Возможно, жизнь – обычная вещь во вселенной, но у нас есть все основания полагать, что это большая редкость. Отсюда следует, что, если говорить о происхождении жизни, вероятность событий такого рода очень и очень мала – это не те явления, которые можно попытаться воспроизвести в лаборатории, и не те, что химики сочли бы возможными. Этот любопытный парадокс подробно описан в книге “Слепой часовщик”, в главе “Истоки и чудеса”. Мы из кожи вон лезем, чтобы выстроить свою теорию – и, сделав это, объявляем ее абсолютно невероятной! С одной стороны, мы можем даже разволноваться, если химики вдруг предложат нам реальную с точки зрения классической теории вероятности концепцию происхождения жизни. С другой стороны, жизнь, по‐видимому, развилась за первые полмиллиарда из четырех с половиной миллиардов лет; мы просуществовали 8/9 всего возраста Земли, и интуиция подсказывает мне, что происхождение жизни на нашей планете не было таким уж незакономерным событием.
Происхождение жизни, где бы это ни случилось, сводится к случайному появлению чего‐нибудь, что способно к самовоспроизводству. В наши дни главный репликатор на земле – это молекула ДНК, однако поначалу мог быть другой репликатор. Какой именно, мы не знаем. Первичным реплицирующимся молекулам, в отличие от ДНК, не помогал умный механизм дупликации. В каком‐то смысле они должны были быть эквивалентны инструкции “Скопируй меня”, но язык этих инструкций не был строгим, понятным только умной машине. Вряд ли первичный репликатор требовал такой же сложной расшифровки, как современные команды ДНК и компьютерные вирусы. Самовоспроизводство было таким же неотъемлемым свойством структуры организма, как твердость алмаза, тем, что не надо “декодировать” и чему нет нужды “подчиняться”. Первичным репликаторам, в отличие от их более поздних преемниц – молекул ДНК, – точно не сопутствовали мудреные механизмы расшифровки и исполнения команд, потому что мудреный механизм – это такая штука, которая появилась в результате эволюции многих поколений. А пока не было репликаторов, эволюция не началась. Из-за такой своего рода “уловки-22” в происхождении жизни первичные самовоспроизводящиеся организмы вынуждены были быть настолько простыми, чтобы суметь образоваться в спонтанных химических процессах.
Как только по воле случая образовался первый репликатор, незамедлительно началась эволюция. Природа репликатора такова, что он производит популяцию своих копий, то есть организмов, также подвергающихся копированию. Следовательно, пока нет конкуренции за источники питания и природное сырье, популяция будет расти по экспоненциальному закону. Сейчас я объясню, что значит экспоненциальный рост. Коротко говоря, популяция увеличивается не за счет простого прибавления некой константы через равные промежутки времени, а планомерно удваивается. То есть очень быстро численность популяции репликаторов резко возрастет, что приведет к конкуренции между отдельными репликаторами. Копирование никогда не бывает абсолютно точным, ошибки неизбежны. Поэтому в популяции репликаторов появлялись вариации. Одни из них теряли способность к самокопированию – их разновидность не сохранялась в популяции. У других почему‐либо вырабатывались такие свойства, благодаря которым они воспроизводились быстрее или более эффективно. В популяции становилось больше таких видов. Поскольку все члены популяции боролись за одни и те же ресурсы, средний типичный класс репликаторов со временем был вынужден уступить новым, более сильным в среднем соперникам. В каком смысле более сильным? Тем, кто лучше воспроизводился, конечно. Дальнейшее повышение качества выражалось во влиянии на другие химические реакции, что приводило к более легкому течению процесса самокопирования. В конце концов стали проявляться довольно сложные эффекты, и наблюдатель – которого, разумеется, не было, ибо на развитие нормального наблюдателя потребовались миллиарды лет – уже мог бы описать процесс как декодирование и исполнение команд. А если бы того же наблюдателя спросили, каково было содержание тех команд, он ответил бы: “Скопируй меня”.
В этой истории есть явные шероховатости. В частности, уже упомянутая мной “уловка-22” для происхождения жизни. Чем больше в репликаторе структурных единиц, тем больше вероятность ошибки при копировании какой‐нибудь из них – вплоть до полного разбалансирования всего ансамбля. Это наводит на мысль, что первые, самые древние репликаторы должны были иметь очень мало структурных единиц. Однако существует некоторый минимум структурных единиц молекулы, ниже которого нельзя опускаться, иначе ее структура станет настолько примитивной, что молекула не будет способна к самокопированию. Чтобы увязать эти взаимоисключающие условия, пришлось проявить изобретательность – и не без успеха, но это уже более сложная математика, которая не укладывается в рамки нашей книги.
Строение древних копирующих механизмов – первых роботов-мультипликаторов – должно было быть гораздо проще, чем строение бактерий, но бактерии – это самые простые среди известных нам ТРКП-роботов (рис. 9.3а). У бактерий могут быть самые разные источники жизнеобеспечения, с химической точки зрения их намного больше, чем у всех остальных живых существ вместе взятых. Некоторые бактерии ближе к нам, чем к другим, чужеродным для них бактериям. Одни бактерии живут в горячих источниках и питаются серой, для других кислород – смертельный яд, третьи расщепляют сахар до спирта в отсутствие кислорода, четвертые питаются только углекислым газом и водородом, выделяя метан; фотосинтезирующие бактерии подобно растениям черпают жизненные силы в солнечном свете, но среди них есть и такие, которые осуществляют фотосинтез по совершенно другому механизму, чем растения. Разные группы бактерий демонстрируют широкий спектр вариантов биохимии, настолько радикально отличающихся друг от друга, что на их фоне все остальные – животные, растения, грибы, кое‐какие другие бактерии – выглядят как безликая серая масса.
Более тысячи миллионов лет назад бактерии нескольких типов сообща сформировали эукариотическую клетку (рис. 9.3b). Это наша клетка с ядром и прочими внутриклеточными структурами, многие из которых – например, митохондрии (мы уже встречались с ними, см. рис. 5.2) – построены из складчатых внутриклеточных мембран и имеют сложное строение. Сейчас считается, что эукариотическая клетка произошла от колонии бактерий[28]. Потом эукариотические клетки и сами объединились в колонии. Вольвокс (рис. 9.3с) – наш современник, но возможно, нечто подобное существовало уже больше миллиарда лет назад, когда клетки одноклеточного предка животных только начинали собираться в колонии. Интеграция эукариотических клеток сродни предшествующему объединению бактерий с образованием эукариотических клеток и еще более раннему объединению генов с образованием бактерий. Более крупные и компактные конгломераты эукариотических клеток называются многоклеточными организмами. На рис. 9.3d показан относительно маленький представитель многоклеточных – тихоходка. Многоклеточные организмы, в свою очередь, тоже собираются в колонии и ведут себя как один целый организм (рис. 9.3e).
Рис. 9.3. Повышение уровня организации в живой природе: (а) одиночные бактерии; (b) следующая ступень – эукариотическая клетка с ядром, образовавшаяся на основе бактериального эндосимбиоза; (с) вольвокс – колония дифференцированных эукариотических клеток; (d) более плотное и более массовое скопление дифференцированных клеток – тихоходка; организм человека – тоже колония, колония колоний, так как каждая наша клетка представляет собой колонию бактерий[29]; (е) колония индивидуальных организмов, пчелиный рой – колония колоний колоний.
Для нас наиболее сильное отклонение от прямого пути в программе “Скопируй меня” символизировал слон, но на его месте могла бы оказаться мышь, ее тоже можно считать “огромным отклонением”. Вольвокс содержит несколько сотен клеток. Мышь – крупная система, в ней около миллиарда клеток. Слона можно представить себе как колонию, состоящую из примерно 1000 миллиардов (1015) клеток, и каждая из них сопоставима с колонией бактерий. Слон-робот, который носит при себе свою схему, был бы настоящим исполином. Это колония клеток, но все они общими усилиями в конечном итоге воспроизведут одну и ту же информацию, записанную в ДНК, поскольку являются носителями копий одной и той же ДНК-инструкции.
По любой абсолютной шкале слон – не бог весть какой великан. Рядом со звездой он песчинка. Великан – относительно молекул ДНК, которые ему положено хранить и размножать. Великан – относительно реплицирующихся изготовителей слонов, которые циркулируют у него внутри.
Чтобы осознать масштабы сравнения, представьте себе, что люди спроектировали гигантского механического робота и залезли в него, как древние греки в Троянского коня. Наша механическая лошадь должна быть отмасштабирована так, чтобы каждый из ее инженеров был равен по размеру одной молекуле ее ДНК. Напомню, что в нашей терминологии живой конь – это робот, сконструированный генами, которые путешествуют вместе с ним, сидя внутри него. Так вот, если построить робота-коня, в котором мы сможем поместиться, и если по сравнению с нами он будет так же велик, как велик живой конь по сравнению с построившими его самого генами, то наш конь легко пропустит между ног Гималаи (рис. 9.4). Обычная живая лошадь состоит из миллиардов клеток. Каждая из них, за незначительным исключением, несет в себе полностью укомплектованную армию генов, хотя большинство генов в клетках всех типов спит.
Рис. 9.4. Лошадь – это транспортный робот для молекул ДНК, по сравнению с ними она ужасно огромная. Если бы люди сконструировали для себя робота-коня, чтобы ехать в нем, как в Троянском коне, Гималаи поместились бы у него между ног. Эту фантастическую картинку нарисовала моя мама, Джин Докинз, для одной из моих рождественских лекций, которые я читал в Королевском институте.