Живым организмам нужно все время следить за изменениями в окружающей среде и приспосабливаться к ним. Эта постоянная подстройка называется сохраняющим гомеостазом. Чтобы сохранять определенное равновесие в переменных условиях, клетки должны всегда иметь доступ к информации о внутренней и внешней среде, загружать и расшифровывать эту информацию, выбирать лучшую реакцию, а затем реагировать. Слово «гомеостаз» означает «сохранение неподвижности», и это противоположность изменению. Но вы поймете, что это значит, если представите себе, что сохраняете неподвижность в нескончаемом вихре молекул клеточной среды.
Эти способности чрезвычайно впечатляют, но они были бы не слишком интересны, если бы живые организмы появились и исчезли, подобно пене на волнах океана. Может быть, именно это и произошло на каких-то планетах возле каких-то звезд, а возможно, даже в начале истории Земли. Но сегодня на нашей планете живые организмы не просто борются с ураганом изменений и энтропии. Они создают копии самих себя, так что, если какие-то клетки разрушатся (а рано или поздно это случится с каждой), на их место смогут встать другие. Размножение – это умение создавать жизнеспособные копии клеток. Это значит, что шаблон, по которому строится организм (в современной терминологии – его геном), может выжить даже после смерти особи. В геноме, как в руководстве пользователя, хранится информация о белках, позволяющих создать копию родителя, а также о некоторых основных правилах сборки. Сегодня бóльшая часть этой информации находится в молекулах ДНК, но в начале истории жизни на Земле ее, вероятно, содержали их двоюродные сестры – молекулы РНК, по-прежнему выполняющие в клетках большую тяжелую работу.
Шаблоны более-менее бессмертны, но механизм копирования неидеален. Это хорошо, потому что в результате мелких ошибок копирования шаблоны могут понемногу меняться, а это ключ к приспособлению и эволюции. Именно маленькие генетические изменения делают жизнь такой устойчивой, позволяя видам приспосабливаться к окружающей среде – благодаря тому, что случайным образом возникают слегка отличающиеся шаблоны. Когда меняются условия среды, меняются и правила, которые определяют, какие шаблоны выживут, а какие исчезнут.
Этот механизм Чарльз Дарвин назвал естественным отбором. В современной биологии это фундаментальная идея, потому что естественный отбор – чрезвычайно мощный двигатель усложнения. Он отсеивает часть генетических возможностей и допускает лишь те, что сочетаются с местными правилами. Таким образом, подобно фундаментальным законам физики, он действует как храповик, сохраняя определенные неслучайные структуры. Но в мире биологии решение о том, что выживет, остается за местными правилами конкретных сред, а не за универсальными правилами физики. Биологические правила действуют гораздо более разборчиво. Не ждите, что жираф сможет выжить под водой.
Как и механизмы, которые породили первые структуры во Вселенной, естественный отбор объединяет необходимость и случайность. Изменчивость обеспечивает множество возможностей, а естественный отбор использует местные правила, чтобы выбрать то, что подходит к локальным условиям. Вот как писал об этом Дарвин в «Происхождении видов»:
Можно ли… считать невероятным, [что] вариации, полезные в каком-нибудь отношении для каждого существа в великой и сложной жизненной битве, появятся в длинном ряде последовательных поколений? Но если такие вариации появляются, то (помня, что особей родится гораздо более, чем может выжить) можем ли мы сомневаться в том, что особи, обладающие хотя бы самым незначительным преимуществом перед остальными, будут иметь более шансов на выживание и продолжение своего рода? С другой стороны, мы можем быть уверены, что всякая вариация, сколько-нибудь вредная, будет беспощадно истреблена. Сохранение благоприятных индивидуальных различий и вариаций и уничтожение вредных я назвал естественным отбором
[58]
[59].
Идея Дарвина в сочетании с современными представлениями о генетике и наследственности объясняет творческий потенциал жизни, ее способность на протяжении многих поколений исследовать возможности, осваивать новые потоки энергии и строить новые типы структур. Она объясняет, как в биологическом мире в результате повторяющихся алгоритмических процессов возникают структуры ошеломительной сложности, которые в течение миллионов и миллиардов лет шаг за шагом и поколение за поколением отбираются из бесчисленного количества вариантов.
Идея естественного отбора шокировала современников Дарвина, поскольку из-за нее отпадала необходимость в боге-творце
[60]. А на понятии бога-творца строилась христианская история происхождения мира, в которую верило большинство людей в викторианской Англии. Дарвин и сам был обеспокоен, а его жена Эмма боялась, что в загробной жизни они с Чарльзом окажутся разлучены. Но механизм, который он описал, судя по всему, действительно имеет фундаментальное значение для истории жизни. На одном из Галапагосских островов, которые Дарвин посетил в молодости, плодятся вьюрки. Если деревья на острове дают орехи с прочной скорлупой, со временем окажется, что те птицы, чьи клювы могут лучше всего расколоть ее, выживают успешнее и оставят больше потомства, чем другие. Подождите несколько поколений, и вы увидите, что на этом острове такой клюв появится у всех вьюрков. Со временем, по мере того как «природа» (а на самом деле правила местной среды) будет отбирать отдельных особей, в конце концов возникнет новый вид. Как показал Дарвин, в этом заключается основной механизм биологической эволюции. Это дарвиновский храповик сложности; таким образом жизнь шаг за шагом создает все более сложные объекты.
Условия Златовласки для появления жизни
Как получилось, что моторчик жизни, чихнув, впервые заработал где-то в богатых и разнообразных условиях Златовласки на молодой Земле?
[61]
Есть кое-что, чего не знал Дарвин: механизмы, подобные естественному отбору, когда случайные изменения отсеиваются местными правилами, в некотором приближении могут действовать и в мире, где жизни нет. Там, где есть сложная смесь химикатов и много свободной энергии, могут возникнуть молекулы, которые стимулируют образование других молекул и в итоге порождают то, с чего эта реакция началась. Это автокаталитический цикл – реакция, составляющие которой делают возможной, или катализируют, выработку других составляющих цикла, включая исходные ингредиенты, так что цикл может повторяться. Запустите его, и он будет производить собственные компоненты все в больших количествах, извлекая все больше пищевой энергии, пока не начнет лишать пищи другие, менее успешные реакции. Цикл даже может немного изменяться, если появляются новые типы питания. Это уже похоже на выживание наиболее успешного химического процесса. Таким образом, здесь мы получили что-то, немного напоминающее жизнь, что-то, что способно сохраняться и воспроизводиться, используя энергию из окружающего мира. «Прежде чем появятся существа, способные к самовоспроизведению, – пишет Дэниел Деннет, – должны появиться существа, способные к сохранению себя, – структуры, у которых хватит стабильности, чтобы пребывать в мире достаточно долго для появления их новых версий»
[62]. С помощью этой идеи химической эволюции мы сможем хотя бы в общих чертах объяснить, как на молодой планете Земля появились предпосылки для возникновения жизни.
