Часть I
Жизнь: откуда мы пришли

Космос внутри нас. Мы созданы из звездной материи. Мы – способ Вселенной познать саму себя.

Карл Саган

Глава 1
Кооперативная жизнь

То, как мы определяем человечество, оказывает глубокое и долговременное влияние на то, как мы определяем жизнь, цивилизацию, мир, Вселенную и саму науку. Например, если человечество определяется как особо привилегированный вид, то продолжительность жизни человека становится мерой, по которой определяется возраст даже Вселенной, а человеческое тело делается эталоном ее размера. Такой стандарт привел к возникновению разнообразных путаных человеческих идей: Земля, созданная за шесть дней; Земля, Вселенная и все в ней, существующее всего 6000 лет; Земля, как плоский диск в центре Вселенной, простирающийся лишь до пределов нашего взгляда; и человеческая цивилизация как вершина особого творческого, волевого гения, не похожего ни на что-либо сущее.

Естественная история свергает человечество с этого привилегированного трона над всей жизнью и материей. Что происходит с нашим пониманием Вселенной и жизни, если человечество это не избранный вид или золотая середина между ангелами и животными, а скорее обладающий большим мозгом продукт физических и биологических процессов, протекающих миллиарды лет? Что значит сказать, что люди, в буквальном смысле слова, просто сосуды, построенные из и содержащие множество сотрудничающих и конкурирующих между собой микроорганизмов? Что такое естественная история цивилизации, если цивилизация просто результат процесса, посредством которого человеческое общество достигает продвинутой стадии социального развития и организации, свойств, общих для всех биологических видов на нашей планете?

Чтобы ответить на эти вопросы, сначала нужно рассказать другую историю – историю нашего возникновения, объясняющую также и то, как возникли наши домашние питомцы и живущие на них насекомые, и деревья вокруг нас, и бактерии повсюду кругом, и даже химические вещества, составляющие асфальт, по которому мы ездим. История жизни на Земле – это всего лишь одна глава из истории, начавшейся миллиарды лет назад и которая будет продолжаться и после нас, поскольку это история процессов самоорганизации, лежащих в основе бытия, физики и химии, описывающих все сущее.

Это грандиозные и тревожащие некоторых из нас суждения. Потребуется время, чтобы они повлияли на нашу философию. Однако перед этим мы проследим историю с самого начала, чтобы увидеть, как развитие Вселенной привело к развитию жизни, человечества и даже цивилизации.

Начало Вселенной

Четырнадцать миллиардов лет назад наша Вселенная возникла в результате космического события невообразимого масштаба. Это событие породило атомы, которые самоорганизуются с тех пор посредством физических и биологических процессов, образуя галактики и высших приматов, планеты и растения, звезды в космосе и морские звезды. Мы тоже являемся продуктами этого непрерывного, постоянно развивающегося процесса.

Вплоть до XVIII столетия богословы на основании генеалогии Ветхого Завета считали, что Сотворение мира произошло приблизительно 6000 лет назад. Затем такие передовые мыслители, как Джеймс Хаттон, Чарльз Лайель и лорд Кельвин, начали изучать скалы, опираясь преимущественно на заключения геологии, а не на Библию. Отец современной геологии и концепции глубокого геологического времени Хаттон проанализировал шотландские скальные образования и оценил возраст Земли в миллионы лет. Из своих наблюдений Хаттон также вывел теорию униформизма, согласно которой процессы, формирующие облик Земли сегодня, формировали Землю и в прошлом. Затем Лайель популяризировал взгляды Хаттона в своей фундаментальной монографии «Основные начала геологии», где он оценил возраст Земли в пределах от 300 до 400 миллионов лет, а лорд Кельвин, анализируя скорость охлаждения расплавленной горной породы, принял возраст Земли в диапазоне от 20 до 40 миллионов лет. Радиоактивное датирование Артура Холмса 1913 г. вновь спутало карты. Изучая естественные радиоактивные изотопы и скорости их распада, Холмс и другие исследователи сумели использовать радиоактивный распад вещества как молекулярные часы. Радиоактивный распад по сей день остается самым точным и адекватным инструментом для расчета глубокого геологического времени. С помощью этой методики Холмс подсчитал, что Земле 1,6 миллиарда лет, и по мере улучшения методов наблюдения и анализа эта цифра увеличивалась. В настоящее время научное сообщество сходится в том, что Земле около 4,5 миллиарда лет, а возраст самой Вселенной, оцениваемый по возрасту попадающих на Землю внеземных пород и на основе анализа расстояний от Земли до различных галактик и скоростей их движения, составляет 14 миллиардов лет^[8].

По мере изменения наших оценок возраста Вселенной менялись и наши теории относительно ее происхождения. В 1927 г. бельгийский священник и профессор физики Жорж Леметр опубликовал статью, где утверждал, что Вселенная является результатом первоначального взрыва, после которого она продолжает расширяться. Эта теория, первоначально названная Леметром «космическим яйцом», не привлекла внимания, пока не была переиздана на английском языке в 1931 г. – через два года после того, как как американский астроном Эдвин Хаббл опубликовал аналогичную статью, где обсуждалось расширение Вселенной. Хотя название этой теории как «Большой взрыв» появилось позже, первенство относительно этой идеи отдают Хабблу, несмотря на опубликованную раньше работу Леметра^[9].

То, что Вселенная и все сущее в ней началось в чрезвычайно плотной точке, от которой она продолжает расширяться, может быть дополнительно подтверждено общей теорией относительности Эйнштейна 1915 г., хотя эта теория не может объяснить действительную физику Большого взрыва. В новых теориях, где осуществляются попытки скорректировать уравнения Эйнштейна и решить эту проблему, предполагается, что Вселенная может быть бесконечной, без начала и конца, но эти чрезвычайно интересные исследования менее важны для наших целей, чем организующие механизмы, приведенные в движение Большим взрывом^[10].

Астрофизики считают, что после Большого взрыва Вселенная была заполнена простейшими атомами и субатомными частицами. Эти частицы и простые атомы гелия и водорода сталкивались и со временем соединялись и сливались во все более сложные элементы, такие как углерод и кислород. Те, в свою очередь, взаимно притягивались и отталкивались в силу своих атомных зарядов с образованием молекул, таких как вода. Подобные трансформации происходили в течение сотен миллионов и даже миллиардов лет.

Наша планета сформировалась в содержащей миллиарды звезд галактике, когда одна из звезд закончила свою жизнь в результате мощного взрыва, послав ударные волны в межзвездное пространство. Ударные волны воздействовали на пылевое облако, уплотнив его, что ускорило его гравитационный коллапс. Первоначальное облако было асимметричным, поэтому пыль стала вращаться. Это вращение заставило пылевое облако сжаться в диск. В его центре гравитационный коллапс образовал протозвезду, где по достижении достаточной массы запустились термоядерные реакции, сделавшие звезду сияющей. Остающиеся во вращающемся диске частицы сталкивались, образуя камешки, превращавшиеся в камни, которые затем сливались, образуя планетозимали. Самые крупные из них вобрали оставшиеся газ и пыль и превратились в планеты, гравитационно взаимодействовавшие друг с другом и новой звездой, смещая свои орбиты, пока в конечном итоге не была достигнута квазистабильная конфигурация. Таково было происхождение Земли и Солнца. Позже я поставлю необходимый вопрос: Разумно ли предполагать, что жизнь явилась единичным событием, ввиду огромного числа звездных систем и планет, созданных теми же механическими процессами?

Компоненты жизни

После того, как Земля стабилизировалась в форме планеты, началось ее охлаждение, по мере которого сформировалась каменная кора и сконденсировались водяные пары, выделяющиеся при извержении вулканов и при ударах метеоритов. Вулканическая активность также производила газы с основными ингредиентами жизни – углеродом, водородом, кислородом и азотом – наряду с токсичными газами, такими как аммиак и метан. Ранняя земная атмосфера состояла полностью из этих газов без свободного кислорода. В этом «первичном бульоне» органические молекулы вовлекались в те же процессы, что и после Большого взрыва: столкновение, концентрация и самоорганизация с образованием более сложных молекул.

Земля теперь была полна разнообразных элементов, необходимых для жизни, но что бы могло инициировать скачок от органических и неживых комбинаций в живые сообщества? До середины XIX века этот сдвиг объясняли самопроизвольным зарождением: жизнь порождалась независимо. Люди указывали на классический случай личинок и плесени, появляющихся, как кажется, самопроизвольно в гниющем хлебе. Демонстрация Луи Пастером предотвращения такого «самозарождения» просто кипящей водой пролила свет на существование микроорганизмов и микромира. Было положено начало изучению «абиогенеза» – процесса превращения неживой материи в живую. Абиогенез являлся областью активных исследований более полувека и породил две основные школы научной мысли. Первая поддерживает гипотезу панспермии: жизнь, определяемая как самовоспроизводящиеся сложные молекулы, прибыла на Землю из космоса с астероидами или кометами. По убеждению сторонников второй, микроскопическая жизнь впервые возникла на Земле на основе собственных изначальных физических и химических условий.

Хотя гипотеза панспермии имеет своих сторонников, трудно представить, как изначальная жизнь смогла проникнуть в агрессивную атмосферу и перенести экстремальные физические условия ранней Земли^[11]. Более того, если бы панспермия случалась более одного раза, то в генетической сигнатуре жизни на Земле присутствовали бы множественные генетические предки. Вместо этого данные секвенирования ДНК показывают, что вся жизнь на Земле имеет общего генетического предка, то есть мы все следуем одной и той же генетической инструкции. И, наконец, разочаровывает, что теория панспермии просто отодвигает в сторону цель в вопросе о том, как возникли самовоспроизводящиеся сложные молекулы. Доказательства гипотезы о внеземном происхождении жизни в значительной мере теоретические, не имеющие эмпирической или экспериментальной поддержки.

И напротив, вторая гипотеза о зарождении жизни на Земле благодаря химической самоорганизации получает все более сильную экспериментальную поддержку. В 1950-х гг. Стэнли Миллер, еще будучи аспирантом, стремился воспроизвести условия ранней Земли в лаборатории (Рисунок 1.1). Работая под началом своего научного руководителя, лауреата Нобелевской премии Гарольда Юри, Миллер собрал стеклянную установку, содержавшую воду, аммиак, метан и водород – смесь, считавшуюся в то время приближенной к ранней земной атмосфере. Жидкость нагревалась пламенем для имитации условий вулканически активной планеты, а электрические разряды моделировали молнии. Через несколько дней вода стала темно-красной: Миллер создал бульон, названный «первичным бульоном», из аминокислот, необходимых для зарождения жизни. За последние два десятилетия проводились разные другие эксперименты, моделирующие ранние земные условия, особенно подобные тем, что существуют в окружении глубоководных гидротермальных источников.

Рисунок 1.1. Стэнли Миллер, отец химической гипотезы происхождения жизни. Простые эксперименты Миллера показали, что ключевые органические соединения могут быть синтезированы из неорганических веществ путем простой химической самоорганизации.(Документы Стэнли Миллера, Специальные коллекции архивы Университета Калифорнии в Сан-Диего).

По мере остывания Земли ее облик стал намного больше походить на сегодняшний, с твердой корой и мантией вокруг горячего, жидкого, термоядерного ядра. Сходное по температуре с Солнцем, это ядро остается горячим вследствие радиоактивного распада, подобно массивному термоядерному реактору. Взаимодействия между этим ядром и более холодной поверхностью коры и водой приводят в движение континентальные плиты. Когда они сталкиваются, могут образовываться горные хребты, а когда расходятся, компоненты мантии и ядра могут попадать на поверхность Земли. Эти воздействия и перемещения мантийного материала на поверхность могут приводить к появлению наземных образований, подобных Гавайским островам, или гидротермальных источников, наподобие используемых для получения энергии в Исландии, где сталкиваются Европейская и Североамериканская литосферные плиты.

Гидротермальные источники привлекают внимание ученых с момента их открытия в 1949 г., и им обязаны некоторые из наиболее важных научных открытий прошлого века. Если все другие экосистемы на Земле питаются солнечной энергией, экосистемы, развившиеся в гидротермальных источниках и вокруг них, питаются тепловой и химической энергией, выделяющейся в ходе ядерных реакций в ядре Земли – являющихся, в свою очередь, остатками породившего Вселенную Большого взрыва. В гидротермальных источниках при высоких давлениях и температурах могут образовываться более сложные органические соединения, такие, как сахара и аминокислоты^[12]. Существующие в настоящее время сообщества уникальных организмов, зависимых от гидротермальных источников и обитающих вблизи них, базируются на хемосинтезирующих, а не на фотосинтезирующих бактериях. Бактерии в экосистемах гидротермальных источников превращают газообразные водород, диоксид углерода или метан в органическое вещество, используя их же в качестве источника энергии. Такие «аноксигенные» или бескислородные условия поразительно похожи на условия ранней Земли. Так что как гидротермальные источники, так и эксперименты, подобные миллеровской склянке, могут временами выступать в роли «телескопов времени» для изучения происхождения жизни.

Используя данные этих телескопов, мы можем предположить, что жизнь началась в химически богатой, высокотемпературной, бескислородной среде, подобной имеющейся в гидротермальных источниках, где обычно образуются сложные молекулы. Вероятно даже, что эти гидротермальные источники и были тем местом, где посредством самоорганизации впервые возникла жизнь. Но на сегодняшний день сложные молекулы – это все, что ученые смогли синтезировать в лабораторных условиях – им так и не удается воссоздать с нуля самовоспроизводящиеся органические молекулы, знаменующие первый момент жизни и являющиеся краеугольным камнем эволюции.