Математика против зарождения жизни на Земле: почему собрать первую клетку за такое время было почти невозможно?

Все клетки появляются от других клеток. Это простое правило биологии создает логическую проблему. Если каждая клетка является потомком другой, то как возникла самая первая?

Этот вопрос остается одной из главных научных загадок. Теория Дарвина хорошо объясняет, как жизнь развивалась и становилась разнообразной после своего старта. Но эта теория молчит о том, что было до начала. Она не говорит, как из неживых веществ появилась первая структура, способная копировать себя и получать энергию.

Новая работа Роберта Эндреса из Имперского колледжа Лондона предлагает взглянуть на эту задачу по-другому. Он рассматривает ее не как химическую загадку, а как информационную. Сколько данных нужно, чтобы «построить» жизнь, и могла ли древняя Земля дать их за нужное время?

Сколько информации было в первичном бульоне?

Давайте представим раннюю Землю как большой химический котел. В нем благодаря вулканам, молниям и падению метеоритов было много разных органических соединений. Это был стартовый набор материалов.

Автор работы переводит химию в биты.

1. Информационный объем среды. Изучая метеориты и данные о древней атмосфере, ученые считают, что в «первичном бульоне» могло быть до миллиона типов органических молекул. Это разнообразие — исходный запас данных. В битах это можно оценить примерно в 10 миллионов (10⁷) бит.
2. Срок жизни молекулы. Главная трудность — нестабильность. Сложные органические молекулы в воде под лучами солнца быстро разрушаются. Их средний срок жизни — от часов до одного дня. Возьмем за основу сутки, или около 100 тысяч секунд. Это время, за которое полезная молекула должна была найти свое место в более крупной конструкции.

Что это значит? Если у вас есть 10 миллионов бит данных, которые исчезают и появляются вновь каждые 100 тысяч секунд, то поток данных был большим. Простой расчет показывает, что среда могла предлагать для сборки примерно 100 бит данных каждую секунду.

Это кажется хорошим стартом. Но что нужно было собрать из этих данных?

Что такое «минимальная клетка» в битах?

Мы думаем, что все данные об организме находятся в ДНК. Это не совсем верно. Геном — это «чертеж». Но сама клетка является работающей машиной со структурой белков, циклами получения энергии и внутренними процессами. Сколько данных нужно для описания всего этого?

Здесь помогают современные компьютерные программы. Например, системы искусственного интеллекта вроде AlphaFold, которые угадывают форму белков, и полные симуляции клеток. С их помощью можно оценить объем данных, нужный для полного описания и создания системы.

Оценка для самой простой бактерии получается очень большой. Это около одного миллиарда (10⁹) бит.

Теперь мы видим главное противоречие.

Два бита в год: почему это не так легко?

У природы было время. По данным геологии, период для появления жизни — от остывания Земли до первых ископаемых — был около 500 миллионов лет.

Проведем расчет — чтобы собрать 1 миллиард бит за 500 миллионов лет, нужна скорость всего 2 бита в год.

Сравните это с потенциалом «первичного бульона» в 100 бит в секунду. Даже при низкой эффективности сборки запас кажется огромным.

Подвох в том, что расчет «2 бита в год» предполагает односторонний, последовательный процесс. Но на самом деле был хаос. Сборка напоминала случайное движение: шаг вперед, два шага назад. Молекулы соединялись, а также распадались.

Автор моделирует этот процесс как «случайное движение в пространстве данных». И здесь цифры становятся другими. Если у процесса нет памяти или цели — то есть стабильности, чтобы сохранять результат, — то время для случайного создания клетки возрастает до гигантских значений. Это 10¹⁷ лет или больше. Это в миллионы раз дольше, чем существует Вселенная.

Вывод ясен: чисто случайный процесс в химическом хаосе не мог создать жизнь за отведенное время. Должно было быть что-то еще. Какой-то механизм, который давал процессу цель и позволял накапливать данные, защищая их от разрушения.

Если не случайность, то что?

Работа не дает ответа, но показывает, где его искать. Если появление жизни — не результат большой удачи, то какие законы химии или физики могли за этим стоять?

1. Направленная панспермия. Эту мысль когда-то предложили Фрэнсис Крик и Лесли Оргел. По этой идее, жизнь на Землю занесла другая цивилизация. Это смелое предположение, но оно просто переносит вопрос в другое место Вселенной, а не отвечает на него.
2. Принципы самоорганизации. Это более вероятный вариант. В физике есть системы, которые сами переходят от хаоса к порядку. Например, автокаталитические сети — это группы веществ, где каждый элемент помогает создавать другой элемент сети. Такая система начинает поддерживать и копировать саму себя, создавая островок порядка. Это могло быть той «памятью», которой не хватало случайному процессу.
3. Фазовый переход. Возможно, жизнь появилась не медленно, а в результате быстрого скачка. Так же, как вода при определенной температуре резко становится льдом, химическая система могла дойти до критической точки, после которой она быстро стала первой живой структурой.

Картина не завершена

Работа Роберта Эндреса не доказывает, что жизнь была создана кем-то или прилетела из космоса. Она показывает другое: ее появление — это в первую очередь вопрос данных. Химических «деталей» в древнем океане было достаточно. Не было ясного принципа, который бы позволял собирать их в правильном порядке.

Мы видим факт: очень сложная система данных появилась из хаоса за короткое по геологическим меркам время. Это значит, что нам очень повезло, или — что вероятнее — мы еще не знаем некоторых законов физики, которые управляют материей.

Может быть, искусственный интеллект, который помогает нам оценить объем данных в клетке, в будущем поможет и найти эти законы. А пока что можно только заключить, что наше появление — это итог процесса, который по известным сегодня законам почти невозможен.