Теорія неймовірності - Максим Іванович Дідрук
Земля потребувала часу, щоб охолонути, а тому життя навряд чи зародилося раніше за 4,4 мільярда років тому. З іншого боку, найдревніші виявлені на Землі скам’янілості мають вік 3,7 мільярда років. Це сліди древніх ціанобактерій, які знайшли австралійські палеонтологи на південному заході Гренландії. Тож можемо переконано стверджувати, що життя з’явилося десь у цьому проміжку: 4,4…3,7 мільярда років тому.
Науковці непогано уявляють еволюцію життя від його зародження й до нинішнього часу: фотосинтез, кисневий метаболізм, багатоклітинні організми, водорості, рослини, кембрійський вибух. Проте момент, який став точкою відліку, — перехід від неорганічних речовин до найпростіших органічних сполук, — досі оповитий темрявою.
Утім, це не означає, що ми не можемо робити обґрунтовані припущення.
1953 року вчені Стенлі Міллер і Гарольд Юрі спаяли кілька колб, куди налили воду та закачали суміш газів, яка відтворювала атмосферу ранньої Землі: метан, аміак, водень і монооксид вуглецю. Воду підігріли, а крізь водяну пару пропустили електричні розряди, що імітували блискавки. За тиждень стінки колби вкрила плівка. Міллер і Юрі, проаналізувавши її, виявили амінокислоти, ліпіди та частини нуклеїнових кислот. Амінокислоти є цеглинками, з яких складаються білки, а з білків — усе живе на цій планеті. Ось тільки амінокислоти неживі. Це просто органічні сполуки. Міллер і Юрі з’ясували, що за певних умов амінокислоти самовільно формуються з неорганічних речовин, але цього недостатньо. Потрібно пояснити, як саме з амінокислот утворюються здатні до реплікації структури, які вже можна називати живими. Критики експерименту часто вказують на цей факт. Одначе погляньмо на нього з іншого боку.
Галактика Чумацький Шлях налічує від 100 до 400 мільярдів зірок, а видимий Усесвіт — близько 200 мільярдів галактик. Це квінтильйони сонячних систем із планетами. Навіть якщо тільки кожна п’ята із цих систем містить кам’яні землеподібні планети, однаково маємо немислиму кількість світів, у яких органічні молекули могли з’єднуватися знову та знову, впродовж мільярдів років, ефективно випробовуючи різні хімічні реакції. Зрештою через точний збіг умов чи ідеальне суміщення кількох хімічно активних органічних молекул життя отримало шанс. Але це був один шанс на трильйон трильйонів трильйонів трильйонів. Тому не варто й сподіватися, що ми легко відтворимо щось схоже в лабораторіях на Землі.
Та йдеться не про це. Після формування перших мікроорганізмів майже 2 мільярди років нічого не відбувалося. Первісні бактерії залишалися крихітними та примітивними. А потім дещо змінилося. 1 мільярд і 850 мільйонів років тому з’явилися еукаріоти, тобто клітини з ядром. Хоча відрізняла їх від бактерій не лише наявність ядра. Еукаріотичні клітини були в тисячу разів більшими та містили купу органел. Вони були складними, і після їхньої появи еволюція суттєво пришвидшилася. Протягом наступного мільярда розвинувся кисневий метаболізм, виникли багатоклітинні організми та перші водорості.
Але чому еукаріоти з’явилися? Що такого сталося, що після двох мільярдів років цілковитої тиші життя на Землі заходилось інтенсивно розвиватися?
Дослідники знають відповідь на це запитання, і вона неймовірна. Приблизно два мільярди років тому аеробна архебактерія захопила, проте не перетравила анаеробну альфа-протеобактерію. Утворився симбіотичний організм із разючою перевагою над усіма тогочасними мікробами. Протеобактерія поглинала з середовища кисень, виробляла енергію та ділилася нею з архебактерією, натомість архебактерія надавала протеобактерії захист.
У чому ж полягала перевага? До цього моменту бактерії не могли збільшуватися в розмірах. Якщо дві бактерії мали однакову кількість генів, швидше розмножувалася менша з них. Це пов’язано з тим, що бактерії поглинають необхідну для функціонування енергію крізь зовнішню мембрану, й зі збільшенням розміру площа поверхні мембрани росте повільніше за об’єм бактерії, а тому енергетична ефективність падає. Щоби зрозуміти, як це працює, уявімо бактерію як сферу радіусом 1 мікрометр. Якщо ми збільшимо радіус удвічі, до 2 мікрометрів, площа поверхні збільшиться вчетверо, тоді як об’єм зросте аж у вісім разів. Через це бактерії більшого розміру є менш енергетично ефективними та програють конкуренцію своїм меншим родичкам. Їм не вистачає площі зовнішньої мембрани, щоби всмоктувати достатньо поживних речовин, і це не дає їм рости. Зате після поглинання протеобактерії все змінилося: виробництво енергії перенеслося з мембрани всередину клітини, й тепер, щоби збільшити кількість виробленої енергії, еукаріотичній клітині достатньо було просто почати копіювати протеобактерії. Це дало змогу симбіотичному мікроорганізмові в тисячу разів збільшитися в розмірі без втрати енергетичної ефективності.
Чому вчені так цього певні? Тому що цей мікроорганізм став прапрапращуром усіх живих клітин на Землі. Поглинута ним протеобактерія зрештою перетворилася на мітохондрію, «клітинну електростанцію», яка забезпечує енергією клітини всіх еукаріотичних організмів. І нас із вами також. Просто поміркуйте про це: два мільярди років повного затишшя, а потім еволюційний вибух… Ми, люди, могли б не з’явитися, якби не дві крихітні бактерії, які замість воювати вирішили об’єднатися багато мільйонів років тому.
Вага та теплокровність
Наприкінці нульових я навчався в аспірантурі Королівського технологічного інституту, що у Швеції. Аспіранти там зобов’язані впродовж семестру накопичувати певну кількість кредитів. Серед освітніх програм, які я обрав для цього, був тепломасообмін. Це базова дисципліна спеціальності «Теплоенергетика», за якою навчався в Україні. Тож мене цікавило, як цю дисципліну викладають в одному з топових університетів Європи.
Я був приємно здивований, що замість примушувати нас завчати велетенські абстрактні формули викладач постійно вигадував цікаві практичні завдання. Скажімо, якось він запропонував обчислити максимально допустиму масу для теплокровних тварин. Теплокровними вважають тварин, чиє тіло навіть у стані спокою виробляє тепло, що дає змогу підтримувати стабільну температуру незалежно від температури зовнішнього середовища. Чому взагалі йдеться про якесь обмеження щодо розміру теплокровних тварин? Річ у тім, що зі збільшенням габаритів об’єм тіла зростає швидше за його поверхню. Уявімо гіпотетичну тварину у формі куба зі стороною один метр. Якщо збільшити сторону куба до двох метрів, площа його поверхні зросте вчетверо, тоді як об’єм — у вісім разів. Звісно, реальні тварини не є кубиками, але, гадаю, ідею ви схопили: малі тварини мають значну площу поверхні за крихітного об’єму, і навпаки: що більша тварина, то менше співвідношення між площею її шкіри та об’ємом. Як наслідок — крихітні ссавці змушені багато їсти й вирізняються надшвидким метаболізмом, що допомагає компенсувати втрати теплоти через велику площу шкіри. Натомість для великих ссавців є певна межа, за якою площа їхньої поверхні виявиться замалою та
