Разобравшись с синтезом простых и сложных атомов, происхождением Солнца и Земли, природой химических реакций и необходимостью воды, мы теперь можем обратиться к теме самой жизни. Хотя естественно было бы, кажется, начать с происхождения жизни, но к этому вопросу, до сих пор окончательно не решенному, лучше подойти после того, как мы рассмотрим основные молекулярные качества самой жизни. Для такого человека, как я, последние 30 лет посвятившего поиску объединенной теории фундаментальных природных взаимодействий, знакомство с этими качествами раскрывает поразительное биологическое единство. Мы не знаем точного числа населяющих Землю различных биологических видов, от микробов до ламантинов, но исследования дают оценки от низких, исчисляемых миллионами, до высоких, исчисляемых триллионами. Каким бы ни было точное их число, оно огромно. Разнообразие видов, однако, дает неверное представление о замечательной природе внутреннего устройства жизни.
Рассмотрите внимательно живую ткань, и обнаружите «кванты» жизни — клетки, мельчайшие частицы этой ткани, которые можно признать живыми. Независимо от источника, клетки имеют так много общих свойств, что неопытному глазу при рассмотрении изолированного образца было бы очень трудно отличить мышь от мастифа, черепаху от тарантула, комнатную муху от человека, и это замечательно. Но ведь такого не может быть — наши клетки должны нести на себе очевидный и значительный отпечаток. Однако ничего подобного нет. Причина, установленная в последние несколько десятилетий, состоит в том, что вся сложная многоклеточная жизнь произошла от одного и того же одноклеточного предкового вида. Клетки похожи, потому что их родословная началась с одной и той же стартовой точки[71].
Это важный факт. Жизнь в ее многочисленных воплощениях, в принципе, могла бы иметь множество различных истоков. Могло быть так, что родословная морского моллюска восходила бы к одному источнику, а родословные вомбата или орхидеи — к другим. Но данные явно указывают, что при поиске источника жизни все родословные сходятся к одному общему предку. Два универсальных свойства жизни делают это предположение еще более убедительным. Каждое из них иллюстрирует глубокую общность всего живого. Первое, и более знакомое всем нам, имеет отношение к информации: как клетки кодируют и используют информацию, которая управляет жизненными функциями. Второе, не менее важное, но менее знаменитое, относится к энергии: как клетки берут под контроль, хранят и используют энергию, необходимую для реализации жизненных функций. В том и в другом мы увидим, что при всем впечатляющем разнообразии жизни на Земле конкретные процессы совершенно идентичны.
Один из способов понять, что кролик жив, — увидеть, что он движется. Разумеется, камень тоже может двигаться. Сильное течение может толкать его вниз по руслу ручья, а извержение вулкана способно забросить его высоко в небо. Разница в том, что движение камня можно полностью осмыслить (и даже предсказать) на основе анализа действующих на него внешних сил. Расскажите мне подробно о ручье или извержении, и я смогу с приличной точностью определить, что произойдет дальше. Предсказать движение кролика сложнее. Решающим фактором в его движении является активность в пределах того, что Шредингер называл «пространственными границами» кролика, — его внутренняя активность. Кролик морщит нос, поворачивает голову, бьет лапами — и все это выглядит так, будто он обладает собственной волей. Вопрос о том, действительно ли кролик или любая другая форма жизни (включая нас) обладает подобной независимой волей, служил предметом ожесточенных споров не одну сотню лет; мы поговорим о нем в следующей главе, так что не будем задерживаться на нем сейчас. Пока же мы можем сойтись на том, что если активность внутри камня практически никак не сказывается на его движении, которое мы наблюдаем, то скоординированные, сложные и целенаправленные движения кролика ясно говорят о том, что кролик живой.
Такая диагностика не вполне безошибочна. Автоматизированные системы могут выполнять аналогичные в общем-то движения, а с развитием технического прогресса способность механизмов имитировать жизнь еще повысится. Но это лишь подчеркивает главное: движение того рода, о котором мы говорим, возникает из взаимодействия между информацией и средствами исполнения, между тем, что мы могли бы назвать программным обеспечением и техническими средствами. Для автоматизированных систем такое описание буквально. Беспилотные летательные аппараты, машины с автопилотом, роботы-пылесосы и т. п. управляются программами, которые на входе принимают данные из окружающей среды, а на выходе определяют отклик, реализуют который бортовые механизмы — от крыльев до роторов и колес. Для кролика такое описание — метафора. Тем не менее парадигма «программа — механизм» — полезный способ размышления в том числе и о жизни. Кролик собирает сенсорные данные об окружающей среде, прогоняет их через «нервный компьютер» (мозг), который, в свою очередь, посылает по нервным путям информационные сигналы — объесть лужайку клевера, перепрыгнуть через упавшие ветви и так далее, — которые порождают физические действия. Движение кролика является результатом внутренней обработки и передачи сложного набора инструкций, проходящего по его физической структуре, то есть биологическая программа управляет биологическим механизмом. В камне такие процессы полностью отсутствуют.
Углубившись в отдельную клетку кролика, мы обнаружим, что и в куда меньшем масштабе работают те же идеи. Подавляющее большинство функций клетки выполняется белками — большими молекулами, которые катализируют и регулируют химические реакции, переносят необходимые вещества и управляют конкретными проявлениями, такими как форма и движение клетки. Белки строятся из различных комбинаций 20 элементов меньшего размера, аминокислот, примерно так же, как слова английского языка складываются из 26 букв.
И как для появления осмысленных слов буквы должны выстраиваться в определенном порядке, так и пригодные для использования белки требуют, чтобы аминокислоты связывались в цепочки в определенной последовательности. Если сборку белка оставить на волю случая, вероятность того, что нужные аминокислоты столкнутся друг с другом в последовательности, необходимой для получения конкретного белка, будет близка к нулю. Число способов, которыми 20 различных аминокислот можно связать в длинную цепочку, делает это очевидным: для цепочки из 150 аминокислот (небольшая белковая молекула) существует около 10195 вариантов расстановки — намного больше, чем частиц в наблюдаемой Вселенной. И как пресловутая группа обезьян, без устали колотящих по клавиатуре и печатающих случайные буквы, не сможет напечатать что-нибудь более объемное, чем «Быть или не быть», так и слепой случай не в состоянии создать конкретные белки, необходимые для жизни.
На самом деле для синтеза сложных белков требуется набор инструкций, которые пошагово определяют этот процесс: прицепить эту аминокислоту к той, затем добавить вот эту, следом вон ту и так далее. То есть для синтеза белков требуется клеточное «программное обеспечение». И внутри каждой клетки такие инструкции имеются. Они закодированы в ДНК — химическом соединении, поддерживающем жизнь, геометрическую архитектуру которого открыли Уотсон и Крик.
Каждая молекула ДНК имеет форму знаменитой двойной спирали, длинной закрученной лестницы, перекладины которой состоят из парных опор — более кротких молекул, называемых основаниями и обычно обозначаемых А, Т, Г и Ц (формальные названия значения для нас не имеют, но этими буквами обозначаются аденин, тимин, гуанин и цитозин). Члены одного биологического вида имеют по большей части одинаковую последовательность букв. У человека ДНК-последовательность насчитывает около 3 млрд букв, причем ваша последовательность отличается от последовательности Альберта Эйнштейна, или Марии Кюри, или Уильяма Шекспира, или кого угодно другого меньше чем на четверть процента — примерно на одну букву каждой цепочки из 500 букв[72]. Но, радуясь тому, что вы обладаете геномом, настолько близким к геному любой из самых уважаемых знаменитостей в истории (и самых отъявленных негодяев тоже), также обратите внимание, что ваша ДНК-последовательность на 99 % совпадает с ДНК-последовательностью любого шимпанзе[73].
Небольшие генетические различия могут приводить к очень серьезным последствиям.
При формировании перекладин лестницы ДНК основания соединяются в пары по строгому правилу: брусок А на одной стороне лестницы соединяется с бруском Т на другой стороне, а брусок Г соединяется с бруском Ц. Таким образом, цепочка оснований на одной стороне лестницы однозначно определяет цепочку на второй стороне. И именно в цепочке букв мы обнаруживаем, помимо другой жизненно важной клеточной информации, инструкции, определяющие, какие аминокислоты будут связаны с какими, и управляющие синтезом видоспецифичного набора белков, без которого не может обойтись эта форма жизни.
Вся жизнь кодирует инструкции по строительству белков одинаковым способом[74].
Приведем в одном абзаце — возможно, слишком детализированном — описание работы этого алгоритма, молекулярной азбуки Морзе, прочно встроенной в жизнь. Группы из трех последовательных букв на одной и той же нити ДНК обозначают одну конкретную аминокислоту из 20 существующих[75]. К примеру, последовательность (триплет) ЦТА обозначает аминокислоту лейцин; триплет ГЦТ обозначает другую аминокислоту, аланин; триплет ГТТ обозначает валин и так далее. Если бы вы рассматривали перекладины на сегменте одной нити ДНК и считали бы оттуда последовательность ЦТАГЦТГТТ, это означало бы следующую инструкцию: присоединить лейцин (первый триплет, ЦТА) к аланину (второй триплет, ГЦТ), который затем присоединить к валину (третий триплет, ГТТ). Белок, построенный, скажем, из тысячи связанных в цепочку аминокислот, должен быть закодирован конкретной последовательностью из 3000 букв (начало и конец любой такой последовательности также кодируется конкретными трехбуквенными цепочками, примерно как заглавная буква и точка обозначают начало и конец этого предложения). Такая последовательность составляет ген — программу сборки какого-либо белка