Помоги проекту - поделись книгой:
До сих пор мы рассматривали бурные процессы, которые с участием чрезвычайно больших энергий, подчиняясь базовым правилам действия Вселенной, привели к образованию галактик, звезд и новых элементов. Как будто виртуозный скульптор – гравитация – выпилил бензопилой космологические скульптуры. Вблизи звезд эти грубые творения создали новые типы сред, где смогли появиться произведения более утонченные. Чтобы понять, что это за новые типы структур, мы перейдем от очень больших объектов к очень маленьким. Сосредоточимся на отношениях между атомами.
Сложные химические явления определяются мельчайшими потоками электромагнитной энергии, которая способна производить наноработу по перестановке отдельных атомов и молекул. Но условия Златовласки для таких тонких потоков свободной энергии встречаются редко, только в особых, защищенных средах. При высокой температуре молекулы и атомы отрываются друг от друга, так что в звездах химически сложных объектов не бывает. И все же некоторая энергия для них нужна, так что в мертвой зоне глубокого космоса их тоже не найти. По-видимому, идеальные условия образуются вблизи звезд, но не слишком близко, в местах, где свободная энергия течет устойчивыми, но мягкими потоками.
Человек ощущает на себе действие гравитации, но в наномире, где обитают атомы, она не так важна. Особого значения ей не придают даже мелкие существа, например бактерии или водомерки, которых гораздо больше волнуют, соответственно, локальные электрические заряды и поверхностное натяжение воды. На уровне молекул правит электромагнитная сила. Она склеивает и растаскивает атомы и молекулы. Те перемещаются в вязком мире электромагнитных крючков, щупов, приманок и лассо.
Химический мир возник в облаках галактической пыли, когда те стали наполняться новыми элементами. Около 98 % массы межзвездных пылевых облаков и сегодня составляют атомы водорода и гелия. Однако среди них вкраплениями разбросаны атомы всех остальных элементов периодической таблицы. Это сбивает с толку, но все элементы тяжелее гелия астрономы называют металлами. Они говорят, что со смертью все новых и новых крупных звезд Вселенная становилась более металлической. Также можно сказать, что наше Солнце более металлическое, чем звезды предыдущих поколений, потому что оно содержит больше металлов.
С помощью спектроскопа можно понять, какие элементы находятся в галактических облаках и в каком количестве. Спектроскопом также можно определять молекулы – группы атомов, связанных электромагнитной силой. Например, можно узнать, есть ли в облаке молекулы воды или льда или силикатов, которые состоят в основном из кремния и кислорода и образуют бóльшую часть пыли и каменных пород на Земле. Сейчас мы знаем, что в облаках галактической пыли много простых молекул, включая, например, аминокислоты (из которых строятся белки), необходимые для жизни на нашей планете.
Химия – это наука, которая изучает, как под действием электромагнитных сил формируются молекулы и как строятся и перестраиваются соединения атомов, образуя все калейдоскопическое многообразие веществ в нашем мире.
Атомы очень малы. Миллион атомов углерода можно уместить в точке в конце этого предложения. Но неправильно представлять себе их как сплошные шарики материи. Атомы почти полностью состоят из пустоты. В центре каждого из них есть крошечное ядро из протонов (с положительным зарядом) и нейтронов (без заряда), связанных сильным ядерным взаимодействием. Остальная часть атома почти пуста. По орбитам вокруг ядра на огромных расстояниях от него обращаются облака электронов, приблизительно по одному на каждый протон в ядре. В начале XX века Эрнест Резерфорд, один из пионеров современной ядерной физики, сказал, что ядро атома – это «муха в соборе».
Предложенный Резерфордом масштаб примерно соответствует действительности, но ученый писал до того, как появилась современная квантовая физика, которая показала, что его метафора в то же время обманчива. Электроны имеют микроскопический размер, по массе составляя около 1/1836 протона. Квантовая физика говорит о том, что скорость или положение электрона точно установить невозможно. Можно сказать, где, вероятно, находится электрон, но никогда нельзя сказать, где он в точности, потому что любая попытка определить его положение неизбежно потребует энергии (представьте, что светите на него фонариком), а электроны настолько легкие, что она изменит их скорость или траекторию. Поэтому квантовые физики изображают обращающиеся по орбите электроны в виде своеобразного «облака вероятностей», которое уплотняется на одних расстояниях от ядра и истончается на других. Облако вероятностей пронизывает бóльшую часть атомарного собора и может просочиться за его стены[41].
Вся суть химии – в тех союзах и борьбе, которые возникают в этих облаках вероятностей. Здесь много чего происходит. Между протонами и электронами образуются и рвутся связи, они оставляют старые узы и начинают новые отношения, а в результате возникают совершенно новые формы материи. В основе всего этого лежит тот простой факт, что у электронов отрицательные заряды, которые отталкиваются друг от друга, но притягиваются к положительным зарядам протонов либо в своем, либо в соседних атомах. Химики исследуют флирт, соперничество, связи и напряжение, которые возникают, когда электроны, уцепившись за соседний атом, образуют молекулы, где несколько, а иногда миллионы или даже миллиарды атомов объединяются в структуры более сложные, чем сложнейшие из звезд. В зависимости от строения у молекулы возникают собственные новые свойства, поэтому возможности химии кажутся безграничными. И все же в химическом флирте действуют свои правила (иногда не менее странные, чем в человеческом), в соответствии с которыми электромагнитная сила формирует химически сложные сущности.
На первых ролях здесь электроны. Как и ловеласы в мире людей, они непредсказуемы, ветрены и всегда открыты для более интересных предложений. Они носятся вокруг протонов по удаленным орбитам, каждая из которых связана со своим энергетическим уровнем. Электроны при любой возможности стремятся попасть на орбиту поближе к атомному ядру, где энергии нужно меньше всего. Но количество мест на каждой из них ограниченно, и, если на внутренних орбитах все занято, приходится искать место на внешней. Если электронов на ней ровно столько, сколько нужно, все счастливы. Это положение дел свойственно так называемым благородным газам, например гелию или аргону, располагающимся в периодической таблице справа. Они не соединяются с другими атомами, потому что их более-менее устраивает текущее положение дел.
Но если внешние орбиты атома не заполнены, возникают неловкость, напряжение и проблемы, и все это порождает бесконечную сутолоку в борьбе за место, которой обусловлена существенная часть химических процессов. Некоторые электроны-перебежчики уходят в соседние атомы. При этом атом, который они покидают, теряет отрицательный заряд и может соединиться с атомом, у которого есть лишний электрон, образуя ионную связь. Так из атомов натрия, внешний электрон которого обычно готов соскочить, и хлора, который все время ищет лишний электрон, чтобы заполнить свою внешнюю орбиту, получается поваренная соль. Бывает, что электроны лучше всего чувствуют себя, обращаясь вокруг двух ядер, так что те успешно делят между собой их заряд в ковалентной связи. Такой связью соединяются атомы водорода и кислорода, когда образуют молекулы воды. Но молекула при этом получается кривобокая, в ней два маленьких атома водорода привязаны к более крупному атому кислорода с одной стороны. При такой странной форме отрицательные и положительные заряды распределяются по поверхности молекулы неравномерно, это сбивает атомы водорода с толку, и их нередко привлекают к себе атомы кислорода из соседних молекул. Благодаря этому притяжению молекулы воды способны, пользуясь слабыми водородными связями, слипаться в капли. Водородные связи играют важнейшую роль в химии жизни, потому что ими в большой степени определяется поведение генетических молекул, например ДНК. В металлах электроны ведут себя совершенно иначе. Они большими толпами курсируют между их ядрами, поэтому металлы так хорошо проводят электрический ток – ведь это не что иное, как огромный поток электронов.
Углерод, у которого в ядре шесть протонов, играет в романтическом мире атомов роль донжуана. Обычно на его внешней орбите четыре электрона, но место есть для восьми, так что можно доставить ему удовольствие, удалив четыре электрона с его внешней оболочки, добавив их туда или позволив ему разделить их с другим атомом. У него большой выбор, и поэтому из углерода можно строить сложные молекулы с кольцами, цепочками и другими экзотическими формами. Благодаря этим мастерским способностям он так важен для химии жизни.
Судя по всему, базовые химические правила универсальны. Мы знаем это, потому что спектроскопы показывают, что многие простые молекулы, которые мы можем найти на Земле, существуют и в облаках межзвездной пыли. Но космическая химия, по-видимому, довольно проста; пока что в межзвездном пространстве не найдено ни одной молекулы, в которой было бы значительно больше сотни атомов. Это неудивительно. В конце концов, в космосе атомы находятся далеко друг от друга, им сложно соединяться. К тому же температуры здесь прохладные, так что энергии активации, которая нужна, чтобы подтолкнуть их к длительным отношениям, мало. Самое удивительное в космической химии то, что здесь способны формироваться не только простые молекулы, из которых образованы планеты, например вода и силикаты, но и такие, из которых строятся живые организмы, например аминокислоты, образующие белки. Более того, сегодня нам известно, что простые органические молекулы весьма распространены во Вселенной, что повышает вероятность существования жизни за пределами планеты Земля.
Простые химические молекулы, обращающиеся вокруг молодых звезд, создали условия Златовласки для следующего порога усложнения, послужив строительным материалом для совершенно новых астрономических объектов: планет, спутников и астероидов. По химическому составу планеты более разнообразны, чем звезды, и при этом они гораздо холоднее, поэтому на них образовались идеальные условия Златовласки для сложных химических явлений. И по крайней мере на одной из них (нашей), а может быть, и на многих других эта химия в конце концов породила жизнь.
В течение долгого времени людям была известна лишь одна Солнечная система. Но в 1995 году астрономы обнаружили
Открытие экзопланет говорит о том, что четвертый порог, как и третий, был пересечен уже множество раз и впервые это произошло в истории Вселенной довольно рано, возле звезды, которую мы, скорее всего, никогда не найдем. Но теперь нам достаточно много известно о том, как выглядит этот переход.
Образование планетарных систем – это грязный, хаотичный процесс, побочный продукт формирования звезд в химически обогащенных областях космоса. В течение миллиардов лет после Большого взрыва межзвездное пространство было заполнено облаками вещества с большим количеством разных химических элементов. Почти на 98 % они по-прежнему состояли из водорода и гелия, но критическую роль сыграли оставшиеся 2 %. Как и в ранней Вселенной, гравитация с удовольствием лепила из этих облаков комки. Возможно, в нашей части космоса ей помогла сверхновая, которая взорвалась неподалеку и перетряхнула все вокруг, в результате чего около 4,567 млрд лет назад газ и пыль стали собираться в огромное облако. В качестве визитной карточки эта сверхновая оставила характерные радиоактивные материалы, которые встречаются в метеоритах нашей Солнечной системы.
Сжимаясь, пылевое облако распалось на множество звездных туманностей. Из одной из них образовалось наше Солнце. Оно поглотило 99,9 % всего вещества вокруг себя. Но нам сейчас интересно то, что осталось – кольца мусора на орбите вокруг нашей молодой звезды. Звездная туманность сжималась под действием гравитации, и кружащаяся масса газа, пыли и частичек льда вращалась все быстрей и быстрей, пока центробежная сила не раскатала ее, как тесто для пиццы, и не получилась тонкая плоская область, где теперь расположена Солнечная система. Сегодня такие протопланетные диски можно наблюдать вблизи формирующихся звезд, так что нам известно, что они встречаются очень часто.
Вращающийся диск вещества превратился в планеты, спутники и астероиды под действием двух процессов. Первый – это химическая сортировка. Резкими выбросами из молодого Солнца заряженных частиц, которые называют солнечным ветром, с внутренних орбит выбило более легкие элементы, например водород и гелий, и образовались две отдельные зоны. Внешние области молодой Солнечной системы, как и бóльшая часть Вселенной, состояли в основном из этих первозданных элементов, водорода и гелия. Но внутренние, где впоследствии появились каменистые планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс, – потеряли столько их молекул, что химический состав здесь оказался на редкость разнообразным. Кислород, кремний, алюминий и железо образуют более 80 % земной коры, а такие вещества, как кальций, углерод и фосфор, играют второстепенную роль. Водород – элемент среднего значения, а гелий едва ли встретишь на Земле.
Второй процесс, благодаря которому образовалась Солнечная система, – это аккреция. На отдельных орбитах вокруг молодого Солнца крупицы вещества стали медленно скапливаться вместе. Вероятно, во внешних областях, главным образом содержащих газы, это происходило вполне спокойно. Гравитация собрала вещество в огромные газовые планеты, такие как Юпитер и Сатурн, состоящие в основном из водорода и гелия с небольшими вкраплениями пыли и льда. Но во внутренних областях аккреция протекала более ожесточенно и хаотично, потому что здесь было значительно больше твердого вещества. Частицы пыли и льда слипались, образуя каменные и ледяные комочки, которые в вихре иногда разносили друг друга на куски, а иногда склеивались в более крупные комки. Наконец, появились объекты еще большего размера – метеоры и астероиды, – и на всех орбитах они налетали друг на друга или сливались в такие крупные единицы, что их гравитацией смело бóльшую часть оставшегося хлама. В конце концов в результате этих процессов образовались планеты, которые мы видим сегодня на некотором расстоянии друг от друга на отдельных орбитах вокруг Солнца.
Это описание не вполне отражает, насколько аккреция – хаотичный и ожесточенный процесс. Некоторые объекты двигались поперек орбит, выбивая молодые планеты и спутники с места или разбивая их на куски. Возможно, к центру сместилась гигантская протопланета Юпитера, причем ее гравитационное притяжение должно было развалить любую планету, которая могла бы формироваться в области нынешнего пояса астероидов. Не исключено, что странный наклон и вращение Урана получились в результате резкого удара о другое крупное тело. А зубцы на многих астероидах – это шрамы от жестоких столкновений в начале истории Солнечной системы.
Тела продолжали сталкиваться долго, даже когда Солнечная система уже стабилизировалась. Так, Луна, возможно, образовалась в результате того, что примерно через 100 млн лет после рождения Солнечной системы на молодую Землю налетела протопланета размером с Марс (Тейя). Из-за этого огромные облака материи поднялись на орбиту вокруг Земли, где, скорее всего, они кружились, как кольца Сатурна (возможно, это тоже обломки разбитого спутника), пока в результате аккреции из них не получилась Луна.
За 50 млн лет Солнечная система в общих чертах приобрела свою нынешнюю форму и с тех пор оставалась довольно стабильной. Миллиарды планетарных систем в нашей Вселенной, вероятно, сформировались похожим образом, хотя существует огромное множество их конфигураций. Но все планетарные тела по температуре холоднее, а химически богаче и разнообразнее звезд, поэтому они обеспечили условия Златовласки, которые позволили появиться новым формам сложных явлений. В конце концов один из этих объектов – а возможно, и многие другие – породил жизнь.
Наша Солнечная система находится в галактике, которую мы называем Млечный Путь, на космической окраине одного из ее спиральных рукавов – Рукава Ориона. Млечный Путь относится к группе с неромантичным названием Местная группа галактик, где их около пятидесяти. Местная группа находится во внешней области Скопления Девы, в котором галактик около тысячи. Оно входит в Местное сверхскопление, где сотни таких групп. Чтобы пересечь Местное сверхскопление, нужно двигаться со скоростью света в течение 100 млн лет. В 2014 году выяснилось, что оно – часть гигантской космической империи, в которой, вероятно, 100 000 галактик и которую, двигаясь со скоростью света, можно было бы пересечь за 400 млн лет. Эта империя называется сверхскоплением Ланиакея (в переводе с гавайского – «необъятные небеса»). В настоящее время это самая крупная известная нам структурированная единица во Вселенной. Предполагается, что Ланиакея строится вокруг каркаса из темного вещества, гравитационное притяжение которого удерживает все эти галактики вместе, пока Вселенная расширяется.
Теперь вернемся на окраину Ланиакеи, в нашу Местную группу галактик, в Рукав Ориона, где мы найдем Солнце и планету Земля. После того как в результате аккреции образовалась эта планета, наш скульптор с бензопилой в качестве последнего штриха придал ей особую внутреннюю структуру. Геологи называют этот процесс
Молодая Земля нагревалась и плавилась. Нагрев вызывали резкие столкновения в ходе аккреции, радиоактивные элементы (которые образовались при взрыве сверхновой, как и бóльшая часть материала для Солнечной системы), а также давление, растущее по мере того, как планета увеличивалась в размере. Наконец молодая Земля стала такой горячей, что в основном растопилась в вязкое месиво, а после сжижения отдельные слои планеты распределились по плотности, и она обрела свою нынешнюю структуру.
Более тяжелые элементы, в первую очередь железо, никель и немного кремния, провалились через горячую жижу в середину и образовали металлическое ядро Земли. При вращении планеты оно создало магнитное поле, которое защитило ее поверхность от повреждений со стороны заряженных частиц солнечного ветра. Более легкие горные породы, например базальты, скопились выше ядра и образовали второй слой – зону полурасплавленных пород, перемешанных с газом и водой, глубиной 3000 километров, которая называется мантией. Отсюда берется лава, извергаемая вулканами. Самые легкие горные породы, в основном граниты, всплыли на поверхность, остыли и затвердели, образовав третий слой – тонкую, как яичная скорлупа, оболочку, которая называется корой и сегодня покрыта океанами и материками. Толщина коры под океанами в некоторых местах составляет всего пять километров, но под континентами она достигает 50 километров. Кора особенно интересна с химической точки зрения. Здесь можно найти твердые вещества, жидкости и газы, она неоднократно нагревалась и остывала под действием вулканов, падающих астероидов, жгучего молодого Солнца и наконец сконденсировавшихся первых земных океанов. В коре и мантии благодаря теплу и круговороту элементов образовалось около 250 новых минералов[42]. Пузыри газов, в том числе углекислого газа и водяного пара, выходили из мантии через вулканы и трещины на поверхности и образовали четвертый слой – первую атмосферу Земли. Кора и атмосфера также обогащались газами, водой, сложными молекулами и другими материалами, которые приносили с собой астероиды и кометы.
Горячее расплавленное ядро сохраняло молодую Землю в движении, потому что энергия из центра пробивалась через толщу планеты, подогревая и смешивая ее верхние слои, в результате чего возникали циркулирующие потоки мягких горных пород в мантии и образовалась усеянная вулканами поверхность. Жар ядра продолжает управлять изменениями в верхних слоях планеты. Сегодня можно проследить за движениями на ее поверхности с помощью систем GPS, и мы знаем, что плиты коры движутся примерно с той же скоростью, с которой у вас растут ногти. Самые быстрые перемещаются примерно на 25 сантиметров в год.
Геологи делят историю Земли на части. Самая продолжительная из них – эон. Первый эон называется гадей («подобный аду»). Он длился с образования Земли и до начала архейского эона (около 4 млрд лет назад). Заглянув на планету во времена гадея, вы увидели бы массу строительного хлама, оставшегося от аккреции. Трещины и разрывы на поверхности Луны и других планет показывают, что от 4 до 3,8 млрд лет назад на внутреннюю Солнечную систему обрушился дождь астероидов и других блуждающих объектов. Его называют «поздней тяжелой бомбардировкой», которую, вероятно, вызвало смещение орбит Юпитера и Сатурна, в результате чего объекты россыпью разлетелись по молодой Солнечной системе. Сейчас большинство астероидов обитает между Юпитером и Марсом – возможно, это обломки кирпичей и балок, из которых разрушительная гравитационная сила Юпитера так и не дала образоваться планете. Сегодня нам известно около 300 000 астероидов. Большинство из них маленькие, но этих блуждающих объектов достаточно много, чтобы бомбардировать внутренние планеты[43].
Что бы ни говорили в Голливуде, выкопать в Земле такую яму, чтобы добраться до ее недр, невозможно. На данный момент самое глубокое отверстие составляет примерно 12 километров, а это около 0,2 % расстояния до земного ядра. Его пробурили в ходе геологического исследования на Кольском полуострове на северо-западной оконечности России. О том, что находится внутри планеты, нам известно благодаря другому ловкому научному трюку, аналогу рентгена у геологов. Землетрясения вызывают колебания, которые проходят через толщу земли. Сейсмографы измеряют их в различных местах на ее поверхности. Сравнивая результаты в разных зонах, можно понять, как быстро и на какое расстояние колебания прошли под землей. Известно также, что отдельные виды колебаний с разной скоростью распространяются в разных материалах – одни только в твердых веществах, другие также в жидкостях. Так что, проследив за ними с помощью всевозможных сейсмографов, о внутренностях планеты можно многое выяснить.
Определить возраст Земли и многие другие даты, разбросанные по всей современной истории происхождения мира, удалось лишь во второй половине XX века, опираясь на весьма хитроумные научные средства.
Первые шаги к тому, чтобы составить современную историю планеты Земля, были сделаны в XVII веке. Тогда некоторые пионеры геологии поняли, что можно было бы установить порядок событий в истории Земли, даже не имея понятия, когда именно они произошли. В XVII веке живший в Италии датский священник Нильс Стенсен показал, что, внимательно изучая осадочные породы, можно определить, в каком порядке отложились разные их слои. Все осадочные породы формируются послойно, так что известно, что чем старше слой, тем ниже он лежит. Все, что прорезает слои, должно быть моложе.
В начале XIX века английский геодезист Уильям Смит продемонстрировал, что в разных местах в скальных породах встречается один и тот же набор окаменелостей. Разумно предположить, что одинаковые окаменелости относятся примерно к одному и тому же времени, и на этом основании можно определить слои, которые во всем мире заложились более-менее одновременно. Используя сочетание этих принципов, геологи XIX века сумели составить относительную хронологию истории Земли. Она также лежит в основе современных геологических систем датировки и начинается с кембрийского периода – первого, в слоях которого окаменелости видны невооруженным глазом.
Однако никто не знал, когда именно был кембрийский период, и многие геологи оставили надежду однажды определить абсолютные даты для каждого пласта. В 1788 году Джеймс Геттон писал: «У нас нет ни признаков начала, ни перспективы конца»[44]. Даже в начале XX века единственным способом установить точную дату события было найти письменный источник, в котором оно упоминается. А это означало, как указывал Герберт Уэллс, когда сразу после Первой мировой войны пытался написать современную историю происхождения мира, что абсолютную хронологию невозможно построить дальше чем на несколько тысяч лет в прошлое.
Однако тогда уже был сделан ряд открытий, благодаря которым в конце концов стала возможна более точная датировка, хотя Герберт Уэллс об этом не знал. Ключом ко всему была радиоактивность, форма энергии, обнаруженная в 1896 году Анри Беккерелем. В атомах с крупными ядрами, например уране, сила отталкивания между множеством положительно заряженных протонов может дестабилизировать ядро, и в конце концов оно спонтанно распадается, испуская электроны с высокой энергией, фотоны или даже целые ядра гелия. Отбросив часть ядра, элемент превращается в другие элементы с меньшим числом протонов. Например, уран в конце концов распадается до свинца. В 1900-х годах Эрнест Резерфорд понял, что, даже если нельзя сказать, когда собирается распасться конкретное ядро, радиоактивный распад, усредненный по миллиардам частиц, оказывается очень предсказуемым процессом. Каждый изотоп одного и того же элемента (у изотопов одинаковое число протонов, но разное количество нейтронов) распадается с разной, но регулярной частотой, так что можно точно определить, сколько времени потребуется, чтобы распалась половина атомов данного изотопа. Например, период полураспада урана-238 (у которого 92 протона и 146 нейтронов) составляет 4,5 млрд лет, а урана-235 (92 протона и 143 нейтрона) – 700 млн лет.
Резерфорд догадался, что радиоактивный распад можно использовать как своеобразные геологические часы, если измерить, какая часть пробы распалась. В 1904 году он попробовал измерить распад пробы урана и в качестве возраста Земли получил число около 500 млн лет. Основная идея была верна, но его оценка вызвала сомнения, потому что общепризнанный возраст Земли был гораздо меньше – менее 100 млн лет.
Со временем все больше геологов стали соглашаться, что Земля может быть намного старше, чем считали раньше. Но измерение радиоактивного распада вызывало сложнейшие технические проблемы. Они были решены лишь в конце 1940-х годов с помощью методов, разработанных в рамках Манхэттенского проекта по созданию первой атомной бомбы. Чтобы сделать бомбу, требовалось разделить разные изотопы урана и получить чистые образцы урана-235. Американский физик Уиллард Либби помогал разрабатывать методы выделения и измерения разных изотопов урана, которые впоследствии оказались необходимы для измерения радиоактивного распада.
В 1948 году группе Либби удалось точно определить возраст материала из гробницы фараона Джосера, который ученым предоставил музей Метрополитен[45]. Они использовали углерод-14, радиоактивный изотоп углерода с периодом полураспада 5730 лет, вследствие чего он чрезвычайно удобен для исследования таких органических материалов, как древесина. Для разных периодов и материалов использовали разные радиоактивные вещества. Геологам особенно пригодился распад урана до свинца, а благодаря тому, что изотопы урана распадаются с неодинаковой скоростью, удалось провести перекрестный контроль[46]. В 1953 году Клэр Паттерсон с помощью уран-свинцового метода определил возраст железного метеорита. Он верно предположил, что метеориты состоят из первозданного материала молодой Солнечной системы и поэтому по ним можно судить о ее возрасте в целом. Согласно его измерениям, Земле оказалось около 4,5 млрд лет – значительно больше, чем по оценке Резерфорда. Датировка Паттерсона до сих пор считается верной.
Помимо методов радиоактивного датирования возникли другие, и их можно использовать для перекрестного контроля. Ученые иногда определяют даты в пределах последних тысячелетий, подсчитав годовые кольца древних деревьев, которые могут жить по несколько тысяч лет, например сосны остистой. У астрономов есть свои способы датировать историю Вселенной, а биологи обнаружили, что ДНК изменяется в весьма равномерном темпе, так что можно примерно определить, когда два вида отделились от общего предка, измерив разницу между их геномами. Благодаря таким методам, основанным на внимательном изучении процессов, подобных радиоактивному распаду, а также разработке новых точных измерительных инструментов у нас появилась хронология, вокруг которой строится современная история происхождения мира.
До сих пор мы наблюдали усложнение на интересных, но безжизненных объектах. Теперь мы подошли к одному из важнейших среди всех наших порогов – возникновению жизни. Вместе с ней появляются сложные сущности совершенно нового вида и другого уровня, а также целый набор новых понятий, среди которых информация, смысл и, наконец, сознание.
Часть II
Биосфера
4
Жизнь: пятый порог
После обеда я размышлял о жизни. Если подумать, до чего странная вещь – жизнь! Так не похожа на все остальное, не правда ли, если вы понимаете, о чем я.
Коренная сущность каждого живого существа – не пламя, не теплое дыхание и не «искра жизни». Но информация, слова, инструкции. Если вы любите метафоры, то не представляйте себе огни, искры и дыхание, а представляйте себе миллиарды четких кодовых знаков, высеченных на гранях кристалла[47].
Жизнь, какой мы ее знаем, возникла почти 4 млрд лет назад в результате причудливых химических процессов, которые протекали в богатой химическими элементами среде на молодой планете Земля. Если жизнь есть где-то еще, возможно, там она выглядит так странно, что мы бы ее не узнали. Но на Земле все живое состоит из миллиардов замысловатых молекулярных наномашин. Они работают сообща в похожем на пузырек защитном устройстве, которое мы считаем строительным элементом всего живого – основной структурной, функциональной и биологической единицей всех известных живых организмов. Эти защитные пузыри называются клетками. Английское слово
Жизнь очень сильно воздействует на нашу планету, потому что живые организмы создают собственные копии, способные приумножаться, распространяться, разрастаться и видоизменяться. За 4 млрд лет их колоссальная армия трансформировала Землю и создала биосферу – тонкий слой на поверхности планеты, состоящий из живых организмов и всего, что ими образовано, что они изменили или оставили после себя.
Жизнь – очень загадочная вещь: кажется, что внутри любой клетки царит полный бардак, как будто миллион молекул устроили бои в грязи, но при этом целая клетка производит впечатление, словно она действует осмысленно. Как будто что-то ведет ее изнутри, пункт за пунктом двигаясь по некоему списку дел. Список простой: 1) остаться в живых вопреки энтропии и непредсказуемым условиям и 2) создать копии себя самой, которые смогут делать то же самое. И так далее, от клетки к клетке, из поколения в поколение. Здесь, в этом стремлении достичь одного результата и избежать другого, кроятся корни страсти, заботы, жизненных целей, этики и даже любви. Возможно, даже зачатки смысла, если понимать его как способность придавать разное значение разным событиям и знакам. Что значит эта большая белая акула сзади меня?
Видимость (возможно, иллюзия) осмысленности – это нечто новое. Это несвойственно другим сложным явлениям, которые мы наблюдали до сих пор. Можно ли говорить о целях звезды? Планет, горных пород? Или даже Вселенной? Скорее нет, по крайней мере, не с позиций современной истории происхождения мира. Но живое устроено иначе. Вместо того чтобы пассивно принимать правила энтропии, оно, как упрямый ребенок, отпихивается и пытается торговаться. Живые существа не просто образуют неподвижные структуры в пространстве, как протоны или электроны. Они существуют не за счет энергетических запасов, как звезды, что поедают протоны из кладовки, которую плотно набили при их рождении, и распадаются, стоит кладовке опустеть. Живые организмы постоянно выискивают в окружающей среде новые потоки энергии, чтобы сохранять свое сложное, но нестабильное состояние. Камни себя так не ведут; так ведет себя птица, вставшая на крыло. Живые организмы продолжают полет (в термодинамическом смысле), поглощая свободную энергию, чтобы в ходе сложных химических процессов атомы и молекулы перестраивались определенным образом, который позволяет живому оставаться живым. Если организм больше не может уплачивать энтропии энергетический налог, он терпит крах.
Энергия и жизнь! Помню, в Австралии я наблюдал, как мои дети превращают энергию бутербродов с веджимайтом[48] в бурную энергию движения, бегая по саду. Можно даже измерить скорость, с которой течет свободная энергия (в том числе из бутерброда с веджимайтом), превращаясь в энергию речи, бега и, наконец, тепловую энергию, причем энтропия на каждом этапе растет. Человек в среднем употребляет 2500 калорий в день, это около 10,5 млн джоулей (джоуль – мера работы энергии; одной калории соответствует около 4184 джоулей). Поделите это на 86 400 секунд в день, и получится, что человек каждую секунду задействует около 120 джоулей. Это «номинальная мощность» человеческого существа: 120 ватт, чуть больше, чем у обычной лампочки[49].
Жизнь с ее вечными попытками дать энтропии отпор представляет собой новый вид и новый уровень сложных явлений. В теории сложных систем объекты этого уровня иногда называют сложными адаптивными системами. До сих пор мы говорили о сложных физических системах: поведение их составляющих обычно можно прогнозировать, исходя из основных правил действия Вселенной; составляющие же сложных адаптивных систем выглядят так, как будто у них есть собственная воля. По-видимому, они следуют дополнительным правилам, которые выявить уже труднее. Действительно, сложные адаптивные системы, например бактерии, ваша собака или международные компании, ведут себя так, как будто каждая их часть – это действующее лицо, агент с собственной волей, так что каждый элемент постоянно подстраивается под поведение множества других. В результате они ведут себя чрезвычайно сложно и непредсказуемо[50].
Упомянув так называемых агентов, я протащил сюда новую идею, которая будет становиться все важнее, – идею информации. Когда агенты реагируют друг на друга, они реагируют на информацию о том, что происходит вокруг них, в том числе о том, что делают другие агенты. Если считать информацию персонажем нашей современной истории происхождения мира, то она будет действовать под прикрытием, маскируясь, будет управлять событиями, сама оставаясь в тени. Энергия
В самом общем виде информация заключена в правилах, которые, ограничивая количество возможностей, влияют на результат. Одно из самых известных ее определений – это «различие, которое вызывает различие»[53]. Правила определяют, какие из всех мыслимых изменений действительно возможны в определенное время в определенном месте, и это дает различные результаты. Информация начинается с законов физики, базовой операционной системы нашей Вселенной. Они направляют изменения по определенным путям, например туда, где в итоге гравитация создала первые звезды. Информация в этом самом общем смысле ограничивает возможности, а значит, уменьшает степень случайности. Поэтому кажется, что чем больше информации, тем меньше энтропия, тем меньше потенциал беспорядка, который последней так люб. Такая информация универсальна, это правила, встроенные в каждую крупицу материи и квант энергии. Гравитации никто не говорил, что делать, она просто взялась за работу.
Но в бытовом смысле слово «информация» означает нечто большее, чем правила. Это правила, которые считывает человек, агент или предмет, – собственно, какая-то сложная адаптивная система. Информация такого рода появляется, потому что многие важные правила
Сложные адаптивные системы выживают лишь в совершенно определенных условиях, так что им нужно уметь читать или расшифровывать не только универсальные правила, но и местную информацию. И это нечто новое. Всем формам живого необходимы механизмы интерпретации местной информации (такой как присутствие различных химикатов или особенности локальной температуры и уровня кислотности), чтобы они могли правильно реагировать («Что мне делать: обнять это, съесть или убежать?»). Философ Дэниел Деннет пишет: «Животные – не просто травоядные или плотоядные. Они…
Локальные условия нестабильны, так что живым организмам приходится постоянно наблюдать за средой внутри и снаружи самих себя, чтобы отмечать существенные изменения. При этом по мере усложнения им нужно все больше и больше информации, ведь у более сложных структур больше движущихся частей, а между частями больше связей. У кишечной палочки, бактерии, которая, скорее всего, благоденствует у вас в кишечнике, пока вы это читаете, на движение и восприятие отведено около 5 % молекулярных ресурсов, но в вашем теле большинство органов прямо или косвенно занимается либо восприятием, либо движением, начиная с мозга и заканчивая глазами, нервными волокнами и мышцами[55]. Существует широкий спектр систем, собирающих и анализирующих информацию, самая передовая из них – современная наука, а начались они с примитивных органов чувств древнейших одноклеточных организмов.
Разумеется, энтропия зорко следит за всем этим. Если более высокий уровень сложности означает большее количество информации, то, повышая и то и другое, вы снижаете энтропию с ее неопределенностью и беспорядком. Это не проходит незамеченным. Энтропия потирает ручки, думая об энергетических налогах и пошлинах, которые она сможет брать с ростом сложности и количества информации[56]. На самом деле есть мнение, что идея жизни ей вообще-то нравится (и что, возможно, она поощряла ее возникновение во многих частях Вселенной), потому что живое расходует свободную энергию гораздо активнее, чем неживое.
Объяснить, как возникла жизнь на Земле, и попытаться понять, могло ли что-то похожее появиться в других местах Вселенной, – это одна из самых сложных задач в современной науке. На данный момент нам известна лишь одна планета, на которой есть жизнь. Астробиологи ищут живое в других местах в рамках программы поиска внеземных цивилизаций SETI, которая начала свою работу в 1960 году, но до сих пор ничего не нашли. Пока что нам приходится ограничиваться тем, чтобы изучать происхождение жизни на Земле. Это уже очень сложно, потому что для этого нужно выяснить, что происходило на нашей планете почти 4 млрд лет назад, когда все здесь было совершенно другим.
Имея на руках всего один образец, трудно даже понять, что вообще такое жизнь. Что отличает живое от неживого? Дать определение жизни не легче, чем понятию сложности или информации, и, по-видимому, между живым и неживым проходит туманная пограничная зона.
Большинство современных определений жизни на Земле включают в себя следующие пять характеристик:
1. Живые организмы состоят из клеток, окруженных полупроницаемой мембраной.
2. У них есть метаболизм (обмен веществ) – механизмы захвата и использования потоков свободной энергии из окружающей среды, которые позволяют, перестраивая с их помощью атомы и молекулы, получать сложные динамичные структуры, необходимые для выживания.
3. Они могут приспосабливаться к изменениям в окружающей среде с помощью гомеостаза, используя информацию о внутренней и внешней среде и механизмы, позволяющие на нее реагировать.
4. Они могут воспроизводиться, создавая с помощью генетической информации почти точные копии самих себя.
5. У копий есть незначительные отличия от родителей, поэтому за много поколений свойства живых организмов постепенно меняются по мере того, как те развиваются и приспосабливаются к изменениям в окружающей среде.
Рассмотрим все эти свойства по порядку.
Все живое на Земле состоит из клеток. В каждой клетке миллионы сложных молекул, которые множество раз в секунду вступают в реакцию друг с другом, пробираясь через соленое водянистое химическое месиво, полное белков, в клейком пространстве под названием «цитоплазма». Цитоплазма окружена своеобразной химической оградой, клеточной мембраной, которая контролирует, что поступает в клетку и что ее покидает. В мембране, как в стене средневекового города, есть ворота и есть стражники, которые решают, кто из молекулярных путников может войти и когда. Клетки действительно напоминают города. Питер Хоффман пишет в своей книге о них:
Здесь есть библиотека (ядро, где находится генетический материал), электростанции (митохондрии), шоссе (микротрубочки и актиновые филаменты), грузовики (кинезин и динеин), заводы по утилизации отходов (лизосомы), городские стены (мембраны), почтовые отделения (аппарат Гольджи) и множество других структур, которые выполняют жизненно важные функции. Все это – функции молекулярных механизмов[57].
Все живые организмы существуют за счет потоков свободной энергии, которые приходится аккуратно регулировать. Остановите поток, и они умирают, как осажденный город, вынужденный сдаться от голода. Но если поток слишком сильный, они тоже гибнут, как город от воздушной бомбардировки. Поэтому потоки энергии требуют очень тонкого управления. Обычно клетки принимают и используют крошечные порции энергии, по одному электрону или протону. Будучи достаточно маленькими, чтобы не вносить разрушений, такие потоки все же достаточно велики, чтобы дать энергию активации, необходимую для множества любопытных химических процессов. Этимологически термин «метаболизм» происходит от слова, которое означает «изменение». Это напоминает нам о том, что клетка никогда не бывает в покое. Как птица в полете, она использует энергетические потоки, чтобы продолжать подстраиваться под непрерывно меняющуюся среду.
Живым организмам нужно все время следить за изменениями в окружающей среде и приспосабливаться к ним. Эта постоянная подстройка называется сохраняющим гомеостазом. Чтобы сохранять определенное равновесие в переменных условиях, клетки должны всегда иметь доступ к информации о внутренней и внешней среде, загружать и расшифровывать эту информацию, выбирать лучшую реакцию, а затем реагировать. Слово «гомеостаз» означает «сохранение неподвижности», и это противоположность изменению. Но вы поймете, что это значит, если представите себе, что сохраняете неподвижность в нескончаемом вихре молекул клеточной среды.
Эти способности чрезвычайно впечатляют, но они были бы не слишком интересны, если бы живые организмы появились и исчезли, подобно пене на волнах океана. Может быть, именно это и произошло на каких-то планетах возле каких-то звезд, а возможно, даже в начале истории Земли. Но сегодня на нашей планете живые организмы не просто борются с ураганом изменений и энтропии. Они создают копии самих себя, так что, если какие-то клетки разрушатся (а рано или поздно это случится с каждой), на их место смогут встать другие. Размножение – это умение создавать жизнеспособные копии клеток. Это значит, что шаблон, по которому строится организм (в современной терминологии – его
Шаблоны более-менее бессмертны, но механизм копирования неидеален. Это хорошо, потому что в результате мелких ошибок копирования шаблоны могут понемногу меняться, а это ключ к приспособлению и эволюции. Именно маленькие генетические изменения делают жизнь такой устойчивой, позволяя видам приспосабливаться к окружающей среде – благодаря тому, что случайным образом возникают слегка отличающиеся шаблоны. Когда меняются условия среды, меняются и правила, которые определяют, какие шаблоны выживут, а какие исчезнут.
Этот механизм Чарльз Дарвин назвал
Как и механизмы, которые породили первые структуры во Вселенной, естественный отбор объединяет необходимость и случайность. Изменчивость обеспечивает множество возможностей, а естественный отбор использует местные правила, чтобы выбрать то, что подходит к локальным условиям. Вот как писал об этом Дарвин в «Происхождении видов»:
Можно ли… считать невероятным, [что] вариации, полезные в каком-нибудь отношении для каждого существа в великой и сложной жизненной битве, появятся в длинном ряде последовательных поколений? Но если такие вариации появляются, то (помня, что особей родится гораздо более, чем может выжить) можем ли мы сомневаться в том, что особи, обладающие хотя бы самым незначительным преимуществом перед остальными, будут иметь более шансов на выживание и продолжение своего рода? С другой стороны, мы можем быть уверены, что всякая вариация, сколько-нибудь вредная, будет беспощадно истреблена. Сохранение благоприятных индивидуальных различий и вариаций и уничтожение вредных я назвал естественным отбором[58][59].
Идея Дарвина в сочетании с современными представлениями о генетике и наследственности объясняет творческий потенциал жизни, ее способность на протяжении многих поколений исследовать возможности, осваивать новые потоки энергии и строить новые типы структур. Она объясняет, как в биологическом мире в результате повторяющихся алгоритмических процессов возникают структуры ошеломительной сложности, которые в течение миллионов и миллиардов лет шаг за шагом и поколение за поколением отбираются из бесчисленного количества вариантов.
Идея естественного отбора шокировала современников Дарвина, поскольку из-за нее отпадала необходимость в боге-творце[60]. А на понятии бога-творца строилась христианская история происхождения мира, в которую верило большинство людей в викторианской Англии. Дарвин и сам был обеспокоен, а его жена Эмма боялась, что в загробной жизни они с Чарльзом окажутся разлучены. Но механизм, который он описал, судя по всему, действительно имеет фундаментальное значение для истории жизни. На одном из Галапагосских островов, которые Дарвин посетил в молодости, плодятся вьюрки. Если деревья на острове дают орехи с прочной скорлупой, со временем окажется, что те птицы, чьи клювы могут лучше всего расколоть ее, выживают успешнее и оставят больше потомства, чем другие. Подождите несколько поколений, и вы увидите, что на этом острове такой клюв появится у всех вьюрков. Со временем, по мере того как «природа» (а на самом деле правила местной среды) будет отбирать отдельных особей, в конце концов возникнет новый вид. Как показал Дарвин, в этом заключается основной механизм биологической эволюции. Это дарвиновский храповик сложности; таким образом жизнь шаг за шагом создает все более сложные объекты.
Как получилось, что моторчик жизни, чихнув, впервые заработал где-то в богатых и разнообразных условиях Златовласки на молодой Земле?[61]
Есть кое-что, чего не знал Дарвин: механизмы, подобные естественному отбору, когда случайные изменения отсеиваются местными правилами, в некотором приближении могут действовать и в мире, где жизни нет. Там, где есть сложная смесь химикатов и много свободной энергии, могут возникнуть молекулы, которые стимулируют образование других молекул и в итоге порождают то, с чего эта реакция началась. Это автокаталитический цикл – реакция, составляющие которой делают возможной, или
Для химической эволюции необходима среда, где возможны многочисленные химические эксперименты. А такое встречается крайне редко. В чем же состоят условия Златовласки для проведения химических опытов? И почему на молодой Земле они были так распространены?
Во-первых, наша Солнечная система находится в правильной части Млечного Пути. На дальних рубежах галактики звездам достаются скудные, химически обедненные облака вещества. По тем звездам, что расположены слишком близко к ее центральной «деловой зоне», постоянно бьют ударные волны, которые активно испускают черные дыры в ее ядре. Солнечная система – как раз там, где нужно. Ее орбита находится примерно в двух третях пути от центра галактики, в самой середине «жилой зоны» Млечного Пути.
Во-вторых, химия хорошо работает только при низких температурах. В ранней Вселенной было слишком жарко, чтобы атомы соединялись в молекулы. Слишком жарко и внутри звезд. Химическое богатство возможно лишь в узком диапазоне довольно низких температур, которые встречаются в пригодных для жизни зонах – рядом со звездами, но не слишком близко от них. Орбита Земли находится примерно посередине пригодной для жизни области возле Солнца. Венера и Марс обращаются, соответственно, на внутренней и внешней границах жилой зоны нашей системы. Впрочем, оказывается, бывает, что внутри спутника, находящегося дальше от звезды, например спутника Сатурна Энцелада, горит огонь, и здесь могут протекать благоприятные для жизни химические процессы. В 2017 году ученые обнаружили, что в океанах Энцелада вырабатывается водород, газ, который обеспечивал пищей некоторые из самых первых организмов на планете Земля[63].
Третье условие Златовласки, необходимое для химического богатства, – это присутствие жидкостей. В газах атомы носятся, как гиперактивные дети, и сложно удержать их так, чтобы они могли сцепиться с другими атомами. В твердом веществе обратная проблема: здесь атомы застряли на одном месте. Жидкости же подобны танцевальным залам, а вода в жидкой форме с ее перешептыванием водородных связей – это лучшая бальная зала из всех возможных. Атомы могут курсировать, вальсировать, танцевать танго, и электрону несложно сменить партнера, если он заметит кого-то поинтереснее. Наличие жидкостей зависит от химических условий, температуры и давления. Вода в жидкой форме существует в узком диапазоне температур (бóльшая часть воды во Вселенной находится в форме льда). Но при этих же температурах встречаются газы и твердые вещества, поэтому возникают очень интересные химические возможности. Таким образом, следует ожидать, что в химическом плане самыми любопытными будут планеты, где средние температуры на поверхности находятся примерно между 0 и 100 °С, между точкой замерзания и кипения воды соответственно. Это бывает редко, но Земля расположена как раз на правильном расстоянии от Солнца, чтобы на ней была жидкая вода.
Четвертое условие Златовласки для химического богатства – это разнообразие элементов. Правильная температура совершенно бесполезна, если в вашем распоряжении нет ничего, кроме водорода и гелия. А сегодня даже в химически богатых областях галактик они по-прежнему составляют 98 % всего атомного вещества. Сложная химия возможна в тех редких средах, где чаще встречаются другие элементы периодической таблицы. В Солнечной системе такое разнообразие можно увидеть лишь на каменистых планетах около Солнца, потому что молодая звезда выпарила бóльшую часть водорода и гелия с внутренних орбит Солнечной системы и здесь остался концентрированный дистиллят из всех остальных элементов.
Когда молодая Земля застыла, из месива разнообразных химикатов получились глыбы каменных пород – это твердые вещества, состоящие из множества разных простых молекул, перемешанных между собой. Появились и первые земные минералы, вероятно, в форме простых кристаллов, таких как графит или алмазы[64].
В такой химически богатой среде многие простые молекулы, из которых образуются живые организмы, могут возникнуть более-менее спонтанно. Речь идет о маленьких молекулах, содержащих менее ста атомов, включая аминокислоты, из которых сделаны все белки; нуклеотиды, из которых состоит весь генетический материал; углеводы или сахара, часто использующиеся как батарейки для хранения энергии; и жирные фосфолипиды, что образуют клеточные мембраны. Сегодня эти молекулы не появляются спонтанно, потому что их разорвал бы на части атмосферный кислород. На ранних же этапах свободного кислорода в атмосфере Земли практически не было, так что такие простые молекулы могли образоваться, получив небольшой импульс энергии активации.
В 1952 году, желая продемонстрировать это, молодой химик, магистрант Чикагского университета Стэнли Миллер, создал лабораторную модель атмосферы молодой Земли, поместив воду, аммиак, метан и водород в замкнутую систему колб и трубок. Он подогрел смесь и стал пропускать через нее электрические разряды (лабораторный аналог вулканов и электрических бурь), чтобы создать энергию активации. Через несколько дней Миллер обнаружил розоватый компот из аминокислот. Теперь нам известно, что другие простые органические молекулы, включая фосфолипиды, тоже могут образовываться в такой среде. Основной результат Миллера считается верным и сегодня, хотя мы знаем, что на ранних этапах в атмосфере преобладали не метан и водород, а водяной пар, углекислый газ и азот.
С тех пор выяснилось, что такие молекулы образуются даже в менее благоприятных химических условиях межзвездного пространства, так что множество простых органических молекул могло прибыть на Землю уже в готовом виде, на кометах и астероидах. Например, Мурчисонский метеорит, который упал на Землю близ деревни Мурчисон в Австралии в 1969 году, содержал аминокислоты и некоторые химические основания, встречающиеся в ДНК. Такие метеориты в начале истории Земли падали гораздо чаще, чем теперь, поэтому можно предположить, что молодая планета уже была засеяна многими веществами, послужившими сырьем для жизни, и сама была вполне способна производить их.
Но большинство молекул в клетках, например белки или нуклеиновые кислоты, гораздо сложнее этих простых молекул. Они состоят из полимеров, длинных, хрупких молекулярных цепочек, а формировать полимеры непросто. Для этого нужно точное количество энергии активации и условия, которые подтолкнули бы молекулы друг к другу определенным правильным образом. Среда, в которой на молодой Земле могли возникнуть нужные условия, чтобы связать цепочки полимеров, встречается в глубоководных гидротермальных источниках, где сквозь дно океана просачиваются горячие вещества из недр Земли. Эти места были защищены от солнечной радиации и жестоких бомбардировок, которые случались на поверхности. Кроме того, здесь было много воды, встречались разнообразные химические элементы и градиенты тепла и кислотности – ведь горячая, химически богатая магма в этих местах проникала в холодные воды океана. Особенно многообещающая среда формируется вблизи щелочных источников, открытых лишь недавно, в 2000 году, а пористые породы, которые здесь образуются, могут служить миниатюрными убежищами для химических экспериментов, подобно колбам и трубочкам Миллера. В таких местах встречаются даже глинистые поверхности с правильными молекулярными структурами, которые могли сыграть роль физических или электрических лекал, чтобы выстроить атомы упорядоченным образом и заставить их оставаться неподвижными, пока те образуют цепочки, подобные полимерным.
Жизнь появилась в начале истории планеты Земля, а это говорит о том, что создавать простые ее формы может быть не так уж сложно, если действуют необходимые условия Златовласки. Однако точно определить, когда именно она возникла, трудно, потому что первые организмы жили более 3 млрд лет назад и имели микроскопические размеры, а породы, где они были погребены, уничтожены эрозией. На данный момент самое надежное непосредственное свидетельство о первых формах жизни на Земле – это микроскопические ископаемые останки, найденные в отдаленном регионе Пилбара в Западной Австралии в 2012 году. По-видимому, бактерия, которой они принадлежат, жила около 3,4 млрд лет назад[65]. В сентябре 2016 года в журнале Nature вышла статья о находках, сделанных в Гренландии, возраст которых составляет 3,7 млрд лет и которые напоминают подобные кораллам строматолиты[66]. Если это – то, что многие думают, то жизнь, должно быть, начала развиваться на миллионы лет раньше, чем считалось прежде, и должна была появиться вскоре после окончания Поздней тяжелой бомбардировки, примерно 3,8 млрд лет назад. А в начале 2017 года, опираясь на данные об ископаемых образованиях, найденных в северном Квебеке, ученые заявили, что, возможно, это произошло целых 4,2 млрд лет назад. Придется подождать, чтобы увидеть, выдержат ли эти заявления проверку временем[67].
Пока что биологи не могут до конца объяснить, как возникли первые живые организмы. Но они понимают, что происходило на многих этапах этого процесса.
Биологи не знают точно, как выглядел первый живой организм, но они назвали его «Лука» (или LUCA, от английского словосочетания
Мы никогда не найдем останков «Луки», потому что на самом деле он – гипотетическое существо, некий собирательный образ первого живого организма, что-то вроде фоторобота сбежавшего преступника. И все же такой портрет может помочь понять, с чего началась жизнь.
«Лука» был вроде бы и живым, но не совсем, он относился к категории своеобразных зомби, где-то между живой и неживой природой. Понять это проще, чем кажется. Вирусы не совсем живые, потому что они отвечают не всем условиям нашего определения живых организмов. У них нет метаболизма, а их мембраны чрезвычайно хрупкие, так что не вполне ясно, можно ли считать их клетками. Это почти все равно что единица генетического материала, которая может прицепиться к более сложному организму. Вирус проникает в другую клетку, захватывает ее механизмы обмена веществ и использует их, чтобы создавать копии самого себя. Когда вы болеете гриппом, вирус откачивает энергию из ваших метаболических труб. Но если ему не удается найти клетку, которую можно захватить, вирус останавливает работу и ждет в состоянии анабиоза. Некоторые клетки обитают в камнях, и у них крайне медленный метаболизм; они живут за счет крошечных порций воды и питательных веществ. Они могут надолго полностью замереть, как рок-гитарист Хотблэк Дезиато из романа Дугласа Адамса «Ресторан “У конца Вселенной”», который целый год оставался мертвым, чтобы уйти от налогов. То, от чего пытаются уйти такие организмы, – это, конечно, налог энтропии на сложность. Возможно, «Лука» обитал в такой же сумеречной зоне.
Фоторобот «Луки» построили, определив несколько сотен генов, вероятно очень древних, которые можно найти в самых современных прокариотах. Они позволяют предположить, в каких условиях появилось это существо, потому что показывают, какие белки оно производило, чтобы выжить[68].
Собирательный «Лука» (или семейство таких организмов, потому что на самом деле они исчислялись миллиардами) мог приспосабливаться к изменениям окружающей среды. У него был геном, так что он мог воспроизводиться. И он развивался. Возможно, что у него не было ни собственной мембраны, ни собственного метаболизма. Вероятно, стенки его клеток состояли из пористой вулканической породы, а метаболизм зависел от геохимических потоков энергии, которые он едва ли мог контролировать. Белки, которые вырабатывал «Лука», говорят о том, что он обитал на краю глубоководных щелочных источников, вероятно в мелких порах лавоподобных пород, и извлекал энергию из окрестных градиентов тепла и кислотности, а также потоков протонов и электронов. Его химические внутренности, скорее всего, плескались в теплых жидкостях из недр Земли, а те были щелочными, то есть в них был избыток электронов. Сразу за пределами вулканических пор, которые служили «Луке» домом, располагались воды океана, более холодные и более кислотные, то есть с избытком протонов. Как в заряженной батарейке, малюсенький перепад электрического заряда между средой внутри организма «Лука» и внешним миром обеспечивал свободную энергию, необходимую для его метаболизма, поглощения питательных веществ из внешней среды и выделения отходов.
Один из пионеров в исследовании ранних форм жизни, Ник Лейн, описывает организм «Луки» следующим образом:
Поделиться книгой: