Читать онлайн Код жизни. Как случайность стала биологией

Мы только сегодня ее нашли!

Это самый настоящий, живой детеныш – живее некуда![1]

Льюис Кэрролл «Алиса в Зазеркалье»

Повседневная жизнь приучила нас к тому, что направление психологической «оси времени» позволяет нам оценивать, изучать, обдумывать и вспоминать события прошлого. Так же ясно мы осознаем, что нельзя помнить будущее. Мы изо всех сил стараемся делать прогнозы, рассуждать о них, представлять себе будущее силой воображения. Как изящно сформулировал поэт Халиль Джебран: «Потому что жизнь идет не назад и не дожидается Вчера»[2].

Есть некий парадокс в том, что, если речь заходит о феномене биологической жизни на Земле, мы прекрасно знаем, как Природа-Мать в конце концов, в далеком будущем, искоренит ее, но так и не выяснили, как именно она зародилась. Естественное уничтожение жизни в привычном нам виде (то есть не вызванное самоубийственными действиями нынешнего доминирующего вида) произойдет в результате относительно изученных и предсказуемых астрофизических и атмосферных процессов (если не произойдет непредсказуемых космических катастроф вроде падения астероида или близкого гамма-всплеска, который приведет к нашей безвременной гибели).

Например, мы знаем, что примерно через пять миллиардов лет, когда наше Солнце раздуется до немыслимых размеров и превратится в красный гигант, Земля сгорит и, возможно, будет поглощена расширяющейся солнечной оболочкой. Сложная многоклеточная жизнь вымрет значительно раньше, примерно через миллиард лет, поскольку биосфера Земли все это время будет чахнуть из-за повышения температуры на поздних стадиях эволюции Солнца.

С другой стороны, само происхождение жизни до сих пор окутано завесой тайны. Хотя в понимании строительного материала биологии достигнут колоссальный прогресс, мы до сих пор не знаем, что именно привело к спонтанному возникновению жизни и как так вышло, что внезапно появились самые первые клетки. Как остроумно заметил британский химик Джон Сазерленд: все, что можно сказать о судьбоносном моменте, когда химия породила биологию, можно было бы написать берлинской лазурью, содержащей цианидные группы, поскольку цианид, как мы увидим, сыграл важнейшую роль в возникновении жизни.

С тайной происхождения жизни тесно связан другой вопрос, который занимал человечество по крайней мере со времен древнегреческих пифагорейцев: одиноки ли мы во вселенной? Или же, если переформулировать его более современно и практично: так ли густо населена наша Галактика, как убеждают нас всевозможные научно-фантастические произведения? Иначе говоря, нам хочется узнать, удастся ли человечеству почувствовать себя не таким одиноким за время своего краткого пребывания в галактике Млечный Путь.

Поскольку один из нас – астрофизик, а другой – химик и биолог, мы оба интересовались этими космическими загадками на протяжении всей научной карьеры. Да, данные вопросы занимали нас, но довольно долго мы довольствовались лишь праздными умозаключениями, поскольку до самого последнего времени считалось, что к ответам мы в принципе не сможем даже приблизиться на протяжении своей жизни, а иногда их и вовсе считали псевдонаучными или относили к категории «слишком сложных».

В последние тридцать лет ситуация резко изменилась. Попытки ответить именно на эти вопросы – как зародилась жизнь на Земле и одиноки ли мы в галактике Млечный Путь – стали предметом самых оживленных, динамичных и передовых научных исследований.

Примечательно, что ответы на них строятся на третьем вопросе, сформулировать который относительно просто. Определен он очень четко, а получить ответ вполне возможно (по крайней мере в принципе): какова вероятность зарождения жизни на поверхности потенциально обитаемой планеты?

Этим вопросом занимались две совершенно разные и во многом независимые научные дисциплины. Во-первых, это современные лабораторные исследования, цель которых – определить, возможно ли возникновение биологии из чистой химии. Во-вторых, это астрономия, которая во многом посвящена поискам явных признаков жизни на других планетах и спутниках, как в Солнечной системе, так и вокруг других звезд. Обе дисциплины сегодня вызывают существенный интерес и вдохновляют целые сообщества ученых энтузиастов на упорные исследования. В сущности, поиски жизни на планетах вокруг других звезд, помимо Солнца, называемых экзопланетами, стали сейчас общей целью астрономического сообщества США, и это подчеркивалось в докладе, выпущенном Национальной академией естественных наук, инженерного дела и медицины в ноябре 2021 года. В этих изысканиях принимаем посильное участие и мы, авторы, каждый в своей области.

Одна из главных мыслей нашей книги состоит в том, что изучение происхождения жизни на Земле и поиски жизни вне Земли состоят в теснейших симбиотических отношениях. Успех в одной области подарит самые перспективные данные для другой и даст сильнейший стимул для исследований в ней. Причина очевидна. Если мы сумеем выявить, как жизнь зарождается из химических реакций в лаборатории, значит, велика вероятность, что именно так поступает и Природа, имеющая в распоряжении богатейший арсенал всевозможных сред и практически бесконечный запас времени, причем, возможно, не в одном месте в космосе, а в нескольких, в том числе в нашей родной галактике Млечный Путь. Более того, если бы мы сумели полностью восстановить последовательность событий, процессов и смены условий, которая привела к возникновению жизни на Земле, нам удалось бы гораздо лучше определить, насколько вероятно, чтобы жизнь спонтанно возникла на других планетах и спутниках. Следовательно, все эти находки смогли бы направлять нас в наших поисках внеземной жизни.

С другой стороны, если бы астрономические наблюдения показали, что внеземная жизнь достаточно распространена, это существенно подкрепило бы нас в убеждении, что биохимический путь к созданию жизни точно существует. Это убеждение, в свою очередь, сильно мотивировало бы нас еще упорнее искать правильные первоначальные условия, вещества-предшественники, необходимые источники энергии и ту сеть химических реакций, которые послужили бы предпосылками для возникновения жизни. В более широком смысле всестороннее изучение задач, имеющих отношение как к происхождению жизни, так и к поискам ее вне Земли, дает уникальную возможность развивать самый широкий спектр научных областей и дисциплин – от астрономии и геологии до химии и биологии.

Здесь нужно принять во внимание еще одно важное обстоятельство. Мы знаем, что ко многим сферам и обстоятельствам применим так называемый принцип «ноль-один-бесконечность». То есть либо что-то вообще невозможно, либо это такая редкость, что встречается только в одном экземпляре, либо можно ожидать появления очень большого количества экземпляров. Если будет обнаружена какая-то форма инопланетной жизни, полностью независимая от земной (такое событие называют «Второе происхождение»), то резонно предположить (по принципу «ноль-один-бесконечность»), что примеров жизни во вселенной практически бесконечно много.

В нашей книге рассказана история этих двух увлекательных параллельных научных направлений: цель одного из них – найти путь от неживых химических соединений к живым в лаборатории, цель другого – открыть внеземную жизнь. Ученые, которые ведут эти исследования, постоянно сотрудничают друг с другом, иногда соперничают (кто первым достигнет цели), но неизменно увлечены своим делом, и их открытия дополняют друг друга в стремлении решить загадки, лежащие в основе самой природы человека: откуда мы взялись, почему мы здесь и одиноки ли мы во вселенной. Иначе говоря, пусть наши слова прозвучат излишне пафосно, но все же мы скажем, что конечная цель этих исследований – в буквальном смысле понять, каково наше происхождение и место в этом древнем, огромном, запутанном мироздании.

Что такое жизнь?

Хотя вопросы «Как появилась жизнь?» и «Существует ли внеземная жизнь?» терзают человечество с древнейших времен, на протяжении письменной истории почти все полагали, что ответ на первый вопрос крайне прост: «Ее создал Бог». Более того, вплоть до начала XIX века даже ученые были твердо убеждены, что живые существа наделены каким-то полумистическим витализмом, который отличает их от неодушевленного вещества. А вот второй вопрос тысячелетиями вызывал споры и провоцировал самые безумные спекуляции в попытках доказать или опровергнуть идею «множественности обитаемых миров». К примеру, еще в I веке до н. э. римский поэт-эпикуреец Тит Лукреций Кар писал:

Очевидным переломным моментом в этой теоретической схватке стало появление гелиоцентрической модели Коперника: она не только заставляла совершенно по-новому представить себе место и значимость Земли в мироздании, но и позволяла выстроить реалистичную картину мира, в рамках которой существование других миров, подобных Земле, становилось как минимум представимым. В конце XVI века итальянский монах-доминиканец и философ Джордано Бруно проработал и обобщил идеи Коперника, тогда еще новаторские, и, как известно, заключил, что «в космосе существует бесчисленное множество созвездий, солнц и планет; мы видим только солнца, поскольку они дают свет; планеты остаются невидимыми, так как они малы и темны. Существует также неисчислимое множество земель, вращающихся вокруг своих солнц, не хуже и не меньше нашей сферы»[4]. Пророческое воображение Бруно предвосхищало современную науку и увлекало его еще дальше: «Никакой логический разум не может предположить, что небесные тела, гораздо великолепнее нашего, не могут нести на себе существ, подобных тем, кто обитает на нашей человеческой земле, и даже превосходящих нас». Трагедия в том, что за упорство, с которым Бруно защищал другие неортодоксальные этические и богословские идеи, тогда считавшиеся еретическими, 17 февраля 1600 года его сожгли на костре по приговору инквизиции.

В XVII веке о множественности миров заговорили и другие мыслители. Выдающиеся ученые, в том числе астрономы Иоганн Кеплер и Христиан Гюйгенс, а также другие влиятельные интеллектуалы, например французский ученый и писатель Бернар ле Бовье де Фонтенель, открыто отстаивали существование внеземной жизни. Когда Галилео Галилей открыл четыре спутника Юпитера, Кеплер сразу же заключил: «Вывод очевиден. Наша Луна существует для нас, жителей Земли, а не для других небесных тел. Эти четыре маленькие луны существуют для Юпитера, а не для нас. Каждой планете с ее обитателями служат ее собственные спутники. Следуя таким логическим рассуждениям, мы заключаем, что Юпитер с высокой вероятностью обитаем». Сам Галилей, с другой стороны, довольно агностически относился к множественности миров и был осторожен в высказываниях: «Я со своей стороны не утверждаю, что жизнь на иных планетах существует, но и не отрицаю этого, предоставляя решать тем, кто мудрее меня».

Одновременно с голосами, отстаивающими множественность обитаемых миров, звучали и не менее громкие голоса, отрицавшие существование внеземной жизни. Возражения строились главным образом на том, что сама идея существования обитателей иных планет была чревата неприятными последствиями для некоторых доктрин католической церкви. Отрицатели указывали на всякого рода клерикальные головоломки наподобие «Если на других планетах существуют люди, произошли ли они тоже от Адама и Евы?» и «Был ли Иисус Христос и их Спасителем?»

Если учесть, какой громадный авторитет имели религиозные идеи на протяжении почти всей истории человечества, не стоит удивляться, что как вера в витализм, так и идея, что жизнь должна существовать по всему космосу, изначально основывались не на научных, а на богословских аргументах. Идея витализма в целом вдохновлялась буквальным толкованием библейского текста: «И создал Господь Бог человека из праха земного [курсив наш], и вдунул в лицо его дыхание жизни, и стал человек душою живою»[5]. Аристотель также настаивал, что душа «есть сущность… тела, обладающего в возможности жизнью»[6]. Точно так же на основании религиозных убеждений некоторые мыслители XIX века настаивали на существовании внеземных обитаемых миров, поскольку иначе получалось, что Творец впустую тратил силы на безбрежные просторы космоса.

В ХХ веке философы и ученые, склонные к философствованию, предпринимали множество попыток определить жизнь. Даже Эрвин Шрёдингер, один из основателей квантовой механики, в 1944 году опубликовал книжку под названием «Что такое жизнь?»[7], которая вдохновила ученых искать химические основы наследственности. Однако в целом попытки определить жизнь привели к тому, что определений было почти столько же, сколько их авторов. Молекулярный биофизик Эдуард Трифонов собрал коллекцию из 123 определений многих исследователей и, изучив их лексику, в 2011 году выдвинул, по его словам, идеальное консенсусное определение: «Жизнь есть самовоспроизводство с изменениями». Астробиологический отдел НАСА предпочитает более раннее определение, хотя оно, как и большинство других, вызвало значительные споры: «Жизнь – самоподдерживающаяся химическая система, способная эволюционировать по Дарвину». Здесь нас, однако, интересует не универсальное определение жизни. Мы чувствуем, что в целом дискуссия о том, что есть жизнь, не особенно приблизила нас к пониманию происхождения жизни. Она привела к путанице, неизбежной, когда одно слово используют для описания множества совершенно разных явлений. На самом деле, как нам видится, главное – найти, какая последовательность событий привела к появлению биологической жизни в условиях молодой планеты. Задача описать этот неуловимый маршрут становится еще сложнее, если учесть, что на сегодня нам известен лишь один пример жизни во всей вселенной – жизнь на Земле. Жизнь в других местах в принципе может приобретать формы, которые мы не узнаем и, вероятно, даже не способны себе представить.

Чтобы продвинуться в этом направлении, биологи выявили несколько важнейших составляющих, без которых жизнь, по-видимому, невозможна, и небольшое число свойств, характерных по крайней мере для всех форм земной жизни (и необходимых для их существования). Необходимые ингредиенты – это 1) источник энергии, чтобы питать метаболические реакции, 2) жидкий растворитель, способствующий этим и другим реакциям, и 3) питательные вещества, необходимые для создания биомассы.

Свойства, характерные для жизни на Земле, таковы: 1) живая ткань состоит из клеток, 2) способна производить метаболизм (то есть собирать и запасать энергию и вещества из своего окружения и использовать их для роста и размножения), 3) задействует катализаторы, которые вызывают и ускоряют химические реакции, и 4) содержит в себе информационную систему. Последнее свойство означает, что жизнь может воспроизводить собственные характеристики и способна эволюционировать по Дарвину: у нее есть химические инструкции, как действовать, и информация, которую можно передать следующему поколению. Короче говоря, жизнь в нашем понимании должна каким-то образом бесшовно соединять в себе четыре подсистемы: компартментализацию (клетки), метаболизм, катализ и генетику.

Все исследователи происхождения жизни согласны, что эти черты присущи всем живым существам на Земле, однако в течение нескольких десятков лет те же самые исследователи спорили, причем подчас непримиримо, по поводу того, можно ли считать какое-то из этих свойств самым фундаментальным, и если да, то какое. А точнее, какая из этих черт должна была появиться на Земле первой, чтобы жизнь могла возникнуть? Как мы вскоре убедимся, именно эту загадку удалось решить в последние два десятка лет – и решение вышло несколько неожиданным.

Книга жизни

В пьесе Оскара Уайльда «Женщина, не стоящая внимания» лорд Иллингворт заявляет: «Книга Жизни начинается с мужчины и женщины в саду». «А кончается Откровением», – парирует миссис Оллонби[8].

Несмотря на сильную религиозную и эмоциональную приверженность идее, что жизнь предполагает какое-то волшебство или божественное вмешательство, к началу XIX века мнения начали меняться. Шаг в сторону освобождения жизни от потребности в «жизненной силе», непостижимой для науки, был предпринят в 1828 году, когда немецкий химик Фридрих Вёлер случайно синтезировал мочевину – вещество, которое содержится в моче и возникновение которого до этого считалось возможным только в живой материи – из обычных химических реактивов. В полном восторге от того, что ему удалось имитировать природу в лаборатории, Вёлер, склонный к экзальтации, написал своему учителю и коллеге химику Йёнсу Якобу Берцелиусу: «Я больше не могу, так сказать, держать в себе свои химические воды и должен сообщить вам, что создал мочевину без посредства почки, ни человеческой, ни собачьей: мочевина – не что иное, как цианат аммония»[9].

Сопоставимый по масштабам скачок в понимании биологии произошел с появлением дарвиновской теории эволюции путем естественного отбора. Сама теория Дарвина обходила вопрос о происхождении жизни в принципе – она ничего не говорит о том, как возникли первые живые организмы, – однако в 1871 году Дарвин в письме своему другу Джозефу Далтону Хукеру высказал некоторые соображения о том, как могла появиться жизнь на Земле. Как известно, он писал: «Если бы (и о, как велико это «если бы») мы могли представить себе, что в теплом озерце со всякого рода солями аммония и фосфорной кислоты, где достаточно света, тепла, электричества и т. п., возникло в результате химических реакций какое-то белковое соединение, которое претерпит дальнейшие сложные изменения, сегодня такое вещество мгновенно было бы съедено или поглощено, но этого не случилось бы, если бы такое произошло прежде, чем образовались живые существа!»

Мудрое предсказание Дарвина интересно по целым пяти причинам. Во-первых, оно полностью избавляет нас от всякой потребности в сверхъестественном вмешательстве при возникновении жизни. Во-вторых, оно предполагает, что жизнь зародилась «в теплом озерце», а это представление, как мы вскоре увидим, поразительным образом соответствует нашим современным представлениям. В-третьих, в нем указано, что необходимые (потенциально) ингредиенты для создания живой материи – это соли аммония и фосфаты (соединения, содержащие азот и фосфор), и это опять же невероятно проницательно. В-четвертых, в нем говорится, что важную роль в химических реакциях, которые привели к зарождению жизни, должно сыграть «белковое соединение». А в-пятых, чтобы не сложилось впечатления, будто живые организмы могут появляться спонтанно, когда заблагорассудится, Дарвин подчеркивает, что условия, в которых возникли первые формы жизни, сегодня уже невозможны.

Такая мысль – что жизнь – это не более чем комбинация сверхсложных химических систем – поначалу отпугивала очень многих. Жизнь, говорили эти скептики, устроена слишком хитроумно, чтобы возникнуть в результате случайных процессов, подчиняясь одним лишь законам физики и химии. А следовательно, даже среди тех, кто в принципе был готов смириться с химическим происхождением жизни, находилось немало таких, кто по-прежнему думал, что для этого требовалось какое-то невероятно редкое стечение обстоятельств – иначе все компоненты первых живых клеток не очутились бы одновременно в одном болотце.

Представление о внезапном возникновении сложных систем из хаотичного первичного бульона, содержащего простые химические вещества, подкреплялось еще и тем, как головокружительно сложно устроена вся клеточная жизнь на Земле в наши дни. А самое обескураживающее в этом хитросплетении – то, что все части и процессы живой материи зависят ото всех других частей и процессов, причем по кругу. Например, сложный метаболизм нужен для выработки биохимических веществ, которые нужны для синтеза ферментов, служащих катализаторами реакций… самого метаболизма! Подобным же образом молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК необходимы для кодирования информации, описывающей синтез белков, рабочих лошадок живой материи, которые нужны для выработки… да, вы верно догадались, ДНК и РНК. Все еще усложняется тем, что для исполнения задач всем этим молекулам требуются клеточные мембраны, удерживающие все молекулы-участницы поблизости друг от друга. Однако клеточные мембраны состоят из гидрофобных соединений, так называемых липидов, а липиды синтезируются белковыми ферментами. Такая самозамкнутая, рекурсивная деятельность (напоминающая знаменитую гравюру Эшера, на которой две руки рисуют друг друга) так характерна для самых основ современных живых организмов, что многие годы казалось, будто потребовалось какое-то чудо, чтобы перекинуть мостик через пропасть между случайной смесью химических веществ и высокоорганизованной структурой живой клетки. Даже в 1981 году Фрэнсис Крик, один из первооткрывателей двойной спиральной структуры ДНК, подчеркивал, что «честный человек, вооруженный всеми доступными нам на сегодня знаниями, может лишь утверждать, что возникновение жизни в то время – это практически чудо, ведь столько условий требовалось выполнить, чтобы оно состоялось».

Нет нужды говорить, что такое отношение к зарождению жизни на Земле – как к какой-то дикой химической случайности – привело к крайне мрачным и пессимистическим оценкам вероятности, что мы обнаружим жизнь еще где-нибудь. В конце концов, возникновение жизни – переломный момент, знаменующий превращение экзопланеты из просто «пригодной для обитания» в действительно обитаемую. В результате лишь очень немногие астрономы в пятидесятые и даже в начале шестидесятых годов прошлого века осмеливались признаваться, что верят в существование внеземной жизни как таковой – а особенно разумной.

В конце шестидесятых маятник качнулся в другую сторону. Сначала это произошло в области биологии и химии. И все равно, чтобы преодолеть понятийные барьеры, воздвигнутые убеждением, будто возникновение жизни в результате химических реакций практически немыслимо, потребовалось целых два открытия, удостоенных Нобелевской премии, а также тотальный пересмотр наших представлений о происхождении жизни.

Первое открытие касается определения структуры особой молекулы РНК, так называемой транспортной РНК, или тРНК, участвующей в синтезе белков. Сложная трехмерная фигура, которую очерчивает нить этой нуклеиновой кислоты, вызвала у научного сообщества настоящее потрясение. В отличие от ДНК, относительно безликой и довольно жесткой – это просто двойная спираль с равномерной структурой, – РНК оказалась молекулой, состоящей из одной нити, затейливо скрученной, почти как белок. Химик из Корнельского университета Роберт Холли, который первым исследовал последовательность тРНК и изучал ее двумерную химическую структуру, получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1968 году совместно с Харом Гобиндом Кораной из Висконсинского университета и Маршаллом Ниренбергом из Национальных институтов здоровья. Вскоре после этого Аарон Клуг из Кембриджского совета по медицинским исследованиям и Александер Рич из Массачусетского технологического института описали неожиданную трехмерную свернутую структуру РНК.

Несколько ученых, в том числе сам Фрэнсис Крик и британский химик Лесли Орджел, быстро поняли, что может следовать из такой поразительной структуры. Она означает, что РНК может работать как фермент, биологический катализатор – точь-в-точь как белки. Затем Орджел выдвинул революционную идею, что первые живые организмы на Земле вполне могли обходиться вообще без ДНК и белков. Он предположил, что жизнь началась с одной только РНК! В то время это было смелое предположение, и идея, что РНК могла одновременно и нести в своей последовательности информацию, и катализировать химические реакции (прежде биологи считали, что это прерогатива исключительно белковых ферментов), была для большинства ученых абсолютно неудобоваримой. Лишь двадцать лет спустя химик Томас Чек и молекулярный биолог Сидни Олтмен совершили еще один научный подвиг, удостоенный Нобелевской премии, и действительно открыли РНК-ферменты (рибозимы). Это была судьбоносная веха, которая совершенно перевернула представления о происхождении жизни.

Открытие Чека и Олтмена означало, что РНК в принципе способна действовать как фермент и катализировать даже собственную репликацию, а это дарило надежду найти ответ на больной вопрос о курице и яйце. Внезапно мы получили возможность представить себе примитивную клетку, которая была куда проще любой ныне существующей. В такой гипотетической «протоклетке» молекулы РНК играли двойную роль – и несли генетическую информацию, и служили клеточными ферментами, обеспечивая основные функции клетки. А главное – в число этих функций входила репликация генетической информации. Согласно пересмотренному сценарию, ДНК и белки можно было считать более поздним «изобретением» эволюции, созданным специально для хранения информации и катализа химических реакций соответственно. Соблазнительное предположение, что когда-то в истории жизни все было проще и РНК одновременно играла все главные роли в ансамбле важнейших клеточных актеров – была и курицей, и яйцом, – получила название «Гипотеза мира РНК».

Со стороны астрономии прогресс поначалу несколько отставал, зато потом помчался вперед с головокружительной скоростью. Речь идет о том, что 6 октября 1995 года астрономы Мишель Майор и Дидье Кело объявили, что обнаружили первую планету, обращающуюся вокруг солнцеподобной звезды вне Солнечной системы. Неудивительно, что в 2019 году они получили за свое революционное открытие Нобелевскую премию по физике.

Парад пригодных для обитания планет?

Было бы справедливо сказать, что за последние 30 лет мы заметно приблизились к ответу на вопрос о множественности обитаемых миров, однако он все еще остается открытым.

К осени 2023 года астрономы открыли более 5500 экзопланет более чем в 4100 планетных системах. Более чем в 930 из этих систем обнаружено две и больше планеты. Кроме того, найдено более 7400 кандидатов в экзопланеты, открытых в первую очередь космическими телескопами Кеплер и TESS[10], и их статус ожидает подтверждения. Только представьте себе! Всего каких-нибудь 30 лет назад астрономия не знала ни одной планеты, которая обращалась бы вокруг других звезд, а сегодня достигнут такой колоссальный прогресс, и в нашей сокровищнице их многотысячные россыпи. Простая статистическая логика позволяет сказать, что наша галактика Млечный Путь буквально кишит планетами.

А что еще интереснее, по оценкам астрофизиков, по меньшей мере каждая пятая звезда размером с Солнце или меньше содержит планету размером с Землю в своей так называемой обитаемой зоне (а может быть, такие планеты встречаются у каждой третьей звезды или даже чаще). Обитаемая зона – это та самая «зона Златовласки»[11], кольцо вокруг звезды, находящееся как раз на таком расстоянии, чтобы температура на планете, подобной Земле, была не слишком высока и не слишком низка и подходила для стабильного существования жидкой воды (а может быть, и жизни).

Как правило, как только становятся известны параметры орбиты экзопланеты размером с Землю и свойства ее звезды (в том числе температура фотосферы, светимость и масса), можно как минимум оценить границы обитаемой зоны, исходя из состава атмосферы планеты. Считается, что атмосфера обычно состоит из азота, углекислого газа и водяного пара, и два последних компонента действуют как парниковые газы. Для определения, действительно ли планета «пригодна для обитания», следует учесть и другие факторы, например массу и химический состав атмосферы, геологические и геохимические процессы, скорость вращения планеты, наличие питательных веществ, доступность источника энергии, защищенность от вредного излучения и, естественно, тип и стабильность самой звезды. Тем не менее исследования показывают, что теоретически в галактике Млечный Путь может быть сотни миллионов, а то и несколько миллиардов потенциально обитаемых планет.

Эти поразительные астрономические открытия в сочетании с новыми многообещающими находками в области химии и биологии подхлестнули и поиски внеземной жизни, и попытки создать живую материю при помощи химических реакций. Поскольку эти данные сочетаются с уже имеющимися находками в области земной геологии, возникает искушение сделать вывод, что жизнь (в каком-то виде), вероятно, вездесуща. Что примечательно, геологи показали, что жизнь на Земле была довольно распространена уже 3,5–3,7 миллиарда лет назад, «всего» через несколько сотен миллионов лет после того, как земная поверхность достаточно остыла, чтобы стало возможным существование жидкой воды. Поэтому не стоит удивляться, что для многих оказался таким заразительным оптимизм покойного астронома Карла Сагана, вероятно, самого страстного и талантливого пропагандиста поисков внеземной жизни. Как-то раз Саган бодро объявил: «Должно быть, зарождение жизни – событие весьма вероятное: она возникает, как только позволят обстоятельства!» Тогда многие биологи были согласны с ним. Кристиан де Дюв, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине, пошел даже дальше и провозгласил, что появление жизни во вселенной – это «космический императив».

По правде говоря, такая уверенность не оправдана. Осталось еще много вопросов без ответов и серьезных сомнений на всех уровнях. Например, в последние десятилетия биологи спорили о том, какая из главных характеристик живой материи – клеточная структура, метаболизм, катализ или генетика – появилась первой. Ученые – пожалуй, предсказуемо – раскололись на четыре больших лагеря. Группа «сначала метаболизм» утверждала, что способность задействовать ресурсы среды для поддержания жизни в организме было первой и главной способностью, которую требовалось развить. Представители второго лагеря возражали, что первой была генетика, то есть «сначала репликация» – способность порождать потомство, поскольку это и стало краеугольным камнем эволюции путем естественного отбора. Третья партия настаивала, что трудно представить себе генетику и метаболизм без тех агентов, которые способны поддерживать и ускорять ход химических реакций, а следовательно, «сначала катализ» – то есть для возникновения жизни необходимы белковые ферменты. И, наконец, были и сторонники теории «сначала компартментализация» – те, кто настаивал, что жизнь не могла начаться, если бы не приняла сперва форму крошечной ячейки, примитивной клетки, протоклетки, которая содержала бы в себе все важнейшие молекулы для поддержания жизненных процессов и отделяла бы их от среды. С годами члены каждой группы обретали такую страстную приверженность любимой теории и настолько утверждались в своем мнении, что на научных конференциях по происхождению жизни журналисты-популяризаторы не раз и не два слышали, как ученый из того или иного лагеря разносит в пух и прах идеи всех остальных групп. Наука едва не уподобилась политике.

Впрочем, именно эту проблему, похоже, удалось решить. Как ни поразительно, новейшие находки исследователей происхождения жизни, по-видимому, указывают, что подход к этому вопросу в последние четыре десятилетия, возможно, был ошибочен в принципе. Диспут о том, что было «первым», был спровоцирован тем, что, согласно общепринятому сценарию, нужно найти способ строить первые клетки по одной за раз, и каждый компонент должен прокладывать путь следующему. Этот подход сильно изменился в последние несколько лет. Современные представления состоят в том, что строительный материал для подсистем можно создавать одновременно. Ученым удалось показать, что несколько простых химических соединений, которые были легко доступны на молодой Земле, могли запустить сеть химических реакций (их мы подробно опишем в следующих пяти главах), способных дать – в сущности, одновременно – нуклеиновые кислоты (основу генетических молекул), аминокислоты (из которых состоят белки) и липиды (вещество клеточных стенок). Иными словами, эксперименты в лаборатории соавтора этой книги Джека Шостака, революционные открытия в лаборатории химика Джона Сазерленда и исследования множества их коллег указывают, что первые клетки, при всей сложности и филигранности их структуры, могли возникнуть из относительно небольшого набора нужных «кирпичиков». Поэтому сегодня ученые ставят перед собой достаточно смелые цели. Они уже не изучают отдельные составляющие, а пытаются нарисовать единую полную картину, такую, которая успешно сочетала бы все имеющиеся данные лабораторных экспериментов по предбиологической химии (химии, которая предшествовала жизни и посредством которой мог быть синтезирован строительный материал для живой материи) с данными астрофизики, геологии и науки об атмосфере, чтобы установить, каким был путь к жизни. В этом отношении можно рассчитывать на новые перспективы геохимических исследований Марса (которые станут возможными, когда на Земле получат пробы марсианской почвы). Их результаты, вероятно, позволят сделать рывок в вопросе о происхождении жизни, поскольку мы получим возможность изучить раннюю среду, данные о которой были стерты из геологической истории Земли, так как процессы, протекающие на поверхности земной коры, привели к переработке существовавших тогда веществ.

Разумеется, ни блестящие астрономические открытия, ни уже достигнутые в лабораториях многообещающие результаты не дают определенного ответа на вопрос о том, что такое жизнь – дикая химическая случайность или космический императив. Законно было бы утверждать, что в отсутствие прямых данных, говорящих о непрерывном химическом маршруте к жизни, мы не можем считать, что даже при правильных условиях возникновение жизни неизбежно. Подобным же образом, если астрономы не нашли (опять же, на сегодня) достоверных признаков внеземной жизни, это никак не позволяет нам оценивать вероятность, что она существует. Нельзя надежно установить вероятность неизвестного процесса и еще не открытого явления. Британский физик Пол Дэвис в числе прочих справедливо подчеркивает, что, если во Млечном Пути так много «пригодных для обитания» планет, это не обязательно означает, что какие-то из них (помимо Земли) и в самом деле обитаемы. Мы до сих пор не знаем, насколько вероятно зарождение жизни на экзопланете даже с самой подходящей температурой и химическим составом. Даже благоприятные для жизни условия у нас на Земле могли возникнуть вопреки всему, а уж появление разумного вида, вероятно, явление еще более редкое, а вовсе не ожидаемый результат эволюции как таковой. В частности, существование людей, вероятно, стало следствием череды совпадений космического масштаба. Скажем, люди не появились бы, если бы около 66 миллионов лет назад Земля случайно не столкнулась бы с астероидом, что привело к вымиранию динозавров.

Последнее соображение заставляет задаться вопросом, бесспорно, столь же интересным, сколь и вероятность существования внеземной жизни как таковой. Существует ли в Млечном Пути какая-то форма сложной или «разумной» жизни? В сущности, очевидное противоречие между тем, что мы до сих пор не видели никаких признаков разумной жизни вне Земли, и тем, что мы, согласно нашим ожиданиям, уже должны были заметить какие-то свидетельства существования технологически развитой цивилизации (техносигнатуры), получило название «парадокс Ферми» в память об известной беседе, когда знаменитый физик Энрико Ферми внезапно спросил у коллег: «Ну и где все?»[12]

Ферми выражал изумление из-за того, что до сих пор не замечено никаких признаков существования другой разумной жизни в Млечном Пути. Ферми оценил, что при некотором наборе вполне консервативных, по его мнению, допущений развитая технологическая цивилизация достигла бы всех уголков нашей Галактики за время значительно меньше, чем возраст Солнечной системы. Поэтому тот факт, что мы обнаружили их ровно ноль, сильно озадачивает. За эти годы было предложено много вариантов решения парадокса Ферми, однако так и нет консенсуса по поводу того, есть ли среди них хотя бы одно верное. Можно с полным правом утверждать, что само по себе наличие такого количества предположений указывает на то, что пока не выдвинуто ни одного по-настоящему убедительного варианта. Но главное – парадокс Ферми заставляет задуматься о неприятной вероятности, что существует какой-то «вселенский фильтр», какое-то узкое место, которое сильно осложняет возникновение, какие-то этапы эволюции или долгосрочное выживание разумной цивилизации. Первым это предположение выдвинул в 1996 году экономист из Университета Джорджа Мейсона Робин Хансон. Если так, подобное обстоятельство может иметь тяжкие последствия даже для жизни на Земле. Этот фильтр или порог вероятности мог существовать в прошлом нашей цивилизации, и тогда мы – одна из немногих цивилизаций (а может быть, и первая), которым удалось его преодолеть. Это возлагает на наши плечи гигантское бремя ответственности. Однако фильтр может быть и у нас в будущем, а тогда пандемия COVID-19 и нынешний климатический кризис – лишь детские игрушки, репетиция поджидающей нас неподъемной задачи пережить такой фильтр. К парадоксу Ферми и следствиям из него мы еще вернемся в главе 11.

Надеемся, это краткое введение показало, что астрономы, планетологи, исследователи атмосферы, геологи, химики и биологи – большое сообщество, в которое входим и мы, авторы этой книги, – пытаются найти ответы на наболевшие вопросы, но у нас для этого еще нет полных данных. При всех колоссальных достижениях научно-технического прогресса, свидетелями которых мы стали в последние десятилетия, мы так и не узнали, что такое зарождение жизни – крайне редкая химическая случайность (и тогда мы одни в Галактике) или химическая необходимость (что потенциально делает нас участниками огромной галактической выборки). Каждый из этих вариантов влечет за собой свои далеко идущие научные, философские, практические и даже религиозные последствия. Возможно, они даже продиктуют нам, как действовать, если возникнет угроза для нашего существования – как вызванная нашими же действиями, так и грядущая из космоса. В некотором смысле инопланетная жизнь или ее отсутствие может служить зеркалом, в котором мы рассмотрим и обдумаем не только собственные достижения, но и просчеты и недостатки. Инопланетяне, если они существуют, помогут нам сформулировать и определить, что же такое быть человеком.

Чтобы разгадать все эти загадки, нужно проделать вполне конкретные действия. Примерно четыреста лет назад Галилей одним из первых прочертил нам дорожную карту, которой мы должны следовать, чтобы разобраться в устройстве космоса. Единственный способ открыть законы природы, утверждал он, – терпеливые эксперименты и прилежное наблюдение, что в дальнейшем приведет к продуманной теории. Теории, в свою очередь, следует проверять дальнейшими экспериментами и наблюдениями. Такова основа так называемого Научного Метода – несколько идеализированного эмпирического процесса обретения знания. Как заметил когда-то сам Шерлок Холмс: «Строить теории без данных – непростительная ошибка. Незаметно для себя начинаешь подгонять факты под теорию, вместо того чтобы теория подгонялась под факты»[13]. Следует и дальше одновременно проводить лабораторные эксперименты с целью найти химический путь создания живой материи (если он есть) и астрономические наблюдения с целью обнаружить признаки внеземной жизни (опять же, если они не исключительно редки). Лабораторные эксперименты, в свою очередь, проводятся в два этапа. Сначала химикам нужно хорошо понять, какой биологический строительный материал мог синтезироваться на молодой планете. Затем, как только возникнут нужные биологические молекулы, биохимикам нужно понять, как коллекция таких молекул может самоорганизоваться, чтобы функционировать подобно живой клетке. Далее эти находки сообщат геологам, планетологам, исследователям атмосферы и астрономам, какая среда необходима на планете, чтобы там могла возникнуть жизнь.

Как мы подробно объясним в дальнейшем, астрономы учли, с какими объективными трудностями сопряжен поиск жизни в неизмеримо огромной вселенной (и даже в нашей родной Галактике), и, чтобы повысить шансы на успех, разработали трехсторонний план наступления на эту проблему. Первое направление – поиск признаков внеземной жизни в Солнечной системе в прошлом или настоящем. Второе – поиски признаков жизни (биосигнатур) в атмосферах похожих на Землю экзопланет, находящихся в пригодной для обитания зоне около своих звезд. Третье – попытки срезать углы во всем процессе поисков, обнаружив признаки существования разумной, технологически развитой цивилизации. Вот краткое описание всего нескольких уже имеющихся и запланированных на ближайшее будущее астрономических программ. Успешный запуск космического телескопа имени Уэбба в Рождество 2021 года и подготовительные поиски подходящих для него экзопланет при помощи обсерватории TESS дали астрономам возможность впервые охарактеризовать или по крайней мере обнаружить атмосферы у относительно маленьких каменистых экзопланет, а также экзопланет несколько большего размера с океанами на поверхности (так называемых суб-Нептунов). Дальнейшей целью этих исследователей станут поиски газов, которые настолько далеки от химического равновесия, что не могут возникнуть в результате чисто абиотических процессов (то есть не имеющих отношения к живым организмам). В частности, как мы увидим в главе 9, обнаружение очень насыщенной кислородом атмосферы заставит предположить, что эта планета – кандидат в обитаемые, поскольку мы знаем, что весь кислород в атмосфере Земли возник по одной причине – по причине наличия жизни.

Вскоре будут запущены и другие интересные проекты. В 2028 году должен начать работу Европейский чрезвычайно большой телескоп диаметром 39 метров. Этот телескоп, который станет самым большим «глазом в небо» в оптическом и ближнем инфракрасном диапазоне, вероятно, сумеет даже получить изображения землеподобных экзопланет. Одновременно в обсерватории Лас Кампанас в чилийской пустыне Атакама будет установлен Гигантский Магелланов телескоп диаметром 25 метров, а в обсерватории Мауна-Кеа должен появиться Тридцатиметровый телескоп. Как планируется, эти телескопы начнут наблюдения примерно в 2030 году.

Набирают размах и поиски внеземных техносигнатур, которые были начаты еще в рамках программы SETI[14]. В дополнение к Антенной решетке Аллена, первые 42 элемента которой были построены в Радиообсерватории Хэт-Крик в сельской местности на севере Калифорнии, есть и другие проекты – например, Breakthrough Listen, нацеленный на наблюдения примерно миллиона ближайших звезд в радио- и оптическом диапазонах. В конце 2019 года Breakthrough Listen наладил сотрудничество с TESS и теперь будет сканировать планеты, открытые TESS. В число задач китайского Сферического телескопа с пятидесятиметровой апертурой также входит «обнаружение межзвездных коммуникационных сигналов». Кроме того, существует проект «Галилео», который в дополнение к традиционной программе SETI ищет физические объекты, а не электромагнитные сигналы, то есть артефакты, которые можно связать с внеземным технологическим оборудованием.

Было бы преувеличением утверждать, будто мы уверены, что до открытия внеземной жизни рукой подать. Однако и эти, и многие другие начинания дают нам веские причины для оптимизма. Если жизнь в Млечном Пути распространена повсеместно (или если нам просто очень повезет), мы вполне можем в ближайшие десять-двадцать лет открыть обитаемую планету.

Мы считаем, что открытие внеземной жизни, особенно разумной, или синтез живой материи в лаборатории станут открытием, которое затмит и дарвиновскую, и коперниковскую революции вместе взятые. И мы хотим разделить с вами, читатель, места в первом ряду, откуда мы вместе будем наблюдать увлекательное путешествие к этим грандиозным целям. Мы искренне убеждены, что наше поколение, скорее всего, сыграет эту судьбоносную роль в истории человечества – первым узнает, откуда мы взялись и одиноки ли мы в Галактике. Мы, авторы, больше всего на свете боимся, что эти фундаментальные открытия будут сделаны, когда нас уже не станет на свете. Неудивительно, что неизбежность смерти лишь подчеркивает смысл поисков жизни.

Несомненно, есть и те, кто считает попытки синтезировать живую материю из химических веществ в лаборатории посягательством на некое «тайное знание», своего рода «игрой в Бога». Более того, опрос, проведенный исследовательским центром Пью в ноябре 2021 года, показал, что лишь одна шестая часть американцев не верит в загробную жизнь, а почти три четверти взрослых американцев верят в рай (а это, в сущности, все равно что верить, что жизнь зародилась не просто в результате химических реакций). Нам не кажется, что изучение происхождения жизни должно быть так или иначе табуировано. Мощная тяга к познанию всегда заставляла людей пытаться расшифровать тайны природы и ответить на всевозможные «Как», «Что» и «Почему». Если речь идет о чем-то вроде жизни, то есть о самом дорогом для нас, людей, разве можно вообразить, что нам не захочется узнать, откуда она взялась, или выяснить, ограничено ли ее распространение нашей Землей? Как выразился когда-то сам Галилей, «я не считаю себя обязанным верить, что тот же Бог, который подарил нам чувства, разум и логику, хотел бы, чтобы мы ими не пользовались». Но вот к тому, что делать с полученным знанием, мы, безусловно, обязаны применять все этические, моральные и человеческие принципы, чтобы решить, хорошо это или плохо.

Некоторые возражают даже против астрономических исследований и поисков внеземной жизни, считая это опасным. Но и здесь, хотя, конечно, никто не может гарантировать, какие отношения возникнут у человечества с существами, которые, вероятно, будут радикально отличаться от нас, мы не думаем, что кто-то сумеет остановить человеческую любознательность, которая всегда подталкивала исследовать далеко не только то, что нужно для выживания.

В очаровательной книге «Маленький принц» Антуана де Сент-Экзюпери есть замечательный диалог между рассказчиком и заглавным героем перед тем, как Маленький принц собирается вернуться на свою родную планету (астероид). Маленький принц говорит: «У каждого человека свои звезды… Но для всех этих людей звезды – немые. А у тебя будут совсем особенные звезды…» «Как так?» – недоумевает рассказчик. А Маленький принц отвечает: «Ты посмотришь ночью на небо, а ведь там будет такая звезда, где я живу, где я смеюсь, – и ты услышишь, что все звезды смеются. У тебя будут звезды, которые умеют смеяться!»[15] Только представьте себе, что бы мы чувствовали, если бы и в самом деле точно знали, что на той или иной экзопланете кто-то живет – или если бы по-настоящему понимали, как появилась жизнь здесь, на Земле.

Наша исследовательская экспедиция начнется на нашей родной планете, на Земле. Поскольку жизнь на Земле – единственная форма жизни, с которой мы знакомы на сегодня, первый вопрос, над которым ломали себе голову химики, звучит так: могла ли жизнь на Земле возникнуть в результате обычных химических реакций? А точнее, могли ли живые протоклетки возникнуть из химических веществ, которые, как мы полагаем, существовали на молодой Земле? Чтобы ответить на этот важнейший вопрос, исследователи предбиологической химии прежде всего попытались выявить, какая череда химических реакций приводит к появлению строительного материала РНК и белков. Цель следующего шага очевидна: создать систему клеток, которая была бы способна эволюционировать по Дарвину. В ближайших четырех главах мы описываем эти поразительные исследования, рассказываем обо всех их провалах и успехах, о понятийных революциях, которые с неизбежностью при этом происходили. Естественно, без химии не обошлось, а мы отдаем себе отчет, что многие наши читатели «подзабыли» биохимию. Однако мы считаем, что нам представилась уникальная возможность снабдить заинтересованных читателей – возможно, впервые – самыми подробными и самыми свежими сведениями о невероятных достижениях в этой области в последние два десятилетия. Мы думаем, что три самых животрепещущих фундаментальных вопроса в науке – это как раз вопросы о происхождении: о происхождении вселенной, о происхождении жизни и о происхождении разума или сознания. Очевидно, если учесть современное состояние науки и техники, самым близким к разрешению на сегодня представляется вопрос о происхождении жизни.

Знаете, жизнь – это как открыть банку сардин.

Мы все мечемся в поисках открывашки.

Алан Беннет в шоу «За гранью»

Попытки найти путь от химических веществ и реакций на поверхности юной Земли к зарождению биологических структур с самого начала натолкнулись на множество препятствий. Прежде всего, возник непростой вопрос, о котором мы упоминали в главе 1, – вопрос сложности современных биологических процессов, где все зависит от всего остального по замкнутому кругу. Вспомним, к примеру, что молекулы ДНК и РНК нужны для кодирования информации, которая определяет создание тех самых белков, которые требуются для строительства ДНК и РНК. Эта сложность приводила к очевидным дилеммам причины и следствия типа «курица или яйцо». Однако была и другая, еще более фундаментальная проблема. Речь идет о вопросе, может ли вообще существовать химический путь, при котором стартовый набор соединений в результате какой-то последовательности шагов превращается в желаемые продукты, если в этих реакциях не участвуют ферменты и биологические механизмы контроля.

Некоторые исследователи прямо говорят, что шансов на то, что многошаговый химический синтез произойдет в природных условиях, исчезающе мало. Космолог и астробиолог Пол Дэвис, в частности, выдвигает следующий вероятностный довод. Предположим, что для зарождения жизни требуется последовательность из десяти определенных важнейших химических шагов (Дэвис полагал, что десять – это, мягко говоря, заниженное количество этапов, на самом деле нужно гораздо больше). Далее представим себе, что вероятность каждого шага составляет 1 % за период, пока планета остается пригодной для обитания (это опять же оптимистический прогноз). Тогда вероятность возникновения жизни сокрушительно мала – один шанс на сто квинтиллионов (т. е. 10^–20), если быть точными.

Много лет подобные гипотетические трудности считались непреодолимыми препятствиями. Однако сегодня исследователи происхождения жизни считают, что они нашли способы, которыми Природа могла бы – хотя бы в принципе – решить такого рода заковыристые задачи, и это не может не восхищать. В этой и следующих четырех главах мы проследим за ходом впечатляющего прогресса, который был достигнут в последние годы в понимании происхождения жизни. В нашем кратком обзоре с неизбежностью встретятся труднопроизносимые названия соединений, участвующих в биохимических реакциях, и целые россыпи затейливых химических и физических процессов. Мы постараемся делать упор на кульминационных частях этой истории открытий и прорывов. Кроме того, мы надеемся пояснить, какие понятийные трудности приходилось преодолевать и какие остроумные решения для этих проблем придумали ученые. Надеемся, такой подход, пусть даже сложный для читателя, поможет оценить логику и красоту научного процесса, а также блестящий ум и терпение ученых.

Чтобы преодолеть первую проблему – проблему самореферентности современной биологии – ученые предложили, что когда-то существовала несколько отличная от нынешних, совсем простая первоначальная клетка, так называемая протоклетка. Однако эта гипотеза вызвала новые сложности (вдобавок к фундаментальному вопросу о том, как возникли сами эти структуры). В частности, ученым нужно было понять, как протоклетки росли и делились без тех сложных биохимических механизмов, которыми снабжены современные клетки. Чтобы преодолеть это препятствие, пришлось прибегнуть к процессу доказательства от противного – то есть взять все основные понятия и поставить их с ног на голову. Что-то похожее происходит в последние годы с индустрией такси. Когда хочешь основать таксомоторную фирму, первое, что приходит в голову, – у такой фирмы должен быть собственный автопарк. Обратное предположение: у таксомоторной фирмы нет своих автомобилей. Всего двадцать лет назад такая фраза звучала бы совершенно безумно. Но сегодня, напротив, самые крупные «таксомоторные» компании в истории – это Uber и Lyft. Исследователи происхождения жизни вынуждены были признать, что хотя у современных клеток есть внутренний биохимический аппарат, управляющий ростом и делением клеток (что дает клеткам возможность приспособиться к изменчивым условиям на планете), у первоначальных клеток, по-видимому, все было совсем наоборот. То есть протоклетки брали все необходимое – материалы и энергию – в окружающей среде, и именно флуктуации среды стали тем двигателем, который управлял ростом, делением и репликацией клеток.

Чтобы подробнее изучить вероятное происхождение и структуру первых клеток, нам нужно рассмотреть много дополнительных вопросов. Они касаются самых разных тем, от геологических сценариев и предбиологической химии до самой природы этих клеток и эволюционных событий, которые могли привести к возникновению современной жизни. При этом важно не ожидать ответов на все вопросы сразу: нужно понимать, что в попытках составить более полную картину нас ждет довольно много фальстартов, тупиков, отступлений и неудач. Вот лишь неполный список вопросов, на который нам придется ответить: каковы главные строительные материалы, необходимые, чтобы запустить процессы формирования клеток? Какие источники энергии, вероятнее всего, поддерживали необходимые химические реакции? Что требовалось, чтобы устроить уютное гнездышко для самых первых клеток? А главное, пожалуй, – сколько ниш в окружающей среде было нужно, чтобы возникла жизнь? Иначе говоря, не было ли такого, что жизни на Земле требовались одни условия для создания строительного материала и совсем другие – чтобы поддержать саму жизнь, когда она уже зародилась?

Помимо этих фундаментальных вопросов есть и множество других, иногда более конкретных. Например, хотя довольно соблазнительной представляется известная уже несколько десятков лет гипотеза о более простых временах в истории жизни, так называемая гипотеза мира РНК, согласно которой на некотором этапе эволюции жизни на Земле жизненными процессами управляли самовоспроизводящиеся молекулы РНК, эта гипотеза вызвала множество споров и вопросов, по большей части остающихся без ответа. В первую очередь, разумеется, сложно понять, как груды химических соединений, скопившиеся на поверхности молодой Земли, могли породить даже самые простые клетки мира РНК.

Загадки налицо и на других уровнях. Например, эксперименты, которые проводит в лаборатории Британского совета по медицинским исследованиям химик Джон Сазерленд, а также труды других наших коллег многое говорят нам о том, какие химические пути могли привести к созданию строительного материала для РНК – молекулярных соединений под названием рибонуклеотиды. Но те же самые эксперименты показали, что одновременно с материалами, из которых могли возникнуть предшественники РНК, с неизбежностью должны синтезироваться и другие близкородственные молекулы. Предбиологические химические реакции не зависели от белковых ферментов, которые контролируют синтез всего в современных клетках, и поэтому порождали гораздо более беспорядочную смесь продуктов. Тогда почему из этой каши материализовалась именно РНК, а не какая-нибудь ее «троюродная сестра»? С этим связан другой важный вопрос: может быть, на экзопланетах в качестве первой генетической молекулы жизни возникла не РНК, а какая-то другая молекула? Или, скажем, в природе химии как таковой есть нечто, что способствует возникновению именно РНК, и тогда любая жизнь во вселенной должна начинаться с тех же самых РНК-соединений? Казалось бы, такие масштабные вопросы относятся скорее к метафизике, чем к биохимии, однако недавние исследования показали, что на них можно получить убедительные ответы в результате систематического изучения химических закономерностей.