временем углубляется, что приводит к увеличению силы потока, энергетические потоки тоже укрепляли химические каналы, которые мы называем метаболическими путями. По мере своего развития эти пути обеспечивали прочную основу для образования генетической и ферментативной сложности. Теория, выдвинутая Смитом и Моровицем, заставляет нас взглянуть на биологию в совершенно новом свете. Жизнь – это не просто какая-то молекулярная случайность. Это закономерный планетарный процесс, обеспечивающий решение для химически нестабильного абиотического состояния. Как выразилась Сара Уокер, их коллега из Университета штата Аризона, «жизнь – это не то, что происходит на планете; это то, что происходит с планетой»2.

Эта термодинамическая парадигма, объясняющая абиогенез, может также помочь объяснить биологическую эволюцию и развитие экосистем. Поскольку геохимические процессы, порождающие жизнь, постоянно производят химическую энергию и поскольку на поверхность планеты постоянно поступает солнечная энергия, биология не просто приходит и уходит, как удар молнии или торнадо, а сохраняется и размножается, подпитываемая топливом – свободной энергией, которая поддерживает ее в организованном и работоспособном состоянии. По мере того как потоки энергии управляют диссипативной и биологической эволюцией на протяжении длительных промежутков времени, жизнь неизбежно находит способы использовать новые источники энергии, такие как солнечный свет, кислород, плоть и огонь3. Чем больше энергии начинает циркулировать по живой сети, тем больше энергии становится доступно для обеспечения самовоспроизведения, и организмы порождают больше организмов, а те в свою очередь порождают еще больше организмов, которые диверсифицируются и соединяются, образуя сложные пищевые цепочки.

Таким образом, экосистемы можно считать высокоуровневыми автокаталитическими наборами, в которых организмы и виды осуществляют коллективный метаболизм тем же циклическим способом, что и химически связанные биомолекулы в клетках. Вместе с тем, как автокаталитические сети живых существ «обновляют» свои компоненты посредством биологического размножения с мутациями, жизнь на Земле непрерывно регенерируется, диверсифицируется и усложняется посредством аутопоэтического процесса, то есть процесса самообновления. Мы вернемся к этой идее во второй части, когда будем обсуждать эволюцию биосферы, а сейчас стоит отметить, что история жизни – как и история самого космоса – это история циклов и уровней.

Это новое описание абиогенеза показывает, что переход от неживого состояния среды к жизни происходит не мгновенно, а в несколько этапов, по мере того как метаболизм постепенно, слой за слоем, выстраивает функциональную архитектуру. В грандиозной монографии «Происхождение и природа жизни на Земле», опубликованной в 2016 году издательством Cambridge University Press, Смит и Моровиц описывают этот поэтапный процесс развития как «каскад фазовых переходов».

Теория фазовых переходов и происхождение жизни

Термином «фазовый переход» описывается внезапное всестороннее изменение общей структуры системы и ее функционирования. Большинство людей знакомы с простейшими фазовыми переходами, которые изучают на уроках химии в средней школе, такими как превращение жидкой воды в лед при низких температурах. Во время этого фазового перехода молекулы H2O принимают более стабильную и упорядоченную конфигурацию, переходя из жидкого агрегатного состояния в твердое. В природе есть примеры и более сложных фазовых переходов, когда группа взаимодействующих компонентов самоорганизуется в скоординированное и стабильное коллективное целое. Это происходит на разных уровнях абстракции. Упомянем часто встречающееся явление, за которым приятно наблюдать: полет стаи птиц, образующих меняющие форму геометрические паттерны, которые удерживают стаю и направляют ее. Мы также можем рассматривать возникновение человеческой цивилизации как большой фазовый переход, в результате которого поведенческий хаос коллапсировал в социальный порядок. Неравновесные фазовые переходы имеют решающее значение для истории космической эволюции, поскольку представляют собой механизм спонтанного возникновения новых уровней сложности и организации.

Как именно сложная система внезапно переходит в более организованное состояние, не совсем понятно, но это может происходить лишь тогда, когда компоненты системы коллективно взаимодействуют таким образом, что деятельность ее частей становится все более скоординированной и статистически связанной. Это не значит, что каждый компонент должен взаимодействовать со всеми своими соседями, однако все они должны быть связаны друг с другом таким образом, чтобы последствия локальных взаимодействий распространялись по всей сети подобно цепной реакции. Когда совокупный эффект этих взаимоукрепляющих взаимодействий достигает критического порога, то чисто механическим, но вместе с тем и весьма мистическим, если судить по внешнему виду, образом внезапно возникают глобальные паттерны синхронизированной активности, и система приобретает новое свойство или функцию, уместно называемую эмерджентным свойством.

Дополнительную загадочность явлению эмерджентности придает тот факт, что предсказать при помощи современной математики, когда произойдет переход, очень трудно или даже невозможно, поскольку процесс сдвига фазы включает в себя хаотические самоусиливающиеся циклы, которые нельзя точно вычислить или смоделировать. Это обусловлено эффектом бабочки, под которым понимается очень маленькое и, казалось бы, незначительное действие (такое как взмах крыла бабочки), но способное резко усилиться в результате хаотических циклов и вызвать торнадо на другом конце света. Этот эффект означает, что если вы попытаетесь смоделировать физическую систему с хаотической динамикой, то даже крошечная ошибка измерения, которую можно ожидать от любого мыслимого прибора, способна сильно исказить любой расчет будущего состояния системы.

По этой причине считается, что поведение живых существ, от пчел до людей, непредсказуемо не только на практике, но и в теории. Даже самый мощный компьютер в мире не может точно предсказать поведение жизни. Однако далекие от равновесия фазовые переходы можно предсказать в вероятностном смысле, используя новые математические инструменты неравновесной статистической механики, поэтому ученые исполнены оптимизма в том, что касается понимания и прогнозирования реальности, включая коллективное поведение агентов.

Поскольку хаотические петли обратной связи способны быстро увеличивать размер химической системы и ее метаболическую сложность, автокаталитическая сеть может претерпевать быструю последовательность фазовых переходов, если система приводится в движение достаточно значительным градиентом энергии. Под действием постоянного потока энергии сложность диссипативной химической сети неуклонно возрастает, формируются новые функции, и, наконец, самоорганизация порождает клетку.

Как и Джереми Ингленд, Эрик Смит и Гарольд Моровиц относят абиогенез к дарвиновскому процессу, который включает естественный отбор, влияющий на термодинамические вариации. Если фазовый переход приводит к коллективной конфигурации, улучшающей способность системы поглощать свободную энергию, которая ее поддерживает, то эта упорядоченная фаза будет сохраняться относительно других. Поскольку фазы, не улучшающие использование и рассеивание энергии, будут распадаться примерно так же быстро, как и появляться, то подвергающаяся усилению автокаталитическая система будет продолжать возвращаться к предыдущей стабильной конфигурации, пока не обнаружит превосходящее (более стабильное) состояние. А поскольку коллективные молекулярные структуры, способные извлекать доступную энергию, обычно более сложны, то прогресс в направлении все более нетривиальных диссипативных структур не является невероятным – в далеких от равновесия условиях он может быть неизбежным.

Вопросы и выводы

Эта точка зрения помогает объяснить, почему сформировавшаяся жизнь смогла выжить в суровой и изменчивой среде. По мере