Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Уверенными можно быть лишь в одном: недостатка в темах для лабораторных исследований в ближайшее время у нас не будет.

Шаг 3. Возникновение самовоспроизводящихся систем

Основная загадка происхождения жизни — как небольшие молекулы, неживые и «бесплодные», соединяются в комбинацию, которая может самокопироваться. Сами по себе аминокислоты, сахара и липиды, даже тщательно отобранные и сконцентрированные, очень далеки от жизненности. Эти ингредиенты должны каким-то образом самоорганизовываться в системы большей сложности: они составляют несущие информацию полимеры, окружают себя защитными гибкими оболочками и создают катализаторы, которые ускоряют желаемый химический процесс, блокируя создание конкурирующих молекул. И затем — высшая задача: они делают собственные копии.

В качестве примера стратегии поиска такого самовоспроизводящегося молекулярного процесса можно рассмотреть углеродную химию современных клеток. Необходимо выявить самые древние и глубоко укоренившиеся пути синтеза — наипростейшие химические акты, которые происходят в каждой живой клетке. Одним из таких примитивных биохимических процессов является известный целым поколениям студентов, изучающих биологию, цикл лимонной кислоты (также называемый циклом Кребса или циклом трикарбоновых кислот) — важный этап энергетического потока в клетках. Вероятно, вам на занятиях рассказывали, что цикл этот запускает энергически насыщенная шестиуглеродная молекула лимонной кислоты, которая проходит чуть ли не десяток последовательных шагов фрагментации, сопровождаемых небольшим выделением поддерживающей клеточные функции энергии, а также созданием молекул, служащих отправной точкой для образования основных биохимических веществ. Этот основанный на углероде каскад химических реакций, происходящий триллионы раз в секунду в течение всей вашей жизни — чтобы обрабатывать съеденную вами пищу, — встроен практически в каждую клетку вашего тела.

Полстолетия назад биологи обнаружили, что некоторые примитивные клетки научились запускать цикл лимонной кислоты в обратном направлении{167}. Начнем с простой, имеющей в своем составе два атома углерода молекулы уксусной кислоты — основного ингредиента уксуса. Вызовем реакцию уксусной кислоты с одной молекулой CO₂, чтобы получить трехуглеродную пировиноградную кислоту. Добавим еще одну молекулу CO₂ — и получим четырехуглеродную щавелевоуксусную. Дальше последуют восемь химических реакций, каждая из которых добавит по маленькому фрагментику (H₂, H₂O или CO₂) шаг за шагом, чтобы построить более крупные молекулы — вплоть до лимонной кислоты с шестью атомами углерода.

Этот обратный цикл лимонной кислоты способен сам себя копировать. Расщепите лимонную кислоту на одну молекулу пировиноградной кислоты и одну — щавелевоуксусной, чтобы один цикл стал двумя. Продолжайте в том же духе, и два цикла станут четырьмя, четыре — восемью и т.д. В качестве бонуса многие промежуточные соединения в цикле служат отправными точками создания других важных биомолекул — аминокислот для построения белков, сахаров для построения сложных углеводородов, липидов для построения клеточных мембран и структурных элементов ДНК и РНК.

Исходя из его повторяющейся простоты и биохимических возможностей, многие изучающие происхождение жизни полагают, что этот обратный цикл лимонной кислоты (или что-то подобное) стал той самой первой самовоспроизводящейся системой миллиарды лет назад. Мы считаем, что именно эта химическая инновация и была действительным началом жизни. В наших текущих экспериментах, где воспроизводятся обстановки первичной Земли, уже воссоздано большинство главных химических этапов цикла (хотя и не все). Мы чувствуем, что разгадка соблазнительно близка.

Независимо от того, что стало этим стимулирующим фактором, — обратный цикл лимонной кислоты, самореплицирующаяся молекула РНК или какая-то другая самовоспроизводящаяся система, которую еще только предстоит описать, — спутанное сообщество молекул еле-еле взаимодействовало посредством этих замечательных новых способов. Но внезапно, в один момент непревзойденного творческого становления, это молекулярное сообщество начало создавать собственные копии. Как происходило это преобразование, какие молекулы участвовали и в какой последовательности они вступали в химические реакции друг с другом, мы пока расшифровать не можем — это самый большой пробел в нашем понимании происхождения жизни. Впрочем, наше нынешнее состояние незнания не столь безнадежно, как кульминационный пункт моей любимой карикатуры Сидни Харриса, на которой длинное и сложное математическое доказательство, неразборчиво написанное ученым на доске, разбивается посередине фразой «Затем случилось чудо…», а потом продолжается дальше. Но пробелы в нашем понимании остаются, и исследователи происхождения жизни продолжают свои поиски в надежде найти простой цикл молекул, который копирует себя, хотя параллельно они горячо обсуждают природу той первой самовоспроизводящейся системы.

Говоря коротко и упрощенно, переход от неживой геохимии к живому миру выглядит как поступательное движение. Жизнь появилась в виде логической последовательности химических шагов, каждый из которых добавлял структуру и сложность углеродсодержащей молекулярной сети, и в конечном счете получился эволюционирующий живой мир. Первыми возникли небольшие молекулярные кирпичики, затем функциональные макромолекулы и наконец — соединения тех углеродсодержащих молекул, которые делали собственные копии. Если вы посетите одно или несколько научных мероприятий по происхождению жизни, которые ежегодно проводятся по всему миру, вы увидите непрерывный ряд ученых, представляющих свои последние данные и гипотезы, сопровождая их сложными диаграммами и графиками, а также уверенными заявлениями. И нужно сказать, мы действительно многое узнали о появлении жизни миллиарды лет назад. Но сколько еще остается неизвестного, скрытого, загадочного…

Вот поэтому-то исследование происхождения жизни так занимательно!

Второе Бытие: жизнь на других планетах{168}

Жизнь на Земле появилась миллиарды лет назад, когда геосфера преобразовалась в биосферу. По мере того как жизнь на нашей планете, эволюционируя, выходила из глубокого моря, захватывая сушу и воздух, расширялся и репертуар стратегий выживания.

Чего мы не знаем, так это уникальна ли данная эпическая история жизни для нашей планеты. Или она повторялась бесчисленное число раз в бесчисленных мирах по всей Галактике? Это единичное явление или множественное? Космический императив или счастливая случайность? Философы не уклоняются от споров об этом. Жак Моно, французский биолог, лауреат Нобелевской премии, занял довольно пессимистическую позицию. В своей классической книге 1970 г. «Случайность и необходимость» Моно делает вывод: «Вселенная вовсе не была чревата жизнью, равно как и биосфера — человеком. <…>Человек наконец сознает свое одиночество в равнодушной бескрайности Вселенной, из которой он возник по воле случая»[45]{169}.

Многим ученым, включая поистине всех нас, занимающихся исследованием происхождения жизни, не по душе столь негативная оценка. Если это так, получается, мы зря тратим время в своих лабораториях. Бельгийский биолог Эрнест Шоффенильс так сказал за многих из нас в книге 1976 г. «Антислучайность» (своем ответе Моно), представляя альтернативную философскую позицию: «Происхождение жизни и эволюция были неизбежными, обусловленными условиями на Земле и присущими элементам свойствами»{170}. Это занимательный спор, но никто на самом деле не знает правильного ответа.

Так случайность или неизбежность? Действительно ли глубокие космические преобразования сводятся к этому ограниченному выбору или, как склонен думать я, такая дихотомия ошибочна? Когда мы говорим о Вселенной с ее постоянно возникающими и эволюционирующими системами — звездами и планетами, изотопами и элементами, жизнью и сознательным мозгом, обществом и культурой, разве не естественно задаться вопросом: какие явления неизбежны, а какие, наоборот, являются чистой случайностью? Ни в одной другой области исследований этот вопрос не стоит более актуально, являясь в то же время и более сложным, чем в отношении древнего происхождения жизни. Эволюция от геохимии к биохимии — это характерная особенность землеподобных планет или жизнь редка в космосе?

Надежных данных, подтверждающих ту или иную из этих точек зрения, не так уж и много. Во всей необъятности космоса у нас есть свидетельство только одного живого мира и только одного происхождения жизни. Мы никогда не узнаем точно, является ли жизнь космическим императивом, если не найдем «второго бытия» — второго независимого происхождения жизни. Если найдем, то будем руководствоваться правилом «ноль, один, много». Вкратце это правило гласит, что либо природное явление никогда не происходит (например, обратный ход времени), либо оно случается лишь однажды («сингулярность», как Большой взрыв), либо оно имело место бесчисленное множество раз (возможно, происхождение жизни).

О комбинаторном богатстве землеподобных планет{171}

Размышляя о вероятностях происхождения жизни, вполне естественно представлять себе проведение экспериментов во временны́х и пространственных рамках исследовательской лаборатории. Обычно подготовка к защите диссертации на степень PhD занимает три-четыре года — как и вообще многие исследовательские проекты. Но в широком контексте планет необходимы химические реакции, которые вряд ли можно наблюдать в таких ограниченных масштабах лабораторных экспериментов.

Если мы понимаем происхождение жизни как последовательность химических реакций (а я склоняюсь к химическим реакциям, идущим на поверхностях минералов), тогда мы должны задаться вопросом, сколько таких реакций могло произойти на добиологической Земле. Ответ прямо-таки астрономический. На землеподобных планетах есть тонкозернистые глины, залежи вулканического пепла, зоны выветривания и другие обнажения горных пород с огромной площадью общей поверхности, которая во много миллионов раз больше идеализированной гладкой поверхности сферы планетарного размера. Эти минеральные поверхности создают условия для молекулярных реакций уже сотни миллионов лет.

Для сравнения: отдельные химические реакции в масштабе молекул происходят за секунды. Даже скромного размера планета может соединять и смешивать органические молекулы снова и снова, эффективно пробуя разные химические реакции более триллиона триллионов триллионов триллионов раз.

Ясно, что это значит для изучения происхождения жизни. Эксперименты, требующие точного совпадения условий или необычного идеального совмещения нескольких химически активных молекул, в лабораторных условиях могут не реализоваться никогда, но в планетарных масштабах пространства и времени у них есть шанс оказаться вполне реальными. Если происхождение жизни требует более одной такой невероятной химической реакции, то нам будет сложно когда-либо решить эту проблему.

Но не стоит отчаиваться. У нас есть стратегии увеличения вероятности наблюдения невероятных химических реакций в лабораторных условиях. Мы можем отталкиваться от современной биохимии, фокусируясь на ключевых химических соединениях и продуктах их реакций. Новые подходы в комбинаторной химии в совокупности с вычислительной химией дают надежду на быстрое сужение области поиска. Химическая и физическая интуиция будет также продолжать играть центральную роль в исследовании происхождения жизни. Тем не менее если объяснение происхождения жизни зависит от некоей привередливой реакции, которая происходит на землеподобной планете только раз на триллион триллионов триллионов взаимодействий, тогда подробное понимание химии происхождения может оказаться за пределами текущих лабораторных возможностей — даже если происхождение жизни предопределено для любого теплого влажного мира, похожего на Землю.

Независимо от того, является ли жизнь широко распространенным космическим императивом, — или это уникальный случай, ограниченный Землей, — у нас есть только один богатый и чудесный живой мир, который можно исследовать. Жизнь, основанная на углероде, появилась 4 млрд лет назад, развивая вариацию за вариацией на клеточную тему. И каждая вариация добавляла новые черты динамичному углеродному циклу Земли.

ВАРИАЦИИ — Эволюция жизни (Тема с вариациями)

Тема: Эволюция жизни

Если бы вы смогли вернуться на 4 млрд лет назад, во времена молодой Земли, то обнаружили бы планету, которая совершает свои первые несмелые шаги в качестве живого мира. Если бы вы совершили это путешествие сквозь «глубокое время» и прогулялись по немногим появляющимся участкам суши или поплавали в омывающих весь земной шар океанах, было бы простительно, если бы вы при этом не заметили едва различимые признаки жизни. Немногочисленная популяция самых первых на Земле микроскопических клеток находила себе убежище в темных глубинах океана, цепляясь за камни, в большинстве своем укрытые от беспощадного солнечного излучения.

На ранних стадиях химической эволюции Земли происходили последовательные шаги, ведущие к появлению жизни, пробовалось и отвергалось огромное количество молекулярных структур, пока одна исключительная группа молекул не начала копировать сама себя. С этого момента — по мере того как новые копии заполняли окружающую среду — и двинулась эволюция по дарвиновскому сценарию естественного отбора. В некоторых из этих копий с неизбежностью происходили какие-то изменения: атомы кислорода замещались атомами серы и наоборот; кластеры атомов углерода прикреплялись к основе подобно только что отросшим ветвям и кольцам; другие спонтанные вариации преобразовывали конфигурации атомов, их изгибы, спирали и петли. Большинство этих случайных изменений не оказывали особого влияния, другие же становились смертельными — буквально исполнялся дохлый номер. Но время от времени какая-нибудь молекулярная вариация срабатывала получше, способствуя более эффективному копированию или появлению цикла молекул, менее подверженных деградации, или же возникала молекула, способная «выживать» в более экстремальных условиях температуры или кислотности.

Основная тема — это эволюция, она осуществлялась посредством мощного процесса естественного отбора. Как понял Чарльз Дарвин более полутора веков назад, живые системы эволюционируют в силу трех неотъемлемых атрибутов, или признаков, жизни, которые мы все наблюдаем каждый день{172}. Первое дарвиновское положение заключается в том, что индивидуумы каждого вида представляют собой отдельные вариации: нет двух абсолютно одинаковых дубов, или грибов, или человек. Сейчас мы знаем, что эти вариации не ограничиваются внешними размерами и формами больших и малых существ, они простираются вплоть до фундаментальных различий в тысячах белков — основных молекул жизни.

Второй атрибут всех жизненных форм Дарвин увидел в том, что всегда рождается больше особей, чем в конечном счете становится взрослыми. Это истина, хорошо иллюстрируемая расточительным образованием желудей каждую осень и пыльцы каждую весну, навсегда запечатлелась в моем мозгу во время памятного занятия «Покажи и расскажи»[46] в третьем классе. Дело происходило в начальной школе Гарнетта в Фэрвью-парк, штат Огайо. Я обычно приносил с собой в школу странные окаменелости или минералы, подобранные в ближайшем парке Роки-ривер, но в этот раз нашел удивительный кокон, прилипший к ветке. Занятие «Покажи и расскажи» было ближе к полудню, так что я положил ветку с коконом в парту с откидывающейся крышкой и забыл о нем.

Когда я открыл крышку пару часов спустя, мне вначале показалось, что на мои книги пролилась какая-то темная жидкость. Присмотревшись, я обнаружил тьмы и тьмы крошечных ползающих младенцев-богомолов. Они были везде — суетящейся коричневой массой на моих книгах, карандашах и несъедобном теперь ланче. Увидев дневной свет, они поползли вверх, перелезая через металлические края парты и падая на пол и на штанину моих брюк. Я закричал. Тогда остальные подбежали посмотреть и тоже начали кричать; вскоре в классной комнате царил полнейший хаос. Нам на помощь пришел храбрый сторож с мощным пылесосом, но потребовалось некоторое время, чтобы класс успокоился. (Успокоившись, все единогласно заявили, что это было «самое лучшее “Покажи и расскажи”».) В любом случае нам довелось увидеть потрясающую иллюстрацию второго положения Дарвина: особей рождается больше, чем может выжить.

[45] Эти две фразы в цитате приведены в переводе с англ. М. Вартбурга и Ю. А. Данилова соответственно. — Прим. ред.

[46] Упражнение для развития речевых навыков у младших школьников. — Прим. пер.