Жизнь как она есть: её зарождение и сущность

Книга известного английского физика и биохимика, лауреата Нобелевской премии в области физиологии, посвящена одной из самых больших тайн природы: зарождению жизни. Автор предлагает и обосновывает необычную гипотезу внеземного происхождения жизни: направленной панспермии.

Материал излагается в свободной и интересной манере, с большим количеством примеров.

Эта книга, несомненно, будет интересна широкому кругу читателей: биологам, химикам, биофизикам и просто тем, кто интересуется тайнами природы.

Фрэнсис Крик

Перевод с английского Е.В.Богатыревой

Москва 2002, Институт компьютерных исследований

LIFE ITSELF

ITS ORIGIN AND NATURE Francis Crick

Winner of the Nobel Prize for Physiology or Medicine, 1962

SIMON AND SCHUSTER NEW YORK

Благодарности

Эту книгу я написал после своего перехода на работу в Солк-институт в Южной Калифорнии. Я благодарен Фонду Кикхефера за предоставление мне кафедры для исследований, а также фондам Феркхауфа и Нобеля за дополнительную поддержку. Особая благодарность ректору Солк-института, доктору Фредерику де Хофману за создание идеальной обстановки для моих творческих научных исследований.

Я сомневаюсь, что когда-либо стал бы заниматься проблемой возникновения жизни, если бы не моя долгая дружба с доктором Лесли Оргелом. Идея о направленной панспермии, которая лежит в основе этой книги, родилась во время написания совместной статьи, однако он оказал более значительное влияние. Его группа в Солк-институте проводит экспериментальные исследования по пребиотической химии, и мы обсуждаем различные аспекты проблемы почти каждую неделю. Он также прочитал первоначальный вариант книги и сделал полезные замечания. Эту рукопись читал также доктор Густав Аррениус (внук того самого Аррениуса, который первым предложил панспермию). В результате его многочисленных замечаний, несколько разделов, особенно те, где рассматривается древняя атмосфера Земли, были значительно переработаны, хотя его не следует считать ответственным за конечный результат. Различными способами помогали мне также доктор Том Джукс и мой сын Майкл Крик.

Как довольно неопытному автору значительную помощь мне оказали сотрудники издательства Саймон и Шустер. Замечания и предложения Элис Мейхью придали книге намного лучшую форму по сравнению с первоначальной. Ее энтузиазм помог мне преодолеть первоначальное смущение. Она также предложила название. Эн Годоф была спокойна, терпелива и подготовлена к недоразумениям и задержкам на почте. Нэнси Шифман, редактору книги, удалось самым удачным образом улучшить мой английский и устранить недостатки и двусмысленности. Мой секретарь в Солк-институте, Бетти Ларс, героически боролась с моим почти неразборчивым почерком и особенно с многочисленными незнакомыми техническими терминами. Всем им выражаю свою благодарность за их усилия.

Посвящается Одиль.

Двойная спираль ДНК

Предисловие

Так где же они?

Итальянский физик Энрико Ферми обладал выдающимися талантами. Его жена считала, что он был гением, и с ней согласились бы многие ученые. Он был не только замечательным физиком-теоретиком, но также экспериментатором. Именно Ферми и его друг, венгерский ученый Лео Сцилард, руководили разработкой и созданием первого ядерного реактора, построенного на неиспользуемой площадке для игры в мяч под пустующим спортивным стадионом в Чикаго во время Второй мировой войны. В этой неподходящей обстановке впервые на нашей планете опасная энергия деления ядер покорилась человеку.

Ферми, как и большинство хороших ученых, интересовался многими вещами вне сферы своих научных исследований. Ему приписывают один известный вопрос. У вопроса Ферми долгая предыстория, скорее похожая на длинный и скучный анекдот. Она выглядит примерно так. Вселенная огромна, она включает мириады звезд, многие из них не похожи на наше Солнце. В нашей галактике примерно 10^11 звезд[1], и существует, по крайней мере, 10^10 галактик, а возможно и больше. Вероятно, вокруг большинства этих звезд вращаются планеты. На поверхности довольно значительной части этих планет обнаружится жидкая вода и газообразная атмосфера, состоящая из простых соединений углерода, азота, кислорода и водорода. Энергия, излучаемая звездой (в нашем случае, солнечная энергия) на поверхность планеты, вызовет синтез многочисленных небольших органических соединений, тем самым превращая океан в негустой теплый бульон. Эти химические вещества, в конечном итоге, соединятся друг с другом и будут сложным образом взаимодействовать для создания системы, способной к размножению, — примитивной формы жизни Эти простейшие живые существа будут размножаться, развиваться в ходе естественного отбора и становиться все более сложными, до тех пор пока со временем не появятся активные, мыслящие существа. За этим последует развитие цивилизации, науки и технологии, и вскоре они подчинят себе всю окружающую среду своей планеты. Затем, стремясь завоевать новые миры, они научатся путешествовать на соседние планеты, а затем на планеты ближайших звезд, выбирая для колонизации те из них, где существует благоприятная среда обитания. В конце концов, они распространятся по всей галактике, одновременно занимаясь ее исследованием. Эти очень необычные и талантливые люди вряд ли смогут пропустить такое прекрасное место как наша Земля, с ее обильными запасами воды и органических соединений, благоприятным температурным режимом и другими достоинствами. «В таком случае», — вероятно сказал Ферми, задавая свой потрясающий вопрос, — «если все это происходило, то они уже должны бы прибыть сюда, так где же они?» И Лео Сцилард, человек с необычным чувством юмора, дал отличный ответ на риторический вопрос Ферми. «Они среди нас», — сказал он, — «но они называют себя венграми».

Большинство людей согласятся с общим ходом рассуждений Ферми. Трудности возникают, когда пытаешься оценить вероятность каждого этапа, выразить ее в цифрах. На самом деле нет убедительных доказательств, что у других звезд есть планеты, хотя такая вероятность представляется весьма высокой. Если планеты существуют, то, по крайней мере, на некоторых из них есть благоприятная среда для образования хорошего бульона — смеси простых органических соединений в воде. И именно следующий этап представляется в настоящее время столь загадочным: образование в этом бульоне примитивной, химической, размножающейся системы.

Даже если он действительно имел место, то мы не знаем, ни какова вероятность того, что длительный процесс эволюции достиг своего апогея в более высокоразвитой цивилизации, ни сколько именно времени занял этот процесс, ни того, будут ли действительно подобные существа исследовать Вселенную, а также каких успехов они достигнут в своих путешествиях. Все эти события действительно могли бы происходить по сценарию Ферми, но, вероятно, некоторые этапы могут оказаться весьма редкими, а некоторые стадии довольно медленными. Это легко объясняет, почему до сих пор на нашей планете, по-видимому, не было пришельцев из открытого космоса.

В последней половине прошлого века шведский физик Аррениус предложил довольно необычную гипотезу о происхождении жизни на Земле. Он предположил, что жизнь не могла сама зародиться здесь, а была занесена микроорганизмами из открытого космоса. Он предположил, что эти примитивные споры, зародившиеся где-нибудь в другом месте, мягко двигались под действием давления падающего на них света. Он назвал свою гипотезу панспермией, что означает «семена повсюду». Сейчас к этой идее относятся с недоверием, потому что трудно представить, как жизнеспособные споры могли бы достигнуть нашей планеты после такого длительного путешествия в космосе и не погибнуть под воздействием радиации.

В этой книге я описываю вариант панспермии, который предложили мы с Лесли Оргелом несколько лет назад. Мы предположили, что микроорганизмы во избежание порчи должны были путешествовать в головной части беспилотного космического корабля, посланного на Землю высокоразвитой цивилизацией, которая зародилась где-нибудь в другом месте несколько миллиардов лет назад. Корабль был беспилотным, с тем чтобы по возможности увеличить дальность его полета. Жизнь зародилась здесь, когда эти организмы попали в первозданный океан и начали размножаться. Мы назвали свою гипотезу направленной панспермией и, не привлекая внимания, опубликовали статью в Icarus, журнале, посвященном космосу и издаваемом Карлом Саганом. Эту идею нельзя назвать новой. Дж. Б. С. Холдейн высказывал нечто подобное еще в 1954 году, с тех пор и другие исследователи рассматривали ее, но никто не сделал этого так обстоятельно, как это сделали мы.

В главе 13 я обсуждаю вопрос, следует ли направленную панспермию считать подлинной наукой или же только довольно нехудожественной разновидностью научной фантастики. В большей части этой книги я подробно рассматриваю различные шаги в аргументации Ферми. Она довольно близко соприкасается с теми научными знаниями, что сегодня есть у нас, хотя они часто оказываются довольно неубедительными. Пожалуй, мне скорее хотелось описать в общих чертах те условия, которые должно учитывать любое решение, чем разрешить проблему происхождения жизни на Земле. И что это за условия! От малости атомов и молекул до огромной панорамы всей Вселенной; от событий, которые происходят в бесконечно малую долю секунды, до целой вечности самого времени, от Большого взрыва до современности; от неясного взаимодействия органических макромолекул до бесконечных сложностей развитых цивилизаций и высоких технологий. И в этом — одна из прелестей этой в других отношениях разочаровывающей темы, когда вплотную приступаешь к ее разрешению; необходимо хоть что-то знать о многих сторонах этой такой удивительной Вселенной, в которой мы живем.

Глава 1. Времена и расстояния, большие и малые

Одно обстоятельство относительно происхождения жизни не вызывает сомнений. Когда бы и где бы она ни возникла, она зародилась очень много лет назад, так давно, что крайне трудно составить какое-либо реалистичное представление о таких огромных промежутках времени. Наш собственный личный опыт тянется в прошлое на десятки лет, и все же даже в течение этого ограниченного периода времени мы склонны забывать, каким именно был этот мир, когда мы были молоды. И сто лет назад Земля также была населена людьми, они спешили по делам, ели и спали, гуляли и беседовали, влюблялись и зарабатывали на жизнь, при этом каждый из них упорно занимался своими делами, и все же (за очень редким исключением) никого из них уже нет сегодня в живых. Вместо этого совершенно другой круг людей населяет сегодня Землю вокруг нас. Краткость человеческой жизни обязательно ограничивает промежуток времени, охваченный непосредственными личными воспоминаниями.

Человеческая культура создает иллюзию, что наши воспоминания уходят в прошлое намного дальше. До изобретения письменности опыт прошлых поколений, воплощенный в преданиях, мифах и моральных заповедях, передавался устно или же, в меньшей степени, в рисунках, резьбе по дереву или камню. Письменность сделала передачу подобной информации более точной и разносторонней, а в последнее время фотография обострила наши образы недавнего прошлого. Кинематограф создаст у будущих поколений еще более непосредственное и живое представление об их предках, чем то, которое мы можем получить сейчас из написанного слова. Какая жалость, что мы не располагаем говорящим портретом Клеопатры; он бы не только показал истинную длину ее носа, но также более явно обнажил бы сущность ее обаяния.

Приложив усилия, мы можем перенестись мысленно в прошлое: во времена Платона и Аристотеля и даже еще дальше, в Бронзовый век героев Гомера. Мы можем что-то узнать о высокоразвитых цивилизациях Египта, Среднего Востока, Центральной Америки и Китая и совсем немного о других, более примитивных и рассеянных сообществах людей. Но даже в этом случае мы испытываем трудности, постоянно размышляя о ходе истории с самого зарождения цивилизации вплоть до нашего времени, когда таким образом мы можем действительно ощутить медленный ход времени. Наши умы не созданы для спокойных размышлений о периодах времени длиной в сотни или тысячи лет.

Тем не менее, когда мы начинаем задумываться о происхождении жизни, то по сравнению с временными масштабами, которые мы должны рассмотреть, весь период истории человечества покажется ничем иным, как одним движением век. Простого способа настроить свое мышление на такие огромные промежутки времени не существует. Необъятность прошедшего времени находится вне пределов нашего быстрого восприятия. Можно только составить представление о нем на основании косвенных и неполных описаний приблизительно также, как слепой старательно создает с помощью прикосновения и звука картину непосредственно окружающего его мира.

Привычный способ обеспечить удобную основу для наших размышлений — это сравнить возраст Вселенной с длиной одного земного дня. Возможно, лучше при подобного рода сравнении принять возраст нашей Земли за одну неделю. В таком масштабе возраст Вселенной со времен Большого взрыва составил бы примерно две-три недели. Самые древние макроскопические ископаемые (те, что относятся к началу кембрийского периода) были бы еще живыми как раз позавчера. Современный человек появился бы в последние десять секунд, а земледелие в последние одну- две секунды. Одиссей жил бы только в последнюю половину секунды до настоящего момента времени.

Даже это сравнение едва ли сделает понятнее для нас более длинный временной масштаб. Еще одна возможность — это нарисовать линейную карту времени с отмеченными на ней различными событиями. Проблема здесь состоит в том, чтобы начертить достаточно длинную линию, показав наш собственный опыт в разумном масштабе, и все же достаточно короткую для удобного воспроизведения и исследования. Для удобства подобная карта напечатана в начале этой книги. Но возможно, что еще более наглядный метод — это сравнение времени с самими напечатанными здесь строками. Давайте представим, что вся книга по длине равняется времени, прошедшему с начала кембрийского периода до наших дней, то есть примерно 600 миллионам лет. Тогда каждая полная страница представляет примерно 3 миллиона лет, каждая строка — примерно девяносто тысяч лет, а каждая буква или пробел — примерно полторы тысячи лет. Тогда Земля возникла бы примерно семь книг назад, а Вселенная (возраст которой определяется весьма приблизительно) за десять или около этого книг до нее. Почти вся записанная история человечества уложилась бы в последние две-три буквы этой книги.

Если вы теперь снова обратитесь к страницам книги, медленно читая ее по одной букве, — не забывайте, что каждая буква — это полторы тысячи лет, — то возможно вы каким-то образом ощутите грандиозность промежутков времени, которые нам следует рассмотреть. В этом масштабе времени продолжительность нашей собственной жизни оказалась бы меньше ширины запятой.

Если бы жизнь действительно зародилась здесь, то у нас едва ли возникла бы необходимость интересоваться остальной Вселенной, но если она возникла где-нибудь в другом месте, то следует также правильно представлять большие расстояния. Как ни трудно правильно передать наглядное и точное представление о возрасте Вселенной, но осознать ее размер — почти выше человеческого понимания, тем не менее мы попытаемся выразить его. Главный камень преткновения — это крайняя пустота пространства, не только крайне незначительное число атомов между звездами, но еще и громадное расстояние от одной звезды до другой. Видимый близкий нам мир заполнен объектами, и наши интуитивные оценки их удаленности зависят в основном от различных сведений, обусловленных наблюдаемой их величиной и зрительно воспринимаемой зависимостью друг от друга. Намного труднее судить о расстоянии до незнакомого объекта, плывущего в пустоте чистого голубого неба. Я однажды слышал, как выступающий по канадскому радио человек сказал, когда ему задали вопрос, что он считает, что Луна «размером примерно с воздушный шар», хотя предположительно это произошло еще до эпохи полетов в космос.

Вот как два астронома, Джастроу (Jastrow) и Томпсон (Thompson), пытаются описать по аналогии величину и расстояние между объектами в космосе:

Представим, что Солнце размером с апельсин; в этом масштабе.

Земля является лишь песчинкой, вращающейся по орбите вокруг Солнца на расстоянии тридцати футов; Юпитер, который в одиннадцать раз больше Земли, — это вишневая косточка, вращающаяся на расстоянии 200 футов или одного городского квартала от Солнца. Галактика в этом масштабе составляет 200 миллиардов апельсинов, и каждый апельсин отделен от соседей средним расстоянием в 1000 миль.

Трудность восприятия аналогии подобного рода заключается в том, что нам почти невозможно оценить расстояния в пустом пространстве. Сравнение с городским кварталом вводит в заблуждение, потому что мы слишком легко можем мысленно представить здания в нем, но при этом исчезает понятие пустоты. Если вы попытаетесь вообразить апельсин, плывущий даже на расстоянии мили в небе, то убедитесь, что расстояние до него, по-видимому, становится неопределенным. «Апельсин», удаленный на тысячу миль, окажется слишком мал, чтобы его увидеть, если конечно он не раскален добела.

Еще один возможный способ — это превратить расстояния во время. Представьте, что вы находитесь на космическом корабле, который двигается быстрее любого современного космического корабля. В силу различных причин, которые позднее станут очевидными, будем считать, что его скорость равняется одной сотой скорости света, то есть примерно 1800 миль в секунду. С этой скоростью вы можете добраться из Нью-Йорка до Европы примерно за три секунды («Конкорд» летит приблизительно три часа), поэтому по обычным меркам мы несомненно путешествуем очень быстро. Мы достигли бы Луны за три минуты, а Солнца за пятнадцать часов. Пересечение всей Солнечной системы из конца в конец (будем считать довольно произвольно, что это расстояние равно диаметру орбиты Нептуна) заняло бы у нас почти три с половиной недели. Основной момент, который следует уяснить, заключается в том, что это путешествие не похоже на очень длительную поездку в поезде, оно длится несколько дольше, чем путешествие от Москвы до Владивостока и обратно. Подобное путешествие, вероятно, оказалось бы довольно однообразным, даже если бы за окном постоянно менялся пейзаж. Во время пересечения Солнечной системы непосредственно за иллюминатором космического корабля не будет вообще ничего. Очень Медленно, день за днем размер и положение Солнца будут меняться. Поскольку мы удалились бы довольно далеко от него, то его видимый диаметр уменьшался бы, пока вблизи орбиты Нептуна оно не стало бы выглядеть «чуть больше булавочной головки», именно это я уже говорил ранее, предположив, что его видимый размер, наблюдаемый с Земли, соответствует приблизительно размеру серебряного доллара. Несмотря на такое быстрое передвижение (с этой скоростью мы могли бы передвигаться на поверхности Земли из одной точки в другую менее чем за семь секунд), не забывайте, что это путешествие окажется крайне утомительным. Основное впечатление от него — это почти полная пустота пространства. С этого расстояния планета будет казаться немногим больше случайного пятнышка в этой бескрайней пустыне.

Это ощущение огромной трехмерной пустоты достаточно скверное, пока в центре нашего внимания находится Солнечная система. (Почти все масштабные модели Солнечной системы, которые мы видим в музеях, в значительной степени вводят в заблуждение. Солнце и планеты почти всегда изображают на большом расстоянии слишком крупными по сравнению с расстояниями между ними.) Безбрежность пространства действительно нас поражает, как раз когда мы пытаемся продвинуться дальше. Чтобы достигнуть ближайшей звезды (на самом деле группы из трех звезд, находящихся довольно близко к друг другу), нашему космическому кораблю потребовалось бы 430 лет, и шансы, что мы преодолеем путь туда, весьма незначительны. Путешествие с такой высокой скоростью заняло бы у нас целую жизнь длиною в сотню лет, и все же мы преодолели бы только четвертую часть пути туда. Мы бы постоянно перемещались от пустоты к пустоте, не встречая ничего, кроме нескольких молекул газа и случайного маленького пятнышка пыли, показывающих, что мы все же двигаемся. Очень, очень медленно слегка менялось бы положение немногих ближайших звезд, тогда как само Солнце постепенно незаметно исчезало бы, до тех пор пока оно не стало бы просто еще одной звездой в блестящей панораме звезд, видимых со всех сторон космического корабля. Это путешествие к ближайшей звезде, каким бы длинным оно не представлялось, по астрономическим меркам очень короткое. Потребовалось бы не менее десяти миллионов лет, чтобы пересечь нашу галактику из конца в конец. Подобные расстояния находятся вне нашего понимания, если конечно мы не начнем мыслить самым абстрактным образом. И все же в космическом масштабе расстояние через галактику едва ли является каким-либо расстоянием вообще. Предположительно, расстояние до Андромеды, ближайшей крупной галактики, примерно в двадцать раз больше, но чтобы достичь границ пространства, видимых нами в гигантские телескопы, нам следовало бы путешествовать на расстояние более чем в тысячу раз дальше. Примечательным для меня явилось то, что это удивительное открытие, безбрежность и пустота пространства, не привлекало художественное воображение поэтов и религиозных мыслителей. Люди довольствуются размышлениями о беспредельных возможностях Бога (в лучшем случае сомнительное занятие) и совершенно не желают творчески осознать величину этой необыкновенной Вселенной, в которой они оказались, хотя и не в силу своих достоинств. Возможно, кто-то наивно подумал, что и поэтов, и священников до такой степени изумили эти научные открытия, что они принялись с неистовой энергией за работу с тем, чтобы попытаться воплотить их в основах нашей культуры. Сочинитель псалмов, сказавший: «Когда взираю я на небеса Твои, — дело твоих перстов, на Луну и звезды, которые Ты поставил, то что есть человек, что Ты помнишь его?. .. », по крайней мере, попытался до известной степени в пределах своих убеждений выразить свое восхищение Вселенной, видимой невооруженным глазом, и малости человека по сравнению с ней. И все же его Вселенная была очень маленькой, почти уютной, по сравнению с той, что открыла нам современная наука. Как будто почти явная незначительность Земли и тонкая пленка ее биосферы полностью парализовали воображение, как будто слишком ужасно размышлять о ней и поэтому лучше ее проигнорировать.

Я не буду здесь описывать, как рассчитывают эти очень большие расстояния. Расстояние между основными объектами Солнечной системы теперь можно очень точно рассчитать на основе теории механики Солнечной системы и дальности действия РЛС, расстояния между ближайшими звездами, — ориентируясь на их относительное положение, слегка меняющееся, если его наблюдать в разное время с Земли при ее годовом вращении по орбите вокруг Солнца. Относительно других расстояний все доказательства носят более специальный характер и менее точны. Но то, что эти расстояния примерно того порядка, какой рассчитали астрономы, не вызывает ни малейшего сомнения.

До сих пор мы рассматривали очень большие величины. К счастью, когда мы обратимся к очень малым расстояниям и периодам времени, дела обстоят не так плохо. Нам необходимо знать размер атомов (размер и содержимое маленьких ядер внутри каждого атома интересует нас меньше) по сравнению с повседневными вещами. Его мы можем узнать, сделав два относительно небольших шага. Начнем с миллиметра. Это расстояние (примерно одна двадцать пятая дюйма) мы можем легко различить невооруженным глазом. Одна тысячная его доля называется микроном. Клетка бактерии — длиной примерно два микрона. Длина волны видимого света (которая ограничивает то, что мы можем видеть в мощный оптический микроскоп) — примерно полмикрона.

Теперь мы переходим к следующей тысячной доле, составляющей единицу длины, известную как нанометр. Обычно расстояние между двумя соседними атомами, тесно связанными между собой в органическом соединении, находится в пределах от одной десятой до одной пятнадцатой нанометра. При самых благоприятных условиях мы можем увидеть расстояния величиной с нанометр или немного меньше в электронный микроскоп при условии, что препарат для исследования подготовлен надлежащим образом. Более того, можно показать изображения целого ряда природных объектов в любом масштабе, начиная с небольшой группы атомов и кончая блохой, так что, получив некоторый опыт, мы можем ощутить, как один масштаб переходит в другой. В противоположность пустоте пространства, живой мир перенаселен на всех уровнях. Легкость, с которой мы можем переходить от одного масштаба к другому, не должна скрыть от нас тот факт, что количество объектов в единице объема может быть необычайно большим. Например, капля воды содержит более тысячи миллиардов миллиардов молекул воды.

Период времени, который нас интересует, редко оказывается меньше пикосекунды, то есть одной миллионной миллионной доли секунды, хотя в ядерных реакциях и исследованиях внутриатомных частиц встречаются намного меньшие периоды времени. Этот незначительный интервал — как раз тот масштаб времени, в котором колеблются молекулы, но если взглянуть на него с другой точки зрения, он не кажется необычным. Рассмотрим скорость звука. В воздухе она относительно низкая, немного больше, чем скорость большинства реактивных самолетов, и составляет примерно тысячу футов в секунду. При вспышке молнии на расстоянии одной мили потребуется полных пять секунд, чтобы до нас донесся ее звук. Эта скорость в данном случае приблизительно равняется средней скорости молекул газа в воздухе, в промежутках между их столкновениями друг с другом. Скорость звука в большинстве твердых веществ обычно немного больше.

Теперь зададим вопрос, сколько времени потребуется звуковой волне, чтобы пройти над маленькой молекулой? Простой расчет показывает, что это время должно быть в пределах пикосекунды. Это как раз тот результат, которого скорее всего следовало ожидать, так как он означает примерно тот масштаб времени, в котором атомы молекулы колеблются относительно друг друга. В данном случае существенно следующее: дело в том, что он составляет, грубо говоря, частоту повторения импульсов, лежащую в основе химических реакций. Фермент, органический катализатор, может вызывать реакцию тысячу и более раз в секунду. Хотя эта скорость может показаться нам быстрой, но на самом деле она довольно медленная в масштабе времени колебания атомов.

К сожалению, нелегко передать представление о масштабах времени от секунды до пикосекунды, хотя специалист по физической химии может научиться хорошо владеть этим довольно большим диапазоном. К счастью, мы не будем непосредственно касаться этих очень коротких промежутков времени, хотя опосредованно встретимся с их влиянием. Большинство химических реакций действительно очень редкие события. Молекулы обычно прерывисто двигаются вокруг и наталкиваются друг на друга много раз, прежде чем редкая удачная встреча позволит им ударить друг друга с достаточной силой и в правильном направлении, чтобы преодолеть защитные барьеры и вызвать химическую реакцию. И только благодаря тому, что в одном небольшом объеме обычно находится так много молекул и все их действия происходят одновременно, скорость течения химической реакции кажется довольно плавной. Случайные колебания сглаживаются большим количеством участвующих в ней молекул.

Если мы вернемся назад и еще раз рассмотрим эти такие разные масштабы — незначительный размер атома и почти невообразимый размер Вселенной, частоту повторения импульсов химической реакции по сравнению с пустынями безбрежной вечности со времен Большого взрыва, то увидим, что во всех этих случаях наша интуиция, основанная на опыте повседневной жизни, скорее всего, окажется весьма обманчивой. Сами по себе большие числа значат очень мало для нас. Существует только один способ преодолеть это препятствие, такой естественный для человека. Мы должны считать и пересчитывать, пусть даже весьма приблизительно, проверять и перепроверять наши первоначальные впечатления до тех пор, пока медленно, со временем и на основе постоянной практики, реальный мир, мир безмерно малый и безмерно большой, не станет для нас таким же знакомым, как простая колыбель нашего общего земного опыта.

Глава 2. Космическая мистерия

Теперь, когда мы познакомились с величинами, имеющими отношение к нашей теме, и большими, и малыми, и со временем, и с пространством, мы должны в общих чертах описать то, что знаем о происхождении Вселенной, а также об образовании галактик и звезд, и наконец планет, составляющих нашу солнечную систему, так чтобы мы могли обрисовать условия, в которых зародилась жизнь на Земле или где-нибудь в другом месте космоса.

Если к проблеме происхождения жизни трудно подступиться, потому что она возникла так давно, то можно подумать, что возникновение Вселенной, которое, должно быть, произошло значительно раньше, окажется еще недоступнее для понимания. Это не совсем верно, потому что взаимодействия, необходимые для зарождения живой системы, составляют небольшой сложный ряд среди многих других возможных взаимодействий в очень неоднородной среде, тогда как во время первых этапов развития после Большого взрыва все было настолько тесно перемешано друг с другом, что в процессе большей частью преобладали именно общие принципы реакций. Вследствие чего, к разрешению этой проблемы подойти легче.

В основе почти всех последних дискуссий о происхождении Вселенной лежит теория Большого взрыва. Отсюда вытекает теоретическое обоснование, что на первом этапе, который мы обычно можем себе представить, вся материя во Вселенной должно быть занимала достаточно небольшой объем при необычайно высокой температуре. Этот первозданный болид очень быстро расширялся и, расширяясь, остывал. Стивен Вайнберг написал отличную книгу, где для широкого круга читателей в общих чертах описал тип реакций, которые, вероятнее, всего происходили в эти первые три минуты[2].

Представление о происходившем складывается на основе наших современных знаний об основных частицах материи и излучения, а также на довольно незначительном количестве экспериментальных фактов, таких как фон космического излучения, который сейчас наполняет собой все пространство, — слабый шорох создания, едва слышимый в радиотелескопы. Подобный воображаемый синтез не обязательно полностью достоверен. Вайнберг признается в возникающем иногда ощущении нереальности при его описании. Другие важные наблюдаемые факты, необходимые для построения теории, — это расширение Вселенной, его доказывает известное красное смещение, а также огромный избыток в современной Вселенной частиц электромагнитного излучения (фотонов) по сравнению с частицами материи (барионами), соотношение примерно 10^9 (миллиард) к единице, и кроме того, относительно редко встречаются более тяжелые элементы. Считается, что даже в современной Вселенной девяносто девять процентов атомов состоят из двух самых легких элементов, водорода и гелия, причем первый встречается чаще. На основании всех этих фактов физики-теоретики смогли сделать вывод, что спустя первую одну сотую долю секунды (и эта цифра даже еще менее точна), болид превратился в сложную смесь излучения и материи, быстро и сильно взаимодействующих друг с другом при необычайно высокой температуре, примерно 10^11 градусов, и стал чрезвычайно быстро расширяться. Эта температура была слишком высокой для существования атомов и даже слишком высокой для предотвращения распада сложных ядер (плотных центров атомов). По мере своего расширения болид охлаждался, пройдя в быстрой последовательности через несколько этапов, в ходе которых, вследствие снижения температуры на каждом этапе, по сравнению с предыдущим, определенные процессы происходили реже, другие же стали более распространенными. В конечном счете, примерно через три минуты температура снизилась не более чем до 10^9 градусов, так что теперь без угрозы распада могли образовываться некоторые очень легкие ядра, такие как ядра трития и гелия. Через полчаса или около этого температура упала до 3 х 10^8 (300 миллионов) градусов (только в двадцать раз выше, чем внутри Солнца), и синтез новых ядер прекратился. В течение следующих миллионов лет (или около этого) Вселенная продолжала расширяться и остывать, до тех пор, пока ядра не стали захватывать электроны для образования устойчивых атомов. Тогда материя смогла начать сгущаться, превращаясь в галактики и звезды.

Вследствие этого огромного космического взрыва. Вселенная с тех пор начала расширяться. Будет ли она расширяться до бесконечности, или, в конечном счете, это расширение замедлится и полностью прекратится, и она вернется к исходному состоянию, зависит исключительно от степени ее массивности. Точно также как камень, подброшенный высоко в воздух, упадет обратно на Землю, если его скорость не окажется так велика, что он сможет этого избежать, так и Вселенная продолжит расширяться до тех пор, пока ее масса не увеличится настолько, что, в конце концов, под действием силы тяжести расширение прекратится и начнется обратный процесс. Если это так, то некоторое время спустя, в очень далеком будущем, Вселенная начнет сжиматься и произойдет еще одна катастрофа. Прежде считалось, что рассчитанная плотность Вселенной слишком мала для этого, критическая плотность соответствует примерно трем атомам водорода в каждом литре пространства. А сейчас существует предположение, что маленькие нейтральные частицы, нейтрино, которыми заполнено все пространство, вероятно, могут иметь некоторую, но очень маленькую массу, хотя прежде считалось, что они, подобно свету, невесомые. Если это так, то их может оказаться вполне достаточно, чтобы навсегда остановить расширение Вселенной.

Возможно, самый важный вывод, сделанный на основании нашей весьма ограниченной точки зрения, заключается в том, что на ранних этапах развития Вселенной, несмотря на очень высокую плотность и температуру, в каких бы то ни было значительных количествах образовались только немногие очень легкие элементы. Следовательно, за исключением водорода, все элементы, необходимые для жизни, еще должны были появиться, в частности: углерод, азот, кислород и фосфор. Этот вывод подтверждается с помощью спектроскопических наблюдений, которые доказывают, что на старейших звездах этих элементов намного меньше, чем на новых.

Обстоятельства дальнейшего развития спустя один миллион лет отчасти неясны. Как именно растущий болид, который предположительно должен был быть в пространственном отношении довольно однородным, расширялся еще дальше, чтобы образовать большие неоднородные скопления материи, которые мы наблюдаем в виде галактик, и как именно были образованы различные типы звезд — на все эти вопросы все еще нет достаточно обстоятельного ответа, хотя мы можем кратко и в общих чертах описать некоторые процессы.

Несмотря на то, что на ранних этапах развития Вселенной сила тяжести играла незначительную роль, теперь она стала приобретать ключевое значение. Мы можем видеть, что, в значительной степени благодаря силе тяжести, начинают образовываться массы материи, которые притягивают другие массы, до тех пор, пока, в конечном счете, не возникают еще более крупные скопления. Вызванные этим разрастанием и уплотнением столкновения повысят местную температуру до тех пор, пока масса не накалится до такой степени, что начнет светиться. В конечном итоге, более крупные куски материи достигнут такой высокой температуры, что начнут происходить ядерные реакции — образуется новая звезда.

С этого момента теплота, созданная ядерным синтезом, будет препятствовать сжатию звезды, так как если оно происходит, то звезда нагреется, ядерные реакции ускорятся, и в результате возрастающее давление заставит звезду немного расшириться, чтобы нейтрализовать начинающее сжатие. Этот механизм работает как регулятор, который позволяет звезде благополучно «гореть» в течение миллионов или даже миллиардов лет.

В конце концов, у звезды должно истощиться ядерное топливо. Расчеты показывают, что большие звезды сгорают очень быстро, звезды средней величины (как Солнце) — медленнее, а небольшие звезды — очень и очень медленно. Звезда, в десять раз массивнее Солнца, вырабатывает свое топливо в сто раз быстрее. Что происходит, когда начинает истощаться ядерное топливо, — достаточно сложный вопрос, и ответ на него во многом зависит от массы звезды. Процесс ядерного синтеза может создать элементы, такие как углерод и азот, из водорода и гелия. Затем звезда может попытаться использовать эти более тяжелые элементы в качестве топлива, создавая при этом еще более тяжелые, но, в конечном итоге, наступает этап, когда не остается больше элементов, ядерные превращения которых могут обеспечить ее достаточной энергией. В этот момент всеобъемлющая сила тяжести, которая сдерживалась теплотой, порождаемой ядерными процессами, одерживает верх. Звезда сжимается. Как именно это происходит, опять зависит от размера звезды и характера элементов ее составляющих. Звезды меньших размеров, вероятно, становятся белыми карликами и очень, очень медленно исчезают из виду. У более крупных звезд сжатие может быть таким быстрым, что звезда буквально взрывается, извергая до половины своего содержимого в космос и рассеивая материю с высокой скоростью во всех направлениях. Во время самого взрыва создаются многие элементы тяжелее железа (которые не очень многочисленны).

Такой катастрофический взрыв называется сверхновой звездой. В течение нескольких дней звезда светится необычайно ярко. Когда это случилось со звездой в нашей галактике в 1604 году, то это явление вызвало сенсацию. Мы до сих пор можем наблюдать остатки сверхновой звезды, ее предшественницы, наблюдаемой китайскими астрономами в 1054 году. Это большое облако светящегося газа, которое мы называем Крабовой туманностью, все еще очень быстро расширяется, и мы можем даже видеть остаток звезды, теперь пульсар (вращающаяся нейтронная звезда), в ее центре.

Именно взрывы, подобные этим, оказались основным источником большинства элементов в нашем теле (за исключением водорода). Осознание того, что многие из атомов, из которых созданы мы сами, образовались не в начале мироздания, а должны были подвергнуться действию тепла внутри звезды и быть выброшенными в космос, создает странное ощущение.

Как же в таком случае образовались планеты? Подробнее этот вопрос рассмотрен в главе 8. Здесь мы только в общих чертах опишем этот процесс. Когда мы рассматриваем в телескопы сложности нашей галактики, то можем увидеть, что многое в ней закрыто большими облаками газа и пыли, некоторые из них более рассеянные, некоторые менее, но все они, по земным меркам, очень разрежены. Частицы пыли, примерно такого же размера, что и частицы сигаретного дыма, вероятно, образованы из смеси маленьких кусочков железа, камня, льда и соединений углерода. Довольно удивительно, но в этих газовых облаках были обнаружены более пятидесяти видов плавающих малых органических молекул, особенно в более плотных облаках (где меньше ультрафиолетового света, их разрушающего), хотя в массе они в итоге составляют только около одной миллионной доли. Это химически активные молекулы, такие как цианистый водород (HCN) и формальдегид (HCHO). Какая именно часть этого огромного количества очень слабых молекул, рассеянных в пространстве, сыграла свою роль в происхождении жизни, точно неизвестно, но, скорее всего, их непосредственное участие было не слишком значительным. Мелкие молекулы, которые образуют основу жизни (см. главу 3, а также главу 5) — аминокислоты, сахарозы, основания, и т. д. — все же там не обнаружены, хотя некоторые из них можно было бы довольно легко синтезировать из тех, что встречаются в космосе. Есть некоторые предположения относительно реакций, которые могут происходить в кометах и других небольших телах Солнечной системы.

Считается, что Солнце и окружающие его планеты образовались в результате уплотнения, возникшего благодаря силе тяжести, медленно вращающегося такого облака. Как именно это произошло, все еще спорный вопрос. Грубо говоря, по мере сжатия облака скорость его вращения возрастала (чтобы сохранить момент количества движения), так что оно вытянулось в форму диска. Центр этого диска со временем стал Солнцем, тогда как оставшиеся куски материи уплотнились и образовали планеты и астероиды. Подробнее этот процесс рассмотрен в главе 8.

Большая часть этого облака, должно быть, состояла из водорода и гелия, так как эти элементы наиболее распространены на Солнце, но планета типа Земли находится слишком близко к Солнцу и в то же время не так массивна, чтобы удержать такие легкие элементы силой своего относительно слабого гравитационного поля, поэтому, вероятно, что они затерялись в космосе. (На крупных внешних планетах их все еще очень много.) Земля же со своим внутренним ядром из железа и твердой оболочкой из более легких элементов, находящихся вблизи поверхности, образовалась из скопления пепла существовавших когда-то звезд. Биосфера, в которой мы живем, — это хрупкий слой материи на поверхности довольно малой планеты звезды весьма средней величины.

Наиболее важный момент, который вытекает из этого краткого описания, заключается в том, что жизнь, насколько нам известно, вероятно, не могла зародиться вскоре после Большого взрыва, потому что необходимых элементов для ее возникновения тогда не существовало. Потребовался период в один или два миллиарда лет, возможно, больше, прежде чем достаточное количество крупных звезд завершили свой жизненный цикл и взорвались, предоставив тем самым атомы, необходимые для создания органической жизни. Затем они должны были рассеяться, чтобы из осколков образовались новые звезды и планеты. К сожалению, мы точно не знаем, насколько естественней этот процесс, поэтому мы не можем быть уверены, исходя из теоретических предпосылок, у какого количества звезд могут быть планеты, вращающиеся вокруг них, хотя, как мы увидим в главе 8, этому есть некоторые косвенные подтверждения.

Давайте теперь кратко перечислим те размеры и периоды времени, которые нас интересуют. Диаметр Солнечной системы — около одной пятнадцатой светового года. Ближайшая звезда находится на удалении 4,3 световых лет. В пределах двадцати световых лет находятся примерно сто звезд. Наша собственная галактика — это медленно вращающийся неправильный диск, состоящий из звезд, пыли и газа, примерно 100000 световых лет в диаметре, содержащий, вероятно, 10^11 звезд. Ближайшая крупная галактика — Андромеда, несколько больше нашей. Она находится на удалении двух миллионов световых лет, между ними почти ничего нет (за исключением нейтрино и фотонов), хотя в непосредственной близости находятся несколько галактик меньшей величины. За ее пределами Вселенная расширяется во всех направлениях на расстояние, по крайней мере, в три миллиарда световых лет, и, может быть, содержит общее число галактик 10^11 различных типов и размеров.

Возраст Земли и остальной Солнечной системы составляет примерно 4,5 миллиардов лет. Время, которое прошло со времени Большого взрыва, известно с меньшей точностью, но, вероятно, находится в пределах от семи до пятнадцати миллиардов лет. Вскоре после Большого взрыва практически не существовало тяжелых элементов, значительное их количество образовалось через миллиард (или около этого) лет после него.

Глава 3. Единообразие биохимии

В сущности, проблема возникновения жизни — это проблема органической химии, химии соединений углерода, но органической химии в необычной плоскости. Особый характер живых существ, как мы убедимся, с невероятной тонкостью и точностью подробно определен уже на уровне атомов и молекул. В начале, должно быть, именно молекулы развились таким образом, что образовалась первая живая система. Поскольку жизнь зародилась на Земле настолько давно, возможно, даже четыре миллиарда лет назад, то нам очень трудно узнать, как выглядели первые живые существа. В основе всех живых существ на Земле, без исключения, лежит органическая химия, а подобные химические соединения обычно неустойчивы в течение длительных периодов времени при том колебании температур, что существует на поверхности Земли. Постоянные сотрясения, вызванные тепловым движением в течение сотен миллионов лет, в конце концов, разрушают сильные химические связи, прочно удерживающие вместе атомы органической молекулы в течение более коротких периодов времени, например, в течение нашей собственной жизни. По этой причине почти невозможно найти «молекулярные ископаемые» из тех очень давних времен.

Минералы могут быть намного устойчивее, по крайней мере, на отчасти менее обработанном уровне, в основном потому что в их атомах для образования регулярных трехмерных структур используются прочные связи. Разрыв одинарной связи значительно не разрушит форму минерала. Ископаемые можно в изобилии наблюдать в горных породах, сформировавшихся немногим более миллиарда лет назад, к тому времени, когда организмы уже достаточно развились, и у них появились костные ткани. Обычно подобные ископаемые состоят не из первичных тканей тех организмов, а из неорганических отложений, которые просочились в них и приобрели их форму. Форма мягких тканей обычно не сохраняется, хотя иногда присутствуют следы типа червоточин — отпечатки на горных породах времени.

Существуют ли вообще ископаемые намного древнее этих? Тщательное микроскопическое исследование очень древних пород доказало, что они содержат небольшие вкрапления, которые выглядят как окаменелые остатки очень простых организмов, несколько напоминающих некоторые одноклеточные организмы, обитающие сегодня на Земле. Это имеет большое значение. Мы склонны предполагать, что в процессе эволюции многоклеточные существа развились из этих древних организмов, которые имели только одну клетку. Хотя некоторые обстоятельства здесь все еще спорны, первые организмы такого типа появились примерно 2 1/2 — 3 1/2 миллиарда лет назад. Возраст Земли примерно 4 1/2 миллиарда лет. После того как утих хаос ее первоначального формирования, наступил период длиною около миллиарда лет, в течение которого могла бы развиться жизнь на основе сложного химического состава земной поверхности, особенно в океанах, озерах и заводях. Мы совсем не располагаем ископаемыми останками того периода, потому что все еще не обнаружены сохранившиеся фрагменты осадочных пород того времени.

У нас есть только два способа подойти к этой проблеме. Мы можем попытаться смоделировать те древние условия в лаборатории. Поскольку жизнь — это, вероятно, счастливая случайность, которой даже для появления в расширенной лаборатории на поверхности планеты могло понадобиться много миллионов лет, то не слишком удивительно, что подобные исследования до сих пор далеко не продвинулись, хотя здесь есть и некоторые успехи. Кроме того, мы можем тщательно изучить все живые организмы, существующие сегодня. Так как все они произошли от какого-нибудь из тех первых простых организмов, то можно надеяться, что они все еще несут в себе некоторые следы тех самых древних живых существ.

На первый взгляд, подобная надежда представляется абсурдной. Неужели что-то может объединять лилию и жирафа? Неужели человек может иметь что-то общее с бактериями, живущими в его кишечнике? Циник мог бы заявить, что поскольку, так или иначе, все живые существа едят или их съедают, то это, по крайней мере, говорит о том, что у них есть нечто общее. Удивительно, но оказывается, что это действительно так. Единство биохимии намного глубже и полнее, чем предполагали всего лишь сто лет назад. Огромное разнообразие природы: человек, животные, растения, микроорганизмы, даже вирусы — на химическом уровне все создано по общему основному плану. Именно фантастическое совершенствование этого основного плана, развившееся в ходе естественного отбора за бесчисленные поколения, создает для нас трудности в нашей повседневной жизни при проникновении под его внешнюю форму и постижении единства изнутри. Несмотря на все различия, мы все пользуемся единым химическим языком, или, точнее, как мы увидим, двумя такими языками, близко связанными друг с другом.

Для понимания единства биохимии мы должны сначала уяснить в самых общих чертах, какие химические реакции происходят внутри организма. Живую клетку можно представить как довольно сложную, хорошо организованную химическую фабрику, которая принимает один набор органических молекул — свое питание, — расщепляет их при необходимости на более мелкие единицы, а затем вновь сортирует и соединяет эти более мелкие единицы, часто за несколько осторожных шагов, в целях создания многих других мелких молекул, некоторые из которых она выделяет, а другие использует для дальнейшего синтеза. В частности, она собирает особые наборы этих мелких молекул в длинные цепи, обычно без ответвлений, чтобы образовать жизненно важные макромолекулы клетки, три больших семейства гигантских молекул: нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды.

Первый уровень организации, который мы должны рассмотреть, самый низший из всех, — это тот уровень, на котором атомы связываются один с другим для образования мелких молекул. Итак, один атом является довольно симметричным объектом. Его форма приближается к сферической, и если мы посмотрим на него в зеркало, то его зеркальное отражение окажется точно таким же, именно так выглядел бы и бильярдный шар. Более сложные структуры могут оказаться «разветвленными» — наши собственные руки отличный тому пример[3]. Если мы посмотрим на правую руку в зеркало, то увидим левую руку, и наоборот. Мы можем сложить обе наши руки, как в молитве, и кажется, что между ними мы держим зеркало. Способа, с помощью которого мы можем точно наложить одну руку на другую, даже мысленно, не существует.

У некоторых простых органических молекул, таких как спирт, «разветвленность» отсутствует; они и их зеркальные отображения одинаковы, так же, как кубок. Но большинству органических молекул это не свойственно. Сахар на обеденном столе, если взглянуть на него в зеркало, становится совершенно другим собранием атомов. Эта разница имеет значение не для всех типов химических реакций. Если бы мы нагрели такую молекулу и могли наблюдать, как увеличиваются молекулярные колебания до тех пор, пока не нарушится одна из связей, то увидели бы, что в случае, когда мы представили бы этот процесс в зеркальном изображении, относительные перемещения всех атомов оказались бы идентичными. Основные реакции в химии симметричны в условиях отражения с очень высокой степенью приближения. Разветвленность становится важной, только если две молекулы должны точно соответствовать друг другу. Мы можем увидеть это при изготовлении перчатки. Все детали перчатки: ткань, нить, даже пуговицы — каждая по отдельности, зеркально-симметричны, но их можно соединить двумя похожими, но различными способами, чтобы сшить перчатку как на правую руку, так и на левую. Очевидно, что нам нужны обе, потому что у нас две разные руки, хорошая перчатка на левую руку не подойдет на правую.

Простейшая форма асимметричной молекулы этого типа образуется, когда один атом углерода связан одинарными связями с четырьмя другими разными атомами или группами атомов. Это происходит потому, что все четыре связи атома углерода не лежат в одной и той же плоскости, а расположены с равными промежутками во всех трех измерениях и направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра.

Распределение в пространстве четырех связей вокруг одного атома углерода.

Таким образом, органические молекулы (молекулы, содержащие атомы углерода) часто могут быть разветвленными, даже когда они могут оказаться мелкими, но нам нужно понять, какое значение все это имеет для клетки. Основная причина заключается в том, что биохимическая молекула не изолирована от других. Она вступает в реакцию с другими молекулами. Почти любая биологическая реакция ускоряется с помощью свойственного только ей особого катализатора. Мелкая молекула, для того чтобы прореагировать подобным образом, должна плотно прилегать к поверхности катализатора, и поскольку у мелкой молекулы есть вздутие, то оно должно быть и у катализатора. Как в случае с перчаткой, реакция не будет происходить должным образом, если мы попытаемся приспособить левостороннюю молекулу во впадину, соответствующую правосторонней.

Представьте, что в эту минуту вы можете наблюдать за работающей химической фабрикой и видеть все многочисленные происходящие там реакции, при этом молекулы быстро перемещаются с одного места на другое, приспосабливаясь к различным каталитическим молекулам, расщепляются, вновь образуются, группируются и вступают в реакцию еще самыми различными способами. Теперь представьте, что вы наблюдаете за фабрикой, являющейся точным зеркальным отражением первой. Все будет происходить как и раньше, так как в зеркальном мире законы химии те же самые. Трудности возникнут, только если вы попытаетесь объединить обе фабрики, смешивая при этом некоторые составные части одной системы с элементами зеркального мира.

Поэтому мы можем понять, почему в одном организме многие «разветвленные» асимметричные молекулы, крупные и мелкие, должны быть гармоничны. Более того, доказано экспериментально, что асимметричные молекулы с одной стороны вашего тела имеют точно такое же вздутие, что и молекулы с противоположной стороны. Но разве не могли бы существовать два различных типа организмов: один — зеркальное отображение другого, по крайней мере, в том, что касается их составляющих? Такого просто нет. В природе не существует двух различных царств, в одном из которых есть молекулы одного типа, а в другом — их зеркальное отображение. Глюкоза везде имеет одинаковое вздутие. Еще важнее, что мелкие молекулы, которые соединяются вместе для образования белка, аминокислоты, все являются L-аминокислотами (их зеркальные изображения называются D-аминокислоты: L = Levо, D = Dextro) 2, а все сахары в нуклеиновых кислотах также имеют одинаковое вздутие. Первый великий объединяющий принцип биохимии заключается в том, что все основные молекулы во всех организмах имеют одинаковое вздутие.

2 В указанной выше книге далее сказано, что правовращающие соединения обозначают буквой D, а левовращающие — буквой L. И затем: «Два изомера глицеральдегида обозначают как D-изомер (правовращающий)и L-изомер (левовращающий)». — Прим. пер..

Две разновидности аминокислотного аланина. Каждая является зеркальным отображением другой. На рисунках вверху показаны пространственные модели; внизу — модели строения молекулы. Буквами обозначены атомы. Разновидность аланина, обнаруженная в белке, — L-аланин, на рисунке слева.

Есть много других биохимических особенностей, которые необыкновенно похожи во всех клетках. Фактически существующие метаболические пути (точные пути, по которым одна мелкая молекула преобразуется в другую) часто удивительно похожи, хотя не всегда одинаковы. Поэтому существует несколько структурных особенностей, но единообразие еще поразительнее на глубочайших уровнях организации; поразительнее, потому что оно является одновременно произвольным и законченным.

Многое в структуре и механизме обмена веществ клетки основано на одном семействе молекул, белках. Молекула белка — это макромолекула, насчитывающая до тысяч атомов. Каждый белок организован определенным образом, каждый атом находится на своем месте. Каждый вид белка образует сложную трехмерную структуру, не похожую на другие, которая позволяет ему выполнять каталитическую или структурную функцию. Эта трехмерная структура образована путем свертывания лежащей в ее основе одномерной структуры, которая сложена из одной или более так называемых полипептидных цепей. Последовательность атомов вдоль этого остова образует структуру из шести атомов, повторяющуюся снова и снова. Разнообразие обеспечивают очень небольшие боковые цепочки, которые отходят от остова, по одной при каждом повторе. У типичного остова их насчитывается несколько сотен.

Неудивительно, что синтетический механизм клетки создает из этих полипептидных цепей, связывая их друг с другом непрерывной веревочкой, особый набор мелких молекул, аминокислоты. С одного конца они все похожи (на участке, который образует повторяющийся остов), но отличаются с другого конца (на том участке, который образует малые боковые цепочки). Удивительно то, что при создании белка используется лишь двадцать их разновидностей, и этот набор из двадцати видов постоянен повсюду в природе. Кроме того, ведь существуют еще другие виды аминокислот, и некоторые из них можно найти в клетке. Тем не менее, для создания белка используется только этот определенный набор из двадцати видов.

Белок похож на абзац, написанный на языке с двадцатибуквенным алфавитом, конкретная природа белка при этом определяется конкретным порядком букв. За одним тривиальным исключением — этот шрифт никогда не меняется. Животные, растения, микроорганизмы и вирусы — все пользуются одним и тем же набором букв, хотя, насколько мы можем судить, можно было бы легко воспользоваться другими похожими буквами, точно так же, как при создании нашего собственного алфавита можно было бы использовать другие символы. Выбор некоторых из этих химических букв очевиден, поскольку они очень мелкие и легко Доступны. Выбор других не столь очевиден. Если бы в каждом напечатанном в мире тексте использовался один и тот же произвольный набор букв (что, как мы знаем, далеко не так), то мы бы сделали обоснованный вывод, что этот вполне разработанный шрифт, вероятно, возник в одном конкретном месте и переходил дальше в процессе постоянного копирования. Трудно не прийти к такому же заключению в отношении аминокислот. Набор из двадцати видов до того универсален, что его выбор, по-видимому, относится к самому началу появления всех живых существ.

Атомистическая модель малого белка, ферментной рибонуклеазы S. Темные атомы образуют часть активного участка фермента. Обычно белок полностью окружен молекулами воды.

Природа пользуется еще одним, совершенно отличным химическим языком, который также довольно единообразен. Генетическую информацию любого организма содержит в себе одно из двух близко связанных семейств гигантских цепочечных молекул, нуклеиновых кислот ДНК и РНК, подробнее описанных в главе 5. Каждая молекула имеет безмерно длинный остов с регулярной, повторяющейся структурой. И снова боковая группа присоединена через равные промежутки, но в этом случае существует только четыре типа; у генетического языка только четыре буквы. Длина типичного малого вируса, такого как вирус полиомиелита, около пяти тысяч букв. Генетическое сообщение в клетке бактерии обычно насчитывает несколько миллионов букв; а у человека — несколько миллиардов, упакованных в центре каждой из наших многочисленных клеток.

Одно из важнейших биологических открытий шестидесятых годов заключалось в обнаружении генетического кода, малого словаря (в принципе похожего на азбуку Морзе), который переводит язык генетического материала, состоящий из четырех букв, на язык белка, исполнительный язык, состоящий из двадцати букв. Подробнее он описан в приложении.

Для того чтобы перевести генетическое сообщение на определенный участок нуклеиновой кислоты, биохимический механизм считывает последовательность боковых цепочек группами из трех цепочек, начиная с некоторой заданной точки. Поскольку в языке нуклеиновой кислоты только четыре различных буквы, то существует шестьдесят четыре возможных триплета (4 х 4 х 4). Шестьдесят один из них (они называются кодонами) означают ту или иную аминокислоту. Три остальных триплета означают «конец цепочки». (Сигнал «начало цепочки» немного сложнее.)

Точная природа генетического кода имеет такое же значение в биологии, как и периодическая таблица элементов Менделеева в химии, но между ними есть и существенная разница. Периодическая таблица, должно быть, одинакова во всей Вселенной. Генетический код, по-видимому, довольно произволен или, по крайней мере, частично таков. Предпринималось много попыток вывести зависимость между двумя языками на основании принципов химии, но до сих ни одна из них не привела к успеху. У кода есть несколько постоянных признаков, но они могут оказаться случайными.

Даже если бы где-нибудь в другом месте существовала совершенно особая форма жизни, в основе которой также были бы нуклеиновые кислоты и белок, я все равно не вижу достаточных оснований, почему генетический код должен быть точно таким же, как и здесь. (Азбука Морзе, между прочим, не вполне произвольна. Наиболее часто встречающиеся буквы, например, е и т, состоят из наименьшего числа точек и тире.) Если это проявление произвольности в генетическом коде подтвердится, то мы можем только еще раз прийти к выводу, что вся жизнь на Земле возникла из одной очень примитивной популяции, которая первая использовала его, чтобы управлять потоком химической информации с языка нуклеиновой кислоты на язык белка.

Таким образом, чтобы нести генетическую информацию, все живые существа пользуются одним и тем же языком из четырех букв. Все пользуются одинаковым языком из двадцати четырех букв для создания своих белков, механических инструментов живой клетки. Все пользуются одинаковым химическим словарем при переводе с одного языка на другой. О такой невероятной степени единообразия едва ли подозревали немногим более сорока лет назад, когда я был еще студентом. Сегодня я нахожу странным, что те люди, которым размышления о своем единстве с природой доставляют глубокое удовлетворение, часто совершенно не подозревают о том самом единстве, о котором они пытаются судить. Возможно, в Калифорнии уже существует церковь, в которой каждое воскресное утро оглашается генетический код, хотя я сомневаюсь, что кто-нибудь посчитает весьма вдохновляющим подобное голое перечисление фактов.

Далее мы увидим, что один из способов подойти к проблеме происхождения жизни — это попытаться представить, каким образом это замечательное единообразие впервые появилось. Почти все современные теории и экспериментальные исследования по происхождению жизни за исходную точку принимают синтез либо нуклеиновой кислоты, либо белка, или же того и другого вместе. Каким образом на этой первозданной Земле (если жизнь действительно зародилась на Земле) могли появиться первые необходимые для этого макромолекулы? Мы уже видели, что эти цепочечные молекулы образованы объединением мелких субъединиц в непрерывную цепочку. Каким образом могли синтезироваться мелкие молекулы в этих древних, пребиотических условиях? И каким образом мы могли бы определить, даже если бы имели возможность наблюдать весь процесс на уровне атомов, когда система впервые заслужила название «живая»? Чтобы понять эту проблему, мы должны исследовать в следующей главе: какие качества должны присутствовать у любой живой системы.

Глава 4. Сущность жизни

Дать краткое определение «жизни» или «живого» не просто. Конечно, под «живым» я не обязательно имею в виду думающее или чувствующее существо, поскольку для биолога растения несомненно являются живыми, а некоторые люди (не считая немногих легковерных индивидуумов без научной подготовки) верят, что растения думают и чувствуют, как мы и другие животные. Бактерии — сколь ни мало они должны ощущать, хотя бы могут «чувствовать запах» молекул пищи и плыть к ним, — конечно же следует считать живыми. С вирусами дело обстоит сложнее. Здесь мы вплотную приближаемся к границе живого и неживого. Возможно, лучший способ подойти к решению задачи — это описать то, что мы знаем об основных процессах жизни, снимая шелуху с луковицы до тех пор, пока останется совсем немногое или вообще ничего, и затем обобщить то, что мы узнали.

Когда мы делаем это, то не можем не поражаться очень высокой степени организованной сложности, которую находим на каждом уровне, а особенно на молекулярном уровне, так как у нас есть все основания считать, что структуры, легко видимые невооруженным глазом, а также структуры, видимые только в микроскоп, — все созданы путем сложных взаимодействий своих молекулярных составляющих. Насколько сложны эти макромолекулы и как именно они образованы?

Самый выдающий пример молекулярной архитектуры, найденный в живых организмах, — без сомнения, белковое семейство. Даже относительно простой белок может насчитывать до двух тысяч атомов, образуя Довольно точную трехмерную структуру (при этом каждый атом находится на предназначенном ему месте), если ее не нарушили постоянные столкновения, вызванные тепловым движением. Более того, эта сложная трехмерная форма жизненно важна для его функции. Если молекула в растворе воды нагревается, то в большинстве случаев увеличившаяся температура сначала ослабит, а затем разорвет непрочные связи, соединяющие лежащую в ее основе цепочку и ее правильную складку, настолько, что ее структура придет в беспорядок и расстроится. На ее поверхности уже не будет правильных впадин с соответствующими химическими группами, и поэтому она больше не сможет выполнять свою первоначальную функцию. Если в растворе есть другие молекулы белка, также находящиеся в этом дезорганизованном состоянии, то они могут слипнуться друг с другом и свернуться, так что даже в случае охлаждения раствора сплетенная масса не может вновь распутаться. Сварите яйцо, и толстая суспензия белков превратится в безнадежно перемешанную массу, став механически твердой там, где прежде она была мягкой и текучей.

На первый взгляд, задача создания точной копии неповрежденной трехмерной структуры белка с ее хорошо организованной естественной складкой может показаться очень трудной. Ее можно было бы представить как создание молекулярного слепка с поверхности, как, например, его можно снять со скульптуры. Но как скопировать внутреннее строение молекулы? Природа решила эту проблему с помощью изящного приема. Полипептидная цепь синтезируется как вытянутая, довольно одномерная структура, а затем свертывается. Процесс свертывания направляется по точному образцу боковых цепочек, которые взаимодействуют друг с другом и с остовом, используя многочисленные, слабые взаимные связи. Молекула исследует постоянные благоприятные возможности, предложенные тепловым движением до тех пор, пока не найдет оптимальную складку. Затем различные сегменты молекулы аккуратно стягиваются воедино, столь точно соответствуя друг другу, что дальнейшее тепловое движение оставляет молекулу относительно спокойной.

Все, что нужно клетке для создания этого чуда молекулярного строения, — это связать воедино аминокислоты (которые образуют поли пептидную цепь) в правильном порядке. Это очень сложный биохимический процесс, молекулярный сборочный конвейер, где используются инструкции в виде ленты нуклеиновой кислоты (так называемая информационная РНК), которую в общих чертах мы опишем в главе 5. Здесь нам лишь необходимо задать вопрос: сколько же существует возможных белков? Если конкретная последовательность аминокислот выбрана случайно, то какова вероятность этого события?

Для комбинаторики эта задача не представляет трудности. Предположим, что длина цепи около двухсот аминокислот; то есть она, во всяком случае, намного короче средней длины белков всех типов. Так как мы имеем только двадцать возможностей на каждом месте, то количество возможностей — это двадцать, умноженное на само себя около двухсот раз. Это удобно записать как 20^200, и оно приблизительно равняется 10^260, то есть единице с 260 нулями!

Это число всецело находится за пределами наших обычных представлений. Для сравнения возьмем количество фундаментальных частиц (проще говоря, атомов) во всей видимой Вселенной, не только в нашей галактике с ее 10^11 звездами, но во всех миллиардах галактик, вне пределов видимого пространства. Это число, которое по оценке должно составить 10^80, действительно незначительно по сравнению с 10^260. Более того, мы лишь рассмотрели полипептидную цепь довольной средней длины. Если бы мы также рассмотрели более длинные цепи, то эта цифра оказалась бы еще более необъятной. Можно доказать, что с тех пор как на Земле появилась жизнь, количество различных полипептидных цепей, которые могли бы быть синтезированы за все это долгое время, составляет только незначительную долю вообразимого их числа. Значительное большинство последовательностей вообще никогда не могло быть синтезировано, ни в какое время.

Эти подсчеты учитывают только последовательность аминокислот. Они не принимают во внимание тот факт, что многие последовательности не сворачивались удовлетворительным образом в устойчивую компактную форму. Какая часть всех возможных последовательностей сделала это — неизвестно, хотя есть предположение, что она явно невелика.

Поясним это с помощью свободной аналогии. Возьмем абзац текста, написанный на английском языке. В нем используется набор символов, состоящий примерно из тридцати знаков (буквы и знаки препинания, без учета заглавных букв). В типичном абзаце примерно столько же букв, сколько в типичном белке аминокислот. Таким образом, подсчет, подобный описанному выше, покажет, что количество различных последовательностей букв соответственно огромно. На самом деле существует ничтожно малая надежда, что миллиард обезьян на миллиарде пишущих машинок когда-либо правильно напечатают хотя бы один сонет Шекспира в течение нынешней жизни Вселенной. Многое из того, что было напечатано, окажется совершенно невразумительным. Если мы поинтересуемся какая часть возможных абзацев будет иметь хоть какой-то смысл, то обнаружим, что она также окажется весьма незначительной.

Тем не менее, количество полных смысла абзацев также очень значительно, даже если у нас нет простого способа вычислить это число. Точно также, количество возможных, различных, компактных устойчивых белков может быть очень большим.

Как мы узнали, даже на этом самом основном уровне, существуют сложные структуры, которые встречаются во множестве совершенно идентичных копий — то есть те, которые организовали сложность и которые не могли возникнуть по чистой случайности. Жизнь, с этой точки зрения, является бесконечно маловероятным событием, и все же мы видим, что она кишит вокруг нас во всех проявлениях. Как же такие маловероятные явления могут быть столь распространенными?

Лишенный многих своих очаровательных сложностей основной механизм очень прост. Его предложили как Дарвин, так и Уоллес, каждый из которых понял его принцип, прочитав Мальтуса. Живые организмы обязательно должны бороться за пищу, самца или самку, жизненное пространство, особенно с другими особями своего вида. Они должны избегать хищников и других опасностей. В силу всех этих различных причин некоторые оставляют больше потомства, чем другие, и последующим поколениям будут преимущественно передаваться генетические характеристики именно таких, получивших преимущество репликаторов. На более специальном языке, если ген наделяет повышенной «приспособляемостью» своего обладателя, то такой ген, вероятнее, обнаружится в генофонде следующего поколения. В этом состоит сущность естественного отбора. На первый взгляд, это кажется почти тавтологией; однако здесь имеют значение не слова, а лежащие в основе всего механизмы. Можем ли мы выразить самыми абстрактным терминами, какими они должны быть?

Первое очевидное требование касается репликации и к тому же довольно точной репликации. Нам необходимо передать значительное количество информации в качестве инструкций, чтобы создать ту сложность, которая характеризует жизнь, и если эта информация не копируется с приемлемой точностью, то механизм будет разрушаться под накопившимся грузом ошибок. С другой стороны, абсолютная точность не требуется. Несомненно, всем копиям не следует быть абсолютно тождественными. Многие ошибки копирования окажутся помехой, но некоторые из них, вероятно, приведут к улучшению, позволяющему гену функционировать более эффективно. Они нам необходимы для того, чтобы заработал естественный отбор. Таким образом, нам нужны мутации, как называются эти генетические ошибки, но их не должно быть слишком много. На практике необходим исключительно низкий процент ошибок, действительно столь низкий, что клетка обычно должна принимать особые меры предосторожности, чтобы исправить большинство этих ошибок, оставляя только некоторые для создания нужного разнообразия, если вид должен в дальнейшем сохранить свои позиции и развиваться.

Важно отметить, что сами мутации должны копироваться с помощью механизма репликации. Те ошибки, которые нельзя скопировать, бесполезны, так как они только запутают всю систему. Подобные ошибки каким-то образом должны быть устранены. Столкнувшись с такой химической ошибкой, система копирования может пропустить ее и поместить наугад в одну из стандартных букв. Для того, чтобы заработал естественный отбор, не имеет большого значения, какая сделана ошибка, пока конечным результатом не станет изменение, которое можно точно скопировать в последующих поколениях.

Репликация и мутация — это два важнейших требования. Отсюда вытекает, что ген может быть более или менее «приспособлен». Самое минимальное преимущество, которое он может иметь, заключается в том, что его можно быстрее и чаще копировать по сравнению с его собратьями. Обычно он получает эту способность более опосредованными путями. Он может направлять создание информационной РНК, которая кодирует белок, имеющий некоторое особое и желательное свойство с тем, чтобы организм, который им обладает, получил некоторое преимущество в борьбе за появление более многочисленного и лучшего потомства На научном языке, улучшенный ген обычно непременно изменяет не только генотип (совокупность генов в организме), но также свой фенотип (приблизительно, свойства, которые он демонстрирует миру.) Как правило, это непременно основывается на свойствах или избытке одного или более белков, так как белки управляют большей частью химических процессов, происходящих в теле, тогда как нуклеиновая кислота, особенно ДНК, выполняет немного функций, за исключением репликации и кодирования белков, а также некоторых структурных молекул РНК.

Существует одно окончательное общее требование. Мы должны избегать «перекрестного питания». Вообще, мы не хотим, чтобы соперничающий организм извлек пользу из результата развития наших генов. Мы хотим, чтобы эти результаты помогали только нашим собственным генам. Это означает, что мы должны каким-то образом хранить ген и результаты его развития вместе. На самых низших уровнях для хранения генов и большей части результатов их развития удобно пользоваться одной и той же сумкой. Эта сумка называется клеткой, и она окружена очень тонкой полупроницаемой мембраной, которая мешает большей части молекул внутри клетки покинуть ее до тех пор, пока для присутствия этой молекулы за ее пределами не будет достаточных оснований. В мембране существуют особые ворота и насосы, чтобы доставлять пищу и другие молекулы в клетку извне и выпускать наружу отходы и выборочно другие молекулы.

Вышесказанное в общих чертах характеризует главные требования к информационной системе, необходимой для жизни, но из них вытекают более безотлагательные и земные требования. Так как нам необходимо снимать копии некоторого количества молекул, то у нас должен быть достаточный запас сырья. За исключением самых особых случаев, эти химические соединения необходимо преобразовать в другие, близкие им соединения. В настоящее время каждый такой шаг в клетках обычно катализирует особый белок, фермент, характерный лишь для данной реакции. При зарождении жизни этот сырьевой материал, в основном, должно быть, имел уже готовую для немедленного использования форму, так как в то время могло существовать лишь незначительное число специфических катализаторов, если таковые вообще имелись, для того, чтобы первозданный бульон стал более аппетитным.

Для проведения органического синтеза необходим запас энергии, и это должна быть доступная энергия На научном языке она называется свободной энергией, что вовсе не означает, что вы получаете ее даром. (В термодинамике у данного термина есть довольно точное значение.) Таким образом, система не находится в состоянии равновесия, в узком смысле этого слова, хотя она может быть в состоянии динамического равновесия. Весьма приблизительной аналогией было бы сопоставление спокойного пруда, равновесие которого статично, и бегущей реки, которая продолжает неизменно течь во многом как бы одинаковым образом. Живая система напоминает реку. В нее втекают сырье и свободная энергия, тогда как вытекают отходы и тепло. С научной точки зрения, это открытая система. Только таким способом она может продолжить синтез, необходимый для повторяющейся химической репликации.

Таковы основные требования к жизни. Система должна уметь свободно копировать как свои собственные инструкции, так и косвенно любой механизм, необходимый для их выполнения. Репликация генетического материала должна быть довольно точной, но мутаций — ошибок, которые можно верно скопировать, — должен быть очень небольшой процент. Ген и его «продукт» должны храниться довольно близко друг от друга. Система непременно является открытой и должна иметь запас исходного материала и, тем или иным образом, запас свободной энергии.

Сформулированные в самых общих чертах требования не кажутся слишком строгими, хотя, как мы увидим, их очень трудно выполнить, если начинаешь все с самого начала. Что представляется не таким очевидным — так это замечательная способность такой системы к совершенствованию. Процесс копирования с немногими редко встречающимися ошибками — к чему же он мог бы привести?

Первый момент, который следует уяснить, — это непрерывный характер процесса. Для того чтобы достичь чего-нибудь необыкновенного, система должна постоянно функционировать эффективно. Но это означает, что мы удваиваем количество копий каждое «поколение». Большинство людей знают, что это быстро приводит к трудно поддающимся исчислению числам. Традиционно рассказывают историю о короле или султане, который захотел наградить одного из своих слуг и спросил, какую награду тот хотел бы получить. Человек (непонятно, был ли он хитрым или наивным, мудрым или безрассудным, тираны обычно не любят, чтобы их заставляли выглядеть глупцами) якобы придумал то, что, на первый взгляд, представляется вполне скромной просьбой. Указав на шахматную доску, он попросил одно зерно пшеницы за первую клетку, два за вторую, четыре за третью, восемь за следующую и т.д., каждый раз, удваивая их число. Это может показаться неразумным до тех пор, пока не вспомнишь, что на шахматной доске шестьдесят четыре клетки. Немного простой алгебры показывает, что необходимое для этого число зерен пшеницы составляет менее 264. Это немногим более 10^19, что соответствует весу примерно в 100 миллиардов тон. Эта пшеница заполнила бы куб, каждая сторона которого примерно четыре мили в длину. В конце концов, не такая уж и скромная просьба!

Если живая система продолжит удваиваться таким же образом, то при потребности в пище в виде сырья и энергии она очень скоро истощит ресурсы окружающей среды. Таким образом, через относительно короткий период времени различные особи вынуждены будут бороться за пищу. При наличии лишь постоянного запаса пищи и энергии вся система не сможет продолжать расширяться бесконечно; вместо этого, она достигнет устойчивого состояния. Это означает, что на данном этапе каждый организм оставит в среднем только одного потомка в каждом поколении. Поскольку некоторые организмы оставят двоих, то другие Должны прекратить размножаться. Это может произойти случайно. Один организм может неожиданно натолкнуться на запас пищи, другой может оказаться менее удачлив и голодать. Однако если какой-то отдельный организм приобрел мутацию своих генов, то, по той или иной причине, он может бороться успешнее и оставить в среднем больше потомков, тогда его представительство в популяции увеличится, и поэтому другие менее удачливые организмы обязательно произведут на свет меньшее потомство. Если этот процесс продолжается неограниченно, то менее удачливые типы в конце концов вымрут окончательно, а тот, у которого более эффективный ген, полностью овладеет положением. Здесь важно отметить, что с помощью этого простого процесса редкое случайное событие стало распространенным.

Процесс необязательно должен произойти лишь однажды. Он может происходить раз за разом, так как случай подбрасывает новые благоприятные мутации. Более того, одно усовершенствование может накладываться на другое до тех пор (при условии, что времени достаточно), пока в процессе эволюции не разовьется новый организм, очень тонко настроенный на окружающую среду. Для того чтобы достигнуть такого совершенства исполнения, ему необходимы только мутации, возникшие случайно. По-видимому, здесь нет механизма, безусловно, нет общего механизма, который бы направлял изменение гена с тем, чтобы появлялись только благоприятные изменения Более того, можно доказать, что подобный направляемый механизм, в конце концов, оказался бы слишком косным. Когда наступают слишком трудные времена, то необходимо новшество, важные отличительные особенности которого не могут быть заранее спланированы, и здесь мы можем полагаться только на случай. Случай — единственный источник подлинного новшества.

Сила естественного отбора такова, что он может действовать на всех уровнях. В частности, он может явиться причиной совершенствования самих механизмов отбора; половое размножение оказалось хорошим тому примером. Если окружающая среда (само это понятие не легко определить точно) остается устойчивой, то естественный отбор часто стремится остаться консервативным и сохраняет группу скрещивающихся организмов в ограниченном ареале, так как, в известном смысле, совершенство уже достигнуто, и для любого дальнейшего улучшения может понадобиться крайне редкое событие, к этому времени все умеренно редкие события уже опробованы. Однако если окружающая среда изменяется или если некоторые особи по той или иной причине окажутся в фактической изоляции от остальных, тогда равновесие может быть нарушено, и в этих условиях естественный отбор может быть более созидательным. У нас нет необходимости останавливаться здесь на этих сложностях, которые имеют важнейшее значение для обстоятельной теории эволюции, особенно если нас, в основном, интересует происхождение жизни, когда имевшие место процессы, вероятно, были довольно примитивными. С этой точки зрения важно понять основные, общие особенности процесса и четко осознать, как такой простой набор предположений может привести к таким замечательным и неожиданным результатам.

Насколько нам известно, не существует другого надежного механизма, который так эффективно мог бы создать заслуживающие сравнения результаты. Одной из возможностей могло быть наследование приобретенных признаков. Приложив усилия, жираф мог бы удлинить свою шею и таким образом добывать больше пищи с самых высоких и нежных листьев на дереве. Мы можем представить себе, что это могло бы привести к появлению потомства, имеющего более длинные шеи и поэтому более приспособленного к борьбе за существование. Насколько мне известно, еще никто не привел общих теоретических аргументов, почему такой механизм должен быть менее эффективен, чем естественный отбор, хотя предполагается, что он может оказаться не таким гибким, как последний, особенно если для преодоления эволюционного кризиса требуется подлинное новшество. В любом случае потребовался бы процесс, посредством которого информация в соме (теле животного или растения) передавалась бы в зародышевый путь — яйца или сперму. Подобный механизм был недавно предложен, но доказательство в его пользу сложное и в настоящее время довольно неосновательное. Наследование приобретенных признаков, предположительно, может сыграть некоторую небольшую роль в эволюции, но маловероятно, что она окажется ведущей.

Существуют ли еще другие самые общие требования, необходимые для живой системы? Для того чтобы любая форма жизни представляла для нас какой-то серьезный интерес, она должна быть, по крайней мере, средней сложности, и вероятно, необходимо, чтобы она действительно была очень сложной. Нам неизвестно ничего в структуре Вселенной на любом уровне, что создает такую степень сложности вследствие природы вещей. Единственный известный нам механизм, который может это делать, — это естественный отбор, требования которого мы только что в общих чертах рассмотрели.

Мы видели, что он подразумевает сохранение и репликацию большого количества информации. Единственный эффективный способ это выполнить — использовать комбинаторный принцип. А именно, мы выражаем информацию, используя только небольшое количество типов стандартных единиц, но соединяем их весьма многочисленными различными способами. (Письменность — отличный пример этого принципа.) Жизнь, как мы знаем, использует линейные нити из стандартных единиц, но можно представить схемы, в которых используются упорядоченные слои единиц или даже трехмерные структуры, хотя их было бы труднее копировать. Эти структуры должны не только содержать информацию, а именно, они не должны быть полностью регулярными, но их информационное содержание должно легко и точно копироваться, и, что еще важнее, информация должна быть устойчивой в течение более длительного периода времени, нежели необходимым для ее копирования, в противном случае ошибки будут слишком частыми и естественный отбор не сможет функционировать. Таким образом, создание на основе стандартных единиц расширенных комбинаций, которые довольно устойчивы, представляется важнейшей задачей, если должна развиться какая-то более высокая форма жизни. Если мы попытаемся избежать использования небольшого числа стандартных единиц, то механизм копирования становится все в большей и большей степени затрудненным, каким он несомненно является при письме и печати на китайском языке, содержащем тысячи различных единиц.

Другое общее требование к процессу состоит в том, что он не должен быть слишком медленным. Мы не можем, пока еще, рассчитать скорость процесса эволюции на основании первых принципов, но система, которая была, скажем, в десять или в сто раз медленнее нашей, едва ли имела достаточно времени для создания высших организмов, по сложности аналогичных нашим, даже если эта система зародилась сразу после Большого взрыва. Таким образом, любая система, в основе которой лежит твердое состояние, где химические реакции, безусловно, протекают, но протекают крайне медленно, почти неизбежно оказалась бы слишком медленной. Поэтому нам остается только рассмотреть жидкости и газы.

Одно возражение против чисто газообразного состояния заключается в том, что только мелкие молекулы могут образовывать настоящие газы, поскольку, даже если между ними нет особых сил притяжения, там всегда есть ощутимые силы межмолекулярного взаимодействия (называемые ван-дер-ваальсовыми силами). Они действуют между всеми атомами, хотя только на коротких расстояниях, и возрастают с размером молекулы. Поскольку, как мы видели, информационная молекула должна быть довольно крупной (для того чтобы содержать в себе инструкции, используя комбинаторный метод), то маловероятно, что она окажется газообразной, кроме как при высоких температурах, когда существует опасность, что тепловое движение разрушит ее на части, или же при крайне низком давлении, которое вызвало бы иные трудности. В частности, концентрации молекул, образующих газообразную фазу, были бы тогда обязательно очень низкими, и это замедлило бы скорость необходимых химических реакций. По всем этим причинам, трудно изобрести какую-либо правдоподобную систему, основанную исключительно на газообразном состоянии.

Возникает больше возможностей, если мы позволим частичкам твердой материи или каплям жидкости (или каплям, окруженным особой оболочкой) перейти почти в газообразное состояние. В таких случаях труднее доказать, что такая форма жизни весьма маловероятна. Можно было бы предположить невозможность развития каких-либо крупных организмов, использующих подобную систему, но здесь мы должны быть осторожными. Само существование наземных животных и растений доказывает, что однажды система некоторым образом усовершенствовалась; естественный отбор может быть очень изобретательным, преодолевая трудности подобного рода. Однако все же когда ознакомишься с проблемой, то самое легкое решение — это применить систему, в основе которой крупные соединения, напоминающие твердые структуры, но в незначительном масштабе, и плавающие почти в жидкости. По-видимому, чему-либо еще было крайне трудно начать развитие. Поскольку углерод — это атом, который, в отличие от остальных, превосходит по количеству связей другие атомы, тем самым создавая почти бесконечное разнообразие органических молекул, и поскольку вода — это наиболее распространенная молекула во Вселенной, которую, вероятно, можно найти в любом количестве в жидком состоянии, то не вызывает большого удивления, что жизнь, как мы знаем, основана на соединениях углерода, растворенных в воде.

Конечно, где-нибудь еще во Вселенной может существовать жизнь, в основе которой — другие вещества. При низких температурах жидкий аммиак может служить растворителем, хотя и не таким универсальным, как вода, которая является необычайно хорошим растворителем. Вместо углерода был предложен кремний. Его преимущество в том, что он довольно распространен, по крайней мере, на поверхности Земли. Кремний, который в соединении с кислородом дает силикат, фактически образует расширенные структуры. Некоторые из них слоистые, незначительное число линейно, но большей частью это довольно сложные трехмерные структуры, кристаллические и псевдокристаллические, и не выглядят такими, будто они легко могли создать основание для естественного отбора, кроме как самым неуклюжим образом.

Таким образом, форма жизни, основанная на других веществах, не является невозможной. Некоторые системы заслуживают дальнейшего изучения, но до сих пор никто не преуспел в том, чтобы предложить систему, которая действительно выглядит многообещающей. Некоторые системы, такие как жизнь в плазме или жизнь внутри звезды, кажутся наиболее маловероятными. Для того чтобы развить форму жизни внутри Солнца, необходимо иметь огромное разнообразие расширенных соединений нуклонов, которые были бы устойчивы довольно длительные периоды времени. Предположительно, события внутри Солнца могли бы происходить действительно очень быстро, потому что температура там очень высока. (На самом деле ядерные реакции там идут очень медленно, этим объясняется, почему Солнце светит так устойчиво в течение такого длительного времени ) Возможно, когда звезда взрывается, то реакции можно было бы считать очень примитивной формой естественного отбора, но взрыв столь скоротечен, что его результаты обычно оказывались замороженными чуть ли не раньше, чем у процесса появлялось время, чтобы начать развиваться.

К счастью, у нас здесь нет необходимости интересоваться этими довольно маловероятными возможностями. Очевидно, что наша форма жизни основана на соединениях углерода в водной среде. Что представляют собой эти органические соединения и как они взаимодействуют друг с другом?

Глава 5. Нуклеиновые кислоты и молекулярная репликация

Теперь, когда мы в несколько абстрактных выражениях описали требования к живой системе, мы должны подробнее рассмотреть, как осуществляются различные процессы в тех организмах, которые мы видим повсюду. Как мы уже видели, основное требование, безусловно, заключается в наличии некоторого довольно точного метода репликации и, в частности, копирования длинной линейной макромолекулы, образованной из стандартного набора субъединиц. На Земле эту роль играет то или иное из двух больших семейств нуклеиновых кислот: семейство ДНК и семейство РНК. Общее строение этих молекул является чрезвычайно простым, действительно, настолько простым, что ясно говорит о том, что они действительно восходят к самому началу появления жизни.

ДНК и РНК довольно похожи, они, можно сказать, молекулярные кузины, поэтому давайте сначала опишем ДНК, а затем то, чем отличается от нее РНК. Одна цепочка ДНК состоит из единообразного остова, последовательности атомов, повторяющейся снова и снова, с присоединенной при каждом повторе боковой группой. Химически в остове содержатся ...фосфат-сахар фосфат-сахар... и т.д., и так повторяется многие тысячи или даже миллионы раз. Сахар — это не тот сахар, что стоит у вас на обеденном столе, а более мелкий, который называется дезоксирибоза, то есть рибоза с одной отсутствующей «окси»-группой (следовательно, название ДНК означает Дезоксирибонуклеиновая Кислота; «нуклеиновая» — потому что найдена в ядре высших клеток, «кислота» — из-за фосфатных групп, каждая из которых в нормальных условиях несет отрицательный заряд). К каждому сахару присоединена одна боковая группа. Боковые группы различны, но всего насчитывается лишь четыре их основных типа. Эти боковые группы ДНК (по формальным причинам называемые основаниями) удобно обозначить по первым буквам их названий А, Г, Т и Ц (что означает, соответственно, Аденин, Гуанин, Тимин и Цитозин). Благодаря своему точному размеру и форме, а также характеру химических составляющих, А изящно соединится в пару с Т, а Г — с Ц. (А и Г большие, Т и Ц поменьше, поэтому каждая пара состоит из одного большого и одного малого оснований.)

Пары оснований, которые образуют секрет структуры ДНК Основания соединены слабыми водородными связями, показанными прерывистыми линиями Тимин всегда объединяется с аденином; цитозин с гуанином.

И ДНК, и РНК довольно легко образуют двуцепочечные структуры, в которых обе цепочки лежат рядом, бок о бок, переплетаясь друг с другом для образования двойной спирали и связанные воедино своими основаниями. На каждом уровне существует одна пара оснований, образованная основанием одной цепочки, спаренного (на основе правил спаривания) с основанием другой. Каждая из связей, соединяющая эти пары друг с другом, довольно слаба, хотя в совокупности они образуют достаточно устойчивую двойную спираль. Но если структура нагревается, то возросшее тепловое возбуждение оттолкнет цепочки в сторону с тем, чтобы они разделились и отплыли друг от друга в окружающей их воде.

Генетическое сообщение передается точной последовательностью оснований вдоль одной цепочки. Тогда, зная эту последовательность, можно считывать последовательность ее комплементарной соседки, используя правила спаривания оснований (А с Т, Г с Ц). Генетическая информация записывается дважды, один раз на каждой цепочке. Это может оказаться полезным, если одна из цепочек повреждена, поскольку ее можно восстановить, используя информацию — последовательность оснований — другой цепочки.

Здесь есть одна неожиданная особенность. В обычной двойной спирали оба остова обеих цепочек не приблизительно параллельны, а антипараллельны. Если последовательность атомов в одном остове быстро увеличивается, то во втором — уменьшается. Это приводит к определенным сложностям, но не таким значительным как можно ожидать. По сути, это вытекает из того типа симметрии, которым обладает двойная спираль. Он создается псевдосимметрией спаривания оснований. Оказывается, что для этих конкретных химических соединений это удобный способ точно совпадать друг с другом.

Легко понять, что молекула такого типа, состоящая из пары цепочек, нерегулярные элементы которых (основания) совпадают друг с другом, идеальна для молекулярной репликации, особенно потому, что обе цепочки можно довольно легко отделить друг от друга щадящими методами Это происходит потому, что связи внутри каждой цепочки, скрепляющие каждую цепочку, являются прочными химическими связями, довольно невосприимчивыми к обычному тепловому разрушению, тогда как обе цепочки удерживаются вместе довольно слабыми связями, так что их можно без значительных затруднений отодвинуть друг от Друга, не нарушив при этом остов каждой из них. Две цепочки ДНК подобны двум любовникам, они удерживают друг друга в тесных объятиях, но их можно разделить, потому что как бы тесно они ни соприкасались друг с другом, у каждой есть единство, которое сильнее связей, их объединяющих.

Поскольку они столь точно совпадают друг с другом, то одну цепочку можно считать матрицей другой. Основной механизм репликации очень просто понять. Обе цепочки разделяются. Затем каждая цепочка действует как шаблон для сборки новой парной цепочки, используя в качестве сырья запас из четырех стандартных элементов. Когда эта операция завершится, мы будем иметь две пары цепочек вместо одной, и поскольку для того, чтобы выполнить работу аккуратно, сборка должна подчиняться правилам спаривания оснований (А с Т, Г с Ц), то последовательности оснований обязательно будут точно скопированы. В итоге мы получим две двойные спирали, где раньше имели лишь одну. Каждая дочерняя двойная спираль будет состоять из одной старой цепочки и одной вновь синтезированной цепочки, точно совпадающих друг с другом, и что более важно, последовательности оснований этих двух дочерних цепочек окажутся идентичными последовательности первоначальной родительской ДНК.

Основная идея вряд ли может быть проще. Единственная довольно неожиданная особенность заключается в том, что обе цепочки не идентичны, а комплементарны. Можно представить даже еще более простой механизм, в котором одинаковое спаривается с одинаковым с тем, чтобы обе парные цепочки оказались идентичными, но характер химических взаимодействий, скорее, несколько облегчает точное соответствие друг другу комплементарным молекулам, нежели абсолютно идентичным.

Как подобный процесс выдерживает сравнение с более крупными механизмами копирования, распространенными сегодня? Строка набора, подготовленная для печати, состоит (или обычно состояла) из определенного числа стандартных символов, организованных в строку или ряд строк. У каждой буквы в этом шрифте есть одинаковый для всех букв стандартный элемент, который вставляется в бороздки, удерживающие эту литеру на месте, и элемент, который характерен для каждой буквы. На этом сходство кончается. В репликации ДНК нет ничего, что соответствовало бы полиграфической краске. Буквы, напечатанные на листе, являются зеркальными изображениями очка литеры, но не комплементом (который остаётся, когда очко литеры вошло), и, что самое важное, получившуюся на печати строчку нельзя потом вернуть на место в ту же машину, чтобы воспроизвести очко литеры. Печатные прессы выпускают многие тысячи экземпляров газет, но газеты не копируются обратно в набор.

Репликация ДНК совсем не такая. Для того чтобы заработал естественный отбор, важно, чтобы саму эту копию можно было скопировать. Репликация ДНК больше похожа на отливку фрагмента скульптуры из литейной формы, так как если она достаточно простая, то саму скульптуру можно использовать для создания дополнительной формы. Основная разница заключается в том, что нить ДНК строится лишь из четырех стандартных отрезков. Очевидно, что это не относится к большинству фрагментов скульптуры.

Если мы исследуем процесс репликации ДНК, то увидим, что здесь есть ряд основных требований. Если мы начнем с двойной спирали, то обе цепочки должны каким-то образом разделяться. В наличии должен иметься запас из четырех элементов, каждый из которых состоит из характерного участка остова, — одна молекула сахара объединяется с одной молекулой фосфата, — и включает одно из четырех оснований, присоединенное к сахару. Такая состоящая из трех частей молекула называется нуклеотид. На практике эти первичные элементы имеют не просто один фосфат, а три, расположенные в ряд, причем два других отделяются в процессе полимеризации, предоставляя таким образом энергию для проведения синтеза в желаемом направлении. Хотя можно представить процесс, проходящий без дополнительных элементов, в развитой системе мы непременно рассчитываем обнаружить, по крайней мере, один фермент (то есть белок с каталитической активностью), который ускорит синтез и сделает его более точным.

Таковы в общих чертах требования. Когда исследуешь реальную систему репликации, то обнаруживаешь, что она значительно сложнее. Прежде всего, когда начинается синтез, обе цепочки еще полностью не разделились. Синтез новых цепочек происходит в процессе разделения, поэтому некоторые части двойной спирали копируются еще до того, как разделились другие более удаленные участки. Есть особые белки, функция которых состоит в том, чтобы раскрутить двойную спираль, и вместе с другими, которые могут создать ники[4] в остове, дать возможность одной цепочке вращаться вокруг другой, и затем вновь объединить разорванную цепь. Так как обе цепочки двойной спирали быстро двигаются в противоположных направлениях, и так как, говоря химическим языком, синтез проходит только в одном направлении, то мы обнаружим, что синтез происходит в прямом направлении на одну из цепочек и в обратном направлении на другую, поэтому механизм должен учитывать эту сложность. Более того, новый фрагмент цепочки ДНК обычно начинается как небольшой отрезок РНК, с которым затем объединяется более длинный фрагмент ДНК. Существуют добавочные белки, которые затем вырезают этот праймер РНК и заменяют его эквивалентным отрезком цепочки ДНК, и затем объединяют все воедино без разрыва. Мы знаем, что для синтеза одного вида небольшого вируса, созданного из ДНК, требуется почти двадцать различных белков; какие-то из них выполняют одну функцию, какие-то — другую. Это очень характерно для биологических процессов. Лежащий в их основе механизм должен быть простым, но если процесс биологически важен, тогда в длительном ходе эволюции естественный отбор усовершенствует и приукрасит его, с тем чтобы он мог функционировать как быстрее, так и точнее. Именно вследствие этой причудливой усложненности биологические механизмы часто так трудно разгадать.

К счастью, как мы отмечали ранее, нам не нужно задерживаться на этих сложностях. Когда зародилась жизнь, химия, должно быть, была относительно простой. Здесь важно уяснить, что четкая геометрия пар оснований, которая лежит в основе правил спаривания, предоставляет удобный случай особой репликации, даже в совершенно простых системах. Мы видим, что решающей в ДНК является не ее двойная спираль. Действительно, простой вирус может иметь в качестве своего генетического материала единственную нить ДНК, и она может быть настолько коротка (длиной лишь в пять тысяч оснований), что ей не требуется вторая цепочка в качестве страховки от повреждения. Основная особенность заключается в том, что в механизме репликации должна использоваться простота особых пар оснований для построения новой цепочки с комплементарной последовательностью оснований по отношению к старой. Именно эта простота заставляет нас считать, что она использовалась в самых древних живых системах. Вопрос о том, остаются ли обе цепочки, новая и старая, вместе после репликации, менее важен.

Здесь мы должны сказать несколько слов о близкой родственнице ДНК — РНК. (Подробнее различные виды РНК описаны в приложении.) Как мы уже объясняли, генетическая информация в каждой клетке высшего организма закодирована как подробная последовательность оснований ряда очень длинных молекул ДНК. В любое время многие более короткие участки этой последовательности копируются на однонитевые молекулы РНК и используются клеткой в качестве рабочих копий. Некоторые из них используются для структурных целей, но большинство как информационные РНК — инструкции для синтеза белка. Это происходит в очень сложных молекулярных структурах, называемых рибосомами, и для этого необходим дополнительный молекулярный аппарат, в частности, набор транспортных молекул РНК (тРНК).

Это, безусловно, очень сложная, но сложна она, в основном, потому, что должна выполнять сложную функцию. Процесс создания однонитевой копии РНК участка ДНК, который называется транскрипцией, относительно прост, и, чтобы направлять его, необходим лишь достаточно крупный белок. Процесс синтезирования белка с использованием фрагмента информационной РНК в качестве инструкций, который называется трансляцией, обязательно сложнее, так как инструкции написаны на языке РНК, состоящем из четырех букв, а их следует перевести с помощью химического механизма на язык белка из двадцати букв. Действительно, очень удивительно, что такой механизм вообще существует, и еще удивительнее, что любая живая клетка, животного ли, растения или же микроорганизма, содержит его вариант. Его открытие явилось одним из триумфов молекулярной биологии.

Таким образом, клетка — это миниатюрная фабрика, ведущая быструю, организованную химическую деятельность. В условиях соответствующих молекулярных воздействий фермент деловито синтезирует отрезки информационной РНК. Рибосома запрыгивает на каждую информационную молекулу РНК, двигается вдоль нее, считывая ее последовательность оснований и соединяя друг с другом аминокислоты (которые доставили ей молекулы тРНК) с тем, чтобы создать полипептидную цепь, которая, по завершении этого процесса, свернется и станет белком. Природа изобрела сборочный конвейер за несколько миллиардов лет до Генри Форда. Более того, этот сборочный конвейер производит много разных, весьма специфических белков, механических инструментов клетки, которые сами создают и восстанавливают органические химические молекулы для того, чтобы обеспечить сборочный конвейер сырьем, а также все молекулы, необходимые для устройства структуры фабрики, снабжают ее энергией, избавляют от отходов и выполняют другие Функции. Поскольку все это так сложно, то читателю не обязательно пытаться разобраться во всех этих тонкостях. Важно осознать тот факт, что несмотря на то, что генетический код почти универсален, механизм, необходимый для его реализации, слишком сложен для того, чтобы появиться внезапно. Он должен был развиться из какого-то более простого. Несомненно, что главная задача в понимании происхождения жизни — это попытаться разгадать, какой могла быть эта более простая система.

На этом этапе, возможно, стоит сравнить и сопоставить эти три больших семьи макромолекул: белок, РНК и ДНК. Молекулы белка, которые строятся из двадцати различных боковых цепочек, некоторые из которых химически довольно активны, более универсальны как класс, по сравнению с молекулами нуклеиновых кислот. Именно по этой причине все известные ферменты созданы из белков, хотя в некоторых случаях могут понадобиться мелкие органические молекулы, чтобы работать одновременно с ними в качестве фермента. Именно способность каждого фермента создавать или разрушать определенные химические связи позволяет современным клеткам вообще функционировать. Поскольку многие различные химические реакции необходимо подобным образом катализировать, то существует много различных видов ферментов.

В противоположность этому, не найдена ни одна молекула нуклеиновой кислоты, выполняющая функции катализатора. Обе, и РНК, и ДНК, имеют только четыре типа боковых групп вместо двадцати, и, несмотря на то, что они идеальны для репликации, потому что их основания так хорошо совпадают друг с другом, эти боковые группы не подойдут для химического катализа. Но РНК и ДНК могут делать то, чего не могут белки, — образовывать комплементарные структуры типа найденной в двойной спирали. Мы не знаем способа, которым молекула белка могла бы сделать то же самое, ну и, конечно же, этого не сделает современный белок с его двадцатью различными видами боковых цепочек.

Большинство химиков, занимающихся проблемой происхождения жизни, считают, что в начале первой появилась РНК, а ДНК является более поздним изобретением. РНК химически реактивнее ДНК, и, вероятно, ее было легче синтезировать в первозданных условиях Земли. Самые первые гены, должно быть, были созданы из РНК. Только позднее, когда генетическая информация увеличилась в длину, появилась необходимость в более устойчивой ДНК для обеспечения архивной копии.

Жизнь, какой мы ее знаем на Земле, представляется синтезом двух макромолекулярных систем. Белки, благодаря своей универсальности и химической реактивности, выполняют все функции, но неустойчивы для репликации самих себя любым простым способом. Нуклеиновые кислоты, по-видимому, специально созданы для репликации, но кроме нее могут успешно выполнять довольно небольшое количество функций по сравнению с более сложными и лучше оснащенными белками. РНК и ДНК — эти немые ткани биомолекулярного мира, которые, в основном, подходят для воспроизведения (с небольшой помощью со стороны белков), но от них мало пользы во многих действительно необходимых вещах. К проблеме происхождения жизни было бы намного легче подойти, если бы существовала только одна семья макромолекул, способная выполнять обе функции, репликацию и катализ, но жизнь, как мы знаем, задействовала две семьи. Возможно, это происходит благодаря тому, что не существует макромолекул, которые могли бы выгодно выполнять обе функции вследствие ограничений, накладываемых органической химией, то есть вследствие природы вещей.

Для того чтобы продвинуться дальше вперед, мы должны попытаться что-нибудь узнать о химических и физических условиях на первозданной Земле или на любой другой похожей планете К этому мы сейчас обратимся.

Глава 6. Первозданная Земля

Какие нужны вещества для образования материальной основы жизни? Жизнь, которую мы все видим вокруг себя, основана на атомах углерода, соединенных с водородом, кислородом и азотом, наряду с некоторым количеством фосфора и серы. Используя эти немногие виды атомов, можно создать огромное количество различных мелких молекул, то есть молекул, в которых, скажем, менее пятидесяти атомов, и почти неограниченное количество различных макромолекул, каждая из которых содержит тысячи атомов. Важны также и другие атомы, такие как заряженные атомы (ионы) натрия, калия, магния, хлористых соединений, кальция, железа и ряд других, но в большинстве случаев они не входят в состав органических молекул, а существуют, главным образом, самостоятельно. Для зарождения жизни был необходим запас большей части этих атомов. Как они образовались? Существовали ли они отдельно или в простых соединениях?

Оказывается, что все атомы, найденные в органической химии, очень реактивны. Даже в атмосфере они существуют в соединениях. Простые химические доказательства говорят о том, что водород соединится сам с собой для образования молекулы Н2, кислород — О2, а азот — N2. Мы также можем рассчитывать на простые соединения, такие как H2O (вода), NH3 (аммиак), СO2 (углекислый газ), CH4 (метан), и ряд других. Сегодня наша атмосфера состоит, в основном, из очень инертного газа азота (N2), наряду с примерно двадцатью процентами кислорода (O2), а также небольшого количества водяного пара (H2O) и даже еще меньшего количества углекислого газа (CO2).

Привычным стало представление о том, что первозданная атмосфера на Земле была совершенно иной. Поскольку водород — безусловно, самый распространенный элемент во Вселенной, то естественно было считать, что в первозданной атмосфере преобладал водород. В настоящее время почти весь кислород в воздухе образуется в процессе фотосинтеза. В древнейшие времена на Земле жизни не было, и поэтому кислород не мог образоваться подобным образом. Такая атмосфера, богатая водородом и бедная кислородом, известна как восстановительная, в отличие от современной атмосферы, которая называется окислительной. Эксперименты по пребиотическому синтезу, которые следует кратко описать, по-видимому, подтверждают этот вывод.

В последнее время эти представления подверглись сомнению. Водород такой легкий, что силы земного тяготения недостаточно для его удержания, и он довольно легко улетучивается в космическое пространство. Точная его скорость зависит от ряда факторов, особенно от температуры в верхних слоях атмосферы, так как чем выше температура, тем быстрее перемещаются атомы или молекулы, и тем легче они улетучиваются в космическое пространство. Теперь считается вполне возможным, что значительное количество первоначально образовавшегося водорода улетучилось так быстро, что он никогда не преобладал в атмосфере.

А что же кислород? Если его нельзя было вырабатывать с помощью фотосинтеза, то есть ли какой-нибудь другой возможный механизм? Почти не вызывает сомнений, что на первозданной Земле было много воды, в частности, в ее атмосфере. В благоприятных условиях ультрафиолетовый свет может расщеплять воду на составляющие ее элементы. Если образованный таким образом водород затем улетучился в космическое пространство, то оставшийся кислород, вероятно, накапливался, и если процесс проходил в довольно большом масштабе, то атмосфера могла бы обогатиться кислородом. Сегодня, из-за химического состава современной атмосферы, этот процесс уже не вырабатывает кислород со значительной скоростью, но, по крайней мере, возможно, что в отдаленном прошлом условия настолько отличались, что кислород создавался более свободно.

Конечно, кислород и водород не были единственными элементами, которые содержались в воздухе. В нем, вероятно, было много азота, некоторое количество углерода и, возможно, немного серы, хотя последние два, скорее всего, входили в состав соединений. Может быть, в ней присутствовали газы N_2 и СО_2, а также в меньших количествах СН_4, CO и, возможно, NH_3 и H_2S (сероводород). Что совершенно неясно, так это их точное количественное соотношение, в частности, количество H_2 и O_2.

Так как атмосфера взаимодействует с химическими веществами на поверхности Земли, то химический состав древнейших осадочных пород должен дать нам некоторые сведения о составе древней атмосферы. Некоторые из этих пород наводят на мысль, что они образовались в восстановительных условиях. Это восприняли как подтверждение гипотезы, что атмосфера тогда была восстановительной. С некоторых пор это также подвергают сомнению. Даже сегодня некоторые осадочные породы носят восстановительный характер, например, серные грязи, несмотря на весь кислород, содержащийся в воздухе вокруг нас. Такие условия обычно создает анаэробное гниение органических веществ в грязи. Сейчас утверждается, что если принять во внимание все имеющиеся в нашем распоряжении породы данного периода, то при усреднении, на основании этих данных, можно предположить, что атмосфера в прошлом была довольно похожа на современную. К сожалению, эти данные относятся лишь к периоду 3,2 миллиарда лет назад. Данные, относящие к более раннему периоду, слишком скудны, потому что в нашем распоряжении имеется слишком мало соответствующих пород. Вывод о том, что атмосфера 3,2 миллиарда лет назад была не восстановительной, не слишком удивляет, потому что мы считаем, что организмы, осуществляющие фотосинтез, уже существовали, по крайней мере, 3,6 миллиарда лет назад. К сожалению, сейчас мы не можем установить, сколько их было, поэтому трудно оценить, в больших или малых количествах они вырабатывали кислород.

Итак, нам хотелось бы знать приблизительный состав атмосферы Земли в период времени, предшествующий зарождению жизни, и, в частности, какой именно она была, восстановительной или окислительной. Сейчас, по-видимому, трудно прийти к какому-либо определенному выводу по этому вопросу.

Температура первозданной Земли также точно неизвестна, так как это в значительной степени зависит от того, насколько быстро она формировалась. Если температура падала одновременно с образованием Земли в течение короткого промежутка времени, то у тепла, порождаемого столкновениями, не было времени улетучиться, и, таким образом, на первой стадии Земля, вероятно, была очень горячей. Если процесс шел медленнее, то на первозданной Земле могла быть более умеренная температура, хотя, вероятно, были и неустойчивые локальные горячие точки, возникшие вследствие толчков во время последних этапов агрегации. Каким бы ни был характер процесса, по-видимому, в какой-то момент времени Земля успокоилась, создав достаточный запас жидкой воды для образования первозданных океанов, морей, рек, озер и заводей.

Каким бы ни был состав атмосферы, несомненно, что она получала большие потоки солнечной энергии. Точно неизвестно, какой именно была в то время температура Солнца, хотя возможно, что его излучение не отличалось значительно от того, что мы получаем сегодня. Одним возможным отличием воздействия излучения, достигавшего поверхности Земли, могло быть отсутствие современного озонового слоя (O3), так как если в атмосфере было немного кислорода (за исключением того, что входил в состав воды, CO и CO2), то, вероятно, озоновый слой отсутствовал. Сегодня этот слой во многом защищает от ультрафиолетового света, излучаемого Солнцем. Вероятно, тогда, как и сегодня, часто случались электрические бури (похожие на наши грозы) и велась довольно бурная вулканическая деятельность, как на суше, так и на дне океанов. Кроме того, происходили ионно-молекулярные реакции в ионосфере и верхних слоях атмосферы, поэтому существовало несколько источников энергии того вида, который необходим для активизации химического обмена. Все это предполагает, что первозданные океаны состояли не только из воды и немногих простых солей, но и накопили достаточное разнообразие мелких органических молекул, образованных из молекул в атмосфере и растворенных в океанах с помощью электрических разрядов, ультрафиолетового света или других источников энергии.

Мысль о том, что древняя атмосфера была не похожа на современную, а содержала намного меньше кислорода, по-видимому, получила впечатляющее подтверждение в 1953 году от Стенли Миллера, студента Гарольда Урея (Harold Urey), который пропускал электрический заряд через смесь CH_4, NH_3, H_2 и H_2O, помещенную в закрытую систему. Система состояла из фляги воды, которую кипятили для того, чтобы ускорить циркуляцию газов, и которая служила для поглощения любых летучих, растворимых в воде продуктов реакции и их защиты от разделения электрической искрой. Через неделю (или около этого) разряд прекращался. Оказывалось, что вода содержит ряд мелких органических соединений, включая значительное количество двух простых аминокислот, глицина и аланина, найденных во всех белках. С тех пор проводилось много подобных экспериментов с использованием различных смесей сазов и множества источников энергии и условий эксперимента, включая пропуск газов через нагретые неорганические поверхности. Их результаты слишком сложны, чтобы кратко их здесь описать, за исключением одного поразительного факта. Если смесь газов включает значительное количество кислорода, то мелких молекул, похожих на молекулы, имеющиеся в живых системах, не обнаруживали. Если газообразный кислород отсутствует, то такие мелкие молекулы образуются при условии, что смесь газов содержит, в том или ином виде, азот и углерод. Некоторые смеси газов создают большее разнообразие аминокислот по сравнению с другими, особенно если в них не содержится H_2. На первозданной Земле H_2 обычно терялся в космическом пространстве, тогда как в Первоначальном эксперименте Миллера, который проводился в закрытом сосуде, у любого образованного H_2 не было такой возможности, и поэтому он накапливался в установке, пока шел эксперимент.

Таким образом, если атмосфера была восстановительной, то вода на первозданной Земле, вероятно, содержала довольно разбавленную смесь мелких органических молекул, многие из которых могли послужить исходным материалом для древнейших живых систем. Какие именно образовались молекулы, в каком количестве и где — в верхних ли слоях атмосферы, в океанах, около подводных вулканов или в приливных заводях, в небольших озерах, в горячих источниках, вблизи вулканических трещин или же во всех этих местах, — этот вопрос остается открытым. Многие из этих молекул неустойчивы в воде в течение очень длительных периодов времени, поэтому, в конечном итоге, окажется, что установленные их количества появились благодаря равновесию между их непрерывным образованием в течение тысяч или миллионов лет и их разрушением вследствие теплового движения. Большинство аминокислот имеют как отрицательный, так и положительный заряд, поэтому, несмотря на то, что они небольшие и в сумме электрически нейтральные, они скорее останутся в воде, чем попадут в воздух. По этой причине они обычно не терялись при испарении. Этот первозданный бульон, как его часто называют, «получился плохим» в обычном смысле, потому что тогда не было микроорганизмов, которые жили бы в нем и питались бы его молекулами.

Однажды я спросил своего коллегу Лесли Оргела, который работает над проблемой происхождения жизни: какой могла быть концентрация этого бульона. Он рассказал мне, что провел весьма приблизительные расчеты и что, судя по всему, этот бульон содержал примерно столько же органического вещества (хотя главным образом мелких органических молекул), сколько содержит куриный бульон. Я был поражен. Я хорошо помнил, что однажды в один из редких случаев, когда я вынужден был готовить себе сам, я открыл банку с куриным бульоном и что, кроме маленьких кусочков мяса, в ней была еще густая, жирная, питательная смесь. Существование целого океана подобной смеси представлялось мне крайне невероятным. Однако оказывается, что это вещество правильнее охарактеризовать как куриный отвар. Оргел имел в виду именно прозрачный, довольно жидкий куриный бульон. На самом деле ему удалось даже измерить количество органического вещества в отдельной его пробе. Возможно, не каждый согласится с его оценкой, но она дает самое приблизительное представление об общем количестве органического сырья, которое, вероятно, имелось на Земле до зарождения на ней жизни.

Если окажется, что древняя атмосфера была не восстановительной, а содержала значительное количество кислорода, то картина усложняется. На первый взгляд, может показаться, что, поскольку не было подходящего исходного материала, жизнь едва ли могла зародиться здесь. Если это действительно так, значит, это доказывает гипотезу о направленной панспермии, потому что где-нибудь в другом месте Вселенной планеты могли иметь более восстановительную атмосферу (что мы обсудим в главе 8), и поэтому там был более благоприятный пребиотический бульон. Однако даже в условиях окислительной атмосферы на Земле могло быть несколько мест, где были восстановительные условия, например, под горными породами и на дне озер и океанов. Возможно, на дне моря были горячие источники, которые обеспечили поблизости подходящие условия для пребиотического синтеза.

Еще одна возможность заключается в том, что значительное количество мелких молекул, найденных в космическом пространстве, тем или иным способом достигло поверхности Земли, может быть, на столкнувшихся с ней кометах, образовав локальные концентрации подходящих химических веществ. Даже если они составляли лишь небольшую часть поверхности Земли, на ней могло быть достаточно таких особых мест, чтобы начались эти процессы, если допустить, что жизнь при наличии подходящей окружающей среды может зародиться очень легко.

Несмотря на всю эту неопределенность, кажется вполне возможным, что на каком-то раннем этапе истории Земли на ее поверхности существовало значительное количество воды и что в таких местах она состояла из слабого раствора мелких органических молекул, многие из которых относились к исходным веществам, необходимым для создания белков и нуклеиновых кислот, наряду с различными солями, вымытыми из окружающих горных пород. Условия также могли быть вполне подходящими для появления некой очень примитивной формы жизни. Поэтому мы оказываемся в затруднении при принятии решения: на какой стадии этого непрерывного процесса химической эволюции нам следует признать такую очень простую систему живой.

Выбор какой-то конкретной стадии должен быть до некоторой степени произвольным, но есть один критерий, который мы можем с пользой применить, чтобы провести разграничение между живым и неживым. Действует ли естественный отбор, пусть даже довольно незатейливым образом? Если он есть, тогда редкое событие может стать распространенным. Если его нет, то любое редкое событие должно проявиться исключительно благодаря случаю и сложной природе вещей. Этот критерий важен, потому что, как мы увидим, зарождение жизни действительно могло быть весьма необычным событием, и нам очень хотелось бы знать, до какой степени необычным оно было.

Какова вероятность того, что при наличии той или иной разновидности бульона самопроизвольно зародилась система, которая могла развиваться с помощью естественного отбора? Здесь мы сталкиваемся с невероятно трудными проблемами. Чтобы ни произошло в те давние времена, мы можем быть уверены, что примитивная система, в конце концов, достаточно плавно развилась в систему, существующую в настоящее время. Репликация последней основана на нуклеиновых кислотах, а действие — на синтезе белка. Мы не можем быть уверены, что в основе древнейшей развивающейся системы не лежало нечто совершенно иное, что подготовило почву для развития современной, Даже если это не так и первая система репликации содержала некоторые элементы той, что мы имеем сегодня, мы не располагаем данными, появилась ли сначала нуклеиновая кислота, или же первым появился белок, или они оба развивались одновременно. Мое собственное пристрастное мнение заключается в том, что первой появилась нуклеиновая кислота (может быть, РНК), и за ней вскоре последовала простая форма синтеза белка. По моему мнению, это самый легкий путь развития, но даже он, по-видимому, чреват трудностями. Вероятно, фосфат был широко распространен, а сахарная рибоза (которая не содержит азота) могла легко образоваться в некоторых особых условиях, потому что известно, что формальдегид (НСНО) был одним из самых распространенных пребиотических химических элементов. Однако для синтеза оснований, таких как аденин, требовался несколько иной набор элементов, которые обязательно содержат азот. Затем возникает проблема связывания сахара как с фосфатом, так и с основанием в правильном порядке (возможны и несколько неправильных), и далее активирования этого соединения (называемого нуклеотидом), возможно, с помощью присоединения к нему еще одного или двух фосфатов, чтобы обеспечить необходимую энергию для связывания воедино двух нуклеотидов. Эта операция, если бы она повторялась, привела бы к возникновению цепочечной молекулы, которую мы называем РНК. Нелегко представить, как это могло произойти в смеси других, достаточно похожих соединений без частого присоединения к цепи не тех молекул, если там не было какого-нибудь достаточно специфического катализатора. Предположительно, им мог бы быть минерал или некий пептид, созданный случайным скоплением аминокислот, но даже если все происходило именно так, тому все еще нет достаточно убедительных доказательств. И если подобный процесс действительно происходил, пусть даже всего лишь в одной определенной заводи в одно определенное время, то он только привел бы к появлению РНК с довольно случайной последовательностью оснований.

Для того чтобы заработал естественный отбор, нам необходим достаточно точный механизм копирования. И здесь есть некоторый проблеск надежды. Если полимеризация РНК по какой-либо причине была довольно распространенной, то, вероятнее всего, она со временем привела к появлению какой-либо молекулы, похожей на молекулы транспортной РНК, которые повсеместно используются в современном синтезе белка. Петли такой молекулы могли помочь сгущению нуклеотидов в короткие цепочки, длина которых составляет лишь три остатка, и они могли быть лучшими предшественниками процесса репликации, чем единичные нуклеотиды.

Если бы нужна была только репликация, то РНК представлялась бы перспективным кандидатом, но, несмотря на то, что одна репликация может привести систему в действие, по мере усиления соперничества необходимо нечто большее. Действительно если ген должен значительно повлиять на свое окружение, значит, в ближайшее время он должен что- то сделать. Итак, РНК для этого не идеальна. Несомненно, в благоприятных обстоятельствах она может образовывать трехмерные структуры, но они, по-видимому, редко обладают какой-либо каталитической активностью. Возможно, ее обеспечивали того или иного рода мелкие органические молекулы, которыми изобиловал окружающий бульон. Может быть, некоторые из них изящно соединялись с определенными свернутыми молекулами РНК для того, чтобы создать примитивный «фермент» с небольшой и чрезвычайно простой каталитической активностью, хотя до сих пор еще никто не пытался обнаружить подобные организмы.

Более привлекательный вариант заключается в том, что примитивная система синтеза белка могла зародиться лишь при наличии информационной молекулы РНК и тРНК, то есть без рибосом или белка. Это еще один возможный вариант, но он все еще не подтвержден экспериментально. Такая система, если она действительно имела место, объяснила бы многие наши затруднения в понимании процесса, хотя некоторые проблемы остаются, например, как «притянуть» правильную аминокислоту к каждому виду транспортной РНК.

Как только начали действовать синтез РНК и репликация, можно считать, что появились простые катализаторы, которые заставляли все эти древние химические реакции протекать быстрее и эффективнее. С того времени мог начать работать естественный отбор для того, чтобы совершенствовать и развивать систему. Каким бы привлекательным ни был этот вариант, все еще обстоятельно не определен и не проверен экспериментально его механизм.

Поэтому существуют некоторые основания для поиска других возможностей. Вторым очевидным кандидатом в примитивные репликаторы является некий вид древнего белка. Этот вариант привлекателен, потому что бульон, скорее всего, содержал несколько аминокислот и. возможно, значительное количество различных их типов, хотя (не считая глицина, молекула которого не является разветвленной) в нем, вероятно, присутствовали примерно равные смеси молекул с двумя возможными разветвлениями. Трудность здесь состоит в том, что аминокислоты, по-видимому, не образуют изящную пару таким же образом, каким могут спариваться основания в нуклеиновых кислотах. В белке не обнаружено двойной спирали, хотя белковый коллаген (тот, что присутствует в сухожилиях, оболочках, коже и т.д.) состоит из трех полипептидных цепей, переплетающихся друг с другом и образующих тройную спираль. Каждым третьим остатком должен быть глицин, но здесь, по-видимому, нет очевидного взаимодействия, которое могло бы отобрать аминокислоты для двух других участков. Более того, коллаген имеет довольно регулярную структуру и, по-видимому, каталитически инертен. Если бы кто-то смог создать простую форму белка, может быть из четырех аминокислот, которые могли бы составить основу простого процесса копирования (как это могут сделать РНК или ДНК), то это было бы важным открытием. До тех пор к утверждению, что белок был примитивным репликатором, мы должны относиться с осторожностью.

Все это не означает, что случайная полимеризация не могла выработать молекулы протеиноида, которые, возможно, помогли в создании системы до появления, в конечном итоге, настоящей репликации, но необходим был именно этот более поздний процесс, если естественный отбор должен был происходить свободно.

Всегда есть вероятность того, что древняя система репликации была совершенно иной, и в силу своей чрезмерной топорности или недостаточной универсальности, в конце концов, уступила место современной. Подобную идею трудно опровергнуть. Нам, по крайней мере, следует научиться представлять, как мог бы осуществляться подобный переход от древней системы, какой бы она ни была, к современной, в основе которой находятся нуклеиновая кислота и белок. Было высказано предположение, что для этого могли бы подойти слоистые структуры глины, но нелегко представить особенности их функционирования, и до сих пор нет впечатляющих экспериментальных данных подобного поведения.

В целом, довольно правдоподобно выглядит версия, что первым репликатором была РНК. Эта гипотеза значительно выиграла бы, если бы мы могли собрать простую систему копирования в пробирке без использования белка. Для облегчения задачи мы могли бы начать с одной сформированной заранее нити РНК, имеющей несколько произвольную последовательность оснований, и попытаться создать ее комплементарную спутницу, доставив необходимые исходные материалы. Для проведения реакции нам обязательно понадобятся четыре их типа, а также химическая энергия в некоторой форме. Подобные эксперименты проводились до сих пор с довольно скромными успехами. Лучший по исполнению на сегодняшний день — это эксперимент, проведенный Лесли Оргелом и его коллегами, которые поли-Ц (полицитидиловую кислоту) в качестве шаблона (то есть РНК, каждое основание которой составляет цитозин) снабдили химически активированной формой Г, обычного комплемента Ц. В присутствии ионов цинка (Zn++) (ион, найденный во всех современных ферментах, которые полимеризируют нуклеиновую кислоту) Г медленно объединяются друг с другом в правильное соединение (называемое 3'-5') для образования поли-Г значительной длины. В инкубационной смеси можно обнаружить молекулы, насчитывающие До двадцати Г в ряд, а более длинные, вероятно, будут присутствовать в количествах, не поддающихся современным методам обнаружения. Более того, система достаточно правильна в том, что объединяет только довольно небольшие количества А и У (как «ошибки»), когда в смесь также добавляются их предшественники. Это многообещающее начало, но для того, чтобы оно оказалось полезным, нам следует суметь выяснить точную (комплементарную) репликацию конкретной последовательности Ц и Г. До сих пор этого еще не сделано. Между прочим, не обязательно, чтобы в первоначальной системе присутствовали все четыре основания, поскольку, имея только две их разновидности, РНК может содержать информацию в своей последовательности; однако для хорошей репликации они должны быть комплементарными.

Даже если эти трудности преодолены, система, даже простая, уже отчасти лишена естественности. Например, она необычайно чистая. Трудно представить, как на первозданной Земле мог образоваться маленький водоем, в котором присутствовали именно эти соединения и никакие другие. Нелегко также представить себе, как именно могли возникнуть их предшественники. По всей вероятности, ими могли быть нуклеозидтрифосфаты или, на более простом языке, молекулы, состоящие из основания, сахара (рибозы) и трех фосфатов в ряд, хотя это не совсем те соединения, которые использовались в описанных выше экспериментах. Можно представить, как, скорее всего, каждый из этих отдельных ингредиентов мог возникнуть в том или ином месте первозданной Земли; не так легко представить, как сложилось их правильное сочетание и как, по крайней мере, частично оно отделилось от других, несколько похожих молекул, которые, если таковые имелись, вероятно, могли запутать систему. Конечно, никто уже не в силах сварить примитивный бульон из воды, солей, нескольких газов и ультрафиолетового света (или какого-либо другого источника энергии) и оставить его настаиваться до тех пор, пока в результате в нем не образуется изящная система репликации РНК. Эта неспособность не слишком удивительна, так как природе, может быть, понадобилось много миллионов лет, во многих местах на поверхности Земли, прежде чем одно счастливое стечение обстоятельств создало систему, которая могла как положить начало репликации, так и продолжать в течение некоторого времени действовать.

Таким образом, мы находимся в одной из наиболее мучительных ситуаций. С одной стороны, мы считаем, что на поверхности Земли мог существовать довольно достаточный запас органических молекул, в частности, аминокислот, пусть даже в большинстве мест их концентрация могла быть довольно низкой. Кроме того, двойная спираль РНК и ДНК определенно говорит о том, что она могла образовать хорошую основу для примитивной системы репликации. С другой стороны, трудно представить, как могла из такой сложной смеси с легкостью появиться точная система, и еще труднее понять, какие именно ингредиенты были необходимы и какие именно действия за этим последовали. Более того, если даже мы могли бы представить, как могла начаться репликация РНК, нам все же необходимо решить, каким образом она соединилась бы пусть даже с примитивной формой синтеза белка, хотя мы можем начать строить некоторые научные догадки о том, каким образом все это могло произойти.

Модель представляет короткий расширенный полипептид, длиной лишь в девять аминокислот. Остов цепи регулярный, с боковыми группами, присоединенными через равномерные интервалы.

Но для нашей настоящей цели самым проблематичным является то, что, по-видимому, почти невозможно привести любое численное значение вероятности того, что представляется довольно маловероятной последовательностью событий. Возникающее затруднение можно более четко представить на основе следующей, довольно общей аргументации. Предположим, что событие произошло в некоем пруду или заводи, возможно, поблизости от берега моря. Мы могли бы легко представить, что подобные заводи находились примерно на расстоянии одной мили друг от друга вдоль береговой линии, не говоря уже о тех, что разбросаны по всей поверхности Земли Возможно, существовало 100000 подобных мест — их число, бесспорно, могло быть намного больше. Снова примем без доказательства, что при такой медленной скорости, с какой функционируют такие системы, понадобился, вероятно, период времени, равный сотне лет, чтобы система пришла в действие. Обозначим самую малую вероятность подобного события, происходящего через сто лет, за р. Вероятно, одна p приходилась на миллиард. Но поскольку мы, возможно, имеем 500 миллионов лет и 100000 водоемов, то понимаем, что в таком случае жизнь почти неизбежно должна была возникнуть. Однако если p была лишь одним шансом на миллиард миллиардов, то вероятность зарождения жизни была отнюдь не той же самой. Если же она составляла один шанс на 10^15 (тысячу миллиардов миллиардов), то вероятность зарождения здесь жизни была очень мала. Точные цифры не имеют значения. Они приведены только для иллюстрации той дилеммы, перед которой мы стоим. Она вытекает из того факта, что мы не имеем представления, какое значение должно быть у р, за исключением того, что ему следует быть очень «малым». По этой причине мы не можем решить, было ли зарождение жизни здесь весьма необычным событием или событием, которое почти неизбежно должно было произойти. Несмотря на то, что иногда выдвигаются доводы в пользу последней точки зрения, они представляются мне очень несерьезными. Без какого-либо прямого экспериментального подтверждения они, вероятно, такими и останутся. А получить экспериментальное подтверждение того, что вполне могло быть последовательностью довольно необычных реакций, будет не легко. Только в случае, если жизнь зародилась очень легко, потому что, действительно, существует некий достаточно прямой путь по лабиринту возможностей, мы, вероятно, сможем воспроизвести его в лабораториях, по крайней мере, в ближайшем будущем.

Честный человек, вооруженный всем доступным нам сейчас знанием, может лишь утверждать, что, в некотором смысле, возникновение жизни представляется сейчас почти чудом, ведь для того, чтобы начался этот процесс, необходимо было выполнить так много условий. Но не следует это воспринимать как вывод, что есть все основания считать, что она не могла зародиться на Земле в процессе вполне допустимой последовательности довольно обычных химических реакций. Очевидный факт состоит в том, что прошел слишком долгий период времени; многие микросреды на поверхности Земли слишком разнообразны; различные химические возможности слишком многочисленны, а наши собственные знания и воображение слишком ничтожны, чтобы позволить нам точно объяснить, как это могло или не могло произойти в таком далеком прошлом, особенно если мы не располагаем экспериментальными данными из той эпохи, чтобы проверить свои идеи. Возможно, в будущем мы сможем узнать достаточно для того, чтобы строить обоснованные догадки, но в настоящее время можно только сказать, что мы не можем принять решение, было ли возникновение жизни на Земле исключительно маловероятным событием или почти неизбежным — или же любой возможностью между этими двумя крайностями.

Если его вероятность была высока, то нет проблем. Но если окажется, что оно было довольно маловероятным, тогда мы вынуждены рассмотреть, могло ли оно появиться в каких-либо других возможных местах Вселенной, где, может быть, по той или иной причине, условия были более благоприятными.

Глава 7. Статистическое заблуждение

Несмотря на неопределенность в вопросе о том, как зародилась жизнь, у нас нет сомнений, что сейчас она существует и существует в избытке. Мы можем видеть ее повсюду. Несомненно, можно привести доводы, что поскольку это случилось однажды, то мы можем быть уверены, что это могло бы случиться снова. Конечно, крайне маловероятно, что сейчас она может зародиться вновь. Не говоря уже о том, что поскольку современные условия столь отличны от пребиотических, представляется весьма вероятным, что любую новую систему, которая попытается начать развитие в этот период времени, будут пожирать представители существующей. Эта точка зрения появилась относительно недавно. Еще даже в девятнадцатом веке считали, что жизнь может возникнуть de novo, там и сям, в болотах, настоях, гнилом мясе и других подходящих местах. Существует множество сообщений, что таким образом зарождались личинки, мухи и даже мыши. Первые эксперименты Реди, Жобло (Joblot) и Спалланцани подвергли это некоторому сомнению, а тщательные и элегантные исследования Пастера доказали, что все подобные утверждения почти наверняка были ложными. С помощью остроумной конструкции своего прибора Пастер снял, одно за другим, все возражения, которые могли бы выдвинуть его критики. Он, несомненно, доказал, что в изначально стерильной системе не появится никаких признаков жизни даже в самом жирном и аппетитном вареве, даже если в него свободно поступает воздух, при условии, что из воздуха в сосуд для культивирования не попадают никакие микроорганизмы.

Здесь нас интересуют несколько другие вопросы. Если бы Земля вновь начала свое развитие (лишь с небольшими вариациями, чтобы события не повторялись в точности), следует ли нам рассчитывать увидеть зарождение жизни во второй раз? Поставим вопрос иначе. Если где-то существует планета, несколько похожая на нашу Землю, то каковы шансы, что там могла бы возникнуть жизнь? Даже в этих случаях существует сильное психологическое стремление считать, что вероятность таких событий должна быть высока вследствие существования жизни на Земле. К сожалению, этот аргумент ложен. Я не знаю, есть ли название у подобного хода рассуждений, но его можно назвать статистическим заблуждением. Самый легкий способ понять, почему он неверен, — рассмотреть любое вполне определенное событие, которое является одним из очень большого количества довольно похожих возможностей. Колода карт представляет отличную модель такой ситуации.

Возьмем обычную колоду из пятидесяти двух карт, которую тщательно перетасуем и произвольно раздадим четырем игрокам по тринадцать карт каждому, не прибегая к подтасовке. Какова вероятность того, что мы сдадим определенный набор карт каждому из четырех игроков? Мы можем выбрать один вариант, который легко охарактеризовать, как, например, у первого игрока окажутся все черви, у следующего — все бубны, у третьего — все пики, а у последнего игрока — все трефы, но это не имеет значения для расчета, если мы точно определим, какие карты необходимо сдать каждому из четырех игроков. Рассчитать, как часто выпадает такой расклад, очень просто, если сдавать карты снова и снова, каждый раз тасуя колоду. Вероятность такого расклада оказывается равной всего лишь единице на 5 х 10^28. Все же каждый раз, когда мы сдаем колоду, мы получаем то или иное распределение карт среди четырех игроков, и поскольку наш расчет применялся также и к этому распределению, то такой расклад окажется чрезвычайно редким. И все же он находится на столе перед нами. Очевидно, что-то здесь должно быть не так.

Неправильно как раз то, что, применяя этот, расчет мы должны заранее точно сказать, какое множество раскладов мы учитываем. Нам нельзя сдать карты, а затем сделать вид, что результат оказался как раз таким, какой мы ожидали. Мы, конечно, можем сдать одну партию, а затем решить, что это именно та комбинация, которую мы собираемся выбрать. Низкая вероятность, которую мы рассчитали, даст в таком случае шанс получить тот же самый расклад при следующей сдаче, при этом всегда предполагается, что колода была надлежащим образом перетасована. Этот ход рассуждений можно было бы применить к любому фактическому раскладу, поэтому мы видим, что еще один способ взглянуть на эту цифру, единица на 5 х 10^28, сказать, что это шанс сдать любой набор карт четырем игрокам дважды подряд.

Мы можем выразить это иначе, сказав, что сам по себе состав одной сдачи не говорит нам практически ничего о вероятности получения снова точно такого же набора карт у каждого из четырех игроков. Он говорит нам, что в колоде имеется верный набор из пятидесяти двух карт, но он сам по себе не сообщает нам, какова вероятность того, что мы получим тот же набор, сдавая карты при последующих возможностях. Мы можем рассчитать эту вероятность, если мы знаем все параметры в данной ситуации и количество игроков, которым мы собираемся сдать карты, прежде чем прекратим игру. Все это мы можем знать о колоде карт, но пребиотическая ситуация намного сложнее. Там есть еще дополнительный фактор, который мы обычно не пытаемся рассчитать, а именно, вероятность, с которой идентичное событие произойдет во второй раз. Любая разумная форма жизни, в известной степени похожая на современную, была бы приемлема и считалась бы успехом. Аналогия с картами поможет это понять. Мы потребовали, чтобы у каждого игрока были все черви, бубны, пики и трефы в этом порядке. Но предположим, что нам следует признать успешным любой расклад, в котором каждый игрок имеет карты только одного достоинства. Вероятность этого возрастает в двадцать четыре раза по сравнению со случаем, который мы рассмотрели выше, поскольку здесь больше возможных раскладов, которые удовлетворили бы нашим условиям. Когда мы рассматриваем происхождение жизни, этот фактор: количество похожих, но не идентичных форм жизни,— также совершенно неизвестен и только добавляет неопределенности.

В некоторых отношениях этот последний общий момент находится в корне нашей проблемы. Даже если вероятность зарождения жизни в одно определенное время в одном определенном месте выглядит чрезвычайно незначительной, на Земле было столько много возможных мест и имелось столько много времени, что мы не можем быть уверены, что эти факторы не подавляют малую вероятность того, что мог иметь место любой из них, превращая, таким образом, маловероятное событие в событие, которое почти неизбежно. Но возникшая тут же мысль доказывает, что у нас нет фактических оснований для такого вывода. Как уже говорилось в предыдущей главе, совокупная вероятность может быть чем угодно, но зависеть исключительно от того, какими окажутся различные числа.

Есть особая причина, из-за которой это статистическое заблуждение особенно относится к нашему конкретному случаю. Дело в том, что если жизнь зародилась не здесь (тем или иным способом), то нас не было бы здесь и мы не размышляли бы над этой проблемой. Сам факт того, что мы находимся здесь, обязательно означает, что жизнь действительно зародилась. По этой причине, если не по какой-либо иной, мы не можем использовать это обстоятельство в наших расчетах непосредственно.

По-видимому, мы столкнулись с врожденной несостоятельностью человеческого ума, который имеет место, когда он сталкивается с аргументами вероятности. Человеческие существа, а возможно и другие животные, слишком склонны делать обобщения на основе одного случая. Это имеет довольно интересное специальное название — суеверие, хотя многие виды суеверий также имеют эмоциональную составляющую. У нас также возникают затруднения в понимании очень больших чисел, поэтому мы счастливы, если произведение очень маленького числа на очень большое число обнаруживает нечто, чем мы владеем лучше, как, например, вероятность близкая к единице. Определенность часто очень близка нашим сердцам, несмотря на то, что она во многом ускользает от нас на практике. Единственный способ преодолеть эти психологические препятствия, а в научных вопросах они действительно являются препятствиями, — какими бы полезными они не могли оказаться в эволюции, — это излагать аргументы спокойно и четко. «Импульсивная реакция» может быть полезна в бизнесе, политике или в нашей личной жизни, потому что она выражает неосознанное обобщение предшествующего опыта, как нашего собственного, так и опыта наших предков, воплощенного в наших генах, но, рассматривая происхождение жизни, мы не имеем надежного опыта, который поведет нас по этому пути, поэтому любая импульсивная реакция, вероятно, окажется поверхностной и обманчивой. Она еще менее полезна, если рассматривать вероятность независимого зарождения и развития жизни где-нибудь в другом месте. Мы довольно мало знаем о планетах нашей собственной Солнечной системы и совсем ничего, за исключением весьма косвенных предположений, о планетах, окружающих другие звезды. Возможно, во Вселенной есть много мест, подходящих для зарождения жизни, и в некоторых из них могут быть условия даже еще более благоприятные, чем те, что мы имеем здесь. Именно к этим проблемам мы должны сейчас обратиться.

Глава 8. Другие подходящие планеты

Особый интерес для нас представляет жизнь, какой мы видим ее здесь, — жизнь, основанная на соединениях углерода, растворенных в воде. Мы сталкиваемся со Вселенной огромной величины, которая, главным образом, пуста, но в которой изредка встречаются особые места, подходящие для формы жизни, не похожей на нашу. Сколько в ней может быть таких мест?

Возможно, самое необходимое условие заключается в том, что там должна быть жидкая вода. Сама вода, вероятно, довольно распространенное соединение, но она должна присутствовать в окружающей среде, которая не столь холодна, чтобы вода существовала только в виде твердого льда и не столь горяча, чтобы вся она испарилась. Наиболее ясно эту проблему можно понять, выразив температуру в градусах Кельвина по так называемой абсолютной шкале. Эта шкала основывается на обычной стоградусной шкале или шкале Цельсия, по которой в обычных условиях давления чистая вода замерзает при 0°C и кипит при 100°C. По абсолютной шкале эта разница по-прежнему составляет 100°, но 0° принимается за абсолютный ноль температуры, нестрого говоря, за температуру, при которой все хаотическое движение прекращается. По такой шкале лед тает примерно при 273°K, а вода кипит при температуре на сто градусов выше, приблизительно при 373°K. Мы должны сопоставить две этих цифры с пустынной мерзлотой пространства, температура которой, весьма приблизительно, равна 4°K и лишь чуть-чуть превышает абсолютный нуль, и с температурой на поверхности Солнца, которая в округленных числах составляет 5000°K. Поскольку нам необходима температура в области 300°K, то сразу видно, что мы найдем такую температуру лишь достаточно близко к звезде, но не слишком близко. Большая часть Вселенной окажется не только слишком пустой, но также и слишком холодной. Приведенное выше простое доказательство допускает, что давление газа над водой будет, скорее, равно атмосферному давлению, которое имеется на поверхности Земли. Если бы давление было выше, то мы могли бы выдерживать несколько большую температуру и все еще иметь жидкую воду, хотя давление лишь в ограниченной степени меняет допустимую область колебания температуры.

Еще одно основное требование заключается в том, что молекулы воды не будут улетучиваться в космическое пространство. В атмосфере всегда будет присутствовать некоторое количество водяных паров над жидкой водой, какими бы ни были температура и давление, и если силы тяготения не достаточно велики, то скорость, создаваемая тепловым движением, позволит отдельным молекулам проноситься вверх с такой высокой скоростью, что они скорее улетучатся в космическое пространство, чем упадут снова под действием силы тяжести. Вторая космическая скорость ракеты, запущенной с поверхности Земли, составляет примерно семь миль в секунду, тогда как при комнатной температуре средняя молекулярная скорость молекул воды немногим больше скорости звука: около одной пятой мили в секунду. Но это только средняя скорость; значительная часть молекул в атмосфере будет перемещаться с намного большей скоростью, особенно при более высоких температурах, но запас прочности достаточно велик, поэтому довольно незначительное число молекул размера H_2O, O_2 или N_2 теряются в пространстве. Более легкие молекулы, такие как H_2, перемещаются намного быстрее, поскольку более крупные молекулы, с которыми они сталкиваются, ударяют их сильнее вследствие своей большей массы (масса Н_2 — 2, масса H_2O — 18, масса N_2 — 28). Молекулы молекулярного или атомного водорода постоянно выталкиваются из атмосферы. С другой стороны, масса Луны, несмотря на свой довольно приличный размер, слишком мала, чтобы удержать какой-либо из распространенных газов в течение хоть сколь-нибудь длительного времени. Если там и могла существовать какая-то атмосфера, то она уже утеряна в течение многих миллионов лет, прошедших со времени ее образования.

Когда подробнее знакомишься с проблемой планетарной атмосферы, то оказывается, что она довольно сложна и зависит не только от количества и вида энергии, излучаемой родительной звездой и расстояния до этой звезды, но также и от других факторов, таких как. количество энергии, отражаемой поверхностью планеты (которая отражается намного интенсивнее от снега или льда, чем от полей или лесов), и количества, отражаемого облаками. Она также зависит от молекулярного состава атмосферы. Слишком большой объем С02 может поглощать тепло, которое, в свою очередь, излучается планетой, вызывая таким образом «парниковый» эффект. Но, оставляя все это в стороне, мы можем увидеть, что минимальное требование заключается в том, что величина планеты должна быть больше определенного минимального размера (размера, одинакового с нашей Землей) и на таком расстоянии от своей родительской звезды, чтобы она была не слишком накалена (как Меркурий) и не слишком холодна, что имело бы место, находись она на таком же расстоянии, что и Юпитер, при отсутствии дополнительного источника тепла.

Существует также ограничение и на тип звезды. Скорость, с которой звезда расходует свое ядерное топливо, во многом зависит от ее массы. Массивная звезда поглощает свое топливо очень быстро. Поэтому она очень раскалена и излучает при этом много энергии в окружающее ее пространство. Любая планета, имеющая на поверхности очень много жидкой воды, должна находится от такой звезды дальше, чем мы от Солнца. Само по себе это не вызывает проблем. Трудность заключается в относительно коротком промежутке времени, в течение которого звезда испускает свет и тепло. Достаточно массивная звезда может жить всего лишь десять миллионов лет. Вряд ли этот срок представляется достаточно долгим для развития жизни в каком-либо значительном объеме. С другой стороны, Солнце излучает энергию достаточно устойчиво в течение четырех миллиардов лет и, вероятно, будет светить еще столько же.

Звезды, масса которых намного меньше Солнца, накладывают другое ограничение. Они могут устойчиво светиться в течение более длительного периода времени, поэтому у нас нет необходимости беспокоиться относительно времени, имеющегося для развития жизни. Поскольку такая звезда выделяет меньше энергии, то любая подходящая планета должна будет находится к ней ближе, чем мы к Солнцу. По этой причине здесь есть лишь довольно небольшие пределы расстояний, если планета должна иметь необходимые нам условия. Немного ближе, и планета раскалится настолько, что вода закипит. Немного дальше, и вся вода обратится в лед. Таким образом, мы можем надеяться найти несколько небольших звезд с подходящими планетами, но их будет очень немного, потому что строгие условия намного труднее выполнить. Даже для звезд, размером с Солнце, диапазон может быть так мал, что лишь в редкой планетарной системе планета окажется как раз в нужном месте; именно это, по-видимому, и произошло в нашей Солнечной системе.

Итак, нам нужна звезда, которая не слишком велика, иначе время ее жизни окажется слишком коротким, и которая не слишком мала, иначе вероятность, что она имеет подходящую планету, будет слишком незначительной. К счастью, Солнце — звезда довольно средней величины. Оказывается, что многие звезды имеют вполне приемлемые размеры. Что нам сейчас нужно узнать, так это есть ли обыкновенно у этих звезд планеты, которые вращаются вокруг них.

Несмотря на все те новые экспериментальные данные, которые были накоплены за последние десять и более лет при исследовании космоса, общепринятой теории возникновения Солнечной системы, к сожалению, не существует. В самом начале нашего века было высказано предположение, что Солнечная система образовалась из длинной узкой полосы материи, вытянутой из Солнца при сближении с другой звездой. По существу, это должно было быть очень необычным событием, и, следовательно, лишь немногие звезды, вероятно, имеют планетарную систему. Более тщательная теоретическая проработка показала, что такое событие вряд ли приведет к возникновению таких планет, какие мы знаем сегодня. Более поздние идеи связаны с возникновением самого Солнца. Считается, что оно сгустилось под действием силы тяжести из медленно вращающегося облака пыли и газа, вращение которого ускорялось по мере уменьшения диаметров системы, вследствие сохранения углового момента. Это вращение создало сплющенный диск материи, из которого, как считается, возникли планеты путем дальнейшего сгущения, вновь вызванного гравитационным притяжением. Как именно это произошло, например: необходим ли был поблизости взрыв сверхновой звезды для того, чтобы привести в движение систему, не вполне ясно. Поэтому невозможно сказать с полной уверенностью, лишь на основании теоретических положений, что планетарные системы могут быть распространенными, хотя можно предполагать, что дело обстоит именно так. Поэтому мы должны изучить экспериментальные данные.

Оказывается, что они очень скудные. Планеты слишком малы, и свет, который они отражают от своей родительской звезды слишком тусклый, чтобы мы могли обнаружить с помощью непосредственного наблюдения даже те из них, которые вращаются вокруг ближайших звезд. Крупная планета слегка повлияет на орбиту звезды, вокруг которой она вращается; они обе будут вращаться вокруг точки, которая является их общим центром тяжести. При очень благоприятных условиях обнаружить смещение такой звезды можно, и, действительно, в одном случае возникло предположение, что такое колебание смогли обнаружить. Однако сейчас все сильнее становится уверенность, что наблюдаемые эффекты возникли из-за ошибки в эксперименте, потому что ожидаемое смещение слишком мало.

Тогда, на первый взгляд, задача выглядит безнадежной. Если дело обстоит именно так, то мы только можем ничего не делать и ждать появления новых или значительно усовершенствованных методов обнаружения. Но есть одно явление, которое можно наблюдать достаточно легко и которое может дать своего рода ключ. Распределение углового момента (грубо говоря, количества вращения, сумма которого в закрытой системе должна оставаться постоянной) в нашей Солнечной системе довольно странное. Большая часть определенного таким способом вращения приходится на планеты, и довольно небольшое количество — на само Солнце. Кажется вполне вероятным, что протосолнце первоначально вращалось намного быстрее, при этом облако пыли, которое вращалось вокруг Солнца, перемещалось, соответственно, медленнее. С помощью некоего механизма (и высказаны глубокие предположения, как это могло случиться), вращение передалось от Солнца к облаку пыли, замедляя таким образом первое и ускоряя последнее.

По счастливой случайности, часто можно определить скорость вращения звезды с помощью тщательного исследования света, который она излучает, поскольку на одной из ее кромок вещество вращающейся звезды может двигаться по направлению к нам, а на другой — удаляться от нас. Эти смещения, из-за эффекта Доплера, изменяют частоты света, который доходит до нас. Экспериментально установлено, что звезды, размером примерно с Солнце, делятся приблизительно на два класса. Некоторые из них вращаются очень быстро, что, как можно предположить, обусловлено способом их первоначального формирования, тогда как другие, по-видимому, вращаются намного медленнее. Считать, что последний тип звезд замедлился, потому что он имеет планетарную систему, весьма заманчиво. Если этот ход рассуждений верен, тогда планеты окажутся вполне распространенным явлением.

К сожалению, это действительно единственное доказательство существования планет, которым мы располагаем. В науке всегда чувствуешь себя комфортнее, если два или более различных направления рассуждений приводят к одному и тому же выводу. Здесь мы располагаем только одним. Опыт доказал, что такое заключение можно принимать с оговоркой. Сказав это, необходимо признать, что прямое доказательство вращения звезд действительно очень убедительно, вывод о существовании планет, двигающихся по орбите вокруг медленно вращающихся звезд, довольно достоверен и совместим с нашими общими теориями о том, как могли возникнуть звезды и планеты. С учетом всего вышесказанного, по-видимому, более вероятно, что планеты скорее являются достаточно распространенным явлением, нежели очень редким.

Есть еще один фактор, который мы должны рассмотреть относительно возможных планетарных систем. Поскольку на основании подробного исследования света, который звезда нам посылает, довольно легко обнаружить ее вращение, то точно так же мы можем обнаружить двойные звезды, то есть, две звезды, находящиеся довольно близко к друг другу, которые вращаются друг вокруг друга и удерживаются на своих орбитах взаимным гравитационным притяжением. Обе звезды не обязательно должны быть одинакового размера или типа, и на поверку они часто несколько отличаются друг от друга. Оказывается, что такие сложные системы довольно распространены, являясь скорее почти правилом, чем исключением. Итак, планетарная система, вращающаяся вокруг пары звезд, которые вращаются друг вокруг друга, вероятно, окажется несколько менее устойчивой по сравнению с такой как наша, которая имеет в своем центре только одиночную звезду. Двойные звезды, если они не находятся очень близко к друг другу (в этом случае их гравитационное воздействие на планеты приближается к действию одиночной звезды), могут возмущать орбиты планет, поскольку иногда планета будет находиться ближе к одной звезде, а затем, немного позже, к другой. Это не только приведет к тому, что энергия, падающая на определенную планету, может периодически изменяться, но, что еще важнее, возрастет опасность столкновения планет друг с другом. Постоянные условия в течение длительных периодов времени, которые, как мы полагаем, необходимы для развития высших форм жизни, не могут с легкостью возникнуть в таких планетарных системах. Таким образом, несмотря на то, что многие двойные звезды могут иметь планеты, они могут оказаться не идеальными для развития жизни. Конечно, некоторые колебания, как мы знаем, могут оказаться полезной вещью, и время от времени могут резко двигать эволюцию вперед, но трудно поверить, что какая-либо форма жизни переживет реальное столкновение двух планет.

Остается проблема атмосферы планеты. Мы уже обсуждали ее в главе 6. Здесь мы должны расширить рамки обсуждения, чтобы охватить планеты за пределами Солнечной системы. Как мы уже видели, в настоящее время трудно решить, какой именно была древняя атмосфера Земли. Еще труднее это сделать, если мы даже не знаем размер звезды, точный размер планеты и насколько они удалены друг от друга. В Солнечной системе Венера не слишком отличается от Земли, при этом она находится немного ближе к Солнцу и немного меньше по размеру. Несмотря на это, ее атмосфера очень отличается от нашей: она очень горячая, очень плотная (давление на поверхности более чем в сто раз превышает атмосферное давление здесь) и состоит главным образом из СО2- Высокая концентрация углекислого газа создает парниковый эффект, который поглощает излучение, пытающееся проникнуть в космическое пространство, и это, наряду с более интенсивным потоком энергии от Солнца, повышает температуру почти до 720°K. Именно эта высокая температура приводит к такому значительному количеству CO2 в атмосфере, так как она достаточно высока, чтобы из горных пород испарялось некоторое количество солей угольной кислоты. На Земле, несмотря на довольно значительные запасы углекислой соли, как, например, в белых утесах Дувра, температура просто достаточно низкая, и она почти вся остается в твердом состоянии или растворяется в океанах. Короче говоря, относительно небольшое различие в планетарных условиях может вызвать значительную разницу атмосферы планет.

Вероятно поэтому, можно было бы найти планету, которая массивнее Земли, хотя она находится на таком расстоянии от своей звезды, что может иметь на своей поверхности жидкую воду. Если планета достаточно массивна, то распространенный в облаке пыли водород мог бы удержаться на планете (как на наших внешних планетах, таких как Юпитер) или, по крайней мере, улетучиваться намного медленнее. Появившаяся в результате атмосфера, будучи восстановительной, может быть очень благоприятна для производства хорошего «вкусного» бульона на ее поверхности. И поэтому, по крайней мере, возможно, что во Вселенной есть больше подходящих мест для зарождения жизни, чем найдено в нашей собственной Солнечной системе.

Хотя Земля выглядит как довольно средняя планета, вращающаяся вокруг довольно средней звезды, мы не можем быть уверены, что у нее нет каких-то особенностей, которые сделали условия для зарождения жизни особенно благоприятными. Возможный пример этого — наша Луна. Луны достаточно часто встречаются у планет Солнечной системы, но, по аналогии с другими планетами, можно было бы предположить, что Земля имела, скорее, несколько лун меньшего размера, а не одну большую Луну, которую мы видим, сияющей над собой. Как возникла Луна, все еще не установлено. Представляется маловероятным, что она откололась от Земли. Сформировалась ли она одновременно с Землей или была захвачена Землей позднее, образовавшись где-то в другом месте Солнечной системы? Возможно, наша Луна появилась в процессе слияния существовавших ранее нескольких лун.

Как бы ни возникла Луна, можно с уверенностью предположить, что в те древние времена она находилась гораздо ближе к Земле. Луна вызывает на Земле приливы. Это трение не только замедляет вращение Земли, которое в те времена, должно быть, было значительно быстрее, но с помощью обратного воздействия постепенно увеличивает орбиту Луны до большего радиуса. Когда Луна находилась ближе к Земле, приливы были больше. Насколько именно больше, зависит от того, как возникла Луна и как она изменила свою орбиту. Возможно, что впервые она была захвачена, когда вращалась в обратном направлении, затем эта орбита постепенно стянулась и направление вращения изменилось на существующее в настоящее время, при чем в этом процессе полюса поменялись местами. Если дело обстояло именно так, то приливы тогда были очень большими. Это могло вызвать последствия любого рода. Если бы их не было, то над всеми водами Земли мог бы образоваться очень толстый слой углеводородов. Эти древние приливы могли вспенить его в эмульсию, создав, возможно, более благоприятные условия для появления примитивных клеток. Такие большие приливы могли создать непрерывное смачивание и высушивание в довольно большом масштабе в водоемах около берегов океанов и морей. К тому же, это могло вызвать более благоприятные условия для пребиотического синтеза. В общем, большие приливы переносили предметы с места на место и создавали больше разнообразия на поверхности первозданной Земли.

Еще одно трудноуловимое влияние могло быть вызвано дрейфом материков. Но из-за тектоники плит (перемещений различных плит по поверхности Земли) на ней могло отсутствовать горообразование. В этом случае постоянное выветривание разрушало сушу, унося обломки пород в море, как это делают сейчас реки, до тех пор пока, наконец, вся суша не оказалась ниже уровня океана. Это не могло бы полностью исключить появление жизни, но если это случилось довольно давно, то это могло бы затруднить зарождение жизни. Если это произошло не так давно, то высшие организмы, вероятно, развились бы совершенно иначе. Нелегко представить, как возникла бы современная наука, если бы совсем не было суши, хотя было бы опрометчиво говорить о том, что такого не могло случиться.

Вероятно, горообразование происходит потому, что внутренние области Земли довольно жидкие, а породы близко к поверхности достаточно пластичны, чтобы допустить выход этой массы с заметной скоростью. Эти условия возникают, поскольку внутренняя часть Земли довольно горячая (по весьма приблизительной оценке эта температура примерно равняется температуре на поверхности Солнца). Вероятно, это зависит, среди прочего, от радиоактивности пород, особенно от радиоактивности изотопов урана, тория и калия. Процент радиоактивных атомов в породах не так высок, но на Земле такое количество этих веществ, что в сумме он возрастает до значительной величины. Более того, такой радиоактивный распад создает относительно большое количество энергии. Это тепло, наряду с теплом, оставшимся со времени агрегации Земли, сдерживается значительной толщиной земной коры и ее низкой проводимостью тепла, поэтому, благодаря столь хорошей изоляции, этот небольшой внутренний запас тепла может сохранять очень высокую температуру.

Имея в виду все эти сложности, вернемся назад и попытаемся вывести очень приблизительную оценку количества планет в галактике, которые имеют на своей поверхности водный раствор органических соединений, жидкий бульон, в котором предположительно могла появиться жизнь. Подсчитано, что общее количество звезд всех типов в нашей галактике составляет приблизительно 10й (сто миллиардов). Только часть из них окажется нужного размера, и из этого числа только небольшая часть не окажется двойными звездами. Возможно, одна звезда на сто может удовлетворить обоим этим условиям. У нас осталось 10^9 возможных звезд. Даже если лишь одна десятая из них имеет планетарные системы как раз нужного характера, у нас все еще останется 10^8 звезд. Более сложно подсчитать, какая именно их часть имеет планету подходящей величины как раз на нужном расстоянии от своей звезды, но, возможно, осторожной оценкой могла бы быть одна на сотню. Это все еще оставляет нам миллион планет в нашей галактике, на которых мы можем надеяться найти океаны жидкого бульона в ожидании, когда в них зародится жизнь.

Как можно тотчас же понять по приближенному методу выполнения этих расчетов, остается еще значительный простор для споров относительно наиболее вероятных значений каждой из этих цифр. Наша оценка в миллион может быть отчасти слишком заниженной. Важный момент состоит в том, что трудно посчитать ее слишком завышенной на такой большой коэффициент, что где-нибудь в галактике больше нет другой планеты, похожей на Землю. Ибо если это окажется правдой, то наши оценки оказались бы завышены, по крайней мере, в миллион раз. Конечно, мы можем полностью ошибаться насчет планетарных систем. Предположительно, они могут встречаться крайне редко; это будет означать, что медленное вращение звезд, похожих на Солнце, имеет какое-то другое объяснение. Там могут быть какие-то трудноуловимые условия, которые мы не заметили, поэтому, несмотря на то, что планетарные системы широко распространены, Земля действительно необычна, и планеты, похожие на нее, встречаются крайне редко, если они вообще есть. Испытывая недостаток прямых экспериментальных данных, мы никогда не можем быть уверены, что наши приблизительные оценки не содержат в себе некоторых крупных упущений. Небольшая ошибка не имеет значения. Даже если наша оценка завышена в сто раз, она все же допускает существование десяти тысяч подходящих планет в галактике. В настоящее время есть только один разумный вывод, каким бы хрупким он не был. Планеты с подходящим бульоном, вероятно, достаточно широко распространены в нашей галактике.

Это не означает, что они будут находиться достаточно близко друг от друга. Даже если их миллион, то среднее расстояние между ними составит несколько сотен световых лет. Если же их только десять тысяч, то расстояние между ними окажется примерно в десять раз больше этого. Конечно, наши довольно умеренные оценки могут оказаться слишком заниженными, в этом случае они могут находиться друг от друга всего лишь на расстоянии десяти световых лет, но такое маленькое расстояние представляется весьма маловероятным. Даже если это так, то ракете, чтобы преодолеть такое расстояние, понадобится лететь со скоростью одной сотой скорости света в течение тысячи лет.

Глава 9. Высшие цивилизации

Мы только что видели, что, по-видимому, в галактике, может, существует много других планет, имеющих на своей поверхности большое количество довольно водянистого раствора таких органических молекул, которые необходимы для того, чтобы служить в качестве исходных кирпичиков для построения живой системы. Мы также видели, в главе 6, что в настоящее время мы не можем составить ясного представления, мог ли такой бульон привести к появлению примитивной живой системы в течение приемлемого периода времени, скажем, в миллиард лет, или же большая часть этих бульонов обречена остаться безжизненной на почти неограниченный срок, потому что возникновение жизни является чрезвычайно редким событием. В этой главе мы рассмотрим другую проблему.

Допустим, что некой простой системе репликации удалось начать функционировать; какова вероятность того, что она разовьется до этапа в эволюции, похожего на наш?

Когда мы учитываем все, что знаем об этапах эволюции на Земле, то обнаруживаем довольно любопытную вещь. По-видимому, простейшим организмам понадобилось больше времени для развития. Самые древние следы жизни, которые мы можем обнаружить в настоящее время, найдены в составе пород, которым примерно 3,6 миллиарда лет. Многоклеточные организмы, вероятно, появились около 1,4 миллиарда лет назад, но ископаемые остатки, образованные простыми животными, у которых сохранились твердые ткани, имеют возраст всего лишь 0,6 миллиарда лет. Эти события отмечены на схеме времени, приведенной в начале этой книги.

Дальнейшие исследования могут доказать, что одноклеточные организмы появились более 3,6 миллиарда лет назад. Таким образом, период времени, доступный для доклеточной эволюции, которую мы считаем трудным этапом, едва ли мог продолжаться миллиард лет, а мог быть значительно меньше. В противоположность этому, одноклеточным организмам для того, чтобы сделать следующий решительный шаг, по- видимому, понадобилось около двух миллиардов лет, или, возможно, немного больше. После этого эволюция, по-видимому, ускорилась. Самым древним млекопитающим лишь 200 миллионов лет, и они действительно распространились и развились в виды, похожие на большинство видов, которые мы видим сегодня, всего лишь шестьдесят миллионов лет назад.

Несомненно, одним из решающих этапов было появление эукариот, организмов с настоящим ядром, циклом деления и митохондриями в цитоплазме, которые регулируют запас энергии. Для проведения фотосинтеза растения обзавелись хлоропластом. Возникает ощущение, что такое развитие могло быть весьма важным в эволюции высших животных и растений. Конечно, те из них, которые не прошли через него, бактерии и сине-зеленые водоросли, остались относительно простыми, хотя и хорошо приспособленными к окружающей среде.

Неясно, насколько именно мала вероятность этого этапа. Существует сильное подозрение, что митохондрии в наших клетках являются потомками некоего древнего, не паразитирующего организма, который поразил несколько отличную от себя клетку и затем научился жить с ней в симбиозе. Возможно, что приобретение клеткой подвижности, а вместе с ней способности к фагоцитозу — поглощению частичек пищи и даже целых организмов — имело важнейшее значение. Что бы ни произошло, по-видимому, этот этап занял очень длительный период времени. Обычно это говорит о том, что это было очень маловероятное событие. Если бы вероятность его осуществления по какой-либо причине составляла лишь половину своего фактического значения, то оно могло бы никогда не произойти, даже в этот поздний период времени истории Земли. Земля сегодня могла бы быть заселена бактериями и водорослями и кое-чем еще.

Подобную аргументацию нельзя использовать для всех этапов, выделяемых нами в эволюции. Некогда добились успеха примитивные животные с мышцами и нервами, и мы можем быть уверены, что при наличии хорошего молекулярного механизма для быстрой эволюции разовьется система зрения. Способность видеть дает животному значительное преимущество при отборе, и, что еще важнее, такое развитие происходило, по крайней мере, три раза в процессе эволюции: у насекомых, моллюсков (таких как головоногие и осьминоги) и позвоночных (рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих). Все то, что происходит в процессе эволюции несколько раз независимо друг от друга, вряд ли может быть очень редким событием. Именно те этапы, которые случились лишь однажды, и особенно те, которые, по-видимому, заняли длительный период времени, мы могли бы считать произошедшими, благодаря счастливой случайности, и поэтому на них нельзя рассчитывать в каком- либо подобном процессе где-нибудь в другом месте.

Сколько именно могло быть таких этапов, трудно сказать. Еще один возможный пример касается вымирания динозавров. Примерно шестьдесят миллионов лет назад динозавры, которые в то время преобладали среди позвоночных, особенно на суше, вдруг начали вымирать, наряду с большим количеством других видов и растений, и животных. Два физика Альваресы (отец и сын) и их коллеги, обратив внимание на отложившийся примерно в то время тонкий слой глины, проанализировали его и обнаружили, что он имеет своеобразный изотопный состав, содержащий необычное количество ванадия. Были исследованы три далеко отстоящих друг от друга участка, и во всех трех присутствовал этот слой глины, что говорит о его образовании после некоего события мирового масштаба. Этот изотопный состав был совместим с внеземным происхождением некоторых веществ. Они предположили, что некий астероид, около шести миль в диаметре, упал на Землю, образовав огромную впадину и рассеяв большое количество веществ в атмосфере, которые ветры разнесли по всему миру и которые на несколько лет закрыли солнечный свет до тех пор, пока, наконец, не улеглись даже мельчайшие частицы пыли. (Все еще помнится, как после извержения Кракатау на всей Земле в течение нескольких лет были необычные закаты, потому что в атмосфере повисла пыль.) В результате фактического угасания дневного света, вымерли многие растения, особенно фитопланктон в океане. Стали вымирать многие виды, хотя растения с длительным сроком сохранения семян могли снова появиться, когда в конце концов вернулся свет. В результате этой массовой потери растительного материала, оказалась полностью нарушенной цепь питания. Особенно губительным это было для крупных животных, находящихся на вершине пищевой цепочки. Поэтому все динозавры начали вымирать, за исключением, может быть, немногих мелких динозавров, предков птиц. Самые древние млекопитающие появились примерно 200 миллионов лет назад, но ко времени катастрофы их развитие не увенчалось большим успехом, вероятно, потому, что его сдерживало господство динозавров. Эти древние млекопитающие, в основном, были небольшого размера, ночные насекомоядные, и поэтому смогли выжить в годы темноты. Когда наконец вернулся свет, млекопитающие быстро развились и заняли все различные экологические ниши, освобожденные вымершими к тому времени динозаврами (как вьюрки Дарвина, распространившиеся на Галапагоских островах), образовав вскоре многие виды, потомков которых мы видим вокруг себя. У одной ветви приматов развилось хорошее цветовое зрение и увеличенная кора головного мозга; в конце концов, появился человек.

Ключевой вопрос, эволюционировали ли динозавры, если бы они не вымерли, в какой-либо вид животных, достаточно разумный, чтобы развивать науку и технику. На этот вопрос мы не можем дать какой-либо определенный ответ, но есть тайное подозрение, что динозавры адаптировались в ошибочном направлении. Если это так, то развитие высшего интеллекта на Земле решающим образом зависело от этого весьма крутого толчка, данного эволюции астероидом. Такое столкновение не могло быть уникальным событием. В ископаемых памятниках прошлого зафиксированы другие, более древние вымирания. Можно предположить, что крупный астериод ударяется о Землю со средней частотой около одного раза за 200 миллионов лет, хотя все еще нет подтверждения, что эти более древние вымирания произошли благодаря такому удару.

Возможно, что эволюция, в конечном счете, всегда создаст существо с высокой степенью интеллекта, потому что в борьбе за существование обычно платит интеллект. Но для того, чтобы вызвать осуществление более крупных этапов эволюции, могут понадобиться довольно значительные изменения окружающей среды. Если это так, то это накладывает еще одно условие на планетарные системы, где, вероятно, могут развиться высшие формы жизни в течение разумного периода времени.

Глава 10. Как давно могла зародиться жизнь?

До сих пор мы обсуждали, где могла бы появиться жизнь во Вселенной и насколько маловероятным могло быть это событие. Мы совсем не обсуждали, когда она могла зародиться и сколько времени потребовалось на совершенствование древних простых организмов до высшей цивилизации, способной посылать ракеты на другие планетарные системы. Строго говоря, мы не можем дать более точную оценку относительно времени, необходимого для эволюции, чем ту, которую мы можем дать относительно вероятности какого-либо определенного этапа, за исключением того, что нам было бы нелегко поверить, что весь этот процесс мог бы произойти намного быстрее, чем на Земле. Детально разработанной теории эволюции, до такой степени поддающейся количественному определению, что мы могли бы рассчитать, сколько именно времени может потребовать каждый определенный этап, не существует. Мы видим, что это может зависеть от таких факторов, как скорость мутации, время генерации, величина скрещивающейся популяции, и, главным образом, от селективных давлений, созданных средой вообще и другими особями в частности. Устойчивость окружающей среды, большие скрещивающиеся популяции и долгое время генерации, по-видимому, приводят к проявлению медленных изменений. Механизмы изоляции, географические или биологические, ведущие к небольшим популяциям, могут создавать новые виды довольно быстро. Любой вид, у которого окажется много возможностей и мало соперников, как часто случается, когда впервые заселяют новые земли, вероятно, очень быстро разнообразится, чтобы заполнить все доступные новые экологические ниши. Но во всех этих случаях трудно предсказать скорость эволюции, кроме как весьма грубым, но эффективным способом. В самом глубоком смысле, эволюция — это процесс, ход которого обязательно непредсказуем. Только когда определенное свойство, возможно, обеспечит подавляющее преимущество (как, например, способность видеть), мы можем быть в известной степени уверены, что оно обязательно появится тем или иным образом. Даже в этом случае мы бы поспешили, если бы точно предсказали, какую форму примет система зрения. Самое большее, что мы можем сказать о нервной системе высшего животного, это то, что она, возможно, разовьется таким образом, что животное будет воспринимать и отвечать не только на явные сигналы, полагаясь на свои органы чувств, но и на те особенности этих сигналов, которые соответствуют определенным сторонам реального мира, и особенно тем сторонам, которые влияют на выживание и размножение животного - запах хищника, появление самки и т. п. Но на вопрос о том, сколько времени понадобится мозгу животного, чтобы развить определенную сложную функцию, почти невозможно ответить точно.

Самый легкий вопрос, на который мы могли бы попытаться ответить, возможно, следующий: если бы жизнь на Земле зародилась еще раз, лишь при незначительных изменениях окружающей среды (с тем, чтобы процесс не повторился в точности), то сколько понадобилось бы времени, чтобы появилось существо, похожее на человека? Мы знаем, что первоначально этот процесс занял около четырех миллиардов лет. Предположительно, это могло бы произойти снова как минимум через миллиард лет, но период времени намного меньше этого вызвал бы у нас недоверие. С другой стороны, мог бы понадобиться более долгий период времени, если бы не произошло одно или два счастливых события. По-видимому, здесь почти невозможно принять решение, а что касается жизни на несколько другой планете, то трудности увеличиваются.

Поэтому я буду вынужден нарушить правила, установленные теорией вероятности, и предположить, что жизнь, зародившись где-нибудь в другом месте, развивалась бы примерно с той же скоростью, что и здесь; то есть эволюция от бульона до человека займет примерно четыре миллиарда лет. Из всего того, что уже было сказано, можно понять, что такое предположение безнадежно рискованно, до тех пор, пока мы не сможем доказать, что все главные этапы эволюции имели довольно высокую вероятность. Если это верно, тогда случайные задержки и случайные ускорения могли бы иметь тенденцию к усреднению, и общая скорость была бы почти такой же, как здесь. Даже это предполагает, что общие факторы, такие как температура или разнообразие окружающей среды, отличались не настолько, чтобы весь ход эволюции, несмотря на то, что в общих чертах он похож на земной, либо заметно ускорился, либо замедлился. Все, что можно действительно сказать, так это то, что цифра в четыре миллиарда лет для всего процесса, хотя ей и не хватает твердого обоснования, не является невероятной.

Вооружившись этим весьма неясным числом, мы можем начать обсуждать, когда впервые могла появиться жизнь. Здесь есть два существенных требования. Нам нужна подходящая планета и на ней (или вблизи ее поверхности) определенные элементы. Очевидно, что мы не можем получить оба этих условия сразу после Большого взрыва, как уже обсуждалось в главе 2. Существуют убедительные данные, что многие атомы наших тел образовались не во время первых моментов космического расширения, а были синтезированы некоторыми из первых звезд. Эти большие звезды быстро истощили свое ядерное топливо, сжались, взорвались и рассеяли свои обломки в окружающем пространстве, где они, в конечном итоге, сгустились и образовали новые звезды и планетарные системы. Хотя мы не можем быть уверены, сколько именно на все это понадобилось времени в измеримом масштабе, приемлемая оценка могла бы составить один или два миллиарда лет.

Для того, чтобы продолжить, нам необходимо знать возраст Вселенной — время, прошедшее с Большого взрыва. К сожалению, это все еще спорный вопрос. Самые максимальные оценки достигают значения двадцати миллиардов лет, наименьшие составляют всего лишь семь миллиардов, хотя немногие согласились бы с такой заниженной цифрой. Когда мы с Лесли Оргелом написали нашу статью, то наилучшим представлялось предположение примерно о тринадцати миллиардах лет. Сегодня ближе к принятой оценке можно считать цифру в десять миллиардов лет.

Для наших целей точная цифра не существенна, при условии, что она не окажется слишком маленькой. На всякий случай, выберем десять миллиардов лет. Если предположить, что развитие планет и химических веществ заняло один миллиард лет, остается девять миллиардов. Сразу понятно, что возраст Земли примерно в два раза меньше. Этого времени вполне достаточно, чтобы жизнь развилась не один раз, а два раза подряд. Короче говоря, прошедшее с тех пор время вполне допускает возможность, что жизнь возникла на какой-то далекой планете, сформировавшейся девять миллиардов лет назад, спустя четыре-пять миллиардов лет появились существа подобные нам, и затем они смогли послать некую примитивную форму жизни на Землю, которая к тому времени охладилась до такой степени, что на ней уже образовались первозданные океаны. Произошло ли это на самом деле — все еще вопрос убеждений, но при сегодняшних данных трудно доказать, что истекшее с тех пор время было, безусловно, слишком коротким. У жизни было достаточно времени, чтобы развиться не просто один раз, но и вновь во второй раз.

Глава 11. Что они могли послать?

С этого момента мы оставим количественные соображения, какими бы приблизительными они ни были, и предоставим своему воображению несколько большую свободу. Мы примем без доказательств, что на некой далекой планете приблизительно четыре миллиарда лет назад или около того развился вид высших существ, которые, как и мы, открыли науку и технику, развив их намного дальше того уровня, которого достигли мы, поскольку они имели массу времени и крайне маловероятно, что их общество остановилось как раз на той же ступени развития, на которой находимся сейчас мы. Нам нелегко угадать, насколько именно они продвинулись дальше нас, хотя некоторые из их наук могут быть не похожи на наши. Наше знание многих областей физики и химии сейчас настолько полное и находится на столь прочных основаниях, что их основные особенности, возможно, уже известны нам. Вряд ли это справедливо для всех разделов этих наук. Например, физика высоких энергий, вероятно, все еще держит про запас много сюрпризов. Мы можем рассчитывать на новые методы в физической химии, которые сделают наше знание химической структуры и химических реакций более точным. Даже если уже не осталось еще не открытых радикально новых принципов (а это довольно маловероятно), то многим поколениям ученых еще предстоит провести исследования, открывающие во всех подробностях, как взаимодействуют атомы и молекулы во многих различных смесях и при многих режимах давления и температуры.

Если мы обратимся к астрономии, астрофизике и космологии, то поймем, что в этих областях предстоит открыть еще больше. Мы уже касались некоторых из этих проблем, например, у какого количества звезд есть планеты; кроме того, здесь остаются без ответа еще более важные вопросы, такие как является ли Вселенная открытой или закрытой (то есть обладает ли она достаточной массой, с тем чтобы, в конечном итоге, начать сжиматься, вместо того, чтобы продолжать постоянно расширяться). Наши знания биологии еще более примитивны: например, у нас все еще достаточно поверхностные представления о характере эмбриологии, и, как мы видели, ход и механизм эволюции все еще поняты лишь в общих чертах, а о возникновении жизни известно еще меньше.

Мы можем быть уверены, что если наша собственная цивилизация продолжит существовать хотя бы в течение еще одной тысячи лет, то мы ответим на многие из этих трудных вопросов. Даже если к тому времени будут установлены все фундаментальные принципы всех наук, все же сделать предстоит еще многое. В течение следующих десяти тысяч лет мы можем рассчитывать, что вычислим достаточно обстоятельно многие сложные системы. Прежде всего, мы, вероятно, увидим расцвет инженерных программ, применяющих уже известные к тому времени фундаментальные знания к системам постоянно увеличивающейся мощности, тонкости и сложности. При условии, что человечество не взлетит на воздух или полностью не погубит окружающую среду и среди него не станут преобладать яростные фанатики, противники науки, мы можем рассчитывать увидеть значительные усилия по улучшению природы самого человека. Какие формы они могут принять, насколько успешными они окажутся и сколько времени понадобится, чтобы коренным образом изменить природу человека, мы едва ли можем предполагать, когда всматриваемся сквозь туман неопределенности, окутывающий далекое будущее.

По аналогии мы можем предположить, что эти более древние технократы, вероятно, знали намного больше нас, особенно в области астрономии и биологии, и сконструировали технику, намного превосходящую нашу. Какой могла представляться им их Вселенная?

Было бы удивительно, если бы они не постигали секреты своей собственной природы (до постижения которых нам еще очень далеко), механизмы своей эволюции и глубоких воздействий своего непосредственного физического окружения. Тогда как мы можем только догадываться, у каких звезд могут быть планеты, они, вероятно, это знали, хотя трудно оценить, как много им было известно о конкретных условиях других миров. Если они обладали высокими технологиями и имели достаточно времени, мы можем предположить, что они послали автоматические научно-исследовательские станции, по крайней мере, к нескольким ближайшим звездам и по прошествии нескольких сотен лет, получили ответные послания, сообщающие им кое-что об условиях там. Даже для этого понадобилась бы техника намного более развитая, чем наша.

Предположим, они обнаружили, что в галактике существует много подходящих для жизни мест, где есть и суша, и океаны, а также неизменное снабжение энергией со стороны родительской звезды, подходящая атмосфера, и, следовательно, очень большие массы разбавленного бульона на поверхности. Что мы не можем столь легко предположить, так это то, смогли ли они обнаружить, в каком количестве мест имелась некоторая примитивная форма жизни. Быть может, они установили, что жизнь это действительно очень редкое событие. Даже если верно обратное, возможно, они могли прийти к ложному выводу, что они, на самом деле, единственны в своем роде и в их галактике не существует других форм жизни. Мы можем представить, не слишком насилуя свое воображение, что, когда они внимательно изучили свой небольшой уголок Вселенной, протянувшийся на несколько десятков тысяч световых лет во многих направлениях, они смогли прийти к выводу, что, несмотря на то, что бульоны были обычным явлением, жизнь встречается чрезвычайно редко; что во многих местах существует возможность для зарождения жизни, но ни в одном из них не был сделан важный первый шаг — спонтанное появление химического механизма, необходимого для естественного отбора. И таким образом, мы должны задать вопрос, если Вселенная им представлялась действительно такой, то что они могли предпринять?

Для того чтобы точнее обрисовать их затруднительное положение, необходимо назвать еще один фактор. Они, вероятно, знали, что, в конце концов (и, возможно, по прошествии очень длительного периода времени), их собственная цивилизация обречена. Конечно, можно предположить, что у них были основания считать, что они не смогут выжить даже уже в ближайшее время. Может быть, они обнаружили, что соседняя звезда легла на встречно-пересекающуюся орбиту с их звездой, — весьма маловероятное событие в большей части галактики, но весьма вероятное вблизи галактического центра. Может быть, у них были основания предполагать, что их общественная система окажется неустойчивой неограниченное время, каковой, несомненно, может быть и наша. Они, вероятно, знали, что, в конце концов (имея в виду миллиарды лет), когда ядерное топливо начнет истощаться, их звезда может превратиться в красного гиганта и при этом поглотит их планету и разогреет ее, не оставив им никакой надежды на спасение. Без сомнения, они планировали заселить соседние планеты, но, может быть, это оказалось крайне трудно выполнимо в техническом плане, особенно если им не повезло и ближайшая подходящая планета оказалась на расстоянии многих десятков световых лет. Даже если они сделали такую попытку, то они, должно быть, осознавали, что их шансы на успех невелики и что они должны составить возможные планы действий на случай повторения неудач подобного рода. Какими бы ни были их мотивы, мы можем полагать, что они тщательно изучили другие альтернативы.

Какие другие варианты открывались перед ними? Самый легкий — послать автоматические научно-исследовательские станции, но, несмотря на мнение авторов научно-фантастических книг, их нелегко создавать и восстанавливать. Существовала не только грандиозная задача постройки машины, материалы для которой удобно было бы добывать, но еще и проблема создания таких машин, которые работали бы надежно, не получая значительной помощи со стороны родной базы, особенно после долгого путешествия в космосе и неудачной посадки на далекой планете. Там, вероятно, должны были присутствовать сложные механизмы для автономного ремонта, и они также обязаны были обладать высокой степенью надежности. Единственное благоприятное обстоятельство, вероятно, заключалось в том, что почти наверняка отсутствовало серьезное соперничество. Судя по всему, там не было ни моли, чтобы все портить, ни воров, чтобы разрушать и красть. Нужно было справиться лишь с медленным разрушением под действием ржавчины и другими видами химических и механических разрушений.

Оставалась очевидная возможность послать какие-нибудь другие живые существа со своей планеты. Несмотря на то, что они находились на более низкой ступени эволюции, должно быть, у посылавших их все же была надежда, что они смогут выжить и размножиться, а если повезет, то, в конечном итоге, развиться в высшую форму жизни. Если слишком затруднительно послать в это ужасное путешествие существ, подобных человеку, почему не попытаться послать мышей?

К сожалению, выгоды от использования мышей довольно незначительны. Мышь занимает меньше места, чем человек, но у нее нет ничего похожего на такой же механизм управления окружающей средой. Ее сохранение, как гнездовой колонии в течение сотен лет в космическом корабле, представляет очень значительные трудности, даже если допустить замысловатые формы повторных циклов. Среда, в которой они, вероятно, окажутся по прибытии, почти несомненно окажется постоянно враждебной. В частности, можно предполагать, что они будут испытывать недостаток кислорода, что, в конечном итоге, является почти роковым препятствием. Очевидно, что нам необходим организм, который можно послать в достаточно больших количествах, который может довольно хорошо перенести долгое путешествие в космосе и у которого будет какой-то шанс на выживание как при самой высадке на поверхность планеты, так и в окружающих условиях, в которых он там окажется. Поставив таким образом проблему, мы видим, что микроорганизмы, похожие на наши бактерии, были ли бы хорошим выбором в качестве колонистов, посылаемых для зарождения жизни на далекой планете.

На что похожи бактерии? Основное деление биологического царства заключается не в различии между животными и растениями, как мы, может быть, склонны считать. Это также не деление на организмы лишь с одной клеткой и организмы со многими клетками, подобные нашему. Самое важное различие между организмами заключается в том, что есть организмы, клетки которых имеют ядро, как наши, они называются эукариоты, и есть более простые организмы, у которых отсутствует такое ядро, они известны под названием прокариоты. Термин «высшие организмы», часто используемый биологами, может ввести в серьезное заблуждение. Несомненно, мы являемся высшими организмами и поэтому, говоря в общих чертах, видом животных, которых вы видите в зоопарке. Но перед биологом дрожжевую клетку, например, такую, которая вызывает брожение пива или вина или используется для хлебной закваски, можно охарактеризовать как высший организм. По этой терминологии, под «низшими организмами» имеются в виду прокаритоты. Термин охватывает все бактерии, которые существуют в огромном множестве различных видов, и то, что обычно называют сине-зелеными водорослями. Остальные виды водорослей являются эукариотами, например, амебы, ресничные и многие другие одноклеточные существа.

Деление биологического мира на эти две широкие категории очень важно, потому что оно является одновременно и четким, и глубоким. Оно затрагивает не просто проблему клеточного ядра, а включает в себя многие особенности внутренней архитектуры клетки. Их нельзя было эффективно изучать без использования современного оборудования, такого как электронный микроскоп, который позволяет нам делать видимыми составные элементы клетки в таких мельчайших деталях, которые никогда не были возможны прежде. По этой причине классификация на эукариот и прокариот появилась сравнительно недавно, она относится примерно к 1960 году.

В чем заключается разница между ними? Если говорить в самых общих чертах, эукариоты имеют высокоразвитые хромосомы, которые после репликации делятся в ходе процесса, известного как митоз, который требует особого митотического аппарата. «Хромосомы» прокариот намного проще, и у них отсутствуют молекулы для создания митотического веретена. Эукариоты имеют в своей цитоплазме множество особых компонентов, включая сложные мембранные системы (которые обычно отсутствуют у прокариот) и особые маленькие органеллы, такие как митохондрии. У них есть своя собственная ДНК и свой собственный аппарат для синтеза белка, и широко распространена точка зрения, что они произошли от не паразитирующего прокариота, который проник в клетку и, в конечном итоге, выродился настолько, что мог существовать только в симбиозе с клеткой-хозяином. Митохондрию обычно называют «электростанцией клетки», поскольку она включает молекулярный аппарат для эффективного сжигания пищи с использованием молекулярного кислорода. Каждая из наших собственных клеток насчитывает сотни, если не тысячи, таких митохондрий.

Возможно, что более существенное различие между эукариотами и прокариотами касается способа проникновения веществ в клетку и выхода из нее. У эукариот есть специальные механизмы для поглощения крупных частиц (процесс называется фагоцитоз) и специальные внутренние структуры для их переваривания. У прокариот такие молекулярные механизмы полностью отсутствуют. Через их мембраны могут проникать лишь объекты величиной с молекулу.

У нас нет необходимости вдаваться во все детали. В общих чертах, прокариоты проще, у них отсутствуют специальные молекулы, которые позволяют более совершенным эукариотам осуществлять сложные процессы. Эти процессы позволяют эукариотам нести намного больше генетической информации (разрешая иметь набор хромосом вместо лишь одного отрезка ДНК), жить в других организмах и перемещать молекулы повсюду внутри самих себя с определенной целью. Если есть одно свойство, которое ставит эукариот выше прокариот, так это молекулярный аппарат для генерации и управления движением внутри клетки. Именно он привел к образованию мышц, весьма важных для животных, и допускает сложный танец хромосом, который мы наблюдаем в виде митоза.

Тогда почему, если бактерии находятся в таком невыгодном положении, нам следует их рассматривать в качестве возможных пассажиров нашей ракеты? Ключ к ответу заключается в одном слове: кислород. Вполне вероятно, что в пребиотическом мире в атмосфере было мало кислорода. Следовательно, мы должны исследовать организмы, которые существуют сегодня на Земле, чтобы понять, каковы их потребности в кислороде.

Большое преимущество кислорода заключается в том, что он позволяет клетке получить намного больше энергии при метаболическом усвоении своей пищи. Этот процесс обычно называется респирацией. Немногие бактерии могут использовать определенные неорганические соединения, такие как углекислые соли, нитраты или сульфаты, вместо кислорода, но это именно те соединения, которые вряд ли можно было найти в каком-либо количестве на первозданной Земле вследствие нехватки кислорода в атмосфере. В отсутствии неорганического акцептора электронов, как называются такие соединения, клетка должна пользоваться намного менее эффективным способом, называемым ферментацией. Значение ферментации заключается в том, что она может развиваться при полном отсутствии кислорода, но она создает значительно меньше молекул АТФ (аденозинтрифосфата), энергетической валюты клетки, чем респирация.

Молекулярный кислород мощное, но опасное соединение. Потенциально, он является высокотоксичным веществом для клетки, потому что клеточные процессы могут создавать несколько его смертельных производных, таких как перекись водорода (H2O2) или даже еще более опасное соединение — свободно радикальный супероксид (O2-). Многие клетки имеют особые ферменты, которые поглощают эти угрожающие жизни соединения. У некоторых видов бактерий отсутствуют такие ферменты. Для них кислород — яд, и они могут жить только в тех местах, где его нет, таких как глубокая грязь, но на первозданной Земле они не оказались бы в особо невыгодном положении.

Кислород, который, как следует напомнить, создается сегодня как побочный продукт фотосинтеза, настолько полезен для большинства организмов, что они могут жить без него не больше, чем мы с вами. Именно по этой причине нам не нужно рассматривать большинство более развитых клеток в качестве кандидатов на заселение космоса. Это требование исключает всех претендентов, за исключением некоторых бактерий и немногих простейших, таких как дрожжи. Некоторые из них могут использовать кислород, если он доступен, и снова примером являются дрожжи, тогда как другие совсем не могут пользоваться кислородом. Некоторые анаэробы могут выдерживать кислород, но других он убивает.

После этого вступления давайте посмотрим, что представляют из себя бактерии. Существует такое множество различных видов бактерий, что любое краткое описание обязательно должно быть довольно поверхностным. Обычно они довольно малы, что может быть не слишком удивительно, поскольку они имеют одну из самых небольших величин ДНК, не превышающую миллион пар оснований. Типичный размер, хотя существует большой разброс размеров, обычно составляет около одного или нескольких микрон (микрон — это одна тысячная миллиметра), поэтому обычно они немного больше, чем длины волн видимого света, диапазон которых около половины микрона. По этой причине, хотя их и можно увидеть в мощный оптический микроскоп, так что можно наблюдать их приблизительный размер и форму (сферическую, палочковидную или соединенные в длинные цепочки), для того, чтобы проникнуть в их тайны, нужны другие методы. К счастью, некоторые бактерии оказались идеальными для современных биохимических методов, поэтому на них выполнено огромное количество исследований, особенно в последние тридцать-сорок лет. Они выявили, что бактерии являются действительно удивительными существами.

Можно подумать, что поскольку они такие маленькие, то им будет недоставать химической универсальности, но дело обстоит далеко не так. Многие из них могут жить в очень простой химической среде, содержащей всего лишь один источник углерода, один источник азота (такой как аммиак NH4+) и некое соединение, обычно, но не всегда, органическое, которое они могут использовать для получения энергии. Многим из них не нужна большая часть витаминов, поскольку они могут скорее синтезировать их для себя сами, чем получать их с пищей, как это делаем мы. Не нужны им также «незаменимые» аминокислоты, которые мы получаем путем расщепления белка в нашей пище, поскольку они также могут их для себя вырабатывать. Многие из них подвижны. Они могут передвигаться с помощью своих достаточно простых жгутиков и могут обнаруживать скопление молекул пищи, и с помощью простых приемов они могут плыть в этом общем направлении. Аналогичным образом они могут избегать определенных токсичных веществ. В благоприятных условиях они могут расти и очень быстро делиться. В густом отваре с множеством кислорода они могут разделиться надвое всего лишь за двадцать минут. В менее благоприятных условиях удвоение их числа может занять полдня, но даже с такой скоростью они располагают возможностью быстро увеличить свое количество при условии, что сохраняется запас питания. У них есть эффективные механизмы управления своим метаболическим аппаратом, поэтому ферменты, которые временно не нужны (из-за богатого запаса пищи), отключаются и больше не вырабатываются до тех пор, пока клетка вновь не почувствует в них необходимости. Метаболически они, по-видимому, настроены на быстрый рост, поскольку во многих обстоятельствах выигрывают именно самые быстрые клетки, и с помощью естественного отбора производят последующие поколения. Их половая активность очень незначительна. Большую часть времени одна клетка просто делится на две дочерние клетки, не прибегая к какому-либо половому процессу, но время от времени, с помощью специального механизма, две бактерии могут спариваться, при этом одна («мужская») передает некоторое количество своей ДНК другой («женской»). Процесс может быть относительно медленным, акт передачи занимать до двух часов или несколько обычных жизненных циклов.

Благодаря тому, что половое размножение не существенно, колония бактерий может вырасти лишь из одной особи. Более того, поскольку у них нет необходимости искать себе партнера для размножения, они могут расти очень далеко друг от друга.

У бактерий обычно очень жесткие стенки клетки за пределами нежной плазматической оболочки, что образует на молекулярном уровне эффективный барьер между внутренней и внешней сторонами клетки. Эта стенка защищает плазматическую оболочку от разрушения и особенно от осмотического разбухания, которое, в противном случае, возникнет, если клетка окажется в слишком водянистом растворе. Таким образом, многие бактерии не слишком боятся концентрации солей и органических соединений в окружающей их среде. Еще одно преимущество заключается в том, что они обычно могут подвергаться «лиофилизации», процессу, в ходе которого бактерии сначала охлаждаются, а затем из них извлекается вода таким образом, чтобы нанести минимальный ущерб клеточным структурам.

На Земле существует множество различных видов бактерий, и они живут в самых разных условиях: от горячих источников до бесплодных пустынь. Некоторые из них развились настолько, что могут процветать в условиях интенсивной радиации, существующих в ядерных реакторах. Другие могут утилизировать необычные соединения, такие как сернистый водород (H_2S), ионы железа или метан, хотя для этого им обычно требуется кислород. Если они также способны осуществлять фотосинтез, то они, вероятно, могут обойтись без кислорода. Другие бактерии являются исключительно анаэробными и могут использовать водород, образовывая в процессе этого метан. Другие могут «связать» азот, то есть они могут получить свой запас азота из очень инертной молекулы N_2 в атмосфере. Тем не менее, другие могут осуществлять различные виды фотосинтеза, получая свою энергию от солнечного света. Обсуждение всех возможностей привело бы нас к слишком многим техническим сторонам дела.

Существует одна группа микроорганизмов, которым следует уделить здесь больше внимания. Это сине-зеленые водоросли или сине-зеленые бактерии, как их сейчас называют, и интересны они хотя бы потому, что древнейшие известные ископаемые микроорганизмы, по-видимому, принадлежат к этому типу. Группа, в целом, весьма разнообразна, хотя ее члены имеют несколько общих характеристик. Все они могут получать энергию от света. Некоторые из них также могут расти в темноте, хотя довольно медленно, и использовать только довольно ограниченный набор соединений углерода для этой цели. Довольно поразительно, но многие из них могут также связывать азот. Если это так, то для жизни им нужно очень немного, поскольку они могут расти в среде, где есть только несколько солей, используя свет для получения углерода из CO_2 и азота из N_2. Такие организмы обычно состоят из цепочек клеток, соединенных в непрерывную веревочку, связывание азота обычно осуществляется особыми пограничными клетками (они называются гетероцистами), которые специализируются на этой функции и которые никогда снова не делятся.

Не удивительно, что сине-зеленые водоросли живут в самых разнообразных местах обитания, при этом они найдены не только в море, но и в свежей воде и в почве. Некоторые расцветают в горячих источниках, другие — в пустынях, где они населяют расщелины в горных породах.

После этого поверхностного описания мира бактерий перечислим некоторые преимущества, которые эти малые существа могут иметь для космического путешествия. Как мы видели, многие из них довольно малы. Достаточно типичная бактерия, такая как Escherichia coli, имеет всего около одного микрона в ширину и два микрона в длину. Таким образом, миллиард таких бактерий можно упаковать в объем несколько кубических сантиметров. Их можно заморозить живыми, и большая их часть выживет, когда они, в конечном итоге, разморозятся. В этом замороженном состоянии они могут сохраняться почти неограниченно без каких-либо серьезных потерь. При очень низкой температуре, такой как в космосе, многие из них вполне могут оставаться в живых более десяти тысяч лет. Они, вероятно, почти защищены от воздействия столкновений и других подобных опасностей. Лучше всего было бы, если бы они упали в пребиотический океан, где они, вероятно, преуспели бы, особенно потому, что многие виды могут выживать с небольшим количеством кислорода или вообще без него. Действительно, некоторые бактерии могут расти в такой простой среде, что почти любой пребиотический бульон позволит им выжить и размножаться довольно эффективно, при условии, что он не окажется слишком прохладным. Более того, им нет необходимости держаться вместе. Одна бактерия может при благоприятных обстоятельствах инфицировать целый океан.

Возможно, бактерии крайне просты по сравнению с организмами, подобными нашему, но как саморазмножающиеся химические фабрики они не только компактны и крепки, но химически очень универсальны. Насколько мне известно, никто, что довольно удивительно, специально не пытался вырастить бактерии в искусственном «бульоне», созданном в ходе эксперимента типа Урея-Миллера (большинство экспериментаторов доходят до больших длин, чтобы исключить микроорганизмы из своих инкубационных фляг), но ученые обычно рассчитывают, что там существует много видов бактерий, даже в отсутствие атмосферного кислорода.

В таком случае, по всем этим причинам, микроорганизмы, и особенно те, которые могут жить без кислорода, являются вполне очевидными кандидатами для отправки на другую планету, при условии, что цель скорее состоит в зарождении там жизни, чем в доставке туда полностью сформировавшегося высшего организма, у которого есть некоторый шанс на выживание. Вот почему мы с Лесли Оргелом предложили их в качестве самого вероятного груза для непилотируемого космического корабля, когда постулировали свою гипотезу о направленной панспермии.

Глава 12. Конструкция ракеты

Прежде чем рассматривать возможную конструкцию ракеты для отправки микроорганизмов на другую планету, обсудим для начала, как можно послать астронавтов. Для того чтобы продвигаться вперед с высокими скоростями, такому космическому кораблю потребуется очень мощный реактивный двигатель и хороший запас топлива. В нем должно быть как помещение для астронавтов, так и средства к существованию (пища, кислород и т. д.) для длительного путешествия в темноте, наряду со всеми приборами для контроля и управления ракетой и связи с родной планетой. Там должно остаться достаточно топлива для торможения космического корабля по прибытии и благополучной высадки астронавтов на какой-нибудь планете или астероиде выбранной звезды. Ни ускорение, ни торможение не должны быть такими сильными, чтобы нанести ущерб пассажирам. Космическому кораблю нет необходимости доставить их обратно, поскольку они скорее являются колонистами, чем путешественниками.

По очевидным причинам, они оказались бы в лучшем положении, если бы перемещались достаточно быстро. Если бы они могли лететь чрезвычайно быстро, близко к скорости света, то действовало бы релятивистское расширение времени. Несмотря на то, что путешествие, когда судишь о нем, находясь на любой звезде, могло бы потребовать тысячи лет, внутри космического корабля прошло бы только несколько десятков лет. Это один из самых замечательных выводов, который можно сделать на основе специальной теории относительности.

Оказывается, что для людей (в противоположность электронам) достижение расширения времени почти Невозможно, не только вследствие необходимости самых передовых технологий, но И вследствие основных законов физики, касающихся энергии, мощности и массы. Например, ракете необходимо много энергии, но она не должна быть слишком тяжелой. Поэтому необходимо богатое энергией горючее. Мы не знаем лучшего способа его выработки, кроме как в процессе аннигиляции антиматерии материей, но проблема безопасного хранения антиматерии, по-видимому, непреодолима. Следующий, почти не уступающий по качеству метод — использование ядерного синтеза, в процессе которого водород преобразуется в гелий, при этом гелий выбрасывается обратно, создавая тягу. Эдвард Перселл рассчитал, что даже с «идеальным» ракетным двигателем такого типа скорость на выхлопе составила бы только одну восьмую скорости света. На практике она окажется еще меньше. Ракета становится непроизводительной, как только она достигнет скоростей намного больше, чем скорость на выхлопе. Такие расчеты доказывают, что масса ракеты вместе с топливом окажется значительно больше, чем полезная нагрузка для того, чтобы достичь скоростей, близких к скорости света.

Кроме проблемы ускорения космического корабля до столь высоких скоростей, не говоря уже об уменьшении скорости по прибытии, еще одну существенную трудность представляет защита космического корабля от повреждений. Большая часть космического пространства пуста, но в ней встречаются случайные атомы и молекулы и даже мелкие частички пыли. Несмотря на то, что сами они перемещаются довольно медленно, они могут очень сильно удариться о космический корабль из-за собственной скорости космического корабля. При средних скоростях груз космического корабля и оборудование можно защитить толстым слоем материала, действующего в качестве щита. При очень высоких скоростях, приближающихся к скорости света, необходимая толщина становится невероятно большой.

Предлагались различные остроумные способы преодоления этих трудностей. Вместо того чтобы перевозить много топлива, космический корабль может собирать материю в космосе и использовать ее в качестве топлива. Даже если это можно было бы успешно осуществить, материя там настолько разрежена, что коллектор должен быть очень огромным, до ста миль в диаметре. Возможно, повреждения можно избежать, отклоняя материю в одну сторону, но это также представляется героическим предприятием. Таким образом, представляются хоть в какой-то степени жизнеспособными только те идеи, которые связаны с обеспечением ракетного двигателя энергией не из космического корабля, а с родной планеты, например, с помощью лазерного луча. Это позволит космическому кораблю быть относительно маленьким и легким (хотя все еще значительного размера), поскольку ему не нужно будет перевозить огромное количество топлива, необходимого при более традиционных методах. Даже эти способы, которые являются делом очень далекого будущего, вероятно, не будут приводить в движение космический корабль быстрее, чем с половиной скорости света. При такой скорости расширение времени имеет сравнительно небольшое влияние. Мы можем сделать предварительный вывод, что релятивистское космическое путешествие невозможно.

Это означает, что время, которое испытает команда, окажется просто расстоянием путешествия, поделенным на среднюю скорость космического корабля. Путешествие в сто световых лет с одной сотой скорости света заняло бы у них десять тысяч лет. В силу всего этого, почти самые короткие путешествия в самых современных космических кораблях, вероятно, будут длиться дольше, чем продолжительность человеческой жизни (конечно, существа, которые развились где-нибудь в другом месте, могут жить дольше). Нужно либо каким-то способом увеличить продолжительность жизни, заморозив астронавтов, если это окажется возможным, либо астронавты должны воспитываться в космическом корабле; но это не мой идеал хорошей жизни.

Уже достаточно сказано для доказательства того, что отправка космических переселенцев с какой-либо надеждой на успех является потрясающе трудным делом, далеко опережающим наши настоящие возможности. Изобретательность, настойчивость и требуемые усилия так огромны, что я сам сильно сомневаюсь, что мы или даже наши потомки успешно доведут их до конца, хотя нам не дано знать, что таит в себе будущее.

После такого ряда потрясающих предложений обращение к более земной проблеме отправки на другую планету простых бактерий воспринимается с облегчением. Для этого я опишу только методы, которые, хотя и невозможны сейчас, относятся к не слишком отдаленному будущему.

Решив, что космический корабль мог бы перемещаться довольно быстро, хотя и не столь быстро, как свет, не так легко угадать его наиболее вероятную скорость. Мы сами можем строить космические корабли, которые покинули бы Солнечную систему со скоростями порядка 3 миль в секунду, то есть 0,0015 процентов от скорости света. Не вдаваясь в подробности (можно ли использовать ядерный взрыв, или же луч с Земли мог бы обеспечить энергию ускорения и т. п.), представляется вполне определенным, что можно было бы сконструировать космический корабль, который летел бы с одной тысячной скорости света. Увеличение скорости до одной десятой скорости света представляется довольно трудным. Возможно, приемлемо предположение об одной сотой скорости света.

На расстоянии ста световых лет от Земли существует несколько тысяч звезд, и, вследствие ранее приведенных аргументов, мы не слишком удивились бы, если бы одна из них имела планету со средой того типа, которая нужна нашим бактериям. Естественно, на самых первых этапах жизни Вселенной звезды могли быть удалены друг от друга еще дальше. В качестве альтернативы эта древняя цивилизация могла появиться в той части галактики, где звезды были заметно ближе к друг другу. Однако вероятность обнаружить подходящую планету на расстоянии до десяти тысяч лет представляется довольной незначительной; на расстоянии до тысячи световых лет вероятность возрастает, поэтому предположение о ста световых годах, быть может, самое обоснованное из всех.

Это означает, что путешествие займет, очень приблизительно, десять тысяч лет. По нашим повседневным стандартам это огромное время, но мы должны задать вопрос, настолько ли оно длительное, что экспедиция непременно потерпит неудачу. Никто еще не сохранял бактерии в холоде в течение времени, хоть в какой-то степени приближающегося к этому, но те результаты, что у нас есть для более коротких периодов времени, говорят о том, что если их осторожно заморозить и подержать достаточное время в холоде, то, действительно, при таком обращении многие бактерии выживут в течение длительных периодов времени. Представляется весьма вероятным, что дальнейшие исследования легко приведут к способам, позволяющим сохранять бактерии в течение периодов времени длиной до десяти тысяч лет, и, возможно, даже до миллиона лет. В любом случае, представляется возможным перевозить такие большие их количества, что можно смириться даже с вполне значительной их потерей, при условии, что, по крайней мере, небольшое их число останется, чтобы заселить новую среду.

Более серьезная проблема заключается в обеспечении надежной работы космического корабля после десяти тысяч лет, проведенных в космосе. Она возникает потому, что ракета должна функционировать не только в начале путешествия, но и по его завершении. Доставка бактерий на планету — не простое дело. Нереально запустить ракету в пустое космическое пространство и надеяться на лучшее. Звезды настолько разбросаны, что при любой приемлемой скорости космический корабль, вероятно, пройдет прямо через галактику и выйдет с другой ее стороны. Подходящую звезду нужно выбрать как мишень, и ракета должна придерживаться курса в течение всего полета. Это было бы относительно простым делом. Основная проблема возникает, когда космический корабль, наконец, приближается к звезде. В этой точке он должен уменьшить скорость, что означает обязательную перевозку им ракетного топлива в течение всего пути и что двигатели ракеты и управляющая система все еще должны быть в хорошем рабочем состоянии. Тогда космический корабль сможет выбрать подходящую планету, самонавестись на нее и затем сбросить свой груз таким образом, что он уцелеет при прохождении через атмосферу и плюхнется невредимым в первозданный океан. Все это, видимо, не представляет непреодолимой трудности, но требует весьма высокоразвитой техники для того, чтобы различные составные части ракеты работали надежно после длительного путешествия в космосе. Проблемы выглядят решаемыми, но скорее в долгосрочном плане, нежели в ближайшем будущем.

Каковы бы ни были особенности космического корабля, представляется вполне вероятным, что он сможет перевезти и доставить очень много микроорганизмов. Судя на нашим ракетам, полезная нагрузка в двести фунтов была бы вполне разумной. Бактерии так малы, что в таком пространстве можно сохранить их от 10^16 до 10^17 Поскольку это число так велико, бактерии можно упаковать во множество отдельных пакетов. Это намного облегчило бы их доставку. Во время высадки эти пакеты можно было бы рассеять в атмосфере с тем, чтобы они могли достичь поверхности планеты во множестве различных мест. Каждый пакет, вероятно, следует поместить в оболочку, которая могла бы выдержать как тепловой поток, генерированный в процессе трения, по мере прохождения с высокой скоростью через атмосферу, так и сотрясение от удара при падении в океан (те, которые упадут на сушу, могут полностью пропасть). Оказавшись в воде, покрытие, вероятно, должно будет раствориться в ней, освободив таким образом бактерии. Все эти требования выглядят так, как будто их можно легко выполнить, проявив немного изобретательности. Многочисленная доставка имеет то преимущество, что даже если многие из пакетов упадут в неподходящих местах, некоторым повезет, и они найдут благоприятную среду. Для того, чтобы инфицировать стерильную планету, необходимо немного бактерий: может быть, достаточно даже одной, при условии, что она сможет успешно расти и делиться.

Поскольку, вероятно, было бы отправлено множество бактерий, то было бы разумно отправить несколько их видов. Какие именно их виды были бы выбраны, трудно судить, поскольку это до некоторой степени зависело бы от того, какие микроорганизмы имелись на той планете, откуда была отправлена ракета. Поскольку маловероятно, что в атмосфере новой планеты имелось бы много кислорода, то, по-видимому, посылка микроорганизмов, которые предпочитают метаболически усваивать свою пищу, используя кислород, является потерей времени. По- видимому, лучше было бы отправить те, которые заранее адаптировались бы к тем условиям, на какие можно было бы рассчитывать на новой планете. Все они могли бы использовать органические соединения в качестве источника энергии, но другие могли бы также использовать энергию, сохраняющуюся в некоторых минералах. По-видимому, крайне желательными были бы фотосинтез и, возможно, способность образовывать споры, по крайней мере, для некоторых организмов. Отправители вполне могли бы разработать совершенно новые штаммы микроорганизмов, специально предназначенные для копирования в пребиотических условиях, хотя не вполне ясно, не лучше ли попытаться сочетать все желаемые свойства в одном типе организма или послать много различных организмов. Каким бы ни оказалось лучшее решение, оно, по-видимому, не представляет очень серьезных трудностей, и такую исследовательскую программу уже можно было бы осуществить фактически сегодня, поскольку мы начинаем разрабатывать очень мощные методы по изменению генетического состава организмов, и особенно микроорганизмов. При изучении в 1976 году обитаемости Марса был сделан вывод, что лучший тип микроорганизмов мог бы основываться на существующих сегодня сине-зеленых водорослях. Как уже утверждалось ранее, поразительно, что древнейшие известные ископаемые микроорганизмы на Земле, по-видимому, как раз представляют организмы такого типа.

Труднее решить, насколько совершенный микроорганизм нам могли бы послать. Если подавляющее требование заключалось в зарождении любой формы жизни, какой бы простой она ни была, и если это считалось рискованным и трудным предприятием, тогда чем проще и сильнее микроорганизм, тем лучше. Если предполагалось, что как только он достигнет подходящей планеты, то положит начало жизни там относительно легко, тогда вполне разумно послать несколько более совершенных микроорганизмов, чтобы по возможности ускорить эволюцию. Если бы мы сами пытались отобрать микроорганизмы, то мы, несомненно, склонялись бы к отправке некоего вида эукариота, то есть клетки с хромосомами, настоящим ядром и полезными макромолекулами, такими как актин и тубулин, которые помогают придать подвижность как клетке, так и ее составляющим. Дрожжи являются примером такой усовершенствованной клетки. Они разрастаются на кислороде, но могут жить и без него.

Если такие организмы послали на Землю в самом начале жизни здесь, то в ископаемых останках мы можем увидеть лишь небольшой их след. Существующие сейчас эукариоты, насколько мы можем судить, появились на сцене намного позже. Всегда можно было бы привести доводы в пользу того, что сюда первоначально был послан некий вид эукариота, но он не смог выдержать конкуренции с лучше приспособленными бактериями, возможно, когда истощились первоначальные запасы пищи в первозданных океанах, и поэтому он вымер. Или же, напротив, он смог отказаться от многих своих особенных свойств и развиться в нечто более простое и более способное справиться с борьбой за выживание. Если была отправлена смесь микроорганизмов, то было бы удивительно, если, начавшись однажды, жизнь затем полностью исчезла, настолько эти мелкие существа сильные и универсальные, но без эксперимента обычно не решаешься предсказывать, какой именно тип организмов выйдет на вершину в окружающей среде, столь далекой от нашего повседневного опыта.

Из этого обсуждения очень явно выясняется одна вещь. В окружающей среде пребиотического океана, особенно ниже неокислительной атмосферы, некоторые микроорганизмы имеют огромное преимущество над любыми высшими формами жизни. Как описано в предыдущей главе, они химически универсальны, кислород не имеет для них большого значения, будучи маленькими, они могут очень быстро размножаться. Добавьте сюда их очень желательные качества как пассажиров: их небольшой размер, способность выдержать замораживание и оттаивание, сравнительное отсутствие у них чувствительности к влиянию радиации, — и мы видим, что они почти идеальны для межпланетного оплодотворения. Может быть, человек, действительно, со временем сможет путешествовать на определенное расстояние в космосе за пределы узких границ Солнечной системы, но, каким бы ни оказалось это расстояние, бактерии могли бы путешествовать дальше. И, насколько мы можем представить себе, это преимущество, вероятно, останется, какими бы значительными ни оказались успехи техники.

Этот момент становится важным, если мы хотим ответить тем, кто убежден, что космическое путешествие, в конечном итоге, окажется очень легким, поскольку они бы стали доказывать, что если можно послать человека, то излишне возиться с бактериями. Если это окажется верным, то все еще существует одна гипотетическая ситуация, в которой направленная панспермия имела бы преимущество. Предположим, что совершенная форма жизни развилась четыре миллиарда лет назад в соседней галактике, такой как Андромеда, но полностью отсутствовала в нашей собственной. Несмотря на то, что эти универсальные существа могли добиться успехов в заселении всей Андромеды, техническая проблема полета в соседнюю галактику могла быть слишком трудна даже для них, чтобы они могли взяться за ее решение. Осознав, что они сами никогда не смогут путешествовать миллион (или около этого) световых лет в космическом пространстве с Андромеды в нашу галактику, они, подобно нам, поняли, что бактерии могли бы путешествовать дальше и послали космические корабли, наполненные микроорганизмами. Хотя нелегко понять, как создать космический корабль, подходящий для такого длительного путешествия, было бы опрометчиво утверждать, что это невозможно, поскольку очень трудно предсказать все технические достижения, которые может принести будущее.

Поскольку бактерии являются такими идеальными пассажирами, то существует ли какая-нибудь форма ракетного двигателя, которая может работать на них, а не на людей? По крайней мере, одна такая есть. Хорошим примером совершенно необычного подхода к проблеме ракеты является предложение Мотнера (Mautner) и Матлофта (Matloft) о том, что можно использовать для снабжения энергией космического корабля усовершенствованные солнечные паруса. У таких парусов, вероятно, должна быть большая площадь, и они должны быть очень тонкими, с тем чтобы давление излучения Солнца превышало силу тяготения Солнца. Авторы рассчитали, что паруса с массой около одной десятой миллиграмма на квадратный сантиметр (а такие материалы уже имеются) оказались бы достаточно тонкими, чтобы позволить космическому кораблю избежать притяжения Солнца. Даже еще более тонкие паруса ускорили бы его отправку. С их помощью трудно достичь очень высоких скоростей, таких как одна сотая скорости света (0,01С), но скорости в диапазоне от одной десятитысячной до одной тысячной (0,0001 до 0,001С), вероятно, можно развить. Эти относительно низкие скорости отчасти ограничат дальность полета космического корабля, поскольку даже при скорости 0,001С преодоление расстояния в десять световых лет заняло бы десять тысяч лет. Это довольно ограничивающие требование, но его следует сопоставить с огромным преимуществом предложения, которое заключается в том, что уменьшение скорости в конце пути могло бы осуществиться с помощью солнечных парусов, и поэтому большой запас топлива для этой операции не нужен, хотя очень небольшое его количество, вероятно, потребуется, чтобы привести в движение многие маленькие пакеты с бактериями, из которых состоит полезная нагрузка на орбитах, где, по крайней мере, некоторые из них могла бы притянуть ожидающая планета.

Авторы рассчитали, что для полезной нагрузки около десяти тонн паруса могли бы иметь радиус около 200 ярдов. Устройство такого корабля очень отличается от более привычных нам, но оно еще более укрепляет предложение, что бактерии могут путешествовать дальше. Это, скорее всего, окажется правдой, каким бы ни был принцип ракетного двигателя и какой бы ни была дальность полета космического корабля, пусть даже она окажется лишь в десять световых лет для корабля с солнечными парусами или длительным путешествием в два миллиона световых лет до Андромеды для какого-то намного более совершенного аппарата.

Глава 13. Противопоставление двух теорий

Все ранее приведенные аргументы подкрепляют тезис о том, что направленная панспермия вполне вероятна. Это означает, что мы имеем два типа теорий о происхождении жизни на Земле и что они коренным образом отличаются друг от друга. Первая, общепринятая теория, утверждает, что жизнь, какой мы ее знаем, зародилась здесь совершенно самостоятельно, лишь с небольшой помощью (или вообще при ее отсутствии) со стороны чего-нибудь, находящегося за пределами нашей Солнечной системы. Вторая направленная панспермия постулирует, что корни нашей формы жизни тянутся в другое место Вселенной, почти непременно на другую планету, что она достигла высшей формы там, прежде чем что-либо значительное зародилось здесь; и что источником жизни здесь послужили микроорганизмы, посланные на каком-то виде космического корабля высшей цивилизацией.

Обе теории вряд ли могут различаться сильнее, но важно задать вопрос: имеет ли эта разница значение? Поскольку по времени началом Вселенной в ее настоящем виде послужил Большой взрыв и поскольку любая форма жизни в те далекие времена была невозможна, жизнь, должно быть, зародилась где-нибудь в другом месте некоторое время спустя после Большого взрыва. Можно утверждать, что направленная панспермия просто переносит проблему куда-нибудь в другое место. Частично, это действительно так, но в силу всего, что мы знаем, определение места было очень важно. В конечном итоге, может выясниться, что по той или иной причине зарождение жизни на Земле, должно быть, было почти невозможно, тогда как на другой планете с более благоприятными условиями она могла зародиться легче и, возможно, развиваться быстрее. Быть может, наша необыкновенная Луна окажется скорее помехой, чем преимуществом. Таким образом, хотя мы до сих пор еще не можем привести какие-либо убедительные доводы, почему зарождение жизни где-нибудь в другом месте намного вероятнее, опрометчиво предполагать, что условия здесь были так же хороши, как и где-нибудь в другом месте. Зародилась ли жизнь здесь или же где-нибудь в другом месте, — по сути, исторический вопрос, и мы не вправе на данном этапе отмахиваться от него как от несущественного.

В таком случае, обе теории различаются коренным образом. Можем ли мы решить, какая из них, вероятнее всего, окажется верной? В частности, можем ли мы выстроить какие-либо убедительные доказательства, которые могли бы подтвердить или опровергнуть направленную панспермию? Одна возможная последовательность доводов содержится внутри тех организмов, что существуют сегодня. Несмотря на большое разнообразие молекул и химических реакций, созданных эволюцией, есть определенные особенности, которые, по-видимому, являются общими у всех живых существ. По мере того, как мы тщательно собираем все больше и больше данных из живущих сегодня организмов, мы начинаем соединять в одно целое родословные деревья некоторых молекул, например, молекул транспортной РНК, в надежде, что сумеем установить характер древнейших предков этих молекул. Такая работа все еще ведется, но есть одна особенность, которая настолько инвариантна, что сразу же привлекает внимание. Это генетический код, описанный в приложении. За исключением митохондрий, код идентичен у всех живых существ до сих пор изученных, и даже в случае митохондрий отличия довольно незначительны. Это не вызывало бы удивления, если бы существовало очевидное структурное основание для элементов кода, если определенные аминокислоты должны были обязательно сопровождать определенные кодоны, например, потому, что их формы изящно соответствовали друг другу. Предпринимались смелые попытки предложить объяснения, как это могло произойти, но все они представляются неубедительными. По крайней мере, вполне правдоподобно, что все элементы кода, в основном, случайны. Даже если некоторые первые кодоны были продиктованы не случайностью, а несли в себе какую-то химическую логику, и даже если некоторые общие особенности кода можно некоторым образом объяснить, то наиболее невероятным представляется, по крайней мере, сегодня, что все элементы кода были определены чисто химическими причинами. Код предполагает как раз то, что жизнь на некоем этапе прошла, по крайней мере, через одно узкое место, небольшую инбридинговую популяцию, из которой развилась вся последующая жизнь.

Итак, веской причины, почему бы такого узкого места не могло быть на первых этапах эволюции на Земле, не существует. Один вариант кода, возможно, оказавшись намного лучше любого другого, мог дать своим обладателям избирательное преимущество над всеми их конкурентами, поэтому выжил он один, а все остальные стали вымирать. Тем не менее, слегка удивляешься, что не появилось несколько вариантов кода, и тот факт, что коды метахондрий слегка отличаются от остальных, подтверждает это. Однако из многих различных типов организмов на Земле, пожалуй, лишь немногих преднамеренно проверяли для того, чтобы определить их точный генетический код. Поскольку предполагается, что код всегда останется одинаковым, немногие исследователи страстно желают тратить время на эту проблему. Возможно, при дальнейших исследованиях будет обнаружено большее разнообразие. До тех пор то обстоятельство, что код настолько единообразен, в небольшой степени подкрепляет гипотезу о направленной панспермии.

Существуют ли другие особенности, общие для всех живых существ, которые кажутся необычными? В нашей первой статье мы с Оргелом предположили, что относительное содержание элемента молибдена у живых существ, по-видимому, больше, чем этого можно было бы ожидать на основании его распространенности в породах. Некоторые исследователи обратили внимание, что, несмотря на то, что молибден довольно редко встречается в горных породах, в морской воде он распространен намного больше. На это Оргел ответил, что, хотя это верно для современных океанов, представляется маловероятным, что молибден присутствовал в таких количествах в пребиотическом океане, поскольку большие восстановительные условия в то время могли сделать его соли довольно растворимыми. Даже если согласиться с доводом Оргела, следует признать, что он представляет собой довольно слабое подтверждение теории направленной панспермии. Даже если в пребиотическом океане было довольно мало молибдена, то древние организмы могли научиться каким-то образом концентрировать его в себе.

Возможно, к этому лучше подойти, задав вопрос: какие особые свойства мы могли бы надеяться обнаружить в ископаемых останках, если направленная панспермия действительно имела место. Основная разница заключалась бы в том, что микроорганизмы непременно появились бы здесь внезапно, при этом отсутствовали бы какие-либо данные о пре- биотических системах или очень примитивных организмах. Мы могли бы также надеяться, что появился не один, а несколько видов микроорганизмов, которые хотя и состояли в дальнем родстве, но несколько отличались бы друг от друга. В частности, возможно, было бы трудно установить промежуточные наследственные виды, поскольку они существовали бы только на родительской планете, но не на Земле. Мы бы не удивились, если бы среди этих различных видов обнаружили такой, который напоминал бы сине-зеленые водоросли, поскольку это объективно предложило бы хорошего кандидата на роль реального простейшего организма.

И может быть примечательно, что все эти особенности древних ископаемых останков или древних эволюционных деревьев выведены на основании изучения существующих сегодня молекул. Древние ископаемые пока действительно напоминают сине-зеленые водоросли. Они относятся к сравнительно раннему периоду в истории Земли, настолько раннему, что удивляешься, когда обнаруживаешь, что они полностью сформировались на том этапе. Попытки восстановить молекулярные родословные деревья в настоящее время, по-видимому, ведут к нескольким различным семействам, которые представляются довольно далекими друг от друга. Таким образом, можно, по меньшей мере, сказать, что эти данные не противоречат теории о направленной панспермии, а в некоторой степени ее подтверждают.

К сожалению, более тщательное изучение данных выявляет, что это довольно слабое подтверждение. Нам не доступен целый ряд осадочных горных пород, относящихся к периоду 3,6-4,6 миллиарда лет (или около этого) до настоящей эры. Поэтому не удивительно, что нам не хватает данных, относящихся к более древним видам. Мы можем поражаться, насколько быстро в результате эволюции появились сине- зеленые водоросли, но им понадобилось бы для этого около миллиарда лет, и поскольку мы не располагаем способом расчета скорости пребиотической эволюции с помощью какого-либо независимого метода, наше «удивление» при их появлении в то время просто отражает наше незнание в сочетании с наши предыдущими ожиданиями (без основательных причин), что микроорганизмы появились позже. Молекулярные родословные деревья, хотя и наводят на размышления, в настоящий момент слишком фрагментарны, чтобы дать какое-либо убедительное подтверждение любой теории. И еще раз, мы можем только сказать, что эти данные не противоречат теории о направленной панспермии, хотя их можно считать наводящими на размышления.

В таком случае мы должны взглянуть на проблему с другой стороны. Есть ли достаточные основания, чтобы отвергнуть направленную панспермию? Конечно, существуют одна-две последовательности доводов, которые могли бы внести некоторый дискомфорт.

Одна из них касается возраста тех звезд, которые содержат приемлемое относительное содержание тяжелых элементов. Их возраст, должно быть, на несколько миллионов лет меньше, чем возраст Вселенной. Сегодня последний все еще является предметом споров. Если дальнейшие исследования подтвердят наименьшую из предполагаемых цифр, тогда возраст большинства подходящих звезд может оказаться равным всего лишь шести или семи миллиардам лет. Это оставило бы несколько короткий промежуток времени на возникновение и развитие предполагаемой высшей цивилизации, которая послала ракету: возможно, всего лишь два или три миллиарда лет. По размышлении, мы видим, что этот довод не имеет достаточной силы. Почему двух миллиардов лет должно быть недостаточно? Мы видели, что более долгой фазой эволюции на Земле была лишь та, которую занимали исключительно микроорганизмы, период в два миллиарда лет или более. Если на другой планете эта фаза уменьшилась, скажем, до полумиллиарда лет и если пребиотическая фаза была не слишком долгой, то, по-видимому, высшая форма жизни вполне могла развиться из ничего за два миллиарда лет. Выразим это иначе: если последние этапы эволюции на Земле, которые установлены с помощью обычных ископаемых останков, от древнейших существ с костными тканями вплоть до человека, заняли всего лишь 0,6 миллиарда лет, почему бы самым первым этапам, возможно, в более благоприятных обстоятельствах, не пройти также быстро? Так что по этой причине трудно опровергнуть направленную панспермию до тех пор, пока нельзя доказать, что Солнце, на самом деле, одна из старейших звезд нужного типа. При имеющихся в настоящее время данных это представляется маловероятным.

Возможно, самый убедительный аргумент против направленной панспермии — это отсутствие какого-либо признака эукариот в древ них породах. Если бы мы сами посылали микроорганизмы на далекую планету, то мы бы, несомненно, попытались отправить одного-двух тщательно отобранных эукариот в компании с несколькими более очевидными прокариотами; тщательно отобранных, потому что все множество видов, которое есть на Земле, может метаболически усваивать пищу с помощью кислорода, что является намного более эффективным процессом, чем гликолиз — метод, при котором пища перерабатывается без кислорода. Однако только меньшая часть земных эукариот может существовать без кислорода; важнейшим примером этого являются дрожжи. Поэтому разумнее было бы развить особые виды эукариот, происходящие от тех, что имеются здесь, которые специально были бы предназначены для жизни в пребиотических условиях, поскольку даже если бы мы послали что-нибудь похожее на современные дрожжи, то, они, вероятно, вскоре потеряли бы способность пользоваться кислородом в окружающей среде, в которой его немного или нет совсем. К сожалению, та же самая тенденция — терять потенциально полезные качества — может относиться к другим особенностям эукариот. Например, уже доказано, что основной причиной успеха эукариот и их способности разделиться на множество различных видов, оказалась их способность к фагоцитозу — поеданию других, обычно более мелких существ. Это привело к возможности пищевой цепочки, а вместе с ней и к возможности возникновения значительно большего разнообразия. Для этого эукариоты развили несколько уникальных молекулярных структур, микротрубочки, актин, миозин и т. п., с помощью которых они могли передвигаться и поглощать другие существа. Но в пребиотических условиях, особенно после инфицирования с помощью направленной панспермии, океан вряд ли был насыщен микроорганизмами, поскольку в нем, вероятно, было недостаточно пищи, чтобы выдержать высокую плотность населения. Наоборот, можно было бы ожидать, что на тех ранних этапах развития клеток было немного и они находились на значительном расстоянии друг от друга. В таких условиях организм, который потенциально способен поедать других, мог случайно натолкнуться на их слишком малое количество и сделать их ничем иным, как довольно второстепенным источником питания. Естественный отбор вполне мог бы заставить организм отказаться от этих несколько избыточных молекулярных структур, которые стоили бы ему дополнительной энергии, и вынудил бы его сосредоточиться вместо этого на развитии тех, которые могли бы лучше перерабатывать бульон. Еще одним свойством, которое могло представлять значительную ценность, вероятно, был фотосинтез, и мы. несомненно, отправили бы некоторые организмы, которые могли бы выполнять эту сложную, но весьма полезную операцию, поскольку чем больше энергии от Солнца может получить клетка, тем меньше ее нужно получать из бульона. Но самые древние известные нам ископаемые клетки, видимо, как раз этого типа, а именно, сине-зеленые водоросли. И, по-видимому, опять довод против направленной панспермии как будто имеет довольно небольшую силу, а доказательства, если таковые вообще есть, по-видимому, подтверждают нашу идею, хотя и очень слабо.

Поэтому мы находимся в очень неудовлетворительном положении. У нас есть две различные теории, очень отличающиеся друг от друга, и все же мы, по-видимому, не можем оценить, которая из них с большей вероятностью окажется верной, не говоря уже о том, чтобы решительно остановиться на одной из них. Почему? Являются ли теории в некотором роде неполными, или же сам предмет представляет собой особую трудность?

Мне кажется, что направленную панспермию критикуют с двух различных точек зрения, диаметрально противоположных по характеру. Первая, которую неоднократно высказывала моя жена, заключается в том, что это не подлинная теория, а просто научная фантастика. Под этим подразумевается отнюдь не комплимент, хотя это можно воспринять и таким образом. Рассказывают, что однажды одно разведывательное управление собрало совещание довольно выдающихся ученых, прямо не сказав им, почему у него возникла необходимость в их совете. В начале собрания управление разъяснило следующее: оно решило, что ему нужно знать, какие научные достижения ожидаются в будущем, с тем чтобы оно могло подготовиться к возможному влиянию появляющейся в результате техники на различные задачи, стоящие перед управлением. И здесь поднялся известный физик и сказал, что они пригласили не тех людей. «Мы все слишком здравомыслящие люди, — сказал он, — а это делает нас консервативными. Люди, у которых вам следует проконсультироваться, это писатели-фантасты. Именно они способны увидеть намного отчетливее, чем мы, что готовит нам будущее».

В этом есть доля истины, хотя требуется немного отделить плевелы от пшеницы. Первые писатели-фантасты, такие как Г. Уэллс и Жюль Верн, оставили довольно солидные книги, описывающие людей на Луне, замечательные подводные лодки и т. д. Обратное также верно. Ведущие ученые сделали ряд глупых замечаний о том, что не будет иметь места. Но моя жена имела в виду совсем другое. Она подразумевала как раз то, что идея имеет слишком много внешних атрибутов обычной фантастики: высшая цивилизация где-нибудь в другом месте, ракета исключительной мощности (фаллический символ?), даже суетливые микроорганизмы, наводняющие девственную Землю. Неужели подобную чепуху можно обсуждать серьезно? Подобная идея отдает НЛО или колесницей богов или же другими распространенными образцами современной глупости.

На это я могу только заявить, что несмотря на то, что идея действительно несет в себе много родовых пятен научной фантастики, ее тело гораздо более прочно. На самом деле, у нее нет основной особенности большей части научной фантастики, которая заключается в громадном скачке воображения, превратно истолковывающем неправдоподобно невероятные научные принципы, на основании которых и совершается этот скачок. Каждый из элементов, который вносится в требуемый сценарий, основан на достаточно прочном принципе современной науки: возраст Вселенной, вероятность существования планет, состав пребиотического океана, выносливость бактерий в неблагоприятной обстановке и легкость, с которой они могут процветать там, где большинство других организмов, без сомнения, погибнет, конструкция ракеты и т. п. Действительно, идея в целом достаточно лишена воображения; ее можно было бы охарактеризовать как паутину правдоподобия.

И все это подводит нас к критике иного рода, то есть к тому, что идея действительно слишком прозаическая, чтобы оказаться правдой, что ей необходима только наша сегодняшняя техника, а также что-то вроде логического развития, которое потребует несколько десятков лет. Все же, сказал бы такой критик, эта предполагаемая высшая цивилизация, если она когда-либо достигала того уровня, который мы имеем сегодня, несомненно, пошла бы намного дальше, чтобы достигнуть тех уровней науки и техники, на которые мы не можем даже мельком взглянуть. Поэтому не глупо ли вести спор, беря за основу лишь то, что мы знаем сегодня? Не окажется ли в конечном итоге все это неверным?

Этот довод, в принципе, убедителен, но мы можем попытаться представить несколько возражений. Во-первых, я постоянно настаиваю, что мы с Оргелом попытались построить научную теорию, а размахивать руками и заявлять, что, в конечном счете, все возможно, — то не совсем научный подход. Более того, у нас действительно нет сегодня техники, чтобы отправить бактерии на другую планету за пределами Солнечной системы, хотя как мы доказали, для создания этой техники у нас есть хорошая основа. Идея о направленной панспермии необязательно ограничивается также довольно прямолинейной ее реализацией, которую мы описали в общих чертах. Новые технические достижения могли бы создать большие возможности и, по крайней мере, дать больше шансов на успех, чем все, на что мы можем надеяться, по крайней мере, в этом столетии. Наконец, если меня загонят в угол, я решительно подниму знамя "Бактерии могут путешествовать дальше» и буду утверждать (хотя не без некоторых приступов малодушия относительно того, что может принести будущее), что какую бы новую технику ни изобрели, этот лозунг все же окажется истинным. Всегда будет существовать расстояние, за пределы которого единственными реальными объектами для отправки являются бактерии. Тех, кто мог бы сказать, что в последующие века проекты такого рода окажутся слишком легкими, я спрошу: «Смогла бы ваша ракета долететь до Андромеды? И если да, то кого бы вы послали?»

Все эти споры представляются мне не слишком продуктивными, потому что они, по-видимому, не ведут к существу вопроса. Нам следует обратить внимание не столько на пикантность идеи, сколько на ее положение в качестве научной теории с хорошей репутацией. Когда мы это сделаем, то увидим, что здесь присутствуют другие недостатки.

Первое — это характер данных, используемых для построения теории. Многое в них представляет собой чуть более, чем роспись на заднем плане. Есть лишь одно основание, которое могло бы вызвать серьезное замешательство при размышлении, и им является явная универсальность генетического кода, хотя, как мы видели, она все еще далека от того, чтобы получить веское обоснование.

Загвоздка в том, что мы с Оргелом натолкнулись на идею о направленной панспермии, главным образом, вследствие размышлений над этим довольно странным фактом. Это означает, что в соответствии с правилами (по крайней мере, теми правилами, по которым играю я), при проверке теории этому следует придавать или небольшое значение, или вообще никакого. Отличительный признак успешной теории заключается в том, что она правильно предсказывает факты, которые не были известны, когда теория была представлена, или, еще лучше, о которых тогда имели неверное представление. Хорошей теории должны быть присущи, по крайней мере, две особенности: она должна находиться в остром противоречии, по крайней мере, с одной альтернативной идеей, и она должна делать прогнозы, которые можно проверить. Третье желаемое свойство заключается в том, что она не должна быть поверхностной теорией, — а именно, что она должна относиться к очень широкому кругу наблюдений, и оно действительно здесь неприменимо.

Направленная панспермия, безусловно, отвечает первому требованию И лишь обращаясь ко второму, мы попадаем в затруднительное положение. Теория дает довольно определенный прогноз: все древние организмы должны были появиться внезапно, без каких-либо признаков более простых их предшественников здесь, на Земле. Второй прогноз правдоподобен, но не существенен для успеха теории, несколько различных типов микроорганизмов должны были появиться более или менее одновременно. Очевидно, что если бы мы располагали полными ископаемыми останками древних клеток, то мы, наверняка, смогли бы так или иначе прояснить вопрос, поэтому теория не полностью бессмысленна.

В таком случае, основную трудность представляет не столько характер теории, сколько крайняя недостаточность соответствующих данных. Дело не только в том, что существует мало осадочных пород той эпохи, которые на некотором этапе не подверглись изменениям внутри Земли в течение своей долгой истории в земной коре, но даже если бы у нас имелся достаточный их набор (и, по-видимому, весьма вероятно, что со временем их будет обнаружено несколько больше, чем мы имеем сейчас), все же было бы довольно трудно получить достаточное их количество для того, чтобы быть уверенным, что не упущены важные данные. Когда мы примем во внимание, как трудно было исследовать до конца, во всех подробностях, эволюционную историю даже такого животного, как первый человек, особенно когда мы примем в расчет, какой недавней на геологической временной шкале была эта эволюция, то мы увидим, что задача установления эволюции древних клеток на Земле невероятно трудна. Другие варианты также не выглядят особенно перспективными. Надежда, что живые существа содержат «молекулярные ископаемые» в некоторых своих макромолекулах, обоснована, но для того чтобы позволить нам принять окончательное решение при выборе одной из теорий, непременно должно появиться нечто очень поразительное. То же самое верно в отношении экспериментов, моделирующих пребиотические условия. Действительно, обе последовательности доводов, в силу своей волнующей природы, дали нам надежду. Комплементарная природа структуры ДНК и РНК, с одной стороны, и эксперимент Миллера-Урея, с другой, настолько поразительны, что было бы удивительно, если бы они не имели отношения к вопросу происхождения жизни. Но будут ли проводиться другие подобные эксперименты? Можно ли сегодня провести синтез белка в пробирке в отсутствие каких-либо рибосом, используя только информационную РНК и некоторые прототранспортные РНК, нагруженные аминокислотами? Если это сработает, то это будет весьма впечатляющим. Неужели мы имеем действительно убедительный пребиотический синтез РНК на основании элементарных составляющих, который создал достаточно длинные цепочки с надлежащей степенью точности? И даже если мы смогли бы все это осуществить, докажет ли это возникновение жизни здесь с такой ошеломляющей определенностью, что идея о направленной панспермии покажется излишней?

Выбирая между двумя теориями, очень быстро узнаешь, что одной правдоподобности не достаточно, не говоря уже о том, что на нее обычно оказывают пагубное влияние наши точно не определенные предрассудки. Направленная панспермия, на первый взгляд, может показаться слишком неестественной, но можем ли мы привести веские доводы в пользу такой первоначальной реакции? Тридцать лет опыта в молекулярной биологии научили, что правдоподобия недостаточно. Недостаточно просто подвести гвоздь к краю и сделать им небольшой надрез. Важно вбить его по самую шляпку. Для того чтобы придать теории положение определенности, которое нам необходимо, мы упорно должны вбивать его снова и снова. И, увы, это как раз то, что мы не способны сделать в данном конкретном случае. Каждый раз, когда я пишу статью о возникновении жизни, я клянусь, что никогда не стану писать еще одну, потому что здесь слишком много размышлений, вытекающих из слишком немногих фактов, хотя я должен сознаться, что, несмотря на это, предмет столь захватывающий, что я, по-видимому, никогда не стану придерживаться своего решения.

В таком случае, самая достоверная вещь, которую можно утверждать о направленной пансмермии, — это признать, что она действительно является научной теорией, но как теория опережает свое время. Это неизбежно вызывает вопрос, наступит ли когда-нибудь ее время? И здесь мы должны ступать осторожно. История науки доказывает, что все же слишком легко утверждать, вооружившись наилучшими научными доводами, что такое-то и такое-то никогда не откроют и что так-то и так-то никогда не сделают. «Мы никогда не узнаем, из чего состоят звезды». «Никогда не получим ядерную энергию». «Космическое путешествие — чепуха». Поражает здесь то, как немного времени понадобилось, чтобы опровергнуть все эти отрицательные пророчества. Дело не в том, что я считаю, что все возможно. Я приведу в качестве примера левитацию как нечто, что мне представляется маловероятным[5]. Но, оставляя в стороне левитацию (между прочим, она является хорошим тестом для того, чтобы отделить всех научно мыслящих от просто мыслящих), слишком легко делать опрометчивые отрицательные прогнозы. Я сам не могу представить, какое именно решение мы когда-либо примем по вопросу возникновения жизни, но я считаю, что, по крайней мере, данных, на которых будет основываться такое решение, станет больше, хотя когда (если когда-нибудь это будет иметь место) они достигнут такого уровня, что мы почувствуем уверенность, что нашли ответ, может сказать нам только будущее. Все, что мы можем сказать, это то, что эта проблема и связанная с ней проблема жизни в других мирах настолько важны для нас, что, в общем, нам очень не повезет, если мы не сможем найти ответ.

Глава 14. Возвращаясь к вопросу Ферми

Теперь, когда мы рассмотрели направленную панспермию в истинном свете, нам следует очень кратко вернуться к вопросу Ферми: если есть какие-либо разумные существа где-нибудь в другом месте галактики, почему они до сих пор не появились здесь?

Майкл Харт (Michael Hart) утверждал, что поскольку нет никаких признаков их присутствия, то это должно означать, что мы являемся единственной формой высокоразвитой жизни в нашей галактике. Основной смысл его утверждения заключается в том, что если они вообще существуют, то необоснованно предполагать, что они остановились на том же этапе развития, что и мы, и поэтому они, вероятно, создали очень совершенную технику, которая, по его мнению, дала бы им возможность строить космические корабли, способные преодолевать расстояния в десятки световых лет, со скоростями в пределах от одной сотой до одной десятой скорости света, и они основали бы новые колонии на других планетах. Затем у этих колоний появилось бы достаточно времени для укрепления и расширения на новом месте, и они, в свою очередь, посылали бы космические корабли, чтобы основать новые колонии. И, таким образом, они бы перелетали с планеты на планету до тех пор, пока не распространились бы по всей галактике.

Сколько это займет времени — зависит от ряда факторов: скорости космических кораблей, среднего времени укрепления колонии, того, расширялись ли бы они всегда во внешний мир, или перемещались бы, совершая последовательные путешествия, более беспорядочным образом и т. д. Удивительно, но как бы ни рассчитывалась скорость, время, необходимое для пересечения всей галактики, не так велико, как можно было бы ожидать: возможно, меньше миллиона лет, хотя некоторые сочетания цифр дают оценки времени до 100 миллионов лет. Учитывая, сколь давно могла бы зародиться жизнь где-нибудь в другом месте, потому что наша планета появилась сравнительно недавно, Харт утверждает, что к настоящему времени они уже должны были достичь Земли.

Как читатель может увидеть из предыдущего содержания этой книги, этот аргумент весьма далек от того, чтобы выдержать критику. Может оказаться так, что сооружение космических кораблей, которые могут перевозить пассажиров на другие подходящие планеты и которые позволят им основывать там поселения, очень трудное предприятие, настолько трудное, что некоторые из этих высших цивилизаций могут их никогда не построить. Возможно, они устали от техники существовавшей ранее и выбрали другой образ жизни: либо перешли к праздному наслаждению, к чему, по предсказанию Гюнтера Штента (Gunter Stent), придем и мы, либо культивировали чисто духовный образ жизни, возможно, при помощи специально разработанных психоделических средств. Быть может, они уничтожили сами себя, и, как опасаются многие, мы сделаем то же самое, в чем нам поможет самая современная ядерная технология. Возможно, что это относится особенно к тем культурам, которые достаточно агрессивны, чтобы захотеть и отважиться покорить космос. Даже если не всем высшим цивилизациям присущи эти пути развития и всегда оставались некоторые, которые добились успехов в строительстве подходящих космических кораблей, тем не менее, потери могли быть значительными.

Если и когда они достигали новой планеты, то ее среда, возможно, была столь неблагоприятной, что они были вынуждены значительно изменять ее для того, чтобы сделать подходящей для своего обитания. Если им нужен был кислород, а это представляется весьма вероятным, возможно, они были вынуждены много заниматься земледелием на своей новой планете, с тем чтобы растения могли создавать для них кислород. Может быть, они были вынуждены даже проводить на своем космическом корабле значительные исследования по генной инженерии, прежде чем успешно осуществить это лесонасаждение, потому что особенности атмосферы и почвы планеты могли оказаться неподходящими для тех растений, которые они привезли с собой. Это изменение окружающей среды могло длиться столь долго, что могла существовать и реальная угроза того, что вследствие какого-то несчастного случая вся колония стала бы вымирать. В конце концов, не все первые американские колонии оказались преуспевающими; некоторые, по той или иной причине, исчезли. Даже если они, наконец, добились успеха в основании новой цивилизации, их потомки могли предпочесть жить там очень долгое время, прежде чем рискнуть снова взяться за трудный и полный опасностей проект дальнейшей колонизации.

В силу всех этих причин, здесь может быть так много потерь, что этот процесс не был непрерывным. Для того чтобы жизнь распространялась неограниченно, каждая цивилизация должна, в среднем, основать столь много колоний, чтобы, по крайней мере, одна из них выжила, с тем чтобы со временем основать аналогичное количество колоний. Короче, могло быть предпринято несколько попыток распространения по всей галактике, но мы не можем быть уверены, что все они не потерпели полное фиаско после нескольких первых шагов.

С другой стороны, если они решили, возможно, только в качестве промежуточной меры, попробовать направленную панспермию и послали микроорганизмы, то они могли построить такие космические корабли на довольно раннем этапе своего технического развития, прежде чем они либо уничтожили себя, либо потеряли к этому интерес, и эти космические корабли могли иметь намного большую дальность полета. Вопреки этому, они осознали, что время укрепления теперь могло бы составить миллиарды лет, по сравнению с просто тысячью или десятью тысячами лет, необходимыми для расширения колонии космонавтов, с тем чтобы она заняла всю планету. Конечно, они могли считать направленную панспермию полезным продолжительным способом создания кислородной атмосферы во многих местах, которые их далекие потомки могли бы однажды использовать в своих интересах.

Даже если принять механизм колонизации галактики Харта, то люди неохотно согласились бы с его выводом, что мы одни в галактике. Вместо этого, они предпочитают верить, что высшая цивилизация действительно могла распространиться по всей галактике, но, по каким- либо причинам, мы все еще явно не видим ее представителей. Очень немногие астрономы готовы сколько-нибудь верить в обнаружение НЛО, хотя бы только потому, что так высок процент явно ложных рассказов. Действительно, всегда существует процент необъяснимых наблюдений, но отнюдь не воодушевляет знание того, что когда увеличивается количество сообщений об НЛО, благодаря панике или средствам массовой информации, то количество необъяснимых сообщений также возрастает, что наводит на мысль о том, что они также, вероятно, не имеют смысла.

Однако ничто не исключает вероятность того, что Землю тщательно изучали некогда в прошлом, скажем, сорок миллионов лет назад, временные поселенцы, а затем оставили ее как неподходящую. Возможно, пришельцы почувствовали, что наша планета не стала бы для них идеальным домом, или, возможно, они думали об экологии и не хотели нарушить местную флору и фауну. Джон Болл (John Ball) предположил, что мы могли бы быть частью космического заповедника живой природы, который оставлен с тем, чтобы он мог спокойно развиваться. Возможно, мы находимся под осторожным наблюдением высших существ с планеты какой-нибудь близкой звезды. Как именно эти космические инспекторы по охране природы это делают и мы при этом их не обнаруживаем, не ясно, но с помощью высоких технологий такое наблюдение может быть относительно легким. В любом случае, мы теперь обнаруживаем свое присутствие благодаря программам телевидения, которые как микроволновый шум исчезают в космическом пространстве и распространяются во внешний мир со скоростью света.

Еще одно предположение заключается в том, что они могли прибыть в Солнечную систему, но предпочли не посещать Землю. Майкл Пападжаннис (Michael Papagiannis) предположил, что они могли бы жить на своем космическом корабле в поясе астероидов, используя в качестве источника энергии солнечный свет, а астероиды — в качестве сырья для своих производственных процессов. В противоположность этому, Дейвид Стефенсон (David Stephenson) заметил, что он рассчитывал бы на их присутствие еще дальше вовне: они скрываются около орбиты Нептуна и только время от времени делают набеги к поясу астероидов для получения углеродсодержащих материалов[6]. Нам было бы крайне трудно обнаружить даже очень крупный космический корабль, находящийся на таком большом расстоянии, как орбита Нептуна или даже пояс астероидов, поскольку астероиды, вероятно, скрывали бы его. Ни одно из этих предположений нельзя исключить как невозможное, но они слишком уж напоминают научную фантастику — предположения слишком крайние, а цепи рассуждений слишком длинные. Их воспринимаешь неохотно, по крайней мере, в отсутствие какого-либо другого рода доказательств в их пользу.

Конечно, если, как я утверждал, зарождение жизни могло быть сопряжено с очень большими трудностями, то вывод Харта о том, что мы одни в галактике, может быть верен, даже несмотря на то, что доводы в его пользу, как мы видели, не особенно убеждают.

Если же в галактике действительно существуют другие разумные существа и, по той или иной причине, они остались дома, возможно, они пытаются посылать нам какие-то сигналы. Это слишком сложная тема чтобы обсуждать ее здесь подробно. Сигналы намного, намного легче послать, чем ракеты, но даже здесь возникают трудности. Какую длину волны следует использовать? Следует ли посылать излучение во всех направлениях или перевести в узкий луч, чтобы заставить его протянуться дальше? Если так, то в каком направлении следует его послать? Что следует послать? Простые числа являются любимым предварительным сигналом, потому что они одинаковы везде, как и большая часть математики, физики и химии. К сожалению, предметы гуманитарных наук, таких как литература и история, вероятно, будут почти недоступны для понимания другой цивилизацией, по крайней мере, при первом контакте. Напоминает ли их музыка каким-либо образом нашу — спорный вопрос.

Даже если в галактике существует много цивилизаций, то вывод о том, что они будут посылать сигналы в космос, отнюдь не предрешен. Следует ли нам самим посылать сообщения? Как сказал Томми Голд, если у нас есть хоть какой-то здравый смысл, то мы будем молчать. Может быть, все слушают и все молчат. Как в США, так и в СССР предпринимались скромные попытки слушать подобные сигналы, но до сих пор безуспешные. Как бы мы ни относились к вероятности другой жизни в галактике, недорогая программа по прослушиванию возможных сигналов, по-видимому, весьма разумна, особенно, если в качестве побочного продукта она может привести к получению полезных астрономических знаний.

В конце концов, необходимо ответить на вопрос Ферми. Однажды правильно оценив масштаб и характер галактики, невыносимо не знать, являемся ли мы единственными ее обитателями. Возможно, еще опаснее не делать этого. Если описанное в этой книге что-либо доказывает, то решение проблемы тем или иным образом окажется нелегким. Она остается весьма трудной задачей для нашей науки и нашей техники, как для нас, так и для наших потомков.

Глава 15. Почему это должно нас волновать?

Здесь читатель может почувствовать себя немного обманутым. Если жизнь зародилась столь давно и если столь чрезвычайно трудно установить, как именно это произошло, то почему это должно нас волновать? Простые люди, спеша по своим повседневным делам, вполне могут заявить, что, каким бы ни оказался итог, для них он не имеет значения.

я считаю, что эта точка зрения обманчива по двум причинам: одной частной, другой общей. Для того чтобы дать мне возможность изложить свое понимание проблемы, предположим, что появление системы саморепликации нужного типа на основе составляющих первозданной Земли не является, как мы опасались, почти невозможной задачей, а, напротив, относительно легкой. Тогда может оказаться и так, что с помощью сложного выбора составляющих и условий живая система могла бы сформироваться в лаборатории в относительно короткий промежуток времени, например, за год или даже меньше. С моей точки зрения, трудно поверить, что такое открытие не окажет огромное влияние на почти любого образованного человека и особенно на молодежь. Психологический эффект от способности наглядным образом доказать что-либо, действительно имеющее место, может быть очень значительным, в этом можно убедиться на примере того удивительного влияния, которое оказал на людей вид их собственной планеты на фотографиях Земли, сделанных из космоса, хотя я сомневаюсь, сможет ли какой-нибудь лабораторный эксперимент иметь такую же эстетическую привлекательность, как фотографии нашего прекрасного подернутого облаками шара, парящего в пространстве.

Эксперименты по воспроизводимости, доказывающие, что рудиментарная живая система могла развиться на основе чисто химической неживой системы, должны укрепить наше ощущение единства с природой в самом широком смысле, означая атомы и молекулы, из которых созданы все вещества на Земле. Будет ли иметь такое открытие также «практические» последствия, столь обожаемые сенаторами и деловыми людьми (какое практическое значение имеет игра в мяч?), под которыми они имеют в виду: можно ли его использовать для лечения чего-нибудь? Принесет ли оно доход? Я действительно не знаю, хотя немногие фундаментальные научные открытия испытывали недостаток в каком-нибудь виде практического применения.

Но, как мог бы заметить критически настроенный читатель, автор, несомненно, не в праве использовать этот аргумент (поскольку он всего лишь вероятен, если вообще вероятен), что мы не сможем создать такое экспериментальное доказательство в обозримом будущем. В действительности, химическое зарождение жизни может быть очень маловероятным событием и слишком неуловимым, чтобы его воспроизводить время от времени, особенно учитывая довольно скромные научные усилия, прилагаемые к решению проблемы сегодня.

На подобный аргумент я могу только предложить контраргумент, основываясь на самой общей точке зрения. Я бы обосновал свою позицию, исходя из очень замечательной ситуации, в которой окажется человечество по прошествии пяти или десяти тысяч лет развития цивилизации. Западная культура, на которой воспитано большинство из ныне живущих ученых, первоначально была основана на хорошо построенном наборе религиозных и философских верований. В их число мы можем включить идею о том, что Земля является центром Вселенной и что со дня создания прошло относительно немного времени; веру в непреодолимое различие между душой и материей; вероятность, если не определенность, жизни после смерти. Они сочетались с чрезмерным доверием к учениям якобы существовавших исторических личностей, таких как Моисей, Иисус Христос и Мухаммед (Магомет).

Итак, замечательная особенность западной цивилизации, если посмотреть на нее в самых общих чертах, заключается в том, что, несмотря на то, что остаток многих этих верований все еще разделяет множество людей, большая часть современных ученых не придерживается какого- либо из них. Напротив, у них совершенно другой набор идей, лежащий в основе их взгляда на жизнь: истинная природа вещества и света, а также законов, которым они следуют; размер и общий характер Вселенной; подлинная сущность эволюции и значение естественного отбора; химическая основа жизни и, в частности, природа генетического материала, и многие другие. Некоторые из этих теорий носят имена научных «пророков», с которыми они ассоциируются, например, Ньютона, Дарвина и Эйнштейна. Этих людей очень уважают, но все же их идеи считаются доступными для критики, а их жизни не воспринимают как особо достойные похвалы; ценят именно их исследования.

У современного ученого, если он достаточно проницателен, часто возникает странное ощущение, что он, должно быть, живет в другой культуре. Он так много знает и все же остро осознает, сколь много еще остается не открытым. Он остро чувствует, что нам нужно понять эти глубокие тайны, а также, что со временем, приложив усилия и воображение, мы можем это сделать. Это придает значительное ощущение настойчивости его поискам, особенно если он не готов принять некритически традиционные ответы, которым не хватает научного обоснования.

Несмотря на то, что по отношению к его точке зрения существует незначительная постоянная враждебность (созидатели досаждают, но пока незначительно), тем не менее, его приводит в смущение реакция на его исследования. Значительная часть общества проявляет острый интерес к открытиям современной науки, поэтому его часто просят читать лекции, писать статьи, выступать по телевидению и т. п. Но даже в среде тех, кто интересуется наукой (а многие к ней безразличны или отчасти враждебны), она, по-видимому, существенно не меняет общие взгляды на жизнь. Они либо придерживаются устаревших религиозных верований, поместив науку в полностью обособленный закоулок своего ума, либо они впитывают науку поверхностно и успешно сочетают ее с весьма сомнительными идеями, такими как экстрасенсорное восприятие, предсказание судьбы и общение с усопшими. Замечание «Ученые знают не все» обычно указывает на таких людей. Ученые мучительно осознают, что они всего не знают, но они полагают, что часто могут распознать глупость, когда случайно с ней сталкиваются.

И только за последние десять лет люди отдали должное многим скрытым смыслам идеи о том, что человек — это биологическое животное, которое в значительной степени развилось благодаря естественному отбору. Даже сейчас немногие профессора этики подходят к этому субъекту с этой точки зрения. Вряд ли кто-нибудь, наблюдая массовую привязанность общественности к организованному спорту, задает себе вопрос, почему так много людей ведут себя подобным, очень странным образом, и даже еще меньшее число удивляется, является ли широко распространенный восторг перед футболом возможным частичным следствием усилий многих поколений наших предков, потраченных в племенных столкновениях.

Очевидный факт заключается в том, что вчерашние мифы, которые наши предки считали не мифами, а сущей правдой, рухнули, и хотя мы не уверены, можем ли с успехом пользоваться какими-либо оставшимися их осколками, они слишком хрупкие, чтобы выстоять как организованная взаимосвязанная масса верований. Все же большая часть простых людей, по-видимому, блаженно не осознает всего этого, что можно понять из восторженного приветствия папы, куда бы он не приехал.

Конечно, многие современные философы восприняли эту общую позицию, но большинство, по-видимому, настолько опустошены падением старых верований, что пышут исключительно довольно гнетущим пессимизмом. И, по-видимому, только ученые решительно взялись за трудное дело. И сделали они это, главным образом, потому, что их подбадривают огромные успехи современной науки, особенно за последние сто лет. Хотя ученого отрезвляют экономические и политические проблемы, которые он видит вокруг себя, он охвачен почти безграничным оптимизмом относительно своей способности выдумать совершенно другой набор верований, прочно основанный как на теории, так и на эксперименте, посредством тщательного изучения окружающего его мира и, в конечном итоге, себя и других человеческих существ. Только тот, кто активно движется ощупью с помощью лабиринтов ума, может осознать, насколько далеко мы должны продвинуться в некоторых из этих областей, но даже в этом случае возникает ощущение, что через несколько поколений мы подойдем к существу вопроса.

Именно на фоне этих обстоятельств мы должны подойти к проблеме возникновения жизни. И тогда, когда мы попытаемся установить, как именно устроена Вселенная, и, в частности, найти свое место в ней, мы поймем, что это одна из величайших тайн, с которыми мы сталкиваемся. Эта проблема находится в одном ряду с другими важными вопросами, многие из которых впервые ясно сформулированы греками: природа материи и света, возникновение Вселенной, происхождение человека, а также природа сознания и души. Не питать никакого интереса к этим вопросам — значит быть совсем необразованным, особенно если сейчас у нас есть весьма реальная надежда на них ответить с помощью методов, которые еще совсем недавно, во времена Шекспира, считалось сверхъестественными.

Возникновение жизни также тесно связано с еще одним важным вопросом, которого мы лишь слегка коснулись в этой книге: одни ли мы во Вселенной? Подробное его обсуждение здесь уведет нас далеко в сторону, поскольку следует рассмотреть многие другие аспекты проблемы: например, как именно посылать и принимать сигналы на больших расстояниях. И, главным образом, потому, что мы не можем оценить, является ли возникновение жизни очень редким или очень распространенным событием, мы все же должны подойти вплотную к разрешению проблемы существования других разумных существ в космическом пространстве. Заметим, что если более древняя цивилизация посылала сюда микроорганизмы в ракете, то, скорее всего, они отправили много ракет, некоторые — к звездам, которые находятся к ним ближе, чем Солнце. Это может означать, что даже если жизнь в галактике чрезвычайно редка, тем не менее, в ней может существовать несколько планет, которые оказались инфицированными приблизительно около четырех миллиардов лет назад. Такие планеты сейчас, вероятно, очень далеки от нас, благодаря рассеивающему движению звезд, когда они медленно вращаются вокруг галактического центра, поэтому даже если жизнь в таких местах сейчас достигла совершенной ступени развития, то она может быть слишком далека от нас, чтобы мы могли легко установить с ней связь в настоящее время.

Не требуется много воображения, чтобы представить могущую возникнуть сенсацию, если бы мы получили подлинное послание от другой цивилизации. И лишь только потому, что эта неизбежность представляется такой далекой, люди не просыпаются ночью, мучаясь над этим. Наши потомки могут принять другую точку зрения, когда с помощью весьма совершенных приборов они будут вглядываться в пространство, пытаясь описать, что находится там, есть ли там признаки жизни в любой форме и, прежде всего, как исследовать эту огромную и пустынную Вселенную, которую мы видим повсюду вокруг себя.

Эпилог

Следует ли инфицировать галактику?

Нам осталось обсудить еще одну тему. Даже если окажется, что мы никогда точно не узнаем, как именно зародилась когда-то жизнь здесь, все же в будущем мы можем столкнуться с практическим вопросом: должны ли мы попытаться породить нашу форму жизни где-нибудь в другом месте Вселенной? А если так, как нам следует это сделать?

Многие из этих вопросов уже рассмотрены в главе 8. Мы можем рассчитывать, что к тому времени (если мы не уничтожим себя по собственной глупости) мы сможем решить, есть ли у ближайших звезд планеты, возможно, разместив на Луне усовершенствованные новые приборы. Мы можем даже более или менее узнать, как образовалась наша Солнечная система, благодаря длительному исследованию других планет, пояса астероидов, комет и т. п. Это может позволить нам приблизительно подсчитать, на каких планетах может быть довольно благоприятная окружающая среда. Можно ожидать, что конструкция ракет в значительной степени усовершенствуется, поэтому они смогут летать на очень большие расстояния и надежно функционировать в течение длительных периодов времени, даже если они не смогут достигнуть скорости света.

Имея все это в своем распоряжении, как нам следует поступить? Возможно, что одной из самых несложных могла бы стать попытка осуществления того, что уже сделали на Марсе: отправка не людей, по крайней мере, в первый раз, а приборов, которые могли бы передать нам данные. Даже это явно простое необходимое условие, по-видимому, является технологически далеко опережающим то, что мы можем сделать сегодня. Успешный вывод космического корабля на орбиту потребовал бы затруднительного проявления инженерного искусства, особенно после такого длительного полета и на такое расстояние. На орбите он воспринимал бы намного меньше, чем если бы он смог опуститься на твердую поверхность планеты (если бы таковая имелась), кроме того, его доставка на поверхность потребовала бы даже еще более совершенной техники. Некоторые из этих проблем можно было бы решить, если бы мы отправили с этим поручением людей, но это ставит новые проблемы, при этом не последнее значение имеет обеспечение их прибытия живыми. Шансы основания ими колонии в очень неблагоприятных условиях, в которых, вероятно, они там окажутся, или возвращение обратно живыми представляются бесконечно маловероятными. Как с иронией предположил Томми Голд, самый вероятный исход, если они вообще туда доберутся, окажется таковым, что некоторые бактерии, которые они везли, достигнут первозданного океана, выживут там и размножатся долгое время спустя после гибели астронавтов. В таком случае, почему бы просто не послать в первую очередь бактерии? Как только мы остановимся на этом варианте, многие наши конструкторские проблемы упростятся, как мы уже говорили в предыдущих главах. Если существует какое-то упражнение для ума, которое заставляет разум более благосклонно взглянуть на направленную панспермию, то оно как раз заключается в представлении того, что мы сами могли бы сделать в будущем при исследовании и заселении космического пространства.

Но заметим, что в своем восторге перед возможностью инфицировать своих соседей мы упустили одну небольшую деталь. Что если на выбранной планете уже развивалась другая форма жизни? Смогут ли наши потомки решить, что жизнь была очень распространена во Вселенной или же, наоборот, очень необычна, мы не можем знать. Мы не можем даже оценить, насколько правильны могут оказаться их предположения. Техника для того, чтобы решить, есть ли у соседней звезды планеты и каковы они, видимо, дело не слишком далекого будущего, но техника, необходимая для того, чтобы решить, есть ли там та или иная форма жизни или нет, видимо, появится в очень далеком будущем. Мы можем представить эти проблемы в меньшем масштабе, когда пытаемся обнаружить, есть ли какая-нибудь форма жизни на планетах и их спутниках в нашей собственной Солнечной системе. Единственные надежные данные поступают только с тех небесных тел, на которых осуществлялась высадка. Стремление исследовать космическое пространство, вероятно, достигнет высокой степени задолго до того, как мы сможем узнать, присутствует ли там, где мы исследуем, какая-нибудь форма жизни.

Трудно представить, каковы будут последствия этой ситуации. Наши потомки столкнутся с новыми проблемами в космической этике. Имеем ли мы право, как высокоразвитые существа, нарушать хрупкую экологию другой планеты? Следует ли нам обязательно уважать жизнь, какую бы форму она ни принимала? Эти же дилеммы стоят перед нами на Земле, как вам скажет любой вегетарианец, хотя не многие люди стали бы уважать право на жизнь вирусов оспы. Возможно, среди наших потомков возникнут глубокие разногласия, хотя я не могу отделаться от мысли, что именно мясоеды захотят исследовать космическое пространство, а вегетарианцы, скорее всего, будут против этого.

Следует мимоходом заметить, что, по моему мнению, все эти опасения не имеют отношения к космическим кораблям, которые мы сейчас посылаем за пределы Солнечной системы. Даже если в них нашли приют какие-нибудь бактерии, то весьма маловероятно, что эти немногие микроорганизмы вынесут как путешествие в космосе, так и проникновение в другую Солнечную систему. Вероятность, что они инфицируют другую планету, столь мала, что было бы глупо с нашей стороны мучиться над этим.

Существует один очевидный довод, почему с решением вопроса не следует торопиться. Поскольку, если повезет, у нас впереди тысячелетия и поскольку с течением времени мы, наверное, узнаем больше и сможем браться за решение более трудных задач, то к чему торопиться? Но даже этот аргумент предполагает, что мир будет политически стабилен в течение неопределенного периода времени. Если этого не случится, то со стороны могущественных группировок, которые захотели бы продвинуться вперед в этой работе, безусловно, будет ощущаться давление, чтобы не возникли обстоятельства, при которых она никогда не смогла бы завершиться. По моему пристрастному убеждению, не следовало бы настаивать на продвижении вперед слишком настойчиво, если вообще есть возможность ждать. Нам не следует необдуманно загрязнять галактику.

Приложение. Генетический код

Генетический код — это небольшой словарь, который устанавливает связь между языком нуклеиновых кислот из четырех букв и языком белков из двадцати букв. Каждый триплет оснований соответствует определенной аминокислоте, за исключением трех триплетов, которые обозначают завершение полипептидной цепи. Код изложен в стандартной форме, воспроизводимой в противоположной, понять которую, вследствие использования аббревиатур, можно за одну-две минуты. Четыре основания информационной РНК представлены своими первыми буквами: Урацил, Цитозин, Аденин, Гуанин. Каждая из двадцати аминокислот представлена тремя буквами, обычно первыми тремя буквами своего названия. Таким образом, ГЛИ означает Глицин, ФЕН — Фекилаланин.

В качестве примера рассмотрим левый угол кода. Мы видим, что как УУУ, так и УУЦ кодируют фенилаланин, поскольку в этой позиции записано ФЕН. В нижнем правом углу мы видим, что глицин (ГЛИ) закодирован всеми четырьмя триплетами, которые начинаются с ГГ, то есть ГГУ, ГГЦ, ГГА и ГГГ. Большинство аминокислот имеют несколько так называемых «кодонов», но триптофан имеет только один, УГГ, также как и метионин, АУГ.

Довольно удивительно, но триплет АУГ также является частью сигнала «начало цепочки», поскольку все цепочки начинаются с метионина или его близкого родственника. Эта исходная аминокислота обычно отщепляется до завершения синтеза белка.

Приведенный ниже код — это стандартный код, которым пользуется огромное большинство систем по синтезу белка, обнаруженных у животных, в растениях и в микроорганизмах. В этой схеме не отражены недавно установленные некоторые незначительные отклонения. В соответствии с этой новой информацией, гены внутри митохондрий человека используют для обозначения триптофана как УГА, так и УГГ. УАА кодирует скорее метионин, чем изолейцин. Таким образом, в митохондриях человека все аминокислоты кодируются, по крайней мере, двумя триплетами. Вместо обычных трех существует четыре СТОП[7] кодона (УГА теперь обозначает триптофан), поскольку АГА и АГГ также кодируют скорее СТОП, а не аргинин.

Другие виды митохондрий, например, такие как у дрожжей, похожи, хотя отклонения от стандартного кода не полностью совпадают с отклонениями митохондрий человека.

РНК и генетический код

РНК очень похожа на ДНК. Вместо сахара дезоксирибозы, она содержит обычную рибозу (отсюда название РибоНуклеиновая Кислота), которая имеет одну -ОН-группу, дезоксирибоза которой имеет -Н-группу. Три из четырех оснований (А, Г и Ц) идентичны основаниям ДНК. Четвертое, Урацил (У), является близким родственником Тимина (Т), поскольку тимин — это как раз урацил с —CHз-группой, заменяющей -H-группу. Это оказывает незначительное влияние на спаривание оснований. У образует пару с А так же, как в ДНК, Т спаривается с А. Можно сказать, что РНК пользуется тем же самым языком, что и ДНК, но с другим акцентом. РНК может образовывать двойную спираль, похожую на двойную спираль ДНК, но не вполне ей идентичную. Она может также образовывать смешанную двойную спираль, в которой одна цепочка принадлежит РНК, а другая — ДНК. В общем и целом, длинные двойные спирали РНК встречаются редко, молекулы РНК обычно однонитевые, хотя часто свертываются на себя в обратную сторону с целью образования коротких отрезков двойной спирали.

Как установлено, в современных организмах РНК используется с тремя целями. В немногих мелких вирусах, таких как вирус полиомиелита, она используется вместо ДНК в качестве генетического материала. Некоторые вирусы имеют однонитевую РНК, а другие двунитевую. РНК используется также в структурных целях. Рибосомы, сложное собрание макромолекул, которые являются фактическим местом синтеза белка, состоят из нескольких структурных молекул РНК, которым содействуют несколько десятков различных молекул белка. Молекулы, которые служат местом стыковки аминокислоты и связанного с ней триплета оснований, также созданы из РНК. Это семейство молекул РНК называется тРНК (транспортные РНК) и используется для перемещения каждой аминокислоты в рибосому, где она будет добавлена в растущую полипептидную цепь, которая, по завершении, станет свернутым белком.

Третья и, возможно, самая важная цель использования РНК клеткой — это информационная РНК. В повседневной деятельности клетка пользуется не самой ДНК, а вместо этого сохраняет ее в качестве архивной копии. В рабочих целях она создает множество копий РНК избранных участков ДНК. Именно эти ленты информационной РНК направляют процесс синтеза белка на рибосомах, используя генетический код, кратко описанный в приложении.

При любом обстоятельном обсуждении проблемы возникновения жизни свойства молекул тРНК принимают угрожающие размеры, поскольку существует сильное подозрение, что сначала появились именно они или их упрощенный вариант, если не в самом начале зарождения системы саморепликации, то, по крайней мере, вскоре после этого. Молекулы однонитевой нуклеиновой кислоты и, в частности, РНК часто свертываются на себя, поворачиваясь в обратную сторону для создания коротких отрезков двойной спирали там, где позволяет последовательность оснований. Молекулы тРНК — отличный тому пример. Остов не свисает свободно, а сворачивается в относительно компактную и довольно сложную структуру. Это выявляет в одной точке набор из трех оснований (он называется антикодоном), который спаривается с соответствующими тремя основаниями (они называются кодонами) информационной РНК. тРНК действует в качестве адаптера, с аминокислотой на одном конце и антикодоном на другом, поскольку механизма, с помощью которого аминокислота может распознать кодон (соответствующий триплет оснований на информационной РНК) прямым методом, не существует. Поэтому специфика современного генетического кода воплощена в наборе молекул тРНК, по крайней мере, одного типа (и обычно больше) для каждой аминокислоты, которая соединяется с каждой аминокислотой соответствующих молекул тРНК. Информация для создания всех этих важных компонентов для синтеза белка (и многого другого) сейчас закодирована в генах, в соответствующих участках ДНК.

Литература для дальнейшего чтения

Goldsmith, Donald, Editor, The Origin for Extraterrestrial Life. A Book of Readings. Mill Valley, California: University Science Books, 1980.

Это сборник статей (с комментариями редактора), первая из которых написана Джордано Бруно и опубликована в 1584 году. Большая часть статей написана относительно недавно. В сборник вошла первая наша совместная с Оргелом статья о направленной панспермии. Некоторые из них носят довольно специальный характер, но широкого читателя непременно сможет пленить очарование большей их части.

Jastrow, Robert, and Malcolm M.Thompson, Astronomy: Fundamentals and Frontiers. New York: John Wiley and Sons, Inc., Second Edition,

Отличное руководство для образованного читателя, поскольку оно специально предназначено для студентов-гуманитариев. Хотя здесь нет математики, материал изложен на довольно продвинутом уровне. Самая слабая часть — раздел в конце книги о вирусах.

Miller, Stanley L., and Leslie E.Orgel, The Origins of Life on Earth. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall, Inc., 1974.

Изложение на основе самых последних достижений науки подходит для любого читателя, имеющего научную степень в любой области.

Orgel, Leslie Е., The Origins of Life. New York: John Wiley and Sons,

Эта интересная книга, пожалуй, несколько труднее настоящего руководства, она написана с учащимися средней школы, занимающимися научной деятельностью, но все же может быть понятна широкому кругу читателей.

Stryer, Lubert, Biochemistry. San Francisco: W. H. Freeman & Company, Second Edition, 1981,

Watson, James D., Molecular Biology of the Gene. Menlo Park, California: W. A. Benjamin, Inc., Third Edition, 1976.

Обе книги на самом деле являются учебниками для студентов колледжей, но они обе написаны в живой, интересной манере и могли бы послужить дальнейшим источником для чтения любому, кто желает глубже вникнуть в химические основы современной биологии. Различие между биохимией и молекулярной генетикой не должно нам мешать. Как сказал Артур К. Фрицман (Arthur К. Fritzman): «Теперь мы все специалисты по молекулярной биологии».

Примечания

1

Это обозначение настолько условное, что далее я буду им пользоваться постоянно, не давая дальнейших пояснений. 10^11 означает просто число, состоящее из единицы и одиннадцати нулей после нее. То есть 100 миллиардов. Поэтому тысяча — миллион — 10^6, а миллиард — 10^9 и т.д.

2

Weinberg, Steven, The First Three Minutes. New York: Basic Books, Inc., 1977. См. в русском переводе. С. Вайнберг Первые три минуты. Ижевск. РХД, 2001.

3

Здесь идет речь об оптической изомерии и оптической активности. За справкой можно обратиться к книге Н.Грин, У.Стаут, Д.Тейлор «Биология» (в 3 томах), М.: Мир, 1993 (т. I., с. 158), где сказано: «Оптическая изомерия — свойство любого соединения, которое может существовать в двух формах, относящихся друг к другу, как предмет к своему отражению. Подобно правой и левой перчаткам, эти структуры ни при каком перемещении в пространстве не могут совпасть друг с другом.» (Прим. пер.)

4

Ник — разрыв одной внутренней фосфодиэфирной связи в двунитевой ДНК. — Прим. перев.

5

Под левитацией я понимаю поддержание себя в воздухе под действием воли в течение минуты или около этого, значительно выше земли, без какой-либо помощи и без всяких приспособлений (в отличие от умения прыгать в воздух из положения сидя на матраце. С тем чтобы представить себя в состоянии левитации).

6

Статьи Папалжанниса и Стефенсона включены в сборник под редакцией Доналда Голдсмита. Donald Goldsmith. The Quest for Extraterrestrial Life. A Book of Readings. (См. раздел Литература для дальнейшего чтения.)

7

Аббревиатура СТОП обозначает три триплета, которые могут завершать полипептидную цепь.

Content

Жизнь как она есть: её зарождение и сущность

Благодарности

Предисловие

Глава 1. Времена и расстояния, большие и малые

Глава 2. Космическая мистерия

Глава 3. Единообразие биохимии

Глава 4. Сущность жизни

Глава 5. Нуклеиновые кислоты и молекулярная репликация

Глава 6. Первозданная Земля

Глава 7. Статистическое заблуждение

Глава 8. Другие подходящие планеты

Глава 9. Высшие цивилизации

Глава 10. Как давно могла зародиться жизнь?

Глава 11. Что они могли послать?

Глава 12. Конструкция ракеты

Глава 13. Противопоставление двух теорий

Глава 14. Возвращаясь к вопросу Ферми

Глава 15. Почему это должно нас волновать?

Эпилог

Приложение. Генетический код

Литература для дальнейшего чтения

Примечания