Воображаемая жизнь

Мир РНК

Современные клетки работают особым образом. Для запуска химических реакций, необходимых для поддержания жизни на Земле, требуется молекула под названием фермент. Ферменты в живых системах на Земле — это белки, и этот факт объясняет, почему эксперимент Миллера-Юри привлек так много внимания после публикации его результатов. В наших клетках информация, необходимая для сборки цепочек аминокислот, составляющих наши белки, закодирована в сложной молекуле, которую мы называем ДНК, и эта информация переводится в белки другим набором сложных молекул, называемых РНК. Первый шаг в этом процессе включает считывание кода ДНК, а для этого требуются белки. Таким образом, у нас получается классическая дилемма курицы и яйца. Для расшифровки кода ДНК нам нужны белки, но мы не можем получить белки, пока не будет расшифрован код ДНК.

Возможный способ обхода этой трудности появился в начале 1980-х годов, когда было обнаружено, что некоторые виды молекул РНК в дополнение к своей обычной роли в декодировании ДНК могут выступать в роли ферментов (специальный термин для этого вида РНК — рибозим). Это привело к появлению новой версии теории «застывшей случайности», где некое подобие РНК собралось случайно, а затем начало действовать и как фермент, и как шестерёнка в цепочке синтеза белка у первых форм жизни. Эта теория, получившая название «Мир РНК», вероятно, является самой распространённой теорией происхождения жизни среди современных учёных.

Ключевым моментом здесь является то, что, как только появится прото-РНК, примитивная клетка сможет использовать её для выживания и размножения. Следовательно, эта клетка стала бы универсальным общим предком. Затем на протяжении последующих миллиардов лет естественного отбора должна была развиться вся сложность современной клетки.

Вначале был метаболизм

Конкурирующая точка зрения сводит на нет всю идею «застывшей случайности». Мы можем назвать её «Вначале был метаболизм». Согласно этому сценарию, первая живая система (или протоклетка) вообще не содержала ДНК или РНК, но запускала ряд простых химических реакций без помощи сложных ферментов за счёт каталитического действия малых молекул. Химия современной клетки развилась значительно позже благодаря стандартным процессам, связанным с естественным отбором.

Вот аналогия, которая может помочь наглядно представить себе, как работает эта концепция. Взглянем на Систему межштатных автомагистралей США. Она чрезвычайно сложна, требует наличия сети дорог, развитой отрасли, занимающейся поставками бензина, развитой отрасли, занимающейся автомобилестроением, и так далее. Если бы мы хотели объяснить, каким образом сформировалась система автодорог между штатами, существующая в наши дни, мы бы не начинали с существующих дорог и не пытались выяснить, каким образом они могли бы породить автомобили. Вместо этого мы углубились бы в прошлое, в доколумбову Америку, и взглянули на самую примитивную транспортную сеть, какой были пешеходные тропы коренных американцев. Мы поговорили бы о том, как они превратились в грунтовые дороги для фургонов, как появились первые примитивные автомобили, за которыми последовали асфальтовое покрытие и заправочные станции, и так далее. Следуя этой эволюционной линии аргументации, мы в конечном итоге дошли бы до современной системы во всей её сложности, не прибегая к помощи крайне маловероятных случайных событий.

Что из этого — «мир РНК» или «Вначале был метаболизм» — проявилось на ранней Земле раньше (если вообще проявлялось), нам ещё только предстоит выяснить. На данный момент всё, что мы можем сказать — это то, что в отношении пути возникновения жизни на нашей планете ясны лишь две вещи: (1) существовал обильный запас основных молекулярных строительных блоков, необходимых для создания живых систем, и (2) каким бы образом ни было собрано первое живое существо, оно было собрано быстро.

Иные корни, иная жизнь

Способ зарождения жизни на Земле — будь то сценарий «мир РНК», или «вначале был метаболизм», или нечто совершенно иное, — не обязательно должен быть единственным способом возникновения жизни в иных местах Вселенной. Даже в мирах с океанами жидкой воды вполне могут существовать десятки, сотни или, возможно, даже миллионы способов зарождения жизни. В этих мирах могут существовать иные молекулы, несущие иной генетический код, и иные белки, управляющие химическими реакциями. В дальнейшем нам придётся постоянно оставаться начеку, чтобы избежать того, что мы можем назвать «земным шовинизмом» — представления о том, что жизнь в иных местах должна быть чем-то похожей на жизнь на Земле. Давайте рассмотрим некоторые из способов проявления таких различий.

Какие молекулы?

Даже жизнь, «похожая на нас», то есть, основанная на химических реакциях с участием соединений углерода, происходящих в среде из жидкой воды, не обязательно должна быть такой же, как жизнь, которая нам знакома. Чтобы привести всего лишь один пример, рассмотрим структуру белков — молекул, которые действуют как ферменты, управляющие химическими реакциями в земных живых системах. Эти молекулы, как мы уже говорили, можно рассматривать как аналог цепочки, в которой каждое звено представляет собой молекулу меньшего размера, называемую аминокислотой. Существует большое количество аминокислот, которые можно получить в лаборатории, и это открывает активно развивающуюся область для исследований белков, содержащих так называемые неприродные аминокислоты, которые можно использовать для чего угодно — от новых фармацевтических препаратов до биоразлагаемых контейнеров. Однако всё дело в том, что в земных живых системах присутствует лишь небольшое количество аминокислот (20 или 22, в зависимости от того, как вы хотите посчитать).

Почему? Может ли это быть результатом ещё одной «застывшей случайности» в начале нашей истории? Если это так, то мы могли бы ожидать, что живые организмы в других местах Вселенной будут использовать белки, составленные из аминокислот, отличных от наших собственных, и, следовательно, будут иметь совершенно иной химический состав. Но если бы существовала какая-то (пока ещё не открытая) причина, по которой именно тот набор аминокислот, который использует жизнь на Земле, давал бы огромное эволюционное преимущество, то мы ожидали бы, что вся жизнь на основе углерода в иных местах Вселенной будет работать с тем же генетическим кодом, что и у нас. Подобные вопросы можно задать в отношении практически любой особенности химического состава земной жизни.

Какая жидкость?

Вода — обычное вещество во Вселенной, но необходима ли она для жизни на основе углерода? Юпитер оказывается самым засушливым местом в нашей солнечной системе — настоящей пустыней Сахара планетарного масштаба. (И действительно, данные космического аппарата «Галилео» показывают, что процент водяного пара в атмосфере Юпитера сопоставим с таковым в Сахаре.) Тем не менее, мы знаем, что в атмосфере Юпитера в результате взаимодействия, вызванного ультрафиолетовым излучением Солнца, образуются довольно сложные органические молекулы — такие, как бензол. Это означает, что сложные молекулы могут создаваться в средах, где не так много воды. Может ли такой процесс привести к реакциям типа Миллера-Юри и к появлению жизни?

Мы склонны обращать больше внимания на жизнь на основе воды, потому что это то, что мы знаем, и потому что вода — очень хорошая среда, в которой могут происходить химические реакции. В конце концов, если предполагается, что молекулы должны взаимодействовать, у них должна быть возможность перемещаться и собираться вместе, а это вне всяких сомнений возможно в жидкой среде. Но вода — не единственная жидкость вокруг нас. Например, на спутнике Сатурна Титане существуют океаны из жидкого этана и метана. Конечно же, химические реакции в ультрахолодных средах такого рода протекали бы очень медленно, но нет никаких оснований полагать, что земные временные рамки — это единственные, в которых может существовать жизнь. На другом конце диапазона возможных температур мы можем представить планеты, достаточно горячие, чтобы иметь океаны жидкой магмы (то есть, лавы). Знакомые нам молекулы не смогли бы выжить в такой жаре, но незнакомые смогли бы. Как всегда, когда мы думаем о жизни вне Земли, мы задаём больше вопросов, чем даём на них ответов.

Какие атомы?

Когда мы переходим к жизни, не похожей на нас, то есть к жизни, основанной на химии атомов, отличных от углерода, вопросы становятся более фундаментальными. Мы обладаем достаточным объёмом знаний о том, как могли возникнуть основные строительные блоки жизни на основе углерода, но проводилось очень мало исследований в отношении того, как другие виды молекул могут быть основой для жизни. Однако нетрудно представить себе, как какой-нибудь учёный, собственная химия которого основана на кремнии (или, что вероятнее, на соединениях кремния), проводит аналог эксперимента Миллера-Юри, чтобы выяснить, как возник его/её тип жизни.

А если дело дойдёт до жизни, совершенно не похожей на нас, нам придется полностью отказаться от своего пристрастия к молекулярной химии — химические базовые строительные блоки здесь могут вообще не применяться. В главе 16, где обсуждается концепция электромагнитной жизни, мы отмечаем, что наши базовые представления о том, как работают электрические и магнитные поля, гораздо лучше, чем наше понимание молекулярной биохимии. Мы знаем, что движущиеся электрические заряды создают магнитные поля, а изменяющиеся магнитные поля создают электрические поля. Однако эти базовые знания могут не особенно сильно помочь нам в объяснении какой-то сложной живой системы, которая может быть связана с такой картиной явлений электромагнитных взаимодействий.

Эволюция путём естественного отбора

Как только проблема происхождения жизни в данном мире окажется решённой, как только будет собрана одна воспроизводящаяся сущность, в игру вступает совершенно новый набор механизмов. Представьте себе, что жизнь как бы «переключает передачи». Мы уже упоминали об этом факте в предыдущей главе, где говорили об определении жизни от НАСА и знакомили с концепцией, называемой дарвиновской эволюцией. В этом разделе мы объясним, как этот процесс сформировал земную жизнь, опишем убедительные доказательства этого и докажем, что он должен быть основным процессом, определяющим развитие жизни на любой экзопланете.

Аргумент в пользу существования естественного отбора обращается к двум простым (и довольно очевидным) фактам:

• Отдельные представители вида обладают отличающимися друг от друга характеристиками, и эти характеристики могут передаваться из поколения в поколение (с возможностью изменений наподобие мутаций в земной ДНК).

• Представители вида будут конкурировать за любые ресурсы, имеющиеся в окружающей среде.

В этом-то всё и дело. На Земле, например, представители одного вида явно будут обладать разными характеристиками. Некоторые кролики смогут бегать быстрее других; форма клюва некоторых птиц позволит им более успешно добывать пищу; некоторые самцы баранов смогут спариваться чаще, чем другие. Когда Дарвин впервые предложил свою теорию эволюции, он не понимал, почему это так, и не понимал, как черты передаются от одного поколения к другому, но он знал, что разные особи различаются, и что эти различия могут передаваться по наследству. Вообще, одно из самых больших удовольствий при чтении книги «Происхождение видов…» — это следить за его подробным обсуждением разведения голубей и представлять, как он зависает в местном пабе, обсуждая что-то с другими голубеводами-любителями. (Дарвин и сам разводил голубей.)