В школе ответ на этот вопрос казался простым. Учительница миссис Грен выдала аккуратный список: живые организмы дышат, питаются, растут, размножаются, реагируют на раздражители. Лаконично, удобно для запоминания. Но удовлетворительно ли это объяснение того, что жизнь есть? Автор уверен: нет. Это лишь описание того, что жизнь делает. Настоящий ответ сложнее. И проще одновременно.
Великие умы ищут ответ
Эрвин Шрёдингер в книге «Что такое жизнь?» (1944) сделал акцент на наследственности и информации. Он предсказал существование «скриптового кода» — того, что мы теперь называем ДНК. Но в конце он почти скатился к витализму, предположив, что для объяснения жизни может потребоваться новый, еще не открытый закон физики. Дж. Б. С. Холдейн, написавший книгу с тем же названием, был честнее: «Я не собираюсь давать ответ. По правде, я сомневаюсь, что когда-нибудь полный ответ будет получен». Он сравнил ощущение жизни с восприятием цвета или боли — мы не можем описать их в терминах чего-то иного. Генетик Херман Мёллер в 1966 году предложил «сермяжную» дефиницию: живое существо — это то, что способно эволюционировать. Дарвиновская идея естественного отбора, считал он, центральное звено в размышлениях о жизни. Автор берет за основу именно этот подход, но добавляет к нему два принципа.
Три принципа жизни
Первый принцип: способность к эволюции. Живые организмы должны размножаться, иметь наследственную систему, и эта система должна быть изменчивой. Без этого нет эволюции, а без эволюции, по Мёллеру, нет жизни.
Второй принцип: телесность. Жизненные формы — физические объекты, имеющие границы. Клетка — простейшая вещь, в которой заключены все ключевые характеристики жизни. Этот принцип исключает из рассмотрения компьютерные программы и культурные субъекты, даже если они могут казаться эволюционирующими. Жизнь всегда материальна.
Третий принцип: жизнь как машина. Живые объекты — химические, физические и информационные машины. Они строят собственный метаболизм, используют его для самосохранения, роста и размножения. Они координируются и регулируются через управление информацией, что позволяет им действовать целенаправленно.
Всякий объект, соответствующий всем трем принципам, может считаться живым.
Химия жизни: углеродное чудо
В основе жизни лежат полимерные молекулы, построенные на атомах углерода. ДНК — высоконадежный сейф для информации. Ее двойная спираль прячет нуклеотидные основания в центре, где они защищены и стабильны. Настолько, что ученые смогли секвенировать ДНК лошади, сохранявшейся в вечной мерзлоте почти миллион лет. Но информация не может оставаться скрытой. Она должна превращаться в действие. Для этого служат белки — тоже полимеры на основе углерода, но устроенные иначе. Их химически активные части расположены снаружи, что позволяет им взаимодействовать с миром, строить, поддерживать и воспроизводить химическую машину клетки. Разные конфигурации линейных углеродных полимеров порождают и стабильное хранение информации, и разнообразную химическую активность. Автор считает это решение элегантным и, вероятно, универсальным: если жизнь существует где-то во Вселенной, она, скорее всего, использует тот же принцип. Можно вообразить жизнь на основе кремния (его атомы тоже могут образовывать четыре связи) — как в гипотезе Грэма Кэрнса-Смита о самовоспроизводящихся глинистых частицах. Но на Земле углерод оказался удобнее: он легче вступает в химические связи и обеспечивает большее разнообразие.
Где проходит граница жизни?
С вирусами всё сложно. У них есть геном (ДНК или РНК) и белковая оболочка. Они могут эволюционировать — тест Мёллера проходят. Но размножаться самостоятельно не могут. Только захватывая клетку хозяина и пользуясь ее метаболизмом. Вне клетки вирус — химически инертная структура. Внутри — почти живой. Он циркулирует между двумя состояниями, и биологи до сих пор спорят, считать ли его живым. Но и «очевидно живые» организмы не так уж независимы. Тело человека — экосистема. Тридцать с лишним триллионов собственных клеток — и огромное сообщество бактерий, архей, грибов, которые живут на нас и внутри нас. Бактерии в кишечнике вырабатывают аминокислоты, которые наши клетки производить не могут. Даже растения, способные к фотосинтезу, нуждаются в бактериях, улавливающих азот из атмосферы.
Самые независимые формы жизни — не сложные, а простые. Цианобактерии (сине-зеленые водоросли) сами делают фотосинтез и сами захватывают азот. Археи у геотермальных источников получают всю энергию и сырье из вулканической активности. Эти «примитивные» организмы гораздо самодостаточнее человека.
Все мы — одна семья
Глубокая взаимозависимость отражена в самой структуре наших клеток. Митохондрии — наши энергетические станции — когда-то были самостоятельными бактериями. Полтора миллиарда лет назад они поселились внутри других клеток, и союз оказался настолько выгодным, что стал постоянным. Это событие, вероятно, дало начало всей ветви эукариотов — сложных клеток с ядром. Надежное энергообеспечение позволило им увеличиться и усложниться, породив всё разнообразие животных, растений и грибов. Если смотреть на организмы как на химические и информационные машины, их фундаментальное сходство поразительнее разнообразия. Все используют АТФ как энергетическую валюту. Все опираются на одни и те же отношения между ДНК, РНК и белком. Все строят белки с помощью рибосом. Фрэнсис Крик назвал это «центральной догмой» молекулярной биологии. Такое глубокое сходство подводит к выводу: жизнь на Земле началась однажды. Если бы разные формы жизни возникали независимо, их потомки вряд ли были бы так похожи в главном.
Как всё началось?
Земля сформировалась 4,5 миллиарда лет назад. Первые полмиллиарда лет поверхность была слишком горячей и нестабильной. Самые древние ископаемые, которые мы нашли, жившие 3,5 миллиарда лет назад, уже похожи на бактерии. У нас есть правдоподобная, хотя и не подтвержденная теория происхождения жизни. В современных клетках ДНК, белки и мембраны образуют взаимозависимую систему. ДНК-гены могут воспроизводиться только с помощью белковых ферментов. Белки строятся по инструкциям в ДНК. И те, и другие зависят от мембраны, которая удерживает нужные вещества. Что появилось первым? Классическая задача «курица или яйцо».
Ответ может быть таким: ни то, ни другое. Первой была РНК — химическая кузина ДНК.
Молекулы РНК могут хранить информацию и копироваться, совершая ошибки — а значит, эволюционировать. Они могут сворачиваться в сложные трехмерные структуры и действовать как ферменты, катализируя химические реакции (хотя и не так эффективно, как белковые). РНК-молекула могла быть и геном, и ферментом одновременно — наследственная система и примитивный метаболизм в одной упаковке. Некоторые ученые полагают, что такие РНК-машины возникли в порах скал вокруг океанских геотермальных источников. Атомы металлов служили катализаторами, вулканическая энергия давала стабильный поток сырья. Через тысячелетия проб и ошибок могли сформироваться самовоспроизводящиеся молекулы. Потом они обзавелись мембранами (липиды могут собираться в сферы спонтанно) — и появились первые настоящие клетки.
Человеческий мозг: чудо внутри чуда
Самое замечательное, что породил слепой и безжалостный процесс естественного отбора, — человеческий мозг. Мы — единственный вид, который осознает свое существование. Мы можем делать выбор, размышлять о целях, воображать, творить, страдать. Как это возникает из жидкой химии миллиардов нейронов и триллионов синапсов? Мы пока не знаем. Мы можем проследить путь сигналов от органов чувств к зрительной коре, составить схемы нейронных соединений, отвечающих за память или эмоции. Но как из этого складывается абстрактное мышление и самосознание — загадка.
Поиск ответа займет, вероятно, весь XXI век. И, возможно, нам понадобится помощь не только традиционной науки, но и психологии, философии, гуманитарных наук, даже поэтов и художников. Искусственный интеллект пока не дает подсказок: самые мощные нейросети имитируют обработку информации, но ничто в них даже отдаленно не напоминает творческое воображение или сознание.
Ответственность понимания
Вселенная огромна. Было бы странно, если бы жизнь, тем более сознательная, возникла только здесь. Но встретим ли мы другие формы жизни — вопрос другой. Если да, автор уверен: они, как и мы, окажутся самоподдерживающимися физическими и химическими машинами на основе кодирующих информацию полимеров, созданными эволюцией путем естественного отбора. А пока у нас есть Земля. И знание, которое дает биология: все живые организмы связаны друг с другом. Мы — родственники ползающих жуков, ферментирующих дрожжей, любознательных горилл, порхающих бабочек. Все они — последние звенья единой родословной, тянущейся через миллиарды лет клеточных делений в непроницаемую глубину времен. Мы — единственный вид, способный разглядеть это родство. И это дает нам особую ответственность. За жизнь на этой планете. За наших родственников, близких и далеких. За бабочку, которая залетает в сад, и за микробов, живущих внутри нас.