Когда наш мир из места, где нет ничего живого, превратился в место, где кто-то живет? Должно быть, невероятный был день. Если бы мы нашли окаменелые остатки первых форм жизни на нашей планете, мы смогли бы понять, когда это произошло. Было бы здорово отколоть кусок горной породы и найти физические доказательства происхождения жизни так же легко, как мы нашли скелет Tyrannosaurus rex. Однако T. rex появился сравнительно недавно, менее ста миллионов лет назад, и поэтому его остатки все еще можно обнаружить. А мы охотимся за чем-то, что существовало на Земле миллиарды лет назад, причем не имело костей. Мы находим древнейшие окаменелости, напоминающие бактерий, так называемые микроокаменелости, однако их трудно различить на фоне минеральных отложений. В охоте за первыми формами жизни мы ориентируемся как на микроокаменелости, так и на химические окаменелости.

Один из самых важных химических следов, которые мы находим в поисках источников жизни, – изменение изотопного состава образцов. Изотопы – это атомы одного и того же элемента, различающиеся только количеством нейтронов в ядре. Если вы взглянете на периодическую таблицу, то, прищурясь, обнаружите под символом каждого элемента число, напечатанное мелким шрифтом. Это атомная масса, учитывающая совокупность всех нейтронов и протонов в ядре каждого элемента[63]. Может показаться странным, что почти во всех случаях это нецелое число. Например, атомная масса углерода составляет 12,011. Каждый атом углерода должен содержать шесть протонов – иначе это не углерод. Однако получается невозможное: чтобы суммарная масса равнялась 12,011, углерод должен содержать 6,011 нейтрона. На свете не существует такой вещи, как одиннадцать тысячных долей нейтрона. Что же это означает? На самом деле число 12,011 – это не масса каждого конкретного атома углерода, а средняя масса всех атомов углерода на Земле. Большинство атомов углерода содержат по шесть нейтронов, но некоторые – семь или даже восемь. В результате сумма протонов и нейтронов в атомах углерода варьирует в пределах от двенадцати до четырнадцати, а в среднем составляет 12,011.

Живые организмы мастерски умеют различать эти едва заметные отклонения в составе атома углерода. А когда жизнь взаимодействует с химией, она оставляет след, который мы можем обнаружить, – как в окаменелостях. Углерод с восемью нейтронами в ядре обладает радиоактивными свойствами, то есть спонтанно распадается на другие элементы с выделением энергии. Однако при изучении химических окаменелостей это излучение нас не интересует. Когда мы пытаемся обнаружить признаки жизни с помощью изотопного анализа, нас интересует тот факт, что атом при наличии дополнительных нейтронов образует более прочные связи с другими атомами. Это минимальное различие в силе связей никак не влияет на химические свойства элемента, но принципиально важно для поисков признаков жизни.

Как именно мы используем изотопы в качестве химических окаменелостей? Как известно, живые существа потребляют диоксид углерода и превращают его во все необходимые органические молекулы (сахара, липиды, белки, нуклеиновые кислоты) в процессе автотрофии (хемолитоавтотрофии или фотоавтотрофии). Когда клетки случайным образом захватывают молекулы диоксида углерода, в них в основном попадает смесь атомов углерода с шестью и семью нейтронами. Оба изотопа делают свое дело, но версия с шестью нейтронами, образующая более слабые связи, реагирует быстрее, так что в теле организма оказывается больше углерода с шестью нейтронами, чем было в исходном соотношении[64]. И поэтому, когда мы обнаруживаем в древних породах органические соединения углерода, в которых средняя сумма нейтронов и протонов дает не 12,011, а, скажем, 12,005, мы знаем, что этот сдвиг был вызван присутствием живого организма.

Однако, чтобы привязать эти химические окаменелости к какому-то периоду времени, нам нужно знать возраст пород, в которых они содержатся. А как определить возраст пород? Ответ опять-таки кроется в изотопах, на этот раз – радиоактивных. Радиоактивные изотопы неустойчивы: они со временем распадаются с какой-то определенной скоростью. Обычно, когда мы рассуждаем о радиоактивном распаде, мы в основном обращаем внимание на энергию, которая при этом выделяется, поскольку она может либо стать причиной рака (как в результате аварии в Чернобыле), либо лечить от рака (радиационная терапия), либо поставлять пищу для микробов (см. главу 1). Но для определения возраста пород мы ориентируемся на реакции радиоактивного распада, которые происходят намного медленнее, чем те, что уничтожают рак. Измеряя радиоактивность изотопа в породах и зная скорость его распада, ученые могут определить возраст пород. К счастью, разные радиоактивные элементы в породах распадаются с разной скоростью, и поэтому анализом нескольких изотопов мы достаточно хорошо перекрываем всю временную шкалу истории Земли.

Например, если горная порода образуется на дне моря при разрыве мантии между двумя расходящимися тектоническими плитами, радиометрические часы сбрасываются на ноль – и начинается отсчет времени. В результате повсюду в земной коре есть крохотные радиометрические часы, тикающие с разной скоростью, которые показывают возраст горных пород. Время зарождения молодых пород можно определить по быстро распадающимся изотопам, таким как углерод. Для определения возраста древнейших пород нужно ориентироваться на радиоактивные изотопы с самой низкой скоростью распада, такие как цирконий. Точность датирования по медленно распадающимся радиоизотопам не самая высокая, однако эти оценки часто можно подтвердить с помощью дополнительной информации, поскольку горные породы почти всегда встроены между слоями других геологических материалов. Если радиоизотопный анализ показывает, что горной породе три миллиарда лет, но она зажата между угольными пластами, приходится признать, что измерения ошибочны, поскольку уголь образуется из мертвых растений, а растения появились на Земле лишь около ста пятидесяти миллионов лет назад. Однако если изотопный анализ показывает, что горная порода древняя, и соседние горные породы тоже выглядят старыми, то оценка, вероятнее всего, верна.

Возраст самых почтенных “изотопных окаменелостей” на Земле составляет 3,85 миллиарда лет. На большинство других вопросов о происхождении жизни, например где она возникла, у нас есть только приблизительные ответы, однако время появления жизни на Земле мы знаем достаточно точно. И это поразительно. Животные появились на свете лишь несколько сотен миллионов лет назад. А значит, миллиарды лет с момента начала эволюции жизнь на Земле была представлена исключительно микроорганизмами. И поэтому, изучая обитателей земных глубин и других микробов, мы изучаем образ жизни существ, которые всегда находились в главенствующем положении на этой планете, хотя мы и открыли их совсем недавно.

Впрочем, планета Земля на семьсот миллионов лет старше самых древних изотопных окаменелостей. Что происходило на планете в тот период? Хотя возраст Земли составляет 4,5 миллиарда лет, земным породам лишь около 3,8 миллиарда лет – по той причине, что поверхность планеты постоянно менялась в результате тектонической активности. В океанах возникали новые горные хребты, а старые разрушались в зонах субдукции, когда тектонические плиты погружались в мантию. Однако, по счастью, некоторые небольшие фрагменты коры не были захоронены в мантии. Представьте, что вы очень-очень медленно перемешиваете ингредиенты для приготовления теста. Ваша ложка уже проделала несколько кругов, но вы все еще видите немного яичного желтка, не слившегося с основной массой. Вот так же и с древними породами на поверхности Земли: некоторые из них не были перемешаны субдукционной ложкой. Нам повезло! В нескольких редких местах на Земле (в Южной Африке, Австралии и Гренландии) можно найти фрагменты пород, избежавшие участи всех остальных. Почти каждый раз, когда ученые анализируют эти горные породы, они находят мельчайшие структуры, похожие на окаменевших микробов, и изотопные сигналы подтверждают, что там существовала жизнь. Итак, похоже, жизнь на Земле зародилась одновременно с самыми древними горными породами. Все, что старше, существует лишь в нашем воображении.

Почему на Земле возникла жизнь?

Чтобы понять, почему на Земле зародилась жизнь, давайте опять обратимся к термодинамике, поскольку она хорошо определяет границы жизни. Однако, если мы собираемся использовать термодинамику для поиска причин происхождения жизни, нам нужно продвинуться гораздо дальше, чем задумал Гиббс.

Одним из людей, выдвигавших самые сумасшедшие идеи о происхождении жизни, был Владимир Вернадский, который утверждал: у жизни нет начала. И точка. Он считал, что на Земле есть жизнь, поскольку она была здесь всегда. Он верил, что Вселенная вечна и поэтому жизнь тоже должна быть вечной. Конечно, Вернадский писал в то время, когда даты в истории формирования Земли еще не были окончательно установлены. Теперь-то мы знаем, что у Земли было начало, так что и у жизни оно тоже должно быть. Однако не исключено, что мы можем извлечь некую пользу из рассуждений о жизни без начала. Что, если перестать думать о ней как о чем-то совершенно особенном, как о редчайшем явлении, возникшем лишь однажды в этом крохотном уголке Вселенной? Может быть, жизнь – это непрерывная цепь событий?

Другой ученый, Альфред Лотка (1880–1949), известен главным образом благодаря созданию модели Лотки – Вольтерры, которая показывает, как колеблется численность популяций хищников и их жертв. Однако еще он предположил, что жизнь – это в большей степени процесс, чем уникальное событие, поскольку она постоянно подпитывается солнечной энергией¹. Я думаю, что он, как и Вернадский, был в чем-то прав.

Чтобы понять, о чем рассуждал Лотка, нужно проанализировать некоторые серьезные проблемы, касающиеся уравнения для свободной энергии Гиббса. Вероятно, свободная энергия Гиббса действительно устанавливает законы жизни, но она никак не подходит для ее описания. Величина ΔG говорит о том, сколько энергии вы получите в ходе химической реакции до наступления равновесия. Однако равновесие – это смерть. Энергия Гиббса могла бы описать мою жизнь, если бы я жила в герметично запаянной камере. Я бы использовала весь воздух в камере, ΔG стала бы равна нулю, я бы умерла, и выполнилось бы второе начало термодинамики.

Однако жизнь происходит не в герметичной камере. Жизнь – открытая система. Энергия постоянно протекает через наши тела, поддерживает нас и отдаляет от равновесия. Пытаться вывести законы термодинамики жизни лишь на основании свободной энергии Гиббса – все равно что работать исключительно с музейными экспонатами. Изучая чучела птиц, бегемотов и засушенных насекомых, мы можем догадаться, что птицы едят клювами, бегемот слушает ушами, а экзоскелет определяет форму тела насекомых. Но как узнать о том сладком хрусте, который слышит птица, вытаскивая насекомое из уха бегемота? Равновесная термодинамика мощна и полезна, но есть и другие инструменты.

Для описания открытых систем, находящихся вдали от равновесия (то есть живых), нужна термодинамика совсем другого типа – неравновесная. В книге под названием “В холод” 2005 года Дорион Саган и Эрик Шнайдер метко сформулировали: “Эволюционная теория связывает организмы в контексте времени. Экология связывает их в контексте пространства. Химия – в контексте структуры. А неравновесная термодинамика связывает их в контексте процесса”. Они утверждают, что неравновесная термодинамика важна для жизни не меньше, чем химия.

Чтобы понять, в чем сила неравновесной термодинамики, давайте вспомним о революции в исследованиях ДНК. Тот переворот имел чрезвычайно большое значение потому, что со всей очевидностью показал наше родство со всеми формами жизни, включая микробов. Сравните ДНК любых живых организмов – и вы увидите, что мы все родственники. Неравновесная термодинамика расширяет это родство, включая в него и неживой мир. Саган и Шнайдер полагают, что живое и неживое существуют в виде непрерывного спектра. На одном краю спектра находятся неживые системы в термодинамическом равновесии, на другом – живые системы, которые не только неравновесные, но и постоянно создают энергетический потенциал, удаляющий их от равновесия. Расположение каждого существа на этом непрерывном спектре зависит от того, как оно функционирует в рамках неравновесной термодинамики. И в этом смысле живое и неживое на самом фундаментальном уровне связаны между собой через второе начало термодинамики. Поэтому, если мы хотим с помощью науки получить ответ на вопрос, почему возникла жизнь, нужно начать с этого закона.

Второе начало термодинамики гласит, что некая величина, называемая энтропией, может только возрастать. Новый оксфордский американский словарь определяет энтропию как “термодинамическую величину, отражающую недоступность тепловой энергии системы для превращения в механическую работу”. Если умножить энтропию на температуру, мы получим энергию, а следовательно, энтропия – это не энергия, а скорее ее качество: когда энтропия очень высока, энергия менее полезна, как тепло или вода, которые мы теряем во время спортивной тренировки. Энтропию можно рассматривать как возможность, а системы всегда стремятся к тому, что возможно. Вот почему второе начало термодинамики постулирует, что энтропия должна возрастать. Определение в словаре продолжается словами “…и часто интерпретируемую как степень неупорядоченности или случайности в системе”. Если вы опрокинете тарелку с супом, по вашим ботинкам разольется неупорядоченная смесь с высоким значением энтропии. Мы интуитивно воспринимаем энтропию как степень беспорядка, и в головах многих людей это, к сожалению, стало ее определением. Однако рассматривать энтропию исключительно как меру беспорядка или хаоса – большая ошибка. Вот пример, показывающий, почему интуитивное восприятие некоторых типов энтропии как меры беспорядка иногда не соответствует действительности.

Если лопнет шарик, наполненный гелием, молекулы гелия быстро распространятся по всей комнате, достигнув максимального состояния неупорядоченности. Здесь об энтропии можно рассуждать как о хаосе, поскольку оба параметра возрастают. Но это не вся история. Примерно в то же время, когда Гиббс занимался выведением термодинамических уравнений, Людвиг Больцман пришел к неудобному выводу, что для определения коллективного поведения атомов гелия в описанной выше системе нельзя просто сложить характеристики всех отдельных молекул, будто это летающие в воздухе маленькие шарики. Чтобы получить правильный ответ, необходимо применить законы статистики и вероятности.

Во времена Больцмана сама идея, что в физический закон необходимо ввести элемент вероятности, была крайне непопулярна среди физиков, поскольку указывала на невозможность контролировать все переменные физического мира. Однако в итоге выяснилось, что Больцман прав, и это вывело нас к современной квантовой физике, которая почти полностью основана на вероятности.

Больцман сделал свое революционное открытие отчасти благодаря увлечению идеей Чарльза Дарвина о биологической эволюции. Его вдохновили рассуждения Дарвина о естественном отборе в больших популяциях животных, и Больцман применил подобный способ рассуждений для описания термодинамики больших популяций молекул. Однажды Больцман заметил: “Если бы кто-то спросил меня, как следует назвать наше столетие, я бы без колебаний ответил: это столетие Дарвина”². Что может лучше проиллюстрировать отсутствие границы между миром физики и миром биологии, чем тот факт, что путь к квантовой физике проходил через эволюционную биологию?

Чтобы понять роль вероятности в термодинамике, вернемся к нашему примеру с шариком гелия. В контексте вероятности беспорядок должен увеличиваться одновременно с энтропией, поскольку существует гораздо больше способов распределения всех молекул гелия по объему комнаты, чем по ограниченному объему шара. Молекулы вырываются наружу, поскольку снаружи больше возможностей для распределения, чем при нахождении в крохотном пространстве шара.

И в таком случае второе начало термодинамики – не загадка, а очевидность. Пример с газом в шарике настолько интуитивно понятен, что возникает искушение предположить, будто все процессы повышают энтропию за счет увеличения степени беспорядка. Однако это не так. В частности, в открытых системах энтропия локально может снижаться за счет снижения степени беспорядка, если за пределами системы энтропия растет, скажем, в результате выделения тепла.

Давайте вернемся к аналогии с лопнувшим шариком. Но теперь представьте, что в комнате находится десятилетняя девочка, которая вдыхает вырвавшийся гелий. В таком случае молекулы газа распределяются не по всей комнате, а по более тесному и упорядоченному пространству легких, и ребенок будет говорить забавным писклявым голоском. Нарушает ли девочка второе начало термодинамики, не давая молекулам газа из шарика распределяться по комнате? Нет. Когда она весело хохочет, потому что пищит, как маленький бурундучок, ее тело выделяет тепло. И хотя рассредоточение молекул гелия откладывается по времени, поскольку сначала они концентрируются в легких ребенка, в итоге, когда девочка, смеясь, выпускает их наружу, энтропия возрастает сильнее.

Пример с газом в шарике трудно обобщить, а вот пример с газом в шарике и хихикающим ребенком позволяет сделать более общие выводы. Он помогает понять, почему жизнь – естественное следствие из второго начала термодинамики: жизнь чрезвычайно хорошо создает структуры, способные повышать энтропию. А как ведут себя в этом смысле неживые объекты? Обладает ли неживая материя способностью производить упорядоченные процессы с увеличением энтропии? Ответ на этот вопрос утвердительный. Водоворот в потоке жидкости не живой, но обладает высокоупорядоченной структурой. Обычно молекулы воды движутся независимо друг от друга, но на короткий промежуток времени они образуют упорядоченный водоворот, что максимально увеличивает энтропию за счет рассеивания энергии системы. Молекулы воды вне водоворота и внутри него не могут сообщаться друг с другом или принимать решения, однако сохраняют одинаковый угловой момент, поддерживая структуру воронки на протяжении недолгого времени.

Илья Пригожин (1917–2003) называл такие образования диссипативными структурами, поскольку они рассеивают энергию и сохраняют упорядоченность с удивительно низким уровнем энтропии. Однако диссипативные структуры вызывают удивление только в том случае, если вы не рассматриваете более общую открытую систему, где они возникают. Пригожин получил Нобелевскую премию, показав, что вдали от равновесия увеличение энтропии создает структуру и порядок, а не беспорядок, и это абиотический аналог жизни. Пригожин изучал автокаталитические системы[65], когда две конкурирующие химические реакции, протекающие с изменением цвета среды, синхронизировались между собой и создавали ритмично меняющиеся окрашенные структуры в абиотических жидкостях. Он показал, что это крайний случай водоворота в потоке, когда осциллирующие реакции вызывают изменение цвета через регулярные промежутки времени, создавая тем самым химические часы. В открытых автокаталитических системах со многими вариантами протекания процессов формирование структур не только возможно, но неизбежно, мы просто точно не знаем, какой именно будет их форма.

Многие объекты (живые и неживые) создают порядок в качестве эмерджентного – неожиданно появляющегося – свойства. Например, кристаллы – это высокоупорядоченные структуры с регулярным, повторяющимся рисунком, как на обоях. Живые клетки тоже можно считать высокоупорядоченными: липиды образуют клеточные мембраны, ДНК плотно упакована, а белки распределены по тем местам, где несут свою службу. Каждый орган человеческого тела функционирует только благодаря упорядоченной организации. Почти любое проявление жизни можно рассматривать как диссипативную структуру. Войны и торговые соглашения – это структуры, которые рассеивают энергию, хотя первые несут смерть и хаос, а вторые – организованность и стабильность. Растения в лесу образуют диссипативную структуру, поскольку располагают листья таким образом, чтобы захватывать побольше фотонов света, но повышают энтропию в процессе жизни и после смерти, когда становятся пищей для других организмов. Молекулы внутри растительных клеток, необходимые для захвата фотонов света, тоже упорядочены, однако сами по себе молекулы не являются живой материей. Никто ведь не скажет, что хлорофилл живой.

Если живое и неживое переходят друг в друга, то как наука отличает одно от другого? В соответствии с законами неравновесной термодинамики, различие между живой и неживой материей заключается именно в способности живых систем постоянно уходить от состояния равновесия. И живая материя, и неживая создают упорядоченные структуры, однако только жизнь создает новые системы, которые могут повышать энтропию. Неживая материя создает водовороты, но живые существа строят на реке плотины, которые создают еще больше водоворотов и течений, позволяющих сплавляться на плотах.