Охотники на космических просторах

Если бы меня попросили назвать две черты, которые точно и оптимистично отражают суть человека как биологического вида, я бы сделал ставку на воображение и непоседливость. Доказательства тому повсюду. Возьмем хотя бы то, как мы выражаем свое любопытство и досаду по поводу своего места во Вселенной. О постоянных размышлениях на эту тему свидетельствуют находки, фантазии и данные наблюдений тысячелетней, пятитысячелетней, даже двадцатитысячелетней давности. Хотя антропологи еще спорят по поводу того, какие мотивы стояли за древнейшими пещерными рисунками и скульптурами, лично мне кажется, что одна из самых правдоподобных гипотез – та, согласно которой они отражают попытки первобытных людей проанализировать свою Вселенную, состоявшую из животных, пейзажей и ритуалов. Возникает искушение поверить, что подобные рисунки и предметы – просто способ скоротать унылую зиму, но даже если так, мне поневоле кажется, что занятия эти были целенаправленными и осознанными – возможно, наши предки пытались расклассифицировать данные наблюдений, которые плохо складывались в рациональную картину мира. И ведь это происходило не в единичных случаях, а передавалось из поколения в поколение. Самые абстрактные из древних изображений и статуэток – это странные гибриды человека и животных, всевозможные богини-матери и чудовища. Какие-то болезненные сны. Мне кажется, что это свидетельство лихорадочной работы мозга, который пытался залатать пробелы в познаниях и понять Смысл Жизни. Если для того, чтобы все кругом стало понятно и логично, нужно придумать невидимые сущности и силы, – что ж, да будет так.

То же самое можно сказать и о попытках понять, какое отношение небеса имеют к Земле, Солнцу и Луне: для этого зачастую приходилось проводить связывать планеты и созвездия с богами и фантастическими животными, иначе было не объяснить закономерности, которые мы наблюдаем. Неразрешимой загадкой была для человека и природа времени, причем как для наших предков, изучавших окружающий мир, так и для нас, людей XXI века, строящих теории устройства Вселенной. Похоже, мироздание охотно принимает перемены на любом физическом уровне – движется вперед, отказывается от слабого и устаревшего. Выветриваются скалы, гниют и распадаются останки живых существ. Но при этом мы наблюдаем и регистрируем жесткие закономерности – смену времен года, лунные циклы, медленные колебания климата. Все возвращается на круги своя. Наблюдая циклы биологической жизни, мы, люди, обобщили их и изобрели концепцию бесконечного повторения и возрождения в космических масштабах – концепцию, которая в различных вариантах охватывала самые разные культуры и сохранялась на протяжении эпох.

Все это неустанное творчество – рисунки, схемы, попытки отсчитывать время – основано на жажде ясности в космических масштабах. Мы снова и снова возвращаемся к вопросу о том, есть ли жизнь «еще где-нибудь» в пространстве или во времени. И все же все легко согласятся, что у нас никогда не было никаких данных ни о наличии, ни об отсутствии жизни на других планетах. Не хочу никого огорчать, но так и есть, и именно поэтому нам очень повезло, что мы изобрели себе в утешение пиво и шоколад.

Но гнетущее одиночество и незнание ничуть не мешали нам на протяжении тысячелетий выступать с грандиозными гипотезами. Едва ли не самое интересное и соблазнительное направление мысли о природе жизни за всю историю человечества – это идея множественности миров. С ней мы уже сталкивались; человечество вынашивало ее долго, еще со времен великих философов античности.

Древние греки, и прежде всего атомист Демокрит, полагали, что у реальности зернистая структура, состоящая из неделимых атомов и пустоты, а из этого следовало, что существует бесконечное множество разнообразных небесных тел, планет, солнц и лун. Причем мыслители древности не предполагали, что все эти тела существуют в пределах осязаемой Вселенной – возможности для наблюдений были весьма ограниченны: просто они «где-то есть». Такое необычайно широкое мировоззрение привело некоторых сторонников этой философской школы, например, Метродора, жившего в IV веке до н. э., к идее, что было бы очень странно и невероятно, если бы в бесконечном пространстве нашлось только одно место, подобное нашей Земле. Но когда несколько десятилетий спустя на сцену вышел Платон и его последователи, в том числе и Аристотель, они умудрились задавить эту идею и утверждали, что Земля – это венец творения и центр мироздания.

Несмотря на периоды забвения, идея, что на свете существует множество других миров, как я уже говорил, продолжала занимать воображение человечества. Прошло много лет с тех пор, как Греция в III веке до н. э. отказалась от подобных представлений, и идея множественности миров снова заявила о себе – сначала в Средние века на Ближнем Востоке, а потом в конце XVI века, когда Джордано Бруно и его единомышленники всецело согласились с принципом Коперника и со всеми его следствиями. В самом деле, когда Коперник сместил Землю с центрального места в мироздании, это открыло прямую дорогу к возрождению идеи множественности миров, и в последующие столетия она обрела немалый вес. А с точки зрения темы этой книги особенно интересно, что идея множественности миров зачастую становилась неотделимой от идеи, что эти миры еще и обитаемы. Множественность миров означала множественность жизни. Во многих отношениях такой вывод вполне логично следует из модели Коперника: Земля не центр мироздания, в ней нет ничего необычного.

В конце XVIII века блистательный Вильям Гершель, английский астроном немецкого происхождения, открывший планету Уран, присоединился к дискуссии о жизни на других планетах. Ему, как и многим другим ученым, казалось логичным и естественным, что другие планеты не пусты и бесплодны, а густо населены людьми и животными. К тому же подобная логика оставляла утешительную возможность, что где-то еще существуют такие же общественные и религиозные установления, что позволяло убить разом двух зайцев: и остаться на заурядной позиции по Копернику, и сохранить свое вселенское значение, поскольку получалось, что мы – важная часть мироустройства в целом. Ведь если мы в пасторальной Англии пьем чай в пять часов и посещаем церковь по воскресеньям, наверняка на Марсе все точно так же – ведь иначе нельзя!

Иногда Гершель давал волю фантазии еще сильнее. Например, он предполагал, что разумные существа живут и на Луне, и даже объявил, что видел в телескоп что-то очень похожее на лес в одном из лунных морей, они же равнины: «Внимание мое было в основном поглощено Морем Влажности, и теперь я полагаю, что оно представляет собою лес – разумеется, в широком смысле этого слова: оно покрыто крупными растущими субстанциями… и я полагаю, что по опушкам леса растут деревья, которые должны быть высотою в 4, 5 или 6 раз больше наших, иначе их не было бы видно. Однако мысль о лесах, лужайках и пастбищах по-прежнему представляется мне весьма правдоподобной…»

Мало того, Гершель считал, что у Солнца есть раскаленная атмосфера, которая покрывает его холодную поверхность, и что именно она виднеется сквозь пятна (Гершель ошибочно полагал, что это просветы в горящем газе). Разумеется, Солнце тоже обитаемо. Как писал Гершель в 1794 году, «Солнце… судя по всему, не что иное, как очень примечательная, большая и светоносная планета… что ведет нас к предположению, что и оно, весьма вероятно, тоже обитаемо, как и прочие планеты, и населено существами, чьи органы приспособлены к необычным условиям на этой огромной сфере».

Представления Гершеля о жизни на Луне и Солнце, конечно, были далеки от общепринятых, однако и не то чтобы маргинальны. О возможности жизни на других планетах Солнечной системы задумывался даже знаменитый Пьер-Симон Лаплас, гениальный французский физик и математик. А несколько позднее, в 1830-е годы, Томас Дик, шотландский священник и астроном-любитель, человек научного склада, не пожалел усилий для оценки численности живых существ во всей Вселенной. Исходил он из предположения, что плотность населения на любой другой планете или астероиде равна плотности населения Соединенного Королевства в те годы – современному человеку очевидно, что это феерическая глупость.

Из этого Дик сделал вывод, что на Венере живет более 50 миллиардов особей, на Марсе – 15 миллиардов, а на Юпитере, страшно сказать, целых 7 триллионов. Далее Дик прибегает к еще более вольным обобщениям – и предполагает, что на кольцах Сатурна живет около 8 триллионов живых существ. На одних только кольцах! В итоге этой неуемной экстраполяции Дик оценил численность населения Солнечной системы примерно в 22 триллиона, не считая Солнца, на котором, по его мнению, может обитать в 31 раз больше живых существ. Останавливаться на достигнутом Дик не пожелал. Он оценил, что во всей Вселенной насчитывается свыше 2 миллиардов планет, каждая из которых тоже обитаема, и плотность ее населения примерно такая же, как и на его родном острове в 1830-е годы. Конечно, теперь-то мы понимаем, что такая оценка прискорбно занижена, однако надо отдать Дику должное: в его времена никто не знал подлинных размеров и масштабов Вселенной.

Мотивы, которые вдохновили Дика на эти оценки (само собой, это были крайние проявления плюралистического мировоззрения), стоит принимать во внимание и сегодня, поскольку они свойственны многим серьезным ученым. В те годы не было никакой возможности добыть неопровержимое доказательство, что другие планеты обитаемы или, наоборот, необитаемы, и многим было проще принять как данность, что жизнь где-то есть. Даже самые лучшие телескопы того времени едва ли позволили бы всерьез подтвердить или опровергнуть наличие признаков жизни на других планетах. Нечего было и мечтать получить изображения с необходимым разрешением и своими глазами пронаблюдать суету внеземных существ.

А поскольку никаких свидетельств о существовании или невозможности жизни на других планетах, кроме Земли, у человечества не было, изобилие жизни на всех небесных телах казалось естественным следствием существования планет как таковых: жизнь виделась словно дополнительный слой вещества на планете, помимо камня и почвы. Если жизни на других планетах нет, надо найти основательную причину, почему так вышло. С подобной логикой трудно спорить. Ведь все, что выделяет Землю из массы других планет, должно нас смущать, если мы совершенно согласны с Коперником, а научное сообщество было с ним согласно. Проще было заселить весь космос, чем признать, что Земля уникальна.

Однако время шло, телескопы стали несоизмеримо мощнее, а наши представления о свойствах жизни как таковой необратимо поменялись, поскольку мы поняли, что живые организмы – не неизменная данность. Это продукт постоянного сложного процесса эволюции и естественного отбора. И по мере развития этого направления научной мысли в какой-то момент планеты перестали по умолчанию означать жизнь. Живые организмы не возникают ниоткуда. Теперь мы понимаем, что жизнь могла появиться в определенных местах, а могла и не появиться. Самые радикальные идеи о множественности обитаемых миров мало-помалу исчезли, и сегодня все согласны, что место им на свалке истории. Исследования Солнечной системы похоронили всякую надежду на наличие сложных форм жизни на Луне, Венере и прочих соседних небесных телах. И хотя теперь мы понимаем, что во Вселенной неисчислимое множество других планет, нам также известно, что не на всех из них могут жить существа вроде нас – тамошние условия этого не позволяют.

В результате мы застряли в очень интересной интеллектуальной точке, поскольку Вселенная очень велика, с этим не поспоришь. В пределах наблюдаемой области – на расстоянии, куда успел добраться свет за 13,8 миллионов лет с момента Большого Взрыва – насчитываются несколько сотен миллиардов галактик и – теоретически – более миллиарда триллионов звезд. При этом в каждый момент до нас доходит не одномоментный срез, а разномоментный слепок Вселенной – комбинация бесчисленных моментов, далекий свет которых дошел до нас с разного расстояния именно сейчас. Задайтесь вопросом, сколько звезд существовало во Вселенной за последние 13,8 миллиарда лет – и у вас не просто затрещит голова от попыток разобраться в концепциях пространства и времени в релятивистском космосе, но еще и придется отрастить очень длинные руки, чтобы показывать в воздухе, какое большое число в результате получается.

Этот эмпирический факт имеет непосредственное отношение к нашему основному вопросу о нашем месте в мироздании – простому и древнему вопросу о том, есть во Вселенной еще кто-нибудь или нет. Если мы понимаем, что Вселенная очень велика, ответ на него будет совсем не такой, как в случае, если бы Вселенная была малюсенькая и подходящих мест в ней было мало, и этот ответ мы уже слышали и даже, возможно, сформулировали самостоятельно. Поскольку Вселенная очень велика и наполнена миллиардом триллионов звезд, наверняка где-то да найдется кто-то похожий на нас.

На первый взгляд утверждение вполне логичное. Однако, даже если видимая Вселенная неимоверно огромна, обязательно ли из этого следует, что где-то в ней должна быть жизнь? Вопрос о том, одиноки ли мы во Вселенной, тоже многослоен. В частности, когда мы его задаем, то, подобно нашим предкам, сторонникам идеи множественности обитаемых планет, обычно имеем в виду, есть ли во Вселенной существа вроде нас – мыслящие, рефлексирующие существа, создавшие технологию и философию, существа со своими верованиями и теориями, со своим искусством, поэзией и, конечно, наукой. Как и во многих других случаях, когда какие-то явления нашего мира представляются нам очевидными, имеет смысл на миг взглянуть на все со стороны и задуматься о подробностях. Главный вопрос – можем ли мы подвергнуть все следствия из того, что Вселенная так велика, строгому математическому анализу. Можем ли мы сформулировать достоверный научный ответ, который позволит нам избавиться от весьма понятных и естественных для человека фантазий сторонников идеи множественности миров, сбросить старые добрые розовые очки?

Оказывается, можем. И формулировка подобного ответа лежит в неожиданной области – ее дает нам теория вероятности.

* * *

Когда читаешь биографические сведения о Томасе Байесе, невольно замечаешь одно забавное обстоятельство: многие из них начинаются с утверждения, что родился он, вероятно, в 1701 году. В сущности, исторические данные о его жизни и даже о его математическом наследии полны неопределенностей, поскольку документов сохранилось относительно мало, а сам ученый, похоже, не особенно стремился опубликовать все свои научные труды (если учесть, чем он, собственно, прославился, становится понятно, какой это восхитительный парадокс). Достоверно нам известно немногое: Байес был сыном английского пресвитерианского священника и изучал математику и богословие в Эдинбургском университете, а в конце 1720 года был рукоположен в сан.

Примерно тогда же Байес опубликовал свой богословский труд, однако на самом деле в это время его обуревали научные интересы. Ньютонова теория дифференциального исчисления, которую тогда чаще называли «методом производных», еще не стала общепринятой. В сущности, метод производных позволяет описывать скорость изменения любой математической функции, от дуги, по которой летит пушечное ядро, до изгиба поверхности, по мере изменения параметров этой функции, и опирается он на деление на бесконечно малые части. Словом «производные» Ньютон обозначал само понятие течения, переменчивости.

Помимо богословских работ, за всю жизнь Байес официально опубликовал лишь одну научную работу, и это была попытка поддержать теорию Ньютона при помощи более строгих доказательств математических свойств производных. Казалось бы, это не слишком увлекательно, однако подобной работы было достаточно, чтобы обеспечить Байесу желанное для многих место в Королевском научном обществе и вдохновить его на продолжение научных изысканий.

В дальнейшем Байеса заинтересовала теория вероятности – отрасль математики, возникшая лишь за сто лет до этого. Интерес был достаточно рискованный, не в последнюю очередь потому, что теория вероятности занималась вопросами, которые могли смутить человека, обладавшего твердой верой в высшую силу. Ученые начали понимать, что во Вселенной есть место неопределенности в буквальном смысле слова, что события могут происходить совершенно случайно, без цели и умысла. Это открытие имело далеко идущие следствия – оно знаменовало сдвиг в наших представлениях об устройстве мироздания.

Однако лишь в 1761 году, когда после смерти Байеса его друг Ричард Прайс, философ и проповедник, разобрал его архив, было обнаружено, что Байес существенно продвинулся на пути к решению одной из самых наболевших проблем, занимавших центральное место в теме математических «случайностей». Именно Прайс собрал воедино наследие Байеса и спустя два года после его смерти добился, чтобы Королевское общество опубликовало его труды. В результате мы помним Байеса в основном за то, что он решил задачу, которая в то время называлась «обратной вероятностью». В наши дни этот термин используется редко, вместо него чаще употребляется словосочетание «апостериорная вероятность». В последующие десятки и сотни лет многие ученые, в том числе, например, Пьер-Симон Лаплас, независимо открыли и развили подобные понятия, и теперь на них строится почти вся современная наука. Однако имя Байеса стоит особняком и увековечено в названии «Теоремы Байеса», в которой отражена суть его последней и величайшей работы по теории вероятностей.

Формулировка теоремы очень проста. Она позволяет математически вычислить вероятность, что та или иная модель или гипотеза верна, при наличии набора наблюдений. А главное – она сводится к тому, как найти точку зрения, позволяющую адекватно оценить свою уверенность в точности теории или прогноза.

Суть этого фундаментального метода можно пояснить при помощи небольшой аллегории, которую придумал и опубликовал в виде примечания к посмертной публикации труда Томаса Байеса его друг Прайс. Перескажу ее своими словами. Жил-был математически одаренный, но, к сожалению, крайне наивный цыпленок. Вылупившись из яйца, он в первый день своей жизни с удивлением обнаружил, что Солнце пересекает небосклон и скрывается из виду. Цыпленок не знает, увидит ли он когда-нибудь снова этот сверкающий диск. Поскольку он обладает аналитическим складом ума (что для цыпленка просто поразительно), то формулирует простую гипотезу: вероятность того, что Солнце появится снова, равна вероятности того, что этого не произойдет, то есть шансы распределяются как 1 к 1 или 50 на 50.

Разумеется, проходит несколько часов, и Солнце восходит. Снова пересекает небосклон и снова исчезает. Цыпленок решает пересмотреть свои ожидания (или уверенность в своих прогнозах). Он наблюдал уже два восхода, однако по-прежнему остается вероятность, что это не повторится, поэтому шансы на третий восход составляют уже 2 к 1 (66,7 %). Со следующим восходом цыпленок снова пересматривает свой прогноз – теперь шансы, что назавтра Солнце вернется, уже 3 к 1 (75 %). С каждым днем цыпленок уверяется в неизбежности восхода все сильнее и сильнее – и шансы на восход все ближе и ближе к 100 %. К сотому утру подросший петушок уверен, что Солнце взойдет, уже на 99 % – и ко всеобщей досаде решает, что можно больше не просыпаться ни свет ни заря, чтобы прокукарекать перед рассветом.

Анализ, который проделал юный петушок, – очень простой пример, однако именно такова суть байесовского подхода к данным и теории. Результаты экспериментов, выводы из новых наблюдений и данных влияют на уверенность в гипотезе, помогают оценить вероятность, что она точна. Однако ученым не всегда было ясно, что имеет смысл оценивать неопределенность численно. Более того, об экспериментах и наблюдениях вообще не было принято думать с этой точки зрения, не принято было делать мир таким местом, где царят вероятности и «уверенность» в том, что правда, а что нет. На то, чтобы подобный подход прижился, потребовалось много времени. Даже такой выдающийся ученый, как Гершель (тот самый, который всего несколько десятков лет спустя размышлял над существованием жизни на других планетах), определенно его не применял. Поэтому мы в огромном долгу перед Байесом и всеми, кто в XVIII веке пытался разобраться, как сделать из неопределенности вероятность по примеру нашего петушка.

Как сам Байес пытался решить эту задачу, видно на примере, который сам он приводил, чтобы сделать свои математические формулы нагляднее. Он предлагал представить себе бильярдный стол (годится любой, но давайте представим себе бильярдный ради исторической точности).

Так вот, представьте себе, что вы небрежно бросаете на бильярдный стол красный шар, который катится себе случайным образом и может остановиться в любом месте. Итак, красный шар остановился в каком-то месте, вы его не трогаете, несколько раз прокатываете по столу в том же направлении белый шар и записываете, как часто он останавливается дальше красного шара. Затем Байес, опираясь на то, где останавливались шары на воображаемом столе, предложил вывести математически обоснованный ответ на следующую простую задачку: если вы знаете, что произошло с теми шарами, которые вы уже прокатили по столу, можно ли предсказать, с какой вероятностью следующий белый шар остановится до или после красного (каковы шансы на тот или иной результат)? Байес показал, что можно. Главное – чем больше прокатишь шаров, тем сильнее будет уверенность в результате следующего броска, в точности как у петушка и Солнца.

Мысленный эксперимент с бильярдными шарами очень прост, однако многое говорит о том, насколько фундаментальным был вопрос вероятностей для математики XVIII века. До того времени никто не разобрался, как проделать необходимые выкладки, а концепции, которые легли в основу работы с неопределенностью, были всем в новинку и даже пугали. Байес двигался к формулировке теоремы, которая впоследствии получила его имя – теоремы, при помощи которой можно было вычислить, насколько человек «верит» в гипотезу перед лицом свидетельств, как правдоподобие в чьих-то глазах или уверенность в чем-то связаны с тем, что то или иное утверждение верно.

Чтобы вам легче было понять смысл теоремы и разобраться, как можно применить ее к нашему вопросу о жизни во Вселенной, приведу чуть более красочный и сложный пример, чем восходы и бильярдные шары. Представьте себе, что у меня есть любопытная гипотеза, что 20 % популяции котов на планете составляют чеширские коты. Само собой, чтобы проверить свою гипотезу, я должен пойти и найти какое-то количество котов, выявить среди них чеширских и не-чеширских и посчитать, сколько их. Эта задача не то чтобы разительно отличается от поиска признаков инопланетной жизни – обитаемых и необитаемых планет.

Разумеется, посчитать котов – дело непростое, легко сказать, да трудно сделать. Я мечусь впотьмах, мне не на что опереться, никакой предварительной информации у меня нет. Прежде всего, если я не готов поймать и рассортировать огромное количество котов, распределение результатов у меня неизбежно будет случайным. Если я схвачу и запихну в мешок десять первых попавшихся котов на улице и выясню, что два из них – чеширские, то никак не смогу с уверенностью сказать, что это подтверждает мою гипотезу о 20 % чеширских котов на планете, поскольку выборка будет случайной и из небольшого количества котов, а следовательно, погрешность у моего эксперимента будет очень велика.

Значит, нужно выстроить несколько более хитроумную теорию о количестве чеширских котов и учесть кое-какие ожидания о распространенности (или вариациях) случайно выбранных групп котов. В сущности, нужно, чтобы погрешность можно было предсказать, чтобы я мог заранее представить себе, как должны будут выглядеть мои измерения, если моя гипотеза верна. Мало того что случайная выборка чревата осложнениями, есть еще и вопрос систематической погрешности, вызванной изначальными условиями. Может быть, чеширские коты, в принципе толстые и неповоротливые, легче ловятся, и поэтому я их больше насчитаю. Может быть, моя гипотеза относительно чеширских котов в принципе ошибочна (а такое совсем не исключено, если учесть, что чеширские коты чуть что становятся невидимыми). Однако я вполне мог убедить себя, что она верна, если по воле судьбы в моей случайной выборке оказалось нужное число улыбающихся котов, которых я принял за чеширских.

Так что вероятность того, что моя гипотеза чеширских котов верна, сама по себе равна математической комбинации каких-то других вероятностей, с ней связанных. Прежде всего это вероятность получить конкретный результат измерений с учетом этой гипотезы. Звучит немного странно, однако это означает, что если модель или гипотеза верна, вы вправе ожидать, что подсчет котов принесет определенные результаты. Например, я мог бы определить вполне конкретную вероятность того, что в моей случайной выборке из 10 пойманных котов я насчитаю 1, 2, 3 или любое другое число чеширских.

Далее следует так называемая апостериорная вероятность – и именно ее мы и хотим узнать, когда гоняемся за котами или пытаемся найти ответ на вопрос о жизни во Вселенной. Апостериорная вероятность – обратная сторона вышесказанного, причем интуитивно более понятная. Это вероятность того, что гипотеза верна, в свете свидетельств или измерений. Иначе говоря, эта вероятность говорит нам, каковы шансы, что моя теория о котах верна – или что во Вселенной есть жизнь помимо нас, при том, что мы наблюдаем только жизнь здесь, на Земле. А еще эта та самая мера уверенности, о которой мы говорили в связи с рассветами и бильярдными шарами.

Наконец, при рассмотрении моего примера с котами надо учитывать еще и такой фактор, как сама по себе наша гипотеза, и это называется априорной вероятностью. В данном случае это вероятность, что любой кот окажется чеширским, и мы считаем, что она равна 20 % или 0,2. Мы, конечно, не знаем, точна ли цифра 20 %, это то самое число, которое мы хотим подтвердить, – примерно как вероятность, что на каждой отдельно взятой планете может зародиться жизнь. Интересно, что когда мы приписываем ситуации эту вероятность, то имплицитно исходим из предположения, что сама идея – существование чеширских котов – верна. А такого рода предположения опасны, поскольку мы можем случайно придать слишком много веса безумным гипотезам. Так что лучше всего – если, конечно, мы не страдаем чрезмерной самоуверенностью – оценить побольше возможных «априори» и держать кулаки за то, что данные, которыми мы располагаем, позволят распределить гипотезы-победительницы и гипотезы-аутсайдеры по относительной вероятности.

Формулировка теоремы Байеса предполагает также, что данные, которые мы получаем, должны быть точными, что не будет никаких ложноположительных и ложноотрицательных результатов. Поэтому я в ходе своего исследования кошек предполагаю, что если я беру кота и определяю, что он чеширский, так и есть. Это очень важная оговорка. Например, в мире медицины ложноположительных и ложноотрицательных результатов очень много. В таких случаях формулу Байеса приходится немного подправить, чтобы учесть вероятность неверного диагноза и ошибок при анализах. Если вы пытаетесь оценить вероятность той или иной болезни или даже эпидемической угрозы, главное – точность данных и «априори», на которые вы опираетесь.

Итак, теорема Байеса позволяет нам оценить отношения между тем, что мы можем наблюдать и измерять, и нашими гипотезами или математическими моделями. В принципе, она должна позволять нам приписывать абсолютную вероятность – уверенность, – что наша гипотеза представляет собой точное описание природного феномена. Но тут возникают кое-какие досадные осложнения, и иногда результаты подобных вычислений сильно нас огорчают. Не исключено, что мы не знаем, что считать «априори» и вообще верна наша гипотеза хотя бы приблизительно. И измерения бывают несовершенными из-за случайной выборки или непредвиденных погрешностей – и в моем примере так и есть, поскольку чеширских котов в природе не существует. Поэтому вероятность (то есть мера уверенности), которую мы получаем, оказывается очень маленькой и не помогает нам принять решение.

К счастью, теорема Байеса куда мощнее. Она позволяет обойти эти очевидные препятствия при помощи красивого приема, который ученые часто применяют в повседневной работе – и когда гоняются за котами, и когда оценивают структуру мироздания. Дело в том, что абсолютные значения вероятностей нас обычно не очень интересуют. Нас интересует, какая модель или гипотеза «лучше», то есть вероятнее, прочих. Тогда мы для начала предполагаем, что все гипотезы могут оказаться верными с одинаковой вероятностью. На самом деле главное – разобраться, какая гипотеза лучше всего соответствует нашим данным, какая победит. Конечно, может оказаться, что все они ошибочны, но нам просто хочется узнать, какая из них ошибочна меньше прочих. Для этого нам нужно перевернуть формулу Байеса. В конце концов мы оценим вероятность или уверенность, что наши измерения могут объясняться той или иной гипотезой (по сравнению с остальными). Этот простой прием, как выясняется, – необычайно мощный научный инструмент.

Чтобы применить его к любопытному случаю с чеширскими котами, я могу протестировать разные методы выявления чеширских котов – например, взвешивание или проверка, умеют ли они улыбаться. Если 20 % котов и в самом деле чеширские, то результаты любых методов, и точных, и не очень, дадут примерно одни и те же результаты с разными относительными вероятностями. Подход Байеса позволяет мне сочетать их все и таким образом измерить общую уверенность в своей гипотезе по сравнению с альтернативными вариантами.

А вдруг никакие методы выявления не дадут похожих результатов, и общая уверенность у меня окажется низкой? В таком случае мне придется задуматься о том, что либо неверны какие-то подробности моей изначальной гипотезы, либо чеширских котов не бывает.

В некотором смысле теорема Байеса – довольно простая математическая концепция, однако просто поразительно, как далеко может завести ее применение. Для многих ученых ее действенность в определении контуров реальности служит доказательством, что байесовский метод предельно близок к тому, «как устроена природа» – похоже, она позволяет точно предсказать вероятностный результат самых разных явлений, которые, в сущности, определяются не законами, а случайностью. Все дело в том, что даже если природа знает, какие законы действуют в ситуации, когда мы применяем этот метод, мы можем лишь догадываться об этом.

Чаще всего это не имеет особого значения. Если наши догадки – наша научная модель – достаточно точна, то теорема Байеса, словно по волшебству, сгладит все неровности, или по крайней мере даст нам понять, насколько мы можем быть уверены в полученных результатах. Правда, у некоторых ученых такой метод делать выводы об устройстве Вселенной по-прежнему вызывает раздражение, ведь получается, что не бывает по-настоящему ошибочных теорий, просто одни хуже, а другие лучше.

Прекрасно помню, как на старших курсах наблюдал жаркие споры маститых ученых, которые чуть ли не в драку лезли, пытаясь разобраться, можем ли мы позволить себе подобную мягкотелость. Если байесовский анализ дает нам лишь вероятность, что та или иная теория хорошо совпадает с наблюдениями, нельзя же полностью доверять этому методу, когда требуется точное знание! Такие же дискуссии велись и по поводу обратной аргументации: ведь это куда более честный и реалистический подход к структурированию наших исследований мира природы, поскольку он полон неопределенностей и незавершенных историй. Однако, как и при решении многих других задач в человеческой жизни, можно сказать, что если что-то работает без сбоев и дает приемлемое, пусть и не совершенное, решение какой-то задачи, именно оно и становится решением де-факто, а в таких случаях, конечно, нет ничего лучше теоремы Байеса.

* * *

В наши дни байесовский метод вездесущ, он внедрен в нашу технологию и мышление. Он окружает нас повсюду, даже там, где не ожидаешь. Например, он заложен практически в любое программное обеспечение для обработки фотографий. Распознавание лиц? Да, оно основано на байесовской вероятности, именно она обеспечивает, чтобы в фокус попали драгоценные мгновения детских игр. Обидный штраф, который вы получили за то, что пытались проскочить на красный? Скажите спасибо Томасу Байесу: номер вашей машины распознали на размытом фото при помощи байесовских приемов. Автокоррекция текста, которая подсказывает вам безумно смешные варианты, когда вы набираете сообщение на телефоне? Да, и здесь тоже применяется теорема Байеса – статистический анализ использования слов генерирует вероятности того, что вы собираетесь напечатать или имели в виду. Биржевые роботы, торгующие акциями и определяющие курсы валют, почти всегда делают это на основе байесовских методов определения вероятностей и уверенности в результатах. В нашу эпоху Больших Массивов Данных, когда компании собирают информацию обо всех мельчайших особенностях поведения потребителей, все те же инструменты статистической оценки и прогноза обеспечивают им подсказку, какую марку мыла мы предпочитаем – или какую марку мыла нас уговорят полюбить.

* * *

Без мощного влияния наследия Байеса в науке мы не смогли бы понять, что говорит нам о вероятности существования жизни во Вселенной тот простой факт, что существуем мы сами. Да, именно теорема Байеса помогает нам расшифровать генетический код и оценить результат анализа на онкомаркеры, чтобы понять, с какой вероятностью мы можем заболеть раком. Она позволяет нам лавировать среди петабайтов данных и найти там эфемерные признаки новых элементарных частиц и новых законов физики. Но еще она помогает нам найти ответ на животрепещущий вопрос, какие выводы можно сделать из нашего существования о вероятности зарождения жизни в Галактике, которая состоит из миллиардов других солнечных систем. Итак, теперь, когда мы думаем над нашим вопросом подобно Томасу Байесу, давайте посмотрим, что будет, если мы попробуем сформулировать математический ответ на вопрос о жизни во Вселенной.

* * *

В 2012 году два ученых из Принстонского университета, Дэвид Спигел и Эдвин Тернер, применили теорему Байеса к более тщательно сформулированному варианту вопроса «Одни ли мы во Вселенной?». Начали они с того, что решили выяснить, каковы самые надежные свидетельства существования жизни у нас на Земле. На какие признаки мы будем опираться? Для этого им пришлось отбросить все неоднозначные посторонние сведения и добраться до сути, которая, как выяснилось, сводится к двум простым обстоятельствам, в которых не приходится сомневаться. Во-первых, какая-то жизнь появилась на Земле очень рано, в течение первых сотен миллионов лет после формирования планеты в общих чертах. Во-вторых, спустя еще несколько миллиардов лет на Земле появилось мыслящее существо, умеющее задавать вопросы, и обнаружило этот факт. Вот, собственно, и все, что мы знаем о жизни во Вселенной, если отделить зерна от плевел. Отрезвляет, не правда ли?

Затем Спигел и Тернер применили к этим сведениям байесовскую формулу и спросили, что говорят нам эти факты о вероятности, что где-нибудь еще во Вселенной возникла жизнь (этот процесс называют абиогенезом).

Иначе говоря, если на Земле жизнь стартовала с места в карьер, а несколько миллиардов лет спустя эволюция породила нас, следует ли из этого, что жизнь вероятна еще где-нибудь? Как и во всех случаях, когда мы применяем байесовский анализ, налицо фундаментальное противоречие между тем весом (уверенностью), который мы придаем известным фактам, и тем весом, который мы приписывали своим априорным предположениям.

Какие же предположения мы делаем в этом случае? Спигел и Тернер обнаружили, что если просто записать эту формулу, с неизбежностью придется сделать предположение о базовой вероятности появления зачаточной жизни на планете за какой-то период времени. Иначе говоря, мы делаем предположение о том, сколько раз в среднем абиогенез мог произойти за период в миллиард лет, и это наша априорная вероятность.

Здесь начинаются сложности. Без подобающего байесовского анализа у нас возникает склонность предположить, что жизнь, вероятно, зарождается по всей Вселенной довольно легко, иначе она не появилась бы так быстро на поверхности юной, еще не остывшей планеты Земля. Но тогда мы ставим все с ног на голову. Это ведь то же самое, что приписать какое-то значение тому, сколько раз в среднем зарождается жизнь на планете за миллиард лет, а мы ведь не знаем, сколько!

Спигел и Тернер назвали это «априорным незнанием», что очень точно описывает наше положение. Вместо настоящего априорного знания мы получаем его противоположность. Когда это учитываешь, становится слегка не по себе, поскольку математически из этого следует, что раннее появление жизни на Земле почти ничего не говорит нам о шансах появления жизни еще где-нибудь. Нам снова ставит палки в колеса склонность грубо преувеличивать собственное значение, инстинктивно искать везде свое отражение.

Спигел и Тернер изучили целый ряд математических моделей «априорного незнания» и сумели показать, что наши прогнозы касательно внеземной жизни почти целиком представляют собой функцию того, что мы первоначально предполагаем. Предположим, что частота абиогенеза на любой подходящей планете (неизвестная) постоянна во времени. Байесовский анализ учитывает факт нашего существования, однако показывает, что варианты возникновения жизни в нашей Галактике по-прежнему неопределенны. Может оказаться, что жизнь процветает повсюду. А может оказаться, что она зарождается только один раз в 10 миллиардов лет, а то и в 100 миллиардов. Иначе говоря, может оказаться, что мы – первый случай зарождения жизни во Вселенной. Стоило чуть-чуть изменить исходные предпосылки – и вся конструкция перекосилась.

Выходит, одного примера возникновения жизни на Земле и в самом деле недостаточно, чтобы сделать какие бы то ни было выводы: мы точь-в-точь как цыпленок, наблюдающий свой первый рассвет. Да, на основании того, что здесь произошло, можно сказать, что жизнь способна быстро возникать на планетах земного типа, однако «априорное незнание» таково, что мы не можем исключить возможность, что все совсем наоборот.

У этого анализа есть и еще один, не такой очевидный аспект: речь идет о разнице между людьми и микробами. Вернемся к двум изначальным предпосылкам, двум фактам относительно жизни на Земле. Нам кое-что известно о том, сколько времени прошло между возникновением на Земле жизни как таковой и появлением нашего вида: около 3,5 миллиардов лет. Как это влияет на численные оценки?

Тут придется немного пофилософствовать, поскольку мы можем задаться вопросом, влияет ли вероятность нашего нынешнего присутствия и способности наблюдать Вселенную и задавать вопросы на выводы как таковые. Иначе говоря, как изменится предполагаемая вероятность возникновения жизни на любой планете, если жизни, как на Земле, требуется примерно 3,5 миллиарда лет, чтобы эволюционировать от микробов до сложных организмов, способных вычислить эту вероятность?

Взгляните на это вот с какой точки зрения. Можно сказать, что планете нужно примерно 3,5 миллиарда лет биологической эволюции от биогенеза до возникновения «разумной» жизни. Если бы это было так, то планета возраста Земли, где первые организмы появились бы не так быстро, еще не успела бы произвести существа вроде нас. Поэтому лишь естественно, что мы очутились на планете, где абиогенез произошел очень рано, поскольку на планете с более «замедленным развитием» нас просто еще не было бы и мы не могли бы сделать это наблюдение!

Итак, следует вывод, что и вторая предпосылка ничего не говорит нам о том, может ли жизнь пробудиться на любой случайной планете, по той простой причине, что на Земле абиогенез произошел именно тогда, когда произошел, а других вариантов не было, иначе у нас не было бы времени возникнуть и задуматься над этим фактом. Если мы осторожно пройдем по мысленному минному полю байесовского метода, то придем к неутешительному выводу. История жизни на Земле позволяет нам сделать относительно мало заключений о статистике жизни во Вселенной. Вполне возможно, что жизнь обычно быстро возникает на юных каменистых планетах с разнообразным химическим составом. Тогда положение дел на Земле было бы совершенно стандартным и ничем не примечательным. Однако при этом оно не обязательно норма. Не исключено, что возникновение жизни – это все же явление очень редкое. Но без дальнейшей информации мы все равно не сможем ничего сказать.

Главное, что требуется от этой информации, в сущности, просто, но на практике стоит в ряду самых насущных научных задач нашего времени. Если бы мы сумели доказать, что происхождение хотя бы какой-то формы жизни абсолютно независимо от нашего, то «априорное невежество» заметно уменьшилось бы. Байесовский анализ даже говорит нам, на сколько именно. Мы бы точно знали, что абиогенез на планете возникает не раз в 10 или 100 миллиардов лет – минимум сократился бы примерно до 1 миллиарда лет для каждой отдельно взятой планеты. Тут уже есть чему радоваться. Нам даже не обязательно обнаруживать жизнь на какой-нибудь экзопланете. Если бы на Земле обнаружилась форма жизни, абиогенез которой произошел совершенно независимо, это значительно расширило бы наши представления о вероятности зарождения жизни со временем в масштабах Вселенной.

Сгодилась бы даже независимая жизнь на другой планете нашей Солнечной системы. Любое подобное открытие существенно повысило бы как вероятность того, что жизнь есть еще где-то во Вселенной, так и нашу уверенность при оценке этой вероятности. Очевидно, что прогресса в поисках своего места в мироздании в самом научном и строгом смысле мы сможем достичь лишь в том случае, если отправимся на охоту.

* * *

Среди важнейших результатов, которые принесли полеты на Луну в рамках программы «Аполлон» в конце шестидесятых – начале семидесятых, – то, что мы научились по-новому ценить нашу благородную и столь смиренную сине-зеленую переливчатую планету, висящую в безбрежной черноте космоса. Однако в окрестностях Луны побывали лишь 24 человека, и лишь 12 из них ступали на ее пыльную поверхность. Всего 12 человек, всего 12 из примерно 110 миллиардов современных с биологической точки зрения людей, живших за все время существования нашего вида. Сравните.

Однако мы предприняли множество выдающихся разведывательных экспедиций in absentia. Мы разослали по самым разным направлениям поразительное количество роботов – чудес инженерной мысли. Всего с зари космической эры в конце 1950 годов мы отправили на Луну более 70 космических аппаратов. Предпринято более 40 попыток навестить и изучить нашу сестру Венеру, о которой часто забывают, 40 миссий на Марс, две – на Меркурий и почти 40 – для наблюдений и исследований Солнца, зачастую с безопасного расстояния – с земной орбиты. Мы отправили зонды на Юпитер и Сатурн, облетели Уран и Нептун, побывали на астероидах, сделали кратер в ядре кометы и собрали межпланетную пыль, микроскопические частицы, родившиеся и здесь, и в межзвездном пространстве. Сейчас в пути находится космический зонд, цель которого – Плутон и другие транснептуновые небесные тела на отдаленных окраинах Солнечной системы. А зонды «Пионер» и «Вояджер» летят и вовсе к звездам – и только сейчас вышли в межзвездное пространство, а до этого у них сорок лет ушло на то, чтобы выйти за пределы Солнечной системы. У этих аппаратов впереди десятки тысяч лет одиноких странствий.

В последние полвека на орбиту были выведены и аппараты, которые наблюдают со стороны нашу собственную планету, и мы вполне успешно заселили вакуум вокруг Земли множеством функционирующих спутников и замусорили облаками обломков искусственного происхождения. Сейчас, когда я пишу эти строки, вокруг Земли вращается целых три тысячи спутников, а также десятки тысяч обломков крупнее сантиметра и десятки миллионов более мелких частиц.

В какой-то степени наше стремление исследовать и даже оккупировать пространство вызвано поисками внеземной жизни. Именно это мы постоянно имели виду, пусть и не в первую очередь, когда изучали плотную атмосферу Венеры, наблюдали, как стихает пыльная буря на Марсе, рассматривали обледенелые горы на поверхности Европы, спутника Юпитера. Даже криогенные озера метана и смутно знакомые углеводородные горы и долины на далеком Титане заставляли нас всерьез задуматься, не живут ли в этих низкотемпературных условиях совершенно незнакомые нам формы жизни – об этом я упоминал в предыдущей главе. Однако на самой заре практических исследований Солнечной системы, еще в конце пятидесятых, мы не представляли себе, что, собственно, искать – и в определенной степени до сих пор не представляем.

За последние десятилетия изменилось лишь то, что мы стали открыто признавать, что наши исследования во многом затеваются ради поисков внеземной жизни. Теперь это часто становится главным обоснованием при поисках финансирования и поддержки для запуска новых космических аппаратов. Такой подход позволил нам отточить свои методы исследований. Мы охотимся на разную дичь – и на крупную, и на мелкую, и на микроскопическую, – и поэтому научились создавать весьма хитроумные инструменты, позволяющие и выслеживать редкие молекулы, и составлять карты целых миров.

Очевидно, что мы не знаем, ради чего следует просеивать марсианский песок или что нужно высматривать на поверхности Европы или Энцелада. Когда речь заходит о фундаментальных истинах биологии, мы очень сильно зависим от того, что уже знаем о живых организмах здесь, на Земле, и это влияет и на наши представления о «жизни» как таковой, и на то, какими способами мы ее ищем. В предыдущей главе я упоминал о «Древе жизни» – разветвленной классификации живых организмов, – и об основных ветвях этого древа – доменах бактерий, архей и эукариотов, а может быть, еще и вирусов. В общем и целом все согласны, что у всех этих доменов общий предок. И в самом деле, мы привыкли говорить о «последнем универсальном общем предке» («last universal common ancestor», LUCA): это какой-то один вид (разумно предположить, что даже один организм, всем пращурам пращур), от которого миллиарды лет назад разошлись все ветви живых организмов.

Ученые провели сложный статистический анализ (да-да, байесовский) всевозможных сценариев того, как могли получиться важнейшие составляющие генетического материала, общие для всех организмов. Результаты не оставляют ни малейших сомнений в том, что гипотеза о последнем универсальном общем предке верна и что вся жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, восходит к одному виду, а не к более сложному ансамблю предков. Однако каким образом от этого первопредка впоследствии развились три, а может быть, и четыре столь разных домена, пока неясно. Ученые согласны, что бактерии и археи появились раньше эукариотов. Это логично, поскольку, как мы уже говорили, крупные клетки эукариотов включают себя следы более ранних организмов с простыми клетками. Абсорбированные симбионты превратились в органеллы, в частности, в митохондрии – структуры, играющие главную роль в метаболизме эукариотов, к чему мы еще вернемся.

Ученые много и тщательно исследуют, какими свойствами должен был обладать последний универсальный общий предок – от требований к его генетическому молекулярному арсеналу до его физиологии. Однако тут все очень запутано. Например, ученые, исследующие генетическое разнообразие жизни, до сих пор до конца не уверены, что если крутить стрелки биомолекулярных часов все дальше и дальше в прошлое, все ветви древа жизни и в самом деле аккуратно сойдутся в одной точке, к одному ясно определимому виду. Скорее всего, имели место всевозможные инцестуальные метания в пределах небольшого генофонда, которые при этом не противоречат статистическим выводам. При таком развитии событий гены передавались «горизонтально» от особи к особи, от линии к линии, и отдельные истории сплетались и перепутывались в симбиотических или паразитических союзах.

Как бы то ни было, если мы углубимся еще дальше в прошлое, то наткнемся на явление, которое, как считают современные биологи, скорее всего, было переходным этапом от более ранней формы жизни – до видообразования. Это стадия еще до последнего универсального общего предка: как мы теперь считаем, это был самый настоящий вид одноклеточных с ДНК и всем, что полагается. Типичная гипотеза, родившаяся в результате попыток представить себе стадию до последнего универсального общего предка – это идея «мира РНК», которую выдвинул в шестидесятые годы Карл Вёзе. РНК – это «третья» главная молекулярная структура в современной жизни наряду с ДНК и белками. Во многих отношениях РНК представляет собой что-то вроде ДНК, только короткой, из одной цепочки и с несколько иным составом. Однако на самом деле это совсем другая молекула. Она играет главную роль в передаче информации от ДНК к белкам: цепочки РНК записывают код с ДНК, а затем их «читают» молекулярные механизмы под названием рибосомы, которые, словно швейные машинки, сшивают новые белки на основе информации от РНК.

Гипотетический мир РНК был своего рода фабрикой по производству пробных моделей форм жизни на основе ДНК, арсенал всевозможных взаимодействующих структур на заре клеточной жизни. Такого рода сложные молекулярные экосистемы имели место во времена гораздо ближе к точке зарождения жизни, однако и они были продуктом эволюции из чего-то еще. А это «что-то еще», возможно, возникло из первых липидов и клеточных мембран и первых самовоспроизводящихся молекул, созданных из аминокислотного сырья. Об этом мы пока ничего не знаем.

Итак, на пути к истокам жизни мы наблюдаем, как картина стремительно усложняется. Никаких ископаемых останков, относящихся к периоду 3,5–4 миллиарда лет назад, не сохранилось, хотя одна группа геологов утверждает, будто обнаружила ископаемые клетки в австралийских скальных породах возрастом в 3,4 миллиарда лет. В нашем распоряжении лишь химические осадки и минеральные структуры, оставшиеся от колоний одноклеточных организмов или чего-то, что им предшествовало. В результате нам приходится экстраполировать молекулярные эквиваленты ископаемых останков – например, белковые структуры, закодированные в современных ДНК. Каждая из этих структур – это словно микроскопическое напластование, скопированное в несчетных квадрильонах организмов на протяжении истории жизни на Земле. В результате возникает неприятная проблема: нужно ответить на вопросы, сколько независимых линий жизни могло возникнуть на Земле и сколько случаев абиогенеза в принципе могло иметь место и на нашей планете, и в других уголках Солнечной системы. История генетических ископаемых не предусматривает точной хронологии, которая позволяла бы сопоставлять перемены в генетике с событиями во внешнем мире, и мы, очевидно, не очень-то уверены, что можно было бы считать настоящим научным определением зарождения жизни. Задолго до появления последнего универсального общего предка нам все равно приходится задаваться вопросом, в какой момент можно считать сложную молекулярную структуру «живой». Вопрос этот древний, как сама наука, и лаконичного ответа на него мы до сих пор не сформулировали, поскольку характеристик у жизни множество – от метаболизма до размножения и наследования, от гомеостазиса (регуляции внутренней среды) до способности приспосабливаться к внешней среде. Однако в биологическом подлеске шныряют кое-какие подсказки.

Например, об ответе на этот вопрос нам многое говорит удивительный случай гигантских вирусов. Вирусы долго было принято считать «не совсем живыми» – это упрощенные наборы ДНК и РНК, которые получают молекулярный инструментарий для размножения исключительно от организмов-хозяев и, таким образом, полностью от них зависят. Однако природу не так-то легко уложить в рамки классификации. В начале девяностых годов ХХ века исследователи, изучавшие амеб, которые живут в воде кондиционеров и систем охлаждения воздуха, наткнулись на организм, который инфицировал этих крошечных существ. Поначалу его приняли за разновидность бактерий, но затем, в начале двухтысячных, рассмотрели под электронным микроскопом, и оказалось, что это вирус, просто исполинских размеров.

«Мимивирус» имеет в поперечнике около 750 нанометров – настоящий великан среди вирусов. Он не просто гораздо крупнее подавляющего большинства известных вирусов, но еще и несет в себе весьма примечательную ДНК. Эта ДНК содержит почти 1,2 миллиона «буковок»-нуклеотидов, и ее гены кодируют более чем 900 видов белковых молекул. Казалось бы, не так уж много, – в человеческой ДНК закодировано вплоть до 25 000 белковых молекул, – однако стоит учесть, что минимальный генетический код, который мы видели у обычного вируса, состоит всего-то из четырех генов. А столько генетической информации, сколько у мимивируса, нет даже в ДНК некоторых бактерий. Мимивирус – настоящий монстр. Со времени открытия первых гигантских вирусов было обнаружено еще несколько видов (если этот термин тут уместен), в том числе и вирус, получивший довольно громкое название «мегавирус», ДНК которого вмещает примерно на 140 генов больше, чем ДНК мимивируса. Это наводит на мысль, что гигантские вирусы – отнюдь не аномалия, а просто еще один узор в роскошном убранстве жизни.

Но живые ли они? Заслуживают ли они своего домена на древе жизни? Исследователи, изучающие сложные белковые коды, которые несут в себе гигантские вирусы, обнаружили несколько поразительных молекулярных особенностей, которые помогают ответить на эти вопросы. Хотя эти вирусы не могут воспроизводиться без организма-хозяина, как и их более мелкие родственники, и точно так же пользуются хозяйскими ДНК, они несут гены древних белковых структур, которые присутствуют и у клеточных организмов – бактерий, архей и эукариотов. Вдобавок они содержат ферменты, участвующие в преобразовании кода ДНК в белки, – те самые энзимы, которые мы раньше встречали только в живых клетках.

Такого мы от вирусов не ожидали. Эти гигантские вирусы – словно безработные механики, таскающие при себе старые наборы инструментов. Хотя вирусы способны перенимать гены у других организмов, крайне маловероятно, чтобы гигантские вирусы заполучили все эти полезные гены по одному. Напрашивается примечательный вывод: эти организмы, возможно, представляют собой «де-эволюционирующие», редуцированные версии чего-то другого, некогда более сложного. Они почти совсем – но не совсем – способны самовоспроизводиться. А когда-то, вероятно, были способны. Где-то на эволюционном пути они обнаружили, что им гораздо лучше живется в роли заразных паразитов, а может быть, просто не удалось вести самодостаточное существование. Некоторые ученые, исследующие эти незаурядные вирусы, полагают, что они, возможно, произошли от совершенно иной ветви жизни, которая либо предшествовала последнему универсальному общему предку, либо сосуществовала с ним у основания остальных ветвей.

* * *

Время покажет, к чему нас приведут эти исследования, однако в связи с байесовской интерпретацией вероятности возникновения жизни возникают некоторые интересные вопросы. Имеем ли мы право считать, например, первопредка гигантских вирусов подлинно независимой версией жизни? Судя по всему, биохимия у него полностью такая же, как и у всех нас, и он, возможно, зародился в болотистом «мире РНК», а может быть, возник из каких-то еще более ранних химических соединений. Однако если он возник не одномоментно с нашим последним универсальным общим предком, а с разницей в несколько десятков или сотен миллионов лет, можно ли считать это случаем независимого зарождения жизни?

А возможно, подобная «де-эволюция» говорит нам о чем-то другом. Не исключено, что это свидетельство того, что когда на планете зарождается и развивается жизнь, у отдельных доменов с обособленными биомолекулярными стратегиями остается относительно мало времени на самоутверждение, иначе они потерпят поражение в конкурентной борьбе за сырье и энергию. Если это так, следовательно, жизнь на планете устроена по принципу «обслуживания в порядке очереди». А значит, едва ли природа проводит эксперименты с «новыми» типами жизни. У них просто нет шансов выдержать конкуренцию за ресурсы и место под солнцем.

Это подводит нас к очень важному вопросу. Действительно ли известная нам фундаментальная биохимия жизни уникальна в масштабах планеты? А вдруг возможна принципиально независимая разновидность жизни с принципиально иной биохимией, и она сосуществует с нами и по сей день? Иными словами, если она сумела избежать прямой конкуренции со всеми известными организмами, возможно, она просто скрывается от невооруженного взгляда.

Многие ученые, а особенно физик Пол Дэвис, тщательно изучили идею о том, как такая жизнь могла бы либо полностью ускользнуть от прямого наблюдения, либо каким-то образом спрятаться и существовать среди всего прочего. Не исключено, что «теневая жизнь» опирается на совершенно иную химическую конституцию и именно благодаря этой конституции скрывается и от химических, и от физических методов наблюдений. Это всего лишь гипотеза, причем непроработанная, поскольку фундаментальная биохимия известной нам жизни на Земле прекрасно справляется со своей задачей. Поиски альтернативного молекулярного языка, при помощи которого природа способна создавать организмы, – серьезное испытание для нашего воображения, а может быть, и для самой природы. Вести их прямо и непосредственно будет очень трудно. Поскольку нам не встречалось ни одного живого существа, которое бы ходило, ползало, летало или плавало и при этом было бы основано на принципиально иной биохимии, естественно обратить внимание на микрокосм. Однако все не так просто. Даже сейчас львиная доля наших знаний о нормальной микроскопической жизни почерпнута из изучения генетики популяций, а не отдельных особей – и зачастую даже не отдельных видов, а этакого генетического бульона из множества видов и семейств. Исследовать население, например, пруда или ямки под камнем – дело в самом лучшем случае кропотливое и занудное. А если ищешь теневые организмы, не зная наперед, помогут ли в этом известные биохимические анализы, быстрого прогресса ожидать не приходится.

Можно, например, прибегнуть к хитрости и искать незнакомые организмы, которые выживают в условиях, где все «известные» формы жизни неизбежно погибнут. Пусть токсичная среда оставит нам лишь все необычное. Беда в том, что привычная жизнь прекрасно научилась адаптироваться и выживать на грани возможного и цепляется за жизнь зубами и когтями (конечно, в переносном смысле). Именно это ее свойство и стало причиной сенсации в конце 2010 года, вызвавшей оживленные споры в научных кругах.

Все началось с исследования среды поистине кошмарной – даже по меркам самых кошмарных уголков нашей планеты. Речь идет об озере Моно, которое находится у восточной оконечности Йосемитского национального парка в Калифорнии, у самой границы с Невадой. Моно – полностью окруженное сушей озеро, наполнившееся водой примерно 760 000 лет назад. Замкнутость системы озера в сочетании с особым составом вулканических минералов на его дне привела к тому, что вода в нем перенасыщена солями и содержит много щелочи. Деятельность человека лишь усугубила ситуацию: в сороковые годы ХХ века воду из множества источников, питавших озеро, отвели в сторону, чтобы утолять жажду обитателей растущего Лос-Анджелеса.

Поскольку пресной воды в озеро стало попадать гораздо меньше, оно стремительно испарялось и становилось все меньше и солонее – и теперь его соленость вдвое больше, чем у океанской воды в среднем. Несмотря на это, озеро представляет собой необычайно продуктивную экосистему, где в изобилии водятся рачки-артемии, щелочные мухи, бактерии и колонии птиц, которые всем этим питаются. Жизнь здесь изобильна и разнообразна, что заставляет забыть о том, насколько ядовита местная вода. А между тем в воде из горных источников, которые питают озеро, очень много мышьяка, который сильно мешает нормальной биохимии. Мышьяк – один из самых коварных элементов в таблице Менделеева, если вообще можно говорить о коварстве химических элементов. А все дело в том, что атомы мышьяка ведут себя (опять олицетворение!) похоже на атомы фосфора, а фосфор играет в биохимии важнейшую роль. Атом мышьяка значительно больше, однако внешняя оболочка электронов, благодаря которым он и участвует в химических реакциях, у него такая же, как и у фосфора. В результате, если мы усваиваем мышьяк в виде молекул арсената (мышьяка с кислородом), эти молекулы временно обманывают организм и притворяются фосфатом, что приводит к катастрофе.

Наш организм пытается встроить арсенат в разные жизненно важные места – от молекул, передающих энергию, вплоть до самой своей основы – ДНК, где значение фосфатов в нормальной ситуации очень велико. И хотя наша биохимия обманывается и путает арсенат с фосфатом, функционирует мышьяк совсем иначе, и в конце концов чужеродные молекулы нарушают работу клетки и убивают хозяина. То, почему мышьяк так похож на фосфор с химической точки зрения, до сих пор отчасти загадка – и это наводит некоторых ученых на мысль, что некоторые организмы от мышьяка не умирают, а эволюционируют так, чтобы работать не на фосфоре, а на мышьяке. Жизнь на основе мышьяка могла бы развиться в особых экосистемах – в частности, в вязком иле на дне озера Моно. Представляется, что это вполне разумная гипотеза теневой жизни, по крайней мере, на бумаге.

Однако в ее фундаментальных предпосылках есть серьезные противоречия. Необычайно тонкие механизмы органической химии, обеспечивающие «нормальную» жизнь на Земле, основаны на вполне конкретной физике вполне определенных атомов и молекул. Если заменить один атом другим, другого размера и массы, это приведет к радикальному изменению энергии связей между атомами и молекулами и энергетики химических реакций в целом. Из соображений одной лишь физики представляется невероятным, чтобы мышьяк мог заменить фосфор и при этом не пришлось бы существенно переписывать биомолекулярный код жизни.

Однако лучше один раз увидеть, чем сто раз теоретизировать, поэтому в конце 2010 года группа исследователей, получивших грант НАСА, опубликовала результаты подробного изучения микроорганизмов, обитающих в насыщенных мышьяком илистых осадках на дне озера Моно. Ученые придумали эксперимент, позволяющий выманить на поверхность любые организмы, которые сопротивлялись токсическому воздействию мышьяка или даже встраивали его в свою биохимию. Для этого нужно было выращивать культуры бактерий и архей в растворах, содержащих все меньше и меньше фосфора и все больше и больше мышьяка. И вот что интересно: один вид бактерий, входящий в семейство под названием Halomonadaceae – состоящее из больших любителей соли – судя по всему, прекрасно себя чувствовал даже там, где фосфора почти не оставалось. Ученые задались вопросом, не устроен ли этот микроб принципиально иначе, нет ли у него «теневой стороны». Вдруг это и есть жизнь на основе мышьяка?

Дальнейшие события были ярчайшим примером неоправданной научной дерзости – СМИ заявили, будто это открытие переворачивает представления о жизни на Земле и других планетах, поползли слухи и досужие домыслы. Мне очень повезло: я успел прочитать пресс-релиз НАСА еще до того, как новость получила широкую огласку. На первый взгляд это было просто поразительно. Ученые утверждали, что получили надежные доказательства, что этот вид бактерий мало того что невосприимчив к воздействию ядовитого мышьяка, но и инкорпорирует его в свою ДНК, что не мешает ей нормально функционировать! «Как будто мы с вами превратились в нормально функционирующих киборгов, посидев в комнате, где было полным-полно микросхем и никакой еды», – сказал я тогда.

Однако едва научный отчет увидел свет, как микробиологи стали находить в анализе ошибки. К тому же некоторые заявления в СМИ не подтверждались данными отчета. Правда, повторить и исследовать результаты было далеко не просто – этот вид бактерий ранее не был известен, а для воспроизведения результатов требовалось существенное количество анализов и экспериментов. Это был не самый приятный момент в истории науки. На пути прогресса встали личные амбиции, а журналисты, попытавшись представить все определенно и недвусмысленно, лишь подлили масла в огонь массовой истерии и споров.

Затем страсти улеглись, и ученые из других лабораторий смогли независимо изучить данные эксперимента. Пожалуй, справедливо будет сказать, что на сегодня подавляющее большинство ученых полагают, что эти бактерии на удивление устойчивы к мышьяку, однако назвать это жизнью на основе мышьяка нельзя. Просто бактерии научились находить отличные стратегии выживания даже при полном погружении в ядовитую среду. Да, они даже сумели инкорпорировать мышьяк в несколько процессов, где он функционально заменяет фосфор, однако в результате эти процессы идут гораздо хуже, чем обычные, на основе фосфора. А доказательств, что мышьяк действует точно так же, как фосфор, в самой ДНК бактерий, и вовсе не нашлось. Более того, если убрать весь фосфор до последней крошки, эти бактерии погибнут, как и все остальные известные нам живые существа.

Вот и исследование, проведенное в 2012 году, показало, что белки у этих бактерий, отвечающие за извлечение фосфоросодержащих молекул из окружающей среды, предпочитают эти молекулы в 4000 раз сильнее, чем такие же молекулы, в которых вместо фосфора содержится мышьяк. Иначе говоря – и в этом есть некоторый парадокс – все дело в том, что этот организм мастерски умеет находить фосфор, даже когда его окружает целый океан мышьяка. Подобная разборчивость позволяет бактерии выживать даже там, где другие падут под натиском яда.

Очень жаль. Как было бы чудесно, если бы нам удалось найти образчик теневой жизни! Однако, похоже, не удалось. И пусть эта история послужит предостережением, ярким примером того, какие опасности ждут каждого, кто будет искать теневую жизнь, затаившуюся у нас прямо под носом, жизнь, которая совсем иначе устроена и происходит от независимого источника. Однако можно сделать важные выводы даже из того, насколько это трудно. Почему теневую жизнь так сложно разглядеть и почему так легко обмануться?

* * *

Эта история возвращает нас к фундаментальному вопросу о том, насколько предвзято мы относимся ко Вселенной вокруг нас, и в том числе к собственному месту в ней. Теорема Томаса Байеса говорит нам, что по состоянию на сейчас у нас не хватает необходимой информации, в том числе – есть ли жизнь, независимая от нашей, как здесь, на Земле, так и в других местах в космосе. У нас масса свидетельств, что известные формы жизни прекрасно вписываются в химическую композицию мироздания, мы убедились, что Вселенная производит планеты в изобилии. Но нам еще предстоит связать с этим сам факт своего существования, сделать количественную оценку. Однако я бы делал ставку на то, что мы добьемся лучших результатов, если будем экстраполировать «вниз» – от знаний о богатейшей сокровищнице межзвездных молекул и о процессах формирования молекул. Легко видеть, что свойства жизни на Земле связаны именно с этим набором условий во Вселенной. Пойти в обратном направлении, то есть экстраполировать «вверх» свои знания и предположения о зарождении жизни на Земле и на этой основе предсказать вероятность зарождения жизни в других местах, похоже, не получается. Попытки проделать что-то подобное в прошлом приводили к прямо противоположным выводам – от уникальности рода человеческого до множественности обитаемых миров. А когда мы применили к вопросу о космическом абиогенезе байесовский анализ, то вернулись к исходной точке.

Разумеется, наши выводы о существовании внеземной жизни отчасти основаны на обстоятельствах нашего собственного бытия, однако в этом таится опасность. Чтобы избежать подобной логической западни, нам следует постоянно держать в памяти, что наши представления о Вселенной сами по себе порождены нашим положением и окружением. Не исключено, что шоры на наших любопытных глазах куда больше, чем мы думали, и нужно попытаться снять их.