Так или иначе, но для моей иллюстрации возможного решения нашей проблемы, я выбрал не теорию органического первобытного бульона. Я выбирал её в моей первой книге, «Эгоистичном гене», а здесь я подумал, что можно прозондировать почву для несколько менее фешенебельной теории (хотя она недавно стала подтверждаться), которая, как мне кажется, имеет по крайней мере шанс быть правильной. Она симпатично смела и демонстрирует свойства, которыми должна обладать всякая удовлетворительная теория происхождения жизни. Это «неорганическая минеральная теория» химика из Глазго Грэма Кэрнс-Смита, которая впервые была предложена 20 лет назад и за прошедшее время развита и углублена в трёх книгах, последняя из которых, «Семь улик происхождения жизни», рассматривает происхождение жизни как тайну, достойную расследования Шерлока Холмса.
По мнению Кэрнса-Смита, машины синтеза белка по ДНК появились относительно недавно, возможно, три миллиарда лет назад. До этого имели место многие поколения нарастающего отбора, основанного на некоторых весьма отличных реплицирующихся сущностях. Но однажды среди них появилась ДНК и доказала, что она настолько более эффективный репликатор и настолько мощнее влияет на вероятность собственной репликации, что изначальная, породившая ДНК система репликации была отброшена и забыта. Согласно этой точке зрения, современные ДНК-машины, являются более поздними, более современными захватчиками роли фундаментального репликатора, принявшими эту роль от раннего и более примитивного репликатора; возможно даже, что таких захватов был целый ряд, но изначальный процесс репликации, был, надо полагать, был достаточно прост, чтобы возникнуть посредством того, что я обозначил «одношаговым отбором».
Химики подразделяют предмет химии на два главных течения: органическую и неорганическую химию. Органическая химия — химия одного конкретного элемента — углерода. Неорганическая химия — химия всего остального.[13] Из-за своей важности, углерод заслуживает своей личной ветви химии — частично потому, потому что вся химия жизни — химия углерода, а частично потому, что особые свойства углерода, делающие его подходящим для построения жизни, делают его подходящим для многих промышленных применений, таких, как производство пластмасс. Отличительная особенность атомов углерода, делающая его настолько подходящими и для жизни, и для промышленного синтеза, состоит в том, что они способны соединятся вместе, формируя безграничный репертуар разнообразных видов очень больших молекул. Другой элемент, который обладает некоторыми из вышеперечисленных свойств, это кремний. Хотя химия современной земной жизни — это целиком химия углерода, это не обязательно верно для всей Вселенной, и это, возможно, не всегда было верно на нашей Земле. Кэрнс-Смит полагает, что первоначальная жизнь на нашей планете была основана на самокопирующихся неорганических кристаллах типа силикатов. Если это так, то органические репликаторы и, в конечном счете, ДНК, позже приняли или захватили эту роль.
Он приводит некоторые аргументы в пользу общего правдоподобия идеи «вступления в должность». Например, арка из камней — устойчивая структура, способная стоять много лет — даже если нет скрепляющего её цемента. Построение сложной структуры путём эволюции, подобно попытке построить арку без цемента, если вам позволено оперировать только одним камнем за раз. На первый поверхностный взгляд это невыполнимо. Арка станет устойчивой только тогда, когда последний камень установлен на место, но промежуточные стадии неустойчивы. Однако довольно легко построить арку, если вам позволительно не только добавлять камни, но и изымать их. Построив вначале твёрдую кучу камней, можно затем построить арку, опирающуюся на вершину этой твёрдой основы. Затем, когда все камни арки на своих местах, включая жизненно важный краеугольный камень сверху, осторожно удалим поддерживающие камни, и, при наличии капельки везения, арка останется стоять. Стоунхендж непостижим, пока мы не поймём, что строители использовали какие-то подмосты или, возможно, земляные скаты, которых там больше нет. Мы можем видеть только конечный продукт и должны заключить былое наличие исчезнувших подмостков. То же самое можно сказать про систему ДНК — белок; это как два столба устойчивой и изящной арки, которая существует только потому, что все её части существуют одновременно. Трудно представить себе возникновение её каким-либо постепенным процессом, кроме как посредством древних подмостков, которые ныне полностью исчезли. Надо полагать, что эти подмостки были сами построены более ранней формой нарастающего отбора, природу которого мы можем только предполагать. Но он непременно был основан на реплицирующихся сущностью, обладающих властью над своим будущим.
Кэрнс-Смит предполагает, что изначальными репликаторами были кристаллы неорганических материалов, типа тех, что встречаются в глинах и грязях. Кристалл — это лишь большое упорядоченное множество атомов или молекул твёрдого тела. Благодаря своим свойствам, которые мы можем метафорически полагать их «формой», атомы и маленькие молекулы все вместе склонны сами собой упаковываться в фиксированной и упорядоченной манере. Как будто они «хотят» соединиться друг с другом определённым образом, но эта иллюзия — только побочное следствие их свойств. «Предпочитаемый» ими способ самосборки формирует весь кристалл. Это также означает, что даже в большом кристалле (типа алмаза), любая часть кристалла точно повторяет другую его часть, кроме мест, где имеются дефекты кристаллической решётки. Если бы мы могли уменьшится до атомных масштабов, то мы бы видели почти бесконечные ряды атомов, простирающихся к горизонту по прямым линиям — галереи геометрического орнамента.
Раз уж мы интересуемся репликацией, то прежде всего хотим знать, могут ли кристаллы копировать свою структуру? Кристаллы состоят из несметного количества слоёв атомов (или их эквивалентов), и каждый слой построен на низлежащем слое. Атомы (или ионы; различие для нас не имеет значения) свободно плавают в окружающем растворе, но если они случайно сталкиваются с кристаллом, то по своей природе склонны вставать в определённую позицию на поверхности кристалла. Раствор поваренной соли содержит ионы натрия и хлора, расположенные в нём более или менее хаотично. Кристалл поваренной соли — это упакованный упорядоченный массив ионов натрия и хлора, чередующихся друг с другом под прямыми углами друг к другу. Когда плавающие в воде ионы случайно наталкиваются на твёрдую поверхность кристалла, они склонны прикрепляться к нему. И они прикрепляются в только правильные места, такие, чтобы новый слой добавился к кристаллу точно так же, как и низлежащий слой. Итак, как только кристалл начинает расти, то каждый его слой в точности повторяет такой же слой ниже.
Иногда кристаллы начинают формироваться в растворе спонтанно, иногда — им требуется «затравка» — либо частицы пыли, либо или маленькие кристаллики, вброшенные в раствор снаружи. Кэрнс-Смит приглашает нас проделать следующий эксперимент: растворите большое количество гипосульфита (используемого в фотографии в качестве фиксажа) в очень горячей воде. Затем осторожно остудите раствор, оберегая его от попадания пыли. Раствор теперь «перенасыщен», готов и ждёт образования кристаллов, но нет затравочных кристаллов, без которых процесс не начинается. Цитирую Кэрнс-Смита по «Семь улик происхождения жизни»:
Осторожно снимите крышку с мензурки и бросьте одну крупинку кристалла гипосульфита на поверхность раствора. Не правда ли, изумительно? Ваш кристалл на глазах растёт; время от времени он раскалывается, и эти части тоже растут …, скоро вся ваша мензурка будет переполнена кристаллами длиной в несколько сантиметров. Через нескольких минут всё это остановится. Волшебный раствор потерял свою власть — хотя, если вы хотите исполнить номер на бис, нужно лишь заново нагреть и заново охладить мензурку …, перенасыщенность означает, что растворено больше, чем должно быть … холодный, перенасыщенный раствор почти буквально не знал, что делать. Ему потребовалось «подсказать» — путём добавки части кристалла, в котором уже были его блоки (миллиарды и миллиарды их), упакованные вместе так, как характерно для кристаллов гипосульфита. Раствор должен быть «осеменён».
Некоторые химические вещества способны кристаллизоваться в нескольких альтернативных манерах. Например, и графит, и алмаз являются кристаллами чистого углерода. Их атомы идентичны. Эти два вещества отличаются друг от друга только геометрической структурой, в которую эти атомы упакованы. В алмазе атомы углерода упакованы в структуру тетраэдра, которая чрезвычайно устойчива. Вот потому-то алмаз настолько твёрд. В графите атомы углерода организованы в плоские шестиугольники, наслоенные друг на друга. Связь между слоями слаба, и поэтому они скользят друг по другу — именно поэтому графит ощущается скользким и используется как смазка. К сожалению вам не удастся выкристаллизовать алмазы из раствора с помощью затравки — как это получается с гипосульфитом. Если б вы это могли, то вы были бы богачом; впрочем, нет — ведь любой дурак мог бы проделать то же самое.
Некоторые химические вещества способны кристаллизоваться в нескольких альтернативных манерах. Например, и графит, и алмаз являются кристаллами чистого углерода. Их атомы идентичны. Эти два вещества отличаются друг от друга только геометрической структурой, в которую эти атомы упакованы. В алмазе атомы углерода упакованы в структуру тетраэдра, которая чрезвычайно устойчива. Вот потому-то алмаз настолько твёрд. В графите атомы углерода организованы в плоские шестиугольники, наслоенные друг на друга. Связь между слоями слаба, и поэтому они скользят друг по другу — именно поэтому графит ощущается скользким и используется как смазка. К сожалению вам не удастся выкристаллизовать алмазы из раствора с помощью затравки — как это получается с гипосульфитом. Если б вы это могли, то вы были бы богачом; впрочем, нет — ведь любой дурак мог бы проделать то же самое.
Теперь предположим, что у нас есть перенасыщенный раствор некоего вещества, которое бы, как гипосульфит — стремилось бы выкристаллизоваться из раствора, и как углерод — было бы способно кристаллизоваться в одном из двух стилей. Первый стиль мог бы быть как-то подобен графиту — с атомами, упорядоченными послойно, порождающими небольшие плоские кристаллы; другой же стиль порождает толстые, алмазоподобные кристаллы. Пусть мы одновременно поместим в наш перенасыщенный раствор две крошечные затравки — плоский и толстый кристалл. Мы можем характеризовать происходящие события так же, как это сделано в описании эксперимента Кэрнс-Смита с гипосульфитом. Вы с изумлением наблюдаете то, что происходит. Эти два кристалла растут на глазах: они время от времени раскалываются, и их обломки тоже растут. Плоские затравки порождают популяцию плоских кристаллов; толстые — толстых. Если один тип кристаллов склонен расти и раскалываться быстрее другого, то будет иметь место простейший естественный отбор. Но для порождения эволюционных изменений на сцене действия недостаёт жизненно важного компонента. Этот компонент — наследственные вариации или что-то им эквивалентное. Вместо только двух типов кристаллов, должен наличествовать целый диапазон более мелких вариантов, формирующих наследственные линии подобной формы, которые иногда «мутируют», продуцируя новые формы. Имеют ли настоящие кристаллы что-нибудь соответствующее наследственной мутации?
Глина, ил и камни состоят из крошечных кристаллов. Они обильны на Земле и, вероятно, существовали всегда. Если вы посмотрите на поверхность некоторых видов глины и других полезных ископаемых в растровый электронный микроскоп, то вы увидите удивительный и красивый мир. Кристаллы растут как ряды цветов или кактусов, сады неорганических лепестков роз, крошечные спирали — подобные поперечным срезам сочных кактусов, ощетинившиеся органные трубы, сложные угловые формы, сложенные как в миниатюрном кристаллическом оригами, свёрнутые наросты, подобные мечущимся червям или выжатой зубной пасте. Упорядоченность форм станет даже поразительнее на большем увеличении. На тех уровнях, где уже заметно фактическое положение атомов, можно увидеть, что вся поверхность кристалла, с регулярностью ткацкой машины «разрисована ёлочкой», как твидовая ткань. Но в этом рисунке присутствует жизненно-важный элемент — дефекты. Посреди упорядоченного рисунка «ёлочкой» может быть заплата, идентичная остальному рисунку, но повёрнутая вокруг оси под каким-то углом так, чтобы узор пошёл другом направлении. Или узор может идти в том же самом направлении, но каждый ряд «соскальзывает» на полряда в сторону. Почти все естественные кристаллы имеют дефекты. И как только дефект появился, он скорее всего будет скопирован, так как последующие слои кристалла строятся по образцу данного. Дефекты могут случаться где угодно на поверхности кристалла. Если вам нравится размышлять о ёмкости для хранения информации (что нравится мне), то вы могли бы представить себе огромное множество различного вида дефектов, которые можно создавать на поверхности кристалла. Вычисления насчёт упаковки Нового Завета в ДНК единственной бактерии могут быть столь же выразительно проделаны и в отношении почти любого кристалла. Чем ДНК превосходит естественные кристаллы — так это наличием средств чтения записанной на ней информации. Абстрагируясь от проблемы считывания, вы можете легко изобрести произвольный код, использующий дефекты атомной структуры кристалла и обозначающий двоичные числа. Тогда вы бы смогли упаковать несколько Новых Заветов в минеральный кристалл размером с булавочную головку. В сущности, именно так музыкальная информация записывается на поверхность лазерного (компакт-) диска, хотя и в большем масштабе. Музыкальные ноты преобразованы компьютером в двоичные числа. С помощью лазера на гладкой и ровной поверхности диска выгравировывается набор крошечных дефектов. Каждая такая выгравированная маленькая дырочка обозначает двоичную 1 (или 0 — это непринципиально). Когда диск проигрывается, то другой лазерный луч «читает» набор дефектов, и специализированный компьютер проигрывателя конвертирует двоичные числа снова в звуковые колебания, которые усиливаются, и их можно слышать.
Хотя сегодня лазерные диски используются главным образом для хранения музыки, вы могли бы упаковывать на один из них всю Британскую энциклопедию и читать её, используя ту же самую лазерную технику. Кристаллические дефекты на атомном уровне гораздо мельче ямок, выгравированных на поверхности лазерного диска, поэтому на кристалл можно в принципе упаковать больше информации на ту же площадь. Молекулы ДНК, чья информационная ёмкость уже произвела на нас впечатление, сами по себе в чём-то подобны кристаллам. Хотя кристаллы глины могли бы теоретически хранить те же самые потрясающие объёмы информации, что и ДНК или лазерные диски, но никто предполагает, что они когда-либо использовались для этого. Предполагаемая роль глины и других минеральных кристаллов состоит в их активности как изначальных «низкотехнологичных» репликаторов, тех самых, которые в конечном счёте были заменены высокотехнологичными ДНК. Они спонтанно формируются в водах нашей планеты без сложных «машин» в которых нуждается ДНК; они спонтанно формируют дефекты, некоторые из которых могут копироваться в последующих слоях кристалла. Если фрагменты такого «дефектного» кристалла позже отломились, мы могли бы представить их в роли «семян» для новых кристаллов, каждый из которых «унаследовал» бы набор «родительских» дефектов.
Таким образом, мы построили умозрительную картину жизни минеральных кристаллов на изначальной Земле, показав некоторые из их свойств — репликации, размножения, наследственности и мутаций, которые необходимы для начала некоей формы нарастающего отбора. Однако всё ещё отсутствует компонент «власти»: особенности репликаторов должны так или иначе влиять на вероятность их собственного копирования. Когда мы говорили про репликаторы абстрактно, мы видели, что их «власть» могла быть следствием некоего прямо присущего им свойства, такого, как «клейкость». На том элементарном уровне, гордое слово «власть» представляется вряд ли оправданным. Я применяю его только из-за того, что оно может стать оправданным на более поздних стадиях эволюции: например, власть ядовитых змеиных зубов над размножением (посредством косвенного влияния на выживание змеи) ДНК, кодирующей зубы. Мы можем предполагать, что безотносительно к тому, были ли изначальные низкотехнологические репликаторы минеральными кристаллами, или они были органическими прямыми предшественниками самой ДНК, осуществляемая ими «власть», была прямой и элементарной, подобной клейкости. Продвинутые рычаги власти, такие, как ядовитый зуб змеи или цветок орхидеи, появились гораздо позже.
Что понятие «власти» могло бы означать в случае глины? Какие побочные свойства глины могли бы повлиять на вероятность распространения именно этой вариации глины в окружающей местности? Глина состоит из химических строительных блоков, таких, как кремневая кислота и ионы металлов, которые растворены в реках, и были ранее «вымыты» этими потоками из камней, находящихся выше по течению. В соответствующих условиях они кристаллизуются из раствора и снова выпадают в осадок, формируя глины. («Поток» в этом случае будет вероятнее всего означать просачивающиеся подземные воды, а не мчащуюся открытую реку. Но я буду для простоты использовать более общее слово «поток».) Будут или нет расти конкретные разновидности кристаллов глины, зависит, помимо прочего, от скорости и структуры течения потока. Но и отложения глины также могут влиять на течение потока. Они делают это непреднамеренно, изменяя уровень, форму и структуру подстилающей поверхности, по которой течёт вода. Рассмотрим вариант глины, у которой оказалось свойство так изменять структуры почвы, что поток ускорится. Следствием этого будет то, что рассматриваемая глина будет снова смыта. Этот вид глины, по определению, не очень «успешен». Другой неуспешной глиной была бы такая, которая изменила бы поток таким образом, что был бы одобрен конкурирующий вариант глины.