Текст книги "Если Вселенная изобилует инопланетянами… Где все?"

Автор книги: Стивен Уэбб

сообщить о нарушении

Текущая страница: 26 (всего у книги 36 страниц)

Для разработки анализа Шпигель и Тернер предложили простую модель (или гипотезу, используя язык выше) абиогенеза. В их модели условия на молодой планете препятствуют созданию жизни; в определенный момент жизнь становится возможной, и затем существует постоянная вероятность в единицу времени развития жизни; и после определенного момента, возможно, из-за эволюции ее звезды, планета снова становится непригодной для создания жизни. Модель упрощенная; можно утверждать, что абиогенез – это не единичное событие, которое происходит в определенный момент, и возможно, что вероятность абиогенеза в единицу времени изменяется со временем, а не является постоянной. Тем не менее, у нас нет веских оснований предлагать какую-либо другую, более сложную модель – так что модель Шпигеля и Тернера является такой же хорошей отправной точкой, как и любая другая. Это гипотеза. Доказательства, которые нам нужно принять во внимание, заключаются в том, что жизнь возникла на Земле по крайней мере один раз, около 3,8 миллиарда лет назад, и что это дало достаточно времени для появления космологически любопытных существ, способных размышлять над такими вопросами, как формула Байеса и возможное существование космологически любопытных существ в других частях Вселенной.

Байес говорит нам, что мы также должны указать априорные вероятности различных терминов в модели. (Этими терминами являются скорость абиогенеза, времена до и после которых планета не может породить жизнь, и минимальное время, необходимое для развития интеллекта.) Нет теории, которая предсказывала бы значения различных временных рамок в модели, поэтому Шпигель и Тернер просто выбирают несколько различных интересных случаев. Аналогично, нет основополагающей теории, которая дала бы нам априорную информацию о скорости абиогенеза, поэтому Шпигель и Тернер исследуют три различные формы для этой скорости.

Математика, задействованная в анализе, несколько сложнее, чем в обсуждавшихся выше задачах об «инопланетном оборотне» и Монти Холле, поэтому я не буду повторять ее здесь. Но логика во всех трех случаях одинакова: вероятность вычисляется с использованием всей доступной информации. Результат? Что ж, оказывается, на результаты гораздо сильнее влияют выборы априорных вероятностей, чем доказательства того, что жизнь возникла рано на Земле. Выберите один набор параметров модели, и жизнь будет распространена; выберите другой, столь же правдоподобный набор параметров, и жизнь будет исключительно редкой. Другими словами, с имеющимися у нас доказательствами тот факт, что мы здесь, полностью согласуется с низкой вероятностью абиогенеза. Тот факт, что жизнь возникла здесь рано, дает нам мало уверенности в том, что жизнь должна быть распространена в других местах. Важно подчеркнуть следующий момент: анализ не показывает, что жизнь редка. «Жизнь распространена» остается нашей лучшей догадкой; просто мы не можем быть уверены в этой позиции.

Когда появилась статья Шпигеля и Тернера, некоторые комментаторы предложили ее как разрешение парадокса Ферми. Однако это было основано на неправильном прочтении статьи. Она не доказывала, что жизнь, а следовательно, и разумная жизнь, должны быть редки. Повторюсь: анализ просто показал, что мы не можем быть уверены, учитывая имеющуюся у нас информацию, что абиогенез распространен. Так что это не разрешение парадокса. Однако это подчеркивает важность поиска внеземной жизни: открытие одного случая возникновения жизни независимо от Земли дало бы нам гораздо более веские основания полагать, что Вселенная кишит жизнью – и это, в свою очередь, могло бы увеличить наши надежды на обнаружение разума.

Решение 66: «Златовласки» редки

Для танго нужны двое. Эл Хоффман и Дик Мэннинг

Каждое лето ученые путешествуют с международной конференции на международную конференцию, словно стаи каких-то экзотических перелетных птиц. Информационные службы, прикрепленные к этим конференциям, просматривают тезисы в поисках работ, которые, по их мнению, могут привлечь внимание общественности. Они выпускают пресс-релизы на основе этих докладов на конференциях; в свою очередь, эти релизы часто подхватываются средствами массовой информации; а затем эти истории появляются в Твиттере и блогосфере, при этом социальные сети на мгновение увеличивают их видимость. (Я виновен в этом не меньше других. Вы не единственный, Уважаемый Читатель, чье внимание было укорочено интернетом.) В августе 2013 года интересное астробиологическое исследование подверглось такой обработке: в течение нескольких дней газеты и веб-сайты задавались вопросом: все ли мы марсиане? Несмотря на все комментарии, честный ответ на вопрос: мы не знаем. Но, возможно, мы ими являемся. И если это так, то это может иметь последствия для парадокса Ферми.

Доклад на конференции, который привел к этому всплеску интереса^[366], был сделан Стивеном Беннером, выдающимся химиком, который провел важные исследования в нескольких областях, включая синтетическую биологию. Беннер взял за отправную точку тот факт, что, как уже обсуждалось, мы до сих пор не знаем, как атомы впервые объединились, чтобы создать те ключевые элементы жизни на Земле – РНК, ДНК и белки. Предположим, что действительно первой возникла РНК: что ж, как обнаружили химики за десятилетия, прошедшие после новаторского эксперимента Миллера, облучение первичного «супа» органических химических веществ, существовавшего на ранней Земле, порождает не рибонуклеиновую кислоту, а густые смолоподобные вещества. Одно из предположений заключается в том, что существовал катализатор – неорганическая минеральная поверхность, – который обеспечивал каркас, на котором основные строительные блоки могли собираться в структуры РНК. Лучшие каркасы содержали бы бор и окисленный молибден: минералы, содержащие бор, способствуют образованию пребиотических химических веществ из углеводных колец, а затем минералы, содержащие молибден, помогают перестроить эти пребиотические химические вещества для образования рибозы, из которой следует РНК. Это отличное предположение, но с ним связаны по крайней мере две трудности. Во-первых, соединения бора растворились бы в океанах ранней Земли. Во-вторых, молибден должен был быть сильно окислен, чтобы выполнять свою каркасную функцию, но тогда поверхность Земли содержала очень мало кислорода. Таким образом, один, казалось бы, критический элемент отсутствовал, а другой был в неправильной форме. Как же тогда могли возникнуть каркасы?

Беннер указал, что ранняя марсианская поверхность могла иметь те элементы, которых не хватало на поверхности Земли: Марс был суше и содержал больше кислорода. Химия каркаса могла иметь больше шансов произойти на красной планете, чем здесь. Основные строительные блоки жизни, другими словами, могли быть созданы на Марсе. Предположение Беннера – не единственный подход – возможно, например, что предшественники РНК действительно были созданы на Земле, но был задействован совершенно другой катализатор – но если его предположение верно, то идея заключается в том, что содержащие жизнь камни были отправлены в космос после ударов астероидов. Затем эти камни нашли свой путь на Землю. По мере изменения условий на Марсе жизнь там, предположительно, умерла; а по мере изменения условий на Земле жизнь процветала.

Идея о том, что жизнь может передаваться с одной планеты на другую, далека от фантастики; действительно, мы уже рассматривали эту возможность в Решении 6 при обсуждении панспермии. Мы знаем, что камни перемещаются с планеты на планету после удара метеорита. Из десятков тысяч метеоритов, найденных на Земле, ученые идентифицировали чуть более ста из них как имеющие марсианское происхождение.^[367] За века, возможно, до миллиарда тонн породы переместилось с Марса на Землю. Некоторые камни даже пошли в другую сторону; хотя орбитальная динамика сообщает нам, что путешествие Марс-Земля примерно в сто раз энергетически выгоднее, чем путешествие Земля-Марс, расчеты показывают, что удар Чиксулуб, убивший динозавров, был достаточно сильным, чтобы выбросить^[368] 360 000 потенциально содержащих жизнь камней на Марс. (Горстка камней, выброшенных ударом, могла даже достичь спутника Юпитера Европы!)

Повторюсь: мы не знаем, зародилась ли земная жизнь на Марсе. Мы не знаем, все ли мы марсиане. Но это возможно. А какое значение это имеет для парадокса Ферми? Что ж, возможно, для процветания жизни требуются две планеты: одна для обеспечения начальных условий, а другая – для предоставления долгосрочного дома. Возможно даже, что перемешивание этих пребиотических супов требует многократного переноса материала между двумя планетами. Землю иногда называют планетой «Златовласки», потому что условия были «в самый раз» так долго. Может ли быть так, что жизнь требует «близнецов Златовласки»? Если это так, то количество планет, несущих жизнь, может быть невелико. Возможно, это объясняет отсутствие ВЦ?

Насколько мне известно, это решение парадокса Ферми принадлежит мне. Однако, я бы не советовал вам его принимать – нам нужно гораздо больше узнать о происхождении жизни, прежде чем это решение нужно будет воспринимать всерьез.

Решение 67: Переход от прокариот к эукариотам редок

Жизнь может измениться. Перси Биши Шелли, Эллада

В течение значительной части истории Земли единственными существовавшими организмами были одноклеточные прокариоты. Потребовался по крайней мере миллиард лет, чтобы возник сложный биохимический аппарат эукариотической клетки. Развитие крупных многоклеточных организмов заняло еще больше времени. Это неудивительно: эукариотические клетки неизмеримо сложнее прокариотических клеток, и потребовалось несколько эволюционных достижений, прежде чем различные эукариотические клетки смогли научиться сотрудничать и эффективно функционировать в группах. Но, возможно, эоны ожидания появления эукариот здесь, на Земле, подразумевают, что развитие сложной ступени жизни следует извилистым, трудным путем. Поскольку сложная жизнь любой формы, предположительно, должна эволюционировать из более простой одноклеточной микробной жизни, возможно, сложная многоклеточная жизнь – и, следовательно, в конечном итоге жизнь, способная общаться на межзвездных расстояниях – еще не возникла на других планетах. Возможно, переход от прокариот к эукариотам является одним из «трудных шагов» Картера. Возможно, это объясняет наблюдаемое нами молчание: Галактика заполнена планетами, на которых жизнь застопорилась на прокариотической стадии.

Что привело к переходу от прокариотической ступени жизни, которая так долго доминировала на Земле, к эукариотической ступени жизни, которую мы видим повсюду вокруг нас сегодня? Чтобы ответить на это – и попытаться понять, может ли эукариотическая ступень жизни быть редким явлением – нам нужно понять кое-что о различиях между двумя типами клеток.

Различия между прокариотическими и эукариотическими клетками

Как ни посмотри, бактерии всегда были самыми успешными формами жизни на Земле. Даже человеческое тело содержит гораздо больше микробных клеток, чем человеческих; бактерии кишат на нашей коже и в кишечнике (и во многих случаях необходимы для хорошего здоровья). Простота бактерий в сочетании с их способностью быстро размножаться – почти гарантия успеха. Они развивают биохимические реакции на вызовы окружающей среды, поэтому, хотя все они, как правило, выглядят одинаково, разные виды бактерий обладают разным метаболизмом и могут населять самые разные ниши. Они также чрезвычайно выносливы, и некоторые виды, похоже, выжили без изменений миллиарды лет.

Сложные эукариотические формы жизни, такие как животные, гораздо менее устойчивы. Они подвержены массовым вымираниям, и даже в естественном ходе вещей типичная продолжительность жизни вида животных измеряется миллионами, а не миллиардами лет. Тем не менее, эукариотический уровень жизни гораздо интереснее прокариотического. Эукариоты развивают морфологические реакции на вызовы окружающей среды – другими словами, они развивают новые формы тела и части тела, – что приводит к разнообразию и свежести, отсутствующим у прокариот.

Основное различие между эукариотическими и прокариотическими клетками заключается в том, что у последних есть жесткие клеточные стенки или очень жесткие клеточные мембраны, тогда как эукариотические клетки либо не имеют клеточных стенок, либо обладают очень гибкими стенками. Эта гибкость позволяет эукариотическим клеткам изменять форму, а также участвовать в цитозе – процессе, при котором клеточная мембрана вдавливается внутрь, образуя внутриклеточную вакуоль. Многие клеточные процессы используют цитоз, но, возможно, его основная роль заключается в фагоцитозе. При фагоцитозе эукариотическая клетка поглощает частицу пищи в пищевую вакуоль, где ферменты затем ее переваривают. Получение пищи таким способом, путем хищничества, является гораздо более эффективным процессом, чем тот, который используют бактерии, которые выделяют пищеварительные ферменты в окружающую среду, а затем поглощают образующиеся молекулы.

Еще одна отличительная черта заключается в том, что эукариотическая клетка имеет ядро, содержащее ДНК клетки. Две мембраны отделяют ядро от цитоплазмы – места, где происходит большая часть клеточной активности. Эукариотические клетки также содержат органеллы – «маленькие органы», – которые отделены от остальной части цитоплазмы мембранами. К органеллам относятся митохондрии (которые играют жизненно важную роль в энергетическом обмене) и пластиды (которые играют роль в фотосинтезе у растений и водорослей). В начале 1970-х годов Линн Маргулис утверждала, что органеллы должны были возникнуть в результате симбиоза. Она рассуждала, что миллиарды лет назад очень примитивные эукариотические клетки использовали бы фагоцитоз для поглощения более мелких прокариотических клеток в пищу. Некоторые прокариотические клетки могли быть неперевариваемыми и оставались бы в более крупных эукариотических клетках некоторое время. И некоторые из этих прокариот выполняли бы функции – такие как преобразование энергии – более эффективно, чем их хозяева. Обе клетки извлекли бы выгоду из партнерства, и обе имели бы селективное преимущество, когда дело доходило до передачи своих генов. Изначально неперевариваемый кусочек пищи стал бы незаменимым для бесперебойной работы эукариотической клетки. Маргулис пришлось упорно бороться за признание своей идеи, но поддержка пришла со стороны секвенирования ДНК. Митохондрии и пластиды имеют собственную ДНК, которая отличается от ДНК в ядре клетки. Оказывается, митохондриальная ДНК и пластидная ДНК гораздо ближе к прокариотической, чем к эукариотической ДНК. Митохондрии, например, вероятно, имеют наиболее близкого общего предка с современными симбиотическими пурпурными несерными бактериями.

Существует еще одно важное различие между двумя типами клеток: в отличие от прокариот, новые эукариоты могут образовываться путем слияния гамет от двух родителей – другими словами, может происходить половое размножение. Кроме того, количество генетической информации, хранимой эукариотами (и передаваемой либо половым путем, либо посредством партеногенеза), намного больше, чем у прокариот.

Наконец, эукариоты обладают цитоскелетом. Цитоскелет состоит из актиновых филаментов, которые противостоят любым растягивающим силам, которые могут действовать на клетку, и микротрубочек, которые противостоят любым силам сдвига или сжатия, которые могут действовать на клетку. Таким образом, даже в отсутствие жесткой клеточной стенки эукариотическая клетка может сохранять свою форму и целостность. Но цитоскелет может делать гораздо больше: он может придавать клетке разнообразные временные формы, он распределяет органеллы по различным позициям, и он позволяет эукариотической клетке увеличиваться в размерах. Актин и тубулин – структурные белки, из которых формируется цитоскелет, – таким образом, являются одними из самых важных белков для развития сложной жизни.

Итак, насколько вероятным было появление эукариотической клетки? Был ли этот переход от примитивной прокариотической клетки к поразительной сложности современной эукариотической клетки неизбежным, или это была случайность? На эти вопросы трудно ответить, не в последнюю очередь потому, что многие шаги, связанные с переходом, произошли так давно. Одним из первых шагов, должно быть, была потеря жесткой клеточной стенки, хотя это было бы фатально для большинства организмов, которые пытались это сделать. (Пенициллин, например, действует, блокируя образование клеточных стенок бактерий. Без жесткой стенки для защиты большинство одноклеточных организмов уязвимы для атак из окружающей среды.) Избавление от клеточной стенки в конечном итоге было полезным, поскольку это позволило возникнуть фагоцитозу, но фагоцитоз развился позже и, таким образом, не мог принести немедленной пользы организму, потерявшему стенку. У эволюции нет предвидения; если организм не может выжить здесь и сейчас и передать свои гены потомству, любой потенциал, которым он мог бы обладать, будет потерян. Каким-то образом, еще не до конца понятным, какой-то организм сумел использовать новые структурные белки – актин и тубулин – и развить цитоскелет, который помог смягчить потерю стенки. Насколько вероятным было это событие? Мы не знаем, но вполне возможно, что эукариотическая клетка возникла в результате редкого и случайного события – причуды природы. А как насчет происхождения, возможно, самой важной инновации из всех: сотрудничества между клетками?

Многоклеточные организмы

Некоторые прокариоты перешли к многоклеточному образу жизни. Строматолиты, например, состоят из бактериальных колоний. В целом, однако, прокариотические клетки ведут одиночный образ жизни (и даже в случае строматолитов спорно, оправдано ли использование термина «организм»). Большую часть истории Земли эукариотические клетки также вели изолированную жизнь. Затем произошла замечательная трансформация. Некоторые эукариотические клетки обнаружили преимущества объединения. Поскольку клетки не имели внешних стенок, изолирующих их от окружающей среды и друг от друга, они могли свободно обмениваться информацией и делиться материалами. Результатом стал мир, который мы видим сегодня: три царства организмов, чрезвычайно сложных и разнообразных – грибы, растения и, самые сложные из всех, животные.

Что заставило эукариотические клетки объединить свои ресурсы, неизвестно. Не совсем ясно даже, когда произошел переход к многоклеточности. Кембрийский взрыв 540 миллионов лет назад, когда были заложены различные планы строения животных, безусловно, был решающим событием в истории жизни на этой планете – и, похоже, это был ключевой шаг на пути к разумной жизни. Но детали далеко не ясны. Мы знаем, что существует мало свидетельств ископаемых животных в породах старше 540 миллионов лет, тогда как Кембрийский взрыв ознаменовался окаменением широкого ассортимента животных. Однако все, что мы можем твердо вывести из этого наблюдения, это то, что крупные животные с твердыми частями тела стали обычными в Кембрийский период; вполне возможно, что мелкие мягкотелые животные существовали до Кембрийского периода и умерли, не оставив следов. (Нематоды, возможно, самый многочисленный тип животных в мире сегодня. Они должны были существовать по крайней мере со времен Кембрийского взрыва, но не оставили следов в палеонтологической летописи.) Секвенирование генов приводит некоторых биологов к мысли, что животные возникли около миллиарда лет назад, что, если это правда, означает, что палеонтологическая летопись относится только к половине истории жизни животных на Земле. Однако, возникли ли животные миллиард лет назад, полмиллиарда лет назад или когда-то между этими датами, факт остается фактом: они – новички в истории нашей планеты. Одноклеточные существа существовали вскоре после остывания Земли; потребовалось 3 миллиарда лет, чтобы эволюция создала сложных существ. Почему так долго ждали многоклеточности?

Одна из возможностей заключается в том, что повышение содержания кислорода в атмосфере спровоцировало Кембрийский взрыв.^[369] В ранней истории Земли практически не было свободного кислорода, что не представляло трудностей для примитивных прокариот, потому что для тех первых живых организмов контакт с кислородом означал верную смерть. (Даже некоторые современные бактерии считают кислород смертельным ядом.) Однако организмы, такие как цианобактерии, производили кислород как побочный продукт своего метаболизма. В течение 2 миллиардов лет – примерно с 3,7 миллиарда лет назад до примерно 1,7 миллиарда лет назад – эти организмы выбрасывали кислород в окружающую среду. Большую часть этого времени было достаточно поглотителей, таких как растворенное в океанах железо, чтобы улавливать кислород. В конце концов, однако, поглотители насытились – и содержание кислорода в атмосфере начало расти. Для многих организмов это событие означало гибель; «кислородный кризис», должно быть, вызвал самое большое из всех массовых вымираний, при этом многие прокариотические виды просто не смогли адаптироваться к крупномасштабному выбросу такого яда. Некоторые организмы, однако, процветали: они развили метаболизм, основанный на кислороде, расщепляя пищу на углекислый газ и воду. Этот кислородный метаболизм генерировал больше энергии, чем анаэробные метаболизмы, и организмы процветали; эукариоты процветали больше всех. Однако даже примерно до 550 миллионов лет назад количество кислорода в атмосфере и растворенного в океанах было намного меньше, чем сегодня. Любые животные, существовавшие до этого периода, должны были получать кислород для своих тканей путем диффузии, что является медленным процессом. У этих животных не было бы сердца – по крайней мере, насоса – и у них не было бы кровеносной системы. Они были бы крошечными, паутиноподобными существами, поэтому неудивительно, что они не оставили следов в палеонтологической летописи. Но затем, по какой-то не совсем ясной причине, уровень кислорода в атмосфере снова поднялся в Кембрийский период. Произошло несколько ключевых эволюционных событий – жабры, сердца, гемоглобин в крови, – позволивших морским животным гораздо эффективнее использовать кислород и транспортировать газ к различным тканям. Животные стали крупнее и массивнее и смогли развить различные специализированные органы. Возможно, появление хищника заставило другие виды развить защиту в виде твердых панцирей – и, наконец, животные смогли стать ископаемыми.

Таким образом, предположение состоит в том, что Кембрийский взрыв был вызван повышением уровня кислорода в атмосфере. И, возможно, это было не совсем неизбежное событие. Возможно, на большинстве планет развитие крупных многоклеточных организмов не происходит.

Другое предположение, не обязательно противоречащее изложенным выше идеям, заключается в том, что эволюция «застопорилась» примерно на миллиард лет из-за длительного периода тектонической стабильности.^[370] Предполагается, что около 1,8 миллиарда лет назад большая часть суши Земли существовала в виде суперконтинента под названием Родиния. Однако, вместо того чтобы распасться через несколько десятков миллионов лет (что является временным масштабом для существенных изменений из-за дрейфа континентов), Родиния оставалась в средних широтах, пока не распалась около 750 миллионов лет назад. Стабильность Родинии, по-видимому, возникла потому, что в то время мантия Земли была еще настолько горячей, что размягчала океаническую кору; зоны субдукции не могли затянуть вниз большие участки родинийской коры, как они это делают сегодня. Примерно 750 миллионов лет назад мантия достаточно остыла для начала современной тектонической активности, после чего дни (или, по крайней мере, эпохи) Родинии были сочтены: она была разорвана на части. Геологи Питер Кэвуд и Крис Хоуксворт обнаружили, что уровень кислорода менялся до образования Родинии и после ее распада, но был стабильным в течение миллиарда лет существования суперконтинента; крупные оледенения происходили до рождения Родинии и после ее гибели, но не во время ее жизни; в течение миллиарда лет Земля была скучным местом. Возможно, появление эукариотической клетки, которая является чудом биохимической сложности, потребовало этого длительного периода стабильности? Возможно, развитие сложной животной жизни было ответом на новые экологические вызовы, связанные с распадом долгое время стабильного суперконтинента?

Другое предположение, таким образом, заключается в том, что сложная жизнь является продуктом геологических условий, которые «в самый раз». Возможно, на большинстве планет развитие сложных многоклеточных организмов подавляется слишком активной или слишком статичной геологией.

Энергетические соображения

Даже если появление эукариотической клетки – редкое и случайное событие – и мы рассмотрели несколько причин, почему это могло быть так – кто сказал, что миллиарды лет эволюции не произведут более крупных и сложных прокариот? Правда, четыре миллиарда лет эволюции не смогли произвести крупные, сложные прокариотические формы жизни здесь, на Земле, но, возможно, на других мирах все могло сложиться иначе? Что ж, это маловероятно: как мы увидим ниже, энергетические соображения означают, что прокариоты будут стремиться оставаться маленькими и простыми. Прежде чем мы перейдем к другим темам, вот еще один аргумент, почему возможно причудливый характер перехода прокариот-эукариот может объяснить парадокс Ферми.

Ранее мы рассматривали различные химические и биохимические требования для жизни, но мы забыли упомянуть еще один фактор, жизненно важный для жизни: энергию. Все живые организмы нуждаются в поступлении энергии для выполнения различных процессов, поддерживающих жизнь организма. Организмы используют различные методы получения энергии, но прежде чем они смогут использовать энергию, ее необходимо преобразовать в форму, с которой они могут справиться. Вся жизнь на Земле использует одно и то же топливо: молекулу аденозинтрифосфата (АТФ). Жизнь требует огромного количества энергии. Среднее человеческое тело содержит около 250 г АТФ, но наша ненасытная потребность в энергии означает, что мы постоянно перерабатываем эту молекулу; каждый из нас ежедневно перерабатывает эквивалент своего веса в АТФ. Но как клетки могут производить это топливо? Что ж, в 1961 году британский биохимик Питер Митчелл^[371] предложил, что клетки питаются разностью электрических потенциалов, которая может существовать между двумя сторонами мембраны; разность потенциалов возникает из-за того, что определенные белки действуют как «протонные насосы», создающие разные концентрации протонов по обе стороны мембраны. Предложение Митчелла в конечном итоге оказалось верным: клетка подобна крошечной батарейке. Разница в концентрации протонов может создавать разность потенциалов 150 мВ через мембрану, и, поскольку это происходит на расстоянии всего 5 нм, напряженность поля составляет около 30 миллионов вольт на метр. Как будто в живых клетках работают молнии. Этот электрический потенциал используется клетками для производства топлива АТФ.

Универсальность этого механизма концентрации протонов в живых клетках предполагает, что он возник рано; детали того, как он возник, остаются неясными, но пока нет оснований полагать, что это было связано с каким-то чудесным событием. Однако мы знаем, что не было постепенного перехода от простой к сложной жизни: как обсуждалось выше, прошло много времени, прежде чем возникла эукариотическая клетка – событие, которое, по-видимому, произошло только один раз в истории нашей планеты (хотя возможно, что первое возникновение исключает последующие). Кроме того, нет никаких доказательств существования промежуточных клеток, которые существовали бы, если бы простые прокариотические клетки постепенно эволюционировали в сложные эукариотические клетки. Вместо этого мы видим великое разделение в жизни на Земле. С одной стороны разделения находятся прокариоты: малые по объему клетки и малые по размеру генома. С другой стороны разделения находятся эукариоты: в тысячи раз больше как по размеру, так и по геному.

Так почему же прокариоты остались маленькими и простыми? Биохимики Ник Лейн и Уильям Мартин исследовали этот вопрос с точки зрения энергетических потребностей клеток разного размера.^[372] Они обнаружили, что если клетки питаются градиентом через свои мембраны, то с точки зрения энергии клетке чрезвычайно выгодно оставаться маленькой. Предположим, вы могли бы взять типичного прокариота и раздуть его до размера типичного эукариота: каждый ген в теперь уже гигантском прокариоте имел бы в десятки тысяч раз меньше доступной энергии, чем каждый ген в эукариоте. Гигантский прокариот не мог бы функционировать, потому что гены нуждаются в энергии – большом количестве энергии – для производства белков (а именно белки выполняют различные функции жизни). Тот факт, что некоторые действительно гигантские бактерии существуют, только подтверждает эту точку зрения: все эти гигантские бактерии имеют тысячи копий своих полных геномов, поэтому каждая копия гена имеет примерно столько же доступной энергии, сколько и у бактерий нормального размера. Почему это так? Что ж, проблема для клеток заключается в огромной разности потенциалов, существующей через их мембраны. Потенциал позволяет клетке выполнять полезную работу, но если потенциал выйдет из-под контроля, он может убить клетку – как будто клетку ударила молния. Похоже, что геномы управляют мембранным потенциалом, направляя производство белков; геномы, расположенные вблизи мембраны, реагируют соответствующим образом, если потенциал выглядит так, будто выходит из-под контроля. В этом, таким образом, и заключается затруднительное положение простых клеток, питающихся мембранным потенциалом. Чтобы стать больше и приобрести больше генов и, следовательно, большую сложность, требуется генерация большего количества энергии; больше энергии может поступать только за счет увеличения площади мембраны; но для контроля большей мембраны требуются дополнительные копии генома. Энергия, доступная каждой копии гена, остается примерно одинаковой. Ничего не выигрывается. Бактерии прекрасно работают при небольшом размере, но существует энергетический барьер, который мешает им стать больше. Если мы когда-нибудь обнаружим внеземную жизнь и обнаружим, что она питается простым мембранным потенциалом, то шансы кажутся высокими, что жизнь будет состоять из малых, простых форм: эти клетки не смогут развить сложность, которая позволяет существовать животным и, в конечном итоге, разуму.