Страница 11 из 35
Существуют ли еще другие самые общие требования, необходимые для живой системы? Для того чтобы любая форма жизни представляла для нас какой-то серьезный интерес, она должна быть, по крайней мере, средней сложности, и вероятно, необходимо, чтобы она действительно была очень сложной. Нам неизвестно ничего в структуре Вселенной на любом уровне, что создает такую степень сложности вследствие природы вещей. Единственный известный нам механизм, который может это делать, — это естественный отбор, требования которого мы только что в общих чертах рассмотрели.
Мы видели, что он подразумевает сохранение и репликацию большого количества информации. Единственный эффективный способ это выполнить — использовать комбинаторный принцип. А именно, мы выражаем информацию, используя только небольшое количество типов стандартных единиц, но соединяем их весьма многочисленными различными способами. (Письменность — отличный пример этого принципа.) Жизнь, как мы знаем, использует линейные нити из стандартных единиц, но можно представить схемы, в которых используются упорядоченные слои единиц или даже трехмерные структуры, хотя их было бы труднее копировать. Эти структуры должны не только содержать информацию, а именно, они не должны быть полностью регулярными, но их информационное содержание должно легко и точно копироваться, и, что еще важнее, информация должна быть устойчивой в течение более длительного периода времени, нежели необходимым для ее копирования, в противном случае ошибки будут слишком частыми и естественный отбор не сможет функционировать. Таким образом, создание на основе стандартных единиц расширенных комбинаций, которые довольно устойчивы, представляется важнейшей задачей, если должна развиться какая-то более высокая форма жизни. Если мы попытаемся избежать использования небольшого числа стандартных единиц, то механизм копирования становится все в большей и большей степени затрудненным, каким он несомненно является при письме и печати на китайском языке, содержащем тысячи различных единиц.
Другое общее требование к процессу состоит в том, что он не должен быть слишком медленным. Мы не можем, пока еще, рассчитать скорость процесса эволюции на основании первых принципов, но система, которая была, скажем, в десять или в сто раз медленнее нашей, едва ли имела достаточно времени для создания высших организмов, по сложности аналогичных нашим, даже если эта система зародилась сразу после Большого взрыва. Таким образом, любая система, в основе которой лежит твердое состояние, где химические реакции, безусловно, протекают, но протекают крайне медленно, почти неизбежно оказалась бы слишком медленной. Поэтому нам остается только рассмотреть жидкости и газы.
Одно возражение против чисто газообразного состояния заключается в том, что только мелкие молекулы могут образовывать настоящие газы, поскольку, даже если между ними нет особых сил притяжения, там всегда есть ощутимые силы межмолекулярного взаимодействия (называемые ван-дер-ваальсовыми силами). Они действуют между всеми атомами, хотя только на коротких расстояниях, и возрастают с размером молекулы. Поскольку, как мы видели, информационная молекула должна быть довольно крупной (для того чтобы содержать в себе инструкции, используя комбинаторный метод), то маловероятно, что она окажется газообразной, кроме как при высоких температурах, когда существует опасность, что тепловое движение разрушит ее на части, или же при крайне низком давлении, которое вызвало бы иные трудности. В частности, концентрации молекул, образующих газообразную фазу, были бы тогда обязательно очень низкими, и это замедлило бы скорость необходимых химических реакций. По всем этим причинам, трудно изобрести какую-либо правдоподобную систему, основанную исключительно на газообразном состоянии.
Возникает больше возможностей, если мы позволим частичкам твердой материи или каплям жидкости (или каплям, окруженным особой оболочкой) перейти почти в газообразное состояние. В таких случаях труднее доказать, что такая форма жизни весьма маловероятна. Можно было бы предположить невозможность развития каких-либо крупных организмов, использующих подобную систему, но здесь мы должны быть осторожными. Само существование наземных животных и растений доказывает, что однажды система некоторым образом усовершенствовалась; естественный отбор может быть очень изобретательным, преодолевая трудности подобного рода. Однако все же когда ознакомишься с проблемой, то самое легкое решение — это применить систему, в основе которой крупные соединения, напоминающие твердые структуры, но в незначительном масштабе, и плавающие почти в жидкости. По-видимому, чему-либо еще было крайне трудно начать развитие. Поскольку углерод — это атом, который, в отличие от остальных, превосходит по количеству связей другие атомы, тем самым создавая почти бесконечное разнообразие органических молекул, и поскольку вода — это наиболее распространенная молекула во Вселенной, которую, вероятно, можно найти в любом количестве в жидком состоянии, то не вызывает большого удивления, что жизнь, как мы знаем, основана на соединениях углерода, растворенных в воде.
Конечно, где-нибудь еще во Вселенной может существовать жизнь, в основе которой — другие вещества. При низких температурах жидкий аммиак может служить растворителем, хотя и не таким универсальным, как вода, которая является необычайно хорошим растворителем. Вместо углерода был предложен кремний. Его преимущество в том, что он довольно распространен, по крайней мере, на поверхности Земли. Кремний, который в соединении с кислородом дает силикат, фактически образует расширенные структуры. Некоторые из них слоистые, незначительное число линейно, но большей частью это довольно сложные трехмерные структуры, кристаллические и псевдокристаллические, и не выглядят такими, будто они легко могли создать основание для естественного отбора, кроме как самым неуклюжим образом.
Таким образом, форма жизни, основанная на других веществах, не является невозможной. Некоторые системы заслуживают дальнейшего изучения, но до сих пор никто не преуспел в том, чтобы предложить систему, которая действительно выглядит многообещающей. Некоторые системы, такие как жизнь в плазме или жизнь внутри звезды, кажутся наиболее маловероятными. Для того чтобы развить форму жизни внутри Солнца, необходимо иметь огромное разнообразие расширенных соединений нуклонов, которые были бы устойчивы довольно длительные периоды времени. Предположительно, события внутри Солнца могли бы происходить действительно очень быстро, потому что температура там очень высока. (На самом деле ядерные реакции там идут очень медленно, этим объясняется, почему Солнце светит так устойчиво в течение такого длительного времени ) Возможно, когда звезда взрывается, то реакции можно было бы считать очень примитивной формой естественного отбора, но взрыв столь скоротечен, что его результаты обычно оказывались замороженными чуть ли не раньше, чем у процесса появлялось время, чтобы начать развиваться.
К счастью, у нас здесь нет необходимости интересоваться этими довольно маловероятными возможностями. Очевидно, что наша форма жизни основана на соединениях углерода в водной среде. Что представляют собой эти органические соединения и как они взаимодействуют друг с другом?
Глава 5. Нуклеиновые кислоты и молекулярная репликация
Теперь, когда мы в несколько абстрактных выражениях описали требования к живой системе, мы должны подробнее рассмотреть, как осуществляются различные процессы в тех организмах, которые мы видим повсюду. Как мы уже видели, основное требование, безусловно, заключается в наличии некоторого довольно точного метода репликации и, в частности, копирования длинной линейной макромолекулы, образованной из стандартного набора субъединиц. На Земле эту роль играет то или иное из двух больших семейств нуклеиновых кислот: семейство ДНК и семейство РНК. Общее строение этих молекул является чрезвычайно простым, действительно, настолько простым, что ясно говорит о том, что они действительно восходят к самому началу появления жизни.