Клетки не просто выдерживают хаос — они им пользуются. Выбор у них небольшой, учитывая, в какой среде протекают микробиологические процессы.
Наш человеческий макромир относительно спокоен и предсказуем. Если в хорошую погоду бросить куда-нибудь мяч, то можно с достаточной уверенностью предположить, как далеко он улетит. Клетки, напротив, взаимодействуют на расстояниях, измеряемых нанометрами — миллиардными долями метра. Условия в таком мире определяются случайными движениями и помехами, которые биофизик Петер Хофманн окрестил «молекулярным штормом». Из-за обычного термического покачивания молекулы в нашем организме триллионы раз в секунду сталкиваются друг с другом — обычные штормы не идут с таким мальстрёмом ни в какое сравнение. Если увеличить эти явления до привычных человеку масштабов, то жизнь в клетке посреди бушующего молекулярного шторма напоминала бы попытку бросить мяч, по которому постоянно градом лупили бы другие мячи, энергия которых была бы в сотни миллионов раз выше, чем при броске рукой.
На первый взгляд, не лучшая среда для микроскопических спортивных соревнований или для тонких взаимодействий, происходящих в клеточной экосистеме. Как возможны какие-либо организованные процессы в таких условиях?
В водовороте уйма энергии, но вся эта энергия является неорганизованной; она не может непосредственно использоваться для таких задач, как сокращение мышц или передача питательных веществ в организме. Окружающие молекулы находятся практически в равновесном состоянии, случайным образом отскакивая друг от друга. Но клетка может воспользоваться низкоэнтропийной свободной энергией, связанной в АТФ, не только для непосредственного выполнения работы, но и для концентрации неорганизованной энергии в окружающей среде.
Представьте себе храповик — колесо с несимметричными зубьями, имеющими упор с одной стороны. Пусть наш храповик находится в спонтанном покачивании туда-сюда, то есть испытывает воздействие броуновских сил, названных так в честь ботаника Роберта Броуна. Именно он в начале XIX века заметил, что крошечные пылинки, взвешенные в воде, обычно движутся непредсказуемым образом. Сегодня данный феномен объясняется тем, что пылинки постоянно бомбардируются отдельными атомами и молекулами. Сам по себе броуновский храповик не движется в каком-либо направлении; он непредсказуемым образом дрейфует туда-сюда.
Однако допустим, что зубцы нашего храповика жёстко не зафиксированы, а могут каким-то образом управляться извне. Когда храповик движется в нужном нам направлении, мы устанавливаем малый угол, который легко преодолеть; в противном случае угол увеличиваем и затрудняем движение. Таким образом мы могли бы превратить случайное и беспорядочное броуновское движение в нацеленную полезную транспортировку. Естественно, для этого требуется вмешательство некоего внешнего фактора, который сам далёк от равновесия и обладает низкой энтропией.
Такой броуновский храповик — простая модель многих молекулярных двигателей, действующих внутри живой клетки. Нет никаких внешних наблюдателей, которые бы подправляли форму молекул, чтобы те могли использоваться для конкретных целей, но есть свободная энергия, передаваемая АТФ. Молекулы АТФ могут соединяться с подвижными деталями клеточной машинерии, высвобождая энергию строго в нужный момент и допуская флуктуации в одном направлении, но перекрывая в другом. Чтобы совершать работу на наноуровне, необходимо просто обуздать царящий там хаос.
* * *
Шрёдингеровское представление о том, что живые организмы поддерживают собственную структурную целостность, затрачивая на это свободную энергию, впечатляющим образом подтверждается в реальной биологии. Солнце посылает нам свободную энергию в виде относительно высокоэнергетических фотонов видимого света. Их поглощают растения и одноклеточные организмы, путём фотосинтеза обеспечивающие себя АТФ, а также сахарами и другими питательными соединениями. Там, в свою очередь, накапливается свободная энергия, которую могут потреблять животные. Свободная энергия затрачивается на поддержание порядка в организме, а также для того, чтобы организм мог двигаться, думать и реагировать. Все эти способности отличают живые существа от неживых предметов. Солнечная энергия, с которой всё начиналось, постепенно становилась всё более неупорядоченной и наконец превратилась в неорганизованную тепловую энергию. В конечном итоге эта энергия излучается обратно во Вселенную в форме относительно низкоэнергетических фотонов инфракрасного света. Да здравствует второй закон термодинамики!
Первичные элементы этой истории уже известны нам из Базовой теории: это фотоны, электроны и атомные ядра. Как ни далека, казалось бы, наша повседневная жизнь от подробностей современной физики, понимание таких процессов, как питание, дыхание, жизнь, вновь возвращает нас на уровень простейших частиц и взаимодействий, лежащих в основе всего.
Глава 31
Спонтанная организация
Фламандский физик Ян Баптиста ван Гельмонт, живший в XVII веке, был одним из первых учёных, догадавшимся о существовании иных газов, кроме воздуха, — именно он и предложил термин «газ». Однако его всегда будут помнить в первую очередь за рецепты по созданию живых существ. Согласно ван Гельмонту, чтобы создать мышь из неживой материи, нужно положить грязное бельё в открытый горшок, добавив туда зёрна пшеницы. Примерно через двадцать один день, писал он, пшеница превратится в мышей. Если же вы по какой-то причине захотели создать скорпионов, а не мышей, то он рекомендовал выдолбить углубление в кирпиче, наполнить его истолчённым базиликом, накрыть другим кирпичом и оставить оба кирпича на солнце.
Если бы всё было так просто! Мне хочется думать, что если бы ван Гельмонт добросовестно придерживался байесовского рассуждения, то мог бы прийти к достоверной альтернативной гипотезе, объяснившей бы появление мышей у него в горшке с грязным бельём. Как только мы уходим от витализма и понимаем, что словом «жизнь» называются определённые процессы, а не субстанция, заполняющая материю и приводящая её в движение, мы начинаем понимать, сколь невероятно сложен и внутренне взаимосвязан этот процесс. Одно дело наблюдать, как живые организмы могут обуздать свободную энергию и, питаясь ею, сохранять целостность и передвигаться. Совсем другое — понять, как вообще возникла жизнь. На момент написания этой книги у нас тут больше вопросов, чем ответов.
Некоторое время назад казалось, что понять зарождение жизни, или абиогенез, будет не так сложно. Чарльз Дарвин не уделил этой проблеме особого внимания в «Происхождении видов», но кратко отметил, что в «маленьком тёплом пруду» вполне могли образоваться белки, которые затем «могли претерпеть ещё более сложные изменения». Дарвин не слишком разбирался в химии или молекулярной биологии. Но в 1953 году Стэнли Миллер и Гарольд Юри поставили знаменитый эксперимент: взяли колбу, наполненную некоторыми простыми газами — водородом (H2), водяным паром (H2O), аммиаком (NH3) и метаном (CH4), а затем стали пропускать через неё электрические разряды. Они полагали, что эти соединения могли присутствовать в атмосфере древней Земли, а искры в данном случае играли роль молний. Воспользовавшись такими простыми средствами, без всякой дополнительной корректировки Миллер и Юри уже через неделю обнаружили, что в эксперименте образовались некоторые аминокислоты — органические соединения, играющие ключевую роль в биохимии.
Сегодня мы не считаем, что Миллер и Юри правильно смоделировали условия, существовавшие на юной Земле. Тем не менее их эксперимент продемонстрировал важнейший биохимический факт: синтезировать аминокислоты не так сложно. Для возникновения жизни необходим был следующий этап: образование белков, выполняющих всю сложную биохимическую работу. Белки транспортируют вещества в организме, катализируют полезные реакции, оптимизируют межклеточную коммуникацию. Это уже не так просто.
