Самые древние ископаемые в чем-то похожи на сегодняшние бактерии. Это указывает на то, что жизнь уже могла прочно утвердиться ко времени, когда имелись заключенные в мембрану клетки, наследственная система на основе ДНК и обмен веществ на основе белков.
Но что появилось первым? Самовоспроизводящиеся гены на основе ДНК, метаболизм на основе белков или охватывающие мембраны? В нынешних живых организмах эти системы формируют взаимозависимую систему, которая правильно функционирует только как одно целое. Основанные на ДНК гены могут воспроизводиться только с помощью белковых ферментов. А белковые ферменты могут строиться только по инструкциям в ДНК. Ни одно не может существовать без другого. Далее, бесспорно, что как гены, так и метаболизм зависят от наружной мембраны клетки, которая локализует необходимые химические вещества, улавливает энергию и защищает их от окружающей среды. Но мы знаем, что сегодня живые клетки пользуются генами и ферментами для построения своих тонко организованных мембран. Трудно вообразить, что кто-то из этой важнейшей троицы мог вести себя самостоятельно: если удалить один элемент, вся система быстро развалится.
Возможно, образование мембран объяснить проще всего. Мы знаем, что вид липидных молекул, из которых сделаны мембраны, может формироваться через спонтанно происходящие химические реакции при участии веществ и условий, которые, как думается, имели место на юной Земле. Когда же ученые помещают эти липиды в воду, те ведут себя несколько неожиданно: они спонтанно собираются в полые, заключенные в мембраны сферы примерно той же величины и формы, что у некоторых бактериальных клеток.
Даже при наличии вполне правдоподобного механизма образования заключенных в мембраны объектов все равно остается вопрос, что было раньше – ДНК-гены или белки. Пока что лучшее решение у ученых в ответ на задачу типа «курица или яйцо?» – ни то ни другое! Вместо них первой могла оказаться химическая кузина ДНК – РНК.
Как и в случае ДНК, молекулы РНК могут хранить информацию. Они также могут копироваться, при этом ошибки в процессе копирования вносят вариативность. Это означает, что молекула РНК может действовать как передающаяся по наследству, способная эволюционировать молекула. Именно так ведут себя сегодня вирусы на базе РНК. Другим существенным свойством молекул РНК становится способность складываться, образуя более сложные трехмерные структуры, которые могут действовать как ферменты. Ферменты на основе РНК далеко не так сложны и гибки, как белковые ферменты, но они могут катализировать некоторые химические реакции. К примеру, ряд ферментов, важных для функционирования сегодняшних рибосом, состоит из РНК. При условии, что два эти качества РНК комбинировались, они могли производить молекулы РНК, действующие и как ген, и как фермент: наследственная система и примитивный метаболизм в одном флаконе. В сумме это могло бы дать самодостаточную живую машину на основе РНК.
Некоторые ученые полагают, что такие РНК-машины могли образоваться сначала в скальных породах вокруг геотермальных источников в океанских глубинах. Мельчайшие поры в скале могли бы обеспечивать защищенную среду, а вулканическая деятельность, происходящая в земной коре, могла бы предоставлять стабильный поток энергии и химического сырья. В данных обстоятельствах есть вероятность того, что нужные для создания РНК-полимеров нуклеотиды могли образоваться, что называется, с чистого листа, за счет их сборки из более простых молекул. Сначала заключенные в скальной породе атомы металлов могли действовать как химические катализаторы, позволяя развиваться реакциям без помощи биологических ферментов. В итоге через тысячелетия проб и ошибок это могло бы привести к образованию РНК-машин, которые были бы живыми, самоподдерживающимися, самовоспроизводящимися и через какое-то время введенными в заключенные в мембраны объекты. Это явилось бы поворотным моментом в зарождении жизни: появление первых настоящих клеток.
То, что я только что изложил, выглядит правдоподобно, но не забывайте, это всего лишь чистая теория. Первые жизненные формы не оставили за собой следов, поэтому узнать, что же происходило на заре жизни и как обстояли дела на Земле более трех с половиной миллиардов лет назад, крайне трудно.
Впрочем, не так трудно представить себе, что произошло после того, как успешно сформировались первые клетки. По всему миру распространились одноклеточные микробы, шаг за шагом завоевывая моря, сушу и воздух. Затем примерно через два миллиона лет к ним присоединились более крупные и более сложные – но в течение еще очень долгого времени одноклеточные – эукариоты. Намного позже, по прошествии еще приблизительно миллиарда лет, возникли настоящие многоклеточные эукариотические организмы.
Это значит, что многоклеточная жизнь существует уже около 600 миллионов лет, одну шестую всей истории жизни. И в те времена эти организмы дали толчок к развитию всех самых крупных и большинства наглядно видимых жизненных форм, окружающих нас, в том числе величественных лесов, колоний хлопотливых муравьев, гигантских подземных грибниц, стад млекопитающих в африканских саваннах и – значительно позднее – человеческих существ.
Все это произошло путем слепого и никем не управляемого, но в высшей степени творческого процесса эволюции посредством естественного отбора. Но, признавая успехи жизни, не следует забывать, что эволюционные изменения могут быть эффективными только при условии, что некоторые члены популяции терпят неудачу в выживании и репродукции. Поэтому, хоть жизнь в целом и доказала свое упорство, долговечность и высокую приспосабливаемость, отдельные ее формы проявляют тенденцию к краткому сроку жизни и ограниченным возможностям адаптации при изменении окружающих условий. Здесь на сцену выходит естественный отбор, уничтожая старый порядок и, если в популяции имеются более подходящие варианты, пролагая дорогу для нового. Очевидно, что без смерти жизнь невозможна.
Безжалостный отсеивающий процесс естественного отбора породил много неожиданного. Одно из самых замечательных явлений – это человеческий мозг. Насколько мы можем знать, ни одно живое существо не разделяет с нами осознание своего существования. Наш обладающий самосознанием разум эволюционировал таким образом (по крайней мере, отчасти), чтобы наделить нас большей свободой действий для регулирования нашего поведения в соответствии с изменяющимся миром. В отличие от бабочек и всех прочих известных организмов мы можем сознательно делать выбор и размышлять о целях, которыми вдохновляемся.
Мозг основан на той же физике и химии, что и все остальные живые системы. Но каким-то образом из тех же самых сравнительно простых молекул и хорошо понятных сил всходят наши способности к мышлению, полемике, воображению, творчеству и страданию. Возникновение всего этого из жидкой химии нашего мозга порождает ряд чрезвычайно каверзных вопросов.
Известно, что наши нервные системы строятся на неимоверно сложных взаимодействиях миллиардов нервных клеток (нейронов), образующих триллионы соединений между ними, называющихся синапсами. Эти непостижимо изощренные и непрерывно изменяющиеся сети взаимосвязанных нейронов совместно организуют сигнальные пути, передающие и обрабатывающие объемные потоки электрической информации.
Как часто случается в биологии, по большей части мы знаем это из изучения более простых «модельных» организмов типа червей, мух и мышей. Мы довольно много знаем о том, как нервные системы собирают информацию из своего окружения, пользуясь органами чувств. Исследователи тщательно проследили движение визуальных, звуковых, осязательных, обонятельных и вкусовых сигналов через нервную систему, а также составили схемы некоторых нейронных соединений, формирующих память, генерирующих эмоциональные реакции и определяющих результирующее поведение, скажем, сокращения мускулов.
Такие исследования важны, но это лишь начало. Мы еще очень далеки от понимания того, как взаимодействия между миллионами отдельных нейронов могут, комбинируя, порождать абстрактное мышление, самосознание и условно свободную волю. Поиск удовлетворительных ответов на эти вопросы займет, вероятно, по меньшей мере весь XXI век. И я не думаю, что мы найдем опору только в традиционном научном инструментарии. Нам придется дополнительно обобщать находки психологии, философии и гуманитарных наук. Пригодится и информатика. Самые мощные разрабатываемые сегодня компьютерные программы в очень упрощенном виде имитируют обработку информации нейронными сетями жизни.
Достижения таких компьютерных систем по обработке численных данных становятся все более впечатляющими, но ничто даже отдаленно не напоминает абстрактное мышление или творческое воображение, сознание или самосознание. Нам трудно даже дать определение тому, что мы имеем в виду под этими умственными способностями. Здесь на помощь может прийти поэт, романист или художник, разрабатывая основы творческого мышления, яснее описывая эмоциональные состояния или допытываясь о смысле понятия «быть». Обладай мы более общим подходом или, по крайней мере, большей интеллектуальной согласованностью между гуманитарными и естественными науками, чтобы можно было обсуждать эти феномены, мы могли бы успешнее понимать, как и почему эволюция позволила нам развиться как химическим и информационным системам, которые каким-то образом осознали собственное существование. Нам понадобятся все наше воображение и творческие способности, чтобы понять, как могли возникнуть воображение и способность к творчеству. Вселенная непредставимо огромна. По законам вероятности крайне малоправдоподобно, что в этом бескрайнем пространстве за все бескрайнее время жизнь, тем паче сознательная жизнь, расцвела только раз, у нас на Земле. Доведется ли когда-нибудь встретить иные формы жизни – это другой вопрос. Но если да, я уверен, что они, как и мы, окажутся самоподдерживающимися физическими и химическими машинами, построенными на основе кодирующих информацию полимеров, которых создала эволюция путем естественного отбора.