соединений из более мелких молекул, позволяя организмам расти и восстанавливаться. В старших классах на уроках биологии нас учат, что цикл химической реакции, называемый циклом Кребса (он также известен как цикл лимонной или трикарбоновой кислоты (TCA)), позволяет людям превращать пищу в полезную энергию при небольшом добавлении вдыхаемого нами кислорода. Но какое все это имеет отношение к происхождению жизни?

Первый организм, отдельная клетка, должен был использовать для выживания некую примитивную форму метаболизма, однако он не мог получать энергию от солнечного света, поскольку механизм фотосинтеза относительно сложен и, предположительно, также появился позже, в ходе биологической эволюции. Кроме того, эта протоклетка (гипотетический примитивный организм, способный расти и размножаться) не могла получать энергию, поедая другие организмы, ведь их просто не было. Как первая форма жизни получала энергию, оставалось большой загадкой до 1977 года, когда появился новый фрагмент головоломки: глубоко в океане обнаружились экосистемы с новыми экзотическими формами жизни, причем в условиях, ранее считавшихся слишком экстремальными для поддержания биологической жизни. В нескольких километрах под поверхностью воды на дне океана эти организмы группировались вокруг величественных геологических структур, известных как гидротермальные источники.

Эти гейзеры (или горячие источники) представляют собой подводные вулканы, посредством конвекции переносящие тепло из раскаленных недр земли. По всему миру существует множество таких источников, преимущественно на срединно-океанических хребтах, образованных в результате расхождения тектонических плит. Простейшие организмы, живущие вокруг этих источников, представляют собой класс бактерий, называемых редуцентами-автотрофами, которые питаются геотермальной и геохимической энергией, образующейся при смешивании горячей магмы, морской воды и минералов. Как следствие, они не нуждаются ни в солнечном свете, ни в других организмах для поддержания своего существования. Ученые выяснили, что эти микроорганизмы осуществляли метаболизм в процессе упрощенной разновидности уже знакомого нам цикла Кребса, но в обратном порядке. Протекая в противоположном направлении, химические реакции, приводимые в действие относительно простым автокаталитическим набором, могли бы создавать и восстанавливать биологическую структуру организма, используя лишь небольшие неорганические молекулы, порожденные геохимией гидротермальных источников.

Этот обратный цикл Кребса был назван восстановительным циклом трикарбоновых кислот (TCA), и вскоре биохимики и молекулярные биологи признали его фундаментальную важность. Такому восстановительному циклу TCA в его самой примитивной форме не требуется целая клетка. Химическая сеть, состоящая всего из восьми карбоксильных кислот (простых органических молекул с несколькими атомами углерода), могла бы обеспечивать цикл и синтезировать биомолекулы произвольной сложности исключительно из неорганических компонентов. Более того, ученые показали, что такой цикл способен производить все основные органические соединения, из которых состоит каждый известный живой организм (включая каждый белок, нуклеиновую кислоту и липид), используя только углекислый газ и водород.

Очень скоро некоторые одаренные богатым воображением исследователи происхождения жизни (наиболее выдающимся из которых был, пожалуй, Майкл Рассел из Калифорнийского технологического института) заметили возможную связь между геохимией гидротермальных источников и метаболическими циклами, поддерживающими жизнь. Горячая и химически разнообразная среда обеспечивала не только необходимые для абиогенеза молекулярные строительные блоки, такие как углерод, водород, кислород, азот и фосфор, но и высокие температуру и давление, необходимые для организации этих элементов в сложную сеть химических реакций – этакую автокаталитическую установку, запускающую восстановительный цикл TCA.

Это еще далеко не все, что обеспечивали гидротермальные источники. В дополнение к необходимым молекулам-прекурсорам и потокам энергии, требующимся для их сборки, скальные структуры содержали многочисленные поры, которые могли служить перегородками, защищая формировавшиеся автокаталитические комплексы от разрушительного действия химических веществ и внешних возмущений. Другими словами, коллективный автокатализ, способный создать биологический механизм, мог начаться и без липидной мембраны. Поры могли служить марковским ограждением[6] – барьером, который сохраняет упорядоченную систему и отделяет ее от окружающей среды.

Протоклетке не требовались и белки для катализа реакций, поскольку горные породы давали минеральные соединения и другие малые молекулы, которые могли действовать как катализаторы, даже если они плохо справлялись с этой задачей по сравнению с современными ферментами. Нетрудно представить, как со временем автокаталитическая установка с такими возможностями, работающая по обратному циклу Кребса, смогла генерировать все белки, нуклеиновые кислоты и жиры, необходимые для клеточных структур и функций, например более сложных режимов метаболизма, самовосстановления и в конечном счете самовоспроизводства.

Спустя несколько десятилетий после публикации «Потока энергии в биологии», примерно на рубеже двадцать первого века, Моровиц вместе с физиком по имени Эрик Смит из Института Санта-Фе опубликовали ряд статей, изложив свою версию этой новой теории происхождения жизни, основанную на неравновесной термодинамике и работах десятков исследователей-единомышленников. В соответствии с новым нарративом жизнь на Земле возникла как самоорганизованная диссипативная система, порожденная тепловыми и химическими градиентами, возникшими в гидротермальных источниках или в каком-либо геологически подобном месте, где сочетаются горные породы, вода и интенсивный выход тепла.

Жизнь: великолепная эквилибристика Вселенной

На ранней Земле, претерпевавшей быстрые структурные и химические изменения, тот вид активности, который мы сейчас наблюдаем в жерлах подводных вулканов, должен был быть гораздо более распространенным. Это, предположительно, приводило к выделению огромного количества потенциальной химической энергии, которая накапливалась в обширных резервуарах. В отсутствие форм жизни, способных этой энергией питаться, неиспользованные градиенты вызывали энергетический дисбаланс планетарного масштаба, приводивший к глобальной термодинамической нестабильности. В результате этого напряжения там, где оно было наивысшим, самопроизвольно возникли напоминавшие примитивный метаболизм автокаталитические химические наборы, высвобождавшие и рассеивавшие избыток свободной энергии. Так как геологическая активность обеспечивала постоянный приток химической энергии, метаболические диссипативные структуры сохранялись, получая возможность развиваться.

Поскольку сложность реакционных сетей неизбежно возрастала, то, как предполагается, автокаталитический набор, работающий по циклу вроде восстановительного цикла TCA, синтезировал основные клеточные компоненты и постепенно включал их обратно в набор, который их и породил. В ходе этого процесса органическая химическая сеть становилась все более сложной, и самообновляющаяся система (аутопоэтический агент) трансформировалась в самовоспроизводящуюся систему (организм).

Эта теория объясняет не только происхождение жизни, но и формирование и поддержание биосферы в целом. По словам Смита, взаимосвязанная сеть живых организмов, покрывающая поверхность Земли, является «каналом релаксации» для снятия планетарного энергетического напряжения, аналогичного по функции разряду молнии – еще одной диссипативной структуре 1. Молния образуется самопроизвольно, когда разделение электрического заряда между землей и верхними слоями атмосферы нарастает настолько, что разрушает градиент, создавая канал для потока энергии. Аналогично и жизнь создает канал для потока энергии, открывая совершенно новую область химических реакций (известную как органическая химия), способную лучше рассеивать накопленную геохимическую энергию.

По мнению Смита и Моровица, «коллапсирование к жизни» было таким же неизбежным и естественным, как течение воды вниз по склону до достижения ее самого низкого энергетического состояния. И подобно тому, как текущая вода образует русло в склоне холма, которое со