Разговоры с таксистами о жизни и устройстве Вселенной - Чарльз Кокелл

могли объяснить процесс перехода от простой химии к биологии. Нам известны некоторые основы: необходима среда, которая способна обеспечить энергию, и благоприятные условия, чтобы сложились правильные химические реакции для появления клетки. На нашей молодой планете не было недостатка мест, где окружающая среда могла предоставить идеальные условия для появления жизни, – начиная от жерл на дне океана, извергающих высокотемпературные жидкости, заканчивая внутренностями древних кратеров, образованных астероидами или столкновениями с кометами. Существует огромное множество мест, в которых могли начаться жизнеполагающие реакции. Точные ингредиенты рецепта жизни до сих пор являются предметом споров, но мы знаем, что они появились на Земле и в газовых вихрях Солнечной системы. Мы обнаруживаем те же кирпичики жизни в лабораторных экспериментах, которые воссоздают условия, существовавшие на молодой Земле и в метеоритах, этих каменных свидетелях зари наших космических окрестностей.

Но что появилось первым из коктейля энергии и химических элементов – неясно. Мы не знаем, как эти простые элементы собрались в метаболические пути и цепи репликации клетки. Может, это была случайность, а может, это было неизбежно. Вот наша первая загвоздка. Если триллионы и триллионы химических реакций, происходящих на горячей влажной планете, неизбежно ведут к самовоспроизводящейся эволюционирующей биологии – к жизни, – то мы уже ближе к нашей цели: таксистам. Но если этот переход был одним-единственным шансом из невероятно большого числа, случайным явлением с такой крошечной вероятностью, что оно не могло повториться много раз даже в огромной Вселенной, тогда таксисты – невероятно редкая штука.

Когда на Земле появились молекулы, способные к репликации, то начался и их путь к усложнению. Одним из первых их достижений стало заключение в мембрану. Они стали клеточной структурой. В пределах своих стен молекулы смогли исследовать обмен веществ и другие химические реакции, которые в конце концов позволили им адаптироваться к различной окружающей среде на всей планете. Новые реакции привели к тому, что они смогли потреблять серу и железо как источник пищи. Позже – наверное, намного позже – сахар, вырабатываемый внутри клетки, помог некоторым микробам пережить усыхание на ранних массивах суши. На протяжении миллиарда лет или дольше эти микробы распространялись по планете, исследуя огромное разнообразие и комбинации эволюционных возможностей, пробираясь в укромные уголки и закоулки – от полярных ледяных шапок до жгучих недр вулканических бассейнов. Эти ранние химические вещества, по сути, избежали стремления мировых океанов разбавить, разбросать и рассеять их. Клетки завоевали мир.

После этих событий и вплоть до наших дней суша и океаны кишат микробами. Сегодня считается, что этих живых существ не миллиард и не триллион, а единица с тридцатью нулями. Официального названия для этой цифры не существует, она слишком огромна[3]. Но сложность микробов конечна. Источники энергии, которые они используют (водород, аммиак, железо, сера и другие), ограничивают их возможности. Необходима была энергетическая революция, которая позволила бы этим одноклеточным существам трансформироваться в более сложные формы, которые однажды стали бы таксистами.

Задолго до того, как микробы отпраздновали свой миллиардный день рождения на Земле, потихоньку уже шла эта революция. Она строилась на том, что некоторые клетки, известные нам как цианобактерии, обрели способность использовать солнечный свет и воду как источник энергии. Новая функция получения энергии положила начало огромной империи, так как теперь любое место, которое обладало этими двумя ингредиентами, могло стать жилищем. Эта форма фотосинтеза высвободила жизнь из всех каменистых минералов, которые так ограничивали возможность клеток получать энергию, и позволила ей распространиться по океанам и суше.

Вместе с процессом конвертации солнечной энергии в энергию, питающую цианобактерии, а позже – водоросли, растения и другие фотосинтезирующие организмы, появился и новый биохимический механизм разделения воды на водород и кислород. Водород жизненно необходим для питания клетки, а кислород – это побочный продукт, который цианобактерия отрыгивает в атмосферу. Долгое время этот газ не оказывал никакого влияния. Вступая в реакцию с железом, сероводородом и другими газами в примитивной атмосфере, кислород уничтожался. Но с течением времени источники уничтожения кислорода пропали и он начал накапливаться вследствие большого количества живых существ, способных к фотосинтезу. Иногда говорят, что цианобактерии несут ответственность за один из крупнейших актов загрязнения атмосферы за все время существования Земли, но не стоит порицать их за это микробиологическое легкомыслие, так как несчастные не ведали, что творили.

Для некоторых микробов, которые до этого момента счастливо жили в своем бескислородном мире, накопление этого нового загрязнителя стало катастрофой. Хотя мы ассоциируем этот газ с жизнью, это химически активное вещество, производящее целый калейдоскоп атомов и молекул, которые атакуют неподготовленных, повреждая важные компоненты, такие как белки и ДНК. Жизнь, подвергшаяся влиянию кислорода, должна была развить защитные механизмы, чтобы укрыться от этого нападения. Но у кислорода есть свои плюсы. Когда он соединяется с органическим материалом, то есть с молекулами, богатыми углеродом, реакция может высвободить большое количество энергии. И тут на сцену выходит аэробное дыхание – способ накопления энергии, используемый вами, мной и водителями такси. Также его можно наблюдать при куда менее контролируемом процессе, например при лесном пожаре, когда изобилующие углеродом деревья сгорают в кислороде.

С глотком кислорода у живых организмов появился доступ к большему количеству энергии и вместе с тем к возможности группировки клеток в животных. Порядка 540 миллионов лет назад кислород, который теперь составлял уже 10 % от атмосферы, дал толчок появлению животного мира. Постепенно размер животных увеличивался в своего рода гонке между хищниками и добычей: животные покрупнее более эффективно охотились, но им и проще было избежать участи быть съеденными. Кислород же спровоцировал эти эксперименты биологических форм.

Переход от одноклеточных к животным был жизненно необходимым шагом к появлению таксистов. Как и появление жизни в принципе – возможно, это было неизбежно, а может, и нет. Может, жизнь на любой планете в конце концов придет к фотосинтезу и к наполнению атмосферы кислородом? И даже если этот газ наполнит воздух, то значит ли это, что он обязательно будет использоваться для создания сложных организмов? Существ, способных прыгать, бегать и летать? Можем ли мы вообразить миры, поверхность которых усеивают только микробы? Миры, которым суждено закончить свои дни, не увидев ничего, кроме слизи микроскопических существ? Вот и еще одна преграда между развитием жизни и таксистами.

На нашем голубом шарике этот переход действительно произошел, и за сотни миллионов лет многоклеточные организмы расцвели и размножились в биосферу, которую мы знаем сегодня. Но не слишком удивляйтесь. Даже сейчас абсолютное большинство видов на нашей планете являются микробами. Мы живем в мире микробов. Растения и животные – явление запоздалое, и по сей день они зависят от микробной