Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле
Майкл Кристофер Маршалл
Элементы 2.0
Майкл Маршалл – британский научный журналист, чьи статьи регулярно появляются на страницах Observer, Nature, New Scientist и Telegraph. Кроме того, он редактор веб-сайта ВВС Earth. широко известного телевизионного канала, специализирующегося на научной документалистике. "Великий квест" – первая книга Маршалла, давно и с увлечением занимающегося глобальной проблемой зарождения на Земле (или не на Земле, а в глубинах космоса?) жизни. Автор взял множество интервью у исследователей, изучил наследие тех, кто робко задавался вопросом о происхождении жизни в прошлые века, и с удивлением обнаружил, что всерьез наука заинтересовалась поисками ответа на этот вопрос лишь в начале прошлого века. Теорий возникновения живого существует множество, ожесточенные споры не утихают, и автор подробно анализирует гипотезы, многие из которых представляются весьма экзотическими.
В формате PDF A4 сохранен издательский макет книги.
Майкл Маршалл
Великий квест
Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле
Издание подготовлено в партнерстве с Фондом некоммерческих инициатив “Траектория” (при финансовой поддержке Н. В. Каторжнова)
First published by Weidenfeld & Nicolson, an imprint of The Orion Publishing Group, London
Художественное оформление и макет Андрея Бондаренко
© Michael Christopher Marshall, 2020
© Max Ernst, La nature ? l’aurore (Chant du soir), 1938 © Макс Эрнст / УПРАВИС, 2023
© М. Орлов, перевод на русский язык, 2023
© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2023
© ООО “Издательство Аст”, 2023
Издательство CORPUS ®
* * *
Фонд “Траектория” создан в 2015 году.
Программы фонда направлены на стимулирование интереса к науке и научным исследованиям, реализацию образовательных программ, повышение интеллектуального уровня и творческого потенциала молодежи, повышение конкурентоспособности отечественных науки и образования, популяризацию науки и культуры, продвижение идей сохранения культурного наследия.
Фонд организует образовательные и научно-популярные мероприятия по всей России, способствует созданию успешных практик взаимодействия внутри образовательного и научного сообщества.
В рамках издательского проекта Фонд “Траектория” поддерживает издание лучших образцов российской и зарубежной научно-популярной литературы.
www.traektoriafdn.ru
Саре и Либбет
Предисловие научного редактора
Уважаемые читатели, я вам завидую. Вас ожидает развернутая Майклом Маршаллом история о том, как разные ученые искали ответы на вопрос о происхождении жизни. Хотя я написал собственную книгу на ту же тему, “Великий квест” подарил мне много интересных моментов и незнакомых фактов.
Происхождение жизни относится к глобальным вопросам из разряда “Кто мы? Откуда мы? Куда мы идем?” и, конечно, занимает многих людей. Как, где и когда зародилась жизнь на Земле, насколько это было случайно или закономерно и каковы шансы найти жизнь где-то еще во Вселенной – эти вопросы постепенно поддаются исследованию научными методами. И с начала XXI века прогресс в этой области пошел все быстрее и быстрее. “Первичный бульон” и опыт Миллера – Юри, о которых говорится в школьных учебниках, давно поставлены учеными под сомнение. На смену “первичному бульону” пришли идеи “первичной пиццы” и “первичного майонеза”, полагающие колыбелью жизни не океан, а маленькие, часто пересыхающие лужицы. Опыт Миллера – Юри, как теперь считается, воспроизводит условия не древней Земли, а комет и ледяных лун планет-гигантов. Книга Майкла Маршалла вышла в 2020 году и по актуальности описываемых теорий не отстает от строго научной литературы ни на год.
Проблема происхождения жизни не относится к какой-либо одной науке, а находится на стыке биологии, химии, геологии и даже астрономии. А значит, чтобы написать обобщающую книгу о происхождении жизни, подобную этой, необходимо разобраться в научных работах изо всех этих областей. Майкл Маршалл блестяще с этим справился. Более того, самим ученым для прогресса в этом направлении надо объединяться в междисциплинарные команды и учиться общаться с учеными других специальностей. Они начали это делать сколько-нибудь часто только в XXI веке. Маршалл подробно прослеживает, как происходил обмен идеями и как обстоятельства жизни конкретных ученых влияли на ход их мыслей. Это очень ценно, так как показывает науку изнутри.
Какова доля случайности и закономерности в появлении жизни на нашей планете? Этот вопрос напрямую связан с вопросом о вероятности встретить жизнь за пределами Земли. Если зарождение жизни закономерно и высоковероятно, в нашей Галактике должны быть миллионы обитаемых планет. И тогда со всей остротой встает парадокс Ферми: почему мы до сих пор не встретили инопланетян? Может быть, что-то мешает разумным существам расселиться по Галактике? Если же зарождение жизни маловероятно и Земля – единственная обитаемая планета на тысячу ближайших галактик, это, с одной стороны, уменьшает желание лететь к звездам в поисках братьев по разуму, а с другой стороны, поднимает ценность земной жизни до невероятно высокого уровня и требует расселять земную жизнь на другие планеты, чтобы она пережила смерть Солнца. Ни сам Маршалл, ни ученые, на которых он ссылается, не готовы дать однозначный ответ о вероятности зарождения жизни, но важность этого вопроса для всего человечества заставляет ученых работать дальше.
Конечно, и в книге Маршалла можно найти недостатки. Например, здесь нет ни одной иллюстрации, и визуалам может быть сложно воспринимать чистый текст. Первые три главы кажутся затянутыми по сравнению с другими. В четырнадцатой главе автор постарался изложить самые свежие научные достижения по проблеме происхождения жизни, и получился очень краткий, по две-три фразы, пересказ множества статей. Но это не умаляет достоинств книги.
Михаил Никитин,
научный сотрудник отдела эволюционной биохимии Научно-исследовательского института физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского, автор книги “Происхождение жизни: от туманности до клетки”
Введение
Как возникла жизнь? Для чего мы пришли в этот мир? Сложно представить себе более фундаментальные вопросы. Оба они – и о нас самих, и о наших взаимоотношениях с окружающим миром.
Казалось бы, вопрос о возникновении жизни на нашей планете относится к числу тех, что напрашиваются сами собой, однако ученые впервые задали его лишь в начале XX века. Стало быть, проблема происхождения жизни исследуется примерно одно столетие, и даже сейчас в мире насчитывается всего несколько десятков лабораторий, непосредственно занимающихся поиском ответа на этот важный вопрос.
Эта книга рассказывает о попытках ученых выяснить, как и почему на нашей планете возникла жизнь. На ее страницах представлены основные научные идеи в их развитии, а также разбор как сильных, так и слабых сторон каждой из них. Подробно проанализировать все выдвинутые теории исключительно важно хотя бы потому, что, вопреки уверениям их приверженцев, большинство из них (теорий) попросту не могут оказаться правильными. Лишь после тщательного изучения и сравнения этих гипотез мы, возможно, получим верное представление о том, как в действительности могла зародиться жизнь. В последнее время исследователи данной проблемы начали создавать что-то вроде “теории великого объединения”, у которой есть неплохой шанс оказаться правильной, – в частности потому, что она вобрала в себя лучшее из более ранних гипотез. А ведь разгадывать все новые и новые тайны можно только на основе уже имеющегося опыта.
Начало нашего рассказа относится к 1920-м годам. Именно тогда, после десятилетий, отмеченных весьма скромными успехами, был наконец предложен некий получивший широкое признание сценарий, суть которого сводилась к следующему: жизнь зародилась в “первичном бульоне”. Затем последовали новые десятки лет затишья, прерванного лишь в начале 50-х годов, когда свой эпохальный эксперимент провел Стэнли Миллер. Судя по результатам этого эксперимента, химические вещества, необходимые для жизни, могли образоваться на юной Земле самопроизвольно, то есть естественным путем.
Эксперимент Миллера заложил фундамент для новой научной отрасли – пребиотической химии, занимающейся проблемой получения веществ-“строительных блоков” жизни с использованием для этого более простых соединений. Однако в скором времени – благодаря множеству новых сведений о хитроумном устройстве живой клетки – выяснилось, что проблема происхождения жизни намного сложнее, чем представлялось. Механизмы функционирования даже самой простой бактерии оказались настолько замысловатыми и обладающими таким количеством внутренних связей, что вообразить устройство ее более примитивной “исходной” версии было нелегко. Стоило вычленить или удалить хотя бы один из ключевых компонентов – и весь организм погибал.
В итоге в 1960-е годы и позже, вплоть до конца XX века, исследователи выдвигали конкурирующие между собой идеи, каждую из которых отстаивала та или иная группа ученых. Любая такая гипотеза фокусировалась на некоем одном ключевом компоненте клетки: предполагалось, что первым возник именно он, а остальные компоненты присоединились к нему позднее в силу необходимости. Одна из подобных популярных идей – “Мир РНК” – сводится, например, к следующему: первыми образовались те простые молекулы, которые умели и кодировать в себе генетическую информацию, и создавать собственные копии.
Но все эти идеи оказались, к сожалению, нежизнеспособными, ибо ни один из компонентов клетки сам по себе не может приобрести свойства чего-то по-настоящему живого.
Наступил XXI век, и исследователи поставили перед собой задачу создать искусственным путем живые клетки – со всеми главными компонентами, однако в очень упрощенном виде и на основе очень ограниченного набора веществ. Долгое время такой подход казался нереалистичным, но в итоге именно он привел к целой серии потрясающих успехов. Хотя от прежних идей полностью не отказались, новая гипотеза имеет куда больше шансов оказаться верной. Итак, сейчас ученые склоняются к тому, что жизнь началась не с одного какого-то отдельного компонента вроде гена, а сразу с нескольких компонентов, научившихся “работать в команде”. Следовательно, жизнь – это не какие-то особенные вещества, а скорее особенное поведение ряда веществ, которые собрались вместе.
Изучая зарождение жизни, мы одновременно ищем ответ на очень важный вопрос: была ли жизнь каким-то образом предопределена? Иначе говоря, сама Вселенная устроена так, что возникновение жизни в ней закономерно, – или же жизнь возникла лишь в результате нелепой случайности?
В 1970 году французский биохимик Жак Моно в своей книге “Случайность и необходимость” (Le Hasard et la nеcessitе) решительно заявил, что Вселенная совершенно не приспособлена для жизненных форм вроде нас с вами[1 - Monod J. Le hazard et la nеcessitе. 1970. Еditions de Seuil, Paris. Published in English as Chance and Necessity by William Collins Sons & Co Ltd, 1972.][2 - Постраничные примечания, отмеченные знаком * (кроме особо оговоренных), принадлежат автору. Цифрами помечены в тексте отсылки к разделу “Примечания”, находящемуся в конце книги. – Прим. ред.]. Он делает вывод о том, что возникновение жизни на Земле было событием крайне маловероятным. И очень может статься, что за все время существования Вселенной жизнь возникла всего один раз – именно здесь, на Земле. “Вселенная не была «беременна» жизнью, как и биосфера не была «беременна» человеком, – заключает он. – Так надо ли удивляться тому, что мы, подобно только что выигравшему в казино миллион счастливчику, можем чувствовать себя странно и несколько иллюзорно?” Моно явно подпал под влияние экзистенциальных философов вроде Жана-Поля Сартра и Альбера Камю, писавших о жизни как о чем-то тошнотворном, отстраненном и лишенном моральных ориентиров, которые некогда мог предоставить Бог. Он считал, что все мы должны чувствовать себя “одинокими в безучастной бездне Вселенной”.
Высокий штиль риторики Моно годами впечатлял многих, хотя доказательств его напыщенной прозе явно недостает. Главным аргументом ученого стал случайный характер изменений в генах, который и создает новые виды в ходе эволюции. Из этого якобы следует, что ею управляет исключительно “ничем не ограниченная случайность, абсолютная, но слепая”. Моно, однако, сильно преувеличивает. Генетические мутации действительно имеют случайный характер, но то, смогут ли эти мутации сохраниться и насколько широко они распространятся, – вовсе не обязательно случайность. На самом деле в популяции закрепляются те мутации, которые предоставляют своему обладателю преимущество либо, по меньшей мере, помогают соответствующим генам получить большее распространение. Это объясняет, почему некоторые черты возникали в ходе эволюции более одного раза, на различном генетическом материале. Скажем, полет независимо друг от друга освоили насекомые, птицы и летучие мыши. Моно взглянул на историю жизни через “очки случайности”, но придавать слишком большое значение случайностям эволюции, пренебрегая при этом множеством ее закономерностей, было бы ошибкой.
Теперь давайте рассмотрим противоположную точку зрения. Нередко исследователи зарождения жизни утверждают, что возникновение живого было каким-то образом предопределено. Хотя тут есть некий намек на мистику, подобное утверждение все же имеет под собой некоторые основания.
Самым энергичным защитником неизбежности возникновения жизни был Кристиан де Дюв[3 - Blobel G. Christian de Duve (1917–2013). Nature, vol. 498, iss. 7454, p. 300. 2013.], клеточный биолог из Бельгии. В своей книге “Живая пыль” (Vital Dust) он называет жизнь “космическим императивом”[4 - De Duve C. Life as a cosmic imperative? Philosophical Transactions A, vol. 369, iss. 1936, pp. 620–623. 2011.]. Отмечая необычайную сложность устройства живых существ, де Дюв приходит к выводу, что их самопроизвольное возникновение крайне проблематично. “Нам выпали все 13 карт пиковой масти из колоды, и не единожды, а тысячи раз подряд, – пишет он. – Это совершенно невероятно, если, конечно, колода не подтасована”. Другими словами, при наличии подходящих условий жизнь зарождается с легкостью – иначе бы нас здесь просто не было. По мере развития нашего повествования мы с вами убедимся, что существует множество естественных процессов, которые способствуют образованию как химических веществ, являющихся основой жизни, так и некоторых структур, напоминающих живое, – и это подтверждает слова де Дюва. По сути, де Дюв придерживался практического правила, называемого принципом Коперника, или принципом заурядности. Его суть проста: считайте, что мы как все. Ученые приняли данный принцип на вооружение с тех самых пор, как астроном Николай Коперник доказал, что Земля вращается вокруг Солнца и не является центром Вселенной, как полагали в то время. Принцип Коперника гласит, что химический состав и условия окружающей среды на Земле, возможно, являются типичными для планет с твердой поверхностью. В таком случае на любой из них, если она более или менее напоминает Землю и вращается по подходящей орбите вокруг подходящей звезды, вероятно возникновение жизни.
Однако слишком уж увлекаться подобной идеей все-таки не стоит. Перечитайте еще раз последнюю фразу предыдущего абзаца. Видите, сколько в ней оговорок? Возникновение жизни, может, и вероятно, но – и де Дюв знал об этом – вовсе не типично. Окинув беглым взглядом известную нам Вселенную, мы увидим, что вряд ли в ней есть места, пригодные для жизни.
Представьте себе Землю, эту единственную известную нам обитаемую планету. Большая ее часть совершенно негостеприимна. Подходящая для жизни область имеет толщину максимум в несколько десятков километров и включает в себя внешнюю часть земной коры, моря и океаны, а также нижнюю часть атмосферы. Однако стоит подняться повыше, как воздух становится слишком разреженным, излучение Солнца слишком жестким, а температура – экстремальной. Что же касается земных глубин, то и там температура и давление гибельны для всего живого. Наш мир, может статься, и обитаем, но более 90 % его массы безжизненны.
За пределами Земли все выглядит еще драматичнее. Даже если миллиарды планет и приютили жизнь, в каждой звездной системе все равно остаются огромные объемы пустоты, не говоря уже о межзвездном пространстве и совершенно невообразимых просторах, разделяющих галактики. Некоторые из этих пустот имеют в поперечнике тысячи миллионов световых лет. Жизнь вряд ли отыщется внутри звезд или в черной пустоте межгалактических пространств, так что Вселенная по большей части мертва. Можно смело утверждать, что 99 % объема нашей Вселенной безжизненно, как и 99 % материи.
Вот почему заявлять, будто Вселенная имеет “благоприятствующие жизни” условия, значит неверно понимать саму суть понятия “благоприятствование”. Все обстоит ровно наоборот: условия в нашей Вселенной, за исключением всего нескольких ее крошечных уголков, крайне неблагоприятны для жизни. И если эта Вселенная для чего-то и идеальна, так разве что для пустоты, пыли, звезд и планет. Но тем не менее на поверхности некоторых из этих планет возникновение жизни все же возможно. Жизнь в космосе – явление исключительное, нечто такое, что завелось в нем без спроса.
Подобная точка зрения, хотя и является промежуточной между двумя крайностями, обозначенными Моно и де Дювом, все же ближе к позиции де Дюва. Вселенная не представляется механизмом по производству жизни, но она и не помешана на изничтожении всего живого. Вселенная в основном занята совершенно другими вещами. На протяжении нашего рассказа мы приглядимся к нескольким особенным местам на Земле, которые кажутся идеальными инкубаторами для жизни, и убедимся, что такие места во Вселенной – большая редкость.
“Великий квест” – это не только научная одиссея, но еще и рассказ о воодушевляющих, а нередко и гениальных личностях, таких, к примеру, как бесконечно эксцентричный Джон Холдейн или вспыльчивый Гюнтер Вэхтерсхойзер. Многие из героев этой книги удостоились Нобелевской премии и принадлежат к числу самых выдающихся умов прошлого века. Некоторые (вроде Карла Сагана) известны достаточно широко, имена других не слишком на слуху. И я уверен, что встреча на книжных страницах как раз с этими замечательными первопроходцами доставит вам особенное удовольствие.
К сожалению (и внимательный читатель это обязательно заметит), большинство упомянутых в книге ученых – мужчины. Первые три главы вообще не содержат ни одного женского имени, и лишь в четвертой главе мы познакомимся с Розалинд Франклин, которая появится, чтобы принять участие в открытии структуры ДНК. А потом опять – почти сплошь мужчины. Однако ничего удивительного в этом нет: ученый мир того времени был столь же привержен сексизму, что и общество в целом. Именно об этом писала в своей книге “Уступающие” (Inferior)[5 - Saini A. Inferior: How science got women wrong and the new research that’s rewriting the story. 2017. HarperCollins.] научный журналист Анжела Саини. Я добросовестно пытался найти женщин-исследовательниц возникновения жизни, которыми могла пренебречь история науки, но – тщетно. Кроме того, я искал женские имена среди соавторов статей, принадлежавших перу мужчин-руководителей лабораторий. Впрочем, было бы ошибкой, приукрашивая действительность, добавлять в наш рассказ эгалитарности. Я лишь надеюсь, что в дальнейшем история исследований тайны зарождения жизни будет отличаться большим гендерным разнообразием.
В остальном же наш квест по истории зарождения жизни в высшей степени демократичен. Проходя его, любой желающий сможет получить удовольствие и заряд вдохновения. Но нельзя забывать и о том, что, задаваясь вопросом о возникновении живого, мы также непременно спрашиваем себя – зачем мы пришли в этот мир, существует ли жизнь на других планетах и что вообще означает “быть живым”? И предлагаемая вам книга повествует о слабых и несовершенных людях, осмелившихся тем не менее попробовать разобраться в этих сложных вопросах. Погружаясь в проблему происхождения жизни, наши герои видели мерцание бесконечности.
Майкл Маршалл,
Девон, февраль 2020 года
Часть I
Первичная наука
Большинство химиков, включая меня самого, убеждено: жизнь возникла самопроизвольно из смеси различных молекул на безжизненной в то время Земле. Каким образом это произошло? Не имею понятия.
Джордж Уайтсайдс,
речь на церемонии вручения ему медали Американского химического общества Пристли за выдающиеся заслуги, 2007 год[6 - Whitesides G. M. Revolutions in chemistry. Chemical & Engineering News, vol. 85, n. 13, pp. 12–17. 2007.]
Глава 1
Величайший вопрос
Куда бы вы ни направили свой взгляд, в поле зрения обязательно окажется что-нибудь живое. Так будет, даже если вы попросту пялитесь на кирпичную стену, экран компьютера или на небо. Пускай вы не увидите крупных животных или большие растения – туда все равно попадут насекомые, микроскопические организмы или, на худой конец, неисчислимые миллионы бактерий. На нашей маленькой планете жизнь заполонила собой все – и обжигающе горячие геотермальные источники, и давящую кромешную тьму морских глубин, и сильно разреженный воздух над облаками.
Но так было не всегда. Когда-то Земля была совершенно безжизненной. В те времена наша планета являла собой шар из полурасплавленных горных пород, который без устали бомбардировали все новые метеориты и усеивали яростно извергающиеся вулканы. Морей не было и в помине, а в воздухе отсутствовал необходимый для дыхания кислород. Если бы мы каким-то чудом перенеслись назад во времени и попали на такую вот юную Землю без защитного скафандра и баллона с кислородом, то интересовало бы нас только одно: от чего мы погибнем быстрее – от удушья или от испепеления?
Однако каким-то образом нашей планете удалось превратить этот адский пейзаж в голубой и зеленый рай, который представители нашего вида в настоящее время успешно разрушают. Что же произошло? И что собой представляло первое живое существо – как оно выглядело, из чего состояло, и каким образом возникло?
