Возникновение жизни должно быть
чрезвычайно вероятным событием:
как только условия позволяют — раз,
и готово!
Карл Саган
Великий английский биолог девятнадцатого века Томас Хаксли, получивший за страстную защиту теории эволюции прозвище «Бульдог Дарвина», считал, что «вопрос вопросов для человечества — проблема, лежащая в основе всех других и являющаяся более захватывающей, чем любая другая, — это определение места человека в природе и его взаимосвязи со вселенной вещей».
Иначе говоря, важно понять, как мы вписываемся в великую космическую картину? Цель моей книги — ответить на этот фундаментальный вопрос. Ее главный тезис заключается в том, что мы живем в вычислительной вселенной, которая непрерывно развивается во все более сложное, функциональное и разумное состояние. Это значит, что люди не космическая случайность и не конечная цель эволюции, а промежуточная ступень на эволюционной лестнице становления Вселенной.
Эта недавно сформировавшаяся точка зрения подтверждается последними достижениями в исследованиях происхождения жизни, свидетельствующими о том, что появление биологических систем на Земле примерно четыре миллиарда лет назад было событием не исключительным, как считалось ранее, а неизбежным. Новый консенсус знаменует собой начало радикального перехода от редукционистского мировоззрения, в рамках которого жизнь считается случайной, уязвимой, редкой и недолговечной, к эволюционной модели мира, постулирующей, что неограниченный рост порядка, сложности и знаний неизбежно происходит в результате естественных механистических процессов.
На первый взгляд, дискуссия о том, случайна ли жизнь во Вселенной или неизбежна, может показаться бессмысленным упражнением в семантике. Возникает искушение сказать, что жизнь или появляется, или нет — вот и весь разговор. Но тут полно нюансов. Не забывайте, что жизнь — сложная адаптивная система. Является ли появление адаптивной сложности невероятным или неизбежным — это научный вопрос, на который есть точный и проверяемый ответ. Если мы называем что-то случайным, это подразумевает, что событие детерминировано чисто произвольно. В этом случае можно было бы ожидать, что несколько иная цепочка событий привела бы к иному результату. Эти обусловленные случайностями результаты называются непредвиденными обстоятельствами, и их невозможно предсказать заранее. С другой стороны, мы можем сказать, что появление жизни было неизбежным, если законы физики создают динамику, которая ограничивает случайное и хаотическое движение частиц таким образом, что это гарантирует возникновение биологических систем там, где позволяют условия.
Данный вопрос столь же практический, сколь и философский, ведь эти две очень разные точки зрения дают взаимоисключающие научные прогнозы. Например, они приводят к противоположным выводам о распространенности внеземной жизни, которая представляет большой общественный интерес. Если жизнь крайне маловероятна, то мы, скорее всего, одни во Вселенной. Если же появление жизни неизбежно при определенном наборе общих физических условий, то у нас почти наверняка должно быть немало «попутчиков» на планетах в «обитаемых зонах», разбросанных по всей Вселенной. Окажутся ли они разумными — это отдельный вопрос, но не менее важный для нового космического нарратива, так что мы вернемся к нему во второй части.
Процесс, в ходе которого из неживой материи возникла жизнь, называется абиогенезом. В следующих главах мы познакомимся с новой моделью абиогенеза, согласно которой это поразительное возникновение было неизбежным началом предрешенного процесса космического пробуждения, определенного не во всех деталях, но в общих чертах. Происхождение жизни — это история о том, как впервые запускается адаптивная сложность. Но чтобы в полной мере оценить, как это происходит механистически и почему эта версия абиогенеза так отличается от прежней, нужно ознакомиться с историческим контекстом.
Как уже говорилось, редукционистское мировоззрение обычно представляет жизнь на Земле некой космической случайностью. Если бы мы могли перемотать пленку времени и воспроизвести ее снова, но с малейшими изменениями, то маловероятно, что жизнь возникла бы на нашей планете или даже во Вселенной.
Французский биолог и лауреат Нобелевской премии Жак Моно — убежденный скептик и заклятый враг организованной религии — поэтически подытожил это мировоззрение в своей влиятельной книге «Случайность и необходимость», опубликованной в 1970 году, написав: «Древний завет разбит вдребезги; человек, наконец, знает, что он одинок в бесчувственной необъятности Вселенной, из которой он вышел лишь случайно. Его судьба нигде не прописана, равно как и его долг». Моно был исполнен страстной и бескомпромиссной веры в то, что «Вселенная не беременна жизнью».
Если ученые двадцатого века, такие как Моно, знали о необъятности нашей Вселенной, то что заставило их уверенно считать жизнь статистической аномалией? По правде говоря, это было лишь предположение. В то время господствовало мнение, что биологическая эволюция — единственный механизм возникновения сложности в природе, поэтому любая система, появившаяся до этого процесса, рассуждали они, просто обязана быть следствием случайных событий. Таким образом, происхождение жизни описывалось как результат «случайной сборки», что есть просто красивый термин для обозначения удачи вселенского масштаба.
Дарвин объяснил, как жизнь эволюционирует, а не как она появилась
Хотя оригинальная теория Дарвина проливает свет на очень многое, что касается удивительного разнообразия биосферы, есть некоторые моменты, недоступные ей в деле объяснения адаптивной сложности, наблюдаемой вокруг нас, например ее происхождение.
Биологическая эволюция в результате естественного отбора — это элегантная концепция, которую довольно легко подытожить благодаря современному пониманию генетики. Живые организмы — это самовоспроизводящиеся системы, использующие набор встроенных инструкций (закодированных в ДНК) для создания собственных копий. Клетки делятся, организмы размножаются. Именно так жизнь сохраняется на Земле в невероятно длительных временных рамках, хотя отдельные организмы быстро появляются и исчезают. Жизнь — это, помимо всего прочего, копировальный аппарат.
Однако процесс копирования никогда не происходит идеально, и ошибки неизбежны. Эти ошибки вызывают генетические мутации, создающие удивительно разнообразный набор новых и измененных организмов, отличающихся от родителей и друг от друга, со сходными, но различающимися физическими чертами, формами, функциями и поведением.
Чтобы размножиться и передать новые характеристики следующему поколению, организм должен прежде всего уметь выживать достаточно долго, причем в конкурентной и часто суровой среде. Особенности и функции, лучше всего позволяющие организмам выживать и размножаться, сохраняются в популяции, а прочие исчезают вместе с организмами — их носителями. Таким образом, давление окружающей среды сокращает разнообразие, порождаемое генетическими мутациями, подобно тому, как садовник отрезает ветви дерева бонсай. Вот что подразумевается под естественным отбором. Природа выбирает наиболее «подходящие» признаки выживания из всех возможностей, предлагаемых генетической лотереей. Формируемые силами природы, организмы со временем становятся лучше адаптированными к среде обитания. Простые ниши, как правило, порождают относительно простые организмы, в то время как ниши, представляющие собой более сложный набор вызовов, чаще всего порождают более сложные организмы.
Многим казалось, что тайна сложности полностью разгадана теорией биологической эволюции. В сущности, все живые организмы от тюльпана до тюленя могут быть сведены к одному общему механизму — естественному отбору, влияющему на генетические мутации. Проблема с этой историей в том, что встает вопрос: как вообще появился первый живой организм, первая самовоспроизводящаяся система? Даже РНК — более простая сестра молекулы ДНК — представляет собой чрезвычайно сложную структуру, богатую информацией и химическими хитростями. Кроме того, самовоспроизведение — это механический процесс, который должен подпитываться энергией. Следовательно, в дополнение к генетическому материалу биологическая система требует сложного химического процесса, называемого метаболизмом, который опирается на структурную химическую сеть, выполняющую сложный набор реакций. Биологическая эволюция может объяснить лишь развитие этих особенностей, а не их появление.
Не имея вразумительного механизма, который бы объяснял, как совокупность неживых частиц могла собраться в функционирующую клетку, ученые того времени были вынуждены приписывать абиогенез одной гигантской статистической удаче, а не какому-то еще не открытому протодарвиновскому эволюционному процессу. Эта точка зрения, основанная на идее случайной сборки, стала известна как гипотеза случайности.
Жизнь не дело случая
Как гласит гипотеза случайности, вопреки мизерным шансам и благодаря крайне удивительному столкновению в «первичном бульоне» на древней Земле нужные молекулы соединились именно так, как это было необходимо для создания живого организма: это называют гипотезой застывшей случайности. Ученые, которые ее сформулировали (в том числе первооткрыватель ДНК Фрэнсис Крик), имели лишь смутное представление о том, насколько сложной должна быть простейшая система, способная к самовоспроизведению и метаболизму, но даже они знали, что такое событие крайне маловероятно. Однако, не имея другой механистической теории, объясняющей абиогенез, они остановились на случайности.
Хотя в начале своей карьеры Крик игриво называл жизнь «счастливым случаем», он отдавал себе отчет в уязвимости такой теории. По этому поводу он однажды заметил: «Честный человек, вооруженный всеми доступными нам сегодня знаниями, мог бы заметить, что в некотором смысле происхождение жизни на данный момент представляется почти чудом — столько условий должно было быть выполнено, чтобы она возникла».
Чтобы такое гипотетическое молекулярное столкновение произошло, учитывая типы молекул в предполагаемом «первичном бульоне», природе и в самом деле пришлось бы сотворить чудо. Ряд ученых, озадаченных этой проблемой, попытались рассчитать вероятность такого события и пришли к выводу, что оно вряд ли случилось бы в течение прогнозируемой жизни Вселенной. Фред Хойл, известный британский астрофизик, которому было трудно поверить в эту гипотезу, выразил свой скептицизм в книге «Разумная Вселенная», приведя убийственную аналогию: «Вероятность того, что высшие формы жизни возникли таким образом, сравнима с вероятностью того, что несущийся над свалкой торнадо соберет из хлама Boeing 747».
Но это не единственная причина сомневаться в справедливости гипотезы случайности космического масштаба. Жизнь, по-видимому, началась на Земле почти сразу же, как только позволили условия, что было бы потрясающим совпадением, если бы ее появление действительно являлось маловероятным и было просто результатом удачного события. Если допустить последнее, то, скорее всего, жизнь возникла бы через какое-то произвольное время после того, как планета стала пригодной для жизни, то есть буквально в любой другой момент, но только не сразу. Креационисты не преминули воспользоваться этим фактом. По их мнению, раз случай не может адекватно объяснить возникновение жизни, то оно наверняка было сверхъестественным актом. Хотя эта теория неудовлетворительна, поскольку приписывает жизнь чуду в буквальном смысле слова, гипотеза случайности тоже неудовлетворительна, потому что она опирается на статистическое чудо.
К счастью, в двадцатом веке появился третий вариант, и все больше ученых находят его более убедительным, чем гипотеза случайности или божественного вмешательства. Что, если возникновение жизни было неизбежным во Вселенной, которая естественным образом непрерывно генерирует сложность и информацию? Если это так, то было бы правильнее считать жизнь закономерностью, а не аномалией — не случайностью, а императивом.
Карл Саган одним из первых высказал эту точку зрения, давшую астрономам и искателям инопланетян новую надежду на обнаружение внеземной жизни. «Возникновение жизни должно быть чрезвычайно вероятным событием: как только условия позволяют — раз, и готово» — утверждал он. Эту позицию развил Кристиан Рене де Дюв, бельгийский биохимик, получивший Нобелевскую премию в 1974 году. Он считал, что Моно заблуждался: «Если приравнять вероятность рождения отдельной бактериальной клетки к случайному соединению ее атомов, то и вечности не хватит, чтобы она возникла… Зная об огромном количестве „счастливых случаев“, скрывающихся за успехом эволюционной игры, законно задаться вопросом, в какой мере этот успех вплетен в саму ткань Вселенной».
В своей убедительной книге «Жизненная пыль» де Дюв ответил на мнение Моно о том, что Вселенная не беременна жизнью, а биосфера человеком, совсем просто: «Вы ошибаетесь. Это именно так». Конечно, де Дюв не имел в виду, что конкретно Homo sapiens было суждено возникнуть. Безусловно, случайность играет свою роль в биологии, что он признавал во всех своих работах. Но он также считал, что законы физики и вытекающая из них эволюционная динамика порождают все более нетривиальные формы биологической организации и сложности. Это в свою очередь неизбежно порождает жизнь и разум в космосе.
Если такая точка зрения верна, то это может стать философским прорывом, последствия которого вполне можно назвать духовными. Стюарт Кауфман, исследователь сложных систем из Института Санта-Фе, который, возможно, больше всех сделал для внедрения теории неизбежной жизни в мейнстрим науки, романтически описывает это в своей уже классической книге 1996 года «Во Вселенной как дома»: «Если мы, хоть это пока для нас непостижимо, действительно являемся естественными проявлениями материи и энергии, соединенными вместе в неравновесных системах, и если жизнь во всем ее изобилии обязательно должна была возникнуть — не как невычислимо невероятная случайность, а как ожидаемый ход естественного порядка вещей, тогда Вселенная поистине наш дом».
Однако мнение о том, что жизнь изначально вписана в законы природы, является экстраординарным, а, как выразился Саган, «экстраординарные утверждения требуют экстраординарных доказательств». Если жизнь действительно изначально вписана в законы природы, то почему Земля — единственная планета, на которой мы наблюдаем эту предполагаемую закономерность? Как можно говорить о вероятности существования жизни где-либо еще, если мы ограничены ничтожным размером выборки в одну планету?
Более того, если жизнь сформировалась не в результате единственного случайного события, то каков физический механизм, объясняющий, как именно скопление неживых частиц может систематически переходить в функциональную биологическую систему, и при каких естественных условиях этого следует ожидать? Действительно ли можно показать, что жизни, в физическом и статистическом смысле, было суждено возникнуть во Вселенной, на планетах, подобных Земле? Растущий объем доказательств, подтверждающих, что Вселенная априори порождает биологическую жизнь, постепенно становится неоспоримым.
Энергия как первичный организатор
Когда мы задаемся вопросом, как возникла жизнь, мы на самом деле спрашиваем, как неорганизованная материя вдруг стала организованной. В повседневных условиях спонтанная организация не происходит. Вещи не организуются сами по себе, и если никто не вмешивается, то комнаты становятся более грязными, здания разрушаются, а сложные структуры постепенно распадаются. Итак, благодаря чему могла возникнуть организация до появления каких-либо существ, способных ее выстроить или поддерживать?
Простой ответ на этот сложный вопрос: благодаря энергии. Энергия — это фундаментальная организующая сила природы, а Вселенная, насыщенная потоками энергии, — это космос, готовый к усложнению. Как упоминалось во введении, именно концентрированный поток энергии, проходящей через материю, упорядочивает неживые элементы в такую конфигурацию, которая является «живой». Повышая самоорганизацию, поток энергии постепенно превращает скопление бездумных молекул в механизм обработки информации, обладающий агентностью, то есть способностью к целенаправленному действию, которое мы ассоциируем с жизнью.
Агентность — это свойство, отсутствующее в мире неживых вещей, таких как камни и стулья, которые не двигаются, если их не толкнуть. Агентность раньше приписывалась мистической силе, ведущей жизнь к некой великой цели, но, как мы увидим к концу первой части, агентность обусловлена обработкой информации, выполняемой биологическими механизмами. Поскольку живые существа обладают агентностью, их также называют агентами. Поток энергии создает агентов из неживой материи, организуя химические системы в автономные вычислительные машины, которые собирают информацию о мире и используют ее для сохранения и дальнейшего распространения жизни.
Хотя может показаться, что речь идет о каком-то мистическом процессе, на самом деле мы говорим об энергии именно в том виде, в каком она определяется традиционной наукой. Ее можно обнаружить и измерить. Стремление текущей энергии к упорядочению является совершенно естественным, но, что удивительно, концептуально оно не сильно отличается от старого понятия élan vital — «жизненной силы», оживляющей неодушевленное. Можно сказать, что энергия организует материю в жизнь, а жизнь организует информацию в знание. И именно знание делает Вселенную доступной для восприятия разумной жизнью. Или, если занять менее антропоцентрическую позицию, именно знание позволяет Вселенной постигать саму себя посредством разумной жизни. Мы должны помнить, что мы не отделены от природы, а являемся ее функциональным проявлением.
Чтобы на удовлетворительно высоком интеллектуальном уровне понять, как работает этот процесс формирования жизни и знаний, мы должны сначала немного познакомиться с разделом физики о потоках энергии — термодинамикой. Возможно, это самая сложная часть всей нашей космической истории, но она того стоит, поскольку она объяснит тайну возникновения жизни и вооружит нас понятийными инструментами, необходимыми для осознания той важной роли, которую она неизменно играет в процессе эволюции космоса.
Если конкретнее, то нам предстоит взяться за грозный второй закон термодинамики, который, казалось бы, противоречит идее о том, что сложность — биологическая или иная — может сохраняться и нарастать без ограничений. Если бы это действительно было так, это сделало бы жизнь преходящим явлением без всякого космического значения — «химической грязью», как однажды выразился Стивен Хокинг. Но интересно, что этот фундаментальный закон не противоречит концепции постепенно усложняющейся Вселенной. Более того, второй закон термодинамики совершенно необходим для понимания того, почему сложные адаптивные системы, такие как жизнь, возникают и распространяются вполне естественным образом.
Перевод с английского Максима Леоновича