Глава 28

Вселенная в чашке кофе

Уильям Пейли, британский священник, писавший на рубеже XVIII–XIX веков, предлагал читателю совершить воображаемую прогулку по одной из живописных английских вересковых пустошей. Идёте, размечтались и вдруг случайно ударились пальцем о камень. Пейли полагал, что вы немного расстроитесь, но не станете задумываться о том, откуда мог взяться этот камень. Камни — такая штука, которая вполне может попасться на пути, когда гуляешь по пустошам.

А теперь давайте предположим, что во время такой прогулки вы заметили прямо под ногами карманные часы. Вот вам уже и загадка: как они здесь оказались? Признаться, загадка не слишком сложная: вероятно, кто-то гулял здесь до вас и обронил их. Однако вам наверняка не пришло бы в голову, что часы лежат здесь с незапамятных времён. Камень — просто кусок вещества, а часы — тонкий и полезный механизм. Ясно, что кто-то должен был их изготовить: если есть часы, значит, есть и часовщик.

То же, по мнению Пейли, относится и ко многим другим вещам в природе. Он утверждает, что любое живое существо, встречающееся в естественном мире, — это «очередное подтверждение замысла». Дело здесь не только в сложности, но и в структурности, которая явно служит какой-то конкретной цели: природа требует своего «часовщика» — Конструктора, которого Пейли идентифицировал как Бога.

Давайте обсудим этот аргумент. Если вы нашли на земле часы, то, естественно, предположите, что кто-то их сделал. У нас в теле есть особые «механизмы», которые позволяют нам ощущать время. (Среди них есть белок, удачно названный CLOCK, синтез которого играет ключевую роль в регуляции наших суточных циркадных ритмов.) Человеческое тело гораздо сложнее механических часов. Поэтому предположение о том, что живые организмы были «спроектированы», не кажется натянутым.

Однако необходимо внимательно следить за тем, какая «натяжка» допустима. Дэвид Юм в своих «Диалогах о естественной религии» весьма обоснованно утверждал (ещё до того, как Пейли ввёл в оборот «аналогию с часовщиком»), что представление о Конструкторе и наше традиционное понимание Бога существенно различаются. Тем не менее аргумент Пейли оказался очень убедительным и не теряет популярности по сей день.

В 1784 году Иммануил Кант размышлял: «Для людей было бы нелепо даже... надеяться, что когда-нибудь появится новый Ньютон, который сумеет сделать понятным возникновение хотя бы травинки». Разумеется, можно сформулировать непреложные механистические законы, описывающие движения планет и маятников, но при описании живого мира простыми шаблонами не обойтись. Должно быть нечто, что учитывало бы целенаправленную сущность живых организмов.

Сегодня мы разбираемся в вопросе лучше — мы знаем, кто оказался тем Ньютоном, объяснившим возникновение травинки: его звали Чарльз Дарвин. В 1859 году Дарвин опубликовал книгу «О происхождении видов путём естественного отбора», где изложил основы современной теории эволюции. Великий триумф Дарвина позволял объяснить не только историю жизни, зафиксированную в палеонтологической летописи, но и сделать это безотносительно какой-либо «цели» или внешнего вмешательства, то есть описать «конструкцию без Конструктора», как выразился биолог Франсиско Айала.

В сущности, любой практикующий профессиональный биолог в целом разделяет дарвиновское объяснение наличия сложных структур в живых организмах. Известно высказывание Феодосия Добжанского: «Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции». Однако эволюция происходит в более широком контексте. Дарвин исходит из того, что живые существа могут выживать, размножаться и случайным образом эволюционировать, а затем показывает, как естественный отбор влияет на эти случайные изменения, создавая иллюзию замысла. Итак, начнём с того, откуда же взялись все эти живые существа?

* * *

В нескольких следующих главах мы поговорим о возникновении сложных структур — в том числе живых существ, но не только — в контексте общей картины. Вселенная — это совокупность квантовых полей, подчиняющихся таким уравнениям, в которых даже не различаются прошлое и будущее, а тем более не заложено никаких долгосрочных целей. Как в мире могло возникнуть нечто столь организованное, как человек?

Кратко ответить на этот вопрос можно двумя словами: энтропия и эмерджентность. Энтропия порождает стрелу времени; эмерджентность позволяет говорить о сложных структурах, способных жить, развиваться, иметь цели и желания. Сначала обратим внимание на энтропию.

На первый взгляд роль энтропии в развитии сложности представляется парадоксальной. Согласно второму закону термодинамики, энтропия изолированной системы со временем возрастает. Людвиг Больцман объяснил нам, что такое энтропия: это способ подсчёта, сколько вариантов расположения материи в системе на микроуровне будут неразличимы на макроуровне. Если существует много возможностей перераспределить частицы в системе так, что при этом её внешний вид не изменится, то система характеризуется высокой энтропией; если таких вариантов относительно немного, то энтропия системы низкая. Согласно Гипотезе прошлого, наша Вселенная зародилась в состоянии с очень низкой энтропией. С тех пор легко прослеживается второй закон термодинамики: с течением времени энтропия во Вселенной увеличивается просто потому, что энтропия возрастает легче, чем уменьшается.

Возрастание энтропии не исключает возрастания сложности, но может показаться, что два этих явления несовместимы, — всё дело в том, как мы иногда переводим технические термины на обычный язык. Мы говорим, что энтропия — это мера «неупорядоченности» или «случайности» и что она всегда возрастает в изолированных системах (таких, как Вселенная). Если общая тенденция такова, что материя тяготеет ко всё более случайным и дезорганизованным состояниям, то может показаться странным, что в природе возникают высокоорганизованные подсистемы, причём это происходит без всякой закулисной «направляющей».

Существует распространённый ответ на подобное возражение, который совершенно верен, однако не снимает основополагающую проблему. Он таков: «Второй закон характеризует рост энтропии в закрытых системах, таких, которые не взаимодействуют с окружающей средой. В открытых системах, обменивающихся энергией и информацией с внешним миром, энтропия, разумеется, может уменьшаться. Когда вы ставите бутылку вина в холодильник, энтропия в ней уменьшается, так как понижается температура. Энтропия в вашей комнате уменьшится, если вы провели уборку. Ничто из этого не нарушает законов физики, поскольку общая энтропия всё равно возрастает: решётка за холодильником нагревается, а человек потеет, кряхтит и излучает тепло, когда прибирается в комнате».

Пусть этот ответ и устраняет проблему «по букве», но он огибает её «по духу». Возникновение сложных структур в таком месте, как поверхность Земли, полностью согласуется со вторым законом термодинамики — глупо было бы утверждать обратное. Земля — исключительно открытая система, она постоянно излучает энергию во Вселенную, и общая энтропия Земли всё время возрастает. Проблема в том, что, хотя это и объясняет, почему сложно организованные системы могли возникнуть здесь, на Земле, мы не получаем ответа, почему это действительно происходит. Холодильник уменьшает энтропию своего содержимого, но только остужая всё, что в нём лежит; холодильник не делает продукты более затейливыми или сложными. Комнаты тоже можно прибрать, но опыт подсказывает нам именно то, о чём говорил Пейли: такая работа требует вмешательства интеллекта. Комната никогда не приберётся спонтанно сама собой, даже если мы позволим ей взаимодействовать с окружающей средой.

Нам всё ещё приходится разбираться, как и почему законы физики допускают появление сложных, адаптивных, разумных, реагирующих на обстановку, развивающихся и заботливых существ — таких, как мы с вами.

* * *

Какой смысл мы вкладываем в понятия «простое» и «сложное» и как они связаны с энтропией? Интуитивно мы ассоциируем сложность с низкой энтропией, а простоту — с высокой. В конце концов, если энтропия тождественна «случайности» или «дезорганизованности», то нам кажется, что именно эти свойства отсутствуют у таких сложных систем, как наручные часы или броненосец.

Здесь интуиция немного нас подводит. Допустим, вы смешиваете сливки с кофе в стеклянной кружке. Поскольку мы ставим физический эксперимент, а не отправляем утренний ритуал, давайте сначала аккуратно нальём сливки поверх кофе, а только потом размешаем их ложечкой (помешивание ложечкой — внешнее вмешательство, которое, однако, не является ни интеллектуальным, ни направленным).

Сначала система обладает низкой энтропией. Существует не так много вариантов перераспределения атомов в сливках и кофе, при которых внешний вид этих жидкостей не изменился бы. Можно менять местами отдельные молекулы сливок или отдельные молекулы кофе, но как только мы начнём перемешивать сливки и кофе, наша стеклянная кружка станет выглядеть иначе. В конце концов всё перемешается и энтропия станет сравнительно высокой. Мы могли бы поменять любую часть полученной смеси на другую её часть, и при этом система внешне бы не изменилась. В течение всего описанного процесса энтропия возрастала, как и позволяет ожидать второй закон термодинамики.

Смешивание сливок с кофе. Исходное состояние простое, с низкой энтропией. Конечное состояние простое, с высокой энтропией. В промежуточном состоянии наблюдается интересная сложность

Однако оказывается, что сложность не уменьшалась по мере возрастания энтропии. Рассмотрим первую конфигурацию, где сливки и кофе существуют абсолютно раздельно; это состояние очень простое, но обладает низкой энтропией. Сливки сверху, кофе снизу, больше ничего не происходит. Конечная конфигурация, в которой всё перемешано, тоже очень проста. Она полностью характеризуется фразой: «Всё перемешано». Лишь промежуточная стадия между низкой и высокой энтропией кажется сложной. Язычки сливок змеятся в кофе необычными и красивыми завитками.

Кофейно-сливочная система демонстрирует свойства, которые весьма отличаются от упрощённого отождествления «возрастающей энтропии» и «уменьшающейся сложности». Энтропия возрастает в полном соответствии со вторым законом термодинамики; но сложность сначала возрастает, а затем уменьшается.

По крайней мере, именно так всё выглядит. Однако мы пока не дали чёткого определения понятию «сложность», тогда как определение энтропии у нас есть. Отчасти дело в том, что нет такого определения, которое было бы справедливо в любых обстоятельствах: сложность в различных системах проявляется по-разному. Так и должно быть: сложность многообразна. Можно задаться вопросом о сложности конкретного алгоритма, разработанного для решения задачи, либо судить о сложности машины, реагирующей на ответные действия, о сложности статического изображения или проекта.

Пока давайте воспринимать сложность по принципу «увидим — не ошибёмся», а строгие определения будем формулировать, когда до этого дойдёт дело.

* * *

Не только в чашке кофе сложность по мере увеличения энтропии сначала возрастает, а затем уменьшается. Во Вселенной происходит ровно то же самое. В самом начале, сразу после Большого взрыва, энтропия была очень низкой. Состояние Вселенной также отличалось крайней простотой: она была горячей, густой, равномерной и стремительно расширялась. Вот и всё, что тогда происходило; во всех точках Вселенной условия, в сущности, не различались. В далёком будущем энтропия станет очень высокой, но условия опять станут простыми. Если подождать достаточно долго, Вселенная станет холодной и пустой и вновь приобретёт равномерность. Вся материя и излучение, которые мы сейчас наблюдаем, скроются за горизонтом наблюдения, их унесёт в стороны из-за расширения пространства.

Именно сейчас, между далёким прошлым и далёким будущим, Вселенная обладает средней энтропией, но исключительной сложностью. Изначально ровная конфигурация в течение нескольких последних миллиардов лет становилась всё более комковатой; на месте крошечных возмущений, где изменялась плотность материи, сформировались планеты, звёзды и галактики. Они не вечны; как мы убедились в главе 6, в конечном итоге все звёзды сгорят, их поглотят чёрные дыры, а затем испарятся даже сами чёрные дыры. Эпоха сложных явлений, в которой сейчас пребывает наша Вселенная, увы, временная.

Эволюция энтропии и сложности в закрытой системе с течением времени

Столь схожее развитие сложности в кофейной чашке и во Вселенной, даже с учётом постоянного возрастания энтропии, провокационно. Возможно ли, что существует какой-то ещё не открытый закон природы, аналогичный второму закону термодинамики, согласно которому происходит развитие сложности с течением времени?

Краткий ответ: «Мы не знаем». Чуть более развёрнутый: «Мы не знаем, но, возможно; а коли так, то есть серьёзные основания полагать, что этот закон — что неудивительно — окажется сложным».

* * *

Исследованием именно этой проблемы я сейчас и занимаюсь совместно с коллегами Скоттом Ааронсоном, Варуном Моханом, Лорен Уэллетт и Брентом Уэрнессом. Всё началось с путешествия под парусом по Северному морю. Мне довелось в нём поучаствовать в рамках необычной междисциплинарной конференции, посвящённой природе времени. Конференция получилась в буквальном смысле международной: началась в норвежском Бергене, продолжалась на судне во время путешествия по морю и завершилась в Копенгагене, столице Дании. Я читал пленарную лекцию, и среди слушателей был Скотт. Я немного рассказал о том, как могла возникнуть сложность, далее коснулся вопроса о развитии закрытых систем, воспользовавшись примерами о кофе и Вселенной.

Скотт — один из мировых экспертов по «вычислительной сложности». Данная дисциплина помогает обобщать различные вопросы по категориям в зависимости от сложности решения этих вопросов. Проблема достаточно заинтриговала Скотта, и он решил в ней разобраться. Он подключил к делу Лорен, которая на тот момент была студенткой-старшекурсницей в MIT, и вместе они решили написать простой программный код, который бы автоматически моделировал смешивание сливок и кофе. После того как мы втроём подготовили первый черновой вариант статьи и выложили его в Интернет, нам написал Брент и указал на ошибку в наших результатах. Эта ошибка не подрывала общую идею, но указывала, что неверен тот конкретный пример, который мы рассматривали. Мы признали правоту Брента — считая, что наука должна двигаться вперёд, а отнюдь не стремясь проучить Брента за дерзость и испортить ему научную карьеру — и пригласили его к сотрудничеству. Скотт привлёк к делу Варуна, ещё одного старшекурсника из MIT, чтобы тот помог доработать код и смоделировать ещё несколько вариантов — и вот наконец мы смогли решить все наши проблемы. Таков научный прогресс во всей красе.

* * *

В ходе данного исследования нас особенно интересовала так называемая явная сложность чашки с кофе. В информатике выделяются схожие феномены, именуемые «алгоритмической сложностью» и «колмогоровской сложностью» последовательности разрядов. (Любое изображение можно представить в виде последовательности разрядов, записанных, например, в файле с данными.) Идея заключается в том, что можно подобрать тот или иной язык программирования, который позволяет выводить такие последовательности вида 01001011011101. Алгоритмическая сложность последовательности — это всего лишь длина кратчайшей программы, выполнение которой даёт такую последовательность. Сложность простых закономерностей невысока, а совершенно беспорядочные последовательности характеризуются большой сложностью. Существует единственный способ вывести такую последовательность: задать компьютеру команду «Print», которая содержит точную копию нужной последовательности.

Поскольку мы собирались описывать изображения, на которых показано, как сливки смешиваются с кофе, в нашей ситуации случайные помехи трактовались бы как «простые», а не как сложные. Итак, в духе больцмановских представлений об энтропии мы определили «явную сложность» путём огрубления. Мы решили не отслеживать в нашей модели каждую отдельную частицу, а рассмотреть среднее количество частиц в небольшой области пространства. В таком случае явная сложность — это алгоритмическая сложность распределения кофе и сливок с известным огрублением. Это удобный способ формализации наших интуитивных представлений о том, «насколько сложным кажется изображение». Высокая явная сложность соответствует крупнозернистому (смазанному) изображению, в котором содержится множество интересных структур.

К сожалению, невозможно напрямую рассчитать явную сложность изображения. Но можно получить хорошее приближение: просто загоняем изображение в алгоритм сжатия файлов. На любом компьютере есть программы для таких операций, поэтому мы сразу взялись за дело.

В самом начале моделирования явная сложность системы невелика: полное описание системы — «сливки сверху, кофе снизу». В конце процесса явная сложность вновь низка: достаточно сказать, что в каждой точке содержится равное количество кофе и сливок. Самое интересное происходит в процессе смешивания. Мы обнаружили, что сложность развивается не обязательно — причём неважно, зависит ли она от того, как именно перемешиваются друг с другом сливки и кофе.

Грубо говоря, если молекулы сливок и кофе взаимодействуют лишь с другими ближайшими молекулами, то вы не заметите почти никакого развития сложности. Две жидкости просто постепенно перемешаются, никаких извилистых язычков не образуется.

Если ввести в систему дальнодействующие эффекты — как если бы мы помешивали кофе ложечкой, то станет гораздо интереснее. Тогда кофе со сливками не просто смешиваются — между ними возникает граница, имеющая форму фрактала. Получается изображение, обладающее высокой явной сложностью; чтобы точно его описать, нам бы понадобилось передать сложные контуры кофейно-сливочной границы, а это существенный объём информации.

Простая компьютерная модель, описывающая смешивание кофе и сливок. В самом начале конфигурация проста и постепенно усложняется. Дальнейшая эволюция вновь приведёт к её упрощению, поскольку тёмный и светлый компоненты полностью перемешаются

Отношение между понятиями «фрактальный» и «сложный» — не просто косметическое. Фрактал — это геометрическая фигура, которая выглядит практически одинаково при любом увеличении. В случае со сливками и кофе мы наблюдаем, как молекулы складываются в условно фрактальные узоры, а потом фракталы исчезают и сменяются равновесным состоянием. Это характерная черта сложности: самые интересные детали системы проявляются, если наблюдать её с увеличением, при наличии всего нескольких переменных параметров, а также когда вся система рассматривается как единое целое.

Как в физике, так и в биологии сложность зачастую возникает по иерархическому принципу: мелкие элементы объединяются в более крупные единицы, те — в ещё более крупные и так далее. Мелкие элементы остаются целостными, при этом взаимодействуя друг с другом в рамках целого. Так образуются сети, для которых характерно сложное общее поведение, возникающее на основе простых базовых законов. Автоматическая модель, описывающая кофе в чашке, слишком проста и не позволяет достоверно смоделировать этот процесс, но фрактальные очертания напоминают, сколь устойчивой и естественной бывает сложность.

Если продолжать процесс, то постепенно вся явная сложность исчезнет. Кофе и сливки просто полностью перемешаются. Стоит подождать достаточно долго — и любая закрытая система достигнет равновесия, после чего уже не будет происходить ничего интересного.

* * *

Из сказанного выше следует, что нет такого закона природы, согласно которому сложность неизбежно возникает при развитии системы из состояния с низкой энтропией к состоянию с высокой энтропией. Однако сложность может развиться — и неважно, зависит она или нет от деталей той системы, о которой вы размышляете. Простая компьютерная модель позволяет предположить, что ключевой аспект заключается в наличии дальнодействующих эффектов, при которых взаимодействуют не только смежные частицы.

В реальном мире наблюдаются как короткодействующие взаимодействия (когда частицы сталкиваются друг с другом), так и дальнодействующие, например гравитация или электромагнетизм. Когда мы наблюдаем, что при расширении и остывании Вселенной образуются сложные структуры, мы видим всего лишь взаимное влияние противодействующих сил. Из-за расширения Вселенной расстояние между телами увеличивается, а гравитация заставляет их притягиваться друг к другу; магнитные поля отдаляют тела друг от друга, а столкновения атомов перемешивают материю и позволяют ей остывать. Если интересные сложные структуры могут возникнуть в компьютерной модели, включающей лишь чёрные и белые точки, то неудивительно, что сложность возникает в столь разнохарактерной системе, как расширяющаяся Вселенная.

Внешняя сложность не просто согласуется с возрастанием энтропии, но и зависит от него. Представим себе систему, в которой не было никакой Гипотезы прошлого; она просто с самого начала находилась в равновесном состоянии с высокой энтропией. Сложность в такой системе никогда бы не возникла; вся система постоянно оставалась бы неинтересной и не имела бы характерных черт (в ней наблюдались бы только случайные флуктуации). Единственная причина, по которой возникают сложные структуры, такова: Вселенная постепенно эволюционирует, переходя от состояния с очень низкой энтропией к состоянию с очень высокой энтропией. «Беспорядок» нарастает, именно поэтому сложность может возникать и существовать достаточно долго.

Законы физики, действующие в микромире, не позволяют отличить прошлое от будущего. Поэтому любые тенденции, в силу которых объекты могут изменяться лишь в одном временном направлении — идёт ли речь о жизни и смерти, биологической эволюции или внешней похожести на сложные структуры, — в конечном итоге восходят к стреле времени, а значит, ко второму закону термодинамики. Возрастание энтропии с течением времени буквально оживляет Вселенную.

Явная сложность не охватывает всего того, что имеют в виду люди, восхищающиеся устройством часов или человеческого глаза. Примечательность часов или глаза в том, как гармонично взаимодействуют их различные компоненты, помогая достичь чего-то, якобы возникшего по замыслу. Нужно приложить чуть больше усилий, чтобы увидеть, как такие свойства могут возникнуть на уровне неживой материи, подчиняющейся простым законам. Неудивительно, что ответ на этот вопрос также связан со стрелой времени и возрастанием энтропии.

* * *

Прокладывая путь от квантовых полей и частиц до человека, мы будем затрагивать всё более сложные темы, а наши суждения будут соответственно всё менее определёнными. Физика — простейшая из всех естественных наук, а фундаментальная физика — изучение первоэлементов реальности на самом базовом её уровне — простейшая из физических дисциплин. «Простейшая» не в том смысле, что на дом по ней задают лёгкие задачи, а в том, что галилеевская уловка с игнорированием трения и сопротивления воздуха значительно упрощает нам жизнь. Можно изучать поведение электрона, не особо беспокоясь (или даже почти ничего не зная) о нейтрино или бозонах Хиггса — но добиваться как минимум очень хорошей аппроксимации.

Насыщенные и многогранные аспекты эмерджентных уровней нашего мира далеко не столь легко подстраиваются под интересы любознательного учёного. Когда мы начинаем работать с химией, биологией или человеческими мыслями и поведением, все эти элементы оказываются важны, причём все сразу. Поэтому мы достигли в их понимании значительно более скромных успехов, чем, например, в изучении Базовой теории. Школьные уроки по физике кажутся такими сложными не потому, что сложна сама физика, а потому, что мы так много о ней знаем и приходится так много учить, а ещё потому, что в основе своей физика довольно проста.

Наша цель — обрисовать возможность того, что мир в конечном итоге можно понять на основе натурализма. Мы не знаем, как возникла жизнь и как устроено сознание, но можем утверждать, что практически нет причин искать объяснения этому за пределами естественного мира. Это убеждение, конечно, может оказаться ошибочным, но, опять же, так можно сказать о любом убеждении.

Задаваясь вопросом о том, совместимы ли наши представления о человеческой жизни с нашими знаниями об основах физики, мы можем сформулировать некоторые интересные ограничения, помогающие понять, что такое жизнь и как она устроена. Зная, из каких частиц и сил мы состоим, можно с очень высокой степенью уверенности заключить, что жизнь индивида конечна; наши лучшие космологические теории, пусть и уступающие в точности Базовой теории, позволяют утверждать, что «жизнь» в широком смысле также конечна. Вероятно, Вселенная должна достичь теплового равновесия. К этому моменту ничто живое уже не сможет существовать; жизнь зависит от возрастания энтропии, а в равновесном состоянии энтропии будет неоткуда взяться.

При чём тут язычки сливок, смешивающихся с кофе? Это мы. Эфемерные сложные существа, оседлавшие волну нарастающей энтропии, — от простого начала до простого конца. Так прокатимся с ветерком.

 

Глава 29

Свет и жизнь

Итальянский астроном Джованни Скиапарелли останется в истории как первооткрыватель «каналов на Марсе». В 1887 году, рассматривая в телескоп планету-соседку, Скиапарелли сообщил, что её поверхность изрезана длинными прямыми линиями, которые он назвал «canali». Эта идея глубоко впечатлила людей по всему миру, среди которых был и американский астроном Персиваль Лоуэлл, руководивший строительством новой обсерватории в Аризоне и выполнивший множество наблюдений Марса. Полагая, что он видит на Марсе систему оазисов, связанных каналами, которые, казалось бы, даже изменяются с течением времени, Лоуэлл развивал замысловатые идеи о жизни на Красной планете, где якобы существует высокоразвитая цивилизация, пытающаяся выжить в суровом мире, где так мало драгоценной воды. Он популяризовал эти идеи в нескольких книгах, оказавших серьёзное влияние на общественное мнение и даже отчасти вдохновивших Герберта Уэллса на создание романа «Война миров».

Здесь сразу возникли две проблемы. Во-первых, сам Скиапарелли, хотя он и интересовался возможностью жизни на Марсе, никогда не утверждал, что видел на Марсе каналы. Итальянское слово «canali» следует переводить на русский язык как «русла», а не как «каналы». Русла возникают естественным путём, а каналы — это искусственные сооружения. Во-вторых, никаких русел Скиапарелли также не наблюдал. Те рисунки, которые он описал, были просто дефектами, возникшими при наблюдении далёкой планеты при помощи относительно примитивных приборов.

В настоящее время мы уже рассматривали Марс с достаточно близкого расстояния, в том числе при помощи многих орбитальных и спускаемых аппаратов, запущенных США, СССР, европейскими странами и Индией. (На момент написания этих строк Марс — единственная известная планета, населённая исключительно роботами.) Мы не нашли там никаких заброшенных городов или древних памятников архитектуры, но поиски жизни продолжаются. И речь идёт уже не об угасающей лоуэлловской цивилизации и не о злобных уэллсовских чудовищах на треногах — у нас определённо есть шанс найти где-то в Солнечной системе микроскопические формы жизни — если не на Марсе, то, возможно, в океанах Европы, одного из спутников Юпитера (на Европе больше жидкой воды, чем во всех океанах Земли), либо на спутниках Сатурна Энцеладе и Титане.

Вопрос в том, узнаем ли мы её, когда найдём? Что же такое «жизнь»?

Этого никто не знает. Не существует единого общепризнанного определения, которое позволяло бы чётко отличать живое от неживого. Сформулировать его пытались. Агентство NASA, вкладывающее большие средства в поиски внеземной жизни, приняло рабочее определение живого организма: самоподдерживающаяся химическая система, подчиняющаяся дарвиновской эволюции.

Можно немного поспорить о «дарвиновской эволюции». Да, именно благодаря этому механизму живые существа возникли здесь, на Земле, но она не характеризует суть любого организма. Если вы заметите раненую белку и спросите: «Она жива?» — никто вам не ответит: «Я не знаю, давайте проверим, подчиняется ли она дарвиновской эволюции». Польза данного определения в том, что оно должно помочь разобраться со сложными случаями, например, когда учёные в будущем создадут искусственный организм. Если следовать такому критерию, то подобный организм сразу и без раздумий придётся признать неживым, что не особенно нам поможет. В настоящее время всё это — просто придирки; говоря о настоящей жизни, которую мы знаем и любим, можно быть уверенным, что эволюция играет в ней центральную роль.

«Верного» определения жизни, такого, к которому мы бы пришли путём тщательных исследований, не существует. Те формы жизни, которые нам знакомы, обладают рядом свойств, каждое из которых интересно и многие — примечательны. Тем живым организмам, которые мы знаем, присущи движение (внутри, если не снаружи), обмен веществ, взаимодействие, размножение и развитие; всё это организовано иерархическим взаимосвязанным образом. Очевидно, что жизнь — беспрецедентно важная часть общей картины.

Давайте начнём с общих принципов и постепенно перейдём к специфике возникновения жизни здесь, на Земле. Затем мы сможем рассмотреть ещё более широкую перспективу и обсудить, как живые существа развиваются и взаимодействуют друг с другом.

* * *

Одно из многих предлагавшихся определений жизни дал не кто иной, как Эрвин Шрёдингер, который также помог сформулировать фундаментальные принципы квантовой механики. В своей книге «Что такое жизнь?» Шрёдингер рассмотрел этот вопрос с точки зрения физика. Наиболее фундаментальной он считал проблему баланса. С одной стороны, живые существа постоянно изменяются и двигаются. Взять, к примеру, гепарда, преследующего газель, либо сок, медленно поднимающийся к ветвям секвойи, — живые организмы всегда находятся в динамике. С другой стороны, все живые организмы имеют базовую структуру; при всех изменениях они обладают некоторой базовой целостностью. Шрёдингер размышлял: какой физический процесс позволяет так чётко проводить границу между статикой и динамикой?

Этот вопрос привёл Шрёдингера к определению жизни, которое кажется весьма отличным от определения NASA:

Когда мы считаем материю живой? Тогда, когда она продолжает «делать что-либо», двигаться, участвовать в обмене веществ с окружающей средой и т. д., — всё это в течение более длительного отрезка времени, чем, по нашим ожиданиям, могла бы делать неодушевлённая материя в подобных условиях.

Шрёдингер уделяет особое внимание «самоподдержанию» из определения NASA, которому большинство из нас просто не придали бы значения. В конце концов, многие феномены кажутся «самоподдерживающимися»: водопады, океаны и, если уж на то пошло, те самые неживые камни, об один из которых споткнулся Уильям Пейли.

Важнейшая идея здесь заключается в том, что живое существо «продолжает делать что-либо» в течение «более длительного отрезка времени, чем, по нашим ожиданиям, могла бы делать неодушевлённая материя в подобных условиях». Эта формулировка немного зыбкая; Шрёдингер не претендует на однозначное и вечное определение конкретной концепции. Он старается уловить, как мы воспринимаем жизнь на интуитивном уровне. Камень может сохранять форму на протяжении длительного времени, но он никогда не регенерирует. Камень может двигаться, например, если со склона обрушивается лавина; однако, как только он попадает к подножью, он останавливается и просто лежит на месте. Камень не попытается заползти обратно на склон, как это сделало бы животное.

Вот ещё один пример, когда кажется — хотя на самом деле это не так, — что живые организмы нарушают второй закон термодинамики. Оказывается, они — не просто организованные структуры, они к тому же могут сохранять такую организацию на протяжении длительного времени.

Как и в более раннем примере с эволюцией сложности, истина противоречит нашим наиболее наивным представлениям. Сложные структуры могут образовываться, причём не вопреки возрастанию энтропии, а именно потому, что энтропия возрастает. Живые организмы способны поддерживать собственную структурную целостность не вопреки второму закону термодинамики, а благодаря ему.

* * *

Все знают, чем одаривает Солнце всё живое здесь, на Земле: энергией, а именно фотонами, которые мы воспринимаем как видимый свет. Но важнее всего, что мы получаем от Солнца энергию с очень низкой энтропией — так называемую свободную энергию. Затем эту энергию начинают потреблять живые организмы, которые возвращают её во Вселенную в сильно «деградировавшем» виде. Термин «свободная энергия» немного неудачный, поскольку на самом деле он означает «полезная энергия». «Свободный» следует понимать как «доступный для чего-либо».

Согласно второму закону термодинамики, энтропия в изолированной системе будет возрастать, пока система не достигнет максимального уровня энтропии, после чего так и останется в состоянии равновесия. В изолированной системе общее количество энергии остаётся фиксированным, но по форме эта энергия изменяется: исходно она обладает низкой энтропией, которая постепенно становится всё выше. Представьте себе горящую свечу. Если бы мы отслеживали весь свет и тепло, которые исходят от свечи, то общая энергия свечи со временем бы не изменялась. Но свеча не может гореть вечно — через некоторое время она гаснет. Энергия, заключённая в свече, превращается из низкоэнтропийной в высокоэнтропийную, и этот процесс обратного хода не имеет.

Свободная энергия может затрачиваться на выполнение работы (это физическая величина). Если мы возьмём макроскопический объект и переместим его, то совершим над ним работу. «Работа» определяется просто как сила, применяемая для выполнения действия, умноженная на расстояние, покрываемое при этом действии. Чтобы поднять камень от подножья холма на вершину, требуется выполнить работу. В принципе, любое совершённое вами действие, на выполнение которого затрачивается энергия, является работой — идёт ли речь о выводе ракеты на орбиту или о лёгком нахмуривании бровей для демонстрации собственного скепсиса.

Свободная энергия — это энергия в потенциально полезной форме. Высокоэнтропийный остаток — это «неорганизованная энергия», равная произведению температуры системы и уровня её энтропии. При передаче тепла от одной системы к другой объём бесполезной неорганизованной энергии увеличивается. Действительно, согласно одной из формулировок второго закона, в изолированной системе свободная энергия с течением времени превращается в неорганизованную энергию.

Ещё одно представление второго закона термодинамики. С течением времени энергия превращается из «свободной» (пригодной для совершения работы) в «неорганизованную» (рассеянную, бесполезную)

Идея Шрёдингера заключалась в том, что биологическим системам удаётся двигаться, сохраняя при этом базовую целостность, для чего они используют свободную энергию, которую берут из окружающей среды. Итак, они берут свободную энергию, затрачивают её на выполнение нужной работы, а затем возвращают эту энергию в окружающую среду в более неорганизованном виде. (В первом издании своей книги Шрёдингер пространно изъяснялся, стараясь не использовать термин «свободная энергия», полагая, что его можно понять неправильно. Что ж, я более требователен к вам, чем Шрёдингер к своим читателям.)

* * *

Тот факт, является ли определённое количество энергии «свободным» или «неорганизованным», зависит от окружающей среды. Допустим, у нас есть цилиндр с поршнем, заполненный горячим газом, и этот газ можно использовать для выполнения работы: газ будет расширяться и толкать поршень. Однако при этом предполагается, что извне поршень не окружён газом с такой же температурой и плотностью; в противном случае никакой результирующей силы к поршню бы не прикладывалось и с его помощью невозможно было бы выполнять работу.

Свет, который мы получаем от Солнца, обладает низкой энтропией по сравнению с окружающей средой и поэтому содержит свободную энергию, при помощи которой можно совершать работу. Окружающая среда — это просто небо, рассекаемое лучами звёздного света и наполненное космическим фоновым микроволновым излучением, температура которого всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Типичный фотон, испущенный Солнцем, несёт в 10 000 раз больше энергии, чем типичный фотон микроволнового фонового излучения.

Представим, как выглядело бы небо, если бы не было Солнца, — так, как выглядит сегодня ночное небо. Здесь, на Земле, быстро наступило бы равновесие, и она стала бы столь же холодной, как и небо. Свободной энергии бы не осталось и жизнь бы угасла. (Правда, не вся. Бактерии-хемолитоавтотрофы извлекают свободную энергию из минеральных соединений. Даже при отсутствии Солнца на Земле не было бы полного термодинамического равновесия.)

Но теперь предположим, что мы находились бы внутри Солнца. Всё небо изливало бы на нас потоки фотонов, как яркое солнце сейчас. Земля быстро достигла бы термодинамического равновесия, но на ней установилась бы такая температура, как на поверхности Солнца. На Землю попадало бы гораздо больше энергии, чем сейчас, но всё тепловое излучение Солнца представляло бы собой бесполезную неорганизованную энергию. В таких условиях жизнь была бы столь же невозможна, как и при отсутствии Солнца.

В данном случае важно, что окружающая среда на Земле очень далека от термодинамического равновесия, и так будет ещё миллиарды лет. Солнце — горячее пятно в холодном небе. Поэтому та энергия, которую мы получаем в виде солнечных фотонов, практически полностью является свободной и может пойти на совершение полезной работы.

Именно так и происходит. Мы получаем от Солнца фотоны, преимущественно в видимой части электромагнитного спектра. Переработанная энергия затем возвращается во Вселенную в виде низкоэнергетических инфракрасных фотонов. Энтропия набора фотонов примерно равна общему количеству имеющихся у вас фотонов. На каждый видимый фотон, получаемый от Солнца, Земля испускает обратно в космос примерно двадцать инфракрасных фотонов, энергия каждого из которых приблизительно в двадцать раз ниже, чем у солнечного фотона. Земля возвращает столько же энергии, сколько получает, но прежде чем солнечное излучение вернётся во Вселенную, его энтропия увеличится в двадцать раз.

Количество энергии здесь, на Земле, разумеется, также непостоянно. С тех пор как началась индустриальная революция, атмосфера загрязняется газами, непроницаемыми для инфракрасного света. Отдача энергии затрудняется, и из-за этого планета перегревается. Но это уже другая история.

 

Глава 30

Перетекание энергии

Теперь давайте рассмотрим, как вся эта грандиозная теоретическая физика отражается в биологической практике.

Первичной биологической батарейкой здесь, на Земле, является молекула под названием аденозинтрифосфат, или АТФ. Слово «батарейка» здесь используется в широком смысле: резервуар для хранения свободной энергии, которая затем может быть использована. АТФ можно сравнить со сжатой пружиной, готовой распрямиться и потратить свою энергию на (желательно) что-нибудь полезное. Действительно, она расходуется не зря: свободная энергия, заключённая в АТФ, затрачивается на сокращение мышц, перемещение молекул и клеток в организме, синтез ДНК, РНК и белков, передачу сигналов по нервным клеткам и на другие биохимические процессы. Именно благодаря АТФ организм может двигаться и сохранять целостность — как раз эти свойства подчёркивал Шрёдингер в своём определении жизни.

Химическая структура аденозинтрифосфата, АТФ. Молекула содержит атомы водорода (H), кислорода (O), фосфора (P), азота (N) и углерода. По сложившейся в химии традиции атомы углерода явно не указываются, но находятся на всех безымянных вершинах и в связях на этой схеме

Высвобождение энергии из АТФ обычно происходит в присутствии воды (H2O). Одна из трёх фосфатных групп, в которых атом фосфора (P) окружён атомами кислорода (O) — они находятся в левой части схемы, — отщепляется от АТФ, и образуется аденозиндифосфат (АДФ). Затем фосфатная группа соединяется с атомом водорода из окружающей воды, и остаток OH соединяется с АДФ.

Общая энергия этих конечных продуктов ниже, чем у исходной молекулы АТФ; соответственно при реакции высвобождается и свободная энергия (затрачиваемая на совершение работы), и неорганизованная (тепло). К счастью, АТФ можно подзаряжать; организм впоследствии берёт энергию из внешнего источника — это может быть, например, солнечный свет или сахар — и вновь преобразует фосфаты и АДФ в воду и АТФ, из которых можно опять брать энергию.

Свободная энергия из внешних источников (фотосинтез, расщепление сахаров) запасается в АТФ, поэтому может затрачиваться на полезную работу, когда организму это потребуется. В ходе такого процесса неизбежно образуется и неорганизованная энергия

На энергетические процессы, происходящие в организме, тратится колоссальное количество АТФ; обычный человек ежесуточно перерабатывает примерно столько АТФ, сколько весит сам. Когда вы сгибаете локоть, поднимая гантель или бокал вина, энергия для сокращения мышц берётся из АТФ, от которой отщепляются фрагменты — и белки ваших мышечных волокон скользят друг по другу. Отдельные атомы, из которых состоит АТФ, никуда не деваются; молекула просто разрывается, а потом пересобирается, и так сотни раз в день.

* * *

Откуда же берётся свободная энергия, идущая на сборку всего этого АТФ из низкоэнергетического АДФ? В конечном итоге — от Солнца. В процессе фотосинтеза молекула хлорофилла в растении или микроорганизме поглощает фотон видимого света, энергия которого высвобождает электрон. Заряженный энергией электрон передаётся через мембрану цепочкой молекул, которая называется цепь переноса электронов. В результате с одной стороны мембраны электронов оказывается больше, чем протонов, и возникает электрический градиент, причём с одной стороны мембраны накапливается отрицательный заряд, а с другой — положительный.

Именно так передаётся биологическая энергия: протоны с одной стороны мембраны отталкивают друг друга, причём некоторые проскальзывают через фермент, именуемый АТФ-синтазой. Протон, пытающийся проникнуть через АТФ-синтазу, заводит её, сообщая ей энергию, которая затрачивается на синтез АТФ из АДФ в ходе так называемого хемиосмоса. Часть энергии при этом неизбежно превращается в неорганизованную и испускается в виде низкоэнергетических фотонов и термического покачивания окружающих атомов (тепла).

При фотосинтезе свободная энергия, получаемая от Солнца, сохраняется в АТФ. Фотон попадает в фотосистему, расположенную в мембране, высекая из неё электрон (e−). При этом с одной стороны мембраны накапливается избыток протонов (p+). В результате электростатического отталкивания протоны разлетаются в стороны, пока какие-то из них не проникают наружу через фермент АТФ-синтазу. АТФ-синтаза затрачивает энергию протона на преобразование АДФ в АТФ, а АТФ уже может доставить энергию куда нужно

Мы с вами не фотосинтезируем. Свободная энергия поступает нам не прямо от Солнца, а берётся из глюкозы и других сахаров, а также из жирных кислот. Крошечные органеллы под названием митохондрии — энергетические станции клетки — используют заключённую в клетке свободную энергию для преобразования АДФ в АТФ. Однако свободная энергия этих сахаров и жирных кислот, которыми мы питаемся, в конечном итоге добывается из солнечного света путём фотосинтеза.

Представляется, что в основе своей эта система универсальна для всей жизни на Земле. Термин «протондвижущая сила» характеризует подпитку АТФ-синтазы проникающими через неё протонами. Этот механизм был открыт британскими биохимиками Питером Митчеллом и Дженнифер Мойл в 1960-е годы. Митчелл был интересной личностью. Он буквально горел на работе, поэтому был вынужден её оставить из-за тяжёлых проблем со здоровьем. В итоге он обустроил себе частную лабораторию в местечке под названием Глинн-Хауз. В 1978 году Митчелл был удостоен Нобелевской премии по физике за идею о том, что именно протондвижущая сила обусловливает синтез АТФ путём хемиосмоса.

* * *

Клетка — простейший элемент жизни: набор функциональных субъединиц, так называемых органелл, находящихся в вязкой жидкости и окружённых клеточной мембраной. Поскольку мы глубоко вжились в технологическое общество, мы склонны считать клетки миниатюрными «машинами». Но разница между реальными биологическими системами и искусственно сконструированными машинами, привычными нам, не менее важна, чем сходство этих систем.

В основном эти различия проистекают из того факта, что машины обычно создаются для какой-то конкретной цели. В силу своего происхождения машины, как правило, довольно хорошо выполняют ту функцию, для которой предназначены, но не более того. Если что-то пойдёт не так — например, в автомобиле спустит шина либо в мобильном телефоне сдохнет аккумулятор, — машина полностью перестанет работать. Живые организмы, развивавшиеся годами без какой-либо конкретной цели, обычно более гибкие, многоцелевые же сами себя ремонтируют.

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.

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.

Допустим, мы смешали некоторое количество таких липидов с водой. Гидрофильный кончик чувствует себя отлично, а гидрофобный не знает куда деваться — вода повсюду. В данном случае речь не идёт буквально об «удовлетворении» — просто, как и в случае с крестиками и ноликами, недовольная молекула будет менять конфигурацию, пока не будет выполнено то или иное условие. Один кончик липида тяготеет к воде, а другой стремится полностью от неё отмежеваться.

Липидное стремление к удовлетворению позволяет метафорически описать следующий факт: система развивается так, чтобы минимизировать свободную энергию. Энтропия возрастает, а это означает, что нам следует пользоваться определённой эмерджентной терминологией, причём молекулы «хотят» оказаться в состоянии с низким уровнем свободной энергии. Стрела времени наводит нас на рассуждения в терминах «цели» и «желания», пусть мы и говорим всего лишь о молекулах, подчиняющихся законам физики.

Единственное, что остаётся делать гидрофобному хвосту, — искать комфорта в компании себе подобных. Липиды могут выстраиваться вплотную друг к другу так, что их хвосты оказываются окружены не водой, а такими же гидрофобными хвостами. Это может произойти несколькими путями. Липидам проще всего сомкнуться в маленький шарик, так называемую мицеллу, вся поверхность которой состоит из гидрофильных головок, контактирующих с водой, а гидрофобные цепочки сплетены друг с другом в глубине.

Мицелла

Есть ещё один вариант: бислой. Это структура из двух липидных поверхностей, в каждой из которых гидрофильные головки ориентированы в одном направлении, а гидрофобные хвосты, отходящие от двух поверхностей, сплетены друг с другом. Таким образом, головки дотягиваются до нужной им воды, а хвосты оказываются полностью от неё защищены.

Бислой

В водном (водосодержащем) растворе липиды будут спонтанно образовывать структуру одного из этих типов. Какую — зависит от того, с каким именно липидом мы имеем дело, а также от других свойств раствора, в особенности от того, является ли он кислотным (тяготеет к отдаче протонов и захвату электронов) или щелочным (наоборот).

К числу липидов относятся сравнительно простые жирные кислоты и чуть более сложные фосфолипиды. Жирные кислоты встречаются в биохимии повсюду. Это один из источников топлива, которое митохондрии могут использовать, например, для синтеза АТФ. Фосфолипид состоит из двух жирных кислот, объединённых фосфатной группой (соединением фосфора, углерода, кислорода, азота и водорода).

Клеточные мембраны у всех организмов, обитающих сегодня на Земле, состоят из фосфолипидных бислоёв. Эти молекулы очень легко самоорганизуются в бислои, но не в мицеллы, поскольку их двойные хвосты слишком толстые и с трудом укладываются в шарообразную конфигурацию мицеллы. Затем бислойные мембраны заворачиваются друг в друга, образуя сферические пузырьки, так называемые везикулы. Это простейший этап на пути к возникновению клетки.

* * *

В рамках вопроса о возникновении жизни с фосфолипидами связана одна проблема: они слишком хорошо справляются со своими задачами. Они практически непроницаемы — лишь вода и некоторые другие мелкие молекулы могут попасть с одной стороны мембраны на другую. Следовательно, представляется, что древнейшие клеточные мембраны, вероятно, состояли из жирных кислот, а не из фосфолипидов. Как только они образовались, эволюция стала их совершенствовать.

Жирные кислоты могут самопроизвольно образовывать бислои, но только при подходящих условиях. В очень щелочных растворах жирные кислоты легче образуют мицеллы; в сильно кислотных слипаются в большие маслянистые капли. Бислои лучше всего образуются в умеренно щелочных растворах. Это переходная фаза, зависящая от кислотности окружающей среды.

Такие бислои жирных кислот не расплетаются на длинные плоские поверхности, напоминающие листы бумаги. Наоборот, они быстро смыкаются и образуют маленькие сферы. В такой среде именно эта конфигурация обладает минимальной свободной энергией. Это ещё один пример того, как второй закон термодинамики позволяет создавать организованные структуры, нужные для жизни, а не размазывать всё в однородную слизь.

Жирные кислоты — относительно простые молекулы, поэтому мы, вероятно, без труда нашли бы их в подходящей среде на добиогенной Земле. Более того, образующиеся из них мембраны более проницаемы, чем те, что состоят из фосфолипидов. Для древней жизни это было хорошо. В зрелом организме нежелательно, чтобы вещества волей-неволей вытекали из клетки; в мембраны встроены очень специализированные структуры (например, АТФ-синтаза), обеспечивающие правильное поглощение и выведение питательных веществ и энергии. Но в самом начале, когда такие узкоспециальные механизмы ещё не успели развиться, требовался материал, который хорошо обеспечивал бы компартментализацию химических предшественников жизни, но не изолировал бы их от окружающей среды — иначе они буквально задохнулись бы. По-видимому, жирные кислоты отлично для этого подходят.

* * *

С точки зрения поэтического натуралиста, одно из наиболее интересных свойств спонтанной компартментализации заключается в том, что она хорошо подходит для эмерджентного описания системы. Без компартментов и мембран возник бы настоящий хаос из соединений, источников энергии и реакций. Как только между различными материалами образуется граница, можно говорить об «объекте» (в пределах границ) и среде (за пределами). Граница — имеем ли мы в виду конкретно клеточную мембрану либо кожу или экзоскелет многоклеточного организма — помогает структуре пользоваться окружающей свободной энергией, а нам позволяет обсуждать её удобным, вычислительно эффективным способом.

Британский нейрофизиолог Карл Фристон предположил, что функцию биологических мембран можно понимать в контексте марковского покрытия. Этот термин впервые предложил статистик Джуда Перл, работающий в сфере машинного обучения. Допустим, у нас есть сеть: набор «узлов», соединённых линиями. «Байесовская сеть» — это граф, образующийся из этих узлов, которые могут посылать, получать и обрабатывать информацию. Таковы, например, компьютеры в Интернете или нейроны в мозге. Если взять конкретный узел, его марковское покрытие будет состоять из всех узлов, которые непосредственно на него влияют («родители»), плюс всех узлов, на которые влияет он («потомки»), плюс всех узлов, которые также могут влиять на его потомков («другие родители», которых может быть много).

Вся эта с виду сложная конструкция воплощает простую идею: распространив марковское покрытие на часть сети, можно узнать всё необходимое о её вводе и выводе. Узлы могут обладать огромным числом внутренних состояний, но для работы сети имеют значение лишь те параметры, которые проступают через марковское покрытие.

Фристон считает, что клеточная мембрана сравнима с марковским покрытием. Внутри клетки протекает множество сложных процессов, и в окружающей внеклеточной среде также происходит множество явлений. Но коммуникация между внутренним и внешним пространством опосредуется через клеточную мембрану. В этих условиях система развивается в направлении такой конфигурации, при которой клеточная мембрана приобретает достаточную прочность: конфигурация сохраняется, даже если внутри клетки или вне её происходят пертурбации (не слишком серьёзные).

Данная теория изначально разрабатывалась не для отдельных клеток, а для описания того, как мозг контактирует с внешним миром. Наш мозг строит модель окружающей среды, чтобы новая информация не слишком часто нас озадачивала. Это и есть байесовское рассуждение: подсознательно мозг учитывает множество вещей, которые могли бы сейчас произойти, и уточняет вероятность каждого из возможных вариантов по мере поступления новой информации. Интересно, что тот же самый математический аппарат позволяет описывать системы на уровне отдельных клеток. Оказывается, что целостность и прочность клеточной мембраны можно сравнить с байесовским выводом. Вот как говорит об этом Фристон:

По-видимому, внутренние состояния (и их покрытие) активно участвуют в байесовском выводе. Иными словами, они, вероятно, моделируют окружающий мир и действуют соответствующим образом, так, чтобы сохранять функциональную и структурную целостность, что ведёт к гомеостазу [поддержание стабильных внутренних условий] и простому автопоэзу [сохранению структуры путём саморегуляции].

Это спекулятивный и новаторский набор идей, а не устоявшаяся парадигма, которая позволяла бы судить о функции клеток и мембран. Это существенное замечание, поскольку оно демонстрирует, как обсуждаемые здесь концепции — байесовский вывод, эмерджентность, второй закон термодинамики — объединяются и позволяют объяснить возникновение сложных структур в мире, подчиняющемся простым неуправляемым законам природы.

 

Глава 32

Происхождение и смысл жизни

Как-то раз я летел в переполненном самолёте на научную конференцию в город Бозмен, штат Монтана, и читал научные статьи, описывавшие связь между статистической физикой и происхождением жизни. Рядом со мной сидел попутчик, с любопытством заглядывавший в мои бумаги. «О, — сказал он, — мне хорошо известна эта работа».

Занимаясь физикой, часто встречаешься с людьми, у которых есть своя теория устройства Вселенной и которые жаждут с вами ею поделиться. Такие теории редко оказываются многообещающими. По-видимому, изучение жизни привлекает не меньше словоохотливых энтузиастов. Однако нам предстоял ещё долгий путь, и я спросил попутчика, что он думает на эту тему.

«Всё просто, — ответил он, наклонив голову, — смысл жизни — гидрогенизировать диоксид углерода».

Это был не тот ответ, которого я ожидал. Просто мне посчастливилось лететь рядом с Майклом Расселом, геохимиком из Лаборатории реактивного движения NASA, расположенной неподалёку от моего родного Калифорнийского технологического института. Встреча была не совсем случайной — мы оба летели на одну и ту же конференцию, где собирались выступать с докладами. Как выяснилось, Рассел — выдающийся (пусть и с некоторым оттенком ереси) современный специалист, изучающий происхождение жизни, причём его научный метод особенно близок к физике. Мы быстро поладили.

Рассел — один из лидеров фракции в дебатах о происхождении жизни, полагающей, что первым важнейшим шагом было возникновение метаболизма. Представители этого лагеря считают, что ключевое событие заключалось в появлении сложной сети химических реакций, потреблявших свободную энергию, имевшуюся в экосистеме молодой Земли, и эта энергия могла расходоваться на подпитку размножения, когда оно началось. Другая фракция полагает, что всё началось с размножения, — эта фракция сейчас пользуется наибольшим авторитетом в биологическом сообществе. Сторонники этой версии считают, что энергии на Земле было много и добыть её можно было без проблем, а важнейший прорыв в развитии жизни заключался в том, что однажды начался синтез молекулы, способной нести информацию (предположительно, это была РНК, рибонуклеиновая кислота); эта молекула могла самостоятельно копироваться и передавать содержавшийся в ней генетический код.

Мы не будем решать, кто прав в этом споре; существуют сложные вопросы, ответов на которые мы пока просто не знаем. Но эти вопросы не безнадёжны. На многих фронтах мы продвинулись к пониманию абиогенеза, как теоретически, так и экспериментально. В каком бы порядке ни возникли метаболизм и размножение, оба этих процесса необходимы, и особый научный интерес состоит в том, чтобы определить, как именно все компоненты сложились в итоговый рецепт.

* * *

Если мы хотим понять, как возникла жизнь, то было бы целесообразно поискать такие черты, которые характерны для всех существующих форм жизни. Одним из таких свойств, по-видимому, является протондвижущая сила, участвующая в хемиосмосе, — о ней шла речь в главе 30. Клеточные мембраны собирают энергию, получаемую от фотонов или от таких соединений, как сахар, и используют эту энергию для вытеснения электронов из клетки, оставляя внутри избыток протонов. От взаимного отталкивания фотонов генерируется сила, которая может использоваться для выполнения полезных задач, например для производства АТФ.

Откуда жизнь вообще почерпнула эту идею? Такой способ обращения с энергией в клетке не является наиболее очевидным. Когда Питер Митчелл и Дженнифер Мойл в 1960-е годы уточняли детали хемиоосмотического процесса, биологическое сообщество отнеслось к ним с крайним скептицизмом, пока не были получены бесспорные экспериментальные доказательства. Тот факт, что природа находит этот механизм столь полезным, возможно, подсказывает, что жизнь с самого зарождения взяла хемиосмос на вооружение.

Именно здесь в дело вступает гидрогенизация диоксида углерода. Замечание Рассела указывает на тот факт, что в смеси диоксида углерода (CO2) и газообразного водорода (H2) содержится свободная энергия, а оба этих вещества в изобилии встречались в некоторых экосистемах молодой Земли. Если бы углерод мог каким-то образом избавиться от двух атомов кислорода и заменить их на водород, то в результате реакции образовались бы метан (CH4) и вода (H2O). В такой конфигурации заключено меньше свободной энергии; согласно второму закону термодинамики, такая трансформация «хочет» произойти.

Всё это происходит не само собой. Всякий раз, когда вы зажигаете свечу или что угодно другое, вы высвобождаете свободную энергию, которая выделяется при соединении горючего с кислородом. Однако свеча не воспламеняется спонтанно — чтобы реакция началась, нужна искра.

В случае с диоксидом углерода требуется нечто более сложное, чем искра. Легко придумать такие цепочки реакций, которые постепенно отсекают атомы кислорода от углерода и заменяют их водородом. Проблема в том, что, хотя законченная последовательность такого рода приводит к высвобождению энергии, её первый этап требует вливания энергии и поэтому сам собой не происходит. Извлечение свободной энергии из диоксида углерода напоминает ограбление банка: в банке много денег, но, чтобы проникнуть туда, требуется изрядно постараться.

Ряд исследователей, в том числе Уильям Мартин и Ник Лэйн, а также Рассел, упорно исследуют сценарии, в которых могла бы сложиться нужная последовательность реакций, позволившая бы заграбастать окружающую свободную энергию. Они рассматривают ряд финтов, которые могли бы обеспечить такую возможность. Первый вариант — катализ: активизация нужной реакции под действием соединений, которые сами в реакции не участвуют, но присутствие которых обусловливает изменение формы и свойств тех химических соединений, что участвуют в реакции. Другой вариант — неравновесное состояние, а именно дисбаланс условий в смежных точках, который может выступить движущей силой для желаемых реакций.

Все эти компоненты сочетаются нужным образом в конкретной среде — глубоководных гидротермальных источниках. Точнее, речь идёт о щелочных источниках такого рода, где образуются щелочные соединения, притягивающие протоны. Это не единственная среда, в которой могла бы возникнуть жизнь; другой пример — серпентинитовые грязевые вулканы, также расположенные на океаническом дне и благоприятные для возникновения древней жизни. Однако у щелочных источников есть ряд интересных свойств.

Ещё в 1988 году Рассел, исходя из своих представлений о возникновении жизни, прогнозировал, что нам предстоит открыть особую подводную геологическую формацию — тёплые (но не слишком горячие) щелочные подводные источники, находящиеся в очень пористых породах (испещрённых крошечными карманами, словно губка) и при этом относительно стабильные и долговечные. Его идея заключалась в том, что подобные карманы могли бы обеспечить компартментализацию задолго до возникновения каких-либо органических клеточных мембран и химическое неравновесие между щелочными соединениями в источниках и окружающей насыщенной протонами кислой океанической водой могло бы естественным образом породить протондвижущую силу, столь необходимую для биологических клеток.

В 2000 году Гретхен Фрю-Грин отправилась в морскую экспедицию к самому центру Атлантического океана. Экспедиция под руководством морского геолога Деборы Келли обнаружила группу призрачных белых башен, попавших в видеотрансляцию, отснятую роботом глубоко внизу, у самого дна океана. К счастью, на корабле был батискаф «Элвин», и Келли решила опуститься в нём на дно, чтобы рассмотреть эти структуры поближе. Дальнейшие исследования показали, что это именно такие щелочные глубоководные источники, существование которых предполагал Рассел. Недалеко от атлантического срединноокеанического хребта было обнаружено целое поле гидротермальных источников возрастом не менее 30 000 лет, названное «Затерянный город». Возможно, так был открыт лишь первый образец очень распространённой геологической формации. Мы ещё очень многого не знаем об океаническом дне.

Химия таких источников, как в Затерянном городе, очень насыщенна и определяется такими градиентами, которые вполне могли предвосхищать биологические метаболические пути. В реакциях, известных нам из лабораторных экспериментов, удалось получить ряд аминокислот, сахаров и других соединений, в конечном счёте необходимых для сборки ДНК. Согласно представлениям учёных, считающих, что всё началось с метаболизма, в самом начале должен был появиться источник энергии, обусловленный химическим неравновесием; в итоге биохимия должна была «выехать» на нём.

Альберт Сент-Дьёрдьи, венгерский физиолог, получивший в 1937 году Нобелевскую премию по химии за открытие витамина C, однажды сказал, что «жизнь — это просто электрон, стремящийся оказаться в состоянии покоя». Это хорошая формулировка, резюмирующая точку зрения «сначала метаболизм». В определённых химических соединениях заключена свободная энергия, и извлечь её оттуда может, например, жизнь. Один из привлекательных аспектов этой картины заключается в том, что мы здесь не просто делаем шаг назад от тезиса «Мы знаем, жизнь существует. Так откуда она взялась?». Напротив, мы считаем, что жизнь как раз позволяет решить задачу «У нас есть свободная энергия; как её достать?».

Учёные-планетологи полагают, что примерно такие гидротермальные источники, как в Затерянном городе, могут в изобилии встречаться на спутнике Юпитера Европе или на спутнике Сатурна Энцеладе. Возможно, дальнейшие исследования Солнечной системы позволят проверить такие представления в серии новых экспериментов.

* * *

В сообществе исследователей абиогенеза сторонники теории «сначала метаболизм» составляют ничтожное меньшинство. Как было указано выше, наиболее популярен подход «сначала размножение».

В сущности, метаболизм — это «сжигание топлива», подобное другим явлениям, которые мы наблюдаем вокруг: от горения свечи до запуска автомобильного двигателя. Кажется, что репликация сложнее, затратнее, её труднее достичь. Если на пути к возникновению жизни и существовало какое-то «бутылочное горлышко», лишь преодолев которое, жизнь могла начаться, то таким горлышком явно было размножение.

Горение — широко известная химическая реакция, которая просто самовоспроизводится. Огонь легко распространяется по лесу от дерева к дереву, но по большинству признаков не может считаться живым. Нас интересует такой процесс размножения, при котором передаётся информация: при таком воспроизводстве потомки сохраняют некоторую информацию о своих предках.

Есть простой пример, отвечающий таким условиям: кристаллы. Некоторые атомы могут упорядочиваться в правильные структуры, которые и называются кристаллами. Одни и те же атомы могут образовывать различные кристаллические структуры: так, если углерод выстраивается в виде кубиков, получается алмаз, а если в виде шестиугольников — графит. Кристаллы могут расти, накапливая новые атомы, а затем делиться — то есть просто распадаться на две части. Каждый «потомок» в таком случае наследует структуру родительского кристалла.

Это ещё не жизнь, но мы к ней всё ближе. Хотя базовая кристаллическая структура и может наследоваться, не наследуются её случайные изменения — мутации. Изменчивость кристаллов, конечно, возможна; в природе кристаллы часто усеяны включениями или имеют явные дефекты, когда их структура не соответствует доминантному паттерну. Однако в кристаллах отсутствует возможность передавать информацию о таких изменениях последующим поколениям. Нам нужна конфигурация, напоминающая кристалл (то есть фиксированная структура, которая может воспроизводиться), но более сложная, чем обычный регулярный паттерн.

Такую сущность описал Джон фон Нейман, блестящий венгерско-американский математик, сыгравший ключевую роль в разработке квантовой механики, статистической механики и теории игр. В 1940 годах он дал абстрактную формулировку тех признаков, которыми должна обладать система, чтобы она могла самовоспроизводиться и свободно развиваться. Его (чисто математическая) машина под названием «универсальный конструктор фон Неймана» включала не только механизм, собственно отвечавший за самовоспроизводство, но и «ленту», на которой была закодирована структура машины. Саморепликаторы фон Неймана были реализованы в компьютерных моделях, причём они и мутировали, и эволюционировали. Никому ещё не удалось сконструировать макроскопическую физическую машину, которая бы функционировала таким образом, но не нарушала бы никаких законов физики, и NASA наряду с другими организациями всерьёз исследует возможность её создания. Можно было бы считать реальную модель универсального конструктора фон Неймана живым «существом»?

* * *

Эрвин Шрёдингер в книге «Что такое жизнь?» признавал необходимость передачи информации следующим поколениям. Кристаллы с этим не справляются, но близко подходят к решению задачи; с учётом этого Шрёдингер предполагал, что решением проблемы мог бы быть своеобразный «апериодический кристалл» — набор атомов, складывающихся в такую структуру, которая может воспроизводиться, но при этом не только повторять правильный паттерн, но и переносить существенный объём информации. Эта идея глубоко впечатлила двух молодых учёных, которым предстояло идентифицировать структуру молекулы, переносящей генетическую информацию. Это были Френсис Крик и Джеймс Уотсон, которые пришли к выводу, что молекула ДНК имеет форму двойной спирали.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — это молекула, в которой практически все известные живые организмы хранят генетическую информацию, позволяющую им функционировать. (Существуют вирусы, которые используют только РНК, а не ДНК, но вопрос о том, «живые» ли это организмы, остаётся спорным.) Эта информация кодируется последовательностями всего из четырёх букв, каждая из которых соответствует конкретной молекуле, так называемому нуклеотиду: аденину (А), тимину (Т), цитозину (Ц) и гуанину (Г). Эти молекулы — алфавит генетического языка. Четыре буквы образуют длинные последовательности-нити, и каждая молекула ДНК состоит из двух таких нитей, которые обернуты одна вокруг другой в форме двойной спирали. Обе нити содержат одну и ту же информацию, поскольку у каждого нуклеотида из одной нити есть парный нуклеотид в другой: А сцепляется с Т, а Ц — с Г. Уотсон и Крик в своей статье со сдержанным удовлетворением отмечали: «От нашего внимания не ускользнуло, что специфическое спаривание, постулированное нами, указывает на возможный механизм копирования генетического материала».

Если от вашего внимания что-то всё-таки ускользнуло, поясняю, что механизм копирования таков: две спирали ДНК отцепляются друг от друга и превращаются в своеобразные лекала, а свободные нуклеотиды стыкуются с одиночной спиралью каждый на своём месте. Поскольку каждый нуклеотид может соединиться только с конкретным участком спирали, в результате возникают две копии исходной двойной спирали — как минимум в тех случаях, когда копирование прошло без ошибок.

Информация, закодированная в ДНК, регулирует биохимические процессы в клетке. Если сравнить ДНК с набором чертежей, то можно предположить, что некий «молекулярный инженер» читает эти чертежи, а потом отправляется что-нибудь по ним собирать. Почти так всё и происходит, причём в роли инженеров выступают белки. Однако в цитобиологии участвует ещё один «бюрократический эшелон». Белки взаимодействуют с ДНК не напрямую, а посредством РНК.

Молекула РНК структурно напоминает ДНК, но обычно имеет форму одиночной спирали. «Хребет» этой спирали в РНК и ДНК немного различается, и в РНК аденин стыкуется с нуклеотидом урацилом (У), а не с тимином. РНК не так стабильна в химическом отношении, как ДНК, но может нести эквивалентную информацию в своей последовательности нуклеотидов.

Информация выходит из ДНК, когда двойная спираль расплетается, и последовательности каждой спирали копируются сегментами РНК. Эти сегменты — так называемая матричная РНК — переносят генетическую информацию к особым клеточным органеллам — рибосомам. Рибосомы, открытые ещё в 1950-е годы, — это сложные структуры, принимающие информацию из РНК и на её основе собирающие белки. В ходе этого многоэтапного процесса из относительно стабильной системы хранения информации (РНК) конструируются полезные молекулы (белки), и при этом задействуются менее стабильные переносчики информации (РНК), а также совершенно отдельные сборочные цеха (рибосомы).

* * *

Точно так же, как компартментализация и метаболизм, репликация связана с проблемой «что откуда взялось?», когда мы соотносим сложнейшие структуры, характерные для современной биологии, с более простыми системами, которые могли бы иметь небиологическое происхождение. В случае с компартментализацией требуется понять, как жизнь пришла к фосфолипидным бислоям, причём ответ может быть связан с жирными кислотами. В случае с метаболизмом нужно выяснить, как возникла клетка, работающая на протондвижущей силе, и ответ может заключаться в пористых камерах, обнаруженных в щелочных источниках. В случае с репликацией нас интересует, как возникла ДНК, и в этом нам может помочь РНК.

РНК соотносится с ДНК как устная поэзия с письменной. Обе молекулы могут передавать одну и ту же информацию, но ДНК гораздо надёжнее и прочнее. Однако она достаточно сложна, поэтому нелегко понять, как она могла возникнуть сама собой. При копировании ДНК важную часть работы выполняют белки. Но белки должны конструироваться на основе информации, сохранённой в ДНК. Как же белки могут возникнуть без ДНК, и наоборот?

Излюбленный ответ сторонников абиогенеза — это отсылка к так называемому миру РНК. В 1960-е годы эту базовую идею высказывали многие учёные, в том числе Александр Рич, Френсис Крик, Лесли Оргел и Карл Вёзе. ДНК хорошо переносит информацию, белки здорово выполняют биохимические функции, а РНК может делать и то и другое, пусть и не так хорошо. РНК могла возникнуть до ДНК и белков и послужить основой примитивной и более уязвимой древней жизни прежде, чем эволюция постепенно перераспределила её функции между более эффективными ДНК и белками.

Роль РНК при извлечении информации из ДНК была распознана достаточно рано, но лишь много позже биологи убедились, что РНК также может действовать в качестве катализатора, регулирующего биохимические реакции и управляющего их скоростью. В частности, рибозимы, открытые в 1980-е годы, — это особая РНК, способная катализировать собственный синтез, а также синтез белков. Слово «рибозима» донельзя созвучно со словом «рибосома». Оказывается, важнейшая часть рибосомного комплекса состоит из рибозимной РНК. Таким образом, рибосома — это в основном рибозимы. (Именно из-за таких словес молодые учёные охотнее идут в физику и астрономию.)

Дальнейшие исследования показали, что существует ряд различных типов РНК, отвечающих за выполнение разнообразных внутриклеточных функций. Кроме матричной и рибосомной РНК также существует транспортная РНК, доставляющая аминокислоты в нужное место — туда, где из них можно будет сделать белки. Регуляторная РНК помогает управлять экспрессией генов. И этим список видов РНК не ограничивается. Эти открытия помогли популяризовать идею мира РНК. Если вы хотите описать возникновение жизни с точки зрения «сначала размножение», то вам нужна молекула, способная переносить генетическую информацию и самовоспроизводиться без участия каких-либо сложных механизмов. По-видимому, РНК пришлась для этого как нельзя кстати.

* * *

Идея о том, что РНК могла быть первым переносчиком генетической информации и могла как самовоспроизводиться, так и собирать другие полезные биохимические структуры, убедительна и красива. Как и любая качественная парадигма, сценарий мира РНК оказался хорош тем, что породил немыслимое количество интересных исследований.

Отметим тот факт, что РНК может выступать в качестве фермента: катализировать химические реакции, нужные как для самосборки, так и для синтеза белков. Откуда взялась такая возможность? Вполне понятно, как нуклеотидная последовательность может хранить информацию, но ферментирование кажется принципиально иной возможностью.

Для того чтобы прояснить этот вопрос, Дэвид Бэртел и Джек Шостак в 1993 году поставили интересный эксперимент. (В 2009 году Шостак получил половину Нобелевской премии за исследования о защите хромосом при делении ДНК.) В принципе они применили метод, который можно было назвать «дарвиновской эволюцией с участием человека». Для начала они взяли большой объём произвольной РНК: триллионы молекул, в которых не прослеживалось никаких характерных нуклеотидных последовательностей. Затем выбрали часть этих молекул — такие, которые обладали повышенным каталитическим действием, — и сделали множество их копий. Эту процедуру повторили несколько раз: поиск РНК, которая казалась катализатором определённых реакций, и получение её копий. На этапе копирования происходили случайные мутации, и в результате некоторых из них новая РНК становилась более сильным катализатором, нежели прежняя. Спустя десять итераций такой процедуры стало понятно: последний набор молекул катализирует реакции примерно в три миллиона раз лучше, чем исходный. Вот яркий пример того, как случайные, ненаправленные мутации могут кардинально улучшать пригодность тех или иных веществ для выполнения полезных биохимических функций.

Ещё один интересный опыт поставили биологи Трейси Линкольн и Джеральд Джойс в 2009 году. Им удалось создать систему из двух молекул РНК-ферментов — рибозим, которые вместе показали самоподдерживающуюся репликацию. Без какой-либо поддержки со стороны окружающих белков или каких-либо других биологических структур эти молекулы смогли полностью скопировать друг друга примерно за час. Более того, молекулы то и дело мутировали и, таким образом, претерпевали дарвиновскую эволюцию, при которой сохранялись более приспособленные структуры. Это ещё никакая не клетка, но сложно не заметить, что перед нами — один из этапов, который был пройден на пути от химии к жизни.

Даже если РНК и сыграла ключевую роль в возникновении жизни, мы пока не полностью представляем себе этот процесс. Понадобился суммарный эффект компартментализации, метаболизма и репликации. Возможно, между РНК и бислоями из жирных кислот сложился симбиоз: они помогли друг другу достичь расцвета в суровой и неспокойной экосистеме древней Земли. Мембрана может защитить хрупкую РНК от внешних потрясений, помочь ей просуществовать достаточно долго для того, чтобы размножиться. Тем временем молекула РНК может привлечь на мембрану другие биомолекулы, чтобы эта мембрана могла вырасти настолько, что затем естественным образом разделится надвое — примитивное клеточное деление.

Метаболизм вписывается в эту картину сложнее, однако Шостак не видит в этом серьёзной проблемы. Он считает, что существовала протоклетка — РНК, заключённая в простую мембрану. Эта протоклетка плавала в лужице, которая с одной стороны была тёплой, а с другой — холодной. Конвективные потоки толкали клетку от одного конца лужицы к другому. На холодном конце РНК обрастала теми нуклеотидами, которые успевала подобрать, и две спирали РНК окутывали друг друга, словно пытаясь согреться. Когда течение постепенно относит такую парочку на тёплый край водоёма, две нити постепенно расплетаются под действием тепла; мембрана обрастает ещё несколькими молекулами жирных кислот, пока не разделится надвое, и тогда у нас получаются две протоклетки (надеемся, что иногда так бывает), в каждой из которых оказывается по одной нити РНК. Обе они относятся на холодную сторону лужицы, и протожизненный цикл начинается заново.

Рассел и другие сторонники версии «сначала метаболизм» не считают, что всё могло быть так просто. Они думают, что тяжелее всего выстроить такую сложную цепочку химических реакций, которая могла бы подпитываться окружающей свободной энергией, пользуясь протондвижущей силой, возникающей в ячейках пористых пород в глубоководных источниках. С этого момента, считают они, реакции естественным образом будут потреблять любые окружающие источники свободной энергии, которые удастся найти. В таком случае жизнь может вырваться из пористого камня, обзаведясь мембранами из жирных кислот, а в дальнейшем продолжать биохимическую регуляцию при помощи ферментов, которые в конечном итоге превратятся в РНК.

* * *

Может быть, правдивы оба сценария, а может быть — ни один из них.

Нет никаких причин полагать, что мы не смогли бы выяснить, как возникла жизнь. Ни один серьёзный учёный, исследующий происхождение жизни, пусть даже верующий, не выберет конкретный процесс и не скажет: «Вот этап, для объяснения которого нужно признать наличие нефизической жизненной силы или какое-либо сверхъестественное вмешательство». Существует стойкое убеждение, что для понимания абиогенеза нужно разгадывать загадки в рамках известных законов природы, а не уповать на какую-либо сверхъестественную помощь, выходящую за пределы этих законов.

Такое убеждение связано с невероятной исторической летописью науки. Хотя и остаётся множество вопросов о происхождении жизни, которые наука пока не решила, не меньше и таких, на которые она смогла ответить, причём многие из них считались проблемами, неподвластными чистой науке (вспомните уверенное заявление Иммануила Канта о том, что никогда не родится Ньютон травинки). Как одни виды происходят от других, более древних? Как синтезируются органические молекулы? Как образуются клеточные мембраны? Как сложные цепи реакций могут преодолевать барьеры свободной энергии? Как у молекул РНК развилась способность катализировать биохимические реакции? На эти вопросы мы уже ответили. Можно с очень высокой байесовской субъективной вероятностью утверждать, что эта череда успехов продолжится.

Такая точка зрения встречает сопротивление в определённых кругах, причём не только среди религиозных фундаменталистов. Идея о том, что жизнь может просто произойти от нежизни, далеко не очевидна. Подобное никогда не происходило на наших глазах, независимо от того, что там воображал себе Ян Баптиста ван Гельмонт. Современные организмы обескураживающе сложны и состоят из отдельных компонентов, которые на удивление хорошо взаимодействуют друг с другом. Сложно поверить, что всё это «просто произошло».

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.

Мы говорили о том, что ДНК могла развиться из РНК, которая, в свою очередь, катализировала процесс собственного воспроизводства в подходящих условиях. Возможно, что в критических точках на пути к возникновению РНК происходили случайные флуктуации. Больцман учил, что энтропия обычно возрастает, но всегда существует вероятность, что она уменьшится. Чем больше динамических элементов в системе, тем реже будут случаться подобные флуктуации; в любом макроскопическом процессе участвует такое множество атомов, что данную возможность можно игнорировать. Тем не менее на уровне отдельных молекул эти редкие флуктуации довольно обычны и поэтому играют важную роль. Возможно, возникновение самовоспроизводящейся молекулы РНК было простым стечением обстоятельств.

Иногда естественный отбор воспринимается как «выживание сильнейших». Но ещё до начала дарвиновской эволюции как таковой уже шла конкуренция за доступную свободную энергию. Часть энергии добывалась легко, однако, чтобы получить другую её часть — подобно той энергии, что была связана в цитрате в бактериальных культурах у Ричарда Ленски, — требовалась определённая изобретательность. Хитросплетения реакций, направляемых белками, которые, в свою очередь, были синтезированы с участием нуклеотидных последовательностей РНК, вполне могли поддерживаться в таких условиях, где более простые процессы затухали. Как только к делу подключилась наследуемая генетическая информация, собрались воедино все компоненты, необходимые для естественного отбора.

* * *

С определённой точки зрения теория Дарвина кажется настолько логичной, что её появление представляется почти неизбежным. Впервые прочитав книгу «О происхождении видов» Томас Генри Гексли, современник и убеждённый сторонник Дарвина, воскликнул: «Как исключительно глупо было до этого не додуматься!». Однако естественный отбор — очень специфический процесс, который никак не назовёшь ни неизбежным, ни очевидным. Он не сводится к тому, что «вид постепенно эволюционирует со временем» или «хорошо приспособленные организмы имеют больше шансов оставить потомство».

Организмы размножаются и передают генетическую информацию следующему поколению. Эта информация в целом стабильна — дети похожи на родителей, — но не незыблема. На каждом этапе возможны мелкие случайные изменения. Эти изменения не направлены на достижение какой-либо перспективной цели, причём отдельные особи никак не смогут повлиять на них своими действиями (ваши дети не станут более мускулистыми лишь потому, что вы качаете мышцы). Если при наследовании мы получили некое малозаметное случайное изменение генетической информации, которое может повлиять на размножение, то здесь может сработать естественный отбор. К счастью, изменения, способствующие совершенствованию организма, имеют больше шансов на передачу генетического материала, чем нейтральные или пагубные изменения.

Все эти детали нельзя принимать как должное. Вот почему биологи подчёркивают разницу между «эволюцией» и «естественным отбором». В ходе эволюции со временем изменяется геном (вся совокупность генетической информации); естественный отбор является частным случаем эволюции, при котором изменения в геноме зависят от степени репродуктивного успеха.

Дарвин ничего не знал ни о ДНК, ни о РНК, ни даже о генах — отдельных единицах наследственной информации. Основные правила наследственности сформулировал монах-августинец Грегор Мендель, поставивший ряд знаменитых экспериментов с различными сортами гороха. В 1930–1940-е годы биологи разработали современный эволюционный синтез — теорию, объединившую естественный отбор и менделевскую генетику. Эта парадигма продолжает уточняться по мере того, как мы всё больше узнаём о биологии и наследовании, но общая картина в данном случае остаётся крайне успешной.

Неудивительно, что биологическая реальность здесь, на Земле, оказалась сложнее, чем простейшая формулировка естественного отбора. Как и многие способы рассуждения о мире, теория Дарвина работает только в своей области применения.

В истории жизни участвуют не только организмы, приспосабливающиеся к окружающей среде, но и другие факторы. Это отлично согласуется с дарвиновской концепцией. Дарвиновский отбор происходит, но он идёт на фоне хаоса, присущего реальному миру; при этом наряду с естественным отбором происходят другие процессы. Многие признаки в геноме любого вида возникают случайно, а не в результате той или иной адаптации. Это явление называется «дрейф генов». Иногда возникают мутации, никак не влияющие на приспособленность организма; в других ситуациях случайность, присущая половому размножению или обусловленная непредсказуемыми свойствами окружающей среды, может привести к тому, что некоторые признаки становятся обычными, а другие отмирают. Биологи спорят об относительной важности адаптации и генетического дрейфа, но практически нет сомнений, что оба фактора важны.

В долгосрочном эволюционном эксперименте Ленски та мутация, которая позволила некоторым бактериям метаболизировать цитрат, произошла примерно через 31 000 поколений. Когда исследователи разморозили особей из более ранних поколений и проверили, разовьётся ли у них эта способность вновь, оказалось, что да, но только у клеток после 20 000 поколений или позже. Примерно в 20 000 поколений возникли одна или несколько мутаций, которые сами по себе не позволяли бактериям метаболизировать цитрат, но подготовили почву для того, чтобы такая способность появилась после более поздней мутации. Единственный признак может сформироваться под действием множества отдельных мутаций, которые сами по себе не окажут какого-либо заметного влияния.

Давление отбора воздействует на признаки, тогда как генетическая информация передаётся через ДНК, и соотношение между первым и вторым механизмом не такое простое. Даже такой простой признак, как высокорослость, не будет зафиксирован в конкретной последовательности нуклеотидов, а будет зависеть от взаимосвязи множества различных факторов, действующих одновременно. В результате давление отбора, действующее на один признак, может затронуть другой, если эти признаки кодируются общими множествами последовательностей ДНК. История эволюции изобилует «надстройками» — эту метафору активно подчёркивали биологи Стивен Джей Гулд и Ричард Левонтин. Это признаки, возникающие по одной причине, но в итоге используемые для совершенно иной цели. Это побочные продукты эволюции, а не аспекты, на которые непосредственно направлен естественный отбор. Гулд и Левонтин предположили, что к этой категории относятся многие свойства человеческого мозга.

Более того, наследование порой нельзя свести к простой передаче ДНК от одного поколения к следующему. Существует горизонтальный перенос генов, при котором гены передаются от одной особи к другой не через размножение, а иным образом. Такое явление относительно обычно у бактерий и иногда происходит у многоклеточных видов. Есть эпигенетические феномены, при которых химическое строение унаследованной ДНК изменяется при развитии организма под действием таких факторов, как питание, либо под влиянием условий в материнской утробе, в которых развивается эмбрион. В настоящее время неясно, в какой степени могут наследоваться подобные изменения, но, будучи унаследованными, они поддаются обычному воздействию естественного отбора.

Итак, в реальном мире царит чудная кутерьма. Может ли такой неориентированный механизм — какой и должен был сформироваться во Вселенной, управляемой безликими законами и жестко зависящей от стрелы времени, — достаточно хорошо описать всю впечатляющую замысловатость биосферы на нашей планете? «Есть величие в этом воззрении», — пишет Дарвин в «Происхождении видов». Но на самом ли деле такого простого механизма достаточно, чтобы дельфины, бабочки и тропические леса могли образоваться из жалкой горстки органических молекул, конкурирующих за свободную энергию? Могут ли чудеса эффективности и изобретательности, характерные для живых организмов, действительно возникнуть из случайных изменений за достаточно долгий срок? (Подскажу: да.)

 

Глава 34

Пробираясь по ландшафту

В информатике, как и в жизни, часто встречается простая задача: найти конкретный элемент, выбрав его из множества вариантов. Рассмотрим задачу коммивояжера: имея список городов и расстояний между ними, нужно проложить между этими городами кратчайший маршрут, на котором каждый город будет встречаться только один раз. Задачу можно перефразировать. Возьмём список городов и расстояний между ними. Далее сделаем новый список, перечислив в нём все возможные маршруты, по которым коммивояжер заходит в каждый город как минимум один раз (это будет невероятно длинный, но всё-таки конечный список). Какой маршрут будет кратчайшим?

Поисковый алгоритм — это чётко сформулированная процедура для нахождения нужного элемента в списке объектов. Разумеется, можно перебрать все элементы один за другим, каждый раз спрашивая: «Этот?». Такой способ, вероятно, будет сложен, так как при поиске ответов на вполне разумные вопросы порой требуется отсортировать немыслимо огромные списки. В случае с задачей коммивояжера число возможных маршрутов возрастает примерно как факториал от числа охватываемых городов. Факториал числа n равен произведению 1 умножить на 2 умножить на 3 умножить на 4... умножить на (n − 1). Таким образом, в случае с двадцатью семью городами потребуется проверить около 1028 маршрутов. Если бы поиск шёл со скоростью миллиард маршрутов в секунду, то занял бы больше времени, чем существует наблюдаемая Вселенная.

Таким образом, фокус не в том, чтобы найти первый попавшийся поисковый алгоритм, — нужно найти эффективный. Очень часто число вариантов так велико, что мы с радостью останавливаемся на «неплохих» решениях, не доискиваясь абсолютно точных.

Естественный отбор можно сравнить с поисковым алгоритмом. Эволюция решает следующую задачу: какой организм сможет наиболее эффективно размножаться и выживать в данной конкретной среде? Только поиск охватывает не организмы как таковые, а их геномы либо конкретные нуклеотидные последовательности в нити ДНК. В человеческом геноме содержится около трёх миллиардов нуклеотидов. Это много по сравнению, скажем, с бактериальным геномом, где насчитывается лишь несколько миллионов нуклеотидов. Но давайте не будем задаваться: у некоторых цветковых растений в ДНК имеется более 100 миллиардов пар нуклеотидных оснований. Некоторым организмам удастся выжить и размножиться, другим — нет. Однако как среди многих поколений найти такие последовательности ДНК, которые повышают шансы организма на выживание?

С вычислительной точки зрения эта проблема считается сложной. Каждый из трёх миллиардов наших нуклеотидов может соответствовать одной букве: А, Ц, Г или Т. Общее число возможных комбинаций в ДНК такого размера, как у человека, составляет не четырежды три миллиарда (что было бы ещё не так плохо), а четыре в степени три миллиарда: 43000000000, то есть единица, за которой следует примерно два миллиарда нулей. Это ошеломительно, грандиозно огромное число. Кроме того, оно завышено; некоторые нуклеотидные последовательности функционально идентичны друг другу, а из абсолютного большинства последовательностей организм бы просто не получился. Можно подсчитать гены, а не нуклеотиды; в таком случае число значительно уменьшится, хотя каждый ген допускает значительно больше четырёх форм. Итак, число остаётся огромным, а из-за взаимозависимости различных генетических функций любые подсчёты такого рода остаются в некоторой степени неопределёнными. Итак, при любом мыслимом раскладе проблема поиска «лучшего» организма путём перебора всех возможных геномов представляется титанической.

Эволюция обеспечивает стратегию поиска хорошо приспособленных геномов в невероятно большом пуле возможностей. Недавно учёные-информатики продемонстрировали, что упрощённая модель эволюции (допускающая смешивание генов путём полового размножения, но не учитывающая мутаций) математически эквивалентна одному алгоритму, разработанному специалистами по теории игр много лет назад. Этот алгоритм называется мультипликативное обновление весов (multiplicative weight updates). Обычно хорошие идеи реализуются неоднократно.

Формулировка «поисковый алгоритм» не подразумевает, что кто-то написал алгоритм и задал для эволюции цель, к которой нужно стремиться. Эволюция не достигает никаких целей, она просто происходит с лапласовским бесстрастием, шаг за шагом. В духе поэтического натурализма поисковый алгоритм можно понимать просто как полезный способ рассуждения об эволюционном процессе. В подходящих обстоятельствах они формально равны с математической точки зрения, и эта связь заставляет нас интуитивно обманываться. Однако язык — всего лишь язык, это ещё не повод считать, что существует некая сила, направляющая ход эволюции или заблаговременно задающая цели для неё; кроме того, не бойтесь и существования некой силы, якобы мешающей вам правильно понимать слова, которые позволили бы осознать истинную сущность процесса эволюции.

* * *

Можно наглядно представить проблему эволюционного поиска как целый ландшафт, участки которого соответствуют той или иной степени приспособленности. Идея такова: можно присвоить любому геному, существующему в определённой среде, числовое значение, которое будет соответствовать его «приспособленности». Это значение характеризует, с какой вероятностью организм, обладающий таким геномом, сможет оставить потомство в данной среде. Можно визуализировать приспособленность как холмистый ландшафт, со склонами и долинами, где «направлениям в пространстве» соответствуют различные формы, которые может принимать каждый ген, а «высоте над уровнем моря» — приспособленность. На самом деле, вычерчивая ландшафт приспособленности, мы учитываем всего один-два гена, но при этом держим в уме, что на самом деле речь идёт о 25000-мерном пространстве, по одному измерению на каждый ген. «Холм» с высоким значением приспособленности соответствует такому организму, который с очень высокой вероятностью оставит потомство (и чем больше, тем лучше), а в долине с низким значением приспособленности находится геном, передача которого последующим поколениям маловероятна.

Можно сказать, что эволюция подталкивает популяции, заставляя их закрепляться всё выше и выше в ландшафте, отдавая предпочтение тем генам, которые порождают более приспособленные организмы. Разумеется, это упрощение. Речь не идёт о едином фиксированном ландшафте приспособленности, который был бы актуален для всех видов всегда и в любых ситуациях. Как максимум можно рассматривать одну популяцию в конкретной экосистеме. Контуры ландшафта будут зависеть от всех свойств этой экосистемы. Виды появляются и вымирают, физические условия изменяются, поэтому со временем меняется и ландшафт. Тем не менее некоторые черты экосистемы могут оставаться стабильными достаточно долго, поэтому «фиксированный ландшафт» — удобная метафора для визуализации происходящих событий.

Биологи рассматривают мир не так, как физики. Концепция ландшафта существует и в физике — например, если нас интересует, в каком фазовом состоянии окажется система при заданных температуре и давлении. Однако физики, рассуждая о ландшафте, всегда имеют в виду шар, катящийся под уклон. Соответственно самыми предпочтительными точками ландшафта являются минимумы функции, нанесённой на графике (как правило, речь идёт о функции энергии), поскольку шары всегда катятся вниз. Биологи же размышляют о ловких горных козлах или о детях, играющих в «царя горы». Для них наиболее предпочтительными точками ландшафта являются максимальные значения приспособленности.

Вот как эволюция прощупывает ландшафт приспособленности, отыскивая наивысшие пики. Имеется популяция особей определённого вида, эти организмы занимают близкие точки на ландшафте. Особи рождаются, при удачном раскладе оставляют потомство и умирают. У их потомков будут уже немного иные геномы, и на ландшафте они также будут располагаться иначе — недалеко от родителей, но не там же, где они. Те, кто окажутся ниже по склону, получат меньше шансов оставить потомство, чем те, кто будет выше. Поколения сменяются, и вся популяция постепенно движется вверх по склону.

Мы чертим двумерные графики, но на самом деле число генов может быть очень велико, поэтому популяция может карабкаться вверх по ландшафту невероятно долго. Вид может никогда не добраться до вершины холма, а тем более до вершины высочайшей горы, расположенной поблизости, хотя с отдельными признаками это может произойти. Некоторые участки ландшафта относительно плоские; на них различные геномы обладают очень разными уровнями приспособленности, и дрейф генов может оказаться доминирующей силой эволюции. Более реалистично выглядел бы ландшафт, изменяющийся во времени, поскольку как физические, так и биологические характеристики окружающей среды постоянно комбинируются. Когда это происходит, практически невозможно отыскать вершину холма и просто там усесться; вчерашняя вершина уже завтра может оказаться долиной.

Наконец, эволюционный алгоритм ни в каком смысле не гарантирует оптимального результата. Большинство изменений невелики и позволяют исследовать на ландшафте лишь ближайшие окрестности. Иногда происходят редкие мутации, позволяющие перепрыгнуть с одного пика на другой, но речь идёт лишь о таких пиках, которые расположены сравнительно близко друг от друга. Так же, как и в задаче коммивояжера, найти хорошее решение в данном случае будет исключительно полезно с любой практической точки зрения.

* * *

Эволюционный поиск настолько эффективен, что практикующие программисты часто используют аналогичный процесс для разработки собственных стратегий. Речь идёт о так называемых генетических алгоритмах. В случае с геномами можно представить себе множество всех возможных алгоритмов определённой длины, как минимум в конкретном языке программирования. Алгоритмов будет много, и в принципе нам потребуется узнать, какой из них лучше всего решает поставленную задачу. Метод генетических алгоритмов функционально подобен естественному отбору, только в роли программиста выступает сам ландшафт приспособленности. В биологии такой процесс назывался бы направленной эволюцией — чтобы подчеркнуть отличие от естественной эволюции, где ландшафт приспособленности определяется природой, не имеющей никакого конкретного плана.

Возьмём несколько произвольно выбранных алгоритмов и попробуем с их помощью решить задачу. Далее выберем те из них, которые справляются с задачей лучше всего, и позволим им «мутировать», а по возможности также позволим им смешиваться с другими успешными алгоритмами. Отбросим все неуспешные стратегии и повторим процесс. Изучаемая популяция алгоритмов будет постепенно подниматься вверх по соответствующему ландшафту приспособленности, определяемому в соответствии с тем, насколько успешно каждая из стратегий позволяет решать ту проблему, которую она должна решать. (Фактически именно так Бэртел и Шостак искали конфигурации РНК, которые могли действовать в качестве катализаторов.)

Генетические алгоритмы прекрасно иллюстрируют некоторые интересные черты эволюции как генератора стратегий. Один подобный пример предложила специалист по информатике Мелани Митчелл. Она предлагает рассмотреть Робби — виртуального робота, живущего в простом мире. Этот мир представляет собой сетку размером 10×10 клеток. Прошлым вечером Робби закатил вечеринку, поэтому теперь по всей сетке разбросаны пустые банки. Наша задача — изобрести такую стратегию (однозначный набор инструкций, описывающих каждый шаг), которая позволит роботу Робби собрать все банки, разбросанные по сетке.

Можно предположить, что Робби достаточно переходить от одной банки к следующей и вся проблема заключается в том, чтобы найти кратчайший путь. Однако Робби имеет два существенных недостатка (возможно, слишком сильно погудел минувшей ночью). Во-первых, он не слишком далеко видит. Стоя в клетке, Робби может заметить банку в этой же клетке, а также в смежных клетках, расположенных непосредственно к северу, югу, востоку или западу от его клетки. Но этим всё ограничивается: он не может заметить банки ни в клетках по диагонали от себя, ни в каких-либо ещё более удалённых клетках.

Слева: мир робота Робби. Это сетка, состоящая из квадратных ячеек; некоторые из них пусты, а в других валяются банки. Поле зрения Робби выделено. Справа: Робби стоит в клетке с банкой, а поблизости также разбросаны банки

Итак, логично предположить, что Робби должен двигаться в соответствии с неким паттерном, систематически осматривая сетку и подбирая все банки, которые заметит. Но у Робби есть и второй недостаток: он абсолютно ничего не запоминает. Он не помнит, где уже был, какие банки подобрал; не помнит даже, что делал секунду назад. Он планирует следующий шаг, располагая информацией лишь о настоящем моменте, то есть не может решить «пойду сначала на восток, а потом поверну на юг», поскольку в таком случае учитываются два шага кряду.

С учётом всех этих ограничений очень просто перечислить все возможные стратегии, которых может придерживаться Робби. Он знает о пяти клетках: его собственная и ещё четыре, по одной в каждом из направлений, соответствующих сторонам света. Каждая клетка может быть в одном из трёх состояний: пуста, с банкой, либо располагаться за стеной (куда Робби попасть не может). «Состояние» Робби — это список всех параметров, которые известны ему о каждой из пяти доступных клеток: всего 35 = 243 состояния. Робби может совершать семь действий: подбирать банку (если найдёт), перейти в одну из четырёх клеток по сторонам света, двинуться в произвольном направлении или просто стоять и ничего не делать.

Стратегия Робби — просто описание одного из семи действий для каждого из 243 состояний. Таким образом, общее число возможных стратегий составляет 7243, или примерно 10205. Вы не будете испытывать все стратегии подряд, просто чтобы найти оптимальную.

Можно проявить сообразительность и спроектировать такую стратегию, которая, на ваш взгляд, хорошо подходит для решения задачи. Именно так и поступила Митчелл: выбрала базовую стратегию, которая казалась «довольно хорошей — пусть, возможно, и не лучшей». Подход был прост: если Робби оказывается в клетке с банкой, он подбирает банку. Если клетка пуста, он отправляется искать банки в соседних клетках. Если в одной из них найдётся банка, то он переходит в эту клетку. Если ни в одной из соседних клеток банок не окажется, то делается шаг в произвольном направлении. Если банки найдутся в нескольких соседних клетках — Робби передвигается в указанном направлении. Назовём эту стратегию «контрольной». Как мы и рассчитывали, контрольная стратегия позволяет неплохо справиться с задачей: при большом числе попыток её КПД составляет около 69% оптимума.

В качестве альтернативы можно воспользоваться эволюционным методом и развивать стратегию путём направленной эволюции. Конкретная стратегия для Робби подобна конкретному списку нуклеотидов в спирали ДНК. Это дискретная строка, несущая информацию. Можно искусственно её развивать: начав с некоторого числа произвольно подобранных стратегий, позволить им поработать некоторое время, а потом выбрать оптимальные. Затем мы делаем по нескольку копий каждой «уцелевшей» стратегии, позволяем этим стратегиям «мутировать», случайным образом изменяя несколько конкретных действий, задаваемых каждой стратегией для того или иного состояния. Можно даже сымитировать половое размножение, разрезая стратегии и складывая новую стратегию из фрагментов двух старых. Процесс напоминает эволюцию. Можно ли подыскать для Робби такие стратегии, которые окажутся лучше «довольно хорошей», разработанной специально?

Да, можно. Эволюция легко даёт более эффективные стратегии, чем замысел. Спустя всего 250 поколений компьютер справлялся с задачей не хуже, чем это позволяла контрольная стратегия, а спустя 1000 поколений результат составил почти 97% оптимума.

После того как генетический алгоритм разовьётся, мы можем отмотать ситуацию назад и рассмотреть её этапы, чтобы понять, как алгоритм стал настолько эффективен. Самая сложная часть такого обратного проектирования всё явственнее переходит в разряд насущных проблем. Многие компьютерные программы работают в соответствии с генетически сформированными алгоритмами, которых, в сущности, не понимает ни один программист, а об этом уже страшно подумать. К счастью, Робби располагает довольно ограниченным числом вариантов, и мы с лёгкостью можем уяснить, что происходит.

Наилучшие стратегии Робби оптимизируют контрольную несколькими умными способами. Рассмотрим ситуацию: Робби стоит в клетке с банкой, а в клетках к востоку и к западу от него тоже лежат банки. Естественно, базовая стратегия требует, чтобы он поднял банку. Однако представьте себе, что будет дальше. Сделав шаг на восток или на запад, Робби, соответственно, потеряет из виду ту банку, которая лежала в противоположном направлении. Генетический алгоритм, хотя и был сформирован на основе только лишь случайной изменчивости и отбора, «догадался об этом» и выработал более выигрышную стратегию. Когда Робби оказывается в середине последовательности из трёх банок, он не берёт ту, что лежит в его клетке, а вместо этого уходит на восток или на запад, пока не достигнет края последовательности банок. Только тогда он подбирает последнюю банку. Затем, что логично, он отправляется обратно по ряду клеток с банками, подбирая банки по пути. Оказывается, этот и другие варианты проектирования гораздо более эффективны, чем «очевидная» контрольная стратегия.

Эволюция не всегда лучше проекта. Всеведущий инженер мог бы всякий раз находить наилучшую стратегию. Но изюминка естественного отбора или в данном случае направленной эволюции заключается в по-настоящему классной поисковой стратегии. Она не обязательно даёт наилучшие решения, но поразительно часто находит очень разумные.

* * *

Как ни шикарно справляется эволюция с прочёсыванием сложного многомерного ландшафта приспособленности, некоторых мест она не найдёт. Допустим, есть местность с очень высокой горой; вокруг неё раскинулась обширная плоская равнина, за которой начинается гряда пологих холмов. Также представим себе популяции, геномы которых расположены в этих холмах. В процессе постепенной изменчивости и естественного отбора виды смогут исследовать гряду холмов и найти там наивысшую точку. Однако, поскольку изменчивость генома в рамках популяции остаётся невелика, все особи не покинут гряду холмов. Никому не придёт в голову пуститься в долгий и сомнительный путь по плоской равнине, чтобы добраться до одиноко стоящего пика. Эволюция не может «мыслить глобально», с учётом всего множества геномов, и искать наилучший вариант; организмы совершенствуются путём случайной изменчивости, которая затем оценивается при размножении — проверяется, какую пользу принесло конкретное изменение на данный момент.

Ландшафт приспособленности с изолированным пиком; найти такой пик путём естественного отбора сложно

Неспособность найти изолированное решение определённой проблемы, присутствующее в длинном списке вариантов, не уникальна для эволюции. Практически любая эффективная поисковая стратегия в той или иной степени отталкивается от структуры списка вариантов — например, от того, что значения близлежащих точек на ландшафте мало отличаются от значения данной точки, — а не сводится к слепому перебору. Однако такая стратегия может пригодиться в качестве эмпирической проверки и помочь определить, является ли естественный отбор верной теорией биологической эволюции. Если бы кому-то удалось показать, что геном того или иного организма обладает высокой приспособленностью в рамках ландшафта, определяемого окружающей средой, но не мог бы достичь такой приспособленности «эволюционным» путём, у нас были бы основания меньше доверять теории Дарвина.

Взяв отдельный геном, как узнать, что он соответствует изолированному «пику» на ландшафте приспособленности? Такие пики существуют почти наверняка, хотя могут встречаться реже, чем кажется на первый взгляд. В двумерном ландшафте отдельно стоящие пики будут встречаться практически неизбежно, но если в рассматриваемом пространстве больше измерений, например 25 000, по одному на каждый человеческий ген, то путей от одного пика к другому может оказаться значительно больше.

Возможный критерий геномов, который не мог сформироваться эволюционным путём, был предложен Майклом Бихи, критикующим теорию естественного отбора и выступающим в пользу теории разумного замысла. Пытаясь показать, что некоторые организмы не могли возникнуть путём обычной дарвиновской эволюции, Бихи выдвинул концепцию «неуменьшаемой сложности». По определению Бихи система, обладающая неуменьшаемой сложностью, — это такая система, функционирование которой зависит от взаимодействия множества элементов, причём каждый элемент необходим, чтобы система продолжала работать. Идея заключается в том, что некоторые системы состоят из столь тесно взаимосвязанных элементов, что не могли возникнуть поступательно; они должны были появиться сразу и целиком. Мы полагаем, что эволюция этого обеспечить не может.

Проблема в том, что неуменьшаемую сложность не так просто измерить. Чтобы проиллюстрировать этот феномен, Бихи приводит пример с обычной мышеловкой. В мышеловке есть пружинный механизм, спусковой рычаг и т. д. Уберите любую деталь, говорит он, и мышеловка станет бесполезной; она могла быть только спроектирована, но не могла образоваться в результате мелких изменений, каждое из которых имело бы какую-то пользу.

Вероятно, вы уже догадываетесь, что было дальше. Как минимум двое учёных (Джон Макдональд и Алекс Фиделибус) представили возможные «эволюционные пути», по которым могла развиваться мышеловка. Они спроектировали ряд моделей, изначально очень простых и постепенно усложнявшихся, но все эти мышеловки были рабочими. На каждом этапе мышеловка работала чуть лучше, чем на предыдущем, несмотря на то что различия между этапами были минимальны. На последнем этапе получилась настоящая современная мышеловка. В довершение всего Йоахим Дагг исследовал, как именно менялись с годами реальные мышеловки, показав, что (несмотря на то, что мышеловки являются плодом разумного замысла) они развивались постепенно, а не возникали сразу. Выражаясь словами Дагга, «популяции мышеловок изобилуют всеми предпосылками для эволюции» (изменчивостью, передачей информации и отбором).

Постепенная эволюция сложной мышеловки, показанная Джоном Макдональдом. Эволюция начинается с простой проволочки, которая смыкается, если её задеть. Постепенно мышеловка усложняется — в ней появляются: пружина; приманка, которая сначала просто лежит рядом, а потом закрепляется на дощечке; длинный «молоточек»; растяжка; скрепка, поддерживающая растяжку; короткая пружина, которая затем ещё более укорачивается; отдельная ловушка, удерживающая растяжку, отграничивающая молоточек от пружины, и, наконец, ещё более совершенная ловушка со спусковым механизмом

* * *

Неуменьшаемая сложность помогает понять глубоко скептическое отношение к эволюции, свойственное многим людям: конкретные организмы, которые мы наблюдаем в нашей биосфере, выглядят чересчур «сотворёнными», чтобы допустить возможность их возникновения «по чистой случайности и под действием отбора».

Одна из формулировок этого убеждения восходит ещё к Уильяму Пейли, предложившему аналогию с часовщиком. Пейли писал об этом ещё до того, как в науке появился Дарвин, но он приложил определённые усилия, чтобы опровергнуть любых будущих мыслителей-дарвинистов, которые стали бы отрицать центральную роль Бога, объясняя сложность мира. Он очень любил упоминать глаз. Слово «глаз» более двухсот раз фигурирует в работе Пейли «Natural Theology: or, Evidences of the Existence and Attributes of the Deity, Collected from the Appearances of Nature» («Естественная теология или свидетельства существования Бога и Его атрибутов, собранных из явлений природы»). Множество мелких компонентов, которые должны работать вместе, бесспорная функциональная эффективность глаза, те механизмы, которые предусмотрены в организме для защиты и сохранения глаз, — с точки зрения Пейли, всё это убедительно свидетельствовало о том, что существование глаз подразумевает «необходимость разумного Создателя».

По-видимому, в истории жизни глаза независимо возникали несколько десятков раз. Несложно проследить правдоподобные пути развития глаза. Поглощение фотонов — одно из простейших действий, совершаемых живыми существами. Эта способность может быть локализована в светочувствительных участках или «глазных пятнах», которые найдены у некоторых одноклеточных организмов. Учитывая, что такой организм способен реагировать на свет, это может представлять преимущество, поскольку помогает сориентироваться, откуда падает свет. Простейший способ реализации этого — поместить глазное пятно в утопленную чашечку, как у некоторых плоских червей. Углубляя чашечку, пока она не превратится в практически сферическую полость, организм приобретает примитивную линзу, примерно как в камере-обскуре; такая встречается у некоторых современных моллюсков. Если заполнить такую глазницу жидкостью, то улучшится и защита, и фокусировка. Многие этапы на этом пути не преодолеваются «единым прыжком»; напротив, эволюция может заимствовать механизмы, ранее использовавшиеся для других функций и возникшие по иным причинам.

Итак, идея ясна: мало того что глаз может сформироваться поэтапно, с постепенным усложнением и нарастанием приспособленности, так мы ещё и наблюдаем такое развитие на примере реальных существ, живущих сегодня. При этом у человеческого глаза при всей его изумительности есть очевидные недостатки, непростительные для талантливого инженера, но совершенно объяснимые в свете эволюции. Нервные волокна, передающие визуальную информацию в мозг, нерационально расположены перед сетчаткой, а не за ней. Глаз осьминога устроен лучше: у него и нервы, и сетчатка находятся сзади, поэтому у осьминога нет слепого пятна, которое есть у человека. Наша анатомия сохраняет следы случайных событий, происходивших на протяжении эволюции.

 

Глава 35

Эмерджентная цель

А теперь вопрос на сообразительность с вариантами ответов. Почему у жирафа такая длинная шея?

1. Поколение за поколением жирафы тянули голову вверх, стараясь достать до листьев у самой верхушки дерева. Постепенно их шея становилась всё длиннее.

2. Длинная шея позволяет лучше питаться. Из-за случайных мутаций в ДНК шея у некоторых жирафов была длиннее, чем у других. Эти особи получали преимущество в питании перед собратьями, поскольку могли объедать листья у самой верхушки дерева. Данное преимущество передавалось от поколения к поколению, и постепенно у всех жирафов в популяции шея стала длинной.

3. Длинная шея привлекательна. Жирафы-самцы боролись за расположение самок, замахиваясь головами друг на друга. Из-за случайных мутаций в ДНК шея у одних жирафов оказалась длиннее, чем у других, что обеспечивало первым репродуктивное преимущество. Это свойство передавалось их потомкам, и постепенно у всех жирафов в популяции шея стала длинной.

4. Законы физики, исходное состояние Вселенной и наше положение в космосе привели к тому, что совокупности атомов, имеющие вид длинношеих жирафов, возникли спустя 14 миллиардов лет после Большого взрыва.

Разница между вариантами 1 и 2 часто используется для объяснения теории Дарвина и естественного отбора. Вариант 1 неверен; изменения, происходящие с особями на протяжении жизни (например, осваивание новых навыков), не откладываются в генетической информации и, следовательно, не передаются потомкам. (Здесь есть нюансы, поскольку могут наследоваться некоторые варианты экспрессии генов, зависящие от окружающей среды, пусть даже сами гены не изменяются.) Вариант 2 — более стандартное дарвинистское объяснение. Дело не в том, что жирафы из предыдущих поколений пытались вытянуть шею повыше, а в том, что, как только такое преимущество было приобретено, оно стало передаваться потомкам.

Есть ещё вариант 3, так называемый половой отбор. Это совершенно допустимое дарвинистское объяснение, опирающееся на конкретный механизм давления естественного отбора для достижения ощутимого результата. Некоторые исследователи полагают, что такой вариант полового отбора лучше объясняет ситуацию, чем более традиционная трактовка удлинения жирафьей шеи с целью «дотянуться до вкусной кроны». Здесь мы видим одну из сложностей, мешающих понять, как именно эволюция протекает в реальном мире; возникновение конкретного признака может объясняться несколькими способами.

Споры продолжаются. Например, если всё дело в половом отборе, то шей у самцов и самок жирафа должны были бы развиваться по-разному, но данные свидетельствуют о том, что они развиваются схожим образом. В настоящее время вариант 2 более популярен, но по мере поступления новых данных субъективная вероятность различных гипотез продолжает уточняться.

А что же насчёт варианта 4, в котором отсутствует какая-либо эволюционная составляющая? Это утверждение верное, но в данном контексте бесполезное. С точки зрения поэтического натурализма естественный отбор — это удобный способ рассуждения об эмерджентных свойствах живой природы. Нам не обязательно использовать лексикон эволюции и адаптации, чтобы правильно описать происходящее, но работа с этим лексиконом помогает приобрести полезные знания.

Биологическая эволюция — обильный источник высокоуровневых феноменов, возникающих на фоне фундаментального описания реальности, в том числе феноменов, не имеющих прямых аналогов на глубочайшем уровне. Поскольку наша Вселенная началась из строго определённого исходного состояния и в ней есть ярко выраженная стрела времени, в этих эмерджентных представлениях уместно говорить о «цели» и «адаптации», пусть ничего подобного и не существует в базовом механистическом устройстве реальности.

* * *

Скептики, сомневающиеся в эволюции, усматривают проблему в том, каким образом совершенно новые разновидности предметов могут возникать из механистического движения материи. Очевидное убеждение — «с какой-то целью». Например, можно ничтоже сумняшеся сказать: «Длинная шея нужна жирафу для того, чтобы ему было легче объедать свежие листья на самой верхушке дерева». Другой пример — «информация». Говорят, что ДНК несёт генетическую информацию, зрительный нерв передаёт информацию из глаза в мозг. Затем есть сознание как таковое. Проблема в том, что такие концепции — это радикальный отход от чисто лапласовской формулировки законов физики. Как может эволюция, по сути своей чисто физическая, породить эти совершенно новые феномены?

Естественно, здесь есть о чём беспокоиться. Эволюционный процесс является незапланированным и ненаправленным. Передача генетической информации последующим поколениям зависит только от условий окружающей среды и чистой случайности, а не от каких-либо будущих целей. Как по определению бесцельный процесс может приводить к существованию цели?

Однако такая обеспокоенность выглядит несколько странной, как минимум если говорящий о ней человек признаёт эволюционное происхождение более прозаических вещей, например жабр или глазных яблок. Такие органы «совершенно новые» в своём роде. Не существует общего принципа в духе «новые феномены не могут естественным образом возникнуть в ходе ненаправленной эволюции». Во Вселенной возникли такие вещи, как «звёзды» и «галактики», хотя когда-то их не существовало? Почему то же самое не могло произойти с целями и информацией?

С точки зрения поэтического натурализма появление «совершенно новых» концепций — например, одной теории на основе другой — кажется совершенно прозаическим. С течением времени энтропия возрастает, при этом изменяется конфигурация материи во Вселенной, поэтому возникает эмерджентность, о которой можно рассуждать различными способами. Возникновение некой «цели» сводится к вопросу: «Полезна ли концепция “цель” при разработке эффективной теории, описывающей данную часть реальности в данной области применения?». Возможно, потребуется решить массу интересных и нетривиальных технических проблем, но нет ничего удивительного в эмерджентности любых новых концепций, постоянно возникающих в мире.

* * *

Вспомним о роботе Робби, который убирал пустые банки, перемещаясь по клеткам. В наиболее успешных стратегиях, которые были искусственно сгенерированы путём многоэтапной изменчивости и отбора, Робби приспособился не подбирать банку в той клетке, где он оказался, если банки есть и в смежных клетках к востоку и западу от него. Напротив, он двинется в том или ином направлении — скажем, на запад, — пока не дойдёт до такой клетки, где очередная банка есть, а в следующей клетке на запад банки уже нет. Только тогда он отправится обратно, собирая по пути все банки.

Почему Робби действует именно так? Можно просто сказать: «Такие движения являются частью стратегии, сохранившейся в процессе развития генетического алгоритма». Этот ответ будет эквивалентен варианту 4 из вышеприведённого рассуждения о жирафьих шеях. Ответ по сути верен, но при этом ничего не объясняет. Либо можно сказать: «Робби стремится не забыть, что с другой стороны ещё остались банки, поэтому собирается вернуться и подобрать их потом».

Это разумный способ рассуждения? Робот Робби на самом деле ни к чему не стремится. Он даже не настоящий робот, а просто последовательность нулей и единиц, записанных в памяти какого-то компьютера. Иногда психологи говорят об «ошибке антропоморфизма», когда мы приписываем человеческие мысли или эмоции неодушевлённым предметам («мой компьютер ругается, если я не перезагружаю его регулярно»). Может быть, вполне интересно и допустимо говорить, что Робби чего-то хочет, но ведь на самом деле это не так, правильно?

Попробуем рассмотреть ситуацию с другой стороны. Если мы говорим, что робот Робби ничего не хочет в том смысле, в каком мог бы хотеть человек, то неявно подразумеваем, что существуют так называемые желания, которые корректно приписывать одним сущностям во Вселенной (например, людям) и нельзя приписывать другим (скажем, виртуальным роботам). Что же всё-таки представляют собой такие «желания»?

Идея о том, что кто-то может чего-то хотеть, — это способ рассуждения, который может быть потенциально полезен в подходящих обстоятельствах. Это простая идея, удобно резюмирующая значительное количество сложных вариантов поведения. Если мы увидим мартышку, карабкающуюся на дерево, то можем описать происходящее, перечислив все действия, совершаемые мартышкой в определённый момент времени, или, если уж на то пошло, можем указать для каждого момента времени положение и скорость каждого атома, входящего в состав мартышки и окружающей среды. Однако было бы бесконечно проще и эффективнее сказать: «Мартышка лезет за бананами, висящими высоко на дереве». Мы можем это сказать, поскольку обладаем знаниями, которые несравнимо ценнее, чем информация обо всех этих положениях и скоростях.

Не существует платоновской идеи «желания», которая парила бы где-нибудь в космосе идей и которую было бы допустимо ассоциировать лишь с некоторыми существами, но не со всеми. Просто есть ситуации, о которых удобно говорить, что кто-то чего-то хочет, а в других ситуациях это не столь полезно. Такие ситуации могут возникать в ходе естественной ненаправленной эволюции материи во Вселенной. Эти желания столь же реальны, как и любые другие феномены.

Что касается Робби, нет ни необходимости, ни особенной пользы в том, чтобы характеризовать его поведение в контексте желаний, целей или стремлений. Ничуть не сложнее сказать, какой стратегии собирания банок он придерживается. Однако, если говорить об онтологическом статусе «желаний», разница между Робби и личностью заключается лишь в степени их выраженности. Можно представить себе робота, чья программа несравнимо сложнее, чем у маленького Робби. Мы можем не знать ничего определённого об этой конкретной программе, но, пожалуй, сможем наблюдать за действиями робота. Возможно, чтобы понять его поведение, лучше всего будет сказать: «Робот действительно хочет подбирать эти банки».

Натурализм не делает особых различий между человеком и роботом. Все мы — просто сложные совокупности материи, движущиеся по принципам, определяемым объективными законами физики в окружающей среде, и в направлении, задаваемом стрелой времени. Стремления, желания, цели — всё это естественным образом развивается в ходе такого процесса.

* * *

Аналогичная история складывается и с «информацией». Давайте задумаемся о ней, поскольку нам предстоит вернуться к этой теме, когда мы станем говорить о сознании. Если Вселенная — просто куча материи, подчиняющейся механистическим законам физики, то как вообще любой предмет может «нести информацию» о чём-либо? Как одна конфигурация атомов может «рассказывать» о другой?

Такие слова, как «информация», — это элементы удобного способа рассуждения о явлениях, происходящих во Вселенной. Нам даже не обязательно говорить об «информации» — достаточно остановиться на упоминавшемся выше варианте 4 и просто рассуждать о квантовом состоянии Вселенной, неотвратимо развивающемся во времени. Однако сам факт, что информация — эффективный способ описания определённых физических реальностей, открывает нам истинный и нетривиальный взгляд на мир.

Рассмотрим манускрипт Войнича. Это примечательная книга, которая, по всей видимости, была написана в начале XV века, вероятно, в Италии. Это причудливый том, полный затейливых иллюстраций на биологические и астрономические темы. Большая часть флоры, изображённой на иллюстрациях, не походит ни на какие реальные растения. Но наиболее интересно, что вплоть до настоящего времени текст книги совершенно не поддаётся расшифровке. Не только язык манускрипта, но даже сам алфавит, которым он написан, абсолютно не удаётся распознать. Статистический анализ слов и символов в манускрипте показывает, что в целом текст подобен текстам на других языках, но криптографы ровно ничего не добились, пытаясь интерпретировать текст как некий код. Это может быть очень хороший шифр; может быть уникальный изобретённый кем-то язык, впоследствии забытый, а может быть и чистой воды мистификация.

Отрывок из манускрипта Войнича

Содержит ли манускрипт Войнича информацию?

Хочется сказать, что ответ зависит от происхождения книги. Если это действительно мистификация и слова представляют собой полупроизвольную тарабарщину, то, вероятно, информации в книге почти нет. Но если это просто хитрый код, который однажды удастся расшифровать, то там может быть масса информации, даже если вся она — лишь плод воображения.

Что, если манускрипт Войнича — это код, который никогда не удастся расшифровать? Что, если изначально он был написан с очень специфической целью, но его значение было скрыто так надёжно, что никто и никогда не сможет его прояснить? Он всё ещё содержит информацию? Если уложить этот манускрипт в капсулу, запустить в космос, а затем, после того как Земля погибнет от апокалиптического столкновения с астероидом, книга навечно останется плыть в пустоте — сохранится ли тогда информация?

Мы склонны употреблять слово «информация» во многих значениях, зачастую несовместимых друг с другом. В главе 4 шла речь о сохранении информации на уровне фундаментальных физических законов. Затем есть так называемая микроскопическая информация — это полное описание точного состояния физической системы — такая информация ни создаётся, ни уничтожается. Однако зачастую мы понимаем информацию как высокоуровневую макроскопическую концепцию; такая информация действительно может появляться и исчезать. Если книгу сжечь, то содержащаяся в ней информация будет утрачена как минимум для нас, если и не для всей Вселенной.

Макроскопическая информация, содержащаяся в книге, относится к той среде, в которую она вплетена. Говоря об информации из той книги, которую мы сейчас читаем, мы имеем в виду, что написанные в книге слова коррелируют с определёнными идеями, возникающими в голове при чтении. Вы читаете слово «жираф» и представляете себе конкретное длинношеее африканское парнокопытное. То же касается информации, содержащейся в нити ДНК: она коррелирует с синтезом определённых белков в клетке. Именно такая связь между конфигурацией материи (книга или нить ДНК) и чем-то ещё во Вселенной (образом жирафа либо полезной белковой молекулой) позволяет нам говорить о существовании информации. Без таких корреляций — если нет и никогда не будет никого, кто мог бы прочитать книгу, либо не будет молекул РНК, которые могли бы прочитать ДНК и отправиться синтезировать белок, — говорить об информации бессмысленно.

С такой точки зрения возникновение информационно нагруженных объектов в ходе ненаправленной эволюции живой и неживой материи неудивительно. Это происходит потому, что — готовы? — Вселенная возникла в состоянии с очень низкой энтропией. Таким образом, тогда сложилось очень специфическое состояние; если просто знать низкоэнтропийную макроскопическую конфигурацию Вселенной, то можно получить массу информации и о её состоянии на микроуровне. (В состоянии равновесия, когда энтропия высока, состояние на микроуровне может быть практически любым, и мы, в сущности, ничего не знаем о нём.) По мере развития Вселенной из этой очень специфической конфигурации в сторону всё более прозаических естественным образом возникали корреляции между различными частями такой Вселенной. В данном случае становится уместно сказать, что одна часть несёт информацию о другой. Это просто один из полезных способов рассуждения о мире на эмерджентном макроуровне.

* * *

В конце 1990-х в США возникли противоречия по поводу «Заявления о преподавании эволюции», принятого Национальной ассоциацией преподавателей биологии (NABT):

Биоразнообразие на Земле является результатом эволюции: неконтролируемого, безличного, непредсказуемого и естественного процесса смены поколений с течением времени, сопровождающегося генетической изменчивостью, на которую влияют естественный отбор, вероятность, историческая случайность и изменение окружающей среды.

Споры возникли из-за слов «неконтролируемый» и «безличный». Некоторым показалось, что такая характеристика уже не является чисто научной, а претендует на суждение о вопросах, относящихся к сфере влияния религии. Двое знаменитых богословов, Олвин Плантинга и Хьюстон Смит, написали в NABT письмо, в котором доказывали, что такое посягательство «снизит уважение американцев к учёным и их месту в культуре». По-видимому, они считали, что в любом явном конфликте между наукой и религией американцы обязательно выберут религию. Плантинга и Смит убеждали совет директоров поправить формулировку и убрать из неё слова «неконтролируемый» и «безличный». После некоторых дебатов совет согласился, и в последующих публикациях эти слова в формулировке не упоминались.

Можно говорить о дипломатической мудрости такого поступка, но исходная формулировка NABT была корректна с научной точки зрения. Теория эволюции описывает неконтролируемый и безличный процесс. Эта теория может быть неверной или неполной; то, что кажется нам ненаправленной эволюцией, на самом деле может мягко подправляться в нужную сторону под действием неявной или невидимой силы. Но это уже другая теория, которую вы вправе препарировать и даже попробовать испытать проверенными научными методами. В теории, которая, по-видимому, отлично описывает историю жизни на Земле, ничто не контролируется и отсутствует всякий личностный аспект. Естественный отбор не стремится ни к какой цели, будь то постепенное усложнение, или в конечном итоге возникновение сознания, или вящее прославление Бога.

Учитывая колоссальный эмпирический успех теории Дарвина, неудивительно, что некоторые религиозные мыслители предлагают свои версии «теистической эволюции» — полуестественного отбора, направляемого рукой Бога. Среди сторонников такой точки зрения есть ряд выдающихся биологов, в том числе Френсис Коллинз, директор Национальных институтов здравоохранения США, и Кеннет Миллер, специалист по клеточной биологии, активно выступавший против преподавания креационизма в американских школах.

Возможно, самый популярный способ попытаться примирить эволюцию с божественным вмешательством — воспользоваться вероятностной природой квантовой механики. Рассуждение строится так: мир классической физики был бы полностью детерминирован с начала и до конца, и в нём Бог никак не мог бы повлиять на эволюцию жизни, не нарушая при этом законов физики. Однако квантовая механика прогнозирует лишь вероятности. С такой точки зрения Бог мог бы просто выбирать определённые квантовомеханические результаты и воплощать их в реальности, не нарушая при этом законов физики; просто Он согласовывал бы физическую реальность с одной из множества возможностей, допускаемых квантовой динамикой. В том же духе Плантинга предполагал, что квантовая механика позволяет объяснить ряд случаев божественного вмешательства — от чудесных исцелений и превращения воды в вино до расступления Красного моря.

Действительно, все эти, на первый взгляд, чудесные события допускаются квантовой механикой; просто они очень маловероятны. Крайне, исключительно, вопиюще маловероятны. Если бы мы населили учёными все планеты, вращающиеся вокруг всех звёзд во Вселенной, и предложили им ставить эксперименты в течение периода, многократно превышающего нынешний возраст наблюдаемой Вселенной, то было бы крайне маловероятно, чтобы хоть кто-то из них наблюдал бы превращение хотя бы одной капли воды в вино. Но это возможно.

«Возможность» как таковая не является доказательством в пользу теистической эволюции. В принципе есть два сценария. В одном из них тот выбор, который происходит при каждом квантовом событии, с высокой вероятностью реализуется сам собой, а рука Бога просто выбирает одно из вероятных событий из нескольких вариантов. В таком случае Бог практически ничего не делает. Появление человеческих существ никогда не было крайне маловероятным; оно вполне могло произойти без божественного вмешательства. Если вы молитесь, чтобы монетка выпала орлом, и так и происходит, было бы странно излишне благодарить за это Бога. Или, с байесовской точки зрения, увеличение вероятности желаемого исхода, достижимое при помощи божественного вмешательства, и близко не компенсирует дополнительную сложность и неизбежное уменьшение точности, связанное с тем, что в физический порядок вмешиваются сверхъестественные силы.

Другой сценарий: те события, которые позволили человеческим существам возникнуть в ходе эволюции, были исключительно маловероятны, пусть и возможны — вероятность их была сравнима, пожалуй, с вероятностью спонтанного расступления Красного моря. В таком случае вы не просто опираетесь на квантовую неопределённость, а нарушаете законы физики. Факт наблюдения столь крайне маловероятного события, которое не стоило и рассчитывать увидеть в известной части Вселенной, следует считать доказательством того, что ваша теория расчёта вероятностей неверна. Если вы наблюдаете, как кто-то сто раз подбрасывает монетку и она всё время падает орлом, то такой исход, конечно, возможен при честной игре, но с гораздо большей вероятностью указывает на жульничество.

Квантовая неопределённость ничуть не оправдывает тех, кто хочет найти Богу место в эволюции мира. Если Бог оперирует результатами, которые выражаются в виде квантовых событий, то это по сути такое же вмешательство, как и воздействие на импульс движения планеты в классической механике. Бог либо влияет, либо не влияет на события, происходящие в мире.

Проблема теизма в том, что никаких доказательств божественного вмешательства не существует. Сторонники теистической эволюции не могут обосновать, что божественное вмешательство необходимо для объяснения эволюционного процесса; они просто пытаются при помощи квантовой механики утверждать, что такое вмешательство возможно. Разумеется, оно возможно, если Бог существует; Бог может делать всё, что ему угодно, невзирая на законы физики. На самом деле сторонники теистической эволюции пользуются квантовой механикой как фиговым листком: не Бог позволяет миру быть таким, каков он есть; просто самим теистам удаётся представить, что Бог действует совершенно незаметным образом, не оставляя никаких следов.

Непонятно, почему Бог так старательно пытался бы скрыть свои действия от людей. Такой подход редуцирует теизм до проблемы с ангелом, направляющим Луну; её мы обсуждали в главе 10. Нельзя опровергнуть теорию в каком-либо возможном эксперименте, поскольку она сформулирована именно так, что совершенно неотличима от обычной физической эволюции. Однако это также ничего вам не даёт. Наиболее логично отдать предпочтение идее, что божественного вмешательства просто не существует.

 

Глава 36

Всё ради нас?

При всей зрелищности и грандиозности жизни и биологической эволюции не кажется ли вам всё это довольно хрупким? Если бы условия были чуть-чуть иными, могла бы жизнь вообще не возникнуть?

Исходя из этой проблемы зачастую утверждают, что существование жизни свидетельствует против натурализма. Идея в том, что все условия — от массы электрона до скорости расширения молодой Вселенной — тонко настроены именно для существования жизни. Далее аргументация такова: если бы эти значения хотя бы немного отличались от существующих, то нас бы не было и некому было бы об этом рассуждать. Это совершенно логично в контексте теизма, поскольку Бог хочет, чтобы мы здесь были. В рамках натурализма такую точность объяснить сложно. Выражаясь в терминах Байеса, вероятность возникновения жизни во Вселенной велика в случае справедливости теизма и невелика при справедливости натурализма. Следовательно, можно заключить, что само наше существование — серьёзное доказательство в пользу бытия Бога.

Аргумент в пользу бытия Бога, связанный с тонкой настройкой, увлекает многих по ложному пути. Он словно охватывает всё, что открыла наука со времён Коперника, и переворачивает с ног на голову. Если такая логика верна, то мы, образно выражаясь, — центр Вселенной. Мы — та причина, по которой существует Вселенная; такие величины, как масса электрона, подстроены специально под нас, а не возникли случайно или под действием некоего физического принципа. Не слишком ли дерзко обдумывать все взаимодействия квантовых полей в рамках Базовой теории, рассматривать снимки сотен миллионов галактик, наполняющих нашу Вселенную, и говорить: «Я знаю, почему всё именно так, — чтобы я мог здесь быть»?

Тем не менее тонкая настройка — пожалуй, наиболее весомый аргумент в пользу теизма. Это не какое-нибудь мудрёное априорное рассуждение, которое позволяло бы нам проиллюстрировать некую черту Вселенной, не вставая из кресла. Аргумент тонкой настройки строится по тем правилам, которыми мы пользуемся при познании мира. Берутся две теории — натурализм и теизм, и затем для проверки каждой из них делается прогноз, а затем эмпирически определяется, какой из прогнозов подтверждается в нашем мире. Это наилучший аргумент в пользу существования Бога, который у нас есть.

Однако он всё равно не слишком хорош. Аргумент этот в значительной мере опирается на феномен, называемый в статистике «старые доказательства», — ведь мы не начинаем с формулировки доказательств в пользу теизма и натурализма и их проверки, а изначально знаем, что жизнь существует. Кроме того, выборка нерепрезентативна; мы могли бы рассуждать об этом лишь в тех мирах, где можем существовать, поэтому сам факт нашего существования не сообщает нам ничего нового.

Всё-таки сторонники натурализма должны воспринимать тонкую настройку всерьёз, то есть должны понимать, как Вселенная выглядела бы при условии справедливости теизма и натурализма, чтобы можно было обоснованно сравнить, как наблюдаемая реальность сочетается с субъективной вероятностью того и другого. Мы видим, что существование жизни в лучшем случае слегка повышает вероятность того, что теизм верен, тогда как другие черты Вселенной исключительно убедительно свидетельствуют в пользу натурализма.

* * *

Важнейший шаг — определить вероятность, с которой мы можем получить те или иные экспериментальные результаты при условии верности каждой из теорий. Это проще сказать, чем сделать, учитывая, какое множество вариантов теизма и натурализма сейчас существует. Мы приложим максимум усилий, но всё равно должны понимать, что наша оценка вероятностей будет весьма приблизительной, а в окончательном ответе всё равно будет присутствовать некоторый субъективный элемент.

Если натурализм верен, какова вероятность того, что во Вселенной могла бы существовать жизнь? С точки зрения тонкой настройки обычно считается, что такая вероятность очень мала, поскольку при минимальном изменении значений констант, определяющих наш мир, жизнь стала бы невозможна.

Знаменитый пример такой величины — значение энергии самого пространства, или энергии вакуума; эта величина называется «космологическая постоянная». Согласно общей теории относительности, в каждом кубическом сантиметре пространства может содержаться определённый объём энергии. Наиболее точные современные измерения демонстрируют, что эта энергия небольшая, но ненулевая: около одной стомиллионной эрга на каждый кубический сантиметр пространства. (Эрг — это совсем мало энергии; стоваттная электрическая лампочка использует более миллиарда эрг в секунду.) Однако энергия вакуума могла бы быть гораздо выше. Ориентировочные расчёты показывают, что её значение вполне могло бы составлять примерно 10112 эрг на кубический сантиметр, что на целых 120 порядков выше её фактического значения.

Если бы энергия вакуума возросла до такого «естественного» значения, то вы не читали бы сейчас эти слова. Не существовало бы ни книг, ни людей. Энергия вакуума ускоряет расширение Вселенной, отталкивая тела друг от друга. Столь огромная энергия просто распотрошила бы атомы, и в таком случае существование чего-либо вроде «жизни» было бы крайне маловероятным. Минимальное же значение энергии вакуума в реальном мире, напротив, представляется мягким и способствующим существованию жизни.

Энергия вакуума — не единственная величина, которая словно настроена для существования жизни. Механизм горения звёзд (в конечном итоге обеспечивающий нашу биосферу свободной энергией) критически зависит от массы нейтрона. В основе горения звёзд лежит термоядерный синтез. Первый его этап — это слияние двух протонов, при котором один из них превращается в нейтрон, и в результате образуется ядро дейтерия. Если бы нейтрон был чуть тяжелее, то такая реакция в звёздах не происходила бы. Если бы он был чуть легче, то весь водород в молодой Вселенной превратился бы в гелий, а жизнь гелиевых звёзд гораздо короче. Как и энергия вакуума, масса нейтрона кажется тонко настроенной для существования жизни.

Это вполне возможно. Но существуют два нюанса, позволяющие считать такой тезис, мягко говоря, немного ненадёжным.

Во-первых, мы не можем обоснованно судить, вероятны ли некоторые значения физических величин, либо маловероятны. Энергия вакуума в нашем мире гораздо незначительнее, чем позволяли предположить сделанные оценки. Но эти обычные оценки могли быть глубоко ошибочны, поскольку мы делаем их исходя из законов физики, которые не вполне понимаем. Например, максимальная энтропия, которая может быть заключена в некоторой области пространства, тем выше, чем ниже энергия вакуума. Возможно, существует закон физики, согласно которому максимальное значение энтропии в пространстве с большей вероятностью окажется высоким, а не низким. В таком случае физика должна благоприятствовать крайне малым значениям энергии вакуума — именно это мы и наблюдаем. Не следует чрезмерно драматизировать, если значения физических величин кажутся неестественно высокими или низкими, пока не поймём, согласно какому механизму формируются эти значения и существует ли такой механизм вообще. Всё это можно объяснить обычными физическими процессами, никак не связанными с существованием жизни.

Во-вторых, мы не слишком хорошо себе представляем, а была бы Вселенная пригодна для жизни, если бы значения констант были иными. Ситуация такова: если бы мы ничего не знали о Вселенной, кроме основных числовых значений из базовой теории и космологии, могли бы мы спрогнозировать, что в такой Вселенной возникнет жизнь? Это представляется крайне маловероятным. Нелегко перейти от Базовой теории даже к такой простой системе, как периодическая таблица элементов, а тем более к органической химии и в конечном итоге к жизни. Иногда вопрос относительно прост: если бы энергия вакуума была гораздо выше, нас бы не существовало. Однако, когда речь заходит о большинстве числовых параметров физики и астрономии, очень сложно сказать, что бы случилось, будь у них другие значения. Можно практически не сомневаться в том, что Вселенная выглядела бы совсем по-другому, но мы не знаем, благоприятствовала ли она развитию биологических процессов. Действительно, недавний анализ, проведённый астрономом Фредом Адамсом, показал, что масса нейтрона могла бы существенно отличаться от своего фактического значения, а звёзды всё равно бы могли сиять на основе альтернативных механизмов, не действующих в нашей Вселенной.

Жизнь — это сложная система перекрывающихся химических реакций, в основе которых лежат механизм обратной связи и свободная энергия. Здесь, на Земле, жизнь приобрела особую форму, воспользовавшись изумительной гибкостью химии углерода. Кто может сказать, какие формы могли бы приобрести аналогичные сложные системы? Фред Хойл, возмутитель спокойствия в мире астрономии, любивший скептически высказываться о Большом взрыве и оспаривавший представления о происхождении жизни, который написал фантастический роман «Чёрное облако», где Земле угрожает огромное живое разумное облако, состоящее из межзвёздного газа. Роберт Форвард, ещё один учёный с научно-фантастической жилкой, написавший книгу «Яйцо дракона» о микроскопических живых существах, обитающих на поверхности нейтронной звезды. Возможно, спустя триллион триллионов лет, много после того как угаснет последняя звезда, тёмная галактика будет населена прозрачными существами, парящими в тусклом свете, излучаемом чёрными дырами, и каждый удар их «сердца» будет занимать миллионы лет. Всё эти кажется таким далёким, но нам известны некоторые физические системы, в которых естественным образом развиваются сложные свойства по мере того, как со временем увеличивается энтропия. Не так сложно себе представить, что жизнь могла развиться в неожиданных местах.

* * *

Есть ещё одна знаменитая проблема: возможно, на свете существует не просто Вселенная, а Мультивселенная. Физические параметры, которые кажутся тонко настроенными, — даже, казалось бы, незыблемые константы, в частности масса нейтрона, — могут различаться в разных точках Вселенной. Если это так, то совершенно логично, что мы живём именно в такой части Мультивселенной, где возможна жизнь. Где бы ещё мы могли оказаться?

Иногда такая идея именуется антропным принципом, причём из-за одного упоминания о нём порой вспыхивают жаркие дебаты между сторонниками и противниками этой идеи. Это очень плохо, поскольку базовая концепция очень проста и практически бесспорна. Если мы живём в мире, в разных частях которого условия существенно различаются, то наша картина мира получается весьма избирательной: мы можем очутиться только в той части мира, параметры которой допускают наше существование. Так, например, в Солнечной системе существует ряд планет и некоторые из них гораздо крупнее Земли. Но никому не кажется странным, что мы живём только на Земле, никто не усматривает в этом тонкой настройки. Просто эта планета наиболее благоприятна для жизни. Вот и антропный принцип в действии.

Единственный серьёзный вопрос в данном случае — насколько обоснованно предположение о том, что мы действительно живём в Мультивселенной. Терминология здесь немного запутанная; согласно натурализму, существует всего один мир, но этот «мир» может включать целую Мультивселенную. Поэтому нас интересует космологическая Мультивселенная. Это означает, что в космосе действительно существуют различные области, расположенные очень далеко от нас и вследствие этого недоступные для наблюдения, условия в которых серьёзно отличаются от известных. Эти области мы именуем «другими вселенными», хотя на самом деле они всё равно являются частью естественного мира.

Поскольку с момента Большого взрыва прошло конечное количество лет, а скорость света также конечна (один световой год в год), какие-то области пространства расположены так далеко от нас, что мы просто не можем их увидеть. Вполне возможно, что за нашим горизонтом видимости есть места, где действуют совершенно другие законы физики — своя Базовая теория: иные частицы, иные взаимодействия, иные параметры, даже иное число пространственных измерений. Возможно существование великого множества таких областей, в каждой из которых действуют свои локальные законы физики. Это космологическая Мультивселенная (это иная идея, нежели «многомировая интерпретация» квантовой механики, где все ответвления волновой функции подчиняются одним и тем же законам физики).

Кому-то подобные спекуляции не нравятся, поскольку они основаны на феноменах, которые недоступны для наблюдения и таковыми останутся. Однако, даже если бы мы могли увидеть другие вселенные, их существование никак бы не повлияло на наши представления о наблюдаемой Вселенной. Если Вселенная всего одна, то загадку энергии вакуума можно сформулировать следующим образом: «Почему энергия вакуума имеет именно такое значение, а не другое?». Если вселенных много и в каждой из них значение энергии вакуума отличается, то вопрос формулируется иначе: «Почему мы находимся в той части Мультивселенной, где энергия вакуума приняла данное конкретное значение?». Это довольно разные проблемы, но каждая из них является обоснованным научным вопросом, и решать каждую из них нужно традиционными научными методами. Итак, какая физическая модель наилучшим образом объясняет имеющиеся данные?

Признаться, идея Мультивселенной казалась бы несколько сомнительной, если бы мы теоретизировали обо всех этих различных областях пространства совершенно безосновательно либо только пытаясь решить проблемы, связанные с тонкой настройкой. В таком случае эта модель казалась бы чрезмерно сложной и надуманной. Даже если бы она хорошо согласовывалась с данными, то было бы естественно проверить её самым суровым образом, прежде чем присваивать ей априорную субъективную вероятность; простые теории всегда предпочтительнее сложных.

Однако в современной космологии Мультивселенная — далеко не только теория. Это, скорее, прогноз, построенный на основе других теорий — тех, которые формулировались для совершенно иных целей. Идея Мультивселенной появилась не потому, что люди считали её классной; она родилась благодаря тому, что мы всеми силами стараемся понять наблюдаемую часть Вселенной.

В частности, есть две теории, подводящие нас к размышлениям о Мультивселенной: это теория струн и инфляционная теория. В настоящее время теория струн — наиболее перспективная парадигма, которая, возможно, позволит увязать гравитацию с законами квантовой механики. Естественно, теория струн предполагает, что в пространстве больше измерений, чем мы наблюдаем. Можно подумать, что сам этот факт исключает теорию и мы должны жить дальше, не учитывая её. Но эти дополнительные измерения в пространстве могут быть свернуты в крошечную геометрическую фигуру, слишком миниатюрную, чтобы её удалось наблюдать в каком-либо из поставленных экспериментов. Существует много вариантов такого свёртывания, то есть много разнообразных форм, которые могли бы принимать дополнительные измерения. Точного числа мы не знаем, но, по оценкам физиков, может быть около 10500 таких вариантов.

Любой подобный способ скрытия дополнительных измерений — в теории струн такой способ называется «компактификация» — даёт эффективную теорию с собственными наблюдаемыми законами физики. В теории струн «физические константы», например значение энергии вакуума или массы элементарных частиц, зависят именно от того, каким образом скрытые измерения свёрнуты в данной области Вселенной. Жители другой области пространства, где дополнительные измерения свёрнуты иначе, получили бы совершенно иные значения.

Различные способы, которыми могут быть компактифицированы и скрыты дополнительные измерения. Каждая возможность даёт иные значения, характеризующие физические законы, которые мы могли бы зафиксировать в этой области пространства

Итак, теория струн допускает существование Мультивселенной. Однако, чтобы описать Мультивселенную как реальную сущность, мы обратимся к инфляционной теории. Эта идея была впервые сформулирована в 1980 году Аланом Гутом в следующем виде: на заре существования юная Вселенная пережила период стремительного расширения, которое подпитывалось своеобразной сверхвысокой энергией вакуума, существовавшей некоторое время. Это во многом помогает объяснить наблюдаемую Вселенную: в таком случае пространство–время должно быть ровным, гладким, но с небольшими флуктуациями плотности, то есть именно такими сгустками, из которых под действием силы тяжести со временем могут сформироваться звёзды и галактики. В настоящее время у нас нет прямых доказательств того, что инфляция действительно происходила, но эта идея столь естественна и полезна, что многие космологи приняли её в качестве основного механизма, объясняющего, как наша Вселенная могла приобрести современное состояние.

Если взять идею инфляции и скомбинировать её с принципом неопределённости из квантовой механики, мы можем прийти к драматическому и неожиданному следствию: в каких-то областях Вселенная прекращает расширяться и начинает выглядеть такой, какой мы наблюдаем её сейчас, а в других областях инфляция продолжается. Благодаря такой «вечной инфляции» порождается всё больше и больше пространства. В любой отдельно взятой области инфляция когда-нибудь закончится, и, когда это произойдёт, мы можем столкнуться с совершенно иной компактификацией дополнительных измерений, чем где бы то ни было. Инфляция может породить потенциально бесконечное число областей, в каждой из которых будут действовать свои законы физики, — по сути, отдельных «вселенных».

Вместе инфляционная теория и теория струн, пожалуй, позволяют говорить о существовании Мультивселенной. Мы не обязаны постулировать Мультивселенную как часть нашей окончательной физической теории. Мы постулируем инфляционную теорию и теорию струн; обе они — простые и надёжные идеи, возникшие независимо друг от друга. Тогда мы получаем Мультивселенную «даром». Как инфляционная теория, так и теория струн на настоящий момент являются абсолютно умозрительными идеями: у нас нет никаких эмпирических доказательств, что они верны. Тем не менее, насколько мы можем судить, это разумные и многообещающие идеи. Остаётся надеяться, что новые наблюдения и теоретические разработки помогут нам раз и навсегда решить эти вопросы.

Можно не сомневаться, что если мы придём к пониманию Мультивселенной таким путём, то всякое беспокойство о тонкой настройке и существовании жизни будет исчерпано. Очутиться во Вселенной, благоприятствующей существованию жизни, не более странно и не более информативно, чем обнаружить, что мы живём на Земле; есть много разных областей, и только в этой мы можем жить.

Какова должна быть для нас субъективная вероятность существования Мультивселенной? Сложно сказать, учитывая современный уровень понимания фундаментальной физики и космологии. Некоторые физики практически в этом уверены, другие отвели бы этому факту почти нулевую вероятность. Может быть, вероятность пятьдесят на пятьдесят. В данном случае важно, что есть простой и надёжный механизм, позволяющий полностью согласовать натурализм с существованием жизни, пусть даже жизнь очень сильно зависит от точных значений физических параметров нашей окружающей среды.

* * *

Итак, какова вероятность возникновения такой Вселенной, как наша, при справедливости теизма? Здесь мы сталкиваемся со схожей проблемой: «теизм» не является уникальной прогностической теорией мира. Люди по-разному интерпретируют теизм, поэтому различаются и оценки вероятности наблюдаемых явлений. Нам почти ничего не остаётся, кроме как идти дальше, не забывая о неотъемлемой неопределённости данного вопроса.

Разумно признать, что теизм с высокой вероятностью прогнозирует существование жизни. По крайней мере, большинство теистов не пропагандируют представлений о таком Боге, которому были бы совершенно безразличны человеческие существа. Можно представить себе такую концепцию: ни во что не вмешивающийся Бог, создавший Вселенную или поддерживающий её существование, но не уделяющий особого внимания так называемой жизни. Но в данном случае мы можем позволить себе быть великодушными и признать, что вероятность существования жизни при теизме велика; во всяком случае, выше, чем при натурализме.

Однако на этом история ещё далеко не заканчивается. Есть большая разница между «жизнью» и «числами, описывающими Вселенную, в которой могут существовать сложные химические реакции, которые мы приравниваем к жизнедеятельности». Возможно, Бог позаботился бы о первом, но далеко не так очевидно, что его могло бы заинтересовать второе.

От физических параметров нашей Вселенной зависит, что может происходить в рамках законов физики. Но в теизме «жизнь» обычно не сводится к простому проявлению законов физики. Верующие обычно не разделяют идеи физикализма; они считают, что живой организм — это не просто совокупная работа всех органов. Существует душа, дух, или жизненная сила, причём такая субстанция и является наиболее важным элементом жизни. Физические аспекты, возможно, важны, но они находятся на периферии феномена «жизни».

Если это так, то неясно, почему нас вообще должна волновать тонкая настройка физических параметров Вселенной. Физический мир может быть устроен как угодно; Бог всё равно создаст жизнь и соотнесёт её с иной вещественной формой — как ему заблагорассудится. Требование совместимости нашего физического состояния со сложными сетями химических реакций, подкрепляющих друг друга и подпитывающихся свободной энергией, — таких, которые обычно ассоциируются с жизнедеятельностью, — актуально лишь при условии истинности натурализма. Если уж на то пошло, тот факт, что наша Вселенная допускает такие физические конфигурации, должен толковаться не в пользу теизма и повышать для нас субъективную вероятность натурализма.

Признаться, любой бывалый теист может назвать вам ряд причин, по которым Бог решил увязать жизнь со сложными самоподдерживающимися химическими реакциями — по крайней мере, на время. Аналогично, если бы мы обитали во Вселенной, где жизнь не зависела бы от материи таким образом, подобное состояние тоже было бы несложно обосновать. Такая проблема возникает с нечёткими теориями.

* * *

Идея о том, что тонкая настройка служит доказательством в пользу теизма, сопряжена с ещё одной серьёзной проблемой. А именно: законы природы и устройство Вселенной несводимы к вопросу, может ли в такой Вселенной существовать жизнь. Если кто-то берётся утверждать, что теизм объясняет некоторые свойства нашей Вселенной, поскольку мы прогнозируем, что Богу было угодно создать жизнь, то уместен вопрос: какие ещё свойства Вселенной можно спрогнозировать при верности теизма? Именно здесь теизм начинает пробуксовывать.

Спрогнозировать, как Вселенная должна выглядеть при условии справедливости теизма, сложно по двум причинам. Существует множество различных концепций Бога, каждая из которых довольно туманно описывает позицию Бога по поводу физических констант. Более того, наши прогнозы получаются необъективными из-за того, что мы хорошо себе представляем, как именно выглядит Вселенная. Такая проблема присуща любой теории, формулируемой в словесной форме. Если работать с уравнениями, а не со словами, то не так просто подогнать прогнозы под известные результаты.

Тем не менее давайте попытаемся. Есть ряд свойств, которые, вероятно, должны были бы наблюдаться во Вселенной, если бы она создавалась в первую очередь для существования жизни. Подчеркнём три из них.

   • Степень тонкой настройки. Если кажется, что некоторые свойства Вселенной тонко настроены именно ради существования жизни, то логично ожидать, что они будут настроены достаточно хорошо, чтобы поддерживать жизнь, — но не более. Кстати, энергия вакуума именно такова: она меньше, чем могла бы быть, но достаточна, чтобы быть заметной. Однако другие параметры, например энтропия ранней Вселенной, кажутся настроенными гораздо тоньше, чем необходимо для существования жизни. Жизнь требует направленности во времени, поэтому должно быть какое-либо низкоэнтропийное начальное состояние. Тем не менее в нашей Вселенной энтропия гораздо ниже, чем потребовалось бы просто для существования жизни. С чисто антропных позиций Богу вообще не было смысла делать энтропию столь низкой. Поэтому мы полагаем, что есть какая-то динамическая физическая причина, по которой энтропия начала развиваться именно с такого тонко настроенного значения. Как только мы допускаем такую возможность, оказывается, что и другие примеры, якобы связанные с тонкой настройкой, могут объясняться подобным образом.

   • Запутанность наблюдаемой физики. Если законы физики были подобраны с прицелом на существование жизни, то логично предположить, что каждое из различных свойств этих законов должно было бы играть какую-либо важную роль в развитии жизни. На самом же деле мы видим путаницу. Все живые существа состоят из фермионов самого лёгкого поколения — электронов, верхних и нижних кварков, иногда в них попадаются электронные нейтрино. Однако существуют ещё два более тяжёлых семейства частиц, не играющих никакой роли в существовании жизни. Почему, например, Бог создал верхние и нижние кварки и почему у них именно такие массы? При справедливости натурализма можно было бы ожидать, что существуют разнообразные частицы, причём одни из них важны для жизни, а другие нет. Именно это мы и наблюдаем.

   • Центральность жизни. Если для Бога при сотворении Вселенной было важно, чтобы в конечном итоге в ней возникла жизнь, то сложно понять, почему жизнь кажется столь несущественной в получившейся Вселенной. Мы живём в Галактике, где более 100 миллиардов звёзд, а во Вселенной более 100 миллиардов галактик. С точки зрения жизни всё это изобилие совершенно избыточно. В земной биологии не произошло бы никаких заметных изменений, если бы мы жили во Вселенной всего с одной Солнечной системой и, может быть, с тысячью окружающих планет. Вероятно, просто из щедрости нам можно было бы добавить остальную часть Галактики. Однако миллиарды галактик, которые нам едва удаётся разглядеть в наши мощнейшие телескопы, не играют никакой роли для нашего существования. Что касается физики и биологии, Вселенная вполне могла бы состоять из немногочисленных частиц, которые образовали бы несколько звёзд, — и этого было бы достаточно, чтобы обеспечить благоприятную среду для жизни человека. Согласно теизму, большинства других звёзд и галактик вообще не должно было существовать.

Если бы мы были важны для Бога, то наше существование здесь, на Земле, вероятно, было бы чем-то масштабным с космологической точки зрения. Тут можно возразить: «Пути Господни неисповедимы; мы не представляем, какую именно Вселенную он стал бы создавать». Такая позиция возможна, но в данном контексте она не вполне честна. Сущность аргумента тонкой настройки такова: мы хоть что-то знаем о Вселенной, которую было угодно создать Богу — это должна быть Вселенная с такими законами физики, которые допускают возникновение сложных химических реакций, известных нам как живые организмы. Теория заслуживает доверия при объяснении мира лишь в той степени, в какой она позволяет на свой страх и риск спрогнозировать устройство этого мира.

Несколько лучше было бы сформулировать какую-либо позитивную теорию о том, почему Бог хотел, чтобы мир выглядел так, а не иначе, особенно, почему мир кажется таким крайне экстравагантным, с таким изобилием звёзд, галактик и всего прочего. Как правило, в таких теориях подчёркивается та или иная физическая причина, по которой Богу было проще создать много галактик, а не всего одну. Может быть, Богу нравится космическая инфляция и Мультивселенная.

Здесь возникает ряд проблем. Во-первых, всё не так; законы физики абсолютно не мешают существованию более компактной и сконцентрированной Вселенной, нежели та, которую мы видим вокруг. Во-вторых, потребовалось бы придумать причину, по которой Бог предпочитает творить простые вселенные, а не хочет немного самовыразиться. Кроме того, вы уже догадываетесь, почему это приводит нас в тупик: пытаясь объяснить, почему Бог хотел сотворить именно такую Вселенную, как наша, мы выхолащиваем из Вселенной особую роль Бога и возвращаемся к чисто физическим механизмам. Если легко создать такую Вселенную, как наша, зачем вообще полагаться при этом на Бога?

Наши теории неизбежно испытывают влияние тех знаний о мире, которые у нас уже есть. Чтобы более непредвзято рассмотреть, что прогнозирует теизм, можно просто вспомнить, что он прогнозировал до того, как были сделаны современные астрономические наблюдения. Ответ: ничего подобного. Как правило, донаучные космологии напоминают еврейскую концепцию, рассмотренную нами в главе 6. Земля и человечество занимают особое место в космосе. Никто, опираясь на идею о Боге, не смог спрогнозировать существование сотен миллиардов звёзд и галактик, практически равномерно рассеянных в наблюдаемой части Вселенной. Вероятно, ближе всех к этому был Джордано Бруно, которого признали еретиком, в том числе и за рассуждения о бескрайнем космосе. Его сожгли на костре.