Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной - Калеб Шарф

Некоторые молекулярные двигатели требуют для кодирования своих структур значительного объема генетической информации. Например, фотосинтез с производством кислорода – самый сложный естественный процесс передачи энергии с участием множества молекулярных соединений – описывается более чем 100 генами. И все же у нас есть свидетельства, что фотосинтез как инструмент обмена веществ[144] существовал как минимум 3 миллиарда лет назад. Очевидно, что подобные хитроумные молекулярные механизмы развились уже на самых ранних этапах истории Земли.

Если мы поймем, каково происхождение всех этих метаболических процессов, то приблизимся к пониманию происхождения жизни как таковой, а пока что это тайна. При этом теорий и гипотез существует множество. Например, некоторые ученые утверждают, что химические и электрические градиенты в клеточных оболочках подозрительно напоминают те, которые наблюдаются при нарушении химического равновесия и в микроскопических минеральных структурах, обнаруженных в глубоководных термальных источниках[145]. А это может указывать на возможность неорганического происхождения жизни – иначе говоря, на то, что жизнь зародилась исключительно по геофизическому и геохимическому образцу.

Подобные предположения о связи между зарождением жизни и небиологическими минеральными структурами и химическими процессами очень интересны, однако явных доказательств мы пока не получили. Есть и другие гипотезы – многоступенчатые химические реакции между органическими веществами, сложные системы реакций аминокислот, вызванные катализаторами вроде бора и молибдена в водяной среде. В результате подобных цепочек реакций могли возникать основные элементы биологии – от липидов до первых рибосом, которые помогают синтезировать белки.

В сущности, земная биология могла произойти и из разных источников, а не из одного. В таком случае нам следует понять, как сошлись воедино биологически полезные молекулярные составляющие из разных источников и как им удалось создать более устойчивую структуру. К счастью, это нам подсказывает сама природа.

Микробы (как, скорее всего, и их предки) печально знамениты так называемым горизонтальным переносом генов[146]: они умеют обмениваться фрагментами генетического материала между видами. Это примерно как обмениваться визитными карточками или проектами каких-нибудь изобретений. В результате выследить, как, где и когда возникают те или иные гены, становится гораздо труднее. Однако подобная неразборчивость приводит к одному важнейшему результату, который, скорее всего, прямо повлиял на зарождение жизни. В итоге такого бесконтрольного распространения генов самые важные гены оказались более или менее повсюду.

Если заплыть на корабле в открытый океан, взять пробу холодной морской воды и привезти к себе в лабораторию, можно, как правило, обнаружить в ней и те разновидности бактерий или архей, которые в норме не очень хорошо себя чувствуют на поверхности моря. Например, среди прочих не слишком уместных организмов там, скорее всего, найдутся так называемые термофилы – организмы, которым для обмена веществ и размножения нужна очень высокая температура. Холодная морская вода может быть сколько угодно неблагоприятна для подобных живых существ – в пробе они все равно будут.

Подобные эквиваленты микроскопической генетической диаспоры вы найдете на Земле практически повсеместно. Представители большинства биологических типов есть везде, даже если те или иные условия им не нравятся. Есть и исключения: недавние исследования показали, что в полярных регионах Земли есть определенные бактерии, которые не встречаются больше нигде ни в каких количествах. Однако при всех оговорках все же можно сказать, что микробиологические популяции распространены в очень большом географическом диапазоне.

И в этом есть смысл. Крошечные организмы легко переносятся по всему земному шару с водой и воздухом, и у них было вдоволь времени, чтобы проникнуть практически в каждый уголок. Однако важно понимать, что мир захватили не просто микробы, а набор генов, где записаны инструкции к молекулярным двигателям обмена веществ. Эта важнейшая группа генетических кодов описывает механизмы, которые, в сущности, сделали мир таким, какой он есть. Фалковски и его соавторы очень удачно назвали это «базовым генетическим набором планеты».

Тот факт, что микробы, которые несут базовый генетический набор планеты, живут повсюду, прекрасно объясняет то, как фундаментальные метаболические процессы сумели остаться неизменными за миллиарды лет. Дело в том, что у них по всей планете хранились резервные копии. Предположим, например, что в Землю врезается шальной астероид диаметром в десять километров с силой, эквивалентной примерно 100 триллионам тонн тринитротолуола. Этакий доморощенный «истребитель динозавров» – примерно как тот, что 65 миллионов лет назад упал на полуостров Юкатан и, вероятно, ускорил их вымирание. Или, скажем, мы заглянем на 570 миллионов лет назад, а может быть, и раньше, и обнаружим, что почти вся Земля покрыта льдом – такие периоды называют «Земля-снежок»[147]. При этом погибнет бесчисленное множество живых организмов, навеки исчезнут целые виды. Однако где-то на Земле всегда останутся бактерии или археи, несущие в себе часть базового генетического набора планеты, а значит, и инструкции для механизмов метаболизма. Микроскопические тельца одноклеточных забиваются во все щелочки и дырочки, живут на океанском дне и даже в капельках воды, составляющих облака. Отдельные микробы живут совсем недолго, но это и неважно: миллионы и триллионы одноклеточных хранят в себе гены веками и тысячелетиями. Причем некоторые виды несут по нескольку базовых генов – и не всегда применяют их для своего собственного обмена веществ.

Можно уподобить эту ситуацию – не слишком поэтически – компьютерной сети. В наши дни, когда скачиваешь электронную книгу или музыкальный файл, или даже фотографируешь что-то на камеру мобильного телефона, на руках у тебя чаще всего остается лишь копия. А другая копия либо остается на твоем компьютере, либо загружается через Интернет в какое-то другое устройство для хранения информации. Но мало того – эти «облачные» копии копируются на разные устройства, зачастую на гигантские системы серверов, расположенные на противоположных концах континента. В этом случае данные не пропадут, разве что случится конец света и мир в нынешнем виде перестанет существовать. Даже если какие-то копии пропадут или испортятся в результате отключения электричества или хакерских атак, это не страшно: где-нибудь найдется дубликат.

Можно сказать, что микробы – такие же носители инструкций по метаболизму, распространяющие их по всей Земле и не дающие пропасть с течением времени, как и компьютерные системы, которые бездумно хранят информацию, которую мы туда помещаем. Насколько надежен этот метод хранения, мы точно не знаем. Легко представить себе, что у него могут быть и недостатки, – ведь за последние 3–4 миллиарда лет наверняка случались и сбои. Однако в целом похоже, что чертежи главных механизмов жизни эта система сохраняет целыми и невредимыми.

Стоит также отметить, что базовые гены планеты сами по себе не обязательно совершенны. Метаболические механизмы, которые строятся на основании их кодов, зачастую не так эффективны, как можно ожидать согласно теоретическим химическим моделям. Например, недостатки есть и у тех молекулярных структур, которые обеспечивают фотосинтез с производством кислорода, и у тех, которые отвечают за усвоение азота. Теория показывает, что фотосинтез мог бы идти и эффективнее, а организмы, усваивающие азот, в наши дни вынуждены смягчать риск взаимодействия с реактивным кислородом, создавая избыток механизмов для усвоения белков, чтобы их хватило даже в том случае, если какие-то поломаются. Однако код подобных механизмов оставался, в сущности, неизменным миллиарды лет. Судя по всему, к совершенству никто не стремится: если механизм худо-бедно справляется с задачей, больше от него ничего не требуется.

Значит, каковы бы ни были химические причины зарождения жизни, стоило первым живым механизмам добиться хорошего результата – разработать действенную стратегию, – и они в целом ее закрепили. Это вселяет оптимизм – судя по всему, следы далекого прошлого не стерлись. Кроме того, я думаю, что это позволяет нам сформулировать надежную рабочую гипотезу. Хотя конкретные детали метаболических механизмов жизни, очевидно, могут меняться в зависимости от места и среды, общая архитектура микробиологической системы Земли указывает на универсальную закономерность. Иначе говоря, успех нашего базового генетического набора планеты и его поразительная система хранения и защиты данных, возможно, показывает, как должна вести себя любая другая биосфера на любой другой планете, чтобы сохраниться в течение очень длительного времени. Обитаемая экзопланета, скорее всего, должна обладать своим базовым набором генов, своей системой хранения бесчисленного множества запасных копий.