Річард Докінз - Сліпий годинникар

Кейрнс-Сміт припускає, що первинними реплікаторами були кристали з неорганічних матеріалів на кшталт знайдених у глині та багні. Кристал — це лише великий упорядкований набір атомів чи молекул у твердому стані. Через властивості, які можна назвати їхньою «формою», атоми та невеличкі молекули від природи тяжіють до ущільнення разом фіксованим і впорядкованим чином. Вони немовби «прагнуть» улаштуватися разом у певний спосіб, але ця ілюзія є лише мимовільним наслідком їхніх властивостей. Їхній «улюблений» спосіб улаштування разом формує весь кристал. Він також означає, що навіть у великому кристалі, такому як діамант, будь-яка його частина є точно такою самою, як і будь-яка інша, за винятком місць із дефектами. Якби ми могли зменшитися до атомних масштабів, то побачили б мало не нескінченні ряди атомів, що тягнуться до горизонту рівними лініями, — галереї геометричного повторення.

Оскільки нас цікавить саме процес реплікації, то перш за все треба дізнатися, чи можуть кристали реплікувати свою структуру. Кристали складаються з безлічі шарів атомів (або їх еквівалентів), і кожен шар надбудовується на тому, що лежить нижче. Атоми (чи іони; для нас це не важливо) вільно плавають навколо у розчині, але якщо раптом наштовхуються на кристал, то мають природну схильність влаштовуватись у певному положенні на його поверхні. Розчин кухонної солі містить іони натрію та хлору, що штовхаються між собою більш-менш хаотичним чином. Кристал кухонної солі являє собою ущільнений упорядкований набір іонів натрію, що чергуються з іонами хлору під прямими кутами один до одного. Коли іони, що вільно плавають у воді, раптом наштовхуються на тверду поверхню кристала, вони зазвичай прилипають до неї. Причому прилипають саме у потрібних місцях, щоб спричинити додавання до кристала нового шару, такого самого, як нижній. Тож одразу після свого виникнення кристал починає рости таким чином, що кожен новий шар стає повторенням попереднього.

Іноді кристали починають формуватися в розчині спонтанно. В інших випадках вони потребують «затравки» у вигляді частинок пилу або дрібних кристаликів, що звідкись упали. Кейрнс-Сміт запрошує нас провести такий експеримент. Розчиніть велику кількість фотографічного фіксажу гіпосульфіту в дуже гарячій воді. Потім дайте розчину охолонути, стежачи, щоб у нього не нападало пилу. Розчин тепер перенасичений, готовий і чекає на утворення кристалів, але не має затравочних кристаликів для початку цього процесу. Далі я процитую слова самого Кейрнса-Сміта з книжки «Сім ключів до розгадки походження життя»:

Обережно зніміть з мензурки ковпачок, киньте на поверхню розчину крихітний шматочок кристала гіпосульфіту і вражено спостерігайте за тим, що відбувається. Ваш кристал помітно росте: час від часу він розколюється, і його шматочки також ростуть… Скоро ваша мензурка просто переповнюється кристалами завдовжки до кількох сантиметрів. А потім, за декілька хвилин, усе це припиняється. Чарівний розчин утратив свою силу — хоча, якщо хочете іншу виставу, просто заново підігрійте та охолодіть мензурку… бути перенасиченим означає мати більше розчиненого, ніж там має бути… холодний перенасичений розчин буквально не знав, що робити. Йому треба було «підказати», додавши шматочок кристала, складові якого (мільярди й мільярди) вже були ущільнені разом способом, характерним для кристалів гіпосульфіту. Розчин треба було «затравити».

Деякі хімічні речовини мають потенціал кристалізуватися двома альтернативними способами. І графіт, і діаманти, наприклад, є кристалами чистого вуглецю. Їхні атоми ідентичні. Ці дві речовини відрізняються одна від одної лише геометричною схемою ущільнення атомів вуглецю. У діамантах атоми ущільнені в тетраедральну схему, що є надзвичайно стійкою. Ось чому діаманти такі тверді. У графіті ж атоми вуглецю організовані в пласкі шестикутники, нашаровані один поверх одного. Зв’язок між шарами слабкий, а тому вони ковзають один по одному, через що графіт є слизьким на дотик і використовується як змащувальний матеріал. На жаль, ви не можете викристалізувати діаманти з розчину за допомогою затравки, як це було з гіпосульфітом. Інакше ви б розбагатіли — хоча якщо подумати, то ні, бо будь-який йолоп міг би зробити те саме.

Тепер припустімо, що ми маємо перенасичений розчин якоїсь речовини, що, як гіпосульфіт, легко кристалізується і, як вуглець, здатна кристалізуватись одним із двох способів. Один спосіб міг би нагадувати притаманний графіту — коли атоми організовані в шари, що дає невеличкі пласкі кристали, тоді як інший спосіб давав би компактні кристали у формі діамантів. Тепер ми одночасно вкинемо в наш перенасичений розчин крихітний плаский та крихітний компактний кристали. Можна описати те, що відбувається, довершивши опис експерименту з гіпосульфітом Кейрнса-Сміта. Ви вражено спостерігаєте за тим, що відбувається. Ваші два кристали ростуть на очах: час від часу вони розколюються, і їхні шматочки також ростуть. Пласкі кристали породжують популяцію пласких кристалів, компактні — компактних. Якщо існує якась тенденція одного типу кристала рости та розколюватися швидше за інший, ми отримаємо простий різновид природного відбору. Але для породження еволюційної зміни цьому процесу все ще бракує життєво важливого компонента. Цим компонентом є спадкова мінливість чи якийсь її еквівалент. Замість лише двох типів кристалів там має бути широкий діапазон незначних варіацій, що утворю­ють спадкові лінії схожої форми, а іноді «мутують», створюючи нові форми. Чи мають реальні кристали якийсь відповідник спадкової мутації?

Глина, багно та скелі складаються з крихітних кристалів. На Землі їх безліч, і, мабуть, так було завжди. Якщо подивитися на поверхню деяких типів глини та інших мінералів у електронний мікроскоп, що сканує, ви побачите дивовижне й прекрасне видовище. Кристали ростуть, немов ряди квітів чи кактусів, сади неорганічних пелюсток троянд, крихітні спіралі на кшталт поперечних перерізів сукулентних рослин, наїжачені труби органа, складні кутасті форми, неначе складені в мініатюрні кристалічні оригамі, звивисті вирости, схожі на зліпки хробаків чи вичавлену з тюбика зубну пасту… За вищих рівнів збільшення ці впорядковані картини вражають іще більше. На рівнях, що відображують справжнє положення атомів, уже видно, що всій поверхні кристала властива регулярність машинотканого шматка твіду в «ялинку». Однак — і це дуже важливий момент — вона має й дефекти. Просто посередині відрізу впорядкованої тканини може трапитися латка, ідентична решті узору, за винятком того, що вона розвернена під іншим кутом так, що «плетиво» йде в іншому напрямку. Або плетиво йде в тому самому напрямку, але кожен рядок наполовину «сповзає» на один бік. Майже всі кристали, що виникають природним шляхом, мають дефекти. І щойно такий дефект виникає, він зазвичай копіюється в міру наростання поверх кристала наступних шарів.

Дефекти можуть виникати в будь-якому місці на поверхні кристала. Якщо вам подобається розмірковувати про здатність зберігати інформацію (мені подобається), ви можете уявити величезну кількість різних схем дефектів, які можна створити на поверхні кристала. Усі ті розрахунки щодо пакування Нового Заповіту в ДНК однієї-єдиної бактерії можна було б здійснити так само приголомшливо для майже будь-якого кристала. ДНК переважає звичайні кристали лише засобами зчитування її інформації. Якщо ж відкласти проблему зчитування вбік, можна було б легко виробити довільний код, за допомогою якого дефекти в атомній структурі кристала переводилися б у двійкові числа. Тоді можна було б