Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии

Гренландия, вообще, не очень-то зеленая. Около 982 года н. э. датский викинг, известный как Эрик Рыжий, был обвинен в убийстве и бежал. Он уплыл на запад от Исландии и там открыл остров. В этом Эрик не стал первопроходцем: остров уже был несколько раз обнаружен людьми каменного века, которые прибыли с востока Канады еще около 2500 года до н. э. Но окружающая среда Гренландии сурова и неумолима, и эти ранние культуры исчезли, оставив совсем мало следов. Эрику повезло больше, он прибыл во время так называемого средневекового теплого периода, когда условия были более мягкими. Поэтому Эрик дал острову нынешнее название, полагая, что зеленые пастбища заманят его соотечественников на запад. Замысел, очевидно, сработал, потому что вскоре была создана колония из нескольких тысяч человек и по крайней мере первоначально она процветала. Но по мере того, как теплый период стал заканчиваться, Гренландия вернулась к климатическим условиям, более типичным для Северной Атлантики, а центральный ледник вырос, покрыв почти 80 % острова. С переменой погоды островитяне изо всех сил старались сохранить свою скандинавскую систему земледелия на почвах отмелей тонкой прибрежной полосы, но и урожайность культур, и продуктивность домашнего скота снизились.

По иронии судьбы примерно в то же время, когда колония викингов начала испытывать трудности, еще одна волна иммигрантов, инуитов (эскимосов), начала зарабатывать на жизнь на севере острова особыми способами рыбалки и охоты, которые были хорошо приспособлены к местным условиям. Викинги могли бы спастись, если бы они заимствовали стратегии выживания у инуитов, но единственная запись, которую мы имеем о контакте между двумя народами, — это заметка одного викинга-поселенца о том, что от ножей викингов пролито было много инуитской крови. Это наблюдение едва ли указывает на готовность викингов учиться у своих северных соседей. Результатом стало то, что через некоторое время, в конце XV века, колония викингов разрушилась, а последние несколько жителей, по-видимому, даже прибегли к каннибализму.

Тем не менее датчане никогда не забывали о своем западном форпосте, и в начале XVIII века была организована экспедиция для возобновления связи с поселенцами. Но участники экспедиции нашли только остатки хуторов и кладбища. Однако визит все же привел к созданию более успешной колонии, которая вкупе с местными инуитами в конечном счете стала современной страной Гренландией. Сегодняшняя экономика Гренландии выросла из инуитских корней и основывается главным образом на рыбной ловле, но в последнее время все большее внимание привлекают потенциальные минеральные богатства острова. В 1960 году Геологическая служба Дании и Гренландии наняла молодого новозеландского геолога Вика Макгрегора провести геологическое изучение на юго-западе острова, недалеко от его столицы Готхоба (ныне переименован в Нуук).

Макгрегор провел несколько лет, путешествуя по региону, изрезанному фьордами, на маленькой, частично открытой лодке, достаточной только для него самого, экипажа, состоящего из двух местных жителей, и для случайного гостя. Все умещалось среди палаток, охотничьих и рыболовных инструментов, не особо отличавшихся от набора ранних инуитских колонистов, и геологического оборудования. Используя стандартные методы стратиграфии, он пришел к выводу, что породы в этом районе состоят из десяти последовательных слоев, из которых самый старый и самый глубокий, вероятно, «действительно очень древний» — возможно, ему даже более трех миллиардов лет.

В начале 1970-х годов Макгрегор послал образец древней породы в Оксфордскую лабораторию Стивена Мурбата, ученого, который обладал авторитетом в радиометрическом датировании пород. Метод измерения основывается на соотношении радиоактивных изотопов и продуктов их распада. Например, уран-238 имеет период полураспада 4,5 миллиарда лет (через цепочку нуклидов в конечном итоге до стабильного изотопа свинца); так, если возраст Земли составляет около четырех миллиардов лет, концентрация природного урана в породе за все время существования Земли сократилась в два раза. Измеряя соотношение этих изотопов в любом образце породы, ученые могут, следовательно, рассчитать, сколько времени эти породы залегают в земле. Именно этот метод Стивен Мурбат использовал в 1970 году для анализа образца породы под названием «гнейс», который Макгрегор прислал ему из прибрежной области на юго-западе Гренландии, известной как Амитсок. Удивительно, но он обнаружил, что этот гнейс содержал пропорционально больше свинца, чем любая известная доселе земная руда или горная порода. Очень высокий уровень содержания свинца означал, что гнейс из Амитсока был, как уже догадался Макгрегор, «действительно очень древним», по крайней мере 3,7 миллиарда лет — старше, чем любая порода, найденная ранее на земле.

Мурбат был настолько поражен открытием, что затем присоединился к Макгрегору в нескольких экспедициях по Гренландии. В 1971 году они вдвоем решили посетить удаленную и практически неисследованную область Исуа на краю внутреннего ледникового покрова (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Карта Гренландии с указанием местонахождения Исуа

Сначала они должны были плыть в крошечной лодке Макгрегора к началу полного айсбергов фьорда Готхоб, где поселенцы-викинги влачили свое жалкое существование в Средние века. Затем ученых подобрал вертолет, принадлежащий местной горнодобывающей компании, которая была также заинтересована в регионе, так как аэромагнитные исследования показали потенциально богатые месторождения железной руды. Ученые обнаружили, что в местных диабазах Исуа было много подушкообразных масс породы, известных как базальтовая «подушечная лава», которая были сформирована в результате извержения вулканической лавы непосредственно в морской воде из так называемых грязевых вулканов. Эти породы вновь были датированы по меньшей мере 3,7 миллиарда лет. Данное исследование ясно показало, что Земля вскоре после образования была покрыта теплыми океанами[168] с грязевыми вулканами (рис. 9.2), извергавшимися из гидротермальных жерл на дне мелких водоемов.

Рис. 9.2. Современный грязевой вулкан в Тринидаде. Могла ли первая жизнь на земле появиться в подобном грязевом вулкане, оставив следы в диабазах Исуа? Фото Майкла С. Райджела с «Викисклада»

Тем не менее настоящий сюрприз заключался в том, что получилось, когда Миник Розинг, исследователь из Геологического музея в Копенгагене, измерил соотношение изотопов углерода в диабазах Исуа. Породы содержат около 0,4 % углерода, и когда было измерено соответствующее количество двух изотопов — ¹³C и ¹²C, было установлено, что количество более тяжелого и более редкого ¹³C в породах было значительно меньше, чем ожидалось. Неорганические источники углерода, такие как атмосферный углекислый газ, содержат около 1 % ¹³C, но фотосинтез предпочитает включать более легкий изотоп ¹²C в растения и микробиологическую биомассу, поэтому низкий уровень ¹³C, как правило, является показателем наличия органического материала. Эти результаты свидетельствуют о том, что в теплых водах, окружавших грязевые вулканы Исуа, 3,7 миллиарда лет назад жили организмы, которые, как и современные растения, захватывали углерод из углекислого газа, либо из атмосферы, либо растворенный в воде и использовали его, чтобы создать на основе углерода соединения для строительства своих клеток.

Теория о породах Исуа остается спорной, и многие ученые не уверены в том, что низкий уровень найденного там ¹³C обязательно подразумевает такое раннее присутствие живых организмов. Большая часть скептицизма проистекает из того факта, что 3,8 миллиарда лет назад Земля подвергалась тому, что известно как «поздняя тяжелая бомбардировка». Это были регулярные удары астероидов и комет, обладающих энергией, достаточной для испарения любой воды с поверхности и, вероятно, также для стерилизации океанов. Открытие окаменелостей любых подобных древних фотосинтезирующих организмов, конечно, помогло бы подтвердить теорию, но породы Исуа были сильно деформированы на протяжении тысячелетий и любые такие окаменелости сейчас просто неузнаваемы. Мы должны отправиться вперед по крайней мере на несколько сотен миллионов лет — до того момента, с которого доказательства существования жизни явно присутствуют в породах в виде распознаваемых окаменелостей древних микробов.

Несмотря на отсутствие убедительных доказательств, многие считают, что изотопные данные пород Исуа обозначают самые ранние признаки жизни на Земле; и грязевые вулканы Исуа, конечно, создавали просто идеальные условия для возникновения жизни, с их теплыми щелочными водами, фонтанирующими из термальных вентиляционных жерл. Они были богаты растворенными неорганическими карбонатами и изверженными ультраосновными серпентиноподобными породами, которые были очень пористыми, пронизанными миллиардами крошечных полостей, каждая из которых могла бы быть микросредой, способной концентрировать и стабилизировать небольшое количество органических соединений. Возможно, жизнь действительно зародилась в грязях Гренландии. Возникает вопрос: как?

Проблема «гадости»

Три самые большие загадки в науке — это происхождение Вселенной, происхождение жизни и происхождение сознания. Квантовая механика тесно участвует в первой, и мы уже обсуждали ее возможную связь с третьей загадкой; как мы скоро выясним, она может также помочь объяснить и вторую загадку. Но мы должны сначала изучить вопрос о том, способны ли неквантовые объяснения представить полный отчет о происхождении жизни.

Ученые, философы и теологи, которые веками размышляли о происхождении жизни, придумали множество разнообразных теорий, начиная от Божественного творения до привнесения на нашу планету жизни из космоса (так называемая теория панспермии). Более строгий научный подход был инициирован в XIX веке учеными, такими как Чарльз Дарвин, который предположил, что химические процессы, происходящие в каком-то «небольшом теплом пруду», возможно, привели к созданию живой материи. Официальная научная теория, которая построена на предположениях Дарвина, была выдвинута независимо друг от друга русским ученым Александром Опариным и англичанином Дж. Б. С. Холдейном в начале XX века и в настоящее время широко известна как гипотеза Опарина — Холдейна. Оба предположили, что атмосфера ранней Земли была богата водородом, метаном и водяным паром, которые под воздействием молний, солнечной радиации или вулканического тепла могли образовывать смеси простых органических соединений. Они предположили, что эти соединения затем накапливаются в первичном океане, образуя теплый разбавленный органический «бульон», который существовал в течение миллионов лет, возможно омывая грязевые вулканы Исуа, пока какое-то случайное сочетание его составных частей в конечном счете не дало новые молекулы с необычным свойством: способностью копировать самих себя.

Холдейн и Опарин предположили, что появление первичного репликатора было ключевым событием, которое привело к возникновению жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Ее последующий успех будет обеспечиваться дарвиновским естественным отбором. Будучи простым объектом, репликатор порождал множество ошибок или мутаций в репликации. Эти мутантные репликаторы тогда конкурировали с немутировавшими формами за химические материалы, из которых можно построить больше репликаторов. Те, которые оказывались наиболее успешными, оставили наибольшее количество потомков, и молекулярный процесс дарвиновского естественного отбора способствовал выживанию репликаторов большей эффективности и большей сложности. Репликаторы, захватившие дополнительные молекулы, например пептиды, которые ферментативно катализируют их репликацию, получили преимущество, и некоторые из них оказались даже заключенными в пузырьках (крошечных, заполненных жидкостью или воздухом мешочках), ограниченных жирными мембранами, подобно современным живым клеткам, что защищало их от воздействия внешней среды. После того как возникла оболочка, внутренняя часть клетки стала способна поддерживать биохимические превращения — метаболизм — и создавать свои собственные биомолекулы, не допуская их утечки. Благодаря способности сохранять и поддерживать свое внутреннее состояние, оставаясь при этом изолированной от внешней среды, и родилась первая живая клетка.

Гипотеза Опарина — Холдейна научно описывает, как могла возникнуть жизнь на Земле. Тем не менее в течение нескольких десятилетий теорию никто не проверял, пока интерес к ней не проявили два американских химика.

К 1950 году Гарольд Юри был выдающимся, но весьма противоречивым ученым. Он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1934 году за открытие дейтерия, изотопа водорода, который, как вы помните из главы 3, был использован для изучения кинетического изотопного эффекта в ферментах, продемонстрировав, что их деятельность связана с квантовым туннелированием. Опыт Юри в очистке изотопов привел его к назначению в 1941 году главой части Манхэттенского проекта по обогащению урана (Манхэттенский проект — проект по созданию атомной бомбы). Тем не менее Юри со временем разочаровался в целях Манхэттенского проекта и его секретности и попытался отговорить президента США Гарри Трумэна сбрасывать бомбу на Японию. После Хиросимы и Нагасаки Юри написал статью для популярного журнала Collier’s под названием «Я испуганный человек», где предупреждал об опасности, исходящей от атомного оружия. На своей должности в Университете Чикаго он также активно выступал против антикоммунистической «охоты на ведьм» Маккарти в 1950-е годы, писал письма президенту Трумэну в поддержку Юлиуса и Этель Розенберг, которые предстали перед судом за шпионаж и в конце концов были казнены за передачу атомных секретов в СССР.

Стэнли Миллер, другой американский химик, участвовавший в проверке гипотезы Опарина — Халдейна, поступил в Университет Чикаго в качестве аспиранта в 1951 году, где занимался в первую очередь проблемами нуклеосинтеза элементов внутри звезд под руководством ученого Эдварда Теллера, известного как «отец водородной бомбы». Жизнь Миллера изменилась, когда в октябре 1951 года он посетил лекцию Гарольда Юри о происхождении жизни, в которой Юри обсуждал возможность реализации сценария Опарина — Холдейна и предполагал, что кто-то должен провести эксперименты. Очарованный идеей, Миллер перевелся из лаборатории Теллера в лабораторию Юри и принялся убеждать того стать его научным руководителем и позволить ему проводить эксперименты. Юри изначально скептически относился к полным энтузиазма студенческим планам Миллера по проверке теории Опарина — Халдейна: он прикидывал, что неорганическим химическим реакциям понадобились миллионы лет для генерации достаточного количества органических молекул, в то время как у Миллера будет всего три года, чтобы защитить кандидатскую! Тем не менее Юри был готов дать ему место и ресурсы, необходимые тому, на полгода-год. Таким образом, если эксперименты не дадут результатов, у Миллера еще будет время, чтобы перейти к более безопасному научно-исследовательскому проекту.

В своей попытке повторить условия, в которых возникла жизнь на Земле, Миллер имитировал первичную атмосферу, просто заполнив бутылку водой для имитации океана, добавил газы, которые, по его мнению, присутствовали в атмосфере: метан, водород, аммиак и водяной пар. Затем он смоделировал молнию, прокаливая смесь, которая начинала искрить. К собственному удивлению и ко всеобщему удивлению научного мира, Миллер обнаружил, что после всего недели действия искусственных молний на воссозданную первичную атмосферу в бутылке уже содержалось значительное количество аминокислот, строительных блоков для белков. Статья с описанием этого эксперимента была опубликована в журнале Science в 1953 году[169] — с Миллером в качестве единственного автора. Гарольд Юри занял очень необычную позицию, настаивая, чтобы честь открытия досталась целиком и полностью его аспиранту.

Эксперимент Миллера — Юри — как его обычно называют сегодня, несмотря на благородный жест Юри — был провозглашен первым шагом на пути создания жизни в лаборатории и остается очень важным событием в биологии. Несмотря на то что самовоспроизводящиеся молекулы не были получены в «первичном бульоне» Миллера, считалось, что аминокислоты полимеризовались бы с образованием пептидов и сложных белков и в конечном счете получились бы репликаторы Опарина — Холдейна, если бы было достаточно много времени и имелся достаточно большой объем.

С 1950-х годов десятки ученых повторяли эксперимент Миллера — Юри множеством способов с использованием различных смесей химических веществ, газов и разных источников энергии, чтобы получить не только аминокислоты, но и сахара и даже небольшие количества нуклеиновых кислот. И все же до сих пор (а прошло уже более полувека) ни одной лаборатории не удалось воссоздать «первичный бульон», который дал бы первичный репликатор Опарина — Халдейна. Чтобы понять почему, нам нужно более внимательно изучить эксперименты Миллера.

Первый момент — это сложность химической смеси, созданной Миллером. Большая часть полученного органического материала представляла собой сложные смолы наподобие тех, что хорошо знакомы химикам-органикам. Они часто видят такие вещества, когда их процедуры сложного химического синтеза нестрого контролируются и получаются побочные продукты. На самом деле легко приготовить аналогичную смолу на вашей собственной кухне, просто передержав ужин: та черновато-коричневая гадость, которую потом так трудно отмыть от дна кастрюли, довольно близка по составу к смоле Миллера. Проблема с такими химическими смесями в том, что они, как известно, не производят ничего больше, кроме такой же смолоподобной «гадости». С химической точки зрения их не назовешь «продуктивными» — они настолько сложны, что какие-то конкретные химические вещества, например аминокислоты, начинают взаимодействовать с таким количеством других различных соединений, что просто теряются в «лесу» непоследовательных химических реакций. Миллионы поваров, а также тысячи студентов-химиков производили подобные органические маслянистые смолы в течение многих столетий, однако результатом становилось лишь сложное мытье посуды.

От «гадости» к клеткам

Представьте себе, что, пытаясь приготовить первичный бульон, вы очищаете всю «гадость» со дна всех подгоревших кастрюль во всем мире, а затем растворяете все эти триллионы сложных органических молекул в океане. Теперь добавьте немного гренландских грязевых вулканов в качестве источника энергии и, возможно, искру молнии — и перемешайте. Как долго вы должны размешивать суп, прежде чем создадите жизнь? Миллион лет? Сто миллионов лет? Сто миллиардов лет?

Даже самая простая жизнь, такая как наша химическая «гадость», чрезвычайно сложна. В отличие от «гадости», однако, она также высоко-организованна. Проблема с использованием смол в качестве исходного материала для создания организованной жизни состоит в том, что случайные термодинамические силы, которые действовали на молодой Земле, — молекулярные движения, подобные движениям бильярдных шаров, о которых мы говорили в главе 2, — как правило, нарушают порядок, а не создают его. Вы бросаете курицу в кастрюлю с водой, нагреваете ее, перемешиваете, варите и получаете куриный бульон. Но вы не выливаете бульон из банки в кастрюлю в надежде получить курицу.

Конечно, жизнь не началась с курицы (или яйца). Самые простые самовоспроизводящиеся живые организмы сегодня — это бактерии, которые гораздо проще, чем любая птица[170]. Самая простая из бактерий называется микоплазма (бактерия, которая была предметом эксперимента Крейга Вентера по синтезированию жизни). Но даже эти существа являются чрезвычайно сложными формами жизни. Их геном содержит около 500 генов, которые кодируют примерно такое же количество сложных белков, и они, наряду с ферментами, создают липиды, сахара, ДНК, РНК, клеточную мембрану, хромосомы и тысячи других структур, каждая из которых гораздо сложнее, чем двигатель вашего автомобиля. На самом деле микоплазма — это не совсем полноценная бактерия, она не может выживать самостоятельно и должна получать многие биомолекулы от своего хозяина: она является паразитом и как таковая не смогла бы выжить в любом реальном «первичном бульоне». Более вероятным кандидатом можно назвать другой одноклеточный организм — цианобактерию, которая способна к фотосинтезу и, таким образом, может обеспечивать свои потребности. Если цианобактерии присутствовали на ранней Земле, они могли быть потенциальным источником низких уровней ¹³C, обнаруженных в породах Исуа в Гренландии (возрастом 3,7 миллиарда лет). Но эта бактерия является гораздо более сложной, чем микоплазма, с геномом из почти двух тысяч генов. Как долго вы должны размешивать свой океан «первичного бульона», чтобы «приготовить» цианобактерии?

Британский астроном, который ввел термин «Большой взрыв», сэр Фред Хойл, все время проявлял интерес к происхождению жизни. Вероятность того, что в результате случайных химических процессов зародилась жизнь, по его словам, столь же высока, как и вероятность того, что пронесшийся над свалкой торнадо соберет «Боинг». Дело в том — и Хойл это ярко демонстрирует, — что клеточная жизнь, какой мы ее знаем сегодня, является слишком сложной и организованной для того, чтобы возникнуть только по воле случая; ей должны были предшествовать более простые саморепликаторы.

Мир РНК

Так какими были эти ранние саморепликаторы? И как же они действовали? Поскольку они не дожили до наших дней, по-видимому не выдержав конкуренции со своими более успешными потомками, знания об их природе в основном строятся на догадках. Одна из них заключается в экстраполяции назад от сегодняшних простейших форм жизни, чтобы представить себе более простой саморепликатор, своего рода «урезанную» бактерию, которая, возможно, является предшественником всей жизни на Земле.

Проблема заключается в том, что не представляется возможным выделить простые саморепликаторы из живых клеток, так как ни один из компонентов клеток не способен к самовоспроизведению сам по себе. Гены ДНК не копируют себя, это работа фермента ДНК-полимеразы. В свою очередь, эти ферменты не воспроизводят себя, потому что они должны быть сначала закодированы в цепочках ДНК и РНК.

РНК будет играть важную роль в этой главе, так что полезно напомнить, что это такое и что она делает. РНК (рибонуклеиновая кислота) проще своей химической «сестры» ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), и здесь речь идет об одинарной спирали по сравнению с двойной спиралью ДНК. Несмотря на это различие, РНК имеет сходный со своей «сестрой» потенциал кодирования генетической информации — у нее просто нет дополнительной копии этой информации. И так же, как и у ДНК, ее генетическая информация записана четырьмя различными буквами, так что гены могут быть закодированы в РНК так же, как и в ДНК. На самом деле многие вирусы, такие как вирус гриппа, например, обладают РНК-, а не ДНК-геномами. Но в живых клетках — бактериальных, животных или растительных — РНК играет роль, отличную от ДНК: генетическая информация, записанная в ДНК, сначала копируется в РНК в процессе считывания гена, который мы обсуждали в главе 7. А поскольку, в отличие от относительно массивной и неподвижной ДНК, короткие части РНК могут свободно перемещаться по клетке, они могут нести генетические сообщения генов от хромосом к аппарату синтеза белка. При этом последовательность РНК считывается и переводится в последовательность аминокислот, которые входят в белки, например ферменты. Таким образом, в современных клетках по крайней мере, РНК является ключевым посредником между генетическим кодом, написанным на ДНК, и белками, которые идут на то, чтобы создавать остальные компоненты наших клеток.

Возвращаясь к нашему вопросу происхождения жизни, заметим, что, хотя живая клетка в целом является самовоспроизводящейся сущностью, отдельные ее компоненты таковыми не являются; подобно тому как женщина является самовоспроизводящимся организмом (с небольшой «помощью»), но ее сердце или печень — нет. Это создает проблему при попытке экстраполировать назад от сегодняшней сложной клеточной жизни к ее более простым доклеточным предкам. Если сформулировать вопрос иначе: что появилось первым — ДНК, РНК или ферменты? Если сначала были ДНК или РНК, то что их создало? Если сначала был фермент, то как он был закодирован?

Одно из возможных решений было предложено американским биохимиком Томасом Чехом, который открыл в 1982 году, что наряду с кодированием генетической информации некоторые молекулы РНК могли взять на себя функцию ферментов по катализации реакций (работа, за которую он разделил в 1989 году Нобелевскую премию по химии с Сиднеем Альтманом). Первые примеры этих рибозимов, как они были названы, нашли в генах крошечных одноклеточных организмов тетрахимен (Tetrahymena), которые являются одним из видов простейших, найденных в пресноводных водоемах; однако с тех пор выяснилось, что рибозимы играют важную роль во всех живых клетках. За их открытие быстро ухватились как за возможное решение головоломки в стиле «яйцо или курица» о происхождении жизни. Гипотеза мира РНК (такое название она получила) предполагает, что изначально химический синтез привел к образованию молекул РНК, которые могли выступать в качестве как генов, так и ферментов и, таким образом, могли одновременно кодировать свою собственную структуру (как ДНК) и делать копии самих себя (как ферменты) из биохимикатов, имеющихся в «первичном бульоне». Этот процесс копирования был первоначально достаточно бессистемным, что приводило к большому количеству мутантных версий, которые конкурировали друг с другом в «дарвиновской» молекулярной конкуренции, рассмотренной ранее. С течением времени эти репликаторы РНК привлекли белки, чтобы повысить эффективность репликации, что привело к появлению ДНК и в конце концов первой живой клетки.

Идея о том, что мир самовоспроизводящихся молекул РНК предшествовал возникновению ДНК и клеток, теперь стала почти догмой в исследованиях о происхождении жизни. Было доказано, что рибозимы могут выполнять все основные функции, которых можно ожидать от любой самовоспроизводящейся молекулы. Например, один класс рибозимов может соединить две молекулы РНК вместе, в то время как другой может разделить их. Еще одна форма рибозимов может делать копии коротких отрезков (всего лишь небольших участков) РНК-оснований. Из этих простых действий мы можем представить себе более сложные рибозимы, способные катализировать полный набор реакций, необходимых для самовоспроизведения. После того как саморепликация начала действовать, в силу вступил и естественный отбор; так что мир РНК пошел по пути конкуренции и привел в конце концов (по крайней мере так считается) к первой живой клетке.

Однако с этим сценарием не все так гладко. Хоть рибозимы и могут катализировать простые биохимические реакции, самовоспроизведение рибозимов является гораздо более сложным процессом, включающим определение самим рибозимом последовательности собственных оснований, поиск таких же химических веществ в окружающей среде и сборку этих химических веществ в правильной последовательности, чтобы создать свою точную копию. Это непростая задача даже для белков, которым повезло жить в клетках, наполненных «правильными» биохимикатами, так что сложно представить, как рибозимы умудрялись в хаотичном и грязном «первичном бульоне» совершать подобные подвиги. На сегодняшний день никому не удалось найти или создать рибозим, который смог бы взять на себя такую сложную задачу, даже в лаборатории.

Существует также более фундаментальная проблема: как создать сами молекулы РНК в «первичном бульоне». Молекула состоит из трех частей: РНК-основания, которое кодирует свою генетическую информацию (подобно ДНК-основаниям), фосфатной группы и сахара под названием рибоза. Хотя некоторые успехи были достигнуты в разработке вероятных химических реакций, которые могли бы создать РНК-основания и фосфатные компоненты в «первичном бульоне», наиболее достоверная реакция, которая дает рибозу, также производит множество других сахаров. Нет никакого известного небиологического механизма, с помощью которого рибоза могла бы быть сгенерирована самостоятельно. И даже если рибоза была создана, разместить все три компонента вместе в правильной последовательности — сама по себе сложная задача. Когда вероятные формы трех компонентов РНК сведены вместе, они просто объединяются произвольными способами в неизбежную первичную «гадость». Химики обходят эту проблему, используя специальные формы оснований, чьи химические группы модифицированы, чтобы избежать нежелательных побочных реакций — но это жульничество. И в любом случае возникновение «активированных» оснований является еще менее вероятным в первичных условиях, чем возникновение обыкновенных исходных оснований РНК.

Тем не менее химики способны синтезировать основания РНК из простых химических веществ, проводя крайне сложную серию тщательно контролируемых реакций, в которых каждый желаемый продукт из одной реакции выделяют и очищают, прежде чем брать его для следующей реакции. По оценкам шотландского химика Грэма Кэрнса-Смита, насчитывается около 140 шагов, необходимых для синтеза РНК-оснований из простых органических соединений, которые предположительно присутствовали в «первичном бульоне»[171]. Для каждого шага есть минимум пять альтернативных реакций, которых следует избегать. Это позволяет легко визуализировать химический синтез: представим себе каждую молекулу как некий вид молекулярного «кубика», причем каждый шаг соответствует броску, где число шесть позволяет генерировать правильный продукт, а любое другое число указывает на то, что продукт был получен неправильный. Таким образом, шансы любой исходной молекулы в конечном счете превратиться в РНК эквивалентны тому, чтобы выбросить шестерку на кубике 140 раз подряд.

Конечно, химики сильно повышают эти немыслимо малые шансы, тщательно контролируя каждый шаг, но в добиологическом мире приходилось полагаться только на случай. Возможно, солнце вышло в нужное время, чтобы испарить небольшой пруд с растворенными химическими веществами вокруг грязевого вулкана? Или, может быть, грязевой вулкан извергся, чтобы добавить в воду немного больше серы для создания другого набора соединений? Возможно, гроза всколыхнула смесь и ускорила еще несколько химических изменений с помощью электрической энергии? Эти вопросы можно было бы задавать и дальше, но достаточно легко оценить вероятность того, что, полагаясь только на случай, каждый из 140 необходимых шагов дал бы один правильный вариант из шести возможных: она составляла 1 к 6140 (примерно 10 109). Для того чтобы иметь статистический шанс получить РНК чисто случайным образом, вам понадобилось бы по крайней мере такое количество исходных молекул в вашем «первичном бульоне». Но 10 109 — это гораздо больше, чем число элементарных частиц во всей видимой Вселенной (около 1080). На Земле просто не было достаточного количества молекул или достаточно времени, чтобы создать значительные количества РНК в те миллионы лет, что прошли между ее формированием и возникновением жизни во времена, которыми датируются породы Исуа.

Тем не менее представьте себе, что синтез значительных количеств РНК случился путем какого-то еще не открытого химического процесса. Теперь мы должны преодолеть не менее сложную проблему укладки четырех различных оснований РНК (эквивалентных, как вы помните, четырем буквам ДНК-кода: A, G, C и T) вместе в правильной последовательности, чтобы сделать рибозимы способными к самовоспроизведению. Большинство рибозимов — это отрезки РНК длиной по меньшей мере 100 оснований. На каждой позиции на отрезке должно присутствовать одно из четырех оснований, так что есть 4100 (или 1060) различных вариантов собрать отрезок РНК длиной 100 оснований. Насколько велика вероятность того, что случайное перемешивание РНК-оснований будет генерировать только правильную последовательность вдоль длины отрезка для создания самовоспроизводящихся рибозимов?

Пока мы тут развлекаемся с большими числами, мы как раз можем посчитать. Получается, что 4100 отдельных отрезков по 100 РНК-оснований в длину будут иметь общую массу 1050 килограммов. Именно столько нам потребуется для того, чтобы иметь одну копию большинства отрезков и, следовательно, разумный шанс, что один из них будет иметь все свои основания, расположенные в правильном порядке, для того, чтобы быть способным к самовоспроизведению. Тем не менее вся масса галактики Млечный Путь, по оценкам ученых, равняется примерно 1042 килограммов.

Понятно, что мы не можем полагаться только на случай.

Конечно, возможно, что среди 4100 вероятных комбинаций 100 РНК-оснований найдется больше чем одна, способная к самовоспроизведению. Там их может быть намного больше. Там даже могут быть триллионы возможных репликаторов, которые образованы из отрезков РНК длиной 100 оснований. Возможно, самовоспроизводящиеся РНК на самом деле довольно распространенное явление и нам нужен лишь миллион молекул, чтобы иметь какой-то шанс формирования саморепликатора. Проблема с этим предположением только одна: это всего лишь предположение! Несмотря на многочисленные попытки, никто никогда не создавал ни одной самореплицирующейся РНК (или ДНК, или белка) и не наблюдал их в природе. Это неудивительно, если учесть, насколько непростой работой является саморепликация. В современном мире нужна целая живая клетка, чтобы совершить этот подвиг. Могли ли это сделать гораздо более простые системы несколько миллиардов лет назад? Конечно, они должны были это сделать, иначе мы бы здесь сегодня не рассматривали эту проблему. Но как это было достигнуто, прежде чем клетки эволюционировали, далеко не ясно.

Принимая во внимание трудности идентификации биологических саморепликаторов, мы могли бы получить представление, задавая более общий вопрос: насколько вообще сложна саморепликация в любой системе? Современные технологии предоставили нам большое количество машин, которые могут копировать материал: от копировальных машин для ЭВМ до 3D-принтеров. Может ли какое-либо из этих устройств сделать копию самого себя? Вероятно, ближе всего к этому подошел 3D-принтер, например такой, как RepRap (сокращенно от англ. Replicating Rapid Prototyper — «самовоспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов»), который является детищем Адриана Боуера из британского Университета Бата. Эти машины могут печатать свои собственные компоненты, которые затем могут быть собраны в еще один 3D-принтер RepRap.

Но не совсем. Машина печатает только пластик, а ее собственный каркас выполнен из металла, как и большинство ее электрических компонентов. Так что реплицировать он может только пластиковые детали; к тому же они должны быть вручную собраны с использованием дополнительных частей, чтобы получился новый принтер. Цель дизайнеров — сделать самовоспроизводящиеся принтеры RepRap (существует несколько альтернативных конструкций) доступными для всех. Но на момент написания этой книги мы пока далеки от построения подлинно самореплицирующейся машины.

Таким образом, если поиск самовоспроизводящихся машин не помогает нам в нашем стремлении обнаружить, насколько проста или сложна саморепликация, мы можем отойти от материального мира и изучить этот вопрос в компьютерах, где наши беспорядочные и сложные в получении химические вещества можно заменить простыми строительными блоками цифрового мира, а именно битами, которые могут иметь только значение 1 или 0. А байт данных, состоящий из 8 бит, представляет один символ текста в компьютерном коде и может быть примерно приравнен к единице генетического кода — ДНК- или РНК-основанию. Теперь мы можем задать вопрос: среди всех возможных строк байтов насколько часто появляются те, которые могут копировать сами себя на компьютере?

Здесь у нас есть огромное преимущество, так как самовоспроизводящиеся строки байтов на самом деле являются довольно распространенным явлением: мы знаем их как компьютерные вирусы. Это сравнительно короткие компьютерные программы, которые могут заразить наши компьютеры, убедив их процессоры делать кучу копий. Эти компьютерные вирусы затем проникают в нашу электронную почту, чтобы заразить компьютеры наших друзей и коллег. Так что, если мы рассматриваем память компьютера как своего рода цифровой «первичный бульон», то компьютерные вирусы можно считать цифровым эквивалентом первичных саморепликаторов.

Один из самых простых компьютерных вирусов, Tinba, имеет длину всего 20 килобайт: он очень короткий по сравнению с большинством компьютерных программ. Тем не менее Tinba успешно атаковал компьютеры крупных банков в 2012 году, проникая в браузеры их сотрудников и воруя регистрационные данные; можно сказать, этот вирус был грозным саморепликатором. В то время как 20 килобайт — мало для компьютерной программы, это тем не менее относительно длинная последовательность цифровых данных: с 8 битами в байте он соответствует 160 тысячам бит информации. Поскольку каждый бит может находиться в одном из двух состояний (0 или 1), мы можем легко вычислить вероятность случайного генерирования конкретных строк в двоичной системе. Например, шансы создания конкретной трехбитной строки, скажем, 111, составляет 1/2 × 1/2 × 1/2, или 1 к 23. Следуя той же математической логике, можно сказать, что воссоздать случайно определенную строку в 160 тысяч бит (длина вируса Tinba) можно с вероятностью 1 к 2^{120 000}. Это умопомрачительно малое число, и это свидетельствует о том, что Tinba не мог возникнуть только благодаря случаю.

Может быть, здесь, аналогично тому как мы предполагали для молекул РНК, очень много самовоспроизводящихся кодов, которые намного проще, чем Tinba, и которые могли бы возникнуть случайно. Но если бы это было так, то, конечно, компьютерные вирусы в настоящее время возникали бы спонтанно из всех несметных гигабайтов компьютерного кода, передаваемого в Интернете каждую секунду. Большинство из этих кодов, по большому счету, просто последовательности единиц и нулей (подумайте обо всех изображениях и фильмах, которые загружаются каждую секунду). Эти коды ориентированы на то, чтобы поручать нашим процессорам выполнение основных операций, например копирования или удаления. До сих пор все компьютерные вирусы, которые когда-либо заражали чей-то компьютер, показывали безошибочные признаки человеческого вмешательства. Насколько нам известно, гигантский поток цифровой информации, который протекает по всему миру каждый день, никогда спонтанно не генерировал компьютерные вирусы. Даже в рамках благоприятной для репликации среды компьютера саморепликация сложна и, насколько нам известно, никогда не происходила спонтанно.

Сможет ли помочь квантовая механика

Этот экскурс в цифровой мир демонстрирует существенную проблему в поисках происхождения жизни, которая сводится к характеру поисковой системы, используемой для приведения необходимых ингредиентов к правильной конфигурации для формирования саморепликаторов. Независимо от химических веществ, которые были доступны в «первичном бульоне», они должны были исследовать огромное пространство возможностей, прежде чем дойти до чрезвычайно сложного самовоспроизведения. Может быть, наша проблема в том, что мы ограничились поиском по правилам классического мира? Возможно, вы помните из главы 4, что квантовые теоретики в МТИ (Массачусетском технологическом институте) изначально были весьма скептически настроены по поводу отчета New York Times о том, что растения и микробы способны к квантовому поиску. Но в конце концов они пришли к идее, что фотосинтезирующие системы действительно реализовывали квантовую стратегию поиска, или квантовое блуждание. Многие исследователи, включая нас самих[172], изучали идею о том, что происхождение жизни могло аналогичным образом быть связано с каким-то квантовым сценарием поиска.

Представьте себе крошечный первичный пруд, заключенный в полостях серпентиновых пород, изверженных из грязевого вулкана под древним морем в Исуа 3,5 миллиарда лет назад, когда формировались гнейсовые слои Гренландии. Вот он, дарвиновский «небольшой теплый пруд со всеми видами солей аммония и фосфорной кислоты, со светом, теплом, электричеством и т. д., так чтобы химически могло сформироваться белковое соединение, готовое к еще более сложным изменениям…». Как раз здесь оно и могло сформироваться. Теперь представьте, что одно «белковое соединение» (это с легкостью может быть и молекула РНК), полученное в ходе химических процессов, обнаруженных Стэнли Миллером, является своего рода протоферментом (или рибозимом), который имеет некоторую ферментативную активность, но пока еще не является самовоспроизводящейся молекулой. Далее представьте, что некоторые из частиц в этом ферменте могут перемещаться на разные позиции, но не имеют возможности сделать это из-за классических энергетических барьеров. Однако, как мы уже говорили в главе 3, и электроны и протоны способны к квантовому туннелированию через энергетические барьеры, которые запрещают их классическую передачу, — функция, ключевая в действии фермента. По сути, электрон или протон существуют по обе стороны барьера одновременно. Если мы представим себе, что это происходит в наших протоферментах, то сможем ожидать различные конфигурации — нахождение частицы по обе стороны от энергетического барьера, — которые связаны с различными видами деятельности ферментов, то есть способностью к ускорению различных типов химических реакций, возможно, в том числе и самовоспроизведения.

Чтобы легче было работать с цифрами, давайте представим себе, что есть в общей сложности 64 протона и электрона в пределах воображаемого протофермента, каждый из которых способен к квантовому туннелированию в одну из двух разных позиций. Общее количество структурных вариаций, имеющихся в нашем воображаемом протоферменте, по-прежнему огромно: 264 — просто тьма возможных конфигураций. Теперь представьте, что только одна из этих конфигураций имеет то, что требуется, чтобы стать самовоспроизводящимся ферментом. Вопрос заключается в том, насколько легко найти конкретную конфигурацию, которая может привести к возникновению жизни? Появится ли вообще саморепликатор в нашем небольшом теплом пруду?

Рассмотрим сначала протофермент в качестве совершенно классической молекулы, не способной на какие-либо квантовые фокусы вроде суперпозиции или туннелирования. Молекула должна в любой момент времени быть только в одной из 264 возможных различных конфигураций, тогда вероятность того, что этот протофермент будет самовоспроизводящимся, равняется 1 к 264 — действительно чрезвычайно маленькая вероятность. В неравной борьбе с превосходящими силами противника классический протофермент просто застрял бы в одной из тех скучных конфигураций, которые не способны к самовоспроизведению.

Конечно, молекулы изменяются в результате общего термодинамического износа, но в классическом мире такое изменение происходит относительно медленно. Для того чтобы изменить одну молекулу, исходное расположение атомов должно быть разобрано, а составляющие его частицы перестроены в новую молекулярную конфигурацию. Как мы выяснили в главе 3 на примере долгоживущего коллагена динозавра, химические изменения иногда могут происходить в геологических масштабах времени. В классическом мире нашему протоферменту потребуется очень много времени, чтобы изучить даже малую долю этих 264 химических конфигураций.

Однако ситуация в корне меняется, если рассмотреть 64 ключевые частицы протофермента как электроны и протоны, которые способны к туннелированию между альтернативными позициями. Будучи квантовой системой, протофермент может существовать во всех возможных конфигурациях одновременно (квантовая суперпозиция). Причина нашего выбора числа 64 теперь становится яснее: это то же самое число, которое мы использовали, когда рассказывали в главе 8 о грубой шахматной ошибке китайского императора, чтобы проиллюстрировать возможности квантовых вычислений. Только здесь роль шахматных клеток или кубитов (квантовых битов. — Примеч. пер.) играют частицы. Наш протосаморепликатор, если он существовал достаточно долго, мог выступать в качестве 64-кубитного компьютера; и мы уже открыли для себя, насколько мощным будет такое устройство. Вероятно, он может использовать свои огромные квантовые вычислительные ресурсы для выяснения ответа на вопрос: какова правильная молекулярная конфигурация для саморепликаторов? В таком виде проблема и ее возможное решение становятся более ясными. Представим, что протофермент находится в такой квантовой суперпозиции, и тогда задача по поиску одной из 264 возможных структур, которая будет являться саморепликатором, становится разрешимой.

Но существует загвоздка. Вы, наверное, помните, что кубиты должны оставаться когерентными и запутанными для выполнения квантовых вычислений. После того как в дело вступает декогерентность, суперпозиция из 264 различных состояний разрушается и остается только одно. Помогает ли это? На первый взгляд, нет, поскольку вероятность того, что квантовая суперпозиция сколлапсирует в единственное самовоспроизводящееся состояние, такая же, как и раньше, — ничтожная (1 к 264), такая же, как шанс выбросить «решку» 64 раза подряд. Но что происходит дальше, когда квантовые процессы отклоняется от своих классических аналогов?

Если молекула не ведет себя квантово-механически и обнаруживает (почти наверняка так и будет) у себя неправильное расположение атомов, которые не в состоянии самовоспроизводиться, то для того, чтобы попробовать другую конфигурацию, ей придется включать геологически медленный процесс «разборки» и «перестройки» молекулярных связей. Но после декогерентности в квантовой молекуле каждый из 64 электронов и протонов нашего протофермента будет почти сразу же снова готов к туннелированию в суперпозицию двух возможных состояний, чтобы восстановить первоначальную квантовую суперпозицию из 264 различных конфигураций. В своем 64-кубитном состоянии квантовая молекула-протосаморепликатор сможет повторять свой поиск пути к самовоспроизведению в квантовом мире непрерывно.

Декогерентность будет быстро разрушать суперпозицию снова, но почти в тот же момент молекула окажется в другой из 264 различных классических конфигураций. И снова декогерентность разрушит суперпозицию, и снова система найдет себя в другой конфигурации; и этот процесс будет продолжаться до бесконечности. По существу, в этой относительно защищенной среде разрушение и восстановление состояния квантовой суперпозиции является обратимым процессом: «квантовая монета» постоянно «подбрасывается» процессами декогерентности и восстановления суперпозиции — а это процессы, которые идут гораздо более быстрыми темпами, чем классические образование и разрушение химических связей.

Но есть одно событие, которое остановит подбрасывание квантовой монеты. Если квантовая молекула проторепликатора в конечном счете окажется в состоянии саморепликатора, она начнет копировать сама себя и так же, как и клетки голодающих E. coli, которые мы обсуждали в главе 7, репликация заставляет систему совершить необратимый переход в классический мир. «Квантовая монета» будет необратимо «брошена», и первый саморепликатор будет рожден в классическом мире. Конечно, эта репликация будет задействовать какие-то биохимические процессы внутри молекулы или между молекулами и ее окружением. Это заметно отличается от того, что имело место до того, как состояние проторепликатора было найдено. Другими словами, должен быть механизм, который закрепляет эту особую конфигурацию в классическом мире, прежде чем она будет потеряна и молекула перейдет к следующей квантовой конфигурации.

Как выглядел первый саморепликатор

Предположение, которое мы обозначили выше, конечно, сугубо теоретическое. Но если поиск первого саморепликатора проводить в квантовом, а не классическом мире, то проблема, по крайней мере потенциально, решаема.

Для того чтобы этот сценарий работал, первичные биомолекулы-протосаморепликаторы должны были быть способны исследовать множество различных структур с помощью квантового туннелирования частиц в разные позиции. Знаем ли мы, какие молекулы могли быть способны на подобные фокусы? Ну, в определенной степени, знаем. Как мы уже выяснили, электроны и протоны в ферментах остаются относительно свободными, что позволяет им легко туннелировать в различные положения. Протоны в ДНК и РНК также способны к туннелированию, по крайней мере по водородным связям. Таким образом, мы могли бы представить себе наши первичные саморепликаторы чем-то вроде белков или молекул РНК, которые слабо удерживаются вместе водородными и слабыми электронными связями, позволяющими его частицам — протонам и электронам — свободно передвигаться по их структуре, чтобы сформировать суперпозицию из триллионов различных конфигураций.

Есть ли какие-либо доказательства такого сценария? Апурва Д. Пател, физик из Центра физики высоких энергий Индийского научного института Бангалора, является одним из ведущих мировых экспертов по квантовым алгоритмам — программному обеспечению квантовых компьютеров. Апурва предполагает, что аспекты генетического кода (последовательности оснований ДНК, которые кодируют ту или иную аминокислоту) выдают свое квантовое происхождение[173]. Здесь не самое подходящее место, чтобы вдаваться в технические подробности (а то мы слишком глубоко закопаемся в математику квантовой теории информации), но его идеи не должны нас сильно удивить. В главе 4 мы видели, как в процессе фотосинтеза энергия фотона передается в реакционный центр, следуя по нескольким путям сразу — квантовым случайным блужданием. Затем, в главе 8, мы обсуждали идею квантовых вычислений и вопрос, могла ли жизнь использовать квантовые алгоритмы для повышения эффективности определенных биологических процессов. Аналогичным образом сценарии происхождения жизни, связанные с квантовой механикой, пусть и теоретические, являются не более чем продолжением этих идей: велика вероятность того, что квантовая когерентность в биологии играла такую же роль в происхождении жизни, какую она в настоящее время играет в живых клетках.

Конечно, любой сценарий о происхождении жизни около трех миллиардов лет назад с участием квантовой механики остается весьма теоретическим. Но, как мы уже говорили, и классические объяснения происхождения жизни сталкиваются с проблемами: не так-то легко начать жизнь с чистого листа! Обеспечивая более эффективные стратегии поиска, квантовая механика, возможно, сделала задачу по созданию саморепликатора немного легче. Это почти наверняка не вся история, но квантовая механика может сделать возникновение жизни в тех древних породах Гренландии намного более вероятным.