Жизнь — сложное явление. На Земле живет около 2 млн известных нам видов и намного больше неизвестных, и каждый является изощренным результатом более чем з млрд лет эволюции. Но биосфера не всегда была такой насыщенной. Какой-то период в начале существования Земли на ней вообще не было жизни, была лишь неживая материя. Чтобы понять, как произошел переход от набора химических элементов к жизни, нужно прежде всего выработать определение живой материи. К сожалению, общепринятого определения, принимаемого всеми биологами и химиками, не существует. Эту непростую проблему всесторонне осветил Ник Лейн, и я не стану к ней возвращаться. Однако, чтобы рассмотреть возможность независимого возникновения жизни на других планетах, давайте договоримся считать живым организм, способный к воспроизводству в неживом окружении — а никакого иного окружения в изначально стерильном мире быть не может.

Теперь, исходя из определения жизни как способности самокопирования (в неживой среде), зададимся вопросом, насколько простой может быть жизнь. На сегодняшний день ответ может дать так называемая микоплазма — крохотные бактерии, вызывающие распространенные инфекции человека, в частности пневмонию. Они далеко не примитивны. Даже простейшие микоплазмы имеют достаточное число генов для кодирования почти 500 белков. Эти одноклеточные организмы неправильной формы имеют диаметр менее одной тысячной миллиметра, однако содержат миллионы молекул, белки, жиры и углеводы, взаимосвязанные непростыми регуляторными сетями.

Живые клетки так замысловато устроены, поскольку сложен сам процесс репликации. Мы знаем, что он представляет трудности даже для машин, специально созданных для копирования вещей. Современная технология дала нам множество таких устройств, от фотокопировальных машин до компьютеров и 3D-принтеров. Но может ли какое-то из них сделать копию себя? Вероятно, ближе всего к этой возможности подошел 3D-принтер. Сегодня эти устройства способны печатать собственные компоненты, из которых затем можно собрать 3D-принтер. Однако не все их компоненты удается изготовить этим методом, и им все равно нужна посторонняя помощь при сборке. На данный момент мы все еще очень далеки от создания самореплицирующейся машины. Какая ирония: в современном мире суперкомпьютеров, космических ракет и смартфонов единственная возможность получить создание, способное к воспроизводству, — это воспользоваться все теми же методами, что и несколько миллиардов лет назад. Единственный самостоятельно реплицирующийся «продукт» человеческих усилий — наши дети!

Очевидная трудность репликации становится проблемой для каждого, кто пытается объяснить происхождение жизни. Знаменитой иллюстрацией этой проблемы является предложенное астрономом Фредом Хойлом сравнение вероятности возникновения бактерии в ходе случайных термодинамических процессов, возможных на молодой Земле, с шансами на то, что торнадо, пронесшись над свалкой старой техники, «надует» из железного хлама аэробус. На Земле находится «свалка» или на какой-то отдаленной планете — проблемы не снимает. Представляется, что даже Вселенная недостаточно велика, чтобы в ней по чистой случайности появилась сложная клеточная жизнь. И все-таки по крайней мере однажды это произошло.

Преодолеть эту дилемму помогает, в частности, антропный принцип, специфическим образом объясняющий, почему все во Вселенной, от законов физики и химии до уникальных условий на Земле, словно нарочно придумано для того, чтобы мы могли существовать, чтобы чудо человеческой жизни стало возможным. Нередко идут в ход варианты теории параллельных вселенных, согласно которым их число практически бесконечно и они имеют разные условия, в большинстве своем непригодные для жизни. Однако условия в нашей Вселенной должны были благоприятствовать жизни — иначе нас бы здесь не было. Впрочем, даже в таких вселенных, как наша, с подходящими условиями, зарождение жизни может быть затруднительно. Если же это случилось однажды, почему не может случиться снова, а потом еще раз и еще, о чем подробно пишет Пол Дэвис в главе 13? Если мы находимся именно в такой вселенной, где жизнь «легка на подъем», то опыт возникновения и развития живого на Земле, вероятно, должен был повториться на других планетах. Это оптимистичный сценарий для поиска внеземных обитателей.

Согласно второму подходу, законы физики и химии и значения базовых констант, таких как сила притяжения и электрический заряд электрона, являются необходимыми, но недостаточными условиями возникновения жизни. Возможно, потребовалась вторая попытка, и здесь, на Земле, она увенчалась успехом благодаря невероятно редкому сочетанию химических веществ, породившему жизнь исключительно на нашей планете, как описывает в главе 14 Мэтью Кобб. По этому сценарию жизнь «тяжела на подъем» и мы, скорее всего, одиноки во Вселенной.

Итак, сколько раз должны быть успешно выброшены «антропные кости» — не менее двух или хватит одного броска? Легка ли жизнь «на подъем»? Как отмечает Мэтью Кобб, поскольку все организмы произошли от одного общего предка, можно предположить, что жизнь на Земле воспользовалась единственным уникальным шансом. Но если нам земная жизнь известна лишь в одном воплощении, из этого совершенно не следует, что ей не могли предшествовать другие успешные попытки. Ныне существует только один вид рода Homo (Homo sapiens), но в прошлом было немало других, просто все они вымерли. Аналогично в еще более отдаленном прошлом теоретически могли возникать альтернативные источники жизни, также уступившие Землю нашим успешным предкам.

Аргументом в пользу оптимистичного сценария является возникновение жизни на земном шаре практически сразу, едва для нее сложились условия. Когда Земля сформировалась около 4,6 млрд лет назад, она была слишком горячей, чтобы на ней имелась жидкая вода (Крис Маккей в главе 6 и Андреа Селла в главе 10 сходятся на том, что это важное условие возникновения жизни на нашей планете и, возможно, в любом другом месте). Соответственно, она не была пригодна для обитания вплоть до момента не ранее 3,8 млрд лет назад. И примерно этим временем датируются самые ранние следы организмов в древнейших горных породах. Если жизнь «тяжела на подъем» и требует исключительно удачного броска «химических костей», тогда, скорее всего, прошло бы много миллионов, а то и миллиарды лет, прежде чем химические компоненты сошлись в нужном сочетании для появления жизни. Жизнь, однако, возникла относительно быстро. Можно предположить, что, как только выполнены условия ее существования — например, наличие жидкой воды, — жизнь становится не просто возможной, а вероятной. Следовательно, в нашей Вселенной жизнь «легка на подъем», и если такие же условия, как на молодой Земле, сложились в инопланетных мирах — что представляется вероятным, — то живая материя должна была возникнуть и на этих планетах, причем столь же быстро. Инопланетяне должны быть повсюду.

Чтобы подкрепить эту гипотезу, нужно как-то решить парадокс Хойла о торнадо и автосвалке. Как возможна случайная сборка из химического «мусора» чудовищно сложной — и чрезвычайно маловероятной — функции самокопирования?

В качестве первых носителей этой функции назывались различные биомолекулы, которые могли бы сформироваться в первичном бульоне. Тем не менее даже простейшие из них должны быть чрезвычайно сложными структурами. Расчетная вероятность формирования реплицирующейся молекулы исключительно в ходе случайных процессов исчезающе мала, так что ею можно пренебречь. Вот она, главная загвоздка с происхождением жизни. Проблема не в том, что так уж трудно получить химические предпосылки для жизни или выявить биомолекулы, способные пройти ряд необходимых шагов репликации. Проблема в том, что каждый такой репликатор может быть лишь одним из горстки структур в ошеломляюще большом множестве возможных вариантов. Это так называемая «проблема поиска»: как может правильная структура найтись случайно? Случайный поиск (фактически в ходе соударений атомов и молекул, взаимодействующих и соединяющихся друг с другом по законам термодинамики и химии) чудовищно неэффективен, он не уложился бы в сколько-нибудь разумный интервал времени, исчисляющийся даже сотнями миллионов или миллиардами лет.

Для наглядности воспользуемся сравнением с компьютером, заменив множество неохотно образующихся химических соединений простыми строительными блоками цифрового мира — битами или элементами информации, которые могут иметь только два значения, 1 или 0 (или истинно/ложно, да/нет). Байт данных, состоящий из восьми бит, является отдельным знаком текста в компьютерном коде. Его можно уподобить одному знаку алфавита генетического кода. Теперь зададимся вопросом: насколько часто встречаются среди всех возможных строк байтов такие, которые могут реплицировать себя в компьютере?

В этом контексте у нас имеется громадное преимущество, поскольку реплицирующиеся строки байтов весьма распространены — это всем известные компьютерные вирусы, представляющие собой относительно короткие программы, которые умеют заражать компьютеры, заставляя процессор делать огромное количество копий. Затем вирусы проникают в наши электронные письма и заражают компьютеры друзей и коллег. Таким образом, если считать память компьютера чем-то вроде цифрового первичного бульона, то компьютерные вирусы — цифровые эквиваленты первичных репликаторов.

Один из простейших компьютерных вирусов, Tinba, имеет только 20 Кб — всего ничего по сравнению с основной массой компьютерных программ. Несмотря на то что для компьютерного кода 20 Кб — это совсем мало, их хватает, чтобы продуцировать относительно длинные строки цифровой информации, поскольку при 8 битах в каждом байте получается 160 000 бит информации. Чтобы имелся хотя бы один шанс на генерирование Tinba из случайного комплекса бит, их потребовалось бы по меньшей мере 10³²⁰⁰⁰ (число, записываемое единицей с 32 тысячами нулей). Это непостижимо большое число — несоизмеримо больше, чем частиц во Вселенной. Вывод однозначный: Tinba не мог бы возникнуть по чистой случайности.

Наверное, возможно множество реплицирующихся кодов еще проще Tinba, что повышает шансы на их самозарождение. Но если бы оно действительно имело место, то на данный момент компьютерный вирус уже возник бы спонтанно из огромного потока гигабайт, пронизывающих интернет каждую секунду. Все эти коды функциональны, т.е. могут передать процессору нашего компьютера команду выполнить базовую операцию, скажем копирование или удаление, — и теоретически все они могут быть версиями Tinba, — однако каждый компьютерный вирус, когда-либо заражавший чей-то компьютер, по однозначным признакам определяется как творение рук человеческих. Насколько нам известно, в огромном потоке цифровой информации, наводняющей мир, спонтанно не зародилось ни единого компьютерного вируса.

Имеется одна смелая идея, которая может объяснить стремительное возникновение первого репликатора. Эта идея опирается на одну из самых контринтуитивных и в то же время эффективных научных теорий — квантовую механику. Поэтому, прежде чем переходить, собственно, к возможной разгадке, нужно познакомиться (вкратце, я обещаю!) с некоторыми положениями этой теории, которая обычно применяется только для описания поведения «обитателей» атомного и субатомного мира. К услугам интересующихся читателей — множество прекрасных научно-популярных книг, где эта тема освещается более глубоко и подробно (в том числе недавние работы о роли квантовой механики в биологии Джима Аль-Ха лили и мои). Квантовая механика знаменита своей парадоксальностью. Частица может пребывать одновременно в двух или более состояниях (так называемая суперпозиция), необъяснимым образом иметь связь с другими, удаленными частицами (квантовая запутанность), без проблем проходить через непроницаемые барьеры (квантовое туннелирование). В настоящее время делается очень многое, чтобы научиться пользоваться этими уникальными возможностями и создать на их основе новые технологии, например квантовый компьютер.

Смысл квантового компьютера в том, что он позволяет решать очень сложные задачи при помощи малого числа частиц. Эквивалентом обычного бита в нем является квантовый бит, или кубит, использующий упомянутую суперпозицию — способность частицы в один момент времени находиться в двух состояниях, иметь две разные энергии или даже два разных спина. Составление строки кубитов в квантовом компьютере дает нам абсолютный параллельный процессор, способный быть одновременно во всех комбинациях состояний 0 и 1.

Какое отношение это имеет к биологии и первому репликатору? В настоящее время наибольшей поддержкой ученых в качестве решения проблемы зарождения жизни является гипотеза РНК-мира. Согласно этому сценарию, живые клетки происходят от более ранней и простой фазы химической эволюции. Первый репликатор не являлся клеткой — это была самовоспроизводящаяся химическая молекула. Она могла напоминать базовую версию биомолекулы, которая, как мы теперь знаем, играет исключительно важную роль в живой клетке, — РНК. Хотя синтезировать такую реплицирующуюся молекулу до сих пор никому не удалось, в большинстве своем это относительно простые структуры, представляющие собой последовательность примерно из сотни химических блоков, так называемых оснований.

Итак, представим себе уникальную молекулу из 100 оснований, обладающую фантастическим свойством — способностью к самокопированию в подходящем по составу первичном бульоне, причем «подходящий» означает «содержащий все необходимые химические ингредиенты». Теперь будущей жизни предстоит решить гораздо менее сложную проблему, чем построение самокопирующейся клетки. Достаточно сконструировать реплицирующуюся протомолекулу, а дальше естественный отбор разгонит на ее основе эволюцию более сложных форм жизни.

Молекула РНК устроена гораздо проще целой клетки, что облегчает математическое моделирование. Каждая цепочка РНК состоит из четырех видов азотистых оснований, которые могут соединяться друг с другом в любых комбинациях. И каждое из четырех оснований может находиться в молекуле в любой из 100 позиций, что дает 4100 возможных структур. Это чудовищно много — это единица с шестьюдесятью нулями, так что в любом первичном пруду может быть лишь крохотная часть всех возможных РНК-последовательностей, и вероятность того, что среди них окажется тот самый проторепликатор, крайне мала. Жизнь все так же «тяжела на подъем».

Чтобы понять, как могла бы справиться с этой проблемой квантовая механика, представим каждую возможную молекулярную цепочку оснований как последовательность нулей и единиц — или как серию бросков монеты, при каждом из которых может выпасть орел или решка. Искомая протомолекула-репликатор — это уникальная последовательность орлов и решек в серии. Теперь запишем первичную цепочку кубитами, а не битами. Это проще, чем кажется, поскольку кодирующая способность такой молекулы обеспечивается определенным типом химической связи — водородной связью, которая, в сущности, представляет собой протон, соединяющий два атома. Как заметил больше 50 лет назад физик Пер Олов Левдин, генетический код ДНК или РНК в таком случае представляет квантовый код позиций протона. Самое главное, протоны, как и другие квантовые частицы, могут туннелировать (как вы помните, это одно из удивительных свойств квантового мира, позволяющее частицам проникать через непреодолимые, в понимании классической физики, барьеры) из одной кодовой позиции (нуль, орел) в другую (единица, решка).

Попробуем использовать эту схему для решения проблемы зарождения жизни. Представим протогенетический материал в виде последовательности кубитов, а не битов, покидая, таким образом, область сложного поиска химических соединений и переходя к задаче, решаемой с помощью квантовых вычислений. Вспомним, что каждая цепь кубитов, соответствующая отдельной молекуле, может существовать в виде квантовой суперпозиции всех возможных конфигураций. Очень малый компонент этой громадной квантовой суперпозиции и будет той особой молекулой — искомым репликатором. Так что он обязательно встретится даже в крохотном первичном прудике — если, конечно, это квантовый пруд.

Разумеется, квантовое состояние очень неустойчиво и быстро сводится лишь к одной определенной конфигурации, которая почти гарантированно не имеет правильной последовательности молекул, чтобы самореплицироваться. Казалось бы, мы ничего не выигрываем по сравнению с классическим представлением о случайном переборе возникающих и распадающихся молекулярных структур. Но все дело в том, что проба очередной конфигурации без участия квантовой механики всякий раз задействует чрезвычайно медленный процесс разрушения и перестройки молекулярных связей. Напротив, после коллапса квантового состояния молекулы каждый ее протон практически сразу готов к очередному туннелированию в суперпозицию обеих позиций и восстановлению исходной квантовой суперпозиции всех возможных кодирующих структур. Квантовая протомолекула-репликатор способна повторять поиск механизма создания собственных копий в квантовом мире непрерывно и невероятно быстро.

Итак, пока система может вернуться в квантовый мир, обретение и разрушение состояния квантовой суперпозиции является процессом обратимым и намного более быстрым, чем классический процесс образования и разрушения химических связей.

Непрерывную квантовую орлянку прерывает одно событие. Как только квантовая реплицирующаяся протомолекула коллапсирует в то самое — редчайшее — требуемое состояние, она начинает делать свои копии — и это невозвратно переводит всю систему из квантового в классический мир. Это тонкий момент: в терминологии отца квантовой механики Нильса Бора — «необратимый акт амплификации». Создав свою копию, квантовая монета навсегда лишается возможности восстановить исходное состояние, и первая автокопия возникает уже в классическом мире.

Таким образом, благодаря квантовой механике немыслимо трудный поиск протомолекулы-репликатора становится несравненно более эффективным, чем в рамках классической химии. Чтобы сработал квантовый сценарий, первичная биомолекула — искомый проторепликатор — должна обладать способностью исследовать великое множество различных структур посредством квантового туннелирования своих частиц в разные позиции. Знаем ли мы молекулу, владеющую этим умением? Да, знаем! Это биомолекулы живых клеток, электроны и протоны которых до сих пор отличаются относительно слабой связью, что и позволяет им туннелировать в различные позиции. Как я уже говорил, протоны ДНК и РНК также способны туннелировать. Следовательно, первичный репликатор должен был напоминать молекулу РНК, собранную в нежесткую конструкцию водородными связями и слабыми электронными связями, позволяющими частицам вольно перемещаться по всей структуре и формировать суперпозицию триллионов возможных конфигураций.

Разумеется, и этот сценарий сопряжен со многими трудностями. Но, как уже было отмечено, большие трудности испытывают любые попытки раскрыть тайну происхождения жизни. Зато квантовая теория способна объяснить, каким образом жизнь могла развиться на Земле так быстро. И если квантовая механика действительно отвечает на вопрос, откуда взялся первый земной репликатор, тогда нет причин считать, что она не могла бы сыграть такую же роль на других планетах. Конечно, в инопланетных мирах могут быть другие условия — в плане атмосферы, химического состава океанов, геологических циклов и т.д. Но возникновение самокопирования — универсальное правило, которое в иных мирах могло породить уникальные решения в соответствии с местными условиями и ресурсами. Способность квантовой механики одновременно опробовать множество вариантов решения в принципе решает проблему создания репликатора в любом мире. Инопланетная жизнь, одной ногой стоящая в квантовом мире, действительно может оказаться нормой во Вселенной.