Читать книгу 📗 Если Вселенная изобилует инопланетянами… Где все? - Уэбб Стивен

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

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

Энергетические соображения

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

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

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

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

Эукариоты не имеют такого же ограничения. Почему нет? Что ж, у них есть митохондрии — маленькие структуры, функция которых теперь заключается в том, чтобы действовать как генераторы энергии; митохондрии содержат мембрану, производящую АТФ, и геном для контроля потенциала через мембрану. Поскольку их энергетические потребности удовлетворяются митохондриями, остальная часть эукариотической клетки свободна для роста сложности. Так обстоят дела сейчас, но так было не всегда на протяжении большей части истории Земли. Клетки были маленькими. Однако в один роковой день в далеком прошлом одна простая клетка поглотила другую простую клетку (или одна клетка заразила другую). Однако вместо того, чтобы одна из клеток умерла, им каким-то образом удалось сосуществовать и иметь потомство. Меньшая клетка становилась все меньше и стала митохондриями, которые мы видим сегодня; это позволило клетке-хозяину накапливать все больше ДНК. Родилась эукариотическая клетка. Но рождение эукариотической клетки, похоже, было случайностью, причудливым событием, которое произошло здесь, на Земле, один раз. Нет никакой гарантии, что это произойдет где-либо еще.