Живое и неживое. В поисках определения жизни - читать онлайн книгу. Автор: Карл Циммер cтр.№ 80

Теория жизни может в итоге стать чем-то вроде теории сверхпроводимости. Не исключено, что она объяснит жизнь как особую конфигурацию материи, приобретающую специфическое качество в силу законов физики Вселенной. Ли Кронин, в сотрудничестве с Кейт Адамалой и физиком из Университета штата Аризона Сарой Уокер, работает над объяснением жизни как особого способа соединения объектов и явлений. Исследователи называют его теорией сборки.

Историю Вселенной можно представить как 13,7 млрд лет такого соединения. После Большого взрыва субатомные частицы образовали атомы водорода. Из соединившихся атомов водорода возникли атомы гелия. Из водорода и гелия собрались звезды, а в их звездных кузницах выплавились новые элементы. Атомы собирались в молекулы, молекулы становились пылинками. Из них образовывались планеты и спутники. На Земле в небесах кристаллизовались снежинки, в недрах – минералы.

Едва возникнув, жизнь принялась создавать собственное добро. Организмы стали синтезировать сахара и белки, строить клетки. Они обзавелись клыками и цветами. Животные строили ульи, бобровые хатки, катамараны и космические зонды. Кронин, Адамала и Уокер совместно с коллегами разрабатывали объективный метод сравнения сборки предметов, живых или неживых.

Подобная сборка происходит пошагово. Простой молекуле, чтобы образоваться из атомов, может быть достаточно одного шага. Но для присоединения добавочных атомов или соединения двух молекул вместе нужны следующие. Кронин и его коллеги нашли способ оценить, сколько шагов потребуется для синтеза молекулы: надо расщепить ее. Представьте себе молекулы в виде конструкций лего, которые можно разбирать случайным образом. Если вам дали 100 конструкций, каждая из которых состоит лишь из двух деталей лего, всё, что вы сможете, – это разобрать каждую на те же две детали, повторяя действие вновь и вновь. А теперь представьте, что вам вручили собранную из лего модель Хогвартса со всеми башенками, контрфорсами и аркадами. Ее можно разложить на множество разнообразных фрагментов. Кронин и его коллеги обнаружили, что число фрагментов, на которые можно расщепить молекулу, хорошо предсказывает количество шагов, которые требуются для ее синтеза.

Ученые провели исследование методом дробления, расщепив свыше сотни различных материалов. Они раскрошили кварц и известняк. Они разбили на составляющие препарат таксол, молекулы которого вырабатываются тисом, – это вещество служит эффективным средством против рака. Они последовали рецепту Стэнли Миллера и изготовили первичный бульон, а затем снова расщепили его молекулы. Они разобрали на части пиво и гранит.

Исследователи установили, что материалы, не созданные живой природой, требуют менее 15 шагов ^[412] для сборки. Даже когда они провели опыт с крохотным кусочком Мерчисонского метеорита – набитого липидами, аминокислотами и другими кирпичиками жизни, они не нашли ни одной молекулы, для образования которой потребовались бы 15 шагов. «Хотя там миллиард молекул, все они скучные», – сказал мне Кронин.

А живые существа, напротив, не скучные. Исследователям случалось собирать простые молекулы, но наряду с этим они синтезировали и необычайно сложные, причем некоторые из них требовали для своего создания гораздо больше 15 шагов.

Может быть, теория сборки выявила границу, отделяющую живое от неживого. Может быть, обычные химические процессы не способны создать материал, для сборки которого нужно 15 и более шагов. При достаточном-то количестве времени произойдет какая угодно реакция. Но шансы, что ряд определенных реакций будет протекать в нужном порядке и тем более повторяться, исчезающе малы. Жизнь же – это такое состояние материи, при котором самопроизвольно возникает то, что требует множественных шагов сборки.

Адамала, Кронин и Уокер полагают, что фактор, дающий жизни эту способность, – ее необычные отношения с информацией. В живом мире информация умеет управлять материей ^[413]. Гены и другие молекулярные структуры могут хранить информацию, копировать ее в потомстве и затем направлять по белковым сетям для выполнения точных задач, например создания объектов с помощью многоступенчатой сборки.

Теория сборки может предложить метод поиска жизни на других планетах. Возможно, нам удастся обнаружить ее на планетах вокруг других звезд, сидя дома. С помощью телескопов астрономы исследуют атмосферы экзопланет на молекулярный состав. Если они обнаружат обилие молекул с высоким числом ступеней сборки, то можно не сомневаться, что эти молекулы появились не в результате случайных химических процессов. Их синтезом могла управлять только информация.

Но и Кронину нет нужды дожидаться, пока зонд стоимостью в миллиард долларов долетит до другого конца Солнечной системы или на околоземную орбиту выведут новый космический телескоп. «Я уже сейчас могу заняться поиском форм жизни у себя в лаборатории, – говорит он. – Забудьте вопросы, похожа ли жизнь на огонь и должен ли у нее быть метаболизм. Спросите лучше, сколько у объекта признаков и могли ли все они вместе сложиться случайно. И много ли таких объектов? Если признаков много, то объект живой. Если мало, вы не сможете этого определить».

В качестве исходного материала для создания жизни Кронин выбрал капельки. Они даже проще, чем липосомы Дэвида Димера, – это всего лишь масляные кляксы. Они образуют группки только потому, что им трудно связываться с молекулами воды. Добавляя к маслу другие химические соединения, можно заставлять эти капли совершать много интересного. Спирт, например, притягивается и к молекулам масла, и к молекулам воды. Когда Кронин вмешивает спирт в каплю, тот медленно вытекает из нее. Выходя наружу, каждая молекула спирта слегка подталкивает каплю, двигая ее в противоположном направлении. Чем больше вытекает спирта, тем сильнее кажется, что капелька целенаправленно плывет. Другие комбинации веществ заставляют капли вести себя иначе. Даже малейшее изменение рецепта может привести к неожиданному их поведению.

Собравшись исследовать эту вселенную возможностей, Кронин осознал, что ему и его команде не под силу провести столько опытов вручную. Им пришлось сконструировать робота для их осуществления. Кронин назвал его DropFactory – «Фабрика капель». И робот приступил к проведению тысяч серий опытов. Чтобы получить капли, способные быстро двигаться, он начал с того, что смешал четыре вида масел и разлил капельки по чашкам Петри. После этого он ставил чашки под видеокамеру для съемки, затем ополаскивал их и смешивал масла в новом сочетании. Некоторые составы давали капли, которые никак не желали шевелиться, другие же ускоряли их движение. «Фабрика капель» применяла эти результаты для моделирования химии капелек, уточняя модель с каждым новым экспериментом и учитывая результаты уточнения. Под конец этой машинной эволюции капельки носились по чашке Петри подобно щенкам на собачьей площадке.

«Фабрика капель» может обучаться изготавливать капли с другими способностями. Робот создал рецепт, заставивший капли дрожать, словно Глазго в тот момент находился в эпицентре землетрясения. В другом опыте капельки приобрели способность делиться пополам и давать выводок капелек-деток. Исследовательская группа Кронина заложила в программу робота любопытство – чтобы он сам замечал необычные новые виды поведения и усиливал их. Робот подобрал такой состав масла, что его капельки, вялые при комнатной температуре, начинали скакать, стоило ей подняться всего на несколько градусов.