Далекое будущее Вселенной Эсхатология в космической перспективе

Эллис Джордж

10.3. Путешествие через белково–генетическое пространство

В биологии нам случается встречаться с вопросами, не просто затмевающими космологию, но и распространяющимися далеко за пределы земли. В основе этого лежит простое понимание неописуемой обширности биологических возможностей и их комбинаций. Именно об их огромном числе говорил Вальтер Эльзассер, оценивая это число приблизительно в 10 ¹⁰⁰[11]. Это гораздо больше числа атомов в видимой вселенной, не говоря уж о числе звезд или ничтожной пригоршне галактик. На первый взгляд кажется бессмысленным тратить время на рассмотрение этих возможностей. Возьмем, например, проблему белков. Они, по мнению многих, представляют собой центральную проблему в биологии: они — мост, на котором пресловутый генетический код встречается с функциями организма, охватывающими все аспекты его деятельности, от обмена веществ до поведения. Белки, разумеется, состоят из цепей аминокислот, которые каким-то еще не вполне понятным нам путем быстро создают конфигурации, требуемые для каждой конкретной функции. Структурная конфигурация, обеспечивающая специфические свойства белка, будь то паучья паутина или дыхательные пути, если говорить честно, нам неизвестна. Крайне

мало знаем мы и о том, как развиваются белки, усваивая себе новые функции, хотя, без сомнения, важную роль в этом процессе играют кооптация (которую мы наблюдаем, например, в белках хрустликов глаз, см. [29, 46]) и дублирование генов, создающее «двойные наборы» белков, потенциально готовых перейти к новым задачам.

Прежде чем говорить о том, какое отношение все это имеет к проблеме больших чисел Эльзассера, я слегка отклонюсь в сторону и задамся вопросом, насколько вероятно, что белки являются основой жизни где-то еще во вселенной, конечно, при наличии подходящих планет. В этом (да и не только в этом) вопросе всегда есть опасность чрезмерной земле–центричности; однако универсальна не только периодическая таблица — поведение молекул и элементов также открыто для наблюдения. Как часто отмечается, на какой-нибудь Фрега–IX происходит то же, что и здесь. Хотя необходимо помнить о возможности кремниевых форм жизни (возникших естественным путем из абиотического источника, а не в результате технологических ухищрений), нужно помнить и о разнообразных сложностях, с которыми связана такая химическая организация. Кремний может использоваться в биологическом контексте, о чем напоминает нам красота скелета диатомовых, однако, скорее всего, не как аналог углерода. Вполне возможно, что углерод является универсальным «выбором» жизни; весьма возможно и то, что повсюду жизнь основана на белках. Основная причина так думать — легкость синтеза аминокислот в абиотических условиях, от классических экспериментов Миллера — Урея до процессов, происходящих в холодных пустотах межзвездных пространств [7]. Легкость синтеза, связанная как с простотой молекулярных компонентов (например, HCN или СН ₄), так и с чрезвычайной широтой благоприятных условий, указывает на универсальную эффективность аминокислот. Это не означает, что все эти абиотические аминокислоты непременно одинаково полезны, будь то при возникновении жизни на древней Земле или где-либо еще. На земле, очевидно, были «выбраны» такие компоненты, как глицин и аланин; они, возможно, помогли создать биосинтезирующие пути для других аминокислот, задействованных в синтезе белков в наше время. В других местах дело может обстоять так же, а может и по–другому.

Далее, у земных аминокислот есть любопытная особенность: почти все они могут существовать в виде энантиоморфов, и при этом всегда (за крайне редкими исключениями) используются левосторонние варианты. Интересно отметить, что большинство внеземных аминокислот, попадающих на землю с углекислыми метеоритами, встречаются в так называемых рацемических смесях, то есть в виде энантиоморфов с равным числом правосторонних и левосторонних вариантов; однако имеются и исключения, в которых рацемический баланс смещен — и смещен всегда в сторону левостороннего типа [7, 30]. Пока непонятно, как возникают эти исключения: были высказаны предположения о нескольких механизмах, действующих в межзвездном пространстве. Разумеется, то, что вся жизнь на земле левосторонняя, как и аминокислоты, может быть простым совпадением. Однако все эти абиотические процессы показывают, что аминокислоты универсальны, белки распространены повсеместно и, возможно, везде построены из левосторонних энантиоморфов. На земле в построении белков задействованы двадцать различных аминокислот; можно представить себе внеземной белок, который, подобно алфавиту иного языка, использует менее пятнадцати или более тридцати «букв», хотя в этом случае и могут возникнуть проблемы, связанные с недостаточной изменчивостью или чрезмерной сложностью.

В этих рассуждениях мы пока можем руководствоваться лишь тем, что видим на Земле. Комбинационные возможности белкового «гиперпространства», построенного всего из двадцати аминокислот и очень простого белка (например, с цепочкой длиной в сто аминокислот), уже очень велики. Приведем цитату из замечательной статьи Смита и Моровица, озаглавленной «Между историей и физикой» [37]. Вот абзац, особенно для нас важный:

Количество возможных стоаминокислотных белков далеко превосходит пригодные для использования числа. Отметим: если только одно из миллиона этих уникальных соединений растворимо в воде и лишь одно из миллиона имеет химически активную поверхность, то существует 10 ⁴³потенциальных энзиматически активных растворимых белков длиной в сто аминокислот. Из этих чисел вполне ясно, что количество потенциальных живых организмов едва ли исчислимо и, возможно, бесконечно. Далее мы сталкиваемся со вторым условием, уже не имеющим отношения к науке о жизни, — огромным количеством измерений описательного гиперпространства… Сочетание огромного размера и «непредсказуемого» усиления термального шума показывает, что наш реальный мир весьма малонаселен… Кажется вполне очевидным, что… в подавляющем большинстве гиперпространств с интересными биологическими характеристиками невозможно сформулировать никакие теории глобального экстремума ([37], с. 268).

Если необходимо, я могу выделить главную мысль этого абзаца: вероятность возникновения в одном углу белкового «гиперпространства» двух похожих планет исчезающе мала. Однако есть причины считать, что жизнь, которую мы можем ветретить на других планетах, может вызвать у нас сильное ощущение «дежа вю», вплоть до того, что будет занимать то же белковое «пространство». Хорошо известно, что общее разнообразие земных белков, хотя и не задокументированное, не слишком велико — не более нескольких тысяч семей (см., например, [5]). Более того, белковая структура является до некоторой степени модульной конструкцией, в которой снова и снова используется ограниченное число «строительных блоков». В этом смысле комбинаторная необозримость белкового «гиперпространства» не так серьезна, как кажется на первый взгляд. В белке существуют некоторые участки, для которых подходит лишь одна аминокислота, но в других его участках аминокислоты могут заменять друг друга (однако см. [1]). Кроме того,

важно помнить, что, по крайней мере в некоторых случаях, форма белка не слишком важна, если он адекватно выполняет свои функции. Хорошие примеры этому можно найти среди некоторых кислородосодержащих белков. Например, гемоцианин, медесодержащий белок, встречается у некоторых ракообразных и головоногих моллюсков. Несмотря на его название, структуры этих «гемоцианинов» сильно отличаются от классической; по–видимому, они пришли к выполнению тех же функций путем конвергенции (см., например, [24]). Еще более знаменательна эволюция у некоторых слизней молекулы миоглобина, также весьма отличной от настоящего миоглобина, но обладающей теми же свойствами [41]. Можно привести еще много интересных примеров конвергенции молекул; однако необходимо добавить, что тезис «протеиновое гиперпространство намного более узко, чем это обычно полагают» еще нуждается в доказательстве (см. [9]).

Предположение о том, что у эволюции жизни имеется какая-то изначальная внутренняя структура, едва ли способно воодушевить классических дарвинистов, учитывая их болтливую приверженность к натуралистической метафизике. Однако реалии естественного отбора не исключают существования структур более высокого уровня, предлагающих широкий выбор образцов. Они, разумеется, тоже существуют в естественном мире. По аналогии с условиями антропного принципа мы свободны рассматривать их как голые факты: мир таков просто потому, что он таков. И в то же время изумление, аналогичное антропному изумлению перед сложностью живых организмов, тем, как сложное вырастает из простого, безошибочным движением органов к функциональности, как минимум, дает нам право рассматривать и иную возможность: быть может, вселенная и жизнь в ней возникли вовсе не в результате какой-то дурной и бесцельной случайности. Разумеется, вера в сотворенную вселенную не должна вести нас к убеждению, что эта вселенная обязана быть в каком-то смысле «совершенной». Сама по себе эволюция — реальность, которую нельзя отрицать; и, как уже отмечалось, не каждый из ее путей ведет вверх. В той же мере возможно и упрощение, если не регресс.

10.4. Конвергенция к неизбежному

Анализируя реалии эволюции, Смит и Моровиц [37] вводят понятие так называемой «жизненной игры» — основных правил биологического существования. Трудно представить себе, чтобы эти правила не соблюдались во всей вселенной. Однако, как отмечают Смит и Моровиц:

Существует, как минимум, один крупный эволюционный тренд, не объяснимый нашими стратегическими правилами. Это многочисленные примеры морфологической конвергенции. Откуда в малонаселенном генетическом пространстве такое количество случаев очевидной конвергенции или параллелизма? Удивительно, особенно в свете высокой вероятности морфологической новизны даже в сходных нишах, встречать в резко различных генетических линиях такое морфологическое сходство… Возможно, на низших уровнях генетического пространства существуют дополнительные правила, не столь статистические, как те, что мы здесь обсуждаем ([37], с. 280).

Смит и Моровиц повторяют здесь одну из сложностей, возможно даже ошибок, в нашем понимании органической эволюции. Это касается попыток примирить поток перемен, составляющий эволюцию, со всеобъемлющим чувством идеала или, возможно, архетипа, будь то концепция Боплана или чрезвычайная специфичность функций белков. Это огромная тема, которую едва ли стоит здесь затрагивать. Скажу лишь одно: я глубоко убежден, что конвергенция — не случайность, а важный элемент эволюции, способный помочь нам определить как ограничения жизни, так и ее общую структуру. По моему мнению, жизнь, при всей ее неизмеримой глубине и разнообразии, столь ограничена, что то, с чем мы встречаемся на Земле, отнюдь не мелкий захолустный зверинец и тем более не шоу уродцев. Напротив, возможно, здесь мы видим то же самое, что могли бы увидеть и во всех прочих местах (см. также [2]).

По–видимому, существуют два пути, позволяющие нам понять альтернативы эволюции. Первый подход — рассмотреть базовые элементы жизни, в особенности хлорофилла и ДНК, и спросить себя, возможно ли найти им альтернативу или, возможно, более эффективную замену. Относительно хлорофилла Джордж Уолд показал [43], что сама его неэффективность в восприятии основного видимого спектра солнечных лучей парадоксальным образом доказывает, что лучший выбор попросту невозможен: всюду, где есть жизнь (по крайней мере поблизости от звезд), есть и хлорофилл. Ничего другого просто быть не может. Это смелое предсказание; однако, даже если мы представим себе другие молекулы, призванные с помощью того или иного процесса улавливать фотоны, мы снова встретимся с повторяющимися примерами конвергенции, будь то родопсины (см., например, [38]) или криптохромы [3]. Попросту говоря, альтернатив очень мало, а реально доступна может быть только одна. Таким же образом можно взвесить возможные замены молекуле ДНК. Несмотря на ее широкую известность, далеко не все знают, сколь уникальны ее свойства [42]. И снова мы не говорим, что невозможна никакая другая ДНК, кроме земной, хотя такую возможность тоже нельзя исключать. Мы видим только, что, хотя какие-то альтернативы создать можно (см., например, [12]), замена различных строительных блоков ДНК, ее гибкость и, что немаловажно, легкость синтеза в стандартной пребиотической системе весьма сложны в воспроизведении. Не говорим уж о том, что стереохимические характеристики ДНК поистине уникальны: большой вопрос, сумеет ли какая-либо другая репликационная система хотя бы приблизиться к их почти невероятной эффективности.

Другой путь размышлений над альтернативами — попытка рассмотреть вместе и сравнить различные случаи эволюционной конвергенции: тема, над которой, как ни странно, на протяжении многих лет как будто никто и не задумывался, хотя в учебниках постоянно приводятся списки стандартных примеров, например глаз — «камера» позвоночного и аналогично устроенный глаз осьминога. И даже над этим всем известным примером стоит подумать. По–видимому, глаз–камера развился, независимо друг от друга, по меньшей мере шесть раз (позвоночные, головоногие, кольчатые черви и три вида брюхоногих моллюсков: гетероподы, литторинииды и стромбиды). Как правило, это ассоциируется с эволюцией в сторону более активного, хищнического образа жизни, при котором зрение дает преимущество. Но и в случаях стромбидов и литториниидов, ведущих более инертную жизнь, глаз–камера может быть полезен: он помогает вовремя заметить приближение врага [33] или различить удобный ландшафт, неопределяемый иными способами [15].