Акт создания. Дл'я живых систем характерна высо­кая упорядоченность, значительно более высокая, чем у любых известных нам неживых систем. Даже простей­шие живые организмы чрезвычайно сложны. Обращаясь к масштабу упорядоченных структур, мы убеждаемся в том, что дистанция между бактерией и человеком зна­чительно меньше, чем, например, между бактерией и ги­гантским электронным мозгом. При обычном течении событий упорядоченность имеет тенденцию к уменьше­нию, и поэтому нелегко понять, как живое могло возник­нуть из неживых предшественников. Было предложено несколько объяснений этому, но не все они могут слу­жить предметом научного исследования Среди тех гипо­тез, которые заслуживают научного обсуждения, наибо­лее привлекательно предположение о том, что неживые компоненты приняли конфигурации, совместимые с жизнью, в результате какого-то счастливого случая.
Для того чтобы какая-то конфигурация оказалась совместимой с жизнью, в ней должна сочетаться способ­ность к метаболической активности с устойчивостью и даже с приспособляемостью. Кроме того, она должна обладать способностью воспроизводить себя из отдель­ных компонентов, имеющихся в окружающей среде. Это трудно выполнимые требования. Чтобы должным обра­зом оценить их значение, займемся исследованием того, что представляется нам критическим этапом в возникно­вении жизни. Пусть у нас (Имеется «густой, теплый, со­леный бульон», содержаний различные органиче­ские молекулы — аминокислоты, сахара, полифосфаты,
пиримидины, пурины и т. д. Какова вероятность наступ­ления такого события, при котором какая-то случайная конфигурация из этих молекул окажется совместимой с жизнью? Для оценки этой вероятности нужно знать две величины: вероятность того, что любая данная конфигу­рация совместима с жизнью, и число случаев, при кото­рых могут возникать конфигурации.
Объем информации в живой системе Множество мо­лекул, необходимых для создания живого организма, способно образовывать огромное число возможных кон­фигураций. Только ничтожная часть последних, по-види- мому, совместима с жизнью. Число альтернатив при от­боре из всех возможных конфигураций тех конфигура­ций, которые совместимы с жизнью, можно выразить через объем информации. Обозначим через Н объем ин­формации какой-либо структуры, связанный с упорядо­ченностью одного из ее компонентов. Тогда вероятность того, что при случайном отборе из совокупности всех возможных структур данного типа мы выберем одну, удовлетворяющую сформулированному выше условию, равна 2~^н. Таким образом, мы можем выражать вероят­ность того, что любая молекулярная конфигурация сов­местима с жизнью, через количество информации, содер­жащееся в живых организмах. Было осуществлено несколько попыток определить или, вернее, приблизи­тельно оценить объем информации живых систем. В дан­ном случае мы будем рассматривать относительно про­стой организм, обладающий, однако, всем, что ему нужно для самостоятельного существования, например бакте­риальную клетку. Такой выбор объекта исследований отражает нашу уверенность в следующем: для того что­бы подобная клетка, коль скоро она уже возникла, могла породить весь разнообразнейший мир живых организ­мов, существующих в наши дни, необходим лишь про- цес эволюции, действующий в течение двух миллиар­дов лет.
Линшиц [17] произвел оценку изменения энтропии, происходящего при превращении простых предшествен­ников в органические молекулы, из которых построена бактерия. Перевод энтропии в вероятность, а вероятно­сти— в эквивалентное число двоичных выборов дал для объема информации величину, равную 10¹³ бит. При этой оценке не учитывалась спецификация макромоле- кулярных и клеточных структур. Вместе с тем лишь не­большая часть изменения энтропии, связанного с созда­нием «строительных блоков», из которых состоит клет­ка, проявляется в виде образования соответствующих структур, хотя в биологическом отношении этот послед­ний эффект значительно важнее первого. Поэтому при­веденная выше оценка завышена.
Моровиц [21] подошел к оценке объема информации, руководствуясь структурными соображениями. Как из­вестно, температуру Escherichia coli можно понизить почти до абсолютного нуля, и при последующем нагре­вании биологическая активность организма целиком вос­становится. Отсюда можно заключить, что информация, обеспечивающая биологическую активность организма, должна полностью определяться структурой; любая ди­намическая программа оказалась бы уничтоженной при этой температуре. Оценка информации, необходимой для спецификации этой структуры, производится по органи­ческим молекулам. Для каждой из них информация сво­дится к выбору вида молекулы и расположения этой молекулы относительно шести соседних, причем число возможных положений молекулы ограничено действием химических сил. Рассчитанный таким образом объем ин­формации примерно равен 10¹² бит, что довольно хоро­шо согласуется с оценкой Линшица. Так же как и эта последняя, оценка Моровица завышена, поскольку, не­сомненно, многие детали размещения молекул в клетке никак не влияют на нормальную жизнедеятельность клетки.
Данков и Кастлер [5] произвели несколько оценок объема информации в клетке, исходя из структурных со­ображений. Объем информации в любой системе не мо­жет превышать количество информации, необходимое для спецификации природы и размещения всех ее ком­понентов. Считая простейшим компонентом системы атом, эти авторы нашли количество информации, требуемое для отбора одного атома из всего набора атомов, входя­щих в состав живой системы, и для задания его положе­ния с точностью, определяемой тепловыми колебаниями
при температуре тела. Достаточный для этих целей объем информации в расчете на один атом оказался рав­ным 24,5 бит. Клетка Е. coli содержит примерно 2 • 10^й атомов, и поэтому рассчитанный таким способом объем информации равен 5- 10¹² бит. Это верхний предел. При расчете пренебрегали всеми ограничениями или связя­ми, возникающими вследствие того, что атомы объеди­нены в молекулы. Если учесть эти ограничения, то мы получим, что количество структурной информации в ра­счете на одну бактерию равно 1 • 10¹⁰ бит '.
Все оценки объема информации, основанные на струк­турных соображениях, по-видимому, завышены. Далеко не вся структура живого организма необходима ему, и, безусловно, значительную ее часть можно изменить без явного нарушения функций. Трудно оценить, какая именно часть структуры избыточна. Грубую оценку ко­личества существенной (необходимой) информации мож­но произвести, считая, что целый ряд свойств организма обусловливается определенной организацией только од­ной его части, а именно генома. Объем структурной ин­формации генома можно считать равным 2 бит на одну пару нуклеотидов; если говорить о бактерии, дезоксири­бонуклеиновая цепь которой состоит примерно из 10⁷пар нуклеотидов, то мы получим объем структурной инфор­мации, достигающий приблизительно 2-10⁷ бит. Такую оценку нельзя считать нижним пределом, так как часть цепи ДНК может оказаться избыточной, а часть — «бессмысленной». Нижнее предельное значение объема ^[2] информации устанавливается по функциональной гене­тической изменчивости в пределах вида. В случае бак­терий для этого требуется никак не меньше 1000 бит. Отсюда мы находим нижний предел объема информации для бактерии, равный 10³ бит. Полученные таким спо­собом пределы (10³—-10¹³ бит) чрезвычайно широки, но, безусловно, истинная величина лежит между ними. Сокращение этого интервала представляется совсем нетрудным, но для наших целей оно сейчас не нужно.
Объем информации, равный 10³ бит, соответствует 1000 последовательно произведенных двоичных выборов, или одному выбору из 2¹⁰⁰⁰ возможностей. Вероятность сделать такой выбор случайно равна 10^-301. Для объема 10¹³ бит эта вероятность составляет Ю^-3'¹⁰'².
Число случаев, благоприятных для возникновения жизни. Общее число случаев, при которых в результате созидательных актов может возникнуть жизнь, равно произведению числа различных пригодных для этого участков на число случаев, когда это событие могло бы произойти. Число участков равно отношению общего пригодного объема к объему, которым должны удов­летвориться компоненты будущих структур (перекрыва­нием компонентов мы здесь пренебрегаем). Верхним пределом общего объема будем считать всю поверхность Земли (5-10¹⁸ см²), покрытую слоем воды толщиной 1 м, т. е. 5 • 10²⁰ см³. Разумеется, минимальный объем совокупности компонентов не должен быть меньше объема бактерии, т. е. 1 • 10^-12 см³. Таким образом, чис­ло пригодных участков не может превышать 5 - 10³². Для получения нижнего предела допустим, что поверх­ностью раздела, на которой может происходить упоря­дочение, служит только берег океана. Пусть береговая линия имеет длину 5-10¹⁰ см, т. е. может примерно 10 раз обвиться вокруг земного шара. Допустим, что размеры элементарного объема ни в одном направлении не превышают 1 см; вряд ли эта величина может быть намного больше, если компоненты будущей системы дол­жны достаточно быстро встретиться друг с другом вслед­ствие диффузии. Получающееся при этом число участ­ков равно 5- 10¹⁰. Таким образом, мы находим, что чис­ло участков, пригодных для случайного образования живых структур, лежит между 5-10¹⁰ и 5 - 10³². Данная оценка весьма груба, и, вероятно, без особого труда этот интервал удастся заметно сузить.
Промежуток времени, в течение которого в «густом, теплом, соленом бульоне», содержащем сколько угодно потенциально пригодных «строительных блоков», могла бы возникнуть жизнь, следует оценить примерно в 2-10⁹ лет, или 2-10¹³ час. Время, отведеннное для од­ного «акта создания», ограничено, с одной стороны, ско­ростью образования макромолекул и более сложных структур, а с другой — тем, как долго незаконченная структура может существовать, ожидая возможного за­вершения. Это минимальное время, разумеется, никак не меньше одного часа, т. е. времени, требующегося для того, чтобы при умеренно благоприятных условиях из одной бактерии образовалась другая. Верхним пределом можно считать время, превышающее указанное в 10¹⁰ раз, что совпадает с грубой оценкой отношения ско­рости реакции при наличии ферментного катализа к ее скорости в отсутствие такого катализа [13]. Отсюда следу­ет, что в каждом пригодном участке число случаев, благо­приятных для акта создания (в результате которого могла бы возникнуть некая система, обладающая основ­ными признаками живого), варьирует от 2- 10³ до 2-10¹³.
Умножая число участков (от 5-10¹⁰ до 5-10³²) на число случаев (от 2 • 10³ до 2 • 10¹³), получаем, что об­щее число случаев, которые могли бы привести к воз­никновению жизни, лежит между 10^й (произведение двух нижних оценок) и 10⁴⁶ (произведение двух верхних оценок) с точностью для каждой границы интервала в несколько порядков величин. По-видимому, задача су­жения этого огромного интервала, простирающегося бо­лее чем на 30 порядков, не должна наталкиваться на серьезные затруднения; однако для наших целей решать ее не обязательно. Достаточно сказать, что любое со­бытие того типа, о котором идет речь, должно произой­ти, если его вероятность больше Ю^-10, и не должно на­ступить (или наступит не более чем один раз), если его вероятность меньше 10^-50.
Выводы. Значительно завышенная оценка числа слу­чаев, при которых «строительные блоки» (органические молекулы) могли бы соединиться и образовать живую структуру, равна 10⁴⁸. Весьма заниженная оценка объе­ма существенной информации в простом живом организ­ме, рассматриваемом как упорядоченная система тех же блоков, составляет 1000 бит, что соответствует ве­роятности, равной 10~³⁰¹. Следовательно, вероятность возникновения жизни в результате случайного наступ­ления какого-либо одного из этих Ю⁴⁶ событий, прибли­зительно равна 10^-255. Если мы воспользуемся более вы­сокой оценкой объема информации, то искомая вероят­ность соответственно уменьшится. Из чрезвычайной малости этой величины вытекает фактическая невозмож­ность появления жизни в результате случайного соеди­нения молекул. Предположение о том, что живая струк­тура могла бы возникнуть в одном акте вследствие случайного соединения молекул, следует отвергнуть. Ко­нечно, даже практически невозможное событие может произойти однажды, но более чем один раз оно не прои­зойдет. Отсюда следует, что если бы жизнь возникла таким чрезвычайно невероятным способом, то, безуслов­но, ни на Земле, ни где-либо в космическом простран­стве не могла бы существовать какая-то иная жизнь, другого происхождения. Если на Марсе будет найдена жизнь внеземного происхождения, то тем самым будет опровергнута гипотеза возникновения жизни в результа­те случайного соединения молекул. Во всяком случае, представляется более перспективным искать такой меха­низм, который не предусматривает столь чудовищно маловероятных происшествий ’. ^[3]