Если сложные споры не попали на Землю на кометах, то период химической эволюции на Земле, в течение которого в первобытных морях постепенно накапливались органические соединения, начался, вероятно, около 4000 миллионов лет назад. Синильная кислота (HCN) играет ключевую роль в большинстве реакционных цепочек, ведущих к абиотическому образованию этих простых азотсодержащих органических соединений. (Понятие «абиотический» относится к процессам, в которых не участвуют живые компоненты.) HCN легко образуется в результате таких реакций, как
2 CH4 + N2 → 2 HCN + 3 H2
и
CO + NH3 → HCN + H2O.
HCN является предшественником органических молекул вроде пуринов и пиримидинов, из которых состоят такие молекулы, как ДНК и РНК.
Многие исследователи предполагают, что РНК была первоначальным протогеном — первой информационной макромолекулой и первой структурой на пороге жизни. В настоящее время исследователи пытаются заставить нити РНК воспроизводить себя и подвергаться адаптации посредством эволюции — в подходящей среде. Генетическая информация многих вирусов закодирована в одноцепочечной молекуле РНК.
Учёные давно задавались вопросом о том, появились ли белки раньше нуклеиновых кислот или наоборот. Похоже, белки образуются только по инструкциям, состоящим из нуклеиновых кислот, однако нуклеиновые кислоты не могут функционировать без помощи каталитических белков. Возможно, способ взаимодействия белков и нуклеиновых кислот эволюционировал из более простого и иного процесса. Например, мы знаем, что нуклеиновые кислоты могут размножаться без помощи белков. РНК могут действовать как ферменты, расщепляя молекулы РНК на части, которые далее могут рекомбинировать. Возможно, на ранних этапах эволюции на Земле РНК могла не только самовоспроизводиться, но и эволюционировать благодаря ошибкам репликации, подготавливая почву для эволюции более успешных систем ДНК и РНК. В лаборатории можно создавать спирали РНК и двухцепочечную РНК, просто смешивая нуклеотиды и фосфаты (строительные блоки РНК) в колбе, освещённой медленно вращающимся источником света, имитирующим суточные циклы света и темноты. Субъединицы РНК, зафиксированные на глине, также могут соединяться в длинные цепочки, которые самовоспроизводятся.
Другие исследователи считают, что белки были изначально способными к самовоспроизведению, а затем «изобрели» нуклеиновые кислоты. Когда смеси аминокислот нагревают до очень высоких температур и полученный протеиноидный материал растворяют в горячей воде и охлаждают, они образуют микроскопические сферы, которые выглядят как некие бактерии. Сферы обладают многими свойствами, похожими на свойства жизни, среди которых катализ химических реакций, напоминающие мембраны поверхности и способность к размножению. Некоторые исследователи считают, что агент, вызывающий «коровье бешенство», может состоять только из белка, который, судя по всему, размножается в головном мозге, и это подтверждает идею о том, что в ходе эволюции белковая форма жизни могла предшествовать формам жизни, основанным на нуклеиновых кислотах.
Кремниевая жизнь
До этого момента наше внимание уделялось жизни, основанной на углероде. Однако исследователи предполагают, что инопланетная жизнь может быть основана на цепочках из атомов кремния вместо углеродных цепочек, как в случае Земли. Согласно химическим законам, существует только два элемента, способных образовывать длинные цепочки, которые, как мы полагаем, необходимы для жизни: углерод и кремний. Возможно ли, чтобы формы жизни даже на Земле были основаны на кремнии?{39} Это представляется маловероятным, хотя сложная система чего-то вроде реакций органической химии могла бы протекать с кремниевыми цепочками в жидком аммиаке вместо воды. Однако аммиак является жидким только в узком диапазоне очень низких температур, что делает его менее подходящей средой для жизни в сравнении с водой. Замёрзшая вода весьма примечательна тем, что она менее плотная, чем жидкая, и это заставляет лёд плавать по поверхности океанов в холодную погоду. С другой стороны, в океане жидкого аммиака замороженные куски аммиака тонули бы, тем самым подвергая поверхность жидкого аммиака воздействию холода, так что в конце концов весь аммиак в аммиачном море замёрз бы.
Несмотря на эти предостережения, жизнь теоретически может возникнуть не только в жидком аммиаке при температурах около -58 градусов по Фаренгейту (-50 градусов по Цельсию) — с более слабыми связями, в образовании которых участвует азот, преобладающий в обменных процессах, — но и в углеводородах,{40} где в качестве растворителя, растворяющего или диспергирующего агента работает смесь углеводородов. (По всей видимости, большинству земных организмов на одном из этапов их жизненного цикла требуется хотя бы незначительное количество растворителя, чтобы они могли жить и здравствовать.) Например, мне нравится представлять себе маленьких существ, живущих в нефти. Восстановительные реакции — это такие реакции, в которых донор электронов вроде водорода передает электрон другому участнику реакции. Такие реакции, например, гидрирование, можно было бы использовать в качестве источника энергии. Это не настолько маловероятно, как может показаться. Многие экстремофилы на Земле процветают в органических растворителях, токсичных для большинства других форм жизни. Например, некоторые микробы превосходно чувствуют себя в толуоле, бензоле, циклогексане и керосине, иногда при концентрации растворителя до 50 процентов (остальные 50 процентов составляет вода). Эти микробы можно обнаружить в почве и глубоководных илах, и они разлагают сырую нефть и полиароматические{41} углеводороды. Эти виды микробов могут быть полезны в качестве биоразлагающих агентов, уменьшающих количество токсичных отходов.
Углерод действительно обладает некоторыми уникальными свойствами, которые делают его идеальным кандидатом для перехода к жизни. Он может соединяться сам с собой в длинные цепочки и может образовывать связи с четырьмя другими атомами одновременно. Теоретически это допускает существование огромного количества различных соединений. Заметим, однако, что жизнь могла бы основываться и на менее универсальных атомах. Например, атому нет необходимости образовывать связи самому с собой, чтобы строить длинные цепочки. Вообще, цепочки могли бы состоять из двух или более видов атомов, чередующихся друг с другом. Физики Джеральд Фейнберг и Роберт Шапиро предположили, что жизнь могла бы возникнуть на основе альтернативной химии, возможности которой не столь обширны, как у углерода. Например, если английский язык можно передать и сохранить, используя 26 букв, его также можно столь же успешно, хотя и не столь компактно, закодировать с помощью единиц и нулей — двоичного кода, используемого компьютерами. Точно так же менее сложная химия с большим количеством компонентов, нужных в каждой молекуле или клетке, могла бы послужить генетической основой жизни.
Что такое жизнь?
Мы обсуждали химическую эволюцию жизни и различные химические вещества, которые, как предполагается, могут создавать жизнь. Недавно химик Массачусетского технологического института Джулиус Ребек создал органическую молекулу, которая воспроизводит сама себя, — молекулу, которую Ребек считает примитивной формой жизни. Независимо от того, действительно ли она живая или нет, это определённо не та жизнь, какой мы её знаем. Например, J-образная молекула Ребека связана воедино некоторыми из тех же химических связей, что и белки, ДНК и РНК, но размножается молекула в растворе хлороформа. Тем из вас, кто разбирается в химии, скажу, что эта примитивная форма жизни состоит из «трёхкислотного сложного эфира аминоаденозина».{42} В растворе хлороформа молекулы Ребека могут копировать себя со скоростью, доходящей до головокружительного миллиона раз в секунду.