Известны десятки миллиардов типов органических молекул. Но лишь около пятидесяти из них участвуют в фундаментальных процессах жизнедеятельности. Одни и те же схемы снова и снова используются с изобретательностью и экономным консерватизмом для разных функций. В самой основе земной жизни — протеинах, управляющих клеточной химией, и нуклеиновых кислотах, несущих наследственные инструкции, — мы обнаруживаем молекулы, одинаковые у всех растений и животных. И дуб, и я сделаны из одного материала. Если мы заглянем достаточно далеко в прошлое, то найдем нашего общего предка.
Внешне мы, люди, совсем не похожи на деревья. Без сомнения, мы иначе воспринимаем окружающий мир. Однако в самой глубине, в молекулярном сердце жизни, мы и деревья суть одно и то же. Наша наследственность обеспечивается нуклеиновыми кислотами; химией наших клеток управляют протеины в роли энзимов. Но самое главное, для перевода информации, содержащейся в нуклеиновых кислотах, в информацию протеинов используется одна и та же кодовая книга, общая практически для всех живых созданий на планете. Обычно это молекулярное единство объясняют тем, что все мы: деревья и люди, морской черт (удильщик) и плесенный грибок, а также парамеция — ведем свое происхождение от одного общего предка, одного экземпляра, давшего начало жизни в древней истории планеты. Но как же впервые появились эти наиважнейшие молекулы?
В лаборатории Корнелловского университета мы среди прочего занимались предбиологической органической химией, пытаясь сыграть отдельные ноты музыки жизни. Мы пропускали электрическую искру через смесь водорода, водяного пара, аммиака, метана, сероводорода — газов, составлявших атмосферу первобытной Земли. Все они, между прочим, присутствуют в наше время в атмосфере Юпитера и встречаются в космосе. Искра имитировала грозовые разряды, также характерные для древней Земли и современного Юпитера.
Первоначально сосуд был полностью прозрачен: исходные газы совершенно невидимы. Однако через десять минут пропускания через него электрических разрядов мы замечали странный коричневый налет, медленно оседающий на стенках сосуда. Постепенно толстый слой бурого дегтя совершенно скрывал происходящее внутри. При использовании ультрафиолетового излучения, имитирующего свет молодого Солнца, результат получался более или менее таким же. Деготь представлял собой чрезвычайно богатую смесь сложных органических молекул, включая составные части протеинов и нуклеиновых кислот. Оказалось, что получить материал, из которого построена жизнь, очень легко.
Подобные эксперименты впервые проделал в начале 1950-х Стенли Миллер, который был тогда аспирантом у химика Гарольда Юри. Юри приводил убедительные аргументы в пользу того, что в первичной атмосфере Земли, как и почти везде во Вселенной, преобладал водород, что впоследствии водород с Земли постепенно диссипиро-вал (рассеялся) в космос, чего не случилось на массивном Юпитере, и что жизнь возникла до того, как водород был потерян. После того как Юри предложил пропустить через подобную смесь газов электрический разряд, кто-то спросил у него, какие продукты он ожидает получить в таком эксперименте. Юри ответил: «Бейльштейна». «Бейльштейн» — это громадный 28-томный немецкий компендиум, перечисляющий все известные химикам органические молекулы.
Используя только наиболее широко распространенные на древней Земле газы и практически любой источник энергии, способный разрушать химические связи, мы смогли получить основные строительные блоки жизни. Но в нашем сосуде звучали лишь отдельные ноты музыки жизни, а не сама музыка. Молекулярные строительные блоки необходимо еще расположить в правильном порядке. Жизнь, конечно, нечто большее, чем аминокислоты, из которых состоят протеины, или нуклеотиды — составляющие нуклеиновых кислот. Но даже формирование из этих строительных блоков длинных молекул-цепочек являло собой значительный прогресс в экспериментах. В условиях, близких к тем, что были на древней Земле, аминокислоты объединялись в молекулы, напоминающие протеины. Некоторые из них могли, хотя и очень слабо, влиять на полезные химические реакции, подобно тому как это делают энзимы. Нуклеотиды составляли нити нуклеиновой кислоты длиной в десятки блоков. При благоприятных условиях в лабораторной пробирке короткая молекула нуклеиновой кислоты может синтезировать идентичную себе копию.
И все же никому пока не удалось, смешивая газы и воды первобытной Земли, добиться, чтобы в конце эксперимента из лабораторной колбы выползло нечто живое. Мельчайшие известные живые объекты — вироиды — состоят менее чем из 10 000 атомов. Они вызывают целый ряд различных болезней у культурных растений и вывелись, вероятно, относительно недавно из более сложных, а не из более простых организмов. В самом деле, трудно представить себе еще более простые организмы, которые являлись бы хоть в каком-то смысле живыми. Вироиды состоят из одной только нуклеиновой кислоты, в отличие от вирусов, которые также имеют протеиновую оболочку. Они представляют собой всего-навсего единичную нить РНК линейной или кольцевой формы. Вироидам удается быть столь маленькими и все-таки процветать, потому что они законченные паразиты.
Подобно вирусам, они просто завладевают молекулярными машинами гораздо более крупной и хорошо работающей клетки и превращают ее из фабрики, производящей новые клетки, в фабрику вироидов.
Наименьшими из известных свободноживущих организмов являются плевропневмониеподобные организмы и близкие к ним. Они состоят примерно из пятидесяти миллионов атомов. Такие организмы, вынужденные в большей степени полагаться на себя, намного сложнее вироидов и вирусов. Однако сегодня земная среда обитания не слишком благоприятна для простых форм жизни.
Приходится много работать, чтобы выжить. Приходится беречься от хищников. Однако в начальный период истории нашей планеты, когда в богатой водородом атмосфере солнечный свет порождал огромное количество органических молекул, шансы выжить были даже у самых простых непаразитических организмов. Первым живым существом могло оказаться что-то вроде свободноживущего вироида длиной всего в несколько сотен нуклеотидов. Эксперименты по созданию подобных существ могут начаться уже в конце XX века. Многое еще предстоит понять о происхождении жизни, и в том числе — о возникновении генетического кода. Однако мы проводим подобные эксперименты всего лишь около трех десятилетий. У природы была фора в четыре миллиарда лет. Во всяком случае, мы продвигаемся довольно неплохо.
Во всех этих экспериментах нет ничего специфически земного. Исходные газы и источники энергии весьма обычны для Космоса. Химические реакции, подобные тем, что происходили в нашей лаборатории, могут быть причиной появления органического вещества в межзвездном пространстве, а также источником аминокислот, обнаруженных в метеоритах. В чем-то похожие химические процессы, должно быть, протекали в миллиардах других миров по всему Млечному Пути. Молекулы жизни заполняют Космос.
Но даже если инопланетная жизнь основана на той же молекулярной химии, что и у нас, вряд ли стоит ожидать появления организмов, похожих на те, что нам знакомы. Посмотрите, как невероятно разнообразны живые существа Земли, населяющие одну планету и имеющие общую молекулярно-биологическую основу. Те, другие животные и растения, вероятно, кардинальным образом отличаются от знакомых нам земных организмов. Возможны некоторые эволюционные параллели, поскольку не исключено, что та или иная задача приспособления к окружающей среде имеет единственное наилучшее решение — к примеру, что-нибудь вроде двух глаз для бинокулярного зрения в оптическом диапазоне. Однако в целом случайный характер эволюционного процесса должен сделать внеземную жизнь отличной от всего, что мы знаем.
