Фактически, определение от НАСА — это всего лишь один из примеров попыток дать определение жизни, отталкиваясь от процессов, связанных с её образованием. По сути, в нём говорится, что узнать, является ли нечто живым, можно, выяснив, как оно появилось. Если оно возникло путём естественного отбора, то в соответствии с данным определением оно является живым. С данной точки зрения мерилом для определения жизни становится естественный отбор. Для определения жизни были предложены и другие процессы. Один из самых интересных берёт начало в новой науке о сложности, и называется свойством эмерджентности. В данном случае мы определяем жизнь как эмерджентное свойство химических систем. Стандартной аналогией, используемой для объяснения понятия эмерджентности, является куча песчинок. Представьте себе, что вы создаёте кучу, добавляя по одной песчинке за раз. По мере накопления песчинок сеть сил, действующих внутри кучи, становится всё более и более сложной, хотя сами эти силы генерируются просто контактом между песчинками. В конце концов — скажем, на миллионной песчинке — происходит нечто иное. Мы добавляем эту песчинку, и внезапно вниз по склону кучи движется оползень. Оползень — это эмерджентное свойство песчинок. Суть в том, что от одной песчинки одну миллионную долю оползня вы не получите — чтобы получить эффект, у вас должен быть миллион песчинок. Точно так же утверждалось, что жизнь — это проявление своего рода химического оползня. Сделайте химическую систему достаточно сложной, говорится далее, и вы, скорее всего, создадите жизнь. Основная проблема такого рода определений процессов заключается в том, что они требуют достаточно подробного знания о том, как обсуждаемая система стала такой, какая она есть. В главе 5 мы обсудим серьёзные проблемы, связанные с поиском свидетельств существования жизни на других планетах — речь даже не идёт о том, чтобы выяснять, как эта жизнь развивалась. Даже на Марсе, куда мы реально можем отправлять спускаемые аппараты и зонды для проведения измерений на месте, найти убедительные доказательства того, что жизнь есть (или была), оказалось чрезвычайно сложно. Представьте себе, как трудно было бы определить эволюционную историю жизни на далёкой экзопланете. Определения, основанные на термодинамике Когда такую проблему, как определение жизни, рассматривают физики, их подход в целом заключается в том, чтобы докопаться до самых основных законов природы, действующих в любой системе, которую они исследуют. Этот приём восходит, как минимум, к Исааку Ньютону, который показал, что движение любого объекта в любой точке Вселенной можно объяснить в рамках трёх законов. Можно сказать, что цель физики — свести вселенную к набору уравнений, которые поместились бы на футболке, как мы уже увидели в предыдущей главе. Следовательно, когда физик смотрит на жизнь на Земле, он думает о двух фундаментальных свойствах: энергии и энтропии, или порядке. Понимание этих свойств находится в ведении области науки, известной как термодинамика, которая разработана в 19 веке. В предыдущей главе мы описали первый и второй законы термодинамики (вспомните футболку), которые можно сформулировать так: Первый закон: энергия существует во многих формах, взаимно переходящих друг в друга, но не может быть создана или уничтожена. Второй закон: с течением времени неупорядоченность в замкнутой системе будет возрастать или оставаться неизменной. Второй закон часто формулируется через величину, называемую энтропией, которую мы можем рассматривать как меру упорядоченности системы — высокая энтропия приравнивается к большой степени беспорядка, низкая энтропия — к высокой степени порядка. Стандартная аналогия, которая используется для иллюстрации законов термодинамики — это спальня подростка. С течением времени комната будет становиться всё более и более захламлённой (т. е. становиться менее упорядоченной или, что эквивалентно, переходить в состояние более высокой энтропии). Мы можем считать беспорядок естественным «равновесным» состоянием системы. Единственный способ избежать такого исхода и удерживать систему дальше от состояния равновесия — постоянно исправлять ситуацию, а этот процесс требует использования энергии. Эта энергия, скорее всего, поступит из пищи, которую съест подросток (или, что более вероятно, его или её родители), и после того, как комната будет убрана, рассеется в виде отработанного тепла, излучаемого в космос. Это следует из первого закона — энергия, заключённая в пище, должна куда-то уходить и не может просто исчезнуть. Таким образом, для поддержания состояния высокой упорядоченности (или низкой энтропии) нам необходим постоянный поток энергии, протекающий через систему. На жаргоне физиков мы говорим, что поток энергии поддерживает систему в высокоупорядоченном состоянии, далёком от равновесия. Живая система вроде человеческого тела находится именно в таком высокоупорядоченном состоянии, по аналогии с прибранной спальней. Атомы в вашем теле, будучи предоставленными самим себе, превратились бы в беспорядочную мешанину недифференцированного материала — это аналог спальни, в которой царит беспорядок. Поток энергии, доставляемый приёмом пищи, но в конечном счёте исходящий от Солнца, удерживает тело подальше от его равновесного состояния, которое было бы той самой кучей неупорядоченных атомов. Мы можем обобщить эту мысль, сказав, что живая система — это система, которую поток энергии поддерживает в состоянии, далёком от равновесия. Вероятно, вместо того, чтобы искать определение жизни, лучше считать этот процесс свойством живой системы — свойством, которое может работать как сигнал, предупреждающий нас о возможном наличии жизни. На жаргоне логиков это необходимое, но недостаточное условие для жизни. Иными словами, в каждой живой системе должен существовать поток энергии, поддерживающий состояние высокой упорядоченности, но не каждая система с таким свойством является живой. Растущая снежинка, например, представляет собой высокоупорядоченную систему, приводимую в движение тепловой энергией, но живой она не является. Концепция термодинамической жизни будет особенно полезной, когда мы приступим к рассмотрению возможности существования жизни, совершенно не похожей на нас, в главе 16. Несколько слов о технологии В 1960 году палеонтологи Луис и Мэри Лики, работавшие в Олдувайском ущелье в Танзании, обнаружили ископаемые останки гоминида в окружении свидетельств наличия каменных орудий труда. Гоминид, позже получивший название Homo habilis («Человек умелый»), был первым из наших предков, который использовал материалы из окружающей среды для изготовления орудий труда — в данном случае заострённых каменных отщепов. Обладая мозгом примерно вдвое меньшего размера, чем у современных людей, хабилис вывел нас на путь, ведущий к технологическому обществу, которым мы сейчас наслаждаемся. Ранее считалось, что изготовление орудий труда, как и язык, было одной из тех особенностей, которые отличали людей от других животных. В настоящее время мы понимаем, что границы такого рода гораздо менее резкие, чем мы когда-то считали. Мы видим, как другие животные используют некоторые примитивные орудия труда — например, шимпанзе засовывают прутик в гнездо термитов, чтобы вытащить насекомых наружу, где их можно съесть. Однако утверждать, что палка и, например, «Боинг-747» в некотором смысле равнозначны — это значит осознанно проявлять тупость. Подобно иным отличиям между человечеством и всей остальной природой, отличия в способности изготавливать орудия труда проявляются скорее в глубине навыка, чем в том, что это за орудия. Очевидно, что способность использовать материалы из окружающей среды для изготовления орудий труда является необходимым условием для развития технологического общества. Этот факт, однако, ставит интересный вопрос, когда мы размышляем об экзопланетах. На Земле повсеместная доступность горных пород и камней позволила нашим предкам разрабатывать всё более сложный набор орудий труда. То же самое можно сказать и о легко обрабатываемых металлах на поверхности Земли или непосредственно под ней. Без этих металлов мы бы всё ещё жили в каменном веке. Но наличие легкодоступных материалов для изготовления инструментов не обязательно должно быть всеобщей особенностью экзопланет. В мире, покрытом водой, который мы обсуждаем в главе 8, камни и металлы легко могут оказаться в дефиците, и развитие чего-то такого, что мы признали бы технологической цивилизацией, может оказаться в лучшем случае проблематичным. Таким образом, наше внимание будет приковано не только к наличию жизни на экзопланете, но и к наличию природных материалов, которые могут поддерживать производство орудий труда и, в конечном счёте, технологическую цивилизацию. 4 ПРАВИЛА ИГРЫ КАК ДОЛЖНА РАБОТАТЬ КАЖДАЯ ЖИВАЯ СИСТЕМА Как ни парадоксально, но, хотя формулировка определения жизни может быть трудной или, возможно, даже невозможной задачей, определение свойств жизни на отдалённых планетах не является такой уж большой проблемой. Причина этого заключается в том, что у нас есть достаточно хорошее представление о том, как развивается и функционирует жизнь по отношению к окружающей среде, в которой она находится — по крайней мере, в отношении жизни, похожей на нас. Кроме того, далее по тексту мы утверждаем, что «правила игры», которые управляют жизнью на Земле, следует применять практически к любому виду жизни, а не только к жизни, основанной на химических свойствах углерода. Таким образом, мы можем выявить правила, которые управляют развитием жизни любого вида в любой точке галактики, когда выясним, что это за правила, прямо здесь, на Земле. Учитывая это представление — и ещё тот факт, что возникновение жизни на Земле является единственным процессом, создающим жизнь, о котором мы знаем — ниже мы вначале изложим то, что знаем о развитии жизни на нашей собственной планете, а затем попытаемся представить, как подобные процессы будут протекать в экзотических условиях экзопланет. Каждый из двух основных вопросов, которые мы можем задать о том, как жизнь на нашей планете стала такой, какая она есть, требует знаний из иных областей науки. Первый вопрос заключается в том, каким образом нечто живое возникло из материалов, которые определённо не были живыми — он известен как проблема происхождения жизни. Второй вопрос таков: как после появления живого существа развились те разнообразие и сложность жизни, которые мы наблюдаем вокруг себя в настоящее время? Из двух вопросов этот окажется более актуальным для обсуждения жизни на экзопланетах, поэтому нам повезло, что у нас есть довольно чёткое представление о том, как этот процесс происходил на Земле. Наше нынешнее понимание обращается к естественному отбору (или, что равнозначно, к дарвиновской эволюции), который мы обсуждали в предыдущей главе, коснувшись определения жизни от НАСА. Происхождение жизни на Земле Прежде чем мы перейдём к подробному описанию происхождения жизни, нам следует сделать важный вывод. Живые системы на Земле в наше время представляют собой чрезвычайно сложные объекты, продукт миллиардов лет эволюции. Первое живое существо на планете — то, которое мы можем назвать универсальным общим предком, — было бы совсем не похоже на тех живых существ, которых мы видим сегодня. Оно было бы чрезвычайно примитивным и, вероятно, обладало бы лишь немногими особенностями, присущими современным клеткам. Мы увидим, что сложность современных живых существ возникла из этого примитивного начала позже, в процессе естественного отбора. На заре своей истории наша планета была расплавленным шаром, плавающим в космосе — на ней не было той атмосферы, которую мы могли бы узнать, не было океанов и, конечно же, не было жизни. Вращаясь по своей орбите, ранняя Земля постоянно подвергалась бомбардировке космическим мусором — собственно, именно эти столкновения и давали достаточно тепла, чтобы расплавить планету. Проще говоря, проблема происхождения жизни заключается в следующем: как Земля осуществила переход из этого исходного состояния к планете, на которой есть хотя бы один живой организм? По сути, мы ожидаем, что многие из экзопланет земного типа (то есть, маленькие и каменистые планеты) находились в схожем исходном состоянии, поэтому наши размышления о происхождении жизни на этих планетах будут происходить в свете земного опыта. Мы считаем, что формирование газовых гигантов вроде Юпитера и Сатурна шло по другому пути, когда водород и гелий быстро накапливались вокруг небольшого твёрдого ядра. Мы рассмотрим вопрос о том, означает ли это, что происхождение жизни на таких планетах может идти по иному пути, нежели на Земле. Однако вполне ожидаемо, что внутренние структуры обнаруженных там клеток будут отличаться от структур у клеток на Земле — например, некоторые из этих структур могут контролировать плавучесть. Первое, что случилось с Землёй, когда она вышла из своей горячей ранней стадии — это её остывание; её внешний слой затвердел, превратившись в камень. Вода, отчасти вышедшая из недр планеты, отчасти принесённая кометами и астероидами, наполнила океанские бассейны, подготовив сцену для появления жизни. Благодаря воде, заключённой в минералах, известных как кристаллы циркона, у нас есть свидетельство того, что жидкая вода была обычным явлением уже 4,2 миллиарда лет назад. Из летописи окаменелостей мы знаем, что жизнь появилась на Земле вскоре после прекращения её бомбардировки крупными астероидами, не позднее 3,8 миллиарда лет назад. Таким образом, гость нашей планеты 3,8 миллиарда лет назад обнаружил бы, что в её океанах полным-полно цианобактерий (вспомните зелёную прудовую тину). Таким образом, мы можем сказать, что жизнь на Земле появилась быстро, как только она смогла выживать. Этот факт поднимает интересный вопрос. Во время великой бомбардировки ранней Земли, вероятно, были времена — возможно, длившиеся миллионы лет, — когда сильных ударов небесных тел не было. Если бы жизнь развилась в один из таких периодов покоя, она была бы уничтожена при следующем столкновении с крупным астероидом. Например, небесное тело размером со штат Огайо выделило бы достаточно энергии, чтобы на протяжении 1000 лет кипятить океаны Земли, превращая атмосферу в горячий пар. Мы не ожидали бы, что какие-то примитивные формы жизни переживут такого рода события, и, насколько мы можем судить, такие сценарии могли неоднократно повторяться на ранней Земле. Иными словами, возможно, что наши микробные предки были не первыми формами жизни на нашей планете — возможно, они просто были первыми, кто возник после последнего крупного удара небесного тела. Разумеется, жизнь могла зарождаться на ранней Земле десятки раз, хотя в настоящее время у нас есть свидетельства наличия только той формы жизни, которая пережила последний из стерилизующих ударов астероида. Первый шаг в зарождении жизни включал накопление сложных молекул, содержащих атомы углерода. Ранее считалось, что собрать сложные углеродные цепочки, встречающиеся в живых системах, было сложной задачей — на самом же деле, до середины 20-го века учёные, как правило, избегали работать в этой области исследований. Общее ощущение, видимо, заключалось в том, что вопрос о происхождении жизни в целом был слишком сложным (и, возможно, слишком философским), чтобы стать частью основной науки. Можно сказать, что исследование происхождения жизни подстегнул один эксперимент, проведённый в подвале химического корпуса Чикагского университета в 1952 году. Это была попытка воссоздать условия, которые могли существовать на ранней Земле, предпринятая лауреатом Нобелевской премии химиком Гарольдом Юри (1893-1981) и его тогдашним аспирантом Стэнли Миллером (1930-2007). Устройство было простым: в нём была колба с водой (для имитации океана), источник тепла (для имитации воздействия Солнца), электрическая искра (для имитации молнии) и смесь водяного пара, метана, водорода и аммиака (это было самой лучшей догадкой Миллера и Юри в отношении состава ранней атмосферы Земли). Были включены нагрев и подача искры, и аппарат оставили в покое на несколько недель. По истечении этого времени вода стала мутно-бордово-коричневой, а анализ показал, что в смеси присутствуют молекулы, называемые аминокислотами. Небольшое пояснение: одной из самых важных групп молекул, встречающихся в живых системах, являются белки — именно эти молекулы управляют химическими реакциями в каждом живом существе на Земле. Белки состоят из аминокислот. В принципе, вы можете представить себе белок как цепочку, каждое звено которой представляет собой одну аминокислоту. Таким образом, Миллер и Юри доказали, что естественные процессы могут создавать основные строительные блоки живых систем, работая с материалами, которые совершенно очевидно не являются живыми, но, как считается, были в изобилии представлены на ранней Земле. Этот результат оказал большое влияние на проблему происхождения жизни уже хотя бы потому, что перенес её из области философии в область науки. С тех пор эксперименты вроде проведённого Миллером и Юри позволили создать практически все важные молекулы, встречающиеся в живых системах, включая участки ДНК и сложные белки. И что удивительно, даже несмотря на то, что сегодня все сходятся во мнении, что состав атмосферы в эксперименте у Миллера и Юри был неправильным, это просто не имеет значения. Эксперименты с различными составами атмосферы и различными источниками энергии дали одинаковые по своей сути результаты, хотя и с разным выходом, в зависимости от предполагаемого состава атмосферы. Кроме того, сложные органические молекулы (включая аминокислоты) были обнаружены в метеоритах, в облаках межзвёздной пыли, и даже в дисках космического мусора, что окружают звёзды, и в которых формируются экзопланеты. Иными словами, вопреки всем ожиданиям, основные молекулярные строительные блоки жизни весьма обычны — фактически, они есть повсюду. Таким образом, проблема происхождения жизни сводится к вопросу о том, каким образом эти основные строительные блоки собираются во что-то такое, что мы могли бы признать живым. Хотя уже выдвинуто множество теорий о том, как это произошло, ни одна из них не получила всеобщего признания. В любом случае, как мы уже увидели, единственное, что мы знаем, это то, что, каким бы образом ни происходила эта сборка, она произошла очень быстро. Первичный бульон После эксперимента Миллера-Юри были выдвинуты теории первого типа, которые утверждали, что процессы Миллера-Юри в ранней атмосфере Земли могли бы вызвать дождь органических молекул, превратив океаны планеты в насыщенный органический бульон, который стали называть первичным бульоном[1]. Расчёты показывали, что это могло произойти в течение нескольких сотен тысяч лет — всего лишь одно мгновение в масштабах геологического времени. После этого, говорится далее, случайные взаимодействия между органическими молекулами в конечном счёте приведут к образованию набора химических веществ, способного поглощать материал из окружающей среды и воспроизводиться — универсального общего предка. Теории утверждали, что при наличии достаточно продолжительного времени должно было произойти нечто подобное. Кстати, Смитсоновский институт зашёл настолько далеко, что снял фильм о телевизионном шеф-поваре Джулии Чайлд, которая смешивает первичный бульон у себя на кухне. Существовало несколько вариантов сценария «первичного бульона»; все они были разработаны для того, чтобы пролить свет на процесс, посредством которого появился универсальный общий предок. Чарльз Дарвин, например, предположил, что жизнь могла зародиться в «маленьком тёплом водоёме». Следуя его примеру, некоторые учёные утверждали, что при каждом приливе вода, богатая органическими молекулами, попадала в замкнутый водоём. Затем вода могла бы испариться, оставив после себя органические молекулы. В итоге увеличение концентрации молекул в водоёме привело бы к появлению случайной комбинации, породившей первое живое существо. Не заставили себя ждать и другие теоретические сценарии, которые разрабатывались, чтобы осуществить переход от существования строительных блоков к воспроизведению клеток. Например, было высказано предположение, что электрические заряды на поверхности глин, возможно, сыграли роль катализатора, запустившего первые химические реакции, необходимые для жизни. По мнению других теоретиков, каждый пузырёк океанской пены (или, в качестве альтернативы, каждую каплю жира в первичном бульоне) можно рассматривать как отдельный химический эксперимент, потому что разные капли содержат разный набор молекул. Согласно ещё одному сценарию, жизнь зародилась в небольшой полости в скале рядом с глубоководным океаническим горячим источником. (Преимущество этой схемы состоит в том, что первому общему предку не требовалось создавать клеточную мембрану или клеточную стенку, чтобы отделить живое от неживого, поскольку сама полость будет работать как своего рода клеточная мембрана.) Все эти идеи о происхождении жизни можно классифицировать как теории «зафиксированной случайности». Основная идея заключается в том, что случайные расположения молекул продолжали появляться до тех пор, пока одна из них, чисто случайно, не оказалась способной к размножению. Как только это произошло, жизнь сменила тему, и на первый план вышел процесс естественного отбора. Взаиморасположение молекул, которое начало работать первым, было «зафиксировано», а конкуренты и опоздавшие остались глотать пыль. Вы жили с зафиксированной случайностью на протяжении большей части своей жизни, хотя, возможно, и не осознавали этого. Посмотрите на клавиатуру вашего компьютера. Вы видите, что верхний ряд начинается с букв QWERTY? Эта так называемая QWERTY-клавиатура была разработана для замедления скорости набора текста, чтобы облегчить работу машин 19-го века. По сути, комбинация QWERTY оказалась зафиксированной, и хотя сегодня вместо кусочков металла мы перемещаем электроны, мы сохраняем оригинальную клавиатуру, потому что поменять всё, что с ней связано, было бы слишком сложно. Точно так же, как намекают эти теории, первая успешно размножающаяся клетка стала шаблоном для всей жизни — не потому, что этот дизайн был лучшим, а потому, что он был первым. Мы могли бы продолжить перечислять теории «зафиксированной случайности», но думаем, что вы поняли саму идею. Эксперимент Миллера-Юри запустил настоящую лавину творчества в области идей о происхождении жизни. Но по мере того, как учёные узнавали всё больше и больше об основах химии жизни, в этой области начали доминировать два общих подхода — мы будем называть их «Мир РНК» и «Вначале был метаболизм». Мир РНК Современные клетки работают особым образом. Для запуска химических реакций, необходимых для поддержания жизни на Земле, требуется молекула под названием фермент. Ферменты в живых системах на Земле — это белки, и этот факт объясняет, почему эксперимент Миллера-Юри привлек так много внимания после публикации его результатов. В наших клетках информация, необходимая для сборки цепочек аминокислот, составляющих наши белки, закодирована в сложной молекуле, которую мы называем ДНК, и эта информация переводится в белки другим набором сложных молекул, называемых РНК. Первый шаг в этом процессе включает считывание кода ДНК, а для этого требуются белки. Таким образом, у нас получается классическая дилемма курицы и яйца. Для расшифровки кода ДНК нам нужны белки, но мы не можем получить белки, пока не будет расшифрован код ДНК. Возможный способ обхода этой трудности появился в начале 1980-х годов, когда было обнаружено, что некоторые виды молекул РНК в дополнение к своей обычной роли в декодировании ДНК могут выступать в роли ферментов (специальный термин для этого вида РНК — рибозим). Это привело к появлению новой версии теории «застывшей случайности», где некое подобие РНК собралось случайно, а затем начало действовать и как фермент, и как шестерёнка в цепочке синтеза белка у первых форм жизни. Эта теория, получившая название «Мир РНК», вероятно, является самой распространённой теорией происхождения жизни среди современных учёных.