Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен

Так случайность или неизбежность? Действительно ли глубокие космические преобразования сводятся к этому ограниченному выбору или, как склонен думать я, такая дихотомия ошибочна? Когда мы говорим о Вселенной с ее постоянно возникающими и эволюционирующими системами — звездами и планетами, изотопами и элементами, жизнью и сознательным мозгом, обществом и культурой, разве не естественно задаться вопросом: какие явления неизбежны, а какие, наоборот, являются чистой случайностью? Ни в одной другой области исследований этот вопрос не стоит более актуально, являясь в то же время и более сложным, чем в отношении древнего происхождения жизни. Эволюция от геохимии к биохимии — это характерная особенность землеподобных планет или жизнь редка в космосе?

Надежных данных, подтверждающих ту или иную из этих точек зрения, не так уж и много. Во всей необъятности космоса у нас есть свидетельство только одного живого мира и только одного происхождения жизни. Мы никогда не узнаем точно, является ли жизнь космическим императивом, если не найдем «второго бытия» — второго независимого происхождения жизни. Если найдем, то будем руководствоваться правилом «ноль, один, много». Вкратце это правило гласит, что либо природное явление никогда не происходит (например, обратный ход времени), либо оно случается лишь однажды («сингулярность», как Большой взрыв), либо оно имело место бесчисленное множество раз (возможно, происхождение жизни).

О комбинаторном богатстве землеподобных планет{171}

Размышляя о вероятностях происхождения жизни, вполне естественно представлять себе проведение экспериментов во временны́х и пространственных рамках исследовательской лаборатории. Обычно подготовка к защите диссертации на степень PhD занимает три-четыре года — как и вообще многие исследовательские проекты. Но в широком контексте планет необходимы химические реакции, которые вряд ли можно наблюдать в таких ограниченных масштабах лабораторных экспериментов.

Если мы понимаем происхождение жизни как последовательность химических реакций (а я склоняюсь к химическим реакциям, идущим на поверхностях минералов), тогда мы должны задаться вопросом, сколько таких реакций могло произойти на добиологической Земле. Ответ прямо-таки астрономический. На землеподобных планетах есть тонкозернистые глины, залежи вулканического пепла, зоны выветривания и другие обнажения горных пород с огромной площадью общей поверхности, которая во много миллионов раз больше идеализированной гладкой поверхности сферы планетарного размера. Эти минеральные поверхности создают условия для молекулярных реакций уже сотни миллионов лет.

Для сравнения: отдельные химические реакции в масштабе молекул происходят за секунды. Даже скромного размера планета может соединять и смешивать органические молекулы снова и снова, эффективно пробуя разные химические реакции более триллиона триллионов триллионов триллионов раз.

Ясно, что это значит для изучения происхождения жизни. Эксперименты, требующие точного совпадения условий или необычного идеального совмещения нескольких химически активных молекул, в лабораторных условиях могут не реализоваться никогда, но в планетарных масштабах пространства и времени у них есть шанс оказаться вполне реальными. Если происхождение жизни требует более одной такой невероятной химической реакции, то нам будет сложно когда-либо решить эту проблему.

Но не стоит отчаиваться. У нас есть стратегии увеличения вероятности наблюдения невероятных химических реакций в лабораторных условиях. Мы можем отталкиваться от современной биохимии, фокусируясь на ключевых химических соединениях и продуктах их реакций. Новые подходы в комбинаторной химии в совокупности с вычислительной химией дают надежду на быстрое сужение области поиска. Химическая и физическая интуиция будет также продолжать играть центральную роль в исследовании происхождения жизни. Тем не менее если объяснение происхождения жизни зависит от некоей привередливой реакции, которая происходит на землеподобной планете только раз на триллион триллионов триллионов взаимодействий, тогда подробное понимание химии происхождения может оказаться за пределами текущих лабораторных возможностей — даже если происхождение жизни предопределено для любого теплого влажного мира, похожего на Землю.

Независимо от того, является ли жизнь широко распространенным космическим императивом, — или это уникальный случай, ограниченный Землей, — у нас есть только один богатый и чудесный живой мир, который можно исследовать. Жизнь, основанная на углероде, появилась 4 млрд лет назад, развивая вариацию за вариацией на клеточную тему. И каждая вариация добавляла новые черты динамичному углеродному циклу Земли.

ВАРИАЦИИ — Эволюция жизни (Тема с вариациями)

Тема: Эволюция жизни

Если бы вы смогли вернуться на 4 млрд лет назад, во времена молодой Земли, то обнаружили бы планету, которая совершает свои первые несмелые шаги в качестве живого мира. Если бы вы совершили это путешествие сквозь «глубокое время» и прогулялись по немногим появляющимся участкам суши или поплавали в омывающих весь земной шар океанах, было бы простительно, если бы вы при этом не заметили едва различимые признаки жизни. Немногочисленная популяция самых первых на Земле микроскопических клеток находила себе убежище в темных глубинах океана, цепляясь за камни, в большинстве своем укрытые от беспощадного солнечного излучения.

На ранних стадиях химической эволюции Земли происходили последовательные шаги, ведущие к появлению жизни, пробовалось и отвергалось огромное количество молекулярных структур, пока одна исключительная группа молекул не начала копировать сама себя. С этого момента — по мере того как новые копии заполняли окружающую среду — и двинулась эволюция по дарвиновскому сценарию естественного отбора. В некоторых из этих копий с неизбежностью происходили какие-то изменения: атомы кислорода замещались атомами серы и наоборот; кластеры атомов углерода прикреплялись к основе подобно только что отросшим ветвям и кольцам; другие спонтанные вариации преобразовывали конфигурации атомов, их изгибы, спирали и петли. Большинство этих случайных изменений не оказывали особого влияния, другие же становились смертельными — буквально исполнялся дохлый номер. Но время от времени какая-нибудь молекулярная вариация срабатывала получше, способствуя более эффективному копированию или появлению цикла молекул, менее подверженных деградации, или же возникала молекула, способная «выживать» в более экстремальных условиях температуры или кислотности.

Основная тема — это эволюция, она осуществлялась посредством мощного процесса естественного отбора. Как понял Чарльз Дарвин более полутора веков назад, живые системы эволюционируют в силу трех неотъемлемых атрибутов, или признаков, жизни, которые мы все наблюдаем каждый день{172}. Первое дарвиновское положение заключается в том, что индивидуумы каждого вида представляют собой отдельные вариации: нет двух абсолютно одинаковых дубов, или грибов, или человек. Сейчас мы знаем, что эти вариации не ограничиваются внешними размерами и формами больших и малых существ, они простираются вплоть до фундаментальных различий в тысячах белков — основных молекул жизни.

Второй атрибут всех жизненных форм Дарвин увидел в том, что всегда рождается больше особей, чем в конечном счете становится взрослыми. Это истина, хорошо иллюстрируемая расточительным образованием желудей каждую осень и пыльцы каждую весну, навсегда запечатлелась в моем