13,8 миллиарда лет назад, когда произошел Большой взрыв и родилась Вселенная, углерода не существовало. Тогда было так жарко, что всё вещество должно было существовать в виде частиц, которые мы называем протонами и нейтронами. Изначально протонов и нейтронов было поровну. Однако по мере расширения Вселенная остывала. Примерно через минуту после Большого взрыва температура должна была упасть приблизительно до миллиарда градусов, что в сто раз выше температуры в недрах Солнца. При такой температуре нейтроны начинают распадаться, образуя больше протонов.
Если бы происходило только это, то всё вещество Вселенной в итоге оказалось бы состоящим из простого элемента – водорода, ядро которого содержит единственный протон. Однако некоторые нейтроны сталкивались с протонами, сливались и образовывали другой простейший элемент – гелий, ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов. Но в молодой Вселенной не могли образовываться более тяжелые элементы, типа углерода и кислорода. Трудно представить, что какая-то живая структура может состоять только из водорода и гелия. В любом случае, молодая Вселенная все равно оставалась еще слишком горячей для того, чтобы атомы могли создавать молекулы.
Вселенная продолжала расширяться и остывать. Но в некоторых ее участках плотность оказывалась несколько выше, чем в других, и в них гравитационное притяжение дополнительной материи замедляло расширение вплоть до полного прекращения этого процесса. Коллапс вещества стал приводить к образованию звезд и галактик. Это началось примерно через два миллиарда лет после Большого взрыва. Некоторые из первых звезд должны были быть массивнее нашего Солнца, температура их тоже была выше и способствовала превращению первоначальных гелия и водорода в более тяжелые элементы, такие как углерод, кислород и железо. Это могло происходить в течение нескольких сотен миллионов лет. В результате некоторые звезды взрывались, превращаясь в сверхновые, и рассеивали тяжелые элементы в космическом пространстве, что стало сырьем для новых поколений звезд.
Другие звезды слишком далеки от нас, и мы не в состоянии непосредственно увидеть, есть ли у них планетные системы. Однако есть два способа, позволяющих обнаружить наличие планет у звезд. Первый – следить за звездой и наблюдать, остается ли неизменным поток исходящего от нее света. Если планета оказывается между звездой и земным наблюдателем, то она слегка затмевает свет звезды. Если это происходит регулярно, значит, планета обращается на околозвездной орбите. Второй способ – точное измерение положения звезды. Если вокруг звезды обращается планета, она вызывает слабое колебание положения звезды. Если колебания происходят неоднократно и регулярно, можно сделать вывод, что у звезды есть как минимум одна планета.
Эти способы впервые были применены около двадцати лет назад. К настоящему времени благодаря им у далеких звезд обнаружено несколько тысяч планет. По некоторым расчетам, в среднем каждая пятая звезда обладает планетой, похожей на Землю, которая находится от звезды на расстоянии, приемлемом для существования жизни в том виде, как мы ее знаем.
Наша Солнечная система образовалась примерно 4,5 миллиарда лет назад, или чуть меньше 9 миллиардов лет после Большого взрыва, из газа, содержащего остатки ранних звезд. Земля сформировалась преимущественно из тяжелых элементов, в том числе из углерода и кислорода. Каким-то образом отдельные атомы смогли объединиться в виде молекул ДНК. Это та самая знаменитая двойная спираль, обнаруженная в 1950-е годы Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Две цепочки спирали связываются парой нуклеотидов. Известны четыре нуклеатида: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Аденин в одной цепочке всегда связывается с тимином в другой, а гуанин – с цитозином. Таким образом, последовательность нуклеотидов в одной цепочке определяет уникальную комплементарную последовательность в другой. Две цепочки могут отдаляться, и каждая действует как образец для создания последующих цепочек. Молекулы ДНК способны воспроизводить генетическую информацию, закодированную в последовательности нуклеотидов. Части последовательности могут использоваться для производства протеинов и других химических соединений, которые способны нести инструкции, закодированные в последовательности, и собирать сырье для ДНК для самовоспроизводства.
Как я уже говорил, мы не знаем, каким образом появились молекулы ДНК. Поскольку шансы возникновения молекул ДНК благодаря случайным комбинациям чрезвычайно малы, многие склонны предполагать, что жизнь на Земле появилась откуда-то извне, например, благодаря обломкам, оторвавшимся от Марса в тот период, когда планеты находились еще в нестабильном состоянии, или что в Галактике летают семена жизни. Впрочем, маловероятно, что ДНК способна выжить, долгое время подвергаясь космической радиации.
Если зарождение жизни на конкретной планете очень и очень маловероятно, но все же возможно, то для этого потребуется весьма длительное время. И еще должно хватить времени на последующую эволюцию таких разумных существ, как мы с вами, прежде чем Солнце распухнет и поглотит Землю. Временно́е окно, в которое это может произойти, определяется продолжительностью жизни Солнца, а она составляет около 10 миллиардов лет. За это время разумная форма жизни должна потенциально освоить космические путешествия, чтобы иметь возможность перебраться к другой звезде. Но если побег окажется невозможным, жизнь на Земле будет обречена.
Ископаемые останки свидетельствуют, что некоторые формы жизни появились на Земле примерно 3,5 миллиарда лет назад. Это произошло спустя всего 500 миллионов лет после того, как Земля стала стабильной и достаточно остыла, чтобы на ней могла формироваться жизнь. Но у Вселенной на формирование жизни было примерно 7 миллиардов лет, следовало предусмотреть достаточный запас времени на то, чтобы появились такие существа, как мы, способные задаться вопросом о происхождении жизни. Если вероятность образования жизни на конкретной планете чрезвычайно мала, почему это произошло на Земле примерно в 1/14 от доступного временно́го окна? Раннее возникновение жизни на Земле предполагает, что существуют высокие шансы спонтанного зарождения жизни в подходящих условиях. Возможно, сначала были более простые формы организации, из которых образовалась ДНК. Появившаяся ДНК оказалась настолько успешной, что могла полностью вытеснить ранее существовавшие формы. Мы не знаем, каковы были эти формы, но одним из вариантов представляется РНК.
РНК похожа на ДНК, только гораздо проще и без двойной спиральной структуры. Короткие отрезки РНК могут самовоспроизводиться, как ДНК, и постепенно складываться в ДНК. Мы не в состоянии создать нуклеотиды, не говоря уж о РНК, в лабораторных условиях из неживого материала[22]. Но на протяжении 500 миллионов лет, когда океаны покрывали почти всю поверхность планеты, не исключена возможность того, что РНК возникла случайно.
По мере самовоспроизводства ДНК не исключена вероятность случайных ошибок, многие из которых оказывались вредными и вели к гибели видов. Некоторые оказывались нейтральными и никак не влияли на функционирование генов. А отдельные ошибки оказывались благотворными для выживания видов – и попадали в ряд дарвиновского естественного отбора.
Поначалу процесс биологической эволюции шел очень медленно. Потребовалось 2,5 миллиарда лет для того, чтобы первые клетки эволюционировали до многоклеточных организмов. За последующий миллиард лет некоторые из них развились до рыб, а некоторые рыбы, в свою очередь, превратились в млекопитающих. С тех пор скорость эволюции неизменно возрастала. На эволюцию первых млекопитающих до нас ушло всего 100 миллионов лет. Дело в том, что первые млекопитающие уже имели свои версии жизненно важных органов, которыми обладаем мы. Следовательно, для эволюции ранних млекопитающих до человека потребовалась лишь тонкая настройка.
Но эволюция человеческой расы вышла на критическую стадию, сопоставимую по значимости с развитием ДНК. Речь идет о формировании речи, в особенности – письменной речи. После этого передача информации от поколения к поколению стала возможна не только генетически, через ДНК, но и иным способом. За 10 000 лет письменной истории можно выявить несколько различимых изменений в человеческой ДНК, обусловленных биологической эволюцией. Но объем знаний, передаваемых от поколения к поколению, вырос несоизмеримо. Я пишу книги, чтобы рассказать вам, что я узнал о Вселенной за свою долгую карьеру ученого, и, занимаясь этим, переношу знания из своего мозга на бумагу, чтобы вы могли прочитать их.
ДНК в человеческой яйцеклетке или сперматозоиде содержит примерно 3 миллиарда пар нуклеотидов. Однако бо́льшая часть информации, закодированной в этих последовательностях, кажется излишней или неактивной. Можно сказать, общий объем полезной информации в наших генах составляет приблизительно 100 миллионов бит. Один бит информации – это ответ «да/нет». А роман в бумажной обложке может содержать до 2 миллионов бит информации. Таким образом, человек представляет собой эквивалент 50 томам «Гарри Поттера». Фонд крупной национальной библиотеки составляет примерно 5 миллионов томов – или 10 триллионов бит. Объем информации, передаваемой книгами или через интернет, в 100 000 раз превышает объем информации, заложенной в ДНК.
Еще важнее то, что информацию, заложенную в книгах, можно изменять и обновлять гораздо быстрее. Наша эволюция от первых человекообразных обезьян заняла несколько миллионов лет. За это время полезная информация, содержащаяся в ДНК, изменилась, скорее всего, на несколько миллионов бит. То есть скорость биологической эволюции человека составила один бит в год. Для сравнения: каждый год только на английском языке публикуется примерно 50 000 книг, содержащих в целом около 100 миллиардов бит информации. Разумеется, подавляющая часть этой информации – мусор и не имеет никакой пользы для любой формы жизни. Но даже при этом скорость добавления полезной информации в миллионы, если не в миллиарды раз больше, чем в ДНК.