4
Жизнь: пятый порог
Жизнь и информация. Новый вид сложного
После обеда я размышлял о жизни. Если подумать, до чего странная вещь – жизнь! Так не похожа на все остальное, не правда ли, если вы понимаете, о чем я.
П. Г. Вудхаус, «Мой друг Дживс» (My Man Jeeves)
Коренная сущность каждого живого существа – не пламя, не теплое дыхание и не «искра жизни». Но информация, слова, инструкции. Если вы любите метафоры, то не представляйте себе огни, искры и дыхание, а представляйте себе миллиарды четких кодовых знаков, высеченных на гранях кристалла.
Ричард Докинз, «Слепой часовщик»
Жизнь, какой мы ее знаем, возникла почти 4 млрд лет назад в результате причудливых химических процессов, которые протекали в богатой химическими элементами среде на молодой планете Земля. Если жизнь есть где-то еще, возможно, там она выглядит так странно, что мы бы ее не узнали. Но на Земле все живое состоит из миллиардов замысловатых молекулярных наномашин. Они работают сообща в похожем на пузырек защитном устройстве, которое мы считаем строительным элементом всего живого – основной структурной, функциональной и биологической единицей всех известных живых организмов. Эти защитные пузыри называются клетками. Английское слово cell, означающее клетку, происходит от латинского cella, что, в свою очередь, переводится как «маленькая комната». Клетки – мельчайшие единицы жизни, способные самостоятельно воспроизводиться. Они живут за счет тонких потоков питательных веществ и свободной энергии в окружающей их среде.
Жизнь очень сильно воздействует на нашу планету, потому что живые организмы создают собственные копии, способные приумножаться, распространяться, разрастаться и видоизменяться. За 4 млрд лет их колоссальная армия трансформировала Землю и создала биосферу – тонкий слой на поверхности планеты, состоящий из живых организмов и всего, что ими образовано, что они изменили или оставили после себя.
Жизнь – очень загадочная вещь: кажется, что внутри любой клетки царит полный бардак, как будто миллион молекул устроили бои в грязи, но при этом целая клетка производит впечатление, словно она действует осмысленно. Как будто что-то ведет ее изнутри, пункт за пунктом двигаясь по некоему списку дел. Список простой: 1) остаться в живых вопреки энтропии и непредсказуемым условиям и 2) создать копии себя самой, которые смогут делать то же самое. И так далее, от клетки к клетке, из поколения в поколение. Здесь, в этом стремлении достичь одного результата и избежать другого, кроятся корни страсти, заботы, жизненных целей, этики и даже любви. Возможно, даже зачатки смысла, если понимать его как способность придавать разное значение разным событиям и знакам. Что значит эта большая белая акула сзади меня?
Видимость (возможно, иллюзия) осмысленности – это нечто новое. Это несвойственно другим сложным явлениям, которые мы наблюдали до сих пор. Можно ли говорить о целях звезды? Планет, горных пород? Или даже Вселенной? Скорее нет, по крайней мере, не с позиций современной истории происхождения мира. Но живое устроено иначе. Вместо того чтобы пассивно принимать правила энтропии, оно, как упрямый ребенок, отпихивается и пытается торговаться. Живые существа не просто образуют неподвижные структуры в пространстве, как протоны или электроны. Они существуют не за счет энергетических запасов, как звезды, что поедают протоны из кладовки, которую плотно набили при их рождении, и распадаются, стоит кладовке опустеть. Живые организмы постоянно выискивают в окружающей среде новые потоки энергии, чтобы сохранять свое сложное, но нестабильное состояние. Камни себя так не ведут; так ведет себя птица, вставшая на крыло. Живые организмы продолжают полет (в термодинамическом смысле), поглощая свободную энергию, чтобы в ходе сложных химических процессов атомы и молекулы перестраивались определенным образом, который позволяет живому оставаться живым. Если организм больше не может уплачивать энтропии энергетический налог, он терпит крах.
Энергия и жизнь! Помню, в Австралии я наблюдал, как мои дети превращают энергию бутербродов с веджимайтом в бурную энергию движения, бегая по саду. Можно даже измерить скорость, с которой течет свободная энергия (в том числе из бутерброда с веджимайтом), превращаясь в энергию речи, бега и, наконец, тепловую энергию, причем энтропия на каждом этапе растет. Человек в среднем употребляет 2500 калорий в день, это около 10,5 млн джоулей (джоуль – мера работы энергии; одной калории соответствует около 4184 джоулей). Поделите это на 86 400 секунд в день, и получится, что человек каждую секунду задействует около 120 джоулей. Это «номинальная мощность» человеческого существа: 120 ватт, чуть больше, чем у обычной лампочки.
Жизнь с ее вечными попытками дать энтропии отпор представляет собой новый вид и новый уровень сложных явлений. В теории сложных систем объекты этого уровня иногда называют сложными адаптивными системами. До сих пор мы говорили о сложных физических системах: поведение их составляющих обычно можно прогнозировать, исходя из основных правил действия Вселенной; составляющие же сложных адаптивных систем выглядят так, как будто у них есть собственная воля. По-видимому, они следуют дополнительным правилам, которые выявить уже труднее. Действительно, сложные адаптивные системы, например бактерии, ваша собака или международные компании, ведут себя так, как будто каждая их часть – это действующее лицо, агент с собственной волей, так что каждый элемент постоянно подстраивается под поведение множества других. В результате они ведут себя чрезвычайно сложно и непредсказуемо.
Упомянув так называемых агентов, я протащил сюда новую идею, которая будет становиться все важнее, – идею информации. Когда агенты реагируют друг на друга, они реагируют на информацию о том, что происходит вокруг них, в том числе о том, что делают другие агенты. Если считать информацию персонажем нашей современной истории происхождения мира, то она будет действовать под прикрытием, маскируясь, будет управлять событиями, сама оставаясь в тени. Энергия вызывает изменения, ее работу обычно можно увидеть, но информация управляет изменениями, часто из-за кулис. Как пишет Сет Ллойд: «Энергия заставляет физические системы что-то делать, а информация говорит, что именно нужно делать».
В самом общем виде информация заключена в правилах, которые, ограничивая количество возможностей, влияют на результат. Одно из самых известных ее определений – это «различие, которое вызывает различие». Правила определяют, какие из всех мыслимых изменений действительно возможны в определенное время в определенном месте, и это дает различные результаты. Информация начинается с законов физики, базовой операционной системы нашей Вселенной. Они направляют изменения по определенным путям, например туда, где в итоге гравитация создала первые звезды. Информация в этом самом общем смысле ограничивает возможности, а значит, уменьшает степень случайности. Поэтому кажется, что чем больше информации, тем меньше энтропия, тем меньше потенциал беспорядка, который последней так люб. Такая информация универсальна, это правила, встроенные в каждую крупицу материи и квант энергии. Гравитации никто не говорил, что делать, она просто взялась за работу.
Но в бытовом смысле слово «информация» означает нечто большее, чем правила. Это правила, которые считывает человек, агент или предмет, – собственно, какая-то сложная адаптивная система. Информация такого рода появляется, потому что многие важные правила не универсальны. Они изменяются в зависимости от места и времени, как законы человеческого общества. С развитием Вселенной возникли новые среды, например глубокий космос, облака космической пыли и поверхность каменистых планет. В этих средах действовали собственные местные правила, которые не были универсальными. Местные правила приходится читать, расшифровывать или изучать, подобно тому как перед поездкой в Монголию следует выяснить, по какой стороне дороги ездят местные водители (кстати, по правой).
Сложные адаптивные системы выживают лишь в совершенно определенных условиях, так что им нужно уметь читать или расшифровывать не только универсальные правила, но и местную информацию. И это нечто новое. Всем формам живого необходимы механизмы интерпретации местной информации (такой как присутствие различных химикатов или особенности локальной температуры и уровня кислотности), чтобы они могли правильно реагировать («Что мне делать: обнять это, съесть или убежать?»). Философ Дэниел Деннет пишет: «Животные – не просто травоядные или плотоядные. Они… информоядные». На самом деле это относится ко всем живым организмам. Они все потребляют информацию, и механизмы, с помощью которых они считывают местную информацию и реагируют на нее – будь то глаза, щупальца, мышцы или мозг, – во многом и делают их сложными.
Локальные условия нестабильны, так что живым организмам приходится постоянно наблюдать за средой внутри и снаружи самих себя, чтобы отмечать существенные изменения. При этом по мере усложнения им нужно все больше и больше информации, ведь у более сложных структур больше движущихся частей, а между частями больше связей. У кишечной палочки, бактерии, которая, скорее всего, благоденствует у вас в кишечнике, пока вы это читаете, на движение и восприятие отведено около 5 % молекулярных ресурсов, но в вашем теле большинство органов прямо или косвенно занимается либо восприятием, либо движением, начиная с мозга и заканчивая глазами, нервными волокнами и мышцами. Существует широкий спектр систем, собирающих и анализирующих информацию, самая передовая из них – современная наука, а начались они с примитивных органов чувств древнейших одноклеточных организмов.
Разумеется, энтропия зорко следит за всем этим. Если более высокий уровень сложности означает большее количество информации, то, повышая и то и другое, вы снижаете энтропию с ее неопределенностью и беспорядком. Это не проходит незамеченным. Энтропия потирает ручки, думая об энергетических налогах и пошлинах, которые она сможет брать с ростом сложности и количества информации. На самом деле есть мнение, что идея жизни ей вообще-то нравится (и что, возможно, она поощряла ее возникновение во многих частях Вселенной), потому что живое расходует свободную энергию гораздо активнее, чем неживое.
Объяснить, как возникла жизнь на Земле, и попытаться понять, могло ли что-то похожее появиться в других местах Вселенной, – это одна из самых сложных задач в современной науке. На данный момент нам известна лишь одна планета, на которой есть жизнь. Астробиологи ищут живое в других местах в рамках программы поиска внеземных цивилизаций SETI, которая начала свою работу в 1960 году, но до сих пор ничего не нашли. Пока что нам приходится ограничиваться тем, чтобы изучать происхождение жизни на Земле. Это уже очень сложно, потому что для этого нужно выяснить, что происходило на нашей планете почти 4 млрд лет назад, когда все здесь было совершенно другим.
Определение жизни
Имея на руках всего один образец, трудно даже понять, что вообще такое жизнь. Что отличает живое от неживого? Дать определение жизни не легче, чем понятию сложности или информации, и, по-видимому, между живым и неживым проходит туманная пограничная зона.
Большинство современных определений жизни на Земле включают в себя следующие пять характеристик:
1. Живые организмы состоят из клеток, окруженных полупроницаемой мембраной.
2. У них есть метаболизм (обмен веществ) – механизмы захвата и использования потоков свободной энергии из окружающей среды, которые позволяют, перестраивая с их помощью атомы и молекулы, получать сложные динамичные структуры, необходимые для выживания.
3. Они могут приспосабливаться к изменениям в окружающей среде с помощью гомеостаза, используя информацию о внутренней и внешней среде и механизмы, позволяющие на нее реагировать.
4. Они могут воспроизводиться, создавая с помощью генетической информации почти точные копии самих себя.
5. У копий есть незначительные отличия от родителей, поэтому за много поколений свойства живых организмов постепенно меняются по мере того, как те развиваются и приспосабливаются к изменениям в окружающей среде.
Рассмотрим все эти свойства по порядку.
Все живое на Земле состоит из клеток. В каждой клетке миллионы сложных молекул, которые множество раз в секунду вступают в реакцию друг с другом, пробираясь через соленое водянистое химическое месиво, полное белков, в клейком пространстве под названием «цитоплазма». Цитоплазма окружена своеобразной химической оградой, клеточной мембраной, которая контролирует, что поступает в клетку и что ее покидает. В мембране, как в стене средневекового города, есть ворота и есть стражники, которые решают, кто из молекулярных путников может войти и когда. Клетки действительно напоминают города. Питер Хоффман пишет в своей книге о них:
Здесь есть библиотека (ядро, где находится генетический материал), электростанции (митохондрии), шоссе (микротрубочки и актиновые филаменты), грузовики (кинезин и динеин), заводы по утилизации отходов (лизосомы), городские стены (мембраны), почтовые отделения (аппарат Гольджи) и множество других структур, которые выполняют жизненно важные функции. Все это – функции молекулярных механизмов.
Все живые организмы существуют за счет потоков свободной энергии, которые приходится аккуратно регулировать. Остановите поток, и они умирают, как осажденный город, вынужденный сдаться от голода. Но если поток слишком сильный, они тоже гибнут, как город от воздушной бомбардировки. Поэтому потоки энергии требуют очень тонкого управления. Обычно клетки принимают и используют крошечные порции энергии, по одному электрону или протону. Будучи достаточно маленькими, чтобы не вносить разрушений, такие потоки все же достаточно велики, чтобы дать энергию активации, необходимую для множества любопытных химических процессов. Этимологически термин «метаболизм» происходит от слова, которое означает «изменение». Это напоминает нам о том, что клетка никогда не бывает в покое. Как птица в полете, она использует энергетические потоки, чтобы продолжать подстраиваться под непрерывно меняющуюся среду.
Живым организмам нужно все время следить за изменениями в окружающей среде и приспосабливаться к ним. Эта постоянная подстройка называется сохраняющим гомеостазом. Чтобы сохранять определенное равновесие в переменных условиях, клетки должны всегда иметь доступ к информации о внутренней и внешней среде, загружать и расшифровывать эту информацию, выбирать лучшую реакцию, а затем реагировать. Слово «гомеостаз» означает «сохранение неподвижности», и это противоположность изменению. Но вы поймете, что это значит, если представите себе, что сохраняете неподвижность в нескончаемом вихре молекул клеточной среды.
Эти способности чрезвычайно впечатляют, но они были бы не слишком интересны, если бы живые организмы появились и исчезли, подобно пене на волнах океана. Может быть, именно это и произошло на каких-то планетах возле каких-то звезд, а возможно, даже в начале истории Земли. Но сегодня на нашей планете живые организмы не просто борются с ураганом изменений и энтропии. Они создают копии самих себя, так что, если какие-то клетки разрушатся (а рано или поздно это случится с каждой), на их место смогут встать другие. Размножение – это умение создавать жизнеспособные копии клеток. Это значит, что шаблон, по которому строится организм (в современной терминологии – его геном), может выжить даже после смерти особи. В геноме, как в руководстве пользователя, хранится информация о белках, позволяющих создать копию родителя, а также о некоторых основных правилах сборки. Сегодня бóльшая часть этой информации находится в молекулах ДНК, но в начале истории жизни на Земле ее, вероятно, содержали их двоюродные сестры – молекулы РНК, по-прежнему выполняющие в клетках большую тяжелую работу.
Шаблоны более-менее бессмертны, но механизм копирования неидеален. Это хорошо, потому что в результате мелких ошибок копирования шаблоны могут понемногу меняться, а это ключ к приспособлению и эволюции. Именно маленькие генетические изменения делают жизнь такой устойчивой, позволяя видам приспосабливаться к окружающей среде – благодаря тому, что случайным образом возникают слегка отличающиеся шаблоны. Когда меняются условия среды, меняются и правила, которые определяют, какие шаблоны выживут, а какие исчезнут.
Этот механизм Чарльз Дарвин назвал естественным отбором. В современной биологии это фундаментальная идея, потому что естественный отбор – чрезвычайно мощный двигатель усложнения. Он отсеивает часть генетических возможностей и допускает лишь те, что сочетаются с местными правилами. Таким образом, подобно фундаментальным законам физики, он действует как храповик, сохраняя определенные неслучайные структуры. Но в мире биологии решение о том, что выживет, остается за местными правилами конкретных сред, а не за универсальными правилами физики. Биологические правила действуют гораздо более разборчиво. Не ждите, что жираф сможет выжить под водой.
Как и механизмы, которые породили первые структуры во Вселенной, естественный отбор объединяет необходимость и случайность. Изменчивость обеспечивает множество возможностей, а естественный отбор использует местные правила, чтобы выбрать то, что подходит к локальным условиям. Вот как писал об этом Дарвин в «Происхождении видов»:
Можно ли… считать невероятным, [что] вариации, полезные в каком-нибудь отношении для каждого существа в великой и сложной жизненной битве, появятся в длинном ряде последовательных поколений? Но если такие вариации появляются, то (помня, что особей родится гораздо более, чем может выжить) можем ли мы сомневаться в том, что особи, обладающие хотя бы самым незначительным преимуществом перед остальными, будут иметь более шансов на выживание и продолжение своего рода? С другой стороны, мы можем быть уверены, что всякая вариация, сколько-нибудь вредная, будет беспощадно истреблена. Сохранение благоприятных индивидуальных различий и вариаций и уничтожение вредных я назвал естественным отбором.
Идея Дарвина в сочетании с современными представлениями о генетике и наследственности объясняет творческий потенциал жизни, ее способность на протяжении многих поколений исследовать возможности, осваивать новые потоки энергии и строить новые типы структур. Она объясняет, как в биологическом мире в результате повторяющихся алгоритмических процессов возникают структуры ошеломительной сложности, которые в течение миллионов и миллиардов лет шаг за шагом и поколение за поколением отбираются из бесчисленного количества вариантов.
Идея естественного отбора шокировала современников Дарвина, поскольку из-за нее отпадала необходимость в боге-творце. А на понятии бога-творца строилась христианская история происхождения мира, в которую верило большинство людей в викторианской Англии. Дарвин и сам был обеспокоен, а его жена Эмма боялась, что в загробной жизни они с Чарльзом окажутся разлучены. Но механизм, который он описал, судя по всему, действительно имеет фундаментальное значение для истории жизни. На одном из Галапагосских островов, которые Дарвин посетил в молодости, плодятся вьюрки. Если деревья на острове дают орехи с прочной скорлупой, со временем окажется, что те птицы, чьи клювы могут лучше всего расколоть ее, выживают успешнее и оставят больше потомства, чем другие. Подождите несколько поколений, и вы увидите, что на этом острове такой клюв появится у всех вьюрков. Со временем, по мере того как «природа» (а на самом деле правила местной среды) будет отбирать отдельных особей, в конце концов возникнет новый вид. Как показал Дарвин, в этом заключается основной механизм биологической эволюции. Это дарвиновский храповик сложности; таким образом жизнь шаг за шагом создает все более сложные объекты.
Условия Златовласки для появления жизни
Как получилось, что моторчик жизни, чихнув, впервые заработал где-то в богатых и разнообразных условиях Златовласки на молодой Земле?
Есть кое-что, чего не знал Дарвин: механизмы, подобные естественному отбору, когда случайные изменения отсеиваются местными правилами, в некотором приближении могут действовать и в мире, где жизни нет. Там, где есть сложная смесь химикатов и много свободной энергии, могут возникнуть молекулы, которые стимулируют образование других молекул и в итоге порождают то, с чего эта реакция началась. Это автокаталитический цикл – реакция, составляющие которой делают возможной, или катализируют, выработку других составляющих цикла, включая исходные ингредиенты, так что цикл может повторяться. Запустите его, и он будет производить собственные компоненты все в больших количествах, извлекая все больше пищевой энергии, пока не начнет лишать пищи другие, менее успешные реакции. Цикл даже может немного изменяться, если появляются новые типы питания. Это уже похоже на выживание наиболее успешного химического процесса. Таким образом, здесь мы получили что-то, немного напоминающее жизнь, что-то, что способно сохраняться и воспроизводиться, используя энергию из окружающего мира. «Прежде чем появятся существа, способные к самовоспроизведению, – пишет Дэниел Деннет, – должны появиться существа, способные к сохранению себя, – структуры, у которых хватит стабильности, чтобы пребывать в мире достаточно долго для появления их новых версий». С помощью этой идеи химической эволюции мы сможем хотя бы в общих чертах объяснить, как на молодой планете Земля появились предпосылки для возникновения жизни.
Для химической эволюции необходима среда, где возможны многочисленные химические эксперименты. А такое встречается крайне редко. В чем же состоят условия Златовласки для проведения химических опытов? И почему на молодой Земле они были так распространены?
Во-первых, наша Солнечная система находится в правильной части Млечного Пути. На дальних рубежах галактики звездам достаются скудные, химически обедненные облака вещества. По тем звездам, что расположены слишком близко к ее центральной «деловой зоне», постоянно бьют ударные волны, которые активно испускают черные дыры в ее ядре. Солнечная система – как раз там, где нужно. Ее орбита находится примерно в двух третях пути от центра галактики, в самой середине «жилой зоны» Млечного Пути.
Во-вторых, химия хорошо работает только при низких температурах. В ранней Вселенной было слишком жарко, чтобы атомы соединялись в молекулы. Слишком жарко и внутри звезд. Химическое богатство возможно лишь в узком диапазоне довольно низких температур, которые встречаются в пригодных для жизни зонах – рядом со звездами, но не слишком близко от них. Орбита Земли находится примерно посередине пригодной для жизни области возле Солнца. Венера и Марс обращаются, соответственно, на внутренней и внешней границах жилой зоны нашей системы. Впрочем, оказывается, бывает, что внутри спутника, находящегося дальше от звезды, например спутника Сатурна Энцелада, горит огонь, и здесь могут протекать благоприятные для жизни химические процессы. В 2017 году ученые обнаружили, что в океанах Энцелада вырабатывается водород, газ, который обеспечивал пищей некоторые из самых первых организмов на планете Земля.
Третье условие Златовласки, необходимое для химического богатства, – это присутствие жидкостей. В газах атомы носятся, как гиперактивные дети, и сложно удержать их так, чтобы они могли сцепиться с другими атомами. В твердом веществе обратная проблема: здесь атомы застряли на одном месте. Жидкости же подобны танцевальным залам, а вода в жидкой форме с ее перешептыванием водородных связей – это лучшая бальная зала из всех возможных. Атомы могут курсировать, вальсировать, танцевать танго, и электрону несложно сменить партнера, если он заметит кого-то поинтереснее. Наличие жидкостей зависит от химических условий, температуры и давления. Вода в жидкой форме существует в узком диапазоне температур (бóльшая часть воды во Вселенной находится в форме льда). Но при этих же температурах встречаются газы и твердые вещества, поэтому возникают очень интересные химические возможности. Таким образом, следует ожидать, что в химическом плане самыми любопытными будут планеты, где средние температуры на поверхности находятся примерно между 0 и 100 °С, между точкой замерзания и кипения воды соответственно. Это бывает редко, но Земля расположена как раз на правильном расстоянии от Солнца, чтобы на ней была жидкая вода.
Четвертое условие Златовласки для химического богатства – это разнообразие элементов. Правильная температура совершенно бесполезна, если в вашем распоряжении нет ничего, кроме водорода и гелия. А сегодня даже в химически богатых областях галактик они по-прежнему составляют 98 % всего атомного вещества. Сложная химия возможна в тех редких средах, где чаще встречаются другие элементы периодической таблицы. В Солнечной системе такое разнообразие можно увидеть лишь на каменистых планетах около Солнца, потому что молодая звезда выпарила бóльшую часть водорода и гелия с внутренних орбит Солнечной системы и здесь остался концентрированный дистиллят из всех остальных элементов.
Когда молодая Земля застыла, из месива разнообразных химикатов получились глыбы каменных пород – это твердые вещества, состоящие из множества разных простых молекул, перемешанных между собой. Появились и первые земные минералы, вероятно, в форме простых кристаллов, таких как графит или алмазы.
В такой химически богатой среде многие простые молекулы, из которых образуются живые организмы, могут возникнуть более-менее спонтанно. Речь идет о маленьких молекулах, содержащих менее ста атомов, включая аминокислоты, из которых сделаны все белки; нуклеотиды, из которых состоит весь генетический материал; углеводы или сахара, часто использующиеся как батарейки для хранения энергии; и жирные фосфолипиды, что образуют клеточные мембраны. Сегодня эти молекулы не появляются спонтанно, потому что их разорвал бы на части атмосферный кислород. На ранних же этапах свободного кислорода в атмосфере Земли практически не было, так что такие простые молекулы могли образоваться, получив небольшой импульс энергии активации.
В 1952 году, желая продемонстрировать это, молодой химик, магистрант Чикагского университета Стэнли Миллер, создал лабораторную модель атмосферы молодой Земли, поместив воду, аммиак, метан и водород в замкнутую систему колб и трубок. Он подогрел смесь и стал пропускать через нее электрические разряды (лабораторный аналог вулканов и электрических бурь), чтобы создать энергию активации. Через несколько дней Миллер обнаружил розоватый компот из аминокислот. Теперь нам известно, что другие простые органические молекулы, включая фосфолипиды, тоже могут образовываться в такой среде. Основной результат Миллера считается верным и сегодня, хотя мы знаем, что на ранних этапах в атмосфере преобладали не метан и водород, а водяной пар, углекислый газ и азот.
С тех пор выяснилось, что такие молекулы образуются даже в менее благоприятных химических условиях межзвездного пространства, так что множество простых органических молекул могло прибыть на Землю уже в готовом виде, на кометах и астероидах. Например, Мурчисонский метеорит, который упал на Землю близ деревни Мурчисон в Австралии в 1969 году, содержал аминокислоты и некоторые химические основания, встречающиеся в ДНК. Такие метеориты в начале истории Земли падали гораздо чаще, чем теперь, поэтому можно предположить, что молодая планета уже была засеяна многими веществами, послужившими сырьем для жизни, и сама была вполне способна производить их.
Но большинство молекул в клетках, например белки или нуклеиновые кислоты, гораздо сложнее этих простых молекул. Они состоят из полимеров, длинных, хрупких молекулярных цепочек, а формировать полимеры непросто. Для этого нужно точное количество энергии активации и условия, которые подтолкнули бы молекулы друг к другу определенным правильным образом. Среда, в которой на молодой Земле могли возникнуть нужные условия, чтобы связать цепочки полимеров, встречается в глубоководных гидротермальных источниках, где сквозь дно океана просачиваются горячие вещества из недр Земли. Эти места были защищены от солнечной радиации и жестоких бомбардировок, которые случались на поверхности. Кроме того, здесь было много воды, встречались разнообразные химические элементы и градиенты тепла и кислотности – ведь горячая, химически богатая магма в этих местах проникала в холодные воды океана. Особенно многообещающая среда формируется вблизи щелочных источников, открытых лишь недавно, в 2000 году, а пористые породы, которые здесь образуются, могут служить миниатюрными убежищами для химических экспериментов, подобно колбам и трубочкам Миллера. В таких местах встречаются даже глинистые поверхности с правильными молекулярными структурами, которые могли сыграть роль физических или электрических лекал, чтобы выстроить атомы упорядоченным образом и заставить их оставаться неподвижными, пока те образуют цепочки, подобные полимерным.
От химического богатства к жизни. «Лука», последний универсальный общий предок
Жизнь появилась в начале истории планеты Земля, а это говорит о том, что создавать простые ее формы может быть не так уж сложно, если действуют необходимые условия Златовласки. Однако точно определить, когда именно она возникла, трудно, потому что первые организмы жили более 3 млрд лет назад и имели микроскопические размеры, а породы, где они были погребены, уничтожены эрозией. На данный момент самое надежное непосредственное свидетельство о первых формах жизни на Земле – это микроскопические ископаемые останки, найденные в отдаленном регионе Пилбара в Западной Австралии в 2012 году. По-видимому, бактерия, которой они принадлежат, жила около 3,4 млрд лет назад. В сентябре 2016 года в журнале Nature вышла статья о находках, сделанных в Гренландии, возраст которых составляет 3,7 млрд лет и которые напоминают подобные кораллам строматолиты. Если это – то, что многие думают, то жизнь, должно быть, начала развиваться на миллионы лет раньше, чем считалось прежде, и должна была появиться вскоре после окончания Поздней тяжелой бомбардировки, примерно 3,8 млрд лет назад. А в начале 2017 года, опираясь на данные об ископаемых образованиях, найденных в северном Квебеке, ученые заявили, что, возможно, это произошло целых 4,2 млрд лет назад. Придется подождать, чтобы увидеть, выдержат ли эти заявления проверку временем.
Пока что биологи не могут до конца объяснить, как возникли первые живые организмы. Но они понимают, что происходило на многих этапах этого процесса.
Биологи не знают точно, как выглядел первый живой организм, но они назвали его «Лука» (или LUCA, от английского словосочетания last universal common ancestor – последний универсальный общий предок). «Лука» точно жил раньше самых ранних форм жизни, найденных на данный момент, и у него было много общего с современными прокариотами – одноклеточными организмами, чей генетический материал не защищен ядром. Сегодня прокариоты составляют два из трех больших доменов живых существ – бактерии и археи (третий домен, к которому относится и наш вид, называется «эукариоты»).
Мы никогда не найдем останков «Луки», потому что на самом деле он – гипотетическое существо, некий собирательный образ первого живого организма, что-то вроде фоторобота сбежавшего преступника. И все же такой портрет может помочь понять, с чего началась жизнь.
«Лука» был вроде бы и живым, но не совсем, он относился к категории своеобразных зомби, где-то между живой и неживой природой. Понять это проще, чем кажется. Вирусы не совсем живые, потому что они отвечают не всем условиям нашего определения живых организмов. У них нет метаболизма, а их мембраны чрезвычайно хрупкие, так что не вполне ясно, можно ли считать их клетками. Это почти все равно что единица генетического материала, которая может прицепиться к более сложному организму. Вирус проникает в другую клетку, захватывает ее механизмы обмена веществ и использует их, чтобы создавать копии самого себя. Когда вы болеете гриппом, вирус откачивает энергию из ваших метаболических труб. Но если ему не удается найти клетку, которую можно захватить, вирус останавливает работу и ждет в состоянии анабиоза. Некоторые клетки обитают в камнях, и у них крайне медленный метаболизм; они живут за счет крошечных порций воды и питательных веществ. Они могут надолго полностью замереть, как рок-гитарист Хотблэк Дезиато из романа Дугласа Адамса «Ресторан “У конца Вселенной”», который целый год оставался мертвым, чтобы уйти от налогов. То, от чего пытаются уйти такие организмы, – это, конечно, налог энтропии на сложность. Возможно, «Лука» обитал в такой же сумеречной зоне.
Фоторобот «Луки» построили, определив несколько сотен генов, вероятно очень древних, которые можно найти в самых современных прокариотах. Они позволяют предположить, в каких условиях появилось это существо, потому что показывают, какие белки оно производило, чтобы выжить.
Собирательный «Лука» (или семейство таких организмов, потому что на самом деле они исчислялись миллиардами) мог приспосабливаться к изменениям окружающей среды. У него был геном, так что он мог воспроизводиться. И он развивался. Возможно, что у него не было ни собственной мембраны, ни собственного метаболизма. Вероятно, стенки его клеток состояли из пористой вулканической породы, а метаболизм зависел от геохимических потоков энергии, которые он едва ли мог контролировать. Белки, которые вырабатывал «Лука», говорят о том, что он обитал на краю глубоководных щелочных источников, вероятно в мелких порах лавоподобных пород, и извлекал энергию из окрестных градиентов тепла и кислотности, а также потоков протонов и электронов. Его химические внутренности, скорее всего, плескались в теплых жидкостях из недр Земли, а те были щелочными, то есть в них был избыток электронов. Сразу за пределами вулканических пор, которые служили «Луке» домом, располагались воды океана, более холодные и более кислотные, то есть с избытком протонов. Как в заряженной батарейке, малюсенький перепад электрического заряда между средой внутри организма «Лука» и внешним миром обеспечивал свободную энергию, необходимую для его метаболизма, поглощения питательных веществ из внешней среды и выделения отходов.
Один из пионеров в исследовании ранних форм жизни, Ник Лейн, описывает организм «Луки» следующим образом:
Он [LUCA] был не свободноживущей клеткой, а целым лабиринтом минеральных клеток, стенки которого были выстланы каталитическим составом из железа, серы и никеля, получавшим энергию за счет природного протонного градиента. Первыми формами жизни были пористые минералы, синтезировавшие сложные молекулы и генерировавшие энергию, в конечном счете научившиеся производить белки и даже ДНК.
По сравнению с современными организмами «Лука» был устроен просто, но внутри его уже было множество изящных биохимических гаджетов, включая многие механизмы метаболизма и размножения, действующие в современных клетках. Вероятнее всего, для хранения генома он использовал РНК, так что мог воспроизводить себя гораздо аккуратнее и точнее, чем простые химикаты, а это, вероятно, говорит о его способности быстро эволюционировать. Часть потоков энергии, которыми он пользовался, «Лука» также тратил на изготовление АТФ (аденозинтрифосфата) – молекулы, которая переносит энергию и внутри современных клеток.
От «Луки» к прокариотам
«Лука» и его родственники уже много сделали для того, чтобы появились первые настоящие живые организмы. Но у «Луки» не было мембраны, которую он мог бы повсюду носить с собой, а для его метаболизма были необходимы энергетические потоки возле вулканических источников. По-видимому, ему также недоставало более замысловатого механизма размножения, свойственного большинству современных организмов и связанного с близким родственником РНК – двойной спиралью ДНК. Сегодня мы знаем, что еще должно было возникнуть, но не понимаем, какими именно путями все это развивалось.
Объяснить, как у клеток появились собственные защитные мембраны, не слишком трудно. Клеточные мембраны состоят из длинных цепочек фосфолипидов, которые в соответствующих условиях несложно заставить выстроиться слоями, образующими полупроницаемые пузырчатые структуры. Возможно, как доказывал Терренс Дикон, фосфолипидные слои молекула за молекулой сформировались в результате автокаталитических реакций. Если это так, образ некой версии «Лука», которая сама себе вяжет мембрану, будет не так уж далек от жизни.
Как клеткам удалось освоить более удачные способы получать энергию и размножаться, объяснить сложнее, но механизмы, которые они для этого используют, настолько фундаментальны и элегантны, что в них стоит разобраться.
Чтобы выработать новые способы использовать потоки энергии и в результате суметь оторваться от вулканических источников, нужно было создать клеточный аналог электросети, к которой молекулы могли бы подключаться во время работы. Здесь ключевую роль сыграли ферменты. Это особые молекулы, которые могут служить катализаторами – ускорять клеточные реакции и снижать необходимое для них количество энергии активации. Сегодня на деятельности ферментов основана жизнь любой клетки. Большинство из них – белки, состоящие из длинных цепочек аминокислот. Их точная последовательность в цепочке имеет значение, потому что от нее зависит, как белок примет правильную форму, чтобы выполнить свою конкретную функцию. Ферменты курсируют по молекулярному бульону, выискивая целевые молекулы, к которым они подходят, как гаечный ключ к гайке или болту соответствующего размера. Затем фермент может с помощью крошечной дозы энергии воткнуться в молекулу, согнуть ее, расколоть, разделить или соединить с другими. Большинство реакций в вашем теле без ферментов были бы невозможны, или для них потребовалась бы такая энергия активации, что они повредили бы клетку.
Придав целевой молекуле нужный вид, фермент отрывается от нее и идет на поиски новых молекул, чтобы подчинить их своей воле. Ферменты также можно включать и выключать с помощью других молекул, которые соединяются с ними и слегка изменяют их форму – таким образом они, подобно миллиардам транзисторов в компьютере, регулируют фантастически сложные реакции, протекающие в клетке.
Ферменты получают необходимую для своей работы энергию из клеточного аналога электросети. Эта система, скорее всего, возникла в самом начале истории жизни. Энергию к ферментам и другим частям клетки поставляют молекулы АТФ, или аденозинтрифосфата, которые, вероятно, уже вовсю работали в организме «Луки». Чтобы получить питание, ферменты и другие молекулы отламывают от АТФ небольшую группу атомов и высвобождают энергию, которой эта группа была связана с молекулой. Затем истощенная молекула (теперь это уже АДФ, аденозиндифосфат) направляется к специальным молекулам-генераторам, которые ее заряжают, возмещая утраченные атомы. Молекулы-генераторы получают питание в результате замечательного процесса под названием хемиосмос, который, хоть его и открыли только в 60-е годы XX века, по-видимому, существует со времен «Луки». В каждой клетке разлагаются молекулы пищи, чтобы высвободить энергию, которая содержится в них, и часть этой энергии используется, чтобы вытолкнуть отдельные протоны изнутри клетки (где их концентрация низка) наружу (где концентрация протонов высокая). Это все равно что зарядить батарейку. Между средой внутри и снаружи клетки возникает перепад зарядов, и он создает примерно такое же напряжение, которое, вероятно, «Лука» использовал в щелочных источниках. Особые, встроенные в клеточную мембрану молекулы-генераторы (для обладателей технического ума молекулы АТФ-синтазы) питают нанороторы с помощью электрического заряда, который создают возвращающиеся из-за пределов мембраны протоны. Эти роторы, подобно роторно-конвейерным линиям, подзаряжают молекулы АДФ, заменяя молекулярные группы, которые те потеряли, а затем уже заряженные молекулы АТФ возвращаются в клетку и ждут, когда другие молекулы подключатся к ним и получат энергию, необходимую, чтобы продолжить работу.
Такая изящная клеточная электросеть сегодня есть в каждой клетке. Благодаря ей те перестали быть привязаны к энергетическим потокам вблизи вулканических источников, и первые прокариоты начали бороздить океаны Земли, добывая энергию из молекул пищи и используя ее, чтобы формировать молекулы АТФ, которые поставляют энергию, необходимую для питания внутриклеточных механизмов.
Эти тонкие потоки энергии поддерживали сложную внутреннюю структуру клеток точно так же, как ядерный синтез поддерживает структуру звезд. Как и ядерные реакции, они позволили первым живым клеткам по требованию энтропии уплачивать налоги на сложность, поскольку в клетках, как и в звездах, много энергии тратится на то, чтобы обеспечивать работу сложных структур. Но, как и в звездах, много энергии просто выбрасывается, потому что ни одна реакция не эффективна на 100 %, а энтропия, конечно, очень любит, когда это происходит. И в клетках, и в звездах сконцентрированные потоки энергии нужны, чтобы уплачивать энтропии налоги и преодолевать универсальное стремление всех вещей к деградации.
В живом организме энергия выполняет новую функцию, которой у нее нет в звездах: она создает копии клетки. Эти копии позволяют клеткам сопротивляться энтропии, сохраняя свою сложную структуру даже после смерти отдельных из них. Потомки «Луки» выработали изящные и эффективные способы воспроизведения, которыми и сегодня пользуется все живое. В основе их лежит молекула ДНК, структуру которой Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон описали в 1953 году на основе исследований, проведенных ранее Розалинд Франклин. Принцип действия ДНК так важен для эволюции, что к этой удивительной молекуле стоит присмотреться внимательнее.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) тесно связана с РНК (рибонуклеиновой кислотой). Обе они – полимеры, длинные цепочки одинаковых молекул. Но если белки состоят из цепочек аминокислот, а мембраны – из фосфолипидов, то ДНК и РНК сделаны из длинных последовательностей нуклеотидов. Это молекулы сахара, к которым присоединены маленькие молекулярные группы, так называемые основания. Есть четыре типа оснований: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и тимин (T) (в РНК тимин заменяет урацил, U). А теперь магия. Крик и Уотсон показали, что эти четыре основания можно использовать как буквы алфавита, чтобы переносить огромные количества информации. Когда молекулы ДНК или РНК соединяются в гигантские цепочки, основания торчат сбоку, образуя длинную последовательность из А, С, G и T (или U в РНК). Каждая группа из трех букв кодирует определенную аминокислоту или содержит инструкцию, например «закончить считывание». Так, последовательность TTA означает «добавить молекулу аминокислоты лейцина», а TAG – это что-то вроде знака препинания, который говорит: «сейчас можно прекратить копирование».
Считывать и копировать информацию из молекул ДНК и РНК можно, потому что основания обычно соединяются друг с другом с помощью водородных связей, которые достаточно легко образуются и рвутся. При этом соединяются они только строго определенным образом. А всегда связывается с Т (или U в РНК), а C – с G. Особые ферменты подставляют участки ДНК, соответствующие определенному гену или кодирующие определенный белок, и каждое основание притягивает свою пару, чтобы сформировать новую короткую цепочку РНК из нуклеотидов, комплементарных исходной цепочке. Затем этот новый сегмент увлекает с собой большая молекула, так называемая рибосома, своеобразная белковая фабрика. Рибосома считывает последовательность букв в тройках и штампует соответствующие аминокислоты, одну за другой, точно в таком порядке, чтобы получился определенный белок, который затем отправляется в клетку выполнять свою работу. Так рибосомы производят тысячи необходимых клетке белков.
Наконец, молекулы ДНК и РНК могут использовать эти механизмы, чтобы копировать самих себя и всю информацию, которая в них содержится. Основания, торчащие сбоку от сахарно-фосфатных цепочек, прощупывают клеточный бульон и цепляются за основания, комплементарные себе. При этом С всегда цепляется за G, а А – за Т (или U в РНК). Новые присоединенные основания привлекают новые молекулы сахара, которые соединяются вместе, образуя новую цепочку, в точности комплементарную первой. В ДНК они обычно скрепляются, и бóльшую часть времени она имеет форму двойной цепочки или спирали, похожей на две винтовые лестницы. Она может очень плотно свернуться и отлично поместиться в каждой клетке, разворачиваясь только для того, чтобы ее считали или чтобы сделать собственные копии. А РНК обычно имеет вид одинарной цепочки, так что она, как белок, может принимать определенные формы и действовать в качестве фермента.
Эта небольшая разница между РНК и ДНК имеет колоссальное значение, потому что в результате ДНК обычно выступает в качестве хранилища генетической информации, а РНК может и хранить данные, и выполнять химическую работу. Она одновременно действует как аппаратное и программное обеспечение, поэтому многие ученые и считают, что когда-то, возможно еще при «Луке», бóльшая часть информации хранилась в РНК. Скорее всего, он и жил в таком мире – мире РНК. Но ДНК – более надежный носитель, потому что в беспокойной среде внутри клетки информацию на РНК постоянно сотрясают жестокие удары, а вот двойная нить ДНК защищает свои драгоценные данные от внешних потрясений. В мире РНК генетическая информация легко терялась и искажалась. Эволюция всерьез началась только после того, как потомки «Луки», настоящие прокариоты, которые сегодня преобладают среди микроорганизмов, построили мир, основанный на ДНК.
У первых прокариот были собственные мембраны, независимый метаболизм и более точные и надежные генетические механизмы, поэтому им удалось покинуть вулканические гидротермальные источники, где они появились на свет, и отправиться в плавание по океанам молодой Земли. Вероятно, это произошло уже 3,8 млрд лет назад.
Любая прокариота – это целое царство поразительной сложности. Миллиарды молекул плавают в густой жиже химических веществ, они тысячи раз в секунду толкают и тянут друг друга, будто туристы на шумном рынке, где полно торговцев, зазывал и карманников. Если вас посадить в одну из таких молекул, этот мир покажется вам ужасным. К вам попытаются привязаться ферменты, чтобы изменить вас, к примеру сцепить с другими молекулами и образовать новую группу, которая могла бы обходить рынки в поисках новых возможностей. Вообразите себе, что миллионы таких взаимодействий ежесекундно происходят в каждой клетке, и вы получите некоторое представление о бурной деятельности, которая поддерживала существование даже самых простых клеток на заре развития биосферы.
Это новый мир и новый вид сложных явлений. Так же как звезды и планеты, образовавшиеся в хаосе перемен, клетки в конце концов обрели некоторую стабильность, стали контролировать мельчайшие флуктуации в окружающей среде и противостоять им. Клеткам удалось достичь временного равновесия; то же должны были сделать целые виды, династии и группы видов. Но это равновесие никогда не было статичным. В нем всегда была динамика, оно сохранялось лишь путем постоянного взаимодействия между живыми организмами и изменяющейся средой, всегда под угрозой внезапного срыва.
