Из научпопа подобного типа мы уже рассмотрели книги Д. Иглмена и Д. Свааба про мозг, книгу Ф. Вааля про этику животных, и книгу Д. Даудны про редактирование генома. Следующим в моем плане будет Роберт Хейзен (Вики) и его книга «История Земли». Книги про «Душу осьминога» (Сай Монтгомери) и «Генетическую одиссею» (Спенсер Уэллс) я решил не трогать, потому что они либо слишком литературные, либо слишком избытые (в «Одиссее» просто описываются миграции человека, так что это больше про историю, и тема мне и так знакома). Книгу Хейзена можно найти на флибусте. Но и эта книга не сказать, чтобы была для меня слишком интересной, поэтому её я листал скорее по диагонали, цепляясь только за некоторые, особо интересные темы. В первой половине (!) книги ничего особенно интересного нет. История про Большой взрыв, возникновение звёзд и планет, появление Земли и Луны и т.д., обычно это знает сейчас каждый школьник. Тоже самое можно сказать про остывание коры и прочие подобные вещи. На этом этапе интересным можно назвать только то, что на первых порах сутки шли 5 часов, Луна была раз в 20 ближе, чем сейчас (и она удаляется до сих пор, только медленно, и по мере ее удаления падает и скорость обращения земли вокруг своей оси). 

Первые интересные замечания начинаются в середине книги, когда поднимается тема возникновения жизни на Земле. Автор рассказал про две основные концепции, возникшие в последние 60-70 лет: (1) «первичный бульон» на поверхности и (2) подземные гейзеры. Это две среды, рассматриваемые в качестве кандидатов на место зарождения органики, и они обе имеют экспериментальные подтверждения своей работоспособности. Теория гейзеров стала со временем популярнее, потому что позволяет допустить наличие жизни на планетах, где нет наружных океанов. Но суть не в этом. Так или иначе на большинстве планет мира очень похожий химический состав. Рано или поздно элементы соединяются друг с другом, и путем нехитрого перебора возможных комбинаций, возникают такие элементы, как аминокислоты, липиды, углеводы и щелочи. В общем, разные органические вещи, которые мы до сих пор употребляем в пищу. В этом уже даже не видят ничего удивительного. Дайте ограниченный набор элементов, закройте в банку с кипятком и потрясите — вуаля, органика (это упрощение, почитать про первый эксперимент можно тут). Во вселенной таких мест должно быть довольно много. Но как из этого происходит жизнь, т.е. настоящая клетка со свойством деления? 

Этого никто не знает до сих пор, но оказывается есть ряд зацепок. Например, обнаружилось, что соединения липидов при контакте с водой стихийно складываются в некие «капельки», в оболочки, аналогичные клеточным, и происходит это на таком же хаотичном, «бессознательном» и случайном уровне. Осталось только понять, как заставить аминокислоты залезть внутрь этой оболочки, чтобы в дальнейших реакциях превратиться в РНК и ДНК. На Википедии даже сказано так: «В 2008 году американские биологи сделали важный шаг к пониманию начальных этапов зарождения жизни. Им удалось создать «протоклетку» с оболочкой из простых липидов и жирных кислот, способную втягивать из окружающей среды нуклеотид-монофосфаты, активированные имидазолом — «кирпичики», необходимые для синтеза ДНК. В 2011 году японские учёные сообщили, что им удалось создать везикулы с катионной оболочкой и элементами ДНК внутри, способную к делению в результате полимеразной цепной реакции, реплицирующей ДНК». И в другом месте на Вики добавляется еще это: «В 2022 году был найден новый и весьма простой вариант абиогенного синтеза цепочек РНК. Было обнаружено, что при перколяции смеси нуклетидов сквозь вулканическое стекло спонтанно образуются длинные – до 100-200 звеньев – цепочки РНК. Таким образом, ученым наконец удалось найти довольно простой путь превращений, начиная от элементарных органических молекул, которые обнаруживаются и в космосе, и заканчивая достаточно длинными цепочками нуклеиновых кислот РНК мира, прародителей протожизни способных к дарвиновской эволюции».

Иными словами, мы уже предельно близки к тому, чтобы воспроизвести условия на Земле 4 млрд. лет назад и на основании этих условий создать все необходимые компоненты для живой клетки. Как только это случиться — будет ясен весь механизм происхождения жизни, и более того, окажется что это результат стихийной случайности в комбинации атомов. Теперь процитирую крупный фрагмент из книги Хейзена.

«Наши эксперименты, проведенные в Институте Карнеги за последние десять лет, показали, что многие из жизненно важных молекулярно-строительных блоков прилипают практически к любой естественной минеральной поверхности. Аминокислоты, сахара, компоненты ДНК и РНК адсорбируются на всех минералах, входящих в состав базальта и гранита: полевом шпате, пироксене, кварце и др. Более того, когда на одно место претендуют несколько молекул, они нередко кооперируются и сами образуют сложные поверхностные структуры, позволяя другим молекулам наслаиваться на них. Мы пришли к выводу, что, где бы первоначальный океан ни вступал в контакт с минералами, из бесформенного бульона непременно образовывались плотно собранные органические молекулы.

Здесь я должен выразить предостережение. Занимаясь исследованием происхождения жизни (возможно, подобное происходит и во многих других областях науки), ученые тяготеют к моделям, отражающим их собственную специальность. Специалист по органической химии Стэнли Миллер и его последователи рассматривали происхождение жизни исключительно сквозь призму органической химии. В отличие от них, геохимики склонны к выработке более сложных сценариев, включая такие переменные величины, как температура, давление и химический состав горных пород. Специалисты в области формирования мембран из липидных молекул говорят о «липидном мире», а те, кто занимается молекулярной биологией и исследует ДНК и РНК, рассматривают мир как «модель РНК». Специалисты по вирусам, метаболизму, глинам или глубинной биосфере также имеют свое предвзятое мнение. Все мы таковы; мы опираемся на то, что лучше всего знаем, и рассматриваем мир через объектив своих знаний.

Я изучал минералогию, так что нетрудно угадать мои предпочтения в вопросе о происхождении жизни. Mea culpa. Многие исследователи пришли к аналогичному заключению – на самом деле немало выдающихся биологов также тяготеют к минералам, поскольку сценарии происхождения жизни, опирающиеся только на океан и атмосферу, сталкиваются с неразрешимыми проблемами в объяснении базовых механизмов молекулярного отбора и концентрации. Твердые минералы отличаются высоким потенциалом отбора, концентрации и образования молекул. Так что минералы наверняка сыграли главную роль в происхождении жизни».

Дальше Хейзен пишет интересную штуку о том, что органические молекулы, как и просто живые существа, обладают свойством «хиральности», т.е. разделением на правое и левое. И живые клетки используют регулярно левосторонние аминокислоты и правосторонние молекулы сахара. По сути левосторонние и правосторонние молекулы идентичны, но только по разному формируются, или, скажем по примитивной аналогии с физикой — у них разный «спин». Но это приводит к серьезным последствиям. Ну и ещё Хейзен обнаружил, что молекулы формируются в таком виде из-за взаимодействия с минералами:

«Наши последние эксперименты показали, что хиральные поверхности минералов сыграли ключевую роль в отборе молекул определенной ориентации и соответственно – в происхождении самой жизни. В 2000 г. мы с коллегами обнаружили то, что тогда казалось поразительным, а теперь воспринимается как нечто обыденное: хиральные поверхности минералов встречаются повсюду в природе. Обычные минералы в составе любой породы или почвы изобилуют поверхностями, где атомы преобразуются в молекулы с определенной направленностью – либо левой, либо правой. В природе такие поверхности встречаются в равной пропорции, т. е. Земля в глобальном масштабе не отдает предпочтение ни правой, ни левой стороне. Но каждая молекула тщательно выбирает способ закручивания. Наши эксперименты показали, что определенные левосторонние молекулы обычно собираются на одном и том же наборе поверхностей кристаллов, а их зеркальное отражение, правосторонние молекулы, так же устойчиво предпочитают формироваться на другом виде минералов. Каждая поверхность, на которой отбираются и накапливаются молекулы, становится экспериментальной мини-площадкой для молекулярного отбора и синтеза.

По отдельности каждый такой естественный эксперимент взаимодействия минералов с молекулами отнюдь не порождал жизнь. Но заметим, что бесчисленные триллионы триллионов триллионов минеральных поверхностей, омываемых насыщенным органическими молекулами «бульоном», повторяли свой маленький «эксперимент» снова и снова – и так сотни миллионов лет. Земля протестировала таким образом практически все возможные комбинации молекул в самых разных условиях».

В общем, книга интересная, но при этом ничего интересного о ней я сказать не смогу. Автор рассматривает формирование Земли от начала и до конца, заглядывает в будущее (где все стабильно, солнце потухнет, астероид влетит, ледниковый период наступит и т.д.). В конце он переживает о том, как люди влияют на климат, и что это угроза не планете, а нам самим. Самые интересные части в середине книги связаны с возникновением жизни, появлением фотосинтеза и т.д. Методологически автор старается развивать «Гумбольдтовскую науку», т.е. рассматривает химию, биологию и геологию вместе, как сложную систему. Кроме того, он рассматривает все эти вещи в динамике, и регулярно на этом настаивает. Например геология в мейнстриме рассматривается статично, фиксируются только свойства кристаллов и т.д., а автор рассматривает историю минералов, интересуется связью минералов и органической жизни и т.д. Поэтому да, это очередной Гумбольдт нового времени попытался написать свой «Космос». Если я захочу обновить какие-то взгляды на историю планеты, возможно ещё вернусь к этой книге. Посоветовать ее кому-то, кому интересна история земли — можно. Но ничего экстраординарного здесь нет, просто добротная книга на тему эволюции планеты.

P.S. Немного оптимизма

Читая книгу Карла Циммера — «Эволюция. Триумф идеи» (отдельного обзора не будет, но книга тоже неплохая), я тут подумал, что аргументы про то, что могут быть иные формы жизни, не такие как мы (белковые), в принципе смогут быть проверены в лабораторных условиях, как только мы сможем создавать белковые клетки с нуля. Последнее не кажется таким уж невозможным опытом; нужно всего-то смешать необходимые элементы и подобрать нужные условия. Проблема конечно в том, что тогда жизнь будет зарождаться те же миллионы лет, что и в реальности, а ждать этого мы не сможем, и поэтому нужно будет создать другие условия, намного более эффективные, чтобы жизнь сформировалась хотя бы за год. Но в принципе в этом нет ничего невозможного. В конце-концов, после обнаружения правильного механизма строительства жизни, ее можно будет лепить искусственно, просто механически складывая нужные атомы в нужные молекулы. Так вот, когда бы эта возможность не открылась, мы сможем ставить аналогичные опыты с самыми разными наборами исходных элементов. Формировать альтернативные ДНК из совершенно других атомов. И тогда тема альтернативных вариантов жизни будет полностью закрыта. Оптимизм здесь в том, что этот вопрос потенциально может выйти из разряда общефилософских и стать вопросом чисто практическим.

Что еще интересного для себя могу отметить, так это то, что принцип естественного отбора работает и на молекулярном, и на клеточном уровне. Лабораторные эксперименты отлично продемонстрировали, как молекулы РНК (вне сложных организмов, сами по себе) модифицируют свой функционал поколение за поколением, если намеренно «направлять» их изменением внешних условий. Этот принцип чисто статистический, и работает он, в принципе, также и с «неживой» материей. Химические соединения, которые оказываются более устойчивыми — вытесняют менее устойчивые. В каком-то смысле можно сказать, что РНК и ДНК ничем не «лучше» молекулы бензола. Все они созданы случайным сочетанием атомов, и приобрели свойства, которые никто не планировал получать. После триллионов и больше комбинаций возникали все более сложные соединения. И наибольшего успеха достигли те, которые смогли перерабатывать окружающие молекулы в самих себя (как агент Смит в Матрице). В принципе, это даже жизнью сложно назвать, просто способность молекулы умножаться, структурируя по своему подобию атомы-соседи. Но такое свойство уже включается в логику естественного отбора, и дает «живым» молекулам значительное преимущество и возможность экспансии.

Что еще более интересно, так это тезис о том, что гены, отвечающие за формирование организма у любых животных, включая муху или человека, практически одинаковы. Т.е. они взяты из одного «набора инструментов» и выполняют одинаковые функции. Правда они немного отличаются в деталях, но их схожесть указывает на то, что все животные стартанули от некоего одного «общего предка» (напоминает Сент-Илера). Понятно, что у разных животных разный набор генов в целом, но взятые по отдельности — это одни и те же гены, что встречаются у любого из видов. Ящик инструментов один, но используются в каждом случае разные наборы. Это идеальное сочетается с универсальностью нейронов (мозга), о которой шла речь в книге Иглмена про нейропластичность.

Из этого также выходит одно забавное следствие. Понятно, что этот «общий предок» не был единственным в своем роде. У него явно были конкуренты, которые имели другие наборы генов, и которые вымерли в ходе конкурентной борьбы. Если у того нашего предка уже были все инструменты для строительства рук, ног, глаз, сердца и т.д. и т.п., то очевидно, что у его конкурентов дела были не так хороши. Поэтому эволюционная гипотеза Эмпедокла (!) о случайных комбинациях органов, существующих по отдельности — выглядит почти как правда. Ведь вполне допустимы сочетания генов, которые формируют полноценные руки, но не создают ног и т.д. и т.п. Все подобные «мутанты» проиграли нашему предку. Но самое интересное другое. Выходит, что до этого момента Х — жизнь шла путем синтеза. Миллионы молекул ДНК создавали разные гены, которые потом комбинировались друг с другом, и порождали самые разные существа, и так до тех пор, пока не был создал тот самый «универсальный инструментарий», швейцарский нож эволюции. Долгое время развитие шло от элементарных элементов к всё более и более сложному, единому организму, подобно разветвленному дереву, все корни которого в итоге сливаются в один большой ствол. Но начиная с момента Х все идет ровно наоборот. Этот ствол (общий предок) разветвляется в генеалогическое древо форм жизни, каждая веточка которого становится отдельной формой, хотя в сущности она состоит из материала точно того же дерева. Этакая диалектика соединения и распада. Хотя в обоих случаях речь идет про усложнение системы, но по-разному исполненное усложнение. Единственное что тут нужно уточнить, что пользуясь аналогией с деревом, там все корни уходят в ствол дерева, тогда как в нашей истории многие корни стали «тупиковыми», а стволом стала только одна из многих комбинаций генов.