Загадка жизни: как из хаоса атомов возник разум? Разбираем 4 самых безумных, но правдоподобных сценария
Иногда я смотрю на мир вокруг — на муравья, который тащит крошку, на орла, парящего высоко в небе, или даже просто на собственную ладонь — и думаю: как, черт возьми, это вообще началось? Мы, люди, одержимы началом. Началом Вселенной, началом цивилизации, началом жизни.
Ученые сегодня твердо знают: жизнь не висит в воздухе по воле некоего волшебного «жизненного жара». Луи Пастер давно доказал, что жизнь происходит только от жизни. И вот тут мы попадаем в ловушку, в классический парадокс «курицы и яйца»: чтобы живое возникло, оно должно было появиться из неживого, но мы никогда не видели, как неживое становится живым.
Биологи смотрят на древние ископаемые и видят, что простейшие формы жизни (бактерии) возникли на Земле невероятно быстро — всего через 300–800 миллионов лет после того, как планета остыла и стала хоть как-то пригодна для обитания. Это мгновение в космическом масштабе. Но даже самая простая клетка – это потрясающее, восхитительное инженерное чудо, собранное из тысяч сложнейших деталей. Как этот «мгновенный» переход от атомов к первой самовоспроизводящейся системе — к первому «Адаму Протобактериальному» — случился без помощи чуда? Вот главная загадка, над которой бьются ученые, предлагая самые смелые гипотезы.
1. Что нужно, чтобы запустить Дарвина: простая механика или чудо?
Когда мы говорим о происхождении жизни, мы на самом деле говорим о происхождении естественного отбора. Ведь дарвиновская эволюция — это единственная известная нам теория, которая в принципе способна объяснить возникновение организованной сложности, то есть как из простого постепенно возникает сложное.
Но чтобы этот великий механизм запустился, нужен стартовый рычаг, который в биологии называется репликатор. Репликатор — это сущность, которая способна создавать свои копии, при этом допуская ошибки (мутации). Если в процессе копирования возникают варианты, которые лучше приспособлены к размножению, они будут преобладать. Это и есть естественный отбор.
Проблема в том, что все, что мы видим сегодня (наша ДНК и белки), невероятно сложно. Взять хотя бы ДНК. Она хранит наследственную информацию, но для ее копирования нужны белковые «машины» (ферменты). А белки сами создаются по шаблонам ДНК. Получается замкнутый круг: ДНК не может без белков, а белки не могут без ДНК.
Сторонники идеи «разумного замысла» обожают этот парадокс, утверждая, что если все части сложны и нужны одновременно, значит, был «Конструктор». Но ученые убеждены, что должен был существовать некий более простой, рудиментарный механизм, который был достаточно примитивен, чтобы возникнуть случайно, и при этом уже обладал способностью к самовоспроизведению.
Ключевая мысль: Дарвиновская эволюция, которая породила все многообразие форм жизни, не могла начаться, пока не появилась первая самовоспроизводящаяся сущность, способная к ошибкам и вариациям.
2. Первичный бульон: классика, которая уже не в моде
Одна из старейших и самых популярных гипотез, которую сегодня, правда, активно пересматривают, — это теория «первичного бульона». В 1920-х годах ученые независимо друг от друга предположили, что атмосфера молодой Земли была восстановительной (то есть там не было свободного кислорода, который губителен для органики, и в изобилии имелись другие газы: метан, аммиак, вода, водород).
В 1950-х годах химик Стэнли Миллер решил проверить это, создав в лаборатории миниатюрную «первобытную Землю»: он смешал эти газы в колбе, подогрел их и пропустил через смесь электрические разряды (имитация молний). Результат был сенсационным: в жидкости образовались аминокислоты — «кирпичики», из которых строятся белки.
Это было важно: природа могла сама создать строительный материал. Но тут-то и кроется загвоздка. Как заметил Дарвин, жизнь могла зародиться в «маленьком теплом пруду», насыщенном этими соединениями. Но если бы даже там образовалось сложное органическое вещество, способное к дальнейшим превращениям, оно было бы немедленно поглощено уже существующими организмами. А главное — получить в пробирке аминокислоты — это одно, а заставить их самоорганизоваться в самокопирующуюся цепочку, как РНК или ДНК, — это совершенно другое.
Тут же вступает в игру «космический фактор». Теория панспермии (когда жизнь занесена из космоса) — идея не новая, ее выдвигали еще древние греки и активно развивали ученые, включая Нобелевского лауреата Сванте Аррениуса и даже Фрэнсиса Крика (первооткрывателя ДНК). Мы знаем, что строительные блоки жизни, такие как аминокислоты, действительно могут образовываться в межзвездных облаках и прилетать на Землю вместе с метеоритами. Это изящный способ объяснить, откуда взялись ингредиенты, но он, конечно, не решает главной проблемы: где и как возник сам механизм воспроизводства.
3. Вода, лед и глина: колыбель в экстремальных условиях
Поскольку классический «первичный бульон» оказался слишком «разбавленным» для запуска саморепликации, современные ученые ищут места, где химические вещества могли концентрироваться и работать как катализаторы.
Гипотеза «мира РНК». Если ДНК и белки неразлучны, то, возможно, вначале было нечто, выполнявшее обе функции? Биологи склоняются к идее, что это была РНК (рибонуклеиновая кислота). РНК похожа на ДНК, но проще, и, что важно, она способна выступать в роли катализатора (рибозима), помогая создавать собственные копии. Эта самодостаточная молекула могла стать тем самым первым репликатором, запустившим эволюцию.
Горячие источники и гейзеры. Где же появилась эта РНК? Многие считают, что на дне океана, в гидротермальных источниках — так называемых «черных курильщиках». Здесь, в горячей, насыщенной минералами и ядовитыми газами среде (сероводород, метан), могли сложиться идеальные условия: высокая температура, давление, постоянный приток энергии и химических элементов, которые могли бы катализировать реакции. Некоторые даже предполагают, что микроскопические поры в этих источниках служили первыми «протоклетками», в которых сначала запустился метаболизм, а уже потом появилась наследственность.
Глиняный след. Есть и совсем экзотическая, но красивая идея, которую я люблю, — «глиняная гипотеза». Химик Грэм Кэрнс-Смит предположил, что первыми репликаторами были не органические молекулы, а кристаллы глины. Эти кристаллы способны расти и копировать свою структуру (с «дефектами», которые передаются по наследству). Органические молекулы (будущие ДНК) могли сначала выступать как «инструменты» или «костыли», помогающие глине лучше копироваться, а затем стали настолько эффективными, что заменили своего неорганического прародителя.
Самые модные версии теперь ищут жизнь в экстремальных, динамичных условиях — будь то щелочные озера на суше или глубоководные источники, где происходят необходимые химические реакции и концентрирование веществ. Причем для возникновения жизни важны циклы: замерзание/таяние или намокание/высыхание, которые концентрируют реагенты, чего не происходит в огромном океане.
4. Парадокс невероятности: почему чудо должно было случиться
Самый главный аргумент скептиков, религиозных фундаменталистов и некоторых астрофизиков (например, Фреда Хойла) — это статистическая невероятность. Они говорят, что вероятность случайного возникновения даже простейшей самовоспроизводящейся молекулы настолько ничтожна (по некоторым расчетам, 1 из 10^123), что для этого не хватит всего времени существования Вселенной. Хойл говорил, что это все равно, что торнадо, пронесшийся по свалке, соберет готовый «Боинг-747».
Это звучит убедительно, если мы, конечно, не забываем, что эволюция — это не одноступенчатое, а накопительное явление. Природа не собирала сразу живую клетку, как «Боинг-747». Она начинала с чего-то очень простого, что было всего лишь чуть более устойчиво, чем его окружение. Шаг за шагом, накапливая и совершенствуя удачные случайности.
А если шанс все равно был ничтожно мал? Здесь на помощь приходит масштаб Вселенной. Мы, смертные, мыслим в масштабе десятилетий. Эон — миллиард лет — кажется нам вечностью. Но во Вселенной 100 миллиардов галактик, и в нашей Галактике от 1 до 30 миллиардов планет. Если событие происходит раз в миллиард миллиардов лет, то в масштабах космоса оно вполне может случиться.
Это так называемый антропный принцип: мы находимся здесь, чтобы задавать этот вопрос, а значит, наша планета должна быть в числе тех, на которых жизнь возникла.
Ключевая мысль: Тот факт, что жизнь возникла почти сразу после того, как Земля остыла, позволяет думать, что это неизбежный химический процесс, а не чудо, при условии наличия достаточного количества времени и планет во Вселенной.
Что дальше?
Мы не знаем точно, что произошло 4 миллиарда лет назад. Мы, биологи и химики, всего лишь около трех десятилетий занимаемся серьезными экспериментами по созданию жизни, а у Природы была фора в четыре миллиарда лет.
Но мы видим, что граница между живым и неживым становится размытой. Каждый новый эксперимент показывает: то, что раньше казалось невозможным без «божественного вмешательства», теперь объясняется обычными физическими и химическими законами. Мы можем собрать строительные блоки жизни. Мы можем заставить РНК самокопироваться. Мы нашли условия, в которых могли бы концентрироваться необходимые вещества.
Пожалуй, единственное, что я с уверенностью знаю про абиогенез, — это то, что он состоялся. И это невероятно, даже если это было неизбежно. Разве не потрясающе осознавать, что атомы, рожденные в недрах древних звезд, в итоге смогли сложить сами себя в нас, существ, способных размышлять о своем происхождении?
Мне нравится думать о том, что жизнь — это, возможно, не редкое исключение, а нечто, что возникает, как только позволят обстоятельства. А что, если в глубине далеких океанов или под ледяными панцирями спутников Юпитера уже идет свой собственный, ни на что не похожий абиогенез, о котором мы пока можем только мечтать?