Ключевым моментом здесь является то, что, как только появится прото-РНК, примитивная клетка сможет использовать её для выживания и размножения. Следовательно, эта клетка стала бы универсальным общим предком. Затем на протяжении последующих миллиардов лет естественного отбора должна была развиться вся сложность современной клетки. Вначале был метаболизм Конкурирующая точка зрения сводит на нет всю идею «застывшей случайности». Мы можем назвать её «Вначале был метаболизм». Согласно этому сценарию, первая живая система (или протоклетка) вообще не содержала ДНК или РНК, но запускала ряд простых химических реакций без помощи сложных ферментов за счёт каталитического действия малых молекул. Химия современной клетки развилась значительно позже благодаря стандартным процессам, связанным с естественным отбором. Вот аналогия, которая может помочь наглядно представить себе, как работает эта концепция. Взглянем на Систему межштатных автомагистралей США. Она чрезвычайно сложна, требует наличия сети дорог, развитой отрасли, занимающейся поставками бензина, развитой отрасли, занимающейся автомобилестроением, и так далее. Если бы мы хотели объяснить, каким образом сформировалась система автодорог между штатами, существующая в наши дни, мы бы не начинали с существующих дорог и не пытались выяснить, каким образом они могли бы породить автомобили. Вместо этого мы углубились бы в прошлое, в доколумбову Америку, и взглянули на самую примитивную транспортную сеть, какой были пешеходные тропы коренных американцев. Мы поговорили бы о том, как они превратились в грунтовые дороги для фургонов, как появились первые примитивные автомобили, за которыми последовали асфальтовое покрытие и заправочные станции, и так далее. Следуя этой эволюционной линии аргументации, мы в конечном итоге дошли бы до современной системы во всей её сложности, не прибегая к помощи крайне маловероятных случайных событий. Что из этого — «мир РНК» или «Вначале был метаболизм» — проявилось на ранней Земле раньше (если вообще проявлялось), нам ещё только предстоит выяснить. На данный момент всё, что мы можем сказать — это то, что в отношении пути возникновения жизни на нашей планете ясны лишь две вещи: (1) существовал обильный запас основных молекулярных строительных блоков, необходимых для создания живых систем, и (2) каким бы образом ни было собрано первое живое существо, оно было собрано быстро. Иные корни, иная жизнь Способ зарождения жизни на Земле — будь то сценарий «мир РНК», или «вначале был метаболизм», или нечто совершенно иное, — не обязательно должен быть единственным способом возникновения жизни в иных местах Вселенной. Даже в мирах с океанами жидкой воды вполне могут существовать десятки, сотни или, возможно, даже миллионы способов зарождения жизни. В этих мирах могут существовать иные молекулы, несущие иной генетический код, и иные белки, управляющие химическими реакциями. В дальнейшем нам придётся постоянно оставаться начеку, чтобы избежать того, что мы можем назвать «земным шовинизмом» — представления о том, что жизнь в иных местах должна быть чем-то похожей на жизнь на Земле. Давайте рассмотрим некоторые из способов проявления таких различий. Какие молекулы? Даже жизнь, «похожая на нас», то есть, основанная на химических реакциях с участием соединений углерода, происходящих в среде из жидкой воды, не обязательно должна быть такой же, как жизнь, которая нам знакома. Чтобы привести всего лишь один пример, рассмотрим структуру белков — молекул, которые действуют как ферменты, управляющие химическими реакциями в земных живых системах. Эти молекулы, как мы уже говорили, можно рассматривать как аналог цепочки, в которой каждое звено представляет собой молекулу меньшего размера, называемую аминокислотой. Существует большое количество аминокислот, которые можно получить в лаборатории, и это открывает активно развивающуюся область для исследований белков, содержащих так называемые неприродные аминокислоты, которые можно использовать для чего угодно — от новых фармацевтических препаратов до биоразлагаемых контейнеров. Однако всё дело в том, что в земных живых системах присутствует лишь небольшое количество аминокислот (20 или 22, в зависимости от того, как вы хотите посчитать). Почему? Может ли это быть результатом ещё одной «застывшей случайности» в начале нашей истории? Если это так, то мы могли бы ожидать, что живые организмы в других местах Вселенной будут использовать белки, составленные из аминокислот, отличных от наших собственных, и, следовательно, будут иметь совершенно иной химический состав. Но если бы существовала какая-то (пока ещё не открытая) причина, по которой именно тот набор аминокислот, который использует жизнь на Земле, давал бы огромное эволюционное преимущество, то мы ожидали бы, что вся жизнь на основе углерода в иных местах Вселенной будет работать с тем же генетическим кодом, что и у нас. Подобные вопросы можно задать в отношении практически любой особенности химического состава земной жизни. Какая жидкость? Вода — обычное вещество во Вселенной, но необходима ли она для жизни на основе углерода? Юпитер оказывается самым засушливым местом в нашей солнечной системе — настоящей пустыней Сахара планетарного масштаба. (И действительно, данные космического аппарата «Галилео» показывают, что процент водяного пара в атмосфере Юпитера сопоставим с таковым в Сахаре.) Тем не менее, мы знаем, что в атмосфере Юпитера в результате взаимодействия, вызванного ультрафиолетовым излучением Солнца, образуются довольно сложные органические молекулы — такие, как бензол. Это означает, что сложные молекулы могут создаваться в средах, где не так много воды. Может ли такой процесс привести к реакциям типа Миллера-Юри и к появлению жизни? Мы склонны обращать больше внимания на жизнь на основе воды, потому что это то, что мы знаем, и потому что вода — очень хорошая среда, в которой могут происходить химические реакции. В конце концов, если предполагается, что молекулы должны взаимодействовать, у них должна быть возможность перемещаться и собираться вместе, а это вне всяких сомнений возможно в жидкой среде. Но вода — не единственная жидкость вокруг нас. Например, на спутнике Сатурна Титане существуют океаны из жидкого этана и метана. Конечно же, химические реакции в ультрахолодных средах такого рода протекали бы очень медленно, но нет никаких оснований полагать, что земные временные рамки — это единственные, в которых может существовать жизнь. На другом конце диапазона возможных температур мы можем представить планеты, достаточно горячие, чтобы иметь океаны жидкой магмы (то есть, лавы). Знакомые нам молекулы не смогли бы выжить в такой жаре, но незнакомые смогли бы. Как всегда, когда мы думаем о жизни вне Земли, мы задаём больше вопросов, чем даём на них ответов. Какие атомы? Когда мы переходим к жизни, не похожей на нас, то есть к жизни, основанной на химии атомов, отличных от углерода, вопросы становятся более фундаментальными. Мы обладаем достаточным объёмом знаний о том, как могли возникнуть основные строительные блоки жизни на основе углерода, но проводилось очень мало исследований в отношении того, как другие виды молекул могут быть основой для жизни. Однако нетрудно представить себе, как какой-нибудь учёный, собственная химия которого основана на кремнии (или, что вероятнее, на соединениях кремния), проводит аналог эксперимента Миллера-Юри, чтобы выяснить, как возник его/её тип жизни. А если дело дойдёт до жизни, совершенно не похожей на нас, нам придется полностью отказаться от своего пристрастия к молекулярной химии — химические базовые строительные блоки здесь могут вообще не применяться. В главе 16, где обсуждается концепция электромагнитной жизни, мы отмечаем, что наши базовые представления о том, как работают электрические и магнитные поля, гораздо лучше, чем наше понимание молекулярной биохимии. Мы знаем, что движущиеся электрические заряды создают магнитные поля, а изменяющиеся магнитные поля создают электрические поля. Однако эти базовые знания могут не особенно сильно помочь нам в объяснении какой-то сложной живой системы, которая может быть связана с такой картиной явлений электромагнитных взаимодействий. Эволюция путём естественного отбора Как только проблема происхождения жизни в данном мире окажется решённой, как только будет собрана одна воспроизводящаяся сущность, в игру вступает совершенно новый набор механизмов. Представьте себе, что жизнь как бы «переключает передачи». Мы уже упоминали об этом факте в предыдущей главе, где говорили об определении жизни от НАСА и знакомили с концепцией, называемой дарвиновской эволюцией. В этом разделе мы объясним, как этот процесс сформировал земную жизнь, опишем убедительные доказательства этого и докажем, что он должен быть основным процессом, определяющим развитие жизни на любой экзопланете. Аргумент в пользу существования естественного отбора обращается к двум простым (и довольно очевидным) фактам: • Отдельные представители вида обладают отличающимися друг от друга характеристиками, и эти характеристики могут передаваться из поколения в поколение (с возможностью изменений наподобие мутаций в земной ДНК). • Представители вида будут конкурировать за любые ресурсы, имеющиеся в окружающей среде. В этом-то всё и дело. На Земле, например, представители одного вида явно будут обладать разными характеристиками. Некоторые кролики смогут бегать быстрее других; форма клюва некоторых птиц позволит им более успешно добывать пищу; некоторые самцы баранов смогут спариваться чаще, чем другие. Когда Дарвин впервые предложил свою теорию эволюции, он не понимал, почему это так, и не понимал, как черты передаются от одного поколения к другому, но он знал, что разные особи различаются, и что эти различия могут передаваться по наследству. Вообще, одно из самых больших удовольствий при чтении книги «Происхождение видов…» — это следить за его подробным обсуждением разведения голубей и представлять, как он зависает в местном пабе, обсуждая что-то с другими голубеводами-любителями. (Дарвин и сам разводил голубей.) Простой факт, лежащий в основе дарвиновской эволюции, состоит в том, что некоторые гены создают признаки, которые повышают вероятность того, что организм, частью которого они являются, будет выживать достаточно долго, чтобы размножаться. Это, в свою очередь, означает, что данные гены будут переданы следующему поколению с большей вероятностью, чем другие. На жаргоне палеонтологов мы говорим, что эти гены отбираются. В конце концов, отобранные гены начинают преобладать, и если это случится достаточное количество раз, возникнет новый вид. Хотя Дарвин не и осознавал этого, когда обдумывал название для своей книги, он говорил о происхождении видов посредством передачи генов. Вначале Дарвин не использовал этот термин, но фраза «выживание наиболее приспособленных» стала популярным способом описания эволюционного процесса. Дело в том, что «приспособленность» в дарвиновском смысле определяет та среда, в которой находится организм. Например, если кролик живет в среде, частью которой являются хищники, могут отбираться гены, позволяющие ему быстро бегать. С другой стороны, если он живёт в условиях нехватки пищи, важнее могут быть другие признаки — такие, как острое обоняние. Иными словами, общего определения приспособленности не существует — она полностью зависит от того, какие признаки дадут организму преимущество в конкретной среде обитания. Одним из важных следствий постепенного характера эволюционных изменений является то, что при построении сценария развития организма в ответ на давление окружающей среды у нас должен получиться пошаговый процесс, в котором каждый шаг дает эволюционное преимущество. Говорить о том, что свиньям было бы лучше, если бы у них, например, были крылья[2] — это пустое занятие. Вы должны представить пошаговый процесс, который может привести к созданию крыльев, причём каждый шаг делает обладателя нового признака более приспособленным к условиям среды. Например, в таком сюжете могут фигурировать этапы, на которых выросты на боках свиньи помогают ей регулировать температуру тела, затем по мере развития позволяют ей планирующий полёт, и, наконец, превращаются в полноценные крылья. Необходимость обосновывать каждый шаг эволюции в понятиях теории Дарвина приобретёт особую важность, когда мы попытаемся построить эволюционные сценарии жизни в странных условиях экзопланет. Прежде чем мы обобщим доказательства, подтверждающие теорию эволюции, нам нужно коснуться ещё одного вопроса, а именно скорости, с которой происходит эволюция. Здесь существуют две крайности. Одна из них заключается в том, что крупные изменения являются результатом накопления небольших изменений — это теория, известная как градуализм. Другая крайность носит название «прерывистое равновесие», и это означает, что в большинстве своём виды остаются практически неизменными на протяжении длительных периодов времени, а затем в течение короткого промежутка времени претерпевают быстрые изменения. Зная, что развитие происходит из-за изменений в молекуле ДНК, мы можем увидеть, как может реализоваться любой из этих вариантов. Мутация, которая влияет на один ген (и, следовательно, на специфическую химическую реакцию), скорее всего приведёт лишь к небольшим изменениям в организме. Однако мы также знаем, что существуют участки ДНК, которые не кодируют белки, а работают своего рода переключателями управления для целых серий генов. Мутация в этих областях вполне может привести к значительным изменениям — это тип изменений, востребованный концепцией прерывистого равновесия. Как это часто бывает в подобных ситуациях, правильным ответом на вопрос «Как развивалась жизнь на Земле — постепенно или посредством прерывистых процессов?» будет «да». Справедливо ли то же самое для жизни на экзопланетах, будет зависеть от конкретного механизма, посредством которого живые существа на них передают признаки от одного поколения другому. Существует множество доказательств в поддержку теории эволюции, но давайте вкратце обратимся к двум важнейшим из них: это летопись окаменелостей и секвенирование ДНК. Среди множества видов окаменелостей самыми впечатляющими, несомненно, являются каменные копии скелетов и других твёрдых частей животных, умерших давным-давно. Они дают нам чёткое представление о том, как развивалась жизнь в прошлом, причём каждая форма жизни, которую мы видим сегодня, представляется ветвью на сложном древе жизни. Ещё мы нашли окаменелости иного рода — вроде отпечатков частей растений, и даже, в последние несколько десятилетий, останки одноклеточных организмов в очень древних породах. Именно открытие последних позволяет нам оценить время, которое было необходимо жизни для её развития на ранней Земле, что мы и сделали выше. ДНК содержит «чертёж» живого существа, в котором она находится, и способность считывать последовательность, записанную в ней, даёт нам возможность реконструировать историю жизни на Земле ещё одним способом. Основная идея заключается в том, что чем больше разница в ДНК между двумя организмами, тем дальше во времени у них был общий предок. Добавьте сюда оценку скорости, с которой происходят мутации (так называемые молекулярные часы), и вы сможете использовать такого рода информацию для построения ещё одного родословного древа, отображающего развитие жизни на Земле. С нашей точки зрения, тот факт, что генеалогическое древо, построенное на основе летописи окаменелостей, и генеалогическое древо, построенное на основе секвенирования ДНК, представляют собой одно и то же[3], является самым убедительным доказательством, подтверждающим идею эволюции путем естественного отбора, которое можно было найти. Далее по тексту мы позволим дарвиновской эволюции занять своё место рядом с такими вещами, как гравитация, в качестве основной информации о том, как работает Вселенная. Естественный отбор не на Земле Пока существуют процесс, посредством которого признаки передаются от одного поколения другому, и механизм, позволяющий эти признаки изменять, совершенно очевидно, что мы можем ожидать действия естественного отбора. Если жизнь основана на химии углерода или иного элемента, в окружающей среде всегда будут существовать агенты, способные создавать аналог мутаций — на ум приходят тепло, ультрафиолетовое излучение и химические реакции. При таком положении дел всегда будут существовать какие-то представители популяции, которые способны использовать окружающую среду лучше, чем остальные, и это всё, что необходимо для запуска процесса естественного отбора. Таким образом, наше предположение о жизни на экзопланетах по умолчанию состоит в том, что анализ, включающий дарвиновскую эволюцию — это как раз то место, с которого нужно начинать. Важно подчеркнуть, что, хотя основным законом, управляющим развитием жизни на экзопланетах, будет естественный отбор, виды живых систем, создаваемых в соответствии с этим законом, будут сильно различаться в разных окружающих средах. Например, если бы жизнь развивалась во внешних слоях атмосферы газового гиганта, способность управлять парением могла бы дать преимущество, поскольку это позволило бы организму менять высоту полёта в поисках пищи (вспомните о нашем летающем драконе). С другой стороны, в мире, находящемся в приливном захвате (см. главу 10), способность противостоять интенсивным поверхностным ветрам может сделать выбор в пользу низкого роста и обтекаемого телосложения. В дальнейшем мы проанализируем окружающую среду на каждой из посещаемых нами экзопланет, и воспользуемся этим для определения направления, в котором с наибольшей степенью вероятности пойдёт естественный отбор. Однако, сказав это, мы также должны признать, что гораздо интереснее будет представить себе ситуации, в которых дарвиновская эволюция может не сработать. Вот пара вариантов, до которых мы додумались. Не существует отдельных организмов Естественный отбор требует конкуренции между особями за ресурсы. А что, если форма жизни на экзопланете не состоит из отдельных индивидуумов, а представляет собой единое целое? Самым крупным живым существом на Земле является гриб Armillaria ostoye, находящийся в Орегоне. Это единый организм, размеры которого превышают 2 мили (3 км) в поперечнике. Нетрудно представить такой организм, охватывающий целую планету. В этом случае попросту не было бы отдельных особей, которые могли бы конкурировать друг с другом. Означает ли это, что естественного отбора может не быть? Это хитрый вопрос, и он требует хитрого анализа. Упомянутый выше гриб состоит из клеток, которые делятся по мере роста организма — это процесс, на который могут повлиять упомянутые выше факторы окружающей среды. Аналогичный процесс должен был бы происходить в некоем организме, выросшем до всепланетного размера. Если бы существовал также какой-то аналог мутации, возникшей в процессе клеточного деления, у нас могла бы возникнуть ситуация, при которой клетки в разных областях организма обладали бы разными способностями к использованию окружающей среды. Иными словами, вместо того, чтобы воздействовать на разных особей, в том мире естественный отбор будет воздействовать на разные части одной и той же особи. Единственный способ обойти этот аргумент — это предположить, что сложный организм, охватывающий всю планету спонтанно возник полностью сформировавшимся. Однако такая возможность настолько маловероятна, что мы не побоимся просто проигнорировать её.