Préface de Boris Stern
Nous avons depuis longtemps prévu de tenir une discussion sur la question éternelle de la place de l'homme dans l'Univers. Ceci, bien sûr, concerne la vie extraterrestre et les planètes d'autres étoiles. À l'heure actuelle, un peu moins de 6 000 exoplanètes sont connues, dont plus de 2 000 attendent une confirmation indépendante. Mais pour la recherche statistique, vous pouvez utiliser les 6 mille.
Il y a très peu de planètes parmi elles qui sont censées être propices à la vie. C'est naturel, car ce sont les plus difficiles à trouver: un effet de sélection très puissant agit contre les planètes semblables à la Terre. Ils sont trop légers pour être capturés par la vitesse radiale d'une étoile, et leur année est trop longue pour que leurs transits puissent être déterrés de manière fiable du télescope spatial Kepler 1. L'exception est les planètes dans la zone habitable des naines rouges, qui sont ouvertes sous notre nez, il est beaucoup plus facile de les trouver. Il y a beaucoup de telles planètes, mais, hélas, les naines rouges sont très gênantes pour la vie à côté d'elles. Cependant, l'extrapolation des données de Kepler pour les «terres chaudes» d'étoiles comme le Soleil donne un résultat très optimiste: au moins 15% de ces étoiles ont des planètes dans leur zone habitable. Cette estimation a été obtenue indépendamment par de nombreux auteurs,et avec le temps il devient de plus en plus optimiste: 20% et même un quart des soleils ont des terres. Cela signifie que l'étoile de classe G ou K la plus proche de nous avec la Terre en orbite dans la plage habitable est à moins de 15 années-lumière. Il existe peu de telles stars et des candidats émergent déjà, par exemple Tau Ceti. Et il y a beaucoup de ces planètes dans un rayon de, disons, 30 années-lumière.
Les méthodes d'observation progressent progressivement. De nouvelles planètes proches de la Terre seront découvertes à l'aide de l'instrument amélioré HARPS. Au cours de la prochaine décennie, nous apprendrons une chose ou deux sur les atmosphères de certaines planètes semblables à la Terre à l'aide d'instruments tels que le géant extrêmement grand télescope (ELT) et le télescope spatial James Webb. Et il est possible que de l'oxygène apparaisse dans le spectre d'absorption de l'atmosphère d'une planète en transit (passant par le disque d'une étoile). Si l'étoile n'est pas trop active et assez âgée, l'oxygène ne peut être que biogène. C'est ainsi que la vie extraterrestre peut être détectée.
Est-ce que c'est réel? Si la vie surgit dans n'importe quel coin dès que les conditions se présentent, pourquoi pas? Mais est-ce vrai? On dit souvent que la vie sur Terre est apparue très rapidement, ce qui signifie que c'est le cas - quelques centaines de millions d'années suffisent pour qu'elle apparaisse dans une sorte de soupe. Mais il y a aussi un contre-argument - une «soupe» convenable ne peut exister que sur une jeune planète - la vie survient rapidement ou jamais.
Et, bien sûr, il y a le point de vue opposé: la vie est un phénomène rare basé sur une coïncidence complètement incroyable. Le point de vue le plus détaillé à ce sujet, professionnel et avec des estimations quantitatives, a été exprimé par Evgeny Kunin. La vie est basée sur la copie de longues molécules, à l'origine elles étaient des molécules d'ARN. La copie est effectuée par un certain appareil appelé "réplicase" (ces lignes ont été écrites par un physicien, donc la terminologie du point de vue d'un biologiste est quelque peu maladroite). La réplicase ne viendra de nulle part si elle n'est pas programmée dans le même ARN copié.
Selon Kunin, pour que l'auto-reproduction de l'ARN démarre, et avec elle son évolution, «au minimum, l'apparition spontanée du suivant est nécessaire.
- Deux ARNr d'une taille totale d'au moins 1000 nucléotides.
- Environ 10 adaptateurs primitifs de 30 nucléotides chacun, pour un total d'environ 300 nucléotides.
- Au moins un ARN codant pour la réplicase a une taille d'environ 500 nucléotides (score inférieur). Dans le modèle accepté, n = 1800 et, par conséquent, E <10 - 1081 ".
Dans le fragment donné, nous entendons un codage à quatre lettres, le nombre de combinaisons possibles est de 41800 = 101081, si seulement quelques-unes d'entre elles démarrent le processus d'évolution, alors la probabilité de l'assemblage requis pour une "tentative" d'assemblage spontané est de ~ 10-1081.
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Il n'y a pas de contradiction dans le fait que le résultat est sous nos yeux, il n'y en a pas: selon la théorie de l'inflation, l'Univers est énorme, des dizaines d'ordres de grandeur plus grand que sa partie visible, et si nous comprenons l'univers comme un espace fermé, alors il y a des univers avec le même vide que le nôtre, un ensemble gigantesque … La plus petite probabilité est réalisée quelque part, donnant lieu à un spectateur surpris.
Ces deux extrêmes signifient beaucoup en termes de notre place dans l'univers. En tout cas, nous sommes seuls. Mais si la vie existe à des dizaines d'années-lumière de nous, c'est la solitude technologique surmontée par le développement et la patience millénaire. Si l'appréciation de Kunin est correcte, c'est une solitude fondamentale qui ne peut être surmontée par rien. Alors nous et la vie terrestre sommes un phénomène unique dans le volume causalement connecté de l'Univers. Le seul et le plus précieux. C'est important pour la future stratégie de l'humanité. Dans le premier cas, la base de la stratégie est la recherche. Dans le second cas - semis (il existe même un tel terme "panspermie dirigée"), qui comprend également la recherche d'un sol approprié.
Tout cela mérite une discussion. Y a-t-il des failles dans l'argument de Kunin? Y a-t-il des mécanismes qui peuvent être discernés en contournant la «complexité inimitable» du réplicateur d'ARN? Est-ce vraiment impardonnable? Etc.
Nous avons demandé leur avis à plusieurs biologistes.
Alexander Markov, Ph. D. biol. sciences, conduit. scientifique. sotr. Institut paléontologique RAS, chef. Département d'évolution biologique, Faculté de biologie, Université d'État de Moscou:
L'évaluation d'Evgeny Kunin, qui implique que nous sommes désespérément seuls dans l'univers, repose sur une hypothèse clé. Kunin pensait que pour démarrer le processus de réplication de l'ARN (et avec elle l'évolution darwinienne; il est logique de considérer ce moment comme le moment de l'origine de la vie), il était nécessaire que purement par hasard - à la suite d'une combinaison aléatoire de polymérisation (par exemple, sur des matrices minérales) de ribonucléotides - un ribozyme à activité ARN polymérase est apparu, c'est-à-dire une longue molécule d'ARN qui a une séquence nucléotidique complètement définie (et pas n'importe laquelle) et, de ce fait, est capable de catalyser efficacement la réplication de l'ARN.
S'il n'y a pas d'autre moyen, une autre «entrée» dans le monde des vivants à partir du monde de la matière inanimée, alors Kunin a raison, et nous devrions abandonner l'espoir de trouver une vie dans l'Univers sauf sur terre. On peut supposer que tout a commencé non pas avec une seule polymérase hautement efficace, mais, par exemple, avec une certaine communauté de petites polymérases et ligases inefficaces (ribozymes capables de piquer des molécules d'ARN courtes en molécules plus longues): cela rendra peut-être l'évaluation un peu plus optimiste, mais ne changera pas fondamentalement la situation. Parce que le premier réplicateur était encore très complexe et qu'il aurait dû apparaître sans l'aide de l'évolution darwinienne - en fait, par accident.
Une alternative viable est la réplication non enzymatique de l'ARN (ARN NR): un processus par lequel les molécules d'ARN sont répliquées sans l'aide de ribozymes complexes ou d'enzymes protéiques. Un tel processus existe, il est catalysé par les ions Mg2 +, mais il va trop lentement et de manière imprécise - du moins dans les conditions que les chercheurs ont eu le temps d'essayer.
Cependant, il y a un espoir qu'il sera néanmoins possible de trouver des conditions plausibles (qui, en principe, pourraient exister sur certaines planètes), lorsque l'ARN NR va assez vite et avec précision. Cela nécessite peut-être une sorte de catalyseur relativement simple qui peut être synthétisé de manière abiogène. Il est possible que de simples peptides abiogéniques avec plusieurs résidus d'acide aspartique chargés négativement qui retiennent les ions magnésium puissent agir comme de tels catalyseurs: les protéines ARN polymérases ont des centres actifs similaires, et cette possibilité est actuellement à l'étude.
La question de la possibilité d'un ARN NR efficace est d'une importance fondamentale pour évaluer la probabilité de début de vie. Si NR ARN est possible, alors il peut y avoir pas mal de planètes vivantes dans l'Univers observable. Les différences fondamentales entre les deux scénarios - avec ARN NR possible et impossible - sont présentées dans le tableau. Si NR est possible, alors l'évolution darwinienne pourrait commencer presque immédiatement après l'apparition des premières molécules d'ARN courtes. L'avantage sélectif aurait dû être obtenu par les molécules d'ARN qui se sont multipliées plus efficacement au moyen de HP. Celles-ci pourraient être, par exemple, des molécules avec des répétitions palindromiques, qui pourraient elles-mêmes servir d'amorces - "graines" pour la réplication; les palindromes peuvent se replier en structures tridimensionnelles - «épingles à cheveux», ce qui augmente la probabilité d'apparition de propriétés catalytiques dans la molécule d'ARN. Quoi qu'il en soit, aprèsAu début de l'évolution darwinienne, le développement ultérieur de la vie a été déterminé non seulement par le hasard, mais aussi par la loi.
Les estimations de la probabilité (fréquence) de l'origine de la vie dans ces deux scénarios devraient différer d'un grand nombre d'ordres (bien que, bien entendu, personne ne donnera des chiffres exacts). Il est également important de noter que si la vie est née «selon Kunin», c'est-à-dire du fait de l'assemblage aléatoire d'une ribozyme-polymérase efficace, alors le principe de complémentarité (appariement spécifique de nucléotides), sur lequel la capacité de l'ARN à se reproduire et à évoluer, se révèle être une sorte de «piano dans les buissons », Ce qui n'avait rien à voir avec le fait qu'une telle quantité énorme de molécules d'ARN s'était accumulée sur les planètes qu'un ribozyme efficace avec une activité ARN polymérase est apparu accidentellement sur l'une des planètes. Si la vie est née "selon Shostak" (le lauréat du prix Nobel Jack Shostak étudie actuellement activement l'ARN NR et estime que ce processus est la clé du mystère de l'origine de la vie),alors la complémentarité n'était pas un «piano dans la brousse», mais fonctionnait dès le début. Cela rend l'ensemble du scénario d'origine de la vie beaucoup plus convaincant et logique. Je parierais sur Shostak.
Ainsi, maintenant, tout dépend du succès des spécialistes dans le domaine de la chimie prébiotique. S'ils trouvent des conditions réalistes dans lesquelles l'ARN NR se déroule bien, alors nous avons une chance de trouver la vie sur d'autres planètes. Et sinon, alors … nous devons chercher plus loin.
Armen Mulkidzhanyan, Dr. biol. Sci., Université d'Osnabrück (Allemagne), dirigé. scientifique. sotr. MSU:
Il est difficile de contester le fait que la vie est née il y a longtemps et sur la jeune Terre. La terre est composée de roches chondritiques, comme les météorites. L'échauffement de ces roches lors de la formation de la Terre a provoqué la fonte de l'eau apportée avec des chondrites. L'interaction de l'eau avec une roche chauffée et réduite aurait dû conduire à la libération d'électrons, à la formation d'hydrogène et à la réduction du dioxyde de carbone (CO2) en divers composés organiques. Des processus similaires sont toujours en cours dans les zones d'activité géothermique, par exemple dans les champs géothermiques, mais à faible intensité. On peut donc s'attendre à la formation de matière organique en grande quantité sur les jeunes planètes d'autres étoiles. La probabilité que la vie puisse survenir dans ce cas peut être estimée en considérant l'évolution de la vie terrestre.
Pendant les deux premiers milliards d'années, seuls les microbes ont vécu sur Terre. Cela aurait continué ainsi, mais il y a environ 2,5 milliards d'années, les bactéries photosynthétiques ont appris à utiliser l'énergie de la lumière pour décomposer l'eau. La photosynthèse est apparue à l'origine pour remplacer les processus géochimiques amortis de "déversement" d'électrons en excès. Dans la photosynthèse, l'énergie de la lumière est utilisée pour oxyder divers composés, c'est-à-dire pour leur «enlever» des électrons, pour photoactiver ces électrons et finalement réduire le CO2 en composés organiques par eux. Le système de décomposition de l'eau est le résultat de l'évolution progressive d'enzymes photosynthétiques plus simples conservées dans certaines bactéries. Il existe plusieurs scénarios très plausibles sur la façon dont ces enzymes, utilisant la lumière et la chlorophylle, ont d'abord oxydé le sulfure d'hydrogène oxydé (et même maintenant certaines personnes le font), puis,au fur et à mesure que le sulfure d'hydrogène dans le milieu était épuisé, les électrons étaient prélevés sur les ions fer ferreux, puis sur les ions manganèse. En conséquence, ils ont en quelque sorte appris à décomposer l'eau. Dans ce cas, les électrons retirés de l'eau sont allés à la synthèse de matière organique et l'oxygène a été libéré comme sous-produit. L'oxygène est un agent oxydant très puissant. Je devais me défendre contre lui. L'émergence de la multicellularité, du sang chaud et, finalement, de l'intelligence sont tous des stades différents de protection contre l'oxydation par l'oxygène atmosphérique.sang chaud et, finalement, raison - ce sont tous des stades différents de protection contre l'oxydation par l'oxygène atmosphérique.sang chaud et, finalement, raison - ce sont tous des stades différents de protection contre l'oxydation par l'oxygène atmosphérique.
La décomposition de l'eau se produit dans un centre catalytique unique contenant un groupe de quatre atomes de manganèse et un atome de calcium. Dans cette réaction, qui nécessite quatre quanta de lumière, deux molécules d'eau (2 H2O) se décomposent à la fois pour former une molécule d'oxygène (O2). Cela nécessite l'énergie de quatre quanta de lumière. En réponse à l'absorption de trois quanta de lumière, trois lacunes d'électrons ("trous") s'accumulent sur les atomes de manganèse, et seulement lorsque le quatrième quantum de lumière est absorbé, les deux molécules d'eau sont oxydées, les trous sont remplis d'électrons et une molécule d'oxygène se forme. Bien que la structure du groupe de manganèse ait été récemment déterminée avec une grande précision, le fonctionnement de ce dispositif à quatre temps n'est pas entièrement compris. On ne sait pas non plus comment et pourquoi dans le centre catalytique, où dans les bactéries photosynthétiques primitives, apparemment,les ions manganèse ont été oxydés, quatre de ses atomes combinés avec un atome de calcium en un amas capable de décomposer l'eau. La thermodynamique de la participation de la chlorophylle à l'oxydation de l'eau est également mystérieuse. Théoriquement, la chlorophylle sous illumination peut oxyder le sulfure d'hydrogène, le fer et le manganèse, mais pas l'eau. Cependant, il s'oxyde. En général, c'est comme pour un bourdon: "Selon les lois de l'aérodynamique, un bourdon ne peut pas voler, mais il ne le sait pas et ne vole que pour cette raison."
Il est très difficile d'évaluer la probabilité d'un système de décomposition de l'eau. Mais cette probabilité est très faible, puisqu'en 4,5 milliards d'années un tel système n'est apparu qu'une seule fois. Il n'y avait aucun besoin particulier, et sans lui, les microbes se développeraient sur Terre, étant inclus dans les cycles géochimiques. De plus, après l'apparition de l'oxygène dans l'atmosphère, la majeure partie de la biosphère microbienne aurait dû mourir ou, plus précisément, brûler - l'interaction de la matière organique avec l'oxygène est la combustion. Seuls les microbes ont survécu, ayant appris à respirer, c'est-à-dire à restituer rapidement l'oxygène dans l'eau directement sur leur enveloppe extérieure, l'empêchant de l'intérieur, ainsi que les habitants des quelques niches écologiques restantes sans oxygène.
Cette histoire peut servir d'exemple d'un événement relativement récent (il y a environ 2,5 milliards d'années) et relativement compréhensible qui a conduit à une forte augmentation de la complexité des systèmes vivants. Tout a commencé par des changements progressifs des enzymes photosynthétiques. Ensuite, il y a eu une invention évolutive unique et très non triviale (cluster manganèse-calcium), qui n'aurait peut-être pas été. Les énormes changements ultérieurs ont été une réaction à l'apparition d'oxygène "toxique" dans l'atmosphère: la sélection darwinienne activée à pleine puissance, j'ai dû apprendre à respirer plus profondément et à bouger mon cerveau.
Au total, nous avons un processus qui se déroule en trois étapes: (1) des changements graduels - (2) un événement improbable ponctuel - (3) une évolution ultérieure, mais à un niveau différent ou dans des conditions différentes. Ce schéma peut être considéré comme un analogue moléculaire du schéma classique des aromorphoses de Severtsov.
Si vous regardez l'évolution post-oxygène, vous pouvez identifier plusieurs autres événements ponctuels improbables qui ont changé le cours de l'évolution. Il s'agit de «l'assemblage» d'une cellule eucaryote complexe, de l'émergence de plantes vasculaires et de diverses «percées» dans l'évolution des animaux, ce dont Severtsov a en fait écrit.
L'émergence de la vie, qui dans le cadre de l'hypothèse du monde de l'ARN est comprise comme l'émergence d'ensembles auto-reproducteurs de molécules d'ARN (réplicateurs), peut également être représentée comme un processus en trois étapes.
1) Étape préparatoire: les ribonucléotides formant l'ARN sont capables de «s'assembler» spontanément à partir de molécules simples comme le cyanure ou le formamide sous l'influence de la lumière ultraviolette (UV). Il était en abondance sur la jeune Terre; il n'y avait pas encore d'ozone absorbant les ultraviolets dans l'atmosphère, car il n'y avait pas d'oxygène, voir ci-dessus. Comme l'ont montré Pouner et Saderland (Université de Manchester), les nucléotides sous une forme cyclique spéciale «activée» sont «sélectionnés» à la lumière UV, ces nucléotides étant capables de former spontanément des chaînes d'ARN. De plus, les chaînes d'ARN doubles Watson-Crick sont nettement plus résistantes aux rayons UV que les chaînes simples - ce résultat a été décrit par Evgeny Kunin dans son tout premier travail publié en 1980. C'est-à-dire que sur la jeune Terre, en raison du flux d'électrons "supplémentaires", une variété de molécules organiques pourrait se former,mais sous l'influence d'un rayonnement solaire dur, ce sont principalement des molécules de type ARN, de préférence enroulées dans des structures hélicoïdales, qui ont survécu.
2) Événement ponctuel et improbable: un ensemble de plusieurs molécules de type ARN a commencé à se copier (des milliards d'années plus tard, des ensembles d'ARN autocopiants similaires ont été obtenus par sélection d'ARN dans des conditions de laboratoire).
3) Évolution ultérieure: les réplicateurs d'ARN ont commencé à se concurrencer pour les ressources, à évoluer, à s'unir en de plus grandes communautés, etc.
L'inconvénient de ce schéma hypothétique est que ni les détails moléculaires de l'origine des réplicateurs d'ARN, ni les facteurs naturels qui contribuent à leur sélection ne sont connus. L'espoir est donné par le fait que dans le cas du prochain événement évolutif le plus important (et à son tour), à savoir l'émergence de ribosomes, des machines pour la synthèse des protéines, les détails moléculaires ont été reconstruits. Cela a été fait par diverses méthodes dans quatre laboratoires; les résultats des reconstructions sont très similaires. En bref, l'ancêtre des ribosomes modernes très complexes était une construction de deux boucles d'ARN de 50 à 60 ribonucléotides chacune, capables de combiner deux acides aminés avec une liaison peptidique. Les étapes intermédiaires sur le chemin de cette structure à deux boucles aux ribosomes modernes ont été suivies en détail par Konstantin Bokov et Sergey Stadler (Université de Montréal),La lauréate du prix Nobel Ada Yonath et ses collègues (Institut Weizmann), George Fox et ses collègues (Université de Houston) et Anton Petrov et ses collègues (Université de Géorgie).
Le ribosome, qui avait au départ une sous-unité d'ARN catalytique, est progressivement devenu plus complexe et a augmenté en taille, tout ce temps synthétisant des séquences de protéines à partir d'un ensemble aléatoire d'acides aminés. Ce n'est qu'aux derniers stades de son évolution qu'elle a fusionné avec une autre molécule d'ARN, qui est devenue une petite sous-unité du ribosome, et la synthèse des protéines codées a commencé. Ainsi, l'émergence du code génétique est un événement évolutif improbable séparé de l'émergence de la synthèse des protéines ribosomales.
Très probablement, des recherches complémentaires permettront de reconstituer à la fois l'émergence de réplicateurs et d'autres événements improbables, par exemple ceux associés à l'émergence des premières cellules, l'échange de gènes entre les premières cellules et les virus, etc.
Revenant aux questions posées sur les probabilités: notre examen détaillé montre que l'évolution de la vie terrestre n'est pas une «coïncidence absolument incroyable», mais de nombreux événements successifs extrêmement improbables.
Une génération puissante de matière organique se déroulait probablement sur d'autres jeunes planètes. Mais cela n'a pas nécessairement conduit à l'émergence de la vie. Si l'ensemble d'ARN auto-réplicatif ne s'était pas rassemblé sur Terre, il n'y aurait pas eu de vie. La production de matière organique s'estomperait progressivement et la Terre deviendrait semblable à Mars ou à Vénus.
Mais même en cas d'émergence de la vie sur d'autres planètes, cette vie pouvait "rester bloquée" à n'importe quel stade initial, et la probabilité de rester pour toujours à un niveau primitif de développement était incomparablement plus élevée que la probabilité de franchir la prochaine étape et d'aller plus loin.
Par conséquent, la probabilité de rencontrer des extraterrestres sages sur une autre planète est incommensurablement inférieure à la chance d'entrer dans une vase simple mais vivante là-bas (et c'est si vous êtes très chanceux). La probabilité qu'il y ait de la vie en oxygène quelque part est également incommensurablement petite: la décomposition de l'eau pour former de l'oxygène est une réaction à quatre électrons très non triviale.
Donc, construire une stratégie dans l'espoir de trouver une intelligence extraterrestre n'est tout simplement pas très intelligent. Le fait qu'il y ait (pour l'instant) des êtres intelligents sur Terre est un très grand succès. Par conséquent, il est beaucoup plus logique d'investir dans la création de "terrains d'aviation alternatifs" pour la vie intelligente déjà existante au cas où la nature échouerait ou les porteurs de l'esprit eux-mêmes échoueraient. Cela signifie que nous avons besoin d'une Terre de rechange, voire mieux de quelques-unes.
Evgeny Kunin, dirigé. scientifique. sotr. National Center for Biotechnology Information, membre de la National Academy of Sciences des États-Unis:
Je peux me limiter à de très brèves remarques, car je suis entièrement d'accord avec tout ce qu'a dit Alexandre Markov … sauf, bien sûr, les conclusions. En effet, l'étape limite de l'émergence de la vie est la formation spontanée d'une population de molécules de ribozyme-polymérase avec un taux et une précision d'autocopie suffisamment élevés. La probabilité d'un tel événement est extrêmement faible. Pour l'augmenter de manière significative, il faut un processus qui crée la possibilité d'évolution sans la participation de tels ribozymes, dans un système beaucoup plus simple. La réplication non enzymatique discutée par Alexander est un bon candidat pour un tel processus. Le seul problème est que sur la base de tout ce que je sais de la chimie et de la thermodynamique, il n'y a aucune chance d'amener ces réactions au niveau de réplication suffisamment précise de longues molécules. La réplication d'oligonucléotides très courts serait très intéressante en tant qu'étape intermédiaire possible, mais n'augmentera pas significativement la probabilité. Ainsi, ma conclusion reste la même: l'émergence de la vie nécessite des événements extrêmement improbables, et, par conséquent, nous sommes seuls dans notre Univers (la question des univers multiples n'est pas nécessaire de discuter ici). Non seulement nous sommes des êtres intelligents, mais plus largement, des êtres vivants en général.
Il est important de noter ce qui suit: la probabilité extrêmement faible d'occurrence de la vie ne signifie en aucun cas que tout est arrivé par miracle. Au contraire, ce sont toutes une série de réactions chimiques normales, ne comprenant que des étapes à très faible probabilité. Par conséquent, étudier les mécanismes qui facilitent en quelque sorte l'émergence de la vie est non seulement dénué de sens, mais extrêmement important et intéressant. Il n'est tout simplement pas visible (encore) que cela puisse augmenter considérablement la probabilité, mais la création d'un scénario d'événements pourrait bien aider.
Eh bien, je terminerai par une considération quasi philosophique, mais, à mon avis, pertinente. La probabilité extrêmement faible d'émergence de la vie viole le principe de médiocrité: les événements survenus sur notre planète sont exceptionnels, voire uniques dans l'Univers. Le principe de médiocrité dans ce cas perd face au principe anthropique: aussi incroyable que soit l'émergence de la vie a priori, SOUS LA CONDITION de l'existence d'êtres intelligents, et juste de cellules, sa probabilité est exactement égale à 1.
Mikhail Nikitin, chercheur sotr. Département de biochimie évolutive, Institut de recherche en biologie physicochimique. Université d'État A. N. Belozersky de Moscou:
Il me semble que la vie d'un niveau bactérien de complexité est répandue dans l'Univers, mais le développement vers des animaux multicellulaires et des êtres potentiellement intelligents est beaucoup moins probable.
Pourquoi est-ce que je pense que la vie bactérienne est hautement probable?
Le raisonnement de Kunin est basé sur des expériences sur la sélection artificielle de ribozymes-réplicases, qui copient les molécules d'ARN et peuvent potentiellement se copier. Tous ces ribozymes ont une longueur de l'ordre de 200 nucléotides, et la probabilité de les obtenir par auto-assemblage aléatoire est de l'ordre de 4-200. Cependant, ces expériences n'ont pas pris en compte de nombreux facteurs importants qui pourraient, d'une part, assurer la réplication à l'aide de ribozymes plus courts et plus simples, et d'autre part, avant le début de toute réplication, diriger l'auto-assemblage vers des ARN structurés capables de fonctionner comme des ribozymes. Certains de ces facteurs ont déjà été nommés par d'autres auteurs: réplication non enzymatique de Shostak, sélection pour l'auto-amorçage dans le «monde des palindromes» de Markov, sélection pour la résistance aux UV, qui oriente l'auto-assemblage de l'ARN vers les structures en épingle à cheveux proposées par Mulkidzhanyan). J'ajouterai à cette liste des substrats minéraux et des «pièges à chaleur» (pores étroits avec un gradient de température) qui facilitent la copie d'ARN. De plus, puisque nous avons un système génétique auto-réplicatif simple, l'évolution darwinienne avec une probabilité élevée créera rapidement sur sa base une cellule bactérienne ou quelque chose de similaire - avec une membrane cellulaire qui maintient une composition constante de sel à l'intérieur de la cellule.
Pourquoi est-ce que je crois que l'évolution de la vie des cellules simples aux animaux multicellulaires peut être très improbable? Il y a ici deux considérations, l'une plus géologique, l'autre purement biologique. Commençons par le premier.
En paléontologie, il a été établi de manière fiable que l'évolution des organismes est très inégale. Crises et révolutions alternent avec des périodes de stase, parfois très longues. La plus longue période de stase a été appelée le «milliard ennuyeux» et a duré la majeure partie du Protérozoïque - il y a environ 2 à 0,8 milliard d'années. Elle a été précédée par l'apparition d'oxygène dans l'atmosphère, l'émergence de cellules eucaryotes et la glaciation globale huronne, et elle s'est terminée par la plus grande glaciation Sturt de l'histoire de la Terre, une augmentation de la teneur en oxygène à des valeurs presque modernes et l'apparition d'animaux multicellulaires. L'évolution a également été relativement lente dans l'éon archéen entre 3,5 et 2,5 milliards d'années par rapport à l'éon catarchien précédent (le moment de l'émergence de la vie et le bombardement de météorites tardif) et à la révolution de l'oxygène qui a suivi. Les raisons de cette inégalité ne sont pas entièrement comprises. Il me semble personnellement convaincant que la «révolution de l'oxygène» (la propagation massive des cyanobactéries productrices d'oxygène) a été associée à l'épuisement des réserves de fer (ferreux) réduit dans l'eau des océans. Tant qu'il y avait suffisamment de fer dans l'océan, les microbes y prospéraient grâce à une photosynthèse oxydant le fer plus simple et plus sûre. Ce n'est pas de l'oxygène qui y est libéré, mais des composés d'oxyde de fer - magnétites et hématites, qui se sont déposés sur le fond marin dans tout l'Archéen. L'apport de nouveau fer à la mer (principalement à partir de sources hydrothermales au fond) a diminué à mesure que l'activité géologique de la planète diminuait, et finalement la crise des ressources a forcé les microbes photosynthétiques à passer à une «technologie» plus complexe de photosynthèse de l'oxygène. De même,la cause du «milliard ennuyeux» pourrait être la consommation constante d'oxygène pour l'oxydation de divers minéraux sur terre, ce qui ne permet pas d'élever la teneur en oxygène au-dessus de 1 à 2%. Dans les sédiments marins du Protérozoïque, il existe de nombreuses traces d'oxydation à terre des minerais sulfurés, en raison desquelles les rivières ont transporté des sulfates, de l'arsenic, de l'antimoine, du cuivre, du chrome, du molybdène, de l'uranium et d'autres éléments dans l'océan qui étaient presque absents dans l'océan archéen. La crise du Protérozoïque tardif avec des glaciations globales, une augmentation rapide de la teneur en oxygène et l'émergence d'animaux multicellulaires peuvent avoir été causées par l'épuisement des minéraux facilement oxydés sur terre.en raison de laquelle les rivières ont transporté des sulfates, de l'arsenic, de l'antimoine, du cuivre, du chrome, du molybdène, de l'uranium et d'autres éléments dans l'océan qui étaient presque absents dans l'océan archéen. La crise du Protérozoïque tardif avec des glaciations globales, une augmentation rapide de la teneur en oxygène et l'émergence d'animaux multicellulaires peuvent avoir été causées par l'épuisement des minéraux facilement oxydés sur terre.en raison de laquelle les rivières ont transporté des sulfates, de l'arsenic, de l'antimoine, du cuivre, du chrome, du molybdène, de l'uranium et d'autres éléments dans l'océan qui étaient presque absents dans l'océan archéen. La crise du Protérozoïque tardif avec des glaciations globales, une augmentation rapide de la teneur en oxygène et l'émergence d'animaux multicellulaires peuvent avoir été causées par l'épuisement des minéraux facilement oxydés sur terre.
Ainsi, le moment du début de deux révolutions clés (photosynthèse de l'oxygène et animaux multicellulaires) a probablement été déterminé par l'équilibre des processus biologiques (photosynthèse) et géologiques (libération de fer ferreux et d'autres substances oxydables par les évents hydrothermaux et les volcans souterrains). Il est fort possible que sur d'autres planètes, ces révolutions arrivent beaucoup plus tard. Par exemple, une planète plus massive (super-terre) perdra son activité géologique plus lentement, relâchera du fer dans l'océan plus longtemps et pourrait retarder la révolution de l'oxygène de milliards d'années. Les planètes de la zone habitable des naines rouges recevront peu de lumière visible adaptée à la photosynthèse, et leurs biosphères risquent également d'être bloquées dans un stade sans oxygène. La quantité d'eau sur la planète est également importante. Si la planète entière est couverte par un océan profond, alors elle sera déficiente en phosphore,provenant principalement des volcans terrestres, et s'il y a peu d'eau, alors la surface océanique disponible pour les microbes photosynthétiques sera également petite (avant l'apparition de plantes multicellulaires, la productivité des écosystèmes terrestres était négligeable par rapport aux mers). Autrement dit, il existe de nombreuses raisons pour lesquelles la biosphère peut rester bloquée dans un stade microbien sans oxygène et ne pas se développer en animaux. Le temps de développement est d'ailleurs limité: la luminosité des étoiles augmente avec le temps et la Terre dans 1,5 à 2 milliards d'années commencera à se réchauffer de manière irréversible, ses océans s'évaporeront et l'effet de serre croissant la transformera en la seconde Vénus. Chez les naines rouges, la luminosité augmente plus lentement, mais leurs planètes peuvent devenir inhabitables en raison de la disparition du champ magnétique et de la perte d'eau subséquente dans l'espace, comme cela s'est produit sur Mars.la superficie de l'océan disponible pour les microbes photosynthétiques sera également réduite (avant l'avènement des plantes multicellulaires, la productivité des écosystèmes terrestres était négligeable par rapport aux mers). Autrement dit, il existe de nombreuses raisons pour lesquelles la biosphère peut rester bloquée à un stade microbien sans oxygène et ne pas se développer en animaux. Le temps de développement, en passant, est limité: la luminosité des étoiles augmente avec le temps, et la Terre dans 1,5 à 2 milliards d'années commencera à se réchauffer de manière irréversible, ses océans s'évaporeront et l'effet de serre croissant la transformera en la seconde Vénus. Chez les naines rouges, la luminosité augmente plus lentement, mais leurs planètes peuvent devenir inhabitables en raison de la disparition du champ magnétique et de la perte d'eau subséquente dans l'espace, comme cela s'est produit sur Mars.la superficie de l'océan disponible pour les microbes photosynthétiques sera également réduite (avant l'avènement des plantes multicellulaires, la productivité des écosystèmes terrestres était négligeable par rapport aux mers). Autrement dit, il existe de nombreuses raisons pour lesquelles la biosphère peut rester bloquée dans un stade microbien sans oxygène et ne pas se développer en animaux. Le temps de développement, en passant, est limité: la luminosité des étoiles augmente avec le temps, et la Terre dans 1,5 à 2 milliards d'années se réchauffera de manière irréversible, ses océans s'évaporeront et l'effet de serre croissant la transformera en la seconde Vénus. Chez les naines rouges, la luminosité augmente plus lentement, mais leurs planètes peuvent devenir inhabitables en raison de la disparition du champ magnétique et de la perte d'eau subséquente dans l'espace, comme cela s'est produit sur Mars.accessible aux microbes photosynthétiques (avant l'apparition des plantes multicellulaires, la productivité des écosystèmes terrestres était négligeable par rapport aux mers). Autrement dit, il existe de nombreuses raisons pour lesquelles la biosphère peut rester bloquée dans un stade microbien sans oxygène et ne pas se développer en animaux. Le temps de développement est d'ailleurs limité: la luminosité des étoiles augmente avec le temps et la Terre dans 1,5 à 2 milliards d'années commencera à se réchauffer de manière irréversible, ses océans s'évaporeront et l'effet de serre croissant la transformera en la seconde Vénus. Chez les naines rouges, la luminosité augmente plus lentement, mais leurs planètes peuvent devenir inhabitables en raison de la disparition du champ magnétique et de la perte d'eau subséquente dans l'espace, comme cela s'est produit sur Mars.accessible aux microbes photosynthétiques (avant l'apparition des plantes multicellulaires, la productivité des écosystèmes terrestres était négligeable par rapport aux mers). Autrement dit, il existe de nombreuses raisons pour lesquelles la biosphère peut rester bloquée dans un stade microbien sans oxygène et ne pas se développer en animaux. Le temps de développement, en passant, est limité: la luminosité des étoiles augmente avec le temps, et la Terre dans 1,5 à 2 milliards d'années se réchauffera de manière irréversible, ses océans s'évaporeront et l'effet de serre croissant la transformera en la seconde Vénus. Chez les naines rouges, la luminosité croît plus lentement, mais leurs planètes peuvent devenir inhabitables en raison de la disparition du champ magnétique et de la perte d'eau subséquente dans l'espace, comme cela s'est produit sur Mars. Le temps de développement est d'ailleurs limité: la luminosité des étoiles augmente avec le temps et la Terre dans 1,5 à 2 milliards d'années commencera à se réchauffer de manière irréversible, ses océans s'évaporeront et l'effet de serre croissant la transformera en la seconde Vénus. Chez les naines rouges, la luminosité augmente plus lentement, mais leurs planètes peuvent devenir inhabitables en raison de la disparition du champ magnétique et de la perte d'eau subséquente dans l'espace, comme cela s'est produit sur Mars. Le temps de développement, en passant, est limité: la luminosité des étoiles augmente avec le temps, et la Terre dans 1,5 à 2 milliards d'années se réchauffera de manière irréversible, ses océans s'évaporeront et l'effet de serre croissant la transformera en la seconde Vénus. Chez les naines rouges, la luminosité croît plus lentement, mais leurs planètes peuvent devenir inhabitables en raison de la disparition du champ magnétique et de la perte d'eau subséquente dans l'espace, comme cela s'est produit sur Mars.
La deuxième considération concerne l'émergence d'eucaryotes - des cellules avec un noyau. Les cellules eucaryotes sont beaucoup plus grosses et plus complexes que celles des bactéries et des archées et sont apparues plus tard, probablement pendant la "révolution de l'oxygène". La cellule eucaryote est apparue comme une chimère d'une cellule archée, une bactérie symbiotique qui s'est installée à l'intérieur et, éventuellement, un virus qui les a infectées (ou même plus d'un). La structure du génome des eucaryotes montre sans ambiguïté que leur évolution précoce ne s'est pas produite en raison de la sélection naturelle, mais à bien des égards malgré. Dans les petites populations, la sélection n'est pas très efficace et des traits légèrement délétères peuvent s'enraciner en raison de la dérive génétique et d'autres processus purement aléatoires. Ceci est détaillé dans le chapitre correspondant de la Logique du hasard de Kunin et suggèreque l'émergence d'eucaryotes peut être très improbable même dans un environnement approprié (biosphère bactérienne entrant dans la révolution de l'oxygène). Au minimum, les cas de symbiose intracellulaire entre les bactéries et les archées sont pratiquement inconnus - bien que les bactéries s'installent facilement à l'intérieur des cellules eucaryotes.
En résumé: je pense que la combinaison des facteurs décrits devrait conduire au fait que dans notre galaxie, il y aura des millions de planètes avec une vie bactérienne et beaucoup moins (peut-être, seulement quelques-unes) - avec une vie d'un niveau de complexité eucaryote et multicellulaire.
Post-scriptum de Boris Stern
Quelques mots pour terminer la discussion. Il est fort possible qu'Evgeny Kunin ait largement sous-estimé la probabilité de l'origine de la vie dans des conditions appropriées. Et tout de même, cette évaluation doit être prise au sérieux. S'il s'est trompé de 900 ordres de grandeur, cela ne change rien: nous sommes tous les mêmes seuls dans l'horizon de l'Univers, où il n'y a qu'environ 1020-1021 planètes convenables. Même si le reste des participants à la discussion ont raison et que toutes sortes d'astuces de la nature comme la réplication non enzymatique peuvent rendre l'origine de la vie plus ou moins probable, alors ce sera une vie très primitive, dans l'écrasante majorité des cas, incapable de sauter à un niveau de développement supérieur. Deux panélistes ont écrit à ce sujet en noir et blanc. C'est tout le paradoxe de Fermi.
Par conséquent, au moins deux conclusions organisationnelles importantes suivent. Premièrement: la vie développée est le phénomène le plus rare et le plus précieux de l'univers. Par conséquent, voir le dernier paragraphe de la note d'Armen Mulkidzhanyan: l'humanité a un objectif noble et total - la propagation de ce phénomène. Nous parlerons séparément des possibilités et des méthodes pour atteindre cet objectif.
Deuxième conclusion organisationnelle: la destruction de cette vie sera une perte irréparable d'une échelle galactique voire cosmologique. Cela devrait être pris en compte dans leur propre évaluation des "faucons" et des politiciens qui sont prêts à recourir au chantage nucléaire pour gonfler leur propre "grandeur". Il en va de même pour une civilisation de consommation effrénée.
Auteurs: Boris Stern, Alexander Markov, Armen Mulkidzhanyan, Evgeny Kunin, Mikhail Nikitin