Кентербери
Наш “Кентербери” исполнен тайн. В этой точке эволюции появилась жизнь, однако лучше было бы назвать ее точкой происхождения наследственности. Сама жизнь не имеет четкого определения – это факт, который противоречит интуиции и традиции. Пророк (Иезекииль 37), которому повелели спуститься в “долину сухих костей”, отождествляет жизнь с дыханием. Я не могу удержаться от того, чтобы не процитировать отрывок (“кость с костью своею” – замечательный пример языковой экономии):
Я изрек пророчество, как повелено было мне; и когда я пророчествовал, произошел шум, и вот движение, и стали сближаться кости, кость с костью своею.
И видел я: и вот, жилы были на них, и плоть выросла, и кожа покрыла их сверху, а духа не было в них.
Тогда сказал Он мне: изреки пророчество духу, изреки пророчество, сын человеческий, и скажи духу: так говорит Господь Бог: от четырех ветров приди, дух, и дохни на этих убитых, и они оживут.
Дух, конечно, так и поступил. Великое войско ожило и поднялось на ноги. Дыхание, по Иезекиилю, и отличает мертвое от живого. Дарвин говорил об этом в финале “Происхождения видов”:
Таким образом, из борьбы в природе, из голода и смерти непосредственно вытекает самый высокий результат, какой ум в состоянии себе представить, – образование высших животных. Есть величие в этом воззрении, по которому жизнь с ее различными проявлениями Творец первоначально вдохнул (курсив мой. – Р. Д.) в одну или ограниченное число форм; и между тем как наша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам тяготения, из такого простого начала развилось и продолжает развиваться бесконечное число самых прекрасных и самых изумительных форм.
Дарвин справедливо изменил порядок событий у Иезекииля. Сначала явилось дыхание жизни, подготовившее условия, в которых в конце концов появились кости и сухожилия, плоть и кожа. Кстати, Творца в первом издании “Происхождения видов” Дарвин не поминал. Он появился лишь во втором издании, вероятно в виде подачки религиозному лобби. Позднее Дарвин посетовал в письме своему другу Джозефу Гукеру:
Но я уже давно сожалею, что уступил общественному мнению и употребил выражение Пятикнижия – “сотворение”, под которым я на самом деле только подразумеваю “появление” вследствие какого-то совершенно неизвестного нам процесса. Сущий вздор – рассуждать сейчас о происхождении жизни; с тем же успехом можно было бы рассуждать о происхождении материи.
Вероятно, Дарвин (на мой взгляд, справедливо) считал происхождение примитивной жизни относительно легкой проблемой по сравнению с той, которую ему удалось решить: как жизнь, однажды возникнув, становилась все разнообразнее и сложнее, породив иллюзию замысла. Однако позднее (в другом письме Гукеру) Дарвин рискнул высказать предположение о “совершенно неизвестном процессе”, с которого все началось. Он пришел к этому, раздумывая, почему жизнь не возникает снова и снова.
Часто говорят, что условия для образования первого живого организма существуют сейчас и, вероятно, существовали всегда. Но если (какое немаленькое если!) мы предположим, что в каком-нибудь маленьком теплом пруду, со всякими родами аммония и фосфорными солями, светом, теплом и электричеством и так далее, образовалась химическая смесь протеина, готовая к более сложным изменениям, то в настоящее время такая материя будет немедленно поглощена или впитана, что не могло бы произойти до того, как были образованы живые существа.
Теорию самозарождения жизни экспериментально опроверг Пастер, и не так давно. Долго считалось, что в гниющем мясе самозарождаются личинки, из морских уточек (goose barnacles) получаются гусята, а в грязном белье, хранящемся вместе с пшеницей, “выбраживают” мыши. В искаженном виде теорию самозарождения поддержала церковь (которая, как и во многом другом, следовала за Аристотелем): по крайней мере, с ретроспективной точки зрения, самозарождение было таким же вызовом божественному сотворению, как и эволюция. Мысль о том, что мухи или мыши могут зарождаться самопроизвольно, сильно недооценивает то великое достижение, которым на самом деле является сотворение мух или мышей. А ведь это, может решить кто-нибудь, оскорбление Творца! Однако люди с ненаучным складом ума не в состоянии понять, насколько сложны и в сущности невероятны муха или мышь. Дарвин, пожалуй, первым осознал масштаб ошибки.
Еще в 1872 году в письме Уоллесу, одновременно открывшему естественный отбор, Дарвин поделился своим скептицизмом относительно “самозарождения коловраток и тихоходок” (о нем говорилось в книге Уоллеса “Истоки жизни”, которая в остальном очень нравилась Дарвину) и, как обычно, попал в точку. Коловратки и тихоходки – сложные жизненные формы, прекрасно приспособленные к условиям, в которых они живут. В их случае самозарождение означало бы, что они стали приспособленными и сложными “благодаря счастливому стечению обстоятельств, а в это я не могу поверить”. Стечения обстоятельств такого масштаба Дарвин (и церковь – по другим причинам) отрицал. Сутью его теории было и остается следующее: адаптивная сложность возникает как череда медленных изменений. При этом ни один из этих шагов не может быть настолько длинным, чтобы для его объяснения потребовалась случайность. Теория Дарвина, разделив случайность на шажки, поставляющие необходимые для отбора вариации, представляет собой единственный реалистичный способ объяснения жизни случайностью. Если бы коловратки могли возникнуть так, труды Дарвина были бы ненужными.
Однако естественный отбор должен был с чего-то начаться. В этом смысле – и только в этом! – должно было произойти нечто вроде самозарождения, и, может быть, не однажды. Самое замечательное в работе Дарвина то, что от единственного самозарождения, которое нам нужно постулировать, не требуется ничего сложного, вроде личинки или мыши. От него требуется только… вот мы и подобрались к сути проблемы. Если не дыхание, то какой компонент запустил естественный отбор, который после миллионов лет кумулятивной эволюции привел к появлению личинок, мышей и человека?
События эти таятся во мраке “Кентербери”. Но мы можем дать нашему ключевому элементу название, которое будет отражать его суть: наследственность. Мы должны искать не происхождение жизни, туманное и неопределенное, а происхождение наследственности – настоящей наследственности. А это нечто точное.
Огонь как символ жизни соперничает с дыханием. Когда мы умираем, искра жизни гаснет. Наши предки, “приручившие” огонь, возможно, считали его живым существом или даже богом. Глядя на огонь и тлеющие угли – особенно ночью, когда костер согревал их и защищал от хищников, – говорили ли они мысленно с этим пляшущим духом? Огонь живет, пока мы даем ему пищу. Огонь дышит, и мы можем задушить его, перекрыв воздух, или утопить его в воде. Пожар сжирает лес, гоня перед собой животных с быстротой и безжалостностью волков, преследующих добычу по горячим (в буквальном смысле) следам. Как и в случае волков, наши предки могли поймать “детеныша” пламени и оставить его у себя как полезное домашнее животное: приручить его, кормить и убирать пепел. Прежде чем было открыто искусство добывания огня, люди научились менее сложному искусству его поддерживать. Возможно, “побеги” огня носили в горшках для обмена с соседями, у которых огонь потух.
Затем люди могли заметить, что лесной пожар порождает дочерние костры, разбрасывая искры и тлеющие угли – как одуванчико-вый пух на ветру. Возможно, философски настроенные представители Homo ergaster решили, что огонь не может самозарождаться, но всегда происходит от родительского огня: лесного пожара на равнине или домашнего очага. В этом случае первые палочки для добывания огня должны были разрушить их картину мира.
Может быть, наши предки даже представляли себе огонь в виде популяции размножающихся лесных пожаров и прослеживали родословную домашних костров, берущую начало от пылающего предка, приобретенного у некоего далекого племени. И все же это нельзя назвать настоящей наследственностью. Почему? Разве размножения и родословной недостаточно для того, чтобы постулировать наследственность? Нет, и огонь объясняет нам, почему.
Истинная наследственность подразумевала бы, что наследуется не сам костер, а вариации костра. Некоторые костры ревут, другие потрескивают, некоторые шипят, дымят, рассыпают искры. У некоторых пламя имеет синеватый или зеленоватый оттенок. Если бы наши предки присмотрелись к своим одомашненным волкам, они бы заметили большую разницу между породами собак и породами костров. У собак подобное порождает подобное. Хотя бы некоторые из признаков, отличающих конкретную собаку от любой другой, были унаследованы ею от родителей. Конечно, кое-что приходит и со стороны: с пищей, болезнями и несчастными случаями. У огня же все вариации обусловлены окружающей средой: ни одна из них не передается по наследству от предковой искры. Все зависит от качества топлива, направления и силы ветра, от свойств очага, от примесей меди и калия, которые придают сине-зеленый и сиреневый оттенок желтому натриевому пламени. В отличие от собак, ни одно из качеств взрослого костра не унаследовано от породившей его искры. Синие костры не порождают синие костры. Потрескивающие костры не наследуют свое потрескивание от родительского костра, давшего предковую искру. Костры – пример воспроизводства без наследственности.
Возникновение жизни было возникновением истинной наследственности, можно даже сказать – возникновением первого гена. Под первым геном, спешу заметить, я не имею в виду первую молекулу ДНК. Никто не знает, был ли первый ген построен из ДНК (держу пари, что нет). Под первым геном я подразумеваю первый репликатор. Это структура, например молекула, которая способна копировать сама себя. А поскольку при копировании неизбежно возникают ошибки, популяция приобретает разнообразие. Суть наследственности в том, что репликатор больше похож на то, с чего он скопирован, чем на случайного представителя популяции. Возникновение первого репликатора было не самым вероятным событием, но произойти оно должно было лишь однажды. Потомки первого репликатора сами поддерживали свое существование и в итоге, посредством дарвиновской эволюции, дали начало жизни.
Участок ДНК или, при определенных условиях, участок соответствующей ей молекулы РНК – истинный репликатор. Как компьютерный вирус. Или “письма счастья”. Но все эти репликаторы нуждаются в сложном аппарате, поддерживающем их существование. ДНК нужна клетка, укомплектованная готовыми биохимическими механизмами, приспособленными для чтения и копирования кода ДНК. Компьютерному вирусу нужен компьютер, имеющий канал связи с другими компьютерами, сконструированными инженерами и работающими согласно закодированным инструкциям. “Письма счастья” нуждаются в достаточном числе идиотов, чей мозг позволяет им хотя бы читать. Уникальность самого первого репликатора – того, что зажег искру жизни, – в том, что он не был снабжен необходимым для существования аппаратом. Первый репликатор работал de novo, с нуля, беспрецедентно и без какой-либо помощи извне, не считая законов химии.
В возникновении репликации, несомненно, участвовал некий катализатор. Это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, однако само не расходуется. Вся биохимия основана на катализируемых реакциях, и катализаторами обычно выступают крупные молекулы белка – ферменты. Типичный фермент имеет в трехмерной структуре углубления определенной конфигурации, которые служат приемниками для компонентов химической реакции. Фермент выстраивает эти компоненты в определенном порядке, образуя с ними временную химическую связь, и соединяет их попарно с точностью, которой вряд ли можно было добиться путем свободной диффузии.
Катализаторы в ходе химической реакции не расходуются, но могут синтезироваться. Автокаталитическая реакция – это реакция, которая синтезирует свой катализатор. Начинается она неохотно, но, однажды начавшись, все быстрее набирает обороты – подобно лесному пожару, обладающему некоторыми свойствами автокатали-тической реакции. Строго говоря, огонь – не катализатор. Но он также самовоспроизводится. С химической точки зрения горение – это процесс окисления, в котором выделяется тепло и который требует тепла для преодоления пороговой черты. Однажды начавшись, этот процесс продолжается в виде цепной реакции, поскольку в ходе него вырабатывается тепло, необходимое для возобновления горения. Другая известная цепная реакция – атомный взрыв, но в этом случае реакция не химическая, а ядерная. Наследственность возникла со случайным запуском автокаталитического или другого самовоспроизводящегося процесса. После этого она быстро набрала обороты и распространилась, как огонь, приведя к появлению естественного отбора и всего, что за ним последовало.
Наши тела тоже окисляют углеродосодержащее горючее, чтобы получить тепло. Но в данном случае окисление не переходит в горение, потому что каждый этап процесса контролируется и энергия не рассеивается в форме неконтролируемого тепла. Такая управляемая химия, или метаболизм, является столь же универсальной особенностью жизни, как наследственность. Теории происхождения жизни должны принимать во внимание как наследственность, так и метаболизм, но некоторые авторы неверно расставляют приоритеты. Они пытаются построить теорию самозарождения метаболизма и надеются, что она каким-то образом сможет объяснить наследственность. Тем самым они уподобляют наследственность полезным приспособлениям, которые создает метаболизм, а это неверно. Наследственность должна быть на первом месте, потому что до наследственности само понятие “полезности” не имело смысла. Без наследственности и, следовательно, без естественного отбора не может быть ничего “полезного” или “бесполезного”. Понятие полезности может возникнуть лишь с появлением естественного отбора наследственной информации.
Самыми ранними из теорий происхождения жизни, до сих пор сохранивших свою значимость, являются теории Александра Опарина и Дж. Б. С. Холдейна, независимо выдвинутые в 20-х годах. Авторы обеих теорий уделили основное внимание метаболизму, а не наследственности. Оба подчеркивали тот важный факт, что до возникновения жизни атмосфера Земли должна была быть восстановительной (в атмосфере отсутствовал свободный кислород), иначе жизнь не смогла бы появиться. Органические соединения (соединения углерода) в присутствии свободного кислорода легко сгорают или окисляются до углекислого газа. Сейчас это кажется странным: без кислорода мы не проживем и пары минут. Но жизнь не могла возникнуть на планете со свободным кислородом в атмосфере. Как я говорил, для самых древних наших предков кислород был ядом. Все, что мы знаем о других планетах, указывает на то, что первоначально атмосфера Земли почти наверняка была восстановительной. Свободный кислород появился позднее – как отход жизнедеятельности зеленых бактерий, сначала свободноживущих, а после включенных в клетки растений. В некоторый момент у наших предков появилась способность справляться с кислородом, а позднее они стали от него зависеть.
Кстати, тезис о том, что кислород образуют зеленые растения и водоросли, – чрезмерное упрощение. Да, растения выделяют кислород. Но после смерти растения химические реакции, сопровождающие его разложение и эквивалентные сгоранию его углеродсодержащих структур, приводят к поглощению кислорода, равного по объему всему кислороду, синтезированному этим растением за всю жизнь. Общее количество кислорода в атмосфере осталось бы таким же, если бы не одна деталь: не все погибшие растения разлагаются. Некоторые откладываются в виде угля (или его аналогов), выходя из круговорота. Если бы люди сожгли все ископаемое топливо, большая часть атмосферного кислорода заменилась бы углекислым газом, и атмосфера вернулась бы в исходное состояние. Конечно, в ближайшем будущем это вряд ли произойдет. Однако не стоит забывать, что единственная причина, благодаря которой мы располагаем кислородом, – то, что большая часть углерода захоронена под землей. Сжигая его, мы действуем на свой страх и риск.
Атомы кислорода всегда присутствовали в атмосфере – но в древности не в свободной форме, а в составе, например, углекислого газа и воды. Сейчас углерод в основном входит в состав живых организмов или – в гораздо большем объеме – горных пород, например мела, известняка и угля, которые представляют собой остатки некогда живых существ. В “Кентербери” эти атомы углерода в основном находились в атмосфере в составе соединений, например углекислого газа и метана. Азот, основной компонент нынешней атмосферы, в восстановительной атмосфере вместе с водородом входил в состав аммиака.
Опарин и Холдейн поняли, что восстановительная атмосфера была благоприятной для спонтанного синтеза простых органических соединений. Холдейн писал:
Сейчас, когда ультрафиолетовые лучи воздействуют на смесь воды, углекислого газа и аммиака, синтезируется множество органических веществ, включая сахара и, по-видимому, некоторые из материалов, из которых получились белки. Этот факт был продемонстрирован Бэйли и коллегами в лаборатории в Ливерпуле. В современном мире такие вещества, находясь в свободном состоянии, разлагаются – то есть разрушаются микроорганизмами. Но до возникновения жизни они должны были накапливаться, пока примитивные океаны не достигли консистенции горячего разбавленного бульона.
Это написано в 1929 году, более чем за двадцать лет до известного эксперимента Стэнли Миллера и Гарольда Юри (который, как можно подумать со слов Холдейна, был своего рода повторением эксперимента Бэйли). Однако Эдвард Ч. С. Бэйли не изучал происхождение жизни. Его интересовал фотосинтез, а целью был поставлен синтез сахара с помощью ультрафиолетовых лучей, направленных на воду с растворенным углекислым газом, в присутствии катализатора – железа или никеля. Именно Холдейн, а не Бэйли, предвидел нечто подобное эксперименту Миллера – Юри и приписал его Бэйли.
Вот что сделал Миллер под руководством Юри. Он взял две колбы, поставил одну над другой и соединил двумя трубками. В нижней находилась нагретая вода, имитирующая первобытный океан. Верхняя представляла собой модель первобытной атмосферы (метан, аммиак, водяной пар и водород). Через одну трубку пар поднимался от “океана” в “атмосферу”. Вторая трубка шла из “атмосферы” в “океан”. По пути она проходила через искровую камеру (“молнии”) и камеру охлаждения, где пар конденсировался, образуя “дождь”, который пополнял “океан”.
Всего неделю спустя океан приобрел желто-коричневый цвет. Как и предсказывал Холдейн, раствор превратился в “бульон” из органических соединений, среди которых было не менее семи аминокислот – главных структурных элементов белков. Три из семи аминокислот (глицин, аспарагиновая кислота и аланин) входили в список из двадцати аминокислот, присутствующих у живых существ. Позднейшие подобные эксперименты, в которых углекислый или угарный газ заменялись метаном, показали сходные результаты. Таким образом, мы можем с уверенностью сказать, что биологически важные небольшие молекулы, включая аминокислоты, сахара и, что особенно важно, структурные элементы ДНК и РНК, могут спонтанно образовываться в лабораторных моделях первобытной Земли Опарина – Холдейна.
До Опарина и Холдейна ученые, размышлявшие о происхождении жизни, предполагали, что первыми организмами были растения – возможно, зеленые бактерии. Ведь люди привыкли думать, что жизнь зависит от фотосинтеза (синтеза органических соединений за счет энергии солнечного света, который сопровождается выделением кислорода). Опарин и Холдейн, выдвинувшие идею восстановительной атмосферы, предположили, что растения появились позднее. Древняя жизнь возникла в море уже существовавших органических соединений. То был питательный бульон, и у жизни не было потребности в фотосинтезе – по крайней мере, пока бульон не кончился.
Для Опарина важнейшим рубежом было возникновение первой клетки. Разумеется, у клеток, как и у организмов, есть важное свойство: они возникают не спонтанно, а лишь от других клеток. Вполне простительно отождествлять возникновение жизни с возникновением первой “клетки” (метаболизатора), а не первого “гена” (репликатора), как это делаю я. Позднее подобный взгляд приобрел физик-теоретик Фримен Дайсон. Большинство современных ученых, в том числе Лесли Оргел из Калифорнии, Манфред Эйген и его коллеги из Германии, Грэм Кернс-Смит из Шотландии (правда, они скорее диссиденты, но это не значит, что их следует сбрасывать со счетов), отдают предпочтение саморепликации – и в хронологическом смысле, и в смысле первостепенности. По-моему, это справедливо.
Какой была бы наследственность, если бы не существовало клеток? Если мы считаем, что для наследственности обязательно нужна ДНК, то этот вопрос сродни задаче о курице и яйце. Ведь ДНК не реплицируется без многочисленных вспомогательных молекул, в том числе белков, а те могут синтезироваться лишь на основе закодированной в ДНК информации. Но тот факт, что ДНК – это основная известная нам самореплицирующаяся молекула, не означает, что в природе не существовало подобных молекул. Кернс-Смит убедительно показал, что первые репликаторы были неорганическими минеральными кристаллами. ДНК вышла на сцену позднее и получила главную роль уже после того, как эволюция жизни сделала возможным генетический захват. Я не буду здесь приводить доводы Кернс-Смита (я отчасти сделал это в книге “Слепой часовщик”). Но есть и более веская причина. Из всего, что я читал, Кернс-Смит лучше всего доказывает первичность репликации и наличие у ДНК некоего предшественника. Об этом предшественнике мы не знаем почти ничего, за исключением того, что он обладал истинной наследственностью. Было бы нехорошо, если бы эти неопровержимые доводы Кернс-Смита стали связаны в сознании людей с куда более спорными и спекулятивными доводами в пользу минеральных кристаллов в качестве предшественников ДНК.
Я ничего не имею против теории минеральных кристаллов, но хочу подчеркнуть первичность репликации и высокую вероятность того, что ДНК переняла свои функции у некоего предшественника. Самый эффективный способ пояснить мою позицию – сразу перейти к другой теории, о том, каким мог быть этот предшественник. РНК безусловно лучше ДНК подходит на роль первого репликатора, и именно ее предлагают на эту роль многие теоретики “мира РНК”. Прежде чем перейти к теории “мира РНК”, поговорим о ферментах. Если репликатор играет главную роль в шоу под названием жизнь, то фермент – это скорее основной партнер, чем актер второго плана.
Жизнь сильно зависит от способности ферментов к виртуозному катализу биохимических реакций. Впервые я услышал о ферментах в школе. Тогда было распространено мнение (на мой взгляд, ошибочное) о том, что науку нужно преподавать на основе жизненных примеров, в связи с чем мы плевали в воду, чтобы продемонстрировать способность фермента амилазы, содержащегося в слюне, расщеплять крахмал и образовывать сахар. В результате складывалось впечатление, что фермент похож на агрессивную кислоту. Примерно так же работают стиральные порошки, содержащие ферменты, которые расщепляют грязь. Однако это разрушительные ферменты, служащие для расщепления крупных молекул. Конструктивные же ферменты участвуют в синтезе крупных молекул из небольших составляющих. Действуют они при этом как “роботы-сводники”.
Клетка содержит раствор тысяч молекул, атомов и ионов. Существует почти бесконечное число способов объединиться друг с другом, однако большинство этих способов не реализуется. Иными словами, в клетке есть широкий диапазон потенциальных химических реакций, большинство которых никогда не происходит. Теперь представьте лабораторию с сотнями бутылок, надежно закупоренных, чтобы их содержимое могло смешаться лишь тогда, когда этого захочет химик. То есть имеется огромный диапазон потенциальных химических реакций.
Теперь представьте, что вы снимаете все бутылки с полок и выливаете содержимое в бочку с водой. Это, конечно, бессмысленный акт вандализма, однако живая клетка в значительной степени есть такая бочка. Сотни содержащихся в клетке компонентов тысяч потенциальных химических реакций не хранятся в бутылках. Они смешаны, но при этом ожидают, находясь преимущественно в инертном состоянии, пока их не смешают для участия в реакции. Они как бы хранятся в бутылках. Ферменты действуют как сводники или лаборанты. Ферменты умеют распознавать вещества – как радиоприемник, который ловит радиостанции, игнорируя сотни других сигналов.
Допустим, есть некая важная химическая реакция, в которой компонент А соединяется с компонентом B, чтобы образовать Z. В лаборатории мы проведем эту реакцию, достав бутылку с этикеткой А с одной полки, бутылку с этикеткой B с другой и смешав их содержимое в чистой колбе с соблюдением необходимых условий. То есть для осуществления нужной реакции нужно взять две бутылки. В клетке множество молекул А и B, плавающих в растворе среди огромного разнообразия других молекул. Молекулы А и B вполне могут встретиться, но даже при встрече они редко объединяются. В любом случае, встреча их не более вероятна, чем тысячи других комбинаций. Так что теперь мы вводим в клетку фермент под названием абзаза ((ABZ-аза), который предназначен для катализа реакции A + B = Z. В клетке миллионы молекул абзазы, и каждая действует как “робот-лаборант”. Каждый лаборант-абзаза захватывает одну молекулу A из смеси свободно плавающих молекул. Затем захватывает одну проплывающую мимо молекулу B. Он удерживает А, придавая молекуле определенное положение. Молекуле B он тоже придает правильное положение, чтобы она могла соединиться с A и создать Z. Кроме того, фермент способен делать и другое (как и лаборант, например, умеет обращаться с мешалкой или бунзеновской горелкой): образовывать временное химическое соединение с A или B, обмениваясь атомами или ионами, которые в итоге возвращаются на места. Таким образом, фермент, как катализатор, не расходуется. В “захватах” фермента образуется молекула Z. После этого “лаборант” выпускает полученную молекулу в раствор и ждет, пока мимо не проплывет следующая молекула А. Фермент захватывает ее, и цикл повторяется.
Если бы “робота-лаборанта” не существовало, свободно плавающая молекула A время от времени сталкивалась бы со свободно плавающей молекулой B в условиях, благоприятных для образования соединения. Но это случайное событие было бы крайне редким – не менее редким, чем столкновения молекул A и B со множеством других потенциальных партнеров. A может столкнуться с C и образовать Y. Или B может столкнуться с D и образовать X. Действительно, небольшие количества Y и X постоянно синтезируются благодаря такому случайному дрейфу. Но в присутствии “лаборанта”, фермента абзазы, все меняется. Благодаря абзазе производство Z приобретает промышленный (с точки зрения клетки) масштаб: типичный фермент многократно увеличивает скорость спонтанной реакции: с миллиона до триллиона. Если бы у нас был другой фермент, ациаза, то A вместо B соединялась бы с C и конвейерным способом образовывала Y. Ведь это те же молекулы А, о которых мы говорили. Они не заключены в бутылку, а свободно плавают в растворе и могут соединяться с B или C, в зависимости от того, какой фермент окажется рядом.
Скорость образования Z и Y, таким образом, зависит, кроме прочего, от того, какое количество каждого из конкурирующих “лаборантов”, абзазы и ациазы, в клетке. А это, в свою очередь, зависит от того, какой из двух генов работает в ядре клетки. В реальности все, конечно, сложнее: молекула абзазы, даже если она есть в клетке, может находиться в инактивированном состоянии. Инактивация может происходить, например, следующим образом: появляется другая молекула и занимает активную “нишу” фермента. То есть “робот-лаборант” как бы оказывается временно закованным в наручники. Раз уж я прибег к этой метафоре, придется предупредить читателей, чтобы они не воспринимали “робота-лаборанта” буквально. Конечно, у молекулы фермента нет рук, которые могут захватывать компоненты, например молекулы A – не говоря уже о надевании наручников. У настоящего фермента на поверхности есть участки, которые, например, обладают сродством к молекулам А, или точно соответствуют им по форме, или характеризуются какими-нибудь еще химическими особенностями. И все это сродство можно на время устранить способами, которые напоминают переключение выключателя.
Большинство молекул ферментов представляют собой механизмы, которые умеют синтезировать лишь один продукт: например, сахар или жир; пурин или пиримидин (составные элементы ДНК и РНК) или аминокислоты (двадцать из них представляют собой составные элементы природных белков). Но некоторые ферменты сильнее похожи на программируемые механизмы, требующие использования перфорированной ленты, которая будет указывать им, что делать. Самый замечательный пример такого фермента – рибосома, сложное устройство, построенное из белка и РНК и синтезирующее белок. Рибосома захватывает аминокислоты – составные элементы белков, синтезированные специальными ферментами и свободно плавающие в клетке. Перфолентой служит информационная РНК (иРНК). Информационная лента, которая, в свою очередь, является копией геномной ДНК, вводит данные в рибосому. По мере того, как лента проходит через “считывающую головку”, соответствующие аминокислоты соединяются в белковую цепь в порядке, зашифрованном на ленте с помощью генетического кода.
В клетке есть набор небольших транспортных РНК (тРНК), каждая длиной приблизительно семьдесят нуклеотидов. Каждая тРНК избирательно присоединяется к одному и только одному из двадцати видов природных аминокислот. На другом конце молекулы тРНК находится антикодон – триплет, в точности комплементарный короткой последовательности иРНК (кодону), кодирующей конкретную аминокислоту. По мере того, как “лента” иРНК продвигается через “считывающую головку” рибосомы, каждый кодон иРНК связывается с тРНК, несущей подходящий антикодон. В результате аминокислота на другом конце тРНК становится в ряд с другими аминокислотами, прикрепляясь к растущему концу формирующегося белка. После прикрепления аминокислоты тРНК уходит на поиски новой молекулы аминокислоты своего типа, а иРНК тем временем медленно продвигает ленту вперед. Шаг за шагом выстраивается белковая цепь. Удивительно, что одна “лента” иРНК может одновременно работать с несколькими рибосомами. Каждая из рибосом продвигает свою “считывающую головку” вдоль разных участков ленты, и каждая формирует свою копию вновь синтезируемой цепи белка.
Когда новая белковая цепь заканчивается – то есть когда иРНК, вводящая свои данные в рибосому, целиком проходит через “считывающую головку” этой рибосомы, – белок отрывается. Он сворачивается в сложную трехмерную структуру, форма которой обусловлена, в соответствии с законами химии, последовательностью аминокислот в цепи белка. Эта последовательность, в свою очередь, определяется порядком символов кода иРНК. А порядок символов обусловлен комплементарной последовательностью символов кода ДНК, составляющей главную “базу данных” клетки.
Таким образом, кодированная последовательность ДНК управляет процессами в клетке. Она определяет последовательность аминокислот в каждом белке, от которой зависит его трехмерная структура, которая, в свою очередь, придает этому белку определенные ферментативные свойства. Важно, что контроль при этом может быть косвенным: как мы знаем из “Рассказа Мыши”, гены сами определяют, какие гены и когда должны “включиться” в клетке. Большинство генов в каждой клетке “выключены”. Именно поэтому из всех реакций, которые могли произойти в сосуде со смесью компонентов, в конкретный момент происходят одна-две: те реакции, “лаборанты” для которых в данный момент активны.
Итак, мы разобрались с катализом, ферментами и теперь можем перейти от обычного катализа к случаям автокатализа, который в некотором виде, вероятно, сыграл ключевую роль в возникновении жизни. Вспомните гипотетический пример, в котором молекулы A и B соединяются и образуют молекулу Z под влиянием фермента абзазы. Теперь представьте, что Z – это абзаза. То есть молекула Z имеет такую структуру и химические свойства, которые позволяют ей захватывать одну молекулу A и одну молекулу B, соединять их в правильной ориентации и создавать молекулу Z – точную копию себя самой. В предыдущем примере количество образованных молекул Z определялось количеством абзазы в растворе. Но теперь, когда Z и абзаза – это одна и та же молекула, для начала цепной реакции нужна одна-единственная молекула Z. Первая молекула Z захватывает А и В и соединяет их, образуя вторую Z. Образовавшаяся Z захватывает новые А и В, синтезируя новые молекулы Z. Это и есть автокатализ. При подходящих условиях количество молекул Z будет расти по экспоненте. В контексте возникновения жизни звучит многообещающе!
Конечно, это гипотеза. Однако Джулиус Ребек и его коллеги из Института им. Скриппса в Калифорнии сделали ее теорией. Они изучили некоторые примеры автокатализа в химии. В одном из примеров Z была трехкислотным сложным эфиром аминоаденозина (AATE), A – аминоаденозином, B – эфиром пентафторфенила. Реакция происходила не в воде, а в хлороформе. Разумеется, нет смысла запоминать эти детали. Важно то, что продукт этой химической реакции являлся катализатором для себя самого. Первая молекула AATE синтезировалась неохотно, но лишь это происходило, начиналась цепная реакция, и молекулы AATE синтезировали все больше собственных копий. Однако ученые этим не удовлетворились и продолжили серию экспериментов, демонстрирующих истинную наследственность в том смысле, в котором мы ее здесь определяем. Ребек и его коллеги придумали систему, в которой присутствовало несколько вариантов автокатализируемого вещества. Каждый вариант катализировал собственный синтез, используя нужные ему компоненты. Это повышало возможность истинной конкуренции в популяции молекул, демонстрируя настоящую наследственность и примитивную форму дарвиновского отбора.
Конечно, модели Ребека искусственны. Однако его эксперименты прекрасно иллюстрируют принцип автокатализа, согласно которому продукт химической реакции служит катализатором для себя самого. Что-то вроде автокатализа и нужно для возникновения жизни. Могла ли РНК или ее аналог катализировать собственный синтез в условиях ранней Земли – только не в хлороформе, как в модели Ребека, а в воде?
Манфред Эйген, немецкий лауреат Нобелевской премии в области химии, показал, что эта проблема не из легких. Он обратил внимание на то, что любой процесс саморепликации подвержен вырождению в результате ошибок копирования – мутаций. Представьте популяцию реплицирующихся единиц, в которой каждое событие копирования имеет высокую вероятность ошибки. Чтобы закодированное сообщение могло противостоять разрушительному действию мутаций, по меньшей мере один член популяции в каждом поколении должен быть идентичным своему родителю. То есть если в цепи РНК десять кодовых единиц (“букв”), средняя частота ошибок на “букву” должна быть меньше десятой доли: тогда можно ожидать, что по крайней мере у некоторых членов нового поколения окажется комплект из десяти правильных “букв” кода. Но если доля ошибок больше, в каждом поколении код будет вырождаться просто в результате накопления мутаций, независимо от того, насколько сильно давление отбора. Это называют “катастрофой ошибок”. Катастрофы ошибок в геномах – главная тема любопытной книги Марка Ридли “Демон Менделя”. Однако нас сейчас интересует катастрофа ошибок, которая угрожала возникновению самой жизни.
Короткие цепочки РНК и даже ДНК могут спонтанно самореплицироваться без участия ферментов. Но доля ошибок в этом случае гораздо выше, чем в присутствии ферментов. А это значит, что растущий ген будет разрушен мутациями прежде, чем выстроится достаточная для кодирования работающего фермента последовательность. Это “уловка-22”, замкнутый круг происхождения жизни. Ген, достаточно длинный для кодирования фермента, слишком длинен, чтобы самореплицироваться без помощи того самого фермента, который он пытается кодировать. Так что на первый взгляд такая система никогда не сможет запуститься.
Эйген предложил теорию гиперцикла. В ней используется принцип “разделяй и властвуй”. Закодированная информация разделена на субъединицы, небольшой размер которых позволяет им избежать катастрофы ошибок. Каждая субъединица представляет собой самостоятельный минирепликатор, достаточно короткий, чтобы в следующем поколении выживала по меньшей мере одна его копия. Субъединицы совместно выполняют некую важную функцию, которая была бы подвержена катастрофе ошибок, если бы катализировалась крупной молекулой.
Однако такая система рискует стать нестабильной в случае, если одни субъединицы самореплицируются быстрее прочих. Синтез каждой субъединицы катализируется присутствием другой, так что они образуют цикл взаимозависимости. Этот гиперцикл не позволяет одним субъединицам работать быстрее других. Они просто не могут это делать, потому что зависят от своего предшественника в гиперцикле.
Джон Мейнард Смит указал на сходство гиперцикла с экосистемой. Численность рыб зависит от размера популяции дафний, которыми они питаются. В свою очередь, численность рыб влияет на численность рыбоядных птиц. Благодаря птицам образуется гуано – удобрение для водорослей, которыми питаются дафнии. Таким образом, система представляет собой гиперцикл. Манфред Эйген и его коллега Питер Шустер предложили некую разновидность молекулярного гиперцикла, чтобы обойти “уловку-22” возникновения жизни.
Здесь я вернусь к предположению, которое полностью согласуется с теорией гиперцикла и согласно которому РНК во времена, когда жизнь зарождалась и еще не изобрела белки, могла служить собственным катализатором. Это теория “мира РНК”. Чтобы понять, насколько она правдоподобна, мы должны ответить, почему белки хороши в качестве ферментов, однако плохи как репликаторы, а также почему ДНК хороша в качестве репликатора, но плоха в качестве фермента. Наконец, нужно понять, почему РНК вполне подходит на обе роли, а также что позволяет ей избежать “уловки-22”.
Для ферментативной активности очень важна трехмерная форма. Белки хороши в роли ферментов: они могут принимать почти любую трехмерную форму, которая является следствием одномерной последовательности аминокислот белка. Именно химическое сродство аминокислот различных участков цепи определяет форму узла, в который сворачивается белковая цепь. Таким образом, трехмерная форма молекулы белка определяется одномерной последовательностью аминокислот, которая, в свою очередь, обусловлена одномерной последовательностью “букв”. Теоретически (на практике это гораздо сложнее) можно придумать последовательность аминокислот, которая самопроизвольно сворачивалась бы почти в любую нужную форму: и не только форму, хорошо подходящую для выполнения функции фермента, но и любую произвольную форму. Это свойство белков лежит в основе их ферментативной активности. Белок способен выбирать любую из сотен потенциальных химических реакций, возможных в клетке.
Белки – это удивительные ферменты, способные скручиваться в узлы любой нужной формы. Но они никуда не годятся как репликаторы. В отличие от ДНК и РНК, составные элементы которых подчиняются определенным правилам спаривания (правила комплементарности Уотсона и Крика), аминокислоты таких правил не имеют. Поэтому ДНК, в противоположность белкам, является прекрасным репликатором, но совершенно не годится на роль фермента. Причина в том, что, в отличие от белков с их почти бесконечным разнообразием трехмерных форм, ДНК имеет лишь одну форму: двойную спираль. Она идеально подходит для репликации, поскольку две стороны “лестницы” легко отделяются друг от друга и могут служить матрицами для присоединения новых “букв” согласно правилам комплементарности Уотсона и Крика. Однако для чего-либо еще это свойство бесполезно.
РНК обладает некоторыми репликативными свойствами ДНК и одновременно некоторыми ферментативными свойствами белка. Четыре “буквы” РНК похожи на четыре “буквы” ДНК, благодаря чему любой их набор может служить матрицей для другой цепи. С другой стороны, РНК не так легко формирует длинную двойную спираль и в этом отношении уступает ДНК. Отчасти это объясняется тем, что системе двойной спирали приходится прибегать к исправлению ошибок. Когда двойная спираль ДНК расплетается и на каждой из одиночных одновременно выстраивается комплементарная цепь, ошибки могут быть сразу замечены и исправлены. Поскольку каждая дочерняя цепь остается прикрепленной к родительской цепи, их сравнение делает возможным немедленное выявление ошибок. Исправление ошибок, основанное на этом принципе, уменьшает их частоту примерно до одной на миллиард, что делает возможным существование больших геномов, таких как наш. В РНК же, лишенной системы исправления ошибок такого типа, частота мутаций в тысячи раз выше, чем у ДНК. Поэтому пользоваться РНК в качестве основного репликатора могут лишь простые организмы с небольшими геномами, например некоторые вирусы.
Но в отсутствии двойной спирали есть и плюсы. Поскольку цепь РНК не существует в виде двойной спирали и отделяется от родительской цепи сразу после формирования, она, как и белок, способна скручиваться в узлы. Подобно тому, как белок скручивается благодаря химическому сродству аминокислот в разных участках одной цепи, РНК формирует узлы согласно обычным правилам комплементарности Уотсона и Крика. Иными словами, в отсутствие комплементарной цепи двойной спирали, как в случае ДНК, РНК может свободно спариваться с комплементарными участками самой себя. РНК находит у себя короткие участки, с которыми она может спариваться, образуя либо миниатюрную двойную спираль, либо иную структуру. Правила комплементарности требуют, чтобы направленность этих участков была противоположной. Поэтому цепь РНК часто сворачивается в ряд шпилек.
Разнообразие трехмерных форм, в которые может сворачиваться молекула РНК, не так велико, как разнообразие форм какого-нибудь крупного белка. Но и этого вполне достаточно, чтобы РНК могла выполнять ферментативные функции. Выявлено много ферментов РНК, названных рибозимами. Итак, у РНК есть некоторые репликативные свойства ДНК и некоторые ферментативные свойства белков. Возможно, до появления ДНК (архаичного репликатора) и белков (архаичных катализаторов) функции и тех, и других выполняла РНК. Позднее она стала синтезировать белки. Белки, в свою очередь, стали помогать синтезировать РНК, а потом и ДНК, которая в итоге стала выполнять функцию главного репликатора.
Теория “мира РНК” получила косвенное подтверждение в ряде замечательных экспериментов, который провел Сол Шпигельман из Колумбийского университета, а позднее в различных вариантах повторили другие ученые. В экспериментах Шпигельмана использовался белковый фермент – что, конечно, можно счесть нечестным, однако результаты были настолько впечатляющими и прояснили столько важных звеньев теории “мира РНК”, что того стоили.
Сначала об истории вопроса. Существует вирус QP. Это вирус РНК – то есть вместо ДНК его гены состоят из РНК. Для репликации этой РНК вирус использует фермент Qβ-репликазу. В “диком” виде QP является бактериофагом – паразитом кишечной бактерии Escherichia coll. Бактериальная клетка решает, что РНК вируса QP – часть ее собственной информационной РНК, и ее рибосомы обрабатывают чужую РНК точно так, как и собственную. Однако белки, которые при этом образуются, полезны вирусу, но не бактерии-хозяину. Таких белков четыре: белок оболочки, нужный для защиты вируса; клейкий белок для прикрепления к бактериальной клетке; так называемый фактор репликации, о котором я расскажу ниже; белок-бомба, который разрушает бактериальную клетку после того, как вирус закончил реплицироваться, и высвобождает десятки тысяч вирусных частиц, каждая из которых будет блуждать в своей белковой оболочке, пока не встретит новую бактериальную клетку.
Я обещал рассказать о факторе репликации. Это не фермент Qβ-репликаза, он меньше и проще. Этот небольшой вирусный ген отвечает за синтез белка, “сшивающего” три других белка, которые бактерия синтезирует для своих (совершенно иных) нужд. Вместе три белки образуют Qβ-репликазу.
Шпигельман смог изолировать в этой системе всего два компонента: Qβ-репликазу и Qβ-РНК. Он поместил их в воду вместе с некоторыми низкомолекулярными веществами – строительными элементами для синтеза РНК – и принялся ждать. РНК захватывала маленькие молекулы и синтезировала собственные копии согласно правилам комплементарности Уотсона и Крика. Причем она справлялась с этим без помощи бактерии-хозяина, белковой оболочки или какой-либо иной части вируса, что само по себе любопытно. Заметьте, что синтез белка, который в естественных условиях является одной из обычных функций РНК, был полностью изъят из цикла. Мы получили голую систему репликации РНК, создающую свои копии, не утруждаясь синтезом белков.
И тут Шпигельман в искусственном мире – в пробирке, в отсутствие каких-либо клеток – запустил действующую модель эволюции. Его экспериментальная установка представляла собой длинный ряд пробирок, содержащих Qβ-репликазу и строительные элементы, не содержащих РНК. В первую пробирку он поместил небольшое количество Qβ-РНК, и она послушно синтезировала множество своих копий. Взяв каплю полученной жидкости, Шпигельман поместил ее во вторую пробирку. Эта “затравочная” РНК принялась реплицироваться во второй пробирке, и через некоторое время Шпигельман извлек оттуда каплю жидкости и перенес в третью пробирку. И так далее. Похоже на то, как искра, воспламеняя сухую траву, приводит к появлению нового костра. Однако огонь не наследует качеств искры, а молекулы РНК у Шпигельмана это делали. И это позволило добиться эволюции путем естественного отбора в ее самой простой форме.
Шпигельман брал пробы каждого “поколения” РНК из пробирок и изучал их свойства, в том числе способность инфицировать бактерии. И получил удивительные результаты. Эволюционирующие РНК становились все меньше и одновременно утрачивали способность к инфицированию бактерий. Через 74 поколения от типичной молекулы РНК в пробирке осталась лишь небольшая часть исходного размера “дикого” предка. РНК “дикого” типа представляла собой цепь длиной 3600 “бусин”. Спустя 74 поколения естественного отбора средний обитатель пробирки уменьшился до скромных 550 оснований. Такая молекула уже не годилась для инфицирования бактерий, зато отлично справлялась с инфицированием пробирок.
Произошло вот что. Со сменой поколений в РНК происходили спонтанные мутации, и выжившие мутанты приспосабливались жить в мире пробирок, а не в естественном мире бактерий, которые можно инфицировать. Основное различие предположительно в том, что РНК в пробирках могла обходиться без тех частей кода, которые нужны для синтеза четырех указанных выше белков, необходимых вирусу “дикого” типа для паразитирования на бактериях. И то, что осталось от РНК, было минимумом, нужным для репликации в тепличном мире пробирок, полных Qβ-репликазы и строительных компонентов.
Этот выживший кусочек РНК, размером менее десятой части своего “дикого” предка, стал известен как монстр Шпигельмана. Благодаря небольшому размеру эта экономичная конструкция репродуцируется быстрее, чем конкуренты, и поэтому естественный отбор постепенно увеличивает его численность в популяции (популяция в данном случае – самое верное слово, хотя мы говорим о свободно плавающих молекулах, а не о вирусах или каких-нибудь других организмах).
Поразительно, но “монстр Шпигельмана” снова эволюционирует при повторных проведениях эксперимента. Более того, Шпигельман вместе с Лесли Оргелом, ведущим специалистом в области исследований происхождения жизни, провел дополнительные эксперименты. Ученые добавляли в раствор вредное вещество – бромистый этидий. В таких условиях в растворе эволюционировал другой монстр, устойчивый к бромистому этидию. То есть загрязнение раствора разными химическими веществами способствует эволюции монстров с разной специализацией.
Шпигельман в экспериментах избрал отправной точкой Qβ-РНК “дикого” типа. Манфред Сумпер и Рюдигер Люче из лаборатории Манфреда Эйгена провели другой опыт, также получив удивительные результаты. Они показали, что при определенных условиях в пробирке, в которой нет РНК, а есть лишь компоненты для ее синтеза и фермент Qβ-репликаза, может спонтанно синтезироваться самореплицирующаяся РНК. В подходящих условиях она эволюционирует, превращаясь во что-то вроде “монстра Шпигельмана”. Здесь уместно вспомнить о креационистах, которые боятся (или, лучше сказать, надеются), что крупные молекулы слишком “невероятны”, чтобы появиться в результате эволюции. Сила кумулятивного естественного отбора (и его отличие от слепого случая) такова, что “монстру Шпигельмана” нужно лишь несколько дней, чтобы выстроить себя с нуля.
Однако эти эксперименты все же нельзя назвать проверкой гипотезы “мира РНК”. Нам так или иначе приходится “мошенничать”, обеспечивая постоянное наличие Qβ-репликазы. А гипотеза “мира РНК” связывает свои надежды с каталитическими способностями самой РНК. Ведь если РНК может катализировать другие реакции (что она, как известно, делает), почему бы ей не катализировать собственный синтез? Сумпер и Люче обошлись без РНК, однако Qβ-репликазу все-таки использовали. Таким образом, нужен новый эксперимент, в котором не использовалась бы и Qβ-репликаза. Исследования на эту тему продолжаются, и я ожидаю интереснейших результатов.
А сейчас я хотел бы поговорить о модном направлении мысли, которое полностью совместимо с идеей “мира РНК” и многими другими современными теориями происхождения жизни. Новизна в том, что первые важные события происходили не в “маленьком теплом пруду”, а в глубинах Земли. Чтобы найти “Кентербери” и закончить наше путешествие, пилигримам придется спуститься под землю. Главный вдохновитель этой теории – Томас Голд, большой оригинал. Вообще-то он астроном, но заслуживает редкого ныне звания полимата. Причем Голд настолько выдающийся ученый, что его избрали и в Королевское общество, и в Национальную академию наук США.
Голд считает, что мы напрасно делаем упор на Солнце как на исходную энергетическую движущую силу жизни. По его мнению, нас могло ввести в заблуждение то, что кажется таким знакомым: мы придаем себе и собственному типу жизни центральное положение, которого не заслуживаем. Когда-то учебники утверждали, что жизнь зависит от солнечного света. Затем, в 1977 году, было сделано ошеломляющее открытие: в вулканических жерлах на океаническом дне есть сообщества необычных существ, обходящихся без солнечного света. Жар от лавы нагревает воду выше 100 °C (что, однако, значительно ниже точки кипения вследствие колоссального давления на глубине). При этом окружающая вода остается очень холодной, и температурный градиент стимулирует различные типы бактериального метаболизма. Живущие там термофильные бактерии (включая серных бактерий, которые используют сероводород из жерл) составляют основу сложных пищевых цепей. Верхние звенья таких цепей включают кроваво-красных червей погонофор, достигающих трех метров в длину, а также морских блюдечек, мидий, морских звезд, усоногих рачков, белых крабов, креветок, рыб и кольчатых червей, которые способны жить при 80 °C. Как мы видели, существуют бактерии, умеющие обращать себе на пользу адские температуры, однако такого не замечали за животными, поэтому открытых червей-полихет назвали помпейскими червями. Некоторых серных бактерий приютили животные, например устрицы и гигантские погонофоры, которые имеют биохимические механизмы, позволяющие использовать гемоглобин (он придает им кроваво-красный цвет) для скармливания сульфидов своим бактериям. Эти колонии, живущие за счет извлечения бактериями энергии из жерл вулканов, поразили всех сначала своим существованием, а затем и богатством форм, разительно контрастирующим с пустыней морского дна.
Но даже после сенсационного открытия многие биологи продолжают считать, что жизнь полностью зависит от Солнца. Большинство ученых считает существ из глубоководных сообществ пусть восхитительными, но все же редкими и нетипичными исключениями. Голд думает иначе. По его мнению, именно в пекле под высоким давлением возникла жизнь. Не обязательно в море, а, возможно, в горных породах глубоко под землей. А исключения – это как раз мы, живущие на поверхности, в окружении света и прохладного свежего воздуха! Голд указывает, что гопаноиды – органические молекулы в стенках бактериальных клеток – повсеместно встречаются в горных породах, и приводит оценку специалистов: іо-100 триллионов тонн гопаноидов в горных породах по всему миру. Это гораздо больше органического углерода (всего триллион тонн), содержащегося в обитающих на поверхности жизненных формах.
Голд считает, что породы пронизаны трещинами, которые, хоть и почти невидимы глазу, обеспечивают более миллиарда триллионов кубических сантиметров теплого влажного пространства, подходящего для жизни на бактериальном уровне. Тепла и химических веществ, составляющих эти породы, достаточно для поддержания жизни огромного количества бактерий. Многие бактерии, указывает Голд, живут при температуре до 110 °C, что позволяет им жить на глубине 5-10 км (для преодоления этого расстояния им потребовалось бы менее тысячи лет). И, хотя это невозможно проверить, Голд считает, что биомасса бактерий, живущих в горячих недрах, может превышать биомассу знакомых нам поверхностных жизненных форм, существующих за счет энергии Солнца.
Голд и другие ученые напоминают, что термофилия – нередкое явление среди бактерий и архей. Она распространена настолько широко, что, возможно, именно она была тем примитивным состоянием, из которого эволюционировали знакомые нам холодолюбивые формы жизни. Температурные и химические условия на поверхности первобытной Земли (некоторые ученые называют этот период гадейским) были сильнее похожи на условия Голда, чем на сегодняшние поверхностные. И можно привести доводы в пользу того, что, погружаясь вглубь горных пород, мы погружаемся вглубь времен и открываем мир, похожий на “Кентербери”.
Эту идею недавно отстаивал англо-австралийский физик Пол Дэвис, приведший в книге “Пятое чудо” новые свидетельства, появившиеся уже после выхода статьи Голда в 1992 году. Было показано, что добытые бурением пробы содержат гипертермофильные бактерии, живые и плодящиеся – хотя были предприняты меры, исключающие загрязнение с поверхности. Впоследствии некоторых из этих бактерий успешно культивировали… в модифицированной скороварке.
Дэвис, как и Голд, считает, что жизнь возникла глубоко под землей и что бактерии, до сих пор там живущие, могут представлять собой наших почти не изменившихся далеких предков. Эта идея особенно привлекательна для нас, пилигримов, потому что позволяет надеяться на встречу с бактериями, не похожими на знакомых нам бактерий, приспособившихся к современным свету, прохладе и кислороду. Теория возникновения жизни в горячих недрах, сначала поднятая на смех, сегодня очень модна. Окажется ли она верной, покажут дальнейшие исследования. Но я, признаться, надеюсь, что так и произойдет.
Существует множество других теорий. Возможно, когда-нибудь мы придем к консенсусу относительно происхождения жизни. Однако сомневаюсь, что консенсус будет подкреплен непосредственными доказательствами – боюсь, они давно утрачены. Скорее всего, окончательное решение будет принято после того, как кто-нибудь предложит теорию настолько элегантную, что, как выразился (в другом контексте) американский физик Джон Арчибальд Уилер,
ее суть окажется столь простой, красивой, убедительной, что мы скажем друг другу: “Да разве может быть иначе?! И как это мы так долго оставались слепыми?”
