Найти в Дзене
Физика и другое
2 подписчика

Небелковые Формы Жизни: Глубокий Анализ За Пределами Земных Стереотипов

35 мин
Поиск определения «жизни» является одним из самых долгосрочных и сложных научных начинаний, особенно при рассмотрении обширности космоса и потенциала разнообразных биохимических систем. Наше понимание по своей сути предвзято из-за единственного известного нам примера: земной, углеродно-водно-белковой жизни. Критический анализ, свободный от стереотипов, требует выхода за рамки этих обычных представлений. Определение жизни долгое время оставалось вызовом как для ученых, так и для философов, отчасти потому, что жизнь — это процесс, а не субстанция.1 Существует по меньшей мере 123 собранных определения, что подчеркивает отсутствие консенсуса в этой области.1 Обыденные представления о жизни часто ограничиваются животными и растениями, фокусируясь на таких характеристиках, как рост, размножение, самоподдержание и реакция на внешние стимулы.3 Однако эти определения могут быть как слишком широкими, включая, например, автомобили из-за их способности к «метаболизму» (поглощению топлива и выделе
Оглавление

docs.google.com
Небелковые формы жизни: анализ.

1. Введение: Неуловимое Определение Жизни

Поиск определения «жизни» является одним из самых долгосрочных и сложных научных начинаний, особенно при рассмотрении обширности космоса и потенциала разнообразных биохимических систем. Наше понимание по своей сути предвзято из-за единственного известного нам примера: земной, углеродно-водно-белковой жизни. Критический анализ, свободный от стереотипов, требует выхода за рамки этих обычных представлений.

Задача Универсального Определения Жизни

Определение жизни долгое время оставалось вызовом как для ученых, так и для философов, отчасти потому, что жизнь — это процесс, а не субстанция.1 Существует по меньшей мере 123 собранных определения, что подчеркивает отсутствие консенсуса в этой области.1 Обыденные представления о жизни часто ограничиваются животными и растениями, фокусируясь на таких характеристиках, как рост, размножение, самоподдержание и реакция на внешние стимулы.3 Однако эти определения могут быть как слишком широкими, включая, например, автомобили из-за их способности к «метаболизму» (поглощению топлива и выделению выхлопных газов), так и слишком узкими, исключая, например, спящие семена, вирусы или прионы, которые не проявляют всех этих свойств постоянно.3

В астробиологии существует так называемая «проблема N=1»: жизнь на Земле является единственным известным примером, что затрудняет обобщение характеристик для поиска жизни в других местах Вселенной.4 Это приводит к «углеродному шовинизму» и «водному шовинизму» — предположениям, что жизнь должна быть основана на углероде и воде, как на Земле.5 Если жизнь рассматривается прежде всего как динамический процесс, а не как статическая совокупность веществ, то конкретные молекулярные компоненты, такие как белки, становятся второстепенными. Это открывает возможности для небелковых форм жизни, при условии, что фундаментальные процессы поддерживаются с помощью других химических или физических средств. Задача состоит в том, чтобы определить универсальные

процессы жизни, а не универсальные ингредиенты.

Обзор Традиционных, Термодинамических и Астробиологических Определений

Традиционные биологические и физиологические определения жизни сосредоточены на таких характеристиках, как метаболизм, рост, размножение и эволюция.2 Согласно этим определениям, вся известная жизнь на Земле является клеточной.3

С термодинамической точки зрения, организм описывается как термодинамическая система с организованной молекулярной структурой, способная воспроизводить себя и эволюционировать по мере необходимости для выживания.1 Термодинамически жизнь рассматривается как открытая система, которая использует градиенты в окружающей среде для создания несовершенных копий самой себя.8 Эрвин Шрёдингер в своей работе «Что такое жизнь?» исследовал, как организмы поддерживают порядок вопреки Второму закону термодинамики, «постоянно высасывая упорядоченность из окружающей среды».10

Астробиологическое определение, принятое НАСА, гласит: «Жизнь — это самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции».1 Это определение подчеркивает химическую сущность жизни, включающую молекулярные виды, которые подвергаются химическим превращениям (метаболизму) под управлением наследуемых молекул (ферментов-катализаторов), при этом наследственная информация также переносится молекулами.11 Оно также подразумевает использование элементов CHNOPS (углерод, водород, азот, кислород, фосфор, сера) и взаимодействие с водой, а также эволюцию через случайные вариации и естественный отбор.11 Цель этого определения — быть достаточно широким, чтобы охватить «жизнь, какой мы ее не знаем».2

Системные определения утверждают, что живые существа являются самоорганизующимися и аутопоэтическими (самопроизводящимися).1 Аутопоэзис относится к системе, способной производить и поддерживать себя, создавая свои собственные части; она организационно замкнута, но открыта для обмена материей и энергией с окружающей средой.12

Понимание того, как определяется жизнь, напрямую влияет на стратегии поиска внеземной жизни. «Проблема N=1» означает, что наш поиск по своей сути ограничен нашим пониманием земной жизни. Чтобы обнаружить «жизнь, какой мы ее не знаем», необходимы определения, абстрагирующиеся от конкретных биохимических систем и сосредоточенные на фундаментальных принципах, таких как самоорганизация, рассеивание энергии и эволюция, которые могут проявляться небелковыми способами. Это требует перехода от поиска специфических «биосигнатур» (конкретных молекул) к «агностическим биосигнатурам» (паттернам неравновесия).14

Таблица 1: Сравнительные Определения Жизни

Определение Жизни

Основные Критерии

Ключевые Ограничения/Исключения

Актуальность для Небелковой Жизни

Традиционное Биологическое/Физиологическое

Метаболизм, рост, размножение, реакция на стимулы, клеточная структура.

Исключает вирусы, вироиды, прионы, спящие семена; может включать неживые системы (например, автомобили).

Ограничено, поскольку жестко привязано к клеточной и белковой структуре.

Термодинамическое

Открытая система, которая использует градиенты для создания несовершенных копий себя, временно преодолевая энтропию.

Может включать кристаллы, огонь, которые не считаются живыми в биологическом смысле.

Более широкое, фокусируется на процессе, а не на веществе; потенциально применимо к небелковым системам, поддерживающим порядок.

Астробиологическое (НАСА)

Самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции.

Может исключать отдельные бесполые организмы; сильно ориентировано на углеродно-водную химию Земли.

Стремится быть достаточно широким, чтобы охватить «жизнь, какой мы ее не знаем», но все еще предполагает химическую основу.

Системное (Аутопоэзис)

Самоорганизация, самопроизводство (создание собственных частей), организационная замкнутость, открытость для обмена материей/энергией.

Может быть слишком абстрактным; критики указывают на недостаточное внимание к внешним факторам.

Очень актуально, так как фокусируется на динамических процессах и поддержании идентичности, независимо от конкретного химического состава.

2. Деконструкция Молекулярных Основ Жизни: За Пределами Белков

Хотя жизнь на Земле в своей функциональной машинерии подавляюще ориентирована на белки, научные исследования происхождения жизни (абиогенеза) и теоретическая биология изучают сценарии, при которых жизнь могла бы существовать или существовала бы без белков, играющих их нынешнюю доминирующую роль. Эти гипотезы предлагают убедительные рамки для небелковой жизни.

Гипотеза РНК-мира: До-белковая Эра

Гипотеза РНК-мира предполагает, что ранняя жизнь на Земле прошла через примитивную фазу, когда молекулы РНК служили как генетическим материалом (подобно ДНК), так и ферментами (катализаторами, подобно белкам).15 Рибозимы, молекулы РНК с каталитической активностью, служат экспериментальным подтверждением этой гипотезы, способствуя фундаментальным реакциям, участвующим в синтезе белков и обработке РНК.17 Рибопереключатели, полностью основанные на РНК, могут ощущать метаболиты и реагировать на них, управляя сложными метаболическими процессами до появления белков.17 РНК в рибосомах, клеточных машинах для сборки белков, эволюционировала задолго до рибосомальных белков, что указывает на раннюю каталитическую функцию, основанную на РНК.19 Переход от систем, основанных только на РНК, к белковым формам жизни, вероятно, произошел по мере того, как РНК-опосредованные метаболические процессы стали достаточно сложными для производства механизмов синтеза ДНК и белков.17 Белки, с их 20 универсальными боковыми цепями аминокислот и стабильным сворачиванием, предлагают превосходные каталитические возможности по сравнению с РНК.20

Эти концепции показывают, что основные функции жизни — катализ, хранение информации, самовоспроизведение — могли быть выполнены молекулами, отличными от белков, или химическими сетями, еще до эволюции белковых механизмов, которые мы видим сегодня. Белки описываются как «главные действующие лица» в современных клетках 21, что подразумевает их более позднее, более эффективное эволюционное появление. Это означает, что фундаментальные характеристики жизни — самоорганизация, метаболизм, воспроизведение и эволюция — не обязательно привязаны к белкам. Ранние небелковые формы жизни на Земле (например, на основе РНК) или гипотетическая внеземная жизнь могли бы соответствовать этим критериям с помощью различных химических средств, при условии, что система достигает «автокаталитического отбора» 22 и способна к распространению.

Гипотезы «Метаболизм-первым»: Самоподдерживающиеся Химические Реакции

Эта альтернативная точка зрения к гипотезе «гены-первыми» (РНК-мира) предполагает, что жизнь возникла сначала через ряд самоподдерживающихся химических реакций, образующих «метаболическую подсистему».15 Эти повторяющиеся, автокаталитические реакции, при которых продукты реакции катализируют ту же реакцию, могли быть необходимы для происхождения жизни, приводя к таким характеристикам, как клеточный метаболизм и размножение.24 Исследователи выявили многочисленные комбинации молекул в периодической таблице, которые могли бы поддерживать автокатализ в различных планетарных условиях.25

Аутокаталитические Наборы и Циклы: Основа Самопроизводства

Аутокаталитический набор — это совокупность сущностей, каждая из которых может быть каталитически создана другими сущностями внутри набора, так что набор в целом способен катализировать свое собственное производство.26 Эта концепция считается фундаментальным механизмом для сложной эволюции и центральной для моделей абиогенеза, предполагая, что жизнь возникла не из одной самовоспроизводящейся молекулы, а из развивающегося автокаталитического набора.14 Современная жизнь демонстрирует черты автокаталитического набора, где ни одна конкретная молекула, ни какой-либо класс молекул не способны воспроизводиться независимо.26 Аутопоэтические системы, которые самопроизводятся и самоподдерживаются посредством внутренних процессов 12, неразрывно связаны с автокатализом. Они организационно замкнуты, но открыты для обмена материей и энергией.12

Абиогенез описывается как «процесс возрастающей сложности», включающий молекулярное самовоспроизведение, самосборку и автокатализ, а не как единичное событие.15 Концепция «пред-жизни» 28 и «серости происхождения жизни» 23 указывают на континуум. Аутокаталитические наборы обеспечивают механизм, позволяющий небольшому метаболизму воспроизводиться с «очень низкой степенью организации».27 Граница между неживыми химическими системами и ранней жизнью размыта. Небелковые системы, особенно автокаталитические химические циклы, могут представлять собой промежуточные стадии или даже полностью развитые формы жизни в рамках более широкого определения. Это ставит под сомнение традиционную бинарную классификацию живого/неживого и поддерживает идею «прото-жизни» или «минимальной жизни», которая может существовать сегодня в небелковых формах.

3. Гипотетические Биохимические Системы: Расширение Элементного и Растворяющего Пространства

Выход за рамки земной парадигмы углерод-вода-белок имеет решающее значение для «свободного от стереотипов» анализа небелковой жизни. Астробиология активно исследует альтернативные химические основы и жидкие среды, которые могли бы поддерживать жизнь в разнообразных космических условиях.

Жизнь на Неуглеродной Основе

Жизнь на основе кремния: Впервые предложена в 1891 году.32 Кремний имеет химическое сходство с углеродом, находясь в той же группе периодической таблицы и будучи способным образовывать четыре связи.6 Это второй по распространенности элемент в земной коре (после кислорода).32

Однако у кремния есть несколько существенных недостатков в качестве альтернативы углероду. Молекулы на основе кремния, как правило, менее стабильны и более реактивны, чем их углеродные аналоги.6 Кремний образует очень прочные связи с кислородом (например, SiO2, песок), который является твердым веществом, в отличие от газообразного CO2.6 Соединения кремния в целом нестабильны в присутствии воды.6 Длинноцепочечные силаны быстро разлагаются.6 Кроме того, углерод в десять раз более распространен в космосе, чем кремний.6

Несмотря на эти ограничения, кремний может иметь преимущество в условиях интенсивного тепла.35 Слабые связи в кремниевых соединениях могли бы поддерживать быстрый темп жизни при криогенных температурах, при этом полисиланолы (кремниевые гомологи сахаров) растворимы в жидком азоте.6 Гипотетическая жизнь на основе кремния часто изображается как нечто, напоминающее камни или магму.39

Другие элементы-кандидаты:

  • Бор: Может образовывать полиэдрические кластеры, потенциально более универсальные, чем углерод, но чистый бор очень реактивен (взрывоопасен).34 Молекулы на основе бора могут обладать уникальными биохимическими характеристиками.40
  • Мышьяк: Предложен как альтернатива фосфору в генетическом материале, хотя это спекулятивно.40
  • Сера: Жизнь на основе серы могла бы использовать соединения серы для дыхания, как это наблюдается у экстремофилов вблизи глубоководных гидротермальных источников на Земле.40
  • Азот и фосфор: Могут образовывать сложные молекулы, но менее универсальны по сравнению с углеродом.37
  • Германий и металлы: Германий (как и кремний) может образовывать четыре связи.35 Оксиды металлов были предложены в качестве основы для жизни в условиях высоких температур, хотя металлы менее распространены.38

Альтернативные Растворители

Вода считается наиболее подходящим растворителем для жизни благодаря своим уникальным химическим свойствам, широкому диапазону жидкого состояния и космической распространенности.35 Однако астробиология исследует и другие возможности.6

  • Жидкий метан: Возможный растворитель на холодных планетах, таких как Титан, где он образует озера и моря.5
  • Жидкий аммиак: Высокополярный, обладает свойствами, схожими с водой, и широко распространен (водород и азот).6 Может поддерживать жизнь в холодных условиях.35
  • Сероводород (H2S): Правдоподобная альтернатива воде, учитывая схожие свойства и распространенность.41
  • Фтороводород (HF): Также предложен в качестве растворителя.6
  • Серная кислота: Считается протонирующим растворителем, который удовлетворяет химическим требованиям для жизни и, вероятно, обилен на некоторых каменистых планетах.44
  • Жидкий CO2: Выделяется как планетарный растворитель среди непротонирующих растворителей, и его потенциал для жизни должен быть исследован.44

Альтернативные растворители требуют специфических диапазонов температур и давлений для сохранения жидкого состояния.6 Низкие температуры в средах с аммиаком/метаном могут замедлять метаболизм.35

Концепция «зоны Златовласки» (обитаемой зоны) для жизни обычно определяется наличием жидкой воды.43 Однако, если другие растворители жизнеспособны, то «зона Златовласки» для данной планеты может расширяться или сужаться в зависимости от химических свойств этого альтернативного растворителя.43 Например, точки кипения варьируются в зависимости от давления, что влияет на диапазон жидкого состояния потенциальных растворителей.6 Это коренным образом меняет определение обитаемости планет. Поиск жизни не должен ограничиваться богатыми водой средами, а скорее должен быть направлен на любые среды, которые могут поддерживать стабильную жидкую среду для химических реакций, независимо от ее состава. Это напрямую бросает вызов «водному шовинизму» 6 и расширяет потенциал для небелковых, безводных форм жизни во Вселенной.

Универсальность углерода (способность образовывать длинные, стабильные, сложные цепи и кольца) подчеркивается как его основное преимущество.6 Кремний, хотя и схож, образует менее стабильные связи (за исключением связей с кислородом/фтором) и реактивен с водой.6 Выбор элемента и растворителя — это компромисс между химической сложностью, стабильностью и условиями окружающей среды.37 Например, нестабильность кремния в кислородсодержащих, богатых водой средах (как на Земле) делает его менее подходящим здесь, но он может процветать в других условиях.6 «Лучшая» биохимия зависит от контекста. Формы жизни, основанные на альтернативных элементах или растворителях, вероятно, будут адаптированы к совершенно иным планетарным условиям, чем на Земле. Это предполагает, что небелковая жизнь, если она существует, будет не просто «заменителем» земной химии, а скорее принципиально иным проявлением, сформированным ее уникальной средой. Это подчеркивает необходимость «агностических биосигнатур» 14, которые не предполагают земную химию.

Таблица 2: Гипотетические Альтернативные Биохимические Системы

Основной Строительный Элемент

Ключевые Химические Свойства

Потенциальные Альтернативные Растворители

Предполагаемые Условия Среды

Преимущества/Недостатки для Жизни

Углерод

4 стабильные ковалентные связи, длинные цепи, кольца, разнообразие соединений.

Вода, жидкий метан, жидкий аммиак, сероводород, фтороводород, серная кислота, жидкий CO2.

Широкий диапазон температур и давлений, водные или неводные среды.

Преимущества: Высокая универсальность, стабильность, обилие в космосе. Недостатки: Требует специфических условий для жидкой воды.

Кремний

4 связи, схож с углеродом, обилие в коре планет.

Жидкий азот (для полисиланолов).

Высокие температуры, криогенные температуры, отсутствие воды и кислорода.

Преимущества: Возможен в экстремальных температурах. Недостатки: Менее стабилен, реактивен с водой, образует твердые оксиды, менее универсален, чем углерод.

Бор

Образует полиэдрические кластеры.

(Теоретически) различные.

(Теоретически) различные.

Преимущества: Потенциально высокая универсальность. Недостатки: Чистый бор очень реактивен.

Сера

Может использоваться для дыхания.

(Теоретически) различные.

Гидротермальные источники, анаэробные среды.

Преимущества: Подходит для экстремальных анаэробных сред. Недостатки: Менее универсальна, чем углерод.

Мышьяк

(Теоретически) замена фосфору в генетическом материале.

(Теоретически) различные.

(Теоретически) различные.

Преимущества: Расширяет элементарные возможности. Недостатки: Высокая токсичность для земной жизни, спекулятивно.

Азот/Фосфор

Образуют сложные молекулы.

(Теоретически) различные.

(Теоретически) различные.

Преимущества: Расширяют элементарные возможности. Недостатки: Менее универсальны, чем углерод.

Германий

4 связи, схож с углеродом.

(Теоретически) различные.

(Теоретически) различные.

Преимущества: Схож с углеродом. Недостатки: Менее распространен, чем углерод.

Металлы

Металлооксиды как основа.

(Теоретически) различные.

Высокие температуры.

Преимущества: Возможны в условиях высоких температур. Недостатки: Менее распространены, чем углерод.

4. Расширяя Границы: Земные Аномалии и Космические Спекуляции

Помимо теоретических биохимических систем, некоторые явления на Земле и в космосе уже ставят под сомнение наши обычные определения жизни, проявляя некоторые, но не все характеристики, обычно связанные с живыми организмами. Эти «пограничные» случаи и самоорганизующиеся системы предлагают ощутимые представления о том, что могут представлять собой небелковые формы жизни или жизнеподобные процессы.

Жизнь на Краю: Вирусы, Вироиды и Прионы

Эти сущности являются ацеллюлярными частицами, то есть они не состоят из клеток.48 Они не преобразуют энергию (не метаболизируют), не растут и не делятся самостоятельно.48

  • Вирусы: Обладают генетическим материалом (ДНК или РНК) и эволюционируют путем естественного отбора.1 Они размножаются, создавая множество копий самих себя путем самосборки, но
    только внутри клеток-хозяев, «захватывая» метаболический аппарат хозяина.1 Их иногда описывают как «организмы на краю жизни».1
  • Вироиды: Меньше вирусов, состоят из «голых» молекул РНК (без белкового капсида), которые заражают растения. Они не имеют белков, но влияют на способность растения производить необходимые белки.48 Они реплицируются внутри клеток-хозяев.49
  • Прионы: Инфекционные белковые частицы, не содержащие нуклеиновых кислот (ДНК или РНК).3 Они «размножаются» путем шаблонного неправильного сворачивания, заставляя нормальные белки принимать их аномальную форму.48 Они демонстрируют наследуемые фенотипические различия (эволюционируют) и могут передаваться между особями и даже видами.50 Прионы вызывают смертельные нейродегенеративные заболевания.48 Их происхождение обсуждается, некоторые исследователи предполагают, что они являются остатками древней донуклеиновой жизни.50

Вопрос о том, являются ли эти сущности «живыми», остается спорным. Аргументы «за»: они размножаются, эволюционируют и оказывают значительное влияние на жизнь.49 Аргументы «против»: зависимость от хозяина, отсутствие независимого метаболизма, отсутствие клеточной структуры.48 Их часто называют «зомби микроскопического мира».49

Вирусы, вироиды и прионы демонстрируют континуум жизнеподобных свойств. Прионы, в частности, поразительны как исключительно белковые инфекционные агенты, которые самовоспроизводятся и эволюционируют.50 Хотя им не хватает метаболизма, их способность к «размножению» и эволюции ставит под сомнение необходимость нуклеиновых кислот и полного клеточного аппарата для

некоторых фундаментальных жизнеподобных процессов. Это наводит на мысль, что «жизнь» может быть не бинарным состоянием, а скорее спектром сложности и автономности. Небелковые сущности, такие как прионы, хотя и не являются «живыми» в полном биологическом смысле, проявляют основные характеристики жизни (репликация, эволюция) посредством исключительно белковых механизмов. Это открывает концептуальную дверь для небелковых форм жизни, которые могут существовать в более простых, рудиментарных состояниях или зависеть от механизмов хозяина для выполнения таких функций, как метаболизм, подобно тому, как ранняя жизнь могла зависеть от градиентов окружающей среды.15

Самоорганизующиеся Системы в Небиологических Контекстах

Самоорганизация — это процесс, при котором общий порядок возникает из локальных взаимодействий в изначально неупорядоченной системе, часто запускаемый флуктуациями и усиливаемый обратной связью.51 Для преодоления энтропии требуется ввод энергии.51

  • Кристаллы: Кристаллы растут, автоматически располагая атомы на своей границе.52 В частности, наблюдалось, как глиняные кристаллы самовоспроизводят неровности, что является формой естественного самовоспроизведения, не основанного на ДНК или РНК.52
  • Плазменные кристаллы: В симуляциях космическая пыль в плазме может образовывать спиралевидные плазменные кристаллы, которые демонстрируют способность к самоорганизации, размножаются путем деления на идентичные спирали и показывают «следы памяти».47 Предполагается, что они существуют в кольцах планет 47 и были засняты, демонстрируя поведение, схожее с многоклеточными организмами в термосфере Земли, включая «хищническое» поведение, ускорение и изменение траекторий.29 Они считаются небиологическими, но потенциально «формой пред-жизни», которая может привести к синтезу РНК.28
  • Другие примеры: Самоорганизующаяся сложность наблюдается в турбулентности жидкостей, химических колебаниях, дренажных сетях и даже в экономических временных рядах.51 Исследователи также работают над созданием синтетических, абиотических самовоспроизводящихся материалов с такими возможностями, как самовосстановление, адаптация и рост.54

Это наводит на мысль, что самоорганизация, движимая энергетическими градиентами 51, может быть универсальным принципом, лежащим в основе возникновения сложности, потенциально приводящим к разнообразным формам жизни, включая небелковые. Плазменные кристаллы, например, могут представлять собой форму «пред-жизни» 28, которая в других условиях может эволюционировать в более сложную небелковую жизнь. Это расширяет поиск жизни за пределы химических реакций, включая физические явления, которые демонстрируют жизнеподобную динамику.

Жизнь в Экстремальных Космических Средах

Экстремофилы на Земле: Организмы, которые процветают в экстремальных условиях (жара, холод, давление, кислотность, радиация).37 Они расширяют границы известной жизни и стимулируют спекуляции о внеземной жизни.42 Хотя они основаны на белках, их адаптации показывают, что жизнь может существовать в условиях, далеких от «нормальных» земных поверхностных сред.

Гипотетическая жизнь в атмосферах газовых гигантов: Карл Саган и Эд Солпитер предполагали существование воздушных, плавающих форм жизни в нижних слоях атмосферы Юпитера, похожих на «маленькие газовые мешки».56 Хотя существуют проблемы (например, плавучесть в водородно-гелиевых атмосферах, экстремальные восходящие и нисходящие потоки, отсутствие жидкой среды для биохимии) 56, это считается «не невозможным» для простой микробной жизни.57 Недавнее обнаружение диметилсульфида (ДМС) на экзопланете K2-18b, газа, который на Земле в основном производится живыми организмами, породило надежду на существование гицеанских миров (богатых водой, с водородной атмосферой).59

Таблица 3: «Пограничные» Формы Жизни и Самоорганизующиеся Системы

Система/Явление

Генетический Материал

Клеточная Структура

Метаболизм

Размножение

Эволюция

Самоорганизация

Соответствует Традиционным Критериям Жизни

Актуальность для Небелковой Жизни

Вирус

ДНК или РНК 48

Нет 48

Нет (зависит от хозяина) 48

Да (внутри хозяина) 48

Да 1

Да (самосборка) 1

Частично 49

Пример «жизни на краю», зависящей от белков хозяина, но не имеющей своих.

Вироид

РНК 48

Нет 48

Нет (зависит от хозяина) 48

Да (внутри хозяина) 49

Да (изменения в растениях) 49

Нет данных

Частично 49

Небелковая, РНК-основа, демонстрирует репликацию и влияние на функции хозяина.

Прион

Нет 48

Нет 48

Нет 48

Да (шаблонное неправильное сворачивание) 50

Да (штаммы) 50

Да (самосборка) 48

Нет 49

Белковая, но без нуклеиновых кислот, демонстрирует репликацию и эволюцию, оспаривая традиционные определения.

Плазменный Кристалл

Нет

Нет

Нет (питается ЭМ-излучением) 29

Да (деление) 47

Да (следы памяти, эволюция неровностей) 47

Да 47

Нет

Физическое явление, демонстрирующее жизнеподобные свойства (самоорганизация, воспроизведение), потенциальная «пред-жизнь».

Глиняный Кристалл

Нет

Нет

Нет

Да (размножение неровностей) 52

Да (распространение неровностей) 52

Да 52

Нет

Небиологическая форма самовоспроизведения, не основанная на ДНК/РНК.

5. Последствия для Астробиологии и Поиска «Жизни, Какой Мы Ее Не Знаем»

Исследование небелковых форм жизни имеет глубокие последствия для астробиологии, требуя фундаментального сдвига в том, как мы определяем и ищем внеземную жизнь. Преодоление «углеродно-водного шовинизма» имеет первостепенное значение.

Необходимость Широких Стратегий Обнаружения Биосигнатур

Нынешние усилия по обнаружению жизни часто основаны на земных предположениях о биохимии и материальных следах, которые оставляет жизнь.2 Чтобы обнаружить «жизнь, какой мы ее не знаем», необходимы «агностические биосигнатуры» — индикаторы, которые, вероятно, будут производиться любой системой с каким-либо метаболизмом, такие как устойчивые химические неравновесия или сезонность химического состава.14 Это требует новых методов обнаружения и инструментов, способных улавливать более широкий спектр органических или неорганических соединений, указывающих на биологическую активность в различных биохимических контекстах.37 Примером может служить анализ атмосфер экзопланет на наличие неожиданных газов, таких как диметилсульфид (ДМС), который на Земле в основном является биогенным, даже если планета сильно отличается от Земли.59

Философский и Научный Сдвиг, Необходимый для Признания Истинно Чужой Жизни

«Проблема N=1» подчеркивает ограничения нашей земной предвзятости, что затрудняет создание лабораторных аналогов внеземных сред и их стрессовых факторов.4 Дебаты об определении жизни не просто академические; они имеют практические последствия для того, как мы ищем и распознаем жизнь за пределами Земли.37 Признание истинно чужих форм жизни может потребовать открытости к сущностям, состоящим из газов, твердых тел или плазмы, которые мы изначально можем не распознать как живые.5 Задача состоит в том, чтобы выйти за рамки редукционистских концепций, сосредоточенных на конкретных компонентах, и вместо этого принять системные взгляды, такие как аутопоэзис, которые могут быть применены к различным субстратам.60

Трудность определения жизни 1 и ограничения земных определений 4 подталкивают научные исследования к выявлению более фундаментальных, универсальных принципов. Такие концепции, как самоорганизация 51, автокатализ 25 и рассеивание энергии 8 неоднократно упоминаются как основные для жизни, независимо от конкретной химии. Предложение Хазена о возрастающей сложности с течением времени, даже в неживых системах, и идея «функциональной информации» 62 указывают на более широкую эволюционную динамику. Поиск небелковой жизни (и внеземной жизни в целом) становится менее сосредоточенным на поиске точных химических аналогов земной жизни и более — на обнаружении универсальных паттернов сложных, адаптивных, самоподдерживающихся систем, находящихся далеко от термодинамического равновесия. Этот сдвиг парадигмы позволяет распознавать формы жизни, которые могут не иметь никакого молекулярного сходства с земной жизнью, но при этом проявляют динамические процессы, характерные для живых систем.

Развитие новых теоретических концепций жизни (например, альтернативных биохимических систем, аутопоэзиса в небиологических системах) напрямую влияет на разработку новых методов обнаружения.37 И наоборот, новые наблюдения, такие как обнаружение ДМС на K2-18b 59, ставят под сомнение существующие предположения и расширяют теоретические границы. «Философская перспектива» является неотъемлемой частью основных вопросов астробиологии.60 Поиск небелковой жизни — это динамичный, итеративный процесс, в котором философские исследования, теоретическое моделирование и технологические достижения взаимно информируют и уточняют друг друга. Способность распознать небелковую жизнь зависит не только от ее обнаружения, но и от наличия концептуальных инструментов для интерпретации того, что мы находим, как «жизни», даже если она противоречит нашим нынешним «стереотипам». Это подчеркивает междисциплинарный характер астробиологии и необходимость постоянной переоценки наших основополагающих концепций.

6. Заключение: Переопределение Жизни в Обширной Вселенной

Традиционное, белково-центричное представление о жизни, хотя и точное для биосферы Земли, является узкой линзой, через которую мы исследуем Вселенную. Глубокий, критический и свободный от стереотипов анализ выявляет убедительные аргументы и теоретические основы для небелковых форм жизни, как на Земле, так и в космосе.

Жизнь является фундаментальным процессом самоорганизации, метаболизма, воспроизведения и эволюции, который может быть реализован разнообразными молекулярными и физическими системами. Гипотеза РНК-мира предоставляет прочную научную основу для до-белковой эры на Земле, где РНК выполняла как генетические, так и каталитические роли. Гипотезы «метаболизм-первым» и автокаталитические наборы предполагают, что самоподдерживающиеся химические сети, не обязательно управляемые белками, могли быть основополагающим механизмом возникновения жизни.

Гипотетические биохимические системы, в частности жизнь на основе кремния и жизнь, использующая неводные растворители, такие как метан или аммиак, значительно расширяют потенциальную обитаемость Вселенной за пределы земных условий. Несмотря на значительные проблемы, их теоретическая возможность сохраняется. Земные «пограничные» случаи, такие как вирусы, вироиды и особенно прионы (инфекционные агенты, состоящие только из белков, которые самовоспроизводятся и эволюционируют), демонстрируют, что основные жизнеподобные свойства могут существовать вне клеточных, белково-зависимых организмов. Небиологические самоорганизующиеся системы, такие как плазменные кристаллы и глиняные кристаллы, демонстрируют поразительное жизнеподобное поведение (самосборка, воспроизведение, эволюция неровностей), что позволяет предположить, что фундаментальные принципы сложности и адаптации могут выходить за рамки традиционных биологических определений.

«Проблема N=1» подчеркивает ограничения нашей земной предвзятости, делая универсальное определение жизни постоянной проблемой. Астробиология должна принять более широкое, более гибкое определение жизни, выходя за рамки углеродного и водного шовинизма, чтобы рассмотреть «агностические биосигнатуры» и универсальные принципы сложных адаптивных систем. Поиск внеземной жизни — это не просто поиск инопланетных организмов, а постоянное уточнение нашего понимания того, что на самом деле означает «жизнь» в великом космическом контексте. Этот путь требует интеллектуальной скромности, междисциплинарного сотрудничества и неустанной приверженности критическому анализу, свободному от стереотипов.

Works cited

  1. Life - Wikipedia, accessed June 24, 2025, https://en.wikipedia.org/wiki/Life
  2. life OUP v5 revision final - PhilSci-Archive, accessed June 24, 2025, https://philsci-archive.pitt.edu/18699/1/life%20OUP%20v5%20revision%20final.pdf
  3. On the Definition of Life - David Publishing Company, accessed June 24, 2025, https://www.davidpublisher.com/Public/uploads/Contribute/5db8fd0549abd.pdf
  4. Applied Astrobiology: An Integrated Approach to the Future of Life in Space - arXiv, accessed June 24, 2025, https://arxiv.org/html/2505.05482v1
  5. Astrobiology and the carbon chauvinism of Earthlings – another life - Wodne Sprawy, accessed June 24, 2025, https://wodnesprawy.pl/en/astrobiology-and-the-carbon-chauvinism-of-earthlings-another-life/
  6. Hypothetical types of biochemistry - Wikipedia, accessed June 24, 2025, https://en.wikipedia.org/wiki/Hypothetical_types_of_biochemistry
  7. The shortest definition of life : r/biology - Reddit, accessed June 24, 2025, https://www.reddit.com/r/biology/comments/1b4sf18/the_shortest_definition_of_life/
  10. Answering Schrödinger's “What Is Life?” - MDPI, accessed June 24, 2025, https://www.mdpi.com/1099-4300/22/8/815
  11. About | Life Detection | Research | Astrobiology - NASA Astrobiology, accessed June 24, 2025, https://astrobiology.nasa.gov/research/life-detection/about/
  12. Understanding Autopoiesis: Life, Systems, and Self-Organisation - Mannaz, accessed June 24, 2025, https://www.mannaz.com/en/articles/coaching-assessment/understanding-autopoiesis-life-systems-and-self-organization/
  13. Autopoiesis - Wikipedia, accessed June 24, 2025, https://en.wikipedia.org/wiki/Autopoiesis
  14. Currently favored definition(s) of "life" in astrobiology - Reddit, accessed June 24, 2025, https://www.reddit.com/r/Astrobiology/comments/1iwrr7a/currently_favored_definitions_of_life_in/
  15. Abiogenesis - Wikipedia, accessed June 24, 2025, https://en.wikipedia.org/wiki/Abiogenesis
  17. The lost language of the RNA World - PMC - PubMed Central, accessed June 24, 2025, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5789781/
  19. RNA world (article) | Natural selection - Khan Academy, accessed June 24, 2025, https://www.khanacademy.org/science/ap-biology/natural-selection/origins-of-life-on-earth/a/rna-world
  20. Origins of life: The Protein Folding Problem all over again? - PNAS, accessed June 24, 2025, https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2315000121
  21. Protein - Wikipedia, accessed June 24, 2025, https://en.wikipedia.org/wiki/Protein
  22. Autocatalytic Selection As A Driver For The Origin Of Life - Astrobiology Web, accessed June 24, 2025, https://astrobiology.com/2025/06/autocatalytic-selection-as-a-driver-for-the-origin-of-life.html
  25. Autocatalytic Reactions and the Search for Life | News - Astrobiology at NASA, accessed June 24, 2025, https://astrobiology.nasa.gov/news/autocatalytic-reactions-and-the-search-for-life/
  27. Autocatalytic set - Wikipedia, accessed June 24, 2025, https://en.wikipedia.org/wiki/Autocatalytic_set
  29. Extraterrestrial Life in the Thermosphere: Plasmas, UAP, Pre-Life, Fourth State of Matter, accessed June 24, 2025, https://www.scirp.org/journal/paperinformation?paperid=131506
  31. Extraterrestrial Life in Space. Plasmas in the Thermosphere: UAP, Pre-Life, Fourth State of Matter - ResearchGate, accessed June 24, 2025, https://www.researchgate.net/publication/377077692_Extraterrestrial_Life_in_Space_Plasmas_in_the_Thermosphere_UAP_Pre-Life_Fourth_State_of_Matter
  33. On the Potential of Silicon as a Building Block for Life - PMC, accessed June 24, 2025, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7345352/
  34. Can non-carbon based lifeforms exist? : r/askscience - Reddit, accessed June 24, 2025, https://www.reddit.com/r/askscience/comments/2v5vij/can_noncarbon_based_lifeforms_exist/
  35. Cosmic Evolution - Future - Harvard CfA, accessed June 24, 2025, https://lweb.cfa.harvard.edu/~ejchaisson/cosmic_evolution/docs/fr_1/fr_1_future5.html
  36. Does Life Have to Be Carbon-Based? - Sooth.fyi, accessed June 24, 2025, https://sooth.fyi/resources/educator-resources/42801009/does-life-have-to-be-carbon-based
  37. Exploring the Possibility of Alternative Biochemistries in Extraterrestrial Life, accessed June 24, 2025, https://newspaceeconomy.ca/2024/01/15/exploring-the-possibility-of-alternative-biochemistries-in-extraterrestrial-life/
  38. Explain like I'm five: Why is it generally accepted that all life must be Carbon based? - Reddit, accessed June 24, 2025, https://www.reddit.com/r/AskPhysics/comments/1bbwkwl/explain_like_im_five_why_is_it_generally_accepted/
  39. Hypothetical types of biochemistry : r/SpeculativeEvolution - Reddit, accessed June 24, 2025, https://www.reddit.com/r/SpeculativeEvolution/comments/1bsk0oh/hypothetical_types_of_biochemistry/
  40. Beyond Carbon-Based Life: Exploring Alternative Biochemistries in Exobiology, accessed June 24, 2025, https://www.walshmedicalmedia.com/open-access/beyond-carbonbased-life-exploring-alternative-biochemistries-in-exobiology-126132.html
  41. Hypothetical Types Of Biochemistry - The Arcana Wiki, accessed June 24, 2025, http://arcana.wikidot.com/hypothetical-types-of-biochemistry
  42. Extremophile - Wikipedia, accessed June 24, 2025, https://en.wikipedia.org/wiki/Extremophile
  43. Non-Aqueous Life: The Search for Life Beyond the Comfort of Water - Journal of Student Research, accessed June 24, 2025, https://www.jsr.org/hs/index.php/path/article/download/4493/2248/36822
  44. Alternative solvents for life: framework for evaluation, current status and future research - arXiv, accessed June 24, 2025, https://arxiv.org/pdf/2401.07296
  46. [2401.07296] Alternative solvents for life: framework for evaluation, current status and future research - arXiv, accessed June 24, 2025, https://arxiv.org/abs/2401.07296
  47. Weird Life | HowStuffWorks, accessed June 24, 2025, https://science.howstuffworks.com/weird-life.htm
  48. How are viruses, viroids and prions related? | HowStuffWorks, accessed June 24, 2025, https://science.howstuffworks.com/life/cellular-microscopic/viruses-viroids-and-prions-related.htm
  49. Viruses, Viroids, and Prions - FHQ Virtual School, accessed June 24, 2025, https://www.fhqvirtualschool.net/academics/biology-30/viruses-viroids-and-prions
  50. Non-cellular life - Wikipedia, accessed June 24, 2025, https://en.wikipedia.org/wiki/Non-cellular_life
  51. Self-organization - Wikipedia, accessed June 24, 2025, https://en.wikipedia.org/wiki/Self-organization
  52. Self-replication - Wikipedia, accessed June 24, 2025, https://en.wikipedia.org/wiki/Self-replication
  53. Self-organized complexity in the physical, biological, and social sciences - PMC, accessed June 24, 2025, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC128561/
  54. NSF Grant Establishes Center to Develop Self-Replicating Materials, accessed June 24, 2025, https://cns.utexas.edu/news/announcements/nsf-grant-establishes-center-develop-self-replicating-materials
  55. What Are Extremophiles? - Las Cumbres Observatory, accessed June 24, 2025, https://lco.global/spacebook/astrobiology/what-are-extremophiles/
  56. Life on Gas Giant Planets? - Teach Astronomy, accessed June 24, 2025, https://www.teachastronomy.com/textbook/The-Giant-Planets-and-Their-Moons/Life-on-Gas-Giant-Planets/
  57. Could life on a gas giant be possible? : r/worldbuilding - Reddit, accessed June 24, 2025, https://www.reddit.com/r/worldbuilding/comments/11m3123/could_life_on_a_gas_giant_be_possible/
  58. Life On Every Planet In The Solar System (Hypothetical) - Kerbal Space Program Forums, accessed June 24, 2025, https://forum.kerbalspaceprogram.com/topic/139394-life-on-every-planet-in-the-solar-system-hypothetical/
  59. Unusual Gas on Alien World Sparks Hope of Life, And Healthy Skepticism - Science Alert, accessed June 24, 2025, https://www.sciencealert.com/unusual-gas-on-alien-world-sparks-hope-of-life-and-healthy-skepticism
  60. A philosophical perspective about the origin, evolution and distribution of life in the Universe | International Journal of Astrobiology | Cambridge Core, accessed June 24, 2025, https://www.cambridge.org/core/journals/international-journal-of-astrobiology/article/philosophical-perspective-about-the-origin-evolution-and-distribution-of-life-in-the-universe/AD51302B68646B4ECC5FDE5BB01CCB5A
  61. Autopoiesis and Emergence in the Systemic Continuum: Beyond Biological Limits - PhilArchive, accessed June 24, 2025, https://philarchive.org/archive/DELBBL
  62. Why Everything in the Universe Turns More Complex | Quanta Magazine, accessed June 24, 2025, https://www.quantamagazine.org/why-everything-in-the-universe-turns-more-complex-20250402/

Complex system - Wikipedia, accessed June 24, 2025, https://en.wikipedia.org/wiki/Complex_system