Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле
Шрифт:
В этом месте у вас может сложиться впечатление, что существует и некое очевидное исключение. Да, разумеется, в наших силах разбить кофейную чашку и тем увеличить ее энтропию, но также мы можем, терпеливо склеив чашку, вернуть ее в состояние с малой энтропией. Однако второй закон и тут не дает обойти себя! Вся та работа, которую нам необходимо проделать для восстановления чашки в исходном виде, вызовет выделение тепла. Из-за этого окружающие атомы будут двигаться более неупорядоченно. Так что уменьшить энтропию чашки мы, конечно, сможем, но заодно мы неизбежно повысим ее где-то еще – и это приращение энтропии всегда будет больше, чем ее снижение в самой чашке. В масштабах целой Вселенной хаос всегда в выигрыше. Мы можем создать во Вселенной небольшой упорядоченный карман, но за его пределами все
Тому, кто питает надежду на светлое будущее Вселенной, следует ее оставить. Второй закон термодинамики предрекает неотвратимый конец Вселенной в беспорядке и хаосе, когда не сможет уже существовать или происходить хоть что-то интересное[343].
Это совершенно неизбежно, ведь второй закон носит абсолютный характер. Большинство научных открытий всегда в той или иной степени временные, потому что их могут опровергнуть какие-то новые данные, однако о втором законе термодинамики такого сказать нельзя. Дело в том, что он напрямую следует из фундаментальной теории вероятности и потому может быть подкреплен точными и неопровержимыми доказательствами, – в отличие от большинства прочих концепций. Тут не годятся высказывания наподобие “все лебеди белые… хотя подождите-ка, вон один черный”. Второй закон термодинамики может оказаться неверным лишь в том случае, если каким-то немыслимым образом окажутся ошибочными и сами основы математики.
Это нетрудно проиллюстрировать, бросив 10 игральных кубиков разом. Есть шанс, что на всех выпадет одно и то же число, – скажем, шестерки. Но соответствующий исход этой игры, то есть десять шестерок, выпавшие разом, – всего один, в то время как некрасивых комбинаций вроде 5 364 414 235 может быть огромное количество. Именно в силу свойств чисел мы почти всегда будем получать какой-то неупорядоченный результат.
Физик Артур Эддингтон сформулировал это очень четко. Он пишет, что любимая теория того или иного ученого в состоянии пережить противоречивые результаты экспериментов, поскольку “экспериментаторы умеют иногда напортачить”, либо выдержать столкновение с устоявшимися идеями. “Но если ваша теория не согласуется со вторым законом термодинамики, то пишите пропало: ей останется только униженно смириться”[344].
Следствия второго закона способны вогнать ученого в тяжелое уныние. Возможно, не было простым совпадением то, что Людвиг Больцман, первым его сформулировавший, повесился. Химик Питер Аткинс начинает свою книгу “Второй Закон” (The Second Law) такими вот жизнерадостными словами[345]: “Все мы дети хаоса, и в корне всякого изменения таится распад. В корне всего – лишь разложение и непрекращающийся поток хаоса. Цели нет; есть лишь общее направление”. Без сомнения, Аткинса оценила бы по достоинству любая эмо-группа начала 2000-х.
Какое отношение утверждение Аткинса о постоянно нарастающем беспорядке имеет к живому? Напоминаю: ответ на этот вопрос дал физик Эрвин Шрёдингер, написавший вышедшую в 1944 году книгу “Что такое жизнь?” (What is Life). “Жизнь, – говорит он, – это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной лишь тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время”. Другими словами, жизнь очень хорошо поддерживает свою стабильность и сопротивляется беспорядку. Скажем, ваши волосы скорее всего не меняют свой цвет самопроизвольно и каждые несколько часов[346]. Но эта стабильность сложнее простой неизменности, которая свойственна даже камням. Жизнь полна энергии и находится в постоянном движении. Ведь и внешне неподвижное дерево в действительности исключительно активно – на уровне клеток. По словам Шрёдингера, жизнь продолжает свою деятельность “намного дольше, чем можно ожидать от неживой материи”.
На первый взгляд может показаться, что жизнь нарушает второй закон термодинамики, однако это совсем не так. Чтобы продолжать существование, всему живому приходится немало трудиться, выделяя при этом в окружающую среду тепло и продукты метаболизма.
“Как же живой организм избегает перехода к равновесию? – спрашивает Шрёдингер. – Ответ достаточно прост: благодаря тому, что он питается, дышит и (в случае растений) впитывает из окружающей среды. Для всего этого есть специальный термин – метаболизм”. Иначе говоря, все живые существа нуждаются во внешнем источнике энергии для того, чтобы активно поддерживать свое существование. То есть благодаря своему метаболизму “живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительную энтропию”. Именно к этому приближался Троланд, когда описывал способность живого “регулировать” себя и “поддерживать свою стабильность”.
Сейчас многие исследователи убеждены, что именно метаболизм в той или иной форме должен был возникнуть первым, раньше остальных компонентов живого. Аргумент в пользу этого очень прост: жизнь без возможности использовать энергию из какого-то источника (жизнь без метаболизма) просто не в состоянии себя поддерживать. Конечно, иметь копирующие себя РНК – это замечательно, но что в них толку, если они сразу разрушатся?
Говоря об энергии в живых организмах, мы не имеем в виду удары молнии, которые пронизывают клетки. Речь о присутствующей в любой живой клетке молекуле аденозинтрифосфата (АТФ), которая и хранит в себе энергию[347]. АТФ используют все организмы, от самой простой бактерии до человека – это своего рода универсальная энергетическая “валюта”. Когда вы напрягаете свои мышцы, или нервная клетка мозга генерирует импульс, или бактерия делится надвое – это всегда происходит за счет энергии АТФ.
Принцип работы АТФ несколько напоминает аккумулятор. Сперва организм получает энергию из какого-то источника. Далее он использует ее для того, чтобы присоединять фосфаты к молекуле аденозина до тех пор, пока не получится цепочка из трех молекул – это и есть АТФ. В ней энергия надежно хранится в виде химических связей, образованных фосфатами. А когда организму требуется энергия, он, отрывая фосфаты от АТФ, высвобождает ее.
Процесс постоянного образования и разрушения АТФ является основой жизни на Земле. Он так же универсален, как белки или нуклеиновые кислоты. Ваши клетки прямо сейчас заняты этим, как и всякая бактерия на поверхности вашей кожи.
Получается, что представления начала всего живого с некоего способа получать и использовать энергию имеют под собой достаточные основания. У этой идеи богатая история. В 1963 году (спустя десятилетие после эксперимента Миллера) биохимик Роберт Икин предположил существование какого-то подобия АТФ и у первых живых существ[348].
Однако появление убедительной гипотезы о первичном метаболизме потребовало немало времени. Троланд говорил о единственном ферменте, что совершенно нереалистично. В современных организмах (даже самых простых бактериях) метаболизм представляет собой целую последовательность химических реакций. Нередко они образуют циклы: исходное соединение превращается в какое-то другое, то в свою очередь дает начало третьему, и так далее до тех пор, пока исходное вещество не окажется воссозданным. Изображающие такие циклы диаграммы несколько напоминают карту Лондонского метрополитена, только нарисованные Джексоном Поллоком, причем под амфетамином. Подобные химические превращения “по кругу” могут казаться бессмысленными, но на самом деле их промежуточные этапы производят кое-что полезное.
Примером служит, скажем, процесс, происходящий в некоторых бактериях и называемый обратным циклом лимонной кислоты[349], [350]. Он начинается с молекулы лимонной кислоты – вещества, придающего лимонам их кислый вкус. Лимонная кислота проходит через восемь последовательных химических превращений, последнее из которых воссоздает ее заново. В ходе работы этого цикла углекислота и вода соединяются и образуют простые органические вещества вроде ацетата или оксалоацетата, которые могут быть использованы для синтеза аминокислот и чего-то в этом роде.