Фред Хойл, заслуженный британский астрофизик, известный тем, что упрямо не признавал модель Большого взрыва, пытался количественно описать эти затруднения. Он изучал конфигурацию атомов в такой биологической структуре, как клетка. Затем, позаимствовав такой ход у Людвига Больцмана, сравнивал общее число возможных комбинаций таких атомов с гораздо меньшим числом вариантов, при которых атомы могли бы образовать клетку. Перемножив ряд крошечных чисел, он сделал вывод о том, что вероятность «самосборки» жизни составляет примерно 1 к 1040 000.

Хойл, имевший способность мастерски придумывать запоминающиеся метафоры, проиллюстрировал свою точку зрения знаменитой аналогией:

Вероятность того, что высшие формы жизни могли возникнуть этим путём, можно сравнить с вероятностью того, что торнадо, пронёсшийся по свалке, мог собрать Боинг-747 из находящихся там материалов.

Проблема в том, что хойловская трактовка возникновения жизни «этим путём» не имеет ничего общего с представлениями исследователей абиогенеза об этом процессе. Никто не считает, что первая клетка возникла в результате того, что фиксированный набор атомов многократно перегруппировался, пока наконец не стал напоминать по конфигурации живую клетку. В принципе, Хойл в очередной раз описывает сценарий с больцмановским мозгом: поистине, случайные флуктуации вместе порождают нечто сложное и организованное.

В реальном мире всё иначе. «Маловероятность», присущая низкоэнтропийным конфигурациям, вплетена в устройство Вселенной с самого начала, поскольку на момент Большого взрыва энтропия Вселенной была очень мала. Тот факт, что космос развивается именно из такого исходного состояния, а не проходит через более типичный равновесный ансамбль состояний, привносит в эволюцию Вселенной сильный фактор неслучайности. Возникновение клеток и метаболизма отражает развитие Вселенной в сторону возрастания энтропии, это не маловероятная случайность на фоне равновесия. Подобно язычкам сливок, смешивающихся с кофе, изумительная сложность живых организмов естественным образом следует из существования стрелы времени.

Мы значительно продвинулись в понимании того, что такое жизнь и как она возникла, причём есть все основания полагать, что прогресс не остановится, пока мы не ответим на все вопросы. Впереди нас ждёт работа, связанная с химией, физикой, математикой и биологией, но не с магией.

Глава 33

Самонастройка эволюции

В 1988 году у Ричарда Ленски появилась блестящая идея: он собрался превратить эволюционную биологию в экспериментальную науку.

Эволюция — это идея, служащая мостиком между абиогенезом и великой мистерией жизни, разворачивающейся на Земле сегодня. Вне всяких сомнений, это наука; биологи-эволюционисты формулируют гипотезы, определяют вероятность тех или иных результатов при конкурирующих гипотезах, собирают данные, позволяющие уточнить субъективную вероятность каждой из этих гипотез. Однако у химиков и биологов есть одно преимущество над эволюционистами и, если уж на то пошло, над астрономами: они могут многократно ставить интересующие их эксперименты в лаборатории. Было бы очень сложно спроектировать такой лабораторный эксперимент, который показал бы дарвиновскую эволюцию в действии, как было бы не менее сложно создать новую Вселенную.

Тем не менее нельзя утверждать, что это невозможно (как минимум в случае эволюции; мы всё ещё не умеем создавать вселенные). Именно этим и решил заняться Ленски.

Его исходный проект был — и есть, поскольку эксперимент по-прежнему продолжается, — очень прост. Он взял двенадцать пробирок с питательной средой; это была жидкость с конкретным набором химических соединений, в том числе с дозами сахара в качестве источника энергии. В каждую пробирку он ввёл одинаковые популяции E. coli. Каждый день количество клеток в пробирке возрастает от нескольких миллионов до нескольких сотен миллионов. Один процент выживших бактерий извлекается из пробирки и распределяется по новым пробиркам с такой же питательной средой, как и ранее. От оставшихся бактерий обычно избавляются, хотя время от времени образец замораживается для контроля — так создаётся экспериментальная «палеонтологическая летопись». (В отличие от людей, бактерии легко замораживаются, а позже оживляются — современные технологии это позволяют.) Общий рост популяции составляет примерно шесть с половиной поколений в день; ограничивающим фактором является не время, а объём питательных веществ (между делениями клетки проходит менее часа). По состоянию на конец 2015 года имелось уже более 60 000 поколений бактерий — достаточно, чтобы с ним успели произойти некоторые интересные эволюционные изменения.

Бактерии, заключённые в такую исключительно специфическую и стабильную среду, уже успели довольно хорошо к ней приспособиться. Они стали вдвое крупнее, чем особи из исходной популяции, размножаются гораздо быстрее, чем когда-либо ранее. Они отлично освоили метаболизм глюкозы, но в целом стали хуже себя чувствовать в более разнообразных питательных средах.

Наиболее впечатляет, что с E. coli произошли не только количественные, но и качественные изменения. Среди ингредиентов исходной питательной среды был цитрат, состоящий из атомов углерода, водорода и кислорода. Первые бактерии не могли потреблять это соединение. Но примерно через 31 000 поколений Ленски и его сотрудники заметили, что популяция в одной из пробирок стала расти гораздо быстрее, чем в других. Внимательно её изучив, учёные обнаружили, что некоторые бактерии из этой популяции приспособились перерабатывать не только глюкозу, но и цитрат.

Цитрат — не такой хороший источник энергии, как глюкоза. Однако если вы — бактерия, живущая в пробирке, кишащей другими бактериями, которые конкурируют с вами за ограниченный объём глюкозы, то возможность прокормиться другим питательным веществом пришлась бы очень кстати. Без всякой заранее определённой цели, без какой-либо подсказки или инструкции извне эволюция нашла разумное новое решение, обеспечившее расцвет одного организма в данной конкретной среде.

* * *

Происхождение жизни было причиной всех фазовых переходов. Жизнь развивается подобно другим химическим реакциям и их сочетаниям: преобразует свободную энергию в неорганизованную. Особенный аспект, выделяющий жизнь среди других химических реакций, заключается в том, что жизнь передаётся вместе с набором инструкций. Подобно ленте в универсальном конструкторе фон Неймана генетическая информация, содержащаяся в ДНК, регулирует и направляет взаимосвязанный танец реакций, составляющих суть живого организма. При передаче от поколения к поколению эти инструкции могут меняться. Именно эта возможность порождает естественный отбор.