Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности

Ученые, считающие, что УФ-излучение сыграло роль в возникновении жизни, и не утверждают, что оно могло служить основным источником энергии. Однако, по их мнению, ультрафиолет мог способствовать образованию небольших устойчивых молекул, например цианида, которые могли со временем накапливаться. С химической точки зрения, цианид действительно хороший исходный материал для синтеза других органических соединений. Для нас он ядовит, поскольку блокирует клеточное дыхание, но это скорее причудливая особенность земной жизни[40], а не следствие какого-либо более фундаментального принципа. Главная проблема в том, что достижение достаточной концентрации цианида было крайне маловероятно. Это наводит на мысль о несостоятельности теории “первичного бульона”[41]. Океаны слишком велики. При любой правдоподобной скорости образования цианида его концентрация в океане при 25 °C составила бы около двух миллионных долей грамма на литр, а этого совершенно недостаточно для того, чтобы запустить биохимические процессы. Единственный выход из этого тупика – каким-либо образом сконцентрировать морскую воду. Целое поколение ученых пыталось понять, как это могло произойти. Повысить концентрацию органических веществ в растворе можно путем вымораживания или выпаривания – но это очень жесткие методы, трудносовместимые с поддержанием клетками необходимого гомеостаза. Один сторонник цианидной теории с пеной у рта доказывал, что цианид сконцентрировался (в форме феррицианида) при испарении всего океана в результате метеоритной бомбардировки 4 млрд лет назад. Мне кажется, это просто отчаянная попытка оправдать идею, которая не работает[42]. Такие условия среды слишком неустойчивы. Чтобы приблизиться к возникновению жизни, необходима цепь глобальных изменений внешних условий, но живые клетки при этом представляют собой стабильные структуры (их элементы непрерывно заменяются, но общее строение остается неизменным).

Гераклит говорил, что в одну реку нельзя войти дважды. Но он не имел в виду то, что река перед второй попыткой могла испариться или замерзнуть (или утечь в космическое пространство). Так же, как река течет по постоянному (по человеческим меркам) руслу, так и жизнь непрерывно обновляется, в то время как ее форма остается неизменной. Живые клетки остаются клетками, даже когда все их части заменяются в ходе непрерывного круговорота веществ. Может ли быть иначе? Я сомневаюсь. В отсутствие информации, задающей структуру – как, логично предположить, было на заре возникновения жизни, до появления способных реплицироваться молекул, – структура могла возникнуть и без этого. Но поддержание ее требовало непрерывного поступления энергии. Поток энергии провоцирует самоорганизацию материи.

Вы, вероятно, знакомы с диссипативными структурами Ильи Пригожина, например конвекционными токами, возникающими в кипящем чайнике, или крутящейся воронкой, которую образует вода над отверстием слива. Никакой информации для возникновения таких структур не требуется. Конвекционные ячейки появляются в результате неравномерного нагрева жидкости, а воронка образуется согласно закону сохранения момента импульса. Диссипативные структуры возникают за счет притока энергии и материи. Ураганы, тайфуны, водовороты – все это примеры диссипативных структур. Множество их возникает в океане и атмосфере (из-за разницы в потоках солнечной энергии на экваторе и на полюсах).

Мощные океанические течения и ветра не обусловлены никакой информацией. Они стабильны и непрерывны, как и поток энергии, которая их питает. Большое красное пятно на Юпитере представляет собой громадный шторм, антициклон, в несколько раз превышающий размер Земли. Он существует минимум несколько столетий. Все диссипативные структуры требуют непрерывного поступления энергии – как конвекционные ячейки существуют до тех пор, пока электрический ток заставляет воду кипеть и испаряться. В общем, они представляют собой зримые проявления неравновесных процессов, в которых поток энергии поддерживает структуру до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие (в случае звезд это миллиарды лет) и структура не коллапсирует. Главная идея: за счет потока энергии могут появляться устойчивые физические структуры предсказуемого строения. К информации это не имеет никакого отношения, но мы увидим, что такие механизмы способны породить условия, благоприятные для возникновения биологической информации, репликации и отбора.

Согласно современным представлениям, основанным на химическом анализе древнейших горных пород и кристаллов циркона, атмосфера древней Земли была относительно нейтральной и состояла в основном из двуокиси углерода, азота и паров воды, подобно вулканическим газам.