Новая история происхождения жизни на Земле

В 2006 году пошел слушок, что проводится целая серия любопытных экспериментов, связанных с жизнью, смертью, а также странной и неустойчивой комбинацией этих двух состояний. Сначала все выглядело как досужие разговоры в кругу коллег, потом тема медленно дозрела до последовательных обсуждений на научных конференциях и, наконец, соответствующие открытия расцвели буйным цветом в многочисленных блестящих работах, опубликованных дотоле неизвестными биологами. Марку Роту не суждено было долго пребывать в безвестности, особенно после того как Фонд Макартуров вручил ему грант для гениев в 2010 году Марк Рот — первооткрыватель в своей области, исследователь неизведанной территории. Это человек, который многое может рассказать нам не только о том, что такое «жизнь», но и что такое «жить», а также о том, что одно вполне может существовать без другого, и если не сегодня, то уж точно в те давние времена, когда жизнь на Земле только появилась.

Рот открыл, что близкие к смертельным дозы сероводорода погружают млекопитающих в состояние, которое можно описать только как приостановленная подвижность[37], анабиоз. В массовой культуре словечко это весьма распространенное, особенно благодаря научной фантастике, однако именно это и происходит на самом деле с живыми организмами, обработанными таким газом. Подвижность останавливается не только в смысле наблюдаемости — подопытные животные больше не двигаются, сильно замедляются сердцебиение и дыхание, но движения нет и на более фундаментальных уровнях. Крайне замедляются нормальные функции тканей и клеток. И происходит даже нечто более удивительное: млекопитающие теряют свою способность к терморегуляции. Они перестают быть теплокровными и переходят в низший класс хордовых — в холоднокровные. При этом они ни мертвы, ни по-настоящему живы, поскольку по своему основополагающему признаку млекопитающих они вроде как мертвы, но смерть эта временная. Она «закончится», если действие газа прекратится через какое-то определенное время, и все нормальные функции восстановятся. Помимо очевидных медицинских перспектив, это новое понимание порядка вещей раскрывает, что именно есть жизнь, а что — нет.

Мысль Рота проста: существует некое состояние между жизнью и смертью, оно не исследовано и имеет несомненный медицинский потенциал, но, кроме того, позволяет понять, как некоторые организмы смогли избежать массового вымирания. Возможно, смерть не является таким уж «непоправимым» событием, как полагают[38]. Рот надеется, что ему удастся научиться погружать организмы в это пограничное состояние, а затем возвращать обратно. Впрочем, пока у этого явления будет прозвище «приостановленная подвижность», многих это будет вводить в заблуждение. На самом деле, в английском языке[39] нет слова, которое бы точно описывало суть этого состояния между жизнью и смертью. Киношники называют это «территория зомби» и все такое в том же духе, и, может быть, неповоротливая научная общественность примет этот термин. Но мы в этом сомневаемся.

В одном из важнейших экспериментов Рота участвовали плоские черви — примитивные организмы, тем не менее живые! Конечно же, в сравнении с любым микроорганизмом никакой другой не может быть назван примитивным. Ученый снизил уровень кислорода, необходимый для дыхания этих червей. Как и всем живым существам, плоским червям необходим кислород — и много. Итак, в закрытом резервуаре, где содержались черви, снизилось содержание кислорода, и постепенно их движения замедлились, а затем они вовсе перестали двигаться. Никакие тычки и толчки не вызывали ответной двигательной реакции. Но на этом Рот свой эксперимент не закончил. Он продолжил уменьшать количество кислорода в воде, где находились черви. Плоские черви пришли в состояние «спячки» — не жизни и не смерти[40]. Жизнь и смерть, как кажется, — состояния куда более сложные, чем многие из нас думают.

Жизнь и смерть простейших организмов

Млекопитающие — одни из самых сложноорганизованных организмов, но подобные эксперименты, проведенные над ними, также показывают, что жизнь в них, очевидно, сохраняется: сердце по-прежнему бьется, кровь продолжает циркулировать по венам, нервы реагируют на раздражители, и происходит транспортировка необходимых для жизни веществ, хотя все это — в очень медленном темпе. Но что и правда интересно и важно, так это то, как сохраняется жизнедеятельность в намного менее сложных организмах, например, в бактериях и вирусах, особенно если они попадают в среду, лишенную всяких газов, или в очень холодную среду. И это не теоретические вопросы, поскольку постоянно вместе с сильными ветрами микроорганизмы улетают далеко вверх, в верхние слои атмосферы, за пределы озонового слоя — нашего основного щита против ультрафиолета из космоса. Это второй рубеж в изучении жизни и смерти: исследования верхних областей атмосферы Земли.

Через несколько дней или недель, проведенных в верхних слоях земной атмосферы, эти представители недавно открытой экосистемы (которую ученые не очень изящно назвали «верхняя жизнь») — тропосферной флоры и фауны — возвращаются обратно на поверхность планеты[41]. Но живы ли они, пока находятся в космосе?

С самого начала космической эры всем известно, что бактерии и споры грибов обнаруживаются на самых верхних уровнях земной поверхности, которые только могут быть доступны для воздушных судов. Однако никто не считал, сколько различных видов можно встретить в этой крупнейшей из всех сред обитания на планете, а ведь это пространство, по сравнению с которым другое крупнейшее обиталище живых существ — дно океана — кажется просто мелкой лужей. Однако в 2010 году началась работа, которая показала, что в любой промежуток времени в верхних уровнях могут обитать тысячи видов бактерий, грибов и безымянных родов вирусов. Кроме того, ученые Вашингтонского университета, порыскав на вершинах Каскадных гор в Орегоне, обнаружили, что пыльные ветры из Китая постоянно выносят на западное побережье Северной Америки грибы, бактерии и вирусы[42].

Факт, что микроорганизмы можно найти так высоко в атмосфере (или что атмосфера может служить транспортным каналом для межконтинентального перемещения опасных вирусов), помимо чисто биологических выводов, представляет еще и непосредственный интерес в контексте темы данной книги, пожалуй, фундаментальный для понимания части нашей истории: перемещение в атмосфере может объяснить, как первичная жизнь распространилась из источника своего зарождения на Земле. Зачем медленно дрейфовать в океане, двигаясь по воле капризных волн и течений, если по ветру можно перепрыгнуть с континента на континент меньше чем за один день. Позже мы еще вернемся к вопросу о значении обитателей верхних уровней в истории жизни на Земле, здесь же обсуждается то, живы эти организмы на протяжении всего своего воздушного путешествия или они находятся в спячке. Вот тут, рассматривая самые базовые формы жизни, мы приходим к выводу, что категории жизни и смерти несколько неполны, а то и некорректны.

Образцы «верхней жизни» собирают тремя способами: с поверхностей списанных военных самолетов, которые летают в верхних слоях атмосферы; с воздушных шаров, которые запускают в верхние слои; а также, когда сильные бури прилетают из Азии через Тихий океан, можно прямо из воздуха взять «понюшку» образца тропосферы высоко в горах. Такой воздух — настоящий «зоопарк» микрожизни. Собранные в горах высоко над уровнем моря микроорганизмы оказываются мертвыми, но перенесенные в более низкие места, на которых они предположительно находились до своего воздушного путешествия, через некоторое время, необходимое для акклиматизации, вновь оживают.

Многие из нас согласятся, что в отношении млекопитающих, да вообще всех многоклеточных, верно: что умерло, то умерло. Но для простейших это не так. Оказывается, между нашими привычными представлениями о жизни и смерти есть целое поле для исследовательской деятельности. И это новое пространство имеет огромный потенциал для понимания первого этапа истории развития жизни на Земле, объясняя, могут ли «мертвые» химические соединения при соответствующих комбинациях и заряде энергии стать живыми. Жизнь, по крайней мере простейшая жизнь, не всегда жива.

И вот наука ищет это место между жизнью и смертью. Возможно, окажется, что первая жизнь на Земле возникла из состояния, которое мы называем смертью, а возможно, из какого-то пограничного состояния, очень близкого к жизни.

Жизнь: определения понятия

Вопрос «Что такое жизнь?» является названием для нескольких книг, а самая знаменитая из них, работа начала XX века, принадлежит перу Эрвина Шрёдингера[43]. Эта небольшая книжка стала заметной вехой благодаря не только теме повествования, но и профессии автора: Шрёдингер был физиком. До него и в его времена физики насмехались над биологией и считали ниже своего достоинства тратить на нее время. Шрёдингер же начал осмыслять организмы с точки зрения физической науки и в ее терминах: «Порядок атомов в наиболее значимых частях организма и взаимодействие этих упорядоченных комплексов коренным образом отличаются от тех, что физики и химики принимают за объект своей теоретической и эмпирической работы».

В основном книга посвящена природе наследственности и мутаций (она была написана за 20 лет до открытия ДНК, когда природа наследственности все еще была великой тайной), но в финале ее Шрёдингер рассматривал физику «жития», и, в частности, писал: «Живая материя балансирует между разложением и равновесием» и «живет за счет отрицательной энтропии».

Иными словами, жизнь живет за счет метаболизма, то есть, грубо говоря, за счет еды, воды, дыхания, обмена веществ — этот последний и обозначается греческим словом «метаболизм». Это и есть ключ к пониманию природы жизни? Возможно, по крайней мере, для биолога. Но физик Шрёдингер заметил кое-что куда более глубокое: «Считать, что обмен веществ должен быть ключевым фактором — абсурд. Любой атом азота, кислорода, серы и так далее так же хорош, как и другие. В чем выгода такого обмена?» Что такого ценного, что мы называем «жизнь», содержится в нашей пище и не дает нам умереть? Для Шрёдингера ответ был очевиден: «Любой процесс, событие в природе означают усиление энтропии в том месте, где они происходят». Вот в этом и есть секрет жизни: жизнь есть материя, которая усиливает энтропию, и в этом — новая возможность отличить живое от неживого.

Шрёдингер считал, что жизнь поддерживается, извлекая «порядок» из окружающей среды, это что-то, что мы называем неуклюжим словосочетанием «отрицательная энтропия». Жизнь, таким образом, — «приспособление», с помощью которого большое количество молекул поддерживают сами себя на весьма высоком уровне упорядоченности, постоянно «высасывая» эту упорядоченность из своего окружения. Шрёдингер предположил, что организмы не только создают порядок из беспорядка, но также — порядок из другого порядка.

Это и есть жизнь — механизм, который меняет природу упорядоченного и разупорядоченного? С точки зрения физики жизнь можно представить как ряд химических механизмов, совмещенных и как-то урегулированных между собой в единое целое, и которые поддерживают порядок, поглощая для этого энергию. Многие десятилетия это определение жизни было самым авторитетным из всех. Но спустя полвека многие начали пересматривать и дополнять это понимание предмета. Некоторые, как Шрёдингер, были физиками, например, Пол Дэвис и Фриман Дайсон. Но другие были биологами.

Пол Дэвис в своей книге The Fifth Miracle («Пятое чудо», 2000)[44], рассматривая вопрос «Что такое жизнь?», задает другой: «Что делает жизнь?» В соответствии с его концепцией жизнь определяется действием. Вот основные характеристики жизни.

Жизнь производит обмен веществ. Все живые организмы производят химические соединения и таким образом насыщают свои тела энергией. Но зачем им энергия? Производство и высвобождение энергии организмом и есть то, что мы называем метаболизмом, и именно таким путем жизнь собирает отрицательную энтропию, необходимую для поддержания внутренней упорядоченности. Кроме того, это же явление можно объяснить в химических терминах. Если организм перестает производить химические реакции (но не в своем теле), это означает, что жизнь организма также прекратилась. Жизнь не только сама поддерживает такое странное состояние, но и находится в постоянных поисках таких мест, где она могла бы получить энергию, необходимую для поддержания такого состояния. Некоторые места обитания на Земле более приспособлены для такой жизненной химии, чем другие (например, коралловые рифы у теплых, пронизанных солнцем поверхностей океана или горячий источник в Йеллоустонском национальном парке) — в таких местах наблюдается изобилие жизни.

У жизни есть усложненность и организация. На самом деле простой жизни — даже если она состоит из горстки (несколько миллионов) атомов — не существует. Все жизненные формы состоят из огромного числа атомов, упорядоченных самым замысловатым образом. Вот эта организация сложных систем и есть отличительная черта жизни: усложненность — не механизм, а свойство.

Жизнь воспроизводит себя. Дэвис уточняет, что жизнь должна не только создавать свои копии, но также воссоздавать механизм, позволяющий продолжать дальнейшее копирование. Как замечает Дэвис, жизнь также должна включать в себя копию копировального аппарата.

Жизнь развивается. Как только сделана копия, жизнь продолжает изменения — назовем это развитием. Это совершенно не механический процесс. Машины не растут, не меняют форму и тем более функцию вместе с ростом.

Жизнь эволюционирует. Это одно из основополагающих свойств жизни, неотъемлемое от ее существования. Дэвис описывает эту характеристику как парадокс постоянства и изменения. Гены должны воспроизводиться, а если они не могут этого делать с достаточной регулярностью, то организм умрет. А с другой стороны, если воспроизводство идеально, не будет изменчивости и не будет эволюции путем естественного отбора. Развитие — ключ адаптации, а без адаптации невозможна и жизнь.

Жизнь автономна. Эта характеристика, возможно, самая сложная для определения, хотя для жизни — основная. Организм автономен, то есть самоопределяется, может жить без постоянного воздействия со стороны других организмов. Но то, как эта автономность создается из множества частей и систем организма, по-прежнему остается загадкой.

Действие и сложное строение — одно и то же для живой системы, то есть деятельность системы состоит из непрерывного производства (и воспроизводства: белок живет не более двух дней) всех процессов и компонентов, которые объединяют все в одну производственную единицу. С этой точки зрения именно постоянное воспроизведение и обновление жизненных форм и есть сама жизнь.

Конечность, временный характер этого жизненного цикла молекул — самый важный момент для жизни в целом — недооценивался как главный ключ к пониманию того, где первая жизнь могла зародиться. Определение жизни, которое дают специалисты NASA и которое основано на любимом изречении Карла Сагана, весьма простое и заключается в следующем: «Жизнь есть химическая система, способная к дарвинистской эволюции»[45]. Здесь есть три опорных понятия. Во-первых, мы имеем дело с химическими веществами, не только с энергией.

Во-вторых, имеются в виду не просто вещества, но химические системы. Таким образом, между веществами происходит взаимодействие, они существуют не сами по себе. Наконец, речь идет о химических системах, которые обязательно подвергаются дарвинистской эволюции. Это означает, что в мире индивидов намного больше, чем запасов энергии, которая их обеспечивает — то есть некоторые умрут. Те, кто останется, выживут потому, что они являются носителями выигрышных унаследованных качеств, которые передадутся их потомкам, и, значит, обеспечат им большую способность к выживанию. Такое определение NASA/Сагана хорошо тем, что не смешивает понятия «жизнь» и «быть живым».

Что за сила соединила мертвые химические вещества так, чтобы они стали живыми? Была ли эта сила метаболизмом, а к ней уже добавилась способность к воспроизведению, или, может, все было наоборот? Если первыми являлись примитивные метаболические системы, то они обязательно должны были иметь какую-нибудь закрытую клеткообразную оболочку, и в дальнейшем у них должна была появиться способность порождать и содержать в себе молекулу, несущую информацию. А если сначала появились порождающие молекулы (такие как РНК или их варианты), то потом им необходимо было заиметь энергетическую систему, которая бы поддерживала процесс воспроизведения и позднее приобрела бы оболочку. Вот как противоречива эта проблема первичности метаболизма и воспроизводства, поставленная на химическом/молекулярном уровне: первым был белок? или полинуклеотид? Оба ли они живые? И какой путь каждому пришлось пройти от просто химических реакций до той реакции, которая породила жизнь? И если основополагающей характеристикой для живой клетки является поддержание равновесия системы, гомеостаз (то есть предполагается, что поддерживаются более-менее устойчивые химические реакции в постоянно меняющемся окружающем пространстве), то следует, что первым должен быть метаболизм. Насыщение перед размножением кажется более приемлемым положением вещей на сегодняшний день, но что касается происхождения жизни, вопросы остаются.

Энергия и определение жизни

Теперь следует рассмотреть, какую роль играет в поддержании жизни энергия. Мы определили жизнь как нечто, наделенное метаболизмом, способностью к воспроизведению и эволюционированию. Но давайте не будем рассматривать жизнь и в отрыве от энергетических потоков и преемственности порядка/беспорядка. Ясно, что для жизни недостаточно просто обладать энергией, должно быть какое-то энергетическое взаимодействие, а взаимодействие это необходимо на всех основных уровнях, чтобы поддерживать состояние неравновесной упорядоченности. Без энергии жизнь преобразуется в не-жизнь — таким образом, определение жизни не обойдется без учета поглощения и выделения энергии. Чтобы сохранить себя, жизнь стремится к состояниям, позволяющим ей постоянно укреплять свою упорядоченность через включенность в энергетические потоки. Наш тип жизни обеспечивает себя относительно малым количеством комбинаций углерода, кислорода, азота и водорода с включением некоторых других элементов в еще меньшем объеме. Таким образом возникает и существует именно та степень усложненности и взаимопроникновения, которую мы называем «жизнь». Входящий поток энергии должен быть достаточно сильным, чтобы преодолеть тенденцию химических процессов к возвращению к равновесию, то есть превратиться из живых в неживые.

То, что жизнь сопровождается обменом веществ, является одним из фундаментальных аспектов определения жизни. Для жизни на Земле первичными источниками энергии стали жар подземных недр и тепло солнечного света, последнее само по себе есть энергия — результат солнечных термоядерных реакций. Наиболее общий способ получения энергии от Солнца — фотосинтез. В этом процессе солнечный свет дает энергию для преобразования углекислоты и воды в углеродные соединения со многими химическими связями, накапливающие энергию. При распаде этих связей энергия высвобождается. Жизнь на Земле использует большое разнообразие биохимических реакций, все они включают перенос электронов. Но эта система работает, только если есть так называемый электрохимический градиент. Чем круче падение градиента, тем больше энергии высвобождается. Это означает, что некоторые типы метаболизма вырабатывают больше энергии, чем другие. Так же, как некоторые среды потребляют энергии больше прочих. Органические, углеродосодержащие соединения, обладающие наибольшим количеством сохраненной энергии, — это жиры и липиды, длинные углеродные цепочки, хранящие много энергии в своих химических связях.

Обмен веществ — это сумма всех химических реакций в организме. Вот вирус — он очень мал, типичные вирусы не более 50–100 нанометров в диаметре (учтем, что нанометр равен 10–9 м). Делятся вирусы на две группы: одни заключены в белковую оболочку, другие имеют и белковую оболочку, и дополнительное покрытие вроде мембраны. Внутри этих оболочек находится самая важная часть вируса — его геном, нуклеиновая кислота. В одних это ДНК, в других — только РНК. Число генов также сильно различается: от трех (например, оспа) до более чем 250 отдельных генов. Существует огромное количество вирусов, и если бы они считались живыми организмами, то заняли бы очень большое место в биологической классификации. Но вообще-то их относят к неживой природе.

Переработанная нами версия древа жизни, которая включает вирусы и вымершие образцы РНК-жизни. Данный вариант древа жизни требует новой систематической категории, превосходящей домен (который в свою очередь превосходит царство). РНК-жизнь нельзя вписать в принятое древо жизни. (см.: Питер Уорд. «Жизнь, которую мы не знаем» (Peter Ward, Life as We Do Not Know It, 2006).

Вирусы, которые содержат только РНК, демонстрируют, что РНК сама по себе, в отсутствие ДНК, может содержать информацию и служить фактической молекулой ДНК[46]. Это доказывает, что до ДНК и появления жизни мог существовать «мир РНК»[47]. И существование вирусов с РНК без ДНК позволяет сделать еще более удивительный вывод.

Вирусы — паразиты. Технически они классифицируются как внутриклеточные паразиты, поскольку не могут размножаться без клетки-хозяина. В большинстве случаев вирусы внедряются в клетку живого организма, захватывают органеллы, производящие белок, и начинают производить себе подобных, превращая пораженную клетку в завод по производству вирусов. Вирусы, таким образом, имеют огромное влияние на биологию зараженных «хозяев».

Самым сильным аргументом против вирусов как живых организмов является тот факт, что они не способны к самостоятельному воспроизведению и поэтому не соответствуют понятию «живой». Но следует помнить, что вирусы — безусловные паразиты, а паразиты имеют тенденцию подвергаться значительным морфологическим и генетическим изменениям, приспосабливаясь к своим «хозяевам».

Возникает вопрос: являются ли живыми другие паразиты? Паразитизм, который на деле есть весьма развитая форма хищничества, вообще рассматривается как результат долгой эволюции. Паразиты — не примитивные создания. Но, как и вирусы, они кажутся не совсем живыми. Роды простейших Cryptosporidium и Giardia, оба паразитирующие на людях и других млекопитающих, имеют периоды покоя, когда они мертвы, как и любой вирус вне организма хозяина. Без хозяина эти и прочие организмы (и тысячи других) не живут и, вероятно, не могут быть причислены к живым. Однако, попадая в хозяина, они демонстрируют все признаки жизни, которые мы знаем: метаболизм, воспроизводство, проходят отбор по Дарвину. Но если мы допустим, что вирусы — живые, а это мнение получает все более широкое распространение, то нам придется радикально переосмыслить существующее представление о древе жизни на Земле.

К вопросам о жизни на Земле можно добавить еще несколько: каково самое простое соединение атомов, которое можно назвать живым? Какова самая простая форма жизни на Земле? И что ей необходимо, чтобы остаться живой? Чтобы ответить на эти вопросы, нам необходимо понять, что требуется текущим формам жизни на планете для обретения и поддержания того состояния, которое мы выше определили как «живое». А для этого мы кратко опишем всю ту химию, которая вовлечена в процессы обретения и поддержания жизни.

Неживые составляющие земного живого организма

Из всех веществ, необходимых для жизни, нет более важного, чем вода, причем вода в одном состоянии — жидком, не в твердом (лед) и не в газообразном (пар). Земная жизнь состоит из молекул, купающихся в жидкостях. Вообще, хотя в жизненных формах можно найти много больших неустойчивых молекул, на самом деле в основном жизнь использует только четыре основных типа: липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты и белки — и все они либо погружены в жидкость (в живом организме — в воду с растворенными солями), либо служат внешними стенками для содержания молекул и воды.

Липиды, жиры, являются ключевыми ингредиентами для клеточных мембран. Они водоустойчивые из-за множества атомов водорода, но содержат мало кислорода и азота. Липиды — основные компоненты клеточных границ, стенок, которые разделяют внешнюю среду и внутреннее пространство клетки, которую мы называем живой. Эти мембраны очень тонки, они контролируют проникновение веществ в клетку и выделение веществ из нее.

Углеводы — второй важнейший тип структур, из которых состоит жизнь, их по-простому называют сахара. Соединив их «цепочкой», мы получим полисахарид, то есть «много-сахарид». Углеводы, один он или их много, являются важным строительным материалом, поскольку обладают способностью соединяться друг с другом или с другими органическими и неорганическими молекулами и образовывать молекулы большего размера.

Сахара весьма значимы еще и потому, что являются строительным элементом для следующего типа жизненных молекул — нуклеиновых кислот. Представители этой группы хранят генетическую информацию каждой клетки. Это — молекулы-великаны, в которых объединены сахара и азотсодержащие соединения, называемые нуклеотиды, которые в свою очередь созданы из меньших единиц-оснований, фосфора и других сахаров. В такой структуре самыми важными являются основания — именно они и становятся «буквами» генетического кода.

ДНК и РНК — сахара, которые из всех важных молекул жизни занимают самое главное место. ДНК, имеющая два «позвоночника» (знаменитая «двойная спираль», описанная ее открывателями, Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком), является системой хранения информации самой жизни. В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин и цитозин. Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Порядком пар обеспечивается язык жизни — это гены, которые кодируют сведения о той или иной форме жизни.

ДНК — носитель информации, а РНК? А РНК имеет только одну цепочку и является слугой для ДНК — приводит информацию в действие, или обеспечивает производство белков. Молекулы РНК схожи с ДНК, имеют спираль и основания, но отличаются обычно (но не всегда) тем, что спираль только одна.

Почему ДНК и РНК так сложно устроены? Дело в том, что информация нужна как для первичного строительства («закладка фундамента»), так и для дальнейшего решения и выполнения множества прочих задач, для того чтобы «здание» оставалось живым. ДНК — это инструкция по сборке, строительству, ремонту, а также по производству копий самой себя и всего, что в ней есть закодированного. Согласно компьютерной терминологии ДНК — это «программное обеспечение», она несет в себе информацию, но выполнять предписанное этой информацией сама не может. А белки можно принять за компьютерное «железо», аппаратное обеспечение, оно нуждается в «софте», который указывает, когда и где должны произойти те или иные химические изменения, чтобы произвести материалы, необходимые для жизни РНК имеет интересное свойство быть как программным, так и аппаратным обеспечением, а в некоторых случаях — и тем и другим одновременно.

Белок, последний из обсуждаемых ключевых материалов, имеет четыре функции для земной жизни: строительство других больших молекул, ремонт других молекул, перемещение материалов и обеспечение энергетических запасов. Белки также преобразовывают большие и малые молекулы для самых разнообразных целей и служат средством сигнализации между клетками. Существует огромное количество разнообразных белков, и мы только еще изучаем, как они работают и что именно они делают. Новым открытием, например, является то, что в выполнении своих функций для белка очень важна его схема, структура.

Все белки на Земле строятся на основе одних и тех же двадцати аминокислот. В начале XXI века мы задаем себе все тот же вопрос: эти постоянные 20 кирпичиков используются потому, что являются самым удобным строительным материалом, или потому, что они были обычным материалом в тот момент, когда возникла жизнь, а потом стали постоянно копироваться жизненными формами? Кажется, скорее всего, причиной послужило первое — они самые лучшие, по крайней мере, согласно исследованиям 2010 года[48]. Эта группа из 20 аминокислот является специфичной для Земли и, вероятно, признаком жизни именно на Земле.

Белки конструируются в клетках нанизыванием различных аминокислот в одну длинную линейную цепочку, которая в своем окончательном виде сворачивается, лишь когда все аминокислоты оказываются в ней на своих местах. Иногда белковая цепочка сворачивается в момент своего создания. Поскольку создание белка происходит добавлением аминокислот по одной в линейном специальном порядке, этот процесс часто сравнивают с построением письменного предложения, роль слов в котором играют аминокислоты.

Клетка, покрытая мембраной, полна разных молекул, объединенных в стержни, шары и листы, и все плавают в соленом растворе. В клетке насчитывается около 1000 нуклеиновых кислот и более 3000 разных белков. Все они участвуют в химических реакциях, которые, объединяясь, создают процесс, называемый жизнь. В этой однокомнатной квартирке может происходить множество химических процессов одновременно.

В клетке также находятся около 10 000 отдельных шаров, известных как рибосомы, которые довольно равномерно распределены по внутриклеточному пространству. Рибосомы состоят из трех определенных типов РНК и около 50 видов белков. Также в клетке есть хромосомы, длинные цепочки ДНК, к которым присоединяются специальные белки. ДНК в бактериях обычно расположены в одной части клетки, но не отделены от прочих внутриклеточных элементов мембраной, как это бывает у высших жизненных форм — эукариотов, в клетках которых есть ядро. Спрашивается, что же в клетках «живое»?

Современное представление «дерева жизни». Затемненные области обозначают организмы, выживающие при высоких температурах. На нем отсутствуют многие виды организмов и «до-организмов», предположительно развившихся из неорганических химических элементов и образовавших первую живую клетку.

Бактерия состоит из неживых молекул. Молекула ДНК определенно неживая в любом смысле, который может представить себе здравомыслящий человек. Клетка сама по себе содержит многие множества химических механизмов, каждый из которых по отдельности является неживой химической реакцией. Возможно, клетка жива только как единое целое. Если нам суждено узнать, как возникла жизнь в самом начале, нам необходимо будет найти клетку с наименьшим набором молекул и реакций, которые обеспечивают жизнь.

Одной из основных проблем, возникающих при рассмотрении такой простейшей клетки, является то, что как ни посмотришь, а она не такая уж и простая. Фриман Дайсон выразил этот аспект современности, задав вопрос: «Почему жизнь (по крайней мере, сегодня) такая сложная?»[49] Если гомеостаз есть необходимый атрибут жизни и если все известные на сегодня бактерии содержат несколько тысяч химических соединений (закодированных несколькими миллионами основных пар ДНК), то, кажется, это и есть минимальный геном. А ведь все бактерии пришли к нам в сегодняшний день после более чем трех, а то и более четырех миллиардов лет эволюции. Возможно, самая простая жизнь на Земле — одна из самых сложных во всей Вселенной[50].