Книга: Самое грандиозное шоу на Земле

«Из такого простого начала…»

«Из такого простого начала…»

Сейчас мы куда больше Дарвина знаем о том, как происходила эволюция. Но о том, как все началось, мы знаем едва ли больше Дарвина. Я посвятил эту свою книгу обзору доказательств, но свидетельств относительно момента начала эволюции на планете у нас нет. Это могло быть событие невероятной редкости: ведь произойти оно должно было всего однажды, и, насколько мы знаем, так это и есть. Более того, возможно, оно произошло единственный раз во Вселенной (но я, честно говоря, так не считаю). Основываясь только на логике, без каких бы то ни было доказательств, мы можем лишь сказать, что Дарвин говорил о «простом начале». Противоположность простого — статистически маловероятное. Оно не возникает само по себе (именно это и означает малую вероятность). Начало должно было быть простым, а эволюция путем естественного отбора — по сей день единственный известный нам способ, которым из простого начала получается сложное.

В «Происхождении видов» Дарвин не обсуждал вопрос о начале эволюционного процесса. Он считал, что решение этой проблемы выходит за пределы возможностей современной ему науки. В письме Гукеру, которое я цитировал, Дарвин писал: «Думать сейчас о происхождении самой жизни — пустая трата времени. С тем же успехом можно размышлять о природе материи». Он, тем не менее, не исключал возможности того, что в далеком будущем ответ на этот вопрос будет найден (проблема происхождения материи, например, в значительной степени уже решена): «Должно пройти некоторое время, прежде чем мы увидим „слизь, протоплазму и так далее“, дающую жизнь новому животному».

В опубликованной Фрэнсисом Дарвином в 1871 году переписке своего отца в этом месте стоит сноска:

С одной стороны, Дарвин предположил, как могла зародиться жизнь (знаменитый «маленький теплый пруд»), с другой — предложил ученым проститься с пустой надеждой увидеть повторное зарождение жизни. Даже если сложатся все условия для самозарождения живого организма, этот новорожденный немедленно будет «поглощен или впитан» (это сделают, скорее всего, бактерии).

Дарвин написал цитированные строки через семь лет после знаменитой лекции Луи Пастера в Сорбонне, где тот заявил:

«Никогда больше доктрина самозарождения жизни не оправится от смертельного удара, нанесенного ей этим простым опытом». Под «простым опытом» Пастер подразумевал демонстрацию того, что (вопреки распространенному в те времена мнению) в питательном бульоне, огражденном от контакта с микроорганизмами, они не появляются.

Креационисты время от времени пытаются использовать подобные эксперименты как доказательство своей правоты. Звучит это так: «В наше время самозарождение не наблюдается. Следовательно, жизнь не могла возникнуть спонтанно». Замечание, сделанное Дарвином в 1871 году, направлено как раз против подобных рассуждений. По всей видимости, самозарождение жизни — чрезвычайно редкое явление, однако минимум однажды оно произошло, вне зависимости от того, считаете ли вы его естественным или сверхъестественным событием. К интереснейшему вопросу о том, насколько редко событие возникновения жизни, я еще вернусь.

Первые серьезные попытки объяснить зарождение жизни (предпринятые независимо Опариным в России и Холдейном в Англии) начались с отрицания того, что условия, в которых когда-то зародилась жизнь, не сохранились. Опарин и Холдейн предположили, что ранняя атмосфера разительно отличалась от нынешней: она не содержала свободного кислорода и была (употребим загадочное химическое слово) «восстановительной». Мы знаем, что свободный кислород в атмосфере — это продукт жизнедеятельности растений, следовательно, первоначальные условия зарождения жизни его наличие не включали. Кислород хлынул в атмосферу в качестве загрязняющего вещества или даже яда, а естественный отбор перестроил живые существа таким образом, что они научились его использовать — и теперь они без него жить не могут. Идея «восстановительной атмосферы» породила самую известную экспериментальную атаку на проблему происхождения жизни — «колбу с простыми ингредиентами» Стэнли Миллера. Содержимое колбы кипело и пузырилось всего неделю, и за это время успело породить некоторое количество органических веществ, в том числе аминокислоты.

В наше время многие отрицают дарвиновскую концепцию «маленького теплого пруда» вместе с «адским варевом» Миллера, склоняясь в пользу той или иной их альтернативы. По правде сказать, никакого согласия по этому вопросу в научной среде нет. Выдвигались многообещающие гипотезы, но ни одна из них пока бесспорно не доказана. В своих предыдущих книгах я рассказал о нескольких, в том числе и о теории Грэма Кернс-Смита (возникновение жизни на неорганических кристаллах), а также изложил модную в последнее время точку зрения, согласно которой условия катархея были подобны тем, в каких сейчас обитают «термофильные» бактерии и археи, живущие, размножающиеся и процветающие в горячих источниках. В последнее время — и не без убедительных, на мой взгляд, причин — большинство биологов склоняется к так называемой теории «мира РНК».

У нас нет свидетельств о том, с чего началась жизнь, но мы прекрасно знаем, что должно было произойти. Первый шаг должен был запустить естественный отбор. Усовершенствование и усложнение, достигаемые при помощи естественного отбора, прежде были принципиально невозможны. Отсюда следует, что отправной точкой было возникновение самовоспроизводящейся структуры (благодаря неизвестному процессу). Самовоспроизведение создает популяцию организмов, конкурирующих друг с другом за возможность воспроизвести себя. Поскольку в любом процессе копирования неизбежны ошибки, в популяции возникает изменчивость. Если же в популяции присутствует изменчивость, то репликаторы, обладающие признаками, способствующими успешному выживанию, будут доминировать. Это и есть естественный отбор, и он никак не мог начаться до появления первого самовоспроизводящегося организма.

Описывая «маленький теплый пруд», Дарвин предположил, что таким отправным событием могло стать образование белка. Эта идея оказалась менее плодотворной, чем другие его построения. Я ни в коем случае не хочу отрицать необходимость белков для жизни. Мы узнали в главе 8, что белки способны принимать трехмерную форму, точно заданную одномерной последовательностью их мономеров — аминокислот. Также мы обсудили, что эта способность позволяет им с огромной избирательностью служить катализаторами химических реакций, причем повышение скорости некоторых реакций достигает двенадцати порядков. Именно невероятная специфичность ферментов лежит в основе биохимии, а диапазон форм, которые могут принимать белки, близок к бесконечности. Именно в этом заключается неоценимое достоинство белков, и Дарвин верно указал на них. Однако есть задача, с которой белки справляются очень плохо, и это ускользнуло от внимания Дарвина: они безнадежны с точки зрения репликации. Они не способны к самовоспроизведению. Это значит, что возникновение белков не могло стать отправной точкой эволюции. А что же могло?

Из известных нам молекул лучше всего реплицируется молекула ДНК. Белки — прекрасные ферменты, но дурные репликаторы. ДНК — наоборот. Она не может сворачиваться в сложные пространственные структуры и, следовательно, не может функционировать как фермент. Вместо этого молекулы ДНК поддерживают линейную, открытую форму, что делает их идеальными репликаторами и хранителями аминокислотных последовательностей. Белки, наоборот, поддерживают «закрытые» конформации и не экспонируют информацию, содержащуюся в их последовательности: она не может быть скопирована или «прочитана». Информация о последовательности недоступна: она спрятана глубоко внутри свернутого в трехмерную структуру белка. В ДНК, напротив, информация о последовательности легко доступна и поэтому может использоваться как шаблон при синтезе.

В вопросе о зарождении жизни есть своя «уловка-22»: ДНК способна к репликации, но для этого требуется присутствие катализаторов. Белки могут катализировать процесс образования молекул ДНК, но чтобы синтезировать сам белок, необходимо воспользоваться информацией о последовательности аминокислот, которая закодирована ДНК. Как же молекулам юной Земли удалось вырваться из этого порочного круга и запустить естественный отбор? На сцене пора появиться РНК.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) принадлежит к тому же семейству биополимеров, что и ДНК — к полинуклеотидам. Молекулы РНК имеют свой аналог генетического кода ДНК, также из четырех «букв», и переносят в клетках информацию от ДНК к местам ее непосредственного использования. ДНК служит шаблоном для построения последовательности РНК. Белки, в свою очередь, синтезируются по шаблону РНК, а не ДНК. У некоторых вирусов, кстати, ДНК нет вообще. Роль генетической молекулы, переносящей информацию из поколения в поколение, у них полностью берет на себя РНК.

И вот он — ключевой момент теории «мира РНК». Помимо вытягивания в цепочку, позволяющую репликацию и передачу генетической информации, молекулы РНК способны (как магнитное ожерелье из главы 8) сами свертываться в трехмерные структуры, имеющие ферментативную активность. РНК-ферменты — рибозимы — существуют. Они не так эффективны, как белковые ферменты, однако они работают. Сторонники теории «мира РНК» считают, что РНК была достаточно эффективным репликатором и удерживала позицию до появления белков, чтобы проиграть только появившимся в процессе эволюции молекулам ДНК.

Теория «мира РНК» кажется мне вполне правдоподобной. Более того, я предполагаю, что в ближайшие несколько десятилетий вероятно полное воспроизведение в лаборатории событий, запустивших четыре миллиарда лет назад механизм естественного отбора. В этом направлении уже предпринято несколько воодушевляющих шагов.

Прежде чем закончить разговор на эту тему, я считаю нужным повторить предупреждение, которое я сделал в предыдущих книгах. Мы не испытываем острой необходимости в правдоподобной теории зарождения жизни. И, более того, можем оказаться в смятении, если такая правдивая теория появится. Этот парадокс является проявлением — или следствием — известной фразы физика Энрико Ферми: «Ну и где они все?». Звучит загадочно, однако коллеги Ферми из Лос-Аламосской лаборатории были настроены на одну волну с ним и прекрасно его поняли. Почему, собственно, нас не посещают живые существа из других мест Вселенной? Если уж не лично, то хотя бы при помощи радиосигналов (что куда вероятнее)?

Теперь уже мы можем получить количественную оценку: в нашей галактике более миллиарда планет, а во Вселенной — более миллиарда галактик. Наша планета может и вправду оказаться единственной обитаемой во Вселенной. Но если это так, то вероятность появления жизни на планете не должна превышать 1:1000000000. Таким образом, искомая теория зарождения жизни на Земле должна быть как раз неправдоподобной. Если бы она была правдоподобна, то жизнь во Вселенной была бы широко распространена. Может, так и есть; тогда нам нужна правдоподобная теория. Однако пока нет свидетельств существования жизни вне нашей планеты, и нам приходится принимать теории неправдоподобные. Относясь серьезно к парадоксу Ферми и, соответственно, интерпретируя отсутствие сигналов от других живых существ как свидетельство чрезвычайной редкости жизни в галактике, следует ожидать отсутствия какой бы то ни было правдоподобной теории происхождения жизни. (Этот вопрос я подробно рассмотрел в книге «Слепой часовщик» и поэтому здесь в детали углубляться не буду.) Мое предположение, сколько бы оно ни стоило (а оно не стоит почти ничего, поскольку в этом уравнении слишком много неизвестных), таково: жизнь во Вселенной очень редка, но планет так много (каждый день ученые открывают новые), что мы почти наверняка не одиноки. Более того, во Вселенной могут существовать миллионы островков жизни. Однако они могут быть так далеко, что шансов найти друг друга — даже при помощи радиосигналов — у них нет. Таким образом, как бы грустно это ни звучало, с практической точки зрения мы можем считать, что мы одни.