Шанс есть! Наука удачи, случайности и вероятности. Глава 1. Нам посчастливилось оказаться здесь (Лаура Спинни, 2015)

Случайные события – от большого взрыва до рождения человека как вида

Начнем наше изучение случайности с рассмотрения цепочки случайных событий от образования Вселенной к возникновению человеческих существ вроде нас с вами. Разумеется, нет никого, кто бы в точности на вас походил. Вы когда-нибудь, глядя на сестру или брата, задумывались над тем, откуда взялась разница между вами? Возможно, вы и обладаете общими генетическими корнями, но вы не полностью идентичны, даже если вы близнецы. Разного рода случайные повороты привели к тому, что вы совершенно уникальны. Похоже, то же самое верно и в отношении эволюции человека и человеческой жизни. Речь идет о необычайном путешествии, полном поразительных флуктуаций. Вселенная не обязана была производить материю, не говоря уж о создании планеты с достаточно стабильным климатом, подходящим для появления жизни. Более того, жизнь (особенно сложная, многоклеточная) тоже не должна была появиться. То же самое касается и биологических видов. И когда мы доберемся до рассказа о случайных мутациях, которые сделали человека таким, каким он стал, вы наверняка будете лишь тихо изумляться: как же нам всем повезло оказаться в числе существующих на Земле объектов.

Космическая лотерея

Начнем с самого начала. Стивен Баттерсби и Дэвид Шига как раз готовы объяснить наше космологическое везение. Оказывается, вся наша Вселенная – просто выверт судьбы, флуктуация!

Можно лишь гадать, какие космические совпадения предшествовали зарождению нашей Вселенной. Достаточно сказать, что примерно 13,82 миллиарда лет назад (плюс-минус иоктосекунда[1]) космос решал, каким он станет, когда вырастет.

«Я стану гораздо больше»: видимо, он подумал именно так, если верить самой популярной модели ранних стадий существования Вселенной. Согласно теории расширяющейся Вселенной (инфляционной модели), новорожденную Вселенную пронизывало так называемое инфляционное поле. Оно вызвало экспоненциальное расширение космоса в течение примерно 10^–32 с, сделав его плоским и однородным.

Это неплохо объясняет некоторые характеристики нашей Вселенной, которые плохо поддавались трактовке. Но самое любопытное здесь то, что инфляционное поле, пусть и практически однородное, не было совершенно идентичным для каждого кусочка пространства. Причина этого – случайные квантовые флуктуации: они делали пространство чуть более плотным в одном месте и чуть менее плотным – в другом. Тут нам повезло: полная однородность сделала бы Вселенную совсем другой, неинтересной и почти наверняка безжизненной. Случилось так, что один из этих случайных микроскопических квантов шума, усиленных гравитацией, в итоге вырос в гигантское сообщество галактик и их скоплений, именуемое Сверхскоплением Девы. Среди множества его участков – малопримечательный всклокоченный куст, который мы именуем локальной группой. В ней-то и располагается Млечный Путь – наш дом.

Мы знаем все это благодаря тому, что астрономы, вглядываясь в глубины космоса, способны различить пестрый узор космического фонового микроволнового излучения. Это своего рода моментальный снимок процесса роста и объединения, в ходе которого первые стабильные атомы образовались спустя примерно 380 тысяч лет после Большого взрыва. Вариации в этом узоре кажутся совершенно случайными и произвольными. Большинство физиков полагают, что породившие сей узор квантовые флуктуации не имели под собой вообще никакой причины. Иными словами, среди всех счастливых случаев этот – наиболее случайный.

Потом появилась материя. Весьма необычайным кажется уже то, что она вообще существует: космос легко мог бы обойтись без нее. Тогда он просто представлял бы собой скучный океан излучения. Дело в том, что после первоначального расширения Вселенная все же продолжала оставаться невообразимо горячей и плотной. Она была наполнена частицами материи и антиматерии – электронами, позитронами, кварками, антикварками и другими. И все они сновали в ней без всякой определенной цели. Стабильные союзы между частицами, способные порождать звезды, планеты и жизнь, возникнут лишь где-то в отдаленном будущем. И, что тревожнее всего, частицы материи и антиматерии присутствовали в этой смеси в равных количествах (как могло бы показаться проходящему мимо наблюдателю). А значит, ситуация была очень опасная.

Если верить стандартным теориям, вещество и антивещество появились после Большого взрыва в одинаковых количествах. Поскольку при контакте они взаимно аннигилируют, порождая пары фотонов высокой энергии, в сегодняшнем космосе должно было бы существовать лишь одно совершенно неинтересное излучение. Для того чтобы мы с вами могли существовать, что-то – материя или антиматерия – должно было победить: нельзя создать планету или человека из света.

К счастью, было нечто, которое, судя по всему, благоприятствовало созданию материи в самый критический момент – в первые мгновения после Большого взрыва. Небольшого избытка материи по отношению к антиматерии (всего одной лишней частицы вещества на миллиард) было достаточно, чтобы в конце концов привести к сегодняшнему положению дел, когда во Вселенной так много материи. Но как же мог возникнуть такой дисбаланс?

Хотя в некоторых взаимодействиях элементарных частиц и наблюдается своего рода диспропорция в пользу материи, она все же слишком незначительна, чтобы создать даже столь небольшое преимущество. Поэтому физики предполагают, что в ранней Вселенной должен был возникнуть какой-то более сильный дисбаланс (как следствие пока неведомых процессов, лежащих за пределами Стандартной модели физики частиц), где доминировали частицы с высокими энергиями.

Сейчас многие учение все больше подозревают, что такая сверхфизика могла быть изменчивой, различной в разных вселенных, и, похоже, нашей с вами маленькой Вселенной здорово посчастливилось – ей удалось-таки приобрести запасец материи, тогда как многие другие миры превратились в безжизненные пустыни, где царит лишь излучение.

Материя – не единственная потенциальная жертва столь изменчивой и прихотливой физики. Такие процессы могут приводить и к формированию сверхплотных вселенных, схлопывающихся в черные дыры, и к возникновению миров, пронизанных темной энергией, которая быстро разрывает все существующие структуры. С этой точки зрения кажется действительно очень редким событием появление вселенной, где в конце концов возникли условия, благоприятные для жизни человека.

Следующее космическое событие – пришествие небесного огня. Итак, в нашей Вселенной материя победила, и наш мир стал остывать. Вскоре начали формироваться стабильные атомы и молекулы. Спустя 100 миллионов лет возникли первые звезды – гиганты из водорода и гелия. Они жили быстро и умирали молодыми, в мощнейших взрывах, засеивавших космос более тяжелыми элементами, которые, в свою очередь, становились ингредиентами других звезд, а также галактик. Но Солнечная система не возникает сама по себе.

Лишь примерно через 9 миллиардов лет после Большого взрыва в нашем уголке космоса оказалось большое количество водорода, гелия и межзвездной пыли. Но если они планировали не только висеть в пространстве, но и делать что-то еще, требовалось нечто большее: искра, которая воспламенила бы эти облака инертных газов.

В конце концов такая искра вспыхнула. Ключ к ее происхождению таится в метеоритах. В отличие от родных камней нашей планеты, которые часто плавятся и перемешиваются, метеориты остаются практически неизменными после того, как они сконденсировались при формировании Солнечной системы.

Метеориты хранят в себе химические особенности этих далеких тысячелетий.

Так, в метеорите, найденном в 2003 году в индийском Бишунпуре, ученые обнаружили большое количество железа-60 – радионуклида, который в ходе радиоактивного распада превращается через несколько миллионов лет в стабильный никель-60. Поскольку нуклид железо-60 является таким (относительно) короткоживущим, в межзвездном газе обычно содержатся лишь следовые его количества. Высокое содержание этого нуклида в Бишунпурском метеорите позволяет предположить, что Солнечная система сформировалась из гораздо более богатой смеси.

Можно выдвинуть два объяснения. Первое: эту смесь обогатила какая-то сверхновая, находящаяся неподалеку. Вспышки сверхновых – в числе немногих космических процессов, о которых известно, что они порождают большое количество тяжелых радиоактивных изотопов, таких как железо-60. Ударная волна от такого взрыва могла бы запустить процесс образования Солнца и планет, сжимая первичное газовое облако.

Второй вариант: зарождение Солнечной системы происходило по более мягкому сценарию. Красный гигант достаточного размера способен посоперничать со сверхновой по части производства железа-60 и других радиоактивных элементов в соотношении, отвечающем составу исследуемого метеорита. Эти элементы могли образоваться в глубинных слоях звезды; затем конвекционные потоки вынесли бы их на поверхность, после чего они попали бы в пространство как часть могучего звездного ветра, который всколыхнул бы и все газовые облака, оказавшиеся рядом.

По мнению большинства астрономов, вспышка сверхновой – объяснение самое вероятное. Но будь то звездный взрыв или звездный выброс, помните: наше Солнце – просто наиболее очевидная звезда из тех, которым мы должны быть благодарны за наше существование. Однако не следует забывать и о других, менее знаменитых. Они тоже сыграли свою роль.

Далее в нашем списке флуктуаций и возмущений – образование Луны. Она возникла благодаря тому, что Солнечная система, где оказалась новорожденная Земля, являлась средой нестабильной, полной каменных глыб, летавших там и сям по нерегулярным орбитам. Примерно 4,5 млрд лет назад одна из таких громадин, размером примерно с Марс, врезалась в нашу планету. В результате и возникло привычное нам положение вещей. Часть врезавшегося материала присоединилась к Земле, а остальное выбросило на орбиту вместе с кусками Земли, вырванными при столкновении. Там из них и образовалась Луна.

Событие это не кажется таким уж значительным. Однако на самом деле произошла очень важная вещь: возник спутник аномально большого размера по отношению к материнской планете. В Солнечной системе такого больше нет: все прочие спутники планет – сравнительно небольшие тела, либо постепенно слипшиеся из орбитальных обломков, либо захваченные гравитационным полем планеты.

За пределами Солнечной системы это явление тоже встречается редко. Наблюдения, сделанные при помощи космического телескопа «Спитцер», показывают, что масштабные столкновения в других звездных системах порождают огромное количество пыли. И хотя удалось обнаружить несколько таких пылевых систем, столкновения, чьей мощности хватит для того, чтобы породить что-нибудь вроде Луны, происходят, судя по всему, лишь в 5–10 % солнечных систем. А доля случаев, когда такое действительно произошло, значительно меньше даже этой величины.

Почему это вообще важно? Потому что размер Луны позволяет ей служить гравитационным подспорьем, позволяющим стабилизировать угол наклона земной оси. Это предотвращает резкие изменения в характере нагрева Солнцем поверхности нашей планеты. Такие изменения могли бы привести к мощным климатическим скачкам, в том числе и к частым периодам, когда вся планета замерзает. Для нас это не пустяк. Не будь Луны, наклон земной оси претерпевал бы существенные изменения, и тогда вряд ли возникли бы условия для появления сухопутных многоклеточных.

Своим возникновением жизнь обязана и еще одному случайному астрономическому событию – бомбардировке планеты небесными камнями. Это событие произошло около 3,9 млрд назад и впоследствии получило название поздней тяжелой бомбардировки (последней метеоритной бомбардировки). Причины этого неожиданного космического бильярда до сих пор не вполне ясны. Вероятнее всего, его спровоцировало сложное гравитационное взаимодействие между четырьмя гигантскими планетами Солнечной системы – Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном. Небольшие сдвиги орбит Сатурна и Юпитера постепенно привели к тому, что период обращения Сатурна вокруг Солнца стал ровно вдвое больше периода обращения Юпитера. Этот «гравитационный резонанс» перетряхнул орбиты всех четырех громадных планет и заставил оказавшиеся поблизости кометы и астероиды устремиться во внутренние области Солнечной системы.

Поздняя тяжелая бомбардировка создала на Земле чрезвычайно негостеприимные условия. «Представьте себе озера расплавленной породы площадью с нынешнюю Африку», – говорит Стивен Мойжис, геолог из Колорадского университета в Боулдере. Но после остывания кратеры от этих столкновений стали бы идеальными местами для зарождения жизни, замечает Чарлз Кокелл, астробиолог из Эдинбургского университета. Остаточное тепло стимулировало бы химические реакции в теплой воде, окружавшей камни.

А если жизнь к этому времени уже зародилась, такое событие изменило бы весь ход эволюции, уничтожив все микроорганизмы, кроме наиболее жаростойких, говорит Мойжис. Он добавляет: «Такова уж история всего живого – массовое вымирание приводит к новым моделям поведения».

Вот мы с вами кто – маленькие существа на маленькой планете, которая вращается вокруг неприметной звездочки в довольно заурядной галактике на ничем не выдающемся участке невероятно обширной вселенной. Как мы появились? Благодаря случайности.

Алгоритм жизни

После всех этих событий Земля оказалась готова для появления жизни. Но тут встает другой вопрос: а должна ли была жизнь появиться? Пол Дэвис занимается этим вопросом на протяжении почти всей своей научной карьеры. Он полагает, что ответ кроется в неожиданной сфере – информатике.

Одни ли мы во Вселенной? Иными словами, широко ли в ней распространена жизнь? Для науки этот вопрос очень важен. Специалисты (с переменным успехом) ищут подобные Земле планеты, вращающиеся вокруг других звезд, главным образом как раз потому, что надеются обнаружить там инопланетную жизнь. Многие предполагают, что жизнь в землеподобных условиях неизбежно должна возникнуть: эта позиция называется биологическим детерминизмом. Впрочем, нелегко отыскать аргументы в ее поддержку, исходя из известных нам законов физики, химии или биологии. Если полагаться лишь на эти законы в попытке объяснить устройство и работу Вселенной, логично заключить, что жизнь могла возникнуть лишь благодаря удачному стечению обстоятельств, а значит, крайне маловероятно найти ее где-то еще.

Однако тем, кто надеется когда-нибудь встретиться с инопланетянами, отчаиваться не следует. Исследования все-таки могут подтвердить теорию биологического детерминизма, тем самым резко повысив наши шансы отыскать соседей по космосу – хоть где-нибудь.

В 1953 году Гарольд Ури и Стэнли Миллер из Чикагского университета попытались воссоздать в пробирке то, что они считали условиями первозданной Земли. Они обнаружили, что аминокислоты (строительные блоки белков) – часть химического месива, которое образуется, когда электрический разряд пропускают через смесь газообразного метана, аммиака, паров воды и водорода. Эксперимент Миллера – Ури провозгласили первым шагом на пути создания жизни в лаборатории. Многие химики считали, что жизнь – конечный пункт долгой дороги, по которой на протяжении длительного времени неутомимо движется химический суп, пронизываемый потоками энергии.

Однако эта идея быстро натолкнулась на ряд проблем. Построить кирпичики жизни легко – аминокислоты обнаруживали в метеоритах и даже в космосе. Но сами по себе кирпичи еще не составляют дом. Точно так же и случайный набор аминокислот не составляет живое существо. Подобно кирпичам дома, строительные компоненты жизни нужно собирать в целое весьма определенным и чрезвычайно сложным образом, прежде чем они обретут нужную функцию. Чтобы образовать белки, множество аминокислот должны соединяться в длинные цепочки в определенном порядке. С энергетической точки зрения это процесс движения «в горку».

Само по себе это еще не проблема: на древней Земле протекало множество различных энергетических процессов. Штука в том, что подрыв кучи кирпичей динамитом не даст в результате дом. Точно так же и простое глупое вбрасывание энергии в кучу аминокислот не приведет к образованию сложно устроенных молекулярных цепочек со строго определенной последовательностью звеньев. Скорее всего, мы получим просто какую-то смолистую жижу.

Систему необходимо подпитывать энергией каким-то особым и изощренным образом. В живом организме этот процесс контролируется молекулярной аппаратурой клетки, и специфика здесь чрезвычайно сложна. Однако в первичном химическом супе, где намешана масса всего, аминокислотам пришлось бы полагаться исключительно на удачу. Сами аминокислоты могли появиться на ранних этапах развития природы, но этого явно нельзя сказать о крупных и высокоспециализированных молекулах, таких как белки.

Теперь-то мы понимаем, что тайна жизни кроется не в базовых химических ингредиентах как таковых, а в логической структуре и организации молекул. Поэтому ДНК можно представить себе как генетическую базу данных, а гены – как инструкции по производству белков (оптимизированных для выполнения конкретных задач) и, косвенным образом, других биомолекул. Подобно суперкомпьютеру, жизнь является системой обработки информации, а это подразумевает особый тип организованной сложности. Главная загадка – не «железо», а «софт», то есть информационное содержание живой клетки.

Лучшая иллюстрация вычислительной мощи живого – генетический код. В основе всей известной нам жизни лежит своего рода соглашение между нуклеиновыми кислотами и белками – двумя классами молекул, которые с химической точки зрения – лишь дальние родственники, едва знакомые друг с другом. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК хранят в себе инструкции, а белки выполняют основную часть работы. Совместно эти молекулы творят множество чудес жизни, но сами по себе они беспомощны. Для выработки белков нуклеиновые кислоты привлекают умного посредника, дабы сформировать канал передачи зашифрованной информации.

Вот как это делается. ДНК, знаменитая двойная спираль, построена как веревочная лестница с четырьмя различными типами ступенек. Информация хранится в последовательностях этих звеньев, подобно тому, как привычные нам инструкции хранят информацию в виде цепочек букв. Белки строятся из 20 различных аминокислот, причем для создания каждого определенного белка нужно, чтобы определенные аминокислоты соединились друг с другом в определенном порядке.

Для перевода информации, изложенной при помощи четырехбуквенного алфавита ДНК, в 20-буквенную систему, используемую белками, все известные нам живые существа Земли применяют один и тот же код. Когда мы говорим о неизбежности (или, наоборот, о случайности) возникновения жизни, ключевой вопрос – каким образом появилась столь изобретательная система шифрования. Как безмозглые атомы сумели спонтанно написать собственный софт? И откуда взялась эта весьма особенная форма информации, нужная для того, чтобы запустить первую живую клетку на Земле?

Ответа никто не знает. Традиционно ученые, занимающиеся этой проблемой, делятся на два лагеря. В одной группе – те, кто верит, что все произошло случайно: иными словами, жизнь возникла в результате изумительной химической флуктуации. Нетрудно прикинуть, какова вероятность того, что в химической смеси, составившейся произвольным образом, определенные молекулы случайно выстроились в сложную структуру, необходимую для появления жизни. Вероятность этого процесса ничтожна мала. Если жизнь, какой мы ее знаем, возникла благодаря случайности, такое могло произойти лишь один раз во всей наблюдаемой Вселенной.

Напротив, биодетерминисты полагают, что фактор случайности здесь вторичен и нужные виды молекул послушно возникают в результате действия законов природы. Так, Сидни Фокс, американский пионер биогенеза, утверждал, что химия предпочитает соединять аминокислоты точно в тех комбинациях, какие нужны для того, чтобы они приобрели биологические функции. Если это так, значит, в природе словно существует некая изначальная предвзятость (или даже заговор), направленная на создание веществ, которые благоприятствуют возникновению жизни. Но можно ли всерьез полагать, будто законы физики и химии содержат в себе наброски жизни? И каким образом ключевая для всего живого информация может быть зашифрована в этих законах?

Чтобы попытаться ответить на сей вопрос, необходимо углубиться в размышления о самой природе той информации, которая лежит в основе всего живого. Вот одно важное наблюдение: богатая информацией структура обычно лишена четкого рисунка. Наиболее ясно это свойство иллюстрирует одна из отраслей математики – алгоритмическая теория информации. Ее задача – количественная оценка сложности информации с помощью подхода, при котором информацию воспринимают как результат работы компьютерной программы или алгоритма.

Представим себе такую бинарную последовательность: 1010101010101010101010… Ее можно получить, дав простую команду: «Печатать 10 n раз». Инструкции на входе значительно короче цепочки, которую мы получаем на выходе. Это служит отражением того факта, что результат содержит повторяющийся узор, который легко описать компактно. Поэтому данный результат содержит чрезвычайно мало информации.

Однако случайную с виду последовательность (к примеру, 110101001010010111…) нельзя свести к простому набору инструкций, содержание информации в ней велико. Если работа ДНК заключается в эффективном хранении информации, будет лучше, если последовательность «ступенек» не будет содержать слишком уж много «узоров», ибо они отражают информационную избыточность. Биохимики подтверждают такое ожидание. Геномы организмов, которые уже удалось секвенировать, по большей части выглядят как произвольные наборы знаков, случайным образом составленные с использованием четырех генетических букв.

Такая беспорядочная природа геномных последовательностей идет вразрез с принципами биологического детерминизма. Законы физики можно использовать для предсказания упорядоченных структур, но не структур случайных. К примеру, кристалл – просто определенный набор определенных атомов с периодичной структурой, подобный повторяющейся бинарной последовательности, которую мы приводили выше. А значит, он не несет в себе практически никакой информации. Конструкция кристаллов встроена в законы физики, поскольку их периодические формы определяются математическими симметриями, присущими этим законам. Однако случайные последовательности аминокислот в белках или звеньев лесенки ДНК не могут быть «встроены» в законы физики – как и возводимые нами здания не могут быть жестко встроены лишь в эти законы.

И в законы химии они не могут быть встроены. Простую иллюстрацию этого факта можно вывести непосредственно из рассмотрения структуры ДНК. Каждое звено этой веревочной лестницы состоит из двух сегментов, которые, подобно ключу и замку, плотно соединяются друг с другом. В конечном счете именно химия определяет и природу связей, удерживающих вместе эти сегменты, и те силы, которые прикрепляют их к боковинам лестницы. Однако между ступеньками лестницы, следующими друг за другом, химических связей нет. Химии нет дела до порядка следования этих звеньев, и жизнь вольна менять этот порядок как ей заблагорассудится. Подобно тому, как последовательность букв в руководстве по эксплуатации не зависит от химии бумаги и чернил, «буквы» ДНК (из которых и слагается информация) не зависят от химических свойств нуклеиновой кислоты. Именно эта способность жизни освобождаться от строгих химических ограничений придает ей такую силу, гибкость и изменчивость. Биологический детерминизм подразумевает существование химической смирительной рубашки, которая не усиливала бы творческий потенциал жизни, а лишь сдерживала бы его развитие.

Если жизнь, по сути, отражает такой вот побег от химии, явно не следует обращаться к химии, пытаясь объяснить жизнь. Но где же еще может таиться объяснение? В основе жизни лежит в конечном счете сложный и комплексный процесс обработки информации, так что имеет смысл поискать ответ в области теории информации и теории сложности.

Раз уж биологическая информация не зашифрована в законах физики и химии (по крайней мере, в тех, что сейчас нам известны), откуда она вообще берется? Похоже, все специалисты сходятся во мнении, что информация не может возникать спонтанно (возможно, за исключением особого случая – Большого взрыва). А значит, информационное содержание живых систем должно каким-то образом браться из окружающей их среды. Хотя нам не известны законы физики, способные создавать информацию из ничего, мог бы иметься некий принцип, позволяющий объяснить, как информацию можно брать из среды и накапливать в макромолекулах.

Один из способов сделать это – дарвиновская эволюция. Жизнь на Земле начиналась с простых организмов, обладающих короткими геномами с относительно низким содержанием информации. Более сложные организмы обладают более длинными геномами, где хранится больше информации. Эта дополнительная информация перетекала из среды в геномы благодаря процессу естественного отбора: когда идет отбор среди различных геномов (по степени «приспособленности», которую они дают своим носителям), приобретается информация. Так что дарвинизм может объяснить, каким образом организмы приобретают информацию. Но дарвинизм вступает в дело, лишь когда жизнь уже появилась. Как апеллировать к естественному отбору на пребиотической стадии развития Земли?

По мнению некоторых биохимиков, ответом служит нечто вроде молекулярного дарвинизма. Представьте себе молекулы, которые копируются в своего рода химическом супе. Хотя такие простодушно множащиеся молекулы могут не соответствовать интуитивному определению живого, имеющемуся у большинства людей, они все же могут проходить некую разновидность дарвиновской эволюции, если им свойственна изменчивость и если они проходят отбор. Сторонники этой теории (насквозь дарвиновской) полагают, что первая такая реплицируемая молекула была достаточно проста, чтобы образоваться по чистой случайности.

Загвоздка в том, что знакомые нам крупные самовоспроизводящиеся молекулы – лишь те, которые использует живое. Крайне маловероятно, чтобы ДНК могла образоваться лишь благодаря случаю. Даже РНК, ее более простую родственницу, трудно заставить образовывать достаточно длинные цепочки, обладающие биологической действенностью. А более короткие молекулы нуклеиновых кислот склонны давать больше погрешностей при репликации. Если доля ошибок становится чересчур высокой, утечка информации происходит быстрее, чем ее приобретение путем отбора, и эволюция буксует. Молекула, склонная к ошибкам при копировании, будет не накапливать информацию, а терять ее.

А значит, для того чтобы молекулярный дарвинизм заработал, природа должна ухитриться предоставить молекулы-репликаторы достаточно простые, чтобы они могли образоваться случайно, но при этом достаточно хитро устроенные, чтобы воспроизводиться достаточно точно и при этом с огромным набором вариаций (также представляющих собой хорошие репликаторы): только на таких условиях с ними сможет иметь дело естественный отбор. Это не обязательно должны быть нуклеиновые кислоты. Но для объяснения жизни, какой мы ее знаем, они должны в конце концов породить нуклеиновые кислоты и передать им функцию самовоспроизводства.

Получается, молекулярный дарвинизм все-таки протаскивает элементы биологического детерминизма. Мало того что законы природы должны допускать существование молекул, обладающих всеми перечисленными свойствами, вдобавок эволюционный маршрут, по которому идет популяция репликаторов, должен приводить к созданию нуклеиновых кислот. А иначе жизнь, какой мы ее знаем, оставалась бы чудовищно маловероятной флуктуацией.

Значит, приходится сделать вывод, что жизнь – результат чрезвычайно маловероятного химического происшествия, случайного события, уникального для нашей Вселенной? Не обязательно. Какая-то разновидность биологического детерминизма все-таки может оказаться справедливой, даже если жизнь не вписана в известные нам законы физики, химии и эволюционной теории. Не исключено, что эти законы отвечают за жизненное «железо» (то есть за ее сырье), но необходимый для нее «софт», то есть информационная составляющая, берет начало в законах информационной теории.

Само понятие «информация», пожалуй, довольно-таки расплывчато, хотя это обычное дело для молодых наук. Два столетия назад столь же туманным понятием была энергия. Ученые интуитивно признавали ее как нечто существенное для физических процессов, но этим представлениям недоставало математической четкости. Сегодня мы рассматриваем энергию как реальную и фундаментальную количественную величину, поскольку наука в ней хорошо разобралась. А вот информация продолжает нас озадачивать – отчасти из-за того, что она предстает в разных обличьях в великом множестве областей науки. В теории относительности, например, информации запрещено распространяться быстрее света. В квантовой механике состояние системы описывается по максимуму содержащейся в ней информации. В термодинамике количество информации падает при возрастании энтропии. В биологии ген рассматривается как набор инструкций, содержащих информацию, которая необходима для выполнения определенной задачи.

То, что нам известно об информации, берет начало главным образом в царстве наук о человеческом общении. Важной вехой в развитии информационной теории стал анализ коммуникаций с помощью наполненных шумами радиоканалов, сделанный американским инженером-электротехником Клодом Шенноном во время Второй мировой войны. Однако пока никто не вывел эквивалент законов Ньютона применительно к информационной динамике. Ученые даже не могут прийти к согласию по поводу того, всегда ли информация сохраняется в физических процессах. Годами бушуют споры о том, что происходит с информацией, хранящейся в звезде, когда та схлопывается в черную дыру, которая затем испаряется. Теряется ли эта информация безвозвратно? Или она потом каким-то образом возвращается?

Одна из сфер исследования таит в себе заманчивый путь для грядущих изысканий. До сравнительно недавнего времени биологи рассматривали молекулы живого как маленькие строительные блоки, которые слипаются вместе. На самом деле строение молекул и связи между ними – предмет квантовой механики. В наши дни физики расширили понятие информации, включив в него и квантовый мир. При этом удалось совершить ряд необычайных открытий. В частности, выявить способность квантовых систем обрабатывать информацию экспоненциально быстрее по сравнению с системами классическими. Именно это свойство лежит в основе действия квантовых компьютеров.

В сущности, загадка биогенеза по природе своей – вычислительная. Требуется найти весьма особенный тип молекулярных систем на чрезвычайно раскидистом древе химических альтернатив, большинство ветвей которого представляют собой биологические тупики. Как наделить материю информацией и вывести ее на дорогу к возникновению жизни? Может статься, первые, и важнейшие, шаги здесь как раз были сделаны в странном и загадочном царстве квантовой механики? Вопрос остается открытым. Но если ответ на него окажется положительным, биологический детерминизм наконец обретет убедительное теоретическое обоснование широко распространенной гипотезе, утверждающей: мы живем в биологически дружественной Вселенной, и мы тут не одиноки.

Чудесное слияние

Может быть, возникновение жизни как таковой некогда и стало неизбежным, но этого явно нельзя сказать о жизни сложной. Легко себе представить, что самые простые формы жизни на Земле (в общем-то, не более чем крошечные мешочки с химическими веществами) могли бы всегда оставаться неизменными. Наши сложно устроенные клетки с их различными внутренними отсеками и изощренными системами поддержки, с их бесчисленными транспортными средствами и тончайшей аппаратурой могли бы никогда не появиться. Но вдруг в один прекрасный день два миллиарда лет назад произошла эта флуктуация. Ее результатом в конце концов и стали мы с вами, объясняет Ник Лейн.

Мы, сложно устроенные существа, являем собой редкостную и везучую разновидность живого. Было бы странно, если бы такие простые одноклеточные, как бактерии, не были широко распространены по всей Вселенной. Органические молекулы образуются в ходе реакций между самыми вездесущими материалами (водой, камнем, углекислым газом), и с точки зрения термодинамики такие реакции почти неизбежны. Так что раннее появление простых бактериальных клеток на Земле – отнюдь не статистический выброс: это в точности то, чего и следовало бы ожидать. Однако если мои выкладки справедливы, возникновение сложно устроенной (многоклеточной) жизни отнюдь не является неизбежным. За 4 миллиарда лет она возникла здесь лишь однажды, благодаря редкостному случайному событию.

Тут все сводится к энергии. Живые существа потребляют невообразимое количество энергии – просто для того, чтобы продолжать жить дальше. Пища, которую мы едим, превращается в топливо для всех живых клеток – АТФ (аденозинтрифосфат). Это горючее проходит непрерывный цикл переработки: за день организм каждого из нас обрабатывает от 70 до 100 кг этой штуки. Столь гигантское количество топлива производится благодаря ферментам – биологическим катализаторам, на протяжении тысячелетий тонкой настройки постепенно обучившимся извлекать из реакций всю полезную энергию, всю до последней капли.

Ферменты, дававшие питание первым живым существам, не могли обладать столь высокой эффективностью, поэтому первым клеткам наверняка требовалось гораздо больше энергии для роста и деления – вероятно, в тысячи или даже миллионы раз, чем клеткам современным. То же самое должно быть верно и для всей Вселенной.

Эти колоссальные энергетические потребности часто упускают из виду, когда речь идет о происхождении жизни. Что могло бы выступать в качестве первичного источника энергии здесь, на Земле? Старые идеи о молниях или об ультрафиолетовом излучении тут явно не годятся. Даже если оставить в стороне тот факт, что никакие живые клетки не получают энергию таким манером, следует помнить: у первых клеток не было ничего, что позволяло бы сосредоточить энергию в одном месте. Первые живые существа не могли отправиться на поиски энергии, а значит, они должны были возникнуть там, где энергии много. К примеру, там, где много солнечного света? Да, сегодня основная часть живых существ получает энергию от Солнца, прямо или косвенно. Но фотосинтез – процесс сложный, и он едва ли питал собой первых живых существ.

Что же тогда их питало? Реконструкция истории жизни путем сравнения геномов простых клеток сопряжена с целым рядом проблем, однако все эти исследования указывают в одну сторону. Судя по всему, самые первые клетки получали энергию и углерод из газов – водорода и диоксида углерода. Реакция между H₂ и CO₂ непосредственно дает органические молекулы. При этом выделяется энергия. Это важно: ведь недостаточно построить простые молекулы, нужно еще и затратить море энергии, чтобы соединить их в длинные цепочки, которые и служат строительными блоками живого.

Еще один ключ к пониманию того, как первая жизнь получала энергию, кроется в механизме сбора энергии, который можно обнаружить у всех известных нам форм жизни. Этот механизм оказался столь неожиданным и необычным, что после того, как в 1961 году его предложил британский биохимик Питер Митчелл, ученые еще два десятка лет ожесточенно спорили.

Митчелл выдвинул гипотезу, согласно которой питают клетки не химические реакции, а своего рода электричество. А конкретнее – различная концентрация протонов (заряженных ядер атомов водорода) по разные стороны мембраны. Поскольку протоны имеют положительный заряд, различие в их концентрации создает разность электрических потенциалов между двумя сторонами мембраны, и эта разность потенциалов составляет около 150 милливольт. Мало? Но учтите, что она создается на расстоянии всего лишь 5 миллионных миллиметра, а значит, напряженность электрического поля на столь ничтожном расстоянии колоссальна – около 30 миллионов В/м. Примерно такая же напряженность поля порождает разряд молнии.

Митчелл назвал эту электрическую силу протон-движущей. Напоминает термин из «Звездных войн», и это вполне уместная аналогия. В сущности, все клетки питает силовое поле, такое же универсальное для жизни на Земле, как и генетический код. Этот гигантский электрический потенциал можно использовать напрямую (именно благодаря ему одноклеточные двигают своим жгутиком), а можно запрячь для выработки АТФ – топлива, богатого энергией.

Живые существа вырабатывают и используют это силовое поле чрезвычайно изощренным способом. Фермент, отвечающий за создание АТФ, можно уподобить роторному двигателю, питаемому потоком протонов, который направлен внутрь клетки. Еще один белок, помогающий создавать мембранный потенциал, NADH-дегидрогеназа[2], работает как паровая машина, где поршень выкачивает протоны. Эти удивительные наномашины должны являться продуктами долгого естественного отбора. Они не могли питать жизнь с самого начала. И здесь возникает парадокс.

Жизнь сжирает огромное количество энергии, и неэффективные первобытные клетки должны были требовать не меньше энергии, а гораздо больше, чем их нынешние собратья. Скорее всего, эти несметные количества энергии брали начало в протонном градиенте, поскольку повсеместность и универсальность этого механизма означает, что он появился рано. Но каким образом первая жизнь умудрялась проделывать то, для чего сегодня нужна столь сложная аппаратура?

Существует простой способ для получения колоссального количества энергии таким путем. Более того, сама среда, где идут такие процессы, заставляет предположить, что жизни было не так-то трудно появиться.

Ответ, который мне очень нравится, 25 лет назад предложил геолог Майкл Рассел, ныне работающий в Лаборатории реактивного движения НАСА (Пасадена, штат Калифорния). Рассел занимался изучением глубоководных гидротермальных источников. Скажите «глубоководный источник», и большинство сразу подумает о знаменитых и очень впечатляющих «черных курильщиках», окруженных гигантскими трубчатыми червями. Рассел изучал нечто куда более скромное – щелочные гидротермальные источники. Они совершенно не вулканические, и они не курятся. Они образуются, когда морская вода просачивается в электронно-плотные породы земной мантии, такие как железо-магниевый минерал оливин[3].

Оливин и вода при взаимодействии образуют серпентинит (змеевик). При этом порода расширяется и трескается, благодаря чему в нее проникает больше воды, что лишь способствует реакции. В ходе серпентинизации вырабатываются щелочные (то есть характеризующиеся нехваткой протонов) жидкости с высоким содержанием газообразного водорода. Теплота, которая при этом выделяется, направляет эти жидкости вверх, к дну океана. При соприкосновении с океанскими водами (имеющими более низкую температуру) минералы осаждаются, постепенно образуя башнеобразные жерла до 60 метров высотой.

Такие жерла, догадался Рассел, предоставляют все необходимое для зарождения жизни. Или, вернее, предоставляли – четыре миллиарда лет назад. Тогда на Земле было очень мало кислорода (если он вообще имелся), так что в океанах было много растворенного железа. Вероятно, тогда было гораздо больше CO₂, чем сейчас, а значит, в океанских водах существовала слабокислая среда, то есть некоторый избыток протонов.

Представьте себе, что происходит в такой ситуации. Внутри пористых жерл находятся связанные между собой крошечные, напоминающие клетки, отсеки, которые окружены тонкими стенками из минералов. Эти стенки содержат такие же катали заторы (особенно отметим различные сульфиды железа, никеля и молибдена), какие используются нынешними клетками для превращения CO₂ в органические молекулы.

Жидкости, богатые водородом, просачиваются сквозь этот лабиринт каталитических микропор. В обычных условиях трудно заставить CO₂ и H₂ прореагировать между собой: именно с этой проблемой сталкиваются ученые, пытающиеся улавливать углекислый газ, чтобы уменьшить глобальное потепление. Самих по себе катализаторов тоже может быть недостаточно. Но живые клетки захватывают углерод при помощи не одних только катализаторов: для запуска реакции они используют еще и протонные градиенты. А между щелочными жидкостями гидротермального жерла и содержащейся там же кислотной водой существует естественный протонный градиент.

Могла ли эта естественная протон-движущая сила привести к образованию органических молекул? Пока еще слишком рано утверждать что-то определенное. Сейчас я работаю именно над этим вопросом, и впереди очень интересные исследования. Но давайте на минутку представим, что ответ – да. Какие загадки он позволит разрешить? Очень многие. Как только убран барьер, мешающий реакции между CO₂ и H₂, это взаимодействие может протекать весьма бодро. Важно отметить, что при условиях, типичных для щелочных гидротермальных источников, взаимодействие между H₂ и CO₂, дающее молекулы, которые присутствуют в живых клетках (аминокислоты, липиды, сахара, нуклеотидные основания), приводит к выделению энергии.

А значит, жизнь отнюдь не является каким-то таинственным исключением из второго начала термодинамики: напротив, с этой точки зрения жизнь как раз и управляется этим законом. Она – неизбежное следствие планетарного дисбаланса, при котором богатые электронами породы отделены от бедных электронами кислотных океанов тонкой коркой, пронизанной системой клеткоподобных отверстий, где фокусируется эта электрохимическая движущая сила. Нашу планету можно уподобить гигантской батарее, а клетку – крошечной батарейке, построенной практически на тех же принципах.

Я готов первым признать, что в такой теории есть масса пробелов, которые еще предстоит заполнить. Между электрохимическим реактором, вырабатывающим органические молекулы, и живой, дышащей клеткой – множество промежуточных стадий. Но представьте себе, хотя бы ненадолго, более масштабную картину. Возможно, для возникновения жизни требуются лишь немногочисленные исходные компоненты – камень, вода и углекислый газ.

Вода и оливин – среди наиболее распространенных веществ во Вселенной. Атмосфера многих планет Солнечной системы богата углекислым газом, поэтому можно предположить, что он столь же часто встречается и в других уголках Вселенной. Серпентинизация – спонтанная реакция, и она должна происходить в широких масштабах на любой влажной, каменистой планете. С этой точки зрения Вселенная должна просто кишеть простыми клетками: возникновение жизни может и в самом деле оказаться неизбежным, если существуют нужные условия. Неудивительно, что на Земле жизнь, судя по всему, появилась почти сразу же, как только ей представилась такая возможность.

А что дальше? Общепризнано, что после возникновения простых форм жизни они постепенно эволюционируют, превращаясь в более сложные, опять же, если для этого существуют подходящие условия. Однако на Земле вышло иначе. После первого появления простых клеток наступила невероятно долгая пауза (почти половина всей жизни планеты), и лишь затем возникли клетки сложные. Более того, простые клетки породили сложные лишь единожды за все четыре миллиарда лет эволюции: безумно редкая аномалия, предполагающая какую-то безумную случайность.

Если бы простые клетки медленно эволюционировали до более сложных на протяжении миллиардов лет, существовали бы всевозможные промежуточные клетки, причем некоторые из них – и сейчас. Но таких нет, и мы наблюдаем этот гигантский разрыв, непонятную пропасть, странную паузу. С одной стороны, есть бактерии, очень маленькие и по объему клетки, и по размеру генома. Естественный отбор как бы отсек у них все лишнее, свел их структуру к необходимому минимуму: это своего рода самолеты-истребители среди клеток. С другой стороны, существуют огромные и неуклюжие эукариотические клетки, больше напоминающие авианосцы, чем истребители. Типичная одноклеточная эукариота примерно в 15 тысяч раз крупнее бактерии, и геном у нее под стать размеру.

Вся сложная жизнь на Земле – животные, растения, грибы и т. д. – это эукариоты. Все они в ходе эволюции произошли от общего предка. Так что без единичного события, породившего предка эукариотических клеток, не было бы растений и рыб, динозавров и обезьян. У простых клеток вообще нет клеточной архитектуры, необходимой для эволюционного превращения в более сложные формы.

Почему это так? В 2010 году я рассмотрел данный вопрос совместно с Биллом Мартином из Дюссельдорфского университета, одним из пионеров современной биологии клетки. Основываясь на данных о скорости метаболизма и размере генома различных клеток, мы рассчитали, сколько энергии оказалось бы доступно простым клеткам по мере того, как они становились бы всё крупнее и крупнее.

Как мы обнаружили, за такой рост приходится платить огромный энергетический штраф. Если увеличить бактерию до размеров эукариоты (одноклеточной), для нее будет доступно в десятки тысяч раз меньше энергии в пересчете на один ген, чем для аналогичной эукариоты. А клеткам требуется много энергии на каждый ген, поскольку процесс создания белка на основе гена требует больших энергетических затрат. Основная часть энергии клетки как раз и тратится на синтез белков.

На первый взгляд, идея о том, что бактерии ничего не приобретают, увеличиваясь в размерах, кажется не совсем верной: существуют некоторые гигантские бактерии, которые по своим размерам крупнее многих сложных клеток: показательный пример – Epulopiscium, процветающая в кишечнике рыбы-хирурга. Но у Epulopiscium до 200 тысяч копий ее полного генома. Если учесть все эти многочисленные геномы, окажется, что энергия, доступная для каждой копии каждого гена, почти в точности равна такой энергии для нормальной бактерии, несмотря на гигантское общее количество ДНК у Epulopiscium. Возможно, лучше рассматривать их как ансамбли клеток (слившихся воедино), чем как гигантские клетки.

Почему же гигантским бактериям требуется так много копий генома? Вспомним, что клетки добывают энергию из силового поля, создающегося на их мембранах, и что потенциал на них равен, в сущности, потенциалу молнии. Если клетки обращаются с ним неумело, это приводит к тяжелым последствиям: утратив контроль над своим мембранным потенциалом, они погибнут. Лет двадцать назад биохимик Джон Аллен (ныне – мой коллега по Лондонскому университетскому колледжу) предположил, что геномы играют ключевую роль в контроле мембранного потенциала, поскольку они способны управлять выработкой белков. Геномы должны располагаться поблизости от контролируемой мембраны, чтобы быстро откликаться на локальные изменения условий. Аллен и другие ученые собрали большое количество данных, подтверждающих, что это верно для эукариот. Есть веские основания считать, что так обстоит дело и в простых клетках.

Итак, перед простыми клетками возникает следующая проблема. Чтобы стать крупнее и сложнее, им нужно вырабатывать больше энергии. Они могут сделать это единственным способом – расширить ту область мембраны, которую они используют для добывания энергии. Но для поддержания контроля над мембранным потенциалом при расширении этой области им нужно произвести дополнительные копии всего генома – а значит, на самом деле они не получают никакой дополнительной энергии в пересчете на каждый ген.

Иными словами, чем больше генов у простой клетки, тем меньше от них проку. Геном, полный генов, которые невозможно использовать, не дает никаких эволюционных преимуществ. Это колоссальный барьер, мешающий клеткам становиться более сложными. Ведь для того, чтобы сделать рыбу или дерево, требуется гораздо больше генов, нежели имеется у бактерии, – тысячи и тысячи дополнительных генов.

Как же эукариоты обошли эту проблему? Они обзавелись митохондриями.

Около двух миллиардов лет назад одна простая клетка вдруг очутилась внутри другой. Не очень ясно, что представляла собой клетка-хозяин, но мы знаем, что она приняла в себя бактерию, которая затем стала делиться у нее внутри. Эти внутриклеточные клетки конкурировали друг с другом. Для тех, кто воспроизводил себя быстрее всех, не теряя способности вырабатывать энергию, оказалась выше вероятность быть представленными в следующем поколении.

И так далее, и так далее, поколение за поколением. В ходе эволюции эти эндосимбиотические бактерии постепенно превратились в миниатюрные энергогенераторы, содержащие и мембрану, необходимую для создания АТФ, и геном, необходимый для контроля мембранного потенциала. Однако важнее всего то, что в процессе развития их структура свелась к необходимому минимуму. Все ненужное – долой: так поступают истинные бактерии. Изначально геном митохондрий, по-видимому, состоял примерно из 3 тысяч генов. Сегодня у них около 40.

Для клетки-хозяина дело обстояло иначе. По мере того как съеживался митохондриальный геном, возрастало количество энергии, доступной для каждой копии хозяйского гена, поэтому геном хозяина мог расти. Пользуясь несметным количеством АТФ, организм, обслуживаемый целыми эскадронами митохондрий, мог преспокойно накапливать ДНК и укрупняться. Можно представить себе митохондрии как большой отряд вертолетов, несущих ДНК в ядро клетки. Митохондриальные геномы, освобождаясь от собственной ненужной ДНК, становятся легче и могут нести более тяжелый груз, тем самым позволяя увеличиваться ядерному геному.

Эти огромные геномы послужили генетическим сырьем, которое и привело в ходе эволюции к появлению сложной жизни. Митохондрии не предписывали сложность, но позволили ей возникнуть. Трудно вообразить какой-то иной путь обхода этой энергетической проблемы. И мы знаем, что на Земле такое произошло лишь один-единственный раз, поскольку все эукариоты происходят от одного общего предка.

Итак, толчком к возникновению сложной жизни, похоже, послужило единичное событие-флуктуация – встраивание одной простой клетки в другую. Такие ассоциации, может, и широко распространены среди сложных клеток, но у простых они крайне редки. К тому же положительный результат этого сотрудничества отнюдь не был предопределен. Двум партнерам пришлось пройти через множество стадий нелегкой взаимной адаптации, прежде чем их потомки стали получать удовольствие от сей кооперации.

А стало быть, нет какой-то неизбежной эволюционной траектории, которая вела бы от простой жизни к сложной. Непрестанный естественный отбор, который проходят бесчисленные популяции бактерий на протяжении миллиардов лет, может так никогда и не породить сложность. У бактерий нет нужной для этого архитектуры, вот и все. У них нет энергетических ограничений, пока они остаются небольшими по размерам генома и по объему клетки. Проблема становится очевидной, лишь когда мы пытаемся выяснить, что понадобилось бы для увеличения их объема и размеров их генома. И тогда мы понимаем, что бактерии занимают глубокую расщелину в энергетическом пейзаже, и выбраться из нее они не в силах.

Из этого рассуждения можно заключить следующее: хотя землеподобные планеты могут кишеть живностью, лишь на очень немногих появляются сложные клетки. А значит, вероятность возникновения растений и животных, не говоря уж о разумной жизни, весьма невелика. И если бы мы даже выяснили, что на Марсе появились простые клетки, это мало что сказало бы нам о том, насколько распространена сложная жизнь вне Земли.

Все это помогает объяснить, почему мы пока не нашли никаких следов инопланетян. Разумеется, некоторые из других предложенных объяснений тоже способны оказаться верными (скажем, что жизнь на других планетах обычно уничтожается катастрофическими событиями вроде вспышек гамма-излучения задолго до того, как разумные инопланетяне получают шанс возникнуть). Если это так, в нашей галактике, видимо, очень мало других разумных видов.

Но, опять-таки, а вдруг некоторые из них проживают где-то рядом. Если мы когда-нибудь с ними встретимся, готов заранее биться об заклад, что у них тоже имеются митохондрии.

Случай с видами

Везет тебе!