Во-первых, скорее всего, оно и исчезало миллионы раз. Во-вторых, первыми могли быть не пептиды, а молекулы РНК – они могут быть и катализаторами (пусть и менее эффективными, чем наши с вами «продвинутые» белки), и самореплицироваться, передавая информацию (теперь уже наследственную). Так и представляешь себе Создателя, терпеливо ожидающего, когда же наконец в этом бульоне возникнет что-то стоящее…
Между прочим, присутствие в живых клетках только одного из двух стереоизомеров аминокислот5 и только одного из двух стереоизомеров углеводов позволяет предположить, что такая ограниченная чем-то вроде мембраны счастливая капля могла и в самом деле быть одна – или очень немного. Кроме того, в реакциях синтеза оптических изомеров их соотношение не всегда равно 1:1, а L- и D-стереоизомеры могут ускорять синтез самих себя, но не друг друга. Наконец, присутствие L-аминокислот отчасти стимулирует синтез в растворе D-углеводов. Генетический код, который связывает последовательность нуклеотидов РНК (и ДНК) и последовательность аминокислот в белках тоже на этой планете у всех один, что было бы маловероятно, будь таких первых клеток очень много. Впрочем, нельзя исключить, что их все же было много, но выжили потомки только одной, а всех остальных они попросту съели. Было ли важно, что в нас будут L-аминокислоты и D-углеводы, или могло быть и наоборот – еще один вопрос, на который у меня нет ответа.
…Вот сюжет для романа: в далекой-далекой галактике тоже возникла жизнь, но там в клетках D-аминокислоты и L-углеводы. Космический корабль, встреча с инопланетянами (они пусть будут тоже Homo sapiens), прекрасная пилот/принцесса/аспирантка с чужой планеты… А молекулы оптически несовместимы. Добавьте старейшин-ретроградов с обеих сторон, и блокбастер готов…
Наследственность по меньшей мере такое же необходимое для жизни явление, как и белки-ферменты. Без нее (и без изменчивости) жизнь на Земле так и осталась бы мимолетной пеной на поверхности океана. Но как только наследственность и изменчивость соединились в одно время и в одном месте, жизнь начала развиваться6. Конечно, было бы очень интересно спросить Создателя, дожидался ли Он, пока это произошло само собой или каким-то неуловимым образом вмешался, – но в этой жизни такая возможность вряд ли представится.
Сделаем все же необходимое отступление, чтобы кратко обсудить научно-богословскую проблему, связанную с возникновением жизни и всего того, что предшествовало ее появлению на нашей планете. С теологической точки зрения было бы гораздо проще и удобнее полагать, что Создатель непосредственно вмешался в события и в первичном бульоне минимальный набор нужных молекул появился в нужный момент – так, что не надо было ждать слишком долго, пока он возникнет сам собой. Ведь как ни крути, вероятность того, что это произойдет без специального творческого вмешательства Бога довольно мала: молекул нужно много, они должны исполнять разные функции (даже с учетом того, что и ферментативную, и информационную функции на первых порах могла выполнять РНК).
Но малая вероятность отнюдь не означает полной невероятности, да и времени от появления жидкой воды до образования в ней жизни прошло несколько сот миллионов лет (если не целый миллиард!) – и это нам ждать так долго было бы невыносимо, но не Богу, у которого, как известно, один день как тысяча лет и тысяча лет как один день. Одним словом, вариант развития, при котором Создатель «просто подождал», когда в первичном бульоне возникнет несколько клеток, способных выжить и развиваться, с богословской точки зрения вполне приемлем. С научной же точки зрения…
Чем дальше ученые исследуют эту проблему, тем более правдоподобной выглядит эта картина. Некоторая тайна в появлении первой клетки все же присутствует, но мы в любом случае не найдем объективного свидетельства, что «вот в этот момент Бог подтолкнул события»; по мере исследований тайна будет уходить от нас все глубже, картина будет все яснее, а Бог (по моему субъективному мнению) не склонен оставлять на Своих творениях «подпись автора».
С этим еще следует соотнести тот факт, что Бог наделил материю некоторой способностью к самоорганизации, по крайней мере, в условиях достаточного притока энергии (как поток солнечной энергии на Земле). Это, в частности, означает, что появление жизни было предопределено условиями на Земле – и при этом не обязательно было предопределено, где, как и какая жизнь возникнет (см. казус со стереоизомерами). Принципиально ли, что триплет AUC в РНК будет кодировать аминокислоту изолейцин, а триплет AUG станет старт-кодоном? Может быть, можно было положиться на волю случая, лишь бы вся система работала удовлетворительно?7 Попросту говоря, post factum мы можем полагать, что способность организмов к самовоспроизведению для сотворения жизни была, несомненно, важна, а химические подробности важны не были – лишь бы они, при всей маловероятности, в конце концов, возникли. Субъективно же говоря, наблюдать не полностью предопределенное развитие гораздо интереснее, хотя данное утверждение, конечно, беспардонный антропоморфизм…
При наличии воспроизводящихся молекул, системы синтеза белков и минимальных приспособлений для обеспечения всего этого энергией для дальнейшего развития всего разнообразия жизни нужен, пожалуй, лишь еще один ингредиент: конкуренция и вызванный ею естественный отбор.
в. Отбор и эволюция
Пока в океане хватает небольших органических молекул, чтобы служить источником энергии для всех, все и выживают. Как только ресурсы становятся ограниченными, выживать будут не все – кто-то с большей вероятностью, кто-то – с меньшей. Если все клетки одинаковы – вероятность выживания или гибели для всех будет равной. Если они не одинаковы – разной. Вот, собственно, и все.
После Чарльза Дарвина эта идея кажется почти банальностью, даже странно, что до Дарвина никто толком не сумел это объяснить (при всем почтении к предшественникам Дарвина от его собственного деда Эразма до Мальтуса и других). Изменчивость – крупные и мелкие неточности в передаче наследственной информации – обеспечивает живым организмам разнообразие наличных вариантов, выжившие передают эти изменения следующему поколению.
Кстати, чем более ограничены соответствующие ресурсы, тем жестче идет этот отбор (и наоборот). Не будет лишним заметить, что до тех пор, пока речь идет о прокариотах, почти лишенных полового размножения (почти, но не совсем), вместо него работает горизонтальный перенос генов (своего рода «сетевой» обмен фрагментами ДНК между отдельными клетками) – однако это замечание не меняет сути дела. Организмы усложняются и становятся все более разнообразными. Я бы сгорал от любопытства, будь у меня возможность наблюдать этот процесс…
Очень интересен вопрос о том, почему эти организмы развиваются в сторону усложнения и диверсификации. Когда подобные вещи пытаются создать люди, чаще получается упрощение и унификация… Здесь можно думать о повышении надежности того, как передаются и воспроизводятся гены (довольно эгоистичные сущности, тут Докинз определенно прав8) и как обеспечивается энергией этот процесс. Кроме того, в какой-то момент диверсификация клеток и истощение ресурсов неизбежно должны были привести к тому, что все эти организмы начали взаимодействовать между собой и возникло то, что мы сегодня называем экосистемой.
Все когда-нибудь заканчивается. Планета остывала, небиологический синтез органических соединений сокращался, и этот источник энергии был близок к исчерпанию. Бактерии не стали ходить на демонстрации с лозунгами «Остановим остывание планеты» и требовать от Создателя ее дальнейшего разогрева. Некоторые из них вместо этого попытались воспользоваться альтернативными источниками энергии, и, если бы не это, жизнь вполне могла погибнуть. Кстати, совершенно не исключено, что такое могло происходить на очень и очень многих планетах в зоне обитаемости, и сейчас они безжизненны.
г. Постоянство и изменчивость
Прокариотные организмы – бактерии, археи и цианобактерии – размножались делением. При таком способе размножения материнская клетка делится на две новых клетки, а сама исчезает. Теоретически можно представить и другие варианты, например деление на четыре (впоследствии востребованное у более сложных организмов) или, скажем, на три (на нашей планете не использованное). Но делиться пополам все же несравненно проще. Значение, однако, имеет не то, сколько потомков оказывается у каждой клетки – в этом отношении деление бактерий пополам достаточно эффективно. Важно, что при этом происходит с наследственной информацией, которая определяет свойства синтезируемых клеткой белков и порядок их синтеза (последнее не менее значимо).
Вероятно, здесь кроется одна из причин замены РНК в качестве носителя такой информации на ДНК. ДНК состоит из двух комплементарных нитей, каждая из которых может служить матрицей для синтеза новой нити, так что при копировании ДНК (репликации) получаются две идентичные молекулы. Выдайте их по одной дочерним клеткам, и они будут идентичны материнской – и друг другу.
Механизм репликации ДНК довольно надежен (может быть, он был таким не с самого начала). Но, во-первых, в природе не бывает абсолютной надежности, а во-вторых, зачем вам экосистема, состоящая из бесчисленного множества одинаковых существ? Такая экосистема попросту не может быть устойчивой.
При делении прокариотные клетки передают каждому из двух потомков по одной копии собственной ДНК (она у них замкнута в кольцо). Но при ее репликации время от времени, и даже довольно часто, возникают неточности. Вдобавок сама ДНК немного повреждается под воздействием внешних (и внутренних, особенно у более сложных организмов) факторов. Случайно пролетевшая через клетку α-частица повреждает нить ДНК, и находившийся в этом месте элемент кода заменяется новым – не всегда тем же самым… Между прочим, более сложные организмы, о которых речь пойдет дальше, вынуждены задействовать специальные механизмы для исправления подобного рода поломок (хотя бы частичного). Присутствие в окружающей среде тех или иных химических веществ тоже может служить причиной неточностей при репликации ДНК. Ну и, конечно, случайности тоже имеют место. В результате следующее поколение почти идентично предыдущему – почти, но не совсем. И это генетическое разнообразие совершенно необходимо для выживания и эволюции организмов.
Для верующих людей велик соблазн думать, что за эволюционными случайностями скрывается рука Создателя. Я не возьмусь утверждать, что это однозначно не так, но свидетельства в пользу этой версии только косвенные и не слишком убедительные. Да, конечно, многие мутации (изменения в ДНК, передающиеся новым поколениям) появляются подозрительно вовремя, особенно если требуется много изменений одновременно. Но это не дает нам достаточных оснований считать случай инструментом (и псевдонимом) Создателя. Бритва Оккама побуждает избегать подобных спекуляций; к тому же, я полагаю, что принципиально важно было, получится ли в результате эволюции жизни существо, пригодное стать подлинными «руками Создателя» в этом мире, а не то, как именно это получится и даже, дерзну предположить, что это будет за зверь.
д. Надо же чем-то питаться: фотосинтез
Для энергетического обмена (такого, каким он «оказался» на нашей планете) нужны электроны, много электронов. Их можно взять в самых разных местах. Так, некоторые бактерии пользуются сероводородом: берут ион S
2-
2+
3+
Некоторые бактерии обратились к практически неисчерпаемому ресурсу – воде. Они обзавелись весьма своеобразными окрашенными молекулами, пигментами9 (самый известный из них – хлорофилл), которые улавливают фотоны и за счет их энергии становятся сильными окислителями (алчными отнимателями электронов, если говорить на человеческом языке). Эти молекулы один за другим отнимают электроны у целой группы ионов, заряжая эту группу постепенно, как зубец за зубцом взводится пружина арбалета. В конце концов эта группа ионов отнимает электроны у мирно проплывавшей мимо молекулы воды, превращая ее (помимо отнятых электронов) в два иона водорода Н
+
2
2
4
Для нашего рассказа важны две вещи. Во-первых, вся эта процедура, называемая фотосинтезом, способна создавать несущие энергию молекулы углеводов за счет энергии Солнца. Не важно, что ее КПД не слишком высок, – важно, что это дает жизни на Земле источник органических молекул взамен давно съеденных абиогенных веществ из раннего периода развития жизни. И этот ресурс ограничен, строго говоря, только притоком солнечной энергии (сегодняшняя биосфера, включая нас самих, использует лишь ее малую часть, а вот если мы построим так называемую сферу Дайсона…). В человекоразмерных временных масштабах можно считать этот источник энергии неисчерпаемым. Слава Богу.
Заметим, что механизм фотосинтеза чрезвычайно сложен. Он требует множества белков (и генов для них), а кроме белков – гемоподобные структуры, среди которых хлорофилл далеко не одинок, и систему транспорта электронов, и биохимические циклы связывания углерода, и многое другое. Как все это эволюционировало, тем более что по отдельности компоненты этой системы могли быть совершенно нефункциональны, – загадка, настолько интересная, что так и хочется заподозрить Создателя в целенаправленном вмешательстве и здесь тоже. Однако загадка – еще не тайна, и существуют определенные догадки, как это могло произойти.
Побочный продукт фотосинтеза – кислород – попадает в атмосферу. Для современных первым фотосинтезирующим бактериям клеток это был ужас и кошмар, названный впоследствии кислородной катастрофой. Для подавляющего большинства существовавших тогда, около 2—2,5 млрд лет назад, бактерий10 кислород был смертельным ядом. Почти все они – по приблизительной оценке порядка 90% видов – вымерли. Если бы у протерозойских бактерий была ООН, они, конечно, проводили бы бесконечные конференции о противодействии кислородной катастрофе и требовали бы от цианобактерий прекратить выбросы кислорода в атмосферу. Но ООН у них по объективным причинам не было, так что они тихо окислились и стали пищей для выживших. Мы являемся потомками победителей в этой эволюционно-экологической драме, так что – слава Богу.
Накопление кислорода в атмосфере привело к масштабным изменениям ее состава. Метан окислился до углекислого газа, аммиак – до азота (70% сегодняшней атмосферы), сероводород (не съеденный более древними серобактериями) – до оксидов серы. Тогдашние дожди были весьма и весьма кислыми из-за этих оксидов… Постепенно кислорода становилось все больше, и когда все, что могло окислиться в атмосфере, окислилось, кислород стал в этой атмосфере накапливаться, а где-то в промежутке между 2 и 1 млрд лет назад сформировался и озоновый экран, защищающий нас от вредных компонентов солнечного излучения.
Изменения состава атмосферы сказывались и в изменениях климата: в протерозойскую эру не раз наступали эпохи оледенения (в том числе, возможно, глобального, когда вся поверхность океана покрывалась льдом).
В результате описанных трансформаций на Земле появились вместе источник питания (фотосинтез) и кислород, необходимый для клеточного дыхания. Не менее важно, что атмосфера пополнилась углекислым газом. Цианобактерии синтезировали из него органические вещества, а все остальные (сами цианобактерии – тоже) медленно окисляли эти вещества атмосферным кислородом (снова до углекислого газа) и использовали энергию для обеспечения своей жизнедеятельности. Так возник круговорот углерода, а вместе с ним и других элементов (в первую очередь азота и фосфора). Круговорот же, в свою очередь, предполагает наличие пищевой цепи, сначала короткой, а потом все более сложной и длинной. Теперь постоянный приток энергии от Солнца заставлял всю эту химическую машину двигаться, а составляющие ее организмы получили новую возможность усложняться и диверсифицироваться.