент доказательств того, что маловероятно, что организм был доставлен на Землю посредством радиопанспермии или литопанспермии, Крик и Оргел предложили это в качестве альтернативной теории, хотя стоит отметить, что Оргел был менее серьезен в этом утверждении. [48] Они признают, что научных доказательств не хватает, но обсуждают, какие виды доказательств потребуются для поддержки теории. В том же духе Томас Голд предположил, что жизнь на Земле могла возникнуть случайно из кучи «космического мусора», сброшенного на Землю давным-давно внеземными существами. [49] Эти теории часто считаются скорее научной фантастикой, однако Крик и Оргел используют принцип космической обратимости, чтобы аргументировать ее.
Этот принцип основан на том факте, что если наш вид способен заразить стерильную планету, то что мешает другому технологическому обществу сделать это с Землей в прошлом? [47] Они пришли к выводу, что в обозримом будущем можно будет намеренно заразить другую планету. Что касается доказательств, Крик и Орджел утверждали, что, учитывая универсальность генетического кода, следует, что инфекционная теория жизни жизнеспособна. [47]
Направленную панспермию можно было бы, в теории, продемонстрировать, обнаружив отличительное «сигнатурное» сообщение, намеренно имплантированное либо в геном , либо в генетический код первых микроорганизмов нашим гипотетическим предком около 4 миллиардов лет назад. [50] Однако не существует известного механизма, который мог бы помешать мутации и естественному отбору удалить такое сообщение в течение длительных периодов времени. [51]
В 1972 году разные эксперты рассматривали как жизнеспособные теории как абиогенез, так и панспермию. [18] Учитывая это, Крик и Орджел утверждали, что экспериментальных доказательств, необходимых для подтверждения превосходства одной теории над другой, не хватало. [47] При этом, на сегодняшний день существуют убедительные доказательства в пользу абиогенеза над панспермией [ необходима ссылка ] , тогда как доказательства в пользу панспермии, особенно направленной панспермии, решительно отсутствуют.
Псевдопанспермия — это хорошо обоснованная гипотеза о том, что многие из небольших органических молекул, используемых для жизни , возникли в космосе и были распространены на поверхности планет . Затем жизнь возникла на Земле и, возможно, на других планетах в результате процессов абиогенеза . [52] [53] Доказательства псевдопанспермии включают открытие органических соединений, таких как сахара, аминокислоты и азотистые основания, в метеоритах и других внеземных телах, [54] [55] [56] [57] [58] и образование подобных соединений в лабораторных условиях в условиях открытого космоса. [59] [60] [61] [62] В качестве примера была исследована пребиотическая полиэфирная система. [63] [64]
14 мая 1864 года двадцать фрагментов метеорита упали на французский город Оргейль. В 1965 году был обнаружен отдельный фрагмент метеорита Оргейль (хранившийся в запечатанной стеклянной банке с момента его открытия), в котором была заложена семенная капсула, в то время как первоначальный стекловидный слой снаружи остался нетронутым. Несмотря на большое первоначальное волнение, было обнаружено, что семя принадлежало европейскому Juncaceae или камышовому растению, которое было вклеено в фрагмент и замаскировано с помощью угольной пыли . [8] Внешний «слой слияния» на самом деле был клеем. Хотя виновник этой мистификации неизвестен, считается, что они пытались повлиять на дебаты 19-го века о спонтанном зарождении — а не панспермии — продемонстрировав преобразование неорганической материи в биологическую. [65]
В 2017 году телескоп Pan-STARRS на Гавайях обнаружил красноватый объект длиной до 400 метров. Анализ его орбиты предоставил доказательства того, что это был межзвездный объект, возникший за пределами нашей Солнечной системы. [66] Исходя из этого, Ави Леб предположил, что объект был артефактом инопланетной цивилизации и потенциально мог быть доказательством направленной панспермии. [67] Это утверждение было сочтено маловероятным другими авторами. [68]
Хотя они были частью научного сообщества — Хойл в Кембридже и Викрамасингхе в Уэльском университете — их взгляды на эту тему были далеки от общепринятых, и панспермия остается маргинальной теорией.
[...] лекция в духе тех диких старых сессий в RAS, лекция, с которой большинство из вас в этой аудитории, скорее всего, не согласится.