Хотя и вдохновляет, что пройти первый шаг — получить аминокислоты — достаточно просто, к настоящему времени уже ясно, что учёным придётся проявить немалую изобретательность, чтобы понять последующие этапы процесса.

Изучая происхождение жизни, мы одновременно затрагиваем биологию, геологию, химию, метеорологию, планетологию, математику, теорию информации и физику. Есть множество многообещающих идей, не все из которых совместимы друг с другом. Можно обрисовать возможные пути возникновения жизни и рассмотреть, как этот процесс вписывается в общую картину.

* * *

Рассмотрим три свойства, которые, по-видимому, универсальны для всей известной нам жизни.

1. Компартментализация. Клетки, первокирпичики живых организмов, заключены в мембраны, отделяющие внутренности клетки от окружающего мира.

2. Метаболизм. Живые существа потребляют свободную энергию и используют её для поддержания формы и для выполнения действий.

3. Размножение с изменчивостью. Живые существа порождают примерные копии себя, передавая информацию о своём строении. Небольшая изменчивость этой информации при передаче обеспечивает дарвиновский естественный отбор.

Разумеется, свойства жизни этим не ограничиваются, но если учесть хотя бы перечисленные черты, то можно значительно продвинуться в понимании истоков жизни.

Из всех этих свойств наиболее простой для понимания кажется компартментализация. В подходящей среде неорганические вещества легко образуют мембраны и дифференцируются. Когда система далека от равновесия, эти спонтанно возникающие структуры помогают овладеть свободной энергией, которая нужна, в частности, чтобы обеспечить метаболизм и размножение. Стоит ли говорить, что дьявол — в деталях.

Возникновение клеточных мембран и других компартментов — частный случай более общего феномена самоорганизации. Это процесс, в ходе которого крупная система, состоящая из множества более мелких подсистем, тяготеет к правильным закономерностям, проявляющимся в строении и поведении, хотя все её подсистемы и действуют совершенно независимо, не имея никакой особой «цели». Идея самоорганизации успешно применяется при описании столь несхожих явлений, как распространение компьютерных сетей, распределение полос и пятен на звериной шкуре, рост городов и внезапное образование дорожных пробок. Классический пример — роение, свойственное стаям птиц или косякам рыбы. Каждое животное реагирует лишь на действия своих ближайших соседей, но в результате получается впечатляющая картина, которая со стороны выглядит как исключительно выверенная хореография.

Самоорганизация присутствует повсюду. Рассмотрим конкретный пример, чтобы приобрести общее впечатление об этой идее, а затем обсудим специфику клеточных мембран. В конце концов однажды нам может потребоваться понять природу возникновения спонтанно формирующихся мембран и в других, внеземных биосферах.

В 1971 году американский экономист Томас Шеллинг предложил простую модель сегрегации. Одним из её вариантов была расовая сегрегация в городах, но базовая идея должна была описывать всевозможные различия — от образования языковых сообществ до того, как именно мальчики и девочки в начальной школе рассаживаются за партами. Шеллинг предлагал представить себе квадратную сетку с комбинациями двух символов — крестиков и ноликов, а также с пустыми клетками. Допустим, что у крестиков и ноликов нет абсолютной непереносимости друг друга, но они начинают чувствовать себя неуютно, если понимают, что их окружают символы-антагонисты. Если символу неудобно — например, если крестик оказался в компании множества ноликов, — то он передвинется в случайно выбранную пустую клетку. Так будет происходить снова и снова, пока все не останутся довольны.

Спонтанная сегрегация в модели Шеллинга. Исходные условия показаны слева, конечные — справа

Конечно, нас бы не удивила существенная сегрегация, если бы символы проявляли полную нетерпимость друг к другу — если бы их напрягало, к примеру, соседство даже с двумя символами противоположного типа. Шеллинг показал, что даже небольшая степень предпочтения может породить масштабную сегрегацию. На рисунке показан пример с 500 символами, одна половина из которых крестики, а другая — нолики, причём они случайным образом распределены на сетке с небольшим числом пустых клеток. Допустим, символ чувствует себя неуютно, если 70% или более его соседей относятся к противоположному типу. Но это относительно терпимо. Нолик чувствует себя хорошо, если среди его восьми соседей ноликов не меньше, чем крестиков, и начинает расстраиваться, лишь если крестиков среди них оказывается шесть или более. В исходной конфигурации лишь 17% символов «несчастливы».

Тем не менее этого достаточно. Как только мы позволяем ущемлённым символам сняться с места и перейти на свободные места в сетке и допускаем, чтобы этот процесс продолжался, пока все не будут удовлетворены, мы получаем в итоге вариант распределения, показанный справа: большие группы однотипных соседей, разделённые чёткими границами.

Такой глобальный порядок сложился исключительно в результате локальных индивидуальных решений, а не в результате работы некоего главного стратега. При этом «решения» не связаны с какими-либо высокоорганизованными формами сознания; это самоорганизация, не навязанная извне и не направленная на достижение цели. Можно представить себе, что отдельные молекулы действуют именно так — на самом деле, подобные примеры известны. Нефть отделяется от воды; также отмечено, что молекулы липидов проявляют чёткую избирательность, которая объясняет возникновение клеточных мембран. В 2005 году Шеллинг получил Нобелевскую премию по экономике совместно с Робертом Ауманном в первую очередь за работы, связанные с теорией игр и развитием конфликтов.

Важная деталь теории Шеллинга заключается в том, что подобная модель эволюции системы необратима. Динамика здесь не лапласовская: информация не сохраняется. Следовательно, эта модель не описывает реальный мир на его самом фундаментальном уровне. Однако она может быть довольно хорошим эмерджентным описанием огрубленной динамики, поскольку система в целом далека от равновесия. Когда крестик или нолик начинает чувствовать дискомфорт и перемещается в случайным образом выбранную пустую клетку, такой процесс неизбежно увеличивает энтропию во Вселенной. Информация теряется, поскольку множество начальных конфигураций могут приводить к одной и той же конечной. Энтропия возрастает, но при этом образуется недолговечная структура, обладающая высокой упорядоченностью и сложностью.

* * *

Учитывая, сколь легко простые динамические системы проявляют склонность к самоорганизации, немного проще поверить, что нечто, подобное клеточной мембране, может спонтанно сформироваться при подходящих условиях. Однако реальные биологические мембраны состоят не из мальчиков и девочек, которые хотят поудобнее рассесться в классе, а из липидов.

Липид — это особая органическая молекула, амбивалентно реагирующая на воду. С точки зрения химика, «органический» означает «основанный на атомах углерода, но зачастую содержащий атомы водорода и некоторых других элементов», независимо от того, имеет ли данное вещество хоть какое-нибудь отношение к живым существам. В ближайшем супермаркете слово «органический» будет пониматься совсем иначе. Связь с биологией возникает, поскольку биохимия так сильно зависит от углерода, который легко образует молекулярные цепочки любой сложности.

У липидов есть гидрофильная головка (тяготеет к воде) с одной стороны и гидрофобный хвост (отталкивающий воду) с другой стороны. Именно такая, двойственная, природа липидов, притягивающих воду с одной стороны и отторгающих с другой, позволяет этим веществам складываться в мембраны.