«Я не могу дать этому определения, но когда я это увижу, то сразу узнаю», — сказал судья Верховного суда США Поттер Стюарт о жестком порно. Его слова применимы к жизни в целом, определить которую еще труднее — возможно, труднее всего. Например, можно ли назвать живым лесной пожар? Очевидно, нельзя, хотя он и соответствует некоторым общепринятым критериям живого, таким как «питание», «рост» и «воспроизводство». Им отвечают и растущие кристаллы. Мы «знаем», что они неживые, но затрудняемся дать понятию живого строгую формулировку, которая бы их исключала. С вирусами дело обстоит противоположным образом. Они кажутся крохотными машинами, столь же тщательно сконструированными под выполняемую задачу, как лунный посадочный модуль. В том, как они встраиваются в механизм функционирования клеток, чтобы воспроизводить себя в тысячах копий, трудно не усмотреть целеустремленности. Целеустремленная конструкция — парадоксальное описание, не вяжущееся, однако, с неодушевленной силой. Тем не менее вирусы не имеют собственного метаболизма — они не способны жить автономно, — поэтому они исключены из многих определений жизни.

Не будем рассматривать еще более спорные примеры вроде компьютерных программ. Просто признаем: что такое жизнь — сказать трудно. Затрудняет ли это изучение происхождения жизни? Да, поскольку мы не договорились, что именно пытаемся объяснить как в собственном мире, так и применительно к другим планетам. И нет, поскольку великое множество шагов на пути к первой живой клетке образует континуум: отсутствует определенный момент, указав на который мы могли бы однозначно заявить — вот сейчас сложная молекулярная система внезапно стала живой. Самые первые состояния этого континуума, безусловно, не были живыми. Какими же они были в таком случае? Очевидно, они формировали определенную среду, способствующую следующему шагу, среду, обладающую потенциалом развития жизни — «зародышем» жизни. Можем ли мы на основании изучения жизни на Земле что-то узнать об этом зародыше? А затем и высказать предположения о природе инопланетян?

На мой взгляд, большинство определений жизни грешат общим недостатком — не охватывают среду как зародыш жизни. Например, определение, ныне принятое в НАСА, — «самоподдерживающаяся система, способная к дарвиновской эволюции». Самоподдерживающаяся? Начать с того, что поддержание жизни в обязательном порядке зависит от среды обитания. И речь идет не только о том, что первый шаг к появлению жизни возможен лишь в благоприятном окружении. Даже мы, современные люди, не способны обрезать пуповину, связывающую нас со средой, которая обеспечивает наше существование. Подобно всем живым организмам, от бактерий до растений и животных, мы должны постоянно дышать, чтобы жить. Базовый страх утопления или асфиксии — это страх оказаться отрезанными от среды обитания более чем на несколько секунд. Относительно немногочисленные виды научились переносить это отторжение, переходя в метаболически пассивные состояния, из которых возвращаются к жизни, когда условия становятся благоприятными. Однако они не способны делать это бесконечно, а, восстановив жизнедеятельность, становятся столь же неотделимыми от своего окружения. Ключевое слово здесь — жизнедеятельность. Жизнь существует ради жизнедеятельности, и гораздо разумнее, ища источник жизни, искать источник жизнедеятельности — активного использования среды с целью постепенного роста.

Все живое использует окружающую среду, чтобы делать свои копии. Я не требую признать это определением живого, но вижу здесь плодотворный подход к мировосприятию, тем более что он позволяет отнести к живой материи и вирусы, и живые клетки. Действительно, вирусы эксплуатируют чрезвычайно богатую ресурсами среду — внутренность клетки, изобилующую энергией и механизмами, необходимыми вирусам для репликации. Они могут себе позволить свести собственные ресурсы к самому минимуму, поскольку все необходимое им предоставляет среда обитания. На другом конце спектра располагаются растения, также эксплуатирующие свою среду, но лишь в малой степени. Практически все, что им нужно, — солнечный свет, вода и углекислый газ. Они отличаются чрезвычайно сложной биохимией, позволяющей растениям снабжать себя всем необходимым для роста, крайне скупо потребляя внешние ресурсы. Правило здесь такое: чем ниже зависимость от окружения, тем выше биохимическая сложность организма. Однако эта зависимость сохраняется всегда. Если лишить растение света или воды, оно погибнет так же неизбежно, как погибает человек без кислорода. Все мы, подобно вирусам, паразитируем на своем окружении — в конечном счете на своей изменчивой «живой» планете.

Итак, как устроена жизнь? Казалось бы, способов существования столько же, сколько и живых существ, но на уровне базовой схемы жизнедеятельности клетки это совершенно не так. Потрясающе, но вся жизнь на Земле применяет один и тот же механизм получения энергии извне и ее использования для степенного роста и репродукции. Химическая активность среды обитания позволяет живым организмам заряжать свои аккумуляторы: по обе стороны тонких клеточных мембран накапливается электрический заряд.

Расстояние, на котором действует этот заряд, настолько мало (пять миллионных долей миллиметра), что если бы вы уменьшились в размерах до молекулы, то оказались бы под воздействием электрического поля напряженностью около 30 млн В/м — как у разряда молнии. Какой бы дикой ни казалась эта мысль со всеми ее франкенштейновскими реминисценциями, именно электрический заряд биологических мембран является главным отличительным признаком земной жизни наряду с ДНК, или генетическим кодом. Однако в отличие от ДНК устойчивое существование этого заряда указывает на определенные условия, в которых могла возникнуть жизнь на Земле. Возможно, такие же условия существуют и на других планетах, которых в одной только Галактике около 40 млрд.

Мысль о том, что клетки питаются электрической энергией, стала одной из самых революционных научных идей XX в. Ее продвигал с начала 1960-х гг. эксцентричный англичанин, биохимик Питер Митчелл, вызывавший у своих современников-ученых такой антагонизм, что противодействие его гипотезе вылилось в непримиримый конфликт, получивший название OxPhos-войн (поскольку Митчелл назвал предложенный им механизм клеточного дыхания окислительным фосфорилированием). Дело кончилось присуждением Митчеллу в 1978 г. Нобелевской премии, и его открытие было названо «самой парадоксальной идеей в биологии со времен Дарвина, единственной, сопоставимой с идеями Эйнштейна, Гейзенберга и Шрёдингера». По существу же гипотеза Митчелла была проста и вырастала из едва ли не наивного вопроса о том, в чем разница между внешним и внутренним.

Митчелл заинтересовался, каким образом бактерии поддерживают внутреннюю среду. И понял, что они активно перекачивают молекулы внутрь клетки или за ее пределы через мембрану. Активный процесс перекачивания энергозатратен и избирателен: опознаются и проводятся через мембрану определенные молекулы, подобно тому как паромщик перевозит через реку только тех пассажиров, кто заплатил. Гениальность Митчелла позволила ему заметить, что тот же базовый принцип применим не только к жизнедеятельности бактерий, но и к клеточному дыханию, о котором было известно, что для него необходимы мембраны, хотя причины этого оставались загадкой. Если при активном перекачивании вещества из клетки (вследствие чего создается разница между внутренней и внешней средой) энергия тратится, понял Митчелл, то она же и высвобождается, если дать возможность потоку вернуться обратно, нейтрализуя созданную разницу. Высвобождаемую энергию можно использовать для производительной деятельности.

Так устроено клеточное дыхание. Через мембраны активно прокачиваются протоны. Как вы, наверное, помните, протоны — положительно заряженные ядра атомов водорода, обозначаемые символом Н+. Когда они выводятся из клетки, то внутри и вне ее возникает не только разная концентрация протонов, но и разница электрических потенциалов, поскольку протоны выносят наружу положительный заряд. Этим и обеспечивается устойчивый электрический заряд наших мембран. Вынужденные переместиться наружу, протоны стремятся вернуться обратно в клетку и нейтрализовать разницу в заряде и концентрации. Митчелл назвал действующую при этом силу протонодвижущей. Это самая важная сила для живой материи. Через мембраны митохондрий, встроенных электростанций наших клеток, ежесекундно перекачивается невообразимое количество протонов — 10 млрд трлн — почти столько же, сколько звезд в видимой Вселенной. Крошечные бактерии совокупными усилиями перекачивают еще больше.

Каждое живое существо на нашей планете получает энергию из источника, приводимого в движение протонодвижущей силой. Этот механизм действует непрерывно, каждую секунду существования, передавая искру жизни от одного поколения к другому. С самым первым движением жизни на Земле около 4 млрд лет назад всех нас связывает ни на мгновение не прерывающийся поток протонов.

Откуда же берется энергия на перекачку всех этих протонов и поддержание всех этих жизней? В нашем случае — от сжигания пищи кислородом благодаря дыханию. Мы извлекаем электроны из пищи, и они передаются по цепи переносчиков внутри той самой мембраны митохондрий, пока не встретятся с кислородом, который доставляется в каждую нашу клетку исключительно ради этого. Поток электронов к месту встречи с кислородом — еще один электрический ток — как раз и питает транспортировку протонов через мембрану. С прекращением дыхания прерывается поток электронов, и ничто больше не перекачивает протоны. Источник жизненной силы иссякает, и наступает конец. Исчезновение протонодвижущей силы — лучшее определение смерти. Непрерывный поток электронов и протонов, связывающий нас с источником всего живого на Земле, прекращается с нашей кончиной.

Большинству бактерий не требуется ни кислорода, ни пищи, чтобы создавать протонодвижущую силу. Они умеют использовать в этих целях другие газы и даже минералы. По генам можно проследить источники силового поля в живых клетках вплоть до последнего универсального общего предка всех живых видов. Зовут этого предка «Последний универсальный общий предок» — LUCA (Last Universal Common Ancestor). LUCA не являлся самым первым существовавшим на Земле организмом, поскольку уже представлял собой клетку с генами и белками, т.е. был весьма сложным — и, безусловно, живым. Тем не менее это очень ранняя страница в истории жизни, и если источником энергии для него служила протонодвижущая сила, то ее механизм должен был сформироваться еще раньше — где-то в сумеречной зоне между живой и неживой материей. Невероятная сложность современного дыхания противоречит этой идее, вследствие чего она до сих пор не получила должного внимания. Но чем больше мы узнаем об удивительном строении LUCA, тем больше оно свидетельствует о существовании первичной электрической силы — причем не только на Земле, но и повсюду во Вселенной.

Возможно, вам знакома классификация всего живого по трем доменам: эукариоты (все организмы с большими сложными клетками, в том числе растения, животные и грибы), бактерии и археи, внешне напоминающие бактерии, но резко отличающиеся генетикой и биохимией. Сегодня мы знаем, что эукариоты — обладатели клеток того же типа, что и у нас, фактически сшиты на живую нитку из бактерий и архей, т.е. являются результатом причудливого взаимодействия клеток двух других типов. Это захватывающая тема, но не имеющая касательства к предмету нашего разговора, поскольку эукариоты возникли на 2 млрд лет позже и никак не помогут нам раскрыть тайну зарождения жизни. В последние годы становится все более очевидно, что первичными доменами являются только два — бактерии и археи. Каждая из этих генетически разных групп включает крохотные одноклеточные организмы с невероятной биохимической изобретательностью, но морфологически простых.

Если вы ничего не знаете о бактериях и археях, то, вероятно, считаете эту тему скучной и примитивной. Ничего подобного! Они господствовали первые 3 млрд лет существования жизни на Земле и «изобрели» все важнейшие биохимические процессы — от фотосинтеза и фиксации азота до дыхания. Даже сейчас мы не сможем без них выжить. Но самой важной для нас на сегодняшний день является возможность сравнить подробно изученную биохимию этих двух групп организмов и попытаться понять, каким мог быть их общий предок — LUCA. Например, бактерии и археи хранят наследственную информацию в ДНК, кодирующей последовательность строительных блоков (аминокислот) в белках. У обеих групп этот код совершенно одинаков — это так называемый универсальный генетический код. Можно предположить, что и LUCA уже обладал генетическим кодом, ДНК и белками.

Чем еще? Мы можем почти наверняка утверждать, что он был автотрофом, т.е. получал все необходимое для роста из неорганической материи — минералов и газов, а не «поедал» органику. Самые древние бактерии и археи, по-видимому, питали свою жизнедеятельность такими газами, как водород и углекислый газ, — как, вероятно, и LUCA. Он почти наверняка не занимался фотосинтезом (следовательно, не нуждался в свете Солнца), поскольку этим изощренным процессом владеют только бактерии, но не археи. Однако водород и углекислый газ не слишком химически активны. Видимо, LUCA использовал протонодвижущую силу — электрический заряд на своих мембранах, — чтобы заставлять их вступать в реакцию с помощью минеральных веществ, содержащих железо и серу и выступающих в качестве катализатора — ускорителя естественных реакций. Эти черты наблюдаются в обеих группах одноклеточных живых организмов, следовательно, должны были иметься и у их общего предка.

Однако самым интересным является то, что отличает два базовых домена. Прежде всего, это фундаментальная разница клеточных мембран и стенок, отделяющих внутренность клетки от окружающей среды, у бактерий и архей. Это и механизм, создающий электрическое поле. Очевидно, LUCA тоже был автотрофом и использовал электрический заряд на своей клеточной мембране для осуществления медленной реакции между углекислым газом и водородом. Тем не менее эта мембрана, играющая столь важную роль, у современных бактерий и архей непостижимым образом отличается, как и механизм генерации заряда.

Как это объяснить? Имеется несколько возможных вариантов, по которым специалисты, занятые решением этой проблемы, никак не могут прийти к согласию. Одно из объяснений является особенно привлекательным, поскольку напрямую указывает на источник всей жизни и ее возникновение в чрезвычайно специфической среде. Возможно, LUCA пользовался электрическим зарядом на мембране, не умея его создавать, поскольку получал этот заряд в готовом виде из среды обитания.

Именно такая среда — гидротермальный источник специфического типа — была впервые предложена в качестве колыбели земной жизни в конце 19З0-Х гг. Майком Расселом, ныне работающим в Лаборатории реактивных двигателей НАСА в Пасадене. Его не остановило даже то, что в те времена такие источники не были известны. Десятилетие спустя, в 2000 г., возле Срединно-Атлантического хребта было открыто новое гидротермальное поле, отвечавшее всем критериям, предсказанным Расселом. Поле, получившее название Лост-Сити, явилось результатом не вулканической активности, а химической реакции скальных пород океанского дна и морской воды. Вследствие этого процесса возникли гидротермальные источники с сильной щелочной реакцией, как у отбеливателей, бурлящие газообразным водородом. На наш взгляд, это агрессивная среда, но именно водород требуется большинству древних бактерий и архей для роста. Более того, источники Лост-Сити пронизаны сложными лабиринтообразными структурами крохотных пор с тонкими стенками из неорганических веществ. Поры не только напоминают строением живые клетки, но и имеют на стенках электрический заряд — источник природной протонодвижущей силы, обеспечиваемый разницей концентрации протонов в гидротермальных жидкостях (бедных протонами) и в относительно кислотной (богатой протонами) морской воде, которые смешиваются друг с другом в границах источников.

Поровые каналы гидротермальных источников по своему строению аналогичны большинству древних бактерий и архей, которые, что интересно, до сих пор существуют в своей первозданной среде. Единственное различие состоит в том, что сегодня наличие кислорода мешает протеканию химических реакций, когда-то запустивших процесс жизнедеятельности. Возможно, однако, что 4 млрд лет назад, до начала выработки кислорода процессом фотосинтеза, толчком для жизни могла послужить природная протонодвижущая сила. После десятилетий упорных поисков источника жизни эта идея выглядит особенно привлекательной. Эти поиски основывались на прагматическом подходе — отрабатывалось то, что хорошо удается в химической лаборатории. Берем высокоэнергетические молекулы, например цианистую соль, облучаем ультрафиолетом, чтобы спровоцировать химическую реакцию, и получаем возможность синтезировать большую часть базовых строительных блоков жизни. Все прекрасно — не считая того, что все эти десятки лет ученые получали картину, совершенно не похожую на то, что мы видим в реальности. Ни одна известная форма жизни на Земле не использует цианистый калий в качестве источника углерода или азота и не черпает энергию ультрафиолетового излучения. Пути реакции, скрупулезно выявляемые специалистами по добиотической химии, не имеют ничего общего с путями биохимических реакций, протекающих в настоящих живых клетках. Дождаться же, чтобы в жиденьком бульоне этих молекул самозародились клеткообразные структуры, способные расти и делиться, совершенно нереально.

Противоположный подход — взять молекулы и биохимические пути, используемые живыми клетками, — в лаборатории также оказывается бесперспективным. Углекислый газ и водород упрямо остаются неактивными, несмотря на то что все живое использует их как основу для жизнедеятельности. Вплоть до недавнего времени не удавалось воссоздать в лабораторных условиях структуру клетки как таковой — электрический заряд на мембранах, протоно-движущую силу. Как все это работает? Безусловно, разгадка прячется в самой клетке. Руководствуясь революционной работой Билла Мартина из Дюссельдорфского университета по детальному изучению метаболизма древнейших клеток, сразу несколько групп по всему миру (в том числе моя группа в Университетском колледже Лондона) взялись за разработку реакторов для проверки гипотезы, что стимулом к зарождению жизни могла послужить природная протонодвижущая сила гидротермальных источников. Мы уже получили обнадеживающие результаты, первые многообещающие свидетельства того, что природный протонный градиент действительно мог запустить реакцию водорода и углекислого газа с получением простых органических молекул. Восхитительное начало! Но только начало.

Главное в этой идее — то, что она связывает живую планету с живыми клетками. Как я упоминал, гидротермальные источники этого типа возникли в результате химической реакции между горной породой и водой. Это химически активная среда и, возможно, одна из самых универсальных во Вселенной. Рассматриваемый минерал оливин является одним из самых распространенных в составе межзвездной пыли. Из него же по большей части состоит мантия Земли. Вода также есть везде. Соедините их на любой влажной каменистой планете, и начнется реакция в планетарном масштабе. В нашей Солнечной системе имеются признаки протекания этих реакций на Марсе (хотя он и потерял почти всю свою воду) и на ледяных спутниках — Энцеладе, Титане и Европе. Углекислый газ также в изобилии содержится в атмосфере большинства планет Солнечной системы. Горная порода, вода и углекислый газ — трудно представить еще более краткий и нетребовательный «пакет условий» возникновения жизни. Но важно, чтобы сочетание этих факторов создало гидротермальные источники нужного типа, с естественным протонным градиентом через неорганические барьеры, который стал бы источником энергии для химического взаимодействия водорода и углекислоты, дающего на выходе органическую материю в клеткообразных порах коры любой влажной каменистой планеты.

Земля не исключение. Из-под поверхности 40 млрд каменистых планет в нашей Галактике также выходит водород и вступает в реакцию с углекислым газом благодаря энергии непрерывного потока электронов и протонов, повсеместно распространенных во Вселенной элементарных частиц. Те же силы двигают жизнь на Земле. Так что мы обязательно узнаем жизнь, когда увидим ее, поскольку источником инопланетной жизни также будет электрическая разность потенциалов.