Глава II. Один голос в космической фуге
И приказано мне предаться Господу миров. Он — тот, который сотворил вас из праха.
Коран, сура 40
Древнейшая из всех философий, философия эволюции, была связана по рукам и ногам и брошена в тысячелетнюю тьму теологической схоластики. Но Дарвин влил новую кровь в старый сосуд, разорвал узы и воскресил древнегреческую идею, доказав, что она может служить более адекватным объяснением существующего порядка вещей, чем любая из тех схем, что легковерно принимались 70 поколениями суеверных людей.
Томас Генри Гексли. 1887
Мы должны допустить, что и все органические существа, когда-либо жившие на земле, могли произойти от одной первобытной формы <…> Есть величие в этом воззрении… и между тем как наша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам тяготения, из такого простого начала развилось и продолжает развиваться бесконечное число самых прекрасных и самых изумительных форм.
Чарлз Дарвин. Происхождение видов. 1859
Общность материи обнаруживается во всей видимой Вселенной, потому что звезды содержат многие из тех элементов, которые существуют на Солнце и на Земле. Примечательно, что некоторые элементы, наиболее широко распространенные в царстве звезд, в частности водород, натрий, магний и железо, принадлежат к числу наиболее тесно связанных с живыми организмами нашей планеты. Может ли быть, что звезды, по крайней мере ярчайшие из них, не являются, подобно нашему Солнцу, центрами и источниками энергии для планетных систем, пригодных для обитания живых существ?
Уильям Хёггинс. 1865
Сколько себя помню, я всегда стремился узнать, есть ли жизнь где-нибудь еще во Вселенной. На что она похожа? Как устроена? На нашей планете все живое состоит из органических молекул — сложных микроскопических образований, в которых центральную роль играет атом углерода. Было время до появления жизни, когда бесплодная Земля прозябала в запустении. Теперь наш мир переполнен жизнью. Как она зародилась? Как вышло, что в отсутствие живого возникли органические молекулы на основе углерода? Каким образом эволюция жизни породила столь сложные существа, как мы с вами, способные исследовать тайну собственного происхождения?
А бесчисленные планеты, которые, возможно, обращаются вокруг иных солнц, — есть ли там жизнь? И если внеземная жизнь существует, то лежат ли в ее основе те же органические молекулы, что и на Земле? Похожи ли существа других миров на земные формы жизни? Или совсем непохожи — иное порождение иной окружающей среды? Что еще возможно? Природа жизни на Земле и поиски жизни за пределами нашей планеты — это две стороны одного вопроса, вопроса о том, кто мы такие.
В великой межзвездной пустоте встречаются облака из газа, пыли и органического вещества. Радиотелескопы обнаружили в космосе десятки разных органических молекул. Распространенность этих молекул заставляет думать, что необходимые для жизни вещества встречаются повсеместно. Не исключено, что в космосе жизньс неизбежностью возникает и развивается, если ей на это отпущено достаточно времени. На некоторых из миллиардов планет нашей Галактики, Млечного Пути, жизнь может не возникнуть никогда. На других она появится и погибнет или никогда не зайдет в своем развитии дальше простейших форм. Но есть горстка миров, где возможно зарождение разума и расцвет цивилизаций, более развитых, чем наша.
Время от времени приходится слышать: как удачно сложилось, что Земля идеально подходит для жизни — умеренные температуры, жидкая вода, кислородная атмосфера и прочее. Говорящие так путают, по крайней мере отчасти, причину и следствие. Мы, земляне, великолепно приспособлены к земной среде обитания просто потому, что здесь выросли. Те ранние формы жизни, что адаптировались не столь успешно, вымерли. Мы произошли от организмов, которые смогли приспособиться. А живые существа, которые эволюционировали в совершенно ином мире, будут, без сомнения, возносить хвалу именно ему.
Все формы жизни на Земле тесно взаимосвязаны. Мы имеем общую органическую химию, общее эволюционное наследие. И в результате наши биологи крайне ограничены в своих исследованиях. Они изучают только один тип биологии, только одну тему в музыке жизни. Является ли этот слабый и пронзительный мотив единственным голосом на тысячи световых лет? Или существует своего рода космическая фуга с темами и контрапунктом, гармониями и диссонансами, миллиардами разных голосов, исполняющих музыку жизни в Галактике?
Позвольте мне рассказать об одной лишь маленькой фразе из земной музыки жизни. В 1185 году трон императора Японии занимал семилетний мальчик по имени Антоку. Он был номинальным главой самурайского клана Хэйкэ, который вел долгую и кровавую войну с другим кланом, Гэндзи. Каждый клан предъявлял наследственные права на императорский престол. Решающее сражение состоялось 24 апреля 1185 года на Внутреннем Японском море, вблизи местечка Данноура. Во время боя император находился на борту корабля. Хэйкэ уступали противнику в численности и маневренности. Многие из них погибли в схватке. Уцелевшие, великое множество людей, предпочли плену смерть в морской пучине. Госпожа Ни, бабка императора, не могла допустить, чтобы ее и Антоку захватили враги. Случившееся дальше описывает эпос «Хэйкэ-моногатари»:
Императору было семь лет, но выглядел он гораздо старше. Он был настолько прекрасен, что, казалось, распространял сияние, его длинные черные волосы свободно струились по спине. С удивлением и беспокойством на лице спросил он госпожу Ни: «Куда ты ведешь меня?»
Она обратила к юному монарху залитое слезами лицо и… утешала его, заправляя его длинные волосы в серо-голубое одеяние. Ослепленный слезами мальчик-монарх сложил свои маленькие прекрасные руки. Сперва он повернулся на восток, чтобы попрощаться с божеством Исэ, затем на запад, чтобы повторить нембутсу [молитву Будде Амиде]. Госпожа Ни крепко обняла его и со словами «В глубинах океана наш храм» вместе с ним предалась на волю волн.
Боевой флот Хэйкэ был полностью уничтожен. Из всего клана выжили только сорок три женщины, дамы императорского двора. Их заставили продавать цветы и оказывать другие услуги рыбакам, живущим близ места сражения. Клан Хэйкэ канул в вечность. Но несколько бывших придворных дам и дети, прижитые ими от рыбаков, стали проводить поминальный ритуал. Каждый год 24 апреля рыбаки, потомки клана Хэйкэ, облачаются в одежды из сурового холста и черные головные уборы и шествуют к часовне Акама, где в память об утонувшем императоре возвели мавзолей. Там разыгрывается действо, изображающее события, что последовали за битвой у Данноуры. Спустя столетия людей посещает видение призрачных самурайских армий, которые тщатся вычерпать море, чтобы очистить его от крови, позора и унижения.
Рыбаки говорят, что самураи Хэйкэ до сих пор скитаются по дну Внутреннего моря, обратясь в крабов. Иногда здесь вылавливают крабов, на спине которых обнаруживаются странные рельефные отметины, напоминающие лицо самурая. Таких крабов не едят, а отпускают в море в память о печальных событиях у Данноуры.
Легенда, о которой идет речь, поднимает интереснейшую проблему. Каким образом на панцире краба появляется лик воина? Похоже, это случилось благодаря людям. Рисунок на панцире краба — наследуемый признак. У крабов, как и у людей, существует много разных линий наследования. Предположим, что по чистой случайности среди далеких предков краба был один, на чьем панцире проступали, пусть и смутно, очертания человеческого лица. Даже до сражения у Данноуры рыбаки не слишком охотно употребляли в пищу таких крабов. Выбрасывая их в море, они запустили эволюционный процесс. Если ты краб с обычным панцирем, люди съедят тебя. И потомства по твоей наследственной линии будет меньше. Если же твой панцирь несет на себе изображение человеческого лица, тебя выбросят вон. И ты оставишь после себя больше потомства. Участь крабов была поставлена в зависимость от рисунка на панцире. По мере того как сменялись поколения крабов и рыбаков, выживало все больше ракообразных, чей панцирный узор походил на лицо самурая, и постепенно рисунок стал напоминать не просто человеческое лицо, и даже не просто лицо японца, но именно лицо жестокого и разгневанного воина. Все это никак не связано с тем, чего хотят крабы. Отбор был им навязан. Чем больше сходства с самураем, тем больше шансов выжить. В конце концов таких «самурайских» крабов развелось очень много.
Этот процесс называется искусственным отбором. В случае с крабами Хэйкэ он производился рыбаками более или менее бессознательно и уж конечно не осознавался самими крабами. Однако на протяжении тысячелетий люди целенаправленно выбирали, каким растениям и животным жить, а каким умирать. С детства нам привычны домашние животные и скот, фрукты, овощи и другие культурные растения. Откуда они появились? Может, существовали в диком виде, а затем были приспособлены к менее суровой жизни в человеческом хозяйстве? Вовсе нет. Большинство из них созданы нами.
Десять тысяч лет назад не было молочных коров, охотничьих собак, высокоурожайной кукурузы. Одомашнивая предков этих животных и растений — некоторые из них выглядели тогда совсем иначе, — мы управляли их размножением. Мы заботились о том, чтобы определенные разновидности, обладавшие нужными нам свойствами, пользовались преимуществом при воспроизводстве. Когда нам требовалась собака, которая помогала бы следить за овцами, мы отбирали для размножения наиболее смышленых и послушных особей, предрасположенных к управлению стадом — навык, весьма полезный для животных, охотящихся стаями. Огромное коровье вымя — результат человеческой потребности в молоке и сыре. Десять тысяч поколений потребовалось, чтобы вывести нашу вкусную и питательную кукурузу (маис) из хилых дикорастущих злаков; более того, изменения зашли так далеко, что теперь она даже не может воспроизводиться без вмешательства человека.
Суть искусственного отбора — для краба Хэйкэ, собаки, коровы или злака — состоит в следующем: многие физические свойства и особенности поведения растений и животных наследуются, воспроизводясь в потомстве. По тем или иным причинам человек поощряет воспроизведение одних разновидностей и препятствует размножению других. В результате отобранные разновидности получают повсеместное распространение, а те, против которых направлен отбор, становятся редкими и даже исчезают.
Но если люди могут создавать новые разновидности растений и животных, то не должна ли и природа делать то же самое? Соответствующий процесс называется естественным отбором. Тот факт, что на протяжении эонов жизнь претерпевала фундаментальные изменения, со всей очевидностью доказывают как метаморфозы, происшедшие со скотом и овощами за короткий срок владычества человека на Земле, так и останки ископаемых животных. Летопись окаменелостей неоспоримо свидетельствует о созданиях, некогда во множестве обитавших на нашей планете, но теперь полностью исчезнувших. Вымерших видов в истории Земли гораздо больше, чем ныне живущих. Это оконченные эксперименты эволюции.
Вызванные одомашниванием генетические изменения произошли очень быстро. Кролики не были домашними животными до начала Средневековья (их стали разводить французские монахи, считавшие, что новорожденный крольчонок — это рыба, а потому его мясо годится в пищу в постные дни); кофейное дерево окультурено в XV веке, сахарная свекла — в XIX веке; а норка в наши дни еще остается на самой начальной стадии одомашнивания. Менее чем за десять тысяч лет одомашнивание увеличило настриг шерсти от одной овцы с одного килограмма до десяти — двадцати, причем волокна стали тоньше и однороднее; надой молока от одной коровы в период лактации увеличился с нескольких сотен до миллиона кубических сантиметров. Если искусственный отбор позволяет добиться столь значительных изменений за такое короткое время, то на что же должен быть способен естественный отбор, действующий на протяжении миллиардов лет? Ответом может служить красота и разнообразие биологического мира. Эволюция — это факт, а не теория.
Открытие того, что естественный отбор есть механизм эволюции, — величайший шаг в познании, связанный с именами Чарлза Дарвина и Алфреда Рассела Уоллеса. Больше века назад они отметили, что природа чрезвычайно плодовита и родит гораздо больше животных и растений, чем имеют надежду выжить, а значит, окружающая среда отбирает те разновидности, которые по воле случая лучше приспособлены для выживания. Внезапные изменения наследственности — мутации — дают начало новым породам. Они поставляют эволюции сырой материал. Среда отбирает те немногие мутации, которые способствуют выживанию, и в результате серии медленных трансформаций, преобразующих одну форму жизни в другую, появляется новый вид.
В книге «Происхождение видов» Дарвин пишет:
В действительности человек не вызывает изменчивости; он только непреднамеренно помещает живые существа в новые условия жизни, а затем Природа начинает наводить порядок и пробуждает изменчивость. Однако среди вариаций, предлагаемых природой, человек может осуществлять выбор, и, делая это, он накапливает предпочтительные для него изменения. Таким образом он адаптирует животных и растения к собственным желаниям и целям. Делать это человек может целенаправленно, но может и бессознательно, просто сохраняя экземпляры, наиболее подходящие ему в данный конкретный момент, без всякой мысли изменить существующую породу. <…> Нет никаких причин, по которым закономерности, столь эффективно действующие среди домашних животных, не работали бы в Природе. <…> Особей рождается больше, чем может выжить. <…> Самое незначительное преимущество одного существа — любого возраста и в любом сезоне — над другим, с которым оно вступает в конкуренцию, или лучшее, пусть даже совсем ненамного, приспособление к окружающим физическим условиям будет менять баланс.
Т. Г. Гексли, самый активный защитник и популяризатор эволюции в XIX веке, писал, что публикации Дарвина и Уоллеса были «вспышкой света, которая человеку, заблудившемуся темной ночью, неожиданно озаряет дорогу, если и не ведущую прямо к дому, то указующую направление». И далее: «Когда я впервые овладел центральной идеей „Происхождения видов", мне подумалось: „Насколько же глупо было не догадаться об этом!" Полагаю, компаньоны Колумба говорили что-то подобное. <…> Примеров изменчивости, борьбы за существование, адаптации к окружающим условиям было известно более чем достаточно; но пока Дарвин и Уоллес не развеяли тьму, никто из нас не догадался, что путь к решению проблемы видового разнообразия пролегает именно здесь».
Многих людей шокировали — кое-кого шокируют и до сих пор — обе идеи, эволюция и естественный отбор. Наблюдая изящество земной жизни, приспособленность строения организмов к их функциям, наши предки усматривали в этом руку Великого Конструктора. Простейший одноклеточный организм — гораздо более сложная машина, чем самые хитрые карманные часы. Но ведь современные карманные часы не собираются спонтанно и не развились в ходе постепенной эволюции, скажем, от дедовских ходиков. Раз имеются часы, был и часовых дел мастер. Казалось, что атомы и молекулы не могут самопроизвольно соединиться в организмы той невероятной сложности и точно заданной функциональности, какие мы во множестве находим в любом районе Земли. Представления о том, что каждая форма жизни специально сконструирована, что один вид не может превратиться в другой, отлично согласовывались с теми знаниями о жизни, которыми располагали наши предки, крайне ограниченные в части сведений о естественной истории. Идея сотворения каждого организма Великим Конструктором наделяла природу смыслом и порядком и придавала человеческому существованию ту особую значимость, в которой мы испытываем нужду до сих пор. Конструктор — это естественное, привлекательное и универсальное человеческое объяснение биологического мира. Но, как показали Дарвин и Уоллес, существует другое объяснение, столь же привлекательное, столь же человеческое и гораздо более убедительное, — естественный отбор, который на протяжении эонов делает музыку жизни все более красивой.
Существование ископаемых можно примирить с идеей Великого Конструктора; возможно, некоторые виды были уничтожены, поскольку недовольный ими Конструктор предпринял новые эксперименты в попытке улучшить конструкцию. Однако это довольно неудачное объяснение. Каждое растение или животное — это совершенное творение; разве не должен был всезнающий Конструктор сразу создавать нужные разновидности? Ископаемые свидетельствуют о пробах и ошибках, о невозможности предвидеть будущее, что несовместимо с представлением о Великом Конструкторе (хотя и не противоречит возможности отдаленного или косвенного его участия).
Когда я был студентом колледжа в начале 1950-х годов, мне посчастливилось работать в лаборатории Г. Дж. Мёллера, великого генетика, человека, открывшего, что радиация вызывает мутации. Мёллер был первым, кто привлек мое внимание к крабу Хэйкэ как примеру искусственного отбора. Я потратил много месяцев на изучение практической генетики, работая с плодовыми мушками Drosophila melanogaster (что означает «чернотелые любители росы») — крошечными, безобидными существами, двукрылыми и пучеглазыми. Мы держали их в бутылках из-под молока и, скрещивая две разновидности, наблюдали, какие новые формы возникают в результате перераспределения родительских генов, естественных и спровоцированных мутаций. Самки откладывали яйца на определенном виде патоки, которую лаборанты помещали в бутылки; затем бутылки закупоривались, и мы две недели ждали, пока оплодотворенные яйца превратятся в личинки, личинки — в куколки, а куколки — в новых взрослых плодовых мушек. Однажды я разглядывал в слабый бинокулярный микроскоп новую партию взрослых дрозофил, обездвиженных небольшим количеством эфира, и сортировал их на разновидности кисточкой из верблюжьего волоса. К моему удивлению, я обнаружил нечто совершенно необычное: это была не просто небольшая вариация, вроде красного цвета глаз вместо белого или щетинок на шее там, где их прежде не росло. Это был другой и очень функциональный тип существа с гораздо более крупными крылышками и с длинными мохнатыми усиками. Я пришел к выводу, что судьбе было угодно преподнести редкий пример крупного эволюционного скачка за одно поколение. И надо же было такому случиться в лаборатории Мёллера, который категорически отрицал подобную возможность. А несчастье объявить ему об этом выпало именно мне.
С тяжелым сердцем я постучал в дверь его кабинета. «Входите!» — послышался приглушенный голос. Зайдя внутрь, я увидел, что вся комната погружена в темноту и лишь одна маленькая лампочка освещает предметное стекло микроскопа, за которым он работал. В такой мрачной обстановке мои объяснения прозвучали довольно сбивчиво. Я обнаружил совершенно новый тип мушки. Я уверен, что она появилась из куколки, которая была в патоке. Я не хотел доставлять беспокойство, но… «Она ведь больше похожа на Lepidoptera, чем на Diptera?» — спросил он. Его лицо было подсвечено снизу. Я понятия не имел, что это значит, и ему пришлось пояснить: «У нее большие крылья? И мохнатые усики?» Я угрюмо кивнул.
Мёллер включил верхний свет и добродушно ухмыльнулся. Это была старая история. Оказывается, существовал вид моли, который приспособился к условиям генетических лабораторий, работающих с дрозофилами. Он не имел ничего общего с плодовыми мушками и не проявлял к ним никакого интереса. Единственное, что ему было нужно, — это предназначенная для них патока. За то короткое время, которое требовалось лаборантам, чтобы откупорить и закупорить молочную бутылку (например, при добавлении в нее плодовых мушек), самка моли, подобно пикирующему бомбардировщику, успевала на лету сбросить яйца в питательную патоку. Я не открыл макромутацию. Просто я столкнулся с примером еще одного восхитительного приспособления в живой природе, которое появилось в результате микромутации и естественного отбора.
Секрет эволюции складывается из смерти и времени — из смерти огромного числа форм жизни, которым не удалось достаточно хорошо адаптироваться к окружающей среде, и из времени, необходимого для постепенного накопления длинной цепочки небольших мутаций, которые по чистой случайности оказываются благоприятными и способствуют адаптации. Неприятие выводов Дарвина и Уоллеса отчасти связано с тем, что трудно представить себе даже период в несколько тысяч лет, не говоря уж о целых зонах. Что может значить срок в семьдесят миллионов лет для существ, чья жизнь в миллион раз короче? Мы подобны бабочкам-подёнкам, выпорхнувшим в мир на день и полагающим, что это и есть вечность.
Случившееся на Земле может быть более или менее типичным для эволюции жизни во многих мирах; но вполне может статься, что в таких частностях, как химия протеинов или физиология мозга, история развития земной жизни уникальна для нашей Галактики. Земля сконденсировалась из межзвездных газа и пыли примерно 4,6 миллиарда лет назад. Древнейшие окаменелости говорят нам, что уже вскоре после этого, где-то около 4 миллиардов лет назад, в первобытных океанах зародилась жизнь. По сложности своего устройства первые живые объекты намного уступали одноклеточным организмам, представляющим собой уже весьма изощренную форму жизни. Проявления жизни были тогда гораздо скромнее. Грозовые разряды и ультрафиолетовое излучение Солнца расщепляли простые богатые водородом молекулы первичной земной атмосферы на фрагменты, которые затем, объединяясь случайным образом, порождали все более и более сложные молекулы. Продукты этой древней химической фабрики растворялись в океанах, образуя своего рода органический бульон, состав которого постоянно усложнялся, пока в один прекрасный день совершенно случайно не появилась молекула, способная воспроизвести свою собственную грубую копию, используя в качестве строительных блоков другие молекулы бульона. (В дальнейшем мы еще вернемся к данной теме.)
Это был древнейший прообраз дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) — главной молекулы жизни на Земле. По форме ДНК напоминает скрученную в спираль веревочную лестницу, перекладинами которой служат молекулярные конструкции четырех разных типов, соответствующих четырем буквам генетического кода. Эти перекладины, называемые нуклеотидами, кодируют наследуемую инструкцию по созданию того или иного организма. Каждая форма жизни на Земле имеет свой набор инструкций, записанных, впрочем, на одном и том же языке. Источник различия организмов кроется в различии их нуклеотидных инструкций. Мутация — это изменение нуклеотидов, которое воспроизводится в следующем поколении, образуя линию наследования. Будучи случайными изменениями нуклеотидов, мутации в большинстве своем вредны или даже смертельны, так как приводят к появлению бесполезных энзимов. Требуется немалое время, чтобы случилась мутация, улучшающая работу организма. И тем не менее движущей силой эволюции служат именно эти невероятные события — едва заметные полезные мутации нуклеотидов, поперечник которых составляет одну десятимиллионную долю сантиметра.
Четыре миллиарда лет назад Земля была молекулярным Эдемом. Здесь еще не водилось хищников. Отдельные молекулы медленно самовоспроизводились, конкурируя за строительные блоки и порождая грубые копии самих себя. Однако эволюционный процесс, пусть и на молекулярном уровне, уже начался благодаря самовоспроизведению, мутациям и отсеву наименее эффективных разновидностей. Со временем точность воспроизведения увеличивалась. Молекулы с различными специальными функциями объединялись, образуя своеобразный молекулярный коллектив — первую клетку. Клетки современных растений содержат крошечные молекулярные фабрики, называемые хлоропластами, которые отвечают за фотосинтез — преобразование солнечного света, воды и углекислого газа в углеводы и кислород. В клетках капли крови имеются молекулярные фабрики другого типа — митохондрии, которые, окисляя питательные вещества, извлекают необходимую для жизнедеятельности энергию. В наше время эти фабрики входят в состав растительных и животных клеток, но, возможно, когда-то они сами были свободноживущими клетками.
Около трех миллиардов лет назад несколько одноклеточных растений объединились по какой-то причине, возможно из-за мутации, которая препятствовала разъединению клеток, образовавшихся после деления. Так началась эволюция многоклеточных организмов. Каждая клетка вашего тела — это своего рода сообщество, которое объединило ради общего блага некогда самостоятельные живые элементы. А состоите вы из сотен триллионов клеток. Все мы, каждый из нас — это множество.
Разделение полов, похоже, произошло около двух миллиардов лет назад. Прежде новые разновидности организмов могли появляться только в результате накопления случайных мутаций. Отбор изменений в генетических инструкциях происходил буква за буквой. Эволюция должна была протекать мучительно медленно. С появлением полов два организма смогли обмениваться целыми абзацами, страницами, томами своего ДНК-кода, порождая новые разновидности, готовые пройти решето естественного отбора. Организмы выбрали половой путь развития; те, что проигнорировали эту возможность, очень быстро вымерли. И это относится не только к микробам, жившим два миллиарда лет назад. Мы, люди, тоже испытываем тягу к обмену сегментами своих ДНК.
Около миллиарда лет назад жизнедеятельность растений привела к поразительным изменениям среды обитания на Земле. Зеленые растения производят молекулярный кислород. Поскольку океаны были, как и теперь, густо населены простыми зелеными растениями, кислород становился главной составляющей земной атмосферы, необратимо изменяя ее первоначальный, богатый водородом состав и приближая конец той эпохи в истории Земли, когда живая материя порождалась небиологическими процессами. Кислород способствует расщеплению органических молекул. Несмотря на наше пристрастие к нему, в своей основе он является ядом для всякой незащищенной органической материи. Переход к окисляющей атмосфере стал величайшим кризисом в истории жизни, в результате которого погибло огромное множество организмов, неспособных справиться с кислородом. В наши дни существуют лишь немногочисленные примитивные формы жизни, такие как ботулизм и бациллы столбняка, выживающие только в бескислородной среде. Азот в земной атмосфере химически гораздо более инертен и потому намного менее опасен, чем кислород. Однако и он поставляется биологическими процессами. Таким образом, 99 процентов земной атмосферы имеет биологическое происхождение. Наше небо было создано жизнью. В течение четырех миллиардов лет от зарождения жизни доминирующими организмами оставались микроскопические синезеленые водоросли, которые покрывали и заполняли океаны. Затем, около 600 миллионов лет назад, монополия этих водорослей была нарушена, и появилось невероятное изобилие новых форм жизни — событие, получившее название кембрийского взрыва. Живая материя возникла почти сразу после образования Земли, и это позволяет предположить, что жизнь, возможно, есть химический процесс, с неизбежностью возникающий на планетах земного типа. Однако три миллиарда лет эволюция не шла дальше синезеленых водорослей, и это заставляет думать, что развитие живой материи в крупные формы со специализированными органами — задача куда более трудная, чем даже само появление жизни. Быть может, существует множество заселенных микробами планет, где не встретишь больших животных и растений.
Вскоре после кембрийского взрыва океаны уже кишели многочисленными и разнообразными формами жизни. Около 500 миллионов лет назад в них обитали огромные полчища трилобитов — замечательно устроенных животных, отдаленно напоминавших насекомых; некоторые из них охотились стаями на дне океана. Кристаллическое вещество в их глазах позволяло им различить поляризацию света. Однако в наши дни живых трилобитов больше нет; вот уже 200 миллионов лет, как они вымерли. Землю неоднократно заселяли растения и животные, от которых в современной флоре и фауне не осталось и следа. И конечно же видов, населяющих Землю сейчас, в далеком прошлом тоже не было. Среди древних окаменелостей нет и намека на подобных нам животных. Виды появляются, живут какое-то время, а затем угасают. Похоже, что до кембрийского взрыва виды сменяли друг друга относительно медленно. Отчасти, наверное, такое впечатление складывается из-за того, что чем дальше мы углубляемся в прошлое, тем скуднее становится доступная нам информация; лишь немногие организмы на ранних этапах истории нашей планеты имели твердые органы, а мягкие ткани почти не оставляют ископаемых останков. Однако отчасти представление о том, что до кембрийского взрыва принципиально новые формы жизни появлялись редко, соответствует действительности; тончайшие эволюционные изменения в структуре и биохимии клетки не находят непосредственного отражения во внешних формах, фиксируемых окаменелостями. После кембрийского взрыва новые изощренные акты приспособления следовали друг за другом со скоростью, от которой захватывает дух. В стремительной череде превращений появились первые рыбы и позвоночные; растения, прежде обитавшие только в океанах, начали колонизировать сушу; народилось первое насекомое, и его потомки стали пионерами в освоении земной тверди среди животных; крылатые насекомые вывелись одновременно с амфибиями, существами, которые, подобно двоякодышащим рыбам, способны жить и на земле, и в воде; выросли первые деревья и рептилии; расплодились динозавры; возникли млекопитающие, а вслед за ними первые птицы; увидели свет первые цветы; динозавры исчезли с лица Земли; первые китообразные, предки современных дельфинов и китов, пришли в мир одновременно с приматами, пращурами обезьян и человека. Первые подобия человека, со значительно увеличенным объемом мозга, обрели плоть меньше десяти миллионов лет назад. И всего несколько миллионов лет назад появились первые настоящие люди.
Человеческий род взращен в лесах, и мы питаем естественное влечение к зеленым кущам. Как чудесно дерево, устремленное к небу! Его листья собирают солнечный свет, необходимый для фотосинтеза, и потому деревья соперничают, затеняя соседей. Часто, приглядевшись, можно заметить, как два дерева с медлительной грациозностью борются друг с другом. Деревья — это замечательные механизмы, которые у солнца берут энергию, у почвы — воду, у воздуха — углекислый газ и все это превращают в пищу для себя и для нас. Созданные ими углеводы растения используют в качестве источника энергии для своих, растительных нужд. А мы, животные, паразитирующие на растениях, воруем углеводы для достижения наших собственных целей. Поедая растения, мы соединяем углеводы с кислородом, растворенным в нашей крови благодаря дыханию, и таким образом извлекаем энергию, позволяющую нам двигаться. По ходу дела мы выдыхаем углекислый газ, который растения вновь превращают в углеводы. Какая изумительная кооперация: растения дышат тем, что выдыхают животные, и наоборот! Этакий изящный всепланетный цикл взаимного питания, который поддерживается энергией звезды в 150 миллионах километров от нас.
Известны десятки миллиардов типов органических молекул. Но лишь около пятидесяти из них участвуют в фундаментальных процессах жизнедеятельности. Одни и те же схемы снова и снова используются с изобретательностью и экономным консерватизмом для разных функций. В самой основе земной жизни — протеинах, управляющих клеточной химией, и нуклеиновых кислотах, несущих наследственные инструкции, — мы обнаруживаем молекулы, одинаковые у всех растений и животных. И дуб, и я сделаны из одного материала. Если мы заглянем достаточно далеко в прошлое, то найдем нашего общего предка.
По сложности и красоте устройства живая клетка не уступает царству звезд и галактик. Ее тщательно отлаженный механизм совершенствовался миллиардами лет эволюции. Фрагменты пищи причудливым образом превращаются в работающие клеточные структуры. Сегодняшние белые кровяные тельца — это вчерашнее пюре из шпината. Как подобное удается клетке? Внутри нее находится сложнейшая самоподдерживающаяся структура, которая преобразует молекулы, запасает энергию и готовится к самовоспроизведению. Попав внутрь клетки, мы увидели бы многочисленные пятна-молекулы, в основном протеины, некоторые в состоянии бешеной активности, другие — в ожидании чего-то. Самые важные протеины — энзимы. Эти молекулы управляют химическими реакциями в клетке. Энзимы подобны сборщикам у конвейера — каждый специализируется на какой-то отдельной молекулярной операции: один выполняет, например, шаг 4 в процессе конструирования нуклеотида гуанозинфосфата, другой — шаг 11 в процессе расщепления молекулы сахара в целях извлечения энергии, универсальной валюты, которой расплачиваются за выполнение всех остальных работ в клетке. Однако не энзимы заказывают музыку. Они получают инструкции и сами создаются по указаниям свыше. Молекулы-начальники — это нуклеиновые кислоты. Они живут изолированно в запретном городе в самой сердцевине клетки — ее ядре.
Просочась сквозь поры клеточного ядра, мы обнаружим что-то вроде последствий взрыва на фабрике спагетти — множество беспорядочно разбросанных нитей и спиралей, представляющих собой два типа нуклеиновых кислот: ДНК, которая знает, что следует делать, и РНК, которая доставляет инструкции от ДНК к остальным элементам клетки. Это лучшее, что смогла произвести эволюция за четыре миллиарда лет, здесь собрана полная информация о том, как создать клетку, дерево или человека. Объем информации, заключенной в ДНК человека, таков, что, если изложить ее обычным языком, она составит сотню толстых фолиантов. Но что особенно важно, молекулы ДНК умеют создавать точные (за очень небольшими исключениями) копии самих себя. Они действительно знают чрезвычайно много.
ДНК представляет собой двойную спираль, две перекрученные нити, напоминающие спиральную веревочную лестницу. В ходе воспроизведения нити разделяются при помощи специального раскручивающего протеина, а затем каждая нить синтезирует идентичную копию из строительных блоков — нуклеотидов, плавающих вокруг в вязкой жидкости клеточного ядра. Когда процесс раскручивания запущен, замечательный энзим, называемый ДНК-полимеразой, следит за тем, чтобы копирование протекало с почти идеальной точностью. Если случается ошибка, специальные энзимы вырезают дефект и заменяют ошибочный нуклеотид правильным. Эти энзимы — молекулярные машины потрясающих возможностей.
Помимо создания точной своей копии — чем обеспечивается наследственность — ядерные ДНК управляют всей деятельностью клетки — ее метаболизмом — путем синтеза других нуклеиновых кислот, информационных РНК, каждая из которых, покинув ядро, в нужное время и в нужном месте управляет созданием одной молекулы того или иного энзима. Созданная молекула будет теперь отвечать за определенный аспект клеточной химии.
ДНК человека — это лестница длиной в миллиарды нуклеотидов. Большинство их возможных комбинаций совершенно бессмысленны: они бы привели к синтезу протеинов, не выполняющих никаких полезных функций. Лишь крайне малое число молекул нуклеиновой кислоты годится для форм жизни, столь сложных, как мы с вами. И все же число возможных полезных комбинаций нуклеотидов невероятно велико — оно во много раз превосходит количество протонов и электронов во всей Вселенной. А значит, число человеческих индивидуальностей, которые могли бы существовать, неизмеримо превосходит число всех когда-либо живших людей; человеческий род обладает громадным невостребованным потенциалом. Должны существовать такие комбинации нуклеиновых кислот, которые станут работать намного лучше — какой критерий ни выбери, — чем любой из когда-либо существовавших человеческих организмов. К счастью, мы пока не знаем, как построить альтернативную последовательность нуклеотидов, чтобы вывести новый тип человеческих существ. Возможно, в будущем мы научимся собирать нуклеотиды в любой желаемой последовательности и добиваться каких угодно требуемых характеристик — реалистичная, но тревожная перспектива.
Эволюция совершается через мутации и отбор. Мутации могут происходить в ходе репликации ДНК, когда энзим ДНК-полимераза допускает ошибку. Однако ошибается он очень редко. Мутации также случаются под действием радиации, ультрафиолетового излучения Солнца, космических лучей или содержащихся в окружающей среде химикатов. Такие воздействия способны изменить отдельные нуклеотиды и даже завязать нуклеиновые кислоты узлом. Если темп мутаций становится слишком высоким, мы теряем то, что накопили за четыре миллиарда лет тщательного эволюционного отбора. Если он слишком низок, то перестают появляться новые разновидности, которые могли бы приспособиться к будущим изменениям окружающей среды. Эволюция жизни требует более или менее точного баланса между мутациями и отбором. Когда этот баланс достигнут, появляются замечательные приметы адаптации.
Изменение в отдельном нуклеотиде ДНК приводит к изменению одной аминокислоты в протеине, который эта ДНК кодирует. Красные кровяные тельца людей европеоидной расы имеют форму, близкую к сферической. А у некоторых представителей негроидной расы они напоминают по форме ущербную луну. Серповидные клетки переносят меньше кислорода и потому ведут к анемии определенного рода. Но зато они обеспечивают высокую сопротивляемость малярии. Вряд ли кто-то станет спорить, что лучше страдать анемией, чем умереть от малярии. Это весьма существенное различие в свойствах крови — разницу можно без труда заметить на фотографиях красных кровяных телец — является результатом изменения всего лишь одного нуклеотида из десяти миллиардов, составляющих ДНК типичной человеческой клетки. Мы все еще не знаем, каковы могут быть последствия изменений в большей части других нуклеотидов.
Внешне мы, люди, совсем не похожи на деревья. Без сомнения, мы иначе воспринимаем окружающий мир. Однако в самой глубине, в молекулярном сердце жизни, мы и деревья суть одно и то же. Наша наследственность обеспечивается нуклеиновыми кислотами; химией наших клеток управляют протеины в роли энзимов. Но самое главное, для перевода информации, содержащейся в нуклеиновых кислотах, в информацию протеинов используется одна и та же кодовая книга, общая практически для всех живых созданий на планете. Обычно это молекулярное единство объясняют тем, что все мы: деревья и люди, морской черт (удильщик) и плесенный грибок, а также парамеция — ведем свое происхождение от одного общего предка, одного экземпляра, давшего начало жизни в древней истории планеты. Но как же впервые появились эти наиважнейшие молекулы?
В лаборатории Корнеллского университета мы среди прочего занимались предбиологической органической химией, пытаясь сыграть отдельные ноты музыки жизни. Мы пропускали электрическую искру через смесь водорода, водяного пара, аммиака, метана, сероводорода — газов, составлявших атмосферу первобытной Земли. Все они, между прочим, присутствуют в наше время в атмосфере Юпитера и встречаются в космосе. Искра имитировала грозовые разряды, также характерные для древней Земли и современного Юпитера. Первоначально сосуд был полностью прозрачен: исходные газы совершенно невидимы. Однако через десять минут пропускания через него электрических разрядов мы замечали странный коричневый налет, медленно оседающий на стенках сосуда. Постепенно толстый слой бурого дегтя совершенно скрывал происходящее внутри. При использовании ультрафиолетового излучения, моделирующего свет молодого Солнца, результат получался более или менее таким же. Деготь представлял собой чрезвычайно богатую смесь сложных органических молекул, включая составные части протеинов и нуклеиновых кислот. Оказалось, что получить материал, из которого построена жизнь, очень легко.
Подобные эксперименты впервые проделал в начале 1950-х Стенли Миллер, который был тогда аспирантом у химика Гарольда Юри. Юри приводил убедительные аргументы в пользу того, что в первичной атмосфере Земли, как и почти везде во Вселенной, преобладал водород, что впоследствии водород с Земли постепенно диссипировал (рассеялся) в космос, чего не случилось на массивном Юпитере, и что жизнь возникла до того, как водород был потерян. После того как Юри предложил пропустить через подобную смесь газов электрический разряд, кто-то спросил у него, какие продукты он ожидает получить в таком эксперименте. Юри ответил: «Бейльштейна». «Бейльштейн» — это громадный 28-томный немецкий компендиум, перечисляющий все известные химикам органические молекулы.
Используя только наиболее широко распространенные на древней Земле газы и практически любой источник энергии, способный разрушать химические связи, мы смогли получить основные строительные блоки жизни. Но в нашем сосуде звучали лишь отдельные ноты музыки жизни, а не сама музыка. Молекулярные строительные блоки необходимо еще расположить в правильном порядке. Жизнь, конечно, нечто большее, чем аминокислоты, из которых состоят протеины, или нуклеотиды — составляющие нуклеиновых кислот. Но даже формирование из этих строительных блоков длинных молекул-цепочек являло собой значительный прогресс в экспериментах. В условиях, близких к тем, что были на древней Земле, аминокислоты объединялись в молекулы, напоминающие протеины. Некоторые из них могли хотя и очень слабо, влиять на полезные химические реакции, подобно тому как это делают энзимы. Нуклеотиды составляли нити нуклеиновой кислоты длиной в десятки блоков. При благоприятных условиях в лабораторной пробирке короткая молекула нуклеиновой кислоты может синтезировать идентичную себе копию.
И все же никому пока не удалось, смешивая газы и воды первобытной Земли, добиться, чтобы в конце эксперимента из лабораторной колбы выползло нечто живое. Мельчайшие известные живые объекты — вироиды — состоят менее чем из 10 000 атомов. Они вызывают целый ряд различных болезней у культурных растений и вывелись, вероятно, относительно недавно из более сложных, а не из более простых организмов. В самом деле, трудно представить себе еще более простые организмы, которые являлись бы хоть в каком-то смысле живыми. Вироиды состоят из одной только нуклеиновой кислоты, в отличие от вирусов, которые также имеют протеиновую оболочку. Они представляют собой всего-навсего единичную нить РНК линейной или кольцевой формы. Вироидам удается быть столь маленькими и все-таки процветать, потому что они законченные паразиты. Подобно вирусам, они просто завладевают молекулярными машинами гораздо более крупной и хорошо работающей клетки и превращают ее из фабрики, производящей новые клетки, в фабрику вироидов.
Наименьшими из известных свободноживущих организмов являются плевропневмоние подобные организмы и близкие к ним. Они состоят примерно из пятидесяти миллионов атомов. Такие организмы, вынужденные в большей степени полагаться на себя, намного сложнее вироидов и вирусов. Однако сегодня земная среда обитания не слишком благоприятна для простых форм жизни. Приходится много работать, чтобы выжить. Приходится беречься от хищников. Однако в начальный период истории нашей планеты, когда в богатой водородом атмосфере солнечный свет порождал огромное количество органических молекул, шансы выжить были даже у самых простых непаразитических организмов. Первым живым существом могло оказаться что-то вроде свободноживущего вироида длиной всего в несколько сотен нуклеотидов. Эксперименты по созданию подобных существ могут начаться уже в конце ХХ века. Многое еще предстоит понять о происхождении жизни, и в том числе — о возникновении генетического кода. Однако мы проводим подобные эксперименты всего лишь около трех десятилетий. У природы была фора в четыре миллиарда лет. Во всяком случае, мы продвигаемся довольно неплохо.
Во всех этих экспериментах нет ничего специфически земного. Исходные газы и источники энергии весьма обычны для Космоса. Химические реакции, подобные тем, что происходили в нашей лаборатории, могут быть причиной появления органического вещества в межзвездном пространстве, а также источником аминокислот, обнаруженных в метеоритах. В чем-то похожие химические процессы, должно быть, протекали в миллиардах других миров по всему Млечному Пути. Молекулы жизни заполняют Космос.
Но даже если инопланетная жизнь основана на той же молекулярной химии, что и у нас, вряд ли стоит ожидать появления организмов, похожих на те, что нам знакомы.
Посмотрите, как невероятно разнообразны живые существа Земли, населяющие одну планету и имеющие общую молекулярно-биологическую основу. Те, другие животные и растения, вероятно, кардинальным образом отличаются от знакомых нам земных организмов. Возможны некоторые, эволюционные параллели, поскольку не исключено, что та или иная задача приспособления к окружающей среде имеет единственное наилучшее решение — к примеру, что-нибудь вроде двух глаз для бинокулярного зрения в оптическом диапазоне. Однако в целом случайный характер эволюционного процесса должен сделать внеземную жизнь отличной от всего, что мы знаем.
Я не могу сказать, как будут выглядеть внеземные существа. Меня крайне ограничивает тот факт, что я знаком только с одним типом жизни — с жизнью на Земле. Некоторые люди — писатели-фантасты и художники, например, — выдвигали предположения относительно облика обитателей других миров. Я скептически отношусь к большинству этих внеземных фантазий. Они кажутся мне слишком похожими на те формы жизни, с которыми мы уже знакомы. Любой конкретный вид организмов стал таким, какой он есть, в результате длинной цепочки отдельных маловероятных шагов. Не думаю, что жизнь где бы то ни было обретет форму рептилии, или насекомого, или человека — пусть даже с такими незначительными, косметическими поправками, как зеленая кожа, остроконечные уши или антенны. Но, если бы вы настаивали, я мог бы попытаться вообразить что-нибудь совершенно другое.
На гигантской планете, вроде Юпитера, с атмосферой, богатой водородом, гелием, метаном, водяными парами и аммиаком, твердая поверхность недосягаема, однако существуют довольно плотные облачные слои, в которые органические молекулы могут падать с неба, будто манна небесная, как это получалось с продуктами наших лабораторных экспериментов. Есть на такой планете и характерная помеха для жизни: атмосфера турбулентна и в нижних своих слоях разогрета до очень высоких температур. Организмы должны остерегаться того, чтобы их не унесло вниз и не поджарило.
Дабы показать, что жизнь вовсе не исключена на таких совершенно отличных от Земли планетах, мы с коллегой по Корнеллу Э. Э. Солпитером проделали некоторые вычисления. Конечно, мы не можем точно знать, на что будет похожа жизнь в подобном месте, однако нам хотелось рассмотреть, в рамках известных законов физики и химии, может ли мир такого типа в принципе быть обитаемым.
Один из способов сохранить жизнь в описанных условиях — произвести потомство, прежде чем изжариться, и надеяться, что конвекция вынесет некоторых твоих отпрысков в более высокие и холодные слои атмосферы. Такие организмы могут быть очень маленькими. Мы назвали их синкерами (от англ. sinker — грузило. — Пер.). Однако можно также стать и флоатером (от англ. float — плавать. — Пер.) — огромным водородным баллоном, который откачивает наружу гелий и другие более тяжелые газы, оставляя внутри себя только легчайший газ — водород; другой вариант — баллон с горячим воздухом, сохраняющий плавучесть за счет поддержания внутри себя высокой температуры, на что тратится энергия, получаемая с пищей. Как и в случае с привычными нам земными воздушными шарами, чем глубже погружается флоатер, тем больше становится подъемная сила, возвращающая его в верхние, более прохладные и безопасные области атмосферы. Флоатер может питаться образующимися в атмосфере органическими молекуламиили вырабатывать их самостоятельно, используя солнечный свет и воздух, подобно тому как это делают растения на Земле. Надо заметить, что чем больше будут размеры флоатера, тем жизнеспособнее он окажется. Мы с Солпитером представляли себе флоатеров поперечником в несколько километров — величиной с целый город, намного крупнее самых больших из когда-либо существовавших китов.
Флоатеры могут передвигаться в атмосфере, испуская струи воздуха, на манер реактивного самолета или ракеты. Мы воображали их скученными в огромные ленивые стада, которые простираются, насколько хватает глаз, с характерной защитной окраской, свидетельствующей, что они тоже сталкиваются с проблемами. Потому что в рассматриваемой среде существует по меньшей мере еще одна экологическая ниша — охота. Хантеры (от англ. hunter — охотник. — Пер.) — существа быстрые и подвижные. Они охотятся на флоатеров не только ради их органики, но и ради запасаемого ими чистого водорода. Пустотелые синкеры вполне могли эволюционировать в первых флоатеров, а самодвижущиеся флоатеры — в первых хантеров. Хантеров не может быть слишком много, поскольку в противном случае они поглотили бы всех флоатеров и погибли бы сами.
Физика и химия допускают существование таких форм жизни. Искусство наделяет их неким очарованием. Природа, конечно, не обязана следовать нашим умозрениям. Но если в Галактике существуют миллиарды обитаемых миров, то, возможно, среди них найдется несколько населенных синкерами, флоатерами и хантерами, которых мы выдумали, оставаясь в рамках законов физики и химии.
Биология больше похожа на историю, чем на физику. Чтобы понять настоящее, нужно знать прошлое. И знать во всех подробностях. Нет еще такой биологической теории, которая позволяла бы делать предсказания, так же как нет ее и в исторической науке. Причина здесь общая: обе дисциплины пока слишком сложны для нас. Но разобравшись в других примерах, мы способны лучше узнать самих себя. Изучение даже одного образчика внеземной жизни, сколь бы скромным он ни был, избавит биологию от провинциальности. Прежде всего, биологи узнают, какие иные формы жизни возможны. Говоря о важности поиска внеземной жизни, мы не обещаем, что найти ее будет просто, — только гарантируем, что поиски того стоят.
Пока мы слышали голос жизни только в одном маленьком мире. Но мы наконец начали прислушиваться к другим голосам космической фуги.
