Какво е живот?

От гледна точка на здравия разум, няма нищо по-лесно от това да кажеш кое е живо и кое - не.

Джералд Фейнберг и Робърт Шапиро,

"Живот извън Земята"

Малката подводница поема надолу към мрака на океанското дъно на стотици метри дълбочина и на наблъсканите в нея хора не им остава нищо друго, освен да чакат сякаш безкрайното спускане и да се взират през дебелите илюминатори на "Алвин". Пътуването започва в осветените от слънцето води, изпълнени с живот, който отначало е съвременен, но след това поема назад във времето - морските дълбини са дом на много живи изкопаеми, както се наричат изключително древните видове. Накрая спускането завършва на мястото, където вероятно се е зародил животът - място, където може би все още могат да се открият микроби, съществували при появата на първия ДНК живот. Тук би могъл да се приюти и друг вид живот, предшественик на познатия ни. Но кога точно достигаме до момента, в който настъпва преминаването от жива към нежива материя? Този въпрос ще стане още по-проблематичен през онзи ден на 1978 година.

Отначало подводницата е заобиколена от богатата дневна фауна на субтропичния Пасифик - облаци планктон, развил се предимно от кредата насам; ята дребни риби и преследващите ги по-едри хищници, също останки от края на мезозойската ера; медузи и други подобни, с много по-древен произход, но представени от развили се съвсем неотдавна видове; всевъзможни морски игли и червеи; стрелкащи се и неподвижни ракообразни, изглеждащи по-съвременни и от рибите в тези къпани от слънцето води. Със спускането на подводницата цветовете на водата се променят и постепенно преминават през спектъра на синьото във всичките му оттенъци до най-тъмните тонове. Животът вече е по-рядък и изглежда много по-различно. Формата на рибите се променя, както и външният вид на безгръбначните. Сега поне в очите на палеонтолога светът изглежда много по-близък до мезозоя. От време на време се появява някоя сепия, но дори тези мекотели не приличат на своите обитаващи светлите зони братовчеди. При някои от областта на главата се протягат дълги пипала, докато други са с тумбести, изпълнени с амоняк тела, наподобяващи пълни с горещ въздух балони. Тези екзотични сепии са може би най-близките живи роднини на измрялата раса на амонитите, станала жертва на метеорита от края на креда, когато самата тя била вече на преклонна възраст. Тук, по средата между дъното и повърхността, фауната разчита на плавателните си мехури, за да стои непрекъснато на една и съща дълбочина - фауна от дълбоката древност. През прозорците на малката подводница, намираща се вече на повече от километър и половина под повърхността, учените виждат бавно движещите се безгръбначни, преливащи във всички цветове на дъгата. Още по-надолу, на дълбочина около три километра, в мрака започват да се стрелкат малки светлинки, подобни на блуждаещи звезди сред заобикалящите ги живи пасища, също като рояците светулки в някоя топла вечер в Охайо. От време на време пред илюминаторите преминават по-големите хищници - причудливи риби и сепии от тези дълбочини, някои от които са изумителни гротески с огромни, пълни с остри зъби пасти. Всички са със светли кореми и тъмни гърбове, така че всеки наблюдател отгоре ще вижда единствено тъмнина, а отдолу няма да забележи силуетите им на фона от слабата светлина на далечната повърхност. На външен вид всички те сякаш са пришълци от далечната палеозойска ера, към която се отнасят бронираните артродири, известни ни от забележителните фосили в шистите от Клевеланд с техните характерни хетероцеркални или обърнати опашки на акули, които се откриват единствено при тези дълбочинни видове и при фосилите отпреди четиристотин милиона години.

След като тъмносините тонове на тропическото море окончателно помръкват и се сменят с кадифен мрак, мощните прожектори на "Алвин" се включват и осветяват район, лежал в тъмнина в продължение на милиони години. Подводницата най-сетне стига дъното и сякаш се е върнала назад във времето, към зората на живота на Земята. От потапянето е изминал цял час. След сякаш безкрайното спускане, когато въображението на изследователите вече е прехвърлило многото разнообразни начини, по които апаратът би могъл да откаже и да изложи крехките си обитатели на чудовищното налягане и студ, най-сетне се появява дъното. Голо и безжизнено, то прилича на всяко морско дъно от периода преди камбрийската експлозия - времето преди 550 милиона години, когато сякаш изведнъж се появили всевъзможни животински видове. В продължение на три и половина милиарда години преди това дъната на всички океани са били обитавани единствено от микроби и са изглеждали голи като това пред прожекторите.

Известно време "Алвин" се носи над това пустинно дъно. Може би по същия начин изглежда и дъното на Европа, несъмнено представляващо подобна потънала в пълен мрак утаечна равнина. Но дали то, или дори това дъно, е наистина безжизнено? После най-изненадващо гладката тиня на тихоокеанското дъно се сменя със скалист пейзаж. Пред "Алвин" се разкрива разбъркана каменна пустош, страна на подводни вулканични отвори. Дъното прилича на разпердушинен склад за вехтории с огромни полета от лава и извиващи се като зъбна паста потоци вече твърда скала, покрита с патината на седиментите. Подводницата се спуска на около пет метра над него и се носи над безкрайните полета вулканична скала, когато стреснатите є пътници внезапно се озовават сред изобилие от живот, напълно различен от онзи в по-горните райони. Това е странната "коминна" фауна, открита едва две години преди това при подводните проучвания край Галапагос. Но тогава изследователите попаднали на далеч по-спокойно дъно в сравнение с това тук. Водата става мътна, изпълнена с подобни на прах частици и по-големи парченца противна на вид слуз. От време на време се виждат тръбести червеи, бели миди, раци и всевъзможни неизвестни до този момент безгръбначни. По отношение на червеите, мидите и раците няма съмнение, че "Алвин" е открила живот - странен, разбира се, но несъмнено земен живот. Но дали същото се отнася за реещата се слуз и белите снежинки, замъглили чистите само допреди миг води? Какво представлява тази материя? Жива ли е?

Дъното става още по-разчленено, с отвесни стени и дълбоки тесни каньони. Скалите в този нов свят са покрити с кафява маса (килим от микроби?) и макар че обитателите на малката подводница не могат да го знаят, голяма част от тази слуз в дълбоката скалиста пустош се състои, подобно на по-едрите видове, от живи изкопаеми - но този път не от някаква палеозойска ера, а от далеч по-древна епоха, когато Земята е била млада преди милиарди, а не преди милиони години. Внезапно и неочаквано точно отпред се появява висок скален шип. Той е покрит с живот, но учените са вперили поглед в нещо далеч по-пленително. Вертикалната колона мощно изригва чудовищни кълба черен дим в мрака. По-нататък в мътната вода смътно се различават и други комини. Някои се издигат на височина колкото четириетажна сграда. Тук също има живот - големи бели миди и забележителни тръбести червеи, открити и при спусканията на "Алвин" край Галапагоските острови. Не това обаче изумява толкова силно учените. Подводницата сякаш е попаднала в някакъв кошмар на Тим Бъртън, в една готъмска версия на Англия от времето на промишлената революция, в която черните каменни комини бълват още по-черен дим в чистите океански води над мръсния и мрачен град с безразборно разпръснати каменни постройки. Учените са стигнали до индустриалното сърце на планетата. За първи път хората виждат страната на черните комини. Заражда се един съвсем нов възглед за възникването на живота на Земята - а вероятно и на други светове.

Налага се комините да бъдат изследвани по-отблизо. Натъпканите на борда на "Алвин" учени карат пилота да отчупи с помощта на механичната ръка парче от върха на един от тях и в отговор обезглавеният комин започва да бълва пагубната си черна течност с още по-голяма сила. До него предпазливо се доближават термометри. Черният дим (представляващ всъщност свръхнагорещена течност от земните недра) се оказва наистина топъл - около 37°С. И значително превишава температурата на първите вулканични отвори, измерена при Галапагос две години по-рано - около 16°С. Учените подозират, че термометрите отчитат неточно. Но повторните опити показват, че показанията са верни. Колко ли гореща е била течността, преди да напусне тези високи каменни комини?

По-късно, когато "Алвин" се връща на повърхността, техническият екип прави проверка на инструментите и открива, че пластмасовият край на температурната сонда се е стопил. Възбудените учени провеждат бърз експеримент и откриват, че температурата на топене на издръжливата пластмаса е над 175°С, много над точката на кипене (100°С). Очевидно от тези странни геологични образувания, така наречените черни комини, излиза свръхнагорещена вода. На "Алвин" бързо се монтират по-прецизни термометри. При следващите потапяния изумените изследователи гледат показанията на уредите и клатят невярващо глави. Температурата на черната течност се оказва над 315°С. Учените са поразени. Никой не е подозирал подобно нещо. Течността си остава течност единствено благодарение на огромното налягане на тези дълбочини.

Изкараните на повърхността парчета от комините се оказват съставени от богати на сулфиди минерали. Известно е, че подобни минерали служат като енергиен източник на голяма група бактерии, и това обяснява защо всяка повърхност в района на комините е покрита с микроби. При следващите потапяния учените се натъкват и на друг феномен. Този път не става въпрос за огъня и сярата, а за доказателство за наличието на живот. Микроскопични живи организми се откриват не само в адската среда, но и вътре в самите комини. Свидетели сме на нов тип екология, съставена от видове, способни не само да живеят в екстремни условия, но и да процъфтяват в тях. За разлика от всички други екосистеми на планетата, които в крайна сметка се захранват по един или друг начин от слънчевата светлина посредством фотосинтезата, тази съвкупност от големи животни и микроорганизми използва за свой основен енергиен източник не друго, а топлината на Земята и основната храна на странните животни са бактериите, захранвани не от слънцето, а от врящите, богати на химикали течности, изригващи от самото царство на Хадес.

Условията около дълбочинните вулканични пукнатини, които са дом на тези новооткрити екосистеми, могат да се опишат с една-единствена дума - екстремни. Екстремна горещина, заобиколена от екстремен студ, екстремно налягане, пълен мрак и отровни химикали, или накратко казано - условия, при които животът изглежда абсолютно невъзможен. И въпреки това в тези врящи казани растат и процъфтяват най-разнообразни микроорганизми при температури, убийствени за което и да било животно. Това трябва да ни накара да преосмислим така наречените правила на живота и предпоставките за това къде би могло да го има и къде - не.

Оказва се, че на Земята съществуват най-малко два напълно различни вида живот. Единият е традиционният, познат ни от векове живот, в който растенията улавят слънчевата светлина и превръщат въглеродния диоксид в жива материя, която бива изяждана от тревопасните, а те на свой ред служат за храна на все по-големи и по-големи хищници, всички те покрити с паразити и в крайна сметка поглъщани от мършояди. Освен това съществува и тази новооткрита втора система, при която бактериите получават енергия от вулканичните отвори - благодаря, нямаме нужда от слънчева светлина - и играят ролята на зелените растения в по-разпространената система. Микроорганизмите, които са на най-долното стъпало от хранителната верига в отворите, се хранят със серните съединения около тях. В тази система микробите са еквивалент на растенията от повърхността на планетата. Морските биолози постепенно започнали да осъзнават, че за да разберат тази нова система, е необходимо най-напред да установят метаболизма на микробите.

Описаното тук проучване е проведено в края на 70-те и е добро като начало на една книга за живота. Именно по това време астробиологията започва да се оформя като сериозна наука. Новата система създания, открити при тези потапяния, дискредитира до голяма степен "всеизвестното познание" за земния живот и внесе смут в самодоволната дотогава биология, която смяташе, че е открила едва ли не всичко, което може да се открие за живота. Учените не предполагаха, че само за няколко години след тези проучвания цялата концепция за историята и класификацията на живота ще бъде преобърната от революцията, предизвикана от сравняването на гените на различните създания. Но колкото и да са важни, тези причини не лежат в основата на решението ми да започна книгата си с "Алвин", проникнал дълбоко във вечния мрак на океанското дъно, където температурите са или прекалено високи, или прекалено ниски за познатия ни земен живот. Някой ден една по-малка версия на "Алвин" ще се гмурне в един или два различни океана от температура и химия, които едва ли ще се различават особено от тези на нашата планета. Под ледените пластове на Юпитеровата луна Европа и под леда на спътника на Сатурн Титан нашият вид ще изпрати машини в една чужда среда, подобна на тази от проучванията от края на 70-те. Дали ще открием живот? Това е очевидният въпрос. Има обаче и един друг, който не се набива толкова на очи, но е не по-малко важен, макар че отговорът му може да се окаже много труден. При първото си потапяне при черните комини на океанското дъно "Алвин" се натъква на облак слуз, която опитните биолози дори не идентифицирали като живот, докато не прибягнали до помощта на съвременните си инструменти. И това се случило не другаде, а тук, на Земята. Дали ще успеем да разпознаем като живи извънземните, на които евентуално бихме се натъкнали в океаните на Европа и Титан? Животът на Земята, дори и най-простият, е сложно устроен. Но дали не сме повдигнали прекалено високо летвата на нашите дефиниции на живота? Можем ли да наречем живот бавно растящия кристал, частиците глина с прикрепените към тях отделни въглеродни молекули или дори странните съединения от силиций и въглерод, носещи се в свръхохладено масло на повърхността на спътника на Сатурн? Нека разгледаме първия и най-важен въпрос, пред който се изправят онези земни жители, имащи смелостта да се нарекат астробиолози. Какво е живот?

И тъй, какво е живот?

Някои от най-добрите умове, родени от нашия вид, са се борили с този проблем, без да успеят да стигнат до някакво съгласие. Нашето мнение кое е живо на някой друг свят най-вероятно ще бъде силно повлияно от принадлежността ни към гилдията на земния живот, или живота такъв, какъвто го познаваме. Напълно е възможно в крайна сметка да се натъкнем на нещо, което ще наричам извънземен живот, който дори няма да разпознаем като такъв - дори и да съществува, все още неоткрит, на нашата собствена Земя. Докато големият страх за човечеството е, че ще (или няма да!) открием извънземни на Земята или в Слънчевата система, посивяващите глави се тревожат повече от възможността да се натъкнем на живот, без да успеем да го разпознаем. Както ще видим, ние сме изправени пред сериозни трудности, когато решаваме дали едни или други органични форми на Земята са живи. Какво говори това за способността ни да определяме кое е живо и кое не е на някой друг свят?

Следващото твърдение показва колко проблематична може да бъде дефиницията на живот: Всички живи организми са съставени от молекули, които сами по себе си не са живи. На кое ниво на организираност се появява животът? По какво се различава живата материя от неживата?

Има дълъг списък наистина умни хора, опитали се да проумеят и дефинират естеството на живота (по-точно живота на Земята, тъй като малцина от тези мъдреци са се занимавали с по-мащабната картина на живота в космоса). Въпросът "Какво е живот?" дори е послужил като заглавие на няколко книги, най-прочутата от които е на Ервин Шрьодингер, физик от началото на двадесети век, която представлява чудесна начална точка за тази дискусия. Краткият труд на Шрьодингер е основен жалон не само за написаното, но и за самите автори. Дотогава биологията, химията и физиката съществували в отделните си области и макар последните две науки до голяма степен да се припокривали, светът на живата природа рядко попадал в полезрението на двете по-материалистични дисциплини. Шрьодингер е един от първите, осмелил се да срине тези стени. Той започва да мисли за организмите от гледна точка на физиката и още в началото на книгата си открито посочва разликата между живо и неживо. Макар че в по-голямата си част книгата се занимава с природата на наследствеността и мутациите (тя е написана две десетилетия преди откриването на ДНК, когато наследствеността все още представлявала объркваща загадка), на последните страници Шрьодингер се спира върху физиката на "живото" и посочва, че "живата материя избягва разложението до постигането на равновесие" и че животът "се храни от отрицателната ентропия". Ентропия е терминът, описващ как естествените системи се движат от състояние на ред към състояние на хаос. Така за Шрьодингер животът се движи в противоположната посока, като успява по някакъв начин да превърне хаоса в ред, или да обърне естествената посока на ентропията. Оттук е и изразът "отрицателна ентропия". (Физиците обожават да усложняват иначе простите неща.) Живите организми постигат това чрез метаболизма - с яденето, пиенето, дишането или най-общо казано, чрез обмяната на веществата. Дали това е ключът към живота? Може би - поне от гледната точка на биолога. Но физикът Шрьодингер вижда тук нещо далеч по-дълбоко: "Обмяната на веществата би трябвало по същество да е пълен абсурд. Всеки атом азот, кислород, сяра и т.н. не е с нищо по-добър или по-лош от друг като него; какво може да се придобие при размяната между тях?" Какво тогава е онова скъпоценно нещо, наричано живот, което се съдържа в нашата храна и ни поддържа живи? За Шрьодингер отговорът е прост: "Всеки процес или събитие означава увеличаване на ентропията в света, в който се случва. Следователно живият организъм непрекъснато увеличава своята ентропия..." Така животът е "устройството", чрез което организмите се запазват в значително висока степен на ред, като непрекъснато поглъщат "безредието" около себе си. Въпреки цялата си проницателност, някои от възгледите на Шрьодингер (и физиците като цяло) за живота са доста наивни. Например, от тяхна гледна точка животът може да се разглежда като серия от машини, събрани заедно, свързани по някакъв начин една с друга и функциониращи по начин, който би могъл да бъде разбран (като самия живот) с помощта на законите на физиката. Така в продължение на половин век въпросът "Какво е живот?" имал прост отговор - животът е просто конгломерат от машини, превръщащи безредието в ред. Но през втората половина на двадесети век биолози, химици и физици започнали отначало да подлагат на съмнение, а след това и да отхвърлят тези виждания.

Ренесансът в научното разбиране на живота, според който той определено е нещо повече от биологични машини и ентропия, по една ирония на съдбата се поведе от двама други физици - Пол Дейвис и Фриймън Дайсън. През 1998 г. Дейвис публикува книгата си "Петото чудо", в която разви разбирането за живота, задавайки въпроса какво прави той. Ако всичките му отговори могат да се разбират като промяна в ентропията в резултат на биологичните "машини", то бихме могли да докажем становището на Шрьодингер. Дейвис обаче показа, че в живота наистина има нещо повече от това. Ето и отговорите му какво "прави" животът.

Животът обменя вещества

Всички организми обработват химически съединения, като по този начин вкарват енергия в телата си. Но за какво я използват? Това приемане и освобождаване на енергия се нарича метаболизъм и е начинът, по който живият организъм поглъща описаната от Шрьодингер отрицателна ентропия, необходима за запазването на вътрешния ред.

Животът се отличава

със сложност и организираност

Не съществува прост живот, съставен само от няколко (или дори от няколко милиона) атома. Всички живи организми се състоят от огромен брой атоми, подредени по много сложни начини. Но тази сложност не е достатъчна; нейната организираност е всъщност основна характеристика на живота.

Животът се възпроизвежда

Това е очевидно. Може да се възрази, че много машини могат да се програмират така, че да се възпроизвеждат, но Дейвис изтъква, че животът не само трябва да направи копие на самия себе си, но и на механизма, позволяващ по-нататъшно копиране; или с други думи, животът трябва да включи и копие на средствата си за възпроизводство.

Животът се променя

След като бъде направено копието, животът продължава да се променя; това може да се нарече развитие. Това отново е процес, осъществяван посредством механизмите на живота, но включва също и процеси, които не приличат на машинни. Именно в тази област новият възглед за живота радикално се различава от гледната точка на Шрьодингер.

Животът еволюира

Това е най-фундаменталното свойство на живота и е неразривно свързано с него. Дейвис описва тази характеристика като парадокс на постоянство и промяна. Гените трябва да се възпроизвеждат и ако не са в състояние да го правят много редовно, организмът ще загине. От друга страна, ако възпроизвеждането е съвършено, няма да има разнообразие и няма да може да се говори за еволюция чрез естествен подбор. Еволюцията е ключът към приспособяването, а без приспособяване животът е невъзможен.

Животът е автономен

Това положение е най-сложното за дефиниране и същевременно е в основата на живота. Живият организъм е автономен, тоест той се самоопределя. Но как точно тази "автономия" се осигурява от многото различни части на организма, според Дейвис все още си остава загадка. Все пак, именно автономията е онова, което за пореден път разграничава живота от машината.

С проблема се заеха не само физиците от края на века, но също така биолозите и дори астрономите. Великият Карл Сейгън започна прочутата си битка за изясняване на въпроса какво е живот и за разлика от повечето други мислители, които се занимават единствено с живота, какъвто се открива на Земята, той подхожда към проблема с определена цел. Интересът му е насочен към живота извън Земята - или живота, какъвто не го познаваме. В средата на 70-те Сейгън имаше някои много прагматични причини да потърси по-добро определение на живота - както ще видим в десета глава, той е един от водещите учени, заети с амбициозния проект за изпращане на големите сонди до Марс, завършен от НАСА през 1976 г. Определението на Сейгън, към което НАСА до голяма степен се придържа и до днес, разглежда живота като химична система, способна на еволюция от Дарвинов тип.

В тази дефиниция има три основни концепции. Първо, ние си имаме работа с химични вещества, а не просто с енергия. Така всички онези енергийни същества от "Стар Трек" отпадат от играта. Второ, става въпрос не просто за химични вещества, а за химични системи; с други думи, налице е взаимодействие между химичните вещества. И накрая, тези химични системи трябва да са подложени на Дарвинова еволюция, което означава, че в една среда има повече индивиди, отколкото е наличната енергия - следователно някои от тях ще загинат. Останалите ще оцелеят, защото притежават по-развити средства за съществуване и ги предават на своите потомци, осигурявайки им по този начин повече шансове за бъдещето.

Дефиницията на Сейгън (възприета от НАСА) има и предимството, че не смесва понятието живот с това да бъдеш жив. Но и тя не е съвършена. Само единият представител на разделящ се на два пола вид например не може да претърпи Дарвинова еволюция и излиза, че не е жив. Но определението на НАСА има и положителни страни. Ако го приемем, това ще означава, че учените, с които ще се срещнем по-нататък в книгата (и по-конкретно биологът от "Харвард" Жак Жостак и многото му поддръжници), вече са създали живот в епруветка, тъй като са успели да получат къси молекули РНК - химична система, която претърпява естествен подбор.

И тъй, кога "започва" животът? Като съберем всички различни възгледи по въпроса какво представлява той, можем да кажем, че животът започва в някаква среда, когато нейната химия - или по-точно геохимията (сборът от химичните реакции в скалите, въздуха и водата или другите флуиди) - се съчетае с нови, самоподдържащи се, възпроизвеждащи се и развиващи се химични реакции между органични молекули на някаква планета, луна или друго небесно тяло. На едни и същи релси се озовават два различни химични влака и така получаваме живот.

Дефиниране на живота

на базата на простотата

Дотук се занимавахме с въпроса какво е живот и представихме серия дефиниции. Нека сега подходим към трънливия проблем от друг ъгъл. Какъв е най-простият сбор атоми, който може да се нарече жив? Този въпрос ни позволява да погледнем към различните съставни части на простия жив организъм и да се запитаме дали всяка една негова система е необходима за запазването на организма като такъв. За живота на Земята бихме могли да си зададем въпроса коя е най-простата жива форма на планетата и от какво се нуждае тя, за да продължи да живее? Можем да приемем резултатите и да се поинтересуваме възможно ли е зараждането (или конструирането, но това е тема на друга глава) на извънземен организъм, който да е по-примитивен и от най-простия организъм на Земята?

Най-примитивният организъм на нашата планета, който можем единодушно да наречем жив, е една голяма и разнообразна група микроби, познати ни като бактерии. Добре известната бактерия E. coli може да ни послужи като пример за тези изумителни създания, но същото се отнася и за всяка друга бактерия. Наистина, като представител на бактериите, E. coli е сравнително сложна. Първото ни впечатление от нея е колко малка е тя и колко просто е устройството є. Просто едно телце във формата на пръчица. Външната част представлява клетъчна стена с вътрешна плазмена мембрана, обгръщаща голяма неразчленена вътрешност. Тази мембрана е жизнено важна за клетката, тъй като я отделя от останалия свят и осигурява съществуването на вътрешна среда, притежаваща различна химия и състав от външната. (Стените поддържат формата на клетката и я предпазват от пръскане под въздействието на осмозното налягане. Те са порести и не възпират влизащите и излизащите вещества. Плазмената мембрана е полупропусклива и макар да е деликатна, осигурява контрол над приеманите и изхвърляните от клетката вещества.) Ако премахнем стената и мембраната, дали останалите съединения ще бъдат все още живи? Естествено, че не. Не познаваме организми, които нямат свойството да се отделят от по-голямата околна среда. Значи излиза, че животът се нуждае от някакъв аналог на клетъчната стена, която откриваме у всички известни ни организми на Земята.

Основната градивна единица на плазмената мембрана на нашия познат земен организъм е вещество на име липид, което има свойството да не се разтваря в течна вода. Разбира се, това е наистина необходимо, ако на клетката се налага да запази целостта си в свят като нашия, където водата е вездесъща. Съставящите мембраната молекули са изградени предимно от фосфор, въглерод, водород и кислород. Начинът, по който се съчетават отделните атоми, є осигурява свойството да не се разтваря във вода. Молекулите се различават от въглеводородите (дълги вериги въглеродни атоми, свързани с много водородни атоми) по това, че имат и кислород. Сам по себе си липидният слой не позволява на водата и разтворените в нея вещества да минават през него. Това щеше да се окаже катастрофа за всеки организъм, притежаващ единствено липидна стена. За да се справи с проблема, структурата на клетъчната стена трябва да бъде по-сложна. Тя е издължена и единият є край (с прикрепена към него фосфатна молекула) може да реагира с водата, докато другият не може. Това е необходимо за живота, или за приемането на вещества за метаболизъм и изхвърлянето на потенциално отровни странични продукти на същия този метаболизъм. Затова повечето биолози, занимаващи се с проблема какво е живот, са уверени, че всеки организъм, който бихме могли да дефинираме като такъв, трябва да притежава някакъв подобен вид мембранна система. Както ще видим, дори това становище може да ни накара да игнорираме някои по-интересни съчетания от атоми, които биха могли да бъдат живи. По-късно ще се върнем отново към тази интересна възможност. Засега нека се подчиним на установената догма и се запитаме дали съществува друг елемент освен въглерода, който може да се използва за изграждането на мембрана като наличната в земния живот. За условията на Земята отговорът като че ли е отрицателен.

Да продължим да разглеждаме този пример на земен живот и като едни миниатюрни пътешественици да подемем наново обиколката си из храбрия земен обитател, като навлезем по-дълбоко в клетката и минем през външната мембранна система, разделяща бактерията от околната є среда. Вътрешността е натъпкана с молекули, подредени в пръчки, топки, листа и някои доста по-сложни образувания, всички носещи се в солено желе. Ако можехме да видим самите молекули, щяхме да останем поразени от разнообразието им. Ще открием около хиляда нуклеинови киселини (по-късно ще се спрем по-подробно върху тях) и над три хиляди различни белтъчини. Всички те участват в някакви химични реакции, които, взети заедно, представляват процеса, наричан от нас живот, и един от основните въпроси пред биологията е колко химични процеса могат да протичат едновременно в подобно едностайно жилище.

Дотук добре. Нека обаче влезем за миг в ролята на противни астробиолози и насочим тази приличаща на история от второкласен филм за миниатюрни хора към нещо далеч по-интересно. Да въоръжим дръзките ни изследователи с хитрите лазерни оръжия (и прилепнали по кожата костюми!) на Ракел Уелч и Стивън Бойд в хита от 60-те "Фантастично пътешествие" и да ги накараме да стрелят по вътрешността на бактерията. Виждате ли онзи мехур там горе? Бам! А онази сложно нагъната белтъчина? Бам! Колко нуклеинови киселини и белтъчини можем да превърнем в желе и въпреки това горката нападната клетка да остане жива? (Признавам, че подобно отношение към жив организъм, вършещ същото със самите с нас, предизвиква у мен странно задоволство.) Това е експеримент, провеждан (с помощта на различни техники от използваните от миниатюрната Ракел Уелч) в много лаборатории в опит да се открие какъв е минималният необходим строеж на един организъм, за да остане той наистина "жив". Оказва се, че почти всеки микроб, в който проникваме по този начин, е невероятно сложен и притежава много повече механизми, отколкото са му нужни за съществуването. Ако сравним състоянието "жив" с еднозвезден хотел във Франция, то няма да открием четиризвезден (не че ми се е случвало удоволствието да отсядам в такъв), а направо стозвездни "Риц-Карлтъни". И това далеч не са луксозните модели - многоклетъчните примери като самите нас. И тъй, земният живот е първокласен от началото до края! Или поне земният живот, който сме открили до този момент. Възможно е някъде в покрайнините му да има гета, които все още са ни неизвестни, но за това ще говорим на друго място.

Продължаваме пътешествието си през вътрешността на тази хитроумна и бронирана земна бактериална клетка и се озоваваме пред две по-големи и по-различни форми. Първо, това са около десет хиляди отделни сфери, известни като рибозоми, разпространени сравнително равномерно в нея. Ако можем да им придадем антропоморфен образ, рибозомите ще се окажат сред най-важните герои в драмата "Как се е развил животът на Земята", започнала да се играе и да печели гръмки овации преди почти четири милиарда години - а нима не бихме искали да разберем дали не е напуснала Бродуей и не се поставя и в летните театри на Марс, Венера, Европа и Титан? Рибозомите са сложни образи, както и може да се очаква от всяка по-месеста роля (извинете за каламбура, но именно те изграждат месото). Съставени са от три отделни типа нуклеинова киселина, известна като РНК, както и от около петдесет вида белтъчини. Но все пак те не са основните звезди на представлението. Тази привилегия е оставена за истинските примадони, вторите по-големи части на клетката - хромозомите, или дългите вериги ДНК, съчетани със специфични белтъчини.

Именно хромозомата е крайната точка на нашето пътешествие в клетката. Дългата нишка ДНК, играеща ключова роля за живота на Земята, е съставена само от пет елемента - въглерод, фосфор, азот, водород и кислород. Именно тази молекула обединява целия познат живот на Земята и е доказателство за общата му история и произход. Именно тя управлява всичко и е причина затворената клетка да не е просто купа химическа супа, а функционираща жива единица. В нея е кодирана цялата информация, необходима за поддържането и работата на тази сложна химическа фабрика.

И тъй, какво в тази клетка е живо? Казано по друг начин, какво представлява животът? Или, ако наистина се заемем да махаме чарковете един по един, в кой точно момент горката ни жертва ще загине? Нашата бактерия се състои от неживи молекули. ДНК молекулата определено не е жива в смисъл, който би могъл да се приеме от който и да било рационално мислещ човек. Самата клетка се състои от безброй химични съединения, всяко от които, взето поотделно, е просто продукт на химични реакции. Очевидното увеличаване на реда вътре в клетката - загубата на ентропия, или отрицателната ентропия на Шрьодингер отпреди толкова много години - не противоречи на втория закон на термодинамиката (според който всяка химична реакция води до загуба на енергия), тъй като се съпровожда от увеличаване на безредието около самата клетка.

Може ли да се каже, че никой от компонентите не е жив, а това е свойство на клетката като цяло? За конкретната бактерия нещата изглеждат точно така (освен, разбира се, ако в нея няма някой и друг вирус, но към този много спорен въпрос ще се върнем малко по-нататък) и ако искаме да разберем как е възникнал животът, трябва да открием минималната клетка, която е в състояние да постигне това. Колко малка, с какъв минимален набор от молекули, реакции и информация може да бъде тя и все пак да притежава неуловимото свойство, наречено живот? И нещо повече - ако това е наистина живот, как е възможно да има подобен на живота процес без различните молекули и химични реакции, представляващи част от системата, която извлича ред от околната си среда и се възпроизвежда и развива? Налага се или да променим определението на това какво е живот, или да се окажем пред някаква минимална, но въпреки това изключително сложна система от материя и поток на енергия. Така че за да създадем извънземен организъм, ние, изглежда, трябва да променим само структурните компоненти, а не самия живот. Нека направя първото от многото глупави заключения - съществуват извънземни тела, но не и извънземен живот. Има много начини неживата материя да бъде накарана да придобие свойството живот. Но тя ще бъде просто един от "видовете" на живота като цяло.

Един от сериозните проблеми при проучването на тази проста клетка се състои в това, че когато се разгледа в детайли, тя в никакъв случай не може да бъде наречена проста. Фриймън Дайсън специално се спира върху този аспект на съвременния живот, когато задава въпроса "Защо животът (или поне животът днес) е толкова сложен?" Ако всички известни ни бактерии съдържат няколко хиляди вида молекули (кодирани от няколко милиона основни двойки в ДНК молекулата), то излиза, че това сякаш е минималният по големина геном. И въпреки всичко днешните бактерии са продукт на повече от три (а може би и повече от четири) милиарда години еволюция. Колко прости биха могли да бъдат първите организми и колко прости биха могли да бъдат микробите на Марс, Европа или Титан? Дали сме заслепени от земната сложност на живота, докато всъщност може да съществуват и много по-просто устроени организми? Именно това е причината да се спрем толкова надълго и нашироко върху тази на пръв поглед тривиална, но явно доста сложна материя. Каква всъщност е най-простата съвкупност от съединения, която би могла да се възприема като живот? Може би най-простият земен живот е сред най-сложните живи форми във вселената, а ние като земни жители да сме напълно слепи за този факт. Отговорът все още не ни е известен. По въпроса обаче работят поне няколко души, повечето от които са мои събратя астробиолози. Лично аз имам чувството, че съществува огромно разнообразие на живот, който е много по-просто устроен от най-простите според нашите критерии клетки. Така че тук ще предложа първата ерес от многото, с които предстои да се сблъскате - че навсякъде около нас има такива "по-прости" и добре известни ни форми на живот, които ние просто не смятаме за живи. А това не е така. Вирусите са живи.

Живият вирус

И тъй, на Земята се срещат биологични единици, които са по-просто устроени от бактериите. Всъщност много по-просто устроени. Вирусите, бичът за човечеството, бичът (но може би и създателят) на живота на планетата, несъмнено имат огромно влияние върху всички организми. Но дали самият вирус е жив? Този въпрос е от огромно значение за разбирането на еволюцията на живота на Земята, както и на класифицирането му, тъй като ако вирусите се определят като живи, ще се наложат фундаментални промени в класификацията на "живота, какъвто го познаваме". Тук ще се заема с този случай.

Вирусът е много малък. Типичният вирус е с диаметър между 50 и 100 nm (nm означава нанометър, или 10-9 метра). При подобни размери на върха на една карфица могат да се поберат милиони вируси. Те биват два основни типа. Едната група е затворена в белтъчна обвивка, а втората освен това има и подобно на мембрана покритие. Вътре в тази обвивка се намира най-важната част от вируса - неговият геном, съставен от нуклеинова киселина. Оказва се, че разнообразието в типовете геном на вирусите е огромно. В някои се открива ДНК, докато в други - единствено РНК. Броят на гените варира в широки граници - някои вируси имат само по три, докато други (като вируса на дребната шарка) са с повече от 250. Всъщност има какви ли не вируси и ако се приемат за живи, те биха заели огромно място в таксономичните таблици. Но утвърдената наука ги класифицира като неживи.

Вирусите, съдържащи само РНК, могат да изиграят важна роля за разбирането на въпросите около възникването на живота на Земята. Те показват, че дори в отсъствието на ДНК РНК е в състояние да съхранява информация и на практика да играе ролята на ДНК молекула. Това е убедително доказателство, че може би е съществувал РНК свят преди появата на ДНК и живота - поне във вида, в който го познаваме. Съществуването на РНК вируси ни довежда и до още по-поразителен извод. Тъй като вирусите са паразити, може да се предположи, че може би на нашата планета съществуват все още неоткрити базирани на РНК форми на живот. Доказателството за това са техните паразити - РНК вирусите. Това означава, че около нас може би съществуват непознати ни живи организми, по-просто устроени и от бактерии (но по-сложни от вирус).

Всички вируси се смятат за паразити. Означават се с техническия термин вътрешноклетъчни паразити по задължение, тъй като не са в състояние да се възпроизвеждат без клетка приемник. В повечето случаи вирусите проникват в клетките на живите организми, отвличат средствата им за производство на белтъчини и ги карат да произвеждат техни копия. Така нападнатата клетка се превръща във фабрика за производство на вируси. На всички ни е известно, че вирусите имат огромно влияние върху биологичните процеси в техните приемници.

Можем да използваме различните споменати по-рано дефиниции на живот, за да определим дали вирусите са живи или не. Най-силният аргумент против включването им в живия свят е, че за възпроизводството си те се нуждаят от приемници; вирусите не могат да се размножават самостоятелно. Не бива да се забравя обаче, че те са паразити по задължение, а паразитите обикновено претърпяват значителни морфологични и генетични промени, за да се приспособят към приемниците си.

Фриймън Дайсън смята за много малко вероятно вирусите да са остатъци от примитивни клетки, съществували преди еволюцията на познатия ни живот. Така според него те не се явяват "липсващи звена" между живата и неживата материя. Не всички са съгласни с това твърдение и както ще видим в следващата глава, съществува огромно разнообразие от открити съвсем наскоро (особено в океаните) вируси, голяма част от които имат много причудливи и завладяващи характеристики. Една група РНК вируси, проучена през 1987 г. от Алън Уейнър и Нанси Мейзълс, дори бе описана като живи изкопаеми на РНК света! Тук ще повторя същото становище, като признавам, че Уейнър и Мейзълс са осъзнали това още преди години.

Мнението, че вирусите може и да са "живи", се защитава и от Мартин Оломуки в полезната му книга "Химията на живота". В нея той отбелязва следното: "Не винаги можем да поставим ясна граница между най-големите вируси и най-малките и примитивни бактерии паразити." Такъв е причинителят на папагалската болест, или пситакозата, който дълго време се е смятал за вирус, но при по-подробно проучване бил идентифициран като примитивния прокариот Chlamydia. Това противно създание е много малко дори и за микроб (между 0.2 и 0.5 хилядни от милиметъра) и съдържа ДНК, РНК и няколко ензима. Характерно за този организъм е, че не е в състояние да се размножава извън приемника си. В това отношение той е напълно идентичен с вируса, но все пак Chlamydia категорично се определя като жив организъм. Като се спира и върху редица други сложно устроени вируси, Оломуки стига до заключението, че "въпреки простото си устройство, вирусът не може да се смята просто за химично съединение; вирусите несъмнено са истински живи обекти". Но ако това е така, къде ще ги поставим в класификацията на земния живот? Те не са бактерии, не са археи и определено не са еукариоти - трите големи царства на живите организми (във втора глава ще преразгледаме концепцията за царството, както и споменатите три царства на живота). Тогава какво представляват те?

Никой не отрича, че вирусът е паразит. Нека тогава се запитаме - паразитите живи ли са? Паразитизмът, който всъщност е високоразвита форма на хищничество, като цяло е резултат на дълга еволюционна история. Паразитите в никакъв случай не са примитивни създания. Но подобно на нашите вируси, те имат етапи в развитието си, в които изобщо не изглеждат живи. Например, Cryptosporidium и Giardia, които са добре познати (и гадни!) паразити по хората и други бозайници, имат неактивни периоди, в които са толкова мъртви, колкото и всеки вирус извън приемника си. Без своите приемници споменатите паразити (и още хиляди други видове) няма да останат живи. По скромното ми мнение приемането на тези еукариотни паразити за живи и отхвърлянето на вирусите не би могло да се нарече добър научен подход. Щом едната група е жива, това би трябвало да се отнася и за другата. В тази книга ще използвам логиката на изучаващите паразитите по животните и ще издигна еретичната (поне за някои) идея, че те са живи. Въпросните паразити определено са живи, но въпреки това не могат да се размножават извън приемниците си - също като вирусите. И ако приемем, че вирусите са живи, то би трябвало да преразгледаме из основи възприетото в момента дърво на живота.

Живи ли са прионите?

Прионите също могат да се разглеждат като тест на въпроса какво е живот. Те представляват загадъчни малки "организми", причиняващи редица наистина ужасни болести, най-известните от които са скрапията (по овцете) и лудата крава, която може да порази и човека. Първоначално се смятало, че причинителят им е вирус. В края на краищата "агентът" бил открит и наречен прион - съкратено от протеинова инфекциозна частица. Прионите нямат никакви нуклеинови киселини и следователно са лишени от ДНК и РНК. Предполага се, че това са чисти белтъчини и в подкрепа на тази теория вече има редица доказателства. Всъщност дори са произведени рекомбинирани приони, способни да инфектират мишки. Смята се, че механизмът на размножаването им включва способността на неправилно нагъната нормална клетъчна белтъчина да доведе до промяна на формата є, преобразувайки я от нормална и безвредна белтъчина в нова, причиняваща големи щети на приемника - ако това е правилната дума за организма, съдържащ въпросните "лоши" приони. Прионите се произвеждат/размножават в цитоплазмата в маята, а при бозайниците - вероятно по повърхността на клетките.

Те се размножават, когато проникнат в нервните клетки на приемниците си и - подобно на вирусите - ги принудят да започнат да ги произвеждат. Подобно на РНК вирусите, съществуването на прионите има интересни последици. Те могат да послужат за доказателство, че сама по себе си белтъчината е в състояние да изпълнява ролята и на софтуер (кодиране на информация), и на хардуер. Имат ли прионите метаболизъм? Едва ли, тъй като теорията "само белтъчина" изглежда доста стабилна, а е трудно да си представим обмяна на веществата у един-единствен протеин. Дали се развиват? Напълно възможно, тъй като различните нишки не са еднакво ефективни и в приемника ще се размножи само една от тях, ако са налице няколко. Ако обаче се вкарат последователно, всяка нишка ще възпроизведе себе си. Живи ли са? Може би. Но, подобно на вирусите, те не могат да се поставят в която и да било стандартна таксономия на живота на Земята.

Еретично мнение

Както ще видим, една от основните дефиниции на живота гласи, че той е клетъчен. Това мнение е ясно изразено от биолозите Лин Маргулис и Дориан Сейгън в книгата им "Какво е живот?". Аз не споделям подобно становище. Ще се позова на мнението на колегите им Карл Уоуз и Джон Барос.

Ами ако животът може да бъде екосистема, както и клетка? В ранната история на Земята, в някакъв първобитен бульон би могло да има хиляди най-различни видове протоклетки, оголени гени, вируси, вирусоподобни неща, прионоподобни неща, чисти органични молекули и т.н. Сами по себе си всички те не са живи. Взета заедно, тази смес обаче отговаря на всички изисквания за живот. Аз също смятам така. Ако кацнем на Титан и попаднем на подобен "организъм", съставен от безброй разпръснати, но химично взаимодействащи си компоненти, дали ще го разпознаем като жив? По същия начин, ако успеем с някаква хипотетична машина на времето да се върнем назад, бихме ли могли да определим кога точно е започнал животът на собствената ни планета? Едва ли. Трябва ли да дадем име на такъв живот? Може би. Но на следващите страници ще имам достатъчно поводи да давам наименования на разни неща, така че в случая ще се въздържа.

Можем да обобщим въпроса "какво е живот", като изкажем предположението, че нашият възглед за живота е до голяма степен обагрен от собствения ни опит на сложни организми в свят на сложни организми. Животът може да бъде много по-прост от луксозните земни модели, както можем да се уверим от вирусите. Възможно е дори те да са много сложни форми на живот в сравнение с разновидностите, които вероятно ще открием извън Земята или скрити и все още неразпознати тук, на нашата планета. Поне на теория разнообразието в живата химия е огромно. Още от времето на Дарвин е прието, че всички живи организми на земята са произлезли от един-единствен общ прародител. Но дали това е вярно? Какво е накарало Дарвин да мисли така и как се променя това становище с революционните постижения в областта на микроскопията и точното химическо разделяне на клетките? Това ще бъде тема на следващата глава, в която ще продължим от дефинирането на живота към разглеждането на естеството на живота на Земята. Някога двете неща бяха едно и също. Ако можем точно да определим какво представлява земният живот, ще можем да се заемем с проблема какво не е той - живот, който не е земен във вида, в който го познаваме (като вирусите например), но въпреки това се намира на Земята. Така вирусите са извънземни - засега първите по рода си в тази книга.

Животът, какъвто не го познаваме